(57)【要約】【課題】ろう材粉末塗布法であっても、成形加工によるろう材層の剥離が生じないアルミニウム合金複合材を提供する。【解決手段】アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材１１と、基材１１上に形成されたろう材層１２と、を備える複合材である。ろう材層１２は、基材１１上に塗布されたＡｌ−Ｓｉ合金粉末を溶融、凝固して形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材と、
前記基材上に形成されたろう材層と、を備え、
前記ろう材層は、前記基材上に塗布されたＡｌ−Ｓｉ合金粉末を溶融、凝固して形成されたことを特徴とする複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材とろう材層とを備えた複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでラジエータやヒーターコア等の自動車用熱交換器に用いられるチューブ材は、一方の面にＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材、他方の面にＪＩＳ  ７０７２等のアルミニウム合金からなる犠牲陽極皮材をクラッドしたブレージングシートが使用されており、ベアフィン材と組合されてろう付されている。また、コンデンサ等のカーエアコン用材料には押出多穴管と、両面にろう材をクラッドしたいわゆるクラッドフィン材が組み合わされてろう付されている。ろう付法には真空ろう付と、ろう付前にフラックスを塗布し、Ｎ２ガス等の不活性雰囲気中で行うろう付がある。
【０００３】
ここで使用されるクラッド材は、鋳造された芯材合金及び皮材合金のスラブを面削によって所定の厚みとし、芯材と皮材を組付けた状態で熱間圧延して帯状体のクラッド材を得、さらに、冷間圧延を経て所望の厚みとしている。
また、最近ではこのようなクラッド材を使用しないでろう付する技術が開発されてきており、特許文献１にはアルミニウム、銅、黄銅、鋼などの基材の表面にＳｉ、Ｃｕ、Ｇｅのいずれかからなる金属粒子とフラックスとからなる組成物を塗布し、加熱してろう付する方法（粉末ろう付け）が開示されている。この技術はカーエアコンのコンデンサ等に応用され、押出多穴管に塗布したろう材組成物と、ベアフィンとを組み合わせた熱交換器が実用化されている。
【０００４】
特許文献１に開示されている粉末ろう付は以下の過程で進行する。
（１）ろう付熱処理の昇温過程においてフラックスが活性化する。
（２）活性化したフラックスが基材表面とろう材粉末（例えばＳｉ粉末）表面の双方の酸化皮膜を破壊する。
（３）基材とろう材粉末それぞれの金属が接触することにより固相拡散が進行し、Ａｌ−Ｓｉ合金共晶組成となった部分から溶解し、ろう材層を形成する。
【０００５】
また、ろう材中にＭｇを０．５〜２．０％程度添加し、真空中でろう付加熱する接合方法もある。これは、ろう材中のＭｇが雰囲気中の酸素と結合し、酸素濃度を下げるゲッター作用を利用したもので、酸素濃度が低いことにより、加熱による材料表面上の酸化皮膜成長が抑えられる。そうすることにより、ろう材と基材との接合に有害なバリアー膜（酸化皮膜）の成長を妨げるので、溶融したろう材が容易に酸化膜を破り、ろう材と基材材料との接合が可能となる。
【０００６】
【特許文献１】特許第２６４８０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した熱間圧延、冷間圧延を経る従来のクラッド材製作工程では、単一合金によるベア材製作時と比べて、皮材面削による材料損失や、熱間圧延時の歩留まり低下分等によりコストが増加する。また、複数段の圧延を経ることにより材料の幅方向でクラッド率がばらつく傾向もあり、品質管理に手間がかかる。なお、クラッド率とは、クラッド材全体の垂直断面厚みに対する、各構成層（ろう材、芯材、犠牲材等）の厚みを百分率で称したものとして定義される。
一方、特許文献１で示されるろう材粉末塗布法については、従来のクラッド材製作工程に比べて、熱間圧延時の歩留まり低下が無く、また、適切な塗布方法を選択すれば、クラッド材のクラッド率に相当する塗布量が板幅方向でばらつく要素を容易に排除できるメリットがある。しかし、粉末を塗布しただけでは、基材が成形加工されたときにろう材粉末からなる塗布層（ろう材層）が剥離してしまい、剥離した部分でろう付不良や耐食性劣化の問題が生じてしまう。これに対し、例えば特許文献２では、樹脂バインダを用いてろう材層を基材に固定することにより、基材の成形加工時にろう材層の剥離を低減しようとしている。ところが、樹脂バインダによる固定では、当然ではあるが、金属的な結合の強度には及ばず、成形加工によるろう材層の耐剥離性は必ずしも十分ではない。
本発明は、以上のような問題に基づいてなされたもので、ろう材粉末塗布法であっても成形加工によるろう材層の剥離が生じないアルミニウム合金複合材を提供することを目的とする。
【０００８】
【特許文献２】特開２００５−２８４００号公報
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的のもと、本発明の複合材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材と、基材上に形成されたろう材層と、を備え、ろう材層は、基材上に塗布されたＡｌ−Ｓｉ合金粉末を溶融、凝固して形成されたことを特徴とする。
本発明の複合材は、ろう材が基材上に塗布されたＡｌ−Ｓｉ合金粉末を溶融、凝固して形成されているので、ろう材層が基材に金属結合され、そのためにろう材層は強固に基材に固着される。したがって、樹脂バインダを使用した特許文献２で懸念される剥離のおそれがなく、また、適切な塗布方法により厚さの均一なろう材層が得られる。さらに、従来のクラッド材工程では、ろう材として使用される過共晶Ｓｉのアルミニウム合金は一般に基材（芯材）に使用されるＡｌ−Ｍｎ系合金（３０００系合金）よりも機械的強度が高く、クラッド圧延工程で基材とろう材層との間で均等な圧延率が得られにくいために、クラッド材を作製すること自体が難しいとされる。しかし、本発明によれば、粉末の塗布と溶融・凝固により、過共晶Ｓｉのアルミニウム合金からなるろう材層を備えた複合材を容易に製作できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ろう材粉末塗布法であっても成形加工によるろう材層の剥離が生じないアルミニウム合金複合材が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本実施の形態における複合材１０の断面を模式的に示す図である。
複合材１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる基材１１と、基材１１上に形成されるろう材層１２と、基材１１とろう材層１２との間に介在される金属結合層１３とから構成される。なお、図１ではろう材層１２は、基材１１の一方の面の全面に形成された例を示しているが、本発明は他方の面にもろう材層１２を設けることもできるし、基材１１の一方又は双方の面の一部にろう材層１２を設けることもできる。
【００１２】
＜基材１１＞
基材１１は、公知のアルミニウム又はアルミニウム合金を広く適用できる。つまり、純アルミニウム(１０００系合金)、Ａｌ−Ｃｕ系合金(２０００系合金)、Ａｌ−Ｍｎ系合金(３０００系合金)、Ａｌ−Ｍｇ系合金(５０００系合金)、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金(６０００系合金)、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金(７０００系合金)のいずれをも基材１１に用いることができる。複合材１０を自動車用熱交換器のチューブに用いることを考慮すると、ＪＩＳ  １０５０合金に代表される１０００系合金やＪＩＳ  ３００３合金に代表される３０００系合金が基材１１にとって好ましい。
基材１１の形状、寸法も本発明で限定される要素ではなく、いかなる形状、寸法についても本発明を適用できる。複合材１０を自動車用熱交換器のチューブに用いることを考慮すると、厚さ０．１〜
１．０ｍｍの板材を基材１１とすることが好ましい。また、ヘッダープレートやサイドサポートに用いる場合には、０．５〜２．０ｍｍ程度が好ましい。また、フィン材に用いる場合には、０．０５〜０．２ｍｍ程度が望ましい。
【００１３】
＜ろう材層１２＞
ろう材層１２は、基材１１上に塗布されたＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を溶融、凝固することにより形成される。したがって、ろう材層１２は、Ａｌ−Ｓｉ合金から構成される。
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末は、従来のクラッド材の皮材として使用される合金を粉末の形態として用いることができる。具体的には、Ｓｉ：１．６〜９９質量％、残部が不可避不純物及びＡｌからなる組成を有するアルミニウム合金を本発明に適用できる。但し、ろう付温度での液相量や、実用的な粉末製造工程を考慮すれば、５〜５０質量％程度が望ましい。
このアルミニウム合金には、ろう付性や耐食性の改良、または材料強度の向上を目的として、Ｚｎ：０．１〜５．０％、Ｆｅ：０．１〜１．２％、Ｃｕ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：０．０１〜０．４％、Ｔｉ：０．０１〜０．２５％、Ｂｉ：０．０１〜０．２％、Ｂｅ：１〜１０ｐｐｍ、Ｚｒ：０．０１〜０．２％、Ｖ：０．０１〜０．１５％、Ｎｉ：０．０１〜１．５％、Ｉｎ：０．０１〜０．０５％、Ｃｏ：０．０１〜０．１５％及びＳｃ：０．０１〜０．５％の１種または２種を以上加えても本発明の効果及びろう材としての効果を阻害することがない。また、本発明の効果及びろう材としての効果を阻害しない限り、上記元素以外の元素をろう材層１２が含むことを許容する。
【００１４】
本発明におけるＡｌ−Ｓｉ系合金粉末の塗布量は任意であるが、１〜１５０ｇ／ｍ２の範囲で選択することが好ましい。１ｇ／ｍ２未満では十分な厚さのろう材層１２を形成することが容易でなく、また、１５０ｇ／ｍ２を超えると、ろう付時のろう流動による収縮量が大きく、製品の形状不良を招く恐れがある。好ましいＡｌ−Ｓｉ系合金粉末の塗布量は２〜７５ｇ／ｍ２である。
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末の粒径も、本発明において任意である。一つの指標として、ろう材層１２の目標厚さ、さらに均一に塗布できるか否かを考慮し、適切な粒径を選択すべきである。複合材１０を自動車用熱交換器のチューブに用いることを考慮すると、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末の粒径は０．１〜７５μｍとすることが好ましく、０．１〜３０μｍとすることがより好ましい。
【００１５】
本発明において、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を基材１１上に塗布する方法は任意であり、静電塗布法、粉体スプレー塗布法等、基材１１上に粉末を塗布させられる方法であれば何れの方法でも選択が可能である。溶媒を用いた湿式塗装も選択できるが、溶媒使用によるコストアップを考えれば、溶媒を用いない乾式法による塗布が好適である。
【００１６】
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末が塗布された基材１１を加熱してＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を溶融、凝固させると、基材１１上にろう材層１２が形成される。加熱の際にＡｌ−Ｓｉ系合金粉末の飛散を防ぐために、遠赤外線加熱装置、誘導加熱装置、または低風速の熱風炉を使用して加熱するのが適当である。
加熱は、大気中でも十分実施可能であるが、塗布量が多い場合等で、加熱中の基材や粉末の酸化膜成長により、基材と粉末の結合が十分に得られない場合には、不活性ガス等の非酸化性雰囲気を用いることも可能である。
加熱温度は、Ａｌ−Ｓｉ系合金の融点以上であることが要件となる。ただし、この加熱により基材１１が溶融することは避けたいので、基材１１の融点未満の温度で加熱する必要がある。具体的な温度は、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末の組成、基材１１の組成によって定められるべきであるが、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末がＳｉ：５〜５０％、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、基材１１がＪＩＳ  ３００３合金の場合には、加熱温度は好ましくは５７７〜６４０℃、より好ましくは５８０〜６２０℃の範囲から選択される。
加熱時間は、加熱方法及び温度によっても左右されるが、全てのＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を溶融させるために、融点以上の温度に達してから好ましくは１秒〜１０分、より好ましくは１０秒〜５分保持する。
本発明によれば、従来は圧延事情によりクラッド材製作が困難な基材１１の合金とろう材層１２の合金の組み合わせが存在するが、そのような合金の組み合わせであっても、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を溶融、凝固させることによりろう材層１２を有する複合材１０を容易に形成できる。
【００１７】
＜金属結合層１３＞
基材１１とろう材層１２との間に介在する金属結合層１３は、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を溶融、凝固させてろう材層１２を形成する過程で生成される。金属結合層１３は、基材１１とろう材層１２との間で生じた金属結合組織を有する。熱間圧延、冷間圧延による従来のクラッド材にも、芯材（基材１１に相当）と皮材（ろう材層１２に相当）との間に金属結合組織を有する結合層が存在するが、本発明による金属結合層１３は、従来のクラッド材は熱間圧延時に生成される固相拡散による層であるのに対して、合金溶融層である点で相違する。なお、図３（ａ）に本発明による複合材１０の断面組織写真を、また図３（ｂ）に従来のクラッド材の断面組織写真を示しておくが、両者の差異は明確である。
【００１８】
従来の自動車用熱交換器部材に用いられるクラッド材は、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ合金が使われており、複合材１０はこの従来のクラッド材と同様に、そのままＯ調質材として、または、適当な条件の冷間圧延、焼鈍を経て、所望の厚みや調質された複合材として使用できる。
自動車熱交換器用部材としては、ろう材層１２が形成される面の裏側の面に犠牲防食層を設ける。この犠牲防食層は、Ｓｉを含まないＡｌ−Ｚｎ系合金をクラッドして形成する場合がある。複合材１０にこの犠牲防食層を適用できる。その場合には、ろう材層１２が形成される面の裏側の面に、Ｚｎ粉末、または、ＫＺｎＦ３を主成分とする粉末、或は、その混合物とからなる組成物粉末を塗布した後に、適宜な温度で組成物粉末を溶融、凝固させればよい。他の方法としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を塗布する前に、基材１１の片面に、Ａｌ−Ｚｎ合金板を熱間圧延、冷間圧延によりクラッドすることができる。
犠牲防食層が、ろう材層１２を兼ねる場合には、Ａｌ−Ｓｉ系合金をベースとして、これにＺｎを添加した合金の粉末を作製し、これを基材１１の片面又は両面に溶融、凝固させればよい。
【実施例１】
【００１９】
基材１１として厚さ１．２ｍｍのＪＩＳ  ３００３−Ｏ材からなるアルミニウム合金板を用意し、この基材１１の片面に表１に示すＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を、表１に示す量だけ塗布した。塗布は静電塗布によって行った。
Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を塗布した後に、５８０℃で３０秒保持してＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を溶融させ、しかる後室温まで冷却して凝固させてろう材層１２を形成した。溶融、凝固は以下の手順とした。すなわち、加熱は窒素雰囲気中で誘導加熱により行い、所定時間保持後、大気中で室温まで空冷した。なお、比較例として樹脂バインダでＡｌ−Ｓｉ系合金粉末を基材の片面に固定した複合材を作製した。
【００２０】
上記で作製した複合材を用いて、ラジエータのヘッダープレートの形状にプレス成形加工を実施して、最終工程後（ピアス工程後）にろう材層の剥離状況を目視にて観察して評価した。プレス成形加工は、図２に示すように、ドロー → トリム → 曲げ → ピアスの計４工程からなる。結果を表１に示す。なお、評価基準は以下のとおりである。
評価基準：  ○；剥離なし    △；若干剥離あり    ×；剥離大
また、成形加工後、チューブと組み合わせてろう付処理を行い、以下の基準でろう付性を判定した。
なお、ろう付熱処理については、窒素ガス雰囲気中において６０５℃の温度で３分間保持した後、１００℃／分の冷却速度で室温（２５℃）まで冷却して行った。結果を表１に示す。
○：接合部の残存数／接合部の全数の割合が１００％であった。
×：接合部の残存数／接合部の全数の割合が１００％未満であった。
【００２１】
【表１】
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【実施例２】
【００２２】
基材１１として厚さ１．２ｍｍのＪＩＳ  １１００−Ｏ材からなるアルミニウム合金板を用意した以外は、実施例１と同様にして評価した。結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による複合材の断面構造を模式的な示す図である。
【図２】実施例で行ったプレス加工の工程を説明する図である。
【図３】（ａ）は本発明による複合材の断面組織写真を示し、また（ｂ）は従来のクラッド材の断面組織写真を示す。
【符号の説明】
【００２５】
１０…複合材、１１…基材、１２…ろう材層、１３…金属結合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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