JP2013215735A

JP2013215735A - アルミニウム合金製ブレージングシート

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Publication number: JP2013215735A
Application number: JP2012085633A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yanagawa; 柳川裕; Masaichi Sakota; 迫田正一; Yusuke Ohashi; 大橋祐介
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】Ｍｇによる酸化皮膜の破壊作用を利用したフラックスを用いないろう付方法において、より良好で安定したろう付性を有し、工業的にも適用可能なアルミニウム合金製ブレージングシートの提供を目的とする。
【解決手段】心材の片面または両面にＳｉを５〜１５ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．２〜３．０ｍａｓｓ％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金ろう材をクラッドし、前記ろう材において全金属間化合物の個数に対する円相等径が２μｍ以下のＭｇ_２Ｓｉ粒子の個数が６０％以上であることを特徴とする、不活性ガス中でフラックスを使わないろう付用のアルミニウム合金製ブレージングシート。
【選択図】図２

Description

本発明は、フラックスを使用しないアルミニウム合金のろう付に使用するブレージングシートに関し、所定の金属組織のろう材を有することで良好なろう付性が得られ、特に熱交換器の製造に好適なブレージングシートに関する。

アルミニウム材料は熱伝導率が高く軽量であるため、自動車搭載用をはじめとする熱交換器に多く使用されている。内部に水やオイル当を循環させ熱交換させる熱交換器は、タンク、チューブ、フィン等の部材から構成され、各部材はろう付により金属的に接合されている。

ろう付により製造される熱交換器を構成するアルミニウム材料としては、心材となるアルミニウム合金板の片面または両面にろう材等をクラッドしたブレージングシートが用いられる。一般的にはブレージングシートの心材合金としては溶融温度が６００℃以上のアルミニウム合金が使用され、クラッドされるろう材合金としては溶融温度が６００℃以下のＡｌ−Ｓｉ合金が使用される。このブレージングシートにより熱交換器の部材を作製してこれらを組み合わせ、６００℃前後の温度に加熱することにより、ブレージングシートのろう材部のみを溶融して他部材とろう付された熱交換器を作製することができる。ブレージングシートを使用することにより、熱交換器を構成する多数の部材を一度にろう付することができるため、ブレージングシートは熱交換器用材料として広く利用されている。

主に実用化されているろう付方法としては、真空ろう付法とノコロックろう付法が挙げられる。真空ろう付法はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなるろう材が用いられ、真空中で加熱することによりろう材中のＭｇが材料から蒸発し、その際に材料表面の酸化皮膜を破壊してろう付を可能にするものである。しかしながら、真空ろう付法は高価な真空加熱装置を必要とする欠点があった。一方、ノコロックろう付法はＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が用いられ、フラックスを塗布した後に不活性ガス中で加熱し、フラックスにより材料表面の酸化皮膜を破壊してろう付を可能にするものである。しかしながら、フラックス塗布において塗りムラがあるとろう付不良の原因となるため、フラックスを必要箇所に均一に塗布する必要があった。

これに対して、高価な真空加熱装置やフラックスを用いないで不活性ガス中で加熱することによりろう付を可能にする方法が提案されている。特許文献１には、フラットパイプの内部にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなるろう材を用いて乱流挿入片を、フラックスを使用しないでろう付する方法が記載されている。しかしながら、フラットパイプの外部についてはフラックスを塗布したノコロックろう付法によりろう付する必要があり、すべてのろう付部位をフラックス無しでろう付することはできない。特許文献２には、Ｍｇを含有するろう付品を炭素質カバーで覆って加熱し、フラックスを用いずに不活性ガス中でろう付する方法が記載されている。この方法では、炭素質カバー内に存在する酸素が炭素質カバーのカーボンと反応し、炭素質カバー内の酸素濃度を低くしてろう付を可能にしている。しかしながら、酸素とカーボンの反応により生成する一酸化炭素や二酸化炭素はアルミニウムに対しては酸化性のガスとなるため、炭素質カバーで覆っても十分な非酸化性雰囲気とはならないため、安定したろう付性を得ることが困難であった。
特開平９−２０６９８０号公報特開２００７−４４７１３号公報

本発明は、Ｍｇによる酸化皮膜の破壊作用を利用したフラックスを用いないろう付方法において、より良好で安定したろう付性を有し、工業的にも適用可能なアルミニウム合金製ブレージングシートの提供を目的とする。

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた結果、所定の金属組織を有するろう材をクラッドしたブレージングシートを使用することで良好なろう付性が達成されることを見出した。

本発明の請求項１では、心材の片面または両面にろう材をクラッドし、ろう材はＳｉを５〜１５ｍａｓｓ％（以下、単に％と記す。）、Ｍｇを０．２〜３．０％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であり、前記ろう材において全金属間化合物の個数に対する円相等径が２μｍ以下のＭｇ_２Ｓｉ粒子の個数が６０％以上であることを特徴とする、不活性ガス中でフラックスを使わないろう付用のアルミニウム合金製ブレージングシートとした。

本発明の請求項２では、請求項１に記載のろう材がＢｉを０．０１〜０．２％含有するアルミニウム合金製ブレージングシートとした。

本発明のブレージングシートを使用することにより、フラックスを使わずに良好なろう付性を有するろう付性品を製造することが可能になる。

カップ成型品の平面図と断面図カップを重ねたろう付試験片

以下に本発明について詳細に説明する。

アルミニウム材料の表面は酸化物に覆われているが、ろう付を可能にするためにはろう付加熱中に表面の酸化物を破壊して、アルミニウムの金属面を露出させる必要がある。本発明のブレージングシートでは材料中に存在するＭｇにより、アルミニウム材料表面の酸化アルミニウムを還元破壊している。また露出したアルミニウム金属面はろう付炉内の雰囲気と接触すると、不活性ガス中に微量に存在する酸素と反応して再び酸化膜を形成するため、この再酸化を防止する必要がある。本発明では、ブレージングシート中のＭｇが雰囲気中に蒸発し、ブレージングシート表面を還元雰囲気に保持することで、再酸化を防止する。

本発明のブレージングシートを使用したろう付は不活性ガス中でのろう付であるため、真空ろう付のような高価な真空装置を使用する必要が無く、安価な雰囲気炉でろう付できる利点がある。しかし、材料中のＭｇを利用するろう付機構は、真空ろう付のろう付機構と類似している。真空ろう付においても、Ｍｇによる酸化膜の還元破壊と再酸化防止を利用してろう付を可能にしている。ただし、真空ろう付は減圧した状態で加熱するため、材料中のＭｇは雰囲気中に蒸発しやすく、容易に充満するため、ろう付品はＭｇの還元雰囲気に置かれた状態になる。一方、本発明の不活性ガス中のろう付では、大気圧下でのろう付であるため、材料中のＭｇの雰囲気中への蒸発はわずかである。そのため、蒸発したＭｇは雰囲気ガス全体を満たすことは無く、材料の表面近傍にとどまるのみである。したがって、真空ろう付に比べて少ない蒸発量のＭｇを有効に活用してろう付を可能にする必要があり、ブレージングシート中のＭｇの分布状態を真空ろう付用のブレージングシートとは異なるものにする必要があった。

Ａ．ろう材のＳｉ含有量
ろう材のＳｉ含有量は５〜１５％とする必要がある。ろう材のＳｉ含有量が５％未満の場合には、ろう付温度において生成する溶融ろう材の量が少なくなり、ろう付性が低下する。一方、ろう材のＳｉ含有量が１５％を超える場合には、ろう材の液相温度が上昇するとともに心材へのろう拡散が顕著になりろう付性が低下する。

Ｂ．ろう材のＭｇ含有量
ろう材のＭｇは材料表面の酸化膜および被ろう付材の酸化膜を還元する作用がある。さらに、雰囲気中に充満したＭｇ蒸気は、ろう付物の周囲を還元雰囲気として、材料表面の再酸化を防止する。そのため、Ｍｇ含有量は０．２〜３．０％とする必要がある。ろう材のＭｇ含有量が０．２％未満の場合には、酸化膜の破壊作用が不十分であり、ろう付性は低下する。一方、ろう材のＭｇ含有量が３．０％を超える場合には、ろう付の昇温中に材料表面にＭｇ系の酸化皮膜を厚く形成し、ろう付性が低下する。

Ｃ．ろう材のＢｉ含有量
Ｂｉはブレージングシート表面の酸化皮膜の破壊を促進し、ろうを流動しやすくする効果があり、ろう材にＢｉを０．０１〜０．２％含有させることにより、ろう付性をより良好にすることができる。Ｂｉ含有量が０．０１％未満ではろう付性改善の作用が十分ではなく、０．２％を超えて添加してもその作用は飽和し、またろう材の圧延性が低下するためブレージングシートの製造が困難となる。

なお、ろう材にはＭｇ、Ｓｉ、Ｂｉのほかに０．５〜８％のＣｕ、０．５〜６％のＺｍ等の元素が含有されてもよい。Ｃｕ、Ｚｎはろう材の融点を下げ、低温でのろう付を可能にする。さらに、不可避的不純物として、０．１〜１．５％のＦｅ、０．０５〜０．２％のＴｉ等の元素が含有されてもよい。

Ｄ．ろう材のＭｇ_２Ｓｉの分布
前述のように、真空ろう付においてもろう付機構にＭｇは大きく影響する。そして、ろう材中のＭｇ_２Ｓｉは微細粒が多数存在すると、ろう材が流動するよりも低温でＭｇの蒸発が促進されるため、ろう材流動時のＭｇが不足してろう付性が低下する傾向が確認されている。一方、本発明のブレージングシートを使用したろう付では、不活性ガスの大気圧下でのろう付となるため、真空状態と比較してＭｇの蒸発量は極めて少ない。

Ａｌ−Ｓｉ合金の二元系状態図によると、ろう材中に存在するＭｇ_２Ｓｉの周囲では５５５℃で液相が生成する。ろう材の液相温度は５７７〜５９０℃であるため、ろうの流動温度は５８０℃以上となるが、ろうの流動時にはろう材表面がＭｇ蒸気による還元雰囲気となっていることにより、速やかにろうが流動し、フィレットを形成することができる。逆に、ろうの流動温度でろう材表面のＭｇ蒸気の量が不十分であると、ろう材表面は酸化状態となり、良好なろう付状態が得られない。したがって、ろう材流動温度よりも低温でできるだけ早い段階で液相を生成させ、Ｍｇを蒸発させる必要がある。不活性ガス中の大気圧下でのろう付では、真空ろう付の場合と異なり、Ｍｇの蒸発量が微量になるため、ろう材流動の温度よりも低温でＭｇの蒸発を促進させたとしても、ろう材流動時のＭｇが不足することはない。そのため、本発明のブレージングシートではＭｇ_２Ｓｉ粒子を微細とし、早期にＭｇ_２Ｓｉ周囲に液相を形成し、Ｍｇの蒸発を促進させることが必要であった。

本発明においては、ろう材内部に存在する粒子を、走査型電子顕微鏡を用いた反射電子像により観察し、反射電子像で黒く見えるＭｇ_２Ｓｉ粒子、白く見えるＳｉ粒子を画像解析して、それらの円相等径を求めた。

Ｍｇ_２Ｓｉ粒子のサイズについて種々検討の結果、円相等径で２μｍ以下のＭｇ_２Ｓｉ粒子の個数が全個数の６０％以上であると良好なろう付性が得られることが判明した。６０％未満ではＭｇ蒸発量が不足し、ろう付性が低下する。

Ｅ．心材
心材に用いるアルミニウム合金はろう付加熱温度よりも高い固相線温度を有するアルミニウム合金を用いる。フラックスを用いるろう付ではフラックスとの反応により、ろう付性を低下させるＭｇ量は規制されるが、本発明はフラックスを用いないのでＭｇ量は規制されず、ろう付後強度の高い合金を用いることができる。

Ｆ．ろう付条件
ろう付は、ろう材の溶融温度以上の温度に加熱すればよく、本発明においては５９０〜６１０℃に加熱することによりろう付が可能となる。保持時間は３〜１０分が適当である。

ろう付加熱する雰囲気に用いる不活性ガスとしては、工業的に使用される窒素ガスやアルゴンガスが挙げられる。ろう付を可能にするためには、Ｍｇの酸化をできるだけ抑制するとともに、Ｍｇにより酸化膜が還元破壊された部位の再酸化を抑制することが必要であり、雰囲気中の酸素濃度は低い方が安定したろう付を可能となるため、１００ｐｐｍ以下とするのが好ましく、２５ｐｐｍ以下とするのがより好ましい。低酸素の雰囲気を得るためには、ろう付内部の不活性ガスと接触する炉の構成部材の一部に炭素材を用いた加熱炉を使用するのが好ましい。炉の構成部材としては、炉内壁、バッフル、被ろう付物搬送用のメッシュベルト等が挙げられる。炭素材は、不活性ガス中に微量に存在する酸素と反応してＣＯが生成するため、炉内の酸素濃度を低下することができる。既存のろう付炉でろう付する場合は、炉内に炭素材を別途設置する方法も可能である。

不活性ガスとしては工業的に使用さている窒素ガス、アルゴンガスが適用できる。窒素ガスの場合、溶融ろう材の表面と窒素が反応して皮膜を形成し、ろう付性を低下させる場合がある。そのため、溶融ろう材との反応が無い、アルゴンガス中でろう付することにより、より良好なろう付性を得ることができる。

次に、本発明を実施例および比較例に基づき説明する。

表１に示す組成の合金をＤＣ鋳造により製造した。Ａ１は５２０℃で均質化処理を行った後、両面を面削した厚さ４５ｍｍとし、ブレージングシートの心材とした。ろう材中のＭｇ_２Ｓｉの粒子のサイズは、鋳造時の冷却速度により変化し、冷却速度を速くすることにより微細なＭｇ_２Ｓｉ粒子を有するろう材を製造することが可能である。本実施例では、ろう材の鋳造時の冷却速度は一定に、その後にろう材に熱処理を施すことでＭｇ_２Ｓｉ粒子のサイズを変化させた。心材とろう材を表２の組み合わせでブレージングシートを作製したが、表中のＮｏ．１〜１４に使用したろう材は４８０℃×３時間の熱処理を施し、表中のＮｏ．１５〜１７に使用したろう材は５２０℃×５時間の熱処理を施した。熱処理後のろう材を熱間圧延により厚さ５ｍｍとし、心材の片面に組み合わせて重ね、４８０℃に加熱してクラッド圧延を行い、さらに冷間圧延により厚さ０．５ｍｍとした。３８０℃×２時間の焼鈍を行い、片面ろう材クラッドのブレージングシートを作製した。ろう材のクラッド厚さは片面につき０．０５ｍｍ（クラッド率１０％）である。

上記のように作製したブレージングシートをプレス加工し、図１に示す直径５ｃｍのカップ成型品を、カップの内側がろう材面になるように作製した。該カップ成型品を脱脂し、付着した油分を取り除いた後、２つのカップ成型品のろう材面同士をつき合わせて固定し、カップろう付試験片とした。

次に、各カップろう付試験片を、フラックスを塗布せず、炉内に不活性ガスとしてアルゴンを導入し、酸素濃度を１０ｐｐｍ以下に調整した雰囲気中で加熱した。温度が６００℃となるまでの到達時間が１５分程度となるような昇温条件で加熱した後、６００℃で５分間保持し、その後冷却して炉外に取り出した。ろう付後の試験片を切断し、図２に示すように、カップつば部に形成されたフィレット断面の寸法をフィレット長さとして測定した。

本発明例のＮｏ．１〜１０ではフィレット長さが２０ｍｍ以上となり、良好なろう付性を示した。比較例のＮｏ．１１〜１４とろう材成分が本発明の範囲外であるため、フィレット長さは小さくなり、良好なろう付性は得られなかった。比較例のＮｏ．１５〜１７はＭｇ_２Ｓｉ粒子のサイズが大きく、本発明の範囲外であり、フィレット長さは小さくなり、良好なろう付性は得られなかった。

本発明のブレージングシートを使用することで、フラックスを使わずに不活性雰囲気でのろう付において材料表面の酸化を防ぐことが可能になり、良好なろう付性を得ることができる。安定した高信頼性なろう付が可能となり、工業的な適用性にも優れる。

１カップ成型品
２フィレット
３フィレット長さ

Claims

心材の片面または両面にろう材をクラッドしたアルミニウム合金製ブレージングシートにおいて、ろう材はＳｉを５〜１５ｍａｓｓ％（以下、単に％と記す。）、Ｍｇを０．２〜３．０％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であり、前記ろう材において、全金属間化合物の個数に対する円相当径が２μｍ以下のＭｇ_２Ｓｉ粒子の個数が６０％以上であることを特徴とする、不活性ガス中でフラックスを使わないろう付用のアルミニウム合金製ブレージングシート。
請求項１に記載のろう材がＢｉを０．０１〜０．２％含有するアルミニウム合金製ブレージングシート。