液相線と固相線
簡単に言うと、液相線は合金が完全に液体である最低温度、固相線は合金が完全に固体である最高温度です。
純金属は流動的で、それらは単一の温度で溶けます。 例えば、銀は1761°F(961℃)で溶け、銅は1981°F(1083℃)で溶ける。 しかし、銀と銅を様々な割合で含む合金は、単一の融解温度ではなく、融解温度の幅があります。 ほとんどのろう材は合金なので、材料を選択する際に融解温度範囲を扱うことになります。
例外は、共晶と呼ばれる一群の合金です。 これらは純金属ではありませんが、融点(固相)と流動点(液相)が同じであるため、融点が1つになっています。 例えば、ルーカスミルハウプト社のシルバロイ720/721は1435°F(780℃)で融解・流動する。
ろう付けに関する考察
図1は銀-銅二元系における相図である。 銀72%、銅28%の組成で、液相線温度と固相線温度が同じであることに注目する。 この共晶組成の左右にある合金は固体から液体へ直接変化せず、固体と液体の組み合わせである「ムシロ」域を通過する。
Figure 1: Silver-copper Equillibrium diagram
固体と液体の間の温度は融解域と呼ばれ、この融解域を通過すると、銀と銅は共晶組成になる。 固相から液相へと温度が上がるにつれて、溶融と流動が大きくなる。
融点範囲の広い金属フィラーは、固相と液相の分離が起こることがあります。 これは液化と呼ばれ、フィラーメタル中の低融点成分が部分的に溶融し、その結果、スカルと呼ばれる高融点材料の殻が残ります。 図2参照
Figure 2: AWS BAg-1とAWS BAg-2溶加棒の液状化。 (A) AWS BAg-1を炉内でゆっくり加熱した結果、20°F(11℃)の狭い融点範囲を持つ溶加棒では液状化が発生しなかった。 (B) AWS BAg-2を炉内でゆっくり加熱した結果、70°F(39°C)の広い融点範囲により液状化し、大きなスカルが残存している。 (C) AWS BAg-2の急速加熱の結果、小さな頭蓋骨が残っている。
通常、合金の融解範囲を通してゆっくり加熱すると液状化が起こります。 液化は、ボイドや母材への付着力不足を引き起こす可能性があり、ろう付け接合部の完全性に影響を及ぼすことがある。 図3参照
図3: AWS BCuP-5を使用して、2時間の炉内加熱サイクルで部品をろう付けしたもの。 ろう付け接合部は、左上にCuリッチ(高融点成分)エリア、右下に液化の結果と思われる空隙が見られる。
ろう付けでは、部品の母材は決して溶かしてはならない。 したがって、接合する母材双方の固相温度より液相線温度が低いろう材を選択することが重要である。 その他、ろう付けに際して考慮すべき事項がいくつかあります。
例
1. 狭い隙間のある組立品のろう付け。 ルーカスミルハウプト社のシルバロイ560はカドミウムフリーの合金で、1145°F(620℃)で溶け始め、1205°F(650℃)で自由に流動することができます。 溶融範囲は60°F (15°C)
2. クリアランスの広い(0.005″/0.127mmを超える)アセンブリのろう付け。 ルーカス-ミルハウプトシルバロイ380は1200°F(648℃)で溶け始め、1330°F(720℃)まで完全に溶融しません。 溶融/流動範囲が広い合金はプラスチックとみなされ、適合性の悪い条件下で有効です。
3.アセンブリの「ステップ・ロー付け」。 先にろう付けした接合部の近傍でろう付けする場合、2回目のろう付けは最初の接合部を乱さないようにする必要があります。 このため、2種類以上のろう材を使用し、2回目のろう付けは1回目のろう付けより低い液相線温度のろう材を使用します。 例えば、ステンレス鋼の組立品を段階的にろう付けする場合、第一接合部に1275°F~1475°F(690℃~801℃)で溶融流動するシルバロイ630、第二接合部にシルバロイ560(1143°F~1205°F/618℃~651℃)を使用します。
4 熱処理を要する組立品。 (選択肢1)熱処理後ろう付けを行う場合、ろう付けによって硬度が低下しないように、液相線温度が熱処理温度より低いろう材を選択するか、(選択肢2)熱処理とろう付けを同時に行い、熱処理温度とほぼ同等の液相線温度を持つろう材を使用します。
結論:
液相線は、合金が完全に液体である最低温度であり、固相線は合金が完全に固体である最高温度である。 ろう付けに使用する金属フィラーを選択する際には、溶融挙動、特に液相線温度を考慮することが重要です。