JP4808877B2 - 自己ロウ付けクラッド材料及び自己ロウ付けクラッド材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野及び従来の技術】
Cuクラッドのステンレス又はカーボンスチールは、熱交換器などの多数の接合部を必要とする自己ロウ付け(self-brazing)用途において用いられている。Cuクラッドを有する自己ロウ付け合金は、ロウ付けの間に良好な濡れを与え、フラックスの使用を不要とする。ロウ付け合金を適切な基板材料にロールボンディング(roll bonding)して複合層を形成することにより、材料は多くの要件を同時に満たすことになる。これらの要件の例は、機械的強度、化学的耐性、及び熱伝達である。一方では、自己ロウ付け法は部材の複雑さを低減して堅固な結着を確実にする。熱交換器用途のために市販されている自己ロウ付け合金は、機械的強度及び腐食耐性のために選択されるステンレス及びカーボンスチールの基板合金を具備する市販の純粋なCuをロウ付け層として使用するように設計されていた。よって、従来の自己ロウ付け材料から製造されるロウ付けされた組立物の有用な上限温度は、Cu合金の酸化耐性によって制限されている。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
現在、高温の熱交換器は、殆どがNi-ベースのロウ付け合金でロウ付けされており、それらは必要な薄い寸法(gauge)を得るために迅速な固化プロセスによって製造される。迅速に固化されるNiロウ付け合金のコストは高く、得られる寸法及び合金化学特性は限られている。しかしながら、熱交換器の酸化耐性要件及びハニカム構造が、ロウ付け組立物におけるCu合金の使用を不可能にしている。よって、高温において使用でき、なおかつコスト効率も良好な自己ロウ付け合金が求められている。
【0003】
【課題を解決するための手段】
Al及び/又はNi含有Cu合金は、市販の純粋なCu合金に比較して優れた酸化耐性を示した。Al及びNi含有Cu合金の酸化重量増加が減少したという観察は、これらの合金を、通常用いられている市販の純粋なCuに置き換える自己ロウ付け層として、及びNi-ベースのロウ付け合金の代替物として使用するという発想を促す。
【0004】
本発明は、経済的なロールボンディング法によって製造される高温用途のための自己ロウ付け合金を記述する。ロールボンディング法においては、Al及びNi含有Cu合金片(strip)が適切な基板合金の一方又は両方の面に被覆される。(ロウ付け組立物を製造するためにフラックスを適用することもそれを除去することも必要ない。フラックスの初期の購入コスト並びに洗浄副生成物の廃棄に関連するコストが大きく削減できる。)Al及びNi含有の自己ロウ付け層は、必要なAl及びNi添加物を含むCu合金あるいはCu/Al又はCu/Niの複合物のいずれかでありうる。さらに、この複合物はCu/Al又はCu/Niに限られず、例えば、Cu/Al/Cu又はCu/Ni/Cuであってもよい。
【0005】
【発明の実施の形態】
新規な自己ロウ付け合金は、市販の純粋なCu合金を、実質的に添加物を有するCu、Al又はNi合金からなるクラッドで置き換えることにより開発された。Al、Ni含有Cu合金は、Cu/Al又はCu/Ni層の複合物で置き換えることもできる。さらに、Cu/Al又はCu/Ni層は、Cu/Al/Cu、Al/Cu/Al、Ni/Cu/Ni及びCu/Ni/Cuの3層融合物(infusion)とすることもできる。元素層法(elemental layers approach)は、入手可能な市販の合金による制限をなくす。自己ロウ付け層の化学特性は、層の比率を調節することにより変化させ、特に腐食及び酸化耐性の要件を満たすようにすることができる。例えば、向上した酸化耐性は、Al含有量を従来のインゴット材料から実現可能なものを越えるレベルまで増大させることにより得られる。Zn及びPb等の従来の合金における通常の望ましくない元素は、市販の純粋なCu、Al及びNi合金を使用した場合と同様に排除される。市販の純粋なCu、Al及びNiの入手可能性は、特定の市販のAl及びNi含有Cu合金より極めて広範である。この方法には、自ずから明らかな更なる利点がある。一例は、寸法及び仕上げ条件が、従来の金属片加工装置を適用することにより得られることである。
【0006】
【実施例】
(1)(参考例)市販のAl及びNi含有Cu合金のロールボンディング:
市販のAl含有Cu合金(CDA6155)をステンレススチール基体にロールボンディングし、次いで厚み0.17”まで冷間圧延した。CDA6155は、5.5%Al、1.5%Fe、1%Ni、0.8%Zn及び0.05%Pbという名目上の組成を持つCu合金である。CDA705(10重量%Ni)及びCDA725(25重量%Ni)といった市販のNi含有Cu合金もステンレススチール基体にロールボンディングして、同様に0.017”寸法まで圧延することができた。
【0007】
(2)片面Cu-Ni及びCu-Al自己ロウ付け合金のロールボンディング:
316ステンレススチールの一方の面に、Cu-Ni及びCu-Al複合層をロールボンディングした。表1は、層の組み合わせと層比率を列挙している。Ni-Cu及びAl-Cuの層配列は、ロウ付け及び合金化に対する影響を実験するために変化させた。Alに対するCuの比率も、合金組成に対する影響を実験するために変化させた。ロールボンディングした片を0.017”寸法まで冷間圧延し、仕上げた寸法試料を断面化することより層比率を測定した。
【0008】
【表1】
表1 片面自己ロウ付けCu合金の接合パッケージ
【0009】
(3)両面Cu/Al積層自己ロウ付け合金のロールボンディング:
5層のCu/Al/SS/Al/Cuの自己ロウ付け合金を、AISI347ステンレススチール基体に市販の純粋な1350Al及びCDA110Cuをロールボンディングし、次いで0.017”寸法まで冷間圧延することにより製造した。CDA110Cuの厚みを変化させて異なる層比率の値を得た。表2に示した寸法のCu及びAl片を洗浄し、ブラシをかけ、ロールボンドして所謂B-プレートをまず形成した。このB-プレートを0.0045”の厚みまで冷間圧延した。2枚のB-プレート及び347ステンレススチール片を洗浄してブラシをかけ、次いで0.025”寸法にロールボンドした。接合された5層材料を0.017”の最終寸法まで冷間圧延した。5層複合物の一方の面の最終的な層比率を表2に示す。図1は、2つのCu/AlB-プレートを用いて仕上げられた5層のCu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金を得るためのロールボンディングプロセスを模式的に示している。仕上げられた5層複合物の代表的な断面を図2に示す。
【0010】
【表2】
表2 両面自己ロウ付けCu合金の接合パッケージ
【0011】
(4)(参考例)ロールボンディングした市販のCu合金のロウ付け:
(1)の参考例から得られたロールボンディングしたCDA6155及びCDA725自己ロウ付け合金の真空ロウ付けを、拡散ポンプを備えた真空装置中で実施した。ロウ付け温度は、合金データシートから、又はデータが入手できない場合は示差熱分析(DTA)技術から得たCu合金の融点に基づいて選択した。仕上げ寸法を持つ自己ロウ付け合金の平板を波形のステンレススチールにロウ付けした。ロウ付けした接合部の断面を試験して流動挙動を評価した。表3は、3つの合金のロウ付け条件及びロウ付け接合部の品質を示す。
【0012】
Al含有Cu合金(CDA6155)を有する自己ロウ付け合金は、均一な濡れを促進するために酸化物スケールを除去するためのロウ付け前の酸エッチング処理を必要とした。CDA6155自己ロウ付け合金のエッチング無しでのロウ付けは、不均一な濡れをもたらし、局在化したロウ付け合金の蓄積として現われた。市販のNi含有Cu合金(CDA725)を持つ自己ロウ付け合金は、真空ロウ付け操作に先立つ溶媒脱脂以外に特別な表面処理を必要としなかった。
【0013】
【表3】
表3 市販のAl及びNi含有自己ロウ付けCu合金のロウ付け条件
【0014】
(5)片面のCu-Ni及びCu-Al自己ロウ付け合金のロウ付け:
実施例(2)からの片面Cu/Ni及びCu/Al自己ロウ付け合金の真空ロウ付けを、拡散ポンプを備えた真空装置中で実施した。ロウ付け温度は、標的とする合金の化学特性に従って選択し、DTA技術により確認した。仕上げ寸法を持つ自己ロウ付け合金の平板を波形のステンレススチールにロウ付けした。ロウ付けした接合部の断面を試験して流動挙動を評価した。表4は、3つの合金のロウ付け条件及びロウ付け接合部の品質を示す。
【0015】
【表4】
表4 片面Cu-Ni及びCu-Al自己ロウ付け合金のロウ付け条件
【0016】
ステンレススチールにロウ付けしたAl/Cu/SS合金のロウ付け接合部は、自己ロウ付け合金がロウ付け操作の前に分解した場合には不均一な濡れを示した。これは、Al表面の安定なスケール(scale)が均一な濡れを妨害したと考えられる。このことは、ロウ付け接合部が良好な品質であり均一に濡れるCu/Al/SS自己ロウ付け合金の場合とは対照的である。Cu-Ni系では、外層としてNiを持つ自己ロウ付け合金(Ni/Cu/SS)は、良好な接合部を得るためにより高いロウ付け温度を必要とした。図3は、1200℃の温度でのロウ付けについてのロウ付け接合部を示し、図4は、1130℃でロウ付けされた同じクラッド合金を示す。Cu/Ni/SS自己ロウ付け合金については、より低いロウ付け温度が使用可能である(図5参照)。
【0017】
(6)両面Cu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金のロウ付け:
表5は、Alに対するCu比率が異なる実施例(3)からの両面Cu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金のロウ付け条件、表面処理、及びロウ付け品質を列挙する。全てのロウ付け接合部が、ロウ付け操作前の最小の表面処理でも均一な濡れを示す。典型的なロウ付け接合部の断面を図6に示す。
【0018】
【表5】
表5 両面Cu/Al/SS/Al/Cuのロウ付け条件及びロウ付け品質
【0019】
(7)両面Cu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金の酸化:
両面Cu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金のクーポン(coupon)を真空中で加熱処理してロウ付け条件を擬した。これらの熱処理クーポンを、600℃で100時間後の重量増加を測定することにより酸化試験した。比較を目的として、市販のCu-クラッド自己ロウ付け合金である、市販のCDA6155クラッド自己ロウ付け合金も真空中で加熱処理して酸化試験した。結果を表6にまとめた。従来のCuクラッド自己ロウ付け合金は、酸化物スケールの破砕により大きな重量損失を示した。市販のAl含有Cu(CDA6155)自己ロウ付け合金は、Cuに対するAlの比率が最も低いCu/Al/SS/Al/Cu合金に匹敵する重量増加を示した。Cuに対するAlの比率が増加した合金では重量増加が低下した。
【0020】
【表6】
表6 600℃で100時間におけるCu、CDA6155及びCu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金の酸化重量増加
【0021】
(8)Ni含有Cu合金の酸化。
2つのNi含有Cu合金を600℃で100時間酸化試験して、スケーリング耐性のために望ましいNi含有量を同定した。Cu合金(CDA110)及びAl含有Cu合金(CDA6155)についての酸化の結果も比較のために表7に含めた。Cu合金では有意な重量損失が観察された。程度は少ないが、10%Ni含有Cu合金もかなりの重量損失を示した。これらの比較して、30%Ni-Cu及びAl含有Cu合金は、全てが酸化試験中に重量増加を示した。
【0022】
【表7】
表7 600℃で100時間におけるCu、CDA6155及びNi含有自己ロウ付け合金の酸化重量増加
【0023】
(9)自己ロウ付け層としてのCu/Al/Cu:
交互のCu/Al/Cu3層の自己ロウ付けB-プレートを評価した。Cu/Al/Cu型B-プレートのロールボンディングは、前記の実施例に記載したのと類似の手法で実施した。出発時のCuは、各々厚み0.0085”及び0.0055”のCDA122であった。Alは、厚み0.0075”のA1145型であった。表8に、Cu/Al/Cu自己ロウ付け層を評価するためにロールボンディングされるCu/Al/Cu片をまとめた。
【0024】
【表8】
表8 Cu/Al/CuのB-プレートの出発条件及び名目上の合金組成
【0025】
これらのCu/Al/CuB-プレートは、AISI316Lステンレススチール又はINCO625片に更にロールボンディングして自己ロウ付け材料を製造するか、又は厚み0.002”まで冷間圧延して、直線(straight)ロウ付け合金として使用した。自己ロウ付け材料、並びに直線ロウ付け合金は、各々1080℃においてAISI316LSS又はINCO625に真空ロウ付けした。ロウ付け接合部は、光学又は電子顕微鏡により冶金学的に試験した。ロウ付け接合部は均一な合金混合及びボイドの充填を示した。
【0026】
ロウ付け合金化学組成:
(1)Al及びNi:
これらは、Cu合金表面に保護的スケールを提供するのに必要な合金元素である。有意な酸化耐性を付与するのに最小のAl含有量は2重量%である。合金により多くのAlを添加することにより安定なスケールを形成する傾向が増大し、合金融点の急速な下降が合金の高温での有用性を低下させると仮定することは合理的である。Al含有量の実際的な上限は20重量%であり、この組成において合金の融点は約900℃である。安定なスケールは、20重量%のNiでCuNiにおいて維持される。Niの添加は合金の融点を急速に向上させ、ロウ付け操作に影響を与える。
【0027】
(2)Si:
Siは有効な融点抑制剤であるが、スケール保護という付加的な利点はAlより劣る。融点下降は非常に急速に起こり、添加可能なSiの量は3重量%未満に限られるべきである。
【0028】
(3)Sn及びZn:
これらは、Cu合金中に副生成物として存在する通常の合金元素である。これら2つの元素は、Cu合金の強化元素として添加される。これらは、高蒸気圧元素であり、真空ロウ付けプロセスに悪影響を与える可能性があるため排除される。
【0029】
(4)Pb:
PbはCu合金の機械加工性を向上させるために添加される。Pbは高蒸気圧元素であり、真空ロウ付けプロセスに悪影響を与える可能性があるため排除されるべきである。
【0030】
(5)Fe、Co、Cr:
これらの元素は強化のために添加され、市販のCu合金では不可避である。これらの元素のさらなる供給源は、真空ロウ付けプロセスにおける基板合金の分解である。これらの元素はCu合金の融点を上昇させ、濡れ完了以前のロウ付け合金の凝固を避けるために最小にすべきである。
【0031】
(6)基体合金:
自己ロウ付けCu合金より高い融点を持つ任意の金属性合金が使用できる。ステンレススチール、オーステナイト又はフェライトは、これらの合金がAl及びNi含有Cu自己ロウ付け合金に匹敵する酸化及び腐食耐性を有するので好ましい。それにも関わらず、Ni又はCoに基づく他の高温合金は、同様に基体材料として好ましい。
【0032】
まとめ:
Al及びNi含有Cu合金は、ステンレススチール及びNiベースの合金基体に良好にロールボンディングされ、高温用途のための自己ロウ付け材料を形成する。
【0033】
高温用途のために、自己ロウ付け層中のAl含有量は2から100重量%まで、好ましくは2から30重量%まで変化させることができ、Niは10から100重量%、好ましくは20から40重量%まで変化させることができる。合金は、酸化耐性に影響を与えずに、Fe、Co、Cr及びAg等の他の成分を含有してもよい。Zn、Pb及びAs等の市販のCu合金中の他の不可避な成分は酸化特性に影響しないことがわかったが、毒性又は真空中の高蒸気圧のために除くべきである。
【0034】
高温の自己ロウ付け用途のための望ましいAl及びNi含有合金の化学特性は、適切な比率の個々の合金層をステンレススチール基体にロールボンディングすることにより得られる。そのようにして製造された自己ロウ付け合金は、ロウ付け処理を施したとき、望ましい化学特性を持つロウ付けをもたらす。
Al含有Cu自己ロウ付け合金は、市販のCu自己ロウ付け合金に比較して優れた酸化耐性を示す。Al含有量の増加は酸化耐性を向上させる。
【0035】
多重層の自己ロウ付け材料については、Cuを表面層として有するのが好ましい。Al合金は、外層として用いて環境に曝された場合、材料のロウ付け挙動に悪影響を与える安定なスケールを形成する傾向がある。Cu合金は、従来の洗浄方法によって容易に洗浄できる。
また、Cu/Ni/SS合金においてもCuを表面層として有するのが好ましい。Cuに比較して高いNiの融点は、層の完全な混合を得るためにより高いロウ付け温度を必要とする。
【0036】
多重層の自己ロウ付け材料中のAl層は、基体上に高いAl層を形成することにより更なる酸化耐性を与える。このAl富化層はロウ付けサイクル中に形成され、基体に良好に結合する。
Cu/Al/SSのロウ付け温度は、Cu/SS自己ロウ付け合金に匹敵するものである。Cuが外層であるという事実は、片が従来のCu/SS自己ロウ付け合金と同様に洗浄され取り扱われることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 5層のCu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金を得るためのロールボンディングプロセスを示す模式図である。
【図2】 自己ロウ付け操作のためのCu/Al/SS/Al/Cu自己ロウ付け合金の5層複合物の断面を示す図である。
【図3】 1200℃でロウ付けしたNi/Cu/SS接合部の断面を示す図である。
【図4】 1130℃でロウ付けしたNi/Cu/SS接合部の断面を示す図である。Ni層の不完全な溶融によるボイドが見られる。
【図5】 1130℃でロウ付けしたCu/Ni/SS接合部の断面を示す図である。
【図6】 1130℃でロウ付けしたCu/Al/SS/Al/Cu接合部の断面を示す図である。
Claims (42)
- 基板金属合金を提供し、銅とアルミニウムとからなるクラッドを提供し、前記クラッドを前記基板金属合金に圧着し、前記クラッドを接合させて前記基板金属合金上にロウ付け層を形成する工程を含み、前記基板金属合金が前記クラッドより高い融点を有することを特徴とする自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 基板金属合金を提供し、銅とニッケルとからなるクラッドを提供し、前記クラッドを前記基板金属合金に圧着し、前記クラッドを接合させて前記基板金属合金上にロウ付け層を形成する工程を含み、前記基板金属合金が前記クラッドより高い融点を有することを特徴とする自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記圧着がロールボンディングしてロールボンドされた複合体を形成する工程を含む、請求項1又は2に記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記クラッドが、市販の純粋な銅及び市販の純粋なアルミニウムの層を含む、請求項3記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、2重量%のアルミニウムから100重量%のアルミニウムを含むクラッドを形成するように選択される、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、2重量%のアルミニウムから30重量%のアルミニウムを含むクラッドを形成するように選択される、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、5重量%のアルミニウムと残余の銅とからなるクラッドを形成するように選択される、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、前記ロールボンディング工程の前に、各々0.030インチ及び0.0075インチである、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、前記ロールボンディング工程の前に、各々0.030インチ及び0.012インチである、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記基板金属合金がステンレススチールである、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記ロールボンドされた複合体を最終寸法まで冷間圧延する工程をさらに含む、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記最終寸法が0.017インチである、請求項11記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記層が、前記基板金属合金の各面上にある、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅が前記複合体の各面の外層をなす、請求項13記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅が前記複合体の一方の外層をなす、請求項4記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記基板金属が前記複合体の他方の外層をなす、請求項15記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記基板金属合金がステンレススチールである、請求項16記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 前記クラッドが、市販の純粋な銅及び市販の純粋なニッケルの層を含む、請求項3記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びニッケル層の厚みが、10重量%から100重量%のニッケルを含むクラッドを形成するように選択される、請求項18記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びニッケル層の厚みが、20重量%から40重量%のニッケルを含むクラッドを形成するように選択される、請求項18記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びニッケル層の厚みが、25重量%のニッケルと残余の銅とからなるクラッドを形成するように選択される、請求項18記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 銅及びニッケル層の厚みが、前記ロールボンディング工程の前に、各々0.030インチ及び0.010インチである、請求項18記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
- 基板金属合金シートとクラッドとを有し、当該クラッドが銅及びアルミニウムからなり、それらが互いに及び前記基板金属に冶金学的に接合されて複合体を形成してなることを特徴とする自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記アルミニウムが、前記クラッドの2%重量から100重量%をなす、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記アルミニウムが、前記クラッドの2重量%から30重量%をなす、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記アルミニウムが、前記クラッドの5重量%をなす、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、各々0.030インチ及び0.0075インチである、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、各々0.030インチ及び0.012インチである、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記基板金属合金がステンレススチールである、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記銅及びアルミニウムの層が、前記基板金属シートの各面に冶金学的に接合された、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅が前記複合体の各面の外層をなす、請求項30記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅が前記複合体の一方の外層をなす、請求項23記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記基板金属合金が前記複合体の他方の外層をなす、請求項32記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記基板金属合金がステンレススチールである、請求項33記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 基板金属合金シートとクラッドとを有し、当該クラッドが銅及びニッケルからなり、それらが互いに及び前記基板金属に冶金学的に接合されて複合体を形成してなることを特徴とする自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記ニッケルが、前記クラッドの10重量%から100重量%をなす、請求項35記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記ニッケルが、前記クラッドの20重量%から40重量%をなす、請求項35記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記ニッケルが、前記クラッドの25重量%をなす、請求項35記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅及びアルミニウム層の厚みが、各々0.030インチ及び0.010インチである、請求項35記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 前記基板金属合金がステンレススチールである、請求項35記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅が前記複合体の外層をなす、請求項35記載の自己ロウ付けクラッド材料。
- 銅及びニッケル層の厚みが、30重量%から40重量%のニッケルを含むクラッドを形成するように選択される、請求項18記載の自己ロウ付けクラッド材料の製造方法。
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