JP6405020B1 - アルミニウム材のフラックスフリーろう付方法およびフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材 - Google Patents
アルミニウム材のフラックスフリーろう付方法およびフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】開放部を有する継手においても安定した接合状態が得られるフラックスフリーろう付方法を提供する。【解決手段】Ｓｉを３〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．１〜５．０ｍａｓｓ％含有するＡｌ合金ろう材がＡｌ製芯材の片面または両面にクラッドされたブレージングシートと、被接合部材のアルミニウム合金部材とを組み付け、非酸化性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにろう付するアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法であって、アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有させ、ろう付を行う。【選択図】なし
Description
本発明は、アルミニウム材のフラックスフリーろう付方法およびフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材に関する。
自動車用等の熱交換器では、部材を組み付けた後にろう付接合することによって製造されている。良好なろう付を行うためには、合金部材の表面における酸化皮膜を破壊する必要があり、材料表面の酸化皮膜を破壊するために、フラックスを用いてろう付を行う方法が広く知られている。フラックスを用いてろう付接合を行う方法としては、ノコロックフラックスを用いた工法が主流となっている。しかし、高強度化のためにＭｇを含有させたアルミニウム合金を使用した場合には、Ｍｇがフラックスと反応し、フラックスの不活性化反応（フッ化Ｍｇなどの生成）が起きてしまうという問題がある。そこで、フラックスを用いずにろう付接合を行う方法が提案されている。
フラックスを用いずに良好なろう付を行うための方法として、ろう材にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を用いることが提案されている。ろう材にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を用いることで、ろう付時において、ろう材の融点付近でろう材中のＭｇが接合部表面のＡｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解して合金表面の酸化皮膜を破壊するため、良好なろう付を行うことが可能となる。
例えば、特許文献１では、フィン材およびブレージングシートのろう材にＭｇを添加し、かつ、添加するＭｇの量を調整して、真空ろう付時における炉内へのスケール付着の問題を解決しながら、高強度で軽量な熱交換器の製造を可能にしている。
また、特許文献２では、不活性ガス雰囲気下におけるフラックスフリーのろう付方法として、Ｍｇ、Ｓｉ等を含有する芯材用のＡｌ合金に、Ａｇ、Ｂｅ、Ｂｉ等の元素やミッシュメタルを添加したろう材用のＡｌ合金をクラッドしたものを用い、ろう付時の濡れ拡がり性を改善させることが提案されている。
例えば、特許文献１では、フィン材およびブレージングシートのろう材にＭｇを添加し、かつ、添加するＭｇの量を調整して、真空ろう付時における炉内へのスケール付着の問題を解決しながら、高強度で軽量な熱交換器の製造を可能にしている。
また、特許文献２では、不活性ガス雰囲気下におけるフラックスフリーのろう付方法として、Ｍｇ、Ｓｉ等を含有する芯材用のＡｌ合金に、Ａｇ、Ｂｅ、Ｂｉ等の元素やミッシュメタルを添加したろう材用のＡｌ合金をクラッドしたものを用い、ろう付時の濡れ拡がり性を改善させることが提案されている。
上記したように、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いるフラックスフリーろう付では、溶融して活性となったろう材中のＭｇが接合部表面のＡｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解することで接合が可能となる。また、雰囲気の影響を受けにくい閉塞的な面接合継ぎ手などでは、Ｍｇによる酸化皮膜の分解作用により、ろう材を有するブレージングシート同士を組み合わせた継手や、ブレージングシートとろう材を有さない被接合部材（ベア材）とを組み合わせた継手で、良好な接合状態が得られる。
しかしながら、雰囲気の影響を受けやすい開放部を有する継手形状の場合は、十分な接合状態が得られ難い。特に、ブレージングシートとベア材とを組み合わせて接合する場合は、ベア材の表面のＡｌ酸化皮膜の分解が進み難く、十分な接合を得ることが難しい。さらに、軽量化・高強度化等のためにＭｇが添加されたベア材を用いる場合は、分解され難く安定した酸化皮膜であるＭｇＯ皮膜がろう付時に成長しやすく、接合が著しく阻害されてしまう。このことから、開放部を有する継手においても安定した接合状態が得られるようなフラックスフリーろう付方法が強く望まれている。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、開放部を有する継手においても安定した接合状態が得られるフラックスフリーろう付方法およびフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材を提供することを目的とする。
本発明者らは、低融点、かつ、酸化物の標準生成自由エネルギーが高い金属元素をベア材の合金に添加することで、ベア材の緻密なＡｌ酸化皮膜が変質してろう付時に分解されやすくなり、その結果、ブレージングシートとベア材とのろう付による接合状態が改善されることを発見した。
低融点元素が添加されたベア材表面では、ろう付昇温過程でベア材表面に低融点元素が濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するため、Ｍｇを含有する活性な溶融ろう材と接触した際に、酸化皮膜が分解されやすくなったと考えられる。また、Ｍｇが添加されたベア材表面においても同様に、ろう付昇温過程で低融点元素がベア材表面に濃縮し、ＭｇＯ皮膜の成長が抑制されるため、安定した接合状態が得られると考えられる。なお、酸化物の標準生成自由エネルギーが低い低融点元素をベア材に添加すると、表面で濃縮した低融点元素が酸化物層を形成して接合を阻害するため、ベア材に添加する元素としては、酸化物の標準生成自由エネルギーが高い低融点元素を選択することが重要である。
低融点元素が添加されたベア材表面では、ろう付昇温過程でベア材表面に低融点元素が濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するため、Ｍｇを含有する活性な溶融ろう材と接触した際に、酸化皮膜が分解されやすくなったと考えられる。また、Ｍｇが添加されたベア材表面においても同様に、ろう付昇温過程で低融点元素がベア材表面に濃縮し、ＭｇＯ皮膜の成長が抑制されるため、安定した接合状態が得られると考えられる。なお、酸化物の標準生成自由エネルギーが低い低融点元素をベア材に添加すると、表面で濃縮した低融点元素が酸化物層を形成して接合を阻害するため、ベア材に添加する元素としては、酸化物の標準生成自由エネルギーが高い低融点元素を選択することが重要である。
すなわち、本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法のうち、第１の本発明は、Ｓｉを３〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．１〜５．０ｍａｓｓ％含有するＡｌ合金ろう材がＡｌ製芯材の片面または両面にクラッドされたブレージングシートと、被接合部材であるベア材のアルミニウム合金部材とを組み付け、非酸化性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにろう付するアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法であって、
前記アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする。
前記アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする。
第２の本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法は、前記第１の本発明において、前記アルミニウム合金部材は、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第３の本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法は、前記第１の本発明において、前記アルミニウム合金部材が、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第４の本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記アルミニウム合金部材は、さらに、Ｍｇを０．１〜０．７ｍａｓｓ％含有することを特徴とする。
第５の本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第６の本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第７の本発明のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、発明のいずれかにおいて、前記非酸化性ガス雰囲気は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の雰囲気であることを特徴とする。
第８の本発明のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材は、非酸化性ガス雰囲気でＭｇを含有するＡｌ合金ろう材によるフラックスフリーでのろう付にベア材の被接合部材として供されるフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材であって、
前記アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする。
前記アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする。
第９の本発明のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材は、前記第８の本発明において、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第１０の本発明のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材は、前記第８の本発明において、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第１１の本発明のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材は、前記第８〜第１０の本発明のいずれかにおいて、前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第１２の本発明のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材は、前記第８〜第１０の本発明のいずれかにおいて、前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
第１３の本発明のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材は、前記第８〜第１２の本発明のいずれかにおいて、Ｍｇ：０．１〜０．７ｍａｓｓ％をさらに含有することを特徴とする。
以下、成分等の限定理由について説明する。
１．アルミニウム合金部材
融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％
上記した金属元素は、ろう付時にベア材表面に濃縮するため、緻密なＡｌ酸化皮膜やＭｇＯ皮膜の成長を抑制する。含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満では、この効果が不十分であり、含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、その効果が飽和する。したがって、上記金属元素の含有量を上記範囲に定める。なお、下限を０．０５ｍａｓｓ％、上限を０．３ｍａｓｓ％とすることがより好ましい。また、上記金属元素としては、好適には、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｋ、Ｓｅ、Ｎａ、Ｐｂが挙げられる。
融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％
上記した金属元素は、ろう付時にベア材表面に濃縮するため、緻密なＡｌ酸化皮膜やＭｇＯ皮膜の成長を抑制する。含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満では、この効果が不十分であり、含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、その効果が飽和する。したがって、上記金属元素の含有量を上記範囲に定める。なお、下限を０．０５ｍａｓｓ％、上限を０．３ｍａｓｓ％とすることがより好ましい。また、上記金属元素としては、好適には、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｋ、Ｓｅ、Ｎａ、Ｐｂが挙げられる。
Ｍｇ：０．１〜０．７ｍａｓｓ％
アルミニウム合金部材中に添加されたＭｇは、ベア材に添加されたＳｉやろう材から拡散してきたＳｉと化合物を形成することでＭｇ２Ｓｉを形成し、材料強度を高める。また、ベア材表面のＡｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解する。含有量が０．１ｍａｓｓ％未満であれば、その効果が不十分であり、０．７ｍａｓｓ％を超えると、開放部を有する継手ではベア材表面でＭｇＯ皮膜が成長しやすくなり、接合が阻害される。したがって、所望によりＭｇを含有する場合は、その含有量を上記範囲に定める。なお、下限を０．２ｍａｓｓ％、上限を０．６ｍａｓｓ％とすることがなお望ましい。
アルミニウム合金部材中に添加されたＭｇは、ベア材に添加されたＳｉやろう材から拡散してきたＳｉと化合物を形成することでＭｇ２Ｓｉを形成し、材料強度を高める。また、ベア材表面のＡｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解する。含有量が０．１ｍａｓｓ％未満であれば、その効果が不十分であり、０．７ｍａｓｓ％を超えると、開放部を有する継手ではベア材表面でＭｇＯ皮膜が成長しやすくなり、接合が阻害される。したがって、所望によりＭｇを含有する場合は、その含有量を上記範囲に定める。なお、下限を０．２ｍａｓｓ％、上限を０．６ｍａｓｓ％とすることがなお望ましい。
さらに、アルミニウム合金部材に添加するＢｉ、Ｉｎ、Ｓｎなどの低融点元素は、アルミニウムへの固溶度が低いため、素材製造工程の熱処理条件によってはアルミニウム材料中で低融点元素単体の融点で溶融し、アルミニウム材料表面に濃縮する。低融点元素が濃縮した材料表面では、酸化皮膜が脆弱になることで腐食し易くなるため、ろう付前に腐食が進むと材料表面に水和酸化物などが堆積し、ろう付時に接合を阻害する場合がある。この際には、Ｍｇと低融点元素を一緒に添加すると化合物などを形成し融点を上昇させることができるため、素材製造工程中での表面濃縮が抑制できる。ただし、この場合も約６００℃までのろう付昇温過程では、ろう溶融前までに低融点元素が材料表面に濃縮するため、前記のＭｇＯ皮膜の成長抑制効果などは維持される。
また、本発明のアルミニウム合金では、Ａｌおよび上記した微量元素の他に、質量％で、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｆｅ：０．１〜１．０％などを含有することができる。
２．ブレージングシート
（１）ろう材
Ｓｉ：３〜１３ｍａｓｓ％
Ａｌ合金ろう材に添加されたＳｉは、ろう材の融点を低下させ、ろう付昇温時の共晶温度以上で、接合に必要な溶融ろう材を生成する。Ｓｉの含有量が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。したがって、ろう材中のＳｉの含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由により、下限を５％、上限を１２％とすることがより好ましい。
（１）ろう材
Ｓｉ：３〜１３ｍａｓｓ％
Ａｌ合金ろう材に添加されたＳｉは、ろう材の融点を低下させ、ろう付昇温時の共晶温度以上で、接合に必要な溶融ろう材を生成する。Ｓｉの含有量が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。したがって、ろう材中のＳｉの含有量を上記範囲に定める。なお、同様の理由により、下限を５％、上限を１２％とすることがより好ましい。
Ｍｇ：０．１〜５．０ｍａｓｓ％
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を分解することで、ろうの濡れ性や流動性を向上させる。ただし、Ｍｇの含有量が０．１ｍａｓｓ％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、５．０ｍａｓｓ％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて加工性が低下する。このため、ろう材中のＭｇの含有量は、上記範囲とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２％、上限を３．０％とすることがより好ましい。
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を分解することで、ろうの濡れ性や流動性を向上させる。ただし、Ｍｇの含有量が０．１ｍａｓｓ％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、５．０ｍａｓｓ％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて加工性が低下する。このため、ろう材中のＭｇの含有量は、上記範囲とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２％、上限を３．０％とすることがより好ましい。
融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％
上記した金属元素は、ろう付時にろう材表面に濃縮するため、緻密なＡｌ酸化皮膜やＭｇＯ皮膜の成長を抑制する。含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満では、この効果が不十分であり、含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、その効果が飽和する。したがって、上記金属元素の含有量を上記範囲に定める。なお、下限を０．０５ｍａｓｓ％、上限を０．３ｍａｓｓ％とすることがより好ましい。また、上記金属元素としては、好適には、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｋ、Ｓｅ、Ｎａ、Ｐｂが挙げられる。
さらに、これらの元素の中でＢｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂは溶融ろうの表面張力を低下させ、ろう材の濡れ拡がり性を向上する効果があり、特にＢｉはその効果が高いため好適に用いることができる。
上記した金属元素は、ろう付時にろう材表面に濃縮するため、緻密なＡｌ酸化皮膜やＭｇＯ皮膜の成長を抑制する。含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満では、この効果が不十分であり、含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、その効果が飽和する。したがって、上記金属元素の含有量を上記範囲に定める。なお、下限を０．０５ｍａｓｓ％、上限を０．３ｍａｓｓ％とすることがより好ましい。また、上記金属元素としては、好適には、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｋ、Ｓｅ、Ｎａ、Ｐｂが挙げられる。
さらに、これらの元素の中でＢｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂは溶融ろうの表面張力を低下させ、ろう材の濡れ拡がり性を向上する効果があり、特にＢｉはその効果が高いため好適に用いることができる。
（２）芯材
Ａｌ製芯材の組成は特に限定されず、一般的に用いられているアルミニウム材料であれば何れも問題なく使用可能である。ただし、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材によるろう付では、製品温度を６００℃付近まで加熱するため、これより固相線温度が低い合金部材を用いるとろう付後の構造寸法精度の確保が難しくなる。本発明では、この問題を生じない何れのアルミニウム合金も使用できるが、熱伝導性や強度に優れるＪＩＳ Ａ１０００系、Ａ３０００系、Ａ６０００系合金を用いることが好適である。
Ａｌ製芯材の組成は特に限定されず、一般的に用いられているアルミニウム材料であれば何れも問題なく使用可能である。ただし、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材によるろう付では、製品温度を６００℃付近まで加熱するため、これより固相線温度が低い合金部材を用いるとろう付後の構造寸法精度の確保が難しくなる。本発明では、この問題を生じない何れのアルミニウム合金も使用できるが、熱伝導性や強度に優れるＪＩＳ Ａ１０００系、Ａ３０００系、Ａ６０００系合金を用いることが好適である。
本発明よれば、低融点、かつ、酸化物の標準生成自由エネルギーが高い金属元素をベア材合金に添加することで、ベア材の表面の緻密なＡｌ酸化皮膜が変質してろう付時に分解されやすくなり、ろう付後の接合状態を改善することが可能となる。
以下に、本発明の一実施形態について説明する。
本発明のアルミニウム合金部材は、例えば常法により製造することができる。
まず、本発明組成に調製してアルミニウム合金を溶製する。該溶製は半連続鋳造法によって行う。得られたアルミニウム合金鋳塊に対しては、所定条件で均質化処理を行う。すなわち、均質化処理条件は、処理温度３５０〜６００℃、処理時間１〜１０時間とする。その後、均熱処理、熱間圧延、冷間圧延などを経て、本発明のアルミニウム合金部材が得られる。アルミニウム合金部材は、例えば熱交換機用のフィン材として製造することができる。均熱処理は均質化処理の温度および処理時間以下とし、温度３５０〜５００℃、保持時間１〜１０時間とするのが望ましい。冷間圧延では、７５％以上の総圧下率で冷間圧延を行い、温度３００〜４００℃にて中間焼鈍を行い、その後圧延率４０％の最終圧延を行うことができる。中間焼鈍は行わないものとしてもよい。
本発明のアルミニウム合金部材は、例えば常法により製造することができる。
まず、本発明組成に調製してアルミニウム合金を溶製する。該溶製は半連続鋳造法によって行う。得られたアルミニウム合金鋳塊に対しては、所定条件で均質化処理を行う。すなわち、均質化処理条件は、処理温度３５０〜６００℃、処理時間１〜１０時間とする。その後、均熱処理、熱間圧延、冷間圧延などを経て、本発明のアルミニウム合金部材が得られる。アルミニウム合金部材は、例えば熱交換機用のフィン材として製造することができる。均熱処理は均質化処理の温度および処理時間以下とし、温度３５０〜５００℃、保持時間１〜１０時間とするのが望ましい。冷間圧延では、７５％以上の総圧下率で冷間圧延を行い、温度３００〜４００℃にて中間焼鈍を行い、その後圧延率４０％の最終圧延を行うことができる。中間焼鈍は行わないものとしてもよい。
上記冷間圧延などによって熱交換機用のフィン材を得た場合には、その後、必要に応じてコルゲート加工などを施す。コルゲート加工は、回転する２つの金型の間を通すことによって行うことができ、良好に加工を行うことを可能とし、優れた成形性を示す。
上記工程で得られたフィン材は、熱交換器の構成部材として、他の構成部材（チューブやヘッダーなど）と組み合わされて、ろう付に供される。他の構成部材としては、Ｓｉを３〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．１〜５．０ｍａｓｓ％含有するＡｌ合金ろう材が、Ａｌ製芯材の片面または両面にクラッドされたブレージングシートからなるものを用いる。ろう付は、非酸化性ガス雰囲気下でフラックスを用いずに行う。非酸化性ガス雰囲気としては、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下であることが望ましい。
なお、ろう付は、接合部の表面における酸化皮膜の厚さが、前記ろう付の昇温過程中で前記接合部の実体温度が５５０℃であるときに２０ｎｍ以下となるように行い、アルミニウム合金部材がＭｇを含有している場合には、ＭｇＯ皮膜の厚さが、前記ろう付の昇温過程中で前記接合部の実体温度が５５０℃であるときに２ｎｍ以下となるように行うのが望ましい。ろう付昇温過程の酸化皮膜やＭｇＯ皮膜の厚さは、雰囲気中の酸素濃度、雰囲気に曝される合金中のＭｇ量、ろう付昇温速度、ろう付炉の気密性、ろう付炉内の雰囲気流速、導入する非酸化性ガス中の不純物酸素や水分量などの影響を受けるが、これらを総合的に勘案して調整するため、何れかの条件が特に限定されるものではない。
なお、ろう付は、接合部の表面における酸化皮膜の厚さが、前記ろう付の昇温過程中で前記接合部の実体温度が５５０℃であるときに２０ｎｍ以下となるように行い、アルミニウム合金部材がＭｇを含有している場合には、ＭｇＯ皮膜の厚さが、前記ろう付の昇温過程中で前記接合部の実体温度が５５０℃であるときに２ｎｍ以下となるように行うのが望ましい。ろう付昇温過程の酸化皮膜やＭｇＯ皮膜の厚さは、雰囲気中の酸素濃度、雰囲気に曝される合金中のＭｇ量、ろう付昇温速度、ろう付炉の気密性、ろう付炉内の雰囲気流速、導入する非酸化性ガス中の不純物酸素や水分量などの影響を受けるが、これらを総合的に勘案して調整するため、何れかの条件が特に限定されるものではない。
上記したろう付によれば、低融点、かつ、酸化物の標準生成自由エネルギーが高い金属元素をベア材合金に添加することで、ベア材の表面の緻密なＡｌ酸化皮膜が変質し、ろう付時に分解されやすくなるため、開放部を有する継手においても安定した接合状態を得ることが可能となる。
表１〜５に示す組成（残部Ａｌと不可避不純物）のろう材と、芯材として用意したＪＩＳ Ａ１１００合金（Ａｌ-０．１５ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ-０．１ｍａｓｓ％Ｃｕ）、ＪＩＳ Ａ３００３合金（Ａｌ-１．２ｍａｓｓ％Ｍｎ-０．３ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ-０．１ｍａｓｓ％Ｃｕ）、ＪＩＳ Ａ３００５合金（Ａｌ-１．２ｍａｓｓ％Ｍｎ-０．３ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．４ｍａｓｓ％Ｍｇ-０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ-０．１ｍａｓｓ％Ｃｕ-０．０５Ｚｎ）、ＪＩＳ Ａ６０６３合金（Ａｌ-０．６ｍａｓｓ％Ｍｇ-０．４ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．２５ｍａｓｓ％Ｆｅ）と組合せてクラッドしたアルミニウム材を用意した。アルミニウムクラッド材は、各種組成ろう材をクラッド率５％とし、Ｈ１４相当調質の０．３ｍｍ厚に仕上げた。
また、ろう付対象部材として表１〜５に示す合金組成のアルミニウムベア材（０．１ｍｍ厚）のコルゲートフィンを用意した。アルミニウムベア材は、ベース合金として、ＪＩＳ Ａ１１００合金（Ａｌ-０．１５ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ-０．１ｍａｓｓ％Ｃｕ）、ＪＩＳ Ａ３００３合金（Ａｌ-１．２ｍａｓｓ％Ｍｎ-０．３ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．４ｍａｓｓ％Ｆｅ-０．１ｍａｓｓ％Ｃｕ）、ＪＩＳ Ａ７０７２合金（Ａｌ-１．０ｍａｓｓ％Ｚｎ-０．１ｍａｓｓ％Ｓｉ-０．２５ｍａｓｓ％Ｆｅ）を準備し、再溶解した各種ベース合金にＢｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｋ、Ｓｅ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｍｇを添加し、表１〜５に示す各種アルミニウム合金ベア材を溶製した。この実施形態では、アルミニウムベア材は、本発明の被接合部材のアルミニウム合金部材に相当する。
前記アルミニウムクラッド材を用いて幅２５ｍｍのチューブを製作し、図１に示すように、該チューブ１２とコルゲートフィン１１とを組み合わせ、ろう付評価モデルとしてチューブ１５段、長さ３００ｍｍのコア１０とした。前記コアを、各種酸素含有量に調整した窒素ガス雰囲気中のろう付炉にて６００℃まで加熱し、そのろう付状態を評価した。なお、各種接合試験は、窒素ガスで置換された加熱室と冷却室の２室からなるバッチ式炉で行ったが、各種試験の５５０℃における酸化皮膜やＭｇＯ皮膜厚さを調べるため、事前に到達温度５５０℃で冷却したコアを用いて、Ｘ線光電子分光装置によるデプスプロファイルで接合部表面の酸化皮膜厚さやＭｇＯ皮膜厚さを調べた。
○ろう付性
・接合率
以下式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブのろう付後総接合長さ／フィンとチューブのろう付前総接触長さ）×１００
・接合率
以下式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブのろう付後総接合長さ／フィンとチューブのろう付前総接触長さ）×１００
・接合部幅評価
ろう付接合状態は上記接合率のみではなく、本発明の目的であるフィレット形成能の向上を確認するため、図２に示すように接合部１３の幅Ｗを各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。
実施例の何れも良好なろう付性を示したのに対し、比較例では接合率５０％以下で十分な接合が得られなかった。
ろう付接合状態は上記接合率のみではなく、本発明の目的であるフィレット形成能の向上を確認するため、図２に示すように接合部１３の幅Ｗを各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。
実施例の何れも良好なろう付性を示したのに対し、比較例では接合率５０％以下で十分な接合が得られなかった。
１０ コア
１１ コルゲートフィン
１２ チューブ
１３ 接合部
１１ コルゲートフィン
１２ チューブ
１３ 接合部
Claims (13)
- Ｓｉを３〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇを０．１〜５．０ｍａｓｓ％含有するＡｌ合金ろう材がＡｌ製芯材の片面または両面にクラッドされたブレージングシートと、被接合部材であるベア材のアルミニウム合金部材とを組み付け、非酸化性ガス雰囲気中でフラックスを用いずにろう付するアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法であって、
前記アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とするアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。 - 前記アルミニウム合金部材は、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。
- 前記アルミニウム合金部材は、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。
- 前記アルミニウム合金部材は、さらに、Ｍｇを０．１〜０．７ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。
- 前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。
- 前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。
- 前記非酸化性ガス雰囲気は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の雰囲気であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のアルミニウム材のフラックスフリーろう付方法。
- 非酸化性ガス雰囲気でＭｇを含有するＡｌ合金ろう材によるフラックスフリーでのろう付にベア材の被接合部材として供されるフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材であって、
前記アルミニウム合金部材中に、融点が３５０℃以下で、６００℃における酸化物の標準生成自由エネルギー（ΔＧ°）が−１５０（ｋｇ ｃａｌ／ｇｒ ｍｏｌ Ｏ２）よりも高い金属元素の１種または２種以上をそれぞれ０．０１〜０．５ｍａｓｓ％含有することを特徴とするフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材。 - 前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項８に記載のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材。
- 前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項８に記載のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材。
- 前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材。
- 前記ろう材は、前記金属元素を含有し、前記金属元素として、Ｂｉ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％を含有し、さらに、Ｉｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｋ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｎａ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐｂ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材。
- Ｍｇ：０．１〜０．７ｍａｓｓ％をさらに含有することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載のフラックスフリーろう付用アルミニウム合金部材。
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