(57)【要約】 【課題】  酸素の非存在条件下のロウ付方法において、凹凸や曲面等を有する複雑な形状の部材の接合面においても良好に接合でき、かつ加熱炉内の汚染が軽減されるアルミニウム部材の接合方法を提供する。【解決手段】  アルミニウムまたはアルミニウム合金でなる複数の部材１、２を酸素の非存在条件下で接合するアルミニウム部材１、２の接合方法において、これら部材１、２の接合面の少なくとも一方５に、前記アルミニウム部材１、２と共晶を形成可能な粉末粒子４を供給し、接合面同士を密着させるように加圧保持しながらこの密着部位を共晶温度以上に加熱して接合面に共晶９を形成させることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムまたはアルミニウム合金でなる複数の部材を酸素の非存在条件下で接合するアルミニウム部材の接合方法において、これら部材の接合面の少なくとも一方に、前記アルミニウム部材と共晶を形成可能な粉末粒子を供給し、接合面同士を密着させるように加圧保持しながらこの密着部位を共晶温度以上に加熱して接合面に共晶を形成させることを特徴とするアルミニウム部材の接合方法。
【請求項２】
粉末粒子がシリコンまたはゲルマニウムである請求項１記載のアルミニウム部材の接合方法。
【請求項３】
粉末粒子の粒径が５〜1００μｍである請求項１記載のアルミニウム部材の接合方法。
【請求項４】
接合面同士を密着させる加圧が１ｇ／ｃｍ２以上である請求項１記載のアルミニウム部材の接合方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムまたはその合金でなる部材を、真空下あるいは非酸化性ガス下でロウ付して接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムまたはその合金の部材が接合されてなる製品は、例えばラジエータ等の自動車部品等様々な分野で用いられている。なお、本明細書においては、アルミニウム単独あるいはその合金でなる部材を合わせて「アルミニウム部材」という。
【０００３】
複数のアルミニウム部材を接合する手段としてロウ付が知られているが、その際にアルミニウム部材の表面に生じる酸化膜が妨げとなることが問題であった。この酸化膜を除去する方法としては、塩化物やフッ化物等のフラックスを用いる方法があるが、ロウ付後フラックスを除去する必要があり手間がかかると同時に、フラックスを含む廃液や蒸気を処理しなければならずこれら廃棄物処理の問題があった。また、接合部の形状によっては十分にフラックスを除去することが困難であった。
【０００４】
フラックスを使用しないロウ付法として例えば下記特許文献１に記載されるように真空ロウ付が行われている。真空ロウ付においては、アルミニウム等でなる芯材の両面あるいは片面に、例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ等の合金からなるロウ材を供えたブレージングシートが用いられる。アルミニウム部材の接合面の間にこれを挟み、真空条件下で加熱することによりロウ付けされる。真空ロウ付はマグネシウムの存在下において行われ、マグネシウムはその還元作用によってアルミニウム部材表面の酸化膜を破壊する作用を有する。
【０００５】
しかしながら、従来の真空ロウ付方法においては、ロウ材がブレージングシートとして接合面に供給されるため、凹凸や曲面等を有する複雑な形状の部材の接合面に対応することが困難であった。例えば図５に示すような複数の細い溝状凹部１３を有するアルミニウム部材１２と平板状のアルミニウム部材１１とを、前記溝状凹部１３の開口部周縁の接合面１５ａ、１５b、１５ｃにて接合するような場合には、接合面１５ａ、１５b、１５ｃ全てに渡って１枚のブレージングシートを置き、その上に平板状の部材１１を載せて加熱接合することが行われている。溝状凹部１３は接合後管状の空間となる部分である。これらアルミニウム部材１１、１２を、ブレージングシートを用いて接合した後の状態を図８に示す。この図から分かるように、この場合、ブレージングシート１７が撓んで残存する結果空隙１８が生じると、例えば冷却装置を作成した場合にはこの空隙１８による断熱がおこるため良好な製品が得られないという問題があり、また、溝状凹部１３の内部空間にブレージングシート１７が入り込むとこれを取り除くのが困難であるという問題があった。これを防ぐためにはブレージングシートを接合面形状に合わせて切り抜かなければならず、かなりの手間がかかるという問題があった。さらに、酸化膜を破壊するために用いる上記マグネシウムの蒸気によって加熱炉内が汚染され、加熱炉内の清掃を頻繁にしなければならないという問題があった。
【０００６】
真空ロウ付において複雑な形状の接合面に対応するものとして、下記特許文献２に記載されるようなアルミニウム合金粉末を含むロウペーストが提案されており、これに含有される前記アルミニウム合金粉末の溶融によってアルミニウム部材同士がロウ付される例が開示されている。
【特許文献１】特開平５−１０４２８６号公報
【特許文献２】特開平１０−１７５０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このペーストには、含有されるアルミニウム合金粉末が表面に強固な酸化膜が形成され易いものであることもあってマグネシウム成分が必須であり、加熱炉内の汚染の問題は依然として解決されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、真空下あるいは非酸化性ガス雰囲気下において、アルミニウムまたはアルミニウム合金でなる母材を接合する際に、粉末粒子を所定の圧力以上で圧接させかつ加熱し、母材、すなわちアルミニウム部材とこれら粒子とで共晶を形成させて接合させることで上記課題が達成されることを見出し本発明に至った。
【０００９】
すなわち本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金でなる複数の部材を酸素の非存在条件下で接合するアルミニウム部材の接合方法において、これら部材の接合面の少なくとも一方に、前記アルミニウム部材と共晶を形成可能な粉末粒子を供給し、接合面同士を密着させるように加圧保持しながらこの密着部位を共晶温度以上に加熱して接合面に共晶を形成させることを特徴とする。
本発明における「酸素の非存在条件下」とは、通常の真空ロウ付で設定される程度の真空下、好ましくは１×１０−４ｔｏｒｒ以下の真空下であること、または酸素濃度が低く、好ましくは酸素濃度が１０ｐｐｍ以下であり、窒素、水素、ヘリウム、アルゴン等の非酸化性ガスの雰囲気下であることを示す。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアルミニウム部材の接合方法によれば、マグネシウムを用いずに酸化膜を破壊し、部材の接合部位にアルミニウム部材と粉末粒子との共晶を形成させることができるためアルミニウム部材同士を確実に強固に接合することができる。また、マグネシウムを用いないため加熱炉内の汚染を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明において、接合される部材はアルミニウム単独あるいはアルミニウムを含む合金で形成されるものである。このような合金としては、アルミニウムとマンガン、シリコン、マグネシウム等が含まれてなる合金が挙げられる。より具体的には、アルミニウム合金としては、ＪＩＳ  Ａ１０５０、Ａ３００３、Ａ３００５、Ａ５００５、Ａ６０６３、Ａ６０６１等が挙げられる。
【００１２】
アルミニウム部材同士の接合に用いられる粉末粒子は、アルミニウム部材と共晶を形成可能な粉末粒子である。このような粉末粒子としては、シリコン粉末またはゲルマニウム粉末が使用できる。これらはそれぞれ単体で用いることができ、他の金属を含んだ合金を調製せずとも使用できるため、効率的かつ安価に接合することができ好ましく用いられる。
【００１３】
粉末粒子の粒径は５〜1００μｍ程度であることが好ましく、１０〜５０μｍであることが特に好ましい。粒子の調製工程において５μｍ未満の粒子が若干生じた場合はこれが多少混在していてもよいが、５μｍ未満の粒子のみであると、酸化膜を破る為の加圧を強くしなければならない可能性があり、また、粉末が飛散しやすくなるため取扱いにくくなる。一方、粒径が大き過ぎると共晶反応を終えるまでに時間がかかり、また、粉末粒子層の厚みを調整しにくくなる。粉末粒子の形状は特に限定されないが、接合面上の酸化膜と点で接することが可能な形状が好ましく、例えば、複数の角部や突起を有する形状、球状などが挙げられる。
【００１４】
粉末粒子の粒径の調整方法は特に限定されず、所望の粒径となるよう適宜公知の方法を用いることができる。例えば、シリコンやゲルマニウムを用いた場合、これらは比較的脆いためその小片をペンチ等で挟んで砕き粉末化することができ、さらに乳鉢等を用いて細かく粉砕することもできる。その他、アトマイズ法等も使用可能である。
【００１５】
粉末粒子の接合面への供給方法としては、粉末粒子をそのままスプレー等を用いて散布し接合面上に積層する方法、粉末粒子をバインダーと混合して懸濁液を調製し、接合面に刷毛等によって塗布する方法、またスクリーン印刷する方法等が挙げられる。
【００１６】
バインダーとしてはアルミニウムと粉末粒子との共晶温度未満の沸点を有する液体が好ましく、また、粉末粒子を液中に均一に懸濁でき、接合面への濡れ性に優れ、かつ接合のため加圧した時に粉末粒子が接合面に直接接することを妨げないものが好ましい。さらに、アルミニウムを酸化させる作用のない液体であることが好ましい。このようなバインダーとしては、粘性のある有機溶媒を含む液体あるいは有機溶媒そのものが挙げられる。有機溶媒としては例えばイソプロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール類等が挙げられ、これらは単独で用いても適宜混合して用いてもよく、また、他の粘性のない有機溶媒と混合し適宜希釈して用いてもよい。粉末粒子に対するバインダーの混合量は、接合面への濡れ性を考慮して適宜選択すればよい。
【００１７】
粉末粒子の層の厚さは５〜５００μｍであることが好ましく、特に好ましくは１０〜１００μｍである。層が薄過ぎるとロウ材が不足して十分に接合されない恐れがあり、また、厚過ぎると共晶反応を終えるのに長時間を要する。粉末粒子の層は、接合される複数のアルミニウム部材の片方あるいは双方の接合面に形成する。
【００１８】
接合面同士を密着させて加圧保持する時の圧力は、アルミニウム部材表面の酸化膜が粉末粒子の圧接によって破壊される以上の圧力で行い、好ましくは１ｇ／ｃｍ２以上であり、その上限はアルミニウム部材が実質的に塑性変形を起こさない圧力、すなわち接合されて得られたアルミニウム製品を使用する場合に影響を与えない程度の塑性変形を起こさない圧力である。加圧は、真空加熱炉に挿入する際にアルミニウム部材の接合面同士を密着固定するのと同時に行うことができる。このアルミニウム部材同士の固定は、アルミニウム部材同士が動かず接合面同士が密着するように通常使用される固定冶具を用いて行ってもよい。
【００１９】
加熱温度は、アルミニウム部材と粉末粒子とが共晶融液を形成し、冷却後これらの接合部位に共晶が形成される温度、すなわち共晶温度以上であり、かつアルニウム部材が変形しない温度未満で行う。例えば、シリコンの単独粒子を使用する場合は５７７℃程度以上、ゲルマニウムの単独粒子を使用する場合は４２４℃程度以上であればよい。確実かつ反応速度を速めて効率的に共晶溶液を形成するためには、共晶温度より１０℃程度以上高い温度で加熱することが好ましい。加熱は物温度がこの温度に達するように行う。共晶温度未満では、多少の固相拡散は起きても共晶は形成されず、強固に接合することができない。なお、共晶溶液が生じたことは接合部にフィレットが形成されたことで視覚的に容易に確認することができる。
【００２０】
次に、図１〜３を参照して本発明の実施の形態について説明する。例えば、図１に示すような直方体のアルミニウム部材１を溝状の凹部３を有するアルミニウム部材２の前記凹部３内に嵌め合わせ接合する場合には、まず、アルミニウム部材２の接合面５である凹部３の内面に粉末粒子４を供給し、粉末粒子層を形成する。
【００２１】
次いで粉末粒子層の上にアルミニウム部材１を載置し、固定冶具等でこれらアルミニウム部材１、２を挟んで加圧・固定した後、真空加熱炉内、あるいは上記非酸化性ガス雰囲気下の加熱炉にて、上記共晶温度以上に加熱する。
【００２２】
本発明に使用される粉末粒子の作用については、以下のようなことが推測される。アルミニウム部材１、２の接合面付近を一部拡大した図３を参照して説明する。図３（ａ）に示すように、アルミニウム部材１、２の接合面にはそれぞれ薄い酸化膜７、８（簡易化して一様な層状に表す）が存在する。これら接合面の間に介在する粉末粒子４は前記酸化膜７、８と直接接しており、加圧によって粉末粒子４が押しつけられることにより図３（ｂ）に示されるように酸化膜７、８の一部が破壊される。この破壊によって露出したアルミニウム部材１、２の表面と粉末粒子４が接触し、共晶温度に加熱されることによりこの接触部分から共晶が形成され溶融が始まる。このようにアルミニウム部材と１、２と粉末粒子４とが接触し、共晶温度以上で加熱されることにより共晶溶液が生じ、この共晶溶液に酸化膜７、８の残片は取りこまれ、さらに共晶溶液は粉末粒子４の間隙を毛管現象によって接合面上を次々と広がり、ついには図３（ｃ）に示されるように全て共晶化する。この共晶９により、アルミニウム部材１、２が強固に接合される。
【００２３】
本発明においては、上述のようにアルミニウム部材１、２表面の酸化膜７、８は粉末粒子４の圧接によって破壊されるため、マグネシウムの非存在下でもこれらが接触することができ、さらに共晶温度に加熱されることで粉末粒子４とアルミニウム部材１、２とで確実に共晶が形成されるので、強固に接合されると考えられる。
【実施例１】
【００２４】
以下、図を参照しながら本発明の実施例について説明する。実施例１においては図１に示すように、ＪＩＳ  Ａ１０５０からなる直方体のアルミニウム部材１と凹部３を有するアルミニウム部材２とを、粉末粒子４としてシリコン単独粒子を用いて接合させた。シリコン粒子は小片をペンチで砕いた後乳鉢でさらに細かく粉砕し、粒径１０〜１００μｍに調整して用いた。なお、アルミニウム部材１の幅ｗ１は、アルミニウム部材２の凹部３の幅ｗ２より０．３ｍｍ程度狭く形成されている。
【００２５】
粉末粒子４をアルミニウム部材２の凹部３の底面に、１００μｍの厚さに散布した。本実施例では後に加熱した際に粉末粒子４が溶融してその液がアルミニウム部材１、２の接合面同士の間隙全体に行き渡るので散布は底面のみに行った。アルミニウム部材１を凹部３に嵌め合わせ、アルミニウム部材１の底面６および底面６の長辺に連続する両側面を含むアルミニウム部材１の接合面が、アルミニウム部材２の接合面５と相対するように固定冶具を用いて保持固定すると同時に約１００ｇ／ｃｍ２で加圧した状態で、これらを真空加熱炉（図示せず）内に挿入した。真空加熱炉内を減圧し、１×１０−４ｔｏｒｒに到達した後予備加熱を行ってアルミニウム部材１、２および粉末粒子４の全体の温度を共晶温度（５７７℃）直前の温度に平均化し、次いで本加熱を行った。本加熱は５９５℃で６０分真空加熱炉内を保持することで行った。本加熱終了後、室温まで冷却し、接合加工物を真空加熱炉から取り出した。図４に示すように、アルミニウム部材１とアルミニウム部材２との隙間には前記粉末粒子４が溶融して充填され、フィレット９ａが形成された。このフィレット９ａを目視確認することで共晶９が形成され、アルミニウム部材１、２同士が接合されたことを外観からも確認することができた。
【実施例２】
【００２６】
実施例２においては、実施例１と同素材の合金からなり、図５、図６に示すように複数の細かな溝状凹部１３を有するアルミニウム部材１２と平板状のアルミニウム部材１１とを接合した。粉末粒子１４としては上記実施例１と同様にシリコン粒子を用い、バインダーを用いて懸濁液を調製し、前記溝状凹部１３の開口部周縁の接合面１５ａ、１５b、１５ｃに塗布した。接合面１５ａ、１５b、１５ｃ上にアルミニウム部材１１を置いた後（アルミニウム部材１１の接合面は、その底面１６において上記接合面１５ａ、１５b、１５ｃに相対する部分である）、実施例１と同様に固定冶具を用いてこれらアルミニウム部材１１、１２を固定・加圧し、真空加熱炉内にて、図７に示すように、共晶１９を形成させ接合させた。
【００２７】
試験例：接合物の破断強度試験
直径２０ｍｍのＪＩＳ  Ａ１０５０製の丸棒２本を用意し、片方の丸棒の底面に上記実施例２で使用したのと同様のシリコン粉末懸濁液を塗布し、粉末粒子層を形成した。もう片方の丸棒の底面をその上に合わせ、固定冶具で接合部位を固定・加圧した後、実施例１と同様にして真空加熱炉で加熱し接合させた。得られた接合物の側面を切削し、ＪＩＳ４号試験片を作成し、テンシロン型万能材料試験機を用いて引張強度を測定した。その結果破断強度が７３Ｎ／ｍｍ２であり、十分な強度を示した。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１に用いられたアルミニウム部材の斜視図である。
【図２】実施例１においてアルミニウム部材の接合面に粉末粒子が供給された状態を示す側面図である。
【図３】アルミニウム部材同士が接合される過程の説明図である。
【図４】実施例１においてアルミニウム部材が接合された状態を示す側面図である。
【図５】実施例２に用いられたアルミニウム部材の斜視図である。
【図６】実施例２においてアルミニウム部材の接合面に粉末粒子が供給された状態を示す側面図である。
【図７】実施例２においてアルミニウム部材が接合された様子を示す側面図である。
【図８】アルミニウム部材がブレージングシートを用いた従来の方法によって接合された状態を示す側面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１、２、１１、１２  アルミニウム部材
４、１４  粉末粒子
５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  接合面
９、１９  共晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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