JP2008049371A - クラッド材の製造方法及びクラッド材 - Google Patents

Abstract

【課題】ロウ材層の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ製造コストを安価にして、ロウ材層の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性をも改善し得るクラッド材の製造方法及びクラッド材を提供する。
【解決手段】母材巻戻機３によって母材コイル２から巻き戻された母材１の表面に金属粉末を圧着する粉末圧着機１２を用い、所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末を母材１に圧着してロウ材層１１を形成し、該ロウ材層１１を構成するロウ材の組成が銅に少なくともリンを添加して銅の融点よりも融点を下げたロウ材の組成であるようにして、クラッド材８を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、クラッド材の製造方法及びクラッド材に関するものである。

一般に、金属の接合方法としてロウ材を用いるロウ付け法がある。該ロウ材としては、例えば、リン銅ロウやニッケルロウ等、接合する金属の種類によりロウ材の種類も様々である。

前記リン銅ロウは、一般に、銅に重量割合で４〜９％のリンを添加して融点を下げた銅及び銅合金専用のロウ材であるが、そのうちＪＩＳ規格Ｚ３２６４でＢＣｕＰ−２と称されるリン銅ロウは、銅に６．８〜７．５％のリンを添加した合金であって、ガス器具、冷凍機、その他銅製品のロウ付けに広く用いられている。

前記ＪＩＳ規格でＢＣｕＰ−２と称されるリン銅ロウの場合、室温では延性のない金属であるため、加工性が悪く、圧延してシート状に成形することは困難となっており、通常、線材や棒材或いは粉末として市販されている。

しかしながら、例えば、プレート式熱交換器のフィンのように、金属板を波板にプレス成形し、山と谷の部分を互いにロウ付けするような場合、線材や粉末状のリン銅ロウを金属板の接合部にロウ材が行き渡るようセッティングする工程が必要であり、手間がかかって生産性を上げにくいという問題を有していた。

このため、母材である金属板の表面にロウ材層を形成したクラッド材を製造し、該クラッド材を前述の如きプレート式熱交換器のロウ付けされるフィン素材として用いることができれば、ロウ材のセッティング工程を省略することができ、全生産工程の連続化、自動化も可能となるため、生産性を向上させ、コストダウンにつながると期待できる。

図６は一般的な圧延法によるクラッド材の製造方法を実施するために用いられる製造装置を示す概略図である。該製造装置は、金属板からなる母材１が巻き取られた母材コイル２を巻き戻す母材用の巻戻機３と、異なる種類の金属板からなる異種材４が巻き取られた異種材コイル５を巻き戻す異種材用の巻戻機６と、前記母材１及び異種材４を重ね合わせて圧延するクラッド成形用の圧延機７と、該圧延機７で圧延されたクラッド材８´をクラッド材コイル９として巻き取るクラッド材用の巻取機１０とを備えてなる構成を有している。

図６に示されるクラッド材の製造方法においては、母材用の巻戻機３によって母材コイル２から母材１が巻き戻されると共に、異種材用の巻戻機６によって異種材コイル５から異種材４が巻き戻され、前記母材１及び異種材４が重ね合わされてクラッド成形用の圧延機７によって圧延され、該クラッド成形用の圧延機７で圧延されたクラッド材８´がクラッド材用の巻取機１０によってクラッド材コイル９として巻き取られるようになっている。

前記クラッド成形用の圧延機７で圧延されたクラッド材８´の断面は、図７に示される如く、母材１の表面に異種材４が圧接されて、ロウ材層１１´が形成されるようになる。

ところで、前記母材１としてはさまざまな種類の金属が用いられるが、その中で、例えば、母材１として銅板を用い、異種材４として、圧延しても割れないように、リン含有量の重量割合をリン銅ロウ材ＢＣｕＰ−１のＪＩＳ規格である４．５％より更に低く（３％程度）したＪＩＳ規格外のリンの含有量にしてシート状に成形したリン銅合金からなる金属を採用したクラッド材８´を製造することが提案されている。

尚、前述の如きクラッド材と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２００４−１１４１５８号公報

しかしながら、前述の如く、異種材４として、リンの含有量を重量割合でおよそ３％程度まで低くしてシート状に成形したリン銅合金を用いるのでは、リンの含有量を低下させた分だけ、できあがったクラッド材８´におけるロウ材層１１´の融点が高くなり、これに伴ってロウ付け温度がＪＩＳ規格品の温度より高くなると、母材１強度を低下させたり、熱変形を発生させたりするという欠点を有していた。

又、前記ロウ材層１１´の厚さｔ´は、シート状の異種材４自体を圧延で製造する関係上、１００μｍ以下にするためには、圧延を繰り返して行う必要がある。しかし、圧延を繰り返すことは製造コストの増加につながり商用的には好ましくない。一方、製造コストを抑えるために、圧延の繰り返し回数を減らしロウ材層１１´の厚さを１００μｍ程度に止めると、ロウ材層１１´が厚いために、実際のロウ付け時にロウ材が垂れる虞がある一方、クラッド材８´をプレス成形した場合、該ロウ材層１１´にひび割れが生じたりする虞もあった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ロウ材層の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ、製造コストを安価にして、ロウ材層の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性をも改善し得るクラッド材の製造方法及びクラッド材を提供しようとするものである。

本発明は、所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末から構成されるロウ材を、金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層を構成するロウ材の組成が銅に少なくともリンを添加して銅の融点よりも融点を下げたロウ材の組成であることを特徴とするクラッド材の製造方法にかかるものである。

前記クラッド材の製造方法においては、前記ロウ材の組成を構成する混合粉末を、少なくとも銅粉末とリン銅合金粉末とを混合したものとすることができる。

前記クラッド材の製造方法においては、前記リン銅合金粉末中に含まれるリンの重量割合を７％〜９％の範囲とすることができる。図４の状態図からリン銅合金の組成は８．３８％Ｐが最も融点が低く基本となるが、今回の試験では７％〜９％の幅で製造したものを使用した。

前記クラッド材の製造方法においては、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を１２％〜４０％の範囲とすることができる。

前記クラッド材の製造方法においては、前記混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着したロウ材層のロウ材に含まれるリンの重量割合を４．２％〜７．９％の範囲とすることができる。尚、［表１］、［表２］のリンの平均濃度は８％Ｐにおける値のため、７〜９％Ｐに対応するリンの重量割合は４．２％〜７．９％の範囲となる。（因みに、４．２％＝７％×（１００％−４０％）であり、７．９％≒９％×（１００％−１２％）である。）

前記クラッド材の製造方法においては、前記混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着したロウ材層の厚さの平均を９０μｍ以下とすることができる。

又、本発明は、所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末から構成されるロウ材を、金属材に圧着してロウ材層を形成し、前記混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着したロウ材層の厚さの平均が９０μｍ以下であることを特徴とするクラッド材の製造方法にかかるものである。

更に又、本発明は、所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末から構成されるロウ材を、金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層を形成したクラッド材を加熱して、前記圧着した混合粉末から構成されるロウ材を液相焼結することを特徴とするクラッド材の製造方法にかかるものである。液相焼結すると、ロウ材層と金属材の接合強度が上がるため、深絞り等の強加工プレスが可能となる。

一方、本発明は、少なくとも２種類の金属粉末を混合した混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層が金属の焼結体であり、該ロウ材層を構成する金属の焼結体が、少なくとも銅粉末とリン銅合金粉末とを混合したものであることを特徴とするクラッド材にかかるものである。深絞り等の強加工プレスが不要なものに対しては、液相焼結までは必要がないため、炉の温度を低くして製造する焼結体を使用する。

前記クラッド材においては、前記少なくとも銅粉末とリン銅合金粉末とを混合した粉末に占める銅粉末の重量割合を１２％〜４０％の範囲とすることができる。

前記クラッド材においては、前記ロウ材層のロウ材を構成している成分に少なくとも銅とリンを含み、該ロウ材に含まれるリンの重量割合を４．２％〜７．９％の範囲とすることができる。

前記クラッド材においては、前記ロウ材層の厚さの平均を９０μｍ以下とすることができる。

又、本発明は、少なくとも２種類の金属粉末を混合した混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層の厚さの平均が９０μｍ以下であることを特徴とするクラッド材にかかるものである。

本発明のクラッド材の製造方法及びクラッド材によれば、ロウ材層の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ製造コストを安価にして、ロウ材層の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性をも改善し得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、金属板等の金属材としての母材１が巻き取られた母材コイル２を巻き戻す母材用の巻戻機３と、該母材用の巻戻機３によって母材コイル２から巻き戻された母材１の表面に金属粉末を圧着する粉末圧着機１２と、該粉末圧着機１２で母材１に金属粉末が圧着されたクラッド材８を加熱して金属粉末を焼結又は溶融させる加熱炉１３と、該加熱炉１３で金属粉末を焼結又は溶融させたクラッド材８を圧延する圧延機１８と、該圧延機１８で圧延されたクラッド材８をクラッド材コイル９として巻き取るクラッド材巻取機１０とを備えて、クラッド材の製造装置を構成したものである。

前記粉末圧着機１２は、回転自在となるよう水平配置された二本のロール１４と、該各ロール１４上に金属粉末を供給する粉末供給装置１５とを備え、前記二本のロール１４間に上方から下方へ向け母材１を導入しつつ、前記粉末供給装置１５から各ロール１４上に金属粉末を供給して、該各ロール１４を回転させることにより、前記母材１の両面に金属粉末を圧着させるようになっている。

前記加熱炉１３においては、金属粉末を溶かさずに焼結させる固相焼結と、金属粉末を溶かして（液相を出して）焼結させる液相焼結のいずれかで、金属粉末の焼結を行うようになっている。

そして、前述の如き製造装置を用いることにより、図２に示す如く、母材１の表面に、厚さｔが１００μｍ以下のロウ材層１１を形成することが可能となるため、母材１の表面に圧着する金属粉末の組成を変化させてクラッド材８を製造し、該製造したクラッド材８について、ロウ付け試験並びにプレス試験を行った。

ここで、所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合した混合粉末を用い、前記ロウ材の組成は、例えば、リン銅ロウ材の組成とし、該リン銅ロウ材の組成を構成する混合粉末は、銅粉末とリン銅合金粉末とを混合したものを用いるようにした。尚、図４の状態図からリン銅合金の組成は８．３８％Ｐが最も融点が低く基本となるが、今回の試験では７％〜９％の幅で製造したものを使用した。即ち、前記リン銅合金粉末としては、該リン銅合金粉末中に含まれるリンの重量割合を７％〜９％の範囲とした、Ｃｕ−８％Ｐ粉末を用い、該Ｃｕ−８％Ｐ粉末に添加する銅粉末の混合粉末全体に占める重量割合を、下記の［表１］に示す如く、１２％、２０％、３０％、４０％、５０％と変化させた。

尚、前記製造されたクラッド材８におけるロウ材層１１は銅の成分とリン銅合金の成分から構成されており、平均化されたリンの重量割合は４％〜７％の範囲となる。

前記ロウ付け試験としては、図３（ａ）に示す如く、クラッド材８の表面に、線接合試験片として直径がφ２ｍｍで肉厚０．５ｍｍのパイプ１６を接合する試験と、図３（ｂ）に示す如く、クラッド材８の表面に、面接合試験片として大きさが５０ｍｍ×２５ｍｍで厚さ１ｍｍの板１７を接合する試験とを行い、各々の場合におけるフィレット（隅肉）の状態と、ロウ付け後のクラッド材８の表面状態とを観察した。

尚、ロウ付け条件は、連続式雰囲気炉で
加熱ゾーン設定温度：８５０℃、９００℃
加熱ゾーン長さ：６００ｍｍ
加熱時間：約３０分間
加熱雰囲気：窒素
とした。

前記ロウ付け試験の結果は、下記の［表１］、［表２］のようになった。

即ち、ロウ付け温度を８５０℃とした場合、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を４０％としたものでは、フィレット（隅肉）の状態が若干悪くなる傾向が見られる一方、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を５０％としたものでは、フィレット（隅肉）の状態が若干悪くなると共に、ロウ付け後のクラッド材８の表面状態にもザラツキが目立つ傾向が見られる。これは、銅粉末の添加量が増えると、その分だけ全体に占めるリンの濃度が下がってロウ材層１１の融点が高くなる（図４に示すＣｕ−Ｐ二元合金標準状態図を参照）ため、ロウ付け温度が低いとロウ付け性が悪くなることを意味しているが、ロウ付け温度を若干上げて９００℃とした場合には、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合が、１２％〜４０％の範囲であれば、欠陥のないロウ付け性を得られることが確認された。

又、前記プレス試験は、図５（ａ）に示す如く、φ３２ｍｍの孔１８を有する雌金型１９と、φ２８ｍｍの凸部２０を有する雄金型２１とを用い、図５（ｂ）に示す如く、前記雌金型１９と雄金型２１との間に、銅粉末の添加量と母材１の板厚と焼結温度とを変化させて製造したクラッド材８を配置した状態で、バイス２２によって前記雌金型１９と雄金型２１を挟み込むように締め付けることにより、クラッド材８をプレス加工して図５（ｃ）に示すような形状とし、その曲げ箇所の状態を観察した。

前記プレス試験の結果は、下記の［表３］のようになった。

即ち、プレス成形性を考慮した場合、延性が高い金属である銅粉末の添加量を増やせば、曲げ箇所に割れがなくなるが、前述したように、銅粉末の添加量が増えると、その分だけ全体に占めるリンの濃度が下がってロウ材層１１の融点が高くなり、ロウ付け性が悪くなるため、ロウ付け性とプレス成形性の両方を満足させるには、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を、１２％〜４０％の範囲のうち、より好ましくは２０％〜３０％の範囲とすることが有効となる。

更に又、前記混合粉末を母材１に圧着し加熱して焼結したロウ材層１１の厚さは、あまり厚くなると正常な圧着ができないため、製造実験の結果、９０μｍ以下とすれば、正常な圧着ができ、実際のロウ付け時にロウ材が垂れることを防止できることが確認できた。尚、ロウ材層１１の厚さとプレス成形性との関係を調べるために、前述と同様のプレス試験並びにクラッド材８を９０度曲げ加工する試験を実施し、それぞれの曲げ箇所の状態を観察した。

前記プレス試験並びにクラッド材８の９０度曲げ加工試験の結果は、下記の［表４］のようになった。

即ち、ロウ材層１１の厚さを６０μｍとした場合、母材１との伸び率の差が大きく、割れが発生していると考えられ、加工が困難となることが確認され、プレス成形性の観点からは、ロウ材層１１の厚さを３０μｍ以下とすることが好ましい。但し、１０μｍ以上のロウ材層１１の厚さが確保できないと、ロウ付け不良が起こる可能性が高くなるので、ロウ材層１１の厚さは、より好ましくは１０μｍ〜３０μｍとすることが有効となる。

こうして、前述の如き製造装置を用い、ロウ材の組成とロウ材層１１の厚さを調整してクラッド材８を製造することにより、ロウ材層１１の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ製造コストを安価にして、ロウ材層１１の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性をも改善し得る。

尚、本発明のクラッド材の製造方法及びクラッド材は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のクラッド材の製造方法を実施するために用いられる製造装置の一例を示す概略図である。 図１に示す製造装置で製造したクラッド材の一例を示す拡大断面図である。 （ａ）はクラッド材の表面に線接合試験片としてのパイプを接合した状態を示す拡大断面図、（ｂ）はクラッド材の表面に面接合試験片としての板を接合した状態を示す拡大断面図である。 Ｃｕ−Ｐ二元合金標準状態図である。 （ａ）はクラッド材のプレス試験に用いる雌金型と雄金型とを示す図、（ｂ）はプレス試験を実施する状態を示す図、（ｃ）はプレス加工された試験片としてのクラッド材を示す図である。 一般的な圧延法によるクラッド材の製造方法を実施するために用いられる製造装置の一例を示す概略図である。 従来のクラッド材の一例を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 母材（金属材、金属板）
２ 母材コイル
３ 母材用の巻戻機
８ クラッド材
９ クラッド材コイル
１０ クラッド材用の巻取機
１１ ロウ材層
１２ 粉末圧着機
１３ 加熱炉
１４ ロール
１５ 粉末供給装置
１８ 圧延機
ｔ 厚さ

Claims (13)

1. 所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末から構成されるロウ材を、金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層を構成するロウ材の組成が銅に少なくともリンを添加して銅の融点よりも融点を下げたロウ材の組成であることを特徴とするクラッド材の製造方法。
2. 前記ロウ材の組成を構成する混合粉末が、少なくとも銅粉末とリン銅合金粉末とを混合したものである請求項１に記載のクラッド材の製造方法。
3. 前記リン銅合金粉末中に含まれるリンの重量割合が７％〜９％の範囲である請求項２に記載のクラッド材の製造方法。
4. 前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合が１２％〜４０％の範囲である請求項２又は請求項３に記載のクラッド材の製造方法。
5. 前記混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着したロウ材層のロウ材に含まれるリンの重量割合が４．２％〜７．９％の範囲である請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載のクラッド材の製造方法。
6. 前記混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着したロウ材層の厚さの平均が９０μｍ以下である請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載のクラッド材の製造方法。
7. 所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末から構成されるロウ材を、金属材に圧着してロウ材層を形成し、前記混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着したロウ材層の厚さの平均が９０μｍ以下であることを特徴とするクラッド材の製造方法。
8. 所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合し、その混合粉末から構成されるロウ材を、金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層を形成したクラッド材を加熱して、前記圧着した混合粉末から構成されるロウ材を液相焼結することを特徴とするクラッド材の製造方法。
9. 少なくとも２種類の金属粉末を混合した混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層が金属の焼結体であり、該ロウ材層を構成する金属の焼結体が、少なくとも銅粉末とリン銅合金粉末とを混合したものであることを特徴とするクラッド材。
10. 前記少なくとも銅粉末とリン銅合金粉末とを混合した粉末に占める銅粉末の重量割合が１２％〜４０％の範囲である請求項９に記載のクラッド材。
11. 前記ロウ材層のロウ材を構成している成分に少なくとも銅とリンを含み、該ロウ材に含まれるリンの重量割合が４．２％〜７．９％の範囲である請求項９又は請求項１０に記載のクラッド材。
12. 前記ロウ材層の厚さの平均が９０μｍ以下である請求項９〜請求項１１のいずれか一つに記載のクラッド材。
13. 少なくとも２種類の金属粉末を混合した混合粉末から構成されるロウ材を金属材に圧着してロウ材層を形成し、該ロウ材層の厚さの平均が９０μｍ以下であることを特徴とするクラッド材。

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