(57)【要約】      （修正有）【課題】金属配管の低温接合の際に、接合界面の金属間化合物層の成長を抑制することによって、金属配管の長期的な接合信頼性を確保することができるはんだ合金を提供する。【解決手段】はんだ合金は、質量％で、Ｓｂ：５．０〜１５．０％、好ましくは、５．０〜９．０％、Ｃｕ：０．５〜８．０％、好ましくは０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．０２５〜０．７％、好まくは、０．０２５〜０．１％、Ｃｏ：０．０２５〜０．３％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｂ：５．０〜１５．０％、Ｃｕ：０．５〜８．０％、Ｎｉ：０．０２５〜０．７％、Ｃｏ：０．０２５〜０．３％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する
ことを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
前記合金組成は、質量％で、Ｓｂ：５．０〜９．０％を含有する、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
前記合金組成は、質量％で、Ｃｕ：０．５〜３．０％を含有する、請求項１または２に記載のはんだ合金。
【請求項４】
前記合金組成は、質量％で、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％を含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ合金。
【請求項５】
液相線温度が４５０℃以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のはんだ合金。
【請求項６】
前記合金組成は、下記（１）式を満たす、請求項１〜５のいずれか１項に記載のはんだ合金。
０．０７≦  Ｃｏ／Ｎｉ  ≦６                （１）
（１）式中、「Ｃｏ」、「Ｎｉ」は、各々Ｃｏ、Ｎｉの含有量（質量％）を表す。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するプリフォームはんだ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するやに入りはんだ。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属間化合物の成長を抑制するはんだ合金、プリフォームはんだ、やに入りはんだおよびはんだ継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンや冷蔵庫などの白物家電は冷却装置を備える。冷却装置は、主に、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、および各装置に冷媒を供給する配管を備える。冷却装置による冷却サイクルとしては、まず、圧縮機で気体冷媒が圧縮され、圧縮後の高温高圧ガスが凝縮器を通過して液化する。液化した冷媒は、膨張弁を通過して圧力が急激に低下することによって沸点が下がる。その後、蒸発器で液化した冷媒は気化する。最後に、気化した冷媒は再度圧縮機で圧縮されて、上記サイクルが繰り返される。この蒸発器で液化した冷媒が気化する際の吸熱により、周囲が低温に導かれる。
【０００３】
前述の冷却装置を構成する各機器は、冷媒を供給する配管が接続された後に白物家電内に配置される。配管の接続方法としては、例えば特許文献１に記載のように、ろう付けにより接続する方法が採用されている。特許文献１によれば、ろう付け箇所が多いと冷媒漏れによる信頼性の低減が懸念されることから、ろう付け箇所を少なくすることが記載されている。
【０００４】
ただ、ろう付けによる配管接合では、ろう付け作業者の熟練が必要になり、作業者の熟練度によって接合部の品質が左右してしまう。この熟練度の相違により、配管を加熱する際に配管温度が高すぎ配管が変形したり、ろう材内にボイドが発生して冷媒リーク不良が発生する場合がある。また、配管温度が低すぎるとろう材が配管の隙間全周へ浸透せずに冷媒リーク不良が発生する場合がある。さらに、ろう付けは配管を焼きなますために配管を軟化させて変形の原因となる場合がある。これに加えて、ろう付けは高温と長い加熱時間を要するため、配管接合の際に潜在的な火災原因となる。
【０００５】
そこで、特許文献２には、低温でのＣｕ管や真鍮パイプの金属配管接合に適した無鉛はんだ合金組成が記載されている。特許文献２に記載のはんだ合金は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕはんだ合金の固相線温度および液相線温度の幅を広げるために、Ｃｕを３〜５質量％含有する。また、特許文献２に記載の発明では、固相線温度より僅かに高い温度に加熱して液相と固相を共存させることによって、管と管の隙間が小さい箇所には液体部分が流入するとともに隙間が大きい箇所には個体部分が充填して配管接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−４９９７４
【特許文献２】特開平２−３４２９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に記載のはんだ合金は、特許文献１に記載のろう付け接合の問題点を改善するため、低温での作業が可能であるはんだ付けを行う合金組成を有する。しかし、特許文献２に記載のはんだ合金は、Ｃｕの含有量が多く、Ｃｕ管同士を接合するはんだ継手を形成する際にＣｕ６Ｓｎ５のような金属間化合物（以下、適宜、「ＩＭＣ」（ＩｎｔｅｒＭｅｔａｌｌｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）と称する。）の析出およびＩＭＣ層の成長が懸念される。また、最近の冷却装置では、Ｃｕ管だけでなくＦｅ管が用いられるようになってきている。このため、Ｃｕ管とＦｅ管とを接合した際、冷媒循環による温度サイクルを経た際に接合部からの冷媒が漏洩し故障の原因となることがある。
【０００８】
また、特許文献２に記載のはんだ合金はＮｉを含有するものも開示されている。はんだ合金にＮｉを添加すると、Ｃｕ６Ｓｎ５が（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５になり、接合界面での破断を抑制することが知られている。しかし、将来的な冷媒循環による温度サイクルを経ると、特許文献２に記載のようにＮｉが添加されただけでは接合界面での破断を十分に抑制することは難しい。
【０００９】
最近の白物家電は性能の向上により寿命が長くなっており、これに伴い、白物家電に搭載されている冷却装置の配管は長時間の温度サイクルに曝される。配管接合部から冷媒が漏洩することを防ぐため、はんだ合金を用いた配管の低温接合において、ＩＭＣ成長を抑制することが要求されている。
【００１０】
本発明の課題は、金属配管の低温接合を行う際に、接合界面に生成する金属間化合物層の成長を抑制することによって、金属配管の接合時および長期的な接合信頼性を確保することができるはんだ合金、プリフォームはんだ、やに入りはんだおよびはんだ継手を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、コスト低減の観点から、特殊な材質の配管を用いずに従来の配管を用いた接合方法を採用するため、ろう付けの代わりにはんだ付けを用いることとし、それに適したはんだ合金組成を検討した。一般に、金属配管の接合は、一方の管の端部を他方の管に挿入し、一方の管の外周と他方の管の内周において、両者が対向する部分、およびその近傍領域を高周波加熱や火炎により加熱する。このため、半導体装置のように微細な電極部分を温度や雰囲気が制御された環境下で接合する場合と比較して、加熱条件にバラツキがあり加熱面積および接合面積が広範に渡るために接合界面のＩＭＣ層が成長しやすい。
【００１２】
そこで、本発明者らは、上記のような配管接合条件を考慮し、特許文献２に記載のＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕはんだ合金を基本組成として、配管接合時のＩＭＣ層の成長を抑制する元素を検討した。ここで、白物家電に用いられる冷却装置の金属配管は通常Ｃｕ管であるが、前述のようにＦｅ管を用いることがあるため、Ｆｅ管との接合においてＩＭＣ層の成長を抑制するような元素を選択する必要がある。Ｆｅ管に対しては、Ｆｅのはんだ合金への拡散を抑制する観点から、はんだ合金が含有しうる元素としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉが等価に扱われていることがある。ただ、Ｆｅは、Ｓｎ系はんだ合金においてはんだ合金の融点を著しく上昇させる点で好ましくない。ＣｏおよびＮｉも融点が高い。このため、低温での配管接合を行う場合には、従来のように等価な取り扱いがされているこれらの元素を用いることは困難であると考えられている。
【００１３】
本発明者らは、更に検討を進めた結果、従来では低温での配管接合には適さないと考えられていたＮｉを敢えて添加し、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだ合金を用いてＦｅ管、Ｃｕ管との接合を試みた。この結果、Ｎｉのみの添加でＩＭＣ層の成長を抑制することはできなかった。ただ、Ｎｉ含有量が所定範囲内であれば、配管接合を行う上では、融点の上昇は許容範囲である知見が得られた。
【００１４】
そこで、この合金組成に更に、Ｎｉと同様に添加が避けられていたＣｏを所定量添加してみたところ、予想外にも、融点の上昇を抑えつつ、接合界面のＩＭＣ層が、Ｃｏを添加しない従来のはんだ合金組成と比較して１．５倍以上薄くできるという知見が得られた。
さらに詳細な調査を行った結果、Ｎｉ含有量およびＣｏ含有量の含有比が所定の範囲内においてＩＭＣ層の成長を低減する知見も得られた。
【００１５】
これらの知見により得られた本発明は次の通りである。
（１）質量％で、Ｓｂ：５．０〜１５．０％、Ｃｕ：０．５〜８．０％、Ｎｉ：０．０２５〜０．７％、Ｃｏ：０．０２５〜０．３％、残部Ｓｎからなる鉛フリーはんだ合金。
【００１６】
（２）合金組成は、質量％で、Ｓｂ：５．０〜９．０％を含有する、上記（１）に記載のはんだ合金。
（３）合金組成は、質量％で、Ｃｕ：０．５〜３．０％を含有する、上記（１）または上記（２）に記載のはんだ合金。
（４）合金組成は、質量％で、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％を含有する、上記（１）〜上記（３）のいずれか１項に記載のはんだ合金。
（５）液相線温度が４５０℃以下である、上記（１）〜上記（４）のいずれか１項に記載のはんだ合金。
（６）合金組成は、下記（１）式を満たす、上記（１）〜上記（５）のいずれか１項に記載のはんだ合金。
０．０７≦  Ｃｏ／Ｎｉ  ≦６                （１）
（１）式中、「Ｃｏ」、「Ｎｉ」は、各々Ｃｏ、Ｎｉの含有量（質量％）を表す。
【００１７】
（７）上記（１）〜上記（６）のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するプリフォームはんだ。
（８）上記（１）〜上記（６）のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するやに入りはんだ。
（９）上記（１）〜上記（６）のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は配管の接合方法を示す図であり、図１（ａ）は第一配管の側面図であり、図１（ｂ）は拡管部を備える第二配管の側面図であり、図１（ｃ）は第一配管にプリフォームはんだを嵌合する工程を示す図であり、図１（ｄ）は第二配管に第一配管を嵌入するとともにプリフォームはんだを拡管部の端面に当接させる工程を示す図であり、図１（ｅ）はプリフォームはんだを加熱する工程を示す図であり、図１（ｆ）は、プリフォームはんだを加熱して第一配管と第二配管の隙間にはんだが流れ込み両配管を接合して接合部を形成した状態を示す部分透視図である。
【図２】図２は端部にフレア加工部を有する第一配管を示す図であり、図２（ａ）は側面図であり、図２（ｂ）は端部近傍の部分斜視図である。
【図３】図３はプリフォームはんだの斜視図であり、図３（ａ）は中空円筒形状のプリフォームはんだを示す図であり、図３（ｂ）はリング形状のプリフォームはんだを示す図である。
【図４】図４は、比較例３と実施例５を用い、４５０℃−３ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面ＳＥＭ写真であり、図４（ａ）は比較例３を用いた接合面を任意に２か所抽出し、各々の断面に形成されたＩＭＣ層の膜厚を各々５点測定した結果を示すＳＥＭ写真であり、図４（ｂ）は実施例５を用いた接合面を任意に２か所抽出し、各々の断面に形成されたＩＭＣ層の膜厚を各々５点測定した結果を示すＳＥＭ写真である。
【図５】図５は、比較例３と実施例５を用い、４５０℃−３ｍｉｎ．、４５０℃−１０ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面ＳＥＭ写真であり、図５（ａ）は比較例３を用いて４５０℃−３ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真であり、図５（ｂ）は実施例５を用いて４５０℃−３ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真であり、図５（ｃ）は比較例３を用いて４５０℃−１０ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真であり、図５（ｄ）は実施例５を用いて４５０℃−１０ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。
【００２０】
１．合金組成
（１）Ｓｂ：５．０〜１５．０％
Ｓｂははんだ合金の強度を向上させるために必要な元素である。また、Ｓｂは温度サイクル性や耐疲労性を向上させる元素である。
Ｓｂ含有量が５．０％未満であると上記効果を発揮することができない。Ｓｂ含有量の下限は５．０％以上であり、好ましくは６．０以上であり、より好ましくは６．５％以上であり、特に好ましくは７．０％以上である。一方、Ｓｂ含有量が１５．０％を超えると、液相線温度が４５０℃を超えやすくなるため、はんだ付けの作業性が悪化する。また、はんだ合金が硬くなり、また、ＳｎＳｂ金属間化合物が粗大化して歪みが粒界に集中し、粒界から破断するおそれがある。Ｓｂ含有量の上限は１５．０％以下であり、好ましくは１４．０％以下であり、より好ましくは１３．０％以下であり、さらに好ましいくは１２．０％以下であり、特に好ましくは１１．０％以下である。また濡れ広がり性を良くし、パイプ間へはんだを流れ込みやすくする観点から、Ｓｂ含有量の上限は９．０％以下であることが最も好ましい。
【００２１】
（２）Ｃｕ：０．５〜８．０％
Ｃｕは、はんだ継手の接合強度を向上させるために必要な元素である。Ｃｕが０．５％未満であると、強度が向上せず、温度サイクル特性も向上しない。Ｃｕ含有量の下限は０．５％以上であり、より好ましくは０．６％以上であり、さらに好ましくは０．８％以上であり、特に好ましくは１．０％以上である。一方、Ｃｕ含有量が８．０％を超えると液相線温度が４５０℃を超えるため、はんだ付けの作業性が悪化する。Ｃｕ含有量の上限は８．０％以下であり、好ましくは６．０％以下であり、より好ましくは５．０％以下であり、さらに好ましくは４．０％以下である。また濡れ広がり性を良くし、パイプ間へはんだを流れ込みやすくする観点から、含有量は３．０％以下であることが特に好ましい。
【００２２】
（３）Ｎｉ：０．０２５〜０．７％
Ｎｉは、Ｃｕ６Ｓｎ５中に均一に分散し、金属配管とはんだ合金との接合界面での破断を抑制するために必要な元素である。
また、Ｃｏとともに添加することによって、ＩＭＣ層の成長を抑制し、均一で微細なＩＭＣ層を形成する。Ｎｉ含有量が０．０２５％未満であるとＣｏと同時添加した際にＩＭＣ層の成長を抑制する効果を十分に発揮することができない。Ｎｉ含有量の下限は０．０２５％以上であり、好ましくは０．０３５％以上であり、特に好ましくは０．０５％以上である。一方、Ｎｉ含有量が０．７％を超えると液相線温度が４５０℃を超えるため、はんだ付けの作業性が悪化する。Ｎｉ含有量の上限は０．７％以下であり、好ましくは０．６％であり、より好ましくは０．５％以下であり、さらに好ましくは０．４％以下である。
さらに、パイプ間へはんだを流れ込みやすくする観点から、Ｎｉ含有量の下限は０．１％以下であることが特に好ましく、０．０７％以下が最も好ましい。
【００２３】
（４）Ｃｏ：０．０２５〜０．３％
ＣｏはＮｉとともに添加することによって、ＩＭＣ層の成長を抑制し、微細なＩＭＣ層を形成する。Ｃｏは、はんだ合金の凝固時に凝固核として多数生成され、その周りにＳｎ相を析出させるためにはんだ合金の組織の微細化に寄与する。これに伴い、接合界面のＩＭＣ層が薄くなり、ＩＭＣ層の成長を抑制することができる。さらに、ＮｉがＣｕ６Ｓｎ５中に均一に存在するため、結晶粒の成長が互いに抑制され、ＩＭＣ層の成長を抑制することになる。
Ｃｏ含有量が０．０２５％未満であると、このような効果が発揮されない。Ｃｏ含有量の下限は０．０２５％以上であり、好ましくは０．０３５％以上であり、特に好ましくは０．０５０％以上である。一方、Ｃｏ含有量が０．３％を超えると液相線温度が４５０℃を超えるため、はんだ付けの作業性が悪化する。Ｃｏ含有量の上限は０．３％であり、好ましくは０．２％であり、より好ましくは０．１％以下であり、特に好ましくは０．０７％以下である。
【００２４】
（５）ＮｉとＣｏの比率
本発明では、ＮｉとＣｏの含有量の比率は下記（１）式を満たすことが好ましい。
０．０７≦  Ｃｏ／Ｎｉ  ≦６                （１）
（１）式中、「Ｃｏ」、「Ｎｉ」は、各々Ｃｏ、Ｎｉの含有量（質量％）を表す。
【００２５】
ＣｏおよびＮｉは、特にＣｕ管とＦｅ管を接合する際に効果を発揮する。両元素はＦｅのはんだ合金中への拡散を抑制し、その結果、ＦｅＳｎやＦｅＳｎ２といった脆い金属間化合物の生成を抑制することができる。また、前述のように、Ｎｉは接合界面に形成されるＣｕ６Ｓｎ５中に均一分散してＣｕ管との接合界面での破壊を抑制し、ＣｏはＩＭＣ層の成長を抑制する。このため、両元素は本発明のはんだ合金において密接に関連する。すなわち、本発明では、Ｎｉを添加して金属間化合物の組織を均一にした上でＣｏを添加することによって、金属間化合物が微細になると推測される。
【００２６】
このような効果を発揮するためには、両元素の含有量の比であるＣｏ／Ｎｉが（１）式を満たすことが好ましい。Ｃｏ／Ｎｉの下限は、より好ましくは０．０９以上である。Ｃｏ／Ｎｉの上限は、より好ましくは４以下であり、さらに好ましくは２以下であり、特に好ましくは１以下である。
【００２７】
３．プリフォームはんだ
本発明に係るプリフォームはんだは、リング形状、円筒形状、線はんだを３周以下で巻回されたもの、などの形態で使用することができる。詳細には図３を用いて後述する。
【００２８】
４．やに入りはんだ
本発明に係るはんだ合金は、予めはんだ中にフラックスを有するやに入りはんだに好適に用いられる。また、鏝にはんだを供給する観点から、線はんだの形態で用いることもできる。さらには、線はんだにフラックスが封止されているやに入り線はんだに適用することもできる。それぞれのはんだの表面にフラックスが被覆されていてもよい。これに加えて、はんだ中にフラックスを有さないはんだの表面にフラックスが被覆されていてもよい。
【００２９】
はんだ中のフラックス含有量は、例えば１〜１０質量％であり、フラックス中のロジン含有量は７０〜９５％である。一般に、ロジンは有機化合物であり炭素や酸素を含有することから、本発明では末端の官能基などに限定されることがない。
【００３０】
５．  はんだ継手
本発明に係るはんだ継手は、金属配管同士の接続に適している。金属配管にははんだめっきが施されていてもよい。ここで、「はんだ継手」とは配管の接続部をいう。
【００３１】
６．配管の接合方法
本発明に係るはんだ合金を用いた配管の接合方法は、例えば、第一配管と、第一配管の外径より大きい内径を有する拡管部を端部に備える第二配管と、を接合する。
【００３２】
工程としては、第一配管にプリフォームはんだを嵌合する工程、プリフォームはんだが嵌合された第一配管を第二配管の拡管部に嵌入するとともにプリフォームはんだを拡管部の端面に当接させる工程、プリフォームはんだを加熱する工程の３工程である。
【００３３】
以下、図を用いて詳述する。
図１は配管の接合方法を示す図であり、図１（ａ）は第一配管１の側面図であり、図１（ｂ）は拡管部２ａを備える第二配管２の側面図であり、図１（ｃ）は第一配管１にプリフォームはんだ３を嵌合する工程を示す図であり、図１（ｄ）は第二配管２に第一配管１を嵌入するとともにプリフォームはんだ３を拡管部２ａの端面２ｂに当接させる工程を示す図であり、図１（ｅ）はプリフォームはんだ３を加熱する工程を示す図であり、図１（ｆ）は、プリフォームはんだ３を加熱して第一配管１と第二配管２の隙間にはんだが流れ込み両配管を接合して接合部４を形成した状態を示す部分透視図である。
【００３４】
（１）配管
本発明で用いる配管は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように直線状のものを使用してもよく、所定の角度に曲がったものを使用してもよい。図１（ａ）に示す第一配管１は端部に特殊加工が施されていない通常の配管である。第二配管２は、図１（ｂ）に示すように、端部の少なくとも一方に拡管部２ａを備える。拡管部２ａの内径は、第一配管１の端部を嵌入可能なように、第一配管１の外径より大きい。第一配管１の外径と拡管部２ａの内径との差は、はんだが両者の隙間を充填可能な程度でよく、２ｍｍ程度でよい。
【００３５】
第二配管２において、拡管部２ａ以外の部分の外径は、第一配管１の外径以下であることが望ましく、第一配管１の外径と同一であることがより望ましい。拡管部２ａ以外の部分の外径が第一配管１の外径以下であると、第一配管１を拡管部２ａに嵌入した場合、拡管部２ａの縮径部２ｃで第一配管１の端部が当接し、第一配管１の拡管部２ａへの嵌入長さが一定になるために作業が容易になる。また、両者の材質は特に限定されることはなく、例えばＣｕ管やＦｅを主成分とするＦｅ管であればよい。これらの配管にははんだめっきが施されていてもよい。
【００３６】
また、後述するリング形状のプリフォームはんだ３を用いる場合、はんだ量を稼ぐために太い線はんだを用いる必要があるが、これは溶融はんだの溢れの原因になる場合がある。また、リング形状のプリフォームはんだ３は線はんだを環状に形成するために断面が略円形状となり、拡管部２ａの端面２ｂとの接触面積が小さい。このため、溶融はんだが拡管部２ａと第一配管１との隙間に流れ難い場合がある。これらの観点から、略円形状である断面の直径が拡管部２ａの片側厚さより大きい線はんだで形成されたリング形状のプリフォームはんだ３を用いる場合、拡管部２ａの端部には、図２に示すように、フレア加工部２ｄを備えることが望ましい。フレア加工部２ｄを備えることによって、溶融はんだが拡管部２ａの外周に溢れることを抑制するとともに拡管部２ａと第一配管１との隙間に流れやすくなる。フレア加工部２ｄの片側幅は、溶融はんだが拡管部２ａの外周に溢れないように、リング形状のプリフォームはんだ３の断面直径に応じて適宜調整すればよい。
【００３７】
さらに、リング形状のプリフォームはんだ３を用いた場合に溶融はんだが溢れないようにするため、第二配管２の縦断面におけるフレア加工部２ｄの形状は漏斗形状であることが望ましい。これは、第二配管２の縦断面における拡管部２ａの形状も同様である。
【００３８】
プリフォームはんだ３がやに入りはんだではない場合には、第一配管１の端部の外周面、及び／又は第二配管２の拡管部２ａの内周面にフラックスを塗布していてもよい。また、第一配管１を第二配管２に嵌入した後、プリフォームはんだ３にフラックスを滴下してもよい。
【００３９】
これらの配管を用いた配管の接合方法を以下に詳述する。
（２）第一配管にプリフォームはんだを嵌合する工程
この接合方法では、まず、図１（ｃ）に示すように、第一配管１の端部にプリフォームはんだ３を嵌合する。プリフォームはんだ３は一定の大きさおよび形状を有するため、ろう材のように熟練度を必要とせずに所定量のはんだを低温域で供給することができる。
【００４０】
ろう材より低融点のはんだを接合体として用いる場合、温度のバラツキを低減することができる。ろう材の接合では、通常バーナーを用いて１０００℃もの高温に加熱してろう材を溶融するため、熟練度によっては９００〜１１００℃程度のバラツキが発生し、接合部の品質に差が生じてしまう場合がある。一方、はんだは３００〜４５０℃程度に加熱すればよく、熟練度が低い場合であってもろう材のように２００℃もの温度誤差が生じることは考え難い。はんだ付け時にこのような温度誤差が生じると、そもそもはんだ付けを行うこと自体が困難である。
【００４１】
温度計を用いて加熱温度を制御したとしても、ろう付けは通常バーナーを用いて加熱するために短時間での温度制御が困難である。高周波誘導加熱装置で加熱するとしても、
１０００℃もの高温に加熱するためには大きな電源装置とコイルを冷却するための大掛かりな冷却機構を備える必要があり、作業性が劣る。低温ろう材であっても５００℃以上に加熱をしなければならず、上記の問題を解決するには至らない。さらには、ろう材を用いた接合は高温加熱を必須とするためにコスト上昇を招く。
【００４２】
一方、この接合方法では、融点が低く所定の大きさのプリフォームはんだ３を用いるため、はんだの供給量が一定であり、加熱温度のバラツキが少ない。このため、ろう付けのように熟練度を要しないために作業性が優れる。
【００４３】
本発明で用いるプリフォームはんだ３の形状は、図３（ａ）に示すように中空円筒形状であることが望ましい。中空円筒形状であれば、はんだ量を増やしたい場合にプリフォームはんだ３を長くするだけでよい。また、中空円筒形状のプリフォームはんだ３は、線はんだを圧延して、所定の長さに切断後、環状に形成するだけで形成できるため、コスト低減に繋がる。
【００４４】
図３（ａ）に示す中空円筒形状の場合、プリフォームはんだ３の縦断面は略矩形状であることが望ましい。この場合、拡管部２ａの端面２ｂとプリフォームはんだ３の端面３ａとが面で当接するために接触面積が大きく、溶融はんだが拡管部２ａと第一配管１との隙間に流れ込みやすくなり、図１（ｆ）に示す接合部４の品質が安定する。プリフォームはんだ３が図３（ａ）の形状の場合、プリフォームはんだ３の外径が拡管部２ａの外径と略同一であることが望ましい。この場合、溶融はんだが拡管部２ａの外周に溢れ出ることがない。
【００４５】
また、プリフォームはんだ３は、図３（ｂ）に示すようにリング形状であってもよい。線はんだを所定の長さに切断後、環状に形成するだけでよく、加工が容易でコストも低減することができる。リング形状の場合、はんだ量を稼ぐためには、内径を維持したまま外径を大きくしてもよい。もしくは線はんだを３周以下の巻回数で螺旋状に巻回したものを用いてもよい。線はんだを巻回する場合、第一配管１と第二配管２の接触面積に応じて、巻き数を２．５周や２周などに適宜調整する。リング形状のプリフォームはんだ３を用いる場合、プリフォームはんだ３の断面の直径に応じて図２に示すようにフレア加工部２ｄが施された第二配管２を用いることが望ましい。
【００４６】
また、プリフォームはんだ３の内径は、第一配管１の外径と略同一であることが望ましい。本発明では、プリフォームはんだ３を加熱する際、はんだの自重を利用して、拡管部２ａと第一配管１との隙間に溶融はんだを流し込むことが望ましい。このため、図１（ｄ）〜図１（ｆ）に示すように、配管の接合時には、第二配管２の上方から第一配管１を拡管部２ａに嵌入することが望ましい。したがって、プリフォームはんだ３の内径が第一配管１の外径と略同一であると、プリフォームはんだ３を第一配管１に嵌合した際、プリフォームはんだ３と第一配管１との摩擦によりプリフォームはんだ３が第一配管１の所定の位置で固定される。この結果、第一配管１を第二配管２に嵌入する際にプリフォームはんだ３が滑り落ちることがなく、作業を容易にすることができる。
【００４７】
プリフォームはんだ３はやに入りはんだであることが望ましい。やに入りはんだでなければ、第一配管１の端部にフラックスを塗布すればよい。また、プリフォームはんだ３だけでははんだ量が十分ではない場合には、第一配管１の端部に予備はんだを被覆しておいてもよい。
【００４８】
（３）プリフォームはんだが嵌合された第一配管を第二配管の拡管部に嵌入するとともにプリフォームはんだを拡管部の端面に当接させる工程
図１（ｄ）に示すように、プリフォームはんだ３が端部に嵌合された第一配管１を拡管部２ａに嵌入すると、まず、プリフォームはんだ３が拡管部２ａの端面２ｂに当接する。さらに第一配管１を拡管部２ａに嵌入すると、プリフォームはんだ３が拡管部２ａと当接した状態で、第一配管１だけが拡管部２ａ内に嵌入される。この結果、図１（ｅ）に示すように、第一配管１の端部は拡管部２ａの縮径部２ｃと当接する。
【００４９】
前述のようにプリフォームはんだ３の内径が第一配管１の外径と略同一である場合、図１（ｄ）の状態において、プリフォームはんだ３がプリフォームはんだ３と第一配管１との摩擦で第一配管１から落下せずに固定されることになる。この場合、プリフォームはんだ３が拡管部２ａの端面２ｂに当接した後、プリフォームはんだ３が第一配管１の外周面と摺動しながら第一配管１を拡管部２ａに嵌入することになる。
【００５０】
本発明に係る配管の接合方法では、図１（ｅ）に示すように、第一配管１の嵌入完了時にプリフォームはんだ３が拡管部２ａの端面２ｂと当接している必要がある。当接していない場合、溶融はんだが拡管部２ａと第一配管１との隙間に流れ込まない場合があり、接合不良が発生する場合がある。本発明では、第一配管１に嵌合するプリフォームはんだ３の位置は、第一配管１の端部であってもよく、第一配管１が拡管部２ａの縮径部２ｃと当接した場合にプリフォームはんだ３が拡管部２ａの端面２ｂと当接するような位置であってもよい。
【００５１】
（４）プリフォームはんだを加熱する。
プリフォームはんだ３を加熱すると、はんだが拡管部２ａと第一配管１との隙間に流れ込み、第一配管１と第二配管２とが図１（ｆ）に示すように接合し、接合部４を形成する。
【００５２】
プリフォームはんだ３の加熱は、配管を加熱することによって行われる。配管の加熱は、近赤外線ランプ（ＮＩＲ）による加熱や高周波誘導方式による加熱が挙げられ、高周波誘導方式による加熱が望ましい。
【００５３】
高周波誘導加熱方式では、高周波誘導加熱装置のコイルに対応する部分を局所的に加熱することができるため、配管の接合には好適である。はんだの融点はせいぜい３００〜４５０℃程度であるため、高周波誘導加熱装置の電源をコンパクトなサイズにすることができ、作業性が損なわれることがない。加熱温度は液相線温度に応じて３００〜４５０℃程度でよいので、高周波誘導加熱装置のコイルに大掛かりな冷却機構を設ける必要がない。
【００５４】
加熱時間は特に制限されないが、プリフォームはんだ３が溶融すればよく、１〜１０分程度でよい。これにより、短時間加熱によるコスト低減を実現することができる。加熱雰囲気は作業性の観点から大気中で行うことが望ましい。加熱温度は、はんだの組成に応じて適宜調整すればよく、２５０〜４５０℃程度でよい。加熱温度の制御は、例えば、赤外線温度計を用いて、近赤外線ランプや高周波誘導加熱装置の出力を調整しながら制御してもよい。
【実施例】
【００５５】
本発明の効果を立証するため、下記合金組成により効果を確認した。本実施例では、接合界面を観察するため、配管ではなく板とはんだ合金とを接合した。詳細は以下のとおりである。
【００５６】
表１に示す合金組成を有するはんだ合金を、５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍｔのプリフォームはんだに成形してＦｅ板（機械構造用炭素鋼Ｓ５０Ｃ）に載置し、大気中４５０℃で３分間加熱し、はんだ継手を形成する。
【００５７】
「ＩＭＣ成長抑制」の評価は、加熱後に断面をＳＥＭにて３０００倍で撮影し、特定の５点のＩＭＣ層厚さを測定し、５点の平均ＩＭＣ層厚さが４μｍ以下となっているものを合格「○」とした。平均ＩＭＣ層厚が４μｍを超えるものを不合格「×」とした。
【００５８】
「液相線温度」の評価は、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、型番：ＥＸＳＴＡＲ  ＤＳＣ７０２０を用い、サンプル量：約３０ｍｇ、昇温速度：１５℃／ｍｉｎにてＤＳＣ測定を行い、液相線温度が４５０℃以下となったものを合格「○」とした。液相線温度が４５０℃を超えたものを不合格「×」とした。
【００５９】
ＩＭＣ成長抑制評価と液相線温度評価のいずれも合格となった例を、総合評価で合格とした。
評価した結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
2019055410.tif 000003
【００６１】
表１に示すように、実施例１〜１９では、いずれの合金組成においても本発明の要件をすべて満たすため、接合時の加熱温度を４５０℃以下に設定することができ、接合時でのＩＭＣ層の成長が抑制された。また、固相線温度は組成によらず一定であるため、液相と固相の２相共存領域の加熱温度域にて固相量と液相量の制御が容易となり、より強固な接合部を形成することが可能となる。このため、実施例１〜１９のはんだ合金を用いて接合した配管接合部は高い信頼性を示し、冷却装置用の配管接合に用いられた場合であっても、長期間の使用に耐えられることがわかった。また、実施例１〜１９は、Ｃｕ板に対しても同様の結果が得られた。
【００６２】
これに対して、比較例１は、Ｎｉ含有量が多く、液相線温度が４５０℃を超えたため、低温接合が困難であることがわかった。比較例２は、ＮｉおよびＣｏを含有しないため、ＩＭＣ層が成長してしまい、接合部の信頼性を示さないと考えられる。比較例３は、Ｃｏを含有しないためにＩＭＣ層が成長してしまい、接合部の信頼性を示さないと考えられる。表１の結果を図４および図５を用いてさらに詳述する。
【００６３】
図４は、比較例３と実施例５を用い、４５０℃−３ｍｉｎ．（４５０℃で３分間保持）の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面ＳＥＭ写真であり、図４（ａ）は比較例３を用いた接合面を任意に２か所抽出し、各々の断面に形成されたＩＭＣ層の膜厚を各々５点測定した結果を示すＳＥＭ写真であり、図４（ｂ）は実施例５を用いた接合面を任意に２か所抽出し、各々の断面に形成されたＩＭＣ層の膜厚を各々５点測定した結果を示すＳＥＭ写真である。
【００６４】
図４（ａ）に示すように、比較例３を用いた接合面の平均ＩＭＣ層厚は４．８８μｍであり、図４（ｂ）に示すように、実施例５を用いた接合面の平均ＩＭＣ層厚は２．８４μｍであった。したがって、Ｃｏを含有しない比較例３では、実施例５と比較してＩＭＣ層が１．７倍も厚くなることがわかった。これは、比較例３ではＣｏを含有しないため、Ｃｏの結晶核が生成されず、ＩＭＣ層が厚くなるためであると推測される。なお、他の実施例および比較例においても、各々実施例５および比較例３と同様の結果が得られた。
【００６５】
図５は、比較例３と実施例５を用い、４５０℃−３ｍｉｎ．、４５０℃−１０ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面ＳＥＭ写真であり、図５（ａ）は比較例３を用いて４５０℃−３ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真であり、図５（ｂ）は実施例５を用いて４５０℃−３ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真であり、図５（ｃ）は比較例３を用いて４５０℃−１０ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真であり、図５（ｄ）は実施例５を用いて４５０℃−１０ｍｉｎ．の加熱条件でＦｅ板と接合した接合面の断面を示すＳＥＭ写真である。上記記載中、「４５０℃−３ｍｉｎ．」とは大気中４５０℃で３分間保持することを表し、「４５０℃−１０ｍｉｎ．」とは大気中４５０℃で１０分間保持することを表す。
【００６６】
図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、実施例５は、比較例３と比較してＩＭＣ層が薄く、組織も微細になっていることがわかった。また、図５（ｃ）と図５（ｄ）から明らかなように、接合時の加熱時間が３倍程度長くなった場合であっても、実施例５ではＩＭＣ層の成長が抑えられ、微細な組織も維持されることがわかった。なお、他の実施例および比較例においても、各々実施例５および比較例３と同様の結果が得られた。
【００６７】
以上より、本発明のはんだ合金は、Ｃｕ管とＣｕ管との低温接合およびＣｕ管とＦｅ管との低温接合に適しており、特に、近年の白物家電に搭載される冷却装置の配管接合用として好適である。
【符号の説明】
【００６８】
１  第一配管、２  第二配管、２ａ  拡管部、２ｂ  拡管部の端面、２ｃ  拡管部の縮径部、２ｄ  フレア加工部、３  プリフォームはんだ、３ａ  プリフォームはんだの端面、４  接合部
【図１】
2019055410.tif 000004
【図２】
2019055410.tif 000005
【図３】
2019055410.tif 000006
【図４】
2019055410.tif 000007
【図５】
2019055410.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月15日(2017.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｓｂ：５．０〜１５．０％、Ｃｕ：０．５〜８．０％、Ｎｉ：０．０２５〜０．７％、Ｃｏ：０．０２５〜０．３％、残部Ｓｎからなる合金組成を有し、
前記合金組成は、下記（１）式を満たす
ことを特徴とする、Ｃｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
０．０７≦  Ｃｏ／Ｎｉ  ≦６                （１）
（１）式中、「Ｃｏ」、「Ｎｉ」は、各々Ｃｏ、Ｎｉの含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
前記合金組成は、質量％で、Ｓｂ：５．０〜９．０％を含有する、請求項１に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
【請求項３】
前記合金組成は、質量％で、Ｃｕ：０．５〜３．０％を含有する、請求項１または２に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
【請求項４】
前記合金組成は、質量％で、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％を含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
【請求項５】
液相線温度が４５０℃以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金を有するプリフォームはんだ。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金を有するやに入りはんだ。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金を有するはんだ継手。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
この知見により得られた本発明は次の通りである。
（１）質量％で、Ｓｂ：５．０〜１５．０％、Ｃｕ：０．５〜８．０％、Ｎｉ：０．０２５〜０．７％、Ｃｏ：０．０２５〜０．３％、残部Ｓｎからなる合金組成を有し、
前記合金組成は、下記（１）式を満たす
ことを特徴とする、Ｃｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
０．０７≦  Ｃｏ／Ｎｉ  ≦６                （１）
（１）式中、「Ｃｏ」、「Ｎｉ」は、各々Ｃｏ、Ｎｉの含有量（質量％）を表す。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
（２）合金組成は、質量％で、Ｓｂ：５．０〜９．０％を含有する、上記（１）に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
（３）合金組成は、質量％で、Ｃｕ：０．５〜３．０％を含有する、上記（１）または上記（２）に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
（４）合金組成は、質量％で、Ｎｉ：０．０２５〜０．１％を含有する、上記（１）〜上記（３）のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
（５）液相線温度が４５０℃以下である、上記（１）〜上記（４）のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
（６）上記（１）〜上記（５）のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金を有するプリフォームはんだ。
（７）上記（１）〜上記（５）のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金を有するやに入りはんだ。
（８）上記（１）〜上記（５）のいずれか１項に記載のＣｕ管及び／又はＦｅ管接合用はんだ合金を有するはんだ継手。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
（５）ＮｉとＣｏの比率
本発明では、ＮｉとＣｏの含有量の比率は下記（１）式を満たす。
０．０７≦  Ｃｏ／Ｎｉ  ≦６                （１）
（１）式中、「Ｃｏ」、「Ｎｉ」は、各々Ｃｏ、Ｎｉの含有量（質量％）を表す。