JP4461809B2 - ろう付け方法及びその方法を用いたろう付け製品 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器や燃料電池用部材などの被ろう付け部材をろう付けする方法に関するものである。

自動車用オイルクーラの接合材としてステンレス基クラッド材が使用されている。これは、基材であるステンレス鋼板の片面又は両面に、ろう材としての機能を有するＣｕ材がクラッドされている。

また、ステンレス鋼や、Ｎｉ基又はＣｏ基合金などからなる部材のろう付け材として、ろう付け接合部の耐食性に優れる各種Ｎｉろう材が、ＪＩＳ規格により規定されている。さらに、熱交換器の接合に用いられるＮｉろう材として、粉末状のＮｉろう材に、Ｎｉ、Ｃｒ、又はＮｉ−Ｃｒ合金の中から選択される金属粉末を４〜２２ｗｔ％添加してなる粉末Ｎｉろう材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、基材であるステンレス鋼の表面にＮｉ及びＴｉからなるろう付け層を有する、即ちＮｉ／Ｔｉ／ステンレス鋼というろう付け層構造を有する自己ろう付け性複合材がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１０７８８３号公報 特開平７−２９９５９２号公報

通常、ろう付けは、ろう材として機能する金属又は合金の融点よりも５０〜１００℃高い温度で、ろう付け部に位置するろう材を融解し、被ろう付け部材（又は基材）同士を接合一体化している。

従来のろう付けは、
(1) 直接ろう付け熱処理温度まで昇温して接合を行う、
(2) ろう付け対象物を均熱化することを目的として、ろう付け熱処理温度よりも十分に低い温度に保持した後、ろう付け熱処理温度まで昇温して接合を行う、
というものであった。

ここで、ろう付けの際に、基材成分がろう材中へ溶け込む（拡散する）という、所謂、“基材食われ”が発生する。特に、基材の肉厚が薄く、かつ、基材食われの大きなろう材を用いた場合、基材が薄肉化してしまい、結果的に、ろう付け接合部の強度低下などといった不具合が生じるおそれがある。場合によっては、基材が局部的に侵食され、基材を貫通する孔が生じるおそれがある。

例えば、特許文献２記載の自己ろう付け性複合材を用い、ステンレス鋼を代表とするＦｅ基合金をろう付け接合した場合、ろう付け熱処理の際に基材食われが発生し、基材としてのＦｅ基合金の成分が、多量にろう材（ろう付け層）中へ溶け込んでしまう。その結果、基材厚さが大幅に減少してしまい、基材の強度低下が生じるという問題があった。

基材食われを回避する方法として、ろう付け熱処理温度を低温にしたり、ろう付け時間を短縮するといった方法が考えられる。しかしながら、ろう付け熱処理温度（又はろう付け時間）を調整する際の、調整可能領域は極めて狭く、かつ、その調整がシビアであることから、基材食われの少ないろう付け製品を、工業的に安定して製造することは極めて困難であった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ろう付けの際に、基材食われが殆ど発生しないろう付け方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るろう付け方法は、ろう材を介してろう付け部を所定の温度まで昇温してろう付け熱処理を行うろう付け方法において、上記ろう付け熱処理に先立ち、ろう付け部に対して、上記ろう材の融点よりも２０〜１００Ｋ低い温度で５〜４０分加熱して被ろう付け部材中の金属成分をろう材中に拡散させる拡散熱処理を行うものである。

上記ろう付け方法は、被ろう付け部材と同材質の基材の表面に上記ろう材が一体的に設けられた複合材同士をろう付け熱処理する方法であってもよい。
また上記ろう付け方法は、上記被ろう付け部材と、該部材と同材質の基材の表面に上記ろう材が一体的に設けられた複合材とをろう付け熱処理する方法であってもよい。

一方、本発明に係るろう付け製品は、上述したろう付け方法を用い、被ろう付け部材をろう付け接合したものである。

本発明によれば、基材食われの少ないろう付け製品を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明者らが鋭意検討した結果、ろう付け熱処理に先立って、拡散熱処理（前処理）を行うことで、ろう付け熱処理時に、被ろう付け部材（基材）に含まれる成分がろう材中へ溶け込む、所謂、“基材食われ”の量を低減させることができることを見出し、本発明に至った。

本発明の好適一実施の形態に係るろう付け方法のヒートパターンを図５に示す。

図５に示すように、本実施の形態に係るろう付け方法は、ろう材を介して基材をろう付けする際、ろう付け熱処理に先立ち、ろう付け部に対して、ろう材の融点Ｔｍよりも低い温度（拡散熱処理温度）Ｔｐで、一定時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）の拡散熱処理（図５中では斜線領域Ａとして図示）を行い、その後、ろう付け熱処理温度Ｔｒまで昇温し、一定時間（ｔｒ_f−ｔｒ_s）のろう付け熱処理（図５中では斜線領域Ｂとして図示）を行うものである。これによって、基材同士がろう付け接合を介して接合されたろう付け製品が得られる。ここで、ろう付け熱処理温度Ｔｒは、ろう材の融点Ｔｍよりも５０〜１００℃高い温度とされる。

拡散熱処理温度Ｔｐは、具体的には、ろう材の融点Ｔｍよりも２０〜１００Ｋ低い温度とされる。また、拡散熱処理開始ｔｐ_sから拡散熱処理終了ｔｐ_fまでの時間ｔｐ_f−ｔｐ_sは、５〜４０ｍｉｎとされる。このような温度、時間の範囲において、拡散熱処理温度Ｔｐが低い場合は処理時間を長めに、逆に、拡散熱処理温度Ｔｐが高い場合は処理時間を短かめに設定して、拡散熱処理がなされる。

ここで、拡散熱処理の温度Ｔｐと、ろう材の融点Ｔｍとの差が２０Ｋ未満（Ｔｐ＜Ｔｍ）だと、基材からろう材中へ金属成分が十分に拡散する前に、ろう材が溶融して流れてしまうため、ろう材がたまった箇所での侵食が大きくなってしまう。また、拡散熱処理の温度Ｔｐと、ろう材の融点Ｔｍとの差が１００Ｋを超える（Ｔｐ＜Ｔｍ）と、金属成分の拡散速度が遅くなるため、金属成分を十分にろう材中へ拡散させることができなくなる。

また、拡散熱処理の保持時間ｔｐ_f−ｔｐ_sが５分未満だと、金属成分の拡散速度に対して拡散時間が十分ではなく、金属成分を十分にろう材中へ拡散させることができなくなる。また、拡散熱処理の保持時間ｔｐ_f−ｔｐ_sが４０分を超えると、拡散効果がほぼ飽和するため、それ以上の拡散時間を確保することは、ろう付け生産性の点で好ましくない。

本実施の形態に係るろう付け方法は、例えば、ろう材と基材とを一体に設けたろう付け用複合材を用いて行う。

ろう付け用複合材としては、図１に示すように、ステンレス鋼板からなる基材１１の表面（図１中では上面のみ）に、第１の層１３と第２の層１２とを２層に重ねてなる積層体１５の層（以下、ろう付け層１５と表す）を一体に設けたものである。第１の層１３は、例えばＮｉ又はＮｉ合金層で、第２の層１２は、例えばＴｉ又はＴｉ合金層で構成される。ここで言う基材１１の表面は、外部に露出する全ての面を示している。

この複合材１０に、適宜、圧延加工を施すことで、所望の厚さのろう付け用複合材（最終製品）が得られる。

基材１１は、ろう付け製品を構成する部材と同材質であり、基材１１の構成材は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金が好ましく、特にステンレス鋼が好ましい。

図１に示したろう付用複合材１０は、基材１１の片面（図１中では上面）のみにろう付け層１５を設けているが、基材１１の両面（図１中では上・下面）にろう付け層１５を設けてもよい。

また、図１においては、箔状を呈した複合材１０について説明を行ったが、複合材の形状は箔状に特に限定するものではない。例えば、図１の第１変形例を図２に示すように、棒状又はワイヤ状の基材２１の表面に、内層側が第２の層１２、外層側が第１の層１３からなるろう付け層１５を形成し、ろう付け用複合材２０としてもよい。この場合、基材２１としては基材１１と同じものが適用可能であり、第２の層１２、第１の層１３の形成は、メッキ法、スパッタ法、シーム溶接法などによって行う。

さらに、複合材は、図３に示すように、基材１１の表面に、３層構造以上のろう付け層３５を有していてもよい。具体的には、基材１１の表面（図３中では上面（又は上・下面））に、第１の層１３（１３ａ，１３ｂ）と第２の層１２とを交互に３層に重ねたろう付け層３５を一体に設けた複合材３０であってもよい。第１の層１３ａ，１３ｂは、例えばＮｉ又はＮｉ合金層で、第２の層１２は、例えばＴｉ又はＴｉ合金層で構成される。

また、複合材は、図４に示すように、棒状又はワイヤ状の基材２１の表面に、３層構造以上のろう付け層３５を有していてもよい。具体的には、基材２１の表面に、第１の層１３（１３ａ，１３ｂ）と第２の層１２とを交互に３層に重ねたろう付け層３５を一体に設けた複合材４０であってもよい。

尚、本実施の形態に係るろう付け方法おいては、ろう材と基材とを一体に設けたろう付け用複合材１０，２０，３０，４０を用いた場合について説明を行ったが、ろう材と基材とは別体であってもよい。すなわち、２層以上のＮｉ又はＮｉ合金層とＴｉ又はＴｉ合金層とをクラッドしてなるろう付け層をろう材とし、このろう材を、基材（被ろう付け部材）同士のろう付け部に配置し、本実施の形態に係るろう付け方法を行うようにしてもよい。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係るろう付け方法では、ろう付け熱処理を行う前に、ろう材の融点Ｔｍよりも２０〜１００Ｋ低い温度Ｔｐ、５〜４０分の時間ｔｐ_f−ｔｐ_sで、ろう材及び基材を保持する拡散熱処理（前処理）を行うことに特長がある。

この拡散熱処理は、ろう材が完全に溶融して流れてしまわないように、温度及び時間を調整して行われる。この拡散熱処理によって、基材を構成する金属成分、例えばＦｅ成分などがろう材中に徐々に溶け出すと共に拡散し、結果として、Ｆｅ成分などがろう材中に均等に、かつ、十分に拡散される。このため、ろう付け熱処理の際に、Ｆｅ成分などが局所的にろう材中に溶け込むということがなくなり、“基材食われ”の発生を大幅に低減することができる。その結果、ろう付け後に基材の強度低下が生じることはなく、また、基材に侵食が生じるおそれもない。

また、本実施の形態に係るろう付け方法を用い、例えば、図１に示したろう付け用複合材１０同士、又は複合材１０と被ろう付け部材（ステンレス鋼板）とをろう付け接合することで、“基材食われ”の少ないろう付け製品を、工業的に安定して製造することができる。このろう付け製品は、ろう付け前と比較して基材の強度低下はなく、また、基材に侵食もないことから、高い信頼性を有する。

さらに、本実施の形態に係るろう付け方法において、ろう材と基材とが一体となったろう付け用複合材１０（図１参照）を用いることで、基材同士のろう付け部にろう材を配置する作業が必要なくなるため、良好なろう付け生産性で、ろう付け製品を得ることができる。

また、本実施の形態に係るろう付け方法は、Ｎｉ又はＮｉ合金及びＴｉ又はＴｉ合金で構成されるろう材（ろう付け層１５）と、Ｆｅ基合金で構成される基材１１との組み合わせに限定するものではなく、ろう材中への基材の金属成分の溶け込みが大きなろう材と基材との組み合わせに対して全て適用可能である。これらの場合においても、本実施の形態に係るろう付け方法と同様の作用効果が期待できる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

先ず、２種類のろう付け用複合材を作製した。

［ろう付け用複合材Ａ］
基材である厚さ5.0ｍｍのステンレス鋼条の表面に、順に、厚さ0.5ｍｍのＴｉ条、厚さ0.45ｍｍのＮｉ条を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。更に圧延を繰り返し、二層（Ｎｉ、Ｔｉ）のろう付け層（ろう材部）の合計厚さを70μｍとした。この時のろう材部の組成はNi-36wt％Ti、ろう材の融点は約1423Ｋである。

この複合材を用い、実施例１、比較例１に相当するろう付け方法によってろう付けを行った。

［ろう付け用複合材Ｂ］
基材である厚さ5.0ｍｍのステンレス鋼条の表面に、順に、厚さ0.225ｍｍのＮｉ条、厚さ0.5ｍｍのＴｉ条、厚さ0.225ｍｍのＮｉ条を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。更に圧延を繰り返し、三層（Ｎｉ、Ｔｉ、Ｎｉ）のろう付け層（ろう材部）の合計厚さを70μｍとした。この時のろう材部の組成はNi-36wt％Ti、ろう材の融点は約1423Ｋである。

この複合材を用い、実施例２〜４、比較例２，３、従来例１に相当するろう付け方法によってろう付けを行った。

ろう付けは真空中（1.33×10³Ｐａ（10^-5Ｔｏｒｒ））で行い、昇温速度は20K/minの一定とし、冷却はろう付け熱処理後すべて自然冷却とした。ろう付け熱処理温度（Ｔｒ）は全て1473Ｋとし、また、ろう付け熱処理（保持）時間は全て30分間とした（ｔｒ_f−ｔｒ_s＝30min）。

（実施例１）
ろう付用複合材Ａを用い、図５に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1373Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は20分間とした。

（実施例２）
ろう付用複合材Ｂを用い、図５に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1373Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は20分間とした。

（実施例３）
ろう付用複合材Ｂを用い、図５に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1403Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は5分間とした。

（実施例４）
ろう付用複合材Ｂを用い、図５に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1323Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は40分間とした。

（比較例１）
ろう付用複合材Ａを用い、図６に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1173Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は30分間とした。

（比較例２）
ろう付用複合材Ｂを用い、図６に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1173Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は30分間とした。

（比較例３）
ろう付用複合材Ｂを用い、図６に示すヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。この時、前処理温度（Ｔｐ）は1273Ｋ、前処理保持時間（ｔｐ_f−ｔｐ_s）は60分間とした。

（従来例１）
ろう付用複合材Ｂを用い、図７に示す前処理を行わず、ろう付け熱処理のみのヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。

（従来例２）
ステンレス鋼条の片面に、市販の粉末Ｎｉろう材を合成樹脂バインダで溶いたものを塗布した。この条材を用い、図７に示す前処理を行わず、ろう付け熱処理のみのヒートパターンでろう付けを行い、ろう付け製品を作製した。

実施例１〜４、比較例１〜３、及び従来例１，２におけるろう付け製品に対して、それぞれのろう付け条件下での基材の板厚残存率（％）及びろう付け生産性を評価し、それらの評価を基にした総合評価を行った。これらの評価結果を表１に示す。

板厚残存率については、各ろう付け製品を、ろう付け接合部の箇所で断面観察を行い、基材の侵食厚さを測定することにより評価した。評価は、基材の残存率が８０％以上のものを高、６０〜８０％のものを中、６０％未満のものを低とした。また、ろう付け生産性及び総合評価については、良好なものを○、不良なものを×とした。

表１に示すように、実施例１〜４においては、ろう付け熱処理（1473Ｋ）前に、適正な温度（1323〜1403Ｋ）及び時間（5〜40分間）の拡散熱処理（前処理）を行っているため、基材の残存率がいずれも高く、基材の侵食を大幅に抑制できることが確認できた。また、ろう材と基材とを複合させた複合材を用いていることから、いずれもろう付け生産性が良好であり、総合評価はいずれも良好であった。

これに対して、比較例１，２においては、いずれもろう付け生産性は良好であるものの、拡散熱処理の温度が1173Ｋであり、ろう材の融点との差が250Ｋと大きいため、基材の金属成分をろう材中へ十分に拡散させることができなかった。よって、基材の残存率がいずれも低く、総合評価はいずれも不良であった。

また、比較例３においては、比較例１，２と比較すると、拡散熱処理の温度は高温（1273Ｋ）であるものの、ろう材の融点との差が150Ｋと依然として大きい。このため、拡散熱処理時間を60分と長くしているにも関わらず、基材の金属成分をろう材中へ十分に拡散させることができなかった。よって、基材の残存率は比較例１，２よりも程度が良好（中）であるものの、十分な特性を得ることができず、総合評価を不良とした。

さらに、従来例１においては、拡散熱処理を行っていないため、基材の残存率が著しく低く、“基材食われ”の量が著しく多かった。よって、総合評価も不良であった。

また、従来例２においては、拡散熱処理を行っていないものの、基材の残存率は高かった。しかし、ろう材が粉末ろう材であるため、ろう材と有機物系のバインダとを混練したものを、基材同士のろう付け部に配置するという作業を必要とし、ろう付け生産性が著しく低い。よって、総合評価も不良であった。

本発明の好適一実施の形態に係るろう付け方法に用いるろう付け用複合材の横断面図である。 図１のろう付け用複合材の第１変形例である。 図１のろう付け用複合材の第２変形例である。 図１のろう付け用複合材の第３変形例である。 本発明の好適一実施の形態に係るろう付け方法のヒートパターンであり、実施例における実施例１〜４のろう付け方法のヒートパターンである。 実施例における比較例１〜３のろう付け方法のヒートパターンである。 実施例における従来例１，２のろう付け方法のヒートパターンである。

符号の説明

Ｔｍ ろう材の融点
Ｔｐ 拡散熱処理温度
ｔｐ_f−ｔｐ_s 拡散熱処理時間
Ｔｒ ろう付け熱処理温度

Claims (7)

1. Ｆｅ基合金で構成される被ろう付け部材をＮｉ又はＮｉ合金及びＴｉ又はＴｉ合金で構成されるろう材を介してろう付け熱処理を行うろう付け方法において、上記ろう付け熱処理に先立ち、ろう付け部に対して、上記ろう材の融点よりも２０〜
   １００Ｋ低い温度で５〜４０分加熱して上記被ろう付け部材中の金属成分をろう材中に拡散させる拡散熱処理を行うことを特徴とするろう付け方法。
2. 上記被ろう付け部材が、該部材と同材質の基材の表面に上記ろう材が一体的に設けられた複合材で構成され、その複合材同士をろう付けすることを特徴とする請求項１に記載のろう付け方法。
3. 上記被ろう付け部材と、該部材と同材質の基材の表面に上記ろう材が一体的に設けられた複合材とをろう付けすることを特徴とする請求項１に記載のろう付け方法。
4. 上記ろう材が、単層体又は２層以上の積層体である請求項１〜３いずれかに記載のろう付け方法。
5. 上記２層以上の積層体が、Ｎｉ又はＮｉ合金層とＴｉ又はＴｉ合金層で構成される請求項４記載のろう付け方法。
6. 上記基材がステンレス鋼である請求項１〜３いずれかに記載のろう付け方法。
7. 請求項１から６いずれかに記載のろう付け方法を用い、被ろう付け部材をろう付け接合したことを特徴とするろう付け製品。

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