(57)【要約】【課題】耐食性に優れ、かつ低融点を示す、比較的安価な金属を用いたろう材を提供すること。【解決手段】スズ、マグネシウム及びアルミニウムを含有する、ろう材が開示される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
スズ、マグネシウム及びアルミニウムを含有する、ろう材。
【請求項２】
当該ろう材の全質量を基準として、
前記マグネシウムの含有量が、０．１〜２５質量％であり、
前記アルミニウムの含有量が、０．１〜８０質量％である、請求項１に記載のろう材。
【請求項３】
リン及び／又はケイ素をさらに含有する、請求項１又は２に記載のろう材。
【請求項４】
当該ろう材の全質量を基準として、
前記リンの含有量が、０〜１０質量％であり、
前記ケイ素の含有量が、０〜１５質量％である、請求項３に記載のろう材。
【請求項５】
鋼板と、前記鋼板の表面の少なくとも一部を覆う、請求項１〜４のいずれか一項に記載のろう材からなるろう材層と、を備える、フープ材。
【請求項６】
管状体を形成するように巻かれている鋼板と、請求項１〜４のいずれか一項に記載のろう材からなるろう材層と、を備える、多重巻管であって、
当該多重巻管の管径方向において前記鋼板が重なっており、重なっている前記鋼板同士を前記ろう材層が接合している、多重巻管。
【請求項７】
前記鋼板が、ステンレス鋼板である、請求項６に記載の多重巻管。
【請求項８】
スズ層、マグネシウム層及びアルミニウム層を含み、前記鋼板側から前記スズ層、前記マグネシウム層及び前記アルミニウム層の順に積層されている、多層金属膜を、鋼板の表面上に形成する工程と、
前記多層金属膜を加熱して、マグネシウムとスズ及び／又はアルミニウムとを含む合金を含有するろう材層を形成する工程と、
を備える、請求項５に記載のフープ材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう材、フープ材、多重巻管、及びフープ材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼板等のろう付けにおいては、各種ろう材が使用されている。一般に、ろう材の融点が低くなると、ろう付け工程における被接合部材の加熱温度が低下するため、被接合部材の材質劣化（母材脆化等）を低減できる。加熱温度が低いことは、作業効率、経済性等の点でも有利である。そのため、例えば２００〜７００℃の低い融点を有するろう材が開発されている（例えば、特許文献１−５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−００１３７３号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／１３７９０１号
【特許文献３】国際公開第２０１４／０１３６３２号
【特許文献４】国際公開第２０１４／０８４２４２号
【特許文献５】国際公開第２０１５／０５３１１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の低融点のろう材は、スズと、金、銀、インジウム、銅、ニッケル等の高価な金属とを含有するため、ろう材の製造コストが高いことが懸念される。また、自動車配管で使用される一重巻管、多重巻管等の自動車部品のろう付けにおいて重要視される耐食性についても、更なる改善が望まれる。
【０００５】
そこで、本発明は、比較的安価な金属を用いながら、耐食性に優れ、かつ低い融点を有するろう材及びこれを用いて得られる多重巻管を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究したところ、スズ及び特定の金属を組み合わせることで、耐食性に優れ、低融点を有するろう材が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の一側面は、スズ、マグネシウム及びアルミニウムを含有するろう材を提供する。スズ、マグネシウム及びアルミニウムを含有するろう材は、例えば６００℃程度の低い融点を有することができる。
【０００８】
当該ろう材の全質量を基準として、マグネシウムの含有量が０．１〜２５質量％であり、アルミニウムの含有量が０．１〜８０質量％であってもよい。
【０００９】
ろう材は、リン及び／又はケイ素をさらに含有してもよい。この場合、当該ろう材の全質量を基準として、リンの含有量が０〜１０質量％であり、ケイ素の含有量が０〜１５質量％であってもよい。
【００１０】
別の側面において、本発明は、鋼板と、鋼板の表面の少なくとも一部を覆う、上記ろう材からなるろう材層と、を備えるフープ材を提供する。
【００１１】
上記フープ材は、例えば、スズ層、マグネシウム層及びアルミニウム層を含み、鋼板側からスズ層、マグネシウム層及びアルミニウム層の順に積層されている、多層金属膜を鋼板の表面上に形成する工程と、多層金属膜を加熱して、マグネシウムとスズ及び／又はアルミニウムとを含む合金を含有するろう材層を形成する工程と、を備える製造方法によって得ることができる。多層金属膜を鋼板の表面上に形成する工程を経てろう材層を形成することによって、ピンホール等に起因する鋼板の腐食が特に効果的に抑制されることが期待できる。
【００１２】
さらに別の側面において、本発明は、管状体を形成するように巻かれている鋼板と、上記ろう材からなるろう材層と、を備える多重巻管に関する。多重巻管の管径方向において鋼板が重なっており、重なっている鋼板同士をろう材層が接合している。鋼板は、ステンレス鋼板であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、比較的安価な金属を用いながら、耐食性に優れ、かつ低融点を有するろう材及びこれを用いた多重巻管を提供することができる。いくつかの実施形態におけるろう材は、機械的強度、耐熱性、耐酸化性の点でも優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】多重巻管の一実施形態を示す断面図である。
【図２】マグネシウム−スズの２成分系平衡状態図である。
【図３】アルミニウム−マグネシウムの２成分系平衡状態図である。
【図４】アルミニウム−スズの２成分系平衡状態図である。
【図５】フープ材及びその製造方法の一実施形態を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
＜多重巻管＞
図１は、一実施形態の多重巻管の管径方向の断面図である。図１に示す多重巻管２００は、管状体を形成するように巻かれている鋼板１０と、ろう材層３０と、を備える。鋼板１０は、多重巻管２００の管径方向において重なるように二重に巻かれている。ろう材層３０は、重なっている鋼板１０の対向する主面１０ａ及び主面１０ｂの間に設けられ、重なっている鋼板１０同士を接合している。言い換えると、重なっている鋼板１０は、ろう材層３０によってろう付けされている。鋼板１０は、ステンレス鋼板であってもよい。ろう材層３０は、ろう材によって形成された層である。ろう材の詳細については後述される。
【００１７】
多重巻管は、重なっている鋼板同士がろう材層によって接合されている部分を含んでいれば、図１の形態に限られない。例えば、ろう材層の一部が、鋼板同士が重なっていない部分の鋼板上にも設けられていてもよい。本明細書において、「多重巻管」は、鋼板が管の周方向の全体にわたって２層以上重なっている、すなわち二重巻以上となっているものに限られず、鋼板の端部のみが管の周方向の一部において重なっている形態の管状体も包含する。
【００１８】
鋼板１０は、板状の鋼（鉄合金）である。鋼板１０の厚みは、０．１〜１ｍｍ又は０．２〜０．８ｍｍであってもよい。鋼板１０は、ステンレス鋼板であってもよい。鋼板１０は、その表層としてニッケルストライクめっき等のめっきを有していてもよい。ニッケルストライクめっきが設けられることにより、鋼板１０とろう材層３０との密着力が向上する。
【００１９】
ろう材層３０の厚みは、特に制限されないが、例えば、１００μｍ以下、３０μｍ以下又は１５μｍ以下であってもよく、３μｍ以上、５μｍ以上、又は１０μｍ以上であってもよい。ろう材層３０が厚いと、鋼板が重なっている部分において鋼板同士が十分に接合していない部分が残りにくい傾向にある。ろう材層３０が薄いと、厚い合金層の生成を抑制することができる。また、ろう材層３０が適度に薄いと、ろう材と鋼板との界面における界面応力が増加して、ろう材層３０における割れの発生を効果的に抑制できる。
【００２０】
＜ろう材＞
一実施形態に係るろう材は、スズ、マグネシウム及びアルミニウムを含有する。ろう材又はこれから形成されたろう材層は、マグネシウムと、スズ及び／又はアルミニウムとを含む合金を含有してもよい。この合金は、マグネシウムと、スズ及び／又はアルミニウムとを含む金属間化合物を含み得る。ろう材は、スズ及びアルミニウムを含む合金を含有していてもよい。
【００２１】
図２は、マグネシウム−スズの２成分系平衡状態図である。図３は、アルミニウム−マグネシウムの２成分系平衡状態図である。図４は、アルミニウム−スズの２成分系平衡状態図である。図２が示すとおり、マグネシウム及びスズは金属間化合物を形成し得る。図３が示すとおり、マグネシウム及びアルミニウムは金属間化合物を形成し得る。一方、図４が示すとおり、アルミニウムとスズはほとんど不固溶であり、通常、これら２成分だけでは、合金を形成し得るが、金属間化合物を形成しないと考えられる。
【００２２】
これら２成分系平衡状態図は、スズ、マグネシウム、及びアルミニウムの３成分を含有するろう材又はろう材層中では、少なくとも、スズとマグネシウムとの金属間化合物（スズ−マグネシウム金属間化合物）、及びマグネシウムとアルミニウムとの金属間化合物（マグネシウム−アルミニウム金属間化合物）が形成され得ることを示唆する。図２及び図３が示すように、これら金属間化合物を含むろう材又はろう材層は、例えば６００℃程度の比較的低温で溶融する。
【００２３】
スズ−マグネシウム合金は、純スズと比較して耐熱性及び耐食性の点で優れている。また、アルミニウムは、耐食性、耐酸化性及び鋼板に対する濡れ性の点で優れている。スズ、マグネシウム、及びアルミニウムの３成分を組み合わせることで、アルミニウムによる耐食性、耐酸化性及び鋼板に対する高い濡れ性に関する優れた性能を、ろう材に付与することができる。さらには、スズ−マグネシウム金属間化合物がろう材の耐熱性及び耐食性向上に寄与し得る。
【００２４】
３成分の組み合わせによるより一層顕著な効果を得るために、ろう材の全質量を基準として、マグネシウムの含有量が０．１〜２５質量％であってもよい。マグネシウムの含有量が２５質量％以下であると、加工性及び濡れ性の点でより優れたろう材が得られる。同様の観点から、マグネシウムの含有量は、１０質量％以下又は５質量％以下であってもよく、０．１質量％以上又は２質量％以上であってもよい。
【００２５】
３成分の組み合わせによるより一層顕著な効果を得るために、ろう材の全質量を基準として、アルミニウムの含有量が０．１〜８０質量％であってもよい。アルミニウムの含有量が８０質量％以下であると、適切な溶融粘度を有するろう材が得られ易い。また、アルミニウムの酸化被膜の生成が抑えられて、より容易にろう付けを行うことができる。同様の観点から、アルミニウムの含有量は、２５質量％以下又は１０質量％以下であってもよく、０．１質量％以上又は５質量％以上であってもよい。あるいは、アルミニウムの含有量が、３０〜８０質量％、又は５０〜８０質量％であってもよい。
【００２６】
スズの含有量は、ろう材の全質量を基準として、通常は９９．８質量％以下である。アルミニウムの含有量が２５質量％以下である場合、スズの含有量は７０質量％以上、又は９０質量％以上であってもよい。アルミニウムの含有量が３０〜８０質量％である場合、スズの含有量は１〜５０質量％、又は１０〜２０質量％であってもよい。
【００２７】
一実施形態に係るろう材は、リン及び／又はケイ素をさらに含有してもよい。ろう材がリンを含むことにより、スズ、マグネシウム、及びアルミニウムの３成分の組み合わせによる上述のろう材と比較して更に、濡れ性がより一層向上する傾向にある。このろう材におけるマグネシウムの含有量及びアルミニウムの含有量は、上述の３成分のろう材における含有量と同様であり得る。
【００２８】
リンを含むろう材は、マグネシウムと、スズ及び／又はアルミニウムとを含む合金を含有していてもよい。この合金は、マグネシウムと、スズ及び／又はアルミニウムとを含む金属間化合物を含み得る。リンを含むろう材は、スズ及びリンを含む合金を含有していてもよい。この合金は、スズ及びリンを含む金属間化合物（スズ−リン金属間化合物）を含み得る。
【００２９】
リンの含有量は、ろう材の全質量を基準として０〜１０質量％であってもよい。リンの含有量が１０質量％以下であると、ろう材の靱性が維持されて、ろう材層が割れにくくなる傾向にある。同様の観点から、リンの含有量は、２質量％以下又は１質量％以下であってもよく、０．１質量％以上又は０．５質量％以上であってもよい。
【００３０】
ろう材がケイ素を含むことにより、ろう材の耐食性及び強度をより一層向上させ得る。アルミニウムの含有量が多い場合（例えば、ろう材の全質量を基準として５０質量％以上）、ろう材がケイ素を含むことにより、ろう材の流動性が向上する傾向にある。
【００３１】
ケイ素を含むろう材は、マグネシウムと、スズ及び／又はアルミニウムとを含む合金を含有していてもよい。この合金は、マグネシウムと、スズ及び／又はアルミニウムとを含む金属間化合物を含み得る。ケイ素を含むろう材は、マグネシウム及びケイ素を含む合金を含有していてもよい。この合金は、マグネシウム及びケイ素を含む金属間化合物（マグネシウム−ケイ素金属間化合物）を含み得る。
【００３２】
ケイ素の含有量は、ろう材の全質量を基準として０〜１５質量％であってもよい。ケイ素の含有量が１５質量％以下であると、ろう材の流動性、耐食性及び強度に関する効果が特に顕著に得られやすい傾向にある。同様の観点から、ケイ素の含有量は１０質量％以下又は５質量％以下であってもよく、０．２質量％以上又は２質量％以上であってもよい。
【００３３】
一実施形態に係るろう材は、不可避不純物を含んでいてもよい。ここで、不可避不純物は、原料粉末中に含まれる不純物又は各工程時に混入する不純物等であって、経済的又は技術的な理由等により除去することが困難な元素を意味する。
【００３４】
スズ、マグネシウム及びアルミニウムを含有するろう材において、マグネシウム及びアルミニウム以外の残部は、スズ及び不可避不純物であってもよい。スズ、マグネシウム、アルミニウム、並びにリン及び／又はケイ素を含有するろう材において、マグネシウム、アルミニウム、リン及びケイ素以外の残部は、スズ及び不可避不純物であってもよい。
【００３５】
一実施形態に係るろう材は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、スズ、マグネシウム、アルミニウム、リン及びケイ素以外の他の元素を含んでいてもよい。ろう材に含まれ得る他の元素の例としては、ホウ素、チタン、亜鉛、マンガン、銅、ベリリウム、モリブデン、タングステン等がある。これら他の元素の含有量は、ろう材の全質量を基準として０〜０．１質量％であってもよい。
【００３６】
＜多重巻管の製造方法＞
多重巻管２００は、例えば、鋼板１０及び鋼板１０の表面を覆うろう材層３０を有するフープ材１００を巻いて管状体を形成することと、ろう材層３０を加熱溶融し、その後、ろう材層３０を冷却することにより鋼板１０同士をろう材層３０を介して接合することとを含む方法によって、得ることができる。
【００３７】
ろう材層３０は、例えば、炉、直接通電、高周波加熱等の加熱装置によって加熱溶融させることができる。ろう材層３０を加熱溶融する工程の雰囲気は、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気であってもよいし、還元性の水素ガス雰囲気であってもよい。
【００３８】
ろう材層３０が上述の低融点のろう材によって形成されていることから、ろう材層３０を比較的低温で加熱溶融することができる。ろう材層３０を低温で加熱溶融することで、高温での処理に伴う鋼板１０の脆化を防止しながら、耐食性に優れる多重巻管２００を得ることができる。係る観点から、例えば、ろう材層３０を加熱溶融する温度は、９００℃以下、７００℃以下、又は６００℃以下であってもよい。また、ろう材層３０を加熱溶融する温度は、４００℃以上、５００℃以上、又は６００℃以上であってもよい。
【００３９】
図５は、多重巻管を製造するために用いるフープ材及びその製造方法の一実施形態を示す模式断面図である。図５に示す方法は、スズ層２２、マグネシウム層２４及びアルミニウム層２６を含み、鋼板１０側からスズ、マグネシウム及びアルミニウムの順に積層されている、多層金属膜２０を、鋼板１０の表面上に形成する工程と、多層金属膜２０を加熱して、マグネシウムとスズ及び／又はアルミニウムとを含む合金を含有するろう材層３０を形成する工程とを備える。この方法により、鋼板１０及びろう材層３０を有する平板状のフープ材１００が得られる。
【００４０】
スズ層２２は、例えば、真空めっき、電気めっき、化学めっき、溶融めっき、又は溶射により形成することができる。
【００４１】
スズ層２２は、スズに加えてリンを含んでいてもよい。スズ層２２の厚みは、例えば、２μｍ以上又は１０μｍ以上であってもよく、１００μｍ以下又は５０μｍ以下であってもよい。
【００４２】
マグネシウム層２４及びアルミニウム層２６は、例えば、真空めっき、溶融めっき、溶射、又はＣｏｌｄ  Ｓｐｒａｙ法により形成することができる。マグネシウム及びアルミニウムの酸化を防止でき、さらに効率がよいことから、Ｃｏｌｄ  Ｓｐｒａｙ法を選択してもよい。
【００４３】
マグネシウム層２４は、マグネシウムに加えてケイ素を含んでいてもよい。マグネシウム層２４の厚みは、例えば、０．５μｍ以上又は６μｍ以上であってもよく、６０μｍ以下又は３０μｍ以下であってもよい。
【００４４】
アルミニウム層２６は、アルミニウムに加えてケイ素を含んでいてもよい。アルミニウム層２６の厚みは、例えば、０．５μｍ以上又は４μｍ以上であってもよく、１００μｍ以下又は５０μｍ以下であってもよい。
【００４５】
ろう材層３０を形成するために多層金属膜２０を加熱する温度は、例えば、６００℃以上、又は７００℃以上であってもよく、９００℃以下、又は８００℃以下であってもよい。多層金属膜２０は、例えば、炉、直接通電、高周波加熱等の加熱装置を用いて加熱することができる。
【００４６】
図５に示す方法により形成されるろう材層３０は、スズを主成分として含むスズリッチ層３２と、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｍｇ２Ｓｉ等の金属間化合物を含み得る合金層３４と、アルミニウムを主成分として含むアルミニウムリッチ層３６とを有していてもよい。スズリッチ層３２、合金層３４及びアルミニウムリッチ層３６は、鋼板１０側からこの順に配置される。多層金属膜２０の加熱により、マグネシウム層２４が隣接するスズ層２２及びアルミニウム層２６との間で相互に拡散して、合金が形成され、その結果このような３層構成のろう材層３０が形成される。３層の境界は必ずしも明瞭ではなく、各成分の濃度が厚み方向において傾斜的に変化していることが多いと考えられる。
【００４７】
スズリッチ層３２、及びアルミニウムリッチ層３６は、それぞれ、金属間化合物を形成していないスズ及びアルミニウムを含み得る。スズリッチ層３２は、鋼板１０に対して高い密着力を有することができる。アルミニウムリッチ層３６がろう材層３０の最表層として設けられることで、ろう材層３０の表面にアルミニウムの酸化被膜が形成されて、これがろう材層の耐食性向上に寄与し得る。スズ層２２がリンを含んでいる場合、合金層３４は、スズ−リン金属間化合物も含み得る。マグネシウム層２４又はアルミニウム層２６がケイ素を含んでいる場合、合金層３４は、マグネシウム−ケイ素金属間化合物も含み得る。
【００４８】
フープ材１００が有するろう材層３０は、図５のような３層構成に限られず、スズ、マグネシウム、アルミニウム、及び場合によりリン及び／又はケイ素が、ろう材層の厚み方向において実質的に均一に分布していてもよい。あるいは、スズ層２２（場合によりリンを含む）、マグネシウム層２４（場合によりケイ素を含む）及びアルミニウム層２６（場合によりケイ素を含む）を有する多層金属膜２０をそのままろう材層として用いて、多重巻管２００を形成するときの加熱により、合金を形成させてもよい。ろう材層３０は、鋼板１０の片面上に形成されていてもよいし、鋼板１０の両面上に形成されていてもよい。
【００４９】
フープ材を製造する他の方法としては、例えば、スズ、マグネシウム、アルミニウム、並びに場合によりリン及び／又はケイ素を含む合金塊を形成することと、この合金塊を粉末化して合金粉末を得ることと、合金粉末を鋼板に塗布又は堆積させてろう材層を形成することとを含む方法がある。
【００５０】
スズ、マグネシウム、及びアルミニウムを含む合金塊は、マグネシウムとスズ及び／又はアルミニウムとを含む金属間化合物を含有し得る。合金塊がリンを含んでいる場合、合金塊は、スズ−リン金属間化合物を含有し得る。合金塊がケイ素を含んでいる場合、合金塊は、マグネシウム−ケイ素金属間化合物を含有し得る。この合金塊は、例えば、これら金属を含む混合物を溶解炉のルツボ中で完全に溶解し、溶融物を冷却することにより得ることができる。合金塊を粉末化する方法としては、例えば、アトマイズ法及び溶融粉碎法が挙げられる。例えば、バインダとともに粉末化した合金粉末を鋼板にふりかける方法、合金粉末及びバインダを含むペーストを鋼板に塗布する方法、又は、合金粉末を溶射する方法により、鋼板上にろう材層を形成させることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０…鋼板、１０ａ、１０ｂ…鋼板の主面、２０…多層金属膜、２２…スズ層、２４…マグネシウム層、２６…アルミニウム層、３０…ろう材層、３２…スズリッチ層、３４…合金層、３６…アルミニウムリッチ層、１００…フープ材、２００…多重巻管。
【図１】
2017039157.tif 000002
【図２】
2017039157.tif 000003
【図３】
2017039157.tif 000004
【図４】
2017039157.tif 000005
【図５】
2017039157.tif 000006