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ろう材の種類とぬれ:ろう付けの基礎知識2

ろう付けの基礎知識

更新日:2018年9月19日(初回投稿)
著者:東海大学 工学部 材料科学科 教授 宮沢 靖幸

前回は、ろう付けの定義や特徴について述べました。今回は、接合部の品質を左右する溶融ろう材と母材間の現象・ぬれと、ぬれを算出できるヤングの式、ろう材の種類・形態などを解説します。ぬれの原理、各ろう材の特徴、母材との相性を学び、堅牢なろう付けを確実に行えるようになりましょう。

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1. ぬれとヤングの式

ろう材とは、ろう付けでのりの役割を担う合金です。加熱により溶融金属となったろう材は、設置された母材の隙間へ浸透し、継手を形成する役割を果たします。この時、母材を傷つけないために、ろう材の融点(液相線温度)は、母材の融点(固相線温度)より低い必要があります。また、溶融ろう材は、母材に対してよくぬれる必要があります。ぬれとは、溶融ろう材の表面張力と、母材の表面張力、溶融ろう材と母材の間に発生する界面張力の3つの力の関係によって、決定する物理現象です(図1)。

図1:ヤングの式と、ぬれの原理

図1:ヤングの式と、ぬれの原理

図1を解説します。γLVは溶融ろう材の表面張力、γSVは母材の表面張力、γSLは溶融ろう材と母材間の界面張力をそれぞれ表しています。これら3つの張力は、物質特有の値であるとともに、温度依存性を示す物性値です。溶融ろう材(液体)を母材・被接合材(固体)上へ滴下すると、直後は図1左のように液滴となります。時間経過に伴い、ぬれに関するヤングの式が成立するまで、すなわち3つの張力が釣り合うまで、母材上の溶融ろう材は広がり、やがて止まります(図1右)。この現象を、ぬれと称します。母材の表面張力が大きいほど、また溶融ろう材の表面張力が小さいほど、ぬれが生じやすいといえます。また、張力は温度の関数です。従って、ろう材と母材の組み合わせと、ろう付け温度によって、ぬれの状態は変動します。

母材とろう材が決定した段階で、両物質の表面張力(γLV、γSV)は決定します。そのため、両物質間の界面張力(γSL)が、ぬれの状態を左右する重要な値となります。母材表面の酸化皮膜、汚れなどは、ぬれの阻害因子となります。また、母材表面のミクロ的な形状(粗さ)も、ぬれに強く影響を及ぼします。

さらに溶融ろう材と母材間で界面反応が生じると、初期界面は移動します。界面反応とは、界面を挟んだ両物質間で行われる、原子のやり取りのことです。界面反応によって、界面近くの母材とろう材の組成は変化します。この変化が、継手の性質に影響を及ぼす場合があるので、十分に注意しましょう。

2. ろう材の種類と用途

世の中の工業製品を構成する金属材料や使用環境は、多種多様です。個々の金属材料に応じたろう材を、選択・製造する必要があります。しかし金属材料の種類は膨大に存在し、それぞれにろう材を選定することは現実的ではありません。実際には、7種類のろう材がJISで規格化され、主に使用されています(表1)。

表1:7種類のろう材のベースとなる金属と特徴(参考:JIS Z 3261銀ろう、JIS Z 3262銅および銅合金ろう、JIS Z 3264リン銅ろう、JIS Z 3265ニッケルろう、JIS Z 3266金ろう、JIS Z 3267パラジウムろう、JIS Z 3268真空用貴金属ろう)
ろう材の名称 ベースとなる材料 特徴
銅・黄銅ろう 純銅(Cu)、銅(Cu)合金 純銅(Cu)は鉄系材料に対して、良好なぬれを示す
リン銅ろう 銅(Cu)-リン(P)系合金 銅(Cu)合金のろう付けに適している。比較的安価。銅(Cu)とリン(P)がもろい化合物を形成する場合があり、注意が必要
銀ろう 銀(Ag)-銅(Cu)合金 汎用性が高く、アルミニウム(Al)合金、マグネシウム(Mg)合金以外の全ての金属材料に利用可能。ただし、銀(Ag)を含有しているため、高価
アルミニウムろう アルミニウム(Al)
-ケイ素(Si)合金
アルミニウム(Al)合金やマグネシウム(Mg)合金への使用が対象。アルミニウム(Al)合金製自動車用熱交換器の製造にも用いられる
ニッケルろう ニッケル(Ni)合金 ステンレス鋼や耐熱合金などに用いられる。近年は、自動車エンジン用EGR(排気再循環)クーラーの製造で多用
金ろう 金(Au)合金 高価であるが、高耐食性など優れた特性を示す。電子素子の封止などに利用される
パラジウムろう パラジウム(Pd)合金 高価であるが、高耐熱性などに優れた特性を示す

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3. ろう材の形態

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

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