JP6226642B2 - アルミニウム合金材料のろう付け方法及びろう付け構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム合金材料のろう付け方法及びろう付け構造体の製造方法に関する。
アルミニウムを用いてろう付け接合により製造されるものとして、アルミニウム製熱交換器がある。中でも、エバポレーター、コンデンサ、ヒータ、ラジエータ等の自動車用熱交換器には、一般に、軽量性と熱伝導性が良好なアルミニウム又はアルミニウム合金が使用されている。これらの熱交換器は、冷媒通路管とフィン及びヘッダ等の各部材が、所定構造に組み付けられた後に、炉中でろう付けすることにより接合される。
従来、ろう付け法としては、被ろう付け構造体に予めフラックスを塗布し、不活性ガス雰囲気中でろう付けを行うフックスろう付け法と、フラックスを使用せずに真空中でろう付けを行う真空ろう付け法が、一般的に行われてきた。
フラックスろう付け法では、ろう付け時に溶融ろうの濡れを阻止してしまうアルミニウム材料表面の酸化皮膜を、破壊除去し且つ再酸化を防止するために、ろう付け前の材料表面に予めフッ化物系化合物等のフラックスを塗布する工程が必要なため、コスト上昇を招いている。また、塗布したフラックスは、ろう付け後も材料表面に残渣として存在するため、エバポレーターのように凝縮水を排出させるための表面処理が行われるものにおいては、残渣フラックスが表面処理性を低下させるので、表面処理前にフラックス残渣を除去することが必要となる。また、冷媒通路等が非常に微細な構造を有する場合は、残渣フラックスが、微細構造部を埋めてしまい、熱交換性能を低下させてしまう。
更に、近年では環境負荷低減の観点から、自動車の燃費向上のために熱交換器にもより一層の軽量化が求められている。これには、各部材の薄肉化が必要となり、各部材に使用する材料の高強度化が必要となってくる。アルミニウム材料の高強度化にはＭｇを添加することが有効であるが、フッ化物系化合物を用いたフラックスろう付けの場合、Ｍｇとフラックス中のＦが反応して、ＭｇＦ２やＫＭｇＦ３等の高融点化合物を生成するため、フラックスの活性が低くなってしまい、ろう付け性が著しく悪くなる。そのため、Ｍｇの添加が極少量に制限されるので、アルミニウム材料の高強度が制限されてしまう。高強度化のためには、Ｍｇ以外のＣｕ、Ｓｉ、Ｍｎ等の元素の添加も有効ではあるが、Ｍｇほどの強度向上効果はなく、多量に添加すると固相線温度を低下させ、ろう付け中にアルミニウム材料が溶融してしまう危険がある。これらのことから、フラックスろう付け法で、高強度のアルミニウム材料をろう付けすることが困難であった。
更に、フラックスは、ろう付け加熱炉の炉壁材や被ろう付け体を搬送するための治具を著しく劣化させてしまう。そのため、フラックろう付け法では、炉壁や治具にフラックスに対して耐性が高い材料を用いることや、大きなメンテナンス費用が必要であった。
また、真空ろう付け法では、ろう材中のＭｇがろう付け加熱中に蒸発することで、酸化皮膜が破壊除去され、ろう付け後の再酸化が防がれる。このため、ろう材中に１〜２％程度のＭｇを含有させることが必要である。真空ろう付け法では、ろう付けを行う雰囲気の圧力を１×１０−２〜１０−３Ｐａ程度の真空にする必要があるため、拡散ポンプ等の高価な設備が必要となる。更に、アルミニウム材料中に添加したＭｇが、ろう付け加熱中に蒸発して減少するため、真空ろう付け法で、高強度のアルミニウム材料をろう付けすることが困難であった。更に、真空ろう付けでは、Ｚｎもろう付け加熱中に蒸発してしまうため、Ｚｎによる犠牲陽極効果を得ることができないため、耐食性を高めることも困難となっている。
そこで、フラックスを使用しないろう付け法として、例えば、特開平３−１３２９４号公報（特許文献１）には、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末とＭｇ−Ａｌ系合金粉末又は純Ｍｇ粉末とを特定の割合で配合した粉末混合物によるフラックスレスろう付け法が開示されている。
ところが、特許文献１のフラックスレスろう付け法であってもなお、更に、接合強度に優れる接合フィレットの形成方法が求められていた。
従って、本発明の課題は、フラックスを使用しないアルミニウム合金材料のろう付け法において、十分な接合強度を持つ接合フィレットが形成されるろう付け方法を提供することにある。
本発明者らは、上記従来技術における課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、付着物がＳｉ、Ｍｇ及びＺｎを必須元素として含み、且つ、これらの元素の付着量が、特定の付着量となるように、アルミニウム合金材料の表面に、金属粉末を付着させ、ろう付け加熱することにより、フラックスを使用することなく十分な接合強度を持つ接合フィレットが形成されることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明（１）は、金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス又は水素ガス雰囲気中でろう付け加熱するろう付け方法であり、
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ元素、Ｍｇ元素及びＺｎ元素を含むか、又はＳｉ元素、Ｍｇ元素、Ｚｎ元素及びＡｌ元素を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするアルミニウム合金材料のろう付け方法を提供するものである。
また、本発明（２）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下のＣｕ、１．２質量％以下のＳｉ、及び５．０質量％以下のＭｇのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（１）のアルミニウム合金材料のろう付け方法を提供するものである。
また、本発明（３）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、０．３０質量％以下のＴｉ、０．３０質量％以下のＺｒ、及び０．１０質量％以下のＳｒのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（１）又は（２）のアルミニウム合金材料のろう付け方法を提供するものである。
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ元素、Ｍｇ元素及びＺｎ元素を含むか、又はＳｉ元素、Ｍｇ元素、Ｚｎ元素及びＡｌ元素を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするアルミニウム合金材料のろう付け方法を提供するものである。
また、本発明（２）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下のＣｕ、１．２質量％以下のＳｉ、及び５．０質量％以下のＭｇのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（１）のアルミニウム合金材料のろう付け方法を提供するものである。
また、本発明（３）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、０．３０質量％以下のＴｉ、０．３０質量％以下のＺｒ、及び０．１０質量％以下のＳｒのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（１）又は（２）のアルミニウム合金材料のろう付け方法を提供するものである。
また、本発明（４）は、金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス雰囲気又は水素ガス中でろう付け加熱することにより、ろう付け構造体を得るろう付け構造体の製造方法であり、
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ元素、Ｍｇ元素及びＺｎ元素を含むか、又はＳｉ元素、Ｍｇ元素、Ｚｎ元素及びＡｌ元素を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするろう付け構造体の製造方法を提供するものである。
また、本発明（５）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下のＣｕ、１．２質量％以下のＳｉ、及び５．０質量％以下のＭｇのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（４）のろう付け構造体の製造方法を提供するものである。
また、本発明（６）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、０．３０質量％以下のＴｉ、０．３０質量％以下のＺｒ、及び０．１０質量％以下のＳｒのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（４）又は（５）のろう付け構造体の製造方法を提供するものである。
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ元素、Ｍｇ元素及びＺｎ元素を含むか、又はＳｉ元素、Ｍｇ元素、Ｚｎ元素及びＡｌ元素を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするろう付け構造体の製造方法を提供するものである。
また、本発明（５）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下のＣｕ、１．２質量％以下のＳｉ、及び５．０質量％以下のＭｇのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（４）のろう付け構造体の製造方法を提供するものである。
また、本発明（６）は、前記アルミニウム合金材料は、更に、０．３０質量％以下のＴｉ、０．３０質量％以下のＺｒ、及び０．１０質量％以下のＳｒのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする（４）又は（５）のろう付け構造体の製造方法を提供するものである。
本発明によれば、フラックスを使用しないアルミニウム合金材料のろう付け法において、十分な接合強度を持つ接合フィレットが形成されるろう付け方法を提供することができる。
本発明のアルミニウム合金材料のろう付け方法は、金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス又は水素ガス雰囲気中でろう付け加熱するろう付け方法であり、
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌの元素のうちの少なくとも１種又は２種以上を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするアルミニウム合金材料のろう付け方法である。
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌの元素のうちの少なくとも１種又は２種以上を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするアルミニウム合金材料のろう付け方法である。
本発明のアルミニウム合金材料のろう付け方法は、金属粉末をアルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス又は水素ガス雰囲気中でろう付け加熱を行い、アルミニウム合金材料をろう付けするろう付け方法である。
本発明に係る金属粉末は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌの元素のうちの少なくとも１種又は２種以上を含む金属粉末である。具体的には、Ｓｉを含み残部不可避不純物からなる金属粉末、Ｍｇを含み残部不可避不純物からなる金属粉末、Ｚｎを含み残部不可避不純物からなる金属粉末、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎのうちの２種以上を含み残部不可避不純物からなる合金粉末、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎのうちの少なくとも１種又は２種以上を含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末である。また、本発明に係る金属粉末は、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌ以外の元素を含んでいてもよい。つまり、本発明に係る金属粉末は、Ｓｉ単体粉末、Ｍｇ単体粉末、Ｚｎ単体粉末、Ａｌ−Ｓｉ合金粉末、Ａｌ−Ｍｇ合金粉末、Ａｌ−Ｚｎ合金粉末、Ｓｉ−Ｍｇ合金粉末、Ｓｉ−Ｚｎ合金粉末、Ｍｇ−Ｚｎ合金粉末、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金粉末、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ合金粉末、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金粉末、Ｓｉ−Ｍｇ−Ｚｎ合金粉末、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｚｎ合金粉末、あるいは、これらの粉末に、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌ以外の元素が含まれている金属粉末である。
本発明では、アルミニウム合金材料の表面に付着させる金属付着物全体中に、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎを必須元素として含有していればよい。アルミニウム合金材料の表面に付着させる金属粉末の組み合わせとしては、例えば、
Ｓｉを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｍｇを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｚｎを含み残部不可避不純物からなる金属粉末との組み合わせ、
Ｓｉを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末と、Ｍｇを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末と、Ｚｎを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末との組み合わせ、
Ｓｉを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｍｇ及びＺｎを含み残部不可避不純物からなる合金粉末との組み合わせ、
Ｍｇを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｓｉ及びＺｎを含み残部不可避不純物からなる合金粉末との組み合わせ、
Ｚｎを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｓｉ及びＭｇを含み残部不可避不純物からなる合金粉末との組み合わせ、
Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末、
等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、アルミニウム合金材料の表面の金属付着物全体中に、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎが含まれる組み合わせであればよい。また、上記組み合わせでは、本発明の効果を損なわない範囲で、金属粉末が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌ以外の元素が含んでいてもよい。なお、金属付着物全体とは、アルミニウム合金材料の表面に付着させた金属の全体を指す。
Ｓｉを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｍｇを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｚｎを含み残部不可避不純物からなる金属粉末との組み合わせ、
Ｓｉを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末と、Ｍｇを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末と、Ｚｎを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末との組み合わせ、
Ｓｉを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｍｇ及びＺｎを含み残部不可避不純物からなる合金粉末との組み合わせ、
Ｍｇを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｓｉ及びＺｎを含み残部不可避不純物からなる合金粉末との組み合わせ、
Ｚｎを含み残部不可避不純物からなる金属粉末と、Ｓｉ及びＭｇを含み残部不可避不純物からなる合金粉末との組み合わせ、
Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎを含み残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金粉末、
等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、アルミニウム合金材料の表面の金属付着物全体中に、Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎが含まれる組み合わせであればよい。また、上記組み合わせでは、本発明の効果を損なわない範囲で、金属粉末が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌ以外の元素が含んでいてもよい。なお、金属付着物全体とは、アルミニウム合金材料の表面に付着させた金属の全体を指す。
アルミニウム合金材料の表面の金属付着物全体中に、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌ以外の元素を含む場合、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌ以外の元素の合計含有量は、金属付着物全体に対して、好ましくは５．０質量％以下、特に好ましくは１．０質量％以下である。言い換えると、アルミニウム合金材料の表面の金属付着物全体中、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌの合計含有量は、好ましくは９５．０質量％以上、特に好ましくは９９．０質量％以上である。
金属付着物中のＳｉは、ろう付け中にＡｌと反応し、Ａｌ−Ｓｉ合金共晶温度である５７７℃で溶融し、Ａｌ−Ｓｉ合金溶融ろうとなる。Ｓｉは、単体元素粉末として存在していても、Ｓｉを含有する合金粉末として存在していてもよい。
金属付着物中のＭｇは、Ａｌよりも酸化物生成自由エネルギーが低く、ろう付け時にＡｌ表面に存在するＡｌ２Ｏ３酸化皮膜を還元し、ＭｇＯとなる。ＭｇＯは、Ａｌ２Ｏ３の緻密な酸化皮膜に比べ、溶融ろうの濡れを阻害し難く、更に、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜中にＭｇＯが生成、散在することで、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜破壊の起点ともなり、結果、Ａｌ−Ｓｉ合金溶融ろうの濡れが進展し、ろう付けが可能となる。また、Ｍｇは、Ａｌと共晶反応して、Ａｌ−Ｓｉ合金ろうが溶融する５７７℃よりも低い温度である４５０℃で溶融し、Ａｌ−Ｓｉ合金溶融ろうの濡れ広がりを助長する。Ｍｇは、単体元素粉末として存在していても、Ｍｇを含有する合金粉末として存在していてもよい。
Ｚｎは、Ａｌと共晶反応し、混合塗布されるＳｉやＭｇのＡｌとの共晶温度よりも低い３８１℃で溶融する。これにより、その後に共晶溶融するＡｌ−Ｍｇ合金液相の濡れを助長し、ＭｇによるＡｌ２Ｏ３酸化皮膜の還元効果がより一層顕著になる。それと共に、その後に溶融するＡｌ−Ｓｉ合金溶融ろうの濡れ広がりも助長する。更には、Ｚｎは、ろう付け時にＡｌ母材中に拡散して表層部に犠牲陽極層を形成し、ろう付け後のＡｌ母材の耐食性向上に寄与する。Ｚｎは、単体元素粉末として存在していても、Ｚｎを含有する合金粉末として存在していてもよい。
そして、本発明では、金属付着物中にＳｉ、Ｍｇ及びＺｎの３種の元素が全て共存することで、効果が得られ、フラックスを使用することなく、ろう付けすることが可能となる。
金属粉末の粒径は、微細なほど好ましく、１００μｍ以下が特に好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。このような微細な金属粉末は、アトマイズ法や粉砕法により製造される。
本発明において、金属粉末が付着されるアルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％、好ましくは０．６質量％以上１．２質量％未満のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料である。Ｍｎを含有しないアルミニウム合金材料では、高強度を得ることは困難である。アルミニウム合金材料がＭｎを含有することにより、Ａｌ母材相にＭｎが固溶し、固溶強化により高強度を得ることができる。アルミニウム合金材料中のＭｎ含有量が、上記範囲未満だと、固溶強化の効果が小さくなる。また、アルミニウム合金材料中のＭｎ含有量が、上記範囲を超えると、鋳造時に割れが生じたり、巨大晶出物が生成したりして、健全な材料の製造が困難となり、また、押出材では著しく押出性が低下するなどして生産性が著しく低下する。
アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下、好ましくは２．５質量％以下のＣｕを含有することができる。アルミニウム合金材料がＣｕを含有することにより、アルミニウム合金材料の強度が向上する。更に、Ｃｕを含有することで、固相線温度が低下し、溶融ろうの濡れ広がりを助長する。更には、例えば、フィン材などの粉末塗布面に接合される部材との接合部フィレットに、塗布した粉末から拡散したＺｎが濃縮して電位が卑化し、その後の使用環境にて早期腐食することが懸念されるが、Ｃｕはこの接合部フィレットに拡散し電位を貴化する効果がある。アルミニウム合金材料中のＣｕ含有量が、上記範囲を超えると、固相線温度の低下が顕著となり、ろう付け時に溶融する恐れがある。
アルミニウム合金材料は、更に、１．２質量％以下、好ましくは１．０質量％以下のＳｉを含有することができる。アルミニウム合金材料がＳｉを含有することにより、アルミニウム合金材料の強度が向上する。更に、Ｓｉを含有することで、固相線温度が低下し、溶融ろうの濡れ広がりを助長する。アルミニウム合金材料中のＳｉ含有量が、上記範囲を超えると、固相線温度の低下が顕著となり、ろう付け時に溶融する恐れがある。
アルミニウム合金材料は、更に、５．０質量％以下、好ましくは４．０質量％以下のＭｇを含有することができる。アルミニウム合金材料がＭｇを含有することにより、アルミニウム合金材料の強度が向上する。更に、Ｍｇを含有することで、固相線温度が低下し、溶融ろうの濡れ広がりを助長する。アルミニウム合金材料中のＭｇ含有量が、上記範囲を超えると、固相線温度の低下が顕著となり、ろう付け時に溶融する恐れがある。
アルミニウム合金材料は、Ｃｕ、Ｓｉ及びＭｇのうちの１種を含有しても、２種以上を含有してもよく、これらの元素を２種以上含有する場合は、複合的に効果が得られる。
アルミニウム合金材料は、更に、０．３質量％以下、好ましくは０．０５〜０．２質量％のＴｉを含有することができる。Ｔｉは、アルミニウム合金材料中にＴｉの高濃度の領域と低濃度の領域を形成し、これらの領域が材料の肉厚方向に交互に層状に分布し、Ｔｉが低濃度の領域は高濃度の領域に比べ、優先的に腐食するために、腐食形態が層状になり、肉厚方向への腐食の進行が抑制される。これにより、耐孔食性及び耐粒界腐食性が向上する。更に、アルミニウム合金材料がＴｉを含有することにより、常温及び高温での強度が向上する。アルミニウム合金材料中のＴｉ含有量が、上記範囲を超えると、鋳造時に巨大晶出物が生成し、健全な材料の製造が困難となる。
アルミニウム合金材料は、更に、０．３質量％以下のＺｒを含有することができる。アルミニウム合金材料がＺｒを含有することにより、ろう付け加熱時に再結晶する際の再結晶粒が粗大化する。それにより、母材の粒界密度を低下させることができ、Ａｌ−Ｓｉ合金液相ろうが、母材の結晶粒界へ浸透することを抑制でき、粒界への優先的な腐食が生じることを抑制することができる。アルミニウム合金材料中のＺｒ含有量が、上記範囲を超えると、鋳造時に割れが生じたり、巨大晶出物が生成し、健全な材料の製造が困難となる。
アルミニウム合金材料は、更に、０．１質量％以下のＳｒを含有することができる。アルミニウム合金材料がＳｒを含有することにより、ろう付け時に生じたＡｌ−Ｓｉ合金液相ろうが冷却時に凝固する際、晶出する共晶組織が微細化され分散する。これにより、材料表面のアノードサイトとなる共晶組織が分散されるため、腐食が均一に分散し面状の腐食形態になり耐食性が向上する。アルミニウム合金材料中のＳｒ含有量が、上記範囲を超えると、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ系化合物が晶出し、共晶組織が微細化しない。
アルミニウム合金材料は、Ｔｉ、Ｚｒ及びＳｒのうちの１種を含有しても、２種以上を含有してもよく、これらの元素を２種以上含有する場合は、複合的に効果が得られる。
アルミニウム合金材料の形態は、特に制限されず、圧延材でも押出材でも鋳造材でも鍛造材でもよい。圧延材の場合は、クラッド材でもよい。形状は、単純な板形状であっても、板材を曲成したものや、プレス成型したものであってもよい。切削加工したものでもよい。押出材の場合は、多穴管でもよいし、管材、型材、棒材でもよい。
そして、本発明では、先ず、金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させる。
本発明において、金属粉末をアルミニウム合金材料の表面に付着させる方法としては、特に制限されず、例えば、金属粉末と、バインダーと、を含有する塗布剤を、アルミニウム合金材料の表面に塗布する方法（以下、付着方法（１）とも記載する。）、金属粉末をアルミニウム合金材料の表面にコールドスプレーする方法（以下、付着方法（２）とも記載する。）、金属粉末をアルミニウム合金材料の表面に溶射する方法（以下、付着方法（３）とも記載する。）が挙げられる。
付着方法（１）に係る塗装剤は、金属粉末と、バインダーと、を含有する。塗装剤に含有されているバインダーは、金属粉末をアルミニウム合金材料の表面に付着させるためのものであり、特に制限されないが、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂が挙げられる。塗装剤中のバインダーの含有量は、塗装剤全体に対して１０〜５０質量％が好ましい。塗装剤中のバインダーの含有量が、上記範囲未満だと、金属粉末の密着性が劣って、金属粉末が飛散し易くなり、また、上記範囲を超えると、バインダーの使用量が多くなって、不経済であると共に、ろう付け性が低下し易い。
付着方法（１）に係る塗装剤は、流動性を向上させるために、アルコール等の溶剤を含有することができる。塗装剤が溶剤を含有することにより、塗膜の均一性が向上し、塗布速度も向上する。また、塗装剤は、必要に応じ、反応抑制剤、沈降防止剤を含有することができる。
付着方法（２）としては、加速用ガスとともにアルミニウム合金の表面に金属粉末を吹き付けるコールドスプレー法が用いられる。コールドスプレーにおける金属粉末の加速用ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスや空気が使用される。コールドスプレーにおける粒子速度（アルミニウム合金の表面に対する金属粉末の衝突速度）が低過ぎると、アルミニウム合金の表面に付着する金属粉末の付着率が低下するため、粒子速度を２０００ｍ／秒以上とすることが好ましい。そのためには、加速用ガスの圧力は、０．５〜３ＭＰａの範囲に設定することが好ましい。
付着方法（３）としては、金属粉末を溶融させながらアルミニウム合金の表面に吹き付ける溶射法が用いられる。金属粉末を溶融させる方法としては、金属粉末を混合させた可燃性ガスや燃料を燃焼させながらアルミニウム合金の表面に吹き付けるフレーム溶射法や、キャリアガスに混合した金属粉末を、溶射ガンに設置した電極間で発生させたアーク放電部を通過させて、金属粉末を溶融させるアーク溶射法があるが、フレーム溶射法では燃焼させるための酸素により金属粉末が酸化してしまうおそれがあるため、不活性ガスをキャリアガスとしたアーク溶射法が好ましい。溶射雰囲気温度は２０００〜４０００℃が好ましく、溶射法における粒子速度（アルミニウム合金の表面に対する溶融した金属粉末の衝突速度）は５００〜１０００ｍ／秒が好ましい。５００ｍ／秒未満では溶融した金属粉末が十分にアルミニウム合金と衝突できずに付着率が低下し、１０００ｍ／秒を超えると、金属粉末が加熱される時間が短くなりすぎて十分に溶融できなくなり、金属粉末の付着率が低下する。
本発明では、金属粉末をアルミニウム合金材料に付着させるときに、アルミニウム合金材料の表面へのＳｉ元素の付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２となり、Ｍｇ元素の付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２となり、且つ、Ｚｎ元素の付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２となるように、アルミニウム合金材料の表面に金属粉末を付着させる。
アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量は、１．０〜１０．０ｇ／ｍ２、好ましくは１．０〜５．０ｇ／ｍ２である。Ｓｉの付着量が、上記範囲未満だと、生成する溶融ろう量が不足し、健全なフィレットが形成されず、また、上記範囲を超えると、Ａｌ母材の溶融が顕著になり、健全なろう付け状態が得られない。
アルミニウム合金材料の表面へのＭｇの付着量は、０．１〜３．０ｇ／ｍ２、好ましくは０．１〜２．０ｇ／ｍ２である。Ｍｇの付着量が、上記範囲未満だと、Ａｌ２Ｏ３酸化皮膜を破壊する効果が低くなるとともに、ろう付け時にＡｌ母材中に拡散して固溶硬化あるいはＳｉ、Ｚｎとの析出硬化に寄与する効果も低くなる。また、Ｍｇの付着量が、上記範囲を超えると、生成するＭｇＯが多くなり過ぎて、Ｍｇの効果が減退する。
アルミニウム合金材料の表面へのＺｎの付着量は、１．０〜５．０ｇ／ｍ２、好ましくは１．０〜４．０ｇ／ｍ２である。Ｚｎの付着量が、上記範囲未満だと、Ｚｎが不足してＺｎの効果が低くなるとともに、ろう付け時にＡｌ母材中に拡散して犠牲陽極層を形成する効果も低くなる。また、Ｚｎの付着量が、上記範囲を超えると、表面のＺｎ濃度が高くなり、母材又は接合部の耐食性の低下を招く。
アルミニウム合金材料の表面へのＳｉ、Ｍｇ及びＺｎの合計付着量は、２．１〜１８ｇ／ｍ２である。Ｓｉ、Ｍｇ及びＺｎの合計付着量が、上記範囲未満だと、Ｓｉ、Ｍｇ又はＺｎのいずれかの付着量が下限値をはずれるため、ろう付け性又は犠牲陽極性が不十分となり、また、上記範囲を超えると、塗膜の厚さが厚くなり過ぎ、熱交換器として組み付けてろう付けした場合、縮み量が大きくなり、コアの変形や接合不良が生じ易くなる。
アルミニウム合金材料の表面へのＳｉ、Ｍｇ及びＺｎの付着量は、塗装剤中の金属粉末の含有量、含有量比、金属粉末が合金粉末の場合は合金中の成分比、塗装剤の塗膜厚さ等により、適宜調節される。
本発明では、次いで、塗装剤が塗布されたアルミニウム合金材料を、不活性ガス又は水素ガス雰囲気中で、ろう付け加熱して、ろう付けを行う。このとき、本発明では、フラックスを使用しないで、ろう付けを行う。
ろう付けの雰囲気は、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気又は水素ガス雰囲気である。また、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度は、５０ｐｐｍ以下、好ましくは２０ｐｐｍである。不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が、上記範囲を超えると、雰囲気中の酸素により材料表面の酸化が進展し、ろう付け性を低下させる。
ろう付け加熱条件は、特に制限されず、適宜選択される。なお、ろう付け加熱条件を調節することにより、次のような特性を得ることができる。
（１）ろう付け加熱保持時間を短くすることにより、ろう付け時に雰囲気中の酸素による酸化を抑制でき、ろう付け性を向上させることができる。
（２）ろう付け加熱保持時間を長くすることにより、金属付着物中のＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎのアルミニウム合金母材への拡散が進展し、固溶硬化を促進させることができる。更に、ろう付け加熱後の冷却速度を高くすることにより、溶体化処理後焼き入れすることができ、併せてアルミニウム合金母材中に含有されているＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇも、溶体化処理後焼き入れすることができる。その結果、Ａｌ−Ｃｕ系化合物、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物などの析出による時効硬化を得ることができる。
（１）ろう付け加熱保持時間を短くすることにより、ろう付け時に雰囲気中の酸素による酸化を抑制でき、ろう付け性を向上させることができる。
（２）ろう付け加熱保持時間を長くすることにより、金属付着物中のＳｉ、Ｍｇ、Ｚｎのアルミニウム合金母材への拡散が進展し、固溶硬化を促進させることができる。更に、ろう付け加熱後の冷却速度を高くすることにより、溶体化処理後焼き入れすることができ、併せてアルミニウム合金母材中に含有されているＣｕ、Ｓｉ、Ｍｇも、溶体化処理後焼き入れすることができる。その結果、Ａｌ−Ｃｕ系化合物、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物などの析出による時効硬化を得ることができる。
本発明のろう付け構造体の製造方法は、本発明のアルミニウム合金材料のろう付け方法により、アルミニウム合金材料をろう付けして、ろう付け構造体を得る方法であり、金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス雰囲気中でろう付け加熱することにより、ろう付け構造体を得るろう付け構造体の製造方法であり、
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌの元素のうちの少なくとも１種又は２種以上を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするろう付け構造体の製造方法である。
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＡｌの元素のうちの少なくとも１種又は２種以上を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするろう付け構造体の製造方法である。
本発明において、ろう付け構造体とは、アルミニウム合金材料をろう付けすることによって得られるものを指す。
本発明のろう付け構造体の製造方法に係る金属粉末、その付着量及び付着方法、アルミニウム合金材料並びにろう付け方法は、本発明のアルミニウム合金材料のろう付け方法に係る金属粉末、その付着量及び付着方法、アルミニウム合金材料並びにろう付け方法と同様である。
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例及び比較例）
＜試験材の作製＞
実施例として、表１に示す組成を有するスラブを鋳造した。また、比較例として、表２に示す組成を有するスラブを鋳造した。これらのスラブに、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延を行い、０．５ｍｍの厚さまで圧延した後、焼鈍して、アルミニウム合金試験材を得た。なお、比較例のＳ、Ｕ、Ｚについては、試験材を製造することができなかった。
＜試験材の作製＞
実施例として、表１に示す組成を有するスラブを鋳造した。また、比較例として、表２に示す組成を有するスラブを鋳造した。これらのスラブに、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延を行い、０．５ｍｍの厚さまで圧延した後、焼鈍して、アルミニウム合金試験材を得た。なお、比較例のＳ、Ｕ、Ｚについては、試験材を製造することができなかった。
＜試験１＞
表３及び表４に示す金属粉末を混合し、塗装剤中のアクリル樹脂系バインダーの含有量が３０質量％となるように、アルリル系バインダーを混合して、塗装剤を調製した。次いで、図１に示すように、試験材（水平板）１の片面表面に、塗装剤２を塗布した。乾燥後、試験材１の塗布面の中央に垂直に、垂直板３を組み付け、逆Ｔ字ろう付け試験体を作成し、ろう付け試験を実施した。垂直板には、材料Ａを用いた。水平に設置する試験板の寸法は、２５ｍｍ幅×６０ｍｍ長さであり、垂直に組み付ける材料Ａは、２５ｍｍ幅×５５ｍ長さであった。なお、図１中、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図である。また、試験材（水平板）については塗布前に脱脂を行い、垂直板については組み付け前に脱脂を行った。
次いで、ろう付け加熱を、表５に示す雰囲気中で、最高到達温度６００℃で３分間保持して行った。
加熱後の逆Ｔ字ろう付け試験体について、接合の有無、フィレット形成の有無及び母材溶融の有無を確認した。その結果を表５に示す。なお、接合できてフィレット形成が十分で、母材溶融がなかったものを良好「○」とし、未接合又は母材溶融が見られたものを不良「×」とし、フィレット形成が不十分だったものを「△」とした。
表３及び表４に示す金属粉末を混合し、塗装剤中のアクリル樹脂系バインダーの含有量が３０質量％となるように、アルリル系バインダーを混合して、塗装剤を調製した。次いで、図１に示すように、試験材（水平板）１の片面表面に、塗装剤２を塗布した。乾燥後、試験材１の塗布面の中央に垂直に、垂直板３を組み付け、逆Ｔ字ろう付け試験体を作成し、ろう付け試験を実施した。垂直板には、材料Ａを用いた。水平に設置する試験板の寸法は、２５ｍｍ幅×６０ｍｍ長さであり、垂直に組み付ける材料Ａは、２５ｍｍ幅×５５ｍ長さであった。なお、図１中、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図である。また、試験材（水平板）については塗布前に脱脂を行い、垂直板については組み付け前に脱脂を行った。
次いで、ろう付け加熱を、表５に示す雰囲気中で、最高到達温度６００℃で３分間保持して行った。
加熱後の逆Ｔ字ろう付け試験体について、接合の有無、フィレット形成の有無及び母材溶融の有無を確認した。その結果を表５に示す。なお、接合できてフィレット形成が十分で、母材溶融がなかったものを良好「○」とし、未接合又は母材溶融が見られたものを不良「×」とし、フィレット形成が不十分だったものを「△」とした。
＜試験２＞
試験１で結果が良好だった逆Ｔ字ろう付け試験体について、ＳＷＡＡＴ試験を実施し耐食性を評価した。ＳＷＡＡＴ試験は、ＡＳＴＭ−Ｇ８３−Ａ３に準拠した。試験では、試験体の裏面と端部をマスキングして行った。試験期間は４０日間とし、塗布面の腐食深さと継手部フィレットの腐食を調査した。その結果を表７に示す。塗布面の腐食深さが０．２ｍｍ以下で、フィレット腐食がない又は軽微なものを良好「○」とし、腐食深さが０．２ｍｍを超えるもの、又はフィレット腐食が顕著なものを中程度「△」とし、腐食深さが０．２ｍｍを超え且つフィレット腐食が顕著なものを不良「×」とした。
試験１で結果が良好だった逆Ｔ字ろう付け試験体について、ＳＷＡＡＴ試験を実施し耐食性を評価した。ＳＷＡＡＴ試験は、ＡＳＴＭ−Ｇ８３−Ａ３に準拠した。試験では、試験体の裏面と端部をマスキングして行った。試験期間は４０日間とし、塗布面の腐食深さと継手部フィレットの腐食を調査した。その結果を表７に示す。塗布面の腐食深さが０．２ｍｍ以下で、フィレット腐食がない又は軽微なものを良好「○」とし、腐食深さが０．２ｍｍを超えるもの、又はフィレット腐食が顕著なものを中程度「△」とし、腐食深さが０．２ｍｍを超え且つフィレット腐食が顕著なものを不良「×」とした。
試験１で結果が良好であった試験材と塗装剤の組み合わせで、試験材の片面表面に、３５ｍｍ幅×２００ｍｍ長さ寸法に、塗装剤を塗布した。次いで、ろう付け加熱を、表８に示す雰囲気中で、最高到達温度６００℃で３分間保持して行った後、表８に示す冷却速度で冷却した。
ろう付け加熱後、室温で２週間保管し、ＪＩＳ５号試験片に成形して、引張試験を行った。その結果を表８に示す。
ろう付け加熱後、室温で２週間保管し、ＪＩＳ５号試験片に成形して、引張試験を行った。その結果を表８に示す。
本発明のろう付け方法によりろう付けしたもののうち、接合性良好に加えて塗装面及び継手部フィレットの両方で耐食性良好であったものについては、高強度が得られた。ろう付け時の冷却速度が速い場合は、その過程で焼き入れされ、室温時効により高強度が得られた。一方、冷却速度が遅い場合でも固溶硬化による強度向上が見られた。
以上より、本発明のろう付け方法は、不活性ガス又は水素ガス雰囲気中でフラックスを使用せずにろう付けした場合に、接合性に優れることが分かった。また、ろう付けにより得られるろう付け構造体の塗装面及び継手部フィレットの耐食性も優れることが分かった。さらに、ろう付け後においても高強度が達成された。
以上より、本発明のろう付け方法は、不活性ガス又は水素ガス雰囲気中でフラックスを使用せずにろう付けした場合に、接合性に優れることが分かった。また、ろう付けにより得られるろう付け構造体の塗装面及び継手部フィレットの耐食性も優れることが分かった。さらに、ろう付け後においても高強度が達成された。
Claims (10)
- 金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス又は水素ガス雰囲気中でろう付け加熱するろう付け方法であり、
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ元素、Ｍｇ元素及びＺｎ元素を含むか、又はＳｉ元素、Ｍｇ元素、Ｚｎ元素及びＡｌ元素を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするアルミニウム合金材料のろう付け方法。 - 前記金属粉末と、バインダーと、を含有する塗装剤を、前記アルミニウム合金材料の表面に塗布することにより、前記金属粉末を前記アルミニウム合金の表面に付着させ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料のろう付け方法。
- 前記アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下のＣｕ、１．２質量％以下のＳｉ、及び５．０質量％以下のＭｇのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２いずれか１項記載のアルミニウム合金材料のろう付け方法。
- 前記アルミニウム合金材料は、更に、０．３０質量％以下のＴｉ、０．３０質量％以下のＺｒ、及び０．１０質量％以下のＳｒのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のアルミニウム合金材料のろう付け方法。
- ろう付け加熱の雰囲気が、窒素ガス又はアルゴンガス雰囲気であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のアルミニウム合金材料のろう付け方法。
- 前記不活性ガス又は水素ガス雰囲気中の酸素濃度が、５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載のアルミニウム合金材料のろう付け方法。
- 金属粉末を、アルミニウム合金材料の表面に付着させ、次いで、フラックスを使用しないで不活性ガス雰囲気又は水素ガス中でろう付け加熱することにより、ろう付け構造体を得るろう付け構造体の製造方法であり、
該アルミニウム合金材料は、０．４０〜１．５質量％のＭｎを含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金材料であり、
該金属粉末は、Ｓｉ元素、Ｍｇ元素及びＺｎ元素を含むか、又はＳｉ元素、Ｍｇ元素、Ｚｎ元素及びＡｌ元素を含む金属粉末であり、
該アルミニウム合金材料の表面へのＳｉの付着量が１．０〜１０．０ｇ／ｍ２であり、Ｍｇの付着量が０．１〜３．０ｇ／ｍ２であり、Ｚｎの付着量が１．０〜５．０ｇ／ｍ２であること、
を特徴とするろう付け構造体の製造方法。 - 前記金属粉末と、バインダーと、を含有する塗装剤を、前記アルミニウム合金材料の表面に塗布することにより、前記金属粉末を前記アルミニウム合金の表面に付着させることを特徴とする請求項７記載のろう付け構造体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金材料は、更に、３．０質量％以下のＣｕ、１．２質量％以下のＳｉ、及び５．０質量％以下のＭｇのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項７又は８いずれか１項記載のろう付け構造体の製造方法。
- 前記アルミニウム合金材料は、更に、０．３０質量％以下のＴｉ、０．３０質量％以下のＺｒ、及び０．１０質量％以下のＳｒのうちの１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項７〜９いずれか１項記載のろう付け構造体の製造方法。
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