JP4726455B2 - アルミニウム合金材のろう付け方法およびアルミニウム合金製熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム合金材の接合方法に関するものであり、さらに詳しくはマグネシウムを含有したアルミニウム合金材のノコロックブレージング方法に関するものである。また、上記ろう付け方法によりろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法に関するものである。
自動車用熱交換器などアルミニウム製品の接合は、不活性ガス雰囲気中で、フッ化物系フラックスを用いたろう付け方法により行われる。このろう付け方法はノコロックブレージング法と呼ばれ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる芯材の片面、または両面にAl−Si系のJIS4045合金（Al−10質量％Si）やJIS4343合金（Al−7．5質量％Si）などのろう材を5〜15％のクラッド率で合わせたブレージングシートや上記合金のろうワイヤーを使用し行なわれる。そして該ブレージングシートを成形加工したり、被接合部位にろうワイヤーを配置し製品を組み立てる。次いでKAlF4，K2AlF5，K2AlF5・H2O，K3AlF6などを主成分とするフッ化物系フラックスを水または他の溶液で5質量％程度に懸濁、アルミニウム部材に塗布した後、酸素濃度を1000ppm以下、露点を−35℃以下であるろう付け炉で窒素ガスなどの不活性雰囲気中で所定温度に加熱するものである。
アルミニウム合金はマグネシウムを含有することで強度が高められる。その結果、製品の軽量化、薄肉化が達成される。しかし、従来のノコロックブレージング法の場合、フラックス中のフッ素とアルミニウム合金中のマグネシウムが反応し、アルミニウム表面にフッ化マグネシウム（MgF2）などの高融点化合物が形成される。この反応は、フラックスの有する酸化皮膜を除去する効果を低下させ、さらにろう材の濡れ広がりを阻害し、ろう付け性を低下させると考えられている。マグネシウムを含有するアルミニウム合金材をノコロックブレージングする方法としては、ブレージングシートのろう材とマグネシウムを含有した芯材の界面にマグネシウムの拡散バリア層を設け、フラックスとマグネシウムの反応を抑制させる方法（たとえば、特許文献１参照。）、またはセシウム(Cs)をフラックスに含有しフッ化マグネシウムなどの高融点化合物の生成を抑制させる方法（たとえば、特許文献２参照。）などがある。拡散バリアを設ける方法では、ろう付け加熱時のマグネシウムの拡散距離よりもバリア層を厚くする必要があるため、ブレージングシート自身を薄くすることが出来なくなってしまう。さらにセシウムを含有するフラックスは非常にコストが高いため、量産性に劣るという欠点があった。
本発明の目的は、フッ化物系フラックスを用いマグネシウム含有アルミニウム合金材をろう付けする方法を提供することにある。さらに、フッ化物系フラックスを用いたマグネシウム含有アルミニウム合金材の、良好で安価なろう付け方法を提供することにある。
上記の課題は以下の手段によって達成された。
（１）不活性ガス雰囲気中で、フッ化物系フラックスを用いて行う、アルミニウム合金材のろう付け方法であって、ろう材の流動開始温度をＴｆ、前記フラックスの流動開始温度をＴｓとした場合に、Ｔｓ≦Ｔｆ≦Ｔｓ＋１５℃であることを特徴とするアルミニウム合金材のろう付け方法、
（２）上記アルミニウム合金が0．05質量％以上、2質量％以下のマグネシウムを含有することを特徴とする（１）のアルミニウム合金材のろう付け方法、
（３）上記フラックスの流動開始後、60秒以内に上記ろう材が流動開始することを特徴とする（１）または（２）のアルミニウム合金材のろう付け方法、
（４）上記ろう材の固相線温度と液相線温度の差が30℃以内であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１つに記載のアルミニウム合金材のろう付け方法、
（５）上記フラックスの固相線温度と液相線温度の差が30℃以内であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載のアルミニウム合金材のろう付け方法。
（６）（１）〜（５）のいずれか１つに記載のろう付け方法によりろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
（２）上記アルミニウム合金が0．05質量％以上、2質量％以下のマグネシウムを含有することを特徴とする（１）のアルミニウム合金材のろう付け方法、
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（５）上記フラックスの固相線温度と液相線温度の差が30℃以内であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載のアルミニウム合金材のろう付け方法。
（６）（１）〜（５）のいずれか１つに記載のろう付け方法によりろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
以上のように、本発明のマグネシウム含有アルミニウム合金材のろう付け方法は、フッ化物系フラックスの流動開始温度と同等以上、かつフラックスの流動開始温度より15℃高い温度以下に流動開始温度を持つろう材を適用することでマグネシウム含有アルミニウム合金材を、フッ化物系フラックスを用いてろう付けすることが可能となるものである。さらに、本発明のマグネシウム含有アルミニウム合金材のろう付け方法は、良好で安価なろう付けを可能にするものである。
本発明者は鋭意研究を行なった結果、フラックス中のフッ素とアルミニウム合金中のマグネシウムはフラックス溶融後ただちに反応するのではなく、フラックスが溶融し、次いで流動を開始する温度より15℃程度高い温度、またフラックスの流動開始から60秒後程度から急激に反応を開始することを確認した。従って、フラックス中のフッ素とマグネシウムの反応による酸化皮膜除去の効果を失う前にろう材を流動させることで、優れたろう付け性が得られることを見出した。
本発明のろう付け方法について、マグネシウム含有量、フラックスの流動開始温度Ｔｓおよびろう材の流動開始温度Ｔｆ、フラックスの流動開始からろう材の流動開始までの時間、固相線温度と液相線温度の差について、その限定理由を説明する。
本発明のろう付け方法において、ろう付け性の最も重要な要件は、フラックスとろう材の流動開始温度である。ここで言うフラックスおよびろう材の流動開始温度は、ろう付け加熱過程においてフラックスやろう材が溶融し、濡れ広がりを開始する温度と定義する。フラックス、ろう材の多くは固相線温度と液相線温度が異なり、昇温途中に固体―液体混合の状態になるが、液相の比率が約70％になったときに流動を開始する。したがって、流動開始温度は固相線温度と液相線温度の間にあり、その温度差を100とした際に固相線温度から約70ほど高い温度と定義できる。またフラックス、ろう材を、高温顕微鏡を用いてその場観察を行い、実際に濡れ広がる温度で示すこともできる。
本発明のろう付け方法において、ろう付け性の最も重要な要件は、フラックスとろう材の流動開始温度である。ここで言うフラックスおよびろう材の流動開始温度は、ろう付け加熱過程においてフラックスやろう材が溶融し、濡れ広がりを開始する温度と定義する。フラックス、ろう材の多くは固相線温度と液相線温度が異なり、昇温途中に固体―液体混合の状態になるが、液相の比率が約70％になったときに流動を開始する。したがって、流動開始温度は固相線温度と液相線温度の間にあり、その温度差を100とした際に固相線温度から約70ほど高い温度と定義できる。またフラックス、ろう材を、高温顕微鏡を用いてその場観察を行い、実際に濡れ広がる温度で示すこともできる。
ＴｆはＴｓ以上が好ましい。ろう材がフラックスよりも先に流動した場合、フラックスがアルミニウム表面に広がり酸化皮膜を除去する前に、ろう材がアルミニウム表面を覆ってしまうためである。
また、ＴｆはＴｓより１５℃高い温度以下が好ましい。Ｔｓより１５℃高い温度付近から急激にフラックスとマグネシウムが反応しフッ化マグネシウムなどの化合物を生成し、ろう材の濡れ広がりが劣化するためである。特に好ましいＴｆは、Ｔｓより１０℃高い温度以下である（Ｔｓ≦Ｔｆ≦Ｔｓ+１０℃）。
また、ＴｆはＴｓより１５℃高い温度以下が好ましい。Ｔｓより１５℃高い温度付近から急激にフラックスとマグネシウムが反応しフッ化マグネシウムなどの化合物を生成し、ろう材の濡れ広がりが劣化するためである。特に好ましいＴｆは、Ｔｓより１０℃高い温度以下である（Ｔｓ≦Ｔｆ≦Ｔｓ+１０℃）。
アルミニウム合金中のマグネシウム含有量は、0．05質量％以上、2質量％以下が好ましい。これは、0．05質量％未満ではフラックスとの反応が少なく、従来のろう付け工法でもろう付けが可能なためである。また、2質量％を超えた場合には、ろう付け加熱時にフラックス中のフッ素と速やかに反応しフッ化マグネシウムなどの高融点化合物を形成し、ろう付け性を阻害するためである。特に好ましいマグネシウムの含有量は、0．1質量％以上、1．5質量％以下である。
ろう材が流動を開始するのは、フラックスの流動開始後60秒以内が好ましい。通常の昇温条件でろう付けを行った場合、フラックスの流動開始後60秒程度から急激にフラックスとマグネシウムが反応しフッ化マグネシウムなどの化合物を生成し、ろう材の濡れ広がりが劣化するためである。特に好ましいろう材の流動開始のタイミングはフラックスの流動開始後40秒以内である。一方、流動開始タイミングに差が無くてもよいが、好ましくは、ろう材が流動を開始するのがフラックスの流動開始後５秒以降である。
ろう材の固相線温度と液相線温度の差は30℃以下が好ましい。ろう材が溶融してから流動開始までに時間がかかるため、その間にフラックスとマグネシウムが反応しフッ化マグネシウムなどの化合物を生成し、ろう材の濡れ広がりが劣化するためである。特に好ましい温度差は20℃以下である。ろう材は、従来の2元系のAl−Siろう材以外に、より低温で溶融するものでもよい。このようなろう材を使用する場合には、ろう付け加熱時の到達温度を低下させることが可能となる。特開平６−５５２９３公報に記載の方法のように、ろう付け温度を低下させることにより、例えば熱交換器の場合、フィン材の熱伝導率や高温座屈性の向上、ブレージングシートの場合、エロージョンの抑制や元素拡散を減少による耐食性の向上、またろう付け炉の寿命が延びるような効果も有する。一方、ろう材の固相線温度と液相線温度の差が無くてもよいが、好ましくは１０℃以上である。
フラックスの固相線温度と液相線温度の差は30℃以下が好ましい。フラックスが溶融してから流動開始までの時間が長くなり、フラックスが付着している部分でマグネシウムとの反応が進み、その部分でのろう付け性を阻害するためである。特に好ましい温度差は15℃以下である。一方、フラックスの固相線温度と液相線温度の差が無くてもよいが、好ましくは５℃以上である。
フラックスはKAlF4，K2AlF5，K2AlF5・H2O，K3AlF6からなる成分の少なくと一種が主成分として用いられるが、その他のフラックスであってもよい。好ましくはKAlF4とK2AlF5・H2Oとの混合物、またはKAlF4とK3AlF6との混合物である。
流動開始温度、固相線温度、および液相線温度の調整は、フラックス中のKAlF4とK2AlF5・H2Oの混合比によって調節することができる。KAlF4の混合量が多いと流動開始温度が高くなり、固相線温度と液相線温度の差が大きくなる。
さらに、流動開始温度、固相線温度、および液相線温度を調整するためその他の元素を添加しても構わない。
流動開始温度、固相線温度、および液相線温度の調整は、フラックス中のKAlF4とK2AlF5・H2Oの混合比によって調節することができる。KAlF4の混合量が多いと流動開始温度が高くなり、固相線温度と液相線温度の差が大きくなる。
さらに、流動開始温度、固相線温度、および液相線温度を調整するためその他の元素を添加しても構わない。
また、ろう材としてはAl−Si系のろう材を用いるが、その他のろう材であってもよく、流動開始温度、固相線温度、および液相線温度を調整するために亜鉛、銅などの成分を添加しても構わない。
流動開始温度、固相線温度、および液相線温度は、ろう材中のケイ素、亜鉛、銅の組成により適宜調整することが可能である。好ましい組成は、ろう材全体の質量を１００％として、ケイ素が7〜12質量％、亜鉛が0.5〜6質量％、銅が0.5〜8質量％の範囲である。
さらに、流動開始温度、固相線温度、および液相線温度を調整するためその他の元素を添加しても構わない。
流動開始温度、固相線温度、および液相線温度は、ろう材中のケイ素、亜鉛、銅の組成により適宜調整することが可能である。好ましい組成は、ろう材全体の質量を１００％として、ケイ素が7〜12質量％、亜鉛が0.5〜6質量％、銅が0.5〜8質量％の範囲である。
さらに、流動開始温度、固相線温度、および液相線温度を調整するためその他の元素を添加しても構わない。
本発明を適用するろう付け品の構成としては、例えば熱交換器のフィン材やコネクタ材のようにマグネシウム含有アルミニウム合金のベア材をブレージングシートのろう材や置きろうを用いてろう付けする場合や、芯材にマグネシウムを添加したブレージングシートにする場合など、アルミニウム合金材のろう付けであれば、いずれの構成でも構わない。
以下に本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
表1、2に示す組成のろう材と芯材の合金を金型に鋳造し、芯材は面削で厚さ45mmに仕上げ、ろう材は面削後に熱間圧延し厚さ5mmに仕上げた。
前記芯材の片面にろう材を重ね、500℃にて熱間圧延して厚さ3mmのクラッド材とし、次いでこれを板厚1mmに冷間圧延し、さらに360℃で2時間、焼鈍を行いブレージングシートとした。このブレージングシートに占めるろう材のクラッド率は10％である。
得られたブレージングシートを幅25mm、長さ70mmに切断し、t=1mmのJIS3003合金のベア材と組み合わせ、逆T字継ぎ手試験を実施した。
前記芯材の片面にろう材を重ね、500℃にて熱間圧延して厚さ3mmのクラッド材とし、次いでこれを板厚1mmに冷間圧延し、さらに360℃で2時間、焼鈍を行いブレージングシートとした。このブレージングシートに占めるろう材のクラッド率は10％である。
得られたブレージングシートを幅25mm、長さ70mmに切断し、t=1mmのJIS3003合金のベア材と組み合わせ、逆T字継ぎ手試験を実施した。
試験方法を以下に述べる。
ろう付け試験における試験材の組み立て状態を示す斜視図、図１のように、下板であるブレージングシート２と、上板であるJIS3003合金材１を、ブレージングシートのろう材２ａの面とJIS3003合金材１が接するように組み合わせた。ブレージングシートの芯材２ｂはブレージングシートのろう材２ａの下に配置した。
ろう付け試験における試験材の組み立て状態を示す斜視図、図１のように、下板であるブレージングシート２と、上板であるJIS3003合金材１を、ブレージングシートのろう材２ａの面とJIS3003合金材１が接するように組み合わせた。ブレージングシートの芯材２ｂはブレージングシートのろう材２ａの下に配置した。
これらを水道水で5質量％に懸濁したフラックスを塗布し、十分乾燥させた後、NB炉で600℃×3分間のろう付け加熱を実施した。ろう付け性は接合部であるフィレット３の断面組織を観察して評価した。表3に試験で使用したフラックスの流動開始温度、固相線温度、および液相線温度を示す。フラックスの固相線温度と液相線温度はKAlF4，K2AlF5・H2Oの混合比や製造方法を変えることで調節した。フラックス１５、１６およびフラックス１７における混合比は、質量比で、KAlF4：K2AlF5・H2Oでそれぞれ、70：30、90：10、95：5である。
材料の組み合わせ、評価の結果を表4に示す。ろう付け性の項目において、○が良好な結果を示した試料であり、×はろう付け性が低下した試料である。
本発明のアルミニウム合金材のろう付け方法によってろう付けされた試料No.A〜O （実施例）は、良好なろう付け性を示した。
試料No.Q（比較例）は、ろう材の流動開始温度が590℃とフラックスの流動開始温度568℃より22℃高く、またフラックスの流動後、ろう材の流動開始まで88秒と長いため、ろう材の流動開始前にフッ化マグネシウムなどの高融点化合物を生成してしまい、ろう切れが発生した。
試料No.R（比較例）は、ろう材の流動開始温度が595℃と高く、とフラックスの流動開始温度568℃より27℃高く、またフラックスの流動後、ろう材の流動までの時間が108秒であり、ろう材の流動開始前にフッ化マグネシウムなどの高融点化合物を生成してしまい、ろう切れが発生した。
試料No.S（比較例）は、ろう材の流動開始温度が558℃とフラックスの流動開始温度より低く、フラックスの流動前にろう材が溶融し接合部を覆ってしまう部分が存在するため、部分的にろう切れが存在した。
試料No.T（請求項２に係る発明の比較例）は、ブレージングシート芯材のマグネシウムの含有量が2．2質量％と高く、速やかにフッ化マグネシウムが形成されろう切れが発生した。
試料No.U（請求項５に係る発明の比較例）は、フラックスの固相線温度と液相線温度の差が38℃であり流動性が劣り、フラックスが流動しない部分が生じるため部分的にろう切れが発生した。
試料No.P（参考例）は、マグネシウムが含有されていないので、フラックスとろう材の流動開始温度の差が22℃と大きいが、良好なろう付け性を示した。
本発明のアルミニウム合金材のろう付け方法によってろう付けされた試料No.A〜O （実施例）は、良好なろう付け性を示した。
試料No.Q（比較例）は、ろう材の流動開始温度が590℃とフラックスの流動開始温度568℃より22℃高く、またフラックスの流動後、ろう材の流動開始まで88秒と長いため、ろう材の流動開始前にフッ化マグネシウムなどの高融点化合物を生成してしまい、ろう切れが発生した。
試料No.R（比較例）は、ろう材の流動開始温度が595℃と高く、とフラックスの流動開始温度568℃より27℃高く、またフラックスの流動後、ろう材の流動までの時間が108秒であり、ろう材の流動開始前にフッ化マグネシウムなどの高融点化合物を生成してしまい、ろう切れが発生した。
試料No.S（比較例）は、ろう材の流動開始温度が558℃とフラックスの流動開始温度より低く、フラックスの流動前にろう材が溶融し接合部を覆ってしまう部分が存在するため、部分的にろう切れが存在した。
試料No.T（請求項２に係る発明の比較例）は、ブレージングシート芯材のマグネシウムの含有量が2．2質量％と高く、速やかにフッ化マグネシウムが形成されろう切れが発生した。
試料No.U（請求項５に係る発明の比較例）は、フラックスの固相線温度と液相線温度の差が38℃であり流動性が劣り、フラックスが流動しない部分が生じるため部分的にろう切れが発生した。
試料No.P（参考例）は、マグネシウムが含有されていないので、フラックスとろう材の流動開始温度の差が22℃と大きいが、良好なろう付け性を示した。
１ JIS3003合金材
２ ブレージングシート
２ａ ブレージングシートのろう材
２ｂ ブレージングシートの芯材
３ フィレット
２ ブレージングシート
２ａ ブレージングシートのろう材
２ｂ ブレージングシートの芯材
３ フィレット
Claims (6)
- 不活性ガス雰囲気中で、フッ化物系フラックスを用いて行う、アルミニウム合金材のろう付け方法であって、ろう材の流動開始温度をＴｆ、前記フラックスの流動開始温度をＴｓとした場合に、Ｔｓ≦Ｔｆ≦Ｔｓ＋１５℃であることを特徴とするアルミニウム合金材のろう付け方法。
- 上記アルミニウム合金が0．05質量％以上、2質量％以下のマグネシウムを含有することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のろう付け方法。
- 上記フラックスの流動開始後、60秒以内に上記ろう材が流動開始することを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム合金材のろう付け方法。
- 上記ろう材の固相線温度と液相線温度の差が30℃以内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合金材のろう付け方法。
- 上記フラックスの固相線温度と液相線温度の差が30℃以内であ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合金材のろう付け方法。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載のろう付け方法によりろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法。
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