HARIMATECHNOLOGY REPORT

アルミニウムろう付けにおける材料設計―ろう材、フラックス、バインダの最適な選択―
Material design in Aluminum brazing --Best choice of ﬁller metal, ﬂux, and binder--

津村登紀／研究開発カンパニー 研究開発センター 電子材料開発室
Toki Tsumura

Electronics Materials Development, R&D Center, R&D Company

1
はじめに材として使用することが一般的である。このAl-Si合金を挟むようにアルミニウム合金母材を組み付け・加熱すると、580℃付近で合金が接触部分にて溶融し接合される。ろう材に使用されるAl-Si合金にはさまざまな種類があり、Al-アルミニウムを接合する方法として、溶接、圧接、ろう12Si（A4047） 共晶組成以外 に もSi量 が 少 な いAl-7.5Si付けおよび機械的接合法などがある。その中でもろう付けは、自動車産業あるいは電子工業等の驚異的成長にともな（A4343 ）やAl-10Si（A4045）の亜共晶組成などがある。

開発が進行中の技術分野である。特に車載用熱交換器は総温度分布が一様でない製品中の比較的温度上昇が進みがち

これらは、凝固温度範囲の幅が大きいため、複雑な構造でい、その技術も飛躍的に進歩し、現在においてもますますな部材に有効である。

アルミニウム製であるために、ろう付けは熱交換器を製造するうえで欠かせない技術であるといえる（図1 ）。このろう付けがアルミニウムを接合する手段として広く用いられる理由としては、以下の利点が考えられる。

熱交換器

総アルミニウム製

A4045

A4343

1100
1000

Liquid900

多点一括接合ろう材（Al-Si合金）（577℃〜）

Al（660℃）

A4047

800

700
温度 600︵℃ 500︶ 400

1.65

12.6

577℃

Al300
200100【接合（ろう付け）の条件】①低融点金属を用いる②母材表面が清浄である

0フィン
フィレット（接合金属）

Al← 10203040S（wt%）
i

50 → Si図2 Al-Si合金状態図

このように、部材の形状やろう付け条件などによりろうチューブ材を選定して使用する必要がある。

図1 アルミニウムろう付け技術が活用される自動車用熱交換器②母材の表面が清浄

アルミニウムには表面に自然と生成する強固で緻密な酸Ⅰ.溶接とは異なり、母材を溶融しない。

Ⅱ.複雑な形状であっても、ろう付け炉にて一度加熱させる化皮膜が存在し、ろう材の濡れ性を阻害する、つまりろうⅢ.ろう付けの継ぎ手は金属接合であるため、強度が非常にを清浄化する必要がある。今日、一般的に用いられている材が流れず接合が困難になるため、酸化皮膜を除去し表面だけで全ての接合が完了する。
（多点一括接合が可能）のが非腐食性のK系フッ化物（KAlF 4）のフラックスである。

高い。

Ⅳ. 接合部位は熱や電気を伝達し気密性が高いので、自動車

このフラックスは、常温では不活性な粉末として市販されや産業用の熱交換器の製造に適している。ているが、約565℃で溶融し活性化することでアルミニウまた、接合するためには下記の2点の条件を満たす必要

ム表面の酸化皮膜を除去する（図3 ）。さらに、溶融後のがある。

フラックスは不活性となり、水にも不溶なため、フラック①母材（被接合材）よりも低融点な金属をろう材に用いること。

スを除去する洗浄工程を必要としないので、一般的に広く②母材（被接合材）の表面が清浄であること。

利用されている。

この2つの条件について、もう少し詳細に説明する。

現在、このフッ化物系フラックスはさまざまな種類が存①母材よりも低融点な金属をろう材に用いる在しており、用途に応じて使い分けられている。各フッ化約12%Siの共晶組成かそれよりも少ない亜共晶組成をろうていく。

アルミニウムのろう付けには図2 の状態図に示すように物系フラックスの詳細な特徴については、次項以降に述べ1

酸化皮膜（Al2O 3、厚さ10nm）ラックスを使い分けることが必要である。表1 は、各フッフラックス（KAlF 4）化物系フラックスの融点および特徴をまとめたものである。
一般的には①四フッ化アルミン酸カリウム（KAlF 4）が使用されており、565℃で融点を迎え活性化する。非腐食性酸化皮膜をフラックス供給であるためにアルミニウムとは反応せず、ろう付け後の残加熱溶解除去（＞565℃）

渣の洗浄や除去の必要がない。

続いて、②三フッ化亜鉛酸カリウム（KZnF 3）は反応型

アルミフラックスと呼ばれており、①と同様に565℃で融点を迎え、図3 酸化皮膜に対するフラックスの作用（イメージ図）接合と防食効果を付与できるタイプのフラックスである。

2
各種構成材料

次に③四フッ化アルミン酸セシウム（CsAlF 4）については、融点が低いといった特徴があり、低融点のろう付け時に非常に有用である。また、アルミニウムの強度を向上させるために母材にMgを含んだ合金を使用することがある。

さて、アルミニウムのろう付けにはろう材およびフッ化このような材料でろう付けする場合、①のようなフラック物系フラックスが必要であることを述べたが、信頼性の高スではMgが反応し三フッ化マグネシウムカリウム（KMgF 3）

いろう付け性を実現するためには、部材に最適に供給する必要がある。当社のろう付け材料には、さまざまなフラッなどを生成し、フラックスの活性を低下させてしまう。

じた塗料設計が可能である。本稿では、ろう付けに必要なフッ化マグネシウムセシウム（CsMgF 3）などが生成する

クス塗料のラインナップを有しており、各用途・設備に応しかし③を使用すると、CsとMgが優先的に反応し、三各材料の種類と組み合わせについて報告する。

ことで、ろう付けを阻害する物質がなくなる。よって、フラックスの活性阻害を抑制することが可能となる。

2-1 各フッ化物系フラックスの種類

図4 に各フラックスがどのように反応するのかを示す。

アルミニウムのろう付けでは、使用用途や目的によりフ

まず、①四フッ化アルミン酸カリウム（KAlF 4）では、チューブ表面に塗膜を形成しフィン（ろう材(Al-12Si)クラ

表1 各フッ化物系フラックスの融点と特徴ッド）と組み付ける。565℃でKAlF 4が溶融し、酸化皮膜

フラックス種融点（℃）

特徴①四フッ化アルミン酸カリウム
KAlF 4565

非腐食性であり、一般的に使用されている②三フッ化亜鉛酸カリウム
KZnF 3565

一定のZn拡散層を形成することが可能③四フッ化アルミン酸セシウム
CsAlF 4420

低融点でのろう付けやMgを含有する高強度材のろう付けが可能①
四フッ化アルミン酸カリウム
KAlF 4②
三フッ化亜鉛酸カリウム
KZnF 3を除去し母材表面が清浄化される。そして577℃でろう材が溶融し、フィンとチューブが接合される。

続いて、②三フッ化亜鉛酸カリウム（KZnF 3）においても、①と同様にチューブ表面に塗膜を形成しフィン（ろう材(Al-12Si)クラッド）と組み付ける。そして565〜575℃でチフィン（ろう材クラッド）

フッ化アルミン酸カリウム: KAlF 4AI チューブ

【577℃】
ろうが溶け、フィンとチューブとを接合【565 ℃】KAlF 4 溶 融、酸化皮膜を除去【室温】チューブ表面に塗膜形成、フィンと組み付け

フッ化アルミン酸セシウム: CsAl F 4フィン
（ろう材クラッド）

ろう材（Al-12Si合金）
酸化皮膜

AI チューブ【室温】チューブ表面に塗膜形成、フィンと組み付け【565〜575℃】KZnF 3とチューブ表面のAlが反応。フラックス成分が溶け、酸化皮膜を除去

6KZnF 3 + 4Al → 3KAlF 4 + K 3AlF 6 + 6Zn【577℃】ろうが溶け、フィンとチューブとを接合。Znがチューブ内部へ拡散

フラックス成分③四フッ化アルミン酸セシウム
CsAlF 4

三フッ化亜鉛酸カリウム: KZnF 3【室温】チューブ表面に塗膜形成、フィンと組み付け

Zn元素溶融したCsAlF 4フィン
（ろう材クラッド）
AI チューブ（高強度材）

溶融したKAlF 4

Mg元素
Cs-Mg-F化合物【577℃】ろうが溶け、フィンとチューブとを接合【420〜480 ℃】CsAlF 4が 溶 融、Mgと 反 応 し、Cs-Mg-F化合物を生成

図4 各フラックスの反応

2

HARIMATECHNOLOGY REPORT

ューブ表面のAlとKZnF 3が反応し、フラックス成分が溶融

2-3 各ろう付け材料の適切な組み合わせ層を形成することが可能となる。このZn拡散層が形成されおいて適切な組み合わせがあることが分かってきた。例え②を使用する以外では、Znを母材に溶射する方法が用クスと反応することはないため、基本的にどの材料も使用するとともにZn金属をもたらすため、母材に一定のZn拡散

当社のこれまでの研究において表2 に示す各バインダにることで、母材のアルミニウムの腐食を防ぐことができる。

ば、bやdのような非水系のバインダはろう材粉やフラッいられているが、製造コストを考慮すると②を用いる工法可能である。の方が、フラックスとZnを一括供給することが可能なため、表2 各バインダ種に対する材料の制限

コストメリットが高いといえる。

最後に四フッ化アルミン酸セシウム(CsAlF 4)についても、①と同様にチューブ表面に塗膜を形成しフィン（ろう材(Al-12Si)クラッド）と組み付ける。そして420〜480℃でCsAlF 4が溶融し母材中のMgと反応することでCsMgF 3などを形成する。577℃でろう材が溶融しフィンとチューブが接合可能となる。

バインダ種

ろう材(粉)
Al-Si合金

KAlF 4

KZnF 3CsAlF 4

a. 水系アクリル

条件付き可※

可可条件付き可※b. 油系アクリル

可可可可

c. 水系ウレタン

条件付き可※

可可

条件付き可※

d. 油系ブチル可可可可※ただし水を含まない系が望ましい

2-2 フラックス塗料の構成

しかしaやcのような水系のバインダは、金属粉と反応

当社のフラックス塗料は、先に述べたフラックスに対しし酸化させる懸念や、母材への濡れ性を考慮する必要がある。このように塗料化することで、接合したい部分に適切CsAlF 4の系において水系バインダを用いる場合、使用環てバインダ、溶剤もしくは水を加えた組成を基本としているため使用には材料を適切に選択する必要がある。例えばな量のフラックスを供給することが可能となる。そのため境においては沈降固化する懸念があるため保管温度等に注には、フラックスを固着させる機能（密着性）と、加熱す意が必要である。

ることで樹脂が完全に消失し、フラックスの活性時に影響

3
各フラックスを用いた実験結果をおよぼさない機能（ろう付け性）が必須である。

当社は図5 に示すように、この密着性およびろう付け性に優れるa〜dのようなバインダを有しており、塗布方法やろう付け条件等にマッチするように設計している。

これまでは各材料とその適合性について述べてきた。最後に、各フッ化物系フラックスを用いた際の実験結果につ【バインダの種類】

a. アクリル系樹脂（水系）

いて述べていく。
CHCHCH
CHCH
3 CH 3
3 CH 3
3 CH 3
CHCHCHCH3 33 333CHCCHC2 C
CH2 CH
CCHCCH
C2222CHCH
2 2C CCHCH
CH CH
2 2C C
2 C2 CC=O C=OC=O C=OC=O C=O
C=O
C=O
C=O
C=O
C=O
C=O
OOO OOO O OOO O OR 2 m RR33Rm
RR11R Rl l 1
RR22R mlR 3 nn3 n n12lm

3-1 四フッ化アルミン酸カリウム（KAlF

きフラックス（水＋KAlF 4）とフラックス塗料（溶剤＋CH 3 CH
CH 3 CHCH 3 CHCHCHCH
333333CHCHCH333CH 2 CHC
CH 2 CHC
CH 2 CCCHC CH
C CHCH2 C 22 C 222 C
CHCCHCCH
222 C
C=O C=OC=O C=OC=O C=O
C=O
C=O
C=O
C=O
C=O
C=O
OO
OO
OO
OOOOO ORq
RR44 Roo4RR55 pp
R 5 p R 66 R qR
6oR4R
56opq qKAlF 4 ＋バインダ）の2種類を用いた。表3 にそれぞれの評価結果を示す。水溶きフラックスの場合、塗布方法は噴霧装置によるスプレー塗布にて行われるため、部材の形状を問わずに塗布することが可能である。しかしながら、密着※親水性モノマーを含まない

バインダ
1〜5%
フラックス
30 〜 60%

d. エラストマー系
樹脂（非水系）

性はなく指で触るだけで簡単に剥がれてしまうため、組付け後への散布しか対応できない。さらに、十分なフラック====OOOOO OO OOO RR77 OO CC NN RR88 NN CC
O OR 7 R 7O OC HCN NR 8 R 8N NC C
HHHH HH H rrr====c. ウレタン系樹脂（水系）

CH 3CH 3CHCH
33CH 3 CH CH 33 2
CH 2 CC CH
CH
C=CH3 CHCH 2CHCH
C=CH222CHC
CH
C=CHCH CH 2
CH 2 CH2C3 CH 2 2C=CH
2
CH 3ss3CH CH3s）

ンプルを作製し、評価を行った。塗料サンプルには、水溶※親水性モノマーを含む

b. アクリル系樹脂
（非水系）

4

四フッ化アルミン酸カリウム（KAlF 4）を用いて塗料サ

表3 水溶きフラックスとフラックス塗料の対比rs

溶剤or/and水40〜70%

バインダ種水溶きフラックス（水＋KAlF 4)

塗布方法

スプレー

スプレー

ロール転写

平面部材への塗布

可可可

非平面部材への塗布

可可

不可

供給量（代表値）

20 g/㎡

20 g/㎡

10 g/㎡

密着性（鉛筆硬度：JIS K 5600-5-4）

図5 フラックス塗料の構成とバインダの構造式

3フラックス塗料(水(溶剤)＋KAlF 4 ＋バインダ)

なし
< 6B
HB
(指で触ると簡単 (指で強くこする (指で強くこすっに剥がれる)と剥がれる)ても剥がれない)

ろう付け性

良好

良好

良好

残渣量

非常に多い

多い

少ない（好適）ス量を確保しようとすると塗布量を過剰にしなければなら

3-3 四フッ化アルミン酸セシウム(CsAlF

インダを含むフラックス塗料では、スプレー塗布に加えロべる際に、一般的に使用されているKAlF 4ではMgと反応ず、残渣量も非常に多くなるという欠点がある。一方、バ4)

2-1で四フッ化アルミン酸セシウム(CsAlF 4)の特徴を述

ール転写方式にて塗布が可能である。スプレー塗布で塗布するために、フラックスとしての効果が低下する一方で、指で触るだけでは剥がれることはないため、部品に塗布し、

図7 は、Mg含有アルミニウム合金の板にKAlF 4 およびした場合、水溶きフラックスに比べると密着性が向上し、CsAlF 4では良好な接合性が確保されることを述べた。

その後組み付けることができる。しかし、部材全体に塗布

CsAlF 4を塗布して600℃加熱した後のSEMによる観察結果

スプレー塗布に比べると均一な塗膜が形成されるため、密ることが分かる。これはKMgF 3であり、フラックスの活性のフラックスを部材に供給することが可能となる。また、のは少なく、板状の結晶であり良好な形状であった。このけ性への影響はなく、良好なろう付け性が確保される。

高価であるため数%添加するだけでも、Mgを含有する高されるため残渣量は多くなる。一方、ロール転写方式ではである。KAlF 4を用いた場合は、針状の結晶が多く存在す着性は格段に向上する。そのため必要な箇所にのみ適切量を阻害している。一方、CsAlF 4の系では表面に針状のも当社のバインダ樹脂は熱分解性が良好であるため、ろう付3-2 三フッ化亜鉛酸カリウム（KZnF3

ように、CsAlF 4はMg含有の母材に効果的である一方で、強度母材の接合が可能である。

）

四フッ化アルミン酸カリウム残渣
KAlF 4

続いて、三フッ化亜鉛酸カリウム（KZnF 3）を用いた系については、Zn溶射工法と比較する形で評価を行うこと

四フッ化アルミン酸セシウム残渣
CsAlF 4KMgF 3等とした。図6 に示したのがKZnF 3を用いた塗料で塗布したチューブと、比較としてZn溶射されたチューブをろう付けした後のEPMA ※によるZn元素マッピングと線分析の結10μm果である。KZnF 3を用いた塗料で塗布した場合は、少ない

10μm

結晶の形状：
針状がフラックスの活性阻害

Zn元素量でチューブ表面に十分な濃度・距離のZn拡散層結晶の形状：板状（良好）が多く針状少ない

図7 加熱後フラックス残渣のSEM観察結果が形成されていることを確認した。一方で、Zn溶射チュ

4
おわりにーブで同等のZn濃度・拡散距離を実現しようとすると、塗布量としてはZn元素が多く必要になる。また、元素マッピングを見て分かるようにZn溶射チューブの方はフィレット部にZn濃度が高いことが分かる。このように、局

本稿ではアルミニウムのろう付け工法において、重要な所的にZn濃度が高い箇所があるとそこから優先的に腐食材料について述べてきた。

う恐れがある。今回の結果より、KZnF 3を用いた塗料を塗り揃えており、お客様の設計や工程に最適なろう付け材料量のZn拡散層が形成可能であることが分かった。

ろう付け技術の発展に貢献していく所存である。

が進行しやすくなり、最終的にフィン剥がれが生じてしま

当社は、アルミニウムのろう付けに必要な材料を種々取を提供することで、熱交換器をはじめとするアルミニウム布することで、Zn溶射工法と比較すると均一かつ十分なZn元素マッピング

KZnF 3塗布チューブ（Zn元素塗布量:4g/m 2）【比較】
Zn溶射チューブ
（Zn元素塗布量:6g/m 2）

Zn Conc
10.000
8.688
7.375
6.062
4.750
3.438
2.125
0.812
-0.500Zn Conc
10.000
8.688
7.375
6.062
4.750
3.438
2.125
0.812-0.500①フィン接合部線分析（Zn）

線分析① 線分析②

Zn
濃 3度
︵％ 2︶

フィレット
Zn濃度:2.0%

Zn濃度：
1.6％

050μm

分析距離（μm）

54

フィレット
Zn濃度:3.0%

Zn
濃 3度
︵％ 2︶

0Zn拡散距離：100μm

分析距離（μm）

5Zn拡散距離：
100μm

Zn濃度：
1.8％

500

チューブ

4050μm表面
Zn濃度：1.3％

1500

チューブ

1200μmZn
濃 3度︵％ 2︶00

線分析① 線分析②チューブ

4Zn拡散距離：100μm

1200μm②チューブ表面線分析（Zn）
5チューブ

4Zn
濃 3度
︵％ 2︶

表面
Zn濃度：1.4％

Zn拡散距離：100μm

10分析距離（μm）

0図6※EPMA: Electron Probe Micro Analyzer

5500

EPMAによる元素マッピングと線分析結果

40

分析距離（μm）

500