ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造およびろう付け方法
【課題】ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、接合強度が高い接合構造を安定して形成する手法を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の平均厚さが１０μｍ以下であるろう付け接合構造。前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、例えばＣｕ：２〜４原子％を含有するものが好適な対象となる。前記ろう材溶融凝固層は、初晶Ａｌ相、ＣｕＡｌ2系合金相およびスパイク状のＳｉ濃化相を有する金属組織であるものが好ましい。特に、ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在していることがより好ましい。
【解決手段】ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の平均厚さが１０μｍ以下であるろう付け接合構造。前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、例えばＣｕ：２〜４原子％を含有するものが好適な対象となる。前記ろう材溶融凝固層は、初晶Ａｌ相、ＣｕＡｌ2系合金相およびスパイク状のＳｉ濃化相を有する金属組織であるものが好ましい。特に、ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在していることがより好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼とアルミニウム合金とをろう付けすることによって得られるろう付け接合構造、およびそのろう付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材とアルミニウム合金を接合する方法としては、ボルト／ナットやかしめなどにより機械的に締結する方法、接着剤による方法、ろう付けによる方法がある。自動車のラジエーター部材など、鋼材とアルミニウム合金の間に多数の接合点を有し、それらの接合点を通して熱を伝導させる用途では、ろう付け接合が必要となる。従来から鋼材とアルミニウム合金のろう付けは、主としてＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材（例えばＡｌ：８８原子％、Ｓｉ：１２原子％）を用いて行われている。
【０００３】
しかし、従来のろう付けでは、鋼材と、ろう材の溶融凝固層との界面に脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）が成長しやすく、必ずしも十分な接合強度が得られないという問題があった。特許文献１には、より融点の低いＡｌ−Ｓｉ−高Ｚｎ系のろう材を用いてろう付け温度を低くすることにより、脆い反応層の成長を抑制する手法が記載されている。
【０００４】
一方、一般的な鋼材はアルミニウム合金に比べ耐食性に劣ることなどから、鋼材としてＡｌめっき鋼板を使用し、これをアルミニウム合金とろう付けする手法が試みられてきた。特許文献２には、溶融Ａｌめっき鋼板とアルミニウム合金とをろう付けする際に、Ａｌめっき鋼板の原板としてＮを添加した鋼を使用することが開示されている。鋼中のＮは鋼素地とＡｌめっき層との間にＮ濃化層を形成し、これがバリアーとなって、ろう付け時に鋼中のＦｅがろう材側に拡散するのを阻害し、その結果、脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）の成長が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特公平７−２９２０２号公報
【特許文献２】特開平９−２２０６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では従来にも増して高耐食性のニーズが強くなり、鋼材としてＡｌめっき鋼板を適用するだけでは不十分とされる場合も想定されるようになってきた。例えば切断端面での錆の発生を嫌う用途などがこれに該当する。そこで、鋼材にステンレス鋼を採用して、これをアルミニウム合金とろう付けすることが試みられている。しかし、ステンレス鋼の場合は、ろう付け温度が約５８０℃以上になると反応層が成長しやすいという問題がある。このため、従来一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を使用して、従来と同様に高温でのろう付けを行った場合、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の厚さが増大し、高い接合強度を安定して得ることが難しい。
【０００７】
また、ステンレス鋼の場合には特許文献１に開示されるような低融点のろう材を用いて、低温でのろう付けを試みても、接合自体が不可能であるという問題がある。これは、ステンレス鋼に特有の不動態皮膜が何らかの影響を及ぼしているものと考えられる。
【０００８】
一方、発明者らの調査によると、ステンレス鋼の場合には、特許文献２に示されるようなＮ添加の手法は有効でないことがわかった。すなわち、Ｎ含有量の高いステンレス鋼にＡｌめっきを施す手法を採用しても、反応層の成長を抑制することは困難である。これは、ステンレス鋼にはＮとの親和力の大きいＣｒが多量に含有されているので、溶融Ａｌめっき層の下にバリアーとなるＮ濃化層を形成することが困難となるからではないかと推察される。
【０００９】
このように、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け技術は未だ十分に確立されていない。
本発明は、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、接合強度が高い接合構造を安定して形成する手法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の平均厚さが１０μｍ以下好ましくは１〜１０μｍであるろう付け接合構造によって達成される。前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、例えばＣｕ：２〜４原子％を含有するものが好適な対象となる。前記ろう材溶融凝固層は、初晶Ａｌ相、ＣｕＡｌ2系合金相およびスパイク状のＳｉ濃化相を有する金属組織であるものが好ましい。特に、ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在していることがより好ましい。
【００１１】
ここで、例えばＪＩＳ Ｈ４０００の合金番号１０８５、１０８０、１０７０、１０５０のように、Ａｌ含有量が９９質量％以上のものも、本発明では「アルミニウム合金」として扱う。「ろう材溶融凝固層」は、ろう付け時に溶融したろう材、および溶融したろう材と反応して溶融したステンレス鋼素地、Ａｌめっき層、アルミニウム合金の一部が、ろう付け後の冷却過程で凝固して生じた層である。
【００１２】
また、上記の接合構造を得るためのろう付け方法として、Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が５５０℃未満好ましくは５３０℃未満のアルミニウム合金組成、例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成を有するろう材を用いて、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法が提供される。この場合、ステンレス鋼の表面に存在するＡｌめっき層の上にろう付けを行う。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、反応層が薄く形成された接合強度が高い接合構造を安定して形成することが可能になった。したがって本発明は、従来よりも格段に耐食性の良い「鋼材−アルミニウム合金ろう付け部材」の普及に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１（ａ）〜図１（ｃ）に、溶融Ａｌめっきステンレス鋼のＡｌめっき層の上に、Ｃｕ：１３.４原子％、Ｓｉ：６原子％、残部Ａｌの組成をもつ融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）を例示する。図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、ろう付け温度がそれぞれ５４０℃、５６０℃および６００℃である。各写真にはろう付け接合構造のステンレス鋼素地近傍を示してある。ステンレス鋼はＳＵＳ４０９（ＳＵＨ４０９）であり、表面にＳｉ：９質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を約１５μｍ厚さに形成したものを用いた。また、ステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層の間に介在する反応層について、ＥＤＸにより元素分析を行った。図中には、番号で示した箇所の測定結果（原子％）を記載した。
【００１５】
これらの組織写真からわかるように、ろう付け温度が高くなると反応層の厚さが厚くなる。種々検討の結果、反応層の平均厚さが１０μｍを超えると、ステンレス鋼素地と反応層の界面での接合強度が弱くなり、その部分で非常に破断しやすくなる。従来のステンレス鋼−アルミニウム合金ろう付け接合構造の場合、図１（ｃ）のように反応層が１０μｍを超えて厚く、高い接合強度が得られないという問題があった。これに対し、図１（ａ）、図１（ｂ）の本発明例のものは、反応層が１０μｍ以下と薄く、ステンレス鋼素地からの剥離が生じにいくい。
【００１６】
この反応層は、ステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層とを接合するために必要な層であり、反応層がないとステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層の接合状態が実現できないと考えられる。種々検討の結果、反応層の平均厚さは１μｍ以上を確保することが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。ろう付け温度５３０℃以上の範囲で１μｍ以上の反応層を形成させることが十分可能である。
【００１７】
反応層は、溶融したろう材と、ステンレス鋼素地およびその表面に存在していたＡｌめっき層が反応して生成したものである。Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金組成を有し、ろう材に由来するＣｕを例えば２〜４原子％の範囲で含有している。また、ステンレス鋼素地に由来するＣｒも含有している。このような組成のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、従来、硬質で脆いとされていた反応層に比べ、強度が改善されていると考えられる。そして、そのような反応層が薄くタイトに形成されているとき、ステンレス鋼素地と反応層の界面、あるいは反応層自体の内部での破断が生じにくく、耐久性の高いろう付け接合構造の構築に寄与していると考えられる。
【００１８】
図２（ａ）〜図２（ｃ）に、溶融Ａｌめっき層を形成していないＳＵＳ４０９を用いて前記と同じ条件でろう付けを行った場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）を例示する。図２（ａ）、（ｂ）のものは反応層の成長が不十分であり、接合強度はほとんどゼロである。溶融Ａｌめっき層がないステンレス鋼の場合は、図２（ｃ）のようにろう付け温度を高くしないと、接合ができない。したがって、必然的に反応層の厚さは１０μｍを超えて厚くなり、ステンレス鋼素地と反応層の界面で破断しやすい。
【００１９】
図３（ａ）〜図３（ｆ）には、図１（ａ）と同じ条件（ろう付け温度５４０℃）でろう付けを行ったろう付け接合構造の断面について、ＥＰＭＡにより元素分布の測定を行った結果を例示する。反応層の平均厚さは約３μｍである。図３（ａ）のＳＥＭ像を見ると、ろう材溶融凝固層の組織の中に、黒っぽいスパイク状（針状）の相が観察される。このスパイク状の相にはＳｉが濃化していることがわかる（図３（ｄ））。詳細な分析（後述参照）の結果、スパイク状の相は三元共晶を構成するＳｉ相であると考えられる。ろう付け温度が例えば５７０℃を超えて高いと、このＳｉ相は初晶Ａｌ相のデンドライト樹間に短い形状で存在する傾向が強くなる。ところが、ろう付け温度が低くなるとＳｉ相はスパイク状に長くなる。このスパイク状のＳｉ濃化層は、薄くタイトなＣｕ含有反応層の存在と相俟って、ろう付け接合部の強度を増大させる作用を呈するものと考えられる。
【００２０】
図４には、図１（ａ）と同じ条件（ろう付け温度５４０℃）でろう付けを行ったろう付け接合構造の断面について、ＥＤＸによる局所的な定量分析を行った箇所を記号で示してある。図４の観察視野は、図５に模式的に示す部分に相当する。表１に、分析結果を示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
表１からわかるように、ろう材溶融凝固層の金属組織は、初晶Ａｌ相（Ａ１、Ａ２）＋ＣｕＡｌ2系合金相（Ｂ、Ｃ）＋スパイク状のＳｉ濃化層（Ｇ、Ｈ）で構成される三元共晶組織であると考えられる。また、その組織中にはロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相（Ｇ、Ｈ）が観察される。このロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相の多くは、反応層に一部が接するような形で、主として反応層の近傍に存在している。ロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相におけるＳｉ含有量は、反応層（Ｉ、Ｊ）のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金よりも高い。このロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相は、ろう付け接合部の強度向上に寄与しているものと考えられる。そのことは、ロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在する組織状態のものと、存在しない組織状態のものについて接合強度を比較すると、前者の方が明らかに高い接合強度を有していること（後述実施例参照）から肯定される。
【００２３】
ステンレス鋼は、Ｃｒを約９質量％以上含有することにより、不動態皮膜を形成して高耐食性を呈する鋼であるが、ここでは種々のステンレス鋼種、例えばＪＩＳ Ｇ４３０５に示されている鋼種を広く適用することができる。Ｃｒ含有量は９〜２５質量％であることが好ましく、１０.５〜２５質量％がより好ましい。鋼種はフェライト系、オーステナイト系等のいずれであっても構わない。
【００２４】
ステンレス鋼表面の溶融Ａｌめっき層は、Ｓｉ含有量が５〜１３質量％のＡｌめっき浴に浸漬することによって形成されたものであることが好ましい。鋼板の場合は、連続溶融めっきラインにおいて製造された溶融Ａｌめっきステンレス鋼板が好適に採用される。ろう付けに供する表面のＡｌめっき層の厚さは、概ね５〜１００μｍの範囲とすることができるが、通常は、１０〜５０μｍのめっき層厚さのものを使用すれば十分である。
【００２５】
アルミニウム合金は、ＪＩＳ Ｈ４０００に規定される種々のもの（１０００系〜８０００系）が採用できる。
【００２６】
ろう材は、融点が５５０℃未満のものを使用する。５３０℃未満のものがより好ましい。アルミニウム合金用の従来一般的なろう材としてはＡｌ−Ｓｉ系のものが知られており、例えばＳｉ：約１２原子％を含む組成のものが主流である。しかし、Ａｌ−Ｓｉ系は融点が５７０℃を超えて高く、本発明では使用できない。アルミニウム合金に適用可能な低融点のろう材としては、Ａｌ−Ｚｎ系のものが知られている。しかし、この系のろう材では、スパイク状のＳｉ濃化相を有するろう材溶融凝固層を形成することができない。
【００２７】
種々検討の結果、Ｃｕを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系で、共晶点付近の融点に（約５２４℃）に調整された組成のものを使用することが特に好ましい。具体的には、Ｃｕ：１３.４原子％、Ｓｉ：６原子％、残部Ａｌの組成に近いＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が挙げられる。この系のろう材中のＣｕは反応層に柔軟性を付与する効果を有すると考えられ、Ｓｉはろう材溶融凝固層中にスパイク状のＳｉ濃化相やロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相を形成させるために寄与する。
【００２８】
ろう付けの方法は、ろう付け温度を５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度範囲とすることを除き、従来一般的な方法に従えばよい。
【実施例】
【００２９】
アルミニウム合金として、ＪＩＳ Ｈ４０００の合金番号１０５０の板材（板厚１ｍｍ）を用意した。これを素材ＡＬと表示する。
溶融Ａｌめっきステンレス鋼として、ＳＵＳ４０９の鋼板に片面あたり約１５μｍ厚さの溶融Ａｌめっき層（Ｓｉ含有量：９質量％）を施した板材（板厚１ｍｍ）を用意した。これを素材ＡＬＳと表示する。
比較用鋼板として、上記と同じＳＵＳ４０９の、Ａｌめっきを施していない鋼板（めっき原板に相当するもの）を用意した。これを素材Ｓと表示する。
ろう材として、Ｃｕ：１３.４原子％、Ｓｉ：６原子％、残部Ａｌの組成をもつ融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材のワイヤーを用意した。
フラックスとして、Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のものを用意した。
【００３０】
素材ＡＬ、ＡＬ−ＳおよびＳの各板材から、それぞれ圧延方向が長手方向に一致するように２０×１０５×１（ｍｍ）の試料を切り出し、その一方の端部から１５ｍｍの位置で９０°折り曲げて接合面を形成した。
接合する素材の組み合わせ（試料１／試料２）はＡＬ／ＡＬ、ＡＬ／ＡＬＳ、ＡＬ／Ｓの３通りとし、ろう付け温度は５３０℃、５５０℃、５７０℃、６００℃の４水準とした。
【００３１】
図６に、ろう付けに供するときのセッティングを模式的に示す。鋼製治具の上に試料１と試料２を接合面で突き合わせて配置し、接合面どうしが離れないようにステンレス鋼製クリップ（図示せず）で挟み付けた。接合面の間には予めフラックスを塗布した。突き合わせた接合面の上部に、長さ１５ｍｍに切断したろう材ワイヤーを乗せた。この状態にセッティングされたものを、炉長２ｍｍ、５ゾーン構成の連続ろう付け炉（トンネル炉）の中に、移動速度２００ｍｍ／ｍｉｎで装入した。トンネル炉の中を通過する過程で材料の最高到達温度がろう付け温度になり、その後、徐々に降温するようにセットされている。雰囲気は窒素ガスである。
【００３２】
ろう付け後の試験片について、試料１と試料２を引張試験機のチャックで掴み、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎで破断するまで引張試験を行った。試験数は３とした（ｎ１、ｎ２、ｎ３）。ろう付け接合部で破断したものを×（接合部の強度；不足）、アルミニウム合金試料（ＡＬ）の母材部で破断したものを○（接合部の強度；良好）と評価した。結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】
表２からわかるように、ＡＬ／ＡＬ接合では全て接合部で破断した。これに対し、ろう付け温度５３０〜５７０℃とした本発明例のＡＬ／ＡＬＳ接合では、いずれもＡＬ母材部で破断した。すなわち、本発明のろう付け接合構造は、ＡＬ／ＡＬの場合のろう付け接合構造よりも接合強度が高いことが確認された。このことから、本発明の接合構造に特有の組織状態（例えばロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相の存在など）が接合部の強度を増大させているものと推察される。一方、Ａｌめっき層を形成していないステンレス鋼を使用したＡＬ／Ｓ接合のものでは、ろう付け温度が５７０℃以下の場合は引張試験前に破断した。すなわち、事実上、接合が不可能であった。
【００３５】
ろう付け温度が６００℃と高い場合は、ＡＬ／ＡＬＳ接合、ＡＬ／Ｓ接合とも反応層の厚さが１０μｍを超えて厚くなり、ろう付け接合部の接合強度は本発明例のものより低かった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１（ａ）】溶融Ａｌめっきステンレス鋼のＡｌめっき層の上に、融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付け温度５４０℃でろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図１（ｂ）】ろう付け温度が５６０℃の場合の、図１（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図１（ｃ）】ろう付け温度が６００℃の場合の、図１（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図２（ａ）】溶融Ａｌめっき層のないステンレス鋼の上に、融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付け温度５４０℃でろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図２（ｂ）】ろう付け温度が５６０℃の場合の、図２（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図２（ｃ）】ろう付け温度が６００℃の場合の、図２（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図３（ａ）】ろう付け温度５４０℃でろう付けを行った本発明のろう付け接合構造の断面について、ＥＰＭＡにより元素分布の測定を行ったときのＳＥＭ像。
【図３（ｂ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＡｌの元素分布を示す写真。
【図３（ｃ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＣｕの元素分布を示す写真。
【図３（ｄ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＳｉの元素分布を示す写真。
【図３（ｅ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＣｒの元素分布を示す写真。
【図３（ｆ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＦｅの元素分布を示す写真。
【図４】ろう付け温度５４０℃でろう付けを行った本発明のろう付け接合構造の断面について、ＥＤＸによる局所的な定量分析を行った箇所を記号で示したＳＥＭ像。
【図５】図４の観察視野の位置を模式的に示した図。
【図６】実施例において、ろう付けに供した際のセッティングを模式的に示した図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼とアルミニウム合金とをろう付けすることによって得られるろう付け接合構造、およびそのろう付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材とアルミニウム合金を接合する方法としては、ボルト／ナットやかしめなどにより機械的に締結する方法、接着剤による方法、ろう付けによる方法がある。自動車のラジエーター部材など、鋼材とアルミニウム合金の間に多数の接合点を有し、それらの接合点を通して熱を伝導させる用途では、ろう付け接合が必要となる。従来から鋼材とアルミニウム合金のろう付けは、主としてＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材（例えばＡｌ：８８原子％、Ｓｉ：１２原子％）を用いて行われている。
【０００３】
しかし、従来のろう付けでは、鋼材と、ろう材の溶融凝固層との界面に脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）が成長しやすく、必ずしも十分な接合強度が得られないという問題があった。特許文献１には、より融点の低いＡｌ−Ｓｉ−高Ｚｎ系のろう材を用いてろう付け温度を低くすることにより、脆い反応層の成長を抑制する手法が記載されている。
【０００４】
一方、一般的な鋼材はアルミニウム合金に比べ耐食性に劣ることなどから、鋼材としてＡｌめっき鋼板を使用し、これをアルミニウム合金とろう付けする手法が試みられてきた。特許文献２には、溶融Ａｌめっき鋼板とアルミニウム合金とをろう付けする際に、Ａｌめっき鋼板の原板としてＮを添加した鋼を使用することが開示されている。鋼中のＮは鋼素地とＡｌめっき層との間にＮ濃化層を形成し、これがバリアーとなって、ろう付け時に鋼中のＦｅがろう材側に拡散するのを阻害し、その結果、脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）の成長が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特公平７−２９２０２号公報
【特許文献２】特開平９−２２０６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近では従来にも増して高耐食性のニーズが強くなり、鋼材としてＡｌめっき鋼板を適用するだけでは不十分とされる場合も想定されるようになってきた。例えば切断端面での錆の発生を嫌う用途などがこれに該当する。そこで、鋼材にステンレス鋼を採用して、これをアルミニウム合金とろう付けすることが試みられている。しかし、ステンレス鋼の場合は、ろう付け温度が約５８０℃以上になると反応層が成長しやすいという問題がある。このため、従来一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を使用して、従来と同様に高温でのろう付けを行った場合、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の厚さが増大し、高い接合強度を安定して得ることが難しい。
【０００７】
また、ステンレス鋼の場合には特許文献１に開示されるような低融点のろう材を用いて、低温でのろう付けを試みても、接合自体が不可能であるという問題がある。これは、ステンレス鋼に特有の不動態皮膜が何らかの影響を及ぼしているものと考えられる。
【０００８】
一方、発明者らの調査によると、ステンレス鋼の場合には、特許文献２に示されるようなＮ添加の手法は有効でないことがわかった。すなわち、Ｎ含有量の高いステンレス鋼にＡｌめっきを施す手法を採用しても、反応層の成長を抑制することは困難である。これは、ステンレス鋼にはＮとの親和力の大きいＣｒが多量に含有されているので、溶融Ａｌめっき層の下にバリアーとなるＮ濃化層を形成することが困難となるからではないかと推察される。
【０００９】
このように、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け技術は未だ十分に確立されていない。
本発明は、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、接合強度が高い接合構造を安定して形成する手法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の平均厚さが１０μｍ以下好ましくは１〜１０μｍであるろう付け接合構造によって達成される。前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、例えばＣｕ：２〜４原子％を含有するものが好適な対象となる。前記ろう材溶融凝固層は、初晶Ａｌ相、ＣｕＡｌ2系合金相およびスパイク状のＳｉ濃化相を有する金属組織であるものが好ましい。特に、ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在していることがより好ましい。
【００１１】
ここで、例えばＪＩＳ Ｈ４０００の合金番号１０８５、１０８０、１０７０、１０５０のように、Ａｌ含有量が９９質量％以上のものも、本発明では「アルミニウム合金」として扱う。「ろう材溶融凝固層」は、ろう付け時に溶融したろう材、および溶融したろう材と反応して溶融したステンレス鋼素地、Ａｌめっき層、アルミニウム合金の一部が、ろう付け後の冷却過程で凝固して生じた層である。
【００１２】
また、上記の接合構造を得るためのろう付け方法として、Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が５５０℃未満好ましくは５３０℃未満のアルミニウム合金組成、例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成を有するろう材を用いて、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法が提供される。この場合、ステンレス鋼の表面に存在するＡｌめっき層の上にろう付けを行う。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付けにおいて、反応層が薄く形成された接合強度が高い接合構造を安定して形成することが可能になった。したがって本発明は、従来よりも格段に耐食性の良い「鋼材−アルミニウム合金ろう付け部材」の普及に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１（ａ）〜図１（ｃ）に、溶融Ａｌめっきステンレス鋼のＡｌめっき層の上に、Ｃｕ：１３.４原子％、Ｓｉ：６原子％、残部Ａｌの組成をもつ融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）を例示する。図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、ろう付け温度がそれぞれ５４０℃、５６０℃および６００℃である。各写真にはろう付け接合構造のステンレス鋼素地近傍を示してある。ステンレス鋼はＳＵＳ４０９（ＳＵＨ４０９）であり、表面にＳｉ：９質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を約１５μｍ厚さに形成したものを用いた。また、ステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層の間に介在する反応層について、ＥＤＸにより元素分析を行った。図中には、番号で示した箇所の測定結果（原子％）を記載した。
【００１５】
これらの組織写真からわかるように、ろう付け温度が高くなると反応層の厚さが厚くなる。種々検討の結果、反応層の平均厚さが１０μｍを超えると、ステンレス鋼素地と反応層の界面での接合強度が弱くなり、その部分で非常に破断しやすくなる。従来のステンレス鋼−アルミニウム合金ろう付け接合構造の場合、図１（ｃ）のように反応層が１０μｍを超えて厚く、高い接合強度が得られないという問題があった。これに対し、図１（ａ）、図１（ｂ）の本発明例のものは、反応層が１０μｍ以下と薄く、ステンレス鋼素地からの剥離が生じにいくい。
【００１６】
この反応層は、ステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層とを接合するために必要な層であり、反応層がないとステンレス鋼素地とろう材溶融凝固層の接合状態が実現できないと考えられる。種々検討の結果、反応層の平均厚さは１μｍ以上を確保することが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。ろう付け温度５３０℃以上の範囲で１μｍ以上の反応層を形成させることが十分可能である。
【００１７】
反応層は、溶融したろう材と、ステンレス鋼素地およびその表面に存在していたＡｌめっき層が反応して生成したものである。Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の合金組成を有し、ろう材に由来するＣｕを例えば２〜４原子％の範囲で含有している。また、ステンレス鋼素地に由来するＣｒも含有している。このような組成のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、従来、硬質で脆いとされていた反応層に比べ、強度が改善されていると考えられる。そして、そのような反応層が薄くタイトに形成されているとき、ステンレス鋼素地と反応層の界面、あるいは反応層自体の内部での破断が生じにくく、耐久性の高いろう付け接合構造の構築に寄与していると考えられる。
【００１８】
図２（ａ）〜図２（ｃ）に、溶融Ａｌめっき層を形成していないＳＵＳ４０９を用いて前記と同じ条件でろう付けを行った場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）を例示する。図２（ａ）、（ｂ）のものは反応層の成長が不十分であり、接合強度はほとんどゼロである。溶融Ａｌめっき層がないステンレス鋼の場合は、図２（ｃ）のようにろう付け温度を高くしないと、接合ができない。したがって、必然的に反応層の厚さは１０μｍを超えて厚くなり、ステンレス鋼素地と反応層の界面で破断しやすい。
【００１９】
図３（ａ）〜図３（ｆ）には、図１（ａ）と同じ条件（ろう付け温度５４０℃）でろう付けを行ったろう付け接合構造の断面について、ＥＰＭＡにより元素分布の測定を行った結果を例示する。反応層の平均厚さは約３μｍである。図３（ａ）のＳＥＭ像を見ると、ろう材溶融凝固層の組織の中に、黒っぽいスパイク状（針状）の相が観察される。このスパイク状の相にはＳｉが濃化していることがわかる（図３（ｄ））。詳細な分析（後述参照）の結果、スパイク状の相は三元共晶を構成するＳｉ相であると考えられる。ろう付け温度が例えば５７０℃を超えて高いと、このＳｉ相は初晶Ａｌ相のデンドライト樹間に短い形状で存在する傾向が強くなる。ところが、ろう付け温度が低くなるとＳｉ相はスパイク状に長くなる。このスパイク状のＳｉ濃化層は、薄くタイトなＣｕ含有反応層の存在と相俟って、ろう付け接合部の強度を増大させる作用を呈するものと考えられる。
【００２０】
図４には、図１（ａ）と同じ条件（ろう付け温度５４０℃）でろう付けを行ったろう付け接合構造の断面について、ＥＤＸによる局所的な定量分析を行った箇所を記号で示してある。図４の観察視野は、図５に模式的に示す部分に相当する。表１に、分析結果を示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
表１からわかるように、ろう材溶融凝固層の金属組織は、初晶Ａｌ相（Ａ１、Ａ２）＋ＣｕＡｌ2系合金相（Ｂ、Ｃ）＋スパイク状のＳｉ濃化層（Ｇ、Ｈ）で構成される三元共晶組織であると考えられる。また、その組織中にはロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相（Ｇ、Ｈ）が観察される。このロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相の多くは、反応層に一部が接するような形で、主として反応層の近傍に存在している。ロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相におけるＳｉ含有量は、反応層（Ｉ、Ｊ）のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金よりも高い。このロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相は、ろう付け接合部の強度向上に寄与しているものと考えられる。そのことは、ロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在する組織状態のものと、存在しない組織状態のものについて接合強度を比較すると、前者の方が明らかに高い接合強度を有していること（後述実施例参照）から肯定される。
【００２３】
ステンレス鋼は、Ｃｒを約９質量％以上含有することにより、不動態皮膜を形成して高耐食性を呈する鋼であるが、ここでは種々のステンレス鋼種、例えばＪＩＳ Ｇ４３０５に示されている鋼種を広く適用することができる。Ｃｒ含有量は９〜２５質量％であることが好ましく、１０.５〜２５質量％がより好ましい。鋼種はフェライト系、オーステナイト系等のいずれであっても構わない。
【００２４】
ステンレス鋼表面の溶融Ａｌめっき層は、Ｓｉ含有量が５〜１３質量％のＡｌめっき浴に浸漬することによって形成されたものであることが好ましい。鋼板の場合は、連続溶融めっきラインにおいて製造された溶融Ａｌめっきステンレス鋼板が好適に採用される。ろう付けに供する表面のＡｌめっき層の厚さは、概ね５〜１００μｍの範囲とすることができるが、通常は、１０〜５０μｍのめっき層厚さのものを使用すれば十分である。
【００２５】
アルミニウム合金は、ＪＩＳ Ｈ４０００に規定される種々のもの（１０００系〜８０００系）が採用できる。
【００２６】
ろう材は、融点が５５０℃未満のものを使用する。５３０℃未満のものがより好ましい。アルミニウム合金用の従来一般的なろう材としてはＡｌ−Ｓｉ系のものが知られており、例えばＳｉ：約１２原子％を含む組成のものが主流である。しかし、Ａｌ−Ｓｉ系は融点が５７０℃を超えて高く、本発明では使用できない。アルミニウム合金に適用可能な低融点のろう材としては、Ａｌ−Ｚｎ系のものが知られている。しかし、この系のろう材では、スパイク状のＳｉ濃化相を有するろう材溶融凝固層を形成することができない。
【００２７】
種々検討の結果、Ｃｕを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系で、共晶点付近の融点に（約５２４℃）に調整された組成のものを使用することが特に好ましい。具体的には、Ｃｕ：１３.４原子％、Ｓｉ：６原子％、残部Ａｌの組成に近いＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が挙げられる。この系のろう材中のＣｕは反応層に柔軟性を付与する効果を有すると考えられ、Ｓｉはろう材溶融凝固層中にスパイク状のＳｉ濃化相やロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相を形成させるために寄与する。
【００２８】
ろう付けの方法は、ろう付け温度を５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度範囲とすることを除き、従来一般的な方法に従えばよい。
【実施例】
【００２９】
アルミニウム合金として、ＪＩＳ Ｈ４０００の合金番号１０５０の板材（板厚１ｍｍ）を用意した。これを素材ＡＬと表示する。
溶融Ａｌめっきステンレス鋼として、ＳＵＳ４０９の鋼板に片面あたり約１５μｍ厚さの溶融Ａｌめっき層（Ｓｉ含有量：９質量％）を施した板材（板厚１ｍｍ）を用意した。これを素材ＡＬＳと表示する。
比較用鋼板として、上記と同じＳＵＳ４０９の、Ａｌめっきを施していない鋼板（めっき原板に相当するもの）を用意した。これを素材Ｓと表示する。
ろう材として、Ｃｕ：１３.４原子％、Ｓｉ：６原子％、残部Ａｌの組成をもつ融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材のワイヤーを用意した。
フラックスとして、Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のものを用意した。
【００３０】
素材ＡＬ、ＡＬ−ＳおよびＳの各板材から、それぞれ圧延方向が長手方向に一致するように２０×１０５×１（ｍｍ）の試料を切り出し、その一方の端部から１５ｍｍの位置で９０°折り曲げて接合面を形成した。
接合する素材の組み合わせ（試料１／試料２）はＡＬ／ＡＬ、ＡＬ／ＡＬＳ、ＡＬ／Ｓの３通りとし、ろう付け温度は５３０℃、５５０℃、５７０℃、６００℃の４水準とした。
【００３１】
図６に、ろう付けに供するときのセッティングを模式的に示す。鋼製治具の上に試料１と試料２を接合面で突き合わせて配置し、接合面どうしが離れないようにステンレス鋼製クリップ（図示せず）で挟み付けた。接合面の間には予めフラックスを塗布した。突き合わせた接合面の上部に、長さ１５ｍｍに切断したろう材ワイヤーを乗せた。この状態にセッティングされたものを、炉長２ｍｍ、５ゾーン構成の連続ろう付け炉（トンネル炉）の中に、移動速度２００ｍｍ／ｍｉｎで装入した。トンネル炉の中を通過する過程で材料の最高到達温度がろう付け温度になり、その後、徐々に降温するようにセットされている。雰囲気は窒素ガスである。
【００３２】
ろう付け後の試験片について、試料１と試料２を引張試験機のチャックで掴み、引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎで破断するまで引張試験を行った。試験数は３とした（ｎ１、ｎ２、ｎ３）。ろう付け接合部で破断したものを×（接合部の強度；不足）、アルミニウム合金試料（ＡＬ）の母材部で破断したものを○（接合部の強度；良好）と評価した。結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
【００３４】
表２からわかるように、ＡＬ／ＡＬ接合では全て接合部で破断した。これに対し、ろう付け温度５３０〜５７０℃とした本発明例のＡＬ／ＡＬＳ接合では、いずれもＡＬ母材部で破断した。すなわち、本発明のろう付け接合構造は、ＡＬ／ＡＬの場合のろう付け接合構造よりも接合強度が高いことが確認された。このことから、本発明の接合構造に特有の組織状態（例えばロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相の存在など）が接合部の強度を増大させているものと推察される。一方、Ａｌめっき層を形成していないステンレス鋼を使用したＡＬ／Ｓ接合のものでは、ろう付け温度が５７０℃以下の場合は引張試験前に破断した。すなわち、事実上、接合が不可能であった。
【００３５】
ろう付け温度が６００℃と高い場合は、ＡＬ／ＡＬＳ接合、ＡＬ／Ｓ接合とも反応層の厚さが１０μｍを超えて厚くなり、ろう付け接合部の接合強度は本発明例のものより低かった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１（ａ）】溶融Ａｌめっきステンレス鋼のＡｌめっき層の上に、融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付け温度５４０℃でろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図１（ｂ）】ろう付け温度が５６０℃の場合の、図１（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図１（ｃ）】ろう付け温度が６００℃の場合の、図１（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図２（ａ）】溶融Ａｌめっき層のないステンレス鋼の上に、融点５２４℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いて、アルミニウム合金をろう付け温度５４０℃でろう付けした場合の、ろう付け部断面の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図２（ｂ）】ろう付け温度が５６０℃の場合の、図２（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図２（ｃ）】ろう付け温度が６００℃の場合の、図２（ａ）と同様の金属組織写真（ＳＥＭ像）。
【図３（ａ）】ろう付け温度５４０℃でろう付けを行った本発明のろう付け接合構造の断面について、ＥＰＭＡにより元素分布の測定を行ったときのＳＥＭ像。
【図３（ｂ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＡｌの元素分布を示す写真。
【図３（ｃ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＣｕの元素分布を示す写真。
【図３（ｄ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＳｉの元素分布を示す写真。
【図３（ｅ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＣｒの元素分布を示す写真。
【図３（ｆ）】図３（ａ）に対応する視野におけるＦｅの元素分布を示す写真。
【図４】ろう付け温度５４０℃でろう付けを行った本発明のろう付け接合構造の断面について、ＥＤＸによる局所的な定量分析を行った箇所を記号で示したＳＥＭ像。
【図５】図４の観察視野の位置を模式的に示した図。
【図６】実施例において、ろう付けに供した際のセッティングを模式的に示した図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の平均厚さが１０μｍ以下であるろう付け接合構造。
【請求項２】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、Ｃｕ：２〜４原子％を含有するものである請求項１に記載のろう付け接合構造。
【請求項３】
ろう材溶融凝固層は、初晶Ａｌ相、ＣｕＡｌ2系合金相およびスパイク状のＳｉ濃化相を有する金属組織である請求項１または２に記載のろう付け接合構造。
【請求項４】
ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在する請求項３に記載のろう付け接合構造。
【請求項５】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が５５０℃未満のアルミニウム合金組成を有するろう材を用いて、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法。
【請求項６】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成を有するろう材を用いて、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法。
【請求項１】
ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け接合構造であって、ステンレス鋼側から順に、ステンレス鋼素地、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層、ろう材溶融凝固層、アルミニウム合金素地により構成され、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層の平均厚さが１０μｍ以下であるろう付け接合構造。
【請求項２】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系反応層は、Ｃｕ：２〜４原子％を含有するものである請求項１に記載のろう付け接合構造。
【請求項３】
ろう材溶融凝固層は、初晶Ａｌ相、ＣｕＡｌ2系合金相およびスパイク状のＳｉ濃化相を有する金属組織である請求項１または２に記載のろう付け接合構造。
【請求項４】
ろう材溶融凝固層には、さらにロッド状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金相が存在する請求項３に記載のろう付け接合構造。
【請求項５】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が５５０℃未満のアルミニウム合金組成を有するろう材を用いて、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法。
【請求項６】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有するステンレス鋼と、アルミニウム合金とを、融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成を有するろう材を用いて、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５７０℃以下の温度でろう付け接合する、ステンレス鋼とアルミニウム合金のろう付け方法。
【図５】
【図６】
【図１（ａ）】
【図１（ｂ）】
【図１（ｃ）】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図２（ｃ）】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図３（ｃ）】
【図３（ｄ）】
【図３（ｅ）】
【図３（ｆ）】
【図４】
【図６】
【図１（ａ）】
【図１（ｂ）】
【図１（ｃ）】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図２（ｃ）】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図３（ｃ）】
【図３（ｄ）】
【図３（ｅ）】
【図３（ｆ）】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１４８７７２（Ｐ２００９−１４８７７２Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２６７６２（Ｐ２００７−３２６７６２）
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
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