JP2013146759A - アルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム合金部材と銅合金部材との間に、Si:1.0〜12質量%、Mg:0.1〜5.0質量%を含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、厚さ15〜200μmのろう材からなる単層ブレージングシートを挟みこみ面接触させた状態で、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度510〜550℃に保持しつつ、0.6MPa以上の面圧を付加しながら無フラックスでアルミニウム合金部材と銅合金部材とをろう付けする。
【選択図】図1
Description
この面ろう付け技術においては、アルミニウム合金部材と銅板との間にろう材を挿入してろう付け加熱を行なうため、接合部に空隙欠陥等が生じやすく、フラックスを使用するとフラックスを封じ込めやすい構造となっている。したがって、ろう付け技術の中でも比較的難しい技術となっている。
さらに特許文献2には、アルミニウム(Al)またはアルミニウム(Al)合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合に際して、前記銅または銅合金製の部材の接合面に銀(Ag)からなる金属層を形成し、この金属層と前記アルミニウム(Al)またはアルミニウム(Al)合金製の部材の接合面とAl−Si系の合金ろう材を用いてろう付することにより、残存した前記金属層と、残存した前記金属層と、Al−Agの金属間化合物が生成された領域が存在する反応層とを形成し、この反応層は前記ろう材、銀(Ag)およびアルミニウム(Al)の反応によって構成され、そのマトリックス相へ網目状に生成する前記Al−Agの金属間化合物を存在させることを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合方法が提示されている。
このため、安定したろう付け品質を確保しつつ、しかもコストアップを招かないアルミニウム合金部材と銅合金部材とを面ろう付けする技術の開発が望まれている。
また、前記ろう材は、厚さ15〜150μm、さらには厚さ15〜100μmとすることが好ましい。
さらに、面ろう付けされるアルミニウム合金部材としては、少なくとも固相線温度が520℃以上のものが好ましい。アルミニウム合金部材としては、固相線温度が550℃以上のものがより好ましい。アルミニウム合金部材としては、例えばAA1000系のように固相線温度が600℃以上であるものがさらに好ましい。
そして、面ろう付け時の前記ろう付け温度における保持時間は2分以上に、特に5分以上とすることが好ましい。
さらに、面ろう付け時の前記不活性ガスが窒素ガスで、特に前記不活性ガスの酸素濃度は500ppm以下とすることが好ましい。
上記面ろう付け方法によると、不活性ガス雰囲気中でのろう付けが可能であり、連続炉による生産方式を採用できるため、バッチ炉による真空ろう付けの場合に比べて、生産効率が高く、しかも単層型のブレージングシートを用いているため、全体として低コスト化が図れる。またアルミニウム合金部材と銅合金部材間に0.6MPa以上の面圧を付加してろう付けしているため、アルミニウム合金部材と銅合金部材間に挿入されたろう材は、溶融するとアルミニウム合金部材と銅合金部材間から効率良く排出されることとなる。このため、特にAl側におけるθ相などの金属間化合物の生成を抑制することが可能となり、金属間化合物層の厚みを薄くすることができ、アルミニウム合金部材と銅合金部材間の熱伝導率を高く保ちつつ、ろう付け強度(せん断力)に優れた面ろう付けが行える。
また、特許文献1に提示されるようにAl材とCu材のうち少なくとも一方の接合箇所にNiメツキを施す場合や、特許文献2に提示されるようにインサート材として高価な銀(Ag)を使用する場合であっても、結局Al−Si系の合金ろう材を用いてろう付けを行うため、コストが嵩み、工程も煩雑となる虞がある。
そこで、本発明者等は、従来技術に比べ低コストで品質の安定した面ろう付け法について鋭意検討を重ねる過程で、本発明に到達した。
以下にその詳細を説明する。
後記で詳述するAl−Si系のろう材を用いるとき、当該ろう材を十分に溶解するためには、510℃以上のろう付け温度が必要であり、被接合材であるアルミニウム合金部材としてはその固相線温度が520℃以上であるものに適用することが必要である。被接合材であるアルミニウム合金部材の固相線温度が520℃未満であると、面ろう付けの加熱において、アルミニウム合金部材の少なくとも一部が溶解してしまう可能性がある。より好ましいアルミニウム合金部材の固相線温度は550℃以上である。さらに好ましいアルミニウム合金部材の固相線温度は600℃以上である。
そこで、まずろう材について説明する。
ろう材として、Si:1.0〜12質量%、Mg:0.1〜5.0質量%を含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる成分組成を有する合金であって、厚さが15〜200μmのアルミニウム合金薄板を用いる。
Siは、その含有量によってブレージングシートの液相線の温度を下げるとともに、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素である。Si含有量が、1.0質量%に満たないと、ブレージングシートの液相線の温度が高くなりすぎて、所定のろう付け温度に到達してもブレージングシートの溶解が不十分となり、十分なろう付け強度(せん断応力)が得られない可能性がある。逆に、Si含有量が、12質量%を超えると、鋳造中に鋳塊中央部に初晶Siが析出(晶出)する可能性が高くなり、仮に健全な熱延板が得られたとしてもミクロ的に均質な組織のブレージングシートを得ることが困難となる。
したがって、ろう材中のSi含有量は、1.0〜12質量%の範囲とする。より好ましいSi含有量は、2.0〜12質量%の範囲である。さらに好ましいSi含有量は、3.0〜12質量%の範囲である。
Mgは、自らが酸化されることにより、還元剤として作用するため、ろう付け加熱によるアルミニウム合金部材とブレージングシートのろう材との界面におけるアルミニウムの酸化を抑制し、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素であると考えられる。Mg含有量が、0.1質量%に満たないと、ろう付け温度や保持時間にもよるが、その効果が不十分となり、十分なろう付け強度(せん断応力)が得られない可能性がある。逆に、Mg含有量が、5.0質量%を超えると、鋳塊を熱延する際のロールへの負荷が大きくなり、また耳割れも生じるため、熱延が困難となる。ろう材の加工性を考慮すると、Mg含有量は、低い方が好ましい。
したがって、ろう材中のMg含有量は、0.1〜5.0質量%の範囲とする。より好ましいMg含有量は、0.1〜4.0質量%の範囲である。さらに好ましいMg含有量は、0.1〜3.0質量%の範囲である。
不可避的不純物としてはFe、Cu、Mn、Zn等が挙げられるが、これら元素については、Fe:1.0質量%未満、Cu:1.0質量%未満、Mn:1.0質量%未満、Zn:1.0質量%未満の範囲であれば、本発明の効果を妨げるものではない。したがって、不可避的不純物としての前記成分含有量はそれぞれ1.0質量%未満とすることが好ましい。
本願発明に係る単層型ブレージングシートを構成するろう材の厚みは、健全な面ろう付けを達成できる厚みであればよい。厚みが15μm未満であると、十分なろう付け強度が得られない可能性がある。厚みが200μmを超えると、接合面から排出されるろう材の量が多くなりすぎて、コスト高となる。したがって、ろう材の厚みの範囲は、15〜200μmとする。より好ましい厚みの範囲は、15〜150μmである。さらに好ましい厚みの範囲は、15〜100μmである。
例えば、100μm厚さのろう材からなる単層型ブレージングシートであれば、以下のように製造する。
原料となるインゴット、スクラップ等を配合し、溶解炉に投入して、所定のろう材組成からなるアルミニウム溶湯を溶製する。溶解炉は、バーナーの火炎によって直接原料を加熱溶解するバーナー炉が一般的である。アルミニウム溶湯が所定の温度、例えば、800℃に達した後、適量の除滓用フラックスを投入して、攪拌棒により溶湯の攪拌を行い、全ての原料を溶解する。その後、成分調整のため、追加の原料、例えばMg等を投入し、30〜60分程度の鎮静を行った後、表面に浮遊するメタル滓を除去する。アルミニウム溶湯が所定の温度、例えば、740℃にまで冷却された後、出湯口から樋に出湯し、必要に応じて、インライン回転脱ガス装置、CFFフィルター等を通し鋳造を開始する。なお、溶解炉と保持炉が併設されている場合には、溶解炉で溶製された溶湯を保持炉に移湯した後、保持炉でさらに鎮静等を行ってから鋳造を開始する。
この6mm厚の熱間圧延板コイルに何パスかの冷間圧延を施して、所定の厚さ、例えば、100μm厚さのろう材からなる単層型ブレージングシートを得る。なお、冷間圧延工程において、冷間圧延板の加工硬化が著しい場合には、必要に応じて、コイルをアニーラーに挿入し、保持温度300〜450℃の中間焼鈍処理を施して、冷間圧延板を軟化させることが望ましい。
前述のようにブレージングシート(ろう材)を十分に溶解して、アルミニウム合金部材と銅合金部材との界面を濡らして面ろう付けするためには、少なくとも保持温度510℃以上で所定時間保持することが必要である。
このため、ろう付け加熱中であっても、アルミニウム合金部材や銅合金部材のろう付け面の表面或いはブレージングシートのろう材面の酸化を抑制するために、不活性ガス雰囲気下で面ろう付けを行う必要がある。
もちろん、ろう付け加熱中、ろう付け温度保持中及び冷却中は、加熱装置内を不活性ガス雰囲気で充満しておくことが好ましい。しかしながら、電磁誘導加熱のように急速加熱する場合には所定の保持温度に到達する前に、不活性ガスを噴射して加熱装置内の大気を不活性ガスに置換してもよい。
本発明に係る面ろう付け方法において、所定の組成のブレージングシート(ろう材)を溶解して、ろう材とアルミニウム合金部材、ろう材と銅合金部材とを面接触させた状態で、ろう付け加熱を行うが、この際接合面に対して0.6MPa以上の面圧を付加しながら、所定のろう付け温度で保持する必要がある。もちろん、ろう付け加熱時には面圧を付加せずに、ろう材の溶融温度に到達する直前に、炉内に設置したプレス等によって接合面に対して0.6MPa以上の面圧を付加して面ろう付けを行ってもよい。
本発明に係る面ろう付け方法において、所定の組成のブレージングシート(ろう材)を溶解して、アルミニウム合金部材と銅合金部材の界面を濡らすとともに、溶融したろう材をアルミニウム合金部材と銅合金部材との界面から排出しつつ、確実に面ろう付けを行うためには、少なくともろう付け温度510℃以上である必要がある。
ろう付け温度が510℃未満である場合には、ろう材の溶解が不十分となり、十分なろう付け強度(せん断強度)が得られない。もちろん、許容できる範囲内で保持温度が高い方がより十分なろう付け強度(せん断強度)が得られる。しかしながら、保持温度が、550℃を超えると、ろう材を含むAl側へのCu原子の拡散が急速に進行し、1000系のアルミニウム合金部材であっても、界面付近の固相線温度が低下することで順次局部融解を起こし、特定の面圧を付加していることもあり、銅合金部材がアルミニウム合金部材に深くめり込んでしまう可能性がある。したがって、好ましい保持温度は、510〜550℃の範囲である。
ろう付け温度における保持時間は、2分以上であることが好ましい。ろう付け温度にもよるが、保持時間が2分未満であると、接合面における温度の不均一によって、十分なろう付け強度(せん断強度)が得られない。より好ましい保持時間は、5分以上である。
所定の各種インゴットを計量、配合して、離型材を塗布した#30坩堝に9kgずつ(計16試料)の原材料を装入装填した。これら坩堝を電気炉内に挿入して、760℃で溶解して滓を除去し、その後、溶湯温度を740℃に保持した。次に小型回転脱ガス装置によって、溶湯に流量1Nl/分で窒素ガスを10分間吹き込み、脱ガス処理を行った。その後30分間の鎮静を行なって溶湯表面に浮上した滓を攪拌棒にて除去し、さらにスプーンで成分分析用鋳型にディスクサンプルを採取した。
次いで、治具を用いて順次坩堝を電気炉内から取り出し、200℃に予熱しておいた5個の金型(70mm×70mm×15mm)にアルミニウム溶湯を鋳込んだ。各試料のディスクサンプルは、発光分光分析によって、組成分析を行なった。その結果を表1に示す。
この後、熱間圧延板に冷間圧延を施して、0.2mm厚さの冷延板とし、軟化させるため400℃×2時間の中間焼鈍を施した。さらに冷間圧延を施して、0.06mm(60μm)の最終冷間圧延板とした。なお、ろう材厚みのろう付け強度(せん断応力)に及ぼす影響を調査するために、E合金ろう材については、厚み15μm、20μm、30μm、60μm及び100μmの5水準の最終圧延板を作製した。
この最終冷間圧延板を所定の大きさ(15mm×8mm)に切断して、複数枚のブレージングシート(ろう材)とした。
図1に示すようにAA1100合金製のブロックA(35mm×35mm×10mm)の35mm×35mmの面上中央にブレージングシート(15mm×8mm)を載置し、無酸素銅製(C1020)のブロックB(18mm×15mm×8mm)における15mm×8mmの面を上記ブレージングシートに重ねるようにしてブロックAにおける35mm×35mmの面上中央にブロックBを立設した。
上記のようにして作製した逆T字試験片を図3のような治具に固定して、ブロックAの端面(35mm×10mmの面)からアムスラーによって加圧し(歪速度:1mm/分)、ろう付け面におけるろう付け強度(破断せん断応力)の測定を行った。
図2に示すようにAA1050合金製のブロックC(40mm×40mm×4mm)の40mm×40mmの面上中央にブレージングシート(30mm×30mm)を載置し、無酸素銅製(C1020)のブロックD(30mm×30mm×2.5mm)における 30mm×30mmの面を上記ブレージングシートに重ねるようにしてブロックCにおける40mm×40mmの面上中央にブロックDを重ねた。
熱伝導率は密度、比熱、熱拡散率を乗じて算出した。密度は寸法および重量計測、比熱、熱拡散率はレーザフラッシュ法によってそれぞれ測定した。測定試験片は金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片をフライスで板厚2mmに加工した後,ワイヤーカット放電加工により直径2mmの試験片に仕上げたものを使用した。レーザフラッシュ法はアルバック理工(株)製熱定数測定装置TC−7000を使用した。
金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片の中央部断面を樹脂に埋め込んで鏡面研磨し、図5に示すように金属顕微鏡下で金属間化合物層の厚さを測定した。図5において、上側の領域はCu基材(無酸素銅(C1020))、下側の領域はAl基材(AA1050合金)である。これら基材同士の接合界面に沿って、上側にδ相が層状に生成し、下側にθ相が塊状に生成している。接合界面と直交するように測定用基準線を設定し、δ相とCu基材との境界(a点)と、θ相とAl基材との境界(b点)との距離を測定し、この距離を金属間化合物層の厚さとした。このようにして、1試験片につき任意の10箇所の断面で金属間化合物層の厚さを測定し、その平均値を化合物層厚さとした。
その結果を表2〜10、及び図6〜16に示す。
したがって、ろう付時の付加圧力については、0.6MPa以上の面圧を付加することが好ましいことがわかる。
ろう付け温度については、510℃以上とすることが好ましいことがわかる。また、ろう付け温度保持時間は2分以上に、特に5分以上とすることが好ましいことがわかる。
Si含有量についてみると、1.0〜12.0質量%の範囲で、十分なせん断応力が得られているが、Si含有量0.5質量%では、若干得られるせん断応力が低くなっている。したがって、Siの好ましい含有量は1.0〜12.0質量%であることがわかる。
不可避的不純物であるCu,Mn,Znについては、それぞれ1.0質量%未満の含有であれば、せん断応力にほとんど影響していないことがわかる。
ろう付け時の雰囲気についてみると、少なくとも窒素等の不活性雰囲気とするべきであることがわかる。特に酸素含有量が500ppm以下の不活性ガス雰囲気とすることが好ましいことがわかる。
Claims (9)
- Si:1.0〜12質量%、Mg:0.1〜5.0質量%を含み、残部がAl及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、厚さ15〜200μmのろう材からなる単層ブレージングシートを用いてアルミニウム合金部材と銅合金部材とを面ろう付けする方法であって、前記ブレージングシートをアルミニウム合金部材と銅合金部材との間に挟みこみ面接触させた状態で、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度510〜550℃に保持しつつ、0.6MPa以上の面圧を付加しながら無フラックスでアルミニウム合金部材と銅合金部材とをろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのCuが1.0質量%未満に制限されている請求項1に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのMnが1.0質量%未満に制限されている請求項1又は2に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのZnが1.0質量%未満に制限されている請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記ブレージングシートを構成するろう材は、厚さ15〜150μmである請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記ろう付け温度における保持時間が2分以上である請求項1〜5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記ろう付け温度における保持時間が5分以上である請求項1〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記不活性ガスが窒素ガスである請求項1〜7のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
- 前記不活性ガスの酸素濃度が500ppm以下である請求項1〜8のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
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