JP2003117679A

JP2003117679A - 複合ろう材及びろう付加工用複合材並びにろう付け方法

Info

Publication number: JP2003117679A
Application number: JP2001314417A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Sagawa; 英之佐川; Hiromitsu Kuroda; 洋光黒田; Masayoshi Aoyama; 正義青山; Sukaku Shirai; 枢覚白井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた耐熱性及び耐食性を有し、ろう付け作
業性が良好でかつ接合強度及び靱性に優れた新規な複合
ろう材及びろう付加工用複合材並びにろう付け方法の提
供。【解決手段】基材５同士をろう付けするためのろう材
において、低融点化すべく２種以上の金属を複合させて
なると共に、そのろう付け後の組織が面心立方型格子
（Ｆｃｃ）からなる相又は面心立方型格子及び金属間化
合物からなる相となるように構成する。これによって、
優れた耐熱性及び耐食性を発揮できると共に、ろう付け
作業性が良好でかつ優れた接合強度及び靱性を発揮でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排ガス再循環装置
用クーラーや燃料電池用部材等といった、特に優れた耐
熱性と耐腐食性が要求されるろう付け製品の製造に適し
た複合ろう材及びろう付加工用複合材並びにろう付け方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車用オイルクーラ等の熱交換
器を構成するろう付け部材としてステンレス基クラッド
材が使用されている。これは、基材となるステンレス鋼
板の片面又は両面に銅をろう材としてクラッドしたもの
であり、その部材の接合部のろう材をその融点以上に加
熱し溶着することで基材同士をろう付けして結合するよ
うにしたものである。

【０００３】また、ステンレス鋼やＮｉ基又はＣｏ基合
金等からなる部材のろう付け材としては、接合部の耐食
性に優れる各種Ｎｉろう材がＪＩＳ規格により規定され
ている。さらに、このＮｉろう材として、粉末状のＮｉ
ろう材に、Ｎｉ，Ｃｒ，又はＮｉ−Ｃｒ合金の中から選
択される金属粉末を４〜２２重量％添加してなる粉末状
のＮｉろう材も提案されている（特開２０００−１０７
８８３号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これら従来
のろう材又はろう付け加工用複合材をそのまま高温・高
腐食性のガスや液体に晒される熱交換器、例えば、排ガ
ス再循環装置（以下、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculat
ion）と称す）用クーラや燃料電池改質用クーラーの製
造に用いた場合、十分な耐熱性や耐食性を発揮できない
ため、使用中にそのろう材が溶け出したり、腐食したり
して接合強度が著しく低下してしまうといった問題が生
ずる。

【０００５】一方、ＪＩＳ規格等に示すような各種Ｎｉ
ろう材は、上記ステンレス基クラッド材に比べて優れた
耐熱性及び耐食性を発揮できるものの、その形態が粉末
状であることから使用に際しては各接合部にこれをその
都度塗布するという多大な労力を要する作業が必要とな
り、ろう付け製品の生産性が著しく低くなって製造コス
トの上昇を招くという問題がある。

【０００６】そのため、本発明者らは、基材となるステ
ンレス鋼等の表面に、チタンやニッケルに銅や鉄等の金
属を合金化させたろう層を有する、いわゆるろう付け加
工用複合材を提案した。すなわち、ニッケルやチタンは
優れた耐食性を発揮できるものの、いずれもその融点が
極めて高い（約１４５０℃，１６９０℃）ことから、こ
れら金属単体のみではろう材として機能させることは困
難であるが、銅や鉄等の金属を合金化させることで約１
２００℃程度まで低融点化させることができるため、優
れた耐食性とろう付け機能を付与させることが可能とな
る。

【０００７】しかし、このようなチタンやニッケル等の
耐食性金属と他の金属を組み合わせた場合、その組み合
わせによってはろう付け後にそのろう付け部に体心立方
型格子（Ｂｃｃ）の相と非常に脆い金属間化合物からな
る相が形成され、これらの相の出現によってろう付け部
の接合強度や靱性（機械的強度）が著しく低下し、最悪
の場合にはひびや割れが発生することが判明した。

【０００８】そこで、本発明は上記課題を解決するため
に案出されたものであり、その目的は、優れた耐熱性及
び耐食性を発揮できることは勿論、ろう付け作業性が良
好で、かつ接合強度及び靱性に優れた新規な複合ろう材
及びろう付加工用複合材並びにろう付け方法を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第一の発明は、請求項１に示すように、基材同士をろ
う付けするためのろう材において、低融点化すべく２種
以上の金属を複合させてなると共に、そのろう付け加工
後の組織が面心立方型格子（Ｆｃｃ）からなる相又は面
心立方型格子及び金属間化合物からなる相になるように
構成されていることを特徴とする複合ろう材である。

【００１０】これによって、優れた耐熱性及び耐食性を
発揮できると共に、チタンやニッケル単体に比べてろう
の湯流れ性が良好となり、かつ粉末状のものに比べて取
り扱いも容易となってろう付け作業性が大幅に向上する
ことは勿論、そのろう付け加工後の生成組織が、面心立
方型格子（Ｆｃｃ）からなる相、又はＦｃｃからなる相
と金属間化合物からなる相の２相共存となっているた
め、優れた接合強度及び靱性を発揮することができる。

【００１１】また、請求項２に示すように、上記金属間
化合物相の割合を３０体積％以下に抑えることにより、
その組織が硬くかつ脆くなるのを防止できるため、優れ
た接合・靱性（機械的強度）を発揮することができる。

【００１２】また、第二の発明は、請求項３に示すよう
に、これら複合ろう材を予め基材表面に接合してなるこ
とを特徴とするろう付加工用複合材であり、これによっ
てさらに生産性を向上させることができる。

【００１３】また、第三の発明は、請求項４に示すよう
に、これら複合ろう材を用いて基材同士をろう付けする
ろう付け方法において、そのそう材をろう付け時の溶融
状態から１００℃／秒以下の冷却速度で冷却してなるこ
とを特徴とするろう付け方法である。すなわち、冷却速
度を１００℃／秒以下に抑えることによって後述するよ
うにろう付け部での金属間化合物の生成量を抑制するこ
とができ、優れた接合強度及び靱性を発揮することがで
きる。

【００１４】また、請求項５に示すように、ろう付加工
用複合材同士を用いた場合でもそのそう材をろう付け時
の溶融状態から１００℃／秒以下の冷却速度で冷却すれ
ば、同様にろう付け部での金属間化合物の生成量を抑制
することができ、優れた接合強度及び靱性を発揮するこ
とができる。

【００１５】そして、請求項６に示すように、このよう
なろう付け方法を採用することによって優れた機械的強
度を有し、かつ信頼性の高いろう付け製品を生産性良く
製作することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適一実施の形態
を添付図面に基いて説明する。

【００１７】先ず、図１は本発明に係る複合ろう材１の
実施の一形態を示したものである。

【００１８】図示するように、この複合ろう材１は、ニ
ッケル又はニッケル合金からなるニッケル層と、チタン
又はチタン合金あるいは銅又は銅合金あるいは鉄又は鉄
合金からなる非ニッケル層３とを板状に積層した積層体
からなるものである。

【００１９】ここでこの積層体は、例えば厚さ０．数ｍ
ｍの条状体をしたニッケルあるいはニッケル合金と、同
じく条状体の非ニッケル金属を重ね合わせ、繰り返し圧
延することで簡単に所望厚さのものを得ることができ
る。また、このニッケル層２と非ニッケル層３との積層
比（厚さ）は特に限定されるものでなく、その比率を任
意に変えることで所望の融点温度（ろう付け温度及び耐
熱温度）まで低融点化することができる。例えば、この
ような形態においてニッケル層２と非ニッケル層３との
比を約１：１とすると、融点温度が約１２００℃まで下
がり、その近傍での耐熱性及びろう付け温度（湯流れ）
を発揮することができる。

【００２０】但し、前述したように、非ニッケル層３と
してチタンを用いる場合には、その割合を全体の４０ｗ
ｔ％以下に抑えられている。すなわち、チタンの割合が
４０ｗｔ％を超えると、殆どの場合、ろう付け後のろう
付け部の組織が金属間化合物の相と体心立方型格子（Ｂ
ｃｃ）の相になり、ろう付け部の接合強度・靱性共に著
しい低下を招くおそれがあるからである。

【００２１】そして、このような本発明の複合ろう材１
を前述したような高温・高腐食性のガスや液体に晒され
る熱交換器、例えば、ＥＧＲ用クーラや燃料電池改質用
クーラーのろう材として用いることによって優れた耐熱
性及び耐食性を発揮できるため、長期に亘って優れた結
合強度を維持でき、しかも、ニッケルやチタン単体のろ
う材に比べて湯流れ性も良好となり、かつ粉末状のもの
に比べて取り扱いも容易となるため、ろう付け作業性を
大幅に向上させることが可能となる。

【００２２】また、ろう付け後のろう付け部の生成組織
が後述するように面心立方型格子（Ｆｃｃ）からなる相
又はＦｃｃ及び金属間化合物からなる相であるため、こ
れによって優れた接合強度及び機械的強度を発揮するこ
とができる。

【００２３】尚、本発明の他の実施の形態として、図２
に示すように、ニッケル層２を棒条又はワイヤ状にし、
その周囲を非ニッケル層３で覆った断面円形の積層体で
あっても良い。また、このニッケル層２中にリンを０．
０２〜１０重量％含有したり、さらにその上にニッケル
−リンめっきを複合化して０．０２〜１０重量％のリン
を含有させれば、湯流れ性や濡れ性並びに耐酸化性等を
著しく改善することも可能となる。ここで、リンの含有
量を０．０２〜１０重量％と限定したのは、０．０２重
量％未満では、湯流れ性が向上できず、反対に１０重量
％を超えると、ろう層が脆化し、振動疲労特性及び接合
強度が著しく低下するからであり、望ましくは０．５〜
８重量％の範囲である。また、図３及び図４に示すよう
に、この非ニッケル層３をさらに二つの金属層、例え
ば、チタン又はチタン合金からなるチタン層３ａと銅又
は銅合金からなる銅層３ｂで形成しても上記と同様な効
果を発揮することができる。

【００２４】次に、図５は第二の発明に係るろう付加工
用複合材４の実施の形態を示したものである。

【００２５】図示するようにこのろう付加工用複合材４
は前述した複合ろう材１を予めステンレス鋼板等からな
る基材５の表面に接合して複合化させたものであり、こ
のようなろう付加工用複合材４同士あるいはこのろう付
加工用複合材４と他の基材同士をろう付けすれば、上記
と同様な効果に加えてろう付け生産性が大幅に向上す
る。

【００２６】尚、本発明の他の実施の形態として図６に
示すように、基材５の形状を棒状やワイヤ状にしても良
く、さらに図７に示すようにこの非ニッケル層３を図３
に示したようにさらに２つ以上の層で形成しても良く、
また、図８に示すように適用する部位によっては、この
ろう層３を片面のみならず両面に接合しても良い。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を比較例及び従
来例と共に説明する。（実施例１）先ず、ＳＵＳ３０４条（厚さ２．５ｍｍ）
の表面から順に銅条（厚さ０．０９ｍｍ）、ニッケル条
（厚さ０．２０ｍｍ）を圧延法によりクラッドして積層
させた後、さらに圧延を繰り返して銅及びニッケルから
なるろう層の合計厚さ７０μｍとした。次いで、この複
合材を１２００℃の真空炉で加熱、ろう層を溶融した
後、そのろう付け部の生成組織、ろう層を占める金属案
化合物の割合及びろう付け後の冷却速度，接合強度、ろ
う付け後の加工特性、ろう付け生産性について評価し
た。その結果を表１に示す。

【００２８】ここで、ろう付け後の生成組織の判定及び
その割合は、ろう付け後のろう層部の断面を微小Ｘ線解
析装置を用いた分析、及び金属顕微鏡観察にて測定し
た。接合強度は、振動疲労試験によって評価した。ま
た、ろう付け後の加工特性は図９に示すようにろう層１
が外側になるように基材５を直角に折り曲げ、折り曲げ
箇所でのろう層１の割れ若しくはひびの発生の有無を外
観観察することことにより評価した。（実施例２）ＳＵＳ３０４条（厚さ２．５ｍｍ）の表面
から順にチタン条（厚さ０．１３ｍｍ）、ニッケル条
（厚さ０．１０ｍｍ）を圧延法によりクラッドして積層
させた他は、実施例１と同様な処理を施し、その特性に
ついて同様な評価を行った。（実施例３）ＳＵＳ３０４条（厚さ２．５ｍｍ）の表面
から順に鉄条（厚さ０．１０ｍｍ）、チタン条（厚さ
０．１２ｍｍ）、ニッケル条（厚さ０．１５ｍｍ）を圧
延法によりクラッドして積層させた他は、実施例１と同
様な処理を施し、その特性について同様な評価を行っ
た。（実施例４）先ず、ＳＵＳ３０４条（厚さ２．５ｍｍ）
の表面から順に鉄条（厚さ０．１３ｍｍ）、チタン条
（厚さ０．０２ｍｍ）、ニッケル条（厚さ０．１０ｍ
ｍ）を圧延法によりクラッドして積層させ、さらに圧延
を繰り返して鉄，チタン及びニッケルからなるろう層の
合計厚さ７０μｍとした。次いで、この複合材を１２０
０℃の真空炉で加熱、ろう層を溶融した後、８５℃／秒
の冷却速度で除冷し、そのろう付け後の生成組織及びろ
う付け後のろう層中に占める金属間化合物の割合を実施
例１と同様な方法で調べた。その結果を表２に示す。（実施例５，６）ろう層を溶融した後、これをそれぞれ
１２０℃／秒及び５００℃／秒の冷却速度で除冷した他
は実施例４と同様な複合材を形成し、その評価を行っ
た。（比較例１）ＳＵＳ３０４条（厚さ２．５ｍｍ）の表面
に直接ニッケル条（厚さ０．１５ｍｍ）を圧延法により
クラッドし、圧延を繰り返してニッケルの厚さを７０μ
ｍとした後、これを１２００℃の真空炉で加熱し、その
ろう層を溶融した後、その特性を実施例１と同様な方法
によって評価した。（比較例２）ＳＵＳ３０４条（厚さ２．５ｍｍ）の表面
に順に銅条（厚さ０．０５ｍｍ）、チタン条（厚さ０．
２０ｍｍ）を圧延法により、チタンとニッケルの合計厚
さが７０μｍとなるように複合化した他は実施例１と同
様な方法でその評価を行った。（比較例３）比較例２に示す鉄条に代えて銅条を用いた
他は比較例２と同様な複合材を形成し、その特性を実施
例１と同様な方法で評価した。（従来例１）ＳＵＳ３０４条の片面に市販の粉末Ｎｉろ
う材を合成樹脂バインダで溶いたものを塗布してろう層
を形成した後、これを真空炉で１２００℃に加熱してそ
のろう層を溶融してからその特性を実施例１と同様に評
価した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】この結果、表１からも明らかなように本発
明に係る実施例１〜３は、いずれもろう付け後の生成組
織がＦｃｃからなる相、またはＦｃｃ及び金属間化合物
からなる相であり、優れた接合強度，加工性，ろう付け
生産性を発揮することができた。特に、金属間化合物が
殆ど生成しなかった実施例１にあっては、湯流れ性がや
や劣るものの、他のいずれの実施例よりも優れた接合強
度と加工性を発揮することができた。また、チタンの割
合を４０ｗｔ％以下に抑えた実施例４〜６にあっては、
表２に示すように上記各実施例と同様にいずれもろう付
け後の生成組織がＦｃｃ及び金属間化合物からなる相と
なることが確認された。また、この金属間化合物の生成
割合は、溶融後の冷却速度が遅くなるほど小さくなるこ
ともわかり、特に１００℃／秒以下であれば、接合強度
や靱性に殆ど影響のない程度まで減少できることが分か
った。

【００３２】これに対し、ろう材としてニッケル単体を
用いた比較例１にあっては、１２００℃のろう付け温度
では溶融せず、ろう材として機能しなかった。また、ろ
う層中のチタンの割合が４０ｗｔ％を超える比較例２及
び３にあっては、そのろう付け後の生成組織がいずれも
Ｂｃｃ及び金属間化合物からなる相であり、接合強度が
低く、しかも割れやひびが発生してしまい、実用化は困
難である。

【００３３】一方、自動車用オイルクーラ等の熱交換器
として従来から用いられている従来例１は、その生成組
成が本実施例と同様にＦｃｃ及び金属間化合物からなる
相であって優れた接合強度及び加工性を発揮することは
可能であったが、ろう付け生産性の向上は見込めない。

【００３４】以上の結果から十分な接合強度及びろう付
け後の加工特性を得るためにはろう付け後のろう層を示
す金属間化合物の割合が３０体積％以下であることが望
ましいが、より好ましくは５〜２０体積％である。すな
わち、金属間化合物が殆ど発生しないかあるいはその割
合が５％体積未満ではろう層の融点が十分に低下しない
ため、湯流れ性が悪化するためであり、反対に２０体積
％を超えるとろう層は硬く、かつ脆くなり、振動疲労特
性及び接合強度が著しく低下するためである。

【００３５】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、優れた耐
食性及び耐熱性を有することは勿論、靱性に優れ、かつ
ろう付け後の加工特性も大幅に向上する。この結果、ろ
う付け製品の生産効率が向上し、その製造コストを安価
にすることが可能となり、また、信頼性の高い高品質の
ろう付け製品を得ることができる等といった優れた効果
を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る複合ろう材の実施の一形態を示す
拡大断面図である。

【図２】本発明に係る複合ろう材の他の実施の形態を示
す拡大断面図である。

【図３】本発明に係る複合ろう材の他の実施の形態を示
す拡大断面図である。

【図４】本発明に係る複合ろう材の他の実施の形態を示
す拡大断面図である。

【図５】本発明に係るろう付け加工用複合材の実施の一
形態を示す拡大断面図である。

【図６】本発明に係るろう付け加工用複合材の他の実施
の形態を示す拡大断面図である。

【図７】本発明に係るろう付け加工用複合材の他の実施
の形態を示す拡大断面図である。

【図８】本発明に係るろう付け加工用複合材の他の実施
の形態を示す拡大断面図である。

【図９】本実施例で採用した加工特性評価方法を示す説
明図である。

【符号の説明】

１複合ろう材２ニッケル層３非ニッケル層 3a チタン層 3b 鉄層４ろう付加工用複合材５基材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山正義東京都千代田区大手町一丁目６番１号日立電線株式会社内 (72)発明者白井枢覚東京都千代田区大手町一丁目６番１号日立電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材同士をろう付けするためのろう材に
おいて、低融点化すべく２種以上の金属を複合させてな
ると共に、そのろう付け加工後の組織が面心立方型格子
（Ｆｃｃ）からなる相又は面心立方型格子及び金属間化
合物からなる相となるように構成されていることを特徴
とする複合ろう材。
【請求項２】上記金属間化合物相の割合が３０体積％
以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合ろう
材。
【請求項３】上記請求項１又は２に記載の複合ろう材
を基材表面に接合してなることを特徴とするろう付加工
用複合材。
【請求項４】上記請求項１又は２に記載の複合ろう材
を用いて基材同士をろう付けするろう付け方法におい
て、そのろう材をろう付け時の溶融状態から１００℃／
秒以下の冷却速度で冷却してなることを特徴とするろう
付け方法。
【請求項５】上記請求項３に記載のろう付加工用複合
材同士をまたはこのろう付加工用複合材と基材同士をろ
う付けするろう付け方法において、そのろう材をろう付
け時の溶融状態から１００℃／秒以下の冷却速度で冷却
してなることを特徴とするろう付け方法。
【請求項６】上記請求項４又は５に記載のろう付け方
法によって製作されることを特徴とするろう付け製品。