(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．００２０〜０．０２００重量％のＮを含む鋼板の表面にＳｉ：５〜１５重量％を含み膜厚１０μｍ以上の溶融アルミめっき層を形成した後、下限温度が、０．００２重量％≦Ｎ重量％＜０．００５重量％ではＴ＝−３８４８×Ｎ1/2＋６７２−３５log（ｔ／５０），０．００５重量％≦Ｎ重量％≦０．０２０重量％ではＴ＝−１４１４×Ｎ1/2＋５００−３５log（ｔ／５０）［ただし、ｔは加熱時間（時）、Ｎは鋼板のＮ（窒素）含有量（重量％）］で規制される温度Ｔ（℃）〜５７０℃の温度範囲で０．５〜５０時間の熱処理を施して溶融アルミめっき層との界面にＮ：３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成されている溶融アルミめっき鋼板を被ろう付け材とし、該被ろう付け材を相手材に接触させて５８０〜６３０℃に加熱し、前記溶融アルミめっき層をろう材としてろう付けすることを特徴とする溶融アルミめっき鋼板のろう付け方法。
【請求項２】
相手材が同種のアルミめっき鋼板又はアルミ材である請求項１記載の溶融アルミめっき鋼板のろう付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高い継手強度で溶融アルミめっき鋼板を同種材料又は異種材料に接合するろう付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミめっき鋼板は、アルミめっき層の優れた耐食性，耐熱性，耐酸化性，表面性状等を活用して配管，車両用部品，建材等の各種分野で使用されている。特に高温酸化性雰囲気に曝される環境では、他の表面処理鋼板では得られない耐高温酸化性及び耐久性が発揮される。
アルミめっき鋼板を構造部材等として使用するに際しては、他の部材との接合が必要になる。通常は、ボルト，リベット等の機械的な固着によってアルミめっき鋼板製部材を他の異種部材に接合しているが、機械的固着では工数が多く、また必要とする接合強度も得られ難い。そこで、たとえば特開昭６２−２３８０６６号公報では、ろう付けによってアルミめっき鋼材をアルミ材に接合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
アルミめっき鋼板をろう付けするとき、ろう付け温度は、通常Ａｌの融点より若干低い温度、具体的には５８０〜６３０℃の温度範囲に設定される。しかし、ろう付け時の加熱によってアルミめっき層と素地鋼の間でＡｌとＦｅの相互拡散反応が進み、アルミめっき層本来の優れた特性がろう付け後に失われる場合がある。たとえば、素地からＦｅがアルミめっき層に拡散しめっき層表面まで達すると、アルミめっき層特有の銀白色から灰黒色に変色する。灰黒色化しためっき層は、外観を著しく損なうばかりでなく、耐食性及び耐熱性も劣化する。
また、アルミめっき層とろう材の間で接合反応が生じず、ろう付けできないこともある。ろう付けされても、Ａｌ−Ｆｅ系の金属間化合物層が厚く成長し、用途から要求される接合強度を持った継手が得られないことが多い。この点に付いて詳細に検討した結果、厚く成長したＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物層は、加熱初期段階で成長したＡｌ5ＦｅＳｉ金属間化合物層とその下層に新たに晶出したＡｌ5Ｆｅ2金属間化合物層の２層から形成されていることが判明した。Ａｌ−Ｆｅの相互拡散反応の進行に伴い、Ａｌ5ＦｅＳｉ金属間化合物層と素地鋼との間に晶出するＡｌ5Ｆｅ2金属間化合物層は、著しく硬く脆いため、ろう付け接合部の強度を低下させる原因となる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｎ濃縮層が界面に形成された溶融アルミめっき鋼板を使用し、溶融アルミめっき層自体をろう材として使用することにより、アルミめっき層の特性を損なうことなく溶融アルミめっき鋼板を同種材料又は異種材料にろう付けすることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のろう付け方法は、その目的を達成するため、０．００２０〜０．０２００重量％のＮを含む鋼板の表面にＳｉ：５〜１５重量％を含み膜厚１０μｍ以上の溶融アルミめっき層を形成した後、下限温度が、０．００２重量％≦Ｎ重量％＜０．００５重量％ではＴ＝−３８４８×Ｎ1/2＋６７２−３５log（ｔ／５０），０．００５重量％≦Ｎ重量％≦０．０２０重量％ではＴ＝−１４１４×Ｎ1/2＋５００−３５log（ｔ／５０）［ただし、ｔは加熱時間（時）、Ｎは鋼板のＮ（窒素）含有量（重量％）］で規制される温度Ｔ（℃）〜５７０℃の温度範囲で０．５〜５０時間の熱処理を施して、溶融アルミめっき層との界面にＮ：３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成されている溶融アルミめっき鋼板を被ろう付け材とし、該被ろう付け材を相手材に接触させて５８０〜６３０℃に加熱し、前記溶融アルミめっき層をろう材としてろう付けすることを特徴とする。
相手材としては、同種のアルミめっき鋼板又はアルミ材が使用される。
【０００５】
本発明で使用するめっき原板は、溶融アルミめっき後の熱処理で溶融アルミめっき層と素地鋼との界面にＮ濃縮層を形成させるため、０．００２０重量％以上のＮを含むことが必要である。Ｎ含有量が０．００２０重量％未満では、熱処理によっても十分なＮ濃縮層が生成されず、ろう付け時の加熱で溶融アルミめっき層と素地鋼との間に拡散反応が生じ易くなる。しかし、Ｎ含有量が０．０２００重量％を超えると、鋼板自体が硬質化し、ろう付け前に施される成形加工が困難になる。
なお、Ｎ含有量が０．００２０重量％以上である限り、使用可能な鋼種に制約を受けるものではなく、普通鋼，低合金鋼，高合金鋼，ステンレス鋼等の各種鋼板をめっき原板として使用することができる。ただし、鋼中に存在するＡｌは、鋼材の熱履歴によってはＮと反応してＡｌＮとして鋼中に析出し、Ｎ濃縮層の形成を阻害することになるので、Ａｌ含有量０．０３０重量％以下の鋼材が好ましい。
【０００６】
鋼板表面に形成される溶融アルミめっき層は、ろう材としても働く。すなわち、本発明に従った溶融アルミめっき層は、通常のアルミろう材と同レベルのＳｉを含んでいる。具体的には、５〜１５重量％のＳｉを含む溶融アルミめっき層は、Ａｌ−Ｓｉ二元状態図（図１）に示すように５７７〜６３０℃の範囲に融点があり、組成的にも通常のろう材と大きく変わらない。しかし、Ｓｉ含有量が少なくなると融点が上昇し、アルミ材の融点に接近するため、ろう付けが困難になる。また、１５重量％を超えるＳｉ含有量でも同様に融点上昇を招き、ろう付けが困難になる。なお、前述した特性を損なわない限り、他の特性を向上させるためＭｇ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｒ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｔｉ等をめっき層に含ませることもできる。
【０００７】
本発明では、溶融アルミめっき層自体をろう材として使用するため、比較的厚い１０μｍ以上の溶融アルミめっき層を形成している。溶融アルミめっき層は、膜厚が１０μｍ以上であれば接合相手材である同種のアルミめっき鋼板又はアルミ材に対して良好な濡れ性及び接合強度を示す。良好なろう付け性を得るためには膜厚１０μｍ以上の溶融アルミめっき層が必要であるが、膜厚の上限は特に規定されるものではない。
溶融アルミめっき層と素地鋼との界面には、３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成されている。Ｎ濃縮層は、素地鋼から溶融アルミめっき層に拡散しようとするＦｅに対するバリアーとして働き、溶融アルミめっき層と素地鋼との間のＡｌ−Ｆｅの相互拡散反応を抑制する。その結果、溶融アルミめっき層を通常のろう材と同様に使用してろう付けすることが可能となる。Ｎ濃縮層がろう付け性の向上に及ぼす影響は、本発明者等によって見出されたものであり、３．０原子％以上の濃度でＮ濃縮層の作用が顕著になる。
【０００８】
Ｎ濃縮層をバリアーとして有効に作用させるためには、３．０原子％以上の濃度をもったＮ濃縮層が５０Å以上の厚みで溶融アルミめっき層と素地鋼との界面に存在することが好ましい。Ｎ濃縮層の厚みが５０Å未満になると、Ｆｅが素地鋼から溶融アルミめっき層に拡散することを抑える作用が弱くなる。
Ｎ濃縮層は、加熱時間（時）をｔ、鋼板のＮ（窒素）含有量（重量％）をＮとするとき、０．００２重量％≦Ｎ重量％＜０．００５重量％ではＴ＝−３８４８×Ｎ1/2＋６７２−３５log（ｔ／５０），０．００５重量％≦Ｎ重量％≦０．０２０重量％ではＴ＝−１４１４×Ｎ1/2＋５００−３５log（ｔ／５０）の関係を満足する下限温度Ｔ（℃）〜５７０℃×０．５〜５０時間の熱処理を施すことにより形成される。下限温度は、Ｎ含有量の増加に従ってＮ濃縮層が生成し易くなるため、Ｎ含有量に応じて低温側に移行する。しかし、熱処理温度が下限温度を下回ると、Ａｌ−Ｆｅの相互拡散反応を抑制するＮ濃縮層の形成に５０時間を超える長時間の加熱が必要になるため、工業的規模での生産を考慮すると著しいコスト上昇を招く。これに対し、下限温度以上の温度で熱処理すると、５０時間以内の加熱でＦｅが拡散抑制に有効な３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成される。
【０００９】
しかし、熱処理温度がＡｌ−Ｓｉの共晶温度５７７℃を超えると、溶融アルミめっき層自体が部分的に溶融し始め、熱処理時にコイル密着，めっき層膜厚の不均一化，加熱設備と溶融アルミめっき鋼板との局部的な密着等、様々なトラブルが発生し易くなる。そのため、本発明では熱処理温度の上限を５７０℃に設定した。
なお、熱処理時間は、加熱温度が下限温度〜５７０℃の範囲であれば、溶融アルミめっき層と素地鋼との界面に３．０原子％以上のＮ濃縮層を形成させることから、０．５〜５０時間の範囲で設定される。
熱処理雰囲気は、特に制約されるものでなく、前述した熱処理条件で加熱するとき、Ｈ2，Ｎ2，Ａｒ，真空等の雰囲気に関係なく、目的とする作用をもったＮ濃縮層が形成される。
【００１０】
このようにしてＮ濃縮層が形成された溶融アルミめっき鋼板は、別途ろう材を必要とすることなく溶融アルミめっき層がろう材として使用され、通常のアルミ材と同様に同種又は異種材料にろう付けできる。ろう付け後の表面も当初の銀白色の光沢をもち、アルミめっき本来の耐食性，耐熱性，耐酸化性等が維持されている。
ろう付けは、アルミ材のろう付けと同様にフッ化物系フラックスを接合面に塗布した後、Ｈ2，Ｎ2，大気，真空等の雰囲気中で行われる。ろう付け温度は、良好なろう付け性を得るためにめっき層を溶融状態にすることから、溶融アルミめっき層の融点を超える５８０℃以上に設定される。しかし、ろう付け温度が６３０℃を超えると、Ａｌ−Ｆｅの相互拡散エネルギーが高くなり、Ｎ濃縮層によるＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物層の成長抑制が困難になり、非常に短時間でめっき層表面までＦｅが拡散し、ろう付けできなくなる。そのため、ろう付け温度は５８０〜６３０℃の範囲に規制した。また、ろう付け時間に付いては、長時間ろう付け温度に保持すると次第にＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物層が成長し始めることから、１時間以内に設定することが好ましい。
【００１１】
【実施例】
表１に示す鋼材Ａ，Ｂをめっき原板として使用し、露点−４０℃の５０％Ｈ2 −Ｎ2 雰囲気で７２０℃×３０秒間の均熱処理を施した。その後、同じ雰囲気下に保持されたＳｉ：９．２重量％及びＦｅ：１．７重量％を含む浴温６５０℃のアルミめっき浴に２秒浸漬し、鋼板表面にＳｉ含有量９．２重量％，膜厚２０μｍのアルミめっき層を形成した。
【００１２】
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【００１３】
溶融アルミめっきした鋼板を２５ｍｍ×１００ｍｍのサイズに調整し、５２０℃に６時間保持する熱処理を施し、めっき層と素地鋼との界面に生成するＮ濃縮層の影響を調査した。Ｎ濃縮層は、めっき原板の表面からアルミめっき層を除去した後、鋼表面のオージェ分光分析により各元素の厚み方向濃度分布を測定することにより判定した。図２の分析結果にみられるように、表層にＮが濃縮していることが判った。他方、比較鋼Ａを同様に元素分析したものでは、Ｎの濃縮が検出されなかった。また、鋼Ｂであっても、前述した５２０℃×６時間の熱処理を施さないと、Ｎ濃縮層が検出されなかった。このことから、Ｎ濃縮層によってアルミめっき層の合金化反応が抑制されることが確認された。なお、図２において、スパッタリング時間１０分は、Ｆｅ換算で５００Åの厚みに相当する。
【００１４】
また、ろう付け時の加熱によって生じる合金化反応に及ぼすアルミめっき後の熱処理の影響を調査するため、鋼Ｂをめっき原板としたアルミめっき鋼板を５６０℃以下の温度に６時間加熱し、次いでろう付けを想定して５７０〜６００℃に５分間保持した。その結果、図３に示すように本発明で規定した下限温度から５６０℃までの温度範囲で熱処理したものは、ろう付け時の加熱による合金化反応が顕著に抑制されていることが判った。また、加熱時間が長くなっても、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物層の成長が抑制されていた。
他方、鋼Ａを素地とするアルミめっき鋼板や、鋼Ｂを素地とするアルミめっき鋼板であっても熱処理温度が本発明で規定した下限温度を下回ると、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物層の成長がみられた。
【００１５】
次いで、５２０℃×６時間の熱処理を施したアルミめっき鋼板のろう付け性を調査するため、アルミめっき鋼板相互、及びアルミめっき鋼板とアルミ材（ＪＩＳ  Ａ１０４５）を図４に示すように重ね合わせてろう付けした。ろう付けでは、合せ面にフッ化物系のフラックスを塗布し、図５に示す加熱パターンに従って大気中で加熱した。
ろう付け後の断面組織を図４のＡ，Ｂの位置で観察した結果を図６及び図７に示す。図６は同種のアルミめっき鋼板をろう付けしたときの接合部を、図７はアルミめっき鋼板をアルミ材とろう付けしたときの接合部を示す。
図６，図７の対比から明らかなように、比較例１〜３では何れも十分な接合部が形成されていないばかりでなく、一部にアルミめっき層の消失もみられた。これに対し、本発明例のろう付け継手ではアルミめっき鋼板の隙間をろう材で十分に充填し、引張り強さ１０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上の健全な継手が得られていた。また、合金層の成長もみられず、アルミめっき層は当初の銀白色を呈していた。
【００１６】
次いで、アルミめっき層の厚みを変更し、膜厚がろう付け性に及ぼす影響を調査した。この場合には、鋼Ｂをめっき原板として５２０℃×６時間の熱処理を施したアルミめっき鋼板を９０度曲げ加工した後、図８に示すように同種の平板状アルミめっき鋼板上に載置してろう付けした。そして、ろう材の付き回り性を判断するため接合部に形成されたフィレット長さを測定することにより、ろう付け性を評価した。図９の評価結果にみられるように、アルミめっき層の膜厚が１０μｍ以上になるとフィレットが形成され始め、めっき層自体がろう材として働くことが確認された。
更に、Ｎ濃縮熱処理の温度に及ぼすＮ含有量の影響を調査したところ、合金層の成長を抑制できる熱処理の温度領域は、上限は５７０℃の一定値であったが、図１０に示すようにＮ含有量が多くなるに従って下限温度が低温側に移行した。下限温度Ｔ（℃）とＮ含有量（重量％）との関係を重回帰分析によって求めたところ、０．００２重量％≦Ｎ重量％＜０．００５重量％ではＴ＝−３８４８×Ｎ1/2 ＋６７２−３５ log（ｔ／５０），０．００５重量％≦Ｎ重量％≦０．０２０重量％ではＴ＝−１４１４×Ｎ1/2 ＋５００−３５ log（ｔ／５０）［ただし、ｔは加熱時間（時）］の関係が得られた。そこで、めっき原板のＮ含有量からＮ濃縮熱処理の下限温度を定め、この下限温度以上で且つ５７０℃以下の温度で熱処理することにより、ろう付け性の良好なアルミめっき鋼板が得られることが確認された。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明では、溶融アルミめっき層と素地鋼との界面にＮ濃縮層を形成し、溶融アルミめっき層自体をろう材として使用し、溶融アルミめっき鋼板を同種又は異種材料にろう付けしている。溶融アルミめっき層は、ろう付け時の加熱によっても当初の表面状態を失うことなく、銀白色の美麗な光沢を維持している。また、溶融アルミめっき層へのＦｅ拡散が抑えられるため、ろう付け後においても優れた耐食性が維持される。このようにして、本発明によるとき、溶融アルミめっき鋼板の優れた強度，耐食性，耐熱性，耐酸化性，意匠性等を活用し、他の部材との接合を容易にしているため、各種構造部品として広範な用途で溶融アルミめっき鋼板の使用が展開される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ａｌ−Ｓｉ二元状態図
【図２】  熱処理した後の鋼材表面を厚み方向に元素分析したときのＦｅ，Ａｌ及びＮの濃度分布を示すグラフ
【図３】  ろう付け温度で成長する合金層の成長度に及ぼす熱処理温度の影響を表したグラフ（各折れ線に付した数値は、耐熱試験温度を示す）
【図４】  実施例で採用したろう付け継手の斜視図
【図５】  実施例で採用したろう付け時の加熱パターンを示すグラフ
【図６】  アルミめっき鋼板相互をろう付けしたときの接合部断面の金属組織を示した写真
【図７】  アルミめっき鋼板をアルミ材とろう付けしたときの接合部断面の金属組織を示した写真
【図８】  本発明実施例でろう付け性を調査したときの継手
【図９】  アルミめっき層の厚みがろう付け性に及ぼす影響を示したグラフ
【図１０】  めっき原板のＮ含有量がＮ濃縮熱処理の温度範囲に及ぼす影響
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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