ステンレス鋼のろう付け

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、表面の酸化皮膜がはんだの濡れ性と広がりを著しく阻害することです。様々なステンレス鋼にはかなりの量のCrが含まれており、中にはNi、Ti、Mn、Mo、Nbなどの元素を含むものもあり、これらは表面に様々な酸化物、あるいは複合酸化物を形成する可能性があります。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。空気中でろう付けを行う場合は、活性フラックスを使用してこれらを除去する必要があります。保護雰囲気中でろう付けを行う場合は、露点が低く、十分な温度の高純度雰囲気でのみ酸化皮膜を低減できます。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度と十分な温度が必要です。

ステンレス鋼のろう付けにおけるもう1つの問題は、加熱温度が母材の構造に深刻な影響を与えることです。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。超えると結晶粒が著しく成長します。オーステナイト系ステンレス鋼に安定元素TiまたはNbが含まれておらず、炭素含有量が高い場合は、クロム炭化物の析出による耐食性の低下を防ぐため、鋭敏化温度（500～850℃）内でのろう付けも避ける必要があります。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ることで、ろう付け工程と熱処理工程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の選択原理は、マルテンサイト系ステンレス鋼の場合と同じであり、最適な機械的特性を得るためには、ろう付け温度を熱処理システムに適合させる必要がある。

上記2つの主な問題点に加え、オーステナイト系ステンレス鋼のろう付け、特に銅亜鉛ろう材を用いたろう付けでは、応力割れが発生しやすい傾向がある。応力割れを防ぐため、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る。

2.ろう付け材料

（１）ステンレス鋼溶接部の使用要件に応じて、ステンレス鋼溶接部に一般的に使用されるろう付けフィラー金属には、錫鉛ろう付けフィラー金属、銀系ろう付けフィラー金属、銅系ろう付けフィラー金属、マンガン系ろう付けフィラー金属、ニッケル系ろう付けフィラー金属、貴金属ろう付けフィラー金属が含まれる。

錫鉛はんだは主にステンレス鋼のはんだ付けに使用され、錫含有量が高いものが適しています。はんだの錫含有量が高いほど、ステンレス鋼への濡れ性が高くなります。表3には、いくつかの一般的な錫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が示されています。接合部の強度が低いため、これらの接合部は小さな耐荷重の部品のろう付けにのみ使用されます。

表3　錫鉛はんだでろう付けされた1Cr18Ni9Tiステンレス鋼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。中でも、銀銅亜鉛ろう材と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しないため、最も広く使用されています。表4には、いくつかの一般的な銀系ろう材でろう付けされたICr18Ni9Tiステンレス鋼接合部の強度が示されています。銀系ろう材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はほとんど使用されず、接合部の使用温度は一般的に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、湿潤環境でろう付け接合部の腐食を防ぐために、b-ag50cuzncdniなどのニッケル含有量の多いろう付け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、母材の軟化を防ぐために、b-ag40cuzncdなどのろう付け温度が650℃を超えないろう付けろう材を使用する必要があります。保護雰囲気下でステンレス鋼をろう付けする場合、表面の酸化皮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。真空下でステンレス鋼をろう付けする場合、ZnやCDなどの蒸発しやすい元素を含まない場合でも、フィラー金属の濡れ性を向上させるために、Mn、Ni、RDなどの元素を含む銀フィラー金属を選択することができます。

表4　銀系ろう材でろう付けした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系ろう付けフィラーメタルは、主に純銅、銅ニッケル、銅マンガンコバルトろう付けフィラーメタルです。純銅ろう付けフィラーメタルは、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、接合部の耐酸化性は劣ります。銅ニッケルろう付けフィラーメタルは、主にフレーム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は表 5 に示されています。接合部は母材と同じ強度を持ち、使用温度が高いことがわかります。Cu Mn co ろう付けフィラーメタルは、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。接合部の強度と使用温度は、金系フィラーメタルでろう付けされたものと同等です。例えば、b-cu58mncoはんだでろう付けした1Cr13ステンレス鋼接合部は、b-au82niはんだでろう付けした同じステンレス鋼接合部と同じ性能を持ちながら（表6参照）、製造コストは大幅に削減されます。

表5　高温銅系ろう材でろう付けされた1Cr18Ni9Tiステンレス鋼接合部のせん断強度

表6 1Cr13ステンレス鋼ろう付け接合部のせん断強度

マンガン系ろう付け用フィラーメタルは主にガスシールドろう付けに使用され、ガスの純度が高いことが求められます。母材の結晶粒成長を避けるため、ろう付け温度が1150℃以下の対応するろう付け用フィラーメタルを選択する必要があります。表7に示すように、マンガン系ろう付け用ろう付けでステンレス鋼接合部をろう付けした場合、良好なろう付け効果が得られます。接合部の使用温度は600℃まで達します。

表7 マンガン系ろう材でろう付けされたLCR18Ni9Fiステンレス鋼接合部のせん断強度

ステンレス鋼をニッケル基ろう材でろう付けすると、接合部は高温性能に優れています。このろう材は一般的にガスシールドろう付けまたは真空ろう付けに使用されます。接合部形成時にろう付け接合部内に脆性化合物が多く生成され、接合部の強度と塑性が著しく低下するという問題を克服するために、ろう材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、接合部の隙間を最小限に抑える必要があります。ろう付け温度での保持時間が長いため母材の結晶粒成長が発生するのを防ぐために、溶接後に短時間保持し、ろう付け温度よりも低い温度で拡散処理を行うなどの工程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付け用充填材は、主に金系充填材とパラジウム含有充填材であり、その中でも最も代表的なものは、濡れ性に優れたb-au82ni、b-ag54cupd、b-au82niである。ろう付けされたステンレス鋼接合部は、高温強度と耐酸化性に優れ、最高使用温度は800℃に達する。b-ag54cupdはb-au82niと類似した特性を持ち、価格も低いため、b-au82niの代替として使用される傾向がある。

（２）フラックスおよび炉内雰囲気中のステンレス鋼の表面には、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によってのみ除去できます。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、急速加熱によるろう付け方法を採用する必要があります。Fb102、fb103またはfb104フラックスは、銀系溶加材でステンレス鋼をろう付けする場合に使用できます。銅系溶加材でステンレス鋼を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。

炉内でステンレス鋼をろう付けする場合、真空雰囲気または水素、アルゴン、分解アンモニアなどの保護雰囲気がよく使用されます。真空ろう付けの場合、真空圧力は 10⁻²Pa 未満でなければなりません。保護雰囲気でろう付けする場合、ガスの露点は -40 ℃ を超えてはなりません。ガスの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少量のガスろう付けフラックスを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完全に除去するため、より念入りに洗浄する必要があります。洗浄後はすぐにろう付けを行うのが望ましいです。

ステンレス鋼のろう付けには、炎、誘導加熱、炉内加熱方式が採用できます。炉内でのろう付けには、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、迅速に冷却できる必要があります。水素をシールドガスとしてろう付けを行う場合、水素の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、水素の露点が低くなります。例えば、1Cr13や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℃以下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℃以下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 ℃ でろう付けする際には、水素露点が -40 ℃ より低くなければなりません。アルゴン保護でろう付けする場合は、アルゴンの純度を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がメッキされている場合は、シールドガスの純度の要件を下げることができます。ステンレス鋼の表面の酸化皮膜を確実に除去するために、BF3 ガスフラックスを添加することもでき、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。ろう付け温度が上昇するにつれて、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除去し、必要に応じてろう付け後熱処理を行うことです。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、機械的洗浄、または化学的洗浄によって除去できます。接合部近傍の加熱領域で残留フラックスまたは酸化膜を除去するために研磨剤を使用する場合は、砂またはその他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および析出硬化型ステンレス鋼で作られた部品は、ろう付け後に材料の特別な要件に従って熱処理が必要です。Ni Cr BおよびNi Cr Siフィラー金属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緩和し、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。