JP2005329440A

JP2005329440A - ろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品

Info

Publication number: JP2005329440A
Application number: JP2004150585A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Kuroki; 一真黒木; Hiromitsu Kuroda; 洋光黒田; Hideyuki Sagawa; 英之佐川; Sukaku Shirai; 枢覚白井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-12-02
Also published as: DE102005022193A1; CN1699008A; US20050260437A1

Abstract

【課題】ろう付け前のろう層の組成を工夫することで、ろう付け後のろう凝固部の強度及び耐食性の向上を図ったろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品を提供する。
【解決手段】基材２の表面にろう層３を有するろう付け用複合材１であって、上記ろう層３に含まれるＮｉ成分の重量をＷ１とし、上記ろう層３に含まれるＮｉ成分とＴｉ成分との重量の総和をＷ２としたとき、Ｗ１／Ｗ２が０．５８〜０．６８であるもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材の表面にろう材を構成するろう層がクラッドされ自己ろう付け性を発揮するろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品に係り、特に、接合強度及び耐食性の向上を図ったろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品に関する。

ろう付け用複合材は、基材にろう層をクラッドしたものであり、ろう層に被ろう付け材を接触させた状態で熱処理を施すことで、別途ろう材を用いることなく被ろう付け材をろう付けするものである。

ろう付け用複合材として、基材の表面にクラッドされたろう層が、基材側から順に、Ｆｅ又はＦｅ合金、Ｔｉ又はＴｉ合金、Ｎｉ又はＮｉ合金を積層して成るものが知られている（特許文献１）。

また、自動車用オイルクーラの製造に用いられるろう付け用複合材として、基材としてのステンレス板の片面又は両面に、ろう材としての銅がクラッドされたステンレス基クラッドろう材が知られている。

また、ステンレス基、ニッケル基又はコバルト基合金等の部品のろう付け材として、接合部の耐酸化性や耐食性に優れる各種ニッケルろうが、ＪＩＳ規格により規定されている。

また、熱交換器接合用ニッケルろう材として、粉末状のニッケルろうに、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金の中から選択された金属粉末を４mass％〜２２mass％添加して構成されるニッケルろう材が提案されている（特許文献２）。

更に、自己ろう付け性複合材を製造する方法として、ステンレス又はニッケル系の材料からなる第１の基層（基材）に、ニッケル又はチタン系の材料からなる第２の層（ろう層）を積層するようにしたものが提案されている（特許文献３）。

特開２００２−３６３７０７号公報特開２０００−１０７８８３号公報特開平７−２９９５９２号公報

ところで、上記各ろう付け用複合材に被ろう付け材をろう付けすると、溶融した複合材のろう層に基材及び／又は被ろう付け材の成分が拡散浸入するため、ろう層の成分にこれら基材及び／又は被ろう付け材の成分が混合したものが凝固してろう凝固部を構成することになる。

よって、このろう凝固部の組成が強度及び耐食性が向上する組成となることが好ましいのであるが、従来の各ろう付け用複合材においては、ろう付け前のろう層の組成に関し、ろう付け後のろう凝固部の組成が基材及び／又は被ろう付け材の成分の拡散浸入を考慮して強度及び耐食性が向上する組成となるような工夫がなされているとはいえない。このため、従来のろう付け用複合材は、ろう付け後のろう凝固部の接合強度及び耐食性が十分高いとはいえず、凝固部の接合強度及び耐食性が要求される熱交換器（例えば排気ガス再循環装置用クーラ、燃料電池改質器用クーラ）や燃料電池用各部材等を製造するために用いるものとして相応しいとはいえない。

例えば、上述の自己ろう付け性複合材を製造する方法において、第１の基層（基材）をステンレス鋼とし、第２の層（ろう層）をチタン７０mass％、ニッケル３０mass％としてろう付け用複合材を製造し、この複合材のろう層に被ろう付け材としてステンレス鋼等の鉄合金を接触させて熱処理を行ってろう付けした場合、ろう付け後に凝固したろう凝固部には、ろう層のＮｉ及びＴｉの他、基材及び被ろう付け材のステンレス鋼からＦｅ及びＣｒ成分が拡散浸入するが、それらＦｅ、Ｃｒの成分のろう凝固部中の比率はいずれも１５mass％以下となることが分かった。

かかる組成からなるろう凝固部は、主にＮｉ−Ｔｉ合金であり、非常に硬く脆いため、小さな外力が加わるだけでクラックが入りやすい。また、ろう凝固部とステンレス鋼との界面にも硬く脆い金属間化合物が形成されるため、接合部の強度は極めて弱い。そのため、ろう凝固部（ろう付け部）において強度的な信頼性が著しく劣るということが分かった。

そこで、本発明の目的は、ろう付け前のろう層の組成を工夫することで、ろう付け後のろう凝固部の強度及び耐食性の向上を図ったろう付け用複合材及びそれを用いたろう付け製品を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、基材の表面にろう層を有するろう付け用複合材であって、上記ろう層に含まれるＮｉ成分の重量をＷ１とし、上記ろう層に含まれるＮｉ成分とＴｉ成分との重量の総和をＷ２としたとき、Ｗ１／Ｗ２が０．５８〜０．６８であるものである。

上記ろう層は、上記基材側から順にＮｉ又はＮｉ合金、Ｔｉ又はＴｉ合金、Ｆｅ又はＦｅ合金を積層してなってもよい。

上記ろう層は、Ｆｅが１０〜４０mass％含有されたものであってもよい。

上記基材は、ステンレス鋼であってもよい。

また、本発明に係るろう付け製品は、上記ろう付け用複合材同士、あるいは上記ろう付け用複合材と他の鋼材とをろう層にてろう付けしてなる製品であって、ろう付け後に凝固したろう凝固部は、Ｆｅ：２０〜５０mass％、Ｔｉ：１５〜２５mass％、Ｎｉ：２５〜４５mass％、Ｃｒ：１〜１５mass％であるものである。

上記鋼材は、耐食性鋼材であってもよい。

上記ろう付けを、真空中で行って成ってもよい。

本発明によれば、ろう付け前のろう層中のＮｉ成分、Ｔｉ成分の重量比を工夫したので、ろう付け後のろう凝固部の強度及び耐食性が向上する。特に、ろう凝固部の組成を請求項６の組成とすることで、ろう凝固部にクラックが入りにくく高い接合強度を発揮できると共に、高い耐食性を発揮できる。よって、強度及び耐食性が要求される熱交換器や燃料電池用各部材等を製造するために用いるものとして好適なものとなる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施形態に係るろう付け用複合材１の横断面を模式的に表した説明図である。このろう付け用複合材１は、ステンレス鋼からなる基材２の表面に、ろう材を構成するろう層３をクラッド（積層）して構成される。ろう層３は、基材２側から順に、Ｎｉ又はＮｉ合金からなるＮｉ層３ａ、Ｔｉ又はＴｉ合金からなるＴｉ層３ｂ、Ｆｅ又はＦｅ合金からなるＦｅ層３ｃを、積層して構成されている。

本実施形態の特徴とするところは、上記ろう層３に含まれるＮｉ成分、Ｔｉ成分の重量比を次のように工夫した点にある。すなわち、上記ろう層３中のＮｉ成分の重量をＷ１とし、上記ろう層３中のＮｉ成分の重量とＴｉ成分の重量との総和をＷ２としたとき、Ｗ１／Ｗ２が０．５８〜０．６８となるように調整してろう層３を構成している。また、上記ろう層３中におけるＦｅの比率を、１０〜４０mass％に調整している。

かかるろう付け用複合材１のろう層３の最外層であるＦｅ層３ｃに、ステンレス鋼材等の耐食性鋼材からなる被ろう付け材４（図２参照）が接触され、その状態でろう付けのための熱処理が施される。これにより、ろう層３が溶融し、基材２にろう凝固部５を介して被ろう付け材４がろう付けされる。ろう付け熱処理条件は、例えば、ろう付け温度が１１５０℃、ろう付け時間が１５min であり、真空中（真空度１．０×１０^-3Ｐａ）で処理する。

図２は、上記ろう付け熱処理を施した後の（ろう付け後の）ろう付け部分の様子を示す図である。図示するように、ろう付け用複合材１の基材２（ステンレス鋼）と被ろう付け材４（ステンレス鋼）との間に、ろう凝固部５が形成されている。

ろう凝固部５は、上記熱処理によって溶融したろう層３のＮｉ、Ｔｉ及びＦｅに、基材２（ステンレス鋼）からＦｅ及びＣｒ成分が拡散浸入することで、Ｆｅ：２０〜５０mass％、Ｔｉ：１５〜２５mass％、Ｎｉ：２５〜４５mass％、Ｃｒ：１〜１５mass％の組成となる。この組成は、ろう付け前のろう層３中のＮｉ成分、Ｔｉ成分及びＦｅ成分の比率等を前述のように工夫したことで得られるものである。

これにより、ろう凝固部５にクラックが入りにくく高い接合強度を発揮できると共に、高い耐食性を発揮できる。よって、図１に示すろう付け用複合材１は、強度及び耐食性が要求される熱交換器（例えば排気ガス再循環装置用クーラ、燃料電池改質器用クーラ）や燃料電池用各部材等を製造するために用いるものとして好適となる。

なお、ろう層３の最外層を成すＦｅ層３ｃは、ろう付け時に、被ろう付け材４であるステンレス鋼からろう凝固部５へのＦｅ成分の供給を低減させ、ステンレス鋼の反応侵食による被ろう付け材４の板厚減少を抑制する機能を果たす。

ろう凝固部５中のＦｅ成分が２０mass％未満であると、ろうの融点が上昇し、ろうの湯流れが阻害される。また、ろう凝固部５中のＦｅ成分が５０mass％を超えると、十分な耐食性が得られなくなる。このため、ろう凝固部５中のＦｅ成分は、２０〜５０mass％、望ましくは２５〜５０mass％、より望ましくは２５〜４５mass％がよい。

ろう凝固部５中のＴｉ成分が１５mass％未満であると、十分な耐食性を維持できず、２５mass％を超えると、ろう全体の融点が上昇し、ろうの湯流れが阻害される。このため、ろう凝固部５中のＴｉ成分は、１５〜２５mass％、望ましくは１５〜２３mass％、より望ましくは１８〜２３mass％がよい。

ろう凝固部５中のＮｉ成分が２５mass％未満又は４５mass％を超えると、ろう全体の融点が上昇し、ろうの湯流れが阻害される。このため、ろう凝固部５中のＮｉ成分は、２５〜４５mass％、望ましくは２７〜４５mass％、より望ましくは２７〜４２mass％がよい。

ろう凝固部５中のＣｒ成分が１mass％未満であると、十分な耐食性を維持できず、１５mass％を超えると、均一に拡散せず、耐食性にばらつきが生じる。このため、ろう凝固部５中のＣｒ成分は、１〜１５mass％、望ましくは５〜１２mass％、より望ましくは７〜１２mass％がよい。

また、ろう付け熱処理時の真空度は、１．０×１０^-2Ｐａ以下（本実施形態では１．０×１０^-3Ｐａ）が望ましい。１．０×１０^-2Ｐａを超えると、高温時にろう表面に拡散分布するＴｉが雰囲気の微量な酸素、窒素及び炭素と反応し、ろう表面に反応物が形成されるため、ろうの溶融が妨げられるからである。

上記ろう付け用複合材１の実施例、比較例及び従来例を説明する。

（実施例１）
実施例１に係るろう付け用複合材（以下複合材）は次のように作製される。先ず板厚０．３４ｍｍのコイル状鉄板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．６７ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計三層の構造とし、熱間圧延を行い板厚０．３ｍｍのクラッド板を得る。引き続きこのクラッド板を冷間圧延し、板厚０．１５ｍｍのクラッド板に仕上げる。

このクラッド板をステンレス条（ＳＵＳ３０４、板厚１．５ｍｍ）に圧延法によりクラッドし、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合材を作製する。この複合材は、上記ステンレス条の部分が基材２となり、上記三層のクラッド板の部分がろう層３となる（以下同じ）。

（実施例２）
先ず板厚０．７６ｍｍのコイル状鉄板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．６７ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計三層の構造とし、熱間圧延を行い板厚０．３ｍｍのクラッド板を得る。引き続きこのクラッド板を冷間圧延し、板厚０．１５ｍｍのクラッド板に仕上げる。

このクラッド板をステンレス条（ＳＵＳ３０４、板厚１．５ｍｍ）に圧延法によりクラッドし、冷間圧延を行い、厚さ０．５ｍｍの複合材を作製する。

（比較例１）
先ず板厚０．１２ｍｍのコイル状鉄板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．０２ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計三層の構造とし、熱間圧延を行い板厚０．３ｍｍのクラッド板を得る。引き続きこのクラッド板を冷間圧延し、板厚０．１５ｍｍのクラッド板に仕上げる。

（比較例２）
先ず板厚０．２６ｍｍのコイル状鉄板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚１．０２ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計三層の構造とし、熱間圧延を行い板厚０．３ｍｍのクラッド板を得る。引き続きこのクラッド板を冷間圧延し、板厚０．１５ｍｍのクラッド板に仕上げる。

（従来例１）
先ず板厚０．５１ｍｍのコイル状ニッケル板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚０．５１ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計三層の構造とし、熱間圧延を行い板厚０．３ｍｍのクラッド板を得る。引き続きこのクラッド板を冷間圧延し、板厚０．１５ｍｍのクラッド板に仕上げる。

（従来例２）
先ず板厚０．４５ｍｍのコイル状ニッケル板、板厚２．０ｍｍのコイル状純チタン板、板厚０．４５ｍｍのコイル状ニッケル板を重ね合わせ、合計三層の構造とし、熱間圧延を行い板厚０．３ｍｍのクラッド板を得る。引き続きこのクラッド板を冷間圧延し、板厚０．１５ｍｍのクラッド板に仕上げる。

以上の実施例、比較例及び従来例の条件にて得られたろう付け用複合材１を１０ｍｍ×１５ｍｍの板片として切り出し、図３に示すように、その板片（複合材１）の両端のろう層３に被ろう付け材４として二枚のステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４、それぞれ１５ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍ）を架橋するように配置し、ろう付け熱処理を行った。

このとき、複合材１と二枚の被ろう付け材４（ステンレス鋼板）との接触部分は、それぞれ１５ｍｍ×３ｍｍとした。また、ろう付け熱処理は、雰囲気として真空（２．０×１０^-3Ｐａ）、ろう付け温度１１５０℃、ろう付け時間１５min として行った。

こうしてろう付けされたものを供試材として、引張試験を行った結果、供試材は全てろう材の部分（ろう凝固部５）で破断した。

表１に、実施例、比較例及び従来例の複合材のろう付け前のろう層３の構成、ろう付け後のろう凝固部５の組成、上記供試体を用いた引張試験で得られた引張強度を示す。

比較例、従来例では、引張試験時にろう凝固部５に容易にクラックが入るため引張強度が低いが、実施例では比較例及び従来例の約３〜６倍の強度を発揮している。

複合材１のろう層３は、ろう層３中のＮｉの重量をＷ１とし、ろう層３中のＮｉ成分の重量とＴｉ成分の重量との総和をＷ２とすると、実施例１がＷ１／Ｗ２＝０．６２、実施例２がＷ１／Ｗ２＝０．６３となっており、請求項１のＷ１／Ｗ２＝０．５８〜０．６８を満たしている。

また、ろう層３中のＦｅ重量比率は、実施例１が１０mass％、実施例２が２０mass％であり、請求項４の１０〜４０mass％を満たしている。また、ろう凝固部５の組成は、実施例１、２とも、請求項６の条件を満たしている。また、実施例１、２は、その他の請求項２、３、５、７及び８の条件を満たすことは明らかである。

次に、同様に作製した供試材を用いて、ろう凝固部５の模擬凝縮水浸漬試験を行った。試験に使用した溶液の成分は、自動車規格ＪＡＳＯＭ６１１−９２「自動車用マフラー内部腐食試験方法」のＡ法の試験液に準じた。溶液温度は８０℃、浸漬時間は１０００ｈとした。表２に試験液の各成分濃度を示す。

試験の結果、実施例、比較例及び従来例すべてのろう凝固部５は、純銅と比較して耐食性が良好であった。

上述のように、実施例１、２によれば、基材２の表面に三種類かつ三層の金属層で構成されたろう層３を設けたろう付け加工用複合材１において、高い接合強度及び耐食性を有する複合材１（ろう付け加工用熱処理材）を提供できる。よって、実施例１、２は、強度及び耐食性が要求される熱交換器（例えば排気ガス再循環装置用クーラ、燃料電池改質器用クーラ）や燃料電池用各部材等を製造するために用いるものとして好適なものとなる。

なお、本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えばろう層を基材の片面ではなく両面に設け、これをろう付け用複合材としてもよい。また、基材を構成するステンレス鋼としては、オーステナイト系、フェライト系、又はマルテンサイト系のいずれであってもよい。さらに、ろう付け用複合材１同士を互いのろう層３にてろう付けし、これをろう付け製品としてもよい。

本発明の好適実施形態に係るろう付け用複合材の横断面図である。上記複合材と他の鋼材とをろう付けした後の横断面図である。上記複合材を用いた引張試験用の供試体の説明図である。

符号の説明

１ろう付け用複合材
２基材（ステンレス鋼）
３ろう層
３ａＮｉ又はＮｉ合金からなるＮｉ層
３ｂＴｉ又はＴｉ合金からなるＴｉ層
３ｃＦｅ又はＦｅ合金からなるＦｅ層
４被ろう付け材としてのステンレス鋼
５ろう凝固部

Claims

基材の表面にろう層を有するろう付け用複合材であって、上記ろう層に含まれるＮｉ成分の重量をＷ１とし、上記ろう層に含まれるＮｉ成分とＴｉ成分との重量の総和をＷ２としたとき、Ｗ１／Ｗ２が０．５８〜０．６８であることを特徴とするろう付け用複合材。
上記ろう層は、上記基材側から順にＮｉ又はＮｉ合金、Ｔｉ又はＴｉ合金、Ｆｅ又はＦｅ合金を積層してなる請求項１記載のろう付け用複合材。
上記ろう層は、Ｆｅが１０〜４０mass％含有されたものである請求項１又は２記載のろう付け用複合材。
上記基材は、ステンレス鋼である請求項１から３いずれかに記載のろう付け用複合材。
請求項１から４いずれかに記載のろう付け用複合材同士、あるいは上記ろう付け用複合材と他の鋼材とをろう層にてろう付けしてなる製品であって、ろう付け後に凝固したろう凝固部は、Ｆｅ：２０〜５０mass％、Ｔｉ：１５〜２５mass％、Ｎｉ：２５〜４５mass％、Ｃｒ：１〜１５mass％であることを特徴とするろう付け製品。
上記鋼材は、耐食性鋼材である請求項５記載のろう付け製品。
上記ろう付けを、真空中で行って成る請求項５又は６記載のろう付け製品。