JP5695490B2

JP5695490B2 - アルミニウム合金製ブレージングシート

Info

Publication number: JP5695490B2
Application number: JP2011105475A
Authority: JP
Inventors: 柳川　裕; 裕柳川
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: JP2012236201A

Description

本発明は、フラックスを用いないアルミニウム合金のろう付に使用するブレージングシートに関し、特に、所定の合金組成とクラッド構成を有し、良好なろう付性が得られるブレージングシートに関する。

アルミニウム材料は熱伝導性が高く軽量であるため、自動車用をはじめとする多くの熱交換器に使用されている。内部に水やオイル等を循環して熱交換させる熱交換器は、タンク、チューブ、フィン等の部材から構成され、各部材はろう付により金属的に接合されている。ろう付により製造される熱交換器を構成するアルミニウム材料としては、心材となるアルミニウム合金板の片面又は両面にろう材等をクラッドしたブレージングシートが用いられる。

一般的には、ブレージングシートの心材合金としては、溶融温度が６００℃以上のアルミニウム合金が用いられ、クラッドされるろう材合金としては、溶融温度が６００℃以下のＡｌ−Ｓｉ系合金が用いられる。このブレージングシートにより熱交換器の部材を作製して組み合わせて６００℃前後の温度に加熱することにより、ブレージングシートのろう材部のみ溶融させて他部材とろう付することで熱交換器を作製することができる。このようなブレージンシートを使用することにより、熱交換器を構成する多数の部材を一度にろう付することができるため、ブレージングシートは熱交換器用の材料として広く利用されている。

主に実用化されているろう付方法としては、真空ろう付法とノコロックろう付法が挙げられる。真空ろう付法では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなるろう材が用いられる。真空中で加熱することによりろう材中のＭｇが材料から蒸発し、その際に材料表面の酸化皮膜を破壊してろう付を可能にするものである。しかしながら、真空ろう付法は高価な真空加熱装置を必要とする欠点がある。一方、ノコロックろう付法では、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材が用いられる。フラックスを塗布した後に不活性ガス中で加熱し、フラックスにより材料表面の酸化皮膜を破壊してろう付を可能にするものである。しかしながら、フラックス塗布において塗りムラがあるとろう付不良の原因となるため、フラックスを必要箇所に均一に塗布することが必要であった。

これらに対して、高価な真空加熱装置やフラックスを用いずに不活性ガス中で加熱することによりろう付を可能にするろう付方法が提案されている。特許文献１には、Ｍｇを含有するろう付品を炭素質カバーで覆って加熱し、フラックスを用いずにろう付する方法が記載されている。この方法では、Ｍｇにより炭素質カバー内の酸素濃度を低減し、酸化を防止することでろう付を可能にする。また、特許文献２には、ろう材にＭｇを含有したクラッド材を使用して熱交換器を構成し、フラックスを用いずにろう付する方法が記載されている。この方法では、ろう材中のＭｇにより表面の酸化皮膜を除去することで、ろう付を可能にしている。
特開２００７−０４４７１３号公報特開２００７−１９０５７４号公報

本発明は、フラックスを使用しない不活性ガス中でのろう付に使用するブレージングシートであって、所定の合金組成とクラッド構成を有することで、良好なろう付が可能なブレージングシートの提供を目的とする。

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた結果、心材とろう材と薄皮材からなる所定のクラッド構成を有するブレージングシートにおいて、ろう材および薄皮材中のＳｉとＭｇの含有量を制御することにより、短時間のろう付加熱で良好なろう付が可能となることを見出した。

すなわち本発明は、心材の片面または両面にろう材をクラッドし、ろう材の心材と接する反対の面に薄皮材をクラッドしたブレージングシートにおいて、ろう材はＳｉを５〜１５ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．１〜５ｍａｓｓ％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であり、薄皮材はＳｉを２〜１０ｍａｓｓ％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金であり、Ｍｇを０．０５ｍａｓｓ％以下とすることを特徴とする、不活性ガス中でフラックスを使わないろう付用のアルミニウム合金製ブレージングシートとした。

本発明のブレージングシートを使用することにより、フラックスを使わずに良好なろう付性を有するろう付製品を製造することが可能になる。

ろう付性評価のために作製したブレージングシートの構成を示す図である。ろう付性評価のための隙間充填試験片であって、ろう付前の状態を示す正面図である。ろう付性評価のための隙間充填試験片であって、ろう付後の状態を示す正面図である。

以下に、本発明について詳細に説明する。

本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートを用いたろう付方法は、ろう材にＭｇを含有したブレージングシートを用いて、フラックスを使用せず不活性ガス中でろう付加熱される。ろう付を可能にするためには、ブレージングシートの表面とろう付の相手材表面に存在する酸化皮膜を破壊して、溶融したろう材により両材料が金属的に接合することが必要である。本ろう付方法では材料の表面に存在する酸化アルミニウムを、ろう材中のＭｇにより還元、破壊してろう付を可能にしている。しかし、一般的なフラックスによる酸化アルミニウムの破壊に比べて、Ｍｇによる破壊力は弱く、材料の酸化状態に影響を受けやすい。特に、材料表面に酸化マグネシウムの皮膜が形成されていると、ろう材中のＭｇでの酸化膜還元は不可能となり、ろう付性は大きく低下する。

本発明のブレージングシートではろう付加熱の昇温過程において、材料表面に酸化マグネシウムが形成するのを抑制するため、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなるろう材の表面にＭｇの含有量を制限したＡｌ−Ｓｉ系合金の薄皮材をクラッドした材料構成とした。ろう付加熱の雰囲気ガスと接触するのは、Ｍｇを含まない薄皮材であるため、昇温中に材料表面に酸化マグネシウムが生成することはなく、酸化アルミニウムに覆われた状態を維持する。Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金のろう材が溶融する温度に到達すると、表面の薄皮材もほぼ同時に溶融を開始し、Ｍｇを含有するろう材は薄皮材の溶融部を優先的に通過し材料表面に到達する。このろう材中のＭｇにより、材料表面の酸化膜およびろう付相手材の酸化膜を還元破壊し、良好なろう付性が得られるのである。

Ａ．ろう材のＳｉ含有量
ろう材のＳｉ含有量は５〜１５％とする必要がある。ろう材のＳｉ含有量が５％未満の場合には、ろう付温度において生成する溶融ろう材の量が少なくなりろう付性が低下する。一方、ろう材のＳｉ含有量が１５％を超える場合には、ろう材の液相温度が上昇するとともに心材へのろう拡散が顕著になりろう付性が低下する。

Ｂ．ろう材のＭｇ含有量
ろう材のＭｇはろう材の溶融時に材料表面の酸化膜およびろう付相手材の酸化膜を還元破壊する作用があり、Ｍｇ含有量は０．１〜５％とする必要がある。ろう材のＭｇ含有量が０．１％未満の場合には、酸化膜の破壊作用が不十分であり、ろう付性は低下する。一方、ろう材のＭｇ含有量が５％を超える場合には、ろう材の溶融後に酸化マグネシウムの生成が顕著になり、ろう付性が低下する。

なお、ろう材にはＭｇ、Ｓｉのほかに、０．０１〜０．５％のＢｉ、０．５〜８％のＣｕ、０．５〜６％のＺｎ等の元素が含有されていてもよい。Ｂｉはろうの流動性を改善してろう付性を高めることができる。Ｃｕ、Ｚｎはろう材の融点を下げ、低温でのろう付を可能にする。更に、不可避的不純物として０．１〜１．５％のＦｅ、０．０５〜０．２％のＴｉ等の元素が含有されていてもよい。

Ｃ．薄皮材のＳｉ含有量
薄皮材のＳｉはろう付加熱によりろう材が溶融した時に、速やかに薄皮材が溶融することにより、Ｍｇを含有するろう材を材料表面に到達させるために必要である。薄皮材のＳｉ含有量は２〜１０％とする必要がある。薄皮材のＳｉ含有量が２％未満の場合には、ろう材溶融しても薄皮材はほとんど溶解せずに残っているため、ろう材中のＭｇが材料表面に到達する経路が十分に確保できないため、材料表面の酸化皮膜を破壊することができず、ろう付性が低下する。一方、薄皮材のＳｉ含有量が１０％以上の場合、溶融したろう材の流動と、溶融した薄皮材の流動がほぼ同時に発生するため、材料表面のＭｇ濃度が一気に上昇し、材料表面に酸化マグネシウムを形成するため、ろう付性が低下する。

薄皮材のＳｉ含有量は、ろう材のＳｉ含有量よりも少なくするのが好ましく、ろう材のＳｉ含有量の半分以下にするのがより好ましい。この場合、ろう材が流動する温度に達した時、薄皮材はまだ一部に固相を有した部分溶融状態であり、ろう材は薄皮材に覆われた状態を保持し、酸化マグネシウムの生成が抑制される。温度の上昇とともにろう材中のＭｇは薄皮材の溶融部を通って、徐々に表面に出て酸化膜を還元破壊し、ろう付が行われる。このようにろう材中のＭｇが時間差をもって表面に拡散し、酸化膜破壊に有効に働くため、ろう付性はより向上する。

Ｄ．薄皮材のＭｇ含有量
薄皮材のＭｇ含有量は０．０５％未満とする必要がある。薄皮材のＭｇ含有量が０．０５％以上だとろう付の昇温中に材料表面に酸化マグネシウムを生成し、ろう付性は低下する。

Ｅ．薄皮材の厚さ
薄皮材の厚さは１〜５００μｍが好ましい。薄皮材の厚さが１μｍ未満だと、ろう付の昇温中にろう材から薄皮材へのＭｇの固相拡散により、薄皮材のＭｇ濃度が上昇してしまうため、材料表面に酸化マグネシウムを形成してろう付性は低下する。一方、薄皮材の厚さが５００μｍを超えると、ろう材のＭｇが薄皮材を通って材料表面に到達するのに時間を要し、酸化膜の還元破壊作用が十分に行われないため、ろう付性は低下する。

Ｆ．心材
心材に用いるアルミニウム合金はろう付加熱温度よりも高い固相線温度を有するアルミニウム合金を用いる。フラックスを用いるろう付ではフラックスとの反応によりろう付性を低下させるＭｇ量は規制されるが、本発明はフラックスを用いないのでＭｇ量は規制されず、ろう付後強度の高い合金を用いることができる。

Ｇ．ろう付条件
ろう付は、ろう材の溶融温度以上の温度に加熱すればよく、本発明においては５９０〜６１０℃に加熱することによりろう付が可能となる。保持時間は３〜１０分が適当である。

ろう付加熱する雰囲気に用いる不活性ガスとしては、工業的に使用される窒素ガスやアルゴンガスが挙げられる。ろう付を可能にするためには、Ｍｇの酸化をできるだけ抑制するとともに、Ｍｇにより酸化膜が還元破壊された部位の再酸化を抑制することが必要であり、雰囲気中の酸素濃度は低い方が安定したろう付を可能となるため、１００ｐｐｍ以下とするのが好ましく、２５ｐｐｍ以下とするのがより好ましいい。低酸素の雰囲気を得るためには、ろう付内部の不活性ガスと接触する炉の構成部材の一部に炭素材を用いた加熱炉を使用するのが好ましい。炉の構成部材としては、炉内壁、バッフル、被ろう付物搬送用のメッシュベルト等が挙げられる。炭素材は、不活性ガス中に微量に存在する酸素と反応してＣＯが生成するため、炉内の酸素濃度を低下することができる。既存のろう付炉でろう付する場合は、炉内に炭素材を別途設置する方法も可能である。

また、炉内への微量な酸素の混入は、主に被ろう付物より取り込まれることが多い。特に熱交換器のように被ろう付物内部に中空構造を有する場合は、内部に存在する酸素は十分に置換されないために炉内雰囲気中の酸素濃度低減の妨げとなる。そのため、予熱室、ろう付加熱室からなる複数の炉室を備えたろう付炉を使用し、予熱中に十分に酸素濃度を低減することで、より低酸素濃度雰囲気中でろう付加熱することが出来る。また、被ろう付物を炉内に挿入後、炉内を真空脱気し、その後に不活性ガスを吹き込むことにより炉内の雰囲気ガスを置換することで、炉内の酸素濃度上昇を防ぐことができる。雰囲気ガスを置換する装置を備えたろう付炉は、短時間のうちに安定したろう付性が得られるので工業的に好ましい。

次に、本発明を本発明例及び比較例に基づき説明する。

表１に示す組成の合金を鋳造した。Ａ１は６００℃で均質化処理を行った後、両面を面削して厚さ４２ｍｍとし、ブレージングシートの心材とした。ろう材用の合金Ｂ１〜Ｂ１１は熱間圧延により厚さ７ｍｍに、薄皮材用の合金Ｃ１〜Ｃ７は熱間圧延と冷間圧延により厚さ１ｍｍにそれぞれ圧延した。表２に示すように「薄皮材／ろう材／心材」の順に組み合わせ、５００℃に加熱してクラッド圧延を行い、さらに冷間圧延により厚さ０．５ｍｍとした後に焼鈍を施し、図１に示す３層構成のブレージングシート試料を作製した。薄皮材のクラッド厚さは１０μｍ（クラッド率２％）、ろう材のクラッド厚さは７０μｍ（クラッド率１４％）である。

上記のようにして作製したブレージングシート試料のろう付性を、図２に示す隙間充填試験により評価した。ブレージングシート試料を７０×２０ｍｍに切断して、薄皮材を設けた面を上面として水平板（２）とした。板厚１．０ｍｍのＪＩＳＡ３００３のベア材を６０×２０ｍｍに切断したものを、垂直板（１）とした。垂直板（１）は、厚さ辺と長辺とから成る側面が水平板（２）のろう材面に対向するように、水平板（２）に対して垂直に立てられる。φ２．０ｍｍのステンレス線を隙間形成用のスペーサー（３）とし、水平板（２）と垂直板（１）の接触部（６）の位置から水平板（２）の長辺方向に沿って５０ｍｍ離間した位置に、水平板（２）の短辺方向に沿って設置した。このようにして、隙間充填試験片を作製した。

フラックスを塗布せずに、隙間充填試験片をろう付した。炉内に不活性ガスとして窒素ガスを流し炉内の酸素濃度を２０ｐｐｍ以下に調整した雰囲気中で、加熱してろう付を実施した。隙間充填試験片の温度を測定し、温度が６００℃となるまでの到達時間が１０分程度となるような昇温条件で加熱した後、隙間充填試験片を６００℃で３分間保持し、その後冷却して炉外に取り出した。

図３に示すように、ろう付後の隙間充填試験片について、水平板（２）と垂直板（１）の接点からフィレット（４）が形成された長さを測定し、隙間充填長さ（５）とした。測定した隙間充填長さを表２に示す。隙間充填長さを下記の基準で評価した。

◎：隙間充填長さが３０ｍｍ以上
○：隙間充填長さが２０以上３０ｍｍ未満
△：隙間充填長さが１６以上２０ｍｍ未満
×：隙間充填長さが１６ｍｍ未満
◎と○と△を合格とし、×を不合格とした。

本発明例１〜１７では隙間充填長さが１６ｍｍ以上となって良好なろう付性を示した。

比較例１は薄皮材のＳｉ含有量が少なすぎたのでろう付性が不合格であった。

比較例２はろう材のＳｉ含有量が少なすぎたのでろう付性が不合格であった。

比較例３はろう材のＭｇ含有量が少なすぎたのでろう付性が不合格であった

比較例４はろう材のＭｇ含有量が多すぎたのでろう付性が不合格であった

比較例５はろう材のＳｉ含有量が多すぎたのでろう付性が不合格であった

比較例６は薄皮材のＭｇ含有量が多すぎたのでろう付性が不合格であった

本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートを使用することにより、フラックスを用いずに不活性ガス中で加熱することで優れたろう付け性を得ることが出来る。

１薄皮材
２ろう材
３心材
４垂直材
５水平材
６スペーサー
７フィレット
８隙間充填長さ
９接触部

Claims

心材の片面または両面にろう材をクラッドし、ろう材の心材と接する反対の面に薄皮材をクラッドしたブレージングシートにおいて、ろう材はＳｉを５〜１５ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．１〜５ｍａｓｓ％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であり、薄皮材はＳｉを２〜１０ｍａｓｓ％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ系合金であり、Ｍｇを０．０５ｍａｓｓ％以下とすることを特徴とする不活性ガス中でフラックスを使わないろう付用のアルミニウム合金製ブレージングシート。