銅・真鍮の異種金属ロウ付けにおける「熱膨張差」と「熱伝導差」の同時最適化設計

銅・真鍮の異種金属ロウ付けにおける「熱膨張差」と「熱伝導差」の同時最適化設計

熱交換器、電力機器、精密冷却デバイスの設計において、銅（無酸素銅など）と真鍮（黄銅）の接合は避けて通れない重要技術である。電気伝導性、熱伝導性、耐食性を高次元で両立させるため、この異種金属組み合わせに対するロウ付け（ブラージング）の需要は極めて高い。

しかし、銅と真鍮はともに銅を主成分とする金属でありながら、熱膨張係数と熱伝導率において無視できない物性差が存在する。この物性差を無視した加熱・接合プロセスは、残留応力に起因するクラック、界面の剥離、熱歪み、あるいはロウ材の未濡れといった重大な品質不良を引き起こす。

本稿では、冶金学的メカニズムとJIS規格の裏付けに基づき、銅と真鍮の異種金属ロウ付けにおける熱膨張差・熱伝導差の同時最適化設計、および実務的な加熱プログラミング手法を詳述する。

1. 銅・真鍮の基礎物性と異種金属接合の冶金学的課題

1.1 材料特性の比較データ

銅と真鍮（代表例としてC2680 / 65黄銅）、および一般的なロウ材の物性値を下表に整理する。

1.2 熱伝導差がもたらす加熱時の温度分布異常

無酸素銅の熱伝導率（391 $\mathrm{W/m\cdot K}$）は、真鍮（116 $\mathrm{W/m\cdot K}$）の約3.4倍である。

• 現象: バーナー加熱や炉中加熱において、熱は熱伝導率の高い無酸素銅側から急速に吸収・拡散される。一方、真鍮側は熱伝導が遅いため、同一の熱入力を受けても温度上昇が著しく遅れる、あるいは局所的な温度勾配（サーマルグラディエント）が発生する。
• リスク: ロウ材の液相線温度（例: BAg-7で652°C）に達するタイミングが母材間で大きくズレるため、真鍮側が低温のままロウ材が銅側にのみ濡れ広がり、真鍮側で「未濡れ（ブローホール・ポアの原因）」や「フラックスの炭化」が発生する。

1.3 熱膨張差がもたらす熱応力と変形メカニズム

無酸素銅の線膨張係数（$17.7 \times 10^{-6}/\mathrm{K}$）に対し、真鍮は亜鉛（Zn）を含むため($20.0 \times 10^{-6}/\mathrm{K}$)と値が大きい。

• 現象: 昇温過程および冷却過程において、両者の体積変化量に差が生じる。特にロウ材が凝固する固相線温度以下（クールダウン時）において、収縮量の違いから継手部にせん断応力および引張応力が集中する。
• リスク: 真鍮側の熱膨張・収縮が大きいことにより、接合界面に残留応力が残り、使用中の冷熱サイクル（ヒートショック）によって界面剥離や母材（特に応力腐食割れ感受性の高い真鍮側）のクラックを引き起こす。

2. 加熱パターン（昇温速度・保持時間）のプログラミング手法

熱伝導差と熱膨張差を克服するためには、単に「目標温度まで一気に加熱する」のではなく、温度勾配を最小化し、母材全体の均熱化を図るプロファイル設計が不可欠である。以下に、高周波誘導加熱およびコンベア炉・バッチ炉における実践的プログラミング手法を解説する。

2.1 4ステップ・マルチステージ加熱プロファイル

精密機器や高信頼性が要求される熱交換器のロウ付けでは、以下の4つのステージを持つ加熱プログラムを適用する。

[温度]

  ^

  |                          (4) ロウ付け温度域 (Solidus-Liquidus)

  |                      _____[保持]_____

  |                    /                  \

  |          (3) 均熱  /                    \ (5) 徐冷・冷却制御

  |      _____[保持]__/                       \________________> [時間]

  |    /

  |  (2) 予熱ステージ (熱伝導差緩和)

  | /

  |(1) プレヒート (水分・ガス完全除去)

  +------------------------------------------------------------>


# ステージ1：プレヒート（低温乾燥域：150°C〜200°C、保持 30〜60秒）

目的: 塗布したフラックスの水分蒸発と、表面酸化被膜の化学的還元準備。急激な加熱によるフラックスの飛散（スポッティング）を防止する。

# ステージ2：予熱ステージ（熱伝導差緩和域：400°C〜450°C、保持 60〜120秒）

目的: 熱伝導差による温度の不均一を相殺する最も重要なステップ。
制御手法: 無酸素銅側への熱入力をあえて抑え、熱伝導率の低い真鍮側を集中的に、あるいは全体が均一な温度上昇を示すように輻射熱やソフトなバーナー flame でプレヒートする。この段階で銅と真鍮の温度差を $\pm 10^\circ\mathrm{C}$ 以内に収める。

# ステージ3：均熱ステージ（拡散・活性化域：ロウ付け温度直下 $\mathbf{-50^\circ\mathrm{C}}$、保持 20〜40秒）

目的: 融点直下での母材全体の熱平衡。熱膨張による歪みが最も蓄積しやすい手前で、組織のひずみを緩和させる。フラックスが完全に活性化し、母材表面の酸化物が完全に除去されるタイミング。

# ステージ4：ロウ付け温度・保持（液相線温度 $\mathbf{+20\sim 50^\circ\mathrm{C}}$、保持 5〜15秒）

目的: ロウ材の完全溶融と毛細管現象（Capillary Action）による隙間への浸透。
制御手法: 保持時間が長すぎると、真鍮中の亜鉛（Zn）の蒸発（亜鉛抜け）や、銅・真鍮母材へのロウ材成分の過度な拡散（融食・Erosion）が発生するため、最短時間で完了させる。

# ステージ5：徐冷コントロール（凝固完了から300°Cまで）

冷却制御: ロウ材の固相線温度を下回った直後の急冷は、熱膨張差に起因する残留応力を増大させる。炉中ロウ付けであれば炉冷、高周波・バーナーであれば遮熱カバーやアフターヒートを用いて、徐冷（$10\sim 20^\circ\mathrm{C}/\mathrm{min}$）を行う。

2.2 熱源別の最適化アプローチ

高周波誘導加熱（高周波ブラージング）の場合
課題: コイルの磁束分布により、銅と真鍮で発熱効率が異なる（非磁性体であるため表皮効果と固有抵抗に依存）。真鍮（電気抵抗率 $\approx 0.07 \ \Omega\cdot\mathrm{mm^2/m}$）は無酸素銅（$\approx 0.017 \ \Omega\cdot\mathrm{mm^2/m}$）に比べ電気抵抗が高いため、電磁誘導による発熱量は真鍮側が多くなる傾向がある。
対策: コイルの巻きピッチや形状を非対称に設計する、あるいはワークに対するコイルの位置をオフセットさせ、熱伝導率の高い銅側へ意図的に強く磁束を集中させることで、トータルの温度バランスを取る。
雰囲気炉（バッチ炉・コンベア炉）の場合
課題: 炉内全体の温度が均一であっても、投入時の熱容量の差（またはワークの配置による輻射熱の遮蔽）により、真鍮部と銅部で昇温速度に差が出る。
対策: ジグ設計において、銅部材の表面積をマスクする、あるいは熱容量の大きい真鍮側に蓄熱用のモリブデンやステンレス製の補助ブロックを配置し、熱伝導・輻射バランスを同調させる。

3. 実務的なトラブルシューティングと品質設計
3.1 発生しやすい不良とメカニズム・対策



不良現象
発生メカニズム
対策（設計・プロセス）


未濡れ・未充填
銅側へ熱が逃げ、真鍮側がロウ材の溶融温度に達していない。またはフラックスの劣化。
ステージ2の予熱時間を延長し、真鍮側の温度を確実に確保する。フラックスは液相線温度より低い活性温度帯のものを選定。


真鍮の亜鉛抜け (Dezincification)
過加熱（$800^\circ\mathrm{C}$超）および保持時間の過多により、真鍮中の亜鉛が気化・昇華する。
ロウ付け温度を最低必要温度（液相線 $+30^\circ\mathrm{C}$以内）に厳格に管理し、保持時間を15秒以内に制限する。


応力クラック（割れ）
冷却時の熱膨張差による過大な残留応力と、真鍮の結晶粒界へのロウ成分（銀・リンなど）の侵入（SCC/液体金属脆化）。
クリアランスを適正化（$0.05 \sim 0.15\mathrm{mm}$）し、冷却速度を緩やかにする。低融点銀ロウ（BAg-7等）を選定する。


母材の融食 (Erosion)
銅または真鍮母材がロウ材に溶け込み、薄肉部が削れる。
リン銅ロウ（BCuP）を真鍮に直接使用すると、真鍮中の亜鉛とリンが反応して脆い化合物を形成するため使用を避け、銀ロウ（BAg系）＋フラックスを使用する。



3.2 継手クリアランスの設計基準
熱膨張差（真鍮＞銅）を考慮した場合、常温での組み立てクリアランスが不適切だと、加熱時に隙間が広がりすぎてロウ材が保持できなくなる（または逆に隙間が消失してロウが入り込めない）。

最適クリアランス（ロウ付け温度における隙間）: $0.05\mathrm{mm} \sim 0.15\mathrm{mm}$
常温設計値の計算アプローチ:

  真鍮スリーブの内側に銅パイプを挿入する構造の場合、加熱時に真鍮の方が大きく膨張するため、常温でのクリアランスは「ゼロに近い状態、もしくは極小嵌合（$0.02\mathrm{mm}$程度）」で設計する必要がある。逆に銅スリーブの内側に真鍮パイプが入る場合は、加熱時に隙間が狭まる方向になるため、常温で $0.10 \sim 0.15\mathrm{mm}$ の余裕を持たせる。
4. JIS・ISO規格と品質評価方法
信頼性の高い異種金属ロウ付け継手を得るためには、適切な規格に基づく評価が不可欠である。
4.1 関連JIS規格

JIS Z 3261: 銀ろう
JIS Z 3264: リン銅ろう
JIS Z 3192: ろう接継手の引張試験方法
JIS Z 3194: ろう接継手のせん断試験方法
JIS H 3300: 銅および銅合金の継目無管（母材規格）
JIS H 3250: 銅および銅合金の棒（母材規格）

4.2 非破壊検査および破壊検査の要件
1. 外観・目視検査 (Visual Inspection)

ロウ材のフィレット（盛り上がり）が全周にわたり均一に形成されているか確認する。フラックス残渣の除去後、母材の変色（過加熱による黒化や亜鉛の白1粉化）がないことを確認。

2. 漏れ試験 (Leak Test)

熱交換器等への適用では、ヘリウムリークディテクタを用いた気密試験（真空法または加圧法）を実施し、許容漏れ量（例：$1 \times 10^{-9}\ \mathrm{Pa\cdot m^3/s}$ 以下）を満たしていることを保証する。

3. 断面組織観察 (Metallographic Examination)

接合部を切断・樹脂埋め・鏡面研磨し、エッチング（アンモニア系腐食液など）を施して顕微鏡観察を行う。
評価基準: 充填率（ボイド・未濡れ部の面積比）が 90%以上 であること。また、真鍮側へのロウ成分の過度な拡散層（脆性層）が形成されていないことを確認する。

4. せん断強度試験 (Shear Strength Test)

JIS Z 3194に準拠し、継手部のせん断強度を測定する。無酸素銅/真鍮の異種金属接合において、破断が母材側（銅または真鍮）で発生し、ロウ接界面で剥離しないことが健全な接合の証明となる。