(57)【要約】【課題】ロウ材組成層の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ、製造コストを安価にして、ロウ材組成層の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性等の加工性をより改善し得るクラッド材及びその製造方法を提供する。【解決手段】リン銅合金粉末を母材１に圧着してロウ材組成層１１を形成し、該ロウ材組成層１１が形成されたクラッド材８を、少なくともリン銅合金の固相線温度以上で且つ液相線温度より低い温度に所要時間加熱することにより、重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に重量割合で２％以下のリン成分を含む銅（α相）が点在するように分散するロウ材組成層１１を形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２種類以上の金属相から構成されたロウ材組成層が、金属材にコーティングされたことを特徴とするクラッド材。
【請求項２】
前記請求項１記載のロウ材組成層を構成する少なくとも２種類以上の金属相の内、少なくとも１種類の金属相は、他の金属相内に分散しているロウ材組成層であり、該ロウ材組成層が金属材にコーティングされたクラッド材。
【請求項３】
前記請求項２記載のロウ材組成層を構成する少なくとも２種類以上の金属相の内、分散している金属層は重量割合で２％以下のリン成分を含む銅であり、他の金属相は重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金であるクラッド材。
【請求項４】
リン銅合金粉末を金属材に圧着してロウ材組成層を形成し、該ロウ材組成層が形成されたクラッド材を、少なくともリン銅合金の固相線温度以上で且つ液相線温度より低い温度に所要時間加熱することにより、重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金中に重量割合で２％以下のリン成分を含む銅が分散するロウ材組成層を形成したことを特徴とするクラッド材の製造方法。
【請求項５】
非酸化性雰囲気下で、前記リン銅合金の固相線温度以上で且つ液相線温度より低い温度に２０秒以上保持する請求項４記載のクラッド材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラッド材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属の接合方法としてロウ材を用いるロウ付け法がある。該ロウ材としては、例えば、リン銅ロウやニッケルロウ等、接合する金属の種類によりロウ材の種類も様々である。
【０００３】
前記リン銅ロウは、一般に、銅に重量割合で４〜９％のリンを添加して融点を下げた銅及び銅合金専用のロウ材であるが、そのうちＪＩＳ規格Ｚ３２６４でＢＣｕＰ−２と称されるリン銅ロウは、銅に６．８〜７．５％のリンを添加した合金であって、ガス器具、冷凍機、その他銅製品のロウ付けに広く用いられている。
【０００４】
前記ＪＩＳ規格でＢＣｕＰ−２と称されるリン銅ロウの場合、室温では延性のない金属であるため、加工性が悪く、圧延してシート状に成形することは困難となっており、通常、線材や棒材或いは粉末として市販されている。
【０００５】
しかしながら、例えば、プレート式熱交換器のフィンのように、金属板を波板にプレス成形し、山と谷の部分を互いにロウ付けするような場合、線材や粉末状のリン銅ロウを金属板の接合部にロウ材が行き渡るようセッティングする工程が必要であり、手間がかかって生産性を上げにくいという問題を有していた。
【０００６】
このため、母材である金属板の表面にロウ材組成層を形成したクラッド材を製造し、該クラッド材を前述の如きプレート式熱交換器のロウ付けされるフィン素材として用いることができれば、ロウ材のセッティング工程を省略することができ、全生産工程の連続化、自動化も可能となるため、生産性を向上させ、コストダウンにつながると期待できる。
【０００７】
図７は一般的な圧延法によるクラッド材の製造装置を示す概略図である。該製造装置は、金属板からなる母材１が巻き取られた母材コイル２を巻き戻す母材巻戻機３と、異なる種類の金属板からなる異種材４が巻き取られた異種材コイル５を巻き戻す異種材用の巻戻機６と、前記母材１及び異種材４を重ね合わせて圧延するクラッド成形用の圧延機７と、該圧延機７で圧延されたクラッド材８´をクラッド材コイル９として巻き取るクラッド材巻取機１０とを備えてなる構成を有している。
【０００８】
図７に示されるクラッド材の製造装置においては、母材巻戻機３によって母材コイル２から母材１が巻き戻されると共に、異種材用の巻戻機６によって異種材コイル５から異種材４が巻き戻され、前記母材１及び異種材４が重ね合わされてクラッド成形用の圧延機７によって圧延され、該クラッド成形用の圧延機７で圧延されたクラッド材８´がクラッド材巻取機１０によってクラッド材コイル９として巻き取られるようになっている。
【０００９】
前記クラッド成形用の圧延機７で圧延されたクラッド材８´の断面は、図８に示される如く、母材１の表面に異種材４が圧接されて、ロウ材組成層１１´が形成されるようになる。
【００１０】
ところで、前記母材１としてはさまざまな種類の金属が用いられるが、その中で、例えば、母材１として銅板を用い、異種材４として、圧延しても割れないように、リン含有量の重量割合をリン銅ロウ材ＢＣｕＰ−１のＪＩＳ規格である４．５％より更に低く（３％程度）したＪＩＳ規格外のリンの含有量にしてシート状に成形したリン銅合金からなる金属を採用したクラッド材８´を製造することが提案されている。
【００１１】
尚、前述の如きクラッド材と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１１４１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前述の如く、異種材４として、リンの含有量を重量割合でおよそ３％程度まで低くしてシート状に成形したリン銅合金を用いるのでは、リンの含有量を低下させた分だけ、できあがったクラッド材８´におけるロウ材組成層１１´の液相線温度が高くなり、これに伴ってロウ付け温度がＪＩＳ規格品の温度より高くなると、母材１強度を低下させたり、熱変形を発生させたりするという欠点を有していた。
【００１４】
又、前記ロウ材組成層１１´の厚さｔ´は、シート状の異種材４自体を圧延で製造する関係上、１００μｍ以下にするためには、圧延を繰り返して行う必要がある。しかし、圧延を繰り返すことは製造コストの増加につながり商用的には好ましくない。一方、製造コストを抑えるために、圧延の繰り返し回数を減らしロウ材組成層１１´の厚さを１００μｍ程度に止めると、ロウ材組成層１１´が厚いために、実際のロウ付け時にロウ材が垂れる虞がある一方、クラッド材８´をプレス成形した場合、該ロウ材組成層１１´にひび割れが生じたりする虞もあった。
【００１５】
このため、本発明者等は、前述の如き不具合を解消できるクラッド材の製造方法及びクラッド材を開発し、既に出願（特開２００８−４９３７１号公報参照）しているが、更なる改善が望まれていた。
【００１６】
本発明は、斯かる実情に鑑み、ロウ材組成層の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ、製造コストを安価にして、ロウ材組成層の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性等の加工性をより改善し得るクラッド材及びその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、少なくとも２種類以上の金属相から構成されたロウ材組成層が、金属材にコーティングされたことを特徴とするクラッド材にかかるものである。
【００１８】
前記クラッド材においては、前記ロウ材組成層を構成する少なくとも２種類以上の金属相の内、少なくとも１種類の金属相は、他の金属相内に分散しているロウ材組成層であり、該ロウ材組成層が金属材にコーティングされたクラッド材とすることができる。
【００１９】
前記クラッド材においては、前記ロウ材組成層を構成する少なくとも２種類以上の金属相の内、分散している金属層は重量割合で２％以下のリン成分を含む銅であり、他の金属相は重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金であるクラッド材とすることができる。
【００２０】
又、本発明は、リン銅合金粉末を金属材に圧着してロウ材組成層を形成し、該ロウ材組成層が形成されたクラッド材を、少なくともリン銅合金の固相線温度以上で且つ液相線温度より低い温度に所要時間加熱することにより、重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金中に重量割合で２％以下のリン成分を含む銅が分散するロウ材組成層を形成したことを特徴とするクラッド材の製造方法にかかるものである。
【００２１】
前記クラッド材の製造方法においては、非酸化性雰囲気下で、前記リン銅合金の固相線温度以上で且つ液相線温度より低い温度に２０秒以上保持することが有効となる。尚、非酸化性雰囲気とは、例えば、窒素ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気や、一酸化炭素を含むＤＸガス雰囲気等の還元性雰囲気、アルゴンガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気、又は真空雰囲気等が挙げられる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のクラッド材及びその製造方法によれば、ロウ材組成層の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ、製造コストを安価にして、ロウ材組成層の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、延性の高い銅（α相）をリン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に点在させるように分散させてロウ材組成層を形成したことにより、プレス成形性等の加工性をより改善し得るという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のクラッド材を製造するために用いられる製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】Ｃｕ−Ｐ二元合金標準状態図である。
【図３】本発明のクラッド材を製造するために加熱冷却炉で行った加熱冷却の時間に対する温度変化を示す線図である。
【図４】本発明のクラッド材の一例を示す拡大断面図である。
【図５】（ａ）はクラッド材の表面に線接合試験片としてのパイプを接合した状態を示す拡大断面図、（ｂ）はクラッド材の表面に面接合試験片としての板を接合した状態を示す拡大断面図である。
【図６】（ａ）はクラッド材のプレス試験に用いる雌金型と雄金型とを示す図、（ｂ）はプレス試験を実施する状態を示す図、（ｃ）はプレス加工された試験片としてのクラッド材を示す図である。
【図７】一般的な圧延法によるクラッド材の製造方法を実施するために用いられる製造装置の一例を示す概略図である。
【図８】従来のクラッド材の一例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は本発明のクラッド材を製造するために用いられる製造装置の一例を示す概略図であって、金属板等の金属材としての母材１が巻き取られた母材コイル２を巻き戻す母材巻戻機３と、該母材巻戻機３によって母材コイル２から巻き戻された母材１の表面に金属粉末を圧着する粉末圧着機１２と、該粉末圧着機１２で母材１に金属粉末が圧着されたクラッド材８を加熱した後、冷却する加熱冷却炉１３と、該加熱冷却炉１３で加熱冷却したクラッド材８を圧延する圧延機１８と、該圧延機１８で圧延されたクラッド材８をクラッド材コイル９として巻き取るクラッド材巻取機１０とを備えたものである。
【００２６】
前記粉末圧着機１２は、回転自在となるよう水平方向へ対向配置された一対のロール１４と、該各ロール１４上に金属粉末を供給する粉末供給装置１５とを備え、前記一対のロール１４間に上方から下方へ向け母材１を導入しつつ、前記粉末供給装置１５から各ロール１４上に金属粉末を供給して、該各ロール１４を回転させることにより、前記母材１の両面に金属粉末を圧着させるようになっている。
【００２７】
前述の如き製造装置においては、母材１が巻き取られた母材コイル２が巻戻機３によって巻き戻され、該巻戻機３によって母材コイル２から巻き戻された母材１の表面に粉末圧着機１２において金属粉末が圧着され、該粉末圧着機１２で母材１に金属粉末が圧着されたクラッド材８が加熱冷却炉１３において加熱された後、冷却され、該加熱冷却炉１３で加熱冷却されたクラッド材８が圧延機１８で圧延され、該圧延機１８で圧延されたクラッド材８がクラッド材巻取機１０によりクラッド材コイル９として巻き取られる形となる。
【００２８】
本実施例の場合、前記母材１として銅板を用いる一方、前記金属粉末としては、所要のロウ材の組成になるように、少なくとも２種類の金属粉末を混合した混合粉末を用い、その組成は、例えば、リン銅ロウ材の組成とし、該リン銅ロウ材の組成を構成する混合粉末は、銅粉末とリン銅合金粉末とを混合したものを用いるようにした。尚、図２の状態図から明らかなように、リン銅合金の組成は、銅に対するリンの重量割合を増加させていくと、その融点を示す液相線が固相線に近づいていき、８．３８％Ｐが最も液相線温度が低い共晶点（７１４℃）となる。
【００２９】
又、前述の如き製造装置を用いてクラッド材８を製造する際、前記加熱冷却炉１３において、非酸化性雰囲気下で、図３に示すような温度曲線となるようクラッド材８の加熱冷却を行った。尚、非酸化性雰囲気とは、例えば、窒素ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気や、一酸化炭素を含むＤＸガス雰囲気等の還元性雰囲気、アルゴンガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気、又は真空雰囲気等が挙げられる。
【００３０】
即ち、前記加熱冷却炉１３において、５０℃弱のクラッド材８をおよそ５分半程度で７１４℃以上（７２０℃〜７３０℃）に加熱して３０秒程度（２０秒〜４０秒）保持し、その後、８分程度かけて前記クラッド材８を７５℃程度まで冷却した。
【００３１】
この結果、図４に示す如く、前記銅板である母材１（板厚がおよそ１５０μｍ程度）の表面に、厚さｔが１００μｍ以下（図４の例では２５〜３０μｍ程度）であって且つ重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に重量割合で２％以下のリン成分を含む銅（α相）が点在するように分散するロウ材組成層１１を形成することが可能となった。
【００３２】
これは、リン銅合金粉末を金属材としての母材１に圧着してロウ材組成層１１を形成し、該ロウ材組成層１１が形成されたクラッド材８を、図２に示すリン銅合金の固相線温度（７１４℃）以上で且つ液相線温度より低い温度に所要時間加熱することにより、固液共存相となって、粉末の形態からロウ材組成層１１は半溶融状態に変わり、母材１とロウ材組成層１１間の界面が溶着し、その後、固相線温度以下に冷却することで、ロウ材組成層１１は、重量割合で５％以上のリン成分を含むリン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に重量割合で２％以下のリン成分を含む銅（α相）が析出して点在するように分散する形となったためである。
【００３３】
そして、前記母材１の表面に圧着する金属粉末の組成を変化させてクラッド材８を製造し、該製造したクラッド材８について、ロウ付け試験並びにプレス試験を行った。
【００３４】
ここで、前述した通り、図２の状態図からリン銅合金の組成は８．３８％Ｐが最も融点が低く基本となるが、今回の試験では７％〜９％の幅で製造したものを使用した。即ち、前記リン銅合金粉末としては、該リン銅合金粉末中に含まれるリンの重量割合を７％〜９％の範囲とした、いわゆるＣｕ−８％Ｐ粉末を用い、該Ｃｕ−８％Ｐ粉末に添加する銅粉末の混合粉末全体に占める重量割合を、下記の［表１］に示す如く、１２％、２０％、３０％、４０％、５０％と変化させた。
【００３５】
尚、前記製造されたクラッド材８におけるロウ材組成層１１は銅の成分とリン銅合金の成分から構成されており、平均化されたリンの重量割合は４．０％〜７．０％の範囲となる。（因みに、４．０％＝８％×（１００％−５０％）であり、７．０％≒８％×（１００％−１２％）である。）
【００３６】
前記ロウ付け試験としては、図５（ａ）に示す如く、クラッド材８の表面に、線接合試験片として直径がφ２ｍｍで肉厚０．５ｍｍのパイプ１６を接合する試験と、図５（ｂ）に示す如く、クラッド材８の表面に、面接合試験片として大きさが５０ｍｍ×２５ｍｍで厚さ１ｍｍの板１７を接合する試験とを行い、各々の場合におけるフィレット（隅肉）の状態と、ロウ付け後のクラッド材８の表面状態とを観察した。
【００３７】
尚、ロウ付け条件は、連続式雰囲気炉で
加熱ゾーン設定温度：８５０℃、９００℃
加熱ゾーン長さ：６００ｍｍ
加熱時間：約３０分間
加熱雰囲気：窒素
とした。
【００３８】
前記ロウ付け試験の結果は、下記の［表１］（ロウ付け温度８５０℃の場合）、［表２］（ロウ付け温度９００℃の場合）のようになった。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
【表２】
2011041956.tif 000004
【００４１】
即ち、ロウ付け温度を８５０℃とした場合、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を４０％としたものでは、フィレット（隅肉）の状態が若干悪くなる傾向が見られる一方、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を５０％としたものでは、フィレット（隅肉）の状態が若干悪くなると共に、ロウ付け後のクラッド材８の表面状態にもザラツキが目立つ傾向が見られる。これは、銅粉末の添加量が増えると、その分だけ全体に占めるリンの濃度が下がってロウ材組成層１１の融点が高くなる（図２に示すＣｕ−Ｐ二元合金標準状態図を参照）ため、ロウ付け温度が低いとロウ付け性が悪くなることを意味しているが、ロウ付け温度を若干上げて９００℃とした場合には、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合が、１２％〜４０％の範囲であれば、欠陥のないロウ付け性を得られることが確認された。尚、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合が、１２％〜４０％の範囲である場合、製造されたクラッド材８におけるロウ材組成層１１は銅の成分とリン銅合金の成分から構成されており、平均化されたリンの重量割合は４．２％〜７．９％の範囲となる。（因みに、４．２％＝７％×（１００％−４０％）であり、７．９％≒９％×（１００％−１２％）である。）
【００４２】
又、前記プレス試験は、図６（ａ）に示す如く、φ３２ｍｍの孔２３を有する雌金型１９と、φ２８ｍｍの凸部２０を有する雄金型２１とを用い、図６（ｂ）に示す如く、前記雌金型１９と雄金型２１との間に、銅粉末の添加量と母材１の板厚とを変化させて製造したクラッド材８を配置した状態で、バイス２２によって前記雌金型１９と雄金型２１を挟み込むように締め付けることにより、クラッド材８をプレス加工して図６（ｃ）に示すような形状とし、その曲げ箇所の状態を観察した。
【００４３】
前記プレス試験の結果は、下記の［表３］のようになった。
【００４４】
【表３】
2011041956.tif 000005
【００４５】
即ち、プレス成形性を考慮した場合、延性が高い金属である銅粉末の添加量を増やせば、曲げ箇所に割れがなくなるが、前述したように、銅粉末の添加量が増えると、その分だけ全体に占めるリンの濃度が下がってロウ材組成層１１の融点が高くなり、ロウ付け性が悪くなるため、ロウ付け性とプレス成形性の両方を満足させるには、前記銅粉末とリン銅合金粉末との混合粉末に占める銅粉末の重量割合を、１２％〜４０％の範囲のうち、より好ましくは２０％〜３０％の範囲とすると共に、リン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に延性の高い銅（α相）が点在するように分散するロウ材組成層１１を形成することが有効となる。
【００４６】
更に又、前記混合粉末を母材１に圧着し加熱したロウ材組成層１１の厚さは、あまり厚くなると正常な圧着ができないため、製造実験の結果、９０μｍ以下とすれば、正常な圧着ができ、実際のロウ付け時にロウ材が垂れることを防止できることが確認できた。尚、ロウ材組成層１１の厚さとプレス成形性との関係を調べるために、前述と同様のプレス試験並びにクラッド材８を９０度曲げ加工する試験を実施し、それぞれの曲げ箇所の状態を観察した。
【００４７】
前記プレス試験並びにクラッド材８の９０度曲げ加工試験の結果は、下記の［表４］のようになった。
【００４８】
【表４】
2011041956.tif 000006
【００４９】
即ち、ロウ材組成層１１の厚さを６０μｍとした場合、母材１との伸び率の差が大きく、割れが発生していると考えられ、加工が困難となることが確認され、プレス成形性の観点からは、ロウ材組成層１１の厚さを３０μｍ以下とすることが好ましい。但し、１０μｍ以上のロウ材組成層１１の厚さが確保できないと、ロウ付け不良が起こる可能性が高くなるので、ロウ材組成層１１の厚さは、より好ましくは１０μｍ〜３０μｍとすると共に、リン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に延性の高い銅（α相）が点在するように分散するロウ材組成層１１を形成することが有効となる。
【００５０】
尚、前述の如く、銅粉末とリン銅合金粉末という２種類の粉末を混合して用いる代わりに、リン銅合金粉末中に含まれるリン成分の重量割合が予め調整されている単一の粉末を用いるようにしても、前述と同様の結果を得ている。
【００５１】
こうして、前述の如き製造装置を用い、ロウ材の組成とロウ材組成層１１の厚さを調整し且つ加熱冷却炉１３における加熱温度及び加熱時間を調整して、図４に示す如く、リン銅合金（Ｃｕ３Ｐ相）中に延性の高い銅（α相）が点在するように分散するロウ材組成層１１を形成したクラッド材８を製造することにより、ロウ材組成層１１の融点が高くなることを抑えて金属材の強度低下や熱変形の発生を回避し得、且つ、製造コストを安価にして、ロウ材組成層１１の厚さを薄くできてロウ付け時におけるロウ材の液垂れを防止し得、更に、プレス成形性等の加工性をより改善し得る。
【００５２】
尚、本発明のクラッド材及びその製造方法は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５３】
１  母材（金属材）
２  母材コイル
３  母材巻戻機
８  クラッド材
９  クラッド材コイル
１０  クラッド材巻取機
１１  ロウ材組成層
１２  粉末圧着機
１３  加熱冷却炉
１４  ロール
１５  粉末供給装置
１８  圧延機
ｔ  厚さ
【図１】
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【図２】
2011041956.tif 000008
【図３】
2011041956.tif 000009
【図４】
2011041956.tif 000010
【図５】
2011041956.tif 000011
【図６】
2011041956.tif 000012
【図７】
2011041956.tif 000013
【図８】
2011041956.tif 000014