JP6742536B2 - ろう付接合体、ろう付方法、及び、ろう材 - Google Patents

Description

本発明は、ろう付接合体、ろう付方法、及び、ろう材に関する。

アルミニウムを主成分とするアルミニウム系材料と、鉄を主成分とする鉄系材料と、をろう付する場合、Ａｌ−Ｓｉ系合金をろう材として用いてろう付する方法を用いることが一般的である。

しかし、この方法では、ろう材が溶融したときに鉄系材料中のＦｅがろう材中に拡散してしまう。このため、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に延性が低くて脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金が形成されやすい。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の形成は、ろう付強度を低下させるという問題がある。

これに対し、特許文献１には、鉄系材料の表面にＮｉめっきを被覆し、Ｎｉめっき層がＦｅの拡散防止層として機能することで、脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の形成を抑制することが提案されている。

特開２００２−３３６９５９号公報

特許文献１のろう付技術を採用した場合でも、炉中ろう付によって加熱が長時間に及ぶと、Ｎｉめっきがろう材中へ溶解してしまうため、拡散防止層としての機能を失う。その結果、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金が形成され、ろう付強度が低下してしまう。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、炉中ろう付を行った後に高い接合強度を有するろう付接合体を提供することを目的とする。また、上記ろう付接合体のろう付方法、及び、ろう材を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るろう付接合体は、アルミニウム系材料とＮｉめっきされた鉄系材料とのろう付接合体であって、鉄系材料側から順に、鉄系材料、Ｎｉめっき層、Ａｌ−Ｎｉ系合金層、Ａｌ−Ｓｉ系合金層、及び、アルミニウム系材料の層構造を備え、Ａｌ−Ｓｉ系合金層の中に概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金が形成されている。

本発明によれば、炉中ろう付中の鉄系材料のバリア層であるＮｉめっき層の消失を防ぎ、脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に代えてＡｌ−Ｎｉ系合金層がより薄く形成される。また、概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金が形成される。従って、炉中ろう付を行った後に高い接合強度を有するろう付接合体、ろう付方法、及び、ろう材が得られる。

本発明の実施の形態１に係るろう付接合体の斜視図 実施の形態１に係るろう付接合体の断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）像 実施の形態１におけるアルミニウム系材料と鉄系材料とのろう付の部材配置図 実施の形態１におけるろう材の断面図 本発明の実施の形態５におけるワイヤろう材の断面図 実施の形態５におけるアルミニウム系材料と鉄系材料とのろう付の部材配置図 本発明の実施例と対比される比較例のろう付接合体の断面ＳＥＭ像の部材配置図 実施の形態７におけるろう材の断面図 実施の形態８におけるろう材の断面図 実施の形態９におけるろう材の断面図

以下、実施の形態に係るろう付接合体、ろう付方法、及び、ろう材について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態により、発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に、実施の形態１に係るろう付接合体１００の斜視図を示す。

図１に示すように、アルミニウム系材料１と鉄系材料５とのろう付により、ろう付接合体１００が形成されている。アルミニウム系材料１と鉄系材料５とは、それぞれ、平角状の形状を有する。アルミニウム系材料１と鉄系材料５とは、一端部で長さＬだけ重なり合っており、ろう付部６の部分でろう付されている。鉄系材料５の表面にはＮｉめっき層４が形成されている。ろう付部６は、アルミニウム系材料１とＮｉめっき層４との間に形成されている。なお、本実施の形態におけるアルミニウム系材料１は、純アルミニウムを含む。

図２に、実施の形態１に係るろう付接合体１００について、ろう付部６付近の断面ＳＥＭ像を示す。

図２に示すように、実施の形態１のろう付接合体１００のろう付部６は、鉄系材料５側から順に、鉄系材料５、Ｎｉめっき層４、Ａｌ−Ｎｉ系合金層１６、Ａｌ−Ｓｉ系合金層１８、及び、アルミニウム系材料１で構成された層構造を備える。

Ａｌ−Ｓｉ系合金層１８は、主として図４で後述するろう材３のＡｌ−Ｓｉ素地１４から形成されるＡｌ−Ｓｉの素地の層を指す。

Ａｌ−Ｓｉ系合金層１８の領域の内、Ａｌ−Ｎｉ系合金層１６に近い部分に、概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金層１６ａが形成されている。また、Ａｌ−Ｎｉ系合金層１６とＡｌ−Ｓｉ系合金層１８との界面の形状は、滑らかに連続している形状である。より具体的には、上に凸形状と下に凸形状を概ね一定周期でくりかえす波状である。

次に、ろう付接合体１００の製造方法について説明する。図３は、実施の形態１によるろう付時の各部材の配置方法を示した断面図である。

まず、ろう付される対象物であるアルミニウム系材料１及び鉄系材料５を用意する。鉄系材料５の一の表面には、厚さ１〜１０μｍのＮｉめっき層４が被覆されている。

Ｎｉめっき層４の被覆方法として、例えば電解めっき又は無電解めっきが挙げられる。但し、Ｎｉめっき層４の被覆方法は特に限定されるものではない。Ｎｉめっき層４の厚さは、拡散防止層としての機能の観点から３μｍ以上が好ましい。

続いて、炉中ろう付用の構造体を形成する。図３の例では、構造体は、アルミニウム系材料１及び鉄系材料５を含む積層体として形成される。積層体の仮固定については図示しないが、公知の方法で行う。

鉄系材料５上に形成されたＮｉめっき層４の上に、フラックス層２ｂを介してろう材３を配置する。なお、図３では、ろう付を行う面以外に形成されたＮｉめっき層４を省略している。ろう材３の上に、フラックス層２ａを介してアルミニウム系材料１を配置する。

フラックス層２ａ、２ｂは、ノコロック系フラックスの粉末を揮発性の有機溶剤、例えばエタノールと混合してペースト状にしてから各部材に塗布することで形成される。但し、フラックス層２ａ、２ｂの設置方法は特に限定されるものではない。

図３のように各部材を配置した積層体を、不活性雰囲気、例えば窒素雰囲気の炉内で加熱する。加熱温度は、ろう材３が溶融を開始する溶融開始温度以上、及び、６４０℃以下の温度範囲内である。６４０℃以下としたのは、アルミニウム系材料１の材料を純Ａｌとしたとき、純Ａｌの融点が約６６０℃であることから、アルミニウム系材料１の母材の溶融を防ぐためである。上記範囲内の温度で構造体を一定時間保持した後室温まで冷却する。加熱時の最高到達温度は、ろう材３の溶融開始温度と６４０℃との中間の例えば６００℃近傍とする。最高到達温度に到達した時点で加熱を終了して炉内で冷却を開始することとしてよい。

上記のろう付を行うことにより、上述したろう付部６を備えるろう付接合体１００が形成される。

次に、ろう付に用いられるろう材３について詳しく説明する。図４は、ろう材３の断面図である。

ろう材３は、図３の積層方向に対応して、図４の下からＡｌ層１１、フラックス層１５、及び、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の積層体として構成されている。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０がアルミニウム系材料１側に位置し、Ａｌ層１１が鉄系材料５側に位置する。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０は、ろう材として使用されるＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金から形成されている。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の層の断面を見たとき、図４に示すように、Ａｌ−Ｓｉ素地１４の中に、Ａｌ−Ｎｉ合金相１２及びＡｌ−Ｓｉ合金相１３が浮島状に分布している。

Ａｌ−Ｓｉ素地１４の組成は、Ｓｉが３原子％以下で残部がＡｌである。なお、本実施の形態の説明において、残部とは不可避的不純物を含む。

Ａｌ−Ｓｉ合金相１３の組成は、Ａｌが３原子％以下で残部がＳｉである。

Ａｌ−Ｎｉ合金相１２の組成は、Ｎｉが０．０１〜５０原子％で、残部がＡｌである。

Ａｌ−Ｎｉ合金相１２中のＮｉの割合は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０全体の質量に占めるＮｉの質量の割合に依存する。例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に含まれるＮｉの割合が８質量％の場合、Ａｌ−Ｎｉ合金相１２中のＮｉの割合は２５原子％近傍の値となる。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ合金系層１０全体の体積に占めるＡｌ−Ｓｉ合金相１３及びＡｌ−Ｎｉ合金相１２の体積の割合は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に含まれるＳｉの質量の割合及びＮｉの質量の割合に依存して変動する。例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に含まれるＳｉの割合が７質量％かつＮｉの割合が８質量％であるとする。この場合、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に占めるＡｌ−Ｓｉ合金相１３の体積の割合は７％近傍の値をとる。また、Ａｌ−Ｎｉ合金相１２の体積の割合は２０％近傍の値をとる。Ａｌ−Ｓｉ合金相１３及びＡｌ−Ｎｉ合金相１２は、Ａｌ−Ｓｉ素地１４中に均一に分布していることが好ましい。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０は、Ｓｉを５〜１２質量％、Ｎｉを０．０１〜３０質量％含む合金を作製した後、厚さ０．０５〜０．２ｍｍの板状に圧延することで製造することができる。

Ｓｉが５質量％未満では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の融点が高くなり、母材を溶融させずにろう付するのが困難である。また、Ｓｉが１２質量％を超えると、合金が硬くなるため、ろう材への加工が困難となる。

Ｎｉが０．０１質量％未満では、めっきの溶解を抑止する効果が発現しない。Ｎｉが３０質量％を超えると、ろう材中のＮｉの占める割合が過大となり、ろう付接合体へ熱応力への耐久力が低下するおそれがある。

Ａｌ層１１は、例えばＡ１０５０のような純Ａｌの層である。この他、５質量％程度までの不純物を含むＡｌ層であってもよい。Ａｌ層１１の厚さは、０．００５〜０．１ｍｍとすることが好ましい。

ろう材３は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の片面に、フラックス層１５を介してＡｌ層１１を貼り合わせることで形成される。フラックス層１５は、例えばノコロック系フラックスである。貼り合わせる方法は、フラックス層１５にＡｌ層１１を手で押さえつける程度でよい。

なお、上述した図２の例におけるろう付接合体１００は、以下の方法で製造されたものである。

アルミニウム系材料１としてＡ１０５０、鉄系材料５としてＳＵＳ３０４を使用した。鉄系材料５の表面に、厚さ３μｍのＮｉめっき層４を形成した。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０として、９．７質量％のＳｉと８．０質量％のＮｉとを含み残部がＡｌである合金を厚さ０．１ｍｍに圧延した箔材を使用した。なお、残部には不可避的不純物を含む。

Ａｌ層１１として、純度９９％以上のＡｌ箔を使用した。ノコロック系フラックスをエタノールに混合したペーストであるフラックス層１５を介して、Ａｌ層１１をＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に貼り合わせ、ろう材３を形成した。

フラックス層２ａ、２ｂには、ノコロック系フラックスを使用した。

上記各部材を図３の構造体として、炉中に設置した。窒素雰囲気の炉中で６００℃まで昇温し、６００℃に到達した時点で加熱を停止して室温まで冷却した。

次に、上記のろう付接合体１００について、アルミニウム系材料と鉄系材料とのろう付の強度が特許文献１に記載された技術によるろう付に比して向上する理由を説明する。

アルミニウム系材料と鉄系材料とのろう付では、Ａｌ−Ｓｉろう材と鉄系材料との界面における脆弱な合金の生成による継手強度の劣化が問題となる。従来の技術により、鉄系材料にバリア層としてＮｉめっきをすることで脆弱な合金の成長が抑制され、強度が向上することが分かっている。しかしながら、アルミニウム系材料と鉄系材料との炉中ろう付の場合、鉄系材料が温まりにくく、加熱時間が長くなる。その結果、ＮｉめっきがＡｌ−Ｓｉろう材の中に溶解してしまうため、バリア層としての効果を十分に発揮できない可能性がある。種々の検討により、炉中ろう付でろう材の温度が融点以上となった時間が２０分となる場合には、バリア層のＮｉめっきの厚さを１０μｍにしても溶解してしまっていた。

Ｎｉめっきの溶解を抑制するためには、Ａｌ−Ｓｉろう材へのＮｉの溶解速度を低減することが有効である。液体中に固体の元素が溶解する速度は、液体中のその固体の飽和濃度とそのときの濃度の差に比例する。そこで、本実施の形態では、予めＡｌ−Ｓｉろう材中にＮｉを添加しておき、Ａｌ−Ｓｉろう材が溶けた液体中にＮｉを存在させておく。これにより、Ｎｉめっきがろう材の液体中に溶解する速度が遅くなる。その結果、ろう材へのＮｉめっきの溶解を抑制することができる。また、６００℃ではＡｌ−Ｓｉの液体に対してＮｉが最大７．３質量％溶解することが分かっている。従って、予めＡｌ−Ｓｉろう材中のＮｉ濃度を７．３質量％以上にしておけば、溶解速度が０に近づくため、Ｎｉめっきの溶解が生じなくなる。このように、溶解によるＮｉめっきの消失を防止できれば、脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の形成を抑制できるため、ろう付の強度が向上する。

但し、Ｎｉめっきが溶解するタイミングについては以下のようになっていることが好ましい。図４において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の中に、ＮｉはＡｌ−Ｎｉ合金相１２として存在する。ろう材３の内、まずＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０が融点に達して溶け始める。従って、ろう材３の溶融開始温度は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の融点に相当する。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０が溶け始めると、Ａｌ−Ｎｉ合金相１２がＡｌ−Ｓｉ素地１４の中に溶解する。この溶解の過程において、Ｎｉめっき層４の溶解を抑制するためには、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０が融点に達してからＮｉめっき層４が溶解し始めるまでに、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の中にＡｌ−Ｎｉ合金相１２が均一に溶解されていることが肝要である。

そこで、Ａｌ−Ｎｉ合金相１２を均一に溶解させるために、Ｎｉめっき層４とＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０との間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０より融点の高いＡｌ層１１を介在させてろう材３を構成する。

上記の構成としてろう付を行うと、Ｎｉめっき層４の表面付近には、Ａｌ−Ｎｉ系合金層１６が形成される。Ａｌ−Ｎｉ系合金層１６は、脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に比べて引張せん断強度の点で有利であるが、厚さが小さい方が好ましい。

Ｎｉめっき層４上に形成される合金層の厚さは、ろう材の溶融時間及び引張せん断強度と関連する。ろう材の溶融時間が長くなれば、合金層の組成にもよるが合金層が成長することにより厚い層となる。また、合金層が厚くなると、合金層の組成にもよるが引張せん断強度が低下する。ろう付接合体として必要な引張せん断強度を４０ＭＰａとすると、Ｎｉめっき層４上に形成される合金層の厚さは２０μｍ以下とすることが好ましい。

次に、炉中ろう付におけるろう材３の挙動及び接合強度の向上についてさらに説明する。

まず、ろう付を開始して昇温していきＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０が溶融し始めると、Ａｌ−Ｎｉ合金相１２がＡｌ−Ｓｉ素地１４全体に溶解する。このとき、Ａｌ層１１の融点がＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の融点より高いため、Ａｌ層１１はすぐには溶融しない。

続いて、Ａｌ層１１が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０中のＳｉと接触して融点が下がり徐々に溶融し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０と一体化する。Ａｌ層１１が全て溶融してＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０と一体化するときには、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０中にＡｌ−Ｎｉ合金相１２が全て溶解している。Ａｌ−Ｎｉ合金相１２が全て溶解することで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の全体におけるＮｉの均一度が高くなる。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０にＮｉが均一に含まれることは、Ｎｉめっき層４の溶解を抑制する一因となる。

さらに、Ｎｉめっき層４の溶解速度が遅くなり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の中のＮｉの濃度分布が均一になる。これにより、ろう付後のＡｌ−Ｓｉ系合金層１８中に概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金層１６ａが生成される。この概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金層１６ａがろう付部６に生じる破断を抑制する効果を持ち、結果としてアルミニウム系材料１と鉄系材料５との接合強度が向上する。

以上説明したように、本実施の形態では、炉中ろう付において脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の形成が抑制され、代わりにＡｌ−Ｎｉ系合金層が形成される。これにより、本実施の形態によれば、ろう付継手の接合強度が向上する。

また、Ａｌ−Ｓｉ系合金層中に概球状に形成された浮島状の組織が形成されていた。分析の結果、この組織はＡｌとＮｉとを約３：１の原子割合で含有する相であることが分かった。この概球状のＡｌ−Ｎｉ合金相が存在するために、Ａｌ−Ｓｉ素地中を亀裂が伝播しにくくなるため、ろう付強度が向上する。

さらに、Ａｌ−Ｎｉ系合金層とＡｌ−Ｓｉ系合金層との界面の形状が波状であるため、ろう付部が破断しにくくなる。これにより、引張荷重及びせん断荷重に対する高い耐久性を得ることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、ろう材３のＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に含まれるＮｉの割合が７〜１５質量％とする点において、実施の形態１と異なる。

Ｎｉの割合が７〜１５質量％であれば、めっきの溶解を抑止する効果と、ろう材への加工性と、をより高くすることができ好ましい。

実施の形態２の構成によれば、ろう付時にＮｉめっき層４の消失を抑制する効果を十分に発揮できるとともに、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の圧延による作製が簡単になる。

（実施の形態３）
実施の形態３は、ろう材３のＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に対し、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕの内１種以上を合計０．０１〜３０質量％添加する点において、実施の形態１と異なる。

Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕの内１種以上の合計が０．０１質量％未満では、ろう付接合体の強度に影響しない。また、合計が３０質量％を超えると、生成する合金とろう材との親和性が悪くなるため、破壊の起点となり得る。従って、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕの内１種以上を合計０．０１〜３０質量％とした。より好ましくは、合計の上限値が２０質量％以下である。これらの添加元素が多く含まれると、ろう材に加工する前の合金が硬化し、ろう材への加工の困難さが増大するためである。

実施の形態３の構成によれば、ろう付時にＡｌ−Ｎｉ系合金層１６及び概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金層１６ａがＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕの内１種以上の添加元素を含むこととなる。これにより、Ｎｉめっき層４の消失を抑制する効果をさらに高めることができるため好ましい。

（実施の形態４）
実施の形態４は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０が圧延された固体ではなくペースト状である点において、実施の形態１と異なる。

ペースト状のＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０は、ろう材成分、結合溶剤、ノコロック系フラックスで構成される。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０は、結合溶剤の中にＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金の各成分及びノコロック系フラックスを均一に分布させて製造される。

ろう材成分は、Ｓｉを５〜１２質量％、Ｎｉを０．０１〜３０質量％含有し、残部がＡｌの割合となる粉末である。ろう材成分は、各元素の粉末又は複数の元素の合金の粉末として形成される。

結合溶剤は、ろう材成分及びノコロック系フラックスをペーストとしてろう付する材料に定着させる役割を持つ。結合溶剤は公知のものでよいが、フラックス活性化温度より低い温度、例えば５００℃以下で揮発するものが好ましい。

ろう材成分、結合溶剤、ノコロック系フラックスの構成割合は任意でよいが、ろう材成分を３０％程度とすることが好ましい。

ペースト状のＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０を用いることによるアルミニウム系材料１と鉄系材料５とのろう付部の強度向上に及ぼす効果は、実施の形態１と同様である。これに加え、ペースト状のＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０を用いることで、複雑な形状のアルミニウム系材料１と鉄系材料５との間にろう材を容易に定着させることができるため、ろう付する部材の形状の自由度が上がる。また、Ａｌ−Ｓｉろう材にＮｉ粉末を混合することでＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０が作製できるので、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ合金の箔材を作製するよりも簡単にＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０を作製できる。

（実施の形態５）
上述の各実施の形態では、図３の積層体を炉中ろう付することにより図１のろう付接合体１００を製造することを説明した。これに対し、実施の形態５は、図５に示すようにワイヤ材のろう材３を用いて、管材を継ぎ合わせた構造体をろう付する点において、上述の各実施の形態と異なる。

図５に示すように、ワイヤ材のろう材３において、芯材は、図５においては細長い円柱状に形成されているＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ合金である。径方向の最も内側の層という意味で、図４と同様にＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０とする。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０は、実施の形態１に記載したものと同様に、Ａｌ−Ｓｉ素地１４の中にＡｌ−Ｎｉ合金相１２及びＡｌ−Ｓｉ合金相１３が分布している。また、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の周りがＡｌ層１１で被覆されている。図４のろう材３におけるフラックス層１５は、図５のワイヤ材を形成する場合には使用されない。

図６は、アルミニウム系材料１と鉄系材料５とを実施の形態５によってろう付する際の部材配置図である。図６の形態は、配管を接合する場合に使用される。

図６に示すように、鋼管である鉄系材料５にアルミニウム管であるアルミニウム系材料１を差し込む。鉄系材料５の少なくともろう付を行う領域には、Ｎｉめっき層４が形成されている。この状態で、図５のワイヤ材であるろう材３を両配管の段差部に巻き付ける。アルミニウム系材料１とろう材３との間にはフラックス層２ａを塗布し、ろう材３と鉄系材料５との間にはフラックス層２ｂを塗布する。

図６のように配置されたろう付用の構造体を実施の形態１のように炉中ろう付することにより、ろう付接合体が得られる。

実施の形態５の構成によれば、ワイヤ材のろう材３を使用することで、アルミニウム系材料１と鉄系材料５とがそれぞれ配管として形成された場合の重ねろう付が容易に可能となるため好ましい。

（実施の形態６）
実施の形態６は、ろう材３の箔状のＡｌ層１１及びフラックス層１５に代えて、フラックス層２ｂにＡｌ粒子を混合する点において実施の形態１と異なる。

より具体的には、図４のろう材３に相当する実施の形態６のろう材は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０のみである。また、ろう材とＮｉめっき層４との間のフラックス層２ｂにＡｌ粒子が混合されている。

実施の形態６の構成によれば、予めフラックス層２ｂにＡｌ粒子を混合しておくことで、フラックス層２ｂの配置と同時に実施の形態１のＡｌ層１１に相当するＡｌ成分を配置できる。従って、ろう付前の部材配置を簡単にすることができるため好ましい。

（実施の形態７）
実施の形態７は、ろう材３の代わりにろう材３ａを使用する点において、実施の形態１と異なる。

図８に示すように、ろう材３ａは、図４のろう材３に対して、Ｎｉ層２０が追加された積層体である。Ｎｉ層２０は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０とフラックス層１５との間に厚さ０．５μｍ〜１０μｍで設けられている。

Ｎｉ層２０の形成方法として、例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の片面をＮｉの電解めっき又は無電解めっきで被覆することが挙げられる。但し、Ｎｉ層２０の形成方法は特に限定されるものではない。

Ｎｉ層２０が形成された後、Ｎｉ層２０の表面に、ろう材３と同様にフラックス層１５を介してＡｌ層１１を貼り合わせる。これにより、ろう材３ａが形成される。

ろう材３ａを使用することにより、図２で示した接合部の構造において、Ｎｉめっき層４の近傍に形成される概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金層１６ａの量が増加する。従って、ろう材３ａを使用することで、ろう付接合体１００の接合強度がより向上する。

（実施の形態８）
実施の形態８は、ろう材３の代わりにろう材３ｂを使用する点において、実施の形態１と異なる。

図９に示すように、ろう材３ｂは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の片面にＮｉ層２１が設けられた積層体である。Ｎｉ層２１は、０．５μｍ〜１０μｍの厚さを有する。Ｎｉ層２１は、実施の形態７のＮｉ層２０と同様の方法で形成される。

ろう材３ｂを使用することにより、ろう材３に比べてＡｌ層１１を設ける工程が減る。従って、ろう材３ｂを使用すれば、より簡単にろう付接合体１００を作製できる。

（実施の形態９）
実施の形態９は、ろう材３の代わりにろう材３ｃを使用する点において、実施の形態１と異なる。

図１０に示すように、ろう材３ｃは、図３の積層方向に対応して、下からＡｌ層１１、フラックス層１５、Ｎｉ層２３、及び、Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２の積層体として構成されている。Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２がアルミニウム系材料１側に位置し、Ａｌ層１１が鉄系材料５側に位置する。

Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２は、ろう材として使用されるＡｌ−Ｓｉ系合金である。Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２の層の断面を見たとき、図１０に示すように、Ａｌ−Ｓｉ素地１４の中に、Ａｌ−Ｓｉ合金相１３が浮島状に分布している。

Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２は、Ｓｉを５〜１２質量％含む合金を作製した後、厚さ０．０５〜０．２ｍｍの板状に圧延することで製造することができる。

Ｎｉ層２３は、ｔ（μｍ）の厚さを有する。ｔ（μｍ）は、Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２の厚さの５％以上の厚さである。

Ｎｉ層２３の形成方法として、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２の片面をＮｉの電解めっき又は無電解めっきで被覆することが挙げられる。但し、Ｎｉ層２３の形成方法は特に限定されるものではない。

Ｎｉ層２３が形成された後、Ｎｉ層２３の表面に、ろう材３と同様にフラックス層１５を介してＡｌ層１１を貼り合わせる。これにより、ろう材３ｃが形成される。

ろう材３ｃを使用したろう付の加熱過程でＡｌ−Ｓｉ系合金層２２が溶融すると、図１〜図３に示したＮｉめっき層４がＡｌ−Ｓｉ系合金層２２の中に溶解する。これにより、Ｎｉめっき層４の溶解を防止できる。その結果、強固な接合体が得られる。

従って、本実施の形態によれば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０を用いずに、Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２でろう材３ｃを形成できる。換言すれば、Ａｌ−Ｓｉ系合金層２２として、市販のＡｌ−Ｓｉ系合金、例えばＡ４０４５を使用して強固なろう付接合体１００を作製することができる。

以下、本発明の実施例を比較例と対比しながら説明する。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、本発明は何らこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１で使用したろう付接合体は、図１に示したろう付接合体１００である。ろう付用の構造体の各部材の配置及びろう材３は図３及び図４による。

アルミニウム系材料１として長さ５４ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍのＡ１０５０、鉄系材料５としてアルミニウム系材料１と同様の寸法のＳＵＳ３０４を使用した。鉄系材料５の表面には厚さ３μｍのＮｉめっきを電解めっきにより被覆しＮｉめっき層４とした。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０としてＳｉを９．７質量％、Ｎｉを８．０質量％含み残部がＡｌであり、長さ４ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの板材を使用した。Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０にノコロック系のフラックス層１５を介して薄い箔状のＡｌ層１１を貼り合わせて図４に示すろう材３とした。

Ｎｉめっき層４とろう材３との間、及び、ろう材３とアルミニウム系材料１の間にエタノールとノコロック系フラックスの粉末を約４：１の割合で混合したペーストを塗布しフラックス層２ａ、２ｂとした。

上記の各部材を用意した後、ろう材３を図３に示すようにアルミニウム系材料１と鉄系材料５との間に挟んだ状態で、窒素雰囲気の炉内で６１０℃まで加熱してろう付を行うことにより図１に示されるようなろう付接合体１００を得た。この際の、ろう材３の温度が、ろう材３の固相線温度を超えた時間をろう材３の溶融時間とすると、実施例１におけるろう材３の溶融時間は約２０分である。

また、比較例１として、実施例１のろう材３に代えて、従来用いられるＡ４０４５を使用したこと以外は実施例１と同様にしてろう付を行ってろう付接合体を得た。

上記の実施例１及び比較例１で得られたろう付構造体に対し、室温でろう付部に引張せん断力を加える引張試験を行った。その結果、いずれもろう付部で破断した。このときの破断荷重をろう付面積で除して得られた応力をろう付部のせん断強度とした。また、上記の実施例１及び比較例１で得られたろう付構造体のろう付部の断面を観察した。断面ＳＥＭ像から、鉄板とＡｌ−Ｓｉろう材の間に層状に形成される合金層について、鉄板表面に沿う方向の図１に示すろう付距離Ｌの観察領域に観察される化合物層について、Ｌを１０等分した点でそれぞれ化合物厚さを計測し、その平均値を算出し、化合物層の平均厚さを求めた。これらの結果を表１に示す。

比較例１のろう付構造体について、ろう付部の断面ＳＥＭ像を図７に示す。比較例１では、Ｎｉめっき層４が消失して脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ層１９が形成されていた。また、比較例１ではＡｌ−Ｓｉ素地中に概球状組織は存在しなかった。

これに対し、ろう材の主要部としてＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０及びＡｌ層１１を使用する実施例１では、Ｎｉめっき層４上に形成された合金層は、Ａｌ−Ｎｉ系合金であった。また、実施例１では合金層の厚さが比較例１に比べて小さくなった。

加えて、実施例１では概球状組織が形成されていた。

以上の事項により、実施例１は比較例１に比べてろう付部６のせん断強度が向上した。即ち、本実施の形態に係るろう材及びろう付方法によって、高い強度を有するろう付接合体が得られることが認められた。

（実施例２）
実施例２は、図５のろう材３及び図６の部材配置図により、管状部材を用いてろう付接合体を製造した例を示す。

管状のアルミニウム系材料１としてＡ１０５０、管状の鉄系材料５としてＳＵＳ３０４を使用した。鉄系材料５の表面には厚さ３μｍのＮｉめっきを被覆しＮｉめっき層４とした。ろう材３のＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０に相当する芯材は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０がＳｉを９．７質量％、Ｎｉを８．０質量％含み残部がＡｌであった。芯材の外周にＡｌ層１１を被覆し、直径が２ｍｍであるワイヤ状のろう材３を形成した。

アルミニウム系材料１とろう材３との間、及び、ろう材３とＮｉめっき層４との間に、ノコロック系フラックスのフラックス層２ａ、２ｂを塗布した。フラックス層２ａ、２ｂの塗布後、ろう材３をアルミニウム系材料１と鉄系材料５との段差部に設置した。この状態で、窒素雰囲気の炉内で６１０℃まで加熱してろう付を行った。

上記のように製造された実施例２においても、従来技術によるろう付接合配管と比較して高い強度を有するろう付接合配管を得た。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

上記の実施の形態及び実施例では、板材及び配管への適用例を示した。しかしながら、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の形状の材料のろう付に適用することができる。

上記の実施の形態及び実施例では、アルミニウム系材料と鉄系材料との接合の例を示した。しかしながら、本発明はこれらに限定されるものではなく、その他の異種金属接合品にも適用することができる。

アルミニウム系材料は、純ＡｌのＡ１０５０を使用したが、これに限られるものではない。純Ａｌ以外のアルミニウム合金においても脆い合金の成長という同様の問題が生じ得るため、上記の実施の形態の利点を活かすことが可能である。例えば、３０００系アルミニウム合金のようにろう付に適した材料を広く使用することができる。

鉄系材料は、ＳＵＳ３０４を使用したが、これに限られるものではない。その他の鉄鋼材料を広く使用することができる。

図１では、ろう付部６の部分にＮｉめっき層４を示しているが、ろう付部６以外の鉄系材料５の表面にＮｉめっき層４が形成されていてもよい。例えば、鉄系材料５の全面にＮｉめっき層４が形成されていてもよい。

ろう材３について、実施の形態１では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層１０の片面に、フラックス層１５を介してＡｌ層１１を貼り合わせることで形成した。この他にも、圧延、めっき、蒸着、スプレー、塗料などＡｌ層１１を隙間なく形成できる方法によって貼り合わせてもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１７年１１月１７日に出願された日本国特許出願特願２０１７−２２１８３８号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願特願２０１７−２２１８３８号の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、アルミニウム系材料と鉄系材料とのろう付に好適に採用され得る。

１ アルミニウム系材料、２ａ フラックス層、２ｂ フラックス層、３、３ａ、３ｂ，３ｃ ろう材、４ Ｎｉめっき層、５ 鉄系材料、６ ろう付部、１０ Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金層、１１ Ａｌ層、１２ Ａｌ−Ｎｉ合金相、１３ Ａｌ−Ｓｉ合金相、１４ Ａｌ−Ｓｉ素地、１５ フラックス層、１６ Ａｌ−Ｎｉ系合金層、１６ａ 概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金層、１８ Ａｌ−Ｓｉ系合金層、１９ Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、２０、２１、２３ Ｎｉ層、２２ Ａｌ−Ｓｉ系合金層、１００ ろう付接合体。

Claims (12)

1. アルミニウム系材料とＮｉめっきされた鉄系材料とのろう付接合体であって、
   前記鉄系材料の側から順に、前記鉄系材料、Ｎｉめっき層、Ａｌ−Ｎｉ系合金層、Ａｌ−Ｓｉ系合金層、及び、前記アルミニウム系材料の層構造を備え、
   前記Ａｌ−Ｓｉ系合金層の中に概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金が形成されている、
   ろう付接合体。
2. 前記Ａｌ−Ｎｉ系合金層と前記Ａｌ−Ｓｉ系合金層の界面の形状は、滑らかに連続する波状である、
   請求項１に記載のろう付接合体。
3. 前記Ａｌ−Ｎｉ系合金層の平均厚さが２０μｍ以下である、
   請求項１又は２に記載のろう付接合体。
4. 前記Ａｌ−Ｎｉ系合金層及び前記概球状のＡｌ−Ｎｉ系合金は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ及びＣｕの内１種以上を含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のろう付接合体。
5. Ａｌ、Ｓｉ及びＮｉを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金とＡｌ層とを備えるろう材を用意する工程と、
   アルミニウム系材料とＮｉめっきされた鉄系材料との間に、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金が前記アルミニウム系材料の側であり前記Ａｌ層が前記鉄系材料の側となるように前記ろう材を介在させて構造体を形成する工程と、
   前記ろう材の温度が前記ろう材の溶融開始温度以上となるように不活性雰囲気の炉内で前記構造体を加熱する工程と、
   前記加熱後の構造体を冷却する工程と、を備える、
   ろう付方法。
6. 前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金は、Ｓｉが５〜１２質量％、Ｎｉが０．０１〜３０質量％であり、残部がＡｌ及び不可避的不純物である組成を有する、
   請求項５に記載のろう付方法。
7. 前記加熱において、前記ろう材の温度が前記ろう材の前記溶融開始温度以上となる時間を、前記Ｎｉめっきと前記ろう材との間に形成されるＡｌ−Ｎｉ系合金層の平均厚さが２０μｍ以下となるように設定する、
   請求項５又は６に記載のろう付方法。
8. Ａｌ、Ｓｉ及びＮｉを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金と、
   Ａｌ層と、
   前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金と前記Ａｌ層との間に配置されたＮｉ層と、を備える、
   ろう材。
9. Ａｌ、Ｓｉ及びＮｉを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金と、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金上に形成されたＮｉ層と、を備えるろう材を用意する工程と、
   アルミニウム系材料とＮｉめっきされた鉄系材料との間に、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｎｉ系合金が前記アルミニウム系材料の側であり前記Ｎｉ層が前記鉄系材料の側となるように前記ろう材を介在させて構造体を形成する工程と、
   前記ろう材の温度が前記ろう材の溶融開始温度以上となるように不活性雰囲気の炉内で前記構造体を加熱する工程と、
   前記加熱後の構造体を冷却する工程と、を備える、
   ろう付方法。
10. Ａｌ及びＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金と、Ａｌ層と、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金と前記Ａｌ層との間に配置されたＮｉ層と、を備えるろう材を用意する工程と、
    アルミニウム系材料とＮｉめっきされた鉄系材料との間に、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金が前記アルミニウム系材料の側であり前記Ａｌ層が前記鉄系材料の側となるように前記ろう材を介在させて構造体を形成する工程と、
    前記ろう材の温度が前記ろう材の溶融開始温度以上となるように不活性雰囲気の炉内で前記構造体を加熱する工程と、
    前記加熱後の構造体を冷却する工程と、を備える、
    ろう付方法。
11. Ａｌ及びＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金と、Ａｌ層と、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金と前記Ａｌ層との間に配置されたＮｉ層と、を備える、
    ろう材。
12. 前記Ｎｉ層は、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金の厚さの５％以上の厚さを有する、
    請求項１１に記載のろう材。