JP2008534290A - ろう付け用表面の部分的又は完全な被覆を持つアルミニウムから成る部材及び被覆を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ろう付け用表面の部分的又は完全な被覆を持つアルミニウム材料製部材、及びこの被覆の製造方法に関する。この方法では、微粒の粉末状ろうが、低温プラズマジェットにより少なくとも部分的に溶融され、溶融された形で部材の表面へ吹付けられ、そこでろうが部材の表面との良好に付着する均一な結合を行う。ろう塗布は、部材の表面のあらゆる範囲において、例えば稜においても行うことができる。本発明による方法の特別な利点は、精確に計量されて均一でよく付着するろうの被覆が得られ、製造過程において溶媒及び結合剤をなくすことができ、それが環境の保全に寄与することである。

Description

本発明は、ろう付け用表面の部分的又は完全な被覆を持つアルミニウム材料即ちアルミニウム又はアルミニウム合金から成る部材に関する。部材は例えば蒸発器又は凝縮器（液化器）のような熱交換器用の押出された多室異形断面管である。このような多室異形断面管は、扁平異形材として押出されてろう付け用ろうを設けられ、例えば薄片及び／又は集合管のような熱交換器の別の部品と、ろう付けにより結合される。薄片及び集合管も同様にろう被覆を設けられるが、扁平な多室異形断面管の被覆が好ましい。

このため種々の方法が公知になっている。米国特許第６１３６３８０号明細書には浸漬方法が記載され、押出しにより形成される異形断面帯が浸漬浴に通される。この液状浴（スラリ）は、粉末状ろう合金、粉末状溶剤及び結合剤を含み、溶媒中で混合されている。この方法により、被覆された多室異形断面管を、１列法で異形断面管の裁断過程と共に製造することが可能であるが、裁断過程から切離して被覆を行うことも可能である。その際扁平異形材の全表面がろう被覆を設けられる。被覆の層厚は、浸漬浴の後に設けられているかき取りローラにより調節される。

ドイツ連邦共和国特許第１９９０７２９４号明細書又は国際公開第０１／３８０４０号による別の方法では、被覆が、ろうを異形材の表面へ移す被覆ローラにより行われる。この場合一般に異形材の幅広い側のみが被覆され、即ち特に稜範囲では充分な被覆が全く又は充分には保証されない。被覆ローラによるこの被覆方法でも、ろう合金、溶剤及び結合剤から成るろうは、溶媒に溶解されて被覆される。これは、溶媒の蒸発によって環境を危険にさらしかつ健康を害する放出物が大規模に生じる、という重大な欠点を持っている。更に溶剤及びろう合金の充分な付着のために、ろう付け過程中に燃焼してろう浴中に望ましくない残渣を生じる比較的多量の結合剤が必要になる。

ドイツ連邦共和国特許第１９８５９７３５号明細書からろうのための粉末被覆方法が公知であり、ろう合金と溶剤及び結合剤も粉末の形で熱交換器異形材に塗布される。このような過程も、同様に高い被覆速度での被覆及び既存の方法過程への統合を可能にする。更にこの方法の利点は、限られた結合剤塗布を行うことが可能なことである。しかしろう合金及び／又は溶剤の塗布がろう付け過程の直前に行われる時は、完全に結合剤をやめることはできない。これは、ろう付け炉の直前で静電粉末被覆によって行われる。その際溶剤が薄片にも塗布されるが、これは必要ではない。方法の経済性から、異形材の製造者の所で被覆過程を行うのが一層経済的であることがわかった。この場合扁平異形材への被覆の一層良好な付着を行うため、特に押出し機からの熱も利用される。この方法でも、異形材の稜の範囲では、均一に良好な付着は行われない。

本発明の課題は、部材の所望のすべての表面範囲特に稜にも良好に付着する均一なろう被覆を持つアルミニウム材料製部材を利用可能にし、これらの部材を経済的に製造可能にし、溶媒放出及び結合剤の熱分解生成物の放出による環境悪化をできるだけ少なくすることである。

この課題は、請求項１の特長によるろう付け用表面の部分的又は完全なろう被覆を持つアルミニウム材料製部材により解決される。このような部材を製造する方法は、請求項５に開示されている。

ろうは微粒で粉末状である。ろうは、珪素粉末、又は例えばアルミニウム−珪素合金粉末なるべく亜共晶のＡｌＳｉ（７−１２．５）合金粉末又は過共晶のＡｌＳｉ（１２．６−４０）合金粉末のような合金粉末を含むことができる。更にただし別々に、結合剤粉末を含まないか又は含む溶剤粉末を使用することができる。溶剤として、すべての慣用の溶剤例えば非腐食性の金属弗化物粉末特にアルカリ金属弗化アルミン酸塩粉末例えばＫ_１−３ＡｌＦ_４−６が考えられる。しかしアルカリ金属弗化珪酸塩（Ｋ_２ＳｉＦ_６）又はアルカリ金属弗化亜鉛酸塩（Ｋ_２ＺｎＦ_３）のような反応性溶剤も使用可能である。このような溶剤において、アルカリ金属として一般にカリウム又はセシウム又はルビジウムも使用される。ろう合金粉末の溶融する粉末粒子の良好な付着のため、結合剤を全くやめることもできる。

ろう付け用の微粒の粉末状ろうは、計量されて１００μｍまでの層として表面に塗布されている５０ｎｍ〜１００μｍの粒径を持つ粉末粒子を含んでいる。狭い粉末粒径スペクトル、例えば３〜２５μｍの範囲にある粉末粒径では、非常に均一な被覆が得られ、ろうの個別成分の良好な計量が行われる。塗布されるろうの総量は２５ｇ／ｍ^２までである。１０ｇ／ｍ^２までの塗布厚さでは、一般に単一部分のろう層が存在し、即ち溶剤分子又はろう合金分子が部材のアルミニウムに付着している。もっと大きい塗布厚さでは、それ以上の溶剤粒子又はろう合金粒子の付着を改善するため、２０重量％以下の少量の結合剤粉末の添加が可能である。その際２０μｍ以下の粒径を持つすべての公知の結合剤、即ち透明塗料の形の標準結合剤又は反応性溶剤用の結合剤、例えばＲｏｈｍ ｕｎｄ Ｈａａｓ社のアクリロイドＢ６７又はパラロイドＢ７２が使用可能である。

部材の表面へのろうの良好な付着は、方法変形例では、微粒の粉末状ろう粒子が溶融した形で表面に塗布されて付着することによって、行われる。良好な付着は、一方ではアルミニウム表面へのろう粒子の機械的しがみ付きによって行われ、更に粉末及びプラズマ流の電力の選択に応じて、若干の粉末では、塗布されるろう粒子の熱エネルギーによって、多くのこれらの粒子のアルミニウム表面への拡散によって助長される。充分な付着のために、微粒の粉末状ろうの溶融度が少なくとも１０％であることが必要である。溶融度が高いと、いずれにせよ部材表面への良好な付着が行われる。方法技術的に１０％〜１００％の溶融度が設定可能である。ろうの加熱又はアルミニウムの溶融を防止するため、８０％の上限が選ばれる。

別の方法変形例では、微粒の粉末状ろう粒子が蒸気相からアルミニウム部材の表面へ塗布されることによって、表面への良好な付着が行われる。その際ろう粉末粒子は蒸気相へ移行せしめられる。

微粒の粉末状ろうの少なくとも１０％の溶融度は、エネルギ供給によって得られる。可能な方法では、粉末粒子が高速に加速されて部材表面に当たり、その高い運動エネルギのため、衝突の際溶融して付着する。しかしこのような方法では非常に多くの過剰噴射が生じるので、ろう塗布はなるべく低温プラズマジェットにより行われる。通常プラズマジェットでは、６０００Ｋ〜２００００Ｋの温度が測定される。低温プラズマでは、５００Ｋ〜２０００Ｋの温度が設定可能であり、アルミニウム部材のろう被覆のために、５００℃〜１０００℃の温度が好まれる。これらの温度では、微粒の粉末状ろうが部分的に溶融する。低温プラズマジェットの電力、プラズマガスの体積流量及びプラズマ組成の制御によって、ろうの溶融度が調節可能である。ろうは溶融した形で部材の表面へ吹付けられる。そのためプラズマ炎がアルミニウム部材の被覆すべき表面に接触する。低温プラズマジェットが部材の表面に直接接触することによって、ろうと周囲大気との望ましくない反応が回避される。

１つの実施形態では、ろう合金粉末及び溶剤粉末を使用する際、主として溶剤粉末が溶融するように、低温プラズマジェットの温度が調節される。このため例えば５３０℃〜６２０℃なるべく５５０℃〜６００℃の低温プラズマジェットの温度範囲が使用される。続いてろう合金粉末が塗布され、低温プラズマジェットの温度範囲がもっと高くなるべく５７０℃〜６５０℃に選ばれる。ろうとしてろう合金粉末、溶剤粉末及び結合剤粉末を使用すると、まず結合剤粒子又は結合剤−溶剤粒子、場合によっては結合剤−溶剤−ろう合金粒子が溶融されるように、プラズマ流の出力が設定される。その際結合剤の熱分解が回避されるように、温度が選ばれる。

付着を改善するため、若干の場合更にプラズマノズルとアルミニウム部材の表面との間に中継する（脈動又は非脈動）アークを使用するのが効果的であり、即ち付加的な直流電源がプラズマ流の出力に影響を及ぼす。

微粒の粉末状ろうによるアルミニウム部材の被覆は、以下に説明するように行われる。ろう粉末は、粉末コンベヤにより、低温プラズマジェットを発生するプラズマトロンへ供給される。この粉末コンベヤにおいてろう粉末がガスで流動化される。ガスとして希ガス、水素、窒素、二酸化炭素又は空気が問題となる。水素の成分を持つ希ガス例えば水素又は化成ガスの成分を持つアルゴンの使用が特に有利なことがわかった。

プラズマトロン内で、低い電力（５ｋＷ以下）を持つ不平衡プラズマが、高周波交流（１０ｋＨｚ以上）により、例えばマグネトロン、ＲＦプラズマ、直接高電圧放電、コロナ障壁放電等の過程を介して発生される。プラズマトロンへ、上から供給導管を通して、プラズマガス又は動作ガスが導入されるので、それにより一次プラズマが安定化される。プラズマガス又は動作ガスとして、希ガス、水素、窒素、二酸化炭素又は空気が使用可能である。プラズマトロンから出る大気圧プラズマジェットは、低い温度（芯範囲で１０００℃以下）及び小さい幾何学的寸法の点ですぐれている。プラズマジェットの直径は典型的には１０ｍｍより小さいが、適当な手段により０．５ｍｍまで限定可能である。

微粒のろう粉末は、自由プラズマジェットへ精確に計量された量で供給可能である。それから微粒のろう粉末は、プラズマとの相互作用のため溶融し、部材の被覆すべき表面の方へ加速されて，最後にそこに沈積する。

しかし流動化される微粒のろう粉末は、流出するプラズマジェットのノズル開口へ直接導入可能である。

別の可能性は、粉末を、導管を経て直接一次プラズマを通してプラズマジェットの流れ方向にノズル開口まで導くことである。

この被覆方法は、微粒の粉末をよく計量してプラズマジェットへ供給できるという、特別な利点を持っている。

プラズマジェットにより部材の表面へもたらされるろう粉末は、部材の表面温度を不当に上昇させることなく、表面によく付着するように塗布される。しかし塗布される層のすぐれた付着を助長するため、部材も同様に過熱することも可能である。これは、押出されるアルミニウム部材を被覆する際、例えば押出しの処理熱の利用によっても可能である。

方法は、ろうと別の粉末状添加物例えば腐食防止用の微粒の粉末状亜鉛又は摩耗防止用の粉末状機能添加物から成る粉末混合物の計量された塗布のためにも使用することができる。

本発明による方法の特別な利点は、精確に計量されかつ均一によく付着するろうの被覆をろう付けのため熱交換器用アルミニウム部材の部材表面に塗布できることである。計量される塗布は同時に限られた塗布を意味し、製造過程において溶媒及び結合剤をなくすことができ、これが環境の保全に寄与する。更に部材の表面のあらゆる範囲例えば部材の稜にもろうの塗布を行うことができる。

更に部材の部分的被覆の場合、マスク又は遮蔽体を使用することなしに、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの限られた塗布幅を、部材に局部的に塗布することができ、これは例えば管路又は結合素子の接続個所におけるろう塗布に役立つ。

図１〜４は、本発明により被覆されたアルミニウム部材（図１及び２）とローラ塗布によるろう被覆を持つ部材との比較を示している。

アルミニウム部材のプラズマ被覆（図１及び２）は、５９５℃の温度で行われた。ろうとして、結合剤なしのノコロク（Ｎｏｃｏｌｏｋ）粉末（カリウム弗化アルミン酸塩）がプラズマトロンへ供給された。使用されたノコロク粉末の粒径は、すべての粉末粒子の５０％が２〜６μｍの粒径を持つような粒度分布を持っていた。この粉末が、２０体積％の化成ガスを供給されるアルゴンを含む粉末コンペヤにより流動化された。本発明により被覆された部材は、走査型電子顕微鏡写真として図１に示されている。被覆されたアルミニウム表面は滑らかに感じられ、表面におけるろう粒子の均一な分布を示している。一層強い拡大（図２）では、ろう被覆の粒子が大部分溶融していることがわかる。

図３及び４に示す比較例において、同じノコロク粉末がアクリレート結合剤と共に溶媒に溶解され、ローラにより表面に塗布された。この場合（図３）、表面は被覆中に存在する結合剤のため滑らかに感じられるけれども、表面はそれほど完全に均一には見えない。特に図４において、結晶のろう粒子及びその集塊が明らかに見える。

両方の被覆は良好な付着を示しているが、稜範囲において被覆は、本発明による被覆においてのみ充分に良好である。更にローラ塗布による被覆では、溶媒の放出が起こり、被覆される部材に付着している結合剤が、ろう付け炉中に熱分解残渣を生じる。これらの欠点は、本発明による方法では現れない。

本発明の方法により被覆されたアルミニウム部材の電子顕微鏡写真を示す。 図１に示す部材の拡大写真を示す。 従来技術により被覆されたアルミニウム部材の電子顕微鏡写真を示す。 図２に示す部材の拡大写真を示す。

Claims (18)

1. ５０ｎｍ〜１００μｍの粉末粒径を持つ微粒の粉末状ろうから成るろう付け表面の部分的又は完全な被覆を持つアルミニウム製部材であって、被覆の層厚が１００μｍまでであり、塗布されるろうの総量が２５ｇ／ｍ^２までであるものにおいて、部材の表面の被覆が結合剤なしのろうから構成され、この被覆が部材のすべての所望の表面範囲によく付着していることを特徴とする、部材。
2. 微粒のろうがろう合金粉末及び／又は溶剤から成っていることを特徴とする、請求項１に記載の部材。
3. １０ｇ／ｍ^２より大きいろうの塗布量において、微粒のろうが、２０重量％より少ない結合剤粉末を添加されるろう合金粉末及び／又は溶剤粉末がら成っていることを特徴とする、請求項１に記載の部材。
4. 粉末粒子の少なくとも５０％が１．５〜８μｍの粒径を持つ粒径分布を有する微粒のろうから、被覆が構成されていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の部材。
5. １００μｍまでの被覆の層厚及び２５ｇ／ｍ^２までの塗布すべきろうの総量のために、５０ｎｍ〜１００μｍの粉末粒径にあるろう付け用の微粒の粉末状ろうにより、アルミニウム材料から成る部材の表面を部分的に又は完全に被覆する方法において、
   微粒の粉末状ろうが、低温プラズマジェットを発生するプラズマトロンへ供給され、
   微粒の粉末状ろうが、低温プラズマジェット中において５００Ｋ〜２０００Ｋの温度で少なくとも部分的に溶融され、
   溶融した形のろうが、部材の表面と直接接触している低温プラズマジェットにより、部材の表面と均一でよく付着する結合を行う
   ことを特徴とする方法。
6. 低温プラズマジェットの電力の制御により、微粒の粉末状ろうの溶融度が、１０％より大きく、なるべく１０％〜８０％に設定されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. ろうが、結合剤粉末付き又はなしのろう合金粉末及び／又は溶剤粉末から成ることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 低温プラズマジェットの電力の制御により、微粒の粉末状ろうの選ばれた成分のみが溶融されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 微粒の粉末状ろうが、配量されて圧縮ガスの粉末コンベヤにより、流動化されて低温プラズマジェットを発生するプラズマトロンへ供給されることを特徴とする、請求項５〜８の１つに記載の方法。
10. 低い電力（５ｋＷ以下）の一次不平衡プラズマ即ち一次低温プラズマが、プラズマトロン内で、動作ガスを供給しかつ放電を生じながら発生され、一次低温プラズマジェットがプラズマトロンのノズルとして形成される開口を通って部材の表面まで吹出され、微粒のろうが例えばプラズマトガスを介して一次低温プラズマへ導入され、そこから二次低温プラズマジェットへ達し、かつ／又はノズル開口の方へ先細になるプラズマノズルの範囲へ導入され、かつ／又はノズル開口から出る二次低温プラズマジェットへ直接導入されることを特徴とする、請求項５〜９の１つに記載の方法。
11. 圧力ガス及びプラズマガスとして、希ガス、水素、窒素、二酸化炭素又は空気なるべく水素の成分を持つ希ガスが使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. マスク又は遮蔽体を使用することなく、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの限られた塗布幅が部材上に設けられることを特徴とする、請求項５〜１１の１つに記載の方法。
13. 部材の被覆が、部材の製造直後に押出しによって行われ、それによりろうの溶融する粒子が暖かい表面へ当たることを特徴とする、請求項５〜１２の１つに記載の方法。
14. 被覆が部材の押出しと被覆される部材の冷却との間の方法段階として行われ、それから部材の切断、矯正、巻取りによる後続処理又は保管が行われることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 溶剤として、非食性金属弗化物粉末特にアルカリ金属弗化物粉末及び／又はアルミン酸塩粉末が使用されることを特徴とする、請求項７〜１４の１つに記載の方法。
16. ろう合金粉末として、アルミニウム−珪素合金粉末、なるべく７〜４０重量％の珪素含有量を持つ合金粉末が使用されることを特徴とする、請求項７〜１５の１つに記載の方法。
17. 反応性のアルカリ金属珪酸塩又はアルカリ金属弗化亜鉛酸塩がろうとして使用されることを特徴とする、請求項７〜１６の１つに記載の方法。
18. 被覆のために、ろうと腐食防止用の微粒の粉末状亜鉛及び／又は摩耗防止用の粉末状機能添加物から成る粉末混合物が使用されることを特徴とする、請求項７〜１７の１つに記載の方法。

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