JP2021013936A - アルミニウムブレージングシートおよび熱交換器の製造方法 - Google Patents
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- Details Of Heat-Exchange And Heat-Transfer (AREA)
Abstract
【課題】フラックスフリーでアルミニウムブレージングシートを用いてろう付を良好に行う。【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、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するろう付に供されるアルミニウムブレージングシートであって、アルミニウム合金ろう材が、質量％でＳｉ：３〜１４％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｂｉ：０．００５〜０．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、不可避不純物中で、アルカリ土類金属の内で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｒ：０．０２％以下、Ｂａ：０．０３％以下に規制されている。【選択図】図１
Description
この発明は、フラックスを用いることなく減圧を伴わない非酸化性雰囲気中でろう付を行うアルミニウムブレージングシートおよび熱交換器の製造方法に関するものである。
自動車用熱交換器をはじめとしたろう付分野において、アルミニウム合金ろう材を用いたフラックスフリーの工法が提案されている。
フラックスフリーろう付は、ろう材中に添加したＭｇによる、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）の還元分解作用によって接合を可能としている（例えば特許文献１、２参照）。
さらに、ろう材にＢｉを添加することにより溶融ろうの表面張力が低下し、ろう付性が向上する。また、ＢｉはＭｇと共にろう材に添加することで、５００℃付近のろう付熱処理温度よりも低い温度で溶融する化合物を形成するため、材料作製工程での酸化皮膜の成長は抑制するが、高温となるろう付時にはＢｉによるろう付性向上効果を発揮することが出来る。
フラックスフリーろう付は、ろう材中に添加したＭｇによる、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）の還元分解作用によって接合を可能としている（例えば特許文献１、２参照）。
さらに、ろう材にＢｉを添加することにより溶融ろうの表面張力が低下し、ろう付性が向上する。また、ＢｉはＭｇと共にろう材に添加することで、５００℃付近のろう付熱処理温度よりも低い温度で溶融する化合物を形成するため、材料作製工程での酸化皮膜の成長は抑制するが、高温となるろう付時にはＢｉによるろう付性向上効果を発揮することが出来る。
なお、アルミニウム合金には、母合金に含まれている原料由来のアルカリ土類金属が不可避的に含有している場合がある。さらに、ろう材のＳｉ粒子を微細化させるためにアルカリ土類金属を積極的に添加する場合がある。
しかし、Ｍｇ以外のアルカリ土類金属が材料中に存在すると、Ｂｉとアルカリ土類金属が反応して、粗大で、かつろう溶融温度よりも高融点な化合物を形成するため、圧延中に材料表面に存在する化合物が粉砕されることにより表面性状の悪化することや、ろう付熱処理中に化合物が溶融しないためＢｉによるろう付性向上作用が低下する問題がある。
しかし、Ｍｇ以外のアルカリ土類金属が材料中に存在すると、Ｂｉとアルカリ土類金属が反応して、粗大で、かつろう溶融温度よりも高融点な化合物を形成するため、圧延中に材料表面に存在する化合物が粉砕されることにより表面性状の悪化することや、ろう付熱処理中に化合物が溶融しないためＢｉによるろう付性向上作用が低下する問題がある。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ろう材に含まれるＢｉとアルカリ土類金属の反応物の生成を抑制してろう付性を向上することができるアルミニウムブレージングシートおよび熱交換器の製造方法を提供することを目的の一つとしている。
そこで、本発明ではＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｂｉ系ろう材に含まれるアルカリ土類金属の内、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの含有量を制限することで、材料作製段階でのＢｉとＣａ、Ｓｒ、Ｂａの化合物の生成を抑制し、圧延中の材料表面性状の正常化、及びろう付性の向上に寄与するＢｉの効果を損なわない材料が得らえる事を見出した。
すなわち、本発明のアルミニウムブレージングシートのうち、第１の形態は、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、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するろう付に供されるアルミニウム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：３〜１４％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｂｉ：０．００５〜０．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、アルカリ土類金属の内で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｒ：０．０２％以下、Ｂａ：０．０３％以下に規制されていることを特徴とする。
前記アルミニウム合金ろう材が、質量％でＳｉ：３〜１４％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｂｉ：０．００５〜０．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、アルカリ土類金属の内で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｒ：０．０２％以下、Ｂａ：０．０３％以下に規制されていることを特徴とする。
第２の形態のアルミニウムブレージングシートの発明は、前記形態の発明において、前記アルミニウム合金ろう材中に含有されているアルカリ土類金属の内、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの合計の原子濃度をＸとすると、ＸとＭｇの原子濃度比がＭｇ／Ｘ＝３．０以上であることを特徴とする。
第３の形態のアルミニウムブレージングシートの発明は、前記形態の発明において、前記アルミニウム合金ろう材中に含有されているアルカリ土類金属の内、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの合計の原子濃度をＸとすると、ＸとＢｉの原子濃度比がＸ／Ｂｉ＝０．２５未満に規制されていることを特徴とする。
第４の形態のアルミニウムブレージングシートの発明は、前記形態の発明において、前記アルミニウム合金ろう材に含まれるＭｇとＢｉの原子濃度比が、Ｍｇ／Ｂｉ＝１．５以上であることを特徴とする。
第５の形態のアルミニウムブレージングシートの発明は、前記形態の発明において、前記アルミニウム合金ろう材にさらに、質量％でＢｅを０．０００１〜０．０１％含有することを特徴とする。
本発明の熱交換器の製造方法は、前記各形態のずれかのアルミニウムブレージングシートを用いて、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気中で、加熱温度５５９〜６３０℃において、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。
次に、本願発明で規定する内容について説明する。
Ｍｇ：０．０１〜２．０％
Ｍｇは、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解するので含有させる。ただし、下限未満では、効果が不十分であり、上限を超えると効果が飽和する上に、さらに、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。上記理由によりＭｇ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を０．５％、上限を１．５％とするのが望ましい。
Ｍｇ：０．０１〜２．０％
Ｍｇは、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解するので含有させる。ただし、下限未満では、効果が不十分であり、上限を超えると効果が飽和する上に、さらに、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。上記理由によりＭｇ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を０．５％、上限を１．５％とするのが望ましい。
Ｓｉ：３．０〜１４．０％
Ｓｉは、ろう付時に溶融ろうを形成し、接合部のフィレットを形成するので含有させる。下限未満では、フィレットを形成するための溶融ろうが不足する。一方、上限を超えると効果が飽和する上に、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。上記理由によりＳｉ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を５．０％、上限を１２．５％とするのが望ましい。
Ｓｉは、ろう付時に溶融ろうを形成し、接合部のフィレットを形成するので含有させる。下限未満では、フィレットを形成するための溶融ろうが不足する。一方、上限を超えると効果が飽和する上に、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。上記理由によりＳｉ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を５．０％、上限を１２．５％とするのが望ましい。
Ｂｉ：０．００５〜０．５％
Ｂｉは、ろう付昇温過程で材料表面に濃化し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制する。さらに、溶融ろうの表面張力を低下させることで隙間充填性が向上する。但し、含有量が過小であると、効果が不十分であり、一方、過剰に含有すると、効果が飽和するだけでなく、材料表面でＢｉの酸化物が生成し易くなり接合が阻害される。このため、Ｂｉの含有量を上記範囲に定める。
なお、同様の理由で、下限を０．０５%、上限を０．３％とするのが望ましい。
Ｂｉは、ろう付昇温過程で材料表面に濃化し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制する。さらに、溶融ろうの表面張力を低下させることで隙間充填性が向上する。但し、含有量が過小であると、効果が不十分であり、一方、過剰に含有すると、効果が飽和するだけでなく、材料表面でＢｉの酸化物が生成し易くなり接合が阻害される。このため、Ｂｉの含有量を上記範囲に定める。
なお、同様の理由で、下限を０．０５%、上限を０．３％とするのが望ましい。
Ｃａ：０．０１％以下
Ｃａは、Ｂｉと高融点化合物を形成しＢｉの作用が低下し、ろう付性が不十分となる。また、材料作製時に粗大な化合物が形成され表面性状が悪化し、接合性が低下する。Ｂｉの作用が低下する。Ｃａ含有量はさらに０．００５％以下とするのが望ましい。
Ｃａは、Ｂｉと高融点化合物を形成しＢｉの作用が低下し、ろう付性が不十分となる。また、材料作製時に粗大な化合物が形成され表面性状が悪化し、接合性が低下する。Ｂｉの作用が低下する。Ｃａ含有量はさらに０．００５％以下とするのが望ましい。
Ｓｒ：０．０２％以下
Ｓｒは、Ｂｉと高融点化合物を形成しＢｉの作用が低下し、ろう付性が低下する。さらに、材料作製時に粗大な化合物が形成され表面性状が悪化し、接合性が低下する。Ｂｉの作用が低下し、ろう付性が不十分となる。Ｓｒ含有量はさらに０．０１％以下とするのが望ましい。
Ｓｒは、Ｂｉと高融点化合物を形成しＢｉの作用が低下し、ろう付性が低下する。さらに、材料作製時に粗大な化合物が形成され表面性状が悪化し、接合性が低下する。Ｂｉの作用が低下し、ろう付性が不十分となる。Ｓｒ含有量はさらに０．０１％以下とするのが望ましい。
Ｂａ：０．０３％以下
Ｂａは、Ｂｉと高融点化合物を形成しＢｉの作用が低下し、ろう付性が不十分となる。また、材料作製時に粗大な化合物が形成され表面性状が悪化し、接合性が低下する。Ｂａ含有量は、さらに０．０１５％以下とするのが望ましい。
Ｂａは、Ｂｉと高融点化合物を形成しＢｉの作用が低下し、ろう付性が不十分となる。また、材料作製時に粗大な化合物が形成され表面性状が悪化し、接合性が低下する。Ｂａ含有量は、さらに０．０１５％以下とするのが望ましい。
Ｂｅ：０．０００１〜０．０１％
Ｂｅは、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解する作用があるので、所望により含有させる。含有量が下限未満であると効果が不十分である。一方、上限を超えると効果が飽和する上に、材料表面にＢｅの酸化皮膜が形成され接合が阻害される。したがって、Ｂｅ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を０．００１％、上限を０．００５％とするのが望ましい。
Ｂｅは、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解する作用があるので、所望により含有させる。含有量が下限未満であると効果が不十分である。一方、上限を超えると効果が飽和する上に、材料表面にＢｅの酸化皮膜が形成され接合が阻害される。したがって、Ｂｅ含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由で、下限を０．００１％、上限を０．００５％とするのが望ましい。
ＭｇとＢｉの原子濃度比（Ｍｇ／Ｂｉ）：１．５以上
ろう材中にＢｉ単体の粒子が存在すると、ろう付昇温過程でＢｉの融点である２７１℃から溶融して材料表面に濃化するが、ろう付昇温過程の低い温度域であるため、ろう材が溶融するまでに材料表面でＢｉが酸化して堆積することや、早い段階で酸化皮膜が不安定となり再酸化が進み易くなることで接合が阻害されるため、良好な接合状態が得られ難くなる。そこで、ろう材にＭｇを添加することでＢｉはＭｇと化合物を生成し、ろう材中の単体Ｂｉの生成を抑制することができる。したがって、所望により上記原子濃度比を求めるものとする。上記原子濃度比が１．５未満であると、単体Ｂｉが生成し易くなり、ろう付性が低下する。
なお、同様に理由により、上記原子濃度比はさらに４.０以上であるのが一層望ましい。
ろう材中にＢｉ単体の粒子が存在すると、ろう付昇温過程でＢｉの融点である２７１℃から溶融して材料表面に濃化するが、ろう付昇温過程の低い温度域であるため、ろう材が溶融するまでに材料表面でＢｉが酸化して堆積することや、早い段階で酸化皮膜が不安定となり再酸化が進み易くなることで接合が阻害されるため、良好な接合状態が得られ難くなる。そこで、ろう材にＭｇを添加することでＢｉはＭｇと化合物を生成し、ろう材中の単体Ｂｉの生成を抑制することができる。したがって、所望により上記原子濃度比を求めるものとする。上記原子濃度比が１．５未満であると、単体Ｂｉが生成し易くなり、ろう付性が低下する。
なお、同様に理由により、上記原子濃度比はさらに４.０以上であるのが一層望ましい。
ＭｇとＣａ，Ｓｒ，Ｂａ合計の原子濃度Ｘとの比（Ｍｇ／Ｘ）：３．０以上
Ｍｇ、Ｃａ，Ｓｒ，ＢａはＢｉと化合物を形成するが、Ｍｇに対し、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの割合が増加すると、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａを含むろう付熱処理温度以上の高融点化合物の割合が増加し、ろう付性が低下する。そこで所望により上記原子濃度比を求めるものとする。上記原子濃度比が３．０未満であると、高融点の化合物の生成量が過剰となり、ろう付性が低下する。
なお、同様の理由により上記原子濃度比はさらに５．０以上であるのが一層望ましい。
Ｍｇ、Ｃａ，Ｓｒ，ＢａはＢｉと化合物を形成するが、Ｍｇに対し、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの割合が増加すると、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａを含むろう付熱処理温度以上の高融点化合物の割合が増加し、ろう付性が低下する。そこで所望により上記原子濃度比を求めるものとする。上記原子濃度比が３．０未満であると、高融点の化合物の生成量が過剰となり、ろう付性が低下する。
なお、同様の理由により上記原子濃度比はさらに５．０以上であるのが一層望ましい。
Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ合計の原子濃度ＸとＢｉの原子濃度比（Ｘ/Ｂｉ）：０．２５未満
Ｃａ，Ｓｒ，ＢａはＢｉとろう付熱処理温度以上の高融点化合物を形成するため、ろう付熱処理時にＢｉが溶融せず、Ｂｉの作用が低下する。そこで、所望により上記原子濃度比を求めるものとする。上記原子濃度比が０．２５以上であると、材料に添加されているＢｉの大部分が高融点化合物となってしまい、ろう付性が低下する。
なお、同様の理由により上記原子濃度比はさらに０．１５以下であるのが一層望ましい。
Ｃａ，Ｓｒ，ＢａはＢｉとろう付熱処理温度以上の高融点化合物を形成するため、ろう付熱処理時にＢｉが溶融せず、Ｂｉの作用が低下する。そこで、所望により上記原子濃度比を求めるものとする。上記原子濃度比が０．２５以上であると、材料に添加されているＢｉの大部分が高融点化合物となってしまい、ろう付性が低下する。
なお、同様の理由により上記原子濃度比はさらに０．１５以下であるのが一層望ましい。
ろう付け温度
本発明においては、アルミニウム合金ろう材の最も低い固相線温度の５５９℃以上でろう付けができ、当然、従来からのＡｌ−Ｓｉろう材によるろう付け温度範囲も使用可能である。具体的には５５９〜６３０℃が良い。５５９℃未満ではろうの溶融が得られずろう付けが得られない。６３０℃超ではろう侵食が顕著となり、製品形状の維持等に問題が生じるため好ましくない。但し、この温度範囲においても、ろうの合金組成によって固相線温度が低い場合には、ろう侵食が顕著になる場合もあり、その際は、この温度範囲の中で合金組成にあったろう付け温度を選択するのが好ましい。
本発明においては、アルミニウム合金ろう材の最も低い固相線温度の５５９℃以上でろう付けができ、当然、従来からのＡｌ−Ｓｉろう材によるろう付け温度範囲も使用可能である。具体的には５５９〜６３０℃が良い。５５９℃未満ではろうの溶融が得られずろう付けが得られない。６３０℃超ではろう侵食が顕著となり、製品形状の維持等に問題が生じるため好ましくない。但し、この温度範囲においても、ろうの合金組成によって固相線温度が低い場合には、ろう侵食が顕著になる場合もあり、その際は、この温度範囲の中で合金組成にあったろう付け温度を選択するのが好ましい。
酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気
上記アルミニウムブレージングシートは、酸素濃度３００ｐｐｍ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、３００ｐｐｍ以下が望ましい。３００ｐｐｍ超では被ろう付部材の再酸化が進みやすくなる。なお、さらに１００ｐｐｍ以下とするのが一層望ましい。
上記アルミニウムブレージングシートは、酸素濃度３００ｐｐｍ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、３００ｐｐｍ以下が望ましい。３００ｐｐｍ超では被ろう付部材の再酸化が進みやすくなる。なお、さらに１００ｐｐｍ以下とするのが一層望ましい。
本発明によれば、アルミニウム合金ろう材に含まれるアルカリ土類金属の内、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの含有量を制限することで、材料作製段階でのＢｉとＣａ、Ｓｒ、Ｂａの化合物の生成を抑制し、前記化合物の生成に伴う不具合を回避して、ろう付性を向上させる効果がある。
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態の アルミニウムブレージングシート１は、芯材の少なくとも片面の最表層にろう材が位置している。
最表層に位置するろう材用アルミニウム合金として、質量％でＳｉ：３〜１４％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｂｉ：０．００５〜０．５％を含有し、さらに、所望によりＢｅ：０．０００１〜０．１％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、アルカリ土類金属の内で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｒ：０．０２％以下、Ｂａ：０．０３％以下に規制されている組成に調製する。
本実施形態の アルミニウムブレージングシート１は、芯材の少なくとも片面の最表層にろう材が位置している。
最表層に位置するろう材用アルミニウム合金として、質量％でＳｉ：３〜１４％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｂｉ：０．００５〜０．５％を含有し、さらに、所望によりＢｅ：０．０００１〜０．１％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、アルカリ土類金属の内で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｒ：０．０２％以下、Ｂａ：０．０３％以下に規制されている組成に調製する。
芯材用アルミニウム合金として、例えば、質量％で、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｃｕ：０．１〜３．０％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。芯材用アルミニウム合金には、その他に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂｉなどを既知の量で含有してもよい。
本発明としては、芯材用アルミニウム合金の組成は特に限定されるものではないが、Ｍｇ２Ｓｉなどを微細析出させることで材料の大幅な高強度化が図れるため、ＭｇとＳｉを積極添加した合金を好適に用いることができる。従来のフッ化物系フラックスを用いるろう付方法は、フラックスがＭｇと反応して高融点のフッ化Ｍｇを生成し不活性化するためろう付性が低下することや、この反応によりＭｇを消費するため高強度Ｍｇ添加合金に適用することが難しかったが、フラックスフリーろう付では高強度Ｍｇ添加合金が利用可能となる。
本発明としては、芯材用アルミニウム合金の組成は特に限定されるものではないが、Ｍｇ２Ｓｉなどを微細析出させることで材料の大幅な高強度化が図れるため、ＭｇとＳｉを積極添加した合金を好適に用いることができる。従来のフッ化物系フラックスを用いるろう付方法は、フラックスがＭｇと反応して高融点のフッ化Ｍｇを生成し不活性化するためろう付性が低下することや、この反応によりＭｇを消費するため高強度Ｍｇ添加合金に適用することが難しかったが、フラックスフリーろう付では高強度Ｍｇ添加合金が利用可能となる。
なお、ろう材と芯材の間にろう材として機能する中間層を設けるものとしてもよい。
さらに、Ｚｎが添加されたアルミニウム合金を犠牲防食層として、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。
さらに、Ｚｎが添加されたアルミニウム合金を犠牲防食層として、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、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。
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の両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ブレージングシート１が得られる。
アルミニウム合金芯材２は、本発明のアルミニウム合金部材に相当する。なお、ろう材には、中間層を含むものとしてもよい。また、芯材の片面にろう材が位置するものでもよく、他の片面に犠牲材が位置するものであってもよい。
なお、ろう材層は、ブレージングシート１全厚に対し、１〜３０％の厚さを有するものとすることができる。ただし、本発明としてはクラッド率が特に限定されるものではない。
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。
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の両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ブレージングシート１が得られる。
アルミニウム合金芯材２は、本発明のアルミニウム合金部材に相当する。なお、ろう材には、中間層を含むものとしてもよい。また、芯材の片面にろう材が位置するものでもよく、他の片面に犠牲材が位置するものであってもよい。
なお、ろう材層は、ブレージングシート１全厚に対し、１〜３０％の厚さを有するものとすることができる。ただし、本発明としてはクラッド率が特に限定されるものではない。
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。
上記ブレージングシート１は、上記ろう材層３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のが望ましい。
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。
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。
上記ブレージングシート１とろう付対象部材とは、フラックスフリーで、アルミニウム合金芯材２とろう付対象部材との間に、ろう材層３が介在するように配置する。これらを組み付けてろう付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、常圧下の非酸化性雰囲気とされた加熱炉内に配置される。非酸化性ガスには窒素ガス、あるいは、アルゴンなどの不活性ガス、または、水素、アンモニアなどの還元性ガス、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。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。加熱炉は密閉した空間を有することを必要とせず、ろう付材の搬入口、搬出口を有するトンネル型であってもよい。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３００ｐｐｍ以下が望ましい。
上記雰囲気下で、例えば、昇温速度１０〜２００℃／ｍｉｎで加熱して、組み付け体の到達温度が５５９〜６３０℃となる熱処理条件にてろう付接合を行う。
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。
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。
図２は、上記ブレージングシート１を用いてフィン５を形成し、ろう付け対象材としてアルミニウム合金製のチューブ６を用いたアルミニウム製自動車用熱交換器４を示している。フィン５、チューブ６を、補強材７、ヘッダプレート８と組み込んで、フラックスフリーろう付けによってアルミニウム製自動車用熱交換器４を得ている。
以下に、本発明の実施例を説明する。
表１、表２に示す組成（残部Ａｌと不可避不純物）のろう材と、ＪＩＳＡ３００３の芯材とをクラッドしたアルミニウム材を用意した。
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。
表１、表２に示す組成（残部Ａｌと不可避不純物）のろう材と、ＪＩＳＡ３００３の芯材とをクラッドしたアルミニウム材を用意した。
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。
上記アルミニウムクラッド材を用いて幅２０ｍｍの扁平電縫管１２を製作し、図３（ａ）に示すように、ＪＩＳ Ａ３００３ベア材のコルゲートフィンと組合せてコア形状とした。コアサイズは、チューブ１５段、長さ３００ｍｍのコアである。
コアを窒素雰囲気中（酸素含有量５０ｐｐｍ）のろう付け炉にて、５６０〜６００℃まで加熱し、ろう付け後の接合率を以下式にて求め、ろう付け状態を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブの総ろう付け長さ／フィンとチューブの総接触長さ）×１００
なお、フィン接合率の判定基準は◎：９８％以上、○：９０％以上９８％未満、△：８０％以上９０％未満、×：８０％未満
その結果を表２に示した。
コアを窒素雰囲気中（酸素含有量５０ｐｐｍ）のろう付け炉にて、５６０〜６００℃まで加熱し、ろう付け後の接合率を以下式にて求め、ろう付け状態を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブの総ろう付け長さ／フィンとチューブの総接触長さ）×１００
なお、フィン接合率の判定基準は◎：９８％以上、○：９０％以上９８％未満、△：８０％以上９０％未満、×：８０％未満
その結果を表２に示した。
○接合部幅評価
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の幅（フィレット形成幅）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。
ろう付後のフィレット長さ◎：１．０ｍｍ以上、○：０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ未満、
△：０．６ｍｍ以上０．８ｍｍ未満、×：０．６ｍｍ未満
その結果を表２に示した。
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の幅（フィレット形成幅）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。
ろう付後のフィレット長さ◎：１．０ｍｍ以上、○：０．８ｍｍ以上１．０ｍｍ未満、
△：０．６ｍｍ以上０．８ｍｍ未満、×：０．６ｍｍ未満
その結果を表２に示した。
以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明の技術的範囲が上記実施形態および実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは実施形態および実施例に対する適宜の変更が可能である。
１ 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
４ アルミニウム製自動車用熱交換器
５ フィン
６ チューブ
８ ヘッダプレート
１１ コルゲートフィン
２ アルミニウム合金芯材
３ アルミニウム合金ろう材
４ アルミニウム製自動車用熱交換器
５ フィン
６ チューブ
８ ヘッダプレート
１１ コルゲートフィン
Claims (6)
- 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、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するろう付に供されるアルミニウム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：３〜１４％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｂｉ：０．００５〜０．５％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、アルカリ土類金属の内で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｒ：０．０２％以下、Ｂａ：０．０３％以下に規制されていることを特徴とするアルミニウムブレージングシート。 - 前記アルミニウム合金ろう材中に含有されているアルカリ土類金属の内、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの合計の原子濃度をＸとすると、ＸとＭｇの原子濃度比がＭｇ／Ｘ＝３．０以上であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムブレージングシート。
- 前記アルミニウム合金ろう材中に含有されているアルカリ土類金属の内、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの合計の原子濃度をＸとすると、ＸとＢｉの原子濃度比がＸ／Ｂｉ＝０．２５未満に規制されてい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ブレージングシート。
- 前記アルミニウム合金ろう材に含まれるＭｇとＢｉの原子濃度比が、Ｍｇ／Ｂｉ＝１．５以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウムブレージングシート。
- 前記アルミニウム合金ろう材にさらに、質量％でＢｅを０．０００１〜０．０１％含有す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ブレージングシートを用いて、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気中で、加熱温度５５９〜６３０℃において、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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