JP4248433B2 - Ｍｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｍｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法、とくに自動車熱交換器のチューブ材など、ろう付け部位に使用されるＭｇ０．２％以上を含有するアルミニウム合金材（Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたアルミニウム合金クラッド材を含む）を、フッ化物系のフラックスとＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて不活性ガス雰囲気中でろう付けする場合、優れたろう付け性を得ることができるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法に関する。

ラジエータ、ヒータ、コンデンサ、エバポレータなどのアルミニウム合金製自動車用熱交換器の製造においては、一般に、所定形状に成形したアルミニウムの板材や押出形材を所定の構造に組付けた後、フッ化物系のフラックス、例えばフルオロアルミニウム酸カリウムをベースとするフラックスを使用し、不活性ガス雰囲気の加熱炉内でろう付け接合する方法が採用されている。

近年、自動車用熱交換器においては、省エネルギー、省資源の観点から構成材料の薄肉化が進展し、薄肉化に伴って構成部材の高強度化が要求されている。一般に、アルミニウム材料の強度向上策の一つとしてＭｇの添加があり、熱交換器用材料としてＭｇ含有アルミニウム合金材の使用が試みられているが、Ｍｇ含有アルミニウム合金材、とくにＭｇを０．２％以上含有するアルミニウム合金材を前記フッ化物系のフラックスを使用してろう付け接合する場合、ろう付け加熱中にフッ化物系のフラックスが材料中のＭｇと反応してＭｇＦ₂ 、ＫＭｇＦ₃ などの化合物を生成し、フラックスの活性度が低下して、ろう付け性が阻害されるという問題点がある。

すなわち、現在使用されているフッ化物系フラックスは、フルオロアルミニウム酸カリウムをベースとするもので、約５６０℃付近で溶融し活性な状態となる。このため、Ｍｇを含有するアルミニウム合金材に塗布してろう付けを行った場合、溶融したフラックスが直ちに材料表面のＭｇと反応し、ＭｇＦ₂ およびＫＭｇＦ₃ を生成する。その後の昇温過程においても、材料中から材料表面へのＭｇの拡散に律速されて反応し続けるため、ろう付け温度（６００℃）に昇温されるまでに多量のＭｇと反応し、その結果フラックスの活性度は低下し続けることとなる。

Ｍｇ含有アルミニウム合金材のろう付け用フラックスとして、フルオロアルミニウム酸のセシウム塩を含有するフラックスが開示されている（例えば、特許文献１）が、フラックスが高価であるため、通常の自動車用熱交換器のろう付けには適用し難いという難点がある。

フルオロ亜鉛酸カリウムを含有するフラックスを使用して不活性ガス雰囲気中でアルミニウムおよびアルミニウム合金をろう付けする方法も開示されており（特許文献２）、アルミニウム同士の接合、アルミニウム合金（３００３合金）とアルミニウムとの接合は良好に行われたことが示されている。
アメリカ特許第４６７００６７号明細書 特表２００２−５０７４８８号公報

フルオロ亜鉛酸カリウムをアルミニウムのろう付けに適用した場合、ろう付け加熱においてアルミニウムと置換反応してＺｎを生成し、この金属Ｚｎがろう付け部を被覆して耐食性を与えるという利点がある。発明者らは、フルオロ亜鉛酸カリウムに着目し、これをろう付け部に塗布し、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて、Ｍｇ０．２％以上を含有するアルミニウム合金材の不活性ガス雰囲気ろう付けを試みた。

その試験過程において、フルオロ亜鉛酸カリウムを用いるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付けの場合、ろう付け条件によっては、ろう付け接合が十分に行われない場合があることが経験され、さらに試験、検討を繰り返した結果、Ｍｇ含有アルミニウム合金材のろう付けにおいては、フルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量、フルオロ亜鉛酸カリウムがアルミニウム合金と置換反応を開始する５５０℃からろう付け温度までの昇温速度がろう付け性に影響することを見出した。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、自動車熱交換器のチューブ材など、ろう付け部位に使用されるＭｇ０．２〜１．０を含有するアルミニウム合金材（Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたアルミニウム合金クラッド材を含む）を、フルオロ亜鉛酸カリウムとＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて不活性ガス雰囲気中でろう付けする場合、優れたろう付け性を得ることができるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１によるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法は、Ｍｇ０．２〜１．０％を含有するアルミニウム合金材を他のアルミニウム材と組み付けて不活性ガス雰囲気中でフラックスろう付けする方法であって、組成がＫ_x Ｚｎ_y Ｆ_z （ｘ、ｙ、ｚは正の整数）であるフルオロ亜鉛酸カリウムをろう付け部に５ｇ／ｍ² 以上で且つ（１．６５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² 以上塗布し、平均昇温速度（Ｔ）を０．１℃／秒以上としてろう付け加熱することを特徴とする。

請求項２によるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法は、請求項１において、前記フルオロ亜鉛酸カリウムをろう付け部に５ｇ／ｍ² 以上で且つ（２．５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² 塗布し、平均昇温速度を０．１℃／秒以上としてろう付け加熱することを特徴とする。

請求項３によるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法は、請求項１または２において、前記フルオロ亜鉛酸カリウムの組成がＫＺｎＦ₃ であることを特徴とする。

本発明によれば、自動車熱交換器のチューブ材など、ろう付け部位に使用されるＭｇ０．２〜１．０を含有するアルミニウム合金材を、フルオロ亜鉛酸カリウムとＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用いて不活性ガス雰囲気中でろう付けする場合、優れたろう付け性を得ることができるＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法が提供される。

フルオロ亜鉛酸カリウムは、それ単体では、ろう付け温度（約６００℃）に加熱しても溶融せずアルミニウム合金とも反応しないが、アルミニウム合金に塗布するなど、アルミニウム合金に付着させて加熱した場合には、約５５０℃でフルオロ亜鉛酸カリウムと接しているアルミニウム合金表面で置換反応が始まり、フラックス成分であるフルオロアルミニウム酸カリウムとＺｎを生成し、その後に生成したフルオロアルミニウム酸カリウムと材料中のＭｇが反応する。

フルオロアルミニウム酸カリウムとＭｇとの反応は、フルオロ亜鉛酸カリウムとアルミニウム合金表面との置換反応に律速してろう付け温度まで続くため、現在使用されているフルオロアルミニウム酸カリウムをベースとするフラックスと比べてＭｇとの反応量は少なくフラックスの活性度が低下し難い。

本発明は、Ｍｇ０．２〜１．０％を含有するアルミニウム合金材を対象とし、このアルミニウム合金材またはこれにＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドしたアルミニウム合金クラッド材を他のアルミニウム材と組み付けて不活性ガス雰囲気中でフラックスろう付けする場合、フルオロ亜鉛酸カリウム（組成：Ｋ_x Ｚｎ_y Ｆ_z −ｘ、ｙ、ｚは正の整数）をろう付け部に５ｇ／ｍ² 以上で且つ（１．６５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² （Ｔは前記アルミニウム合金材の温度が５５０℃からろう付け温度に加熱されるまでの平均昇温速度）以上塗布し、平均昇温速度（Ｔ）を０．１℃／秒以上としてろう付け加熱することを特徴とする。フルオロ亜鉛酸カリウムの組成例としては、Ｋ₂ ＺｎＦ₄ 、Ｋ₃ Ｚｎ₂ Ｆ₇ 、ＫＺｎＦ₃ などが挙げられる。このうち、ＫＺｎＦ₃ が最も好適に使用される。

本発明においては、フルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量は最低５ｇ／ｍ² 以上とすることが必要である。また、フルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量が３０ｇ／ｍ² を越えると、ろう付け温度（約６００℃）に到達するまでに塗布したフルオロ亜鉛酸カリウムの全量がアルミニウム合金と反応せず、未反応のフルオロ亜鉛酸カリウムが残存する場合があり、そのためにろう付け性が害されるので、最大塗布量は３０ｇ／ｍ² とするのが好ましい。

アルミニウム合金材中のＭｇ量の増加に伴い、Ｍｇと反応するフルオロアルミニウム酸カリウムも多くなるから、アルミニウム合金材との置換反応により多くのフルオロアルミニウム酸カリウムを生成させるためにフルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量を多くしなければならず、その塗布量はＭｇ量に対して比例関係にある。

また、５５０℃以上のろう付け温度までの平均昇温速度の増加に伴って、Ｍｇとフルオロアルミニウム酸カリウムとの反応時間が短くなるから、消費されるフルオロアルミニウム酸カリウムの量も少なくなり、従って、フルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量も少なくてすみ、その塗布量は前記平均昇温速度に対して反比例関係にある。

５ｇ／ｍ² 以上で且つ（１．６５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² 以上とするフルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量の範囲は、上記の関係についてさらに検討した結果として設定されたものであり、フルオロ亜鉛酸カリウムの塗布量が上記の範囲より少ない場合には、アルミニウム合金との置換反応により生成したフルオロアルミニウム酸カリウムが、ろう付け温度（約６００℃）に達するまでの間にＭｇとの反応によって消費されてしまうため、ろう付け性が低下する。

塗布方法としては、粉末状のフルオロ亜鉛酸カリウムを静電乾式塗布などの手段でそのまま塗布する方式、水またはアセトンなどの溶剤に混合して塗布する方式、バインダ、溶剤と混合してロールコートなどの手段で塗布する方式がある。水や溶剤と混合して塗布する場合には、乾燥して溶剤を揮発させた後にろう付けを行う。なお、本発明において、塗布量はフルオロ亜鉛酸カリウムの正味塗布量をいう。

ろう付け加熱において、アルミニウム合金材の実体温度が５５０℃からろう付け温度（約６００℃）に加熱されるまでの平均昇温速度が０．１℃／秒未満では、生成したフルオロアルミニウム酸カリウムとＭｇとが反応する時間が長くなり、化合物の生成によりフラックスとしての活性度が低下して、ろう付け性が損なわれる。０．１℃／秒以上の平均昇温速度で加熱することによって、５５０℃付近でフルオロ亜鉛酸カリウムがアルミニウム合金と置換反応を開始してから、ろう付け温度（約６００℃）に到達するまでの時間が短くなり、生成したフルオロアルミニウム酸カリウムとＭｇとの反応量が低減する結果、フラックスとしての活性度が低下せず、良好なろう付け性を得ることができる。

本発明において、Ｍｇ０．２〜０．６％を含有するアルミニウム合金材を他のアルミニウム材と組み付けて不活性ガス雰囲気中でフラックスろう付けする場合のさらに好ましい実施態様は、組成がＫ_x Ｚｎ_y Ｆ_z （ｘ、ｙ、ｚは正の整数）であるフルオロ亜鉛酸カリウムをろう付け部に５ｇ／ｍ² 以上で且つ（２．５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² 塗布し、平均昇温速度を０．１℃／秒以上としてろう付け加熱する方法である。

フルオロ亜鉛酸カリウムを塗布してろう付けを行った場合には、ろう付け後にＺｎが成形し、この金属Ｚｎはアルミニウム合金材中に拡散層を形成するため、材料の耐食性の改善に寄与する。なお、従来のフルオロアルミニウム酸カリウムをベースとするフラックスを使用した場合でも、Ｍｇとの反応により消費されるより余剰な量、例えば３０ｍｇ／ｍ² を越える量塗布した場合には、ろう付け性を確保することが可能ではあるが、このように多量のフラックスを用いることは実用性に欠け、望ましくない。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、本発明の効果を実証する。これらに実施例は、本発明の一実施態様であり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
表１に示す組成を有するアルミニウム合金を造塊し、得られた鋳塊について、常法に従って均質化処理を行い、さらに熱間圧延、冷間圧延により１．０ｍｍ厚さの板材とし、３６０℃で３時間の軟化処理を施して試験材とした。

一方、Ａ３００３合金（組成：Ｓｉ０．２７％、Ｆｅ０．６％、Ｃｕ０．１５％、Ｍｎ１．２％、残部Ａｌおよび不純物）を芯材とし、その両面にＡｌ−１０％Ｓｉ合金ろう材をクラッドし、最終圧延後に３６０℃で３時間の軟化処理を施した１．０ｍｍ厚さのブレージングシート（ろう材のクラッド厚さは片面各１００μm ）を作製した。

上記の試験材およびブレージングシートを用い、不活性雰囲気中でのフッ化物系フラックスを用いるろう付けにおける試験材のろう付け性を評価するために、図１に示すように、ブレージングシートを垂直材とし、試験材を水平材とする間隙充填試験を行った。

垂直材（ブレージングシート）と水平材（試験材）を所定の形状に組み付ける前に、各材料を所定の寸法に切断し、脱脂後、各材料の表面にフルオロ亜鉛酸カリウムとしてＫＺｎＦ₃ 粉末をアセトンに混ぜて塗布し、乾燥して溶剤を揮発させ、図１に示す試験片形状に組み付けた。

組み付け後、窒素ガス雰囲気炉に装入して加熱し、６００℃に達した時点で直ちに冷却して、ろう付けを完了させ、図２に示すように、ろう付け後の試験片の充填長さＬを測定し、充填長さＬを間隙長Ｌ₀ で除した充填率Ｌ／Ｌ₀ を求めてろう付け性を評価し、充填率が０．７以上のものをろう付け性良好（○）、０．４以上０．７未満のものをろう付け性不安定（△）、０．４未満のものをろう付け性不良（×）と判定した。結果を表２〜５に示す。

表２〜４に示すように、本発明に従う場合には良好なろう付け性が得られている。これに対して、表５に示すように、試験材のアルミニウム合金板のＭｇ含有量が１．０％を越える場合には、ＫＺｎＦ₃ の塗布量を多くしても良好なろう付け性は得られず、試験材のＭｇ含有量が０．２〜１．０％の範囲において、良好なろう付け性を得るためには、表２〜４にみられるように、Ｍｇ含有量の増加とともに、ＫＺｎＦ₃ の塗布量を多くしなければならないことがわかる。

比較例１
実施例１において作製した試験材Ｎｏ．２、３を水平材とし、実施例１において作製したブレージングシートを垂直材とし、垂直材（ブレージングシート）と水平材（試験材）を所定の形状に組み付ける前に、各材料を所定の寸法に切断し、脱脂後、各材料の表面にフルオロアルミニウム酸カリウムを塗布し、図１に示す試験片形状に組み付け、実施例１と同様の間隙充填試験を行った。結果を表６〜７に示す。

表６〜７に示すように、Ｍｇ含有量が０．６％および１．０％の試験材において、フラックスとしてフルオロアルミニウム酸カリウムを使用した場合には、フラックスをそれぞれ３０ｇ／ｍ² 以上および５０ｇ／ｍ² 以上塗布しなければ、良好なろう付け性を得ることができないことがわかる。

間隙充填試験におけるろう付け前の組み付け状態を示す図である。 間隙充填試験におけるろう付け後の状態を示す図である。

Claims (3)

1. Ｍｇ０．２〜１．０％（質量％、以下同じ）を含有するアルミニウム合金材を他のアルミニウム材と組み付けて不活性ガス雰囲気中でフラックスろう付けする方法であって、組成がＫ_x Ｚｎ_y Ｆ_z （ｘ、ｙ、ｚは正の整数）であるフルオロ亜鉛酸カリウムをろう付け部に５ｇ／ｍ² 以上で且つ（１．６５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² （Ｔは前記アルミニウム合金材の温度が５５０℃からろう付け温度に加熱されるまでの平均昇温速度、以下同じ）以上塗布し、平均昇温速度（Ｔ）を０．１℃／秒以上としてろう付け加熱することを特徴とするＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法。
2. 前記フルオロ亜鉛酸カリウムをろう付け部に５ｇ／ｍ² 以上で且つ（２．５×Ｍｇ％÷Ｔ℃／秒）ｇ／ｍ² 以上塗布し、平均昇温速度を０．１℃／秒以上としてろう付け加熱することを特徴とする請求項１記載のＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法。
3. 前記フルオロ亜鉛酸カリウムの組成がＫＺｎＦ₃ であることを特徴とする請求項１または２に記載のＭｇ含有アルミニウム合金材のろう付け方法。
   

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