説明

アルミニウム合金製ブレージングシート

【課題】様々なろう材厚さのブレージングシートを組み合わせて構成される熱交換器を、短時間のろう付加熱時間で生産効率よく提供する。
【解決手段】Mg:0.15〜2.0mass%を含有するアルミニウム合金の心材と、その片面又は両面にクラッドされ、Si:Amass%、Mg:Bmass%を含有するAl−Si−Mg系合金のろう材とを備えたアルミニウム合金製ブレージングシートであって、フラックスを用いないで不活性ガス中においてろう付され、ろう材の片面クラッド率が1.5〜25%であり、AとBが下記式(1)〜(3)、又は、式(4)〜(5)の関係を満たすことを特徴とするアルミニウム合金製ブレージングシート。6≦A≦13 (1)、B≧0.015×A−0.04 (2)、B≦0.05×A−0.15 (3)、4≦A≦6 (4)、0.05≦B≦0.15 (5)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フラックスを用いないアルミニウム合金のろう付に使用するブレージングシートに関し、特に、所定の合金組成とクラッド率を有し、良好なろう付性が得られるブレージングシートに関する。
【背景技術】
【0002】
アルミニウム材料は熱伝導性が高く軽量であるため、自動車用をはじめとする多くの熱交換器に使用されている。内部に水やオイル等を循環して熱交換させる熱交換器は、タンク、チューブ、フィン等の部材から構成され、各部材はろう付により金属的に接合されている。ろう付により製造される熱交換器を構成するアルミニウム材料としては、心材となるアルミニウム合金板の片面又は両面にろう材等をクラッドしたブレージングシートが用いられる。
【0003】
一般的には、ブレージングシートの心材合金としては、溶融温度が600℃以上のアルミニウム合金が用いられ、クラッドされるろう材合金としては、溶融温度が600℃以下のAl−Si系合金が用いられる。このブレージングシートにより熱交換器の部材を作製して組み合わせて600℃前後の温度に加熱することにより、ブレージングシートのろう材部のみ溶融させて他部材とろう付することで熱交換器を作製することができる。このようなブレージンシートを使用することにより、熱交換器を構成する多数の部材を一度にろう付することができるため、ブレージングシートは熱交換器用の材料として広く利用されている。
【0004】
主に実用化されているろう付方法としては、真空ろう付法とノコロックろう付法が挙げられる。真空ろう付法では、Al−Si−Mg系合金からなるろう材が用いられる。真空中で加熱することによりろう材中のMgが材料から蒸発し、その際に材料表面の酸化皮膜を破壊してろう付を可能にするものである。しかしながら、真空ろう付法は高価な真空加熱装置を必要とする欠点がある。一方、ノコロックろう付法では、Al−Si系合金からなるろう材が用いられる。フラックスを塗布した後に不活性ガス中で加熱し、フラックスにより材料表面の酸化皮膜を破壊してろう付を可能にするものである。しかしながら、フラックス塗布において塗りムラがあるとろう付不良の原因となるため、フラックスを必要箇所に均一に塗布することが必要であった。
【0005】
これらに対して、高価な真空加熱装置やフラックスを用いずに不活性ガス中で加熱することによりろう付を可能にするろう付方法が提案されている。特許文献1には、Mgを含有するろう付品を炭素質カバーで覆って加熱し、フラックスを用いずにろう付する方法が記載されている。この方法では、Mgにより炭素質カバー内の酸素濃度を低減し、酸化を防止することでろう付を可能にする。また、特許文献2には、ろう材にMgを含有したクラッド材を使用して熱交換器を構成し、フラックスを用いずにろう付する方法が記載されている。この方法では、ろう材中のMgにより表面の酸化皮膜を除去することで、ろう付を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−044713号公報
【特許文献2】特開2007−190574号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、フラックスを使用しない不活性ガス中でのろう付に使用するブレージングシートであって、所定の合金組成とクラッド率を有することで、短時間のろう付加熱時間で良好なろう付が可能なブレージングシートの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた結果、所定のクラッド率を有するブレージングシートにおいて、ろう材中のSiとMgの含有量を制御することにより、短時間のろう付加熱で良好なろう付が可能となることを見出した。
【0009】
すなわち本発明は請求項1において、Mg:0.15〜2.0mass%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材と、その片面又は両面にクラッドされ、Si:Amass%、Mg:Bmass%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl−Si−Mg系合金のろう材とを備えたアルミニウム合金製ブレージングシートであって、フラックスを用いないで不活性ガス中においてろう付され、前記ろう材の片面クラッド率が1.5〜25%であり、前記AとBが下記式(1)〜(3)、又は、式(4)〜(5)の関係を満たすことを特徴とするアルミニウム合金製ブレージングシートとした。
6≦A≦13 (1)
B≧0.015×A−0.04 (2)
B≦0.05×A−0.15 (3)
4≦A≦6 (4)
0.05≦B≦0.15 (5)
【0010】
本発明は請求項2において、アルミニウム合金製ブレージングシートの厚さを0.2〜
3.0mmとした。更に、本発明は請求項3において、ろう材の厚さを50〜200μmとした。
【発明の効果】
【0011】
本発明のブレージングシートを使用することにより、例えば様々なろう材厚さのブレージングシートを組み合わせて構成される熱交換器を、短時間のろう付加熱時間で生産効率よく良好に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】ろう付性評価のための隙間充填試験片であって、ろう付前の状態を示す正面図である。
【図2】ろう付性評価のための隙間充填試験片であって、ろう付後の状態を示す正面図である。
【図3】アルミニウム合金製ブレージングシートのろう材中におけるSi含有量とMg含有量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートを用いたろう付方法は、心材にMgを含有したブレージングシートを用いて、フラックスを使用せず不活性ガス中でろう付加熱される。その際、心材からろう材表面に拡散したMgがろう材表面の酸化皮膜を還元、破壊して、溶融したろう材の金属表面を露出させることで、相手材料とのろう付を可能にする。ところで、ろう材が溶融する以前の加熱昇温中においては、ろう材中にMgが存在すると、不活性ガス中においても表面に酸化マグネシウムが形成されろう付性が阻害されると考えられていた。しかしながら、様々なクラッド率、板厚及びろう材の合金成分のブレージングシートについてろう付を試みた結果、ろう材の厚さが薄い場合と厚い場合では、ろう付に適したブレージングシートのろう材の合金成分が異なることが判明した。
【0014】
A.ろう材厚さとろう付性の関係
ろう材の厚さが薄いブレージングシートの場合は、ろう材が溶融する時点で心材からろう材へMgが拡散するが、ろう材が薄いために(ろう材量が少ないために)拡散してきたMg量によってろう材中のMg含有量(濃度)が増加する。このようなMg含有量の増加によって、ろう材溶融後の短時間のうちにろう材表面の酸化皮膜は還元、破壊されてろう付が可能になる。しかしながら、ろう材の厚さが厚いブレージングシートの場合は、ろう材が溶融する時点で心材からろう材へMgが拡散してきても、ろう材が厚いために(ろう材量が多いために)拡散してきたMg量によってろう材中のMg含有量(濃度)の増加は僅かであり、ろう材表面の酸化皮膜を還元、破壊するのに十分なMg含有量とはならない。そのため、ろう材が溶融しても酸化皮膜下の金属表面が直ちに現れず、ろう付が完了しない。この場合、加熱時間を更に長くすることにより心材からろう材へのMgの拡散が進み、ろう材のMg含有量が増加することで酸化皮膜が還元、破壊され、ろう付が可能になる。しかしながら、加熱時間を長くすることはコスト面などの観点から工業上は好ましくない。また、熱交換器のろう付においては、ろう材の厚さが薄いブレージングシートでろう付する部位は短時間のうちにろう付が完了しているため、長時間の加熱によりこの部位でのろう材の拡散が進み、ろう付不良の原因ともなる。
【0015】
B.Mg含有ろう材
そこで、ろう材の厚さが厚いブレージングシートの場合は、ろう材に適量のMgを予め含有するブレージングシートを使用することで、ろう材溶融後の短時間のうちに酸化皮膜の一部を破壊して、ろう付の起点となる溶融金属の非酸化面を露出させることによって相手材とのろう付が可能となることを、本発明者らは見出した。このように予めろう材に含有させたMgに加えて、心材から拡散してくるMgによってろう材中のMg含有量が増加することにより、ろう材表面の酸化皮膜は完全に還元、破壊される。その結果、流動可能となった多量のろう材がろう付部に供給されることで、良好なろう付部が得られるのである。
【0016】
ここで、予めろう材に必要なMg量は、ろう材のSi量によっても異なることが判明した。Al−Si系合金の共晶組成はSi含有量で約12mass%であるが、共晶組成近傍のAl−Si系合金のろう材を用いる場合には、共晶温度まで昇温すると溶融したろう材の比率が高いため、ろう材溶融開始直後にろう材は流動し始める。しかしながら、ろう材表面の酸化皮膜が破壊されていないと、溶融ろう材は接合部に留まらずに酸化皮膜の下を移動し、重力により下部に溜まってしまう。従って、ろう材溶融後に確実にろう付部にフィレットを形成させるためには、ろう材に予め含有するMg量を増やして、ろう材溶融直後に酸化皮膜を還元、破壊させる必要がある。
【0017】
一方、ろう材のSi量が少ない場合は、ろう材溶融開始後に温度上昇に伴い徐々にろう材の液相率が増加して流動するろう材量が増えてくるため、ろう材溶融直後に酸化皮膜を破壊する必要はない。むしろ、予めろう材に添加したMg量が多過ぎると、溶融開始後のろう材の少ない液相中にMgが濃化するため、溶融ろう材がMg過剰になり酸化し易くなる。そのため、ろう材のSi量が少ない場合は、ろう材のSi量が多い場合よりもろう材に予め含有させるMg量を少なくする。
【0018】
C.アルミニウム合金製ブレージングシートの厚さ
本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートの厚さは、0.2〜3.0mmとするのか好ましい。本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートの用途として、熱交換器に用いられるろう付用部材が挙げられ、これら部材の厚さがこの範囲内にある。
【0019】
心材のMg含有量、ろう材のSi含有量とMg含有量の限定理由を以下に述べる。
【0020】
D.心材のMg含有量
心材のMg含有量は0.15〜2.0mass%(以下、単に「%」と記す)とする必要がある。Mg含有量が0.15%未満では、ろう付加熱中に心材からろう材に拡散するMg量が少ないためろう材中のMg含有量が増加せず、ろう材表面の酸化皮膜を還元、破壊することが出来ず、良好なろう付性が得られない。一方、Mg含有量が2.0%を超えると、必要以上にMgが拡散してMg濃化により溶融ろう材がMg過剰になり、酸化し易くなるためにろう付性に悪影響を及ぼす。
【0021】
心材には、Mgの他に、0.2〜1.2%のSi、0.1〜1.2%のCu、0.05〜2.0%のMn、0.05〜2.0%のFe等の選択的添加元素が含有されていてもよい。Si,Cu,Mnは心材中に固溶または金属間化合物を分布させ、心材の強度向上に寄与する。Feは心材の結晶粒を微細にし、成型加工性の向上に寄与する。更に、0.05〜0.2%のTi、0.05〜0.2%のZr等の不可避的不純物が含有されていてもよい。
【0022】
E.ろう材のSi含有量とMg含有量
ろう材のSi含有量は、4〜13%とする必要がある。ろう材のSi含有量が4%未満の場合には、ろう付温度において生成する溶融ろう材の量が少なくなりろう付性が低下する。一方、ろう材のSi含有量が13%を超える場合には、ろう材の液相温度が上昇するとともに心材へのろう拡散が顕著になりろう付性が低下する。
【0023】
ろう材のMg含有量は、Si含有量によりその適正量が変動する。ろう材のSi含有量A(%)が6≦A≦13(式1)の場合には、Mg含有量B(%)との関係で、B≧0.015×A−0.04(式2)及びB≦0.05×A−0.15(式3)の関係を満たす必要がある。式2に代えて、B≧0.025×A−0.08(式6)とするのが好ましい。また、4≦A≦6(式4)の場合には、0.05≦B≦0.15(式5)の関係を満たす必要がある。式5に代えて、0.07≦B≦0.15(式7)とするのが好ましい。
【0024】
ろう材のMg含有量が、式(1)〜(3)又は式(4)〜(5)で示される範囲よりも少ないと、ろう材が溶融した時のろう材中のMg含有量が少な過ぎるため、心材からの更なるMgの拡散がなければ酸化皮膜が還元、破壊されない。この場合には、ろう付加熱に長時間を要することになり、ろう付性が低下する。一方、ろう材のMg含有量が、式(1)〜(3)又は式(4)〜(5)で示される範囲よりも多いと、ろう材が溶融した時にはろう材表面に厚い酸化マグネシウムの皮膜が形成される。この場合には、このような酸化マグネシウム皮膜を還元、破壊することが出来ず、ろう付性が低下する。
【0025】
ろう材には、Mg、Siの他に、0.5〜8%のCu、0.5〜6%のZn等の選択的添加元素が含有されていてもよい。Cu、Znはろう材の融点を下げ、低温でのろう付を可能にする。更に、0.1〜1.5%のFe、0.05〜0.2%のTi等の不可避的不純物が含有されていてもよい。
【0026】
F.ろう材のクラッド率と厚さ
本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートに適用されるろう材のクラッド率は、片面で1.5〜25%である。
ろう付の昇温中からろう材が溶融する際には、Mg濃度差に基づいて心材からろう材へMgが拡散する。クラッド率が1.5%未満では、心材厚さに比べてろう材厚さが薄過ぎる。心材及びろう材のMg濃度がほぼ同じになるまで、濃度差に基づいてMgが拡散する。心材厚さに比べてろう材厚さが薄いので、拡散が終了する時点におけるろう材のMg濃度は心材における当初のMg濃度より僅かに低下した高濃度となる。その結果、ろう材におけるMg高濃度により酸化皮膜を破壊することができ、ろう材に予めMgを含有させる必要は無い。むしろ、ろう材にMgを含有させることによってろう材のMg濃度が過剰になり、ろう材表面に酸化マグネシウムが生成してろう付性を低下させることになる。
一方、クラッド率が25%を超えると、心材厚さに比べてろう材厚さが厚過ぎる。心材及びろう材のMg濃度がほぼ同じになるまで、濃度差に基づいてMgが拡散する。心材厚さに比べてろう材厚さが厚いので、拡散が終了する時点におけるろう材のMg濃度は心材における当初のMg濃度より大きく低下した低濃度となる。その結果、ろう材におけるMg濃度が低いのでろう材表面の酸化皮膜を還元、破壊することが出来ず、良好なろう付性が得られない。
【0027】
本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートに適用されるろう材の厚さは、上述のようなろう材のクラッド率のもとに、好ましくは50〜200μmであり、更に好ましくは75〜150μmである。
【0028】
G.ろう付条件
ろう付は、ろう材の溶融温度以上の温度に加熱すればよく、本発明においては590〜610℃に加熱することによりろう付けが可能となる。保持時間は3〜10分が適当である。
【0029】
ろう付加熱する雰囲気に用いる不活性ガスとしては、工業的に使用される窒素ガスやアルゴンガスが挙げられる。ろう付を可能にするためには、Mgの酸化を出来るだけ抑制するために、雰囲気中の酸素濃度は低い方が安定したろう付を可能とする。雰囲気中の酸素濃度は25ppm以下とするのが好ましく、10ppm以下のとするのがより好ましい。低酸素の雰囲気を得るためには、ろう付炉内部の不活性ガスと接触する炉の構成部材の一部に炭素材を用いた加熱炉を使用するのが好ましい。炉の構成部材としては、炉内壁、バッフル、被ろう付物搬送用のメッシュベルト等が挙げられる。炭素材は、不活性ガス中に微量に存在する酸素と反応してCOを生成するため、炉内の酸素濃度を低下することができる。既存のろう付炉でろう付する場合は、炉内に炭素材を別途設置する方法も可能である。
【0030】
また、炉内への微量な酸素の混入は、主に被ろう付物より取り込まれることが多い。特に熱交換器のように被ろう付物内部に中空構造を有する場合は、内部に存在する酸素は十分に置換されないために炉内雰囲気中の酸素濃度低減の妨げとなる。そのため、予熱室、ろう付加熱室からなる複数の炉室を備えたろう付炉を使用し、予熱中に十分に酸素濃度を低減することで、より低酸素濃度雰囲気中でろう付加熱することが出来る。また、被ろう付物を炉内に挿入後、炉内を真空脱気し、その後に不活性ガスを吹き込むことにより炉内の雰囲気ガスを置換することで、炉内の酸素濃度上昇を防ぐことができる。雰囲気ガスを置換する装置を備えたろう付炉を使用することにより、短時間のうちに安定したろう付性が得られるので工業的に好ましい。
【実施例】
【0031】
次に、本発明を本発明例及び比較例に基づき説明する。
本発明例1〜30及び比較例31〜49
表1に示す組成の合金を鋳造し、600℃で均質化処理を行った後、両面を面削して厚さ45mmとし、ブレージングシートの心材とした。表2に示す組成の合金を鋳造し、500℃で均質化処理を行った後、熱間圧延に所定の厚さとしブレージングシートのろう材とした。表3に示すように心材とろう材を各クラッド率になるように組み合わせて、500℃でクラッド圧延を行い、さらに冷間圧延により所定の厚さとした後に焼鈍を施し、片面にろう材をクラッドしたブレージングシート試料を作製した。本発明例30と比較例49は、ろう材/心材/ろう材の3層ブレージングシートであり、それ以外はろう材/心材の2層ブレージングシートである。
【0032】
【表1】

【0033】
【表2】

【0034】
【表3】

【0035】
上記のようにして作製したブレージングシート試料のろう付性を、図1に示す隙間充填試験により評価した。ブレージングシート試料を70×20mmに切断して、ろう材側を上面として水平板(2)とした。板厚1.0mmのJISA3003のベア材を60×20mmに切断したものを、垂直板(1)とした。垂直板(1)は、厚さ辺と長辺とから成る側面が水平板(2)のろう材面に対向するように、水平板(2)に対して垂直に立てられる。φ2.0mmのステンレス線を隙間形成用のスペーサー(3)とし、水平版(2)と垂直板(1)の接触部(6)の位置から水平板(2)の長辺方向に沿って50mm離間した位置に、水平板(2)の短辺方向に沿って設置した。このようにして、隙間充填試験片を作製した。
【0036】
フラックスを塗布せずに、隙間充填試験片をろう付した。炉内に不活性ガスとして窒素ガスを流し炉内の酸素濃度を10ppm以下に調整した雰囲気中で、加熱してろう付を実施した。隙間充填試験片の温度を測定し、温度が600℃となるまでの到達時間が10分程度となるような昇温条件で加熱した後、隙間充填試験片を600℃で3分間保持し、その後冷却して炉外に取り出した。
【0037】
図2に示すように、ろう付後の隙間充填試験片について、水平板(2)と垂直板(1)の接点からフィレット(4)が形成された長さを測定し、隙間充填長さ(5)とした。なお、極めて小さいフィレットしか形成しなかった試験片については、隙間充填長さを0mmとした。測定した隙間充填長さを表3に示す。隙間充填長さを下記の基準で評価した。
◎:隙間充填長さが30mm以上
○:隙間充填長さが20以上30mm未満
△:隙間充填長さが16以上20mm未満
×:隙間充填長さが16mm未満
◎と○と△を合格とし、×を不合格とした。
【0038】
また、図3に示すように、式(1)〜(3)又は式(4)〜(5)で示される範囲との関係で、各本発明例及び比較例のろう材中のSi含有量(A)とMg含有量(B)を、グラフ中にプロットした。図中の番号は、本発明例及び比較例の番号を示す。なお、No.20、21のプロット位置は、No.9と同じであり、No.22〜30のプロット位置は、No.14と同じである。また、No.49のプロット位置は、No.39と同じである。図中に示す◎、○、△、×はその本発明例又は比較例の隙間充填長さの評価を示す。
【0039】
本発明例1〜30では、AとBのプロットが図3の式(1)〜(3)又は式(4)〜(5)で示される範囲内にあり、隙間充填長さが16mm以上となって良好なろう付性を示した。
【0040】
比較例31〜44、49では、ろう材のMg含有量(A)とSi含有量(B)の関係が、式(1)〜(3)又は式(4)〜(5)で示される範囲内にないので、ろう付性が不合格であった。
比較例45では、ろう材のクラッド率が小さ過ぎたのでろう付性が不合格であった。
比較例46では、ろう材のクラッド率が大き過ぎたのでろう付性が不合格であった。
比較例47では、心材のMg含有量が少な過ぎたのでろう付性が不合格であった。
比較例48では、心材のMg含有量が多過ぎたのでろう付性が不合格であった。
【産業上の利用可能性】
【0041】
本発明に係るアルミニウム合金製ブレージングシートを使用することにより、フラックスを用いずに不活性ガス中で加熱することで優れたろう付け性を得ることが出来る。その結果、特に、様々なろう材厚さのブレージングシートを組み合わせて構成される熱交換器を短時間のろう付加熱時間で生産効率よく良好に製造することができる。
【符号の説明】
【0042】
1 垂直材
2 水平材
3 スペーサー
4 フィレット
5 隙間充填長さ
6 接触部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
Mg:0.15〜2.0mass%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の心材と、その片面又は両面にクラッドされ、Si:Amass%、Mg:Bmass%を含有し、残部Al及び不可避的不純物からなるAl−Si−Mg系合金のろう材とを備えたアルミニウム合金製ブレージングシートであって、フラックスを用いないで不活性ガス中においてろう付され、前記ろう材の片面クラッド率が1.5〜25%であり、前記AとBが下記式(1)〜(3)、又は、式(4)〜(5)の関係を満たすことを特徴とするアルミニウム合金製ブレージングシート。
6≦A≦13 (1)
B≧0.015×A−0.04 (2)
B≦0.05×A−0.15 (3)
4≦A≦6 (4)
0.05≦B≦0.15 (5)
【請求項2】
0.2〜3.0mmの厚さを有する、請求項1に記載のアルミニウム合金製ブレージングシート。
【請求項3】
前記ろう材が50〜200μmの厚さを有する、請求項2に記載のアルミニウム合金製ブレージングシート。


【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate