KR20140098844A

KR20140098844A - 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합체 및 그 접합 방법

Info

Publication number: KR20140098844A
Application number: KR1020147018292A
Authority: KR
Inventors: 고타로 기타와키; 다카시 무라세
Original assignee: 가부시키가이샤 유에이씨제이
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-08-08
Also published as: US20140308541A1; WO2013081021A2; EP2786831A2; JP6060090B2; EP2786831A4; CN103958113B; WO2013081021A3; CN103958113A; EP2786831B1; JPWO2013081021A1; IN2014MN01030A

Abstract

알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합체 및 그 접합 방법에 있어서, 양호한 접합성과, 접합시의 재료 변형이 적은, 신뢰성 높은 신규한 방법으로 접합된 접합체 및 그 접합 방법을 제공한다.
알루미늄 합금을 한쪽의 피접합 부재로 하고, 구리 합금을 다른 쪽의 피접합 부재로 하여, 상기 한쪽의 피접합 부재와 다른 쪽의 피접합 부재가 금속적으로 접합된 접합체로서, 상기 한쪽의 피접합 부재는 Cu: 3.0mass% ~ 8.0mass% 및 Si: 0.1mass% ~ 10mass%를 함유하고, 잔부 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 이루어지고, Cu 농도를 C(mass%), Si 농도를 S(mass%)로 했을 때, C+2.4×S ≥ 7.8을 만족하고, 상기 다른 쪽의 피접합 부재는 상기 한쪽의 피접합 부재보다도 고상선 온도가 높은 구리 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금과 구리 합금으로 이루어지는 접합체, 및 그 접합 방법.

Description

알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합체 및 그 접합 방법{ALUMINIUM ALLOY-COPPER ALLOY BOND, AND BONDING METHOD FOR SAME}

본 발명은, 알루미늄 합금을 한쪽의 피접합 부재로 하고, 구리 합금을 다른 쪽의 피접합 부재로 하여, 양 피접합 부재를 접합시킨 접합체와, 그 접합 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 있어서는, 알루미늄 합금에는 순 알루미늄도 포함되는 것으로 하고, 구리 합금에는 순 구리도 포함되는 것으로 한다.

알루미늄 합금재와 구리 합금재를 접합시킨 접합체는, 열전도성 등에서 뛰어난 것으로부터 냉동 공조 장치의 냉동 회로에 있어서의 핀 튜브형 열교환기나 배관 등의 열교환 장치 등에 이용되고 있다.

알루미늄 합금재와 구리 합금재를 접합하는 방법에 관해서는, 마찰 압접, 확산 접합, 폭발 압착, 납땜 접합 등, 여러 가지 접합 방법이 검토되고 있다.

특허 문헌 1에서는, 알루미늄관과 구리관을 접촉 가압시킨 상태에서, 한쪽을 회전시켜서, 접촉면의 마찰에 의해 알루미늄 표면의 산화 피막을 기계적으로 제거하고, 나아가 마찰열에 의해 접합 부위를 용융 연화(軟化)시켜서, 급속히 회전을 정지시켜서 접합을 행하고 있다.

또한, 특허 문헌 2에서는, 구리 측에 니켈 도금을 실시한 상태에서, 알루미늄 핀과 구리 플레이트의 사이에 Al-Si계 브레이징재를 사이에 두고 가열하는 것으로 접합을 행하고 있다.

또한, 특허 문헌 3에서는 550 ~ 660℃ 근방에서 알루미늄관과 구리관을 접촉시키는 것에 의해, 고상(solid phase) 확산으로부터 공정(共晶) 융액을 생성하는 메카니즘으로 접합 계면을 합금 용융시켜서 접합(공정(共晶) 용착)을 행하고 있다.

일본 공개특허공보 소52-048542호 일본 공개특허공보 2002-361408호 일본 공개특허공보 평09-085467호

알루미늄 합금재와 구리 합금재를 접합하는 방법은 상기와 같이 여러 가지 있지만, 마찰 압접 등의 고상 접합법에서는, 접합체의 형상, 치수에 제한이 있고, 복잡한 형상의 접합이 곤란했다. 한편, 브레이징이나 공정 용착 등은, 피접합재의 자유도가 크므로 복잡한 형상의 접합도 가능하다. 그러나, 브레이징은 액상(液相)의 유동이 크기 때문에, 미세한 유로 등이 브레이징 합금으로 막히는 일이 있고, 또한, 브레이징재의 제작이나 도포에 비용이 들었다. 또한, 공정 용착에서는 공정(共晶) 반응에 의해 피접합재가 변형할 가능성이 있었다.

본 발명은, 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여, 알루미늄 합금재와 구리 합금재와의 접합체 및 그 접합 방법에 있어서, 양호한 접합성과, 접합시의 재료의 유동에 의한 변형이 거의 없는, 신뢰성 높은 신규한 방법으로 접합된 알루미늄 합금재와 구리 합금재의 접합체 및 그 접합 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 예의 검토한 결과, 피접합 부재인 알루미늄 합금의 금속 조직학 상의 특성에 착안하여, 알루미늄 합금을 가열할 때에 생성되는 액상(液相)을 구리 합금재와의 접합에 이용하는 신규한 접합 방법을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

(1) 알루미늄 합금을 한쪽의 피접합 부재로 하고, 구리 합금을 다른 쪽의 피접합 부재로 하여, 상기 한쪽의 피접합 부재와 다른 쪽의 피접합 부재가 금속적으로 접합된 접합체로서, 상기 한쪽의 피접합 부재는 Cu: 3.0mass% ~ 8.0mass%(이하, 단순히 %로 기재한다) 및 Si: 0.1% ~ 10%를 함유하고, 잔부 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 이루어지고, Cu 농도를 C(%), Si 농도를 S(%)로 했을 때, C+2.4×S ≥ 7.8을 만족하고, 상기 다른 쪽의 피접합 부재는 상기 한쪽의 피접합 부재보다도 고상선 온도가 높은 구리 합금재인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금재와 구리 합금재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

(2) (1)에 기재된 접합체에 있어서, 상기 한쪽의 피접합 부재는, Mg: 0.05% ~ 2.0%, Ni: 0.05% ~ 2.0% 및 Zn: 0.05% ~ 6.0% 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

(3) (1) 또는 (2)에 기재된 알루미늄 합금과 구리 합금으로 이루어지는 접합체의 접합 방법에 있어서, 상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금은 Mg: 0.5% 이하로 규제되어 있고, 상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금의 전(全) 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비가 5% 이상 35% 이하가 되는 온도에 있어서, 플럭스가 접합 부재 사이에 도포된 상태로 비산화성 분위기 중에서 접합하는 것을 특징으로 한다.

(4) (1) 또는 (2)에 기재된 알루미늄 합금과 구리 합금으로 이루어지는 접합체의 접합 방법에 있어서, 상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금은 Mg: 0.2% ~ 2.0%를 함유하고, 상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비가 5% 이상 35% 이하가 되는 온도에 있어서, 진공 중 또는 비산화성 분위기 중에서 접합하는 것을 특징으로 한다.

(5) (3) 또는 (4)에 기재된 접합 방법에 있어서, 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금에 있어서, 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비가 5% 이상인 시간이, 30초 이상 3600초 이내인 것을 특징으로 한다.

(6) (3) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 접합 방법에 있어서, 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금에 발생하는 최대 응력을 P(kPa)로 하고, 상기 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비를 V(%)로 했을 때에, P ≤ 460-12V를 만족하는 조건으로 접합하는 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합 방법은, 접합하는 알루미늄 합금 내부에 생기는 약간의 액상을 이용하여 접합을 행하는 것이다. 본 발명에서는, 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합을, 신뢰성 높은 금속 결합에 의해서 가능하게 한다.

또한, 본 발명은, 피접합 부재 자체가 용융에 의해 크게 유동하는 일이 없고, 솔더링재나 브레이징재, 용화재(溶化材) 등을 이용하지 않기 때문에, 접합에 의한 치수 변화가 작고, 거의 형상 변화를 일으키지 않는다. 특히, 미세한 유로를 가지는 부재의 접합에 있어서도, 액상의 흐름이나 변형에 의해서 유로가 막히는 일 없이 양호한 접합을 행할 수 있다.

또한, 접합부 근방에 있어서 국소적인 조직 변화가 일어나지 않기 때문에, 강도(强度) 취화(embrittlement)가 발생하기 어렵다. 또한, 브레이징법과 동등한 신뢰성을 가지는 동시 다점(多点) 접합을, 예치 브레이징, 브레이징 페이스트, 브레이징재를 클래드(clad)한 브레이징 시트 등을 이용하지 않고 행할 수 있다. 이에 따라, 접합 성능을 저하시키는 일 없이 재료의 비용 다운이 가능해진다.

또한, 본 발명은, 접합에 의한 변형이 적고, 동시 다점 접합이 가능하다는 점에서 확산 접합과 동일하지만, 확산 접합과 비교하여, 가압이 불필요하고, 접합에 필요로 하는 시간을 짧게 할 수 있고, Mg를 함유하지 않는 알루미늄 합금재의 접합이라도, 접합면의 청정화 처리를 위한 특수한 공정을 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.

도 1은 2원계 공정 합금으로서 Al-Si 합금의 상태도를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금재와 구리 합금재의 접합 방법에 있어서의, 알루미늄 합금에 있어서의 액상의 생성 메카니즘을 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금과 구리 합금의 접합 방법에 있어서의, 알루미늄 합금에 있어서의 액상의 생성 메카니즘을 나타내는 설명도이다.
도 4는 접합율을 평가하기 위한 역T자형(逆T字型) 접합 시험편을 나타내는 사시도이다.
도 5는 변형율을 평가하기 위한 처짐(sag) 테스트를 설명하는 사시도 (a) 및 측면도 (b)이다.

이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다. 본 발명은, 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금의 가열시에 생성되는 소정량의 액상을, 다른 쪽의 피접합 부재인 구리 합금과의 접합에 이용하는 것이다. 여기서, 우선 이 액상의 생성 메카니즘에 대해서 2원계(元系) 공정 합금인 Al-Si 합금을 이용하여 설명한다. 또한, 본 발명에서는, 이 알루미늄 합금이 생성하는 액상을 이용하는 접합을 「배어나옴(bleeding out) 접합」으로 한다.

도 1에 대표적인 2원계 공정 합금인 Al-Si 합금의 상태도를 모식적으로 나타낸다. Si 농도가 c1인 알루미늄 합금을 가열하면, 공정 온도(고상선 온도) Te를 넘은 부근의 온도 T1에서 액상의 생성이 시작된다. 공정 온도 Te 이하에서는, 도 2 (a)에 나타내는 바와 같이, 결정립계(結晶粒界)에서 구분되는 매트릭스 중에 정석출물(晶析出物)이 분포하고 있다. 여기서 액상의 생성이 시작되면, 도 2 (b)에 나타내는 바와 같이, 정석출물 분포의 편석(偏析)이 많은 결정립계가 용융하여 액상이 된다. 그 다음에, 도 2 (c)에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금의 매트릭스 중에 분산하는 주첨가 원소 성분인 Si의 정석출물 입자나 금속간 화합물의 주변이 구상(球狀)으로 용융하여 액상이 된다. 또한 도 2 (d)에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 중에 생성한 이 구상의 액상은, 계면 에너지에 의해 시간의 경과나 온도 상승과 함께 매트릭스에 다시 고용(固溶)하고, 고상 내 확산에 의해서 결정립계나 표면으로 이동한다. 그 다음에, 도 1에 나타내는 바와 같이 온도가 T2으로 상승하면, 상태도에 의해 액상량은 증가한다.

또한, 도 1에 있어서, 한쪽의 알루미늄 합금의 Si 농도가 최대 고용 한계 농도보다 작은 c2의 경우에는, 고상선 온도 Ts2를 넘은 부근에서 액상의 생성이 시작된다. 단, c1의 경우와 달리, 용융 직전의 조직은 도 3 (a)에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 중에 정석출물이 존재하지 않는 경우가 있다. 이 경우, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이 입계(粒界)에서 우선 용융하여 액상이 된 후, 도 3(c)에 나타내는 바와 같이 매트릭스 중에 있어서 국소적으로 용질(溶質) 원소 농도가 높은 장소에서 액상이 발생한다. 도 3 (d)에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 중에 생성한 이 구상의 액상은, c1의 경우와 동일하게, 계면 에너지에 의해 시간의 경과나 온도 상승과 함께 매트릭스에 재고용하고, 고상 내 확산에 의해서 결정립계나 표면에 이동한다. 온도가 T3으로 상승하면, 상태도에 의해 액상량은 증가한다.

이와 같이, 본 발명의 배어나옴 접합은, 알루미늄 합금 내부의 국소적인 용융에 의해 생성되는 액상을 이용하는 것이다. 그리고, 가열 온도의 조정에 의해 액상의 질량을 적합한 범위로 하는 것에 의해, 접합과 형상 유지의 양립을 실현할 수 있는 것이다. 또한, 이 메카니즘으로부터 추찰되는 바와 같이, 본 발명에 있어서의 다른 쪽의 피접합 부재인 구리 합금재는, 상기 가열 온도에 있어서 고상선(solidus line) 온도 이하에 있을 필요가 있다. 구리 합금재가 고상선 온도를 넘은 상태에 있으면, 구리 합금재까지도 용융을 개시하고, 접합 계면 근방에서 알루미늄 합금과 반응하여 접합 계면 근방에서 급격하게 액상 생성이 가속되기 때문에 부재 형상을 유지할 수 없게 될 우려가 있기 때문이다.

본 발명에 따른 접합의 기본적인 메카니즘은 상기한 대로이다. 다음에, 본 발명의 특징에 대하여 더 자세하게 기술한다.

A. 알루미늄 합금재의 성분

Cu: 3.0% ~ 8.0%

알루미늄 합금의 Cu의 함유량이 3.0% 미만의 경우는, 충분하게 액상이 배어나오지 않아, 접합이 불완전해진다. 한편, Cu의 함유량이 8.0%를 넘으면, 알루미늄 합금 중의 Al-Cu계 화합물의 양이 많아지고, 액상의 생성량이 많아지기 때문에, 가열 중의 재료 강도가 극단적으로 저하하여, 구조체의 형상 유지가 곤란해진다. 또한, 8.0%를 넘으면, 압연이 곤란해져서 재료를 제조할 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, 본 발명에 있어서의 알루미늄 합금재 중의 Cu의 함유량은 3.0 ~ 8.0%로 한다. 또한, 배어나오는 액상의 양은 판 두께가 두껍고, 가열 온도가 높을수록 많아지지만, 가열시에 필요로 하는 액상의 양은 구조체의 형상에 의존하므로, 필요에 따라서 Cu의 함유량이나 접합 조건(온도, 시간 등)을 조정하는 것이 바람직하다.

Si: 0.1% ~ 10%

알루미늄 합금의 Si의 함유량이 0.1% 미만인 경우는, 충분하게 액상이 배어나오지 않아, 접합이 불완전하게 된다. 한편, Si의 함유량이 10.0%를 넘으면, 알루미늄 합금재 중의 Si 입자가 많아지고, 액상의 생성량이 많아지기 때문에, 가열 중의 재료 강도가 극단적으로 저하하고, 구조체의 형상 유지가 곤란해진다. 또한, 10.0%를 넘으면, 압연이 곤란해져서 재료를 제조할 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, 본 발명에 있어서의 알루미늄 합금 중의 Si의 함유량은 0.1% ~ 10%로 한다. 또한, 배어나오는 액상의 양은 판 두께가 두껍고, 가열 온도가 높을수록 많아지지만, 가열시에 필요로 하는 액상의 양은 구조체의 형상에 의존하므로, 필요에 따라서 Si의 함유량, 접합 조건(온도, 시간 등)을 조정하는 것이 바람직하다.

C+2.4×S ≥ 7.8

알루미늄 합금의 Cu의 함유량이 3.0% ~ 8.0%이고, 또한 Si의 함유량이 0.1% ~ 10%이라도, Cu 농도를 C(%), Si 농도를 S(%)로 했을 때, C+2.4×S가 7.8 미만에서는 액상이 충분히 생성되지 않고, 액상의 공급량이 불충분하게 되어, 접합이 불완전하게 된다. 따라서, 본 발명에 있어서의 알루미늄 합금 중의 C+2.4×S는 7.8 이상으로 한다.

본 발명의 알루미늄 합금으로서의 기본적인 기능을 다하기 위해서는 Cu, Si량을 규정하면 좋지만, 다른 원소를 단독, 혹은 복수 첨가하여, 접합성을 향상시킬 수 있다. 이하에 각 선택 첨가 원소에 대하여 기술한다.

접합성을 더 향상시키기 위해서, Mg, Zn, Ni의 1종 또는 2종 이상을 소정량 더 첨가해도 좋다.

Mg: 0.05% ~ 2.0%

Mg는 합금의 고상선 온도를 저하시킬 수 있어, 보다 저온에서의 확실한 접합을 가능하게 한다. 이 효과는 Mg량 0.05% 미만에서는 거의 얻을 수 없다. 또한, 2.0%를 넘으면 압연이 곤란해져서 재료를 제조할 수 없을 우려가 있다. 따라서, Mg는 0.05% ~ 2.0% 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 Mg 첨가량은, 0.1% ~ 1.0%이다.

Zn: 0.05% ~ 6.0%

Zn는 합금의 고상선 온도를 저하시킬 수 있어, 보다 저온에서의 확실한 접합을 가능하게 한다. 이 효과는 Zn 첨가량 0.05% 미만에서는 거의 얻을 수 없다. 또한, 6.0%를 넘으면 압연이 곤란해져서 재료를 제조할 수 없을 우려가 있다. 따라서, Zn는 0.05% ~ 6.0% 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 Zn 첨가량은, 0.5% ~ 2.0%이다.

Ni: 0.05% ~ 2.0%

Ni는 합금의 고상선 온도를 저하시킬 수 있어, 보다 저온에서의 확실한 접합을 가능하게 한다. 이 효과는 Ni 첨가량 0.05% 미만에서는 거의 얻을 수 없다. 또한, 2.0%를 넘으면 재료 제조 중에 금속간 화합물이 과대하게 생성되어 압연이 곤란해질 우려가 있다. 따라서, Ni는 0.05% ~ 2.0% 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 첨가량은 0.2% ~ 1.0%이다.

상기의 합금에 접합 후의 강도나 내식성을 더 향상시키기 위해서, 이하의 소정량의 원소를 단독, 혹은 복수 첨가해도 좋다.

Fe: 0.1% ~ 2.0%

Fe는, 고용하여 강도를 올리는 효과가 있는 것에 더하여 정출물(晶出物)로서 분산하여, 특히 고온에서의 강도 저하를 막는 효과가 있다. Fe의 첨가량은 강도 및 제조의 용이함의 균형의 관점에서, 0.1% ~ 2.0%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.1% ~ 2.0%

Mn는, Si와 함께 Al-Mn-Si계의 금속간 화합물을 형성하고, 분산 강화로서 작용하고, 혹은 알루미늄 모상(parent phase) 중에 고용하여 고용 강화에 의해 강도를 향상시키는 효과가 있다. Mn의 첨가량은 강도 및 제조의 용이함의 균형의 관점에서, 0.1% ~ 2.0%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.01% ~ 0.3%, V: 0.01% ~ 0.3%

Ti, V는 고용하여 강도를 향상시키는 것 외에, 층 형상으로 분포하여 판 두께 방향의 부식의 진전을 막는 효과가 있다. Ti 및 V의 첨가량은 강도 및 제조의 용이함의 균형으로부터, 0.01% ~ 0.3%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.05% ~ 0.3%

Cr는, 고용 강화에 의해 강도를 향상시키고, 또한 Al-Cr계의 금속간 화합물이 석출하고, 가열 후의 결정립 조대화(coarsening)에 작용한다. Cr의 첨가량은 강도 및 제조의 용이함의 균형으로부터, 0.05% ~ 0.3%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

In: 0.05% ~ 0.3%, Sn: 0.05% ~ 0.3%

In, Sn는, 희생 양극 작용을 부가하는 효과가 있다. In 및 Sn의 첨가량은 내식성 및 제조의 용이함의 균형으로부터, 0.05% ~ 0.3%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Be: 0.0001% ~ 0.1%, Sr: 0.0001% ~ 0.1%, Bi: 0.0001% ~ 0.1%, Na: 0.0001% ~ 0.1%, Ca: 0.0001% ~ 0.05%

또한, 필요에 따라서 Be: 0.0001% ~ 0.1%, Sr: 0.0001% ~ 0.1%, Bi: 0.0001% ~ 0.1%, Na: 0.0001% ~ 0.1%, Ca: 0.0001% ~ 0.05%의 1종 또는 2종 이상을 첨가해도 좋지만, 이들의 미량 원소는 Si 입자의 미세 분산, 액상의 유동성 향상 등에 의해서 접합성을 개선할 수 있다. 또한, Be, Sr, Bi, Na, Ca의 1종 또는 2종 이상이 첨가되는 경우에는, 내식성 및 제조의 용이함의 균형으로부터, 각 첨가 성분의 각각이 상기 성분 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

B. 액상의 질량비의 범위

본 발명에 따른 알루미늄 합금과 구리 합금과의 배어나옴 접합에서는, 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비(이하, 「액상률」로 기재한다)가 5% 이상 35% 이하가 되는 온도로 접합할 필요가 있다. 액상률이 35%를 넘으면, 생성되는 액상의 양이 너무 많아서 알루미늄 합금이 형상을 유지할 수 없게 되어 큰 변형을 해버린다. 한편, 액상률이 5% 미만에서는 접합이 곤란해진다. 바람직한 액상률은 5 ~ 30%이며, 보다 바람직한 액상률은 10 ~ 20%이다.

이러한 접합 거동 때문에, 접합 공정 후에 있어서 접합 부위 근방의 형상 변화가 거의 발생하지 않는다. 즉, 용접법의 비드나, 브레이징법에서의 필릿(fillet)과 같은 접합 후의 형상 변화가, 본 발명에 따른 접합 방법에서는 거의 발생하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 용접법이나 브레이징법과 동일하게 금속 결합에 의한 접합을 가능하게 한다. 따라서, 제품 설계에 있어서는 그 감소분을 고려할 필요가 있다. 본 발명의 배어나옴 접합에 있어서는 접합 후에 있어서의 치수 변화가 극히 작기 때문에, 고정밀도의 제품 설계가 가능해진다.

또한, 가열 중에 있어서의 실제의 액상률을 측정하는 것은 극히 곤란하다. 여기서, 본 발명에서 규정하는 액상률은, 통상 평형 상태도를 이용하여, 합금 조성과 최고 도달 온도에 기초하여 지렛대의 원리(lever rule)에 의해서 구할 수 있다. 이미 상태도가 밝혀진 합금계에 있어서는, 그 상태도를 사용하여, 지렛대의 원리를 이용하여 액상률을 구할 수 있다. 한편, 평형 상태도가 공표되어 있지 않은 합금계에 관해서는, 평형 계산 상태도 소프트웨어를 이용하여 액상률을 구한다. 평형 계산 상태도 소프트웨어에는, 합금 조성과 온도를 이용하여, 지렛대의 원리로 액상률을 구하는 수법이 삽입되어 있다. 평형 계산 상태도 소프트웨어로는, Thermo-Calc Software AB사가 만든 Thermo-Calc 등이 있다. 평형 상태도가 밝혀진 합금계에 있어서도, 평형 계산 상태도 소프트웨어를 이용하여 액상률을 계산하여도, 평형 상태도로부터 지렛대의 원리를 이용하여 액상률을 구한 결과와 동일한 결과가 되므로, 간편화를 위해서, 평형 계산 상태도 소프트웨어를 이용해도 좋다.

C. 산화 피막의 파괴 방법

알루미늄 합금의 표층에는 강고한 산화 피막이 형성되어 있고, 이것에 의해서 접합이 방해된다. 따라서, 접합에 있어서는 산화 피막을 파괴할 필요가 있다. 여기서, 다음에 산화 피막 제거의 구체적 방법을 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 알루미늄 합금의 산화 피막의 파괴에 대해 설명하는 것인데, 알루미늄 합금의 산화 피막은 극히 강고하고, 알루미늄 합금에 비하면 구리 합금은 통상, 산화 피막이 생겨도 산화 피막이 환원·파괴되기 쉽다. 따라서, 알루미늄 합금의 산화 피막이 파괴되면, 구리 합금의 산화 피막도 동시에 파괴되어 접합이 가능하다.

C-1. 플럭스에 의한 산화 피막의 파괴

이 방법은, 산화 피막을 파괴하기 위하여 적어도 접합부에 플럭스를 도포하는 것이다. 플럭스는 알루미늄 합금의 브레이징에서 이용하는 KAlF₄, K₂AlF₅, K₂AlF₅·H₂O, K₃AlF₆, AlF₃, KZnF₃, K₂SiF₆ 등의 불화물계 플럭스나, Cs₃AlF₆, CsAlF₄·2H₂O, Cs₂AlF₅·H₂O 등의 세슘계 플럭스, 또는 KCl나 NaCl, LiCl, ZnCl₂ 등의 염화물계 플럭스가 이용된다. 이들 플럭스는, 배어나옴 접합에 있어서 액상이 용융하기 전 또는 접합 온도에 도달하기 전에 용융하고, 산화 피막과 반응하여 산화 피막을 파괴한다.

또한 이 방법에서는, 산화 피막의 형성을 억제하기 위해서, 질소 가스나 아르곤 가스 등의 비산화성 분위기 중에서 접합한다. 특히 불화물계의 플럭스를 이용하는 경우는, 산소 농도를 250 ppm 이하로 억제하고, 노점을 -25℃ 이하로 억제한 비산화성 가스 분위기 중에서 접합하는 것이 바람직하다.

또한, 불화물계의 플럭스를 이용하는 경우, 한쪽의 피접합 부재의 알루미늄 합금에 있어서 Mg가 0.5%를 초과하여 함유되면, 플럭스와 Mg가 반응하여 플럭스의 산화 피막 파괴 작용이 저하된다. 이 점을 고려하여, 플럭스를 이용하는 경우의 한쪽의 피접합 부재의 알루미늄 합금의 Mg 농도의 상한을 0.5%로 규제하는 것이다.

C-2. Mg의 게터 작용에 의한 산화 피막의 파괴

이 방법은, 알루미늄 합금의 Mg 함유량이 0.2% ~ 2.0%인 재료를 적용하는 것이며, 이 경우는 접합부에 플럭스를 도포하지 않아도, 산화 피막이 파괴되어서 접합이 가능해진다. 이 때, 알루미늄 합금이 용융하여 액상이 표층에 나올 때, 알루미늄 합금 중에서 증발하는 Mg의 게터 작용(getter action)에 따라 산화 피막이 파괴된다. 알루미늄 합금재에 있어서, Mg가 0.2% 미만에서는 Mg의 게터 작용을 기대할 수 없다. 2.0%를 넘으면, 상술한 바와 같이 압연이 곤란하게 되어, 재료의 제조를 할 수 없다.

D. 접합 조건

본 발명에 따른 배어나옴 접합법은, 이상 설명한 기본적 구성에 의해, 피접합 부재의 변형을 최소한으로 하면서 확실한 접합을 행할 수 있다. 여기서, 본 발명에 있어서는, 피접합 부재의 형상 유지를 고려한 접합 조건으로서, 접합 시간, 및 양 피접합 부재에 가해지는 응력, 접합시의 가열 온도를 적당하게 설정하는 것으로 바람직한 접합을 얻을 수 있다.

D-1. 형상 유지에 필요한 접합 시간

본 발명에 있어서 접합 시간의 의의는, 액상을 발생시키는 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금에 있어서의 액상률이 5% 이상인 시간이다. 그리고, 이 접합 시간은 3600초 이내인 것이 바람직하다. 3600초 이내로 하면 접합 전으로부터의 형상 변화가 적은 접합체를 얻을 수 있고, 나아가 1800초 이내로 하면, 형상 변화가 더 적은 정교하고 치밀한 접합체를 얻을 수 있다.

또한 접합 시간은 30초 이상인 것이 바람직하다. 30초 이상이면 확실히 접합된 접합체를 얻을 수 있고, 나아가 60초이면 보다 확실히 접합된 접합체를 얻을 수 있다.

D-2. 접합시에 있어서의 양 피접합 부재에 가해지는 응력

본 발명의 접합에 있어서는, 접합부에서 양 피접합 부재가 접하고 있으면 접합면에 압력을 반드시 가할 필요는 없다. 단, 실제의 제품의 제조 과정에서는, 피접합 부재끼리를 고정하거나 클리어런스를 줄이거나 하기 위하여, 지그 등으로 양 피접합 부재에 응력이 가해지는 경우가 많다. 또한, 자중에 의해서도 피접합 부재 내에 응력이 발생한다.

이 때, 각 피접합 부재 내의 각 부위에 발생하는 응력은, 형상과 하중으로부터 구해진다. 이 응력은, 예를 들면, 구조 계산 프로그램 등을 이용하여 계산할 수 있다. 본 발명에서는, 접합시에 있어서 액상을 발생시키는 피접합 부재의 각 부위에 발생하는 응력 중 최대의 것(최대 응력)을 P(kPa)로 하고, 상기 피접합 부재인 알루미늄 합금에서의 액상률을 V로 했을 때에, P ≤ 460-12V를 만족하도록 접합하는 것이 바람직하다. 이 식의 우변에서 나타나는 값은 한계 응력이며, 이것을 넘는 응력이 액상을 발생시키는 피접합 부재에 가해지면, 액상률이 35% 이내라도 피접합 부재에 큰 변형이 발생할 우려가 있다.

D-3. 접합시의 가열 온도

본 발명의 접합에 있어서는, 접합시의 가열 온도가 548℃ 이상에서는, 알루미늄 합금과 구리 합금의 공정 반응에 의해, 피접합 부재가 변형할 가능성이 있기 때문에, 알루미늄 합금과 구리 합금의 접합시의 가열 온도는 548℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하에, 본 발명을 실시예와 비교예에 기초하여 상세하게 설명한다. 이하에서는 복수의 알루미늄 합금 및 구리 합금을 준비하여, 본 발명에 따른 배어나옴 접합법을 적용하여 접합을 행하고 접합성의 평가를 행했다(제1 실시 형태). 또한, 알루미늄 합금의 변형율의 평가에 대한 상세한 검토도 행했다(제2 실시 형태).

제1 실시 형태(실시예 1 ~ 49, 비교예 1 ~ 8)

표 1에, 한쪽의 피접합재로서 이용한 알루미늄 합금재의 조성을 나타낸다. 표 1에 나타내는 합금 주괴(ingot)를 조제(調製)한 후, 열간 압연 및 냉간 압연에 의해 두께 2mm의 압연판을 얻었다. 이 압연판을 레벨러(leveler)에 걸친 후에 380℃에서 2시간 소둔(annealing)하여, 압연판 시료로 했다.

[표 1]

표 2에, 다른 쪽의 피접합 부재로서 이용한 구리 합금재의 조성을 나타낸다. 표 2에 나타내는 합금 주괴를 조제한 후, 열간 압연 및 냉간 압연에 의해 두께 3mm의 압연판을 얻었다.

[표 2]

이상과 같이 하여 작성한 알루미늄 합금 및 구리 합금의 압연판 시료를 이용하여, 접합 시험을 행하고 접합율과 변형율을 평가했다. 이 접합 시험에서는, 우선, 상기 압연판 시료로부터 폭 20mm×길이 50mm의 2매의 판을 잘라 내고, 각각의 단면을 프레이즈에 의해 평활하게 하여, 알루미늄 합금을 상판으로 하고, 구리 합금을 하판으로 하여 조합하고, 도 4에 나타내는 역T자형 접합 시험편을 제작했다. 표 3에, 각 시험편의 상판과 하판의 조합을 나타낸다. 이 접합 시험편의 접합면에는, 불화 세슘계 또는 염화물계의 플럭스를 도포하거나, 혹은 플럭스를 도포하지 않았다. 플럭스 도포의 유무와 종류를 표 3에 나타낸다. 이들 표에 있어서, 「Cs」는 불화 세슘계의 플럭스(CsAlF₄)를, 「Cl」는 염화물계 플럭스(ZnCl₂를 40 mass% 이상 포함하고, 다른 성분을 NaCl-KCl-LiCl-LiF로 한다)를, 「-」은 플럭스를 도포하지 않은 경우를 나타낸다.

그리고, 상기의 시험편을, 질소 분위기 중, 아르곤 분위기 중 또는 진공 분위기 중에서 소정의 온도까지 온도 상승시켜서 그 온도(표 3에 나타내는 접합 온도)로 소정 시간 유지한 후에, 로(爐) 중에서 자연 냉각했다. 질소 분위기 및 아르곤 분위기는, 산소 농도 100 ppm 이하에서 노점 -45℃ 이하로 관리했다. 진공 분위기는, 10^-5torr로 관리했다. 어떤 분위기 중에서도 온도 상승 속도는, 500℃ 이상에 있어서, 10℃/분으로 했다. 그리고, 접합 가열 후의 시험편으로부터, 접합율, 변형율, 종합 평가를 이하와 같이 평가했다.

(1) 접합율 평가

접합율은 다음과 같이 하여 구했다. 초음파 탐상(探傷) 장치를 이용하여, 접합부에서의 접합이 이루어지고 있는 부분의 길이를 측정했다. 역T자 시험편의 접합부의 전체 길이를 50mm로 하여, {접합부에서의 접합이 이루어지고 있는 부분의 길이(mm)/50(mm)}×100에 의해서 접합율(%)을 산출했다. 접합율이, 95% 이상을 ◎로 하고, 90% 이상 95% 미만을 ○로 하고, 25% 이상 90% 미만을 △로 하고, 25% 미만을 ×로 하여 판정했다.

(2) 변형율 평가

표 1에 나타낸 조성의 상기 압연판 시료로부터 폭 10mm×길이 30mm의 판을 잘라 내어, 변형율 측정용의 시험편으로 했다. 도 5 (a)에 나타내는 바와 같이, 이 시험편을 돌출 길이 20mm로 하여 처짐 테스트용 지그에 장착하여 세트했다(도에는, 3매의 시험편이 세트되어 있다). 처짐 테스트와 같은 캔틸레버 빔 형상에서의 최대 응력 P(N/m²)는, 굽힘 모멘트 M과 단면(斷面) 계수 Z로부터, 이하와 같이 구했다.

P = M/Z = (W×l²/2)/(bh²/6)

=((g×ρ×l×b×h/l)×l²/2)/(bh²/6)

=3×g×ρ×l²/h

M: 굽힘 모멘트(N·m)

등분포 하중의 캔틸레버 빔의 경우 W×l²/2

Z: 단면 계수(m³)

단면 형상이 장방형의 경우 bh²/6

W: 등분포 하중(N/m)

g: 중력 가속도(m/s²)

ρ: 알루미늄의 밀도(kg/m³)

l: 돌출 길이(m)

b: 판 폭(m)

h: 판 두께(m)

또한, 최대 응력 P는, 돌출부의 뿌리부에 걸린다. 이 시험에서 시험편에 걸리는 최대 응력 P는, 위의 식에 수치를 대입하여 계산한 결과, 31kPa였다. 이러한 응력 P는, 후술하는 제2 실시 형태에 있어서도 동일하다. 이 시험편을, 표 3에 나타내는 분위기 중에서 소정의 온도까지 가열하고, 그 온도(해당 표에 나타내는 접합 온도)로 해당 표에 나타내는 소정의 시간 동안 유지한 후에, 로 중에서 자연 냉각했다. 질소 분위기 및 아르곤 분위기는, 산소 농도 100ppm 이하에서 노점 -45℃ 이하로 관리했다. 진공 분위기는, 10^-5torr로 관리했다. 어떤 분위기 중에 있어서도 온도 상승 속도는, 500℃ 이상에 있어서, 10℃/분으로 했다.

가열 후의 시험편으로부터, 변형율을 이하와 같이 구했다. 도 5 (b)에 나타내는 바와 같이, 가열 후에 있어서의 시험편의 처짐량(垂下量)을 측정했다. 돌출 길이(20mm)를 이용하여, {처짐량(mm)/20(mm)}×100에 의해서 변형율(%)을 산출했다. 변형율이 50% 이하를 ◎로 하고, 50% 초과 70% 이하를 ○로 하고, 70% 초과 80% 이하를 △로 하고, 80%를 넘는 것을 ×로 하여 판정했다.

(3) 종합 판정

이상의 결과로부터, 각 평가의 판정에 대해서 ◎를 5점, ○을 3점, △을 0점,×을 -5점으로 하여 점수를 매기고, 합계점이 10점을 ◎로 하고, 6점 이상 9점 이하를 ○로 하고, 1점 이상 5점 이하를 △로 하고, 0점 이하를 ×로 하여 종합 판정을 행했다. 종합 판정이 ◎, ○, △을 합격으로 하고, ×를 불합격으로 했다. 접합율, 변형율 및 종합 판정의 결과를, 접합 조건(온도, 평형 액상률의 계산치)과 함께 표 3에 나타낸다.

[표 3]

표 3으로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 49에서는, 접합 가열시의 알루미늄 합금재 중의 액상률이 적정한 범위였기 때문에 양호한 접합이 이루어지고, 종합 판정이 합격이었다.

한편, 액상량의 관점으로부터 비교예를 보면, 비교예 1, 2, 4에서는, 알루미늄 합금에 생성한 액상량이 너무 낮았기 때문에 접합율이 낮아져서 종합 판정이 불합격이 되었다. 또한, 비교예 3에서는, 알루미늄 합금에 액상이 생성되지 않았기 때문에 접합이 이루어지지 않고 종합 판정이 불합격이 되었다. 또한, 비교예 5, 6에서는 알루미늄 합금에 생성한 액상량이 너무 많았기 때문에 변형율이 높아져서 종합 판정이 불합격이 되었다.

또한, 브레이징재 조성과 플럭스 사용의 유무와의 관계로부터, 비교예 7에서는, 알루미늄 합금의 Mg 함유량이 0.2% 미만임에도 불구하고 플럭스가 도포되지 않았기 때문에 접합이 이루어지지 않고, 종합 판정이 불합격이 되었다. 또한, 비교예 8에서는, 알루미늄 합금의 Mg 함유량이 0.5%를 넘고 있음에도 불구하고 플럭스를 도포했기 때문에 접합이 이루어지지 않고, 종합 판정이 불합격이 되었다.

제2 실시 형태(실시예 50 ~ 64, 참고예 1 ~ 4)

여기에서는, 처짐 테스트를 행하여, 가열 중에 피접합 부재가 견딜 수 있는 응력 P를 평가했다. 이 평가는, 제1 실시 형태에서의 평가에 있어서, 종합 평가가 합격이 되는 조건(합금, 가열 조건)을 선택하여, 알루미늄 합금의 변형율의 평가만을 더 상세하게 행한 것이다. 시험편에는, 표 1의 알루미늄 합금을 선택하여 이용했다. 시험편은, 판 두께 1mm, 폭 15mm, 길이 60mm로 했다. 이 시험편에 대해서 돌출 길이를 20 ~ 50mm로 변화시켜서, 도 5 (a)에 나타내는 처짐 테스트용 지그에 장착하고 세트했다.

구체적인 시험 방법은, 시험편을, 질소 분위기 중에서 소정의 온도까지 가열하고 그 온도에 180초 유지한 후에, 로 중에서 자연 냉각했다. 질소 분위기는, 산소 농도 100ppm 이하에서 노점 -45℃ 이하로 관리했다. 온도 상승 속도는, 500℃ 이상에 있어서, 10℃/분으로 했다.

가열 후의 시험편으로부터, 변형율을 이하와 같이 구했다. 도 5 (b)에 나타내는 바와 같이, 가열 후에 있어서의 시험편의 처짐량을 측정했다. 각 돌출 길이를 이용하여, {처짐량(mm)/돌출 길이(mm)}×100에 의해서 변형율(%)을 산출했다. 변형율이 50% 미만을 ◎로 하고, 50% 이상 70% 미만을 ○로 하고, 70% 이상을 ×로 하여 판정했다. ◎와 ○을 합격으로 하고, ×를 불합격으로 했다. 변형율, 돌출 길이, 응력 및 한계 응력을, 가열 조건(가열 온도, 액상률, 가열 온도에서의 유지 시간)과 함께 표 4에 나타낸다.

[표 4]

표 4에서, 실시예 50 ~ 64에서는, 응력 P(kPa)가, V(%)를 액상률로 한 한계 응력(460-12V) 이하였다. 그 결과, 이들의 실시예에서는 모두 처짐량이 돌출 길이에 대해서 70% 미만이며, 양호한 변형율이 되었다. 이것에 비해서, 참고예 1 ~ 4에서는 응력 P가 한계 응력(460-12V)보다 커졌다. 그 결과, 모두 처짐량이 돌출 길이에 대해서 70% 이상이 되어 변형율이 컸다.

이상의 결과로부터, 피접합 부재에 가해지는 응력 P가 한계 응력(460-12V) 이하이면, 부재의 접합 전후에서의 변형이 5% 이내로 억제되고, 정밀도 높은 구조물을 제작할 수 있는 것이 확인되었다.

[산업상 이용가능성]

본 발명에 의해, 양호한 접합성과 접합에 의한 변형이 거의 없는, 신뢰성 높은 신규한 방법으로 접합된 알루미늄 합금재와 구리 합금재의 접합체 및 그 접합 방법이며, 공업적인 가치가 크다. 본 발명에 의하면, 접합 개소가 많은, 복잡한 형상을 가지는 등의 특징이 있는 부재·부품을 효율적으로 제조할 수 있고, 예를 들면, 냉동 공조 장치의 냉동 회로에 있어서의 핀 튜브형 열교환기나 배관 등의 열교환 장치 등의 접합체에 유용하다.

Claims

알루미늄 합금을 한쪽의 피접합 부재로 하고, 구리 합금을 다른 쪽의 피접합 부재로 하여, 상기 한쪽의 피접합 부재와 다른 쪽의 피접합 부재가 금속적으로 접합된 접합체로서,
상기 한쪽의 피접합 부재는 Cu: 3.0mass% ~ 8.0mass% 및 Si: 0.1mass% ~ 10mass%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금으로 이루어지고, Cu 농도를 C(mass%), Si 농도를 S(mass%)로 했을 때, C+2.4×S ≥ 7.8을 만족하고,
상기 다른 쪽의 피접합 부재는 상기 한쪽의 피접합 부재보다도 고상선(固相線) 온도가 높은 구리 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금과 구리 합금으로이루어지는 접합체.
제 1 항에 있어서,
상기 한쪽의 피접합 부재가, Mg: 0.05mass% ~ 2.0mass%, Ni: 0.05mass% ~ 2.0mass% 및 Zn: 0.05mass% ~ 6.0mass% 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어지는, 알루미늄 합금과 구리 합금으로 이루어지는 접합체.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 알루미늄 합금과 구리 합금으로 이루어지는 접합체의 접합 방법으로서,
상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금은 Mg: 0.5mass% 이하로 규제되어 있고, 상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금의 전(全) 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비가 5% 이상 35% 이하가 되는 온도에 있어서, 플럭스가 접합 부재 사이에 도포된 상태로 비산화성 분위기 중에서 접합하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 알루미늄 합금과 구리 합금으로 이루어지는 접합체의 접합 방법으로서,
상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금은 Mg: 0.2mass% ~ 2.0mass%를 함유하고, 상기 한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비가 5% 이상 35% 이하가 되는 온도에 있어서, 진공 중 또는 비산화성 분위기 중에서 접합하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금에 있어서, 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비가 5% 이상인 시간이, 30초 이상 3600초 이내인, 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합 방법.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
한쪽의 피접합 부재인 알루미늄 합금에 발생하는 최대 응력을 P(kPa)로 하고, 상기 알루미늄 합금의 전 질량에 대한 상기 알루미늄 합금 내에 생성되는 액상의 질량의 비를 V(%)로 했을 때에, P ≤ 460-12V를 만족하는 조건으로 접합하는, 알루미늄 합금과 구리 합금과의 접합 방법.