JP5649405B2 - フラックスレスろう付用アルミニウム合金ブレージングシートおよびアルミニウム材のフラックスレスろう付け方法 - Google Patents
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Description
上記フラックスを用いる場合、多くがろう付け対象部材をプレス成形等で加工後、所望の組み付け状態とし、フラックス粉末を溶媒に溶いた混濁液を組み付け体に塗着・乾燥させ、高純度窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で加熱ろう付けしている。この場合、フラックスを使用すること自体、或いは、その塗布工程の設置や管理にコストを要するという問題がある。また、フラックスは、その一部がろう付け加熱過程で蒸発し、炉内壁に付着、堆積することが知られており、堆積物の除去を目的とした定期的な炉のメンテナンスも必要コストとして生じる。そして昨今、自動車の軽量化促進に伴い、自動車用熱交換器でも材料の薄肉高強度化が求められ、アルミニウム材料の高強度化には、アルミニウム合金へのMg添加が有効であることは一般的に知られているが、フラックスを用いたろう付けではMgとフラックスが反応して高融点のMgF2を生成することから、これがろう付け阻害要因となったり、材料中のMgを消費してしまうため、折角添加したMgが高強度化にあまり役立たないという問題がある。すなわち、フラックスろう付けでは製品中のMg添加部位や量に制限があり、積極的に材料高強度化手法として用いることができていないのが現状である。
本発明ではAl−Si系合金をベースとしたろう材が使用され、下記含有量でSiおよびMgを必須成分として含有する。該ろう材は、残部をAlと不可避不純物とするものであってもよく、また、上記Si、Mgの作用を損なわない限りは他の成分を含有するものであってもよい。
SiはAlに含有することにより、その融点を低下させ、ろう付温度にて溶融して所定の継手を形成する基本的な元素である。ろうとして機能する適正な含有量の範囲として、3〜13%とする。3%未満では生成する液相量が不足するため十分な流動性が得られず、13%を超えると初晶Siが急激に増加して加工性が悪化するとともに、ろう付時に接合部のろう侵食が著しく促進される。同様の理由でSi含有量の望ましい下限は5%、上限は12%である。
Mgは材料表面に生成する緻密なアルミニウムの酸化皮膜(A1203)をろう付加熱時に還元、分解して、接合性とろうの濡れ性を向上する効果を有する。本発明において十分な接合を得るためのMg含有量は0.1〜5.0%である。0.1%未満では本発明の効果であるろう付時接合面の酸化皮膜破壊効果が得られず、5.0%を越えるとその効果が飽和し、かつ、アルミニウム材料の加工性に難を生じる。
本発明では、上記Mg成分範囲における酸化皮膜破壊活動のみでもろう付性を確保できるが、さらに、Mg含有量を最適化してAl−Si−Mg系ろう材の固相線温度の低下効果を利用すれば、優れたろう付性を発揮できる。この場合のMgの最適含有量は、Si含有量により変動するが、例えばSi含有量が6〜12%の場合は、Mg含有量は0.75〜1.5%が好ましい。この範囲であれば、ろうの融点低下が十分に得られ、Mgによる酸化皮膜破壊効果との相乗効果により、より良好なろう付性を得ることが可能となる。具体的には、Al−Si−Mg合金で最も低い固相線温度の559℃以上でろう付が可能となる。
Al−Si系ろう材は、少なくとも、ろう付に際し被ろう付け部材と接触密着する接触密着部の表面上に、無孔質陽極酸化皮膜を形成すると、この無孔質陽極酸化皮膜がバリアー層となり、ろう付熱処理過程での表面酸化皮膜成長を抑制し、ろう付熱処理中の酸化皮膜とアルミニウム材料の熱膨張率差による酸化皮膜破壊活動のみで、ろう付を得ることが可能となる。無孔質陽極酸化皮膜は、ろう材表面の全面に形成するものであってもよいが、本発明としては、少なくとも、ろう付に際し被ろう付け部材と接触密着する接触密着部の表面上に無孔質陽極酸化皮膜が形成されていればよい。また、接触密着部の表面の一部に無孔質陽極酸化皮膜が形成されているものも含まれる。但し、本原理のみでは、酸化皮膜破壊後の新生面再酸化防止作用がなく、必ずしも充分な接合率を安定的に得ることは難しいため、前記のようにろう材にMgを添加し、Mgによる酸化皮膜還元作用を併用して安定的なろう付性を確保する。
無孔質陽極酸化皮膜の厚さが0.1nm未満であると、ろう付熱処理時の酸化皮膜成長バリアー効果が低く、25nm超では、無孔質陽極酸化皮膜自体がろうの濡れ拡がり性を阻害する傾向が強まる。したがって、無孔質陽極酸化皮膜の厚さは0.1〜25nmが望ましい。なお、望ましい下限は0.5nm、望ましい上限は10nmである。
無孔質陽極酸化皮膜表面における欠陥部の総和の面積率を5%以下とすることで、バリアー効果によってろう付熱処理時の酸化皮膜成長を効果的に抑制することができる。
無孔質陽極酸化皮膜表面における欠陥部の面積率が5%を超えると、ろう付熱処理時のバリアー効果が十分に発揮されなくなる。したがって、欠陥部の面積率は5%以下が望ましい。同様の理由で、欠陥部面積率は1%以下であることがより望ましい。
無孔質陽極酸化皮膜の欠陥部の面積率は、陽極酸化処理の条件によって制御することができる。
Mg:0.1〜1.0%
本発明に用いるアルミニウムクラッド材の芯材組成は、特に限定されるものではなく、芯材にはMgを添加しなくても接合は可能である。しかし、本発明にてフラックスレスろう付を実現したことにより、芯材において高強度化を狙ったMg添加を積極的に行なうことも可能となる。
すなわち、Mgは、アルミニウム合金の強度を向上させる効果を有する。また、ろう付加熱中にろう材から拡散してきたSiとも反応し、同様の強度効果を有する。さらに一部はろう材中に拡散し、ろう材表面の酸化皮膜破壊、酸化皮膜成長抑制作用に寄与する。0.1%未満ではこれら効果が不十分であり、1.0%を超えると融点が低下し、芯材が溶融する。このため、Mg含有量は上記範囲が望ましい。
本発明に使用する上記クラッド材においては、少なくとも片面に上記Al−Si系ろう材がクラッドされていればよく、適宜、片面クラッド材と両面クラッド材を使い分けることができる。両面クラッド材では、芯材の両面にろう材がクラッドされているものであってもよく、また片面に上記ろう材がクラッドされ、他の片面に犠牲材等のその他の材料がクラッドされているものであってもよい。
ろう材以外の被ろう付け部材としては、一般的に用いられているアルミニウム合金であれば何れも問題なく使用可能である。
被ろう付け部材は、少なくとも、ろう付けに際しアルミニウム合金ブレージングシートと接触密着する接触密着部の表面上に、無孔質陽極酸化皮膜が形成されているのが望ましい。被ろう付け部材表面の無孔質陽極酸化皮膜は、前記ろう材における無孔質陽極酸化皮膜と同様に、ろう付熱処理過程での表面酸化皮膜成長を抑制し、ろう付熱処理中の酸化皮膜とアルミニウム材料の熱膨張率差による酸化皮膜破壊活動のみで、ろう付を得ることが可能となる。無孔質陽極酸化皮膜は、被ろう付け部材表面の全面に形成するものであってもよいが、本発明としては、少なくとも、ろう付に際しアルミニウム合金ブレージングシートと接触密着する接触密着部の表面上に無孔質陽極酸化皮膜が形成されていればよい。
被ろう付け部材に形成する無孔質陽極酸化皮膜は、ろう材のものと同様に、厚さが0.1〜25nmが望ましく、欠陥部面積率は5%以下が望ましい。
本発明を実施するに当っては、炉内雰囲気が大気であってもろう付は可能であるが、アルミニウム材料に多めのMgを添加し高強度化を図るような場合で、ろう付昇温過程に要する時間が長い場合等には、材料表面でMgO酸化皮膜成長が進み、ろう付後製品表面が黒ずむ等の外観不良を生じる可能性は考えられる。この場合は、ろう付雰囲気を高純度窒素ガス雰囲気等の非酸化性ガス雰囲気とすることで対策可能である。ガスとしては、他にアルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、水素、アンモニア、一酸化炭素等の還元ガスも使用できる。雰囲気中の酸素濃度管理範囲としては、5〜500ppmがよい。5ppm未満の場合は、接合に不具合は生じないが、雰囲気の管理に多量のガスを使用する等、製造コストの増大懸念が生じるためである。500ppm超ではろう材および被ろう付け部材の再酸化が進みやすくなり、特にろう材が表面にないベア構成部材とろう材間の接合が十分に得られない為である。雰囲気中の酸素濃度が低いほど接合状態は良好となるため、全ての接合部で安定した接合状態を得るには、ろうが溶融後の酸素濃度は50ppm以下に制御することが望ましい。
本発明の実施に当たり特に条件を制限するものではない。製品到達温度は使用するろう材の溶融温度(固相線温度)以上とする。本発明においては、Al−Si系ろう材合金の最も低い固相線温度である559℃以上でろう付ができるが、当然、従来からのAl−Siろう材によるろう付温度範囲も適用可能である。具体的には559〜620℃が良い。559℃未満ではろうが溶融しないためろう付ができず、620℃超ではろう侵食が顕著となり、製品形状の維持等に問題が生じるため好ましくない。但し、この温度範囲においても、ろうの合金組成によって固相線温度が低い場合には、ろう侵食が顕著になる場合もあり、その際は、この温度範囲の中で合金組成にあったろう付温度を選択するのが好ましい。昇温速度は、Mgの材料表面での酸化による変色抑制のため、20℃/min以上が望ましい。
質量%で、少なくともSiを3〜13%、Mgを0.1〜5.0%含有するAl−Si系ろう材と、芯材とは常法により製造することができる。両者またはこれに犠牲材などの他の材料とを重ねてクラッド圧延する。各層のクラッド率は本発明として特定されるものではない。
また、陽極酸化皮膜処理における電解条件等を適切に定めることで、得られた無孔質陽極酸化皮膜の皮膜欠陥部の面積率を5%以下にすることが望ましい。
上記アルミニウムクラッド材1は、前記Al−Si系ろう材3が、ベアフィン、無垢材コネクタなどの被ろう付け部材5に接触密着部6を介して接触密着するように組み付けられて、好適には熱交換器組立体などを構成する。なお、被ろう付け部材としては種々の組成のアルミニウム材料を用いることができ、本発明としては特定のものに限定されるものではない。
なお、本発明としては、減圧を伴わない非酸化性雰囲気の他に、減圧を伴う非酸化性雰囲気下で使用することも可能である。
アルミニウム合金クラッド材1は、上記実施形態と同様にして用意され、該アルミニウムクラッド材1のAl−Si系ろう材3の表面には、少なくとも、ろう付に際し被ろう付け部材5と接触密着する接触密着部6の表面上に無孔質陽極酸化皮膜4が形成されている。無孔質陽極酸化処理は、前処理を含めて前記実施形態と同様に行うことができる。無孔質陽極酸化皮膜4の膜厚は0.1〜25nmが望ましく、皮膜欠陥部の面積率を5%以下にすることが望ましい。
上記アルミニウムクラッド材1は、前記Al−Si系ろう材3が、被ろう付け部材5に接触密着部6を介して接触密着するように組み付けられて、好適には熱交換器組立体などを構成する。なお、被ろう付け部材としては種々の組成のアルミニウム材料を用いることができ、本発明としては特定のものに限定されるものではない。
表1に示す組成(残部Alと不可避不純物)のAl−Si系ろう材と、芯材とを熱間圧延および冷間圧延によってクラッドしたアルミニウムクラッド材を用意した。
上記アルミニウムクラッド材は、ろう材クラッド率10%、H14相当調質で、0.3mm厚に仕上げた。
作製したアルミニウムクラッド材について、上記実施形態に示した無孔質陽極酸化処理を行い、Al−Si系ろう材表面に無孔質陽極酸化皮膜を形成した。このとき、処理条件を変えて、無孔質陽極酸化皮膜の形成を行った。各無孔質陽極酸化皮膜の膜厚を表1に示した。
また、無孔質陽極酸化皮膜を形成した後、表面処理アルミニウム材料の陽極酸化皮膜の任意の表面を20箇所、5万倍の倍率で透過電子顕微鏡を用いて観察し、孔の面積率を測定した。この際、ろう材表面のSi粒子上には陽極酸化皮膜が形成されないため、可視面上のSi粒子面積は欠陥部面積率計算上の母数からは除き、視野中における欠陥部面積率を算出した。測定結果を表1に示した。
さらに被ろう付け部材としてJIS A3003合金、H14相当調質のアルミニウムベア材(0.1mm厚)のコルゲートフィン材を用意した。被ろう付部材表面についても、上記同様の無孔質陽極酸化皮膜処理を実施後、フィンに形成した。この結果、被ろう付部材表面には、各供試材のろう材面と同等の無孔質陽極酸化皮膜が形成されている。
本発明の上記アルミニウムクラッド材を用いて幅20mmの扁平電縫管を製作し、前記コルゲートフィン材と組合せてコア形状とした。コアサイズは、チューブ15段、長さ300mmの構成とした。
上記コアを窒素雰囲気中にて、590℃まで加熱するろう付熱処理を行った後、チューブとフィンの接合率を測定することでろう付性を評価した。ろう付の接合率は、以下の式で求め、その結果を表1に示した。なお、接合率は85%以上であれば良好と判断される。
ろう付接合率=(フィンとチューブの総ろう付接合長さ/フィンとチューブの総接触長さ)×100(%)
2 芯材
3 Al−Si系ろう材
4 無孔質陽極酸化皮膜
5 被ろう付け部材
6 接触密着部
Claims (6)
- 質量%で、Siを3〜13%、Mgを0.1〜5.0%含有するAl−Si系ろう材が芯材にクラッドされ、該Al−Si系ろう材は、少なくとも、ろう付に際し被ろう付け部材と接触密着する接触密着部の表面上に、表面における欠陥部の面積率が5%以下である無孔質陽極酸化皮膜が形成されていることを特徴とするフラックスレスろう付用アルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記無孔質陽極酸化皮膜は、0.1〜25nmの厚さを有することを特徴とする請求項1記載のフラックスレスろう付用アルミニウム合金ブレージングシート。
- 前記芯材は、質量%で、Mgを0.1〜1.0%含有するAl合金からなることを特徴とする請求項1または2に記載のフラックスレスろう付用アルミニウム合金ブレージングシート。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム合金ブレージングシートを用いて、減圧を伴わない非酸化性雰囲気で、加熱温度559〜620℃において、前記Al−Si系ろう材と被ろう付け部材とを接触密着させ、前記Al−Si系ろう材によりフラックスレスで接触密着部の密着面において前記芯材と前記被ろう付け部材とを接合することを特徴とするアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
- 前記被ろう付け部材は、少なくとも、ろう付に際し前記アルミニウム合金ブレージングシートと接触密着する接触密着部の表面上に、無孔質陽極酸化皮膜が形成されていることを特徴とする請求項4記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
- 前記無孔質陽極酸化皮膜は、0.1〜25nmの厚さを有することを特徴とする請求項5記載のアルミニウム材のフラックスレスろう付方法。
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