JP2008093714A - ステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合体及びろう付け接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス鋼材の表面を予め処理することなしに、接合強度の高いステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合体を得る。
【解決手段】ステンレス鋼材のろう付け部表面に、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを塗布した後、当該ろう材スラリーが塗布されたろう付け部にアルミニウム合金材を組み付け、その組み付け体を、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下保持する条件で加熱する。
【選択図】なし

Description

本発明は、ステンレス鋼材とアルミニウム合金材との接合強度の高いろう付け接合体及びその製造方法並びにそのろう付け接合技術を適用してハニカムパネルを製造する方法に関する。

最近、半導体製造装置にステンレス鋼材とアルミニウム合金材を組み合わせて用いる場合が多くなっている。耐食性に優れたステンレス鋼と軽量なアルミニウム合金を適宜組み合わせて用いることにより、特殊雰囲気ガスにも耐えられる装置の軽量化を図ろうとするものである。半導体製造装置に限らず、ステンレス鋼材とアルミニウム合金材の組合せにより、耐食性と高剛性，高強度を併せ持った構造体の軽量化が期待できる。
例えば、面材にステンレス鋼板をコア材にアルミニウム合金板を用い、両者を優れた接合強度で接合できれば、耐食性に優れ、かつ軽量でハンドリングしやすいハニカムパネルが容易に得られる。

ステンレス鋼板とアルミニウム合金板との上記接合方法としては、ろう付け法が用いられている。ろう付け法は、アルミニウム合金材同士の接合方法としては、ごく一般的な方法である。しかしながら、ステンレス鋼材とアルミニウム合金材をアルミニウム合金系のろう材を用いてろう付けすると、接合界面に非常に脆弱なＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成し接合強度が著しく低下する。上記のようなハニカムパネルも、接合面に金属間化合物層が厚く形成されると、使用時の熱応力や真空−大気圧の繰返し応力で剥離してしまうという問題点がある。
このため、ろう付け接合強度を高くするための各種改良方法が提案されている。

例えば特許文献１では、異種金属材の表面全体のうち少なくともアルミニウム材との接合面に物理的気相メッキ法によりアルミニウムメッキ層を形成した後、この異種金属材とアルミニウム材とを無フラックスろう付け法でろう付けしている。また特許文献２では、所定のステンレス鋼材料を、純Ａｌ若しくはＡｌ−Ｓｉ合金溶湯に浸漬した後、或いはＡｇメッキ若しくはＳｎメッキを施した後、真空ろう付け用ろう材をクラッドした所定のＡｌ材料と真空ろう付けしている。

さらに特許文献３では、アルミニウム合金と他の異種金属とを接合する際に、異種金属の接合面に岩塩型構造の窒化物または炭化物からなるコーティング層を形成した後、このコーティング層を介して、６２０℃以下で接合可能なアルミニウムを主成分とするろう材により接合している。さらにまた特許文献４では、アルミニウム系金属と異材金属をＡｌ−Ｓｉ系ろう材でろう付けする際、異材金属側の接合面にＮｉ−Ｂ系の被覆を施している。
特開昭５９−２１８２６３号公報 特開昭６０−１３３９７１号公報 特開平８−２５７７４３号公報 特開２００４−６６３２４号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４で提案されている方法は、いずれもアルミニウム合金材とろう付けしようとする異種金属の表面を予め処理するものである。このため、製造工程が複雑となり、コストが高くなってしまう。また大型製品のろう付けには適さない。
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、アルミニウム合金材とろう付けしようとするステンレス鋼材の表面を予め処理することなしに、接合強度の高いステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合体を得ることを目的とする。

本発明のステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合体は、ろう材とステンレス鋼材との界面に形成された金属間化合物が１０μｍ以下の厚さでろう付け接合されていることを特徴とする。
このようなろう付け接合体は、ステンレス鋼材のろう付け部表面に、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを塗布した後、当該ろう材スラリーが塗布されたろう付け部にアルミニウム合金材を組み付け、その組み付け体を、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下保持する条件で加熱することにより得られる。

上記技術を採用することにより、ステンレス鋼板からなる面材とアルミニウム合金板からなるコア材が、ろう材とステンレス鋼材との界面に形成された金属間化合物が１０μｍ以下の厚さでろう付け接合されていることを特徴とするろう付けハニカムパネルが提供される。
このようなハニカムパネルは、ステンレス鋼板からなる面材のろう付け部表面に、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを塗布した後、当該ろう材スラリーが塗布されたろう付け部にアルミニウム合金板からなるコア材を組み付け、その組み付け体を、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下保持する条件で加熱することにより得られる。

本発明では、ステンレス鋼材とアルミニウム合金材をろう付け接合する際、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系の低融点ろう材及びＣｓＦを含むフッ化物系フラックスの使用により、低温でのろう付けが可能となり、その低温ろう付けによってＡｌ合金系ろうとステンレス鋼材との界面に生成されるＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物の形成を抑制することができ、その結果、ステンレス鋼材とアルミニウム合金材との接合強度を大幅に高めることができた。
この技術の採用により、ステンレス鋼板からなる面材とアルミニウム合金板からなるコア材とがろう付けされたハニカムパネルであっても、使用時の熱応力や真空−大気圧の繰返し応力によっても両板材が剥れることのない安定したハニカムパネルを提供することができる。

本発明者等は、ステンレス鋼材にアルミニウム合金材をＡｌ合金系ろう材を用いてろう付けする際、所望の接合強度が得られない原因及びその対策について検討を重ねてきた。
その結果、ろう付け時にステンレス鋼材界面に生成される脆弱なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成量が多くなって接合強度が低下すること、接合強度の低下を抑えるにはＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成を抑制することが有効であることを見出した。
さらに、低融点ろう材とフッ化物系フラックスの使用による低温ろう付けにより、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成が抑制され、接合強度の低下が抑えられること見出した。
以下にその詳細を説明する。

まず、低温ろう付け法から説明する。ろう付けされるステンレス鋼材に制限はない。したがって、本発明ろう付け接合体を構成するステンレス鋼材はどのような種類のものであっても構わない。ろう付けされるアルミニウム合金材に関しては、ろう付け温度で溶融しないアルミニウム合金であれば、どのような種類のものでも構わない。
この低温ろう付け法は、用いるろう材とフラックスを特徴とするものである。本出願人が既に特願２００５−２７３６８９号として出願しているものである。
具体的には、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを用いる。

ろう材として、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含む三元系のＡｌ合金とすることで融点を下げ、ろう付け温度を５３０〜５８０℃に下げることができる。不純物としては、Ｆｅ：０．２５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｚｎ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される。
被ろう付け部への均一供給を可能とし、かつ後記のフラックスとの相互作用により早急なる溶融により接合作用を効果的に発現させるためには、ろう材は細かな粉末状とすることが有効である。しかし、あまり細かいと反応性が増し通常での保管が困難になるばかりでなく、製造コストも高騰する。逆に大きすぎると、被ろう付け面上の均一性の確保が難しくなる。したがって、粉末状アルミニウム合金ろう材の平均粒径は１０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。

アルミニウム合金は比較的酸化されやすいので、粉末状のアルミニウム合金ろう材も製造時に酸化されやすい。そして、ろう材中に酸化物が多量に混入されていると、ろう付け時に用いるフラックス量が多くなって、ろう付け製品の外観を低下させるばかりでなく、コスト増にもつながる。そこで本発明では、製造時の酸化を抑制するために、真空又は不活性雰囲気中での噴霧・急冷法で製造した粉末状のアルミニウム合金ろう材を用いることが好ましい。

アルミニウム合金ろう材スラリーに用いるフラックスとしては、通常のアルミニウム合金をろう付けする際に使用されるフッ化物系フラックスを用いることができる。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。しかし、本発明では融点を低いろう材を用いているために、フラックス自体も融点が低いものを使用することが好ましい。このため、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系非腐食性フラックスを用いることが好ましい。

ＣｓＦの有無にかかわらずフッ化物系フラックスは、通常、純水やアルコール等の揮発性液体からなる分散媒に懸濁されてスラリー状にされ、被ろう付け面に塗布されている。
粉末状ろう材を被ろう付け面上に均一に供給するためには、粉末状ろう材をも分散媒に懸濁させたスラリー状で塗布することが効果的である。
ＣｓＦを含むフッ化物系フラックスと粉末状ろう材との混合割合は、ステンレス鋼材の形状や組み付けるアルミニウム材の組み付け態様によって異なるが、ろう材１００重量部に対して、フッ化物系フラックス１０〜１００重量部程度で十分である。

本発明では、ＣｓＦを含むフッ化物系フラックスと粉末状ろう材とを合わせて通常の純水やアルコール等の揮発性液体からなる分散媒に懸濁されたスラリーを塗布することで、被ろう付け材であるステンレス鋼材の表面に供給する。
分散媒として水を用いる場合には、予め界面活性剤を添加しておくことが好ましい。界面活性剤が添加されているとステンレス鋼材表面との濡れ性が向上し、ステンレス鋼材表面を粗面にすることなくフラックス成分及びろう材粉末を均一に供給することができる。この界面活性剤にも制限はない。通常のノニオン系界面活性剤が用いられる。
ステンレス鋼材表面に、フラックス及びろう材を懸濁させたスラリーの塗布を行う。均一供給性が損なわれない限り、スラリーの塗布方法にも制限はない。刷毛塗り法やロールコーティング法を用いてもよい。浸漬法や噴霧法でもよい。

ろう材スラリーが塗布されたステンレス鋼材を乾燥後、当該ろう付け部上にアルミニウム合金材を組み付け、組み付け部を加熱してろう付けする。このろう付け方法に制限はない。通常と同じろう付け方法で十分である。所定温度に加熱された炉内に装入し、所定時間保持することにより十分にろう付けできる。ただし、本発明にあっては、酸化しやすい粉末状のアルミニウム合金ろう材を用いている。したがって、ろう付けも、ろう材が酸化されることのない不活性ガス中で行われることが好ましい。ろう材の酸化をより防止するためには、ろう付け雰囲気を一旦真空にした後、窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。

ろう付け加熱の際に問題となる点は、加熱条件によってはステンレス鋼材の接合Ａｌ系ろうとの界面に生成する脆弱なＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成量が変わることである。加熱温度が高いほど、或いは加熱時間が長いほどＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成量が多くなって低温ろう付け法を採用した意味がなくなる。
詳細は後記の実施例に譲るが、ステンレス鋼材界面に生成するＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物層の厚さが１０μｍ以下であれば、接合強度への影響は殆んどなくなる。好ましくは５μｍ以下である。そして、１０μｍ以下の厚さの金属間化合物層とするためには、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下の加熱に止めることが必要である。加熱温度が高すぎたり、加熱時間が長すぎたりすると、金属間化合物の生成量が多くなりすぎて、所期の目的を達成することができなくなる。

次に上記技術を用いて、面材としてステンレス鋼板を、コア材としてアルミニウム合金板を用いて、図１に示すようなハニカムパネルを製造する方法について説明する。
例えば図１に示されるように、一般的なハニカムパネル１は、一対の面材２と、これら面材２間に配列されるように介在される中空のコア材３とで構成されている。そして、面材２とコア材３がろう付けにて接合されている。なお、図１中、３ａは中空コア材の内部と連通する空気孔である。また、図１中には明示していないが、表裏二面の面材２間で挟まれた空間の前後左右の側端面には、通常面材２よりも厚肉の枠材が配置されている。

ステンレス鋼板からなる面材２の表面に、ＣｓＦ含有フッ化物系フラックスと粉末状アルミニウム合金ろう材を含む混合スラリーを塗布し、乾燥する。この混合スラリーを塗布した二枚の面材２のろう付け面間にコア材３を適宜間隔で、或いはその側面が互いに接触するように配置した状態で、前記面材２及びコア材３を不活性ガス中で加熱して両者をろう付けすることにより、ステンレス鋼板製面材とアルミニウム合金板製コア材とからなるハニカムパネル１を製造することができる。なお、コア材３をその側面が互いに接触するように配置する場合には、コア材の側面にもろう材スラリーを塗布しておき、コア材同士がろう付けされることが好ましい。コア材３は、ろう材をクラッドした、いわゆるブレージングシートで形作られたものでも、例えばＡ３００３のベアシートで形作られたものでもよい。

ステンレス鋼板製面材とアルミニウム合金板製コア材とからなるハニカムパネル１を製造する場合にも、ステンレス鋼面材界面に生成するＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物層の厚さが１０μｍ以下となるように、加熱条件を制御する必要がある。
上記と同じように、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下の加熱に止める必要がある。２時間を超える加熱は、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成量を増やすばかりでなく、生産性や経済性の劣化にも繋がる。

低温ろう付けを行ってＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成状況と接合強度の影響について検討した。図２に示すような逆Ｔ字ろう付け試験を行い、ろう付け後のＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成状況の観察と破断テストを行った。
図２中の横板４として、板厚１ｍｍのＳＵＳ３１６を用意した。また縦板５として、Ａ３００３の芯材に４３４３系の皮材を両面に１０％のクラッド率でクラッドした板厚０.２ｍｍのブレージングシート、又は板厚０.２ｍｍのＡ３００３を用いた。横板４，縦板５の長さ，幅は図示の通りである。

ろう材としては、Ｃｕ：３０．９質量％及びＳｉ：９．３質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金溶湯を、窒素ガス中にて噴霧・急冷することにより粉末としたものを使用した。この合金粉末は、平均粒径が４０μｍの球状を呈し、表面及び内部に欠陥や酸化物は含まれておらず、この合金の融点は５２５℃である。
また、フラックスとしては、フッ化セシウムを含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフラックスであって、第一稀元素化学工業株式会社製のＣＦ−２ペーストと市販のノコロック（登録商標）粉末を用意した。なお、このＣＦ−２は約５０モル％のＣｓＦを含むものである。
ＣＦ−２ペースト１００ｇ（固形分５０ｇ）と７５ｇのノコロック粉末を、３００ｇの前記ろう材粉末とともに１３０ｍｌの純水に加えてろう材スラリーを調製した。

図２に示すように、横板４の所定箇所６に１０ｍｍの幅で前記のろう材スラリーを刷毛を用いて塗布した。その後、約２００℃で乾燥した。乾燥後の固形分付着量はろう材：約１３０ｇ／ｍ²，フラックス：約５５ｇ／ｍ²であった。
次いで横板４に縦板５を立て、逆Ｔ字ろう付け試験用組み付け体を作製した。
その組み付け体をＮ₂ガス雰囲気炉に入れ、加熱温度，加熱時間を種々変更して加熱した後に速やかに冷却することでろう付けを行った。なお、ろう付け加熱時の昇温速度は２０℃／分とした。
なお、比較のために縦板にブレージングシート又はＡ３００３材を用い、ノコロックをフラックスとし、別途ろう材を配することなく、種々の加熱温度でろう付けを行った。

ろう付け後のＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成状況を観察するとともに、各ろう付け接合体について破断テストを行った。
Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成状況の観察は、接合部の断面を拡大し、ステンレス鋼界面に形成されている金属間化合物層の厚さを測定した。なお、この金属間化合物層の厚さは、前記態様で組み付け体を、各ろう付け条件で、それぞれ５回ろう付け試験したときの平均値である。
ろう付け接合体の破断テストには、間隙を設けた治具を用いた。治具の間隙に縦板５を通し、治具の下面で横板４の上面を規制しつつ、間隙を通した縦板５を上方に破断するまで引っ張った。破断した後、破断箇所を確認して、接合部以外からの破断を良とした。
その結果を併せて表１に示す。

表１に示す結果から、本請求項３に示すろう材＋フラックス混合スラリーを用い、適切な温度及び時間の条件でろう付けを行うと、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物量の増加を抑制することができ、接合強度の高いろう付け接合体が得られていることがわかる。これに対して、ろう付けの温度が高すぎたり（試験Ｎｏ.１１）、ろう付け時間が長すぎたり（試験Ｎｏ.１２，１３）すると、多量の金属間化合物が生成し、接合強度が低下してろう付け接合部で破断している。
なお、試験Ｎｏ.１４以降の比較例からもわかるように、低融点ろう材＋フラックス混合スラリーを用いないと、５７０℃以下での加熱温度ではろう付けができない。そして、高温ろう付けに伴って多量の金属間化合物が生成し、接合強度が低下してしまう。
この結果から、低温ろう付けによってステンレス鋼材の界面に形成される金属間化合物の生成量を少なくすることができ、その結果として、ステンレス鋼材とアルミニウム材との接合強度を高めたろう付け接合体が得られることがわかる。

ハニカムパネルの一例を概略的に説明する斜視図 逆Ｔ字ろう付け試験を行う際の組み付け形態を説明する図

Claims (4)

1. ステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合体であって、ろう材とステンレス鋼材との界面に形成された金属間化合物が１０μｍ以下の厚さでろう付け接合されていることを特徴とするステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合体。
2. ステンレス鋼板からなる面材とアルミニウム合金板からなるコア材が、ろう材とステンレス鋼材との界面に形成された金属間化合物が１０μｍ以下の厚さでろう付け接合されていることを特徴とするろう付けハニカムパネル。
3. ステンレス鋼材のろう付け部表面に、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを塗布した後、当該ろう材スラリーが塗布されたろう付け部にアルミニウム合金材を組み付け、その組み付け体を、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下保持する条件で加熱することを特徴とするステンレス鋼材とアルミニウム合金材とのろう付け接合方法。
4. ステンレス鋼板からなる面材のろう付け部表面に、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成と１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを分散媒に懸濁させたアルミニウム合金ろう材スラリーを塗布した後、当該ろう材スラリーが塗布されたろう付け部にアルミニウム合金板からなるコア材を組み付け、その組み付け体を、５３０〜５８０℃の温度範囲で２時間以下保持する条件で加熱することを特徴とするハニカムパネルの製造方法。

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