JP2018103260A - フラックスフリーろう付用のブレージングシート、フラックスフリーろう付方法および熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】芯材3の片面又は両面に、2〜13質量%Siを含有するAl−Si系合金の最表面ろう材層3bと、4〜13質量%のSi及び0.1〜5.0質量%のMgを含有するAl−Si−Mg系合金の中間ろう材層3aがクラッドされ、最表面ろう材層3bに含まれるSi粒子が、表層面方向の観察において、円相当径で0.8μm以上の径の内、1.75μm以上の径の数の割合が10%以上で、中間層ろう材層3aに含まれるSi粒子が、ろう材層の断面観察において、円相当径0.25μm以上のSi粒子が10000μm2当たり3,000個未満であるフラックスフリーろう付用ブレージングシート1。ブレージングシート1を用いて酸素濃度100ppm以下の常圧下非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスフリーでアルミニウム部材同士の接合を行う方法。
【選択図】図1
Description
しかし、雰囲気の影響を受け易い開放部を有する継手形状では、Mg添加ろう材の表面でMgO皮膜が成長し易くなるが、MgO皮膜は分解され難い安定な酸化皮膜であるため接合が著しく阻害される。このことから、開放部を有する継手で安定した接合状態が得られるフラックスフリーろう付方法が強く望まれている。
Si:2〜13%
最表面ろう材層では、ろう付時にSiによって溶融ろうを形成し、接合部のフィレットを形成する。Si含有量が不足すると、フィレットを形成するための溶融ろうが不足する。また、中間層からのMgの拡散が遅れ、十分な接合が得られない。一方、Si含有量が過剰になると、効果が飽和する。また、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。
これらのため、最表面ろう材層のろう材では、Si含有量を2〜13%とする。また、同様の理由でSi含有量の下限を3%、上限を11%とするのがさらに望ましい。
Biは、ろう付昇温過程で材料表面に濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するので所望により含有する。Biの含有量が不足すると効果が不十分であり、Biを過剰に含有すると、効果が飽和する。これらのため、Biの含有量を0.05〜0.5%とするのが望ましい。また、同様の理由で、Biの下限を0.1%とし、上限を0.2%とするのが一層望ましい。
FeはAlに殆ど固溶せず、最表面ろう材中で単体またはAl、Mn、Siなどとの金属間化合物として存在する。材料表面に存在するこれらの粒子は、接合部表面の酸化皮膜の欠陥部となるため、接合を阻害する酸化皮膜の成長を抑制することや、中間層ろう材から拡散してきたMgがAl2O3を分解する際に酸化皮膜が破壊され易くなる効果をもつ。0.1%未満では効果が不十分となり、1.0%以上では効果が飽和し、さらに多くなるとろう材層が機械的に脆くなり圧延性が低下するため、下限を0.1%、上限を1.0%とする。
Si:4〜13%
Siは、ろう付時に中間層中に液相を生成し、中間層に添加されたMgの最表面層への拡散を促進する。Si含有量が不足すると効果が不十分であり、Siを過剰に含有すると、過剰な液相が材料端部などから流出し、中間層中のMgが消耗するため、十分な接合状態が得られなくなる。
これらの点でSi含有量を4〜13%とするのが望ましい。
なお、同様の理由で、Si含有量の下限を5%、上限を11%とするのが一層望ましい。
Mgは、Al酸化皮膜(Al2O3)を還元分解する。ただし、Mg含有量が不足すると、効果が不十分であり、Mg含有量が過剰になると、効果が飽和するとともに、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。これらのため、Mg含有量は、0.1〜5.0%とする。なお、同様の理由で、下限を0.3%、上限を3.0%とするのが望ましく、さらに、下限を0.8%、上限を2.5%とするのがより望ましい。
Biは、ろう付昇温過程で材料表面に濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するので所望により含有させる。Bi含有量が不足すると効果が不十分であり、Bi含有量が過剰になると効果が飽和する。これらのため、Bi含有量は0.01〜0.5%とするのが望ましい。なお、同様の理由で下限を0.02%、上限を0.2%とするのが望ましい。
中間層ろう材は、Mg添加により最表面のAl−Siろう材よりも固相線温度が低いため、ろう付昇温過程では最表面ろう材よりも早く溶融が始まり、液相線温度に近づくほど液相率が高くなり最表面ろう材へのMg拡散量が増加する。しかし、中間層ろう材の液相線温度が最表面ろう材よりも低すぎると、材料端部などから中間層ろう材が流出し、材料表面のAl2O3皮膜を分解するのに十分なMg量が不足することや、接合部に流入する有効な流動ろうが不足する。また、逆に最表面ろう材の液相線温度が中間層ろう材の液相線温度よりも低すぎると最表面ろう材表面のAl2O3皮膜を分解するのに十分なMg量が中間層ろう材から拡散する前に最表面ろう材の液相率が高まり活性となるため、最表面の再酸化や不安定なろう流動によりろう付性が低下する。このため、中間層ろう材と最表面ろう材の液相線温度差は、50℃未満とすることが望ましい。さらに、同様の理由で35℃未満とすることがより望ましい。
最表面ろう材層と中間ろう材層のクラッド率をブレージングシート全厚みに対して片面当りそれぞれ1〜30%とするのが望ましい。クラッド率が小さすぎると熱延によるクラッド貼合わせ時に長手方向のクラッド率がばらつき易くなり、クラッド率が大きすぎるとクラッド貼合わせでクラッド界面の接合状態が不安定になり十分な製造品質が確保できない問題がある。また、ろう付後製品の構造強度や寸法精度を確保するため、芯材のクラッド率は50%以上を確保することが望ましい。
なお、Si粒子を細かくする手段としては、鋳造時の超音波印加や凝固速度制御(0.1〜500℃/sec)、焼鈍時の温度条件により調整することや、ろう材中Si粒子の微細化効果があるSrなどを添加することが挙げられるが、その方法が限定されるものではない。
上記ブレージングシートは、酸素濃度100ppm以下の非酸化性ガス雰囲気において、フラックスフリーでろう付を行うことができる。
ろう付炉内雰囲気の圧力は常圧を基本とするが、例えば、製品内部のガス置換効率を向上させるためにろう材溶融前の温度域で100kPa〜0.1Pa程度の中低真空とすることや、炉内への外気(大気)混入を抑制するために大気圧よりも5〜100Pa程度陽圧としてもよい。
非酸化性ガス雰囲気としては、窒素ガス、或いは還元性ガスもしくはこれらの混合ガスが挙げられる。使用する置換ガスの種類としては、アルミニウム材の接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点より、窒素ガス、不活性ガスとしてはアルゴン、還元性ガスとしては水素、アンモニアを用いることが好適である。雰囲気中の酸素濃度管理範囲としては、100ppm以下が望ましい。100ppm超では被ろう付部材の再酸化が進みやすくなる。同様の理由で30ppm以下とするのが望ましく、さらに、10ppm以下とするのが一層望ましい。
また、上記実施形態では、本発明の適用用途として自動車用熱交換器について説明したが、自動車用以外の熱交換器でもよく、さらに本発明の用途が熱交換器に限定されるものではない。
ろう材用アルミニウム合金のうち、最表面層用のものとして、質量%で、Si:2〜13%を含有し、所望により、Fe:0.1〜1.0、Bi:0.01〜0.5%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し、中間層用のものとして、質量%で、Si:4〜13%、Mg:0.1〜5.0%を含有し、所望により、Bi:0.01〜0.5%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。また、ろう材用アルミニウム合金としては、その他に、質量%で、Cu:0.05〜2.0、Mn:0.05〜2.5、Ca:0.001〜0.5、Li:0.001〜0.5、Be:0.001〜0.1などを含有してもよい。
なお、Znが添加されたアルミニウム合金を犠牲防食層として何れかのクラッド層間、または、ろう材がクラッドされていない芯材表面にクラッドしてもよい。
これらの合金に対し、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、中間ろう材層と最表面ろう材層が重ね合わされて接合されたクラッド材を得る。
なお、各中間ろう材層3a、最表面ろう材層3bは、ブレージングシート1全厚に対し、1〜30%の厚さを有している。
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、アウターフィン、インナーフィンなどとして用いることができる。
一方、ろう付対象部材として、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。ろう付対象部材は、本発明のアルミニウム部材に相当する。なお、ろう付対象部材の組成は本発明としては特に限定されるものではなく、適宜組成のものを用いることができる。
また、ろう付対象部材は、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のが望ましい。
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。
ろう付条件において、昇温速度が速くなるほどろう付時間が短くなるため、材料表面の酸化皮膜成長が抑制されてろう付性が向上する。到達温度は少なくともろう材の固相線温度以上とすればろう付可能であるが、液相線温度に近づけることで流動ろう材が増加し、開放部を有する継手で良好な接合状態が得られ易くなる。ただし、あまり高温にするとろう浸食が進み易く、ろう付後の組付け体の構造寸法精度が低下するため好ましくない。
アルミニウムクラッド材は、各種組成ろう材をクラッド率5%とし、H14相当調質の0.25mm厚に仕上げた。また、ろう付対象部材としてJISA3005合金、H14のアルミニウムベア材(0.1mm厚)のコルゲートフィン11を用意した。
・接合率
以下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=(フィンとチューブの総ろう付長さ/フィンとチューブの総接触長さ)×100
判定は以下の基準によって行い、その結果を表3、4に示した。
ろう付後のフィン接合率 ◎:98%以上、○:90%以上98%未満、△:80%以上90%未満、×:80%未満
ろう付接合状態は上記接合率のみではなく、本発明の目的であるフィレット形成能の向上を確認するため、図3(b)に示したような接合部13の幅W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。判定は以下の基準とし、表3、4に示した。
◎:0.8mm以上、○:0.7mm以上0.8mm未満、△:0.6mm以上0.7mm未満、×:0.6mm未満
作製したクラッド材について、表面を0.1μmの砥粒で鏡面処理し、表面方向10000μm2(100μm角)の観察視野において、EPMA(電子線マイクロアナライザ)を用いた全自動粒子解析を行った。測定した0.8μm以上の総粒子数中で、1.75μm以上のものの割合を表3、4に示した。
作製したクラッド材を切断し、切断面を0.1μmの砥粒で鏡面処理し、中間ろう材層10000μm2(10×1000μm)の観察視野において、EPMA(電子線マイクロアナライザ)を用いた全自動粒子解析を行った。測定した0.25μm以上の総粒子数を表3、4に示した。
2 アルミニウム合金芯材
3 アルミニウム合金ろう材
3a 中間ろう材層
3b 最表面ろう材層
Claims (9)
- 芯材の片面または両面に、質量%で、2〜13%Siを含有するAl−Si系合金からなる最表面ろう材層と、質量%で、4〜13%のSiおよび0.1〜5.0%のMgを含有するAl−Si−Mg系合金からなる中間ろう材層がクラッドされており、さらに、前記最表面ろう材層に含まれるSi粒子が、表層面方向の観察において、円相当径で0.8μm以上の径をもつものの数の内、1.75μm以上の径のものの数の割合が10%以上であり、かつ、前記中間層ろう材層に含まれるSi粒子が、ろう材層の断面観察において、円相当径0.25μm以上のSi粒子が10000μm2当たり3,000個未満であることを特徴とするフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記最表面ろう材が質量%で、2%以上4%未満のSiを含有するAl−Si系合金からなることを特徴とする請求項1に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記最表面ろう材が質量%で、0.1〜1.0%のFeを含有するAl−Si系合金からなることを特徴とする請求項1または2に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記中間ろう材層と前記最表面層ろう材の液相線温度差が50℃未満であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフラックスフリーろう付用のブレージングシート。
- 前記最表面ろう材層と中間ろう材層のクラッド率が、ブレージングシート全厚みに対して片面当りそれぞれ1〜30%であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記中間ろう材層のろう材に、質量%で、0.01〜0.5%のBiを含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記最表面ろう材層のろう材に、質量%で、0.01〜0.5%のBiを含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシートを用いて、酸素濃度100ppm以下の非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行うことを特徴とするアルミニウム部材のフラックスフリーろう付方法。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシートを用いて、酸素濃度100ppm以下の非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行うことを特徴とする熱交換器の製造方法。
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