(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｍｇを０．２〜３．０％、Ｓｉを３〜１２％含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いて、質量％で、Ｍｇを０．１〜０．８％含有するアルミニウム合金部材と他のろう付け対象アルミニウム部材とを酸化物を除去するためのフラックスを用いずに被接合部においてろう付する方法であって、
少なくとも前記被接合部で、ろう付前にシロキサン結合を有する材料を含む塗膜を設け、ろう付昇温過程の到達温度４００℃で、前記塗膜を形成した部位の表面をフーリエ変換型赤外分光光度計で測定した際に、前記塗膜中のシロキサン結合の波長透過率が７０％以下であり、ろう付昇温過程の到達温度５５０℃で、前記塗膜を形成した部位の表面をフーリエ変換赤外分光光度計で測定した際に、前記塗膜中のシロキサン結合の波長透過率が８０％以上であることを特徴とするアルミニウム部材のろう付方法。  
【請求項２】
前記塗膜が、シランカップリング剤により形成されることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム部材のろう付方法。
【請求項３】
前記シランカップリング剤が、エポキシ系シランカップリング剤であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム部材のろう付方法。
【請求項４】
ろう付前の前記塗膜の塗布量が、０．００１〜０．２ｇ／ｍ２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム部材のろう付方法。
【請求項５】
前記ろう材と前記アルミニウム合金部材の一方または両方に、質量％で、０．０２〜０．３％のＢｉを含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム部材のろう付方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム部材のろう付方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用熱交換器をはじめとしたろう付分野においては、現在、ノコロックフラックスを用いた工法が主流となっているが、薄肉高強度化に有効なＭｇ添加アルミニウム合金がフラックスの不活性化反応（フッ化Ｍｇなどの生成）により使用できないという問題がある。これに対し、量産性に配慮した、大気圧下で行うフラックスレスろう付も考案されてきているが、特殊な表面処理や材料仕様、ろう付工法などが採用され、コスト、品質安定性に問題があり本格的な実用化には至っていない。また、特許文献１においては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材を用いたフラックスレス工法が提案されている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５４７０３２号号公報
【特許文献２】特許第４１１２５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１においても、接合部のフィレット形成能は、従来のノコロックフラックスに対し優位性を有するには至っておらず、安定した量産品質を得るには適用製品形状を限定する必要がある。このような背景により、薄肉高強度化に有効なＭｇ添加アルミニウム合金が使用でき、かつ、従来ノコロックろう付法と同等あるいはそれ以上のフィレット形成能をもつろう付工法の開発が強く望まれている。
ところで、ろう付前の被接合対象部材表面に、ポリシロキサンおよびポリシルセスキオキサンの少なくとも一方を含む珪素含有化合物を被覆してろう付することで、材料表面の酸化皮膜の成長が抑制されて良好なろう付がなされる技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。
しかし、単に上記材料をろう付けに適用しても、濡れ性の改善効果は十分とはいえず、さらなる改良が必要とされる。
【０００５】
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、特定の特性を有するシロキサン結合を有する材料を含む塗膜を被接合部に設けることで、優れた濡れ性が得られ、良好なろう付がなされるアルミニウム部材のろう付方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明のアルミニウム部材のろう付方法のうち、第１の形態は、質量％で、Ｍｇを０．２〜３．０％、Ｓｉを３〜１２％含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いて、質量％で、Ｍｇを０．１〜０．８％含有するアルミニウム合金部材と他のろう付け対象アルミニウム部材とを酸化物を除去するためのフラックスを用いずに被接合部においてろう付する方法であって、
少なくとも前記被接合部で、ろう付前にシロキサン結合を有する材料を含む塗膜を設け、ろう付昇温過程の到達温度４００℃で、前記塗膜を形成した部位の表面をフーリエ変換型赤外分光光度計で測定した際に、前記塗膜中のシロキサン結合の波長透過率が７０％以下であり、ろう付昇温過程の到達温度５５０℃で、前記塗膜を形成した部位の表面をフーリエ変換赤外分光光度計で測定した際に、前記塗膜中のシロキサン結合の波長透過率が８０％以上であることを特徴とする。  
【０００７】
本発明における第２の形態のアルミニウム部材のろう付方法は、前記形態の本発明において、前記塗膜が、シランカップリング剤により形成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明における第３の形態のアルミニウム部材のろう付方法は、前記形態の本発明において、前記シランカップリング剤が、エポキシ系シランカップリング剤であることを特徴とする。
【０００９】
本発明における第４の形態のアルミニウム部材のろう付方法は、前記形態の本発明において、ろう付前の前記塗膜の塗布量が、０．００１〜０．２ｇ／ｍ２であることを特徴とする。
【００１０】
本発明における第５の形態のアルミニウム部材のろう付方法は、前記形態の本発明において、前記ろう材と前記アルミニウム合金部材の一方または両方に、質量％で、０．０２〜０．３％のＢｉを含有することを特徴とする。
【００１１】
次に、本願発明で規定する内容について説明する。なお、成分量はいずれも質量％で示される。
【００１２】
＜ろう材＞
Ｓｉ：３〜１２％
Ｓｉは、Ａｌに含有することにより、その融点を低下させ、ろう付昇温時の共晶温度以上で、接合に必要な溶融ろう材を生成する。Ｓｉの含有量が３％未満では生成する液相量が不足するため十分な流動性が得られず、１２％を超えると初晶Ｓｉが急激に増加して加工性が悪化するとともに、ろう付時に接合部のろう侵食が著しく促進される。なお、同様の理由により、Ｓｉの含有量は、下限を５．０％、上限を１１．０％とすることがより好ましい。
【００１３】
Ｍｇ：０．２〜３．０％
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａ１２Ｏ３膜）に作用して酸化皮膜を分解することで、ろうの濡れ性や流動性を向上させる。ただし、Ｍｇの含有量が０．２％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、３．０％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて加工性が低下する。また、ＭｇＯが厚く成長し酸化皮膜の分解作用が低下するため、ろうの濡れ性が低下し、十分な接合が得られ難くなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．２〜３．０％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２５％、上限を２．０％とすることがより好ましい。
【００１４】
Ｂｉ：０．０２〜０．３％
Ｂｉは溶融ろう材の表面張力を低下させることで濡れ性を向上させるため０．０２〜０．３％含有させる。０．０２％未満では十分な効果が得られず、０．３％を超えると、固溶できないＢｉが熱間圧延や焼鈍時（２７１℃以上）に材料表面に溶け出し、材料の表面品質低下などを招くため好ましくない。なお、同様の理由で、下限を０．０５％、上限を０．２％とするのが一層望ましい。
【００１５】
＜アルミニウム合金部材＞
Ｍｇ：０．１〜０．８％
Ｍｇは、材料強度を向上させる効果があるため含有させる。また、ろう付加熱中にろう材から拡散してきたＳｉとも反応し、材料強度を向上させるＭｇ２Ｓｉを形成する。さらに、アルミニウム合金部材自身のＡｌ２Ｏ３酸化皮膜と反応して酸化皮膜を分解する作用が得られる。下限未満では効果が不十分であり、上限を超えると融点が低下し、さらに、ろう材から拡散してくるＳｉと混ざることで融点が大幅に低下するため、ろう浸食を受け易くなる。
【００１６】
Ｂｉ：０．０２〜０．３％
Ｂｉは、ろう材に拡散することで溶融ろう材の表面張力を低下させるため、溶融ろうの濡れ拡がり性を向上させる。下限未満では効果が不十分であり、上限を超えると固溶できないＢｉが熱間圧延や焼鈍時（２７１℃以上）に材料表面に溶け出し、材料の表面品質低下などを招くため好ましくない。なお、同様の理由で、下限を０．０５％、上限を０．２％とするのが一層望ましい。
【００１７】
＜塗膜＞
ろう付前の被ろう付対象部材表面にシロキサン結合を有する塗膜を形成してろう付することで、材料表面の酸化皮膜の成長が抑制されるため、ろう濡れ性が向上できる。本作用は従来のノコロックフラックスでみられたフッ化物系フラックスとアルミニウム合金中のＭｇとの反応によるフラックスの不活性化を生じない。
さらに、適切な塗膜について調査したところ、ろう付昇温過程の到達温度４００℃で表面をフーリエ変換型赤外分光光度計で測定した際に、塗膜中のシロキサン結合の波長透過率が７０％以下であり、さらに、到達温度５５０℃でシロキサン結合の波長透過率が８０％以上となる塗膜を選定することで良好なフィレットが得られることが判った。
上記効果は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材が溶け出す前までは被接合部が塗膜により雰囲気から遮断されて酸化皮膜の成長が抑制されるが、ろう材溶融時は塗膜がろう材や接合部材に含まれるＭｇによって分解されることで溶融ろうの流動を阻害しないため実現したと考えられる。従って、接合部では双方のアルミニウム接合部材にＭｇが含まれることで塗膜の熱分解性が向上するため、より安定した接合状態が得られる。
塗膜材料の種類は上記効果を満たせば特に限定されるものではないが、例えば、シランカップリング剤を使用すること、さらにはエポキシ系シランカップリング剤を使用することで優れた上記効果が得られる。
【００１８】
・塗布量：０．００１〜０．２ｇ／ｍ２
塗布量が０．００１ｇ／ｍ２未満では酸化抑制効果が不十分となり、０．２ｇ／ｍ２を超えると、残渣が製品外観を損なうことや、溶融ろうの流動を阻害してフィレット形成を阻害することが問題となる。
【００１９】
＜雰囲気＞
本発明では、減圧をともなわず、不活性ガス、或いは還元性ガス等の非酸化性雰囲気でろう付けを行うのが望ましい。使用する置換ガスの種類としては、アルミニウム材の接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点より、不活性ガスとしては窒素、アルゴン、還元性ガスとしては水素、アンモニア、一酸化炭素を用いることが好適である。雰囲気中の酸素濃度管理範囲としては、５０ｐｐｍ以下が望ましい。５０ｐｐｍ超では被ろう付部材の再酸化が進みやすくなる。
【００２０】
＜ろう付対象部材の材質＞
ろう材以外のろう付対象部材としては、一般的に用いられているアルミニウム材料であれば何れも問題なく使用可能であるが、接合状態をより安定させるには、ＭｇやＢｉを所定量含有するアルミニウム材料を用いることが望ましい。なお、ろう材がブレージングシートにより供給される場合は、ろう材に含有されるＭｇやＢｉが接合に寄与するため、ブレージングシートの芯材にはＭｇやＢｉを含まなくても安定した接合状態が得られる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、シロキサン結合を有する材料を塗膜に含むことで、溶融ろうの流動を阻害することなく良好なろう付性が得られる効果がある。
その結果、市場における今後の薄肉高強度化要求に対し、Ｍｇ添加アルミニウム合金を適用することができ、且つ、その際に従来ろう付法と同等以上の接合部フィレットが形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態におけるろう付前の状態を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例におけるろう付評価モデルを示す図である
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
ろう材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｍｇ：０．２〜３．０％、Ｓｉ：３〜１２％を含有し、所望により、Ｂｉ：０．０２〜０．３％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製する。また、芯材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｍｇ：０．１〜０．８％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成に調製する。
なお、ろう材には、その他に、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅなどを含有してもよく、芯材用アルミニウム合金には、その他に、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂｉなどを含有してもよい。
【００２４】
熱間圧延、冷間圧延を行って芯材の一方または両方の面にろう材が重ね合わされて接合されたクラッド材を得る。
上記工程を経ることにより、図１に示すように、アルミニウム合金芯材２の一方の面にアルミニウム合金ろう材３がクラッドされた熱交換器用のアルミニウム合金ブレージングシート１が得られる。アルミニウム合金芯材２は、本発明のアルミニウム合金部材に相当する。
アルミニウム合金ブレージングシート１は、熱交換器のチューブ、ヘッダ、タンクなどとして用いることができる。
【００２５】
一方、ろう付け対象部材４として、例えば、質量％で、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金を調製し、適宜形状に加工される。
【００２６】
上記アルミニウム合金ブレージングシート１は、上記アルミニウム合金ろう材３が最表面に位置しており、表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下に調整されている。
また、ろう付け対象部材４は、少なくとも接合面において表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下かつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下に調整されている。
上記表面酸化皮膜は、鋳造後の均質化、熱間圧延前の均熱、冷間圧延後の焼鈍等、各種
熱処理時の温度と時間によって調整することができる。
【００２７】
上記アルミニウム合金ブレージングシート１とろう付け対象部材４とは、アルミニウム合金芯材２とろう付け対象部材との間にアルミニウム合金ろう材３が介在するように配置し、さらに、アルミニウム合金ろう材３上に、シロキサン結合を有する材料を含んだ塗膜５を形成する。これらを組み付けてろう付け用アルミニウム合金組み付け体とする。これにより少なくとも接合部において塗膜５が介在している。塗膜５は、例えば塗布により形成することができる。塗布は、アルミニウム合金ろう材３表面に行ってもよく、ろう付け対象部材５表面に行ってもよく、両方に塗布を行うようにしてもよい。塗布方法としては、塗布方法は特に限定されるものではなく、スプレー法、シャワー法、フローコーター法、ロールコーター法、刷毛塗り法、浸漬法などを適宜採用することができる。塗布は、少なくとも被接合部６に対し行われる。被接合部６を超えて塗布を行うことは問題ない。
【００２８】
上記組み付け体は、減圧を伴うことなく非酸化性雰囲気とされた加熱炉内に配置される。該非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスまたは水素、アンモニア、一酸化炭素などの還元性ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いて構成することができる。非酸化性雰囲気は、ろう付け加熱時には減圧を伴わず、通常は大気圧とされる。なお、非酸化性雰囲気を得る前に、置換などの目的で減圧工程を含むものであってもよい。加熱炉は密閉した空間を有することを必要とせず、ろう付け材の搬入口、搬出口を有するものであってもよい。このような加熱炉でも、不活性ガスを炉内に吹き出し続けることで非酸化性が維持される。該非酸化性雰囲気としては、酸素濃度として体積比で５０ｐｐｍ以下が望ましい。
【００２９】
上記雰囲気下で、例えば、昇温速度１０〜２００℃／ｍｉｎで加熱して、５９０〜６１０℃で加熱をしてろう付けを行う。
ろう付条件において、塗膜は、４００℃程度までは、膜として機能し酸化皮膜の成長を抑制するが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材が溶融する時点では殆ど分解して残渣を残さないので、溶融ろうの流動を阻害することなく良好なろう付を行うことができる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、アルミニウム合金芯材とアルミニウム合金ろう材とをクラッドしてろう付け部材と接合するものとして説明したが、ろう付け部材間にアルミニウム合金ろう材からなる板材を配置してろう付け接合することも可能である。
【実施例１】
【００３１】
表１に示す組成（残部Ａｌと不可避不純物）のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材と、ＪＩＳ    Ａ３００３の芯材（アルミニウム合金部材）とをクラッドしたアルミニウム材を用意した。
アルミニウムクラッド材は、各種組成ろう材をクラッド率１０％とし、Ｈ１４相当調質の０．２５ｍｍに仕上げた。また、ろう付け対象部材としてＪＩＳ  Ａ  ３００５合金、Ｈ１４のアルミニウムベア材（０．１ｍｍ厚）のフィン材を用意した。
【００３２】
【表１】
0006470622.tif 000002
【００３３】
前記アルミニウムクラッド材を用いて幅２０ｍｍのチューブ１１を製作し、該チューブと前記コルゲートフィン１２とを組み合わせ、ろう付評価モデルとして、図２（ａ）に示すようなチューブ１５段、長さ３００ｍｍのコア１０とした。その際、少なくともチューブとフィンとの接合部に表２に示す組成物を塗布した。組成物を塗布した前記コアを、窒素雰囲気中（酸素含有量５０ｐｐｍ）のろう付炉にて、５６０〜６００℃にまで加熱し、そのろう付状態を評価した。
【００３４】
○ろう付性
・  接合率
以下式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブの総ろう付け長さ／フィンとチューブの総接触長さ）×１００
判定は以下の基準によって行い、その結果を表３に示した。
ろう付け後のフィン接合率  ◎：９８％以上、○：９０％以上、△：８０％以上、×：８０％未満
【００３５】
・  接合部幅評価
ろう付接合状態は上記接合率のみではなく、本発明の目的であるフィレット形成能の向上を確認するため、図２（ｂ）に示したような接合部の幅を各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。判定は以下の基準とした。
◎：０．８ｍｍ上、○：０．７ｍｍ上、△：０．６ｍｍ上、×：０．６ｍｍ満
実施例の何れも良好なろう付性を示したのに対し、比較例では十分な接合が得られなかった。
【００３６】
・赤外線透過率の測定
各試料のシロキサン結合における赤外線透過率は、ろう付昇温過程の４００℃、５５０℃に到達した試料をろう付炉から取り出し、常温下でフーリエ変換型赤外分光光度計により測定した。具体的には、日本分光株式会社製ＩＲＴ−５０００（高輝度セラミックス光源を使用）を用いて、波長２．５〜２５μｍの赤外線によって、高感度反射法（入射角８５度）で各試料表面のシロキサン結合（波数１１００ｃｍ−１近傍）による反射率を求め、全反射率１００％から差し引いたものを透過率とした。
【００３７】
【表２】
0006470622.tif 000003
【００３８】
【表３】
0006470622.tif 000004
【符号の説明】
【００３９】
１    アルミニウムクラッド材
２    芯材
３    Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ろう材
４    被ろう付部材
５    塗膜
６    被接合部
１０  コア
１１  コルゲートフィン
１２  チューブ
【図１】
0006470622.tif 000005
【図２】
0006470622.tif 000006