JP2009148772A - ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造およびろう付け方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、接合強度が高い接合構造を安定して形成する手法を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Al−Si−Fe系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Al−Si−Fe系反応層の平均厚さが10μm以下であるろう付け接合構造。前記Al−Si−Fe系反応層は、例えばCu:2〜4原子%を含有するものが好適な対象となる。前記ろう材溶融凝固層は、初晶Al相、CuAl2系合金相およびスパイク状のSi濃化相を有する金属組織であるものが好ましい。特に、ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のAl−Si−Fe系合金相が存在していることがより好ましい。
【選択図】図4

Description

本発明は、ステンレス鋼とアルミニウム合金とをろう付けすることによって得られるろう付け接合構造、およびそのろう付け方法に関する。
鋼材とアルミニウム合金を接合する方法としては、ボルト/ナットやかしめなどにより機械的に締結する方法、接着剤による方法、ろう付けによる方法がある。自動車のラジエーター部材など、鋼材とアルミニウム合金の間に多数の接合点を有し、それらの接合点を通して熱を伝導させる用途では、ろう付け接合が必要となる。従来から鋼材とアルミニウム合金のろう付けは、主としてAl−Si系合金のろう材(例えばAl:88原子%、Si:12原子%)を用いて行われている。
しかし、従来のろう付けでは、鋼材と、ろう材の溶融凝固層との界面に脆いAl−Fe系合金層(反応層)が成長しやすく、必ずしも十分な接合強度が得られないという問題があった。特許文献1には、より融点の低いAl−Si−高Zn系のろう材を用いてろう付け温度を低くすることにより、脆い反応層の成長を抑制する手法が記載されている。
一方、一般的な鋼材はアルミニウム合金に比べ耐食性に劣ることなどから、鋼材としてAlめっき鋼板を使用し、これをアルミニウム合金とろう付けする手法が試みられてきた。特許文献2には、溶融Alめっき鋼板とアルミニウム合金とをろう付けする際に、Alめっき鋼板の原板としてNを添加した鋼を使用することが開示されている。鋼中のNは鋼素地とAlめっき層との間にN濃化層を形成し、これがバリアーとなって、ろう付け時に鋼中のFeがろう材側に拡散するのを阻害し、その結果、脆いAl−Fe系合金層(反応層)の成長が抑制される。
特公平7−29202号公報 特開平9−220692号公報
最近では従来にも増して高耐食性のニーズが強くなり、鋼材としてAlめっき鋼板を適用するだけでは不十分とされる場合も想定されるようになってきた。例えば切断端面での錆の発生を嫌う用途などがこれに該当する。そこで、鋼材にステンレス鋼を採用して、これをアルミニウム合金とろう付けすることが試みられている。しかし、ステンレス鋼の場合は、ろう付け温度が約580℃以上になると反応層が成長しやすいという問題がある。このため、従来一般的なAl−Si系のろう材を使用して、従来と同様に高温でのろう付けを行った場合、Al−Si−Fe系反応層の厚さが増大し、高い接合強度を安定して得ることが難しい。
また、ステンレス鋼の場合には特許文献1に開示されるような低融点のろう材を用いて、低温でのろう付けを試みても、接合自体が不可能であるという問題がある。これは、ステンレス鋼に特有の不動態皮膜が何らかの影響を及ぼしているものと考えられる。
一方、発明者らの調査によると、ステンレス鋼の場合には、特許文献2に示されるようなN添加の手法は有効でないことがわかった。すなわち、N含有量の高いステンレス鋼にAlめっきを施す手法を採用しても、反応層の成長を抑制することは困難である。これは、ステンレス鋼にはNとの親和力の大きいCrが多量に含有されているので、溶融Alめっき層の下にバリアーとなるN濃化層を形成することが困難となるからではないかと推察される。
このように、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け技術は未だ十分に確立されていない。
本発明は、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、接合強度が高い接合構造を安定して形成する手法を提供するものである。
上記目的は、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Al−Si−Fe系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Al−Si−Fe系反応層の平均厚さが10μm以下好ましくは1〜10μmであるろう付け接合構造によって達成される。前記Al−Si−Fe系反応層は、例えばCu:2〜4原子%を含有するものが好適な対象となる。前記ろう材溶融凝固層は、初晶Al相、CuAl2系合金相およびスパイク状のSi濃化相を有する金属組織であるものが好ましい。特に、ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のAl−Si−Fe系合金相が存在していることがより好ましい。
ここで、例えばJIS H4000の合金番号1085、1080、1070、1050のように、Al含有量が99質量%以上のものも、本発明では「アルミニウム合金」として扱う。「ろう材溶融凝固層」は、ろう付け時に溶融したろう材、および溶融したろう材と反応して溶融したステンレス鋼素地、Alめっき層、アルミニウム合金の一部が、ろう付け後の冷却過程で凝固して生じた層である。
また、上記の接合構造を得るためのろう付け方法として、Si:5〜13質量%を含有する溶融Alめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が550℃未満好ましくは530℃未満のアルミニウム合金組成、例えばAl−Cu−Si系合金組成を有するろう材を用いて、530℃以上かつろう材の融点以上、570℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法が提供される。この場合、ステンレス鋼の表面に存在するAlめっき層の上にろう付けを行う。
本発明によれば、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、反応層が薄く形成された接合強度が高い接合構造を安定して形成することが可能になった。したがって本発明は、従来よりも格段に耐食性の良い「鋼材−アルミニウム合金ろう付け部材」の普及に寄与するものである。
図1(a)〜図1(c)に、溶融Alめっきステンレス鋼のAlめっき層の上に、Cu:13.4原子%、Si:6原子%、残部Alの組成をもつ融点524℃のAl−Cu−Si系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真(SEM像)を例示する。図1(a)、(b)および(c)は、ろう付け温度がそれぞれ540℃、560℃および600℃である。各写真にはろう付け接合構造のステンレス鋼素地近傍を示してある。ステンレス鋼はSUS409(SUH409)であり、表面にSi:9質量%を含有する溶融Alめっき層を約15μm厚さに形成したものを用いた。また、ステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層の間に介在する反応層について、EDXにより元素分析を行った。図中には、番号で示した箇所の測定結果(原子%)を記載した。
これらの組織写真からわかるように、ろう付け温度が高くなると反応層の厚さが厚くなる。種々検討の結果、反応層の平均厚さが10μmを超えると、ステンレス鋼素地と反応層の界面での接合強度が弱くなり、その部分で非常に破断しやすくなる。従来のステンレス鋼−アルミニウム合金ろう付け接合構造の場合、図1(c)のように反応層が10μmを超えて厚く、高い接合強度が得られないという問題があった。これに対し、図1(a)、図1(b)の本発明例のものは、反応層が10μm以下と薄く、ステンレス鋼素地からの剥離が生じにいくい。
この反応層は、ステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層とを接合するために必要な層であり、反応層がないとステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層の接合状態が実現できないと考えられる。種々検討の結果、反応層の平均厚さは1μm以上を確保することが好ましく、2μm以上であることがより好ましい。ろう付け温度530℃以上の範囲で1μm以上の反応層を形成させることが十分可能である。
反応層は、溶融したろう材と、ステンレス鋼素地およびその表面に存在していたAlめっき層が反応して生成したものである。Al−Si−Fe系の合金組成を有し、ろう材に由来するCuを例えば2〜4原子%の範囲で含有している。また、ステンレス鋼素地に由来するCrも含有している。このような組成のAl−Si−Fe系反応層は、従来、硬質で脆いとされていた反応層に比べ、強度が改善されていると考えられる。そして、そのような反応層が薄くタイトに形成されているとき、ステンレス鋼素地と反応層の界面、あるいは反応層自体の内部での破断が生じにくく、耐久性の高いろう付け接合構造の構築に寄与していると考えられる。
図2(a)〜図2(c)に、溶融Alめっき層を形成していないSUS409を用いて前記と同じ条件でろう付けを行った場合の、ろう付け部断面の金属組織写真(SEM像)を例示する。図2(a)、(b)のものは反応層の成長が不十分であり、接合強度はほとんどゼロである。溶融Alめっき層がないステンレス鋼の場合は、図2(c)のようにろう付け温度を高くしないと、接合ができない。したがって、必然的に反応層の厚さは10μmを超えて厚くなり、ステンレス鋼素地と反応層の界面で破断しやすい。
図3(a)〜図3(f)には、図1(a)と同じ条件(ろう付け温度540℃)でろう付けを行ったろう付け接合構造の断面について、EPMAにより元素分布の測定を行った結果を例示する。反応層の平均厚さは約3μmである。図3(a)のSEM像を見ると、ろう材溶融凝固層の組織の中に、黒っぽいスパイク状(針状)の相が観察される。このスパイク状の相にはSiが濃化していることがわかる(図3(d))。詳細な分析(後述参照)の結果、スパイク状の相は三元共晶を構成するSi相であると考えられる。ろう付け温度が例えば570℃を超えて高いと、このSi相は初晶Al相のデンドライト樹間に短い形状で存在する傾向が強くなる。ところが、ろう付け温度が低くなるとSi相はスパイク状に長くなる。このスパイク状のSi濃化層は、薄くタイトなCu含有反応層の存在と相俟って、ろう付け接合部の強度を増大させる作用を呈するものと考えられる。
図4には、図1(a)と同じ条件(ろう付け温度540℃)でろう付けを行ったろう付け接合構造の断面について、EDXによる局所的な定量分析を行った箇所を記号で示してある。図4の観察視野は、図5に模式的に示す部分に相当する。表1に、分析結果を示す。
表1からわかるように、ろう材溶融凝固層の金属組織は、初晶Al相(A1、A2)+CuAl2系合金相(B、C)+スパイク状のSi濃化層(G、H)で構成される三元共晶組織であると考えられる。また、その組織中にはロッド状のAl−Si−Fe系合金相(G、H)が観察される。このロッド状のAl−Si−Fe系合金相の多くは、反応層に一部が接するような形で、主として反応層の近傍に存在している。ロッド状のAl−Si−Fe系合金相におけるSi含有量は、反応層(I、J)のAl−Si−Fe系合金よりも高い。このロッド状のAl−Si−Fe系合金相は、ろう付け接合部の強度向上に寄与しているものと考えられる。そのことは、ロッド状のAl−Si−Fe系合金相が存在する組織状態のものと、存在しない組織状態のものについて接合強度を比較すると、前者の方が明らかに高い接合強度を有していること(後述実施例参照)から肯定される。
ステンレス鋼は、Crを約9質量%以上含有することにより、不動態皮膜を形成して高耐食性を呈する鋼であるが、ここでは種々のステンレス鋼種、例えばJIS G4305に示されている鋼種を広く適用することができる。Cr含有量は9〜25質量%であることが好ましく、10.5〜25質量%がより好ましい。鋼種はフェライト系、オーステナイト系等のいずれであっても構わない。
ステンレス鋼表面の溶融Alめっき層は、Si含有量が5〜13質量%のAlめっき浴に浸漬することによって形成されたものであることが好ましい。鋼板の場合は、連続溶融めっきラインにおいて製造された溶融Alめっきステンレス鋼板が好適に採用される。ろう付けに供する表面のAlめっき層の厚さは、概ね5〜100μmの範囲とすることができるが、通常は、10〜50μmのめっき層厚さのものを使用すれば十分である。
アルミニウム合金は、JIS H4000に規定される種々のもの(1000系〜8000系)が採用できる。
ろう材は、融点が550℃未満のものを使用する。530℃未満のものがより好ましい。アルミニウム合金用の従来一般的なろう材としてはAl−Si系のものが知られており、例えばSi:約12原子%を含む組成のものが主流である。しかし、Al−Si系は融点が570℃を超えて高く、本発明では使用できない。アルミニウム合金に適用可能な低融点のろう材としては、Al−Zn系のものが知られている。しかし、この系のろう材では、スパイク状のSi濃化相を有するろう材溶融凝固層を形成することができない。
種々検討の結果、Cuを含有するAl−Cu−Si系で、共晶点付近の融点に(約524℃)に調整された組成のものを使用することが特に好ましい。具体的には、Cu:13.4原子%、Si:6原子%、残部Alの組成に近いAl−Cu−Si系ろう材が挙げられる。この系のろう材中のCuは反応層に柔軟性を付与する効果を有すると考えられ、Siはろう材溶融凝固層中にスパイク状のSi濃化相やロッド状のAl−Si−Fe系合金相を形成させるために寄与する。
ろう付けの方法は、ろう付け温度を530℃以上かつろう材の融点以上、570℃以下の温度範囲とすることを除き、従来一般的な方法に従えばよい。
アルミニウム合金として、JIS H4000の合金番号1050の板材(板厚1mm)を用意した。これを素材ALと表示する。
溶融Alめっきステンレス鋼として、SUS409の鋼板に片面あたり約15μm厚さの溶融Alめっき層(Si含有量:9質量%)を施した板材(板厚1mm)を用意した。これを素材ALSと表示する。
比較用鋼板として、上記と同じSUS409の、Alめっきを施していない鋼板(めっき原板に相当するもの)を用意した。これを素材Sと表示する。
ろう材として、Cu:13.4原子%、Si:6原子%、残部Alの組成をもつ融点524℃のAl−Cu−Si系ろう材のワイヤーを用意した。
フラックスとして、Cs−Al−F系のものを用意した。
素材AL、AL−SおよびSの各板材から、それぞれ圧延方向が長手方向に一致するように20×105×1(mm)の試料を切り出し、その一方の端部から15mmの位置で90°折り曲げて接合面を形成した。
接合する素材の組み合わせ(試料1/試料2)はAL/AL、AL/ALS、AL/Sの3通りとし、ろう付け温度は530℃、550℃、570℃、600℃の4水準とした。
図6に、ろう付けに供するときのセッティングを模式的に示す。鋼製治具の上に試料1と試料2を接合面で突き合わせて配置し、接合面どうしが離れないようにステンレス鋼製クリップ(図示せず)で挟み付けた。接合面の間には予めフラックスを塗布した。突き合わせた接合面の上部に、長さ15mmに切断したろう材ワイヤーを乗せた。この状態にセッティングされたものを、炉長2mm、5ゾーン構成の連続ろう付け炉(トンネル炉)の中に、移動速度200mm/minで装入した。トンネル炉の中を通過する過程で材料の最高到達温度がろう付け温度になり、その後、徐々に降温するようにセットされている。雰囲気は窒素ガスである。
ろう付け後の試験片について、試料1と試料2を引張試験機のチャックで掴み、引張速度10mm/minで破断するまで引張試験を行った。試験数は3とした(n1、n2、n3)。ろう付け接合部で破断したものを×(接合部の強度;不足)、アルミニウム合金試料(AL)の母材部で破断したものを○(接合部の強度;良好)と評価した。結果を表2に示す。
表2からわかるように、AL/AL接合では全て接合部で破断した。これに対し、ろう付け温度530〜570℃とした本発明例のAL/ALS接合では、いずれもAL母材部で破断した。すなわち、本発明のろう付け接合構造は、AL/ALの場合のろう付け接合構造よりも接合強度が高いことが確認された。このことから、本発明の接合構造に特有の組織状態(例えばロッド状のAl−Si−Fe系合金相の存在など)が接合部の強度を増大させているものと推察される。一方、Alめっき層を形成していないステンレス鋼を使用したAL/S接合のものでは、ろう付け温度が570℃以下の場合は引張試験前に破断した。すなわち、事実上、接合が不可能であった。
ろう付け温度が600℃と高い場合は、AL/ALS接合、AL/S接合とも反応層の厚さが10μmを超えて厚くなり、ろう付け接合部の接合強度は本発明例のものより低かった。
溶融Alめっきステンレス鋼のAlめっき層の上に、融点524℃のAl−Cu−Si系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付け温度540℃でろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真(SEM像)。 ろう付け温度が560℃の場合の、図1(a)と同様の金属組織写真(SEM像)。 ろう付け温度が600℃の場合の、図1(a)と同様の金属組織写真(SEM像)。 溶融Alめっき層のないステンレス鋼の上に、融点524℃のAl−Cu−Si系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付け温度540℃でろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真(SEM像)。 ろう付け温度が560℃の場合の、図2(a)と同様の金属組織写真(SEM像)。 ろう付け温度が600℃の場合の、図2(a)と同様の金属組織写真(SEM像)。 ろう付け温度540℃でろう付けを行った本発明のろう付け接合構造の断面について、EPMAにより元素分布の測定を行ったときのSEM像。 図3(a)に対応する視野におけるAlの元素分布を示す写真。 図3(a)に対応する視野におけるCuの元素分布を示す写真。 図3(a)に対応する視野におけるSiの元素分布を示す写真。 図3(a)に対応する視野におけるCrの元素分布を示す写真。 図3(a)に対応する視野におけるFeの元素分布を示す写真。 ろう付け温度540℃でろう付けを行った本発明のろう付け接合構造の断面について、EDXによる局所的な定量分析を行った箇所を記号で示したSEM像。 図4の観察視野の位置を模式的に示した図。 実施例において、ろう付けに供した際のセッティングを模式的に示した図。

Claims (6)

  1. ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Al−Si−Fe系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Al−Si−Fe系反応層の平均厚さが10μm以下であるろう付け接合構造。
  2. Al−Si−Fe系反応層は、Cu:2〜4原子%を含有するものである請求項1に記載のろう付け接合構造。
  3. ろう材溶融凝固層は、初晶Al相、CuAl2系合金相およびスパイク状のSi濃化相を有する金属組織である請求項1または2に記載のろう付け接合構造。
  4. ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のAl−Si−Fe系合金相が存在する請求項3に記載のろう付け接合構造。
  5. Si:5〜13質量%を含有する溶融Alめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が550℃未満のアルミニウム合金組成を有するろう材を用いて、530℃以上かつろう材の融点以上、570℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法。
  6. Si:5〜13質量%を含有する溶融Alめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が550℃未満のAl−Cu−Si系合金組成を有するろう材を用いて、530℃以上かつろう材の融点以上、570℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法。
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