(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄皮材と芯材との中間材としてＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用い、薄皮材及び芯材にはろう材の液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム合金を用い、ブレ−ジングシ−トの全体の板厚が０．０５〜２．０ｍｍであり、前記薄皮材のクラッド率が０．１〜１０％に設定され、この薄皮材は加熱によって溶融したろう材に接して溶解する薄皮材であることを特徴とする不活性ガス雰囲気中で無フラックスでろう付けするアルミニウム合金ブレ−ジングシ−ト。
【請求項２】
Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材がさらにＭｇ０．１〜５％（ｍａｓｓ％以下同じ）、Ｂｉ０．０１〜０．５％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金ブレ−ジングシ−ト。
【請求項３】
Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材がさらにＺｎ０．１〜５％、Ｉｎ０．０１〜０．１％、Ｓｎ０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアルミニウム合金ブレ−ジングシ−ト。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一に記載したアルミニウム合金ブレ−ジングシ−トを用い不活性ガス雰囲気中において無フラックスでろう付けすることを特徴とするろう付け方法。
【請求項５】
請求項４に記載のろう付け方法でろう付けしたろう付け製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は不活性ガス雰囲気中において無フラックスでの接合が可能なアルミニウムブレ−ジングシ−ト、それを用いたろう付け方法、およびそれを用いてろう付けした製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムのろう付け法は大面積継手や多点継手を一挙に作成できる効率的な方法として熱交換器やパネルの製造に用いられている。
また、この多点継手では継手へのろう材の配置効率の点より一般的には構造材となる芯材に皮材としてろう材をクラッドしたブレ−ジングシ−トが用いられている。
そして、ろう付け法としては、▲１▼真空中での無フラックス法▲２▼不活性ガス雰囲気中での非腐食性フラックス法▲３▼大気中での腐食性フラックス法の３つが用いられている。
しかし、これらろう付け法のうち▲１▼は高価な真空炉が必要であり、▲２▼は真空式より低廉だがそれでも高価な気密性の高い雰囲気炉やフラックス塗布工程や消耗する高価な不活性ガスが必要であり、▲３▼は装置や消耗代で優れるがろう付け前後の腐食性フラックスの処理に多大の労力、コストが必要である等の課題を抱えている。
これらの問題に対して、例えば、Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ、１９８３年１０月号Ｐ３１〜に示されるように、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｂｉろう材のブレージングシートを用いて窒素ガス雰囲気で無フラックスろう付けを行う方法が提示されている。
【０００３】
しかし、これらの方法では元板の酸化膜を薄く制御しなければならなかったり、酸化防止のため窒素ガス流量を多くしなくてはならない等の問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の従来技術の問題点を解消して、より簡便な不活性ガス雰囲気中での無フラックス接合が可能なアルミニウム合金ブレ−ジングシ−トを提供する事を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、薄皮材と芯材との中間材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を挟み込んだ構造のブレ−ジングシ−トを使用して不活性ガス雰囲気中において無フラックスろう付けするもので、ろう溶融時に溶融ろうを皮材面に染み出させてろう付けを行うものである。
【０００６】
具体的には、請求項１の発明は、薄皮材と芯材との中間材としてＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用い、薄皮材及び芯材にはろう材の液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム合金を用い、ブレ−ジングシ−トの全体の板厚が０．０５〜２．０ｍｍであり、前記薄皮材のクラッド率が０．１〜１０％に設定され、この薄皮材は加熱によって溶融したろう材に接して溶解する薄皮材であることを特徴とする不活性ガス雰囲気中で無フラックスでろう付けするアルミニウム合金ブレ−ジングシ−トである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材がさらにＭｇ０．１〜５％（ｍａｓｓ％以下同じ）、Ｂｉ０．０１〜０．５％の１種または２種を含有することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３の発明は、請求項１または２において、Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材がさらにＺｎ０．１〜５％、Ｉｎ０．０１〜０．１％、Ｓｎ０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする。
【０００９】
そして、請求項４は、請求項１〜３のうちいずれか一に記載したアルミニウム合金ブレ−ジングシ−トを用い不活性ガス雰囲気中において無フラックスでろう付けすることを特徴とするろう付け方法であり、請求項５の発明は、請求項４の方法でろう付けしたろう付け製品である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明のアルミニウム合金ブレ−ジングシ−トは薄皮材と芯材との中間材にはＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材を用い、さらに薄皮材は加熱によって溶融したろう材に接して局部的に溶解する薄皮材である。
Ｓｉはアルミニウム合金ろう材として必須の合金元素であって、ろう材の融点を低下させ、溶融ろうの流動性を良好にする作用を有する。その添加量は５．０％〜１５．０％とする。５．０％未満では融点の低下が少なく溶融ろうの流動性が悪い。１５．０％を超えるとＳｉ初晶が生成されフィレット部への溶融ろうの集積が少なくなると共に、芯材の溶融浸食量が多くなる。
なお、アルミニウムに一般的に含まれる不可避不純物であるＦｅが０．５％以下程度まで含まれることはろう材の特性に悪影響を及ぼさないので許容される。
請求項２の発明では、上記Ａｌ−Ｓｉ系合金ろう材にさらにＭｇ０．１〜５％、Ｂｉ０．０１〜０．５％の１種または２種を含有する。
Ｍｇは不活性ガス雰囲気中でのろうの濡れ広がり性を促進する。特に不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が高い場合にはＭｇ添加によるこの作用が有効である。添加量としては０．１％〜５％とする。０．１％未満ではろうの濡れ広がり性の促進効果が無く、５％を超えると促進効果が飽和し経済的でない。
また、真空ブレージングにおいてはろう材中のＭｇはほとんどが蒸発してしまいろう付け後の強度向上には寄与しないが、不活性ガス雰囲気中でのろう付けにおいてはＭｇの残存量が比較的多いのでろう付け後の強度向上にも寄与する。
ＢｉはＭｇと共存して、または単独で不活性ガス雰囲気中でのろうの濡れ広がり性を促進する。添加量としては０．０１〜０．５％とする。０．０１％未満ではろうの濡れ広がり性の促進効果が無く、０．５％を超えると促進効果が飽和し経済的でない。
また、請求項３の発明では、ろう材にさらにＺｎ０．１〜５％、Ｉｎ０．０１〜０．１％、Ｓｎ０．０１〜０．１％の１種または２種以上を含有させる。
これらの元素はろう材に犠牲防食作用を持たせ芯材の耐食性を向上させる。その添加量はＺｎの場合０．１〜５％、Ｉｎ、Ｓｎの場合０．０１〜０．１％とする。
おのおの下限以下では犠牲防食作用が不足し、上限を超えると犠牲防食作用が飽和し経済的でない。
【００１１】
また、薄皮材及び芯材に用いるアルミニウム合金にはろう材の液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム合金をもちいる。
この条件さえ満たせば用いるアルミニウム合金はどんな組成でも良く、必要な製品強度や耐食性等を考慮して、ＪＩＳ  Ａ  １０７０，１０５０、１１００、１２００、３００３、３２０３、３００４、５００５、５Ｎ０１、６９５１、６０６１、６０６３、６Ｎ０１等の規格合金あるいはこれらにさらに種々の合金元素を添加した合金から選んで使用できる。
なお、フラックスを用いるろう付けにおいてはフラックスとの反応が起きるため接合相手材（母材）や芯材中のＭｇ量は厳しく規制されるが、本発明はフラックスを用いないので接合相手材（母材）や芯材中のＭｇ量は厳しくは規制されず、その結果、ろう付け後強度の高い合金を用いることができる。
また、薄皮材にＭｇを含有するとろう付けの昇温過程で薄皮材表面の酸化皮膜が成長しやすいので薄皮材にはＭｇを含有しない方が好ましい。
【００１２】
ブレ−ジングシ−トの全体の板厚としては０．０５〜２．０ｍｍの範囲のものを用いる。
板厚が０．０５ｍｍ未満では製造が難しかったり、ろう材が不足しろう付け性が低下する。
また、２．０ｍｍを超えると不必要な厚さで経済的でない。
０．０５〜０．２ｍｍの板厚はフィン材等として用いられ、１．０〜１．６ｍｍの板厚はラジエーターのタンク材等に用いられ、この中間の板厚のものはエバポレーターのプレート材等に用いられる。
【００１３】
上述したように本発明のアルミニウム合金ブレ−ジングシ−トにあっては薄皮材は加熱によって溶融したろう材に接して溶解する薄皮材である。
この薄皮材のクラッド率（全板厚に占める薄皮材一層の厚さ比率）はその求められる機能から０．１〜１０％とする。
理由は以下の通りである。
すなわち薄皮材クラッド率が０．１％未満では厚みの制御管理が難しくなったり、圧延途中で皮材が剥がれる等の問題が有り、１０％を超えるとろうの溶融時に浸みだしが難しくなる。
一方、以上の薄皮材のクラッド率に対し、中間ろう材のクラッド率（全板厚に占める中間ろう材一層の厚さ比率）は５〜２０％とする。
中間ろう材のクラッド率が５％未満ではろう材不足でろう付け性が低下し、２０％を超えるとろうが過剰になって芯材の溶融浸食が生じ好ましくない。
【００１４】
これら薄皮材、中間ろう材、芯材の配置の典型的な例を図１(a)(b)(c)に示す。
薄皮材及び中間ろう材は芯材の両面に配置するのでも片面側のみに配置するのでも良い。この際薄皮材と中間ろう材はセットで配すれば良い。両面ろう材クラッドの場合は芯材を含めて５層[図１(a)]になり、片面ろう材クラッドの場合は芯材を含めて３層[図１(b)]になる。
さらに片面ろう材クラッドで芯材の他方の面に耐食性向上のため犠牲陽極層などを設けても構わない。この場合、４層[図１(c)]構造になる。
【００１５】
不活性ガス雰囲気中の酸素濃度は、１０００ｐｐｍ以下とする。
また、ろう付け性に対しては酸素濃度は低い程好ましいが、酸素濃度３０ｐｐｍ以下にするには多量の不活性ガスを必要とするためコスト増になる。
なお、前述のようにＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材がさらにＭｇ０．１〜５％、Ｂｉ０．０１〜０．５％の１種または２種を含有する場合には酸素濃度１０００ｐｐｍ程度までろう付けが可能だが、Ｍｇ０．１〜５％、Ｂｉ０．０１〜０．５％の１種または２種を含有しない場合には酸素濃度５００ｐｐｍ程度までしかろう付けができない。
また、不活性ガスとしては通常窒素がコストの点から好ましいが、Ａｒ等の希ガスでも良い。
アルミニウム板のろう付け加熱温度はろう材が溶融し、薄皮材単独では溶融しない温度、すなわちろう材の液相線温度より高く薄皮材の固相線温度より低い温度とする必要があり、通常５６０〜６２０℃のろう付け温度を採用する。
【００１６】
本発明のろう付け法で不活性雰囲気中で無フラックスろう付けが可能な理由については以下の通りと推定される。
【００１７】
即ち一般にアルミニウムのろう付けを可能にするためには溶融ろうの濡れを生じさせる事が必須条件になるが、この条件を満たすためにはろう付け加熱中でのろう材及び接合相手材（母材）の酸化防止作用と酸化皮膜破壊作用が必要である。なおこの際、この両作用の感受性は特にろう材において高く、ろう材への制御は接合相手材（母材）に対するより厳しくする必要があると考えられている。
このため現状のろう付け法では前述の如く、この酸化防止と酸化皮膜破壊とに対して真空中での加熱と同時にＭｇ蒸発現象を活用するとか（真空ろう付け）、非酸化性雰囲気中でのフラックスを活用する（非酸化雰囲気での非腐食性フラックスろう付け法）とかが行われている。
【００１８】
これに対し本願発明では、ろう付け時に温度が上昇するに連れ中間層のろう材が溶融するが、表面は固体のままの薄皮材で覆われているため、ろう材表面の酸化は起こらない。
さらに温度が上昇すると、溶融したろう材に接する薄皮材の偏析部など融点の低い部分が局部的に溶解し、薄皮材を貫通すると、ろう材が体積膨張のため表面に浸みだして拡がる。この際には、ろう材表面は酸化皮膜がない新生面となり、また、不活性ガス雰囲気なので新たな強い酸化は進まない。
従来の大気中や不活性ガス雰囲気中でのろう付けで用いるフラックスや真空ろう付けのＭｇは元々板表面上に生成していたりろう付け加熱中に生成した厚い酸化皮膜を破壊して溶融ろう材の濡れ拡がりをするために用いられるものであって、本発明では厚い酸化皮膜が存在し無いのでフラックスやＭｇが無くても溶融ろう材が濡れ拡がる。
さらに温度が上昇すると、溶解がさらに進み薄皮材の多くの部分が溶解しろう材の浸みだし箇所が多くなる。浸みだした溶融ろう材は次々に薄皮材表面の酸化皮膜の上側表面に濡れ拡がり、酸化皮膜下側の薄皮材が溶融ろう材による全面的な浸食のために板厚が薄くなる方向に多量に溶融する。この両者（薄皮材表面の酸化皮膜の上側表面に濡れ拡がった溶融ろう材と薄皮材表面の酸化皮膜の下側からの薄皮材の溶融の進行）によって薄皮材の表面に元々有った酸化皮膜は分断され、溶融ろう材と溶融した薄皮材が渾然一体となった中に分散し、酸化皮膜としての悪影響はなくなる。
このメカニズムを図２に模式的に示す。
【００１９】
なお、ろう材中に適量のＭｇやＢｉが存在すると、上記の作用にプラスしてさらに近傍雰囲気中の酸素を消耗し溶融ろう材や薄皮材表面の酸化防止するので、不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が多少高くなってものろうの濡れ広がりを促進し良好なろう付け性が維持される。
【００２０】
【実施例】
表１に示す芯材用合金（Ｎｏ．Ａ）のブックモールド鋳塊を厚さ４０ｍｍに両面面削し、次いで６００℃、１０時間の均質化処理をして芯材を作成した。
また薄皮材用合金（Ｎｏ．Ｂ）及び中間ろう材用合金（Ｎｏ．Ｃ〜Ｍ）のブックモールド鋳塊を厚さ４０ｍｍに両面面削し、その後熱間圧延と冷間圧延を順に施して各々厚さ１．９ｍｍ（クラッド率 ３％）、及び９．４ｍｍ（クラッド率 １５％）の薄皮材および中間ろう材を作成した。
次に前記薄皮材、中間ろう材、芯材を表２に示す組み合せで重ね、これを開始温度５００℃で熱間圧延して厚さ４ｍｍのクラッド材とし、これを０．５ｍｍまで冷間圧延し、その後４００℃×２時間の焼鈍を施して調質Ｏ材とした。
このように作成した５層あるいは３層のブレ−ジングシ−ト（０．５ｍｍ厚×３０ｍｍ×６０ｍｍ、薄皮材の厚みは０．５mm×０．０３で０．０１５ｍｍ）を、ＪＩＳ  Ａ  ３００３接合相手材（母材）板（１．０ｍｍ厚×３０ｍｍ×６０ｍｍ）と組み合わせて図３に示す様なＴ継手試験片を組み立てた。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【００２３】
この試験片を表３に示す種々の酸素濃度の窒素雰囲気ろう付け炉（温度６００℃）に投入し最高温度に到達後５分保持して炉から取り出した。
尚、比較としてろう材表面に本発明の皮材を用いない通常の両面クラッドのブレ−ジングシ−ト２種類を使用した以外は上記と同じにして試験片を作成し、本発明と同様にフラックス塗布無しでろう付けした。
【００２４】
ろう付け性の結果を、フィレット形成率、すなわちろう継手長さに対するフィレット形成長さの比率（１００％は全長フィレット形成）で評価して表３に示す。
【００２５】
【表３】
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表３の結果から、表面薄皮材の無い比較例１２，１３はフィレット形成率が低く、特にろう材にＭｇ不含の比較例１２は全くフィレットを形成しない。発明例の内、ろう材がＭｇ，Ｂｉの何れも含有しない発明例１，５，６，７は窒素雰囲気ろう付け炉の酸素濃度が５００ｐｐｍ以内であれば何れもフィレット形成率１００％で良好な接合性を示すことが確認されたが、酸素濃度が５００ｐｐｍを超えるとフィレット形成率が低くなる。一方、発明例の内、ろう材がＭｇ，Ｂｉの何れかを所定量含有する発明例２，３，４，８，９，１０，１１は窒素雰囲気ろう付け炉の酸素濃度が５００ｐｐｍを超えてもフィレット形成率１００％で良好な接合性を示す。
【００２６】
耐食性の評価は、５層のあるいは３層のブレージングシート（０．５ｍｍｔ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ）を用いて外部耐食性評価として酸素濃度５０ｐｐｍでろう付け加熱した後の単板でＪＩＳ Ｈ ８６８１に準じた１か月間のＣＡＳＳ試験を行った。これは芯材に対する犠牲防食効果を評価するものである。
試験終了後腐食生成物を除去し芯材に生じた孔食深さを焦点深度法で測定した。
その結果を表４に示す。
【００２７】
【表４】
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【００２８】
表４の結果から、本発明のブレ−ジングシ−トの内、特に請求項３に対応する発明例５，６，７，８，９，１０，１１はＺｎ，Ｓｎ，Ｉｎを含有するので犠牲防食効果が働き孔食深さが浅いことが確認された。
なお、請求項３に対応する発明例の中ではろう材中のＳｉ，Ｍｇの含有量が一定ならＺｎ，Ｓｎ，Ｉｎの含有量が増加するに従って孔食深さは浅くなる傾向にある。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば真空炉や高気密性の雰囲気炉の高価設備が不要であり、またフラックスは不要で不活性ガスの消耗は少ないため低コストであり、かつろう付け組立て時に挟み込むだけの作業簡便性に優れたろう付けが可能になる。
また、さらに耐食性の良好なろう付け製品を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミニウムブレ−ジングシ−トの各層の配置を示す断面図である。両面ろう材クラッドの場合の構成配置を図１（ａ）に、片面ろう材クラッドの３層の場合を図１（ｂ）、片面ろう材クラッドの４層の場合を図１（ｃ）に各々示す。
【図２】ろう材の浸みだしと溶融ろうの濡れ拡がりの機構を示す模式図である。
【図３】実施例のろう付け性評価に用いたＴ継手試験片の外観図である。
【符号の説明】
１  ろう材
２  薄皮材
３  芯材
４  酸化皮膜
５  ブレージングシート
６  接合相手材（母材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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