JP2008055471A - ろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性、耐酸化性、及び耐食性が良好で、ろう付け時における基材の被侵食の割合が低く、かつ、ろう付け作業性が良好な棒あるいはワイヤ形状のろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品を提供するものである。
【解決手段】被ろう付け部材同士をろう付けするろう付け用複合材１０であり、棒状又はワイヤ状のＮｉ又はＮｉ合金心材１１の表面に、Ｔｉ又はＴｉ合金層１２、及びＦｅ又はＦｅ合金層１３を重ねた複層構造のろう付け層を一体的に設けたものである。ろう付け用複合材１０全体のＦｅ濃度は１０〜５０ｍａｓｓ％とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品に係り、特に、熱交換器及び燃料電池用部材のろう付けに用いられる複合材及びそれを用いたろう付け製品に関するものである。

自動車用オイルクーラの接合材としてステンレス基クラッド材が使用されている。これは、基材であるステンレス鋼板の片面又は両面に、ろう材としての機能を有するＣｕ材がクラッドされている。

また、ステンレス鋼や、Ｎｉ基又はＣｏ基合金などからなる部材のろう付け材として、ろう付け接合部の耐食性に優れる各種Ｎｉろう材が、ＪＩＳ規格により規定されている。

さらに、熱交換器の接合に用いられるＮｉろう材として、粉末状のＮｉろう材に、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、又はステンレス鋼の中から選択される金属粉末を４〜２２ｗｔ％添加してなる粉末Ｎｉろう材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、基材であるステンレス鋼の表面にＮｉ及びＴｉからなるろう付け層を有する、即ちＮｉ／Ｔｉ／ステンレス鋼というろう付け層構造を有する自己ろう付け性複合材がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１０７８８３号公報 特開平７−２９９５９２号公報 特開２００５−２３８３０７号公報

特許文献２記載の自己ろう付け性複合材のうち、ろう機能を有する部分（Ｎｉ層およびＴｉ層）を棒あるいはワイヤ形状のろう材として使用し、ステンレス鋼を対象にろう付け接合する場合、次のような問題がある。

図５にＴｉ１２を心線とし、その外側にＮｉ層１１を配置した構造の棒あるいはワイヤ状のろう付け用複合材５０の断面図を示す。図５において、例えば、ろう材全体におけるＴｉの比率が５５ｍａｓｓ％以上、７０ｍａｓｓ％以下の時、ステンレス鋼にろう付け材として使用すると、ステンレス鋼のろう付け部分がろうによって著しく侵食され、接合部の構造的強度に問題が生じる。

そこで本発明の目的は、耐熱性、耐酸化性、及び耐食性が良好で、ろう付け時における基材の被侵食の割合が低く、かつ、ろう付け作業性が良好な棒あるいはワイヤ形状のろう付け用複合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。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、被ろう付け部材同士をろう付けするろう付け用複合材において、棒状又はワイヤ状のＮｉ又はＮｉ合金心材の表面に、Ｔｉ又はＴｉ合金層、及びＦｅ又はＦｅ合金層を重ねた複層構造のろう付け層を一体的に設けると共に、ろう付け用複合材全体のＦｅ濃度を１０〜５０ｍａｓｓ％としたものである。

請求項２の発明は、被ろう付け部材同士をろう付けするろう付け用複合材において、棒状又はワイヤ状のＦｅ又はＦｅ合金心材の表面に、Ｔｉ又はＴｉ合金層、及びＦｅ又はＦｅ合金層を重ねた複層構造のろう付け層を一体的に設けると共に、ろう付け用複合材全体のＦｅ濃度を１０〜５０ｍａｓｓ％としたものである。

請求項３の発明は、ろう付け用複合材全体のＦｅ濃度が１０〜５０ｍａｓｓ％である請求項１又は２記載のろう付け用複合材である。

請求項４の発明は、上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｎｉ又はＮｉ合金心材の少なくとも１つがＰを含む請求項１又は３記載のろう付け用複合材である。

請求項５の発明は、上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｆｅ又はＦｅ合金心材の少なくとも１つがＰを含む請求項２又は３記載のろう付け用複合材である。

請求項６の発明は、ろう付け用複合材全体のＰ濃度が０．０２〜１０ｍａｓｓ％である請求項４又は５記載のろう付け用複合材である。

請求項７の発明は、上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｎｉ又はＮｉ合金心材の少なくとも１つが、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｌ、又はＣｒの内の少なくとも１種を含む請求項１，３，４，６いずれかに記載のろう付け用複合材である。

請求項８の発明は、上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｆｅ又はＦｅ合金心材の少なくとも１つが、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｌ、又はＣｒの内の少なくとも１種を含む請求項２，３，５，６いずれかに記載のろう付け用複合材である。

請求項９の発明は、ろう付け用複合材がＣｕを含み、かつ、全体のＣｕ濃度が０．２〜３０ｍａｓｓ％である請求項７又は８記載のろう付け用複合材である。

請求項１０の発明は、請求項１〜９いずれかに記載のろう付け用複合材を用い、被ろう付け材同士をろう付け接合したことを特徴とするろう付け製品である。

本発明は、Ｎｉ又はＮｉ合金或いはＦｅ又はＦｅ合金を心材の表面に、Ｔｉ又はＴｉ合金層とＦｅ又はＦｅ合金層のろう付け層を設けてなる棒状又はワイヤー状のろう付け用複合材を、ステンレス鋼材のろう材として使用することにより、耐食性が高く、かつ、ろうの流れがよく、被ろう付け材であるステンレス鋼の侵食を抑制したろう付け接合が可能となる。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。

本発明の第１の実施形態に係るろう付け用複合材の断面図を図１に、図１の変形例を示す断面図を図２に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るろう付け用複合材１０は、Ｎｉ又はＮｉ合金を心材１１とし、心材１１の表面にろう付け層を一体的に設けてなるクラッド材である。ろう付け層は、心材１１側から、Ｔｉ又はＴｉ合金層１２、Ｆｅ又はＦｅ合金層１３の順に設けられる。

このろう付け用複合材１０全体のＦｅ濃度は、１０〜５０ｍａｓｓ％、好ましくは１０〜４０ｍａｓｓ％とされる。Ｆｅ濃度が１０ｍａｓｓ％未満だと、ろう付け時のステンレス鋼などの被ろう付け材の侵食量が増加し、Ｆｅ濃度が５０ｍａｓｓ％超だと、ろう材自体の融点を上昇させ、湯流れ性が低下するなど、ろう付け特性が低下する。

心材１１を構成するＮｉ又はＮｉ合金としては、Ｎｉ−Ｐ系合金や、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系耐食耐熱超合金（例えば、インコネル（登録商標）など）が好ましい。これらの合金は、ろう付け時の湯流れ性や濡れ性の改善、及びステンレス鋼中におけるＦｅ成分の溶解度低減を図ることができる。

Ｆｅ又はＦｅ合金層１３を構成するＦｅ又はＦｅ合金としては、Ｔｉ又はＴｉ合金層１２のＴｉと反応してＴｉＣが生成するのを極力防ぐべく、Ｃ含有量の低いものが好ましい。また、Ｆｅ合金としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（例えば、Ｉｎｖａｒ（登録商標））、Ｆｅ−Ｃｒ系合金（フェライト系ステンレス鋼）、又はＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系合金（オーステナイト系ステンレス鋼）が好ましい。なぜなら、ＮｉやＣｒは、ろう付け接合部の耐食性や耐酸化性を向上させる効果があるからである。

ろう付け用複合材１０の、Ｆｅ又はＦｅ合金層１３、Ｔｉ又はＴｉ合金層１２、及び心材１１の少なくとも１つがＰを含んでいてもよい。ろう付け用複合材１０全体のＰ濃度は０．０２〜１０ｍａｓｓ％が好ましく、これによって、ろうの湯流れ性や耐酸化性が更に向上する。Ｐ濃度が増えると（１０ｍａｓｓ％よりも多いと）、接合される基材（被ろう付け材）の種類によっては、強度低下が発生する。好ましいＰ濃度範囲は０．０２〜５．０ｍａｓｓ％とされる。

また、ろう付け用複合材１０の、Ｆｅ又はＦｅ合金層１３、Ｔｉ又はＴｉ合金層１２、及び心材１１の少なくとも１つが、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｌ、又はＣｒの内の少なくとも１種を含んでいてもよい。例えば、ろう付け用複合材１０がＣｕを含む場合、ろう付け用複合材１０全体のＣｕ濃度は０．２〜３０ｍａｓｓ％が好ましい。

さらに、ろう付け層の最外層（図１中ではＦｅ又はＦｅ合金層１３）を構成する金属又は合金に、Ｂ又はＳｉの少なくとも一種を添加してもよい。これによって、ろう材の融点、濡れ性、靭性、及び接合強度を調整することができる。

心材１１の表面にろう付け層を設けてなる本実施の形態に係るろう付け用複合材１０（クラッド材）の製造方法は、特に限定するものではなく、クラッド材形成のための慣用の方法が全て適用可能である。例えば、心材１１として棒状に加工したＮｉに、Ｔｉ製パイプ、Ｆｅ合金製パイプ（ろう付け層）を順次被せ、熱間押出し加工を行うことにより、心材の表面にろう付け層を一体化する方法が挙げられる。

上述した本実施の形態に係るろう付け用複合材１０を、被ろう付け材同士の所望のろう付け接合箇所に配置し、ろう付けすることで、被ろう付け材同士がろう付け接合部を介してろう付けされ、本実施の形態に係るろう付け製品が得られる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係るろう付け用複合材１０は、Ｎｉ又はＮｉ合金を心材１１として、その表面から順にＴｉ又はＴｉ合金層１２、Ｆｅ又はＦｅ合金層１３を配置し、クラッドしてなる複数層構造、すなわち、内層側からＮｉ／Ｔｉ／Ｆｅという構造のろう材である。また、ろう付け用複合材１０全体のＦｅ濃度が、１０〜５０ｍａｓｓ％となるように調整している。これによって、被ろう付け材との接触面がＦｅ又はＦｅ合金層１３、基材との界面がＮｉ又はＮｉ合金の心材１１となり、これによって初めて、ろうによる基材及び被ろう付け材の侵食を抑制することが可能となり、被ろう付け材であるステンレス鋼の侵食を大幅に低減することができる。

また、本実施の形態に係るろう付け用複合材１０は、棒状あるいはワイヤ状であることから、狭く細い箇所に適量配置することが容易であるため、一度目のろう付け後、ろう付け接合部における未接合の箇所、或いはろう材が不足している箇所にこのろう付け用複合材１０を配置し、補修用ろう付け材として二度目のろう付けに利用することができ、補修用途の部材としても利用価値が高い。

本実施の形態においては、図１に示したように、断面形状が円状のろう付け用複合材１０を例に挙げて説明を行ったが、例えば、図２に示すように、扁平状のろう付け用複合材２０であってもよい。このように扁平状に形成することによって、置きろうとしての取り扱い性がさらに向上する。

本実施の形態に係るろう付け用複合材１０は、ＥＧＲ用クーラなどの高温で、腐食性の高いガス又は液体に晒される熱交換器のみに、その用途を限定するものではなく、その他にも、例えば、燃料電池の改質器用クーラや、燃料電池部材などの各種用途にも適用可能である。特に、このろう付け用複合材は、棒状又はワイヤ状であるので、径サイズが小さく、取り扱い性が良好であることから、ＥＧＲ用クーラや、燃料電池の改質器用クーラ等の熱交換器、燃料電池部材などの他にも、オイルクーラ、ラジエータ、二次電池部材などにも適用可能である。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基いて説明する。

第２の実施形態に係るろう付け用複合材の断面図を図３に示す。

図３に示すように、本実施の形態に係るろう付け用複合材３０は、心材１４がＦｅ又はＦｅ合金で構成されたものであり、Ｆｅ又はＦｅ合金を心材１４とし、その表面から順にＴｉ又はＴｉ合金層１２、及びＦｅ又はＦｅ合金層１５を配置、設けてなるものである。

Ｆｅ又はＦｅ合金層１５の構成材として、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（例えば、Ｉｎｖａｒ（登録商標））を用いることが好ましい。なぜなら、Ｆｅ−Ｎｉ系合金に含まれるＮｉ成分が、ろう材全体の融点を低下させるよう機能するためである。

本実施の形態に係るろう付け用複合材３０においても、前実施の形態に係るろう付け用複合材１０と同様の効果が得られる。

（実施例１）
図１に示すような、Ｎｉを心線とし、その外側にＴｉ層、さらにその外側にＩｎｖａｒ（登録商標、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金）層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、各層の最外周の直径をＮｉ層が４．３ｍｍ、Ｔｉ層が６．６ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。
（実施例２）
図１に示すような、Ｎｉを心線とし、その外側にＴｉ層、さらにその外側にＩｎｖａｒ（登録商標、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金）層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、各層の最外周の直径をＮｉ層が３．６ｍｍ、Ｔｉ層が６．２ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。
（比較例１）
図１に示すような、Ｎｉを心線とし、その外側にＴｉ層、さらにその外側にＩｎｖａｒ（登録商標、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金）層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、各層の最外周の直径をＮｉ層が０．７ｍｍ、Ｔｉ層が４．４ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。
（比較例２）
図１に示すような、Ｎｉを心線とし、その外側にＴｉ層、さらにその外側にＩｎｖａｒ（登録商標、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金）層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、各層の最外周の直径をＮｉ層が５．２ｍｍ、Ｔｉ層が７．７ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。
（比較例３）
図１に示すような、Ｎｉを心線とし、その外側にＴｉ層、さらにその外側にＩｎｖａｒ（登録商標、Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ合金）層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、各層の最外周の直径をＮｉ層が５．３ｍｍ、Ｔｉ層が７．９ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。
（従来例１）
図５に示すような、Ｔｉを心線とし、その外側にＮｉ層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、Ｔｉ層の最外周の直径を５．８ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。
（従来例２）
図５に示すような、Ｔｉを心線とし、その外側にＮｉ層を接合配置した直径φ８ｍｍの棒状のろう付け用複合材を作製する。その際、Ｔｉ層の最外周の直径を７．０ｍｍとした。作製した棒材について伸線加工を行い、直径φ０．３ｍｍのワイヤーを作製した。

各例で得られたワイヤー（ろう付け用複合材）のろう付け接合状況を評価するために、図４に示すように、ステンレス鋼板１６（ＳＵＳ３０４、２ｍｍ×２０ｍｍ×２５ｍｍ）の表面に、ステンレス製パイプ１７（ＳＵＳ３０４、直径６ｍｍ×長さ１５ｍｍ×肉厚２ｍｍ）を配置し、ステンレス製パイプ１７とステンレス鋼板１６の界面（接触部）両側に、各例で得られたワイヤ状のろう付け用複合材４０（長さ１５ｍｍ）を２本配置した。その後、これらを１２００℃の管状炉内で１５分間加熱してろう付け熱処理を行った。

実施例１，２、比較例１〜３、及び従来例１，２の各ろう付け用複合材についてのろう付け接合状況の評価には、ステンレス鋼板１６とステンレス製パイプ１７とのろう付け接合部におけるろうの湯流れ性および被ろう付け材への侵食状況を評価し、その評価結果を表１に示す。評価は、良好なものは◎、不良なものは×とした。湯流れ性の評価は、ろう付け接合部のフィレット形状及びフィレットの断面積によって評価を行った。

評価の結果、実施例１，２のろう付け用複合材は、いずれも湯流れ性及びろう付け生産性が極めて良好であった。また、実施例１，２のろう付け用複合材は、ろう材による基材（ステンレス鋼板１６）への侵食が少なかった。よって、総合評価はいずれも極めて良好であった。

これに対して、比較例１のろう付け用複合材は、複合材に含まれるＦｅ成分が多すぎるため、ろう材の融点が上昇し、ろうの湯流れ性が悪化する。そのため、ろう付け接合部のフィレット形状および量ともに十分ではなかった。以上より、総合評価は不良であった。

また、比較例２，３のろう付け用複合材は、ろう付け生産性は良好であったが、複合材に含まれるＦｅ成分が少なすぎるため、ろう材が基材を著しく侵食し、ろう付け接合部の基材厚みが減少した。これにより、ろう付け接合部の構造的強度が低下することとなり、その結果、総合評価は不良であった。

また、従来例１のろう付け用複合材は、ろう付け生産性は良好であったが、複合材にＦｅ成分が全く含まれていないため、ろう材が基材を著しく侵食し、ろう付け接合部の基材厚みが減少した。これにより、ろう付け接合部の構造的強度が低下することとなり、その結果、総合評価は不良であった。

また、従来例２のろう付け用複合材は、湯流れ性及びろう付け生産性は極めて良好であったものの、ろう付け接合部が硬く脆いため、接合強度が低下する。その結果、総合評価は不良であった。

以上、本発明に係るろう付け用複合材である実施例１，２のろう付け用複合材は、ろうの湯流れ性、ろう付け接合部の耐食性、及びろう付け生産性がいずれも良好であることから、ろう付け特性及びろう付け接合部の信頼性に優れることがわかる。

本発明の第１の実施形態に係るろう付け用複合材の断面図である。 図１の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るろう付け用複合材の断面図である。 実施例におけるろう付け特性を評価するためのろう付け構造図である。 従来のろう付け用複合材の断面図である。

符号の説明

１０ ろう付け用複合材
１１ 心材（Ｎｉ又はＮｉ合金心材）
１２ Ｔｉ又はＴｉ合金層
１３ Ｆｅ又はＦｅ合金層

Claims (10)

1. 被ろう付け部材同士をろう付けするろう付け用複合材において、棒状又はワイヤ状のＮｉ又はＮｉ合金心材の表面に、Ｔｉ又はＴｉ合金層、及びＦｅ又はＦｅ合金層を重ねた複層構造のろう付け層を一体的に設けたことを特徴とするろう付け用複合材。
2. 被ろう付け部材同士をろう付けするろう付け用複合材において、棒状又はワイヤ状のＦｅ又はＦｅ合金心材の表面に、Ｔｉ又はＴｉ合金層、及びＦｅ又はＦｅ合金層を重ねた複層構造のろう付け層を一体的に設けたことを特徴とするろう付け用複合材。
3. ろう付け用複合材全体のＦｅ濃度が１０〜５０ｍａｓｓ％である請求項１又は２記載のろう付け用複合材。
4. 上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｎｉ又はＮｉ合金心材の少なくとも１つがＰを含む請求項１又は３記載のろう付け用複合材。
5. 上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｆｅ又はＦｅ合金心材の少なくとも１つがＰを含む請求項２又は３記載のろう付け用複合材。
6. ろう付け用複合材全体のＰ濃度が０．０２〜１０ｍａｓｓ％である請求項４又は５記載のろう付け用複合材。
7. 上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｎｉ又はＮｉ合金心材の少なくとも１つが、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｌ、又はＣｒの内の少なくとも１種を含む請求項１，３，４，６いずれかに記載のろう付け用複合材。
8. 上記Ｆｅ又はＦｅ合金層、上記Ｔｉ又はＴｉ合金層、及び上記Ｆｅ又はＦｅ合金心材の少なくとも１つが、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｌ、又はＣｒの内の少なくとも１種を含む請求項２，３，５，６いずれかに記載のろう付け用複合材。
9. ろう付け用複合材がＣｕを含み、かつ、全体のＣｕ濃度が０．２〜３０ｍａｓｓ％である請求項７又は８記載のろう付け用複合材。
10. 請求項１〜９いずれかに記載のろう付け用複合材を用い、被ろう付け材同士をろう付け接合したことを特徴とするろう付け製品。
    

Images