JP2007181857A - アルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金の溶融開始温度（固相線温度）以下の温度でのろう付けが可能で、流動性にも優れたアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤを提供する。
【解決手段】中空の鞘と、当該鞘内に充填されたフッ化セシウム含有フッ化物系非腐食性フラックス粉末とからなるろう材ワイヤであって、鞘を、加熱溶融後、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を呈する材料で構築したもの。
具体的には、３０質量％以下のＺｎを含むＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金板と２８〜４１質量％のＺｎを含む黄銅板のクラッド圧延板から鞘を製造する。
【選択図】なし

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際に用いるろう材ワイヤに関する。

アルミニウム又はその合金（以下、単に「アルミニウム合金」と記す。）からなる接合部材同士をろう付けする場合、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いる方法が広く知られている。
ところが、近年、製品の多様化により自動車部品や建築部材等の分野において、アルミニウム合金鋳造材やダイカスト材のろう付けが要求されるようになった。このような場合、ろう付け対象部材がろう材と同系統のＡｌ−Ｓｉ系合金（例えば、固相線温度５７５℃のＡＣ３Ａ）や、ろう材よりも融点（固相線温度）の低いＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であることが多い。特にダイカスト材においては、その大半が固相線温度５３５℃のＡＤＣ１０や固相線温度５１５℃のＡＤＣ１２等のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金である。

このような融点の低いアルミニウム合金をろう付けしようとするとき、従来のろう材を用いると、ろう付け温度が６００℃程度であるため、ろう付け対象部材そのものが融解して製品形状を保てなくなる、等の問題が生じる。
そこで、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材よりもろう付け温度を低くするためにＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金をろう材とすることが特許文献１で提案されている。また、ろう付け温度をさらに低くするために、Ｚｎを主成分とするＺｎ−Ａｌ系合金をろう材として用いることが特許文献２で提案されている。
特開平７−２９０２７２号公報 特開平１０−５９９４号公報

しかしながら、特許文献１で提案されたろう材は、ろう付け温度が５５０℃程度と高いために、ろう付け対象部材がＡｌ−Ｓｉ系合金の場合にはろう付けが可能であるが、ろう付け対象部材がＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金になるともはやろう付けは不可能となる。
また、特許文献２で提案されたろう材は、ろう付け温度が４００〜５５０℃程度と比較的低いために、対象部材がＡｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金のいずれであってもろう付けは可能である。しかし、このろう材はＺｎを主成分とするＺｎ−Ａｌ系合金であるため、ろう材溶融時の粘性が高く、流動性が悪いという欠点がある。特許文献２ではろう材の濡れ性を改善するためにＴｉを添加させているが、粘性自体の問題の解決には至っていない。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金の溶融開始温度（固相線温度）以下の温度でのろう付けが可能で、流動性にも優れたアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤを提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤは、中空の鞘と、当該鞘内に充填されたフッ化セシウム含有フッ化物系非腐食性フラックス粉末とからなるろう材ワイヤであって、前記鞘は、加熱溶融後、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を呈する材料で形作られていることを特徴とする。
中空の鞘は、アルミニウム合金と銅合金のクラッド材から構築されていることが好ましい。具体的には、アルミニウム合金が３０質量％以下のＺｎを含むＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金であり、銅合金が２８〜４１質量％のＺｎを含む黄銅であることが好ましい。

中空の鞘は、アルミニウム合金から構築されており、その鞘内に銅合金がフッ化物系非腐食性フラックス粉末とともに充填されていてもよい。
鞘内に充填される銅合金としては、粉末状であってもよいし、細線状であってもよい。
そして、その際、アルミニウム合金は３０質量％以下のＺｎを含むＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金であり、銅合金は２８〜４１質量％のＺｎを含む黄銅とすることが好ましい。

本発明では、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなり、その液相線温度が５１０℃以下の合金をろう材としている。したがって、このろう材を用いることにより、ろう付け対象部材がＡＤＣ１０やＡＤＣ１２等のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金のダイカスト材であっても、被ろう付け部材の溶融や変形を起こすことなく、ろう付けを行うことができる。
このろう材は、Ｚｎを主成分とするＺｎ−Ａｌ系ろう材と比べて濡れ性，流動性に優れるため、良好なろう付け状態を得ることができる。

また、本発明のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系ろう材を中空の鞘とし、その中にフッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックス粉末を充填させた小径のろう材ワイヤとすることにより、当該ワイヤを適宜形状に塑性変形させて所望接合箇所に配置しての加熱で、均一なろう付けが簡便に行える。フラックスの供給をろう材の供給と同時に行えるので、ろう付け作業そのものが簡素化される。
さらに、本発明のろう材からなる中空の鞘を、アルミニウム合金と銅合金のクラッド材から構成する態様を採用すると、鞘自体の加工性を向上させるばかりでなく、両材料のクラッド比の調整で、目標のろう材組成を容易に作り出すことができる。

本発明者等は、まず、固相線温度５３５℃のＡＤＣ１０や固相線温度５１５℃のＡＤＣ１２等、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金であってもろう付けを可能にするために、ろう材の低融点化を念頭において改良策を検討してきた。
その結果、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金ろう材をベースにさらに適量のＺｎ、具体的には、１５〜３５質量％のＺｎを含有させることにより、液相線温度を５１０℃以下に下げることができることを見出したものである。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金ろう材
本発明では、ろう材として、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を用いる。Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金は、このような成分組成にすることにより、融点を下げ、ろう付け温度を５００℃に下げることができる。このため、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金鋳物等を部分溶融させることなく、十分な接合部を形成できるろう付けが可能となる。Ｓｉ，Ｃｕ及びＺｎの含有量が上記数値を外れると、ろう材の融点が高くなり、高いろう付け温度を必要としてろう付け部に部分溶融を生じさせることになる。殊にＺｎ含有量に関しては、上限値を超えるとろう材としての加工性が低下するといった問題点が生じてくる。
不純物としては、Ｆｅ：０．５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される。

ろう材のワイヤ化
被ろう付け部へのフラックスとろう材の供給方式として、作業効率改善のためにフラックスを内包又は含有したろう材ワイヤが使用されている。ろう材から構築された中空の鞘と、当該鞘内に充填されたフラックス粉末とでワイヤ化したものを用いようとするものである。同時供給が可能になるため、ろう付け作業が簡素化される。
本発明でも、ろう材を構成するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金で鞘を構築し、その鞘内に、従来から用いられているフッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックス粉末を充填し、ワイヤ化している。

ところで、多量のＣｕ，Ｚｎを含有させたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金は、加工性に難点があるため、当該合金から中空の鞘を製造し難い。また、その内部にフラックスを含有したろう材ワイヤは成形性が悪く、リング状等、鋳物の接合部位に沿った形状への曲げ加工も行い難く、加熱が必要となって製造コストの上昇を招くこともある。
そこで、第一の方策として、鞘材をアルミニウム合金と銅合金とのクラッド材で構築し、その内部にフラックス粉末を充填する手法を採用した。

クラッド材を構成するアルミニウム合金及び銅合金はともに良好な塑性加工性を有している。クラッド材にした後にあっても良好な塑性加工性を維持しているので、通常のワイヤ製造設備を用いて鞘形状への成形加工及び中へのフラックス充填が容易に行えるばかりでなく、被ろう付け体の接合部形状に合わせた曲げ加工が容易に行える。そして、自動トーチろう付け装置を使用する場合にも、連続的な供給が問題なく行える。また、両素材をクラッド材にすることにより、通常表面に形成され、ろう付けを阻害する酸化皮膜量を少なくすることができ、充填するフラックス量も少なくすることができる。
さらに、両素材のクラッド比を調整することによって、目標組成を容易に作り出すことができる。
なお、アルミニウム合金１と銅合金２をクラッドした鞘の断面形状は、図１に示すような四つの形態が想定されるが、いずれでも構わない。所望の合金組成になるようなクラッド率が採用されていれば良い。鞘形状への管成形も、通常の方法で変形加工される。

目標組成を調整しやすく、かつクラッド材の加工性を確保しやすいといった観点からは、アルミニウム合金としては３０質量％以下のＺｎを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金を、銅合金としては２８〜４１質量％のＺｎを含有する黄銅を用いることが好ましい。例えばＣｕ源として比較すると、焼鈍材ではＣｕ材の伸びが４０％程度であるのに対してＺｎ：４０質量％の黄銅は５０％程度の伸びを呈し、加工性の観点からは黄銅を用いる方が優位である。このように、Ｚｎの使用は、ろう材の融点を下げる作用のみならず、ろう材自体の加工性を向上させる作用をも有している。

なお、本発明において、２８〜４１質量％のＺｎを含有する黄銅を用いること好ましいと記したが、この態様を採用することにより、特殊なＣｕ−Ｚｎ合金を別途準備する必要がなく、市販材料の使用でろう材ワイヤを安価に製造することができる。市販の黄銅として一般に１種（Ｚｎ：３０質量％），２種（Ｚｎ：３５質量％）及び３種（Ｚｎ：４０質量％）が知られているが、それらのＺｎ含有量も許容幅があり、その許容幅のある市販材料を使用するために、Ｚｎ含有量を前記のように２８〜４１質量％とした。

鞘材を、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金板と２８〜４１質量％のＺｎを含有する黄銅板とのクラッド圧延板から製造する場合、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金板及び黄銅板そのものが加工性に優れるため、クラッド材を製造しやすいのみならず、鞘への加工性にも優れ、変形しやすいろう材ワイヤを製造することができる。
当該アルミニウム合金や黄銅に含まれるＺｎ量がそれぞれ３０質量％，４１質量％を超えると所望の加工性が得られず、変形時に加熱する必要も生じてくる。また、黄銅中のＺｎ量が２８質量％に満たないと、用いるアルミニウム合金として所定量以上のＺｎを含むものが必要になり、加工性が低下する。

溶融後に、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含む組成とするには、上記アルミニウム合金及び銅合金のクラッド比は、４：１程度となる。
クラッドの態様としては、２枚のアルミニウム合金板の間に銅合金板を挟んだ状態でクラッド圧延することが好ましいが、逆に２枚の銅合金板の間にアルミニウム合金板を挟んでクラッド圧延しても良い。また単にアルミニウム合金板と銅合金板を重ねた状態で圧延しても良い。

また、第二の方策として、鞘材をアルミニウム合金で構築し、その内部にフラックス粉末とともに銅合金を充填する手法を採用することもできる。この際、フラックス粉末とともに充填される銅合金は粉末状又は細線状とすることが好ましい。
この手法で用いるアルミニウム合金及び銅合金としても、前記と同様に、３０質量％以下のＺｎを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金及び２８〜４１質量％のＺｎを含有する黄銅を用いることが好ましい。黄銅粉末を用いる場合、アルミニウム合金と銅合金の使用比率は質量比で１：１．４〜１：１．８程度となる。

なお、鞘内に充填されるフラックスとしては、フッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックス粉末が使用される。
フッ化物系非腐食性フラックスの化合物形態としては、ＫＡｌＦ₄，Ｋ₂ＡｌＦ₅，Ｋ₃ＡｌＦ₆，ＡｌＦ₃，ＫＦ，ＣｓＦ等があるが、従来と同様にその混合物が使用される。
フッ化物系非腐食性フラックス中に占めるフッ化セシウム（ＣｓＦ）の割合は、コスト的には少ないほど有利であるが、少ないとフラックスの融点を下げる作用が十分に発揮されない。５００℃以下の温度でのろう付けを可能とするためには、フッ化物系非腐食性フラックス中のフッ化セシウム（ＣｓＦ）の割合は３０モル％以上とすることが好ましい。

内部にフラックスを充填した本発明のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤは、酸化皮膜の少ないクラッド鞘を用いているために、充填フラックス量を少なくしてもろう付けが可能である。
ろう材ワイヤの質量に対するフラックスの質量、いわゆる充填率は、特に規定する必要はなく、従来のコアードワイヤの充填率と同程度の１５〜４０％であれば十分である。

次に、鞘としてのアルミニウム合金及び銅合金の組成とクラッド率を種々変更したろう付けワイヤを実際に作製し、ろう付け試験した例を示す。
アルミニウム合金と銅合金のクラッド鞘材の作製
表１に示す組成を有するアルミニウム合金及び銅合金を用い、厚さ４〜５ｍｍのアルミニウム合金板の２枚の間に、厚さ２ｍｍの銅合金板を挟んで先端を溶接して固定し、３００℃に加熱して厚さ２ｍｍまでクラッド圧延した。次いで、中間焼鈍，冷間圧延，最終焼鈍を施して、厚さ０．１ｍｍのクラッド鞘材を作製した。
この鞘材の断面を観察して測定した銅合金のクラッド率と、それを基に計算した鞘材溶解時の組成を表２に示す。

Ｎｏ．１〜５の鞘材は、鞘材溶解時のＣｕ，Ｓｉ，Ｚｎの組成が本発明範囲内にあるものである。Ｎｏ．６の鞘材は、アルミニウム合金内のＺｎ量が本発明範囲よりも多く、Ｎｏ．７，８の鞘材は、鞘材溶解時のＺｎ量が本発明範囲よりも少ないものである。
なお、Ｎｏ．６については、アルミニウム合金板材の加工性が悪く、クラッド圧延ができなかった。

ろう材ワイヤの作製
表２に示した８種の鞘材の内、実際にクラッド圧延ができたＮｏ．１〜５，Ｎｏ．７，８の７種類の鞘材を幅１０ｍｍ，長さ２０ｍｍで切断し、外径１ｍｍの鋼製丸棒に二〜三重に巻付けて、肉厚０．３ｍｍ，長さ２０ｍｍのろう材ワイヤの鞘を作製した。この鞘の一端をペンチで閉じ、これにフッ化セシウムを４８モル％含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックス（第一稀元素工業株式会社製；商品名「ＣＦ−２」）粉末を約３０ｍｇ充填した後、他端を閉じてろう材ワイヤとした。

ろう付け試験
厚さ１ｍｍ，幅２５ｍｍ，長さ５５ｍｍのＪＩＳ−Ａ３００３アルミニウム合金板を下板とし、厚さ１ｍｍ，幅２５ｍｍ，長さ２５ｍｍのＡＤＣ１２アルミニウムダイカスト板を縦板とした逆Ｔ字型ろう付け試験片を組付け、下板と縦板の交線の片側に前記ろう材ワイヤを配置した。この組付け体を窒素ガス雰囲気炉中で５００℃まで昇温速度５０℃／分で加熱し、５００℃で３分間保持した後、約１００℃／分で室温まで冷却した。

ろう付け性評価
ろう付け性は、逆Ｔ字型試験片の外観を肉眼及び実体顕微鏡で観察して評価した。
接合部の外観評価は、ろう材ワイヤ設置側及び反対側のいずれにも十分な大きさのフィレットが形成されたものを○，フィレットが形成されたが小さく十分な大きさでないものを△，フィレットがほとんど形成されなかったものを×とした。
その評価結果を表３に示す。

表３の結果からもわかるように、本発明例であるＮｏ．１〜５の鞘材のろう付けワイヤを使用してろう付けしたものは、ろう材ワイヤ設置側、反対側のいずれも良好にろう付けされていた。
これに対して、比較例では、Ｚｎ量の少ないＮｏ．７の鞘材のろう付けワイヤを使用したものは、ろう材ワイヤ設置側では問題なくろう付けできていたが、反対側のフィレットは小さかった。さらにＺｎ量の少ないＮｏ．８の鞘材のろう付けワイヤを使用したものは、フィレットそのものが生成せず、ろう材ワイヤ設置側には鞘材が残存していた。
以上に説明したように、鞘を構成する合金組成がＺｎを１５〜３５質量％含有するものであると、５００℃といった低い温度でも良好なろう付けが可能であることがわかる。

アルミニウム合金材と銅合金材のクラッド材で製造した鞘の断面形状を説明する図

符号の説明

１：アルミニウム合金 ２：銅合金

Claims (6)

1. 中空の鞘と、当該鞘内に充填されたフッ化セシウム含有フッ化物系非腐食性フラックス粉末とからなるろう材ワイヤであって、前記鞘は、加熱溶融後、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を呈する材料で形作られていることを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
2. 中空の鞘は、アルミニウム合金と銅合金のクラッド材から構築されている請求項１に記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
3. アルミニウム合金が３０質量％以下のＺｎを含むＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金であり、銅合金が２８〜４１質量％のＺｎを含む黄銅である請求項２に記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
4. アルミニウム合金から構築された中空の鞘と、当該鞘内に充填された銅合金とフッ化セシウム含有フッ化物系非腐食性フラックス粉末とからなるろう材ワイヤであって、前記鞘を構成するアルミニウム合金と鞘内の銅合金は、加熱溶融後、Ｓｉ：２〜５質量％，Ｃｕ：２０〜２５質量％及びＺｎ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなる組成を呈するように組み合わされていることを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
5. 粉末状又は細線状の銅合金が充填されている請求項４に記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
6. アルミニウム合金が３０質量％以下のＺｎを含むＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ系合金であり、銅合金が２８〜４１質量％のＺｎを含む黄銅である請求項４又は５に記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。

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