JP2006043750A - ろう付け材及びそれを用いたろう付け製品 - Google Patents

Abstract

【課題】 特にろう付け時の取り扱い性に優れ、かつ耐食性に優れたろう付け材を提供する。
【解決手段】 ろう材を介して他の部材にろう付け接合するために用いるろう付け材１において、芯材２と、その芯材２を被覆する少なくとも１層からなる被覆材３とで構成され、芯材２及び被覆材３を組み合わせ、合金化することによって合金の融点が最外層を構成する被覆材３の融点よりも低くなる金属あるいは合金で構成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ろう付け機能を有し、特にろう付け時の取り扱い性の向上を図ったろう付け材及びそれを用いたろう付け製品に関する。

ステンレス鋼やＮｉ基およびＣｏ合金などの部品のろう付け材（ろう材）として、接合部の耐食性に優れる各種Ｎｉろうに、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金のうち選ばれた金属粉末を４〜２５ｗｔ．％添加して構成されるＮｉろう材が提案されている。

また、自己ろう付け性複合材を作る方法として、Ｎｉ−Ｔｉ複合材の製造方法がある（例えば、特許文献１参照）。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平７−２９９５９２号公報 特開２０００−１０７８８３号公報

しかしながら、特許文献２に記載されているＮｉろう材、及びＪＩＳ記載のＮｉろう材は、粉末状であるため、接合部毎に粉末ろう材を塗布する作業が必要になる。よって、多大な労力を費やし、製品の生産性が著しく悪く、高コストな製品とならざるを得ない。また、同じくＪＩＳに記載のアモルファスＮｉろう材は非常に脆いため、加工及びろう付け組み立て時の取り扱いが難しく、製造コストが高い。

特許文献１に記載のＮｉ−Ｔｉ複合材は、板状であるため、特定形状のろう付け部には使用できない。

そこで、本発明の目的は、特にろう付け時の取り扱い性に優れ、かつ耐食性に優れたろう付け材及びそれを用いたろう付け製品を提供することにある。

本発明者らは、上記の目的を達成するため、高耐食性を有し、さらにろう付け（ろう付）作業コストを大幅に低減させるろう付け材の構成について鋭意研究の上、種々検討した結果、ろう材としての材料を所定の構成に選定したろう付け材に関する本発明を完成するに至った。

また、本発明者らは、上記のろう付け材を用いて組み立てたろう付け製品に関する本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１の発明は、ろう材を介して他の部材にろう付け接合するために用いるろう付け材において、芯材と、その芯材を被覆する少なくとも１層からなる被覆材とで構成され、上記芯材及び上記被覆材を組み合わせ、合金化することによって合金の融点が最外層を構成する被覆材の融点よりも低くなる金属あるいは合金で構成したろう付け材である。

請求項２の発明は、ろう材を介して他の部材にろう付け接合するために用いるろう付け材において、芯材と、その芯材を被覆する少なくとも最外層がＮｉあるいはＮｉ合金からなる被覆材とで構成され、上記芯材及び上記被覆材を組み合わせ、合金化することによって合金の融点がＮｉあるいはＮｉ合金の融点よりも低くなる金属あるいは合金で構成したろう付け材である。

請求項３の発明は、上記被覆材がＮｉあるいはＮｉ合金からなる層で構成される請求項１または２記載のろう付け材である。

請求項４の発明は、上記被覆材が上記芯材側から順に、ＡｌあるいはＡｌ合金からなる層と、ＮｉあるいはＮｉ合金からなる層とで構成される請求項１または２記載のろう付け材である。

請求項５の発明は、上記芯材がＡｌあるいはＡｌ合金、ＴｉあるいはＴｉ合金、ＣｕあるいはＣｕ合金である請求項１〜４いずれかに記載のろう付け材である。

請求項６の発明は、上記芯材、あるいは被覆材がＰを０．０２〜１０重量％含む請求項１〜５いずれかに記載のろう付け材である。

請求項７の発明は、全体が球形状あるいは楕円球形状である請求項１〜６いずれかに記載のろう付け材である。

請求項８の発明は、全体が球形状であり、全体の直径が５〜２０ｍｍである請求項１〜７いずれかに記載のろう付け材である。

請求項９の発明は、請求項１〜８いずれかに記載されたろう付け材を用いて組み立てたろう付け製品である。

本発明によれば、特にろう付け時の取り扱い性に優れ、かつ耐食性に優れるという顕著な効果を発揮する。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な第１の実施の形態を示すろう付け材の横断面図である。

図１に示すように、第１の実施の形態に係るろう付け材（複合ろう付け材）１は、芯材２と、その芯材２の全周を被覆する１層からなる被覆材（被覆層）３とが複合一体化されて構成され、芯材２及び被覆材３を組み合わせ、合金化することによって合金の融点が最外層を構成する被覆材３（ここでは単に被覆材３）の融点よりも低くなる金属あるいは合金で構成したものである。

芯材２としては、例えば、ＡｌあるいはＡｌ合金、ＴｉあるいはＴｉ合金、ＣｕあるいはＣｕ合金の内、いずれかを用いる。第１の実施の形態では、これらいずれかの金属で塊状体としての球形状に形成した芯材２を用いた。

被覆材３は、例えば、ＮｉあるいはＮｉ合金からなる層で構成される。被覆材３の形成は、めっき法の他、スパッタ法、溶射などで行う。第１の実施の形態では、球形状の芯材２を殻体としての被覆材３で覆っているので、全体（ろう付け材１自体）が塊状体としての球形状となる。

全体が球形状の場合、全体の直径を５〜２０ｍｍにする。これは、直径が５ｍｍ未満の場合、従来の板形状のろう付け材と比較して、ろう付け材１が球形状などの塊状体であることの特徴（メリット）が出ず、また、粉末状に近くなるため、取り扱い性が悪くなるからである。また、直径が２０ｍｍを超える場合、芯材２の直径が大きくなったり、被覆材３の厚さ（２層以上の場合は、被覆材の各層の厚さ）が厚くなったりすることで、芯材２や被覆材３を構成する成分が均等に混ざり合いにくくなり、接合部の強度低下につながるからである。

また、ろう付け材１の組成は、芯材２及び被覆材３の組成、芯材２の直径及び被覆材３の厚さを適宜調整することで、種々変更が可能である。

次に、ろう付け材１のろう付け方法を説明する。

ろう付け材１は、例えば、図５に示すように、ろう付け材１自体を介して他の部材５１，５２同士をろう付け接合（加工）するために用いられる。

一方の他の部材５１は、ステンレス鋼で棒状あるいはワイヤ状に形成される。他方の他の部材５２は、ステンレス鋼で形成され、棒状あるいはワイヤ状に形成された棒状部５２ｄと、その棒状部５２ｄの一端に設けられて有底円筒状に形成された円筒状部５２ｕとで一体に構成される。円筒状部５２ｕの一端には、一方の他の部材５１の径よりも若干大きい径を有する接合用穴５３が形成される。

まず、他の部材５２の接合用穴５３にろう付け材１を入れる。ろう付け材１の径は、接合用穴５３の径よりも若干小さく形成される。ろう付け材１を入れた接合用穴５３に他の部材５１の他端を挿入し、他の部材５２、ろう付け材１、他の部材５１を接触させる。

この状態で所定の温度プロファイルを有する熱処理パターンにしたがい、ろう付け作業を実施すれば、ろう付け材１が被覆材３の融点よりも低い温度で合金化するため、他の部材５１，５２が耐えられる（食われない）温度であっても、他の部材５１，５２同士がろう付け接合される。

このろう付け方法を用いて、ろう付け材１を介して他の部材５１，５２同士をろう付け接合し、所定の形状に加工するなどして組み立てれば、例えば、熱交換器（排ガス再循環装置（ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ））用クーラや燃料電池改質器用クーラなど）および燃料電池用部材などのろう付け製品が得られる。

第１の実施の形態の作用を説明する。

ろう付け材１は、芯材２がＡｌあるいはＡｌ合金、ＴｉあるいはＴｉ合金、ＣｕあるいはＣｕ合金であり、被覆材３がＮｉあるいはＮｉ合金からなる層で構成される。

高耐食性を有していても金属単体では高融点であるため、ろう材として機能できないＮｉやＴｉなどの金属であっても、ろう付け材１は、それらの金属を芯材２と被覆材３との積層体（複合材）として組み合わせることで、ろう付け時にろう付け材１の融点が被覆材３よりも下がるため、例えば、１２００℃近傍の温度であっても、ろう付けが可能となる。したがって、耐食性に優れたろう付け材１をろう材として利用できる。

また、ろう付け材１は、芯材２と被覆材３とを複合一体化させた塊状体であるため、従来の粉末Ｎｉろう材に比べて、加工及びろう付け組み立て時の取り扱いが簡単であり、ろう付け材１自体やろう付け製品の取り扱い性、加工性、生産性に優れ、製造コストが安価である。

さらに、ろう付け材１は、接合部（例えば、図５の接合用穴５３）の形状にマッチする塊状体に形成されるため、従来の板形状のろう材とは異なり、他の部材５１，５２同士をろう付け接合する場合、ろう付け時に他の部材５１，５２間に均等に流れ、接合部のろう材の量が均一になるので、十分な接合強度を得ることができ、接合部の信頼性が高い。

第１の実施の形態では、球形状のろう付け材１を説明したが、図２に示す第２の実施の形態に係るろう付け材２１のように、全体が塊状体としての楕円球形状であってもよい。ろう付け材２１は、例えば、図１のろう付け材１をさらに圧縮加工して形成される。

また、図３に示す第３の実施の形態に係るろう付け材３１のように、芯材２と、その芯材２の全周を被覆する２層からなる被覆材３３とが複合一体化されて構成され、全体が球形状であってもよい。この被覆材３３は、例えば、芯材２側から順にＡｌあるいはＡｌ合金からなる層３４と、ＮｉあるいはＮｉ合金からなる層３５とで構成される。

このろう付け材３１によっても、図１のろう付け材１と同じ作用効果が得られる。さらに、芯材２、層３４、層３５がＮｉ／Ａｌ／Ｃｕで構成される場合には、ＮｉとＡｌの金属間化合物によって、ろう付け接合部の耐熱性をより向上させることができ、ＡｌとＣｕの析出硬化によって、ろう付け接合部の強度をより向上させることができる。

図４に示す第４の実施の形態に係るろう付け材４１のように、全体が楕円球形状であってもよい。ろう付け材４１は、例えば、図３のろう付け材３１をさらに圧縮加工して形成される。

芯材２の被覆層は、１層や２層に限らず、３層以上からなるものでもよい。この場合にも、耐食性を向上させるために、被覆層の最外層をＮｉあるいはＮｉ合金からなる層で構成する。

さらに、別の実施の形態として、上述した芯材２、あるいは被覆材３，３３にＰを添加することで、芯材２、あるいは被覆材３，３３がＰを０．０２〜１０重量％、好ましくは０．０２〜５．０重量％含むようにしてもよい。この場合、ろうの湯流れ性や耐酸化性がさらに向上する。

芯材２、あるいは被覆材３，３３がＰを０．０２〜１０重量％含むようにするのは、Ｐの添加量が０．０２重量未満であると、湯流れ性や耐酸化性の向上効果が十分に得られないからである。また、Ｐの添加量が１０重量％を超えると、接合させる他の部材５１，５２の種類によっては、ろう付け後の強度低下が発生するからである。

上記実施の形態では、ろう付け材を球形状あるいは楕円球形状に形成した例で説明したが、ろう付け材の形状は、他の部材の接合部の形状にマッチする塊状体であれば特に限定されず、例えば、直方体状、立方体状、半球形状、タブレット状でもよい。

（実施例１）
線形状のＡｌ線を切断後、圧縮加工することにより、芯材２として直径５ｍｍのＡｌ球を作製した。そのＡｌ球に被覆材３として厚さ１５０μｍのＮｉ被覆を行ってろう付け材１を作製し、試料とした。作製したろう付け材１を図５で説明したように、他の部材５１，５２間に挿入後、１２００℃の管状炉で加熱し、ろう付け性能を評価した。

（実施例２）
線形状のＴｉ線を切断後、圧縮加工することにより、芯材２として直径５ｍｍのＴｉ球を作製した。そのＴｉ球に被覆材３として厚さ５２０μｍのＮｉ被覆を行ってろう付け材１を作製し、試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

（実施例３）
線形状のＣｕ線を切断後、圧縮加工することにより、芯材２として直径５ｍｍのＣｕ球を作製した。そのＣｕ球に被覆材３として厚さ５０μｍのＮｉ被覆を行ってろう付け材１を作製し、試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

（実施例４）
線形状のＣｕ線を切断後、圧縮加工することにより、芯材２として直径５ｍｍのＣｕ球を作製した。そのＣｕ球に被覆材３３の層３４として厚さ１０μｍのＡｌ被覆を行い、さらにその外周に層３５として厚さ１０μｍのＮｉ被覆を行い、ろう付け材３１を作製して試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例１）
線形状のＣｕ線を切断後、圧縮加工することにより、直径６ｍｍのＣｕ球を作製し、試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例２）
線形状のＮｉ線を切断後、圧縮加工することにより、直径６ｍｍのＮｉ球を作製し、試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例３）
線形状のＴｉ線を切断後、圧縮加工することにより、直径６ｍｍのＴｉ球を作製し、試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

（従来例１）
市販のＮｉ系粉末ろう材をろうとを使って図５の他の部材５１，５２間に挿入後、１２００℃の管状炉で加熱し、ろう付け性能を評価した。

（従来例２）
板状のＮｉ、Ｔｉ、Ｎｉを積層し、圧延法により複合一体化した。さらに圧延を繰り返し、ろう付け材の厚さを２ｍｍとした。このろう付け材を６ｍｍ角に切断し、試料とした。その後は、実施例１と同様にしてろう付け性能を評価した。

表１は、実施例１〜４、比較例１〜３、および従来例１，２の各ろう付け材の構成、接合部の強度安定性、腐食発生の有無、ろう付け生産性を比較し、各ろう付け材の総合評価を示したものである。表１中の○は良好、×は不良、―は評価不能を示す。

接合部の強度安定性については、ろう付け後の試料の引張り試験を行うと共に、接合部におけるろう材の流れ方の均等性について外観、断面調査を行い評価した。腐食試験は、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオンを含んだ腐食性溶液中に試料を１０００ｈ浸漬し、取り出した後のろう付け接合部について詳細な観察を行い、腐食の発生の有無を調査した。また、併せて、試験後の溶液を分析し、浸漬試験によってろう材から試験液に溶出した溶出物の定量比較を行い、腐食の程度を判断した。

表１に示すように、実施例１〜４は、被覆材３（あるいは被覆材３３の最外層）が高耐食性のＮｉであり、ろう付け時にろう付け材１（あるいは３１）の融点が被覆材３（あるいは被覆材３３の最外層）よりも下がるため、１２００℃でろう付けが可能であり、腐食の発生は全くなく、耐食性に優れていることがわかった。

また、実施例１〜４は、他の部材５１，５２の接合部にマッチした球形状であるため、ろう付け接合部において、ろう材が他の部材５１，５２間に均等に流れ、接合部のろう材の量が均一になるので、十分な接合強度を得ることができた。

さらに、実施例１〜４は、粉末体と比べて取り扱いが容易な塊状体であるため、ろう付け生産性が著しく向上することは明白である。

一方、従来例２は、実施例１〜４と同様の金属構成でありながら、他の部材５１，５２の接合部の形状とマッチしないため、ろう付けの際、ろう材が均等に混ざり合わず、接合部のろう材の量が場所によって不均一となり、それに伴う強度低下が発生した。

また、比較例２，３は、Ｎｉ，Ｔｉ金属単体であり、融点が高いため、１２００℃ではろう材として機能しなかった。

比較例１は、Ｃｕ単体であり、良好なろう付け性能が得られたものの、腐食が発生し、腐食環境下での使用が不可能であることがわかった。

従来例１は、強度試験、耐食性評価で良好なものの、粉末形状であるため、取り扱いが極めて難しく、製品の生産性が著しく低下してしまうことがわかった。

（実施例Ａ）
線形状のＴｉ線を切断後、圧縮加工することにより、芯材２として直径４．２ｍｍのＴｉ球を作製した。そのＴｉ球に被覆材３として厚さ４００μｍのＮｉ被覆を行ってろう付け材１を作製し（直径５ｍｍ）、試料とした。作製したろう付け材１を図５で説明したように、他の部材５１，５２間に挿入後、１２００℃の管状炉で加熱し、ろう付け性能を評価した。

（実施例Ｂ）
芯材２として直径１０ｍｍのＴｉ球を作製し、そのＴｉ球に被覆材３として厚さ１．０ｍｍのＮｉ被覆を行う（直径１２ｍｍ）以外は、実施例Ａと同様にしてろう付け性能を評価した。

（実施例Ｃ）
芯材２として直径１６．６ｍｍのＴｉ球を作製し、そのＴｉ球に被覆材３として厚さ１．７ｍｍのＮｉ被覆を行う（直径２０ｍｍ）以外は、実施例Ａと同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例Ａ）
直径２．４ｍｍのＴｉ球を作製し、そのＴｉ球に厚さ３００μｍのＮｉ被覆を行う（直径３ｍｍ）以外は、実施例Ａと同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例Ｂ）
直径３．３ｍｍのＴｉ球を作製し、そのＴｉ球に厚さ３５０μｍのＮｉ被覆を行う（直径４ｍｍ）以外は、実施例Ａと同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例Ｃ）
直径１７．４ｍｍのＴｉ球を作製し、そのＴｉ球に厚さ１．８ｍｍのＮｉ被覆を行う（直径２１ｍｍ）以外は、実施例Ａと同様にしてろう付け性能を評価した。

（比較例Ｄ）
直径１９．０ｍｍのＴｉ球を作製し、そのＴｉ球に厚さ２．０ｍｍのＮｉ被覆を行う（直径２３ｍｍ）以外は、実施例Ａと同様にしてろう付け性能を評価した。

表２は、実施例Ａ〜Ｃ、および比較例Ａ〜Ｄの各ろう付け材の構成、直径、接合部の安定性、ろう付け生産性（取り扱い性）を比較し、各ろう付け材の総合評価を示したものである。表２中の○は良好、△は不足、×は不良を示す。接合部の強度安定性は、［実施例１］と同様にして評価した。

表２に示すように、実施例Ａ〜Ｃは、ろう付け材１の直径を５〜２０ｍｍにしているので、ろう付け後の接合部の強度安定性、ろう付け生産性（取り扱い性）がともに良好であった。

それに対し、比較例Ａ，Ｂのように、ろう付け材の直径を５ｍｍ未満（３ｍｍ、４ｍｍ）にした場合、ろう材の取り扱い性が悪くなった。逆に、比較例Ｃ，Ｄのように、ろう付け材の直径が２０ｍｍを超える（２１ｍｍ、２３ｍｍ）場合、ろう材が十分に混ざり合わず、その結果、接合部の強度安定性が低下するといった不具合が生じた。

本発明の第１の実施の形態を示すろう付け材の横断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示すろう付け材の横断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示すろう付け材の横断面図である。 本発明の第４の実施の形態を示すろう付け材の横断面図である。 本実施の形態に係るろう付け材のろう付け方法を説明する図である。

符号の説明

１ ろう付け材
２ 芯材
３ 被覆材

Claims (9)

1. ろう材を介して他の部材にろう付け接合するために用いるろう付け材において、芯材と、その芯材を被覆する少なくとも１層からなる被覆材とで構成され、上記芯材及び上記被覆材を組み合わせ、合金化することによって合金の融点が最外層を構成する被覆材の融点よりも低くなる金属あるいは合金で構成したことを特徴とするろう付け材。
2. ろう材を介して他の部材にろう付け接合するために用いるろう付け材において、芯材と、その芯材を被覆する少なくとも最外層がＮｉあるいはＮｉ合金からなる被覆材とで構成され、上記芯材及び上記被覆材を組み合わせ、合金化することによって合金の融点がＮｉあるいはＮｉ合金の融点よりも低くなる金属あるいは合金で構成したことを特徴とするろう付け材。
3. 上記被覆材がＮｉあるいはＮｉ合金からなる層で構成される請求項１または２記載のろう付け材。
4. 上記被覆材が上記芯材側から順に、ＡｌあるいはＡｌ合金からなる層と、ＮｉあるいはＮｉ合金からなる層とで構成される請求項１または２記載のろう付け材。
5. 上記芯材がＡｌあるいはＡｌ合金、ＴｉあるいはＴｉ合金、ＣｕあるいはＣｕ合金である請求項１〜４いずれかに記載のろう付け材。
6. 上記芯材、あるいは被覆材がＰを０．０２〜１０重量％含む請求項１〜５いずれかに記載のろう付け材。
7. 全体が球形状あるいは楕円球形状である請求項１〜６いずれかに記載のろう付け材。
8. 全体が球形状であり、全体の直径が５〜２０ｍｍである請求項１〜７いずれかに記載のろう付け材。
9. 請求項１〜８いずれかに記載されたろう付け材を用いて組み立てたことを特徴とするろう付け製品。
   

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