JP4635796B2 - アルミニウム合金鋳物のろう付け方法及びろう付けされた液冷部品 - Google Patents

Description

本発明は、低融点のアルミニウム合金鋳物を炉中ろう付けする方法とそのろう付け法で製造された液冷部品に関する。

アルミニウム合金の鋳物製品が、その軽量を活かして自動車部品や家電部品をはじめ各種の分野で広く使用されるようになっている。特にアルミニウム合金のダイカスト製品は、複雑形状品を生産性よく製造できるため、近年、その製造・使用量は増大している。
そして、アルミニウム合金鋳物は、他の展伸材と接合して用いられている。その接合法としてろう付け法が採用されている。

一般的に、アルミニウム合金のろう付けには、アルミニウム合金からなるろう材が使用される。そして、そのろう付け温度は、通常約６００℃程度である。
ところが、鋳物材に用いられているアルミニウム合金としては、鋳造性の良さからＡｌ−Ｓｉ系合金が多用されている。このＡｌ−Ｓｉ系合金の共晶温度は５７７℃程度であるため、この温度を超える温度でのＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物のろう付けは適当でない。
そこで、５００℃以下の温度でアルミニウム合金鋳物のろう付けを、Ｚｎ−Ａｌ系のろう材を用いて行う技術が、例えば特許文献１，２で提案されている。
特開平９−２９４８２号公報 特開平１１−７７２９１号公報

しかしながら、特許文献１，２で提案された技術で用いられるＺｎ−Ａｌ系のろう材は濡れ性が悪いために、複雑形状の部品を欠陥の発生なしに接合することは困難である。またＺｎ−Ａｌ系素材は耐食性に乏しいため、耐食性が要求される部品への採用は困難である。
このように、低温ろう付けが要求されるアルミニウム合金の鋳物製品に関しては、信頼できる接合技術が確立していないため、工業的に利用される製品範囲に制限があった。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、濡れ性及び耐食性に強いろう材を使用して、炉内ろう付けでも健全な接合部が得られるアルミニウム合金鋳物の低温ろう付け方法及びそのろう付け方法を利用した製品を提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法は、その目的を達成するため、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるとともに、不純物としてＦｅ：０．２５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｚｎ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを、ろう付けされるアルミニウム合金鋳物又は他方の被ろう付け部材のろう付け部表面に塗布した後、アルミニウム合金ろう材スラリーが塗布されたろう付け部に他方の被ろう付け部材を組み付け、その組み付け体を加熱することを特徴とする。

粉末状アルミニウム合金ろう材としては、前記組成を有するアルミニウム合金溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られたものが好ましい。
また、加熱は、組み付け体を昇温された炉内、特に５３０〜５７０℃の温度に加熱された不活性ガス雰囲気炉に装入することによりなされることが好ましい。
ろう付けされるアルミニウム合金鋳物のろう付け部表面にアルミニウム合金ろう材スラリーが塗布された後、他のアルミニウム合金展伸材或いはアルミニウム合金鋳物を組み付けてろう付けすることもできる。この際、アルミニウム合金鋳物をＡｌ−Ｓｉ系合金からなるダイカスト製品とすることができる。
当該ろう付け方法を適用すれば、水路構造を有するダイカスト製アルミニウム合金鋳物にアルミニウム合金製蓋を水密接合した液冷部品が容易に得られる。また、アルミニウム合金製水路部材とダイカスト製アルミニウム合金ケースを水密接合した液冷部品が容易に得られる。

本発明によれば、５７７℃より低い温度で溶融し、しかも濡れ性及び耐食性に優れたＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金をろう材に用いている。さらに、融点を低下させるためにフッ化セシウム（ＣｓＦ）を含有させたフッ化物系フラックスを用い、ろう材とフラックスを分散媒に懸濁させたスラリー状で被ろう付け材であるアルミニウム合金鋳物表面に塗布している。
したがって、低融点のアルミニウム合金鋳物、殊に共晶点が約５７７℃であるＡｌ−Ｓｉ系のダイカスト製品であっても、ろう付け欠陥を発生させることなく、炉中ろう付けすることができる。このため、低温ろう付けが要求されるＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物製品の利用範囲の大幅な拡大に貢献することができる。

本発明者等は、鋳造性の良さからＡｌ−Ｓｉ系合金が多用されているアルミニウム合金鋳物を、Ａｌ−Ｓｉ系合金の共晶温度よりも低い温度でろう付け欠陥を発生させることなく生産性よくろう付けする方法について検討を重ねてきた。
その結果、ろう材として低融点のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の粉末状物を用いることが好ましいこと、フラックスとしてＣｓＦを含むフッ化物系非腐食性フラックスを用いることが好ましいこと、さらには、前記粉末状ろう材とフッ化物系フラックスをスラリー状で被ろう付け部上に塗布した後、他方の被ろう付け部材を組み付け、組み付け体を所定温度の雰囲気炉に装入することにより生産性良くろう付けできることを見出した。
以下にその詳細を説明する。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金ろう材
本発明では、ろう材として、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を用いる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系合金は、このような成分組成の合金とすることで融点を下げ、ろう付け温度を５３０〜５７０℃に下げることができる。このため、Ａｌ−Ｓｉ系合金鋳物を部分溶融させることなく、十分な接合部を形成できるろう付けが可能となる。Ｃｕ及びＳｉの含有量が上記数値を外れると、ろう材の融点が高くなり、高いろう付け温度を必要としてろう付け部に部分溶融を生じさせることになる。

なお、ろう材の融点をさらに低下させる目的ではＺｎ等の元素を含有させることも可能である。しかしながら、Ｚｎは溶融したろう材の流動性を低下させ、ろう付け部での空孔等の欠陥を発生させる原因を作り出すことがある。このため、本発明の粉末状アルミニウム合金ろう材の組成はＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉの三元合金とし、他は不純物とすることが好ましい。不純物としては、Ｆｅ：０．２５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｚｎ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される。

被ろう付け部への均一供給を可能とし、かつ後記のフラックスとの相互作用により早急なる溶融により接合作用を効果的に発現させるためには、ろう材は細かな粉末状とすることが有効である。しかし、あまり細かいと反応性が増し通常での保管が困難になるばかりでなく、製造コストも高騰する。逆に大きすぎると、被ろう付け面上の均一性の確保が難しくなる。したがって、粉末状アルミニウム合金ろう材の平均粒径は１０〜１００μｍの範囲とする。

アルミニウム合金は比較的酸化されやすいので、粉末状のアルミニウム合金ろう材も製造時に酸化されやすい。そして、ろう材中に酸化物が多量に混入されていると、ろう付け時に用いるフラックス量が多くなって、ろう付け製品の外観を低下させるばかりでなく、コスト増にもつながる。そこで本発明では、製造時の酸化を抑制するために、真空又は不活性雰囲気中での噴霧・急冷法で製造した粉末状のアルミニウム合金ろう材を用いることが好ましい。

なお、真空中又は不活性ガス中で噴霧する意義は、ろう材の冷却時における酸化物の発生及び混入を極力防ぐことにある。
上記で言う真空とは、真空度が２００ｔｏｒｒ以下の雰囲気であり、また不活性ガスとは、ろう材を酸化させることのないガスで、例えばアルゴン等の希ガス、水素等の還元性ガス、窒素等の非酸化性ガスである。

フッ化物系非腐食性フラックス
フラックスとしては、通常のアルミニウム合金をろう付けする際に使用されるフッ化物系フラックスを用いることができる。フッ化物系非腐食性フラックスの化合物形態としては、ＫＡｌＦ₄，Ｋ₂ＡｌＦ₅，Ｋ₃ＡｌＦ₆，ＡｌＦ₃，ＫＦ，ＣｓＦ等があるが、従来と同様にその混合物が使用される。しかし、本発明ではろう材自身の融点を低くしているために、フラックス自体もその融点を低くする必要がある。このため、本発明では、ＣｓＦを含有させている。ＣｓＦ含有量がフッ化物系フラックス全体の１１質量％に満たないとフラックスの融点を下げる効果が少なく、フラックスの融点がろう材の融点よりも高くなって、ろう付け時にフラックスが溶融しないおそれがある。したがって、本発明にあっては、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系非腐食性フラックスを用いる。

アルミニウム合金ろう材スラリー
ＣｓＦの有無にかかわらずフッ化物系フラックスは、通常、純水やアルコール等の揮発性液体からなる分散媒に懸濁されてスラリー状にされ、被ろう付け面に塗布されている。
粉末状ろう材を被ろう付け面上に均一に供給するためには、粉末状ろう材をも分散媒に懸濁させたスラリー状で塗布することが効果的である。
ＣｓＦを含むフッ化物系フラックスと粉末状ろう材との混合割合は、被ろう付け部材の組成や形状、或いは組み合わせる他方の被ろう付け部材によって異なるが、ろう材１００重量部に対して、フッ化物系フラックス１０〜１００重量部程度で十分である。

本発明では、ＣｓＦを含むフッ化物系フラックスと粉末状ろう材とを合わせて通常の純水やアルコール等の揮発性液体からなる分散媒に懸濁されたスラリーを塗布することで、被ろう付け材であるアルミニウム合金鋳物表面に供給する。
分散媒として水を用いる場合には、予め界面活性剤を添加しておくことが好ましい。界面活性剤が添加されていると被ろう付け部表面との濡れ性が向上し、被ろう付け部表面を粗面にすることなくフラックス成分及びろう材粉末を均一に供給することができる。この界面活性剤にも制限はない。通常のノニオン系界面活性剤が用いられる。
被ろう付け部表面に、フラックス及びろう材を懸濁させたスラリーの塗布を行う。均一供給性が損なわれない限り、スラリーの塗布方法にも制限はない。刷毛塗り法やロールコーティング法を用いてもよい。浸漬法や噴霧法でもよい。

ろう付け加熱
ろう材スラリーが塗布された被ろう付け鋳物を乾燥後、当該ろう付け部上に他方の被ろう付け材を組み付け、組み付け部を加熱してろう付けする。このろう付け方法に制限はない。通常と同じろう付け方法で十分である。所定温度に加熱された炉内に装入し、所定時間保持することにより十分にろう付けできる。ただし、本発明にあっては、酸化しやすい粉末状のアルミニウム合金ろう材を用いている。したがって、ろう付けも、ろう材が酸化されることのない不活性ガス中で行われることが好ましい。ろう材の酸化をより防止するためには、ろう付け雰囲気を一旦真空にした後、窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。

次に、本発明ろう付け方法を採用して、液冷部品を製造する事例について説明する。
通常、図１に示すような液冷部品は内部に複雑形状の水路を備えているので、一工程で製造することはできない。そのため、複雑形状の水路部をダイカスト等の鋳造法で作製する方法や鍛造で作製する方法が考えられる。さらに、水路ピッチが小さい場合には、スカイブ或いはワイヤーカットによって作製する場合も考えられる。そして、例えばワイヤーカット法により製造された複雑形状の水路部材２をダイカスト製ケース１の中にセットして液冷部品としている。

本発明液冷部品の一形態としては、ダイカスト製ケースに複雑形状の水路部材をセットし、水密構造を得る手段に冷温ろう付け法を採用したものが挙げられる。
この際、ケース素材として流動性に優れたＡｌ−Ｓｉ系合金を用いると、鋳造欠陥を発生させることなく、複雑で厚さの薄い部材を容易に製作することができる。さらに、ダイカスト工法を採用することにより、低コストで液冷部品を製造することができる。

ダイカスト製ケースは、鋳造性に優れるＡｌ−Ｓｉ系合金を素材とし、コストが安価なダイカスト法を採用して製造する。水路部材も鋳造性に優れるＡｌ−Ｓｉ系合金を素材とし、例えばダイカスト法を採用して製造する。水路ピッチが小さい水路部材は、スカイブ或いはワイヤーカットによって作製する。その際の素材としては、１０００系，３０００系或いは６０００系等のアルミニウム合金展伸材を用いる。また、水路部材を二つの部材から構成する場合もあるが、この場合には水路を構成するアルミニウムフィンとそれを支える板から構成される。

ダイカストで製造されたケース１の内面（フィンとの接触面）に、噴霧法で製造された、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを塗布する。この際の塗布手段としては、浸漬法を適用することが好ましい。

アルミニウム合金ろう材スラリーが塗布されたダイカスト製ケース１に水路部材２をセットし、この状態で、５３０〜５７０℃の温度に加熱された不活性ガス雰囲気炉に装入することにより、ろう付けがなされる。
上記形態は、ダイカスト製ケースと複雑形状の水路部材を組み合わせているが、逆の形態、すなわち、ダイカスト等の鋳造法で作製した複雑形状の水路部材に、展伸材等で製造され、表面にアルミニウム合金ろう材スラリーが塗布された蓋部材を組み合わせ、両者の接合部をろう付けして水密接合してもよい。

《実施例》
ろう材の調製
Ｃｕ：３０．９質量％及びＳｉ：９．３質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金溶湯を、窒素ガス中にて噴霧・急冷することにより、アルミニウム合金粉末を得た。この合金粉末は、平均粒径が４０μｍの球状を呈し、表面及び内部に欠陥や酸化物は含まれていなかった。なお、この合金の融点は５２５℃である。

フラックスの準備並びにろう材スラリーの調製
フッ化セシウムを含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフラックスとして、第一稀元素化学工業株式会社製のＣＦ−２ペーストと市販のノコロック（登録商標）粉末を用意した。このＣＦ−２はＣｓ−Ｋ−Ａｌ−Ｆ化合物で、ＣｓＦを約５０モル％含有するものである。
ＣＦ−２ペースト１００ｇ（固形分５０ｇ）と７５ｇのノコロック粉末を、３００ｇの前記ろう材粉末とともに１３０ｍｌの純水に加えてろう材スラリーを調製した。

被ろう付け性試験材の準備及び組み付け
ろう付け性評価のために、Ａｌ−７％Ｓｉ−０.３％Ｍｇ合金（ＡＣ４Ｃ）からなるＬ＝３０ｍｍ，Ｗ＝５０ｍｍ，ｔ＝６ｍｍのダイカスト材と、３００３合金からなるＬ＝３０ｍｍ，Ｗ＝５０ｍｍ，ｔ＝１ｍｍの板材を用意した。
ダイカスト材の被ろう付け面表面に、刷毛を用いて前記ろう材スラリーを塗布した。その後、約２００℃で乾燥した。乾燥後の固形分付着量はろう材：約１３０ｇ／ｍ²，フラックス：約５５ｇ／ｍ²であった。
次いでダイカスト材に板材を立て、逆Ｔ字ろう付け試験用組み付け体を作製した。
その組み付け体を雰囲気炉に入れ、雰囲気炉の内部を一旦真空にした後に窒素ガスで置換した。その後、この炉内で、組み付け体を５２０℃まで約４０分で加熱し、さらに５２０〜５８０℃の各温度で５分保持した後、冷却することでろう付けを行った。

ろう付け性評価
ろう付け後、逆Ｔ字ろう付け試験片を切断してろう付け状態を目視で観察してろう付け性を評価した。その結果を表１に示す。
なお、表中の評価は、外観観察によりダイカスト材と板材が全く問題なくろう付けされているものを良好として○で、一部にでもろう付け不良箇所があるものを不良として×で表示した。

《参考例》
本発明のろう材スラリー利用技術の有効性を確認するために、縦材として、３００３合金板の両面にろう材としての固相線温度が５７７℃の４３４３合金板を１０％の割合でクラッドした、いわゆるろうクラッド材を用い、フラックスとして、通常のノコロック（登録商標）粉末を用いてろう付け試験を行った。
実施例と同じサイズのダイカスト材をベース材とし、このベース材のろう付け箇所表面にノコロックを塗布した後、前記ろうクラッド材を立て、逆Ｔ字ろう付け試験用組み付け体を作製した。
その組み付け体を雰囲気炉に入れ、実施例と同様に加熱した。この場合、炉内で、組み付け体を５６０℃まで約４０分で加熱し、さらに５６０〜５９０℃の各温度で５分保持した後、冷却することでろう付けを行った。
そして、実施例と同様に、ろう付け後、逆Ｔ字ろう付け試験片を切断してろう付け状態を目視で観察してろう付け性を評価した。その結果を併せて表１に示す。

表１の結果か明らかなように、粉末状アルミニウム合金ろう材とフッ化物系フラックスとをスラリー状にして被ろう付け部に適用し、５３０〜５７０℃の温度範囲でろう付けすると、良好なろう付け部が得られることがわかった。
これに対して、ろう付け温度が５３０℃を下回ると、ろう材が溶融せずにろう付けできないことがわかる。逆に５７０℃を上回るほどに高い温度でろう付けすると、ベース材であるＡＣ４Ｃ材そのものが部分溶融するようになって、良好なろう付けはできていない。

ろう材として４３４３合金を用いた参考例にあっては、５６０〜５７０℃のろう付け温度でもろう材が溶融せず、良好なろう付けはできていない。また、５８０℃を超える温度でろう付けすると、ベース材であるＡＣ４Ｃ材そのものが部分溶融するようになって、良好なろう付けはできていない。
このように、共晶温度が低いＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系の合金を粉末状態でろう材として用い、さらにＣｓＦを含ませて溶融温度を下げたフッ化物系フラックスを用いることにより、共晶温度が低いアルミニウム合金鋳物も、低いろう付け温度で問題なくろう付けすることが可能になる。

ダイカスト部材を用いた液冷部品の断面構造を説明する図

符号の説明

１：ダイカスト製ケース ２：水路部材

Claims (9)

1. Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるとともに、不純物としてＦｅ：０．２５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｚｎ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを、ろう付けされるアルミニウム合金鋳物又は他方の被ろう付け部材のろう付け部表面に塗布した後、アルミニウム合金ろう材スラリーが塗布されたろう付け部に他方の被ろう付け部材を組み付け、その組み付け体を加熱することを特徴とするアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
2. 粉末状アルミニウム合金ろう材が、アルミニウム合金溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られたものである請求項１に記載のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
3. 加熱が、組み付け体を昇温された炉内に装入することによりなされる請求項１又は２に記載のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
4. ろう付けが、５３０〜５７０℃の温度範囲の加熱により行われる請求項１〜３の何れか１項に記載のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
5. 加熱炉が、不活性ガス雰囲気炉である請求項１〜４の何れか１項に記載のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
6. ろう付けされるアルミニウム合金鋳物のろう付け部表面にアルミニウム合金ろう材スラリーが塗布された後、アルミニウム合金展伸材或いはアルミニウム合金鋳物が組み付けられる請求項１〜５の何れか１項に記載のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
7. アルミニウム合金鋳物がＡｌ−Ｓｉ系合金からなるダイカスト製品である請求項６に記載のアルミニウム合金鋳物のろう付け方法。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のろう付け方法を利用して、水路構造を有するアルミニウム合金鋳物にアルミニウム合金製蓋を水密接合した液冷部品。
9. 請求項１〜７の何れか１項に記載のろう付け方法を利用して、アルミニウム合金製水路部材とダイカスト製アルミニウム合金ケースを水密接合した液冷部品。

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