JP2006326621A - アルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】加工性に優れるとともに、５３０〜５６０℃のろう付け温度でアルミニウム合金鋳物のろう付けが可能となるろう材ワイヤを低コストで提供する。
【解決手段】 Ａｌ−Ｓｉ系合金材で構築した中空の鞘１内に、フッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックス粉末３とともにＣｕ線材２を充填する。 鞘が５〜１５質量％のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金板から構築され、鞘内に充填されるＣｕ線材が、鞘材と合金化されてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系の合金となったときに、当該三元系合金中で２２〜３７質量％のＣｕに相当する直径を有するものが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金をろう付けする際に用いるろう材ワイヤであって、アルミニウム合金製の鞘の中にフラックスを充填したアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤに関する。

一般に、鋳物製品等にはアルミニウム−珪素系の合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）が用いられている。このＡｌ−Ｓｉ系合金は、純アルミニウムに比べて融点が低く、鋳型によって複雑な形状の部品製作が可能なため、例えば、ピストン，シリンダーヘッド等の用途に用いられている。また、灰色系の発色を活かして建築パネル等の用途等にも使用されている。
これらの用途に用いるに当っても、複数の鋳物部品を組合せて接合して使用している。そして、アルミニウム合金鋳物部品の接合方法としても種々の手段があるが、接合面が複雑であったり気密性を必要としたりする場合には、ろう付け法が重用されている。

アルミニウム材のろう付け法としては、フッ化カリウム系非腐食性フラックス（通称「ノコロック」（登録商標名））とＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いる方法が広く知られている。
しかし、この「ノコロック」ろう付け法では、ＫＦとＡｌＦ₃の共晶組成を有するフラックスを使用している。ＫＦとＡｌＦ₃の共晶点における融点は５６０〜５７０℃であり、ろう材として用いるＪＩＳ Ａ４０４５やＡ４０４７のＡｌ−Ｓｉ系合金の融点が５７７℃であることから、ろう付けの際には、ろう材の融点よりも約３０℃高い６００℃程度まで加熱している。
この加熱により、融解したフッ化カリウム系フラックスによってアルミニウム材表面の酸化皮膜が溶解除去されるとともに、ろう材との濡れ性が極めて良くなり、融解されたろう材の流動拡散が助長される。接合部同士の接する部分へ流動したろう材がすみ肉（フィレット）を形成して被ろう付け部材を接合する。

ところが、アルミニウム合金鋳物部品の場合、接合の対象部材がろう材と同じ系統のＡｌ−Ｓｉ系合金である。このため、フッ化カリウム系フラックスを用いた際のろう付け温度６００℃では、接合対象の部品そのものが融解して製品形状を保てなくなる等の問題が生じてくる。このろう付け温度の問題は、ろう付け温度をアルミニウム合金の融点よりも低くすることで解決できるので、従来から、ろう材の低融点化、及びフラックスの低融点化の対策が講じられている。

フラックスに関しては、フッ化カリウム系フラックスよりも融点の低いフッ化セシウム系の非腐食性フラックスが開発されている。
一方、低融点ろう材としては融点が４８０℃前後のＺｎ−Ａｌ系合金が古くから知られている。しかしながら、Ａｌ−Ｓｉ系合金に比べてろうの流動性が悪く、フィレットの耐食性の劣ることから、近年では、融点５２０〜５５０℃のＡｌ−Ｃｕ系合金ろう材の開発が報告されている。
また、ろう付け接合部へのフラックスとろう材の供給方式として、作業効率改善のためにフラックスを内包又は含有したろう材ワイヤが提案されている。

例えば、非特許文献１で、ろう付け用アルミニウム合金材（ＪＩＳ Ａ４０４７）を鞘にして、その芯に「ノコロック」フラックス或いはフッ化セシウム系非腐食性フラックスを充填したコアードワイヤが提案されている。
また特許文献１では、アルミニウム材又はその合金（ＪＩＳ Ａ１０００系）を鞘にして、「ノコロック」フラックス或いはフッ化セシウム系非腐食性フラックスに銅，珪素，亜鉛等の金属粉末を所定の比率で混合し、前記鞘の芯に充填したろう材ワイヤが提案されている。
さらに、特許文献２には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系合金組成を得るための各金属粉末とフッ化セシウム含有フッ化物系非腐食性フラックス粉末をアルミニウム缶に封入し、真空下で４００℃に加熱してプレスした固形物を押出して線材化したフラックス含有アルミニウム合金ろう材を製造することが記載されている。
「工業材料」，日刊工業新聞社出版，2003年6月号（Vol.51，No.6）p.90‐91 米国特許第５４１８０７２号明細書 特開平８−１６４４９２号公報

しかしながら、非特許文献１で提案されたろう材ワイヤも、ろう材として融点が５７７℃のＡ４０４７合金が使用されているために、ろう付け温度は６００℃程度である。このため融点が６００℃よりも低いアルミニウム合金鋳物のろう付けには使用できない。
また、特許文献１で提案されたろう付けワイヤでは、鞘に充填する金属粉末として銅を選べば融点が５５０℃前後の合金組成となり、５７０℃程度の温度でのろう付けが可能になるが、融点が５７０℃よりも低い鋳物のろう付けには使用できない。より広範囲の鋳物合金に適用させるためには、銅と珪素等の複数金属の混合粉末を充填して融点がより低くなったろう材とする必要がある。しかし、複数の金属粉末を混合して充填しようとすると、粒度分布や比重の違いによって均一な混合状態での充填は非常に難しい。また、充填する金属粉末は微細であり表面積の総和が非常に大きいため、ろう付け性を阻害する酸化物を非常に多く付随するものになっている。このため、良好なろう付け性を得るには、多量のフラックスの使用が必要になって製造コストを増大させる要因にもなる。

さらに、特許文献２で提案された線材化フラックス含有アルミニウム合金ろう材は、ろう材の融点が５３０℃前後と低いために５５０℃前後の温度でのろう付けが可能である。しかし、製造工程に難があるとともに、フラックスを含有した粉末成形ワイヤは成形性が悪く、リング状等、鋳物の接合部位に沿った形状への曲げ加工を、同文献に記載の実施例からもわかるように４００℃といった高温下で行う必要があり、製造コストの上昇を招いている。

上記のように、従来のろう材においては、Ａｌ−Ｓｉ系合金鋳物をろう付け接合する際には、結果としてろう材の融点が低いＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系の合金を形成する元素配合組成にできたとしても、生産性の向上が図れず、また製造コストの高いものになるばかりでなく、加工性が低いために使い勝手が良くないといった問題がある。
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、加工性に優れるとともに、５３０〜５６０℃のろう付け温度でアルミニウム合金鋳物のろう付けが可能となるろう材ワイヤを低コストで提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤは、その目的を達成するため、Ａｌ−Ｓｉ系合金材から構築された中空の鞘と、当該鞘内に充填されたフッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックス粉末及びＣｕ線材からなることを特徴とする。
鞘が５〜１５質量％のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金板から構築され、鞘内に充填されるＣｕ線材が、鞘材と合金化されてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系の合金となったときに、当該三元系合金中で２２〜３７質量％のＣｕに相当する直径を有するものであることが好ましい。なお、鞘内に充填するＣｕ線材は、一本以上複数本であっても構わず、Ｃｕ線材の断面積の合計が、当該三元系合金中で２２〜３７質量％のＣｕに相当する直径を有するものとなればよい。

本発明では、ろう材成分を、Ａｌ−Ｓｉ系合金材からなる鞘部と該鞘内に充填したＣｕ線材とに分けている。このため、両材料の質量比を調整することにより、容易に５２５〜５３０℃程度の溶融点を有する合金組成を作り出すことができる。
ろう材の融点を下げることができた結果、低融点フラックスの使用と相俟って５５０℃程度でのろう付け可能となり、アルミニウム合金鋳物、特にＡｌ−Ｓｉ系合金鋳物も低いろう付け温度で容易にろう付けできる。また、ろう材をＡｌ−Ｓｉ合金材とＣｕ線材とに分けているために軟質な状態で加工でき、接合部位に沿った所望形状のろう材が安価に提供される。
これらを総合すると、本発明ろう材ワイヤの提供により、アルミニウム合金部材のろう付け作業が、生産性よく低コストで行われることになる。

本発明者等は、低融点化と加工性向上を念頭においてろう材ワイヤの改良策を検討してきた。
その結果、フラックスの低融点化に関してはフッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックスを用いる技術が採用される。この点に関しては、後記で詳しく説明する。
ろう材の低融点化に関しては、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉの三元系共晶組成が融点５２５℃を有することを最大限に活用することが有効である。しかしながら、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶合金は塑性加工性が極めて悪い。このため、ろう材ワイヤの鞘に形作ることが困難になるばかりでなく、ワイヤを構成することができたとしても、その後に接合品部位に沿った形状への曲げ加工も行い難い。

そこで、本発明では、ろう付け加熱された時点でＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶合金を作り出すように、三つの成分をＡｌ−Ｓｉ系合金材とＣｕ材で別々に供給することにした。そして手段として、図１に示すように、Ａｌ−Ｓｉ系合金材からなる鞘材１とその中に充填したＣｕ線材２の形態で供給する態様を採用した。なお、３は、Ｃｕ線材とともに鞘内に充填されたフッ化物系非腐食性フラックス粉末である。
Ａｌ−Ｓｉ系合金材からなる鞘材とその中に充填したＣｕ線材を用いることにより、ろう付け加熱時にＡｌ−Ｓｉ系合金とＣｕを反応（共融）させて融点が５２５℃のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶ろうを生成させることができる。この結果、５３０〜５６０℃の低い温度範囲で容易にろう付けできる。

またＣｕ線材を鞘内に予め充填しておくことにより、通常表面に形成され、ろう付けを阻害する酸化皮膜量を少なくすることができ、充填するフラックス量も少なくすることができる。
さらに、ろう材を構成するＡｌ−Ｓｉ系合金材及びＣｕ線材はともに良好な塑性加工性を有している。Ａｌ−Ｓｉ系合金材からなる鞘材の中にＣｕ線材を充填した後にあっても良好な塑性加工性を維持しているので、通常のワイヤ製造設備を用いて鞘への成形加工及び中へのフラックス充填が容易に行えるばかりでなく、被ろう付け体の接合部形状に合わせた曲げ加工が容易に行える。そして、自動トーチろう付け装置を使用する場合にも、連続的な供給が問題なく行える。

上記のように鞘内に線材を充填して用いる際、共晶ろうを生成しやすくするためには前記鞘材を構成するＡｌ−Ｓｉ系合金板はＳｉ含有量が５〜１５質量％のもので、Ａｌ−Ｓｉ系合金板とＣｕ線材の比率はろう材になるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系合金に対するＣｕの質量が２２〜３７質量％に相当するように断面調整することが好ましい。Ｓｉ、及び／又はＣｕの量が、これらの数値範囲を外れると、生成するろう組成とＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶組成（Ｃｕ；２６．７質量％，Ｓｉ；５．３質量％）との差が大きくなりすぎ、５３０〜５６０℃の温度範囲でのろう付けが困難になる。

Ｓｉ含有量が５〜１５質量％のＡｌ−Ｓｉ系合金材としては、ＪＩＳ Ａ４３４３，Ａ４０４５，Ａ４０４７，４Ｎ４３，４Ｎ４５等が使用できる。
ろう材になるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系合金に対するＣｕ線材の質量２２〜３７質量％は、Ｃｕの比重が８．９、Ａｌ−Ｓｉ系合金の比重が２．７であるから、鞘の断面積を１００としたとき、Ｃｕ線材の断面積を８．６〜１７．８にすることで満足できる。

鞘内部へのフラックスの充填も通常の方法で行われる。
充填するフラックスとしては、融点が低く、非腐食性に優れたものが用いられる。ろう付け後のフラックス残渣除去工程を省略するためには、フッ化物系非腐食性フラックス粉末を用いることが必要である。また、フラックスの融点をＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶ろう合金の融点５２５℃以下に下げるためには、フッ化セシウム（ＣｓＦ）を含有させることが必須となる。

フッ化物系非腐食性フラックスの化合物形態としては、ＫＡｌＦ₄，Ｋ₂ＡｌＦ₅，Ｋ₃ＡｌＦ₆，ＡｌＦ₃，ＫＦ，ＣｓＦ等があるが、従来と同様にその混合物が使用される。
フッ化物系非腐食性フラックス中に占めるフッ化セシウム（ＣｓＦ）の割合は、コスト的には少ないほど有利であるが、１０モル％に満たないとフラックスの融点を下げる効果が十分ではない。５３０〜５６０℃でのろう付けが困難になる。したがって、フッ化物系非腐食性フラックス中のフッ化セシウム（ＣｓＦ）の割合は１０モル％以上とすることが好ましい。

本発明のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤは、酸化皮膜の少ないろう材を用いているために、充填したフラックス量が少量でもろう付けが可能である。
ろう材ワイヤの質量に対するフラックスの質量、いわゆる充填率は、特に規定する必要はなく、従来のコアードワイヤの充填率と同程度の２０〜４０％であれば十分である。

上記のように、Ａｌ−Ｓｉ系合金材を鞘とし、その中にフッ化セシウムを含有させて融点を下げたフッ化物系非腐食性フラックスとＣｕ線材が充填されたアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤを加熱すると、まず、融点の低いフッ化物系非腐食性フラックスが４４０〜５１０℃の温度で溶融し、鞘及びＣｕ線材並びに被ろう付け体接合部の酸化皮膜を除去する。さらに加熱してＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶温度である５２５℃を超えると鞘であるＡｌ−Ｓｉ系合金とＣｕが反応（共融）してＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶合金ろうが生成し、溶融したろうがろう付け温度５３０〜５６０℃で被ろう付け体接合部に流動して良好なろう付けがなされることになる。

次に、鞘としてのＡｌ−Ｓｉ系合金材と、その中に充填するＣｕ線材の断面積比率を種々変更したろう材ワイヤを実際に作製し、ろう付け試験を行った例を示す。
鞘材用Ａｌ−Ｓｉ系合金板，Ｃｕ線材及びフラックスの準備
厚さ１０ｍｍのＪＩＳ Ａ４０４５板を素材とし、熱間圧延，中間焼鈍，冷間圧延，最終焼鈍を施して、厚さ０．３ｍｍの鞘材用Ａｌ−Ｓｉ系合金板を作製した。
また、鞘用合金板とは別に、各直径のＣｕ線材を準備した。
さらに、鞘中に充填するフラックスとして、フッ化セシウムを４８モル％含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックス（第一稀元素工業株式会社製；商品名「ＣＦ−２」）粉末を準備した。

ろう材ワイヤの作製
上記鞘材用Ａｌ−Ｓｉ系合金板を幅５．３ｍｍ、長さ２００ｍｍに切断し、その上面に長さ２００ｍｍのＣｕ線材を配置し、成形ロールスタンドを通して、前記鞘材用Ａｌ−Ｓｉ系合金板の上面を内側にして湾曲させつつ上方からフッ化物系非腐食性フラックス粉末を湾曲板材上に供給し、さらに成形ロールスタンドを通して、最終的にフッ化物系非腐食性フラックス粉末とＣｕ線材が充填された直径２．０ｍｍのろう材ワイヤを作製した。なお、フラックスの充填率は、２０〜３０質量％であった。
参考例として、Ｃｕ線材を充填しないろう材ワイヤも作製した。

ろう付け試験
厚さ１ｍｍ，幅２５ｍｍ，長さ５５ｍｍのＪＩＳ−Ａ３００３アルミニウム合金板を下板とし、厚さ１ｍｍ，幅２５ｍｍ，長さ２５ｍｍのＪＩＳ−Ａ３００３アルミニウム合金板を縦板とした逆Ｔ字型ろう付け試験片を組付け、下板と縦板の交線の片側に前記ろう材ワイヤを長さ２０ｍｍに切断してセットした。この組付け体を窒素ガス雰囲気炉中で５５０℃まで昇温速度５０℃／分で加熱し、５５０℃で３分間保持した後、約１００℃／分で室温まで冷却した。

ろう付け性評価
ろう付け性は、逆Ｔ字型試験片の外観を肉眼及び実体顕微鏡で観察するとともに、接合箇所中央部断面を光学顕微鏡で観察することにより下地の侵食状態を調べた。
接合部の外観評価は、ろう材ワイヤセット側及び反対側のいずれも十分な大きさのフィレットが形成されたものを○，ろう材ワイヤセット側に鞘材の一部が残存又は反対側のフィレットが小さいものを△，ろうが全く生成しなかったものを×，とした。
また、下地の侵食状態は、溶融したろうによるエロージョン（すなわち下地の融解）の最大深さを測定し、最大深さが０．１ｍｍ以下のものを◎，最大深さが０．１〜０．３ｍｍのものを○，最大深さが０．３〜０．５ｍｍのものを△，最大深さが０．５ｍｍ以上のものを×，とした。
その評価結果を表２に示す。

表２の結果からもわかるように、本発明例であるＮｏ．２〜５のろう材ワイヤを使用してろう付けしたものにあっては、良好にろう付けされ、ろう材ワイヤセット側、反対側のいずれも良好にろう付けされている。ろう材ワイヤセット側に生じた下地の侵食も０．３ｍｍ以下であった。
これに対して、比較例である、Ｃｕの比率が少ないＮｏ．１のろう材ワイヤを使用してろう付けしたものにあっては、ろう材ワイヤセット側に鞘材が多量に残存し、反対側に流動したろうは少なかった。また、Ｃｕの比率が多いＮｏ．６のろう材ワイヤを使用してろう付けしたものにあっては、ろう材ワイヤセット側の下地が激しく侵食されていた。これは、鞘材に対するＣｕの比率が多くなり過ぎると、ろう材ワイヤのＣｕが余剰となり、接合すべき下地のアルミニウム合金と反応（共融）してＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系共晶を生成していき、結果として下地に激しい侵食（エロージョン＝融解）が生じたものと推測される。

なお、Ｃｕを含まない従来品であるＮｏ．７のろう材ワイヤを使用してろう付けした場合にあっては、溶融したフラックスのしみだしは見られたものの、ろう材ワイヤがそのままの形状で残存し、ろうは生成していなかった。
以上に説明したように、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなる鞘中に充填するＣｕ線材の鞘材に対する質量の比率を適切にすることにより、低い温度で良好なろう付けが可能であることがわかる。

Ａｌ−Ｓｉ系合金鞘材中にＣｕ線材とフラックスが充填されたろう材ワイヤの断面形状を説明する図

Claims (2)

1. Ａｌ−Ｓｉ系合金材から構築された中空の鞘と、当該鞘内に充填されたフッ化セシウムを含むフッ化物系非腐食性フラックス粉末及びＣｕ線材からなることを特徴とするアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。
2. 鞘が５〜１５質量％のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金板から構築され、鞘内に充填されるＣｕ線が、鞘材と合金化されてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元系の合金となったときに、当該三元系合金中で２２〜３７質量％のＣｕに相当する直径を有するものである請求項１に記載のアルミニウム合金ろう付け用ろう材ワイヤ。

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