JPH07500054A - 亜鉛でコーティングされたアルミニウム部材を接合する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 亜鉛でコーティングされたアルミニウム部材を接合する方法本発明は、Ａ１部材 を接合する方法に関するものであり、さらに詳しくは、熱交換部品のロウ付けお よびこのような方法により提供された熱交換器に関するものである。この方法は 、例えば自動車の熱交換器、ラジェター、コンデンサー、エバポレーターまたは 他の装置の製造に適している。

現在、アルミニウム物品のロウ付けは、物品間に融剤およびロウ付け（シート） 材料（ＡＩＳｉ）を適用するか、あるいは、真空炉中、接合されるべき物品の表 面上に、クラツド材またはコーティング層としてＡｌ−Ｓｉ合金を用いる融剤ロ ウ付は法により行われている。

アルミニウムにより製造された熱交換器に見られる問題点は、孔食である。従っ て、薄い表面層（典型的にはアルミニウム基体上に５μｔａ　（３５ｇ／ｍ”） 以下）として亜鉛コーティング層を適用し、続いて拡散熱処理することが、熱交 換器の耐食性を改善するために用いられてきた。ロウ付は操作の前には、環材を 提供するために、異なるロウ付は材料（例えばＡｌＳｉまたはＡｌＺｎ５ｉ）が 、コーティング層として部材上に適用される。

上記のロウ付は法の共通の問題点は、例えば熱交換器にＡｌＳｉでクラッドした ＡＩフィン原料を用い、ＡｌＳｉ層の厚さが典型的に全シートの厚さの１０％で ある場合、組立体の重量およびコストを顕著に増大する量のロウ付は材料の使用 を必要とすることである。ロウ付はサイクルの間、Ｓｉは、Ｓｉの層を減らしな がらコア中に拡散し、従って液相線温度を上昇させるであろう。この影響は、ロ ウ付はプロセスを複雑にし、且つ厳密な温度制御を必要とする。

さらに、この方法は、幾つかの分離したステップを要求するので、かなり複雑で あり、接合ステップの前の亜鉛処理していない基体に、適当な防食性を付与する ことができなかった。

従って本発明の目的は、接合部を形成するために、充填金属の特別な多量のコー ティング層を必要とせず、同時に、組み立てられた部材に優れた防食性を付与す る、アルミニウム部材の接合のための新規且つ簡単な方法を提供することであ本 発明の他の目的は、現存の炉および装置を利用できる接合方法を提供することで ある。

さらに本発明の目的は、接合時の厳密な温度制御を必要としない、低重量且つ低 製造コストの熱交換器を提供することである。

本発明のこれらの目的および他の目的は、以下に記すような新規な接合方法の提 供により達成され、この発明は、添付した請求の範囲に定義され記載されている 。

この方法によれば、アルミニウム部材は、金属材料の接着表面層（コーティング ）が、該部材の少なくとも一つに設けられている。融剤材料は、あらかじめ組み 立てられた部材の表面に適用される。このあらかじめ組み立てられた部材は、規 定された接合温度に迅速に加熱され、このような上昇した温度に規定時間さらさ れ、最後に凝固した接合部を形成するために冷却される。コーティング材料は、 亜鉛または亜鉛合金である。環材は、表面層から部材中に、少なくとも一部分の 亜鉛の拡散により、且つ上昇した温度で形成された界面亜鉛アルミニウム合金の 溶融により、その場で部材間に形成される。最初のコーティング層は、好ましく は２〜２０μｍを有するものであり、最適には４〜６μＩである。接合温度は、 ３８２〜６３０℃の範囲にあり、好ましくは、５００〜６２０℃である。

本発明を、添付した図１〜４を参照しながら、実施例によりさらに詳細に記載す る。

図１は、２成分の合金系の状態図である。

図２は、適用された加熱温度上昇率および保持時間により特徴付けられる相互拡 散ロウ付はプロセスを示すものである。

図３および４は、コーティングしてぃなＡ＋フィンと、図２において示されたよ うな異なる熱処理サイクルで得られた亜鉛でコーティングされたＡｌチューブと の間の接合部を示すものである。

本発明は、ロウ付は炉において行われるアルミニウムまたはアルミニウム合金部 材（以下、アルミニウム部材とよぶ）の接合に関して起こる拡散プロセスの新規 且つ独特な利用を基にしたものである。

通常、１〜２μｍの厚さの亜鉛コーティングは、基体のみの防食のために、Ａｌ チューブに適用されており、これでは、コーティング層が単に溶融しただけでは 、適当な接合部（フィレット）を設けるための十分なはんだ（環材）材料が提供 されない。低温接合（はんだ付け）の従来のプロセスにおいて、２０μｍを超え る亜鉛コーティング層、好ましくは３０〜５０μｍが、環材の十分な容量を確実 にするために必要である。しかしながら、本発明に従って、２μｍまで低下した 亜鉛／亜鉛合金層でコーティングし、且つ特別な熱処理を施したアルミニウム部 材は、規定された接合温度で、亜鉛の拡散により、溶融した環材のその場での形 成を確実にする十分な容量および組成のＺｎＡ１合金の境界が発展し、その結果 、接合したＡ１部材間に、適切な品質の接合部（フィレット）が形成されるとい う、驚（べきことが見いだされた。

本発明を、ＺｎＡ１合金系の状態図を描いている図１を参照しながら、実施例に より説明する。図１において、縦軸は温度（℃）を示し、横軸は、亜鉛の％を示 している。

迅速な熱上昇時に起こる非平衡状態のとき、亜鉛コーティングは、その定められ た融点を超えた温度で（例えばＺｎ５％ＡＩ共晶合金の場合、３８２℃で）溶融 または液体表面層を形成することが見いだされる。このように、アルミニウム基 体と亜鉛合金コーティングとの間の境界面で、アルミニウムの溶解および亜鉛の 拡散の両方が同時に起こるであろう。

この液体層は、温度が上昇するときの亜鉛拡散により、液体／固体境界面で漸進 的に形成される界面ＺｎＡ１合金を徐々に溶解し、これによりフィレットが生じ るに十分な容量の溶融環材のプールを生成する。規定された特定温度で、且つ平 衡条件下、例えば６００℃のロウ付は温度で、約１５％を超える亜鉛を含むすべ ての材料が固相線を超えてあり、従って、液体または部分的に液体となり、フィ レットを形成するのに利用されるであろう。

約１５μｍの溶融領域が、約３ｍ１１１のフィン空間を有する熱交換器コアにお けるチューブとフィンの間に良好なフィレットを形成するのに十分であることが 、計算により決定された。所望される厚さの溶融便域（環材金属層）を形成する のに必要なコーティング層の最初の最小厚は、温度および時間に依存する。つま り、ＡｌＺｎおよびＺｎ５％ＡＩ状態図を基にして、このような溶融層を提供す るために十分な量の亜鉛を提供するために必要な理論的な厚さは、６２０℃で２ μｍ〜３８２℃で１５μｍに変化する。

低い接合温度で、フィレットを製造するのに十分な液体材料のプールを提供する ために、より厚い最初の亜鉛コーティングが要求される。実際において、強固な フィレットの形成を確実にするために、この理論的初期厚を１．５〜２．０倍に 増加させることが望ましい。

たとえ、本発明による接合プロセスが、典型的なはんだ付は温度（４５０℃未満 ）からロウ付は温度の範囲の全体にわたり適用できるとしても、材料および重量 の節約についての最も大きい能力は、高い接合温度（５００℃を超える）で操作 するときに提供される。実際のロウ付は温度（低限）は、適用された融剤が活性 し、形成されたロウ付は合金が溶融状態にある温度により決定される。

実施例１ 亜鉛合金の溶融浴中にアルミニウムチューブを超音波を用いて浸漬することによ り、コーティング厚２〜４μｍの、５％ＡＩを含む亜鉛合金のコーティングをア ルミニウムチューブに設けた。普通の（コーティングしていない）Ａｔフィンお よびこのように提供されたＡＩチューブを、続いて、部材の接合表面上にカリウ ムアルミニウムフルオライド融剤を適用して予備組み立てし、窒素雰囲気下ロウ 付は炉中においた。約３０〜ｂ れたＡ１部材をロウ付は温度にした。図２から分かるように、様々のロウ付は温 度の保持時間に続き、室温までの迅速な冷却が適用された。

図２は、温度／時間曲線により、本発明により行われたロウ付はプロセスを示し ている。曲線Ａは、約り６℃／分の温度上昇率および５８３℃で約５分間の保持 時間で加熱された、あらかじめ組み立てられたＡ１部材の場合の炉中の温度プロ フィールを描いたものである。同様に、曲線Ｂは、約り１７℃／分の温度上昇率 および５８５℃で約３分間の保持時間を示している。

曲線Ａおよび曲線Ｂのそれぞれにより示されたロウ付は条件を表す図３および４ （写真、倍率１６０倍）に示されるように、得られたフィレットは、両方ともに 非常に良好であり、このプロセスの良好な柔軟性を示している。

実施例２ 炉雰囲気を窒素の変わりに空気にしたことを除いて、実施例１のロウ付は条件を 繰り返した。不活性雰囲気ではないときでさえ、相互拡散プロセスによる填実金 属の提供により、接合領域に強固なフィレットが創造された。

実施例３ コーティング厚２０μ−の実施例１によるＺｎＡ１合金コーティングが設けられ たアルミニウムチューブを、普通アルミニウムフィン原料を用いて組み立てた。

組み立て後、アンモニウムおよび亜鉛クロライドおよびソジウムフルオライドの 混合物を含む融剤を、接合部表面に適用した。この部材を、窒素雰囲気の炉にお いて、４００℃まで迅速に加熱し、２分間この温度を維持し、続いて空気中で冷 却した。主にチューブ上の亜鉛アルミニウム合金コーティングの溶融により、強 固な接合部が提供された。

実施例４ コーティング厚７．５μｍの実施例１によるＺｎＡ１合金コーティングが設けら れたアルミニウムチューブを、普通アルミニウムフィン原料を用いて組み立てた 。

この組立体の接合部表面に、実施例３に記載したような融剤を施し、５００℃ま で窒素雰囲気の炉中において迅速に加熱し、約２分間この温度を維持し、続いて 空気中で冷却した。チューブとフィンとの間には、強固な接合部が形成され、こ こでは、アルミニウムへの亜鉛の拡散、続いて形成されたＡｌＺｎ合金の境界面 の溶融の結果として、多くのフィレット部分が設けられた。

実施例５ ２〜４μ■の範囲のコーティング厚で、５％のアルミニウムを含む亜鉛合金のコ ーティングを、金属スプレー技術によりアルミニウムチューブに設けた。これら のチューブは、普通アルミニウムフィンおよび実施例１による融剤コーティング が設けられ、窒素雰囲気下、６０５℃まで迅速に加熱され、続いて１分間均熱し 、空気冷却した。強固なフィレットが形成された。

実施例６ 厚さ約４μｍの亜鉛のコーティングを、金属スプレー技術によりアルミニウムチ ューブに設けた。これらのチューブを普通アルミニウムフィンとともに組立て、 実施例１による融剤を施した。この組立体を、窒素雰囲気下、５８０℃以下で２ 分間加熱し、１分間均熱し、続いて空気冷却した。強固なフィレットが形成され た。

上記の接合プロセスおよび得られた製造物に関連して、幾つかの有利な点かある 。Ａ１フィン原料上に現在使用されているＡＩＳ＋クラッドを、チューブ上の亜 鉛／亜鉛合金に変更することにより、接合された熱交換器コアの２０重量％まで の重量減少を生じる。フィン原料の形成のための機械設備の装着が減少し、製造 におけるさらなる節約をもたらす。単なる一つのプロセスにおいて、防食層を生 成するアルミニウムチューブへの亜鉛の拡散により、良好な防食が同時に達成さ れる。

さらに、本発明の方法は、市販されているロウ付は炉およびプロセスの使用を許 し、ロウ付は温度およびコーティング厚のような最適なロウ付はパラメーターに 関する柔軟性の高い品質を提供Ｖる。接合された部材の表面上の酸化物層を破壊 することを確実にする、市販されているすべての適切な融剤を適用することがで きる。ハロゲン成分、さらに詳しくはアルカリ金属のフッ化物およびアンモニウ ムを含む融剤が、環境および腐食の理由から好ましい。また、融剤は、炉におけ る実際の保護雰囲気の部分を形成することができる。接合プロセスは、高価な不 活性ガスの使用を避け、異なる炉雰囲気において行うことができる。

上記の発明は、示された実施例に制限されない。本発明の範囲を逸脱しない限り 、他の亜鉛合金、Ａ１基体よりも低い融点をもつ他の金属、例えば亜鉛のかわり に錫を適用することができる。

Ｆｉｇ、　３ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成　５年１２月１４日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも一つのアルミニウム部材に、コーティング金属材料の接着表面層 を設け、 該部材の接合部表面に融剤材料を適用し、該部材を予備組立し、 規定された接合温度に迅速に加熱し、且つ規定された時間、このような上昇した 温度にさらし、最後に、 得られた接合された組立体を冷却し、凝固した接合部を形成するステップを包含 する、とくに熱交換器部品をロウ付けするアルミニウム部材を接合する方法にお いて、 該コーティング材料が亜鉛または亜鉛基合金であり、該表面層から該部材への亜 鉛の少なくとも一部分の拡散により、および上昇した温度で該部材に形成される 界面亜鉛アルミニウム合金の溶融により、その場で部材間に填材金属層が形成さ れることを特徴とする、アルミニウム部材の接合方法。
2. ２．表面層が、２〜２０μｍの厚さを有する、請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．表面層が、４〜６μｍの厚さを有する、請求の範囲第２項に記載の方法。
4. ４．炉中の雰囲気が空気である、請求の範囲第１項に記載の方法。
5. ５．接合温度が、３８２〜６３０℃の範囲にある、請求の範囲第１項に記載の方 法。
6. ６．温度が５００〜６２０℃の範囲にある、請求の範囲第５項に記載の方法。
7. ７．熱交換器が、請求の範囲第１項に記載の接合方法により形成されたものであ る、とくに自動車用の熱交換器。