(57)【要約】【課題】複数種類の金属層を有した複合ろう材であっても、複合ろう材と被ろう付け材とを良好にろう付けする。【解決手段】複数種類の金属層３，４を有した複合ろう材５を被ろう付け材２にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材２に設けられた上記複合ろう材５をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層３，４同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材５をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施す。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材に設けられた上記複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施すことを特徴とする複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
【請求項２】
上記複合ろう材を、銅または銅合金層、チタンまたはチタン合金層及びニッケルまたはニッケル合金層の積層体、或いは銅または銅合金層及びチタンまたはチタン合金層の積層体で構成した請求項１記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
【請求項３】
上記被ろう付け材がステンレス鋼にて構成された請求項１または２いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
【請求項４】
上記固相拡散反応を、上記各金属層全体に渡って均一に生じさせるように予備加熱が行われる請求項１乃至３いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法。
【請求項５】
上記請求項１乃至４いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法によってろう付けして組み立てられたことを特徴とするろう付け製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法及びろう付け製品に係り、特に、熱交換機や燃料電池用部材に適用され、ろう付け性能を向上させると共に、耐熱性と耐食性能を向上させるように改良された複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法及びろう付け製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用オイルクーラ等の熱交換器に用いられるろう付け接合材としては、従来より、ステンレス基クラッドろう材が使用されている。このステンレス基クラッドろう材は、ステンレス板の片面或いは両面にろう材としての機能を有する銅がクラッドされている。
【０００３】
また、ステンレス鋼、ニッケル基合金またはコバルト基合金などからなる部品のろう付け材として、接合部の耐酸化性や耐食性に優れる各種ニッケルろうがＪＩＳ規格により規定されている。
【０００４】
さらに、熱交換器接合用ニッケルろう材として、粉末状ニッケルろうに、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ合金のうちから選択される金属粉末を４重量％〜２２重量％添加して構成されるニッケルろう材があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、従来より一般的に行われているろう付け方法は、常温から、ろう材の融点よりも５０℃〜１００℃高い温度まで直線的に昇温させて、その温度で所定時間等温保持して加熱した後に、冷却するようになっていた。
【０００６】
また、自己ろう付け性を有するろう材としては、特開平７−２９９５９２号公報に記載された自己ろう付け性複合材がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１０７８３３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のろう付け方法は、単層のろう材に適用されるものであって、被ろう付け材表面に複数種類の金属層を有する複合ろう材に適用すると以下のような問題があった。
【０００９】
上述のろう付け方法における常温からろう付け温度までの昇温過程は、直線的且つ急激であるため、ろう材を構成する各金属層間の拡散が均一に進行せず、ろう材の溶融状態がろう付け場所によって異なり、ろう材の流れを悪化させる。これによって、ろう材部分と被ろう付け材との間に形成されるフィレットの大きさと形状にバラツキが生じ、良好なろう付けができないでいた。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、複数種類の金属層を有した複合ろう材であっても、複合ろう材と被ろう付け材とを良好にろう付けすることができる複数種類の金属層を有した複合材のろう付け方法及びろう付け製品を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決すべく、請求項１の発明は、複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材に設けられた上記複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施す複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【００１２】
上記方法によれば、複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて被ろう付け材にろう付け処理を施すようにしたので、ろう材を構成する各金属層間の拡散が均一に進行し、ろう材の溶融が一様に且つ迅速に行われ、ろう材部分と被ろう付け材との間に形成されるフィレットの大きさと形状が一定になるので、良好なろう付けができる。
【００１３】
請求項２の発明は、上記複合ろう材を、銅または銅合金層、チタンまたはチタン合金層及びニッケルまたはニッケル合金層の積層体、或いは銅または銅合金層及びチタンまたはチタン合金層の積層体で構成した複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【００１４】
請求項３の発明は、上記被ろう付け材がステンレス鋼にて構成された複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【００１５】
請求項４の発明は、上記固相拡散反応を、上記各金属層全体に渡って均一に生じさせるように予備加熱が行われる複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法である。
【００１６】
請求項５の発明は、上記請求項１乃至４いずれかに記載の複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法によってろう付けして組み立てられたろう付け製品である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１８】
図１は複合ろう材に本発明に係るろう付け方法によるろう付け熱処理を施した状態を示した断面図、図２は複合ろう材の予備加熱前の状態を示した断面図、図３は本発明に係る複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法の熱処理温度プロファイルの一例を示したグラフである。
【００１９】
本発明は、複数種類の金属層を有した複合ろう材を被ろう付け材にろう付け処理するろう付け方法において、上記被ろう付け材に形成された上記複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度で予備加熱して上記各金属層同士の固相拡散反応を生じさせた後に、上記複合ろう材をその融点より高い温度で加熱して溶融させて上記被ろう付け材にろう付け処理を施すことを特徴とする。
【００２０】
すなわち、本発明は、ステンレス鋼１等からなる基材（被ろう付け材）２の表面に２種類以上且つ２層以上の金属層（例えば銅層３、チタン層４、銅層３からなる３層）を設けた複合ろう材（図２参照）５と他の被ろう付け材（図示せず）とのろう付け熱処理時に、図３に示すように複合ろう材５の溶融が開始されない温度（具体的には、複合ろう材５を構成するＣｕとＴｉの２元系合金のうち、最も低い融点から５０℃〜１００℃低い温度）にて一定時間保持、加熱し、複合ろう材５部分の各金属層３，４同士の固相拡散反応を十分に促進させる。このときの溶融開始温度は、隣り合った金属層３，４それぞれの２つの元素で構成される全ての組成の合金の中で、最も低い温度であり、ろう層全体が合金化した場合の融点より低い温度である。従って、ろう層全体が溶融するには到らない。
【００２１】
さらに、複合ろう材５部分の融点より高い温度（具体的には、拡散が終了して合金化した複合ろう材５（合金層６）の融点より５０℃〜１００℃高い温度）であるろう付け温度にて昇温保持、加熱を行うことによって、均一且つ迅速に複合ろう材５を溶融させてろう付けを行うようになっている。
【００２２】
この方法によれば、被ろう付け材２の表面に２種類以上且つ２層以上の金属層３，４を設けた複合ろう材５を、その複合ろう材５の溶融が開始されない温度にて一定時間保持、加熱したことによって、各金属層３，４同士の固相拡散反応が十分に促進され、ろう層全体が均一な合金層６となる（図１参照）。
【００２３】
これによって、その後の合金層６の融点より高い温度であるろう付け温度による昇温保持、加熱を行うことにより、複合ろう材５全体が同時に且つ瞬時に溶融するので、均一且つ迅速にろう材を溶融させて、良好なろう付けを行うことができる。
【００２４】
なお、上述した固相拡散反応は、ろう層全体が均一な合金層（固相拡散層）６となるように行っているが、これに限られるものではなく、各金属層３，４の厚さ方向に若干、固相拡散反応が生じていない部分が残る程度に行ってもよい。
【００２５】
次に、本発明に係るろう付け方法を適用した実施例と、予備加熱の温度を変えた比較例と、従来のろう付け方法を適用した従来例とでろう付け状態を比較した実験について説明する。
【００２６】
実施例１では、板厚１．０ｍｍのコイル状銅（または銅合金）板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン（またはチタン合金）板、板厚１．０ｍｍのコイル状銅（または銅合金）板を重ね合わせ、銅層３、チタン層４、銅層３からなる合計３層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚１．４ｍｍのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚１．０ｍｍのクラッド板（複合ろう材５）に仕上げた。
【００２７】
そして、この複合ろう材５を被ろう付け材（厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ３０４条）２に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合基材を作製した（図２参照）。
【００２８】
この複合基材を真空下（１０-2Ｐａ以下）で、図３のグラフに示す本発明のろう付け方法による熱処理を行った。このとき、ＣｕとＴｉの２元系合金で最も低い融点は８８０℃であるので、これより６０℃低い８２０℃を予備加熱温度である拡散処理温度として、常温から８２０℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で昇温を行い、８２０℃到達後は、その温度で２０分間等温保持、加熱した。その後、さらに１０℃／ｍｉｎの割合でろう付け温度である１０００℃まで昇温を行い、１０分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【００２９】
実施例２では、板厚１．０ｍｍのコイル状銅（または銅合金）板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン（またはチタン合金）板、板厚１．０ｍｍのコイル状ニッケル板（またはニッケル合金）を重ね合わせ、合計３層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚１．４ｍｍのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚１．０ｍｍのクラッド板（複合ろう材）に仕上げた。
【００３０】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材（厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ３０４条）に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合基材を作製した。
【００３１】
この複合基材を真空下（１０-2Ｐａ以下）で、図３のグラフに示すように、本発明のろう付け方法による熱処理を行った。このとき、ＮｉとＴｉの２元系合金で最も低い融点は９４２℃であり、ＣｕとＴｉの２元系合金で最も低い融点は８８０℃であるので、８２０℃を予備加熱温度である拡散処理温度として、常温から８２０℃（予備加熱温度である拡散処理温度）まで１０℃／ｍｉｎの割合で昇温を行い、８２０℃到達後は、その温度で２０分間等温保持、加熱した。その後、さらに１０℃／ｍｉｎの割合でろう付け温度である９８０℃まで昇温を行い、１０分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【００３２】
比較例１では、板厚１．０ｍｍのコイル状銅板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．０ｍｍのコイル状銅板を重ね合わせ、合計３層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚１．４ｍｍのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚１．０ｍｍのクラッド板（複合ろう材）に仕上げた。
【００３３】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材（厚さ２．５ｍｍのＳＵＳ３０４条）に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合基材を作製した。
【００３４】
この複合基材を真空下（１０-2Ｐａ以下）で、以下に説明する熱処理を行った。７００℃を予備加熱温度として、常温から７００℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で昇温を行い、７００℃到達後は、その温度で２０分間等温保持、加熱した。その後、さらに１０℃／ｍｉｎの割合でろう付け温度である１０００℃まで昇温を行い、１０分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【００３５】
比較例２では、板厚１．０ｍｍのコイル状銅板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．０ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計３層の構造にし、熱間圧延を行い、板厚１．４ｍｍのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚１．０ｍｍのクラッド板（複合ろう材）に仕上げた。
【００３６】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材（厚さ２．５ｍｍのＳＵＳ３０４条）に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合基材を作製した。
【００３７】
この複合基材を真空下（１０-2Ｐａ以下）で、以下に説明する熱処理を行った。８６０℃を予備加熱温度として、常温から８６０℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で昇温を行い、８６０℃到達後は、その温度で２０分間等温保持、加熱した。その後、さらに１０℃／ｍｉｎの割合でろう付け温度である９８０℃まで昇温を行い、１０分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【００３８】
従来例１では、図４に示すように、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚０．５ｍｍのコイル状銅板を、それぞれ１層おきに銅、チタン、銅の順で一枚ずつ重ね、銅層１２、チタン層１１、銅層１２からなる合計３層の構造にした後、熱間圧延を行い、板厚１．４ｍｍのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚１．０ｍｍのクラッド板（複合ろう材１４）に仕上げた。
【００３９】
そして、この複合ろう材１４を被ろう付け材（厚さ２．５ｍｍのＳＵＳ３０４条）１５に圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合基材を作製した。
【００４０】
この複合基材を真空下（１０-2Ｐａ以下）で、以下に説明する熱処理を行った。図５に示すように、常温から１０００℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で直線的に昇温を行い、１０分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【００４１】
従来例２では、板厚０．７ｍｍのコイル状純ニッケル板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．０ｍｍのコイル状銅板を、それぞれニッケル、チタン、銅の順で一枚ずつ重ね合計３層の構造にした後、熱間圧延を行い、板厚１．４ｍｍのクラッド板を形成し、引き続き冷間圧延により板厚１．０ｍｍのクラッド板（複合ろう材）に仕上げた。
【００４２】
そして、この複合ろう材を被ろう付け材（厚さ２．５ｍｍのＳＵＳ３０４条）にニッケル層が外側になるように配置し、圧延法によりクラッド、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合基材を作製した。
【００４３】
この複合基材を真空下（１０-2Ｐａ以下）で、以下に説明する熱処理を行った。常温から９８０℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で直線的に昇温を行い、１０分間等温保持、加熱した後、急冷を行った。
【００４４】
以上の条件において形成された複合ろう材とＳＵＳ３０４からなる被ろう付け材とのろう付け性能を調査した。
【００４５】
表１は、実施例１，２及び比較例１，２及び従来例１，２の複合ろう材の構成、熱処理条件及びろう付け状態を示したものである。ろう付け状態（湯流れ性）については、各々製作した複合材の表面にＳＵＳ３０４をのせてろう付けした際のろう付け部のフィレット形状及び量を調査して評価した。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
上記表１に示すように、実施例１，２については、ろう付け状態が良好であり、比較例１，２及び従来例１，２については、ろう付け状態にバラツキがあるという結果が得られた。
【００４８】
これは、以下に説明する作用に依るためであると考えられる。
【００４９】
実施例１，２においては、熱処理の第一段階（予備加熱）で、複合ろう材をその溶融開始点よりも低い温度（複合ろう材５の溶融開始温度より５０℃〜１００℃低い温度）で一定時間加熱することによって、金属層３，４同士の固相拡散が進行し、図１に示すように、ろう層全体が十分に均一な相（合金層６）になる。その後、拡散が終了して合金化したろう層（合金層６）の融点より５０℃〜１００℃高い温度で、ろう層全体を溶融させることによりろう付け処理を行う。このとき、複合ろう材５全体が均一な相となっているので、同時に且つ瞬時に溶融し、良好なろう付けを行うことができる。
【００５０】
比較例２のように予備加熱時の温度が低い場合には、金属層３，４同士の固相拡散が十分に進行しないために、表１に示すように、ろう付け状態にバラツキが発生してしまう。
【００５１】
一方、比較例１のように予備加熱時の温度が高い場合には、ろう付け部表面内の温度バラツキが大きくなり、溶融している部分が存在してしまうために、表１に示すように、ろう付け状態にバラツキが発生してしまう。
【００５２】
従来例１，２においては、ろう付け熱処理が、図５に示すように、ろう付け温度まで直線的に昇温するものであるため、昇温過程において、ろう層の内、隣り合った金属層の界面近傍で拡散が進行し、溶融が開始される。このときの溶融開始温度は、隣り合った金属層それぞれの２つの元素で構成される全ての組成の合金の中で、最も低い温度であり、ろう層全体が合金化した場合の融点より低い温度である。従って、ろう層全体が溶融するには到らない。そのため、かかる複合ろう材では、図４に示すように、被ろう付け材１５と接触するろう層１４表面は、この時点では溶融していないが、内部は溶融しているため、ろう層１４は被ろう付け材１５に押されて変形し、溶融の進行が場所によって異なってくる。そして、完全に溶融が終了した部分と、それ以上溶融が進まない部分が混在し、ろう付けが不均一になる。
【００５３】
本発明に係る複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法によれば、耐熱性と耐食性能に優れたろう付け製品を製造することができ、排ガス再循環装置（ＥＧＲ）用クーラや燃料電池用改質器用クーラ等の熱交換器及び燃料電池用部材に適用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、複数種類の金属層を有した複合ろう材であっても、複合ろう材と被ろう付け材とを良好にろう付けすることができるといった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合ろう材に本発明に係るろう付け方法によるろう付け熱処理を施した状態を示した断面図である。
【図２】複合ろう材の予備加熱前の状態を示した断面図である。
【図３】本発明に係る複数種類の金属層を有した複合ろう材のろう付け方法の熱処理温度プロファイルの一例を示したグラフである。
【図４】複合ろう材に従来のう付け熱処理を施した状態を示した断面図である。
【図５】従来の熱処理温度プロファイルを示したグラフである。
【符号の説明】
２  基材（被ろう付け材）
３  銅層（金属層）
４  チタン層（金属層）
５  複合ろう材
６  合金層
【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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