ステンレス鋼のろう付け
1. ろう付け性
ステンレス鋼のろう付けにおける主な問題は、表面の酸化膜がはんだの濡れ広がりに重大な影響を与えることです。各種ステンレス鋼には相当量のCrが含まれており、Ni、Ti、Mn、Mo、Nbなどの元素を含むものもあり、表面にさまざまな酸化物、さらには複合酸化物を形成する可能性があります。その中でも、CrとTiの酸化物であるCr2O3とTiO2は非常に安定しており、除去が困難です。空気中でのろう付けでは、活性フラックスを使用してそれらを除去する必要があります。保護雰囲気でのろう付けでは、酸化膜を還元できるのは、露点が低く温度が十分に高い高純度雰囲気のみです。真空ろう付けでは、良好なろう付け効果を得るために十分な真空と温度が必要です。
ステンレス鋼のろう付けにおけるもう一つの問題は、加熱温度が母材組織に重大な影響を及ぼすことです。オーステナイト系ステンレス鋼のろう付け加熱温度は1150℃を超えてはなりません。そうでないと、結晶粒が著しく成長します。また、オーステナイト系ステンレス鋼に安定元素のTiやNbが含まれず、炭素含有量が多い場合は、鋭敏化温度（500～850℃）内でのろう付けも避けてください。炭化クロムの析出による耐食性の低下を防ぐためです。マルテンサイト系ステンレス鋼のろう付け温度の選択はより厳格です。1つは、ろう付け温度を焼入れ温度に合わせ、ろう付けプロセスと熱処理プロセスを組み合わせることです。もう1つは、ろう付け中に母材が軟化しないように、ろう付け温度を焼戻し温度よりも低くすることです。析出硬化型ステンレス鋼のろう付け温度選択原則はマルテンサイト系ステンレス鋼の場合と同じです。つまり、最良の機械的特性を得るには、ろう付け温度を熱処理システムと一致させる必要があります。
上記の2つの主な問題に加えて、オーステナイト系ステンレス鋼のろう付け、特に銅亜鉛ろう付けでは応力割れが発生しやすい傾向があります。応力割れを回避するために、ろう付け前にワークピースを応力除去焼鈍処理し、ろう付け中はワークピースを均一に加熱する必要があります。
2. ろう材
（１）ステンレス鋼溶接部の使用要件によると、ステンレス鋼溶接部に一般的に使用されるろう材には、スズ鉛ろう材、銀ベースろう材、銅ベースろう材、マンガンベースろう材、ニッケルベースろう材、貴金属ろう材などがあります。
スズ鉛はんだは主にステンレス鋼のはんだ付けに使用され、スズ含有量が高いほど適しています。はんだのスズ含有量が高いほど、ステンレス鋼への濡れ性が向上します。一般的なスズ鉛はんだでろう付けした1Cr18Ni9Tiステンレス鋼接合部のせん断強度を表3に示します。接合部の強度が低いため、支持力の低い部品のろう付けにのみ使用されます。
表3 1Cr18Ni9Tiステンレス鋼の錫鉛はんだろう付け接合部のせん断強度
銀系ろう材は、ステンレス鋼のろう付けに最も一般的に使用されるろう材です。その中でも、銀銅亜鉛および銀銅亜鉛カドミウムろう材は、ろう付け温度が母材の特性にほとんど影響を与えないため、最も広く使用されています。いくつかの一般的な銀系はんだでろう付けされたICr18Ni9Tiステンレス鋼接合部の強度を表4に示します。銀系はんだでろう付けされたステンレス鋼接合部は、腐食性の高い媒体で使用されることはほとんどなく、接合部の動作温度は通常300℃を超えません。ニッケルを含まないステンレス鋼をろう付けする場合は、湿気の多い環境でろう付け継手が腐食するのを防ぐために、b-ag50cuzncdniなどのニッケル含有量の多いろう材を使用する必要があります。マルテンサイト系ステンレス鋼をろう付けする場合は、母材の軟化を防ぐために、b-ag40cuzncdなどのろう付け温度が650℃を超えないろう材を使用する必要があります。ステンレス鋼を保護雰囲気中でろう付けする場合、表面の酸化膜を除去するために、b-ag92culiやb-ag72culiなどのリチウム含有自己ろう付けフラックスを使用することができます。ステンレス鋼を真空中でろう付けする場合、ZnやCDなどの蒸発しやすい元素を含まない場合でもろう材の良好な濡れ性を維持するために、Mn、Ni、RDなどの元素を含む銀ろう材を選択することができます。
表4 銀ベースのろう付け金属でろう付けされたICr18Ni9Tiステンレス鋼接合部の強度
さまざまな鋼のろう付けに使用される銅ベースのろう材は、主に純銅、銅ニッケル、銅マンガンコバルトろう材です。純銅ろう材は、主にガス保護または真空下でのろう付けに使用されます。ステンレス鋼接合部の使用温度は400℃以下ですが、接合部の耐酸化性が低いです。銅ニッケルろう材は、主に火炎ろう付けと誘導ろう付けに使用されます。ろう付けされた1Cr18Ni9Tiステンレス鋼接合部の強度を表5に示します。接合部は母材と同じ強度を持ち、作業温度が高いことがわかります。Cu Mn Coろう材は、主に保護雰囲気下でのマルテンサイト系ステンレス鋼のろう付けに使用されます。接合部の強度と作業温度は、金ベースのろう材でろう付けしたものに匹敵します。たとえば、b-cu58mncoはんだでろう付けされた1Cr13ステンレス鋼ジョイントは、b-au82niはんだでろう付けされた同じステンレス鋼ジョイントと同じ性能を備えていますが（表6を参照）、製造コストは大幅に削減されます。
表5 高温銅系ろう付け接合部における1Cr18Ni9Tiステンレス鋼のせん断強度
表6 1Cr13ステンレス鋼ろう付け接合部のせん断強度
マンガン系ろう材は主にガスシールドろう付けに使用され、ガス純度を高く保つ必要があります。母材の粒成長を防ぐため、ろう付け温度が1150℃未満のろう材を選択する必要があります。表7に示すように、マンガン系はんだでステンレス鋼継手をろう付けした場合、良好なろう付け効果が得られます。継手の動作温度は600℃に達します。
表7 マンガン系ろう付け接合部におけるlcr18ni9fiステンレス鋼のせん断強度
ステンレス鋼をニッケル基ろう材でろう付けすると、接合部の高温特性が良好になります。このろう材は、一般的にガスシールドろう付けや真空ろう付けに使用されます。ろう付け接合部の形成中に脆性化合物が過剰に生成され、接合部の強度と可塑性が著しく低下するという問題を克服するためには、接合部隙間を最小限に抑え、はんだ中の脆性相を形成しやすい元素が母材に十分に拡散するようにする必要があります。ろう付け温度での長時間保持による母材の粒成長を防止するために、溶接後に（ろう付け温度と比較して）低温で短時間保持および拡散処理を行うなどのプロセス対策を講じることができます。
ステンレス鋼のろう付けに使用される貴金属ろう材には、主に金系ろう材とパラジウム系ろう材があり、その中で最も代表的なものはb-au82ni、b-ag54cupd、b-au82niで、いずれも濡れ性に優れています。ろう付けされたステンレス鋼接合部は、高い高温強度と耐酸化性を備え、最高使用温度は800℃に達します。b-ag54cupdはb-au82niと同様の特性を持ち、価格も低いため、b-au82niの代替として利用される傾向があります。
（2）フラックス中および炉内雰囲気中のステンレス鋼表面にはCr2O3やTiO2などの酸化物が含まれており、これらは活性の強いフラックスを使用することでのみ除去できます。ステンレス鋼を錫鉛はんだでろう付けする場合、適切なフラックスはリン酸水溶液または酸化亜鉛塩酸溶液です。リン酸水溶液の活性時間は短いため、急速加熱ろう付け法を採用する必要があります。銀系ろう材でステンレス鋼をろう付けする場合は、Fb102、fb103、またはfb104フラックスを使用できます。ステンレス鋼を銅系ろう材でろう付けする場合は、ろう付け温度が高いため、fb105フラックスを使用します。
ステンレス鋼を炉内でろう付けする場合、真空雰囲気や水素、アルゴン、分解アンモニアなどの保護雰囲気がよく用いられます。真空ろう付けの場合、真空圧力は10-2Pa未満である必要があります。保護雰囲気中でろう付けする場合、ガスの露点は-40℃を超えてはいけません。ガス純度が不十分な場合、またはろう付け温度が高くない場合は、三フッ化ホウ素などのガスろう付けフラックスを少量雰囲気に添加することができます。
2. ろう付け技術
ステンレス鋼は、ろう付け前にグリースや油膜を除去するために、より厳重に洗浄する必要があります。洗浄後すぐにろう付けを行うのが最善です。
ステンレス鋼のろう付けには、炎、誘導、炉内媒体加熱方式が採用できます。ろう付け炉は、良好な温度制御システム（ろう付け温度の偏差は± 6 ℃ 以内）を備え、急速に冷却できる必要があります。水素をろう付けシールドガスとして使用する場合、水素に対する要件は、ろう付け温度と母材の組成によって決まります。つまり、ろう付け温度が低いほど、母材に含まれる安定剤が多くなり、必要な水素の露点は低くなります。たとえば、1Cr13、cr17ni2tなどのマルテンサイト系ステンレス鋼の場合、1000 ℃でろう付けする場合、水素の露点は-40 ℃未満である必要があります。安定剤を含まない18-8クロムニッケルステンレス鋼の場合、1150 ℃でろう付けする場合、水素の露点は25 ℃未満である必要があります。ただし、チタン安定剤を含む1Cr18Ni9Tiステンレス鋼の場合、1150℃でろう付けする場合、水素露点は-40℃未満である必要があります。アルゴン保護ろう付けの場合、アルゴンの純度をより高くする必要があります。ステンレス鋼の表面に銅またはニッケルメッキが施されている場合は、シールドガスの純度に対する要件を下げることができます。ステンレス鋼表面の酸化膜を確実に除去するために、BF3ガスフラックスを追加することもできます。また、リチウムまたはホウ素を含むセルフフラックスはんだを使用することもできます。ステンレス鋼を真空ろう付けする場合、真空度の要件はろう付け温度に依存します。ろう付け温度の上昇に伴い、必要な真空度を下げることができます。
ステンレス鋼のろう付け後の主な工程は、残留フラックスと残留流動抑制剤を洗浄し、必要に応じてろう付け後熱処理を施すことです。使用するフラックスとろう付け方法に応じて、残留フラックスは水洗い、機械洗浄、または化学洗浄することができます。接合部付近の加熱領域にある残留フラックスや酸化膜を研磨剤で洗浄する場合は、砂などの非金属微粒子を使用する必要があります。マルテンサイト系ステンレス鋼と析出硬化型ステンレス鋼製の部品は、ろう付け後に材料の特殊要件に応じて熱処理が必要です。Ni Cr BおよびNi Cr Siろう材でろう付けされたステンレス鋼接合部は、ろう付けギャップの要件を軽減し、接合部の微細構造と特性を改善するために、ろう付け後に拡散熱処理を施すことがよくあります。
投稿日時: 2022年6月13日