JP3210766B2 - Sn基低融点ろう材 - Google Patents

Sn基低融点ろう材

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属同志、特に表面に
強固な酸化皮膜を形成するステンレス鋼などをろう付す
る際に使用するための、ぬれ性、流動性の優れたSn基
低融点ろう材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ステンレス鋼のろう付には、JI
Sに規定された耐熱Niろう(BNi-1〜7, JIS Z 3265)や
Agろう(BAg-1〜8, JIS Z3261) などが使用されてい
る。Niろうは、Niを主成分とし、Cr,B,Si,
Pなどを含む合金で、自溶性を有するため、フラックス
を使用する必要がなく、真空ろう付等で良好なろう付部
品を製造することができるが、融点が高いため1000℃(B
Ni-6,7) 〜1200℃(BNi-5)の高いろう付温度が必要であ
る。AgろうはAg-Cu を主成分とし、これにZn,C
d,Ni,Snなどを含む合金組成で、融点も比較的低
く 650℃〜900 ℃でろう付できるが、自溶性がないため
フラックスを使用する必要がある。また、Sn-Pb, Sn-A
g, Sn-Pb-Ag, Sn-Pb-Sb等のハンダ(JIS H 4341 等) は
融点が約 200℃と低く、ステンレス鋼用としても使用さ
れているが、フラックスを必要とするため、Agろうと
同様にフラックスを使用できない条件下でのろう付の場
合ステンレス鋼とのぬれ性が悪く、良好なろう付部品を
得ることが困難である。
【0003】以上のように、表面に強固な酸化皮膜を形
成するステンレス鋼などのろう付において、ステンレス
鋼の鋭敏化処理温度 (約 650℃) 以下、あるいは冷間加
工材の焼鈍軟化開始温度 (18-8ステンレス鋼:約600
℃, 25Cr鋼:約 500℃;ステンレス鋼便覧による) 以下
即ち 600℃以下、更に望ましくは 500℃以下の温度でフ
ラックスを使用せず真空ろう付等で良好なぬれ性を発揮
するろう材が必要とされる場合、従来のろう材やハンダ
では融点やぬれ性の点で、上記目的を達成することがで
きない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、表面
に強固な酸化皮膜を形成するステンレス鋼などを 500〜
600 ℃の低温で、しかもフラックスを使用できない真空
ろう付などで、良好なぬれ性を発揮する従来にない低融
点ろう材を提供することである。
【0005】
【問題を解決するための手段】本発明者らは、表面に強
固な酸化皮膜を形成するステンレス鋼などを500〜600℃
の低温で、フラックスを使用しないでろう付することが
でき、ぬれ性が良好なろう材合金組成を見つけるために
種々のベース成分及び添加成分の研究を進めてきた結
果、ベース成分としては実用金属中で融点が 232℃と最
も低く、蒸気圧も比較的低く (AgとCuの間)、しか
も無毒で耐食性が良く、価格的にも安定しているSnを
選択した。これに添加成分として種々の元素の効果を検
討し、Pを少量添加することによりSn4P3 を形成、ろう
付過程での自溶性発揮によりステンレス鋼母材表面の強
固な酸化皮膜を破壊し、ぬれ性が向上することを見出し
た。さらに、これにCuあるいはAgを添加することに
より、合金の融点は上昇するがろう付過程でのろう材の
流動性、ろう付安定性が更に向上し、CuとAgは各々
の単独あるいは複合添加が可能であることを見出し、 6
00℃ろう付で良好なぬれ性を発揮する添加成分の範囲を
限定することにより本発明を完成したものである。
【0006】即ち、本発明は、 (1) P 0.05 〜6.0 重量%、残部Sn及び不可避不純物
よりなるSn基低融点ろう材。 (2) P 0.05 〜6.0 重量%、Cu 35 重量%以下、又は
/及びAg50重量%以下でCuとAgの合計が50重量%
以下、残部Sn及び不可避不純物よりなるSn基低融点
ろう材である。
【0007】
【作用】本発明において、各成分範囲を前記のごとく限
定した理由を以下に述べる。PはSnに添加、合金化す
ることによりSn4P3 を、また、Cu,Agを含ませた場
合Cu3P, AgP を形成し、ろう付過程で自溶性を発揮し、
ステンレス鋼母材表面の強固な酸化皮膜を破壊すること
によりぬれ性を改善する効果があるが、0.05%未満では
その効果が少なく、 6.0%を超えると合金製造時にPの
蒸発が多くなり、通常の溶解では合金が製造できなくな
る。このため、Pの添加範囲を0.05〜6.0 %と限定し
た。
【0008】Sn-P二元合金でも良好なぬれ性を有する
が、これにCu及びAgを添加することによりCu3P, Ag
P を形成し、更に自溶性が増加し、ろう材のぬれ性が向
上すると共にPの蒸発を抑制する効果がある。また、添
加量の増加につれて、ろう拡がり性、即ち、流動性が向
上する効果もある。CuとAgは各々の単独添加でも複
合添加でも、同様の上記効果を発揮する。しかし、添加
量の増加と共に合金の融点(液相線温度)が上昇し、C
u添加の場合が35%、Ag添加の場合が50%、両方添加
の場合が50%を超えると固相線と液相線の幅が広くなり
すぎ、溶け別れなどのろう付不良を生じやすくなると共
に、ろう材の靱性が低下し、ろう付部が割れやすくな
る。このため、それぞれCuは35%以下、Agは50%以
下、両方添加は50%以下と限定した。
【0009】Snは、本発明のベース成分として約50%
以上含まれるが、Sn自体の融点の低さから上記添加成
分を合金化しても融点を低く抑え、また、Pと結合して
自溶性を発揮するとともに、CuやAgと結合すること
により流動性の良好なろう材合金を形成する。本発明の
Sn基低融点ろう材は、通常のガスアトマイズ法などに
よる粉末の形態や、箔、線などに成形して使用すること
ができ、また、ステンレス鋼以外の母材のろう付に応用
することも可能であり、有用である。
【0010】
【実施例】本発明の実施例の合金組成と融点及びろう付
試験(600℃及び 500℃ろう付) の結果を表1,表2に示
し、比較例の合金組成と融点及びろう付試験 (600 ℃ろ
う付) の結果を表3に示す。なお、融点の測定方法及び
ろう付試験方法は以下の通りである。
【0011】(1) 融点(液相線,固相線)測定 実施例及び比較例の合金を電気炉内、アルゴンガス雰囲
気中で溶解し、熱分析法により融点を測定した。即ち、
溶湯中央部に装入した熱電対に連結した記録計に熱分析
曲線を描かせ、その冷却曲線から液相線及び固相線の各
温度を読み取った。
【0012】(2) ろう付実験 実施例及び比較例の合金を電気炉内、アルゴンガス雰囲
気中で溶解し、その溶湯を黒鉛型に鋳造して5mmφの棒
状鋳造片を得、それを約5mmの高さに切断し、ろう材試
験片とした。次に図2(a) に示すようにSUS304ステンレ
ス鋼母材上にろう材試験片を載せて、 600℃及び 500℃
で30分間、10-5torr台の真空中でろう付熱処理(以下、
ろう付という)を行った。ろう付後、図2(b) に示すよ
うにろう材が溶けて拡がった面積Sを計測し、その面積
Sをろう付前のろう材試験片の断面積Soで割った数
値、即ち、ろう拡がり係数W(=S/So)を求めた。
また、図2(C) に示すように、ろう付後の試験片の断面
から接触角Θを測定した。以上のようにろう付試験を行
い、得られたろう拡がり係数Wと接触角Θにより、ろう
材合金のSUS304ステンレス鋼母材に対するぬれ性、流動
性の指標とした。
【0013】
【表1】
【0014】
【表2】
【0015】
【表3】
【0016】表1,表2に示すように、本発明の実施例
合金は 600℃でのろう付試験において、いずれもろう拡
がり係数が大きく、接触角は60deg 以下でSUS304ステン
レス鋼母材に対するぬれ性、流動性が良好であることが
わかる。さらに、実施例合金の中で No.1〜3、5〜1
4、18〜20、20、24、34〜44は液相線温度が 500℃以下
であるため、 500℃でのろう付試験を行ったが、これら
の合金は 500℃でも良好なぬれ性、流動性を有すること
がわかる。
【0017】一方、表3に示す比較例合金において、N
o. a〜iは本発明合金の範囲からは外れた組成である
が、 600℃ろう付試験でのろう拡がり係数が小さく、接
触角も90deg 以上で、ぬれ性が不良であった。 No.jは
JISに規定されるBAg-8,Agろう合金、 No.k〜mは S
n-Pbあるいは Sn-Agハンダの従来合金であるが、Agろう
の場合は、融点の点で 600℃ではろう付できず、ハンダ
の場合、融点は実施例合金より低いにもかかわらず、 6
00℃に加熱してもSUS304ステンレス鋼母材にはほとんど
ぬれないことがわかった。
【0018】図1は、 600℃ろう付におけるろう材のC
u又は/及びAg量とろう拡がり係数Wとの関係を示し
たグラフであるが、Pを含まずCu又はAg量を変化さ
せた比較例に対し、Pを含み、Cu,Ag,Cu+Ag量を
変化させた実施例の場合は、ろう拡がり係数が大で、P
のぬれ性への効果が明らかであると共に、Cu又は/及
びAg量の増加することによりろう拡がり係数が上昇す
る傾向が見られ、ろう材の流動性にCu又は/及びAg
の効果が大であることが明らかである。
【0019】なお、本発明のSn基低融点ろう材の融点
の特徴として液相線はSn4P3, Cu3P,Cu,Agなどの初
晶晶出温度で、固相線はそれらとSnとの共晶温度で、
220℃付近に共通して現れる。固相線と液相線の幅は組
成により変化し、その幅が200℃以上となる場合が多い
が、ろう付後の合金組織を観察した結果、晶出物は母相
中に均一に分布しており、組織的な偏りはみられず、い
ずれも溶け別れやボイドなどのろう付不良となる形跡は
みられなかった。
【0020】また、実施例のろう付試験片の接合界面を
EPMA等で観察した結果、ステンレス鋼母材表面のCr,
Fe酸化物皮膜は、ろう材中のPにより還元され全くみ
られず、接合界面でのはく離等の形跡もなく、ろう材と
母材が良好に接合していることを確認した。
【0021】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明のSn基
低融点ろう材は、表面に強固な酸化皮膜を形成するステ
ンレス鋼などを、 500〜600 ℃の低温で、しかもフラッ
クスを使用しないでろう付でき、良好なぬれ性、流動性
を発揮する効果を有するもので、産業の発展に寄与する
ところ大なる発明である。
【図面の簡単な説明】
【図1】600 ℃における、ろう材のCu又は/及びAg
添加量とろう拡がり係数Wとの関係を示したグラフであ
る。
【図2】ろう材のろう付実験を説明するための模式図で
ある。
【符号の説明】
So:ろう材試験片の断面積 S :ろう付後の合金の拡がり面積 W :ろう拡がり係数(S/So) Θ :接触角 1 :母材(SUS304ステンレス鋼) 2 :ろう付前のろう材試験片(5φ×約5mm) 3 :ろう付後の溶けて拡がったろう材合金
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−246166(JP,A) 特開 昭54−128459(JP,A) 特開 昭55−84297(JP,A) 特開 昭55−156693(JP,A) 特開 昭56−90948(JP,A) 特公 昭51−4193(JP,B2) 特公 昭57−39880(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/26 C22C 13/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 P 0.05 〜6.0 重量%、残部Sn及び不
    可避不純物よりなるSn基低融点ろう材。
  2. 【請求項2】 P 0.05 〜6.0 重量%、Cu 35 重量%
    以下、又は/及びAg50重量%以下でCuとAgの合計
    が50重量%以下、残部Sn及び不可避不純物よりなるS
    n基低融点ろう材。
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