JP3753777B2 - 溶融アルミめっき鋼板のろう付け方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、高い継手強度で溶融アルミめっき鋼板を同種材料又は異種材料に接合するろう付け方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
アルミめっき鋼板は、アルミめっき層の優れた耐食性,耐熱性,耐酸化性,表面性状等を活用して配管,車両用部品,建材等の各種分野で使用されている。特に高温酸化性雰囲気に曝される環境では、他の表面処理鋼板では得られない耐高温酸化性及び耐久性が発揮される。
アルミめっき鋼板を構造部材等として使用するに際しては、他の部材との接合が必要になる。通常は、ボルト,リベット等の機械的な固着によってアルミめっき鋼板製部材を他の異種部材に接合しているが、機械的固着では工数が多く、また必要とする接合強度も得られ難い。そこで、たとえば特開昭62−238066号公報では、ろう付けによってアルミめっき鋼材をアルミ材に接合している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
アルミめっき鋼板をろう付けするとき、ろう付け温度は、通常Alの融点より若干低い温度、具体的には580〜630℃の温度範囲に設定される。しかし、ろう付け時の加熱によってアルミめっき層と素地鋼の間でAlとFeの相互拡散反応が進み、アルミめっき層本来の優れた特性がろう付け後に失われる場合がある。たとえば、素地からFeがアルミめっき層に拡散しめっき層表面まで達すると、アルミめっき層特有の銀白色から灰黒色に変色する。灰黒色化しためっき層は、外観を著しく損なうばかりでなく、耐食性及び耐熱性も劣化する。
また、アルミめっき層とろう材の間で接合反応が生じず、ろう付けできないこともある。ろう付けされても、Al−Fe系の金属間化合物層が厚く成長し、用途から要求される接合強度を持った継手が得られないことが多い。この点に付いて詳細に検討した結果、厚く成長したAl−Fe系金属間化合物層は、加熱初期段階で成長したAl5FeSi金属間化合物層とその下層に新たに晶出したAl5Fe2金属間化合物層の2層から形成されていることが判明した。Al−Feの相互拡散反応の進行に伴い、Al5FeSi金属間化合物層と素地鋼との間に晶出するAl5Fe2金属間化合物層は、著しく硬く脆いため、ろう付け接合部の強度を低下させる原因となる。
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、N濃縮層が界面に形成された溶融アルミめっき鋼板を使用し、溶融アルミめっき層自体をろう材として使用することにより、アルミめっき層の特性を損なうことなく溶融アルミめっき鋼板を同種材料又は異種材料にろう付けすることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明のろう付け方法は、その目的を達成するため、0.0020〜0.0200重量%のNを含む鋼板の表面にSi:5〜15重量%を含み膜厚10μm以上の溶融アルミめっき層を形成した後、下限温度が、0.002重量%≦N重量%<0.005重量%ではT=−3848×N 1/2 +672−35 log (t/50),0.005重量%≦N重量%≦0.020重量%ではT=−1414×N 1/2 +500−35 log (t/50)[ただし、tは加熱時間(時)、Nは鋼板のN(窒素)含有量(重量%)]で規制される温度T(℃)〜570℃の温度範囲で0.5〜50時間の熱処理を施して、溶融アルミめっき層との界面にN:3.0原子%以上のN濃縮層が形成されている溶融アルミめっき鋼板を被ろう付け材とし、該被ろう付け材を相手材に接触させて580〜630℃に加熱し、前記溶融アルミめっき層をろう材としてろう付けすることを特徴とする。
相手材としては、同種のアルミめっき鋼板又はアルミ材が使用される。
【0005】
本発明で使用するめっき原板は、溶融アルミめっき後の熱処理で溶融アルミめっき層と素地鋼との界面にN濃縮層を形成させるため、0.0020重量%以上のNを含むことが必要である。N含有量が0.0020重量%未満では、熱処理によっても十分なN濃縮層が生成されず、ろう付け時の加熱で溶融アルミめっき層と素地鋼との間に拡散反応が生じ易くなる。しかし、N含有量が0.0200重量%を超えると、鋼板自体が硬質化し、ろう付け前に施される成形加工が困難になる。
なお、N含有量が0.0020重量%以上である限り、使用可能な鋼種に制約を受けるものではなく、普通鋼,低合金鋼,高合金鋼,ステンレス鋼等の各種鋼板をめっき原板として使用することができる。ただし、鋼中に存在するAlは、鋼材の熱履歴によってはNと反応してAlNとして鋼中に析出し、N濃縮層の形成を阻害することになるので、Al含有量0.030重量%以下の鋼材が好ましい。
【0006】
鋼板表面に形成される溶融アルミめっき層は、ろう材としても働く。すなわち、本発明に従った溶融アルミめっき層は、通常のアルミろう材と同レベルのSiを含んでいる。具体的には、5〜15重量%のSiを含む溶融アルミめっき層は、Al−Si二元状態図(図1)に示すように577〜630℃の範囲に融点があり、組成的にも通常のろう材と大きく変わらない。しかし、Si含有量が少なくなると融点が上昇し、アルミ材の融点に接近するため、ろう付けが困難になる。また、15重量%を超えるSi含有量でも同様に融点上昇を招き、ろう付けが困難になる。なお、前述した特性を損なわない限り、他の特性を向上させるためMg,Zn,Cr,Mn,Sr,Sb,Sn,Ti等をめっき層に含ませることもできる。
【0007】
本発明では、溶融アルミめっき層自体をろう材として使用するため、比較的厚い10μm以上の溶融アルミめっき層を形成している。溶融アルミめっき層は、膜厚が10μm以上であれば接合相手材である同種のアルミめっき鋼板又はアルミ材に対して良好な濡れ性及び接合強度を示す。良好なろう付け性を得るためには膜厚10μm以上の溶融アルミめっき層が必要であるが、膜厚の上限は特に規定されるものではない。
溶融アルミめっき層と素地鋼との界面には、3.0原子%以上のN濃縮層が形成されている。N濃縮層は、素地鋼から溶融アルミめっき層に拡散しようとするFeに対するバリアーとして働き、溶融アルミめっき層と素地鋼との間のAl−Feの相互拡散反応を抑制する。その結果、溶融アルミめっき層を通常のろう材と同様に使用してろう付けすることが可能となる。N濃縮層がろう付け性の向上に及ぼす影響は、本発明者等によって見出されたものであり、3.0原子%以上の濃度でN濃縮層の作用が顕著になる。
【0008】
N濃縮層をバリアーとして有効に作用させるためには、3.0原子%以上の濃度をもったN濃縮層が50Å以上の厚みで溶融アルミめっき層と素地鋼との界面に存在することが好ましい。N濃縮層の厚みが50Å未満になると、Feが素地鋼から溶融アルミめっき層に拡散することを抑える作用が弱くなる。
N濃縮層は、加熱時間(時)をt、鋼板のN(窒素)含有量(重量%)をNとするとき、0.002重量%≦N重量%<0.005重量%ではT=−3848×N1/2+672−35log(t/50),0.005重量%≦N重量%≦0.020重量%ではT=−1414×N1/2+500−35log(t/50)の関係を満足する下限温度T(℃)〜570℃×0.5〜50時間の熱処理を施すことにより形成される。下限温度は、N含有量の増加に従ってN濃縮層が生成し易くなるため、N含有量に応じて低温側に移行する。しかし、熱処理温度が下限温度を下回ると、Al−Feの相互拡散反応を抑制するN濃縮層の形成に50時間を超える長時間の加熱が必要になるため、工業的規模での生産を考慮すると著しいコスト上昇を招く。これに対し、下限温度以上の温度で熱処理すると、50時間以内の加熱でFeが拡散抑制に有効な3.0原子%以上のN濃縮層が形成される。
【0009】
しかし、熱処理温度がAl−Siの共晶温度577℃を超えると、溶融アルミめっき層自体が部分的に溶融し始め、熱処理時にコイル密着,めっき層膜厚の不均一化,加熱設備と溶融アルミめっき鋼板との局部的な密着等、様々なトラブルが発生し易くなる。そのため、本発明では熱処理温度の上限を570℃に設定した。
なお、熱処理時間は、加熱温度が下限温度〜570℃の範囲であれば、溶融アルミめっき層と素地鋼との界面に3.0原子%以上のN濃縮層を形成させることから、0.5〜50時間の範囲で設定される。
熱処理雰囲気は、特に制約されるものでなく、前述した熱処理条件で加熱するとき、H2,N2,Ar,真空等の雰囲気に関係なく、目的とする作用をもったN濃縮層が形成される。
【0010】
このようにしてN濃縮層が形成された溶融アルミめっき鋼板は、別途ろう材を必要とすることなく溶融アルミめっき層がろう材として使用され、通常のアルミ材と同様に同種又は異種材料にろう付けできる。ろう付け後の表面も当初の銀白色の光沢をもち、アルミめっき本来の耐食性,耐熱性,耐酸化性等が維持されている。
ろう付けは、アルミ材のろう付けと同様にフッ化物系フラックスを接合面に塗布した後、H2,N2,大気,真空等の雰囲気中で行われる。ろう付け温度は、良好なろう付け性を得るためにめっき層を溶融状態にすることから、溶融アルミめっき層の融点を超える580℃以上に設定される。しかし、ろう付け温度が630℃を超えると、Al−Feの相互拡散エネルギーが高くなり、N濃縮層によるAl−Fe系金属間化合物層の成長抑制が困難になり、非常に短時間でめっき層表面までFeが拡散し、ろう付けできなくなる。そのため、ろう付け温度は580〜630℃の範囲に規制した。また、ろう付け時間に付いては、長時間ろう付け温度に保持すると次第にAl−Fe系金属間化合物層が成長し始めることから、1時間以内に設定することが好ましい。
【0011】
【実施例】
表1に示す鋼材A,Bをめっき原板として使用し、露点−40℃の50%H2 −N2 雰囲気で720℃×30秒間の均熱処理を施した。その後、同じ雰囲気下に保持されたSi:9.2重量%及びFe:1.7重量%を含む浴温650℃のアルミめっき浴に2秒浸漬し、鋼板表面にSi含有量9.2重量%,膜厚20μmのアルミめっき層を形成した。
【0012】
【0013】
溶融アルミめっきした鋼板を25mm×100mmのサイズに調整し、520℃に6時間保持する熱処理を施し、めっき層と素地鋼との界面に生成するN濃縮層の影響を調査した。N濃縮層は、めっき原板の表面からアルミめっき層を除去した後、鋼表面のオージェ分光分析により各元素の厚み方向濃度分布を測定することにより判定した。図2の分析結果にみられるように、表層にNが濃縮していることが判った。他方、比較鋼Aを同様に元素分析したものでは、Nの濃縮が検出されなかった。また、鋼Bであっても、前述した520℃×6時間の熱処理を施さないと、N濃縮層が検出されなかった。このことから、N濃縮層によってアルミめっき層の合金化反応が抑制されることが確認された。なお、図2において、スパッタリング時間10分は、Fe換算で500Åの厚みに相当する。
【0014】
また、ろう付け時の加熱によって生じる合金化反応に及ぼすアルミめっき後の熱処理の影響を調査するため、鋼Bをめっき原板としたアルミめっき鋼板を560℃以下の温度に6時間加熱し、次いでろう付けを想定して570〜600℃に5分間保持した。その結果、図3に示すように本発明で規定した下限温度から560℃までの温度範囲で熱処理したものは、ろう付け時の加熱による合金化反応が顕著に抑制されていることが判った。また、加熱時間が長くなっても、Al−Fe系金属間化合物層の成長が抑制されていた。
他方、鋼Aを素地とするアルミめっき鋼板や、鋼Bを素地とするアルミめっき鋼板であっても熱処理温度が本発明で規定した下限温度を下回ると、Al−Fe系金属間化合物層の成長がみられた。
【0015】
次いで、520℃×6時間の熱処理を施したアルミめっき鋼板のろう付け性を調査するため、アルミめっき鋼板相互、及びアルミめっき鋼板とアルミ材(JIS A1045)を図4に示すように重ね合わせてろう付けした。ろう付けでは、合せ面にフッ化物系のフラックスを塗布し、図5に示す加熱パターンに従って大気中で加熱した。
ろう付け後の断面組織を図4のA,Bの位置で観察した結果を図6及び図7に示す。図6は同種のアルミめっき鋼板をろう付けしたときの接合部を、図7はアルミめっき鋼板をアルミ材とろう付けしたときの接合部を示す。
図6,図7の対比から明らかなように、比較例1〜3では何れも十分な接合部が形成されていないばかりでなく、一部にアルミめっき層の消失もみられた。これに対し、本発明例のろう付け継手ではアルミめっき鋼板の隙間をろう材で十分に充填し、引張り強さ10kgf/mm2 以上の健全な継手が得られていた。また、合金層の成長もみられず、アルミめっき層は当初の銀白色を呈していた。
【0016】
次いで、アルミめっき層の厚みを変更し、膜厚がろう付け性に及ぼす影響を調査した。この場合には、鋼Bをめっき原板として520℃×6時間の熱処理を施したアルミめっき鋼板を90度曲げ加工した後、図8に示すように同種の平板状アルミめっき鋼板上に載置してろう付けした。そして、ろう材の付き回り性を判断するため接合部に形成されたフィレット長さを測定することにより、ろう付け性を評価した。図9の評価結果にみられるように、アルミめっき層の膜厚が10μm以上になるとフィレットが形成され始め、めっき層自体がろう材として働くことが確認された。
更に、N濃縮熱処理の温度に及ぼすN含有量の影響を調査したところ、合金層の成長を抑制できる熱処理の温度領域は、上限は570℃の一定値であったが、図10に示すようにN含有量が多くなるに従って下限温度が低温側に移行した。下限温度T(℃)とN含有量(重量%)との関係を重回帰分析によって求めたところ、0.002重量%≦N重量%<0.005重量%ではT=−3848×N1/2 +672−35 log(t/50),0.005重量%≦N重量%≦0.020重量%ではT=−1414×N1/2 +500−35 log(t/50)[ただし、tは加熱時間(時)]の関係が得られた。そこで、めっき原板のN含有量からN濃縮熱処理の下限温度を定め、この下限温度以上で且つ570℃以下の温度で熱処理することにより、ろう付け性の良好なアルミめっき鋼板が得られることが確認された。
【0017】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明では、溶融アルミめっき層と素地鋼との界面にN濃縮層を形成し、溶融アルミめっき層自体をろう材として使用し、溶融アルミめっき鋼板を同種又は異種材料にろう付けしている。溶融アルミめっき層は、ろう付け時の加熱によっても当初の表面状態を失うことなく、銀白色の美麗な光沢を維持している。また、溶融アルミめっき層へのFe拡散が抑えられるため、ろう付け後においても優れた耐食性が維持される。このようにして、本発明によるとき、溶融アルミめっき鋼板の優れた強度,耐食性,耐熱性,耐酸化性,意匠性等を活用し、他の部材との接合を容易にしているため、各種構造部品として広範な用途で溶融アルミめっき鋼板の使用が展開される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 Al−Si二元状態図
【図2】 熱処理した後の鋼材表面を厚み方向に元素分析したときのFe,Al及びNの濃度分布を示すグラフ
【図3】 ろう付け温度で成長する合金層の成長度に及ぼす熱処理温度の影響を表したグラフ(各折れ線に付した数値は、耐熱試験温度を示す)
【図4】 実施例で採用したろう付け継手の斜視図
【図5】 実施例で採用したろう付け時の加熱パターンを示すグラフ
【図6】 アルミめっき鋼板相互をろう付けしたときの接合部断面の金属組織を示した写真
【図7】 アルミめっき鋼板をアルミ材とろう付けしたときの接合部断面の金属組織を示した写真
【図8】 本発明実施例でろう付け性を調査したときの継手
【図9】 アルミめっき層の厚みがろう付け性に及ぼす影響を示したグラフ
【図10】 めっき原板のN含有量がN濃縮熱処理の温度範囲に及ぼす影響
Claims (2)
- 0.0020〜0.0200重量%のNを含む鋼板の表面にSi:5〜15重量%を含み膜厚10μm以上の溶融アルミめっき層を形成した後、下限温度が、0.002重量%≦N重量%<0.005重量%ではT=−3848×N 1/2 +672−35 log (t/50),0.005重量%≦N重量%≦0.020重量%ではT=−1414×N 1/2 +500−35 log (t/50)[ただし、tは加熱時間(時)、Nは鋼板のN(窒素)含有量(重量%)]で規制される温度T(℃)〜570℃の温度範囲で0.5〜50時間の熱処理を施して溶融アルミめっき層との界面にN:3.0原子%以上のN濃縮層が形成されている溶融アルミめっき鋼板を被ろう付け材とし、該被ろう付け材を相手材に接触させて580〜630℃に加熱し、前記溶融アルミめっき層をろう材としてろう付けすることを特徴とする溶融アルミめっき鋼板のろう付け方法。
- 相手材が同種のアルミめっき鋼板又はアルミ材である請求項1記載の溶融アルミめっき鋼板のろう付け方法。
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JPH09220692A JPH09220692A (ja) | 1997-08-26 |
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-
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- 1996-02-09 JP JP4837396A patent/JP3753777B2/ja not_active Expired - Lifetime
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