JPS6365437B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は金属表面のコーテイング用あるいは接
合用の亜鉛を主体とする組成物に関する。より詳
しくは、本発明は銅あるいは銅合金表面をコーテ
イングするか接合するのに用いる組成物として最
も適した亜鉛を主体とする組成物とそのような使
用に関係した方法とに関する。 従来、銅および銅合金の接合には鉛―スズある
いは鉛―スズ―銀のハンダが使れてきた。これら
の型のはんだは自動車やトラツクのラジエータに
広く使用されているが非常に高価で重いので適当
な代替物が求められている。さらに問題である点
は高温でそれらのはんだの限られた機械的強度が
さらに低下することである。 本発明は、重量割合で 約0.1〜約4.0パーセントの銅、 約0.1〜約1.0パーセントのニツケル、 約0.01〜0.5未満のパーセントのアルミニウム、 ０〜約0.5パーセントのクロム、 ０〜約0.5パーセントのチタン、 残部が亜鉛 から成る亜鉛組成物を提供する。 本発明の亜鉛組成物は金属表面を被覆するかめ
つきするのに用いてもよいが、もともとはんだ付
けかろう付けのような合着プロセスによつて金属
表面を接合する充てん剤物質として考えられたも
のである。充てん金属は材料の融解プロセスある
いは溶接に用いてもよい。本発明の組成物は銅含
有金属表面のはんだ付けか接合に特に用いられ
る。ここで使つた述語「銅含有金属」とは銅およ
び、黄銅等のごとき銅合金を意味する。本発明の
亜鉛組成物は接合操作中に銅および銅合金を容易
にぬらして合金上に流れ、しかも従来の亜鉛合金
と比較して溶解の活量すなわち反応性が低い。そ
の結果、これらの組成物は自動車およびトラツク
のラジエータの製造と修理によく適している。そ
れらはまた鉛管用の銅および銅合金表面の接合、
電動モータや発電機、およびプリント回路のごと
き電子モジユールに応用される。 本発明の亜鉛組成物は従来使われている鉛／ス
ズはんだや鉛／スズ／銀はんだよりも現在は実質
的に経済的である。本発明の組成物を用いれば銅
含有表面との反応を制御できる。これらの組成物
はまた導電率を改良して電気回路の性質を改善す
る。さらに本発明の組成物は通常使われるエンジ
ンの冷却液に接する際に昇温下で良好な耐食性を
示し、ラジエータの運転に適した温度範囲でそれ
らの強度が保たれる。結局、本発明の合金は充て
ん物質として用いたとき大きな引張り強さを持
つ。これら最後に述べた特性から乗物のエンジン
のラジエータの製造や修理用に理想的に適した組
成物が得られることになる。 上に概説し以下にもつと詳細に記載する本発明
の亜鉛組成物は銅含有物質、すなわち銅あるいは
銅合金を接合あるいははんだ付けするのに有用で
ある。亜鉛以外に本発明の充てん剤組成物および
コーテイング組成物には、基本成分として銅、ニ
ツケルおよびアルミニウムが含まれる。さらにこ
れらの組成物は少量のクロムおよび（あるいは）
チタンを含でもよく、また含むのが好ましく、ク
ロムやチタンはこれらの組成物の銅含有金属表面
との反応性を下げる傾向のある点でこれらの組成
物の性質をよくする。 本発明の組成物の特異で共働作用的性質のすべ
てが十分に説明できる訳ではないが、いくつかの
性質は、少なくとも部分的には個々の成分に原因
がある。それゆえ、組成物中の銅は組成物の他の
成分がはんだ付けあるいは充てんされる品物の表
面で銅と反応するのを最低にする傾向がある。ニ
ツケルは組成物の耐食性を改良する。クロムとチ
タンは銅あるいは銅合金が亜鉛に溶ける速度を小
さくしてそれによつてはんだ付けを容易にするだ
けでなく、合金組成物の強度を増ししかも、銅お
よびニツケルと結びついて強力で効果的なはんだ
接合を生じる。 次の重量パーセントが本発明の亜鉛組成物の成
分範囲として適当である。 約0.1〜約4.0パーセントの銅、好ましくは約0.1
〜約3.2パーセント、最も好ましくは約2.0〜約3.0
パーセントの銅、 約0.1〜約1.0パーセントのニツケル、好ましく
は約0.1〜約0.5パーセント、最も好ましくは約0.2
〜約0.25パーセントのニツケル、 約0.01〜0.5未満のパーセントのアルミニウム、
好ましくは約0.02〜約0.3パーセント、最も好ま
しくは約0.05〜約0.2パーセントのアルミニウム、 ０〜約0.5パーセントのクロム、好ましくは約
0.1〜約0.5パーセント、最も好ましくは約0.15〜
約0.25パーセントのクロム、 ０〜約0.5パーセントのチタン、好ましくは約
0.1〜約0.5パーセント、最も好ましくは約0.15〜
約0.25パーセントのチタン、 および残部が亜鉛。 以下にすぐ示すのは、充てん剤あるいははんだ
付けの組成物として最も有用であることがわかつ
た本発明のいくつかの優れた亜鉛組成物である。
これらの組成物は、一般に銅基金属に対するはん
だ付け、ろう付けあるいは充てん剤の組成物とし
ての用途があるが、特に自動車の型のラジエー
タ、例えばタンクとヘツダーの接合部、チユーブ
とヘツダーの接合部、およびチユーブとフインの
接合部の組立てや修理に適している。優れた組成
物は重量割合で、 組成物 １ 銅―2.8〜3.2％ ニツケル―0.2〜0.5％ アルミニウム―0.05〜0.15％ クロム―0.2〜0.5％ チタン―0.2〜0.5％ 亜鉛―残部 組成物 ２ 銅―2.5〜3.0％ ニツケル―0.2〜0.25％ アルミニウム―0.05〜0.10％ クロム―0.15〜0.25％ チタン―0.15〜0.25％ 亜鉛―残部 組成物 ３ 銅―0.1〜0.2％ ニツケル―0.2〜0.25％ アルミニウム―0.02〜0.10％ クロム―0.15〜0.25％ チタン―0.15〜0.25％ 亜鉛―残部 米国溶接協会（The American Welding
Society）は充てん物質の融点として840〓の温度
を用いてはんだ付け法とろう付け法を区別してい
る。本発明の亜鉛組成物の多くは800〜850〓の範
囲で溶融するのではんだ付けあるいはろう付け技
術、あるいは一般に溶接技術までも含む融解プロ
セス用の充てん物質として区別してもよい。しか
しながらほとんどのものは840〓あるいはそれ以
下で溶融するはんだ付け組成物として分類しても
よい。 これらの亜鉛組成物は、はんだ付けおよびろう
付け法、特に銅含有物質の接合において充てん物
質として理想的に適しているけれども、そのよう
な用途に限定されるものではない。これらの亜鉛
組成物が示す金属への親和性のために、それらは
また金属表面、特に銅含有金属表面の処理を行
う、つまり金属表面のコーテイング、メツキある
いは張合わせを行う物質として用いてもよい。こ
れらの表面処理は、接合方法のように、従来技術
によつて一般的に行つてもよい。しかしながらス
トリツプ（Strip）の張合わせ方法のごときある
技術においては亜鉛組成物を圧力によつて金属表
面に塗布し、さらに張合わせの厚みは圧延により
薄くしてもよい。 上記のように、本発明の亜鉛組成物の性質は既
知の亜鉛を主体とするはんだ材料より優れてい
る。上記の組成物１および２は24000psiの引張り
強度があり組成物３は15000psiの引張り強度があ
る（試験法は標準ASTMによる）。さらにこれら
の引張り強度の大きさは少なくとも250〓以上の
温度でも保たれる。そのうえ組成物２は非常に良
い応力―破壊強度、明確に言えば12500psiの応力
下で10000時間の破壊寿命がある。 はんだとして黄銅と接合するとき本発明の亜鉛
組成物は室温で0.005インチ厚の黄銅ベース材料
を用いて剥離（peel）テストを行うと１インチ当
たり40〜80ポンドの範囲内の強度があつた。この
試験ではＵ字形あるいはＶ字形の黄銅のストリツ
プ内に形成したアーチ状あるいはＶ字状の刻み目
と結合した亜鉛組成物の鋳造部分が形成されるこ
とも含まれる。その後でストリツプの両端に黄銅
の表面から組成物を切断する（sever）かあるい
は引剥すのに十分な荷重をかける。黄銅表面から
組成物を引剥すのに要する荷重は形成された結合
力の尺度である。 従来のエンジン冷却液（エチレン グリコー
ル）を用いた昇温試験を行うと、上記組成物２の
場合、ラジエータ環境での運転寿命に対して優れ
た組成物であることがわかつた。１インチ当たり
８ポンドの応力破壊試験を行うと、200〓の温度
と50容量パーセントのエチレングリコール エン
ジン冷却液内では新しい亜鉛合金はんだに対して
4000時間までの寿命が得られた。 自動車のラジエータ試験 別の一組の試験で上記の亜鉛基はんだ組成物２
の性能を従来のスズ―鉛―銀はんだ（Sn2.5％、
Ag0.5％、Pb97％）と比較して自動車ラジエータ
の継ぎ目の封じに用いた。同様に製造されたラジ
エータを擬装試験台上で比較試験した。試験方法
は動的なやり方で行い、180〓から15分間で230〓
まで昇温し次に５分間で180〓まで下げる熱サイ
クルを実施した。圧力重畳サイクル試験も行い、
圧力を大気圧から設定圧へ４分間昇圧し大気圧へ
さらに４分間戻した。擬装試験から長年月有効で
あることが証明された。表にまとめているのは
従来のスズ―鉛―銀はんだ組成物でつくつた接合
部の寿命と本発明の上記亜鉛基はんだ組成物２
（重量割合で3.0％の銅、0.2％のニツケル、0.1％
のアルミニウム、0.2パーセントのクロム、0.2パ
ーセントのチタン、残部が亜鉛）でつくた接合部
の寿命とを比較したものである。

【表】 上記の結果は自動車ラジエータの製造に応用す
る場合、本発明の亜鉛組成物の優秀性が従来のス
ズ―鉛―銀はんだに比較して明白である証拠とな
る。本発明の亜鉛組成物ではんだ付けしたラジエ
ータを20psigに保つて破壊した場合、発生した破
壊ははんだ付け接合部それ自身においてではな
く、はんだ付けした領域の隣りのラジエータ成分
の黄銅金属においてであつた。 これらの亜鉛組成物は物理的混合物か合金組成
物のいずれかとして使用してもよい。それゆえ金
属成分は個別に粉末状あるいは細かく砕いた状態
で、あるいは、例えば２あるいは３成分合金とし
て用意して、その後で配合して所望の組成の不均
一混合物を形成し、その一部分を使用時に溶融し
て使つてもよい。別のやり方としては、全金属成
分を固体状態あるいは溶融状態のいずれかで組合
わせて溶融状態で混合して均一混合物あるいは合
金を形成し、その後で便利のよい形、例えば棒、
線、丸棒、シート、リボン、箔などに、引続いて
使うために形をつくつてもよい。 合金として用いる場合、本発明の亜鉛組成物は
直接溶融により製造してもよい。製造には撹拌が
良好であるので誘導炉を用いるのが好ましい。溶
融作業は不活性雰囲気、例えば窒素あるいはアル
ゴンのおおい（blanket）をして行つて成分金属
の、特にチタンの酸化を避けるのがやはり好まし
い。溶融作業中に名目上約850〓〜1200〓の範囲
の温度を代表的につくるが、成分の溶融と混合を
助けるにはこの範囲の比較的高い温度を用いるの
が好ましい。 フラツクス 本発明の亜鉛組成物は金属表面、特に銅含有表
面を、従来の接合技術とフラツクスを用いて被覆
し、メツキし、張合わせ、接合あるいは充てんす
るのに使用することができる。本発明の亜鉛組成
物はまたフラツクスが無いいくつかの状況下でも
使うことができる。例えば、本発明の亜鉛組成物
の溶融浴を用意して、被覆すべき銅含有表面を浴
中に置き超音波をかけることができる。もしいく
つかの金属表面を接合する場合には、それらを互
いに非常に接近させるか接触させて置いてもよ
い。溶融した組成物中での超音波のキヤビテーシ
ヨンにより部品の酸化物を除去して組成物が清浄
表面を被覆するようにできる。 同様に、銅含有金属表面は亜鉛組成物を、例え
ばシート、リボン、箔、環あるいはプリフオーム
（preform）の形態で接合すべき表面の間に表面
に接触させて置くか被覆すべき表面に単に置くこ
とにより、フラツクスを用いずに被覆するか接合
することができる。亜鉛組成物を次に何でもよい
適当な手段で加熱してそれを溶融し、接合すべき
表面をそれがぬらすようにする。冷却すると、実
質的な強度を持つ固体のコーテイングあるいは接
合が形成される。この方法を用いる場合、加熱工
程は還元雰囲気下で、例えば少量（例えば５パー
セント）の水素を含む不活性ガスのおおいを用い
ることによつて実施することが多い。そのうえ不
活性ガスは低い露点を持つ、すなわち少ない水蒸
気量を含有すべきである。他の方法として不活性
ガス雰囲気を必要としない抵抗ろう付け法を用い
てもよい。 上記のように、本発明の亜鉛組成物は、充てん
材料として使う場合はフラツクスとともに用いて
もよい。本発明の亜鉛組成物をはんだ材料として
使用するのに適したようにするには、フラツクス
が被覆するか接合すべき表面を清浄にせねばなら
ず、表面とはんだが加熱中に酸化するのを防ぎ、
はんだ合金が溶融する温度以下の温度で溶融して
流れ、溶融時に表面を流れてぬらし、しかも基体
金属の表面上ではんだが拡がるのを助けなければ
ならない。 本発明の亜鉛合金とともに用いるのが優れてい
るのは一種以上のハロゲン化物成分、例えば臭化
物あるいは塩化物を酸あるいは塩として含むフラ
ツクスである。銀あるいはスズが、細かい元素状
金属粒子か、塩化物、臭化物などのごとき可溶性
塩としてフラツクス中にやはり存在してもよい。
望ましいフラツクスの上記列挙した性質すべてを
満たししかも亜鉛合金の金属表面、特に銅含有表
面と優れた結合を生じる金属表面処理物質すなわ
ちフラツクスは重量割合で以下の組成物から構成
される。 約５〜約70％のZnCl₂、 約１〜約28％のNH₄Cl、 約0.1〜約10％のSnCl₂、 約０〜約10％のHCl、 約０〜約10％のLi₂B₄O₇、 約０〜約５％のMgBr、 約０〜約５％のZnBr、 約０〜約94％の水。 この組成物は希薄な水溶液としてあるいはもつ
と濃縮した状態で、乾燥した塩を直接混合するこ
とも含めて用いてもよい。望ましい範囲は約６％
からほとんど100％ののり状の塩までを含み、最
も望ましい組成物は約15重量％の塩を含む水溶液
である。フラツクスの成分に関してここで用いて
いる述語「塩（salt、salts）」などにはHClも含
まれるとやはり考えている。 このフラツクス組成物の望ましい状態は重量割
合で次の組成を有するものである。 約10％のZnCl₂、 約3.8％のNH₄Cl、 約1.5％のSnCl₂、 約５％のHCl、 約0.5％のLi₂B₄O₇、 約0.5％のMgBr、 約0.5％のZnBr 残部が水 これらの表面処理のあるいはフラツクスの組成
物は金属表面につけて亜鉛組成物と別々か一緒に
処理してもよい。すなわち、フラツクス組成物は
別々の工程でつけてもよいし、亜鉛組成物は適当
な形状、例えば丸棒、線、あるいは芯を持つか、
より好ましくは、一般に適当な結合剤（binder）
をつけて、上にフラツクスのコーテイングを行つ
た棒状で供給してもよい。この型の品物は亜鉛基
組成物とフラツクスがほぼ同時に金属表面と接触
してもよい。 本発明が種々の変更や別の形態や実施態様を包
含することしかもここに説明した特定の形態や、
変更および実施態様が本発明を限定するものでは
なくむしろ本発明が特許請求の範囲に記載した本
発明の精神と範囲内に入るすべての変更、同等事
項および代替事項を包含するものであることを理
解すべきである。ただ一例で示したように、市販
品位の金属は、例えばラジエータ部品といつたあ
る用途には完全に満足されるが、高い均一な導電
率が重要である用途、例えばはんだ付け電気成分
には、主題の発明の組成物をつくるのにもつと十
分に精製して高純度にした金属を使うことが必要
かもしれない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量割合で 0.1〜4.0パーセントの銅、 0.1〜1.0パーセントのニツケル、 0.01〜0.5パーセント未満のアルミニウム、及
   び 残部が亜鉛 から成り、金属表面を接合するかコーテイングす
   るのに有用な亜鉛組成物。 ２ 重量割合で 0.1〜4.0パーセントの銅、 0.1〜1.0パーセントのニツケル、 0.01〜0.5パーセント未満のアルミニウム、 0.1〜0.5パーセントのチタン、及び 残部が亜鉛 から成り、金属表面を接合するかコーテイングす
   るのに有用な亜鉛組成物。 ３ 重量割合で 0.1〜4.0パーセントの銅、 0.1〜1.0パーセントのニツケル、 0.01〜0.5パーセント未満のアルミニウム、 0.1〜0.5パーセントのクロム、及び 残部が亜鉛 から成り、金属表面を接合するかコーテイングす
   るのに有用な亜鉛組成物。 ４ 重量割合で 0.1〜4.0パーセントの銅、 0.1〜1.0パーセントのニツケル、 0.01〜0.5パーセント未満のアルミニウム、 0.1〜0.5パーセントのクロム、 0.1〜0.5パーセントのチタン、及び 残部が亜鉛 から成り、金属表面を接合するかコーテイングす
   るのに有用な亜鉛組成物。 ５ 組成物が重量割合で 2.8〜3.2パーセントの銅、 0.2〜0.5パーセントのニツケル、 0.05〜0.15パーセントのアルミニウム、 0.2〜0.5パーセントのクロム、 0.2〜0.5パーセントのチタン、及び 残部が亜鉛 から成る、特許請求の範囲第４項に記載の亜鉛組
   成物。 ６ 組成物が、重量割合で 2.5〜3.0パーセントの銅、 0.2〜0.25パーセントのニツケル、 0.05〜0.10パーセントのアルミニウム、 0.15〜0.25パーセントのクロム、 0.15〜0.25パーセントのチタン、 残部が亜鉛 から成る、特許請求の範囲第４項に記載の亜鉛組
   成物。 ７ 組成物が、重量割合で 0.1〜0.2パーセントの銅、 0.2〜0.25パーセントのニツケル、 0.02〜0.10パーセントのアルミニウム、 0.15〜0.25パーセントのクロム、 0.15〜0.25パーセントのチタン、 残部が亜鉛 から成る、特許請求の範囲第４項に記載の亜鉛組
   成物。