JP2013233552A - アルミニウム合金ブレージングシート - Google Patents
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Abstract
【課題】フラックスや有害元素を使用することなく、アルミニウムを窒素ガス炉中で安価にろう付けするためのアルミニウム合金ブレージングシートを提供する。
【解決手段】不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、Mg:0.2〜1.3%(質量%、以下同じ)を含有するアルミニウム合金の心材の片面または両面に、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドしてなることを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、Mg:0.2〜1.3%(質量%、以下同じ)を含有するアルミニウム合金の心材の片面または両面に、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドしてなることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、アルミニウム合金ブレージングシートに関する。
アルミニウム製の熱交換器や機械用部品など、細かな接合部を多数有する部品の接合方法としてろう付け接合が広く用いられている。アルミニウム(アルミニウム合金を含む)をろう付け接合するには、表面を覆っている酸化皮膜を破壊して、溶融したろう材を母材あるいは同じく溶融したろう材に接触させることが必須である。酸化皮膜を破壊するためには、大別してフラックスを使用する方法と真空中で加熱する方法とがあり、いずれも実用化されている。
ろう付接合の適用範囲は多岐に及んでいるが、最も代表的なものとしては自動車用熱交換器がある。ラジエータ、ヒータ、コンデンサ、エバポレータ等の自動車用熱交換器の殆どはアルミニウム製であり、その殆どがろう付接合によって製造されている。そのうち、非腐食性のフラックスを塗布して窒素ガス中で加熱する方法が現在では大半を占めている。
ところが近年、電気自動車やハイブリッドカー等での駆動系の変更により、例えばインバータ冷却器のように電子部品を搭載した熱交換器が登場し、フラックスの残渣が問題視されるケースが増えてきた。そのため、インバータ冷却器の一部はフラックスを使用しない真空ろう付法によって製造されているが、真空ろう付法は加熱炉の設備費とメンテナンス費が高く、生産性やろう付の安定性にも問題のあることから、窒素ガス炉中でフラックスを使用しないで接合するニーズが高まっている。
窒素ガス炉中でフラックスを使用せずに接合する方法としては、Beを微量添加したろう材をクラッドしたブレージングシートを用いて、酸あるいはアルカリ中でエッチング処理してからろう付加熱する方法が実用化された実績があるが、この方法は適用範囲が広がらず、現在では殆ど実用されていない。適用が進まなかったのは、つぎのような理由による。
(1)フラックス塗布による方法に比べてろう付性が劣り、接合不良が発生し易い。
(2)有毒元素であるBeが微量ながらろう材中に含まれている。
(1)フラックス塗布による方法に比べてろう付性が劣り、接合不良が発生し易い。
(2)有毒元素であるBeが微量ながらろう材中に含まれている。
上記(1)は根本的な問題であり、例えばフィンとチューブの接合などの易しい接合は健全に行えても、チューブをヘッダ部に差し込む部分や、プレスした板による中空熱交換器の外周部の継手など、漏洩してはならない部位を確実に接合するためには問題があり、そのため、面接合を主体とした積層型の熱交換器や、押出材等のベースにフィンを接合するヒートシンクなど、接合の難易度の低い熱交換器に用途が限定された。(2)のBeの有害性については、食品関係や医療機器関係では勿論、自動車用熱交換器においても問題視されており、この理由で不採用になることも稀ではなかった。
接合すべきアルミニウム部材の間に、Na、K、Liのいずれか1種を添加したAl−Si系ろう材を介在させ、フラックスを用いることなしに非酸化性雰囲気中でろう付けする方法も提案されているが、必ずしも十分なろう付け性を得ることができないという難点がある。
本発明は、フラックスを使用することなしにろう付け接合する方法における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、フラックスや有害元素を使用することなく、アルミニウムを窒素ガス炉中で安価にろう付けするためのアルミニウム合金ブレージングシートを提供することにある。
上記の目的を達成するための請求項1によるアルミニウム合金ブレージングシートは、不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、Mg:0.2〜1.3%(質量%、以下同じ)を含有するアルミニウム合金の心材の片面または両面に、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドしてなることを特徴とする。
請求項2によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項1において、前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の心材が、Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
請求項3によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項1において、前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の心材が、Mgの他に、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
請求項4によるアルミニウム合金ブレージングシートは、不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、アルミニウム合金心材の片面または両面に、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材を介して、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドしてなることを特徴とする。
請求項5によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項4において、前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材が、Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
請求項6によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項4において、前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材が、Mgの他に、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
請求項7によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項4〜6のいずれかにおいて、前記アルミニウム合金心材が、Mn:0.05〜1.8%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
請求項8によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項4〜6のいずれかにおいて、前記アルミニウム合金心材が、Mn:0.05〜1.8%を含有し、さらにSi:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
請求項9によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項1〜8のいずれかにおいて、前記ろう材を片面にクラッドし、他の片面に、Zn:0.9〜6%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる犠牲陽極材をクラッドしてなることを特徴とする。
請求項10によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項1〜9のいずれかにおいて、前記ろう材がさらにBi:0.004〜0.2%、Mg:0.05〜0.4%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする。
請求項11によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項1〜10のいずれかにおいて、前記ろう材がさらにSr:0.002〜0.05%、Sb:0.003〜0.07%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする。
請求項12によるアルミニウム合金ブレージングシートは、請求項1〜11のいずれかにおいて、前記ろう材がさらにFe:0.05〜0.8%、Mn:0.05〜0.2%、Ti:0.01〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする。
本発明によれば、フラックスや有害元素を使用することなく、アルミニウムを窒素ガス炉中で安価にろう付けするためのアルミニウム合金ブレージングシートが提供される。当該アルミニウム合金ブレージングシートは、安定したフィレット形成能力が必要とされる自動車用熱交換器などのろう付けに好適に使用することができる。
フラックスを使用しないろう付けにおいて、フラックス塗布ろう付けと同等の接合性を得るには、フラックスの機能を代替する方策が必要となる。ろう付におけるフラックスの機能としては、(1)酸化皮膜の破壊を促進する機能、(2)溶融ろうの表面張力を下げる機能が重要である。フラックスが(1)の機能を果たすメカニズムには諸説あるが、溶融したフラックスが酸化皮膜の亀裂(母材との熱膨張差によって生じる亀裂)から内部に侵入し、酸化皮膜をアルミニウムから剥離するとの説が最も妥当と考えられる。
フラックスが酸化皮膜の亀裂に進入するのも、酸化皮膜をアルミニウムから剥離するのも、溶融フラックスが酸化皮膜(Al2O3)に対して濡れ易いからであり、アルミニウムの鋳造において酸化物除去にフラックスが使われるのも酸化物に対する濡れやすさを利用したものである。Beをろう材に微量添加すると、Beはろう付加熱時にろう材表面に拡散し、ろう材表面でBeOを形成することをTEM観察によって確認している。BeはAl2O3から局部的に酸素を奪うため酸化皮膜の結束が弱くなり、母材との熱膨張差によって生ずる亀裂が細かくなり、溶融ろうの滲出を促すものと推定される。この酸化皮膜の破壊的機能により、Al−Siろう材に0.01%程度のBeを添加したろう材では、フラックスを塗布しなくてもアルミニウム材に対しての濡れが実現される。
酸化皮膜の破壊的機能を果たす添加元素としては、酸化物の生成自由エネルギーがAl2O3と同等かそれ以下の元素であり、Be以外に実用的なものとしてはMg、Ca、Ce、Zr、Sr、Ba等が挙げられる。この中でMgは後述のとおり特殊な作用を果たすため、その作用に合わせて使用するのが望ましい。Ca、Ce、Zrについては発明者らによって既に提案されており(特願2011−275285)、Mgとの複合作用によって実践的な継手でのフィレット形成を確認しているが、難易度の高い継手においてはBaと同様にBeに匹敵する安定した効果を果たすのは困難であることが判明した。またSrについては、酸化物生成自由エネルギーは低いものの、単独添加では酸化皮膜の破壊的作用は殆ど認められない。
このような中で発明者らはLiに着目した。600℃におけるLi2Oの酸化物生成自由エネルギーは−970KJ/molであり、Al2O3の酸化物生成自由エネルギー、−952kJ/molとほぼ等しい。純粋な金属Liは水に触れると自然発火するおそれのある可燃性・引火性ガスを発生するため、油に浸漬して保管するなど取り扱いに困難さを伴うが、特殊な方法によってアルミニウムとの中間合金を作製することにより、安全かつ容易に鋳造を行うことが可能となった。Al−Si合金とAl−Li中間合金を用いて鋳造することにより、微量のLiが添加されたAl−Siろう材を作製して広がり試験を実施したところ、Beを微量添加したAl−Siろう材と同等の濡れ性が得られることが見出された。
しかしながら、Al−Siろう材にLiを添加するだけでは、Be添加の場合と同様に、例えば間隙充填性などの実用的な接合性を得ることはできない。その第一の理由は、LiやBeを添加するだけでは、酸化皮膜とアルミニウムを剥離するフラックスの機能が果たせないからである。酸化皮膜をアルミニウムから剥離する機能を、ろう材への元素添加によって果たすことは物理的に困難であるが、前記発明者らによる提案のように、Al2O3の酸化皮膜中にAlMgO4のスピネル型化合物を形成させ、酸化皮膜を脆弱化することによって接合性向上を果たすことができる。
酸化皮膜中にAlMgO4を形成させるには、ろう材中にMgを添加することによっても可能であるが、材料製造時およびろう付加熱時において、ろう材表面に接合性を阻害するMgOを形成させないためには、心材あるいは心材とろう材の間に配する中間材にMgを添加するのが好ましい。心材や中間材にMgを添加すると、ろう付加熱中にMgがろう材中をゆっくりと拡散し、ろうの溶融(厳密にはAl−Si−Mgの三元共晶の部分溶融)の開始と同時に、ろう材表面に向けて急速に拡散する。そのため、ろう材表面でMgOを形成することなくAlMgO4をAl2O3酸化皮膜中に形成し、酸化皮膜を確実に脆弱化することができる。
一方、Mgは、溶融ろうの表面張力を低下させる効果もあるため、心材あるいは中間層へのMgの添加は実践的な継手においてフィレット形成能力を高める上で有効である。このように、ろう材にLi添加するとともに、心材あるいは中間材にMgを添加することにより、ろう材の酸化皮膜が破壊され、剥離されるという相乗効果が見出された。2%以下のMn、2%以下のMgなどを含むコア材料とLi含有溶加材合金のクラッド材からなる複合体を使用し、フラックスを用いてろう付けする手法も開示されているが(特表平9−500422号公報)、特定量のMgを含む心材と、Li含有ろう材からなるブレージングシートを用いて、フラックスを使用することなくろう付けすることによって、顕著な効果が達成できることが見出された。
本発明によるアルミニウム合金ブレージングシートは、不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、第1の実施形態は、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の心材の片面または両面に、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドするものであり、第2の実施形態は、アルミニウム合金心材の片面または両面に、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材を介して、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドするものである。
Si:6〜13%は実用的なろう材の成分値であり、Si量が6%未満では、ろうが不足するとともに流動性も劣るためろう材としての機能が不十分となり、13%を超えると、過剰なろうによって母材の溶解量が増し、ろう材中に粗大な初晶Siが形成され易くなるため、ろう付時に溶融穴を発生する危険性が高まる。
Li量が0.004%未満では酸化皮膜破壊の効果が乏しく、0.1%を超えるとLi2Oが過剰に形成されて接合性が悪くなる。また、心材のMg含有量が0.2%未満では、ろう材酸化皮膜の脆弱化効果が乏しくなり、1.3%を超えると、心材の融点が下がってろう付接合が困難になる。
第3の実施形態は、第1の実施形態および第2の実施形態において、ろう材を片面にクラッドし、他の片面に、Zn:0.9〜6%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる犠牲陽極材をクラッドしてなるものである。犠牲陽極材のZn含有量が0.9%未満では犠牲陽極効果が乏しく、6%を超えると腐食速度が速くなって腐食寿命が短くなる。
ろう材には、さらにBi:0.004〜0.2%、Mg:0.05〜0.4%のうちの1種または2種を含有することができる。酸化皮膜が破壊され、さらに剥離あるいは脆弱化することによって溶融ろうの濡れ性が向上しても、隙間を有する実践的な継手において十分なフィレット形成能力を発揮することはできず、隙間を埋めるようにフィレットを形成させるには、Al−Si溶融ろうの表面張力を低下させる必要がある。表面張力の低下にはMg、Biの添加が有効である。BiとMgは、単独で添加しても、複合して添加しても表面張力の低下効果を発揮することができる。Biの含有量が0.004%未満では表面張力の低下効果が乏しく、0.2%を超えるとろう材の変色が著しくなり、接合性の向上も認められなくなる。Mgの含有量が0.05%未満では表面張力の低下効果が乏しく、0.4%を超えるとMgOをろう材表面に形成してろう付性を阻害するようになる。
ろう材には、さらにSr:0.002〜0.05%、Sb:0.003〜0.07%のうちの1種または2種を含有することもできる。ろう材の量を増すことなく、また、ろう材のSi濃度を上げることなく、フィレット形成能力をさらに向上させる手段としては、ろうの流動性を高めることが有効である。ろうの流動性を高めるにはAl−Siろう材中のSiの粒子径を小さくする(微細化する)ことが有効であり、SrあるいはSbの添加が実用的である。SrとSbは、単独で添加しても、複合して添加してもAl−Si共晶組織の微細化効果を発揮する。Srの含有量が0.002%未満ではAl−Si共晶組織の微細化効果が乏しく、0.05%を超えて含有しても、Al−Si共晶組織の微細化効果のこれ以上の向上が認められず、ろう材の製造コストも高くなる。Sbの含有量が0.003%未満ではAl−Si共晶組織の微細化効果が乏しく、0.07%を超えると間隙充填性に悪影響が出る。
実際の熱交換器のろう付においては、重力の作用によって溶融ろうが下方に垂れ落ちてしまい、上方の継手に十分にろうが供給されない不具合が生じることがある。特に大量のろうを必要とする継手における重力の影響は無視できず、この重力の影響を緩和するには、溶融ろうの粘性を上げるのが有効である。溶融ろうの粘性を上げるために有効な添加元素としてはFe、Mn、Tiが実用的であり、これらの添加元素およびその化合物の析出物が溶融ろうの粘性を高める上で効果的である。
そのために、本発明のアルミニウム合金ブレージングシートにおいては、ろう材に、さらにFe:0.05〜0.8%、Mn:0.05〜0.2%、Ti:0.01〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有させることができる。Fe、Mn、Tiはそれぞれ単独で添加しても、複合して添加しても溶融ろうの粘性を上げる効果を発揮する。Fe、Mn、Tiの含有量がそれぞれ下限値未満では粘性向上の効果が乏しく、上限値を超えて添加すると流動性に悪影響を及ぼすようになる。
第1の実施形態において、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の心材は、Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金、または、Mg:0.2〜1.3%を含有し、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金からなるのが好ましい。
第2の実施形態において、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材は、Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金、または、Mg:0.2〜1.3%を含有し、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金からなるのが好ましい。
また、第2の実施形態において、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材がクラッドされるアルミニウム合金心材は、Mn:0.05〜1.8%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金、または、Mn:0.05〜1.8%を含有し、さらにSi:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。
Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金は、5000系(Al−Mg系)に属する合金がこれに相当し、Mg:0.2〜1.3%を含有し、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金は3000系(Al−Mn系)、5000系(Al−Mg系)、6000系(Al−Mg−Si系)、7000系(Al−Zn系)に属する合金がこれに相当する。
Mn:0.05〜1.8%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金、Mn:0.05〜1.8%を含有し、さらにSi:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金は、3000系(Al−Mn系)、7000系(Al−Zn系)に属する合金がこれに相当する。
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、本発明の効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されない。
実施例1
心材については、連続鋳造により造塊した鋳塊を所定の厚さまで面削し、ろう材については、鋳造後所定厚さまで熱間圧延し、心材の片面にろう材を積層して熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのアルミニウム合金ブレージングシート(2層材)、試験材1〜20を作製した。心材およびろう材の組成を表1に示す。
心材については、連続鋳造により造塊した鋳塊を所定の厚さまで面削し、ろう材については、鋳造後所定厚さまで熱間圧延し、心材の片面にろう材を積層して熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのアルミニウム合金ブレージングシート(2層材)、試験材1〜20を作製した。心材およびろう材の組成を表1に示す。
比較例1
心材については、連続鋳造により造塊した鋳塊を所定の厚さまで面削し、ろう材については、鋳造後所定厚さまで熱間圧延し、心材の片面にろう材を積層して熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのアルミニウム合金ブレージングシート(2層材)、試験材26〜40を作製した。心材およびろう材の組成を表2に示す。
心材については、連続鋳造により造塊した鋳塊を所定の厚さまで面削し、ろう材については、鋳造後所定厚さまで熱間圧延し、心材の片面にろう材を積層して熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのアルミニウム合金ブレージングシート(2層材)、試験材26〜40を作製した。心材およびろう材の組成を表2に示す。
実施例2
心材については、連続鋳造により造塊した鋳塊を所定の厚さまで面削し、ろう材、中間材、犠牲陽極材については、鋳造後所定厚さまで熱間圧延し、心材の片面に中間材を介してろう材を積層し、熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのブレージングシート(3層材)、試験材21〜23を作製した。また、心材の片面に中間材を介してろう材を積層するとともに、心材の他の片面に犠牲陽極材を積層し、熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのブレージングシート(4層材)24〜25を作製した。心材、ろう材、中間材よび犠牲陽極材の組成を表3に示す。
心材については、連続鋳造により造塊した鋳塊を所定の厚さまで面削し、ろう材、中間材、犠牲陽極材については、鋳造後所定厚さまで熱間圧延し、心材の片面に中間材を介してろう材を積層し、熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのブレージングシート(3層材)、試験材21〜23を作製した。また、心材の片面に中間材を介してろう材を積層するとともに、心材の他の片面に犠牲陽極材を積層し、熱間圧延、冷間圧延を経て厚さ0.4mmのブレージングシート(4層材)24〜25を作製した。心材、ろう材、中間材よび犠牲陽極材の組成を表3に示す。
得られたアルミニウム合金ブレージングシートについて、以下の方法に従って間隙充填試験およびカップ試験を実施した。
間隙充填試験:
脱脂処理後、弱酸でエッチング処理したブレージングシートを図1に示すように水平材とし、3003合金板(厚さ1mm)を垂直材として組み付けて間隙充填試験片を構成した。内容積0.4m3の予熱室とろう付け室を備えた二室型炉からなる窒素ガス炉を使用し、間隙充填試験片をろう付け室に装入し、到達温度595℃でろう付け接合した。ろう付け条件は、窒素ガス炉の各室に20m3/hの窒素ガスを送り込み、450℃から595℃までを約12分で昇温した。加熱終了時のろう付け室の酸素濃度は7〜17ppmであった。ろう付け室にて間隙充填試験片の温度が595℃に到達したら間隙充填試験片を予熱室に移し、予熱室にて550℃まで冷却後、間隙充填試験片を取り出して大気中で冷却した。
間隙充填試験:
脱脂処理後、弱酸でエッチング処理したブレージングシートを図1に示すように水平材とし、3003合金板(厚さ1mm)を垂直材として組み付けて間隙充填試験片を構成した。内容積0.4m3の予熱室とろう付け室を備えた二室型炉からなる窒素ガス炉を使用し、間隙充填試験片をろう付け室に装入し、到達温度595℃でろう付け接合した。ろう付け条件は、窒素ガス炉の各室に20m3/hの窒素ガスを送り込み、450℃から595℃までを約12分で昇温した。加熱終了時のろう付け室の酸素濃度は7〜17ppmであった。ろう付け室にて間隙充填試験片の温度が595℃に到達したら間隙充填試験片を予熱室に移し、予熱室にて550℃まで冷却後、間隙充填試験片を取り出して大気中で冷却した。
カップ試験:
ブレージングシートのろう材側を内面側にしてプレス成形し、脱脂処理後、弱酸でエッチング処理した成形材をつき合わせ、その中にフィン成形後に脱脂処理した厚さ0.1mmの3003材を重ねて、図2に示すようなカップ試験片(縦30mm×横30mm×厚さ10mm)を構成した。重力の悪影響を再現するために、ろう付時の試験片は図3に示す姿勢で加熱した。間隙充填試験と同じ炉に挿入し、各室に20m3/hの窒素ガスを送り込み、450℃から595℃までを約14分で昇温した。加熱終了時のろう付け室の酸素濃度は6〜15ppmであった。ろう付け室にてカップ試験片の温度が595℃に到達したらカップ試験片を予熱室に移し、予熱室にて550℃まで冷却後、カップ試験片を取り出して大気中で冷却した。
ブレージングシートのろう材側を内面側にしてプレス成形し、脱脂処理後、弱酸でエッチング処理した成形材をつき合わせ、その中にフィン成形後に脱脂処理した厚さ0.1mmの3003材を重ねて、図2に示すようなカップ試験片(縦30mm×横30mm×厚さ10mm)を構成した。重力の悪影響を再現するために、ろう付時の試験片は図3に示す姿勢で加熱した。間隙充填試験と同じ炉に挿入し、各室に20m3/hの窒素ガスを送り込み、450℃から595℃までを約14分で昇温した。加熱終了時のろう付け室の酸素濃度は6〜15ppmであった。ろう付け室にてカップ試験片の温度が595℃に到達したらカップ試験片を予熱室に移し、予熱室にて550℃まで冷却後、カップ試験片を取り出して大気中で冷却した。
ろう付後の間隙充填試験片より間隙充填長さを測定してフィレット形成能を評価し、間隙充填長さ25mm以上を実用レベルにあると判断し合格と評価した。また、次の計算式により流動係数を求めた。
流動係数K=形成されたフィレットの体積/水平材の有するろう材体積
流動係数K=形成されたフィレットの体積/水平材の有するろう材体積
カップ試験片については、カップ外周部上面の外側フィレットを肉眼と実体顕微鏡で観察し、次のように評価した。
◎:全長にわたって均一なフィレットを形成
○:全長にフィレットを形成しているがフィレットがやや小さい
△:全長にフィレットを形成しているが一部でフィレット切れを発生
×:フィレット切れが多数発生
××:フィレット未形成
◎:全長にわたって均一なフィレットを形成
○:全長にフィレットを形成しているがフィレットがやや小さい
△:全長にフィレットを形成しているが一部でフィレット切れを発生
×:フィレット切れが多数発生
××:フィレット未形成
本発明に従うブレージングシート(2層材)1〜20はいずれも、間隙充填試験において、間隙充填長さ26〜37mmのフィレットが形成され、十分に実用レベルのフィレット形成能を示した。ろう材にLiを添加し、心材にMgを添加することにより、間隙充填長さは実用レベルに達することが確認された。
本発明に従うブレージングシート(3層材)21〜23、ブレージングシート24〜25(4層材)についても、間隙充填試験において、間隙充填長さ26〜30mmのフィレットが形成され、十分に実用レベルのフィレット形成能を示した。酸化皮膜を脆弱化する目的で添加されるMgの効果は、中間材においても同様に認められ、心材の片側に犠牲陽極材をクラッドした構成でも同様に認められることが確認された。
ろう材への添加成分の効果については、ろう材にBiやMgを添加しても流動係数は殆ど増加しないが、間隙充填長さが長くなり、カップ試験において上面外側接合部でフィレット切れが生じなくなった。これはろう材へのBiやMgの添加によって溶融ろうの表面張力が低下したためと考えられる(試験材4〜8)。
ろう材にSrやSbを添加すると流動係数が5〜10%増加して間隙充填長さも向上した(試験材9〜13)。また、ろう材にFe、Mn、Tiを添加することによって、カップ試験において上面外側接合部のフィレット形成状態が均一になった。これは溶融ろうの粘性増加によって重力の影響を受け難くなったためと考えられる(試験材14〜20)。
これに対して、Al−Mn合金心材にLiを含有しないAl−Si合金ろう材をクラッドしたブレージングシートにおいては、間隙充填長さは6mmで、著しく接合性が劣り、カップ試験ではフィレット形成が全く認められなかった(試験材26)。
ろう材にLiを添加したが、心材にはMgを添加しない場合(試験材27)、心材にはMgを添加したが、ろう材にはLiを添加しなかった場合(試験材28)、ろう材にMgを添加し、心材にMgを添加しない場合(試験材29)はいずれも、Al−Mn合金心材にAl−Si合金ろう材をクラッドした試験材26に比べてろう付性は向上するが、間隙充填長さは22mm以下であり、実用レベルには達しなかった。
ろう材にBiとBeを添加したブレージングシート(試験材30)、ろう材にBiとBeを添加し、さらに心材にMgを添加したブレージングシート(試験材31)においては、25mm以上の充填長さが得られたが、いずれも有害元素のBeをろう材に含むため実用には適さないものである。
ろう材へのLi添加量が少ないブレージングシート(試験材32)、Li添加量が多いブレージングシート(試験材33)においては、充填長さが25mmに達しなかった。心材へのMg添加量が少ないブレージングシート(試験材34)においては、充填長さが25mmに達しなかった。
ろう材にBiのみを添加したブレージングシート(試験材35)においては、酸化皮膜の破壊効果が乏しく接合性が悪かった。ろう材にLiとBiを添加し、心材にMgを添加したブレージングシートにおいて、ろう材へのBiの添加量が多過ぎると接合性が少し低下し、変色が目立つようになった(試験材36)。ろう材にLiとMgを添加し、心材にMgを添加したブレージングシートにおいて、ろう材へのMgの添加量が多過ぎると接合性が低下した(試験材37)。
ろう材にLiとSrを添加し、心材にMgを添加したブレージングシートにおいて、ろう材へのSrの添加量を0.05%より多くしても接合性の一層の向上が認められず、材料費が高くなって実用に向かない(試験材38)。ろう材にLiとSbを添加し、心材にMgを添加したブレージングシートにおいて、ろう材へのSbの添加量が多過ぎると接合性は低下した(試験材39)。ろう材にLi、Bi、Sr、Sbを添加し、心材にMgを添加したブレージングシートにおいて、ろう材へのFe、Mn、Tiの添加量が多過ぎると接合性は低下した(試験材40)。
Claims (12)
- 不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、Mg:0.2〜1.3%(質量%、以下同じ)を含有するアルミニウム合金の心材の片面または両面に、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドしてなることを特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の心材が、Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の心材が、Mgの他に、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 不活性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにアルミニウムをろう付けするためのブレージングシートであって、アルミニウム合金心材の片面または両面に、Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材を介して、Si:6〜13%、Li:0.004〜0.1%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなるろう材をクラッドしてなることを特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材が、Mg:0.2〜1.3%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項4記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記Mg:0.2〜1.3%を含有するアルミニウム合金の中間材が、Mgの他に、さらにMn:0.05〜1.8%、Si:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項4記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記アルミニウム合金心材が、Mn:0.05〜1.8%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記アルミニウム合金心材が、Mn:0.05〜1.8%を含有し、さらにSi:1.0%以下、Fe:1.0%以下、Cu:0.9%以下、Zn:6.5%以下、Ti:0.2%以下、Zr:0.5%以下の1種または2種以上を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記ろう材を片面にクラッドし、他の片面に、Zn:0.9〜6%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物からなる犠牲陽極材をクラッドしてなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記ろう材がさらにBi:0.004〜0.2%、Mg:0.05〜0.4%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記ろう材がさらにSr:0.002〜0.05%、Sb:0.003〜0.07%のうちの1種または2種を含有することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記ろう材がさらにFe:0.05〜0.8%、Mn:0.05〜0.2%、Ti:0.01〜0.15%のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
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