JPH0234295A - ソルダーコンポジション及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無鉛ソルダーコンポジションに関する。より
具体的には、本発明は、特に鋼管、真鍮パイプ、その他
配管用の真鍮部品等の接合に用いられるソルダーコンポ
ジションに関する。

〔従来の技術〕

鉛が顕著な毒性を有するという証拠は多数存在し、飲料
水中の鉛が血液中の鉛の濃度を高くする一因となってい
ることは古くから知られている。

歴史的には、飲料水の鉛による汚染は、水道管から水中
へ溶は出した鉛に起因するものであることが知られてい
る。鉛管は過去１００年間に広く普及したが、現在は銅
若しくはプラスチックのパイプに交換されつ−ある。

金属部品を永久的に固着する手段としてソルダリングは
広く知られ、且つ広く採用されてきた。

ソルダー材料は、接合すべき二つのベース金属と金属結
合を形成する特性を有していなければならない。この結
合過程において、ベース金属の表面に当該ペース金属の
原子間にソルダリングコンポジションの原子が入り込ん
で合金を形成するものである。

上記ソルダリング材料は、接合部の毛管内に自由に流入
して、これを満たし、更にこのギャップを埋め、若しく
は小さなリボンを形成する作用を有する必要がある。ソ
ルダー金属は、毛管引力によって接合部を充填する。ソ
ルダーがその溶融状態にまで加熱されると、分子間引力
によって丸い小滴となってそれぞれの合金間に存在する
。この引力は通常表面張力と呼ばれるものである。この
ソルダー若しくは充填金属が接合領域に侵入すると、そ
の分子はベース金属に引き寄せられる。これによって前
述の自然な丸い小滴状態は崩壊し、ベース金属の壁を濡
らして上記毛管内に侵入する。

然るのち、ソルダー金属は再びカーブした状態となり、
更に濡れるプロセスを繰り返して上記接合部の長さ全体
が満たされるまでこれらの過程を繰り返す。

結合の強さは、ベース金属の種類、ソルダー金属の種類
、毛管の厚さ、ベース金属とソルダー金属の調和性及び
ソルダー温度等々に依存している。

銅のチューブ及びパイプの接合は、ろう付け（ｂｒａｚ
ｉｎｇ）若しくは低温ソルダリングによって可能である
。然しなから、ろう付けはチューブを焼きなまし、その
ため金属を軟質にしてしまう、また、ろう付けは高温と
長い加熱時間を必要とし、火炎を用いて水道管の接合作
業を行なう際には、潜在的な火災原因となる。

銅のチューブ及びパイプは、住宅用及び営利用の飲料水
システムに広く用いられている。そして、銅のチューブ
及びパイプは、これまで一般に鉛を含むソルダーによっ
て接合されてきた。然しなから、これらのソルダーは飲
料水の質を低下させるという敗多くの証拠が存在する。

最も重要なことは、鉛は体内に蓄積するため、鉛の溶出
は特に胎児や小児の健康を深刻におびやかすものである
。

医学文献は、高レベルの鉛が健康に及ぼす危険性を数多
く報告している。

鉛は飲料水中に溶出するが、その場合の溶出レートには
幾つかのファクタが関与している。水によって配管中に
引き起こされる腐蝕は、通常電気化学的なものである。

低Ｐ　Ｈレベルの軟質の酸性の水は鉛を一層溶解させや
すく、より大量の鉛の電気化学的腐蝕を生じさせる。

過去において、飲料水供給の汚染を低減させるため、飲
料水システムにおける銅のチューブ及びパイプに鉛を含
むソルダーの使用を制限したこともある。

配管用の最もポピユラーなソルダーは、今日までのとこ
ろ５０％の鉛と５０％の錫とから成るものである。この
５０１５０として良く知られている錫−鉛ソルダーコン
ポジションは配管用に特に適した特性を存するものであ
り、低い使用温度で接合部の大きなギャップを充填する
能力を有するものである。

ソルダーによる良好な接合を形成するためには、接合す
べき二つの部材のアライメントを正確なものとし、ソル
ダーが流入し得る毛管を形成するようにしなければなら
ない。然しなから、実際的にはこれらの部材は必ずしも
シンメトリカルではなく、特に大口径の銅のチューブ若
しくはパイプの部材においてはそうであるので、これら
を緊密に嵌め合わせることはしばしば困難であり、従っ
てソルダーを充填すべきギャップは大きなものとなる。

これまで配管工は、密接な接合部とゆるい接合部の双方
を接合するのに優れた物理的特性を有する錫−鉛ソルダ
ーを用いることによって容易にシールすることができた
。新たに開発されたソルダー合金の多くは、これらの錫
−鉛ソルダーと同等の低い作業温度を達成することはで
きたが、錫鉛ソルダーと同等のギャップ充填特性を有さ
なかった。

融点が一つしかない純粋な単一金属とは異なって、多く
の合金は、共融合金と呼ばれる幾つかの例外を除いて、
成る一定の範囲内での溶融レンジを示す。即ち、それら
の合金は、固相線（ｓｏｌｉｄｕｓ）と呼ばれる成る温
度で溶解を開始するが、それらはより高い温度の液相線
（Ｉ　１ｑｕｉｄｕｓ）に達するまでは完全な液体とは
ならない。これらの二つの温度の間は、しばしばペース
ト状の範囲と呼ばれ、固相と液相が混在した状態となっ
ている。然しなから、各相の化学的組成は異なっている
。具体的には、合金がその液相及び面相関の溶融範囲内
の成る所定の温度に保たれるときには、その化学的組成
は合金が溶融範囲の温度まで加熱される以前のそれとは
異なっている。即ち、液体の部分は、融点を下げる傾向
を有する成分が豊富であり、これとは逆に、固体の部分
では融点を上げる傾向の成分が豊富である。若し、固相
が液相から分離されるならば、この固相は元の合金の液
相線より高い融点を有し、液相線の温度より大幅に高温
となるまでは熔融することがない。この現象は“溶離（
ｌｉｑｕａｔｉｏｎ）”と呼ばれ、ソルダリング合金に
おいては通常望ましくない特性と考えられている。

広い溶融範囲を有する合金は、溶融範囲の狭い合金に比
べて溶離し易い。ソルダーコンポジションに２％以上の
銅を含存させることによって、溶融範囲は顕著に拡張す
る。

一般的に、広い溶融範囲を有する合金は、溶離の問題を
生じ易いため、ソルダーとしての利用は避けられてきた
。事実、Ｍａｎｋｏの著書“５ｏｌｄｅｒ　ａｎｄ　Ｓ
ｏｌｄｅｒｉｎｇ”中の記載によれば、銅は合金化のた
めの元素としてよりもむしろ汚染物と考えられている。

銅は液相線温度を容易に上昇させ、殆どのソルダーの溶
融範囲を広げて、これらを溶離させる作用を及ぼすもの
と考えられている。これに反して、本発明においては、
この事実を利用して、現場において遭遇する接合部分の
ギャップを完全にカバーし得るようにするものである。

専門家によって銅は汚染物とみなされているけれども、
本発明者らは錫合金に対して成る一定の含有率で添加す
るならば、銅は錫合金の溶融範囲を拡張若しくは縮小さ
せることができることを見出した。更にまた、本発明者
らはニッケルも同様の効果を有することを発見した。事
実ニッケルは特に錫−アンチモン合金に添加した場合に
溶融範囲を一層効果的に拡張し若しくは縮小することを
見出した。

Ｃｏｐｐｅｒ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ａｓ５ｏｃｉ
ａｔｉｏｎ及びＴｉｎ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　ｒ’ｎ５ｔ
ｉｔｕｔｅの報告によれば、ヨーロッパにおいては錫に
対して３％程度の銅を添加したものをフィラー金属とし
て使用している０本発明は、これを更に押し進め、これ
らの金属を改良して銅の添加量を更に増加させ、また必
要に応じてニッケルを添加することによってより大きな
ギャップを充填し得るようにしたものである。Ａ＋＋＋
ｅｒｉｃａｎ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｍｅｔａｌｓ
発行のＭｅｔａｌｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋの中には、錫、
アンチモン及び銅の合金で錫の含有率の多い領域のもの
が市場に提供されていることが記載されているが、これ
らをソルダーとして利用することに関しては何ら述べて
いない。＾−ｅｒｉｃａｎＷｅｌｄｉｎｇ　５ｏｃｉｅ
ｔｙもそのＳｏｌｄｅｒｉｎｇ　Ｍａｎｕａｌの中でこ
れらの合金をフィラー金属として使用し得る可能性につ
いては何ら言及していない。

米国特許第１，３５５．２０２号には、鋳造されたシリ
ンダボアの不完全部分を充填するための特殊なソルダー
が開示されている。このソルダーは、融点の高い高硬度
の耐圧金属で、錫７９．１５％、アンチモン７．２９％
、銅６．４９％及び亜鉛７．０７％の組成を有するもの
である。銅及びアンチモンの含打率は本発明のそれに比
べて蟲かに高（、この合金は汎用のソルダリングには不
適当である。

アルミニウム及びその合金のためのソルダーコンポジシ
ョンとして、亜鉛及び銅に錫と少量の銀を添加したもの
が米国特許筒１，４３７．６４１号に開示されている。

こ−で開示された組成においては、アンチモンは使用さ
れておらず、汎用のソルダーコンポジションとして必要
な特性は有していない。

また、Ｃａ１ｎ等の米国特許筒３，６０７．２５３号に
は、錫をベースとしたソルダー合金が開示されている。

即ち、この錫をベースとするソルダー合金のクリープ強
さ及び他の機械的特性を改善するための改良例が開示さ
れている。この特許に示されたものは、カドミウムを添
加したものを含んでいるが、カドミウムは有毒であり、
水を含む食品と接触する領域での使用は禁じられている
。従って、この特許に記載された合金は飲料水に関連す
る分野で使用するには不適当である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、従来のソルダーが有するこれらの各種問題点
を解決するためなされたものであり、その目的とすると
ころは、鉛を含有せず、そのため無毒で飲料水用の配管
システムに使用でき、接合部分の小さなギャップも大き
なギャップも容易に充填することが可能で、ワイヤ状、
インゴット状、球状粒子状、粉末状或いはペースト状等
、使用目的に応じて所望の形態に形成可能で、強度的に
も満足できる優れた特性を有するソルダーコンポジショ
ン及びその使用方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る無鉛メタルソルダーの第一の形態のものは
、重量比で錫９２．５〜９６．９％、銅３〜５％、ニッ
ケル０．１〜２％及び８１０〜０．５％の組成を有する
ことを特徴とするものである。

本発明に係る無鉛メタルソルダーの第二の形態のものは
、重量比で錫８６．５〜９２．９％、アンチモン４〜６
％、銅３〜５％、ニッケルＯ〜２％及び銀０〜０．５％
の組成を有することを特徴とするものである。

本発明は、ソルダーとしての錫若しくはｍ／アンチモン
に、ニッケルなしで若しくはニッケルと共に銅を添加し
た場合に、ソルダーが毛管内に極めて緊密に充填され、
それと同時に溶離可能な場合には大きなギャップを容易
に充填し得るという事実に立脚するものである。

本発明に係るコンポジションの利点は、無毒で、良好な
流動性及び濡れ特性を有することである。

このコンポジションは、無鉛且つ無カドミウムであり、
好適な溶融範囲を有すると共に、好適な濡れ並びに流動
特性を示すものである。また、それらは飲料水を流通さ
せる配管システムに使用した場合に、適正な強度を有す
るものである。それらは真鍮若しくは銅のチューブやパ
イプを接合する際に低価格且つ無毒の接合手段を提供す
るものである。更にそれらは、大きなギャップと細かな
毛管を同様に良好に充填、接合し得る無毒のソルダーを
提供するものである。

本発明に係るコンポジシコンは、充分に広い溶融範囲を
有し、これによって殆どの接合部分を容易にソルダリン
グし得るものである。アンチモン若しくは少量の銀を添
加することにより、液相線を降下させ、ソルダーの濡れ
特性を改善することが可能となる。ニッケルを少量であ
っても添加することにより、溶融範囲を拡張し、濡れ特
性を改善し、強度を増大させると共に、接合部分に小さ
なリボン体を形成してこれを被覆するのを容易にする上
で顕著な効果を奏するものである。アンチモン５％、銅
４％、残部錫から成る典型的な合金の溶融範囲は４６０
＠Ｆ　（２３８°Ｃ）から６２０’　Ｆ　（３２７°Ｃ
）であり、密接な接合部を充填する場合にも或いは暖や
かな接合部を充填する場合にも好適である。

最適の重量組成は、錫９１．０部、アンチモン５．０部
、銅３部、ニッケル０．２部及び錫０．１部である。

このソルダーコンポジションは、４６０”　Ｆ　（２３
８℃）から６３０’　Ｉ？　（３３２°Ｃ）の範囲の溶
融範囲を有する。その流動特性は、密接な接合部分に対
しても、或いはゆるやかな接合部分に対しても同様に適
応し得る。このソルダーは、面相線温度よりも僅かに高
く且つ液相線温度よりも充分に低い温度において優れた
接合能力を示すものである。

本発明は、接合部におけるパイプ及びその部品間の細か
な毛管も、大きなギヤングも同様に充填することが可能
な、溶融並びに流動化特性を有する無鉛ソルダーの基本
的な組成を提供するものである。

前述の溶離は、合金の溶融範囲内における面相と液相の
分離を伴うものである。固体部分及び液体部分の組成は
、上記範囲内における温度が変化するに従って連続的に
異なっている。従ってまた、各相の量は時間及び温度と
共に変化する。合金がその固相線まで加熱されるとき、
溶融の開始点の温度に達すると、僅かな液相が形成され
る。こ一に開示した種類のソルダーにおいては、多くの
場合、更に継続して加熱が行なわれても１１合金の成る
特定の量が液体化するまでは温度は殆ど一定に保たれる
。その正確な遣は、合金の化学的な組成に依存する。更
に加熱が続けられると、温度は上昇し、液相線温度に達
して合金の全部が液体化するまでは、合金のより多くの
部分が液体となり、固体部分は次第に少なくなってゆく
。固体部分から液体部分が分離され、接合部の毛管内へ
これが流れ込むような溶融範囲内の任意の温度において
溶離が生じる。残された固体部分は、溶融時における組
成の連続的な変化に起因して、合金の元の液相線温度よ
りも高い溶融温度を示す。本発明に係る合金は、この現
象を有効に利用し得るように構成されている。

具体的には、本発明は、錫若しくは錫−アンチモンをベ
ースとし、これに銅並びに必要に応じてニッケルを添加
した組成を有するソルダー合金を提供するものである。

銅又は銅とニッケルを添加することによって、溶融範囲
を拡張し、更にゆるやかな接合部分の広いギャップをソ
ルダーで充填することが容易となる。更にまた、銀を添
加することにより溶融範囲を降下させ、ソルダリング温
度を実用的な範囲にもたらすことができる。

これらのコンポジションによるときは、適切に密着させ
た接合部のベース金属がツルグーの溶融範囲内の温度に
まで加熱されると、ソルダーは容易に毛管内に流入する
ことができる。然しなから、ベース金属を十分の数イン
チの範囲内まで密着させることができず、大きなギャッ
プを充填しなければならない場合には、固相温度より僅
かに高い温度まで加熱し、その液体部分を毛管内に流入
させ、更に高い溶融温度を有する固体部分を大きなギャ
ップ内に充填することができる。

望ましい溶融範囲、濡れ及び流動特性を有する錫をベー
スとしたソルダーコンポジションは、重量比で、錫９２
．５〜９６．９％、銅３．０〜５．０％、ニッケル０．
１〜２．０％及び銀０．０〜０．５％から成るものであ
る。

望ましい溶融範囲、濡れ及び流動特性を有する錫／アン
チモンをベースとしたソルダーコンポジションは、重量
比で、錫８６．５〜９２．９％、アンチモン４，０〜６
．０％、銅３，０〜５．０％、ニッケル０．０〜２．０
％及び恨ｏ、ｏ〜０，５％から成るものである。

以下の実施例に示したソルダーは、いずれも、６．００
０　Ｐ、Ｓ、１．　（４１，４ＭＮ／　ｍ”）若しくは
それ以上の引っ張り強さを有し、２インチ（５１＋ｎｍ
）において４０〜５０％の伸びを示した。

〔実　施　例〕

以下、実施例を参照しつ＼本発明を具体的に説明する。

実施例Ａ 重量比で、錫（Ｓｎ）　９６．８％、銅（Ｃｕ）　　３
．０％、ニッケル（Ｎｉ）　　０．２％の組成を有する
ソルダーＡを作製した。このソルダーの固相線温度は４
６０゜Ｆ　（２３８°Ｃ）、液相線温度は６４０°Ｆ　
（３３８°Ｃ）であった・ 実施例Ｂ 重量比で、錫（Ｓｎ）　９５．５％、＆ｒｊ４　（Ｃｕ
）　　４．０％、ニッケル（Ｎｉ）　　０．３％、銀（
Ａｇ）　　０．２％の組成を有するソルダーＢを作製し
た。このソルダーの固相線温度は４６０’　Ｆ　（２３
８°Ｃ）、液相線温度は７１０’　Ｆ　（３７７°Ｃ）
であった。

実施例Ｃ 重量比で、錫（Ｓｎ）　９０．５％、アンチモン（ｓｂ
）４．０％、銅（Ｃｕ）　　５．０％、銀（八ｇ）　　
０．５％の組成を有するソルダーＣを作製した。このソ
ルダーの溶融範囲は４２３”　Ｆ　（２１７°Ｃ）ない
し６６１°Ｆ　（３４９゛Ｃ）であった。

実施例り 重量比で、錫（Ｓｎ）　８９．８％、アンチモン（Ｓｂ
）５．０％、銅（Ｃｕ）　　５．０％、ｉｌｌ　（Ａｇ
）　　０．２％の組成を有するソルダーＤを作製した。

このソルダーの固相線温度は４５８°Ｆ　（２３７°Ｃ
）、液相線温度は６５８°Ｆ　（３４８°Ｃ）であった
。

実施例Ｅ 重量比で、錫（Ｓｒ＋）　９１．５％、アンチモン（Ｓ
ｂ）５．０％、銅（Ｃｕ）　　３．０％、ニッケル（Ｎ
ｉ）　　０．５％の組成を有するソルダーＥを作製した
。このソルダーの固相線温度は４５９°Ｆ　（２３７°
Ｃ）、液相線温度は７３５”　Ｆ　（３９１°Ｃ）であ
った。

実施例Ｆ 重量比で、錫（Ｓｎ）　９０．７％、アンチモン（Ｓｂ
）５．０％、銅（Ｃｕ）　　４．０％、ニッケル（Ｎｉ
）　　０．２％、銀（Ａｇ）　　０．１％の組成を有す
るソルダーＦを作製した。このコンポジションの固相線
温度は４６０’Ｆ　（２３８°Ｃ）、液相線温度は６６
０°Ｆ　（３４９°Ｃ）であった。

実施例Ｇ 重量比で、錫（Ｓｎ）　９１．７％、アンチモン（ｓｂ
）５．０％、銅（Ｃｕ）　　３．０％、ニッケル（旧）
０．２％、Ｓｌ（Ａｇ）　　０．１％の組成を有するソ
ルダーＧを作製した。このソルダーの固相線温度は４６
０’　Ｆ　（２３８°Ｃ）、液相線温度は６１０″Ｉ’
＋　（３２１°Ｃ）であった。

これらのソルダーコンポジションは、以下に述べるよう
な形状、サイズ及び重さとして利用し得る。即ち例えば
、このコンポジションは直径０．０２０〜０．２５０イ
ンチ（０，５〜６．４　ｎｕｎ）の断面円形のワイヤと
して作製し得る。或いはまた、中心部にロジンや、有機
若しくは無機のフラックスのコアを有する直径０．０２
０〜０．２５０インチ（０，５〜６．４　ｍｍ）のソル
ダーワイヤとすることも好適である。

また、この新規なソルダーは、個別の使用目的に応じて
、サイズや形状、半径等を予め定めて形成することも可
能である。この新規なコンポジションは、鋳型から取り
出したま＼の形状、ケーキ若しくはインゴットとして、
矩形、円形等に形成し得る。また、様々な断面形状を存
するバーとして形成することも可能であるし、その重量
や長さも任意の適切な値に設定し得るものである。

更にまた、この新規なソルダーは米国５ｉｅｖｅ　Ｎｏ
。

３０　（２７，６２メツシユ・バー・リニア・インチ即
ち１０．８７メツシユ・バー・リニア・センチメートル
）から５ｉｅｖｅ　Ｎｏ、　３２５　（３２３，００メ
ツシユ・バー・リニア・インチ即ち１２５．９８メツシ
ユ・バー・リニア・センナメートル）までの様々なサイ
ズの粉末若しくは球状粒子として形成することも可能で
ある。

更にまた、この新規なコンポジションはペース１〜状に
作製することも可能である。その場合には、粉末状のソ
ルダーを適宜のフラックスと混練してペースト状のソル
ダーとするものである。或いはまた、このソルダーは様
々な厚さ及び幅のフォイル、シート、リボン等、使用目
的に応じて適宜の形態で利用できる。

〔発明の効果〕

本発明は、叙上の如く構成されるから、本発明によると
きは、鉛を含有せず、そのため無毒で飲料水用の配管シ
ステムに使用でき、接合部分の小さなギャップも大きな
ギャップも容易に充填することが可能で、ワイヤ状、イ
ンゴット状、球状粒子状、粉末状或いはペース１−状等
、使用目的に応じて所望の形態に形成可能で、強度的に
も満足できる優れた特性を有するソルダーコンポジショ
ン及びその使用方法を提供し得るものである。

特許出願人　ジエイ　ダブリュー　ハリスカンパニー　
インコーポレーテッド 代理人（７５２４）最」二正太部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）重量比で、錫９２．５〜９６．９％、銅３〜５％、
   ニッケル０．１〜２％及び銀０〜０．５％を含有するこ
   とを特徴とする無鉛メタルソルダーコンポジション。 ２）重量比で、錫９３〜９６．９％、銅３〜５％、ニッ
   ケル０．１〜２％を含有する特許請求の範囲第１項記載
   のコンポジション。 ３）重量比で、錫９５．５％、銅４％、ニッケル０．３
   ％、及び銀０．２％を含有する特許請求の範囲第１項記
   載のコンポジション。 ４）重量比で、錫８６．５〜９２．９％、アンチモン４
   〜６％、銅３〜５％、ニッケル０〜２％及び銀０〜０．
   ５％を含有することを特徴とする無鉛メタルソルダーコ
   ンポジション。 ５）重量比で、錫８７．０〜９２．９％、アンチモン４
   〜６％、銅３〜５％及びニッケル０．１〜２％を含有す
   る特許請求の範囲第４項記載のコンポジション。 ６）重量比で、錫８６．５〜９２．９％、アンチモン４
   〜６％、銅３〜５％、ニッケル０．１〜２％及び銀０．
   １〜０．５％を含有する特許請求の範囲第４項記載のコ
   ンポジション。 ７）重量比で、錫８６．５〜９２．９％、アンチモン４
   〜６％、銅３〜５％及び銀０．１〜０．５％を含有する
   特許請求の範囲第４項記載のコンポジション。 ８）適切に密接せしめられた接合部を特許請求の範囲第
   １項ないし第７項のうちいずれか一に記載の組成を有す
   るソルダーを用いてソルダリングする方法において、上
   記ソルダーの溶融範囲内の一定の温度において加熱を施
   すことを特徴とするソルダリング方法。 ９）適切に密接せしめられた接合部を特許請求の範囲第
   １項ないし第７項のうちいずれか一に記載の組成を有す
   るソルダーを用いてソルダリングする方法において、固
   相線温度より僅かに高い一定の温度において加熱を施す
   ことを特徴とするソルダリング方法。 １０）上記接合部が、飲料水供給システムの２本のパイ
   プ間の接合部である特許請求の範囲第８項または第９項
   記載のソルダリング方法。