JP2011148004A - アルミニウム合金接合用低温ろう材 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐食性に優れるＡｌ合金接合用低温ろう材を提供する。
【解決手段】 Ｓｉを４．０ｗｔ％以上８．０ｗｔ％未満、Ｚｎを７．０ｗｔ％以上２０．０ｗｔ％以下、Ｃｕを１０．０ｗｔ％以上３５．０ｗｔ％以下含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金接合用低温ろう材。
【効果】 耐食性に優れるため、腐食環境下でも、ろう付強度が安定して保持される。またろう付温度を低くできるため、ブレージングシートの犠牲材中のＺｎが芯材へ拡散して芯材の耐食性が低下するといった高温ろう材における諸問題が全て解消される。さらにろう付作業時間が短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐食性に優れるアルミニウム（以下、適宜Ａｌと略記する）合金接合用低温ろう材に関する。

従来、Ａｌ合金組み立て品のろう付は、芯材（Ａｌ−Ｍｎ系合金）の片面に犠牲材（Ａｌ−Ｚｎ系合金）を、他面にろう材（Ａｌ−Ｓｉ系合金）を圧延接合したブレージングシートを用いて形成した組み立て品を炉内でろう材の融点（液相線温度）を超える６００℃付近の温度に保持して行われる。このろう付方法は、多数の個所を同時にろう付できるため熱交換器コアを始めとするさまざまな製品を製造する工業的な方法として確立されている。なお、前記ろう付方法には、ろう材中にＭｇを添加して真空炉中で加熱し、Ｍｇの蒸発とゲッター作用によりＡｌ表面の酸化皮膜を破壊してろう付する真空ろう付法と、非腐食性のフラックスを使用し、窒素ガス雰囲気炉中でろう付するＮＢ法（ＣＡＢ法）とがある。

前記熱交換器コアは、図１に示すように、冷媒を通すチューブ１、チューブ１間にろう付される放熱用コルゲート状フィン（以下、適宜フィンと称する）２、冷媒を供給し或いは排出するためのヘッダーパイプ３またはパイプ４、ヘッダーパイプ３の上下を閉鎖するエンドキャップ５、２本のヘッダーパイプ３間を固定するサイドプレート６から構成されている。そしてチューブ１に前記ブレージングシートが用いられ、チューブ１とフィン２とがろう付される。

特開平８−２０６８７５号公報

しかし、前記Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いたろう付方法では、ろう付温度が約６００℃と高いため次のような問題がある。即ち、（１）ろう付時にアルミブレージングシートを構成する犠牲材（Ａｌ―Ｚｎ系合金）中のＺｎが芯材（Ａｌ−Ｍｎ系合金）に拡散して、芯材の耐食性が低下する。（２）ろう付時に芯材中のＭｎ析出物が再固溶して芯材の熱伝導性が低下し熱交換器の熱特性が損なわれる。（３）強度向上に有効なＣｕ、Ｍｇの合金元素は固相線温度をろう付温度以下に下げるため、芯材に添加できない。さらに、Ｍｇは、ろう付時にブレージングシート表面に拡散してフラックスの機能を低下させる。（４）アルミ熱交換器のリサイクル材はＳｉを２〜５ｗｔ％含み固相線温度をろう付温度以下に下げるため、芯材に使用できない。

このように、現用の高温ろう材には種々の問題があるが、これら問題はろう材の融点を下げることにより解決できる。特にろう付温度を５２０℃前後に下げられれば、ろう材の溶融およびフィレットの形成が迅速になされろう付作業時間が短縮される。このようなことからＡｌ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｃｕ合金からなる低温ろう材が提案された（特開平３−５７５８８号）が、十分な耐食性が得られないという問題があった。そこで、本発明者等は、前記低温ろう材では十分な耐食性が得られない理由を検討し、その結果、前記ろう材では、自然電位を高めて耐食性を向上させるＣｕが、多量に含有されるＳｉ（８．０ｗｔ％以上）と化合物を生成して、前記Ｃｕの効果を阻害するためであることを突き止め、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。本発明は、耐食性に優れるＡｌ合金接合用低温ろう材の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、Ｓｉを４．０ｗｔ％以上８．０ｗｔ％未満、Ｚｎを７．０ｗｔ％以上２０．０ｗｔ％以下、Ｃｕを１０．０ｗｔ％以上３５．０ｗｔ％以下含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金接合用低温ろう材である。

以上に述べたように、本発明の低温ろう材は、自然電位を低下させるＺｎに対し自然電位を高めるＣｕが適量含有されているため、また前記Ｃｕの効果を阻害するＳｉの含有量を８．０ｗｔ％未満に抑えてあるため耐食性に優れ、腐食環境下でも良好なろう付性が安定して得られる。またろう付温度を低くできるため、ブレージングシートの犠牲材中のＺｎが芯材へ拡散して芯材の耐食性が低下するなどの高温ろう材における諸問題が全て解消され、さらにろう付作業時間が短縮できる。依って、工業上顕著な効果を奏する。

熱交換器コアの斜視説明図である。 本発明のろう材を用いたろう付性試験用ろう付部材の斜視説明図である。 本発明のろう材を用いた塩水噴霧試験用ろう付品の斜視説明図である。 塩水噴霧試験後のろう付品の引張試験方法の縦断面説明図である。

本発明のＡｌ合金接合用低温ろう材は、Ａｌ母材にＳｉ、ＺｎおよびＣｕを適量含有させてろう材の融点を下げたものであり、前記Ｚｎによる自然電位の低下（耐食性の低下）を、自然電位を高めるＣｕを適量含有させて抑制し、かつＣｕの前記効果を阻害するＳｉの含有量を８．０ｗｔ％未満に抑えたものである。

本発明において、Ｓｉの含有量を４．０ｗｔ％以上８．０ｗｔ％未満に規定する理由は、４．０ｗｔ％未満ではろう材の融点が十分に下がらず、８．０ｗｔ％以上ではＣｕの自然電位を高める効果が阻害され、十分な耐食性が得られなくなるためである。Ｚｎの含有量を７．０〜２０．０ｗｔ％に規定する理由は、７．０ｗｔ％未満ではろう材の融点が十分に下がらず、２０．０ｗｔ％を超えると自然電位が大幅に低下してＣｕを含有させても自然電位を回復させることが困難になるためである。Ｃｕの含有量を１０．０〜３５．０ｗｔ％に規定する理由は、１０．０ｗｔ％未満ではろう材の融点が十分に下がらず、またＺｎによる自然電位の低下を十分抑制できず、３５．０ｗｔ％を超えるとろう材に金属間化合物が生成して接合部が脆化するためである。

以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
図２に示すように、芯材（Ａｌ−Ｍｎ系のＪＩＳ３００３合金）７の片面に犠牲材（Ａｌ−Ｚｎ系のＪＩＳ７０７２合金）８を厚さ比率１０％で圧延接合し、他面に本発明規定組成の低温ろう材９粉末（平均粒径３５μｍのアトマイズ粉）を有機バインダーを混合して層状に塗布してブレージングシート１０を作製し、このブレージングシート１０の低温ろう材９層上にＪＩＳ３００３合金板１１を垂直に当接させ、当接部分にＣｓフラックスを塗布し、これを液相線温度より５℃高い温度の窒素ガス雰囲気炉中に１０分間保持してブレージングシート１０とＪＩＳ３００３合金板１１をろう付した。

（比較例１）
ろう材粉末の組成を本発明規定外とした他は、実施例１と同じ方法によりブレージングシートとＪＩＳ３００３合金板をろう付した。

（比較例２）
芯材（ＪＩＳ３００３合金）の片面に犠牲材（ＪＩＳ７０７２合金）を、他面にろう材（ＪＩＳ４３４３合金）を圧延圧接してブレージングシートを作製し、このブレージングシートのろう材上に、ＪＩＳ３００３合金板を垂直に当接させ、当接部分に非腐食性のＫＦ−ＡｌＦ₃ 系フラックスを塗布し、これを５９７℃の窒素ガス雰囲気炉中に３分間保持してブレージングシートとＪＩＳ３００３合金板をろう付した。

実施例１および比較例１、２で得られた各々のろう付部材について、フィレット形状およびろう材の隙間充填長さ（ろう材の流動性を示す）を調べた。またブレージングシートにおける、犠牲材中Ｚｎの芯材への拡散距離をＥＰＭＡにより測定した。

芯材（ＪＩＳ３００３合金）の片面に犠牲材（ＪＩＳ７０７２合金）を厚さ比率１０％で圧延接合した複合板（厚さ０．２５ｍｍ）を芯材を表側にして電縫加工して長さ１５０ｍｍの管材とし、この管材の表面に本発明規定組成のろう材粉末を有機バインダーを混合して塗布してチューブとし、これを、図３に示すように、複数本平行に並べ、各チューブ１２間に厚さ７０μｍのコルゲート状フィン（ＪＩＳ３００３合金＋１ｗｔ％Ｚｎ）１３を挟み込み、全体を治具で固定して液相線温度より５℃高い温度の窒素ガス雰囲気炉中に１０分間保持してチューブ１２とフィン１３をろう付した。

（比較例３）ろう材粉末の組成を本発明規定外とした他は、実施例２と同じ方法によりチューブとフィンをろう付した。

（比較例４）ブレージングシートに、芯材（ＪＩＳ３００３合金）の片面に犠牲材（ＪＩＳ７０７２合金）を、他面にろう材（ＪＩＳ４３４３合金）を圧延接合した従来のブレージングシートを用い、フラックスに、非腐食性のＫＦ−ＡｌＦ₃ 系フラックスを用い、５９７℃の窒素ガス雰囲気炉中に３分間保持した他は、実施例２と同じ方法によりチューブとフィンをろう付した。

実施例２、比較例３、４で得られた各々のチューブとフィンのろう付品について、塩水噴霧試験をＪＩＳＺ２３７１に基づいて１００時間行い、試験後のろう付品を引張試験した。引張試験は、図４に示すように、チューブ１２側のフィン１３の山間に鉄製ピン１４を各１本づつ計３本通し（３本組ピン）、チューブ１５側のフィン１３の山間に鉄製ピン１４を各１本づつ計４本通し（４本組ピン）、前記３本組ピンを固定し、前記４本組ピンを下方に引張って行った。フィン２部で破断した場合はろう付部の耐食性良好、ろう付部で破断した場合はろう付部の耐食性不良と判定した。さらに塩水噴霧試験後のチューブの耐食性をピンホール有無により判定した。実施例１、２および比較例１〜４の結果を表１に示す。表１にはろう材粉末の組成および熱分析により求めた液相線温度と固相線温度を併記した。

表１より明らかなように、本発明のろう材を用いたもの（Ｎｏ．１〜５）は、いずれもフィレット形状が良好であり、ろう材の隙間充填長さが長く、つまり溶融ろうの湯流れ性が良く、犠牲材中Ｚｎの芯材への拡散距離が短い。また塩水噴霧試験後の引張試験ではフィン部で破断しており、ろう材の耐食性が良好なことが示された。また芯材へのＺｎの拡散が少ないためチューブは耐食性に優れた。これに対し、比較例のＮｏ．６はＣｕが少ないため、Ｎｏ．７はＳｉが多いためＣｕの自然電位を高める効果が十分に得られず、いずれもろう付部が腐食減耗してろう付部で破断した。Ｎｏ．８（従来材）はろう付温度（ろう材の融点）が高いため、犠牲材中のＺｎが芯材へ多量に拡散して芯材の耐食性が低下し塩水噴霧試験後のチューブにピンホールが発生した。

ろう付所要時間（昇温および降温時間を含む炉内保持時間）を比較すると、本発明のろう材を用いた場合（実施例２）は、ろう付温度が５２０℃前後のため、１サイクルあたり約１時間であった。これに対し、従来法（比較例４）では、ろう付温度が６００℃と高いため、ろう付所要時間は１サイクルあたり約１．３時間であった。このように、本発明のろう材は融点が低いため、ろう付温度を５２０℃前後に抑えることができ、ろう付作業時間を短縮できる。

また、本発明では、ろう付温度が５２０℃前後に抑えられるので、ろう付時にＭｎが再固溶して芯材の熱伝導性が低下したり或いはＭｇが表面に拡散してフラックスの機能が低下したりすることがない。さらに、芯材にＣｕ、Ｍｇが強度向上のため添加されても或いはリサイクル材の使用でＳｉが混入しても、芯材の固相線温度が５３０℃以下に下がることはなく、従って芯材の強度向上或いは芯材へのリサイクル材の使用が可能である。

１ チューブ
２ コルゲート状フィン
３ ヘッダーパイプ
４ パイプ
５ エンドキャップ
６ サイドプレート
７ 芯材
８ 犠牲材
９ 低温ろう材
１０ ブレージングシート
１１ ＪＩＳ３００３合金板
１２ チューブ
１３ コルゲート状フィン
１４ 鉄製ピン
１５ チューブ

Claims (1)

1. Ｓｉを４．０ｗｔ％以上８．０ｗｔ％未満、Ｚｎを７．０ｗｔ％以上２０．０ｗｔ％以下、Ｃｕを１０．０ｗｔ％以上３５．０ｗｔ％以下含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物からなるアルミニウム合金接合用低温ろう材。

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