JP4492342B2 - ろう付け用クラッド材及びそれを用いたろう付け方法並びにろう付け製品 - Google Patents

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Description

本発明は、ろう付け用クラッド材及びそれを用いたろう付け方法並びにろう付け製品に係り、特に、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ろう付け用クラッド材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4〜22mass％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からなるろう材層を有する、すなわちNi／Ti／ステンレス鋼というろう材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
ところで、従来のろう材又はろう付け用クラッド材を、高温で、腐食性の高いガス又は液体に晒される熱交換器（燃料電池改質器用クーラや、排ガス再循環装置（以下、EGR（Exhaust Gas Recirculation）という）用クーラ）の接合用ろう材として使用する場合、以下に示すような問題があった。
(1) 前述したステンレス基クラッド材を自動車用オイルクーラの接合材として使用する場合、耐熱性及び耐食性については全く問題がない。しかし、このステンレス基クラッド材を、燃料電池用熱交換器や、EGR用クーラの接合材として使用する場合、耐食性に問題があった。具体的には、燃料電池用熱交換器や、EGR用クーラ内には、高温で、かつ、腐食性の高い溶液や排気ガスなどが循環されることから、ステンレス基クラッド材のろう材（Cu材）では、耐食性が十分でないという問題があった。
(2) 特許文献２記載の自己ろう付け性複合材、すなわちNi-Tiクラッド材は、ろう付け接合時に、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"が発生する場合がある。この場合、ろう材が基材を大幅に侵食して、基材の薄肉化が生じてしまう。その結果、ろう付け接合部の強度が低下するという問題があった。
(3) 特許文献１記載の粉末Niろう材、及びJIS規格で規定された各種Niろう材は、粉末状であることから、各ろう付け接合部に粉末Niろう材をそれぞれ塗布するという作業が必要になる。つまり、ろう付け作業に多大な労力を要するため、ろう付け製品の生産性が著しく低くなり、その結果、製造コストの上昇を招くという問題があった。また、同じくJIS規格で規定されたアモルファスNiろう材は非常に脆いため、ろう材製造時及びろう付け製品の組立時の取り扱い（ハンドリング）が難しく、製造コストが高くなるという問題があった。
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、基材食われがほとんど発生せず、耐食性、ろう付け生産性が良好なろう付け用クラッド材及びそれを用いたろう付け方法並びにろう付け製品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用クラッド材は、Feを主成分とする合金からなる基材の表面にろう材層を一体的に設けてなる複合材で構成され、被ろう付け部材とろう付けされるろう付け用クラッド材において、上記基材の表面に、基材側からNi層、Ti層、Fe-35〜45mass％Ni合金層の順に積層されたろう材層を一体的に設けた複合材で構成され、そのろう材層全体に占めるFe成分の質量割合が25〜40mass％であり、かつ、ろう材層全体に占めるNi成分の質量W1とろう材層全体に占めるNi成分及びTi成分の質量総和W2の比W1/W2が0.56〜0.66のものであり、ろう材層を構成する各層の界面に、隣接する層の金属同士の拡散反応による
厚さ2〜6μｍの拡散反応層を有するものである。
ここで、ろう材層の厚さT2とクラッド材全体の厚さT1の比T2/T1は0.05〜0.12であることが好ましい。
基材は、ステンレス鋼であることが好ましい。
一方、本発明に係るろう付け方法は、前述したろう付け用クラッド材を用いたろう付け方法であって、上記ろう付け用クラッド材を800〜940℃未満の温度で予熱した後、その予熱したろう付け用クラッド材と被ろう付け部材を、真空雰囲気下、1100〜1200℃の温度でろう付けするものである。
ここで、真空雰囲気の真空度は10-2Pa以下であることが好ましい。
他方、本発明に係るろう付け製品は、前述したろう付け用クラッド材と被ろう付け部材をろう付け接合したものである。また、本発明に係るろう付け製品は、前述したろう付け方法を用い、ろう付け用クラッド材と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、ろう付け処理時に基材食われがほとんど生じることなく、耐食性及び湯流れ性が良好なろう付け用クラッド材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。
本発明の好適一実施の形態に係るろう付け用クラッド材の断面図を図１に示す。
図１に示すように、本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０は、被ろう付け部材とろう付けされるものであって、基材１１の表面（図１中では上面のみ）にろう材層１５を一体的に設けてなる複合材で構成されるものである。この複合材に適宜、圧延加工を施すことで、所望の厚さのろう付け用クラッド材（最終製品）１０が得られる。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。
ろう材層１５は、基材１１側からNi（又はNi合金）層１２、Ti（又はTi合金）層１３、Fe-Ni合金層１４の順に積層し、クラッドしたものである。
ろう材層１５全体に占めるFe成分の質量割合（濃度）は25〜40mass％、好ましくは30〜35mass％に調整される。言い換えると、ろう付け用クラッド材１０は、ろう材層１５全体の組成がNi-Ti-25〜40mass％Feとなるように調整したものである。これらの調整は、層１２，１３，１４の各層厚の調整、層１２，１３，１４の各合金組成の調整などによってなされる。ここで、Fe成分の含有量（濃度）を25〜40mass％と限定したのは、Fe成分の含有量が25mass％未満だと、基材１１からろう材層１５へFe成分が溶出するのを十分に抑制することができないためである。一方、Fe成分の含有量が40mass％を超えると、ろう材の湯流れ性が低下するためである。
ろう材層１５全体に占めるNi成分の質量W1とろう材層１５全体に占めるNi成分及びTi成分の質量総和W2の比W1/W2は0.56〜0.66、好ましくは0.58〜0.65、より好ましくは0.58〜0.62に調整される。これらの調整は、層１２，１３，１４の各層厚の調整、層１２，１３，１４の各合金組成の調整などによってなされる。ここで、W1/W2を0.56〜0.66と限定したのは、W1/W2が0.56未満又はW1/W2が0.66を超えると、ろう材の湯流れ性が著しく低下したり、ろう材が全く溶融しなくなるためである。
ろう材層１５の厚さT2とろう付け用クラッド材１０全体の厚さT1の比T2/T1（又はT2×100/T1）は0.05〜0.12（又は5〜12％）、好ましくは0.06〜0.10（又は6〜10％）に調整される。ここで、T2/T1を0.05〜0.12と限定したのは、T2/T1が0.05未満だと、基材１１とろう材層１５を複合一体化させる前に、ろう材層１５の厚さを十分に薄くしておく必要があり、結果として加工コストが大幅に上昇するためである。一方、T2/T1が0.12を超えると、ろう材層１５の材料コストが上昇するためである。また、T2/T1が0.12を超えると、基材１１の片面のみにろう材層１５を有するろう付け用クラッド材１０の場合、プレス後の形状によっては著しい反りが生じるおそれがあり、結果としてろう付け接合部において溶液などがリークしてしまうといった不具合が生じるおそれがある。
ろう付け用クラッド材１０は、ろう材層１５を構成する各層１２，１３，１４の異種金属間界面に、厚さ2〜6μｍ、好ましくは2〜4μｍの拡散反応層（図示せず）を有する。
Fe-Ni合金層１４は、Fe-35〜45mass％Ni、好ましくはFe-36.0〜36.5mass％Ni（例えば、インバー（登録商標））やFe-42mass％Ni（例えば、４２アロイ）で構成される。
本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０のろう材層１５の構成材として、Ni、Ti、インバー（登録商標：又は４２アロイ）を選定した理由は、板状材又は箔状材を比較的容易に入手でき、かつ、圧延、プレス、絞りといった加工性に優れているためである。
ろう材層１５は、ろう材層１５全体において、0.02〜10.0mass％、好ましくは0.02〜5.0mass％の割合でＰを含有していてもよい。これによって、ろう材の湯流れ性、耐酸化性を著しく改善することができる。ここで、Ｐの含有量を0.02〜10mass％と限定したのは、0.02mass％未満だと、湯流れ性の向上が期待できないためであり、逆に10.0mass％を超えると、ろう付けを行う被ろう付け部材の種類によっては強度低下が生じるためである。
一方、基材１１は、後述するろう付け製品を構成する構成部材（被ろう付け部材）と同一又はほぼ同一の材料で構成される。例えば、基材１１の構成材としては、Feを主成分とするFe基合金が好ましく、より好ましくはステンレス鋼、特に好ましくはオーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。ここで、Fe基合金としてステンレス鋼が好ましいのは、耐食性に優れたろう材が使用されるのと同じ環境下において十分な耐食性が得られ、比較的低コストで入手可能な汎用品であり、かつ、圧延、プレス、絞りといった加工性に優れているためである。
本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０を得るべく、複合材に圧延加工を施す前に、適宜、熱処理を施してもよい。この熱処理は、ろう付け用クラッド材１０の伸びが30％以上となるようにすべく、ろう材層１５の層構造、各層１２，１３，１４の組成及び層厚に応じて、加熱温度及び加熱時間が適宜調整される。
このようにして得られたろう付け用クラッド材１０に適宜圧延、プレス、絞り加工を施して所望の形状の半製品に形成した後、その半製品と接合を行う被ろう付け部材（図示せず）とを組み合わせ、ろう付け接合を行う部分（ろう付け接合部）を接触させる。その後、ろう付け接合部をメインにして、これらの組み合わせ部材に加熱によるろう付け処理を施すことで、ろう付け製品が得られる。あるいは、被ろう付け部材として、ろう付け用クラッド材１０を用いてもよい。例えば、本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０を複数個用意し、各複合材１０に適宜プレス加工を施してそれぞれ所望の形状の半製品に形成した後、それらの半製品を組み合わせ、ろう付け接合部を接触させる。その後、これらの組み合わせ部材に加熱によるろう付け処理を施すことで、ろう付け製品を得るようにしてもよい。
本実施の形態においては、基材１１の片面（図１中では上面）のみにろう材層１５を設けたろう付け用クラッド材１０について説明を行ったが、これに特に限定するものではない。例えば、ろう材層１５が基材１１の両面（図１中では上・下面）に設けられたろう付け用クラッド材であってもよい。
また、本実施の形態においては、箔状を呈したろう付け用クラッド材１０を用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、基材２１側からNi（又はNi合金）層１２、Ti（又はTi合金）層１３、Fe-Ni合金層１４の順に積層してなるろう材層１５を一体的に設け、ろう付け用クラッド材２０としてもよい。この場合、基材２１としては、基材１１と同じ材料が適用される。また、各層１２，１３，１４の形成は、メッキ法、押出法、造管法などによってなされる。
本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０を用いたろう付け製品としては、燃料電池の改質器用クーラなどの高温で、腐食性の高い溶液或いはガスが循環される熱交換器、EGR用クーラ、燃料電池部材、オイルクーラ、ラジエータ、二次電池部材などが挙げられる。本実施の形態に係るろう付け用クラッド材、特に、棒状又はワイヤ状のろう付け用クラッド材２０（図２参照）は、径サイズが小さく、取り扱い性が良好であることから、燃料電池の改質器用クーラの熱交換器、EGR用クーラ、燃料電池部材などの他にも、オイルクーラ、ラジエータ、二次電池部材などにも適用可能である。
次に、本実施の形態に係るろう付け用クラッド材を用いたろう付け方法を説明する。
本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０に、適宜、圧延、プレス、絞り加工を施して所望の形状の半製品を作製する。ろう付け用クラッド材１０は、基材１１の伸びが30％以上となるように、予め熱処理が施されている。この熱処理によって、ろう付け用クラッド材１０の基材１１が十分に焼鈍されて軟化し、十分な伸びが得られる。また、この熱処理によって、ろう材層１５を構成する各層１２，１３，１４の異種金属間界面、すなわちNi層１２とTi層１３の界面及びTi層１３とFe-Ni合金層１４の界面に、厚さ2〜6μｍの拡散反応層が形成される。その結果、ろう付け用クラッド材１０のプレス成形性（加工性）が良好となり、プレス加工後に、半製品の基材にクラックが発生したり、大きな反りが生じたりすることはない。よって、所望の形状の半製品を、歩留りよく、かつ、精度よく製造することができる。
ここで、基材１１の軟化熱処理は、拡散反応層の層厚が2〜6μｍとなるように調整される。これらの調整は、熱処理温度及び熱処理時間の調整などによってなされる。ここで、拡散反応層の層厚を2〜6μｍと限定したのは、2μｍ未満だと熱処理が不十分であり、基材１１が十分に軟化しないためである。拡散反応層の層厚が6μｍを超えると、ろう材層１５全体の硬度が高くなりすぎて伸びが低下してしまい、例えば、ろう材層１５の剥離が生じるといった具合に、半製品への加工が困難となるためである。
次に、この半製品（ろう付け用クラッド材１０）と被ろう付け部材（図示せず）とを組み合わせ、ろう付け接合部を接触させる。その後、これらの組み合わせ部材に、加熱によるろう付け処理が施される。ここで、ろう付け処理に先立って、半製品（又は半製品と被ろう付け部材の両方）に800〜940℃未満、好ましくは850〜940℃未満、より好ましくは880〜920℃の温度で予熱処理が施される。この予熱処理により、ろう付け雰囲気中のガス（Ｎ2、Ｏ2、Ｃ）と反応することで湯流れ性を低下させるＴｉが、ろう材層１５の最表面に拡散（露出）するのを抑制しつつ、所望の形状に加工した半製品の応力を開放することができる。また、この予熱処理により、ろう付け温度（1100〜1200℃）での熱変形の緩和を図ると共に、ろう材全体の均熱性を高めることでろう付け接合部の信頼性の向上を図ることができる。
その後、予熱した半製品と被ろう付け部材に、真空度が1×10-2Pa以下の雰囲気下、好ましくは真空度が1×10-2Pa以下で、かつ、Ｎ2非含有のガス雰囲気下、1100〜1200℃の温度でろう付け処理が施される。ここで、ろう付け処理時の真空度を1×10-2Pa以下と限定したのは、ろう付け処理温度が1000℃を超える高温であるため、雰囲気中に炭素、酸素、窒素等のガスが多く含まれていると、それらのガスとろう材成分が良好な反応性で反応し、ろう材の湯流れ性を低下させるためである。特に、Ｎ2ガスは、ろう材成分のTiと反応してTiN系化合物を形成し、湯流れを著しく低下させるため、真空度が1×10-2Pa以下で、かつ、Ｎ2非含有のガス雰囲気でろう付け処理を行うことが望ましい。
このろう付け処理により、ろう付け接合部においてろう材層１５（ろう材）の溶融反応が生じ、ろう材が溶融される。このろう付け処理時、基材１１に隣接する部分のろう材層１５においても、予熱処理及びろう材層１５の溶融までの反応過程の結果として拡散されたFe成分が存在している。このため、ろう付け処理の際、基材１１におけるFe成分の、ろう材中への溶け込みが生じたとしても、ろう材中のFe濃度はすぐに飽和してしまう。よって、基材１１のFe成分のろう材中への溶け込みが抑制され、基材１１のFe成分がろう材中に溶出するのが防止されるため、"基材食われ"の発生を大幅に低減することができる。
また、ろう材層１５全体に占めるFe成分の濃度は、ろう材の湯流れ性を阻害しないように25〜40mass％に調整していることから、ろう材の湯流れ性が良好となる。その結果、ろう付け後に基材１１、特にろう付け接合部の強度低下が生じることはなく、また、基材１１に侵食が生じるおそれもない。
このように、本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０と被ろう付け部材（ステンレス鋼板）をろう付け接合することで、ろう付け接合部における"基材食われ"が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１１の強度低下がほとんどなく、また、基材１１に侵食がほとんど生じておらず、高い信頼性を有する。
また、本実施の形態に係るろう付け用クラッド材１０（図１参照）は、ろう材と基材１１を一体的に設けたものであるので、基材１１と被ろう付け部材のろう付け接合部にろう材を配置するという作業は不要となる。このため、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。
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、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１１）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.52ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ0.72ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、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、三層構造（インバー/Ti/Ni/SUS304）のろう材層の合計厚さが70μｍのろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は25mass％とした。
このクラッド材を、真空度を1×10-3Paに保持した管状炉で、先ず、900℃に予熱し、予熱後のクラッド材に1200℃で加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例１２）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.42ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.01ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例１３）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.38ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ0.96ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例１４）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.55ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.16ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例１５）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.33ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.11ｍｍの４２アロイ条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例１６）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.28ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.43ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は40mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例１１）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.55ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ0.64ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は23mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例１２）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.21ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.62ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は43mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例１３）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.32ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ0.90ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例１４）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.62ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.23ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、圧延法によりクラッドして複合材を作製した。この複合材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例１５）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ1.01ｍｍのインバー（登録商標）条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ0.42ｍｍのNi条材を積層し、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、三層構造（Ni/Ti/インバー/SUS304）のろう材層の合計厚さが70μｍのろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。このクラッド材を用い、実施例１１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
ここで、実施例１１〜１６及び比較例１１〜１５の各ろう付け用クラッド材の、ろう材層の厚さT2とろう付け用クラッド材全体の厚さT1の比（T2×100/T1）が全て8％となるように、各ステンレス鋼条材の厚さが調整された。
また、実施例１１〜１６及び比較例１１〜１５の各ろう付け用クラッド材には、クラッド圧延後、熱処理が施された。この熱処理により、各ステンレス鋼条材が軟質化され、ろう材層の各層間の界面に異種金属同士の拡散反応層がそれぞれ形成された。熱処理条件は、各拡散反応層の層厚がいずれも3μｍとなるように調整された。
（従来例１１）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、Cu条材を積層し、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、二層構造（Cu/SUS304）のろう材層の合計厚さが70μｍのろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材に、管状炉で1120℃の加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
（従来例１２）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の片面に、市販の粉末Niろう材（Ni-19mass％Cr-10mass％Si）を合成樹脂バインダで溶いたものを塗布した。このろう材を塗布した基材に、管状炉で1180℃の加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
実施例１１〜１６、比較例１１〜１５、及び従来例１１，１２の各試料について、それらの積層構造、ろう材層全体に占めるFe成分の濃度（mass％）、及びW1/W2の値を表１に示す。また、各試料のろう付け特性の評価も併せて表１に示す。ろう付け特性の評価は、ろう付け後の基材の残存性、腐食発生の有無、フィレット形成状態（湯流れ性）、ろう付生産性、及びそれらの総合評価について行った。
基材の残存性については、ろう付け処理前後における基材の板厚の変化を断面観察によって測定し、板厚の平均減少率及び最大減少率が少ないものを良好（○）、多いものを不良（×）として評価を行った。
腐食試験は、先ず、ろう付け処理後の各試料を、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオンを含む腐食性溶液中に1000h浸漬した。その後、これらの各試料を溶液中から取出してろう付け接合部（ろう溶融部）の組織観察を行い、腐食発生の有無を調べることによって耐食性の評価を行った。また、腐食試験後の溶液を分析し、ろう材からの溶出物の定量比較を行い、腐食の程度を判断した。
湯流れ性の評価は、各試料のろう材層の表面にSUS304からなるステンレス鋼パイプを載せた後、加熱してろう付け処理した際の、ろう付け接合部のフィレット形状及びフィレットの断面積によって評価を行った。
Figure 0004492342
表１に示すように、実施例１１〜１６の各試料は、Fe-Ni合金層をろう材層の最外層に配置すると共に、ろう材層のFe成分濃度を25〜40mass％、W1/W2を0.58〜0.65に調整している。このため、実施例１１〜１６の各試料においては、ろう付け処理時に"基材食われ"は殆ど発生せず、ろう付け処理後の基材の残存性は良好であった。また、実施例１１〜１６の各試料においては、いずれも腐食の発生がなく、湯流れ性及びろう付け生産性が良好であった。よって、実施例１１〜１６の各試料のろう付け特性の総合評価は、いずれも良好であった。
また、ろう材層の最外層に配置されるFe-Ni合金層として、実施例１１〜１４，１６の各試料はインバー（登録商標）を用いているが、インバー（登録商標）の代わりに４２アロイを用いた実施例１５の試料においても、ろう付け特性は良好であった。
これに対して、比較例１１の試料は、ろう材層のFe成分濃度が規定範囲（25〜40mass％）よりも少ない23 mass％であるため、基材の食われが大きく、ろう付け接合部において十分な接合強度を得ることができなかった。
比較例１２の試料は、ろう材層のFe成分濃度が規定範囲（25〜40mass％）よりも多い43mass％であるため、ろう材の湯流れ性が悪かった。
比較例１３の試料は、W1/W2が規定範囲（0.58〜0.65）よりも小さい0.55であるため、ろう材の湯流れ性が悪かった。また、比較例１４の試料は、W1/W2が規定範囲（0.58〜0.65）よりも大きい0.67であるため、比較例１３の試料と同様に、ろう材の湯流れ性が悪かった。
比較例１２〜１４の各試料は、ろう材の湯流れ性が悪いことから、ろう付け接合部の信頼性（十分な接合強度）を確保することができなかった。
比較例１５の試料は、ろう材層のFe成分濃度及びW1/W2が、実施例１２の試料と全く同じであるが、ろう材層の積層構造が異なっている。比較例１５の試料は、Fe-Ni合金層であるインバー（登録商標）を、ろう材層の最内層に配置しているため、ろう付け処理時における基材の食われを十分に抑制することができなかった。
従来例１１の試料は、基材の食われが少なく、湯流れ性及びろう付け生産性も良好であり、良好なろう付け特性が得られたものの、耐食性が十分でないことから、高腐食環境での使用に耐えられない結果となった。
従来例１２の試料は、基材の食われが少なく、耐食性及び湯流れ性も良好であったものの、ろう材が粉末ろう材であると共に有機物系のバインダーを用いる必要があることから、ろう付け生産性が著しく低かった。
以上の結果より、基材と、基材表面から順にNi層、Ti層、Fe-Ni合金層という層構造を有するろう材層を一体化したろう付け用クラッド材であり、かつ、ろう材層全体に占めるFe成分濃度を25〜40mass％、W1/W2を0.58〜0.65と規定することで、優れたろう付け特性が得られることが確認できた。
（実施例２１）
基材であるステンレス鋼条材（SUS304条材）の表面に、順に、厚さ0.42ｍｍのNi条材、厚さ1.0ｍｍのTi条材、厚さ1.01ｍｍのインバー（登録商標）条材を積層し、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、三層構造（インバー/Ti/Ni/SUS304）のろう材層の合計厚さが70μｍのろう付け用クラッド材を作製した。ろう材層全体に占めるFe成分の濃度は32mass％とした。また、ろう材層の厚さT2とろう付け用クラッド材全体の厚さT1の比（T2×100/T1）は、5％となるように、ステンレス鋼条材の厚さを調整した。さらに、得られたろう付け用クラッド材に、ステンレス鋼条材の軟質化を目的として、クラッド圧延後に熱処理が施された。この熱処理により、ろう材層の各層間の界面には、異種金属同士の拡散反応層が形成された。熱処理条件は、拡散反応層の層厚が3μｍとなるように調整された。
このクラッド材を、真空度を1×10-3Paに保持した管状炉で、先ず、900℃に予熱し、予熱後のクラッド材に1200℃で加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例２２）
T2×100/T1が8％である以外は、実施例２１と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例２３）
T2×100/T1が12％である以外は、実施例２１と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例２４）
拡散反応層の層厚が2μｍである以外は、実施例２２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例２５）
拡散反応層の層厚が6μｍである以外は、実施例２２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例２１）
T2×100/T1が4％である以外は、実施例２１と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例２２）
T2×100/T1が13％である以外は、実施例２１と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例２３）
拡散反応層の層厚が1μｍである以外は、実施例２２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例２４）
拡散反応層の層厚が8μｍである以外は、実施例２２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を用い、実施例２１と同様にして、ろう付け特性の評価を行った。
実施例２１〜２５及び比較例２１〜２４の各試料について、それらの積層構造、ろう材層全体に占めるFe成分の濃度（mass％）、T2/T1の値（％）、及び拡散反応層の層厚（μｍ）を表２に示す。また、各試料の接合性（ろう付け接合部の信頼性）及びろう付け処理前の加工性の評価も併せて表２に示す。
加工性は、ろう付け処理に先立って、実施例２１〜２５及び比較例２１〜２４の各試料に、凹凸形状の金型を用いてプレス加工を施した後、各試料の表面及び断面の観察を行い、基材におけるクラック発生の有無、減肉率、平坦度（反りの発生の有無）などについて評価した。
Figure 0004492342
表２に示すように、実施例２１〜２５の各試料は、T2/T1を5〜12％、拡散反応層の層厚を2〜6μｍに調整している。実施例２１〜２５の各試料は、ろう材層が十分な厚さを有しているため、ろう付け処理後において十分な接合強度を得ることができ、ろう付け接合部の信頼性は良好であった。また、実施例２１〜２５の各試料は、プレス加工時に、基材にクラックの発生はなく、基材の反りも非常に小さく、ろう材層の剥離の発生もなかった。よって、実施例２１〜２５の各試料は、プレス加工性が良好であった。
これに対して、比較例２１の試料は、T2/T1が規定範囲（5〜12％）よりも小さい4％であり、ろう材層の厚さが十分でないため、ろう付け処理後において十分な接合強度を得ることができず、ろう付け接合部の信頼性が不良であった。また、比較例２１の試料は、プレス加工時に基材からろう材層が剥離してしまい、プレス加工性が不良であった。
比較例２２の試料は、T2/T1が規定範囲（5〜12％）よりも大きい13％であり、ろう材層の厚さが必要以上に厚いため、ろう付け処理後において十分な接合強度を得ることができるものの、製造コストの上昇を招いた。また、比較例２１の試料は、プレス加工時に基材に反りが発生してしまい、プレス加工性が不良であった。
比較例２３の試料は、クラッド圧延後の熱処理が不十分であるため、拡散反応層の層厚が規定範囲（2〜6μｍ）よりも薄い1μｍであった。よって、基材が十分に軟化されておらず、プレス加工時に基材に大きな反りが発生してしまうと共に、加工部の一部では破断が生じてしまい、プレス加工性が不良であった。また、大きな反りが生じたことに起因して、ろう付け部の密着性が不十分となってしまい、ろう付け接合部の信頼性が不良であった。
比較例２４の試料は、クラッド圧延後の熱処理が過剰であるため、拡散反応層の層厚が規定範囲（2〜6μｍ）よりも厚い8μｍであった。このため、プレス加工時に、拡散反応層を起点としたクラックが基材にまで伝播、進行してしまうという不具合が生じてしまった。また、比較例２４の試料は、プレス加工時に基材からろう材層が剥離してしまうと共に、試料表面に表面荒れが発生した。つまり、比較例２４の試料は、プレス加工性が不良であった。
以上の結果より、T2/T1を5〜12％、拡散反応層の層厚を2〜6μｍと規定することで、優れたろう付け特性及びプレス加工性が得られることが確認できた。
（実施例３１）
［実施例１］における実施例１２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を、真空度を1×10-2Paに保持した管状炉で、先ず、900℃に予熱し、予熱後のクラッド材に1200℃で加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
（実施例３２）
［実施例１］における実施例１２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を、真空度を1×10-3Paに保持した管状炉で、先ず、900℃に予熱し、予熱後のクラッド材に1200℃で加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例３１）
［実施例１］における実施例１２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を、真空度を1×10-1Paに保持した管状炉で、先ず、900℃に予熱し、予熱後のクラッド材に1200℃で加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
（比較例３２）
［実施例１］における実施例１２と全く同じ構成のろう付け用クラッド材を作製した。このクラッド材を、真空度を1×10-2Paに保持し、微量のＮ2ガスを添加した管状炉で、先ず、900℃に予熱し、予熱後のクラッド材に1200℃で加熱処理を施してろう材層を溶融させ、ろう付け特性の評価を行った。
実施例３１，３２及び比較例３１，３２の各試料について、それらの積層構造、ろう材層全体に占めるFe成分の濃度（mass％）、及びW1/W2の値を表３に示す。また、各試料にろう付け処理を施す際の、ろう付け雰囲気の真空度及び湯流れ性の評価も併せて表３に示す。
湯流れ性は、湯流れが十分なものを良好（○）、湯流れが不十分なものを不足（△）、
湯流れが悪いものを（×）と評価した。
Figure 0004492342
表３に示すように、実施例３１，３２の各試料は、ろう付け処理時の、ろう付け雰囲気の真空度を1×10-2Pa以下に調整している。よって、実施例３１，３２の各試料は、ろう材の湯流れ性が十分であった。また、ろう付け雰囲気の真空度が低いほど、ろう材の湯流れ性がより良好となった。
これに対して、比較例３１の試料は、ろう付け処理時の、ろう付け雰囲気の真空度が規定範囲（1×10-2Pa以下）よりも大きい1×10-1Paであるため、ろう材の湯流れ性が不十分であった。
また、比較例３２の試料は、ろう付け雰囲気の真空度が1×10-2Paであり、規定範囲（1×10-2Pa以下）を満足しているものの、雰囲気ガスがＮ2を含んでいるため、湯流れが著しく悪かった。
以上の結果より、ろう付け雰囲気の真空度を1×10-2Pa以下、好ましくはろう付け雰囲気の真空度が1×10-2Pa以下で、かつ、雰囲気ガスをＮ2非含有のガスとすることで、良好な湯流れ性が得られることが確認できた。
本発明の好適一実施の形態に係るろう付け用クラッド材の断面図である。 図１におけるろう付け用クラッド材の一変形例を示す横断面図である。
１０ ろう付け用クラッド材
１１ 基材
１２ Ni層
１３ Ti層
１４ Fe-Ni合金層
１５ ろう材層

Claims (7)

  1. Feを主成分とする合金からなる基材の表面にろう材層を一体的に設けてなる複合材で構成され、被ろう付け部材とろう付けされるろう付け用クラッド材において、上記基材の表面に、基材側からNi層、Ti層、Fe-35〜45mass％Ni合金層の順に積層されたろう材層を一体的に設けた複合材で構成され、そのろう材層全体に占めるFe成分の質量割合が25〜40mass％であり、かつ、ろう材層全体に占めるNi成分の質量W1とろう材層全体に占めるNi成分及びTi成分の質量総和W2の比W1/W2が0.56〜0.66であり、ろう材層を構成する各層の界面に、隣接する層の金属同士の拡散反応による厚さ２〜６μｍの拡散反応層を有することを特徴とするろう付け用クラッド材。
  2. 上記ろう材層の厚さT2とクラッド材全体の厚さT1の比T2/T1が0.05〜0.12である請求項１記載のろう付け用クラッド材。
  3. 上記Feを主成分とする合金がステンレス鋼である請求項１または２に記載のろう付け用クラッド材。
  4. 請求項１から３いずれかに記載のろう付け用クラッド材を用いたろう付け方法であって、上記ろう付け用クラッド材を800〜940℃未満の温度で予熱した後、その予熱したろう付け用クラッド材と被ろう付け部材を、真空雰囲気下、1100〜1200℃の温度でろう付けすることを特徴とするろう付け方法。
  5. 上記真空雰囲気の真空度が10-2Pa以下である請求項４記載のろう付け方法。
  6. 請求項１から３いずれかに記載のろう付け用クラッド材と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。
  7. 請求項４または５に記載のろう付け方法を用い、ろう付け用クラッド材と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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