JP2015093310A - アルミニウム合金ブレージングシート、ろう付け用アルミニウム合金組み付け体およびアルミニウム合金材のろう付け方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な接合状態が得られるアルミニウム合金ブレージングシート、ろう付け用アルミニウム合金組み付け体およびアルミニウム合金材のろう付け方法を提供する。【解決手段】アルミニウム合金芯材の一方または両方の面に、アルミニウム合金ろう材がクラッドされて前記アルミニウム合金ろう材が最表面に位置し、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被ろう付け部材に前記ろう材を接触させて、減圧を伴わない非酸化性雰囲気中で接合されるブレージングシートであって、前記アルミニウム合金ろう材が、質量％で、Ｓｉ：３〜１３％、Ｍｇ：０．１〜３．０％、Ｃｅ：０．０００１〜３．０％を含有し、所望によりＳｒ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０００１〜０．１％の１種又は２種を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有する。【選択図】図１
Description
本発明は、アルミニウム合金ブレージングシート、ろう付け用アルミニウム合金組み付け体およびアルミニウム合金材のろう付け方法に関するものである。
従来、アルミニウム合金のフラックスレスでろう付けを行う種々の技術が提唱されている。例えば、特許文献１では、有利な経済的条件において、無フラックスでアルミニウム合金のロウ付けを行うために、ロウ付け用合金にシリコン、銅、マグネシウム、亜鉛などを添加することが提案されている。
また、特許文献２では、フラックスレスでも放熱性を損なうことのないろう付性を得る為に、ろう材にマグネシウムを含有させ、化学反応の障壁となる酸化膜をマグネシウムのゲッタリング効果により消失させ、強固な接合を得ることができるとしている。
また、特許文献２では、フラックスレスでも放熱性を損なうことのないろう付性を得る為に、ろう材にマグネシウムを含有させ、化学反応の障壁となる酸化膜をマグネシウムのゲッタリング効果により消失させ、強固な接合を得ることができるとしている。
上記のように、フラックスレスろう付で、ろう材に添加したＭｇによりＡｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）が還元分解されることで接合を行うことが提案されている。しかし、ろう材や被ろう付部材へＭｇを添加すると、接合中に雰囲気中の酸素とＭｇが反応し、Ｍｇの酸化皮膜（ＭｇＯ）が生成する。ＭｇＯが生成すると、接合を阻害する現象がみられ、安定した接合状態を得ることができないという問題がある。
これに対し、特許文献２では、ＭｇＯの酸化膜をラッピングフィルム等による物理的手法によって研磨を行ったり、硝酸とフッ酸の混合溶液による酸処理などによる化学的手法によって除去する方法が提案されている。また、ニッケル層を設けたヒートシンクを用いて高い温度で接合する方法が提案されているが、上記方法では、工程が増え、コストがかかる。
また、他の一般的な方法として、真空の利用や非酸化性ガスによる置換で雰囲気中の酸素濃度を低く制御することで、ＭｇＯの生成がある程度抑制されるが、接合部の形態によっては安定した接合状態が得られ難い。
また、他の一般的な方法として、真空の利用や非酸化性ガスによる置換で雰囲気中の酸素濃度を低く制御することで、ＭｇＯの生成がある程度抑制されるが、接合部の形態によっては安定した接合状態が得られ難い。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、良好な接合状態が得られるアルミニウム合金ブレージングシート、ろう付け用アルミニウム合金組み付け体およびアルミニウム合金材のろう付け方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明のアルミニウム合金ブレージングシートのうち、第１の本発明は、アルミニウム合金芯材の一方または両方の面に、アルミニウム合金ろう材がクラッドされて前記アルミニウム合金ろう材が最表面に位置し、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被ろう付け部材に前記アルミニウム合金ろう材を接触させて、減圧を伴わない非酸化性雰囲気中でフラックスを用いずに接合されるブレージングシートであって、前記アルミニウム合金ろう材が、質量％で、Ｓｉ：３〜１３％、Ｍｇ：０．１〜３．０％、Ｃｅ：０．０００１〜３．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする。
前記アルミニウム合金ろう材は、さらに、質量％で、Ｓｒ：０．００１〜１．０％を含有することができる。
前記アルミニウム合金ろう材は、さらに、質量％で、Ｂｅ：０．０００１〜０．１％を含有することができる。
前記アルミニウム合金ろう材は、前記Ｃｅがミッシュメタルとして添加されており、残部の希土類元素を不可避不純物として含有することができる。
前記アルミニウム合金ろう材は、さらに、質量％で、Ｂｅ：０．０００１〜０．１％を含有することができる。
前記アルミニウム合金ろう材は、前記Ｃｅがミッシュメタルとして添加されており、残部の希土類元素を不可避不純物として含有することができる。
前記アルミニウム合金ろう材のろう付前の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下であり、かつ前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下であるのが望ましい。
本発明のろう付け用アルミニウム合金組み付け体は、上記本発明のアルミニウム合金ブレージングシートと、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被ろう付け部材とで構成され、減圧を伴わない非酸化性雰囲気中で前記アルミニウム合金ブレージングシートのアルミニウム合金ろう材を介して互いに接合されるものあることを特徴とする。
上記ろう付け用アルミニウム合金組み付け体では、ろう付け前に、前記被ろう付け部材の接合面の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下であるのが望ましい。
被ろう付け部材は、質量％で、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｇ：０．１〜０．８％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するのが望ましい。
被ろう付け部材は、質量％で、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｇ：０．１〜０．８％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するのが望ましい。
本発明のアルミニウム合金材のろう付け方法は、被ろう付け部材間に上記本発明の組成を有するアルミニウム合金ろう材を介在させて、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下である雰囲気中で、前記被ろう付け部材同士フラックスを用いずにろう付接合することを特徴とする。
前記被ろう付け部材の一方と前記アルミニウム合金ろう材とがクラッドされているものとすることができる。
また、ろう付け前に、前記アルミニウム合金ろう材の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下であり、前記被ろう付け部材の接合面の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下であるのが望ましい。
また、ろう付け前に、前記アルミニウム合金ろう材の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下であり、前記被ろう付け部材の接合面の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下であるのが望ましい。
以下に、本発明における規定の限定理由について説明する。なお、成分量についてはいずれも質量％で示される。
１．ろう材
Ｓｉ：３〜１３％
Ｓｉは、Ａｌに含有することにより、その融点を低下させ、ろう付昇温時の共晶温度以上で、接合に必要な溶融ろう材を生成する。また、ろう材表面に存在するＳｉ粒子上では、アルミニウムの緻密な酸化皮膜の成長が抑制され、酸化皮膜の欠陥部が生成する。Ｓｉの含有量が３％未満では、これらの作用が十分に得られず、１３％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて圧延性が悪化し、クラッド圧延材を作製することができなくなる。このため、Ｓｉの含有量は、３〜１３％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｓｉの含有量は、下限を６．５％、上限を１２．０％とすることがより好ましい。
Ｓｉ：３〜１３％
Ｓｉは、Ａｌに含有することにより、その融点を低下させ、ろう付昇温時の共晶温度以上で、接合に必要な溶融ろう材を生成する。また、ろう材表面に存在するＳｉ粒子上では、アルミニウムの緻密な酸化皮膜の成長が抑制され、酸化皮膜の欠陥部が生成する。Ｓｉの含有量が３％未満では、これらの作用が十分に得られず、１３％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて圧延性が悪化し、クラッド圧延材を作製することができなくなる。このため、Ｓｉの含有量は、３〜１３％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｓｉの含有量は、下限を６．５％、上限を１２．０％とすることがより好ましい。
Ｍｇ：０．１〜３．０％
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａ１２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を分解することで、ろうの濡れ性や流動性を向上させる。ただし、Ｍｇの含有量が０．１％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、３．０％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて圧延性が悪化し、クラッド圧延材を作製することが難しくなる。また、ＭｇＯが成長し溶融ろうの濡れ性が低下し、十分な接合が得られ難くなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．１〜３．０％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２５％、上限を２．０％とすることがより好ましい。
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａ１２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を分解することで、ろうの濡れ性や流動性を向上させる。ただし、Ｍｇの含有量が０．１％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、３．０％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて圧延性が悪化し、クラッド圧延材を作製することが難しくなる。また、ＭｇＯが成長し溶融ろうの濡れ性が低下し、十分な接合が得られ難くなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．１〜３．０％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２５％、上限を２．０％とすることがより好ましい。
Ｃｅ：０．０００１〜３．０％
Ｃｅは、図４で示すエリンガム図で示されるようにＡｌやＭｇよりも酸化し易いため、ろう材表面に生成したＡｌおよびＭｇの酸化皮膜を還元分解し、溶融ろうの濡れ性低下を防止し、接合状態を改善する作用を有する。ろう材中のＣｅ含有量が０．０００１％未満であると、上記効果が不十分となる。一方、Ｃｅ含有量が３．０％を超えると、ろう材表面の酸化が促進され、接合率が低下する。したがって、ろう材中のＣｅ含有量を０．０００１〜３．０％とするのが望ましい。同様の理由により、Ｃｅ含有量は、下限を０．００５％、上限を１．０％とするのが一層望ましい。
Ｃｅは、図４で示すエリンガム図で示されるようにＡｌやＭｇよりも酸化し易いため、ろう材表面に生成したＡｌおよびＭｇの酸化皮膜を還元分解し、溶融ろうの濡れ性低下を防止し、接合状態を改善する作用を有する。ろう材中のＣｅ含有量が０．０００１％未満であると、上記効果が不十分となる。一方、Ｃｅ含有量が３．０％を超えると、ろう材表面の酸化が促進され、接合率が低下する。したがって、ろう材中のＣｅ含有量を０．０００１〜３．０％とするのが望ましい。同様の理由により、Ｃｅ含有量は、下限を０．００５％、上限を１．０％とするのが一層望ましい。
ろう材の作製にあたり、Ｃｅは鉱物から分離精製されたものを単独でアルミニウム合金ろう材に含有することができるが、ミッシュメタルとして入手できるＣｅを用いて含有することもできる。一般にミッシュメタルは、Ｃｅを５０〜６０％、Ｌａを２０％程度含み、残りがＮｄ、Ｐｒ、Ｙなどで占められる。このようなミッシュメタルを用いてＣｅを含有した場合に、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｙがアルミニウム合金ろう材に含まれることは、本発明の効果を妨げるものではなく、不可避不純物として許容できる。例えば、その他の希土類元素を３．０％以下含有し、好ましくは１．０％以下とすることが好ましい。
Ｓｒ：０．００１〜１．０％
Ｓｒはろう材が溶融する温度域でＭｇと同等に酸化し易く、ろう材表面に生成したＡｌの酸化皮膜を還元分解し、さらに、部材表面でＭｇの酸化と競合することでＭｇＯの生成量を抑制する作用を有するので所望により含有させる。また、Ｓｒはろう材Ｓｉ粒子を微細化し、かつ、Ｃｅとの複合添加でろう材中に金属間化合物を形成することで、ろう付製品の耐食性を向上させる。ろう材中のＳｒ含有量が０．００１％未満であると、上記効果が不十分となる。一方、Ｓｒ含有量が１．０％を超えると、ろう材表面の酸化が促進され、接合率が低下する。したがって、所望によりＳｒを含有する場合、ろう材中のＳｒ含有量を０．００１〜１．０％とする。同様の理由により、Ｓｒ含有量は、その下限を０．００５％、上限を０．７５％とするのが一層望ましい。
また、ＣｅとＳｒを複合添加することで、さらにＭｇＯの生成が抑制されて良好な接合状態となる。
Ｓｒはろう材が溶融する温度域でＭｇと同等に酸化し易く、ろう材表面に生成したＡｌの酸化皮膜を還元分解し、さらに、部材表面でＭｇの酸化と競合することでＭｇＯの生成量を抑制する作用を有するので所望により含有させる。また、Ｓｒはろう材Ｓｉ粒子を微細化し、かつ、Ｃｅとの複合添加でろう材中に金属間化合物を形成することで、ろう付製品の耐食性を向上させる。ろう材中のＳｒ含有量が０．００１％未満であると、上記効果が不十分となる。一方、Ｓｒ含有量が１．０％を超えると、ろう材表面の酸化が促進され、接合率が低下する。したがって、所望によりＳｒを含有する場合、ろう材中のＳｒ含有量を０．００１〜１．０％とする。同様の理由により、Ｓｒ含有量は、その下限を０．００５％、上限を０．７５％とするのが一層望ましい。
また、ＣｅとＳｒを複合添加することで、さらにＭｇＯの生成が抑制されて良好な接合状態となる。
Ｂｅ：０．０００１〜０．１％
Ｂｅは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材に添加することで溶融ろう材表面に形成される酸化皮膜の成長を抑制し、濡れ性の低下を抑制するので所望により含有させる。また、酸化し易く、ろう材表面に生成したＡｌおよびＭｇの酸化皮膜を還元分解し、接合状態を改善する作用を有する。ろう材中のＢｅ含有量が０．０００１％未満であると、上記効果が不十分となる。一方、Ｂｅ含有量が０．１％を超えると、その効果が飽和することや有害性がある。したがって、所望によりＢｅを含有する場合、ろう材中のＢｅ含有量を０．０００１〜０．１％とする。同様の理由で下限を０．０００２とするのが望ましく、上限を０．００１％とするのが望ましい。
Ｂｅは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材に添加することで溶融ろう材表面に形成される酸化皮膜の成長を抑制し、濡れ性の低下を抑制するので所望により含有させる。また、酸化し易く、ろう材表面に生成したＡｌおよびＭｇの酸化皮膜を還元分解し、接合状態を改善する作用を有する。ろう材中のＢｅ含有量が０．０００１％未満であると、上記効果が不十分となる。一方、Ｂｅ含有量が０．１％を超えると、その効果が飽和することや有害性がある。したがって、所望によりＢｅを含有する場合、ろう材中のＢｅ含有量を０．０００１〜０．１％とする。同様の理由で下限を０．０００２とするのが望ましく、上限を０．００１％とするのが望ましい。
なお、ろう材は、アルミニウム合金の芯材にクラッドして提供することができ、適宜、片面クラッド材と両面クラッド材とを使い分けることができる。両面クラッド材では、芯材の両面にろう材がクラッドされているものであってもよく、また片面にろう材がクラッドされ、他の片面に犠牲材などのその他の材料がクラッドされているものであってもよい。また、ろう材は、被ろう付け部材間に介在させる板材として提供することができる。
２．芯材組成
アルミニウム合金ろう材をクラッドする場合、その芯材はアルミニウム合金であればよく、その組成が特に限定されるものではない。
芯材にはＭｇを添加しなくても接合は可能である。しかし、フラックスレスろう付を実現したことにより、高強度化を狙ったＭｇ添加を積極的に行うことも可能となる。
芯材としては、例えば、質量％で、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％の内１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するものを挙げることができる。また、芯材として、前記組成に、質量％で、さらにＭｇ：０．０１〜０．８％を含有するものが示される。
上記芯材における各元素の作用および限定理由は以下のとおりである。
アルミニウム合金ろう材をクラッドする場合、その芯材はアルミニウム合金であればよく、その組成が特に限定されるものではない。
芯材にはＭｇを添加しなくても接合は可能である。しかし、フラックスレスろう付を実現したことにより、高強度化を狙ったＭｇ添加を積極的に行うことも可能となる。
芯材としては、例えば、質量％で、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％の内１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するものを挙げることができる。また、芯材として、前記組成に、質量％で、さらにＭｇ：０．０１〜０．８％を含有するものが示される。
上記芯材における各元素の作用および限定理由は以下のとおりである。
Ｍｎ：０．２〜２．５％
Ｍｎは、金属間化合物として晶出または析出し、ろう付後の強度を向上させる。また、芯材の電位を貴にして耐食性も向上させる。これら作用を十分に得るためはＭｎを０．２％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、鋳造時に巨大金属間化合物が生成して圧延が困難となる。このため、Ｍｎの含有量は、０．２〜２．５％が望ましい。なお、同様の理由で、Ｍｎ含有量は、下限が１．０％、上限が１．７％が一層望ましい。
Ｍｎは、金属間化合物として晶出または析出し、ろう付後の強度を向上させる。また、芯材の電位を貴にして耐食性も向上させる。これら作用を十分に得るためはＭｎを０．２％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、鋳造時に巨大金属間化合物が生成して圧延が困難となる。このため、Ｍｎの含有量は、０．２〜２．５％が望ましい。なお、同様の理由で、Ｍｎ含有量は、下限が１．０％、上限が１．７％が一層望ましい。
Ｃｕ：０．０５〜１．０％
Ｃｕは、材料中に固溶してろう付後の強度を向上させるとともに、芯材の電位を貴にして耐食性を向上させる。これら作用を十分に得るためＣｕを０．０５％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、鋳造時に割れが生じたり、圧延性が低下する。このため、Ｃｕの含有量は、０．０５〜１．０％が望ましい。なお、同様の理由でＣｕ含有量は、下限が０．１％、上限が０．７％が一層望ましい。
Ｃｕは、材料中に固溶してろう付後の強度を向上させるとともに、芯材の電位を貴にして耐食性を向上させる。これら作用を十分に得るためＣｕを０．０５％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、鋳造時に割れが生じたり、圧延性が低下する。このため、Ｃｕの含有量は、０．０５〜１．０％が望ましい。なお、同様の理由でＣｕ含有量は、下限が０．１％、上限が０．７％が一層望ましい。
Ｓｉ：０．１〜１．２％
Ｓｉは、単体でマトリックスに固溶して材料強度を向上させるほか、本発明においては、Ｍｇ添加との相乗効果によって得られるＭｇ２Ｓｉの析出により、材料強度を向上させる。このＭｇ２Ｓｉの析出は、ろう付熱処理後の時効硬化により、飛躍的な材料強度向上に寄与する。また、Ｍｎと同時に添加されるとＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物として分散して、材料強度を向上させる効果も有する。これら作用を十分に得るためＳｉを０．１％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、融点が低下し、ろう付時に芯材が溶融する。このため、Ｓｉの含有量は、０．１〜１．２％が望ましい。なお、同様の理由で、Ｓｉ含有量の下限は０．３％、上限は１．０％が一層望ましい。
Ｓｉは、単体でマトリックスに固溶して材料強度を向上させるほか、本発明においては、Ｍｇ添加との相乗効果によって得られるＭｇ２Ｓｉの析出により、材料強度を向上させる。このＭｇ２Ｓｉの析出は、ろう付熱処理後の時効硬化により、飛躍的な材料強度向上に寄与する。また、Ｍｎと同時に添加されるとＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ化合物として分散して、材料強度を向上させる効果も有する。これら作用を十分に得るためＳｉを０．１％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、融点が低下し、ろう付時に芯材が溶融する。このため、Ｓｉの含有量は、０．１〜１．２％が望ましい。なお、同様の理由で、Ｓｉ含有量の下限は０．３％、上限は１．０％が一層望ましい。
Ｍｇ：０．１〜０．８％
Ｍｇは、単独では固溶強化により、また、Ｓｉと同時に添加されるとろう付後に微細な金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉとして析出し、時効硬化することで著しく強度を向上させる効果を有する。また、ろう付加熱中にろう材から拡散してきたＳｉとも反応し、同様の強度効果を有する。さらに一部はろう材中に拡散し、ろう材表面の酸化膜の破壊や変質に寄与する効果を有する。これら作用を十分に得るためＭｇを０．１％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、融点が低下し、ろう付時に芯材が溶融する。このため、Ｍｇの含有量は、０．０１〜０．８％が望ましい。なお、同様の理由でＭｇ含有量の下限は０．２％、上限は０．７％が一層望ましい。
なお、芯材の組成が上記に限定されないことが当然である。
Ｍｇは、単独では固溶強化により、また、Ｓｉと同時に添加されるとろう付後に微細な金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉとして析出し、時効硬化することで著しく強度を向上させる効果を有する。また、ろう付加熱中にろう材から拡散してきたＳｉとも反応し、同様の強度効果を有する。さらに一部はろう材中に拡散し、ろう材表面の酸化膜の破壊や変質に寄与する効果を有する。これら作用を十分に得るためＭｇを０．１％以上含有する。下限未満ではこれらの効果が不十分である。一方、上限を超えると、融点が低下し、ろう付時に芯材が溶融する。このため、Ｍｇの含有量は、０．０１〜０．８％が望ましい。なお、同様の理由でＭｇ含有量の下限は０．２％、上限は０．７％が一層望ましい。
なお、芯材の組成が上記に限定されないことが当然である。
ろう材表面酸化皮膜
本発明において、ろう付前のアルミニウム合金ろう材の表面酸化皮膜の平均膜厚は、１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中のＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下とすることが望ましい。酸化皮膜中のＡｌ２Ｏ３は、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｓｒにより還元され、また、ＭｇＯはＣｅによって還元されるが、実用的な量産炉においては、制御可能なろう付雰囲気中の酸素濃度や熱処理時間などの制約があり、上記酸化皮膜厚さとすることで良好なろう付性が確保され易いためである。但し、ろう付条件などにより上記酸化皮膜厚さ以上でも十分なろう付性が確保できる場合には、上記酸化皮膜厚さに限定されるものではない。
本発明において、ろう付前のアルミニウム合金ろう材の表面酸化皮膜の平均膜厚は、１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中のＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下とすることが望ましい。酸化皮膜中のＡｌ２Ｏ３は、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｓｒにより還元され、また、ＭｇＯはＣｅによって還元されるが、実用的な量産炉においては、制御可能なろう付雰囲気中の酸素濃度や熱処理時間などの制約があり、上記酸化皮膜厚さとすることで良好なろう付性が確保され易いためである。但し、ろう付条件などにより上記酸化皮膜厚さ以上でも十分なろう付性が確保できる場合には、上記酸化皮膜厚さに限定されるものではない。
３．被ろう付け部材
被接合部材の１つとしてＭｇ含有アルミニウム合金材を用いる場合、その組成が特定のものに限定されるものではないが、以下に好適な組成を示す。
被接合部材の１つとしてＭｇ含有アルミニウム合金材を用いる場合、その組成が特定のものに限定されるものではないが、以下に好適な組成を示す。
Ｍｇ：０．１〜０．８％
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を還元分解するとともに、Ｓｉと同時に添加されるとろう付後に微細な金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉとして析出し、時効硬化により著しく材料強度を向上させる作用を有する。Ｍｇの含有量が０．１％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、材料強度を向上させる作用も十分に得られず、０．８％を超えると、合金部材の融点が低下して合金部材が溶融ろうの侵食を受けやすくなり、ろう付構造物の接合後における寸法精度が得られなくなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．１〜０．８％とすることができる。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２％、上限を０．７％とするのが望ましい。
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を還元分解するとともに、Ｓｉと同時に添加されるとろう付後に微細な金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉとして析出し、時効硬化により著しく材料強度を向上させる作用を有する。Ｍｇの含有量が０．１％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、材料強度を向上させる作用も十分に得られず、０．８％を超えると、合金部材の融点が低下して合金部材が溶融ろうの侵食を受けやすくなり、ろう付構造物の接合後における寸法精度が得られなくなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．１〜０．８％とすることができる。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２％、上限を０．７％とするのが望ましい。
Ｓｉ：０．１〜１．２％
Ｓｉは、単体でマトリックスに固溶して材料強度を向上させるほか、Ｍｇ添加との相乗効果によって得られる金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉの析出により、材料強度を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量が０．１％未満では、材料強度を向上させる作用が十分に得られず、１．２％を超えると、合金部材の融点が低下し、ろう付過程で溶融することで、ろう付構造物の寸法精度が得られなくなる。このため、Ｓｉの含有量は、０．１〜１．２％とすることができる。なお、同様の理由により、Ｓｉの含有量は、下限を０．３％、上限を１．０％とすることが望ましい。
Ｓｉは、単体でマトリックスに固溶して材料強度を向上させるほか、Ｍｇ添加との相乗効果によって得られる金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉの析出により、材料強度を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量が０．１％未満では、材料強度を向上させる作用が十分に得られず、１．２％を超えると、合金部材の融点が低下し、ろう付過程で溶融することで、ろう付構造物の寸法精度が得られなくなる。このため、Ｓｉの含有量は、０．１〜１．２％とすることができる。なお、同様の理由により、Ｓｉの含有量は、下限を０．３％、上限を１．０％とすることが望ましい。
被ろう付け部材の一方に用いられるＭｇ含有アルミニウム合金材は、上記のようにＭｇ、Ｓｉを含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有するものとすることができるが、上記作用を損なわない範囲で、その他の成分を含有するものとすることもできる。
上記被ろう付け部材は、クラッド材の芯材に用いてろう材がクラッドされたクラッド材としてろう付に供してもよいし、ベア材としてろう付に供してもよい。
被ろう付け部材表面酸化皮膜
本発明において、ろう付前の被ろう付け部材の表面酸化皮膜の平均膜厚は、１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下とすることが望ましい。酸化皮膜中のＡｌ２Ｏ３は、被ろう付部材中のＭｇにより還元されるか、または、流動してきたろう材中のＭｇ、Ｃｅ、Ｓｒにより還元されるが、実用的な量産炉においては、制御可能なろう付雰囲気中の酸素濃度や熱処理時間などの制約があり、上記酸化皮膜厚さとすることで良好なろう付性が確保され易いためである。但し、ろう付条件などにより上記酸化皮膜厚さ以上でも十分なろう付性が確保できる場合には、上記酸化皮膜厚さに限定されるものではない。
本発明において、ろう付前の被ろう付け部材の表面酸化皮膜の平均膜厚は、１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下とすることが望ましい。酸化皮膜中のＡｌ２Ｏ３は、被ろう付部材中のＭｇにより還元されるか、または、流動してきたろう材中のＭｇ、Ｃｅ、Ｓｒにより還元されるが、実用的な量産炉においては、制御可能なろう付雰囲気中の酸素濃度や熱処理時間などの制約があり、上記酸化皮膜厚さとすることで良好なろう付性が確保され易いためである。但し、ろう付条件などにより上記酸化皮膜厚さ以上でも十分なろう付性が確保できる場合には、上記酸化皮膜厚さに限定されるものではない。
４．炉内雰囲気
本発明のろう付は、大気圧下の非酸化性雰囲気中の環境で十分な接合が得られるものであるが、加圧や減圧した雰囲気下で行うことも可能である。
本発明の実施にあたっては、炉内雰囲気を不活性ガス、或いは還元性ガス等の非酸化性ガスとすることで、雰囲気中の酸素濃度や露点を低下させ、被ろう付け物の酸化を抑制することができる。使用する置換ガスの種類としては、接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点で、不活性ガスとしては窒素、アルゴン、ヘリウム、還元性ガスとしては水素、アンモニア、一酸化炭素などを用いることが好適である。酸素濃度が高いと被ろう付部材が酸化し易くなり、酸化皮膜の還元分解が十分に得られなくなるため、酸素濃度管理範囲としては１００ｐｐｍ以下が良い。酸素濃度が低いほど酸化の影響は無くなるが、例えば、５ｐｐｍ以下で管理する場合には雰囲気維持に多量の高純度ガスを必要とするため、生産上は好ましくない。以上の理由から、ろう付雰囲気中の酸素濃度は、３０ｐｐｍ以下で管理することが一層望ましい。
本発明のろう付は、大気圧下の非酸化性雰囲気中の環境で十分な接合が得られるものであるが、加圧や減圧した雰囲気下で行うことも可能である。
本発明の実施にあたっては、炉内雰囲気を不活性ガス、或いは還元性ガス等の非酸化性ガスとすることで、雰囲気中の酸素濃度や露点を低下させ、被ろう付け物の酸化を抑制することができる。使用する置換ガスの種類としては、接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点で、不活性ガスとしては窒素、アルゴン、ヘリウム、還元性ガスとしては水素、アンモニア、一酸化炭素などを用いることが好適である。酸素濃度が高いと被ろう付部材が酸化し易くなり、酸化皮膜の還元分解が十分に得られなくなるため、酸素濃度管理範囲としては１００ｐｐｍ以下が良い。酸素濃度が低いほど酸化の影響は無くなるが、例えば、５ｐｐｍ以下で管理する場合には雰囲気維持に多量の高純度ガスを必要とするため、生産上は好ましくない。以上の理由から、ろう付雰囲気中の酸素濃度は、３０ｐｐｍ以下で管理することが一層望ましい。
以上説明したように、本発明によれば、フラックスレスにおいて、アルミニウムまたはアルミニウム合金を良好なろう付け接合状態で接合することができる。
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
ろう材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｓｉ：３〜１３％、Ｍｇ：０．１〜３．０％、Ｃｅ：０．０００１〜３．０％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製する。ろう材用アルミニウム合金は、さらに、質量％でＳｒ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０００１〜０．１％のうち１種または２種を含有するものであってもよい。
また、芯材用アルミニウム合金として、例えば、質量％で、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％の内１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成に調製する。
ろう材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｓｉ：３〜１３％、Ｍｇ：０．１〜３．０％、Ｃｅ：０．０００１〜３．０％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製する。ろう材用アルミニウム合金は、さらに、質量％でＳｒ：０．００１〜１．０％、Ｂｅ：０．０００１〜０．１％のうち１種または２種を含有するものであってもよい。
また、芯材用アルミニウム合金として、例えば、質量％で、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％の内１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成に調製する。
熱間圧延、冷間圧延を行って芯材の一方または両方の面にろう材が重ね合わされて接合されたクラッド材を得る。
上記工程を経ることにより、図１に示すように、アルミニウム合金芯材２の一方の面にアルミニウム合金ろう材３がクラッドされた熱交換器用のアルミニウム合金ブレージングシート１が得られる。
アルミニウム合金ブレージングシート１は、熱交換器のチューブ、ヘッダ、タンクなどとして用いることができる。
上記工程を経ることにより、図１に示すように、アルミニウム合金芯材２の一方の面にアルミニウム合金ろう材３がクラッドされた熱交換器用のアルミニウム合金ブレージングシート１が得られる。
アルミニウム合金ブレージングシート１は、熱交換器のチューブ、ヘッダ、タンクなどとして用いることができる。
一方、被ろう付け部材として、例えば、質量％で、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金を調製し、適宜形状に加工される。
上記アルミニウム合金ブレージングシート１は、上記ろう材が最表面に位置しており、表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下に調整されている。
また、被ろう付け部材は、少なくとも接合面において表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下かつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下に調整されている。
上記表面酸化皮膜は、鋳造後の均質化、熱間圧延前の均熱、冷間圧延後の焼鈍等、各種
熱処理時の温度と時間によって調整することができる。
また、被ろう付け部材は、少なくとも接合面において表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下かつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下に調整されている。
上記表面酸化皮膜は、鋳造後の均質化、熱間圧延前の均熱、冷間圧延後の焼鈍等、各種
熱処理時の温度と時間によって調整することができる。
上記アルミニウム合金ブレージングシート１と被ろう付け部材とは、アルミニウム合金芯材２と被ろう付け部材との間にアルミニウム合金ろう材３が介在するように接合してろう付け用アルミニウム合金組み付け体とする。
上記組み付け体は、減圧を伴うことなく非酸化性雰囲気とされた加熱炉内に配置される。該非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスまたは水素、アンモニア、一酸化炭素などの還元性ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いて構成することができる。非酸化性雰囲気は、ろう付け加熱時には減圧を伴わず、通常は大気圧とされる。なお、非酸化性雰囲気を得る前に、置換などの目的で減圧工程を含むものであってもよい。加熱炉は密閉した空間を有することを必要とせず、ろう付け材の搬入口、搬出口を有するものであってもよい。このような加熱炉でも、不活性ガスを炉内に吹き出し続けることで非酸化性が維持される。該非酸化性雰囲気としては、酸素濃度として体積比で１００ｐｐｍ以下が望ましい。
上記組み付け体は、減圧を伴うことなく非酸化性雰囲気とされた加熱炉内に配置される。該非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスまたは水素、アンモニア、一酸化炭素などの還元性ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いて構成することができる。非酸化性雰囲気は、ろう付け加熱時には減圧を伴わず、通常は大気圧とされる。なお、非酸化性雰囲気を得る前に、置換などの目的で減圧工程を含むものであってもよい。加熱炉は密閉した空間を有することを必要とせず、ろう付け材の搬入口、搬出口を有するものであってもよい。このような加熱炉でも、不活性ガスを炉内に吹き出し続けることで非酸化性が維持される。該非酸化性雰囲気としては、酸素濃度として体積比で１００ｐｐｍ以下が望ましい。
上記雰囲気下で５６０〜６２０℃で加熱をしてろう付けを行う。
アルミニウム合金ろう材の融点は、添加されるＭｇ量によって変化し、Ｍｇが、質量％で０．８％以上含有すると５５９℃となる。よって、ろう付の加熱温度は５６０℃以上とするが、実体温度が高過ぎるとろう侵食により接合後の構造体の寸法精度が問題となるため、高くても６２０℃以下の範囲で行うことが望ましい。但し、寸法精度に問題が生じない接合体であれば、最高温度の制約はこの限りではない。
上記ろう付けにおいては、ろう付け対象の部材同士がフラックスレスで良好に接合される。
アルミニウム合金ろう材の融点は、添加されるＭｇ量によって変化し、Ｍｇが、質量％で０．８％以上含有すると５５９℃となる。よって、ろう付の加熱温度は５６０℃以上とするが、実体温度が高過ぎるとろう侵食により接合後の構造体の寸法精度が問題となるため、高くても６２０℃以下の範囲で行うことが望ましい。但し、寸法精度に問題が生じない接合体であれば、最高温度の制約はこの限りではない。
上記ろう付けにおいては、ろう付け対象の部材同士がフラックスレスで良好に接合される。
なお、上記実施形態では、アルミニウム合金芯材とアルミニウム合金ろう材とをクラッドして被ろう付け部材と接合するものとして説明したが、被ろう付け部材間にアルミニウム合金ろう材を配置してろう付け接合することも可能である。
以下に、本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
半連続鋳造により、表１〜表３（発明例）、表４（比較例）に示す組成を有するアルミニウム合金芯材素材およびアルミニウム合金ろう材素材をそれぞれ鋳造した。なお、表に示された芯材用アルミニウム合金の組成およびろう材用アルミニウム合金は、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるものである。
上記芯材素材と上記ろう材素材とをクラッドしてアルミニウム合金ブレージングシートを用意した。ろう材のクラッド率を１０％とし、Ｈ１４相当調質で０．２５ｍｍ厚に仕上げた。
半連続鋳造により、表１〜表３（発明例）、表４（比較例）に示す組成を有するアルミニウム合金芯材素材およびアルミニウム合金ろう材素材をそれぞれ鋳造した。なお、表に示された芯材用アルミニウム合金の組成およびろう材用アルミニウム合金は、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるものである。
上記芯材素材と上記ろう材素材とをクラッドしてアルミニウム合金ブレージングシートを用意した。ろう材のクラッド率を１０％とし、Ｈ１４相当調質で０．２５ｍｍ厚に仕上げた。
また、他方の被ろう付け部材として、表１〜４に組成を示すＨ１４相当調質のアルミニウムベア材（０．１ｍｍ厚）をコルゲート加工して図２に示すコルゲートフィン１１を用意した。表１〜４に示された被ろう付け部材は、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるものである。
図２に示すように、前記アルミニウム合金ブレージングシートを用いて幅２０ｍｍの扁平電縫チューブ１２を製作し、前記コルゲートフィン１１と組み合わせ、ろう付評価モデルとしてチューブ１５段、長さ３００ｍｍのコア１０を製作した。前記コア１０を窒素雰囲気中（酸素濃度２０ｐｐｍ）のろう付け炉にて、実体温度６００℃×３分保持する接合試験を実施し、ろう付け状態を以下の項目について評価した。
（接合率）
次式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（コルゲートフィンとチューブの総ろう付け長さ／コルゲートフィンとチューブの総接触長さ）×１００
ろう付け後のフィン接合率が９５％以上であれば◎と評価し、８５％以上９５％未満であれば○と評価し、８０％以上８５％未満であれば△と評価し、８０％未満であれば×と評価した。評価結果を表１〜４に示した。
次式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（コルゲートフィンとチューブの総ろう付け長さ／コルゲートフィンとチューブの総接触長さ）×１００
ろう付け後のフィン接合率が９５％以上であれば◎と評価し、８５％以上９５％未満であれば○と評価し、８０％以上８５％未満であれば△と評価し、８０％未満であれば×と評価した。評価結果を表１〜４に示した。
（接合部幅評価）
ろう付接合部におけるフィレット形成能を確認するため、接合面の幅の評価を行った。図３に示すように接合面の幅の位置は、チューブ面に接しているフィレットの最大幅である。フィレットとチューブの接合面の幅を各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。判定は、接合面の幅が０．６ｍｍ以上であれば◎と評価し、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ未満であれば○と評価し、０．３ｍｍ未満であれば×と評価した。評価結果を表１〜４に示した。
ろう付接合部におけるフィレット形成能を確認するため、接合面の幅の評価を行った。図３に示すように接合面の幅の位置は、チューブ面に接しているフィレットの最大幅である。フィレットとチューブの接合面の幅を各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。判定は、接合面の幅が０．６ｍｍ以上であれば◎と評価し、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ未満であれば○と評価し、０．３ｍｍ未満であれば×と評価した。評価結果を表１〜４に示した。
１ アルミニウム合金ブレージングシート
２ アルミニウム合金芯材
３ アルミニウム合金ろう材
１０ コア
１１ コルゲートフィン
１２ チューブ
２ アルミニウム合金芯材
３ アルミニウム合金ろう材
１０ コア
１１ コルゲートフィン
１２ チューブ
Claims (11)
- アルミニウム合金芯材の一方または両方の面に、アルミニウム合金ろう材がクラッドされて前記アルミニウム合金ろう材が最表面に位置し、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被ろう付け部材に前記アルミニウム合金ろう材を接触させて、減圧を伴わない非酸化性雰囲気中でフラックスを用いずに接合されるブレージングシートであって、
前記アルミニウム合金ろう材が、質量％で、Ｓｉ：３〜１３％、Ｍｇ：０．１〜３．０％、Ｃｅ：０．０００１〜３．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有す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。 - 前記アルミニウム合金ろう材は、さらに、質量％で、Ｓｒ：０．００１〜１．０％を含有することを特徴とする請求項１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ろう材は、さらに、質量％で、Ｂｅ：０．０００１〜０．１％を含有することを特徴とする請求項１または２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ろう材は、前記Ｃｅがミッシュメタルとして添加されており、残部の希土類元素を不可避不純物として含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記アルミニウム合金ろう材のろう付前の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下であり、かつ前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金ブレージングシート。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金ブレージングシートと、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被ろう付け部材とで構成され、減圧を伴わない非酸化性雰囲気中で前記アルミニウム合金ブレージングシートのアルミニウム合金ろう材を介して互いにフラックスを用いずに接合されるものであることを特徴とするろう付け用アルミニウム合金組み付け体。
- ろう付け前に、前記被ろう付け部材の接合面の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６記載のろう付け用アルミニウム合金組み付け体。
- 前記被ろう付け部材が、質量％で、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｍｇ：０．１〜０．８％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項６または７に記載のろう付け用アルミニウム合金組み付け体。
- 被ろう付け部材間に請求項１〜４のいずれか１項に記載の組成を有するアルミニウム合金ろう材を介在させて、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下である雰囲気中で、前記被ろう付け部材同士をろう付接合することを特徴とするフラックスを用いないアルミニウム合金材のろう付け方法。
- 前記被ろう付け部材の一方と前記アルミニウム合金ろう材とがクラッドされていることを特徴とする請求項９記載のフラックスを用いないアルミニウム合金材のろう付け方法。
- ろう付け前に、前記アルミニウム合金ろう材の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下であり、前記被ろう付け部材の接合面の表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下でかつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９または１０に記載のフラックスを用いないアルミニウム合金材のろう付け方法。
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