JPH07303984A - 非腐食性フラックスろう付用アルミニウム合金材およびそのろう付方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非腐食性フラックスと金属粉末の混合物を塗
布してアルミニウム材料表面などにろう付けするに当た
り、該混合物が不均一状であってもろう付け後における
アルミニウム材料の残存厚を均一化し、強度および耐食
性に優れたろう付け製品を得るアルミニウム合金材およ
びその好ましいろう付け方法を提供する。 【構成】 芯材と皮材を有し、皮材は金属と合金化して
溶融しろう材を形成するクラッド材であって、ろう付直
前の温度条件で皮材が未再結晶組織または平均結晶粒径
５０μｍ未満の再結晶組織であり、且つ芯材が平均結晶
粒径５０μｍ以上の再結晶組織であることを特徴とした
非腐食性フラックスろう付用アルミニウム合金材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非腐食性フラックスろう
付用アルミニウム合金材およびそのろう付方法に係り、
例えばアルミニウム材料表面に非腐食性フラックスと金
属珪素の混合物を塗布して有利なろう付けをなすに当っ
て、塗布された前記混合物が不均一状であってもろう付
後におけるアルミニウム材料の残存厚を均一化し、強度
や耐食性に優れたろう付け製品を得しめるアルミニウム
合金材を提供し、またその好ましいろう付け法を得よう
とするものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムまたはアルミニウム合金材
をろう付けして機器を形成することは軽量性、熱伝導性
などにおいて他の金属材などに求めることのできない有
利性があることから従来から広く採用されて来たところ
であって、特に車輌用熱交換器などにおいてはチューブ
材に対してフィン材をろう付けしたものが一般的に用い
られている。

【０００３】然して、上記したようなアルミニウムまた
はアルミニウム合金材を採用したろう付けは接合部にろ
う材とフラックスとを夫々添加供給して加熱する手法に
よるものは作業操作上煩雑でコスト高となり、しかもろ
う付不良、ろう付け品質の不均一性などの不利が伴うこ
とから芯材にろう材および皮材層をクラッドしたブレー
ジングシートを用いることが広く採用されている。即ち
ろう材層を相手部材に接合するように組合わせた状態で
炉内に装入し加熱することによってろう付けを一挙に達
成するものである。

【０００４】然し近年においては上記したようなクラッ
ド材を使用しないでろう付けする方法についてもそれな
りの提案がなされており、そうした方法の１つに弗化ア
ルミニウムカリウム系の非腐食性弗化物フラックスと金
属珪素粉末の混合物でろう付けすることが米国特許第51
00048 号に発表されている。即ちこの方法ではアルミニ
ウム材料表面に塗布された珪素がろう付温度でアルミニ
ウム材料中へ急速に拡散し、アルミニウム材料表層部が
Al−Si共晶組成近くになると溶融（共晶温度：５７７
℃）し、ろうとなって部材相互間の接合がなされる。

【０００５】具体的には弗化物系フラックスと金属珪素
粉末の混合物がドライパウダーとして供給され、または
水やアルコール等の揮発性液体に懸濁して塗布され、該
混合物の配合は重量比で１：１〜３：１程度で、混合物
の塗布量は５〜３０ｇ／m²、ろう付温度は５７７℃以
上、その時間は２〜５分であるが、最適条件としては珪
素約３０％の混合物を２０〜３０ｇ／m²塗布し、またろ
う付用材料としては純Al材やAl−１％Mn材などが示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような米国特許
第5100048 号による方法はクラッド材とする必要がない
ことから工程ないしコスト的にメリットが大であり、ま
たスクラップの再利用等素材利用上においても有利であ
るなどのメリットを有しているが、アルミニウム材料表
面に非腐食性フラックスと金属珪素の混合物を均一に塗
布することが困難で、部分的に不均一に塗布された場合
には珪素粉末の多く付着した部分でアルミニウム材料が
局部的に大きく溶解する。このためろう付後のアルミニ
ウム材料残存厚が不均一となり、強度や耐食期間の低下
を来し、場合によっては貫通孔が発生するなどの不利が
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記のような従
来技術における課題を解決し、上記したような混合物が
不均一に塗布された条件下においてもアルミニウム材料
における局部的な溶解が少く、ろう付後の残存厚が比較
的均一となるアルミニウム材を得しめ、有利な熱交換機
器などを得ることについて検討を重ね、ろう付け直前温
度における皮材と芯材の結晶組織を制御することによっ
て好ましい結果を得ることに成功したものであって、以
下の如くである。

【０００８】（１） 芯材と皮材を有し、皮材は金属と
合金化して溶融しろう材を形成するクラッド材であっ
て、ろう付直前の温度条件で皮材が未再結晶組織または
平均結晶粒径５０μｍ未満の再結晶組織であり、且つ芯
材が平均結晶粒径５０μｍ以上の再結晶組織であること
を特徴とした非腐食性フラックスろう付用アルミニウム
合金材。

【０００９】（２） 金属が珪素または珪素と他の金属
であることを特徴とする前記（１）項に記載の非腐食性
フラックスろう付用アルミニウム合金材。

【００１０】（３） 金属が金属珪素粉末または金属珪
素粉末と他の金属粉末であることを特徴とする前記
（１）または（２）項に記載の非腐食性フラックスろう
付用アルミニウム合金材。

【００１１】（４） 皮材の厚さが１０〜４０μｍ、好
ましくは２０〜３０μｍであることを特徴とした前記
（１）〜（３）項の何れかに記載の非腐食性フラックス
ろう付用アルミニウム合金材。

【００１２】（５） 被ろう付部材の少なくとも一方の
部材が芯材の片面または両面に皮材を有しており、ろう
付直前の温度条件で皮材が未再結晶組織または平均結晶
粒径５０μｍ未満の再結晶組織であって、且つ芯材が平
均結晶粒径５０μｍ以上の再結晶組織であるクラッド材
にフラックスと金属を供給し、皮材と金属を合金化して
溶融し、ろうを形成してろう付けすることを特徴とした
非腐食性フラックスろう付方法。

【００１３】（６） 金属が珪素または珪素と他の金属
であることを特徴とする前記（５）項に記載の非腐食性
フラックスろう付方法。

【００１４】（７） 金属が金属珪素粉末または金属珪
素粉末と他の金属粉末であることを特徴とする前記
（５）または（６）項に記載の非腐食性フラックスろう
付方法。

【００１５】（８） 皮材の厚さが１０〜４０μｍ、好
ましくは２０〜３０μｍであることを特徴とする前記
（５）〜（７）項の何れかに記載の非腐食性フラックス
ろう付方法。

【００１６】

【作用】本発明で用いる非腐食性フラックスは LiF、Na
F 、KF、CaF 、AlF₃、SiF₄等の弗化物の粉末混合物、も
しくはこれらを溶融後粉末としたもの、あるいは上記弗
化物の錯化合物、たとえば KAlF₄、K₂AlF₅、K₃AlF₆、K₂
SiF₆等の単味もしくは混合物またはこれらを溶融後粉末
としたもの等であって、このような弗化物系のフラック
スは何れのものもアルミニウムに対して塩化物の如き腐
食性を有しない。またこのものの粉末の寸法は平均で0.
１〜３０μm 程度のもので、好ましくは平均で１〜１０
μm である。

【００１７】皮材と合金化して溶融し、ろうを形成する
金属としては珪素の他亜鉛等があり、またZnを含有し、
好ましくは１０〜３０％Zn含有する珪素−亜鉛合金等が
ある。そしてこのような金属は被ろう付部材として形成
した、たとえば熱交換器のチューブ表面に溶射してもよ
く、また粉末とし、この粉末を被ろう付部材に塗布また
は前記フラックスの粉末と混合してスラリーとして塗布
してもよい。この場合、珪素粉末の他に１０〜３０％の
亜鉛粉末や２〜２０％の銅粉末を添加混合して塗布して
もよい。特に被ろう付部材に供給する金属珪素を前もっ
て合金化することはコストがかさむ不利があり、溶射す
ることは溶射材とし、また溶射することによる不利があ
るので、好ましくは粉体として被ろう付部材に塗布して
用いるのが好ましい。なかでも珪素はろう付温度で容易
にAl−Si共晶合金となるので好ましい。

【００１８】上記したようなろう付法の反応メカニズム
は金属珪素粉末と弗化アルミニウムカリウム共晶系非腐
食性フラックスを用いて具体的に示すと以下のような過
程に解析することができる。 ５６２℃前後における弗化アルミニウムカリウム系
非腐食性フラックスの溶融 アルミニウム材料表面の酸化皮膜破壊 Siのアルミニウム材料表層部への拡散 Si濃度の高くなった表層部がAl−Si共晶温度で溶融
開始（５７７℃） 金属珪素粉末の完全消滅までアルミニウム材料を溶
かしながらAl−Si共晶融液を生成。 共晶融液がろう材となり接合部に流動してフィレッ
トを形成（６００℃程度まで）。 その後の冷却過程でフィレットが凝固し、ろう付け
が完了。

【００１９】前記〜の反応メカニズムにおいて、
〜の反応、即ちSiのアルミニウムろう付部材への拡散
は短時間で生ずるので金属珪素粉末が不均一に付着して
いると、その多量部分でアルミニウム材料に局部的な溶
融が著しく生ずることとなる。Siの拡散速度はアルミニ
ウム合金の亜粒界や結晶粒界を経路とする、所謂粒界拡
散が結晶粒内部に起る粒内拡散よりも遥かに大きいた
め、フラックスと金属珪素粉末混合物に接する皮材を未
再結晶組織または平均粒径５０μｍ未満の微細な再結晶
組織とすることにより珪素粉末が局部的に多く付着して
いたとしても、皮材が金属珪素と合金化し溶融してろう
となった後は結晶粒が大きく拡散の遅い芯材よりも拡散
速度の速い残存皮材層を横方向に拡散してろうを形成す
ることとなり、拡散の遅い芯材の溶融は大幅に軽減さ
れ、残存板厚の不均一性が解消される。

【００２０】即ち皮材の再結晶粒が平均で５０μｍ以上
であると皮材における横方向への拡がりが充分でないこ
ととなり、また芯材結晶粒が平均で５０μｍ未満では芯
材の粒界を通じてのSiの拡散が大きくなり、何れも上記
したような作用を求め難いこととなる。好ましくは皮材
の平均再結晶粒径は４０μm 以下であり、芯材の平均再
結晶粒径は７０μm 以上である。

【００２１】また皮材厚が１０μｍ未満では塗布したろ
う付に必要な珪素量に対するアルミ量としては少いので
芯材の一部も溶融することとなる。一方４０μｍを超え
ると塗布した金属珪素のすべてが皮材と共に溶融しても
なお皮材が残るためフィレットを形成すべきAl−Si共晶
融液が微細結晶粒である残存皮材を侵食し、その結果と
してろうの流動性もしくはろうの絶対量が減少して好ま
しいフィレット形状を得ることができず、ろう付性を低
下せしめる。

【００２２】なお、皮材は芯材の片面または両面に所要
の厚さに圧延形成されクラッド材を形成する。このよう
なクラッド材は例えば所定寸法に切断し、成形加工して
フィン材とされ、あるいはまた成形溶接して管材とさ
れ、ろう付部材として使用されることにより以下のよう
なメリットが得られる。 (ａ) Siを含有するろう材を圧延クラッドする煩雑性が
軽減される。 (ｂ) ろう材を含まないクラッド材とすることによって
アルミニウム部材の成形加工時における金型損耗を防止
し得る。 (ｃ) 圧延および成形時のスクラップにろう材からのSi
が混入しないので再度使用ができる。

【００２３】上記のようなクラッド材を被ろう付部材の
少なくとも一方の部材とし、該部材にフラックスと珪素
粉末の混合物を塗布し、ろう付けすることによりアルミ
ニウム材における侵食深さを均一化し、また接合部フィ
レットの形成状態を良好化して好ましいろう付けを得し
める。このような事情は金属珪素粉末でなく、珪素合金
粉末もしくは溶射でも同様である。

【００２４】本発明において皮材を未再結晶組織とし、
しかも芯材を平均で５０μm 以上の再結晶粒組織とする
には用いる素材の合金系としては強度や耐食性に優れ
た、例えばSiを0.４〜1.６％または／およびCuを0.４〜
3.０％含有するアルミニウム合金、あるいは３００３な
どのAl−Mn系のものを用い、熱間クラッド圧延前の鋳塊
均質化処理（ソーキング）条件としては、皮材は行わな
いか４００〜５３０℃のような低温ソーキングを行い、
芯材は５５０〜６３０℃の高温ソーキングをなし、再結
晶に影響を及ぼす析出物の存在状態をコントロールす
る。

【００２５】また必要に応じ、Cr、Zr等の再結晶阻止作
用を有する元素を皮材に添加し、一方芯材は無添加にす
るか添加しても皮材よりは添加量を少くする。Mnを含む
合金ではSiを添加して再結晶阻止作用を有するAlMnSi系
微細析出物を生成させることも有効である。一方芯材に
おいてもCu、Mg等の加工硬化に寄与する元素を添加して
その再結晶駆動力を高める。また冷延板を焼鈍して軟質
材とし、その後３〜２０％の冷間圧延を行って最終板と
する。何れにしてもろう付加熱時に皮材の再結晶は抑制
されて未再結晶組織（亜結晶粒組織）となり、芯材は平
均粒径で５０μm 以上の粗大な再結晶粒組織となる。

【００２６】これに対し、皮材を５０μm 未満の再結晶
粒組織かつ芯材を５０μm 以上の再結晶粒組織にする方
法としては、合金系として例えば上記したところと同様
にSiを0.４〜1.６％または／およびCuを0.４〜3.０％含
有するアルミニウム合金、あるいは３００３等のAl−Mn
系を採用し、クラッド圧延前の鋳塊の均質化処理条件と
して、皮材は高温長時間（例えば５５０〜６３０×２時
間以上）のソーキングを行ない、芯材は行わないか低温
ソーキングを行って、再結晶に影響を及ぼす析出物の存
在状態をコントロールし、必要に応じ、Cr、Zr等の再結
晶阻止作用のある元素を芯材に添加し、皮材は無添加に
するか添加量を少なくする。なおMnを含む合金ではSiを
添加して再結晶阻止作用を有するAlMnSi系微細析出物を
生成させることも有効であるが、必要に応じ、皮材にC
u、Mg等の加工硬化に寄与する元素を添加し、皮材の再
結晶駆動力を高め、また皮材にFe等の鋳造時に晶出物を
多く生成する元素を添加し、皮材の再結晶核の発生を多
くする。

【００２７】冷延板を２５０〜５００℃で３０分以上の
焼鈍をなし軟質の最終材とするが、これによってろう付
温度直前において皮材は平均粒径５０μm 未満の微細な
再結晶粒組織となり、芯材は平均粒径５０μm 以上の粗
大な再結晶組織となる。あるいは上記焼鈍材に圧下率２
０％以上の冷間圧延を行って最終板とするもので、何れ
にしてもろう付加熱時に皮材は平均粒径５０μm 未満の
微細な再結晶組織となり、芯材は平均粒径５０μm 以上
の粗大な再結晶組織となる。

【００２８】

【実施例】

実施例１ 下記する表１に示した組成のアルミニウム合金Ａ、Ｂを
各々ＤＣ鋳造し、合金Ａ鋳塊を均質化処理することなく
４８０℃で熱間圧延して種々の板厚のクラッド用厚板を
作製し、次いで６００℃で１０時間の均質化処理を施し
た合金Ｂ鋳塊の片側に熱間でクラッド圧延後、冷間圧延
にて厚さ0.６４mmの板とした。これら冷延板を昇温速度
１００℃／hr、４００℃で２時間保持の焼鈍処理後、さ
らに冷間圧延して厚さ0.６０mmの片面クラッド板を作製
した。得られたクラッド板の皮材厚測定結果は後述表２
に示す如くであった。

【００２９】

【表１】

【００３０】上記のようにして得られた供試板より幅３
０mm、長さ３０mmの試片を切出し、大気炉中で５０℃／
分の昇温速度で５７０、５８０、５９０、６００℃まで
加熱し、直後に炉から取り出して水冷した。試片断面を
鏡面研磨後、バーカー法にて結晶粒を現出したところ、
いずれの供試材も皮材は未再結晶組織で、芯材は粒径２
００μm 以上の粗大な再結晶粒組織となっていた。

【００３１】前記のような供試板より幅３０mm、長さ５
０mmの試験片を切出し、以下に示す手順でろう付試験を
行った。即ち、ろう付のための混合物は平均粒径１０μ
m 未満の弗化アルミニウムカリウム系の共晶フラックス
と粒径１０〜８０μm の金属珪素粉末を重量比２：１と
して混合し、該混合物１００ｇを純水４００ｇに懸濁
し、試験片を脱脂後その片面（皮材面または反対側の芯
材面）にスプレーで塗布し、１５０℃で５分加熱して乾
燥した。乾燥後の試験片表面を目視で観察したところ、
混合物の付着状態はかなり不均一なものであり、なお、
混合物の平均塗布量は塗布前後の試験片の重量を測定し
て求めた結果、２４〜２９ｇ／m²であった。

【００３２】ろう付試験は、上述したようにして得られ
た試験片における混合物を塗布した面の上に、厚さ0.５
mm、幅２５mm、長さ４０mmの３００３−Ｈ１４材を垂直
に立てた逆Ｔ字型試験片を組み立て、窒素ガス雰囲気中
で昇温速度５０℃／分、６００℃での保持時間３分間の
ろう付試験を行った。またこのようなろう付後の試験片
を接合部に対して垂直に切断して樹脂に埋め込み、断面
を研磨して供試材の残存厚の最大値と最小値を測定し、
板厚との差からおのおのの侵食深さを算出した。また、
接合部のフィレット形成状態を目視で測定した。これら
の結果は前述した皮材厚などと共に次の表２に示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】即ち、本発明例によるものは侵食深さ（μ
m ）に関し、最大部と最小部との差が３〜１４μm であ
るのに対し、比較例のものは４８〜５９μm であって、
本発明のものは最大値でも比較例の３分の１以下であ
り、好ましいろう付けをなし得ることが確認された。

【００３５】実施例２ 前記表１に示した組成のアルミニウム合金を各々ＤＣ鋳
造し、合金Ｂ鋳塊を４８０℃で１時間の均質化処理後熱
間圧延して種々の板厚のクラッド用厚板を作製した。次
いで６００℃で１０時間の均質化処理を施した合金Ａ鋳
塊片側と熱間でクラッド圧延後、冷間圧延にて厚さ0.６
０mmの片面クラッド板を作製した。これら冷延板に対し
て昇温速度１００℃／hr、４００℃で２時間保持の焼鈍
処理を行い、供試材としたが、得られたクラッド板の皮
材厚測定結果は後述する表３に示す如くである。

【００３６】上記のようにして得られた供試焼鈍板より
幅３０mm、長さ３０mmの試片を切出し、そのまま、およ
び大気炉中で５０℃／分の昇温速度で６００℃まで加熱
した直後に炉から取り出して水冷した試片の断面を鏡面
研磨後、バーカー法にて結晶粒を現出したが、いずれの
供試材も皮材は２０〜４０μm の微細な再結晶粒組織
で、芯材は長径７０〜１５０μm の圧延方向に伸びた粗
大な再結晶粒組織となっていることが確認された。

【００３７】また前述したような供試板より幅３０mm、
長さ５０mmの試験片を切出し、以下に示す手順でろう付
試験を行った。即ち先ずフラックスと珪素粉末の混合物
（重量比２：１）１００ｇを純水４００ｇに懸濁し、試
験片の片面（皮材面または反対側の芯材面）にスプレー
で塗布後、１５０℃で５分加熱して乾燥した。乾燥後の
試験片表面を目視で観察したところ、混合物の付着状態
はかなり不均一なものであった。なお、混合物の平均塗
布量は塗布前後の試験片の重量を測定して求めた結果、
２４〜２９ｇ／m²であった。

【００３８】次いで前記混合物を塗布した面の上に、厚
さ0.５mm、幅２５mm、長さ４０mmの３００３−Ｈ１４材
を垂直に立てた逆Ｔ字型試験片を組み立て、窒素ガス雰
囲気中で昇温速度５０℃／分、６００℃での保持時間３
分間のろう付試験を行った。また、このようなろう付後
の試験片を接合部に対して垂直に切断して樹脂に埋め込
み、断面を研磨して供試材の残存厚の最大値と最小値を
測定し、板厚との差からおのおのの侵食深さを算出し、
また、接合部のフィレット形成状態を目視で判定した、
前記したクラッド板皮材厚と共に次の表３に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】即ち、この実施例の場合においても試験材
侵食深さの最大部と最小部の差が比較例の略３分の１以
下であることが確認され、好ましいろう付けをなし得た
ことは実施例１の場合と同然であった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したような本発明によるときは
アルミニウム材表面において非腐食性フラックスを用
い、皮材と合金化して溶融し、ろうを形成する金属が不
均一状に塗布された場合においてもアルミニウム材が局
部的に大きく溶損し、ろう付後のアルミニウム材残存厚
に著しい不均一状態を発生するようなことを適切に防止
して残存厚均一状態で好ましい耐用性、強度を有する各
種ろう付製品を簡易且つ低コストに得しめることができ
るなどの効果を有しており、工業的にその効果の大きい
発明である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 21/00 Ｅ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 芯材と皮材を有し、皮材は金属と合金化
   して溶融しろう材を形成するクラッド材であって、ろう
   付直前の温度条件で皮材が未再結晶組織または平均結晶
   粒径５０μｍ未満の再結晶組織であり、且つ芯材が平均
   結晶粒径５０μｍ以上の再結晶組織であることを特徴と
   した非腐食性フラックスろう付用アルミニウム合金材。
2. 【請求項２】 金属が珪素または珪素と他の金属である
   ことを特徴とする請求項１に記載の非腐食性フラックス
   ろう付用アルミニウム合金材。
3. 【請求項３】 金属が金属珪素粉末または金属珪素粉末
   と他の金属粉末であることを特徴とする請求項１または
   ２に記載の非腐食性フラックスろう付用アルミニウム合
   金材。
4. 【請求項４】 皮材の厚さが１０〜４０μｍ、好ましく
   は２０〜３０μｍであることを特徴とした請求項１〜３
   の何れかに記載の非腐食性フラックスろう付用アルミニ
   ウム合金材。
5. 【請求項５】 被ろう付部材の少なくとも一方の部材が
   芯材の片面または両面に皮材を有しており、ろう付直前
   の温度条件で皮材が未再結晶組織または平均結晶粒径５
   ０μｍ未満の再結晶組織であって、且つ芯材が平均結晶
   粒径５０μｍ以上の再結晶組織であるクラッド材にフラ
   ックスと金属を供給し、皮材と金属を合金化して溶融
   し、ろうを形成してろう付けすることを特徴とした非腐
   食性フラックスろう付方法。
6. 【請求項６】 金属が珪素または珪素と他の金属である
   ことを特徴とする請求項５に記載の非腐食性フラックス
   ろう付方法。
7. 【請求項７】 金属が金属珪素粉末または金属珪素粉末
   と他の金属粉末であることを特徴とする請求項５または
   ６に記載の非腐食性フラックスろう付方法。
8. 【請求項８】 皮材の厚さが１０〜４０μｍ、好ましく
   は２０〜３０μｍであることを特徴とする請求項５〜７
   の何れかに記載の非腐食性フラックスろう付方法。