JP5915198B2 - アルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金部材と銅合金部材とを、ブレージングシートを用いて不活性ガス雰囲気中、無フラックスで面ろう付けする方法に関するものである。

近年、車載用ＩＧＢＴ等の発熱を面接触で冷却する熱交換システムの需要が高まっており、アルミニウム部材と銅部材とを面ろう付けする技術が必要とされている。例えば、銅板とセラミックスの板とを張り合わせた熱伝導性、電気的な絶縁性が良好な基板と、アルミニウム合金製の水冷部材とを接合する場合、前記基板の銅板と前記水冷部材のアルミニウム合金面とを面ろう付けする技術が必要とされる。
この面ろう付け技術においては、アルミニウム合金部材と銅板との間にろう材を挿入してろう付け加熱を行なうため、接合部に空隙欠陥等が生じやすく、フラックスを使用するとフラックスを封じ込めやすい構造となっている。したがって、ろう付け技術の中でも比較的難しい技術となっている。

一方、フラックスを使用しないアルミニウム部材と銅部材との面ろう付け接合技術として、真空ろう付け法を適用した面ろう付け接合技術が挙げられる。例えば非特許文献１には、アルミニウム板（Ａ１０５０）と無酸素銅板（Ｃ１０２０）の間にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｂｉ系箔ろう材（４１０４相当，融点：８３２Ｋ）を挟み込み、初期荷重０.１ＭＰａを付加し、真空炉中で７８３〜８２３Ｋ（５１０〜５５０℃）に保持して、面ろう付けする技術について提示されている。この非特許文献１に提示された技術では、ろう付け保持時間中にＣｕ母材中へのＡｌの拡散が活発化し金属間化合物δ相が生成し、さらに冷却時にＡｌ側において金属間化合物θ相が晶出し、このため継手強度（ろう付け強度）が低下することが示唆されている。

また特許文献１には、Ａｌ材とＣｕ材とを、ろう材を介して接合したろう接構体を作る場合に、予めＡｌ材とＣｕ材のうち少なくも一方の接合箇所にＮｉメツキを施しメツキ層を形成させ、その後に、ろう材、例えばＡｌ−Ｓｉ、又はＡｌ−Ｓｉを主体とする合金からなるろう材を用いてＡｌ材とＣｕ材とをろう接する技術が提示されている。
さらに特許文献２には、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合に際して、前記銅または銅合金製の部材の接合面に銀（Ａｇ）からなる金属層を形成し、この金属層と前記アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金製の部材の接合面とＡｌ−Ｓｉ系の合金ろう材を用いてろう付することにより、残存した前記金属層と、残存した前記金属層と、Ａｌ−Ａｇの金属間化合物が生成された領域が存在する反応層とを形成し、この反応層は前記ろう材、銀（Ａｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）の反応によって構成され、そのマトリックス相へ網目状に生成する前記Ａｌ−Ａｇの金属間化合物を存在させることを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金製の部材と銅または銅合金製の部材との接合方法が提示されている。

特開昭５６−１０９１５７ 特許第３９１７５０３号

軽金属溶接 Ｖｏｌ．４０（２００２）Ｎｏ．９，ｐ１３-２０

ところで、非特許文献１においては、Ａｌ−Ｃｕろう付け継手の破壊挙動が詳細に調べられており、最終破断位置の主要部はθ相とδ相という２種類の異なる金属間化合物間の界面ではなく、θ相内部であることが明らかにされている。そして同非特許文献１では、アルミニウム部材と銅部材とのろう付け接合時には、必然的にろう材の溶融凝固を伴うため、継手強度の向上に必要な程度に金属間化合物層の生成を制御することは原理的に困難であると結論づけている。また、同非特許文献１に提示された技術では、真空ろう付けを採用しており、このため生産性効率が低く、コストが高いという欠点がある。

さらに、特許文献１において提示された技術では、予めＡｌ材とＣｕ材のうち少なくとも一方の接合箇所にＮｉメツキを施しメツキ層を形成させる必要があり、特許文献２において提示された技術では、インサート材として高価な銀（Ａｇ）を使用しなければならず、コストが嵩み、工程も煩雑となるおそれがある。
このため、安定したろう付け品質を確保しつつ、しかもコストアップを招かないアルミニウム合金部材と銅合金部材とを面ろう付けする技術の開発が望まれている。

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、単層型ブレージングシートによってアルミニウム合金部材と銅合金部材とを不活性ガス雰囲気中で無フラックス面ろう付けする際に、金属間化合物層の成長を抑制させ、アルミニウム合金部材と銅合金部材間の熱伝導率を高く保ちつつ、ろう付け強度（せん断力）に優れた面ろう付けする技術を提供することを目的とするものである。

本発明のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法は、その目的を達成するために、Ｓｉ：１.０〜１２質量％、Ｍｇ：０.１〜５.０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、厚さ１５〜２００μｍのろう材からなる単層ブレージングシートを用いてアルミニウム合金部材と銅合金部材とを面ろう付けする方法であって、前記ブレージングシートをアルミニウム合金部材と銅合金部材との間に挟みこみ面接触させた状態で、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５１０℃以上５２０℃未満に５分以上保持しつつ、０.６ＭＰａ以上の面圧を付加しながら無フラックスでアルミニウム合金部材と銅合金部材とをろう付けすることを特徴とする。
ろう付け温度を５２０〜５５０℃にした際には２分以上の保持でよい。

前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのＣｕ、Ｍｎ、Ｚｎは、それぞれ１．０質量％未満とすることが好ましい。
また、前記ろう材は、厚さ１５〜１５０μｍ、さらには厚さ１５〜１００μｍとすることが好ましい。
さらに、面ろう付けされるアルミニウム合金部材としては、少なくとも固相線温度が５２０℃以上のものが好ましい。アルミニウム合金部材としては、固相線温度が５５０℃以上のものがより好ましい。アルミニウム合金部材としては、例えばＡＡ１０００系のように固相線温度が６００℃以上であるものがさらに好ましい。

さらにまた、面ろう付け時の前記不活性ガスが窒素ガスで、特に前記不活性ガスの酸素濃度は５００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。

本発明により提供されるアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法によると、アルミニウム合金部材と銅合金部材を不活性ガス雰囲気中においてフラックスフリーで、かつアルミニウム合金部材と銅合金部材との間に特定の面圧を付加して面ろう付けしている。このため、アルミニウム合金部材と銅合金部材間に発生しやすい空隙欠陥等を抑制することができ、結果として品質の安定した面ろう付けが行える。
上記面ろう付け方法によると、不活性ガス雰囲気中でのろう付けが可能であり、連続炉による生産方式を採用できるため、バッチ炉による真空ろう付けの場合に比べて、生産効率が高く、しかも単層型のブレージングシートを用いているため、全体として低コスト化が図れる。またアルミニウム合金部材と銅合金部材間に０.６ＭＰａ以上の面圧を付加してろう付けしているため、アルミニウム合金部材と銅合金部材間に挿入されたろう材は、溶融するとアルミニウム合金部材と銅合金部材間から効率良く排出されることとなる。このため、特にＡｌ側におけるθ相などの金属間化合物の生成を抑制することが可能となり、金属間化合物層の厚みを薄くすることができ、アルミニウム合金部材と銅合金部材間の熱伝導率を高く保ちつつ、ろう付け強度（せん断力）に優れた面ろう付けが行える。

逆Ｔ字試験片の形状を説明する図 金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片の形状を説明する図 せん断試験方法を説明する概念図 加圧式ろう付け試験治具を説明する概念図 金属間化合物層の厚み測定を説明する写真 化合物層の厚みに及ぼすろう付時の付加圧力の影響を示す図 せん断強度に及ぼす化合物層厚さの影響を示す図 熱伝導率に及ぼす化合物層厚さの影響を示す図 付加圧力０.２ＭＰａにおける断面金属組織を示す写真 付加圧力０.６ＭＰａにおける断面金属組織を示す写真 ろう付け温度と保持時間の影響を示す図 ろう材中のＭｇ添加量の影響を示す図 ろう材中のＳｉ添加量の影響を示す図 ろう材中の不純物含有量の影響を示す図 ろう材の厚さの影響を示す図 ろう付け雰囲気中の酸素濃度の影響を示す図

通常、面ろう付けする際は、接合するアルミニウム合金部材と銅合金部材との間にろう材を挿入してろう付け加熱を行なうため、必然的にろう材の溶融凝固を伴っている。すなわち、ろう付け後もアルミニウム合金部材と銅合金部材との間にろう材が残存する限り、継手強度の向上に必要な程度に金属間化合物層の生成を制御することは困難である。このため、ろう付け製品の品質にバラツキが生じ易い。
また、特許文献１に提示されるようにＡｌ材とＣｕ材のうち少なくとも一方の接合箇所にＮｉメツキを施す場合や、特許文献２に提示されるようにインサート材として高価な銀（Ａｇ）を使用する場合であっても、結局Ａｌ−Ｓｉ系の合金ろう材を用いてろう付けを行うため、コストが嵩み、工程も煩雑となる虞がある。
そこで、本発明者等は、従来技術に比べ低コストで品質の安定した面ろう付け法について鋭意検討を重ねる過程で、本発明に到達した。
以下にその詳細を説明する。

まず本発明は、アルミニウム合金部材と銅合金部材との間にＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系合金ろう材からなる極力厚さの薄い単層ブレージングシートを挟み込み、面接触させた状態で特定の面圧を付与してブレージングシートを十分に溶解させるとともに、アルミニウム合金部材と銅合金部材との界面を濡らしつつ溶融したろう材を界面から積極的に排出し、アルミニウム合金部材と銅合金部材との間に形成される金属間化合物層の厚みを薄くすることが可能な面ろう付け方法である。金属間化合物層の厚みを薄くすることができたために、ろう付け強度の高い接合体を得ることができている。

アルミニウム合金部材は、アルミニウム合金板であってもよいし、アルミニウム合金押出材やアルミニウム合金鋳物であっても構わない。同様に銅合金部材は、銅合金板であってもよいし、銅合金押出材や銅合金鋳物であっても構わない。例えばアルミニウム合金製の部品と銅合金製の部品同士が連結できるように係合部を設けて、当該係合部にブレージングシートを挟み込める部位を設けるようにしてもよい。要するに本発明において、被接合材はアルミニウム合金板や銅合金板に限定されず、少なくとも一部にろう付け可能な平滑面を有するアルミニウム合金製及び銅合金製のものであれば何であってもよい。

本発明の面ろう付け法を適用するアルミニウム合金部材としては、少なくとも固相線温度が５２０℃以上であるアルミニウム合金からなるものが好ましい。
後記で詳述するＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いるとき、当該ろう材を十分に溶解するためには、５１０℃以上のろう付け温度が必要であり、被接合材であるアルミニウム合金部材としてはその固相線温度が５２０℃以上であるものに適用することが必要である。被接合材であるアルミニウム合金部材の固相線温度が５２０℃未満であると、面ろう付けの加熱において、アルミニウム合金部材の少なくとも一部が溶解してしまう可能性がある。より好ましいアルミニウム合金部材の固相線温度は５５０℃以上である。さらに好ましいアルミニウム合金部材の固相線温度は６００℃以上である。

本発明の第一の特徴点は、コストを抑えるためにブレージングシートとして、所定の組成と厚みを有するろう材単層からなるものを使用した点にある。
そこで、まずろう材について説明する。
ろう材として、Ｓｉ：１.０〜１２質量％、Ｍｇ：０.１〜５.０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する合金であって、厚さが１５〜２００μｍのアルミニウム合金薄板を用いる。

Ｓｉ：１.０〜１２質量％
Ｓｉは、その含有量によってブレージングシートの液相線の温度を下げるとともに、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素である。Ｓｉ含有量が、１.０質量％に満たないと、ブレージングシートの液相線の温度が高くなりすぎて、所定のろう付け温度に到達してもブレージングシートの溶解が不十分となり、十分なろう付け強度（せん断応力）が得られない可能性がある。逆に、Ｓｉ含有量が、１２質量％を超えると、鋳造中に鋳塊中央部に初晶Ｓｉが析出（晶出）する可能性が高くなり、仮に健全な熱延板が得られたとしてもミクロ的に均質な組織のブレージングシートを得ることが困難となる。
したがって、ろう材中のＳｉ含有量は、１.０〜１２質量％の範囲とする。より好ましいＳｉ含有量は、２.０〜１２質量％の範囲である。さらに好ましいＳｉ含有量は、３．０〜１２質量％の範囲である。

Ｍｇ：０.１〜５.０質量％
Ｍｇは、自らが酸化されることにより、還元剤として作用するため、ろう付け加熱によるアルミニウム合金部材とブレージングシートのろう材との界面におけるアルミニウムの酸化を抑制し、面ろう付け中の濡れ性を改善するための元素であると考えられる。Ｍｇ含有量が、０.１質量％に満たないと、ろう付け温度や保持時間にもよるが、その効果が不十分となり、十分なろう付け強度（せん断応力）が得られない可能性がある。逆に、Ｍｇ含有量が、５.０質量％を超えると、鋳塊を熱延する際のロールへの負荷が大きくなり、また耳割れも生じるため、熱延が困難となる。ろう材の加工性を考慮すると、Ｍｇ含有量は、低い方が好ましい。
したがって、ろう材中のＭｇ含有量は、０.１〜５.０質量％の範囲とする。より好ましいＭｇ含有量は、０.１〜４.０質量％の範囲である。さらに好ましいＭｇ含有量は、０.１〜３.０質量％の範囲である。

残部はＡｌと不可避的不純物からなる。
不可避的不純物としてはＦｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ等が挙げられるが、これら元素については、Ｆｅ：１.０質量％未満、Ｃｕ：１.０質量％未満、Ｍｎ：１.０質量％未満、Ｚｎ：１.０質量％未満の範囲であれば、本発明の効果を妨げるものではない。したがって、不可避的不純物としての前記成分含有量はそれぞれ１.０質量％未満とすることが好ましい。

また、その他の不純物元素として、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｂ、Ｓｒ、Ｓｂ、Ｃａ、Ｎａ等も考えられるが、Ｃｒ：０.５質量％未満、Ｎｉ：０.５質量％未満、Ｚｒ：０.２質量％未満、Ｔｉ：０.２質量％未満、Ｖ：０.１質量％未満、Ｂ：０.０５質量％未満、Ｓｒ：０.０５質量％未満、Ｓｂ：０.０５質量％未満、Ｃａ：０.０５質量％未満、Ｎａ：０.０１質量％未満の範囲であれば、本発明に係るブレージングシートの性能特性を大きく阻害することがないため、不可避的不純物として含んでいてもよい。Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎについては、それぞれ０.０２質量％未満、その他各０.０２質量％未満であって、この範囲で管理外元素を含有しても本発明の効果を妨げるものではない。

ブレージングシートを構成するろう材の厚さ；１５〜２００μｍ
本願発明に係る単層型ブレージングシートを構成するろう材の厚みは、健全な面ろう付けを達成できる厚みであればよい。厚みが１５μｍ未満であると、十分なろう付け強度が得られない可能性がある。厚みが２００μｍを超えると、接合面から排出されるろう材の量が多くなりすぎて、コスト高となる。したがって、ろう材の厚みの範囲は、１５〜２００μｍとする。より好ましい厚みの範囲は、１５〜１５０μｍである。さらに好ましい厚みの範囲は、１５〜１００μｍである。

ろう材からなる単層型ブレージングシートの製造方法
例えば、１００μｍ厚さのろう材からなる単層型ブレージングシートであれば、以下のように製造する。
原料となるインゴット、スクラップ等を配合し、溶解炉に投入して、所定のろう材組成からなるアルミニウム溶湯を溶製する。溶解炉は、バーナーの火炎によって直接原料を加熱溶解するバーナー炉が一般的である。アルミニウム溶湯が所定の温度、例えば、８００℃に達した後、適量の除滓用フラックスを投入して、攪拌棒により溶湯の攪拌を行い、全ての原料を溶解する。その後、成分調整のため、追加の原料、例えばＭｇ等を投入し、３０〜６０分程度の鎮静を行った後、表面に浮遊するメタル滓を除去する。アルミニウム溶湯が所定の温度、例えば、７４０℃にまで冷却された後、出湯口から樋に出湯し、必要に応じて、インライン回転脱ガス装置、ＣＦＦフィルター等を通し鋳造を開始する。なお、溶解炉と保持炉が併設されている場合には、溶解炉で溶製された溶湯を保持炉に移湯した後、保持炉でさらに鎮静等を行ってから鋳造を開始する。

ＤＣ鋳造機のジャケットは、１本注ぎであってもよいが、生産効率を重視する多本注ぎのものであってもよい。例えば、７００ｍｍ×４５０ｍｍのサイズの水冷式鋳型内に、ディップチューブ、フロートを通して注湯しながら、鋳造速度６０ｍｍ／ｍｉｎで下型を下げ、水冷式鋳型下部において凝固シェル層に対して直接水冷（Direct Chill）を行いつつ、サンプ内の溶湯を凝固冷却せしめ、所定の寸法、例えば、７００ｍｍ×４５０ｍｍ×４５００ｍｍ寸法のスラブを得る。鋳造終了後、スラブの先端、後端を切断して片面２５ｍｍの両面面削を施し、４００ｍｍ厚さとしたスラブをソーキング炉に挿入して、４５０〜５４０℃×１〜１２時間の均質化処理（ＨＯ処理）を施す。均質化処理後、スラブをソーキング炉から取り出して、熱間圧延機によって何パスかの熱間圧延を施して、例えば、６ｍｍ厚の熱間圧延板コイル（Reroll）を得る。
この６ｍｍ厚の熱間圧延板コイルに何パスかの冷間圧延を施して、所定の厚さ、例えば、１００μｍ厚さのろう材からなる単層型ブレージングシートを得る。なお、冷間圧延工程において、冷間圧延板の加工硬化が著しい場合には、必要に応じて、コイルをアニーラーに挿入し、保持温度３００〜４５０℃の中間焼鈍処理を施して、冷間圧延板を軟化させることが望ましい。

本発明の第二の特徴点は、不活性ガス雰囲気下でフラックスを用いることなく、アルミニウム合金部材と銅合金部材間に特定の面圧を付加している点にある。このため、ろう材が溶融するとアルミニウム合金部材と銅合金部材間から効率良く排出され、特にＡｌ側におけるθ相などの金属間化合物の生成を抑制することが可能となり、金属間化合物層の厚みを薄くすることができ、アルミニウム合金部材と銅合金部材間の熱伝導率を高く保ちつつ、ろう付け強度（せん断力）に優れた面ろう付けが行える。

不活性ガス雰囲気下
前述のようにブレージングシート（ろう材）を十分に溶解して、アルミニウム合金部材と銅合金部材との界面を濡らして面ろう付けするためには、少なくとも保持温度５１０℃以上で所定時間保持することが必要である。
このため、ろう付け加熱中であっても、アルミニウム合金部材や銅合金部材のろう付け面の表面或いはブレージングシートのろう材面の酸化を抑制するために、不活性ガス雰囲気下で面ろう付けを行う必要がある。

不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が使用できる。また、不活性ガス中の酸素濃度は、５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。不活性ガス中の酸素濃度が５００ｐｐｍを超えると、面ろう付け後の接合強度（せん断応力）が低下する。より好ましい不活性ガス中の酸素濃度は１００ｐｐｍである。さらに好ましい不活性ガス中の酸素濃度は１０ｐｐｍ以下である。具体的には、工業用窒素ガスについては、酸素濃度１０ｐｐｍ以下と規格が定められているので、コスト面からも工業用窒素ガスを使用することが最も好ましい。
もちろん、ろう付け加熱中、ろう付け温度保持中及び冷却中は、加熱装置内を不活性ガス雰囲気で充満しておくことが好ましい。しかしながら、電磁誘導加熱のように急速加熱する場合には所定の保持温度に到達する前に、不活性ガスを噴射して加熱装置内の大気を不活性ガスに置換してもよい。

付加面圧；０.６ＭＰａ以上
本発明に係る面ろう付け方法において、所定の組成のブレージングシート（ろう材）を溶解して、ろう材とアルミニウム合金部材、ろう材と銅合金部材とを面接触させた状態で、ろう付け加熱を行うが、この際接合面に対して０.６ＭＰａ以上の面圧を付加しながら、所定のろう付け温度で保持する必要がある。もちろん、ろう付け加熱時には面圧を付加せずに、ろう材の溶融温度に到達する直前に、炉内に設置したプレス等によって接合面に対して０.６ＭＰａ以上の面圧を付加して面ろう付けを行ってもよい。

面圧が０.６ＭＰａ以上の場合、アルミニウム合金部材と銅合金部材間に挿入されたろう材は、溶融するとアルミニウム合金部材と銅合金部材との界面から効率良く排出されることとなる。このため、特にＡｌ側におけるθ相などの金属間化合物の生成を抑制することが可能となる。具体的には、例えば金属間化合物層の厚みを３０μｍ以下にすることができ、アルミニウム合金部材と銅合金部材間の熱伝導率を高く保ちつつ、ろう付け強度（せん断力）に優れた面ろう付けが行える。

面圧が０.６ＭＰａ未満の場合、アルミニウム合金部材と銅合金部材との間に挿入されたろう材は、溶融した後であってもアルミニウム合金部材と銅合金部材との界面から排出され難くなる。このため、銅合金部材表面から溶融ろう材中へのＣｕ原子の拡散が急速に進行し、ろう材を含むＡｌ側におけるθ相などの金属間化合物の生成を抑制することができない。結果として、金属間化合物層の厚みを薄くすることができず、アルミニウム合金部材と銅合金部材との界面の熱伝導率が低下するばかりでなく、十分なろう付け強度（せん断応力）を得ることができない。もちろん、面ろう付け後のアルミニウム合金部材と銅合金部材との界面の熱伝導率を高く維持しつつ、ろう付け強度（せん断応力）を十分に確保するためには、接合面に対して付加する面圧は高い方が好ましい。したがって、好ましい面圧は０.６ＭＰａ以上である。より好ましい面圧は１.０ＭＰａ以上である。

ろう付けの温度条件；５１０〜５５０℃に保持
本発明に係る面ろう付け方法において、所定の組成のブレージングシート（ろう材）を溶解して、アルミニウム合金部材と銅合金部材の界面を濡らすとともに、溶融したろう材をアルミニウム合金部材と銅合金部材との界面から排出しつつ、確実に面ろう付けを行うためには、少なくともろう付け温度５１０℃以上である必要がある。
ろう付け温度が５１０℃未満である場合には、ろう材の溶解が不十分となり、十分なろう付け強度（せん断強度）が得られない。もちろん、許容できる範囲内で保持温度が高い方がより十分なろう付け強度（せん断強度）が得られる。しかしながら、保持温度が、５５０℃を超えると、ろう材を含むＡｌ側へのＣｕ原子の拡散が急速に進行し、１０００系のアルミニウム合金部材であっても、界面付近の固相線温度が低下することで順次局部融解を起こし、特定の面圧を付加していることもあり、銅合金部材がアルミニウム合金部材に深くめり込んでしまう可能性がある。したがって、好ましい保持温度は、５１０〜５５０℃の範囲である。

ろう付けの保持時間
ろう付け温度における保持時間は、２分以上であることが好ましい。ろう付け温度にもよるが、保持時間が２分未満であると、接合面における温度の不均一によって、十分なろう付け強度（せん断強度）が得られない。より好ましい保持時間は、５分以上である。

ブレージングシートの作製
所定の各種インゴットを計量、配合して、離型材を塗布した＃３０坩堝に９ｋｇずつ（計１６試料）の原材料を装入装填した。これら坩堝を電気炉内に挿入して、７６０℃で溶解して滓を除去し、その後、溶湯温度を７４０℃に保持した。次に小型回転脱ガス装置によって、溶湯に流量１Ｎｌ／分で窒素ガスを１０分間吹き込み、脱ガス処理を行った。その後３０分間の鎮静を行なって溶湯表面に浮上した滓を攪拌棒にて除去し、さらにスプーンで成分分析用鋳型にディスクサンプルを採取した。
次いで、治具を用いて順次坩堝を電気炉内から取り出し、２００℃に予熱しておいた５個の金型（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１５ｍｍ）にアルミニウム溶湯を鋳込んだ。各試料のディスクサンプルは、発光分光分析によって、組成分析を行なった。その結果を表１に示す。

鋳塊は、押し湯を切断後、両面を３ｍｍずつ面削して、厚み９ｍｍとした。電気加熱炉にこの鋳塊を装入して、１００℃／ｈｒの昇温速度で４８０℃まで加熱し、４８０℃×１時間の均質化処理を行い、続いて熱間圧延機にて３ｍｍ厚さにまで熱間圧延を施した。
この後、熱間圧延板に冷間圧延を施して、０.２ｍｍ厚さの冷延板とし、軟化させるため４００℃×２時間の中間焼鈍を施した。さらに冷間圧延を施して、０.０６ｍｍ（６０μｍ）の最終冷間圧延板とした。なお、ろう材厚みのろう付け強度（せん断応力）に及ぼす影響を調査するために、Ｅ合金ろう材については、厚み１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、６０μｍ及び１００μｍの５水準の最終圧延板を作製した。
この最終冷間圧延板を所定の大きさ（１５ｍｍ×８ｍｍ）に切断して、複数枚のブレージングシート（ろう材）とした。

逆Ｔ字試験片の作製
図１に示すようにＡＡ１１００合金製のブロックＡ（３５ｍｍ×３５ｍｍ×１０ｍｍ）の３５ｍｍ×３５ｍｍの面上中央にブレージングシート（１５ｍｍ×８ｍｍ）を載置し、無酸素銅製（Ｃ１０２０）のブロックＢ（１８ｍｍ×１５ｍｍ×８ｍｍ）における１５ｍｍ×８ｍｍの面を上記ブレージングシートに重ねるようにしてブロックＡにおける３５ｍｍ×３５ｍｍの面上中央にブロックＢを立設した。

さらに図４（ａ）に示すような加圧式ろう付け試験治具を使用してブロックＢの上面を加圧しつつ、試験炉内に組み上げたブロック等を挿入した。雰囲気を不活性ガスに置換するため、流量１０Ｎｌ／分で工業用窒素ガス（酸素濃度１０ｐｐｍ以下の窒素）を流しつつ、ブロックＡに取り付けた熱電対が所定のろう付け温度を示すまで、ＰＩＤ制御により５０℃／分の速度で加熱し、所定のろう付け温度で所定の時間保持した後、抵抗線への出力をＯＦＦとして、組み上げたブロック等を炉冷した。ブロックＡに取り付けた熱電対が４００℃以下を示した後、組み上げたブロック等を炉から取り出して室温まで冷却した。

また、ろう付け雰囲気による酸素濃度のろう付け強度（せん断応力）に及ぼす影響を調査するため、Ｅ合金ろう材（ろう材厚：６０μｍ）については、工業用窒素（酸素濃度１０ｐｐｍ以下の窒素）の他、酸素濃度５００ｐｐｍの窒素、酸素濃度２０００ｐｐｍの窒素を流しながら、或いは窒素を流すことなく大気中で、ろう付け温度５４０℃、保持時間１０分の条件下で、同様にして逆Ｔ字試験片の作製を行った。

せん断応力の測定
上記のようにして作製した逆Ｔ字試験片を図３のような治具に固定して、ブロックＡの端面（３５ｍｍ×１０ｍｍの面）からアムスラーによって加圧し（歪速度：１ｍｍ／分）、ろう付け面におけるろう付け強度（破断せん断応力）の測定を行った。

金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片の作製
図２に示すようにＡＡ１０５０合金製のブロックＣ（４０ｍｍ×４０ｍｍ×４ｍｍ）の４０ｍｍ×４０ｍｍの面上中央にブレージングシート（３０ｍｍ×３０ｍｍ）を載置し、無酸素銅製（Ｃ１０２０）のブロックＤ（３０ｍｍ×３０ｍｍ×２.５ｍｍ）における ３０ｍｍ×３０ｍｍの面を上記ブレージングシートに重ねるようにしてブロックＣにおける４０ｍｍ×４０ｍｍの面上中央にブロックＤを重ねた。

さらに図４（ｂ）に示すような加圧式ろう付け試験治具を使用してブロックＤの上面を加圧しつつ、試験炉内に組み上げたブロック等を挿入した。雰囲気を不活性ガスに置換するため、流量１０Ｎｌ／分で工業用窒素ガス（酸素濃度１０ｐｐｍ以下の窒素）を流しつつ、ブロックＣに取り付けた熱電対が所定のろう付け温度を示すまで、ＰＩＤ制御により５０℃／分の速度で加熱し、所定のろう付け温度で所定の時間保持した後、抵抗線への出力をＯＦＦとして、組み上げたブロック等を炉冷した。ブロックＣに取り付けた熱電対が４００℃以下を示した後、組み上げたブロック等を炉から取り出して室温まで冷却した。

熱伝導率の測定
熱伝導率は密度、比熱、熱拡散率を乗じて算出した。密度は寸法および重量計測、比熱、熱拡散率はレーザフラッシュ法によってそれぞれ測定した。測定試験片は金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片をフライスで板厚２ｍｍに加工した後，ワイヤーカット放電加工により直径２ｍｍの試験片に仕上げたものを使用した。レーザフラッシュ法はアルバック理工（株）製熱定数測定装置ＴＣ−７０００を使用した。

金属間化合物層厚みの測定
金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片の中央部断面を樹脂に埋め込んで鏡面研磨し、図５に示すように金属顕微鏡下で金属間化合物層の厚さを測定した。図５において、上側の領域はＣｕ基材（無酸素銅（Ｃ１０２０））、下側の領域はＡｌ基材（ＡＡ１０５０合金）である。これら基材同士の接合界面に沿って、上側にδ相が層状に生成し、下側にθ相が塊状に生成している。接合界面と直交するように測定用基準線を設定し、δ相とＣｕ基材との境界（ａ点）と、θ相とＡｌ基材との境界（ｂ点）との距離を測定し、この距離を金属間化合物層の厚さとした。このようにして、１試験片につき任意の１０箇所の断面で金属間化合物層の厚さを測定し、その平均値を化合物層厚さとした。

なお、上記実施例の説明中にあって、特に細かい条件の表示がないものについては、Ｅ合金ろう材（ろう材厚：６０μｍ）及び被接合材（ＡＡ１１００合金製、無酸素銅製（Ｃ１０２０）のブロック）を用い、工業用窒素（酸素濃度１０ｐｐｍ以下の窒素）を流しながら、ろう付け温度５４０℃、保持時間１０分、加圧力３ＭＰａの条件下でろう付けを行い、逆Ｔ字試験片の作製および金属組織観察用・熱伝導率測定用試験片の作製を行ったものである。
その結果を表２〜１０、及び図６〜１６に示す。

まず、表２に示す結果から、０.６ＭＰａ以上の面圧を付加しながらろう付けを行えば、３０μｍ以下の化合物層の厚みとなることがわかる。また、せん断強度に及ぼす化合物層厚さの影響についてみると、化合物層厚さが３０μｍ以下の状態ではせん断強度が増加することがわかる。熱伝導率に及ぼす化合物厚さの影響についてみると、化合物層厚さが３０μｍ以下の状態では熱伝導率が増加することがわかる。さらに、化合物層の厚さに及ぼすろう付時の付加圧力の影響について断面組織写真をみると、０.２ＭＰａの面圧を付加しながらろう付を行えば、Ａｌ側においてθ相などの金属間化合物が大きく成長している組織となっているが、０.６ＭＰａの面圧を付加しながらろう付を行えば、Ａｌ側においてθ相などの金属間化合物が大きく成長しておらず、薄いほぼ一定の厚さの組織となっており、金属間化合物の生成が抑制されたことがわかる。
したがって、ろう付時の付加圧力については、０.６ＭＰａ以上の面圧を付加することが好ましいことがわかる。
ろう付け温度については、５１０℃以上とすることが好ましいことがわかる。また、ろう付け温度保持時間は２分以上に、特に５分以上とすることが好ましいことがわかる。

次にろう材を構成するアルミニウム合金中の成分の影響についてみると、５４０℃でろう付けした際に所望のせん断応力を得るには０.１質量％のＭｇ含有で十分である。しかし、５４０℃でろう付けした際にＭｇ含有量が０.０１質量％未満では所望のせん断応力が得られていない。また、Ｍｇ含有量が３.０質量％を超えた試料では５４０℃でのろう付けを行ってもせん断応力は低下しないが、前述のようにろう材自体の加工性は低下する。したがって、Ｍｇの好ましい含有量は０.１〜３.０質量％であることがわかる。
Ｓｉ含有量についてみると、１.０〜１２.０質量％の範囲で、十分なせん断応力が得られているが、Ｓｉ含有量０.５質量％では、若干得られるせん断応力が低くなっている。したがって、Ｓｉの好ましい含有量は１.０〜１２.０質量％であることがわかる。
不可避的不純物であるＣｕ，Ｍｎ，Ｚｎについては、それぞれ１.０質量％未満の含有であれば、せん断応力にほとんど影響していないことがわかる。

ろう材の厚さについては、１５μｍ以上の厚さであれば、とりあえず十分なせん断応力が得られているが、その厚さが１５μｍの場合、若干得られるせん断応力が低くなっている。したがって、ろう材の厚さは１５μｍ以上とすることが好ましい。厚すぎるとろう材が過剰となってしまうため上限は２００μｍであることは前記したとおりである。
ろう付け時の雰囲気についてみると、少なくとも窒素等の不活性雰囲気とするべきであることがわかる。特に酸素含有量が５００ｐｐｍ以下の不活性ガス雰囲気とすることが好ましいことがわかる。

Claims (8)

1. Ｓｉ：１.０〜１２質量％、Ｍｇ：０.１〜５.０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、厚さ１５〜２００μｍのろう材からなる単層ブレージングシートを用いてアルミニウム合金部材と銅合金部材とを面ろう付けする方法であって、前記ブレージングシートをアルミニウム合金部材と銅合金部材との間に挟みこみ面接触させた状態で、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５１０℃以上５２０℃未満に５分以上保持しつつ、０.６ＭＰａ以上の面圧を付加しながら無フラックスでアルミニウム合金部材と銅合金部材とをろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
2. Ｓｉ：１.０〜１２質量％、Ｍｇ：０.１〜５.０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、厚さ１５〜２００μｍのろう材からなる単層ブレージングシートを用いてアルミニウム合金部材と銅合金部材とを面ろう付けする方法であって、前記ブレージングシートをアルミニウム合金部材と銅合金部材との間に挟みこみ面接触させた状態で、不活性ガス雰囲気下で、ろう付け温度５２０〜５５０℃に２分以上保持しつつ、０.６ＭＰａ以上の面圧を付加しながら無フラックスでアルミニウム合金部材と銅合金部材とをろう付けすることを特徴とするアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
3. 前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのＣｕが１.０質量％未満に制限されている請求項１又は２に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
4. 前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのＭｎが１.０質量％未満に制限されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
5. 前記ろう材に含まれる不可避的不純物としてのＺｎが１.０質量％未満に制限されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
6. 前記ブレージングシートを構成するろう材は、厚さ１５〜１５０μｍである請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
7. 前記不活性ガスが窒素ガスである請求項１〜６のいずれか１項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。
8. 前記不活性ガスの酸素濃度が５００ｐｐｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載のアルミニウム合金部材と銅合金部材との面ろう付け方法。