ろう付け雰囲気中で最も望ましくない単一のガスは酸素です。微量であっても、酸素や水蒸気、二酸化炭素などの酸素を含むガスは、高温で金属酸化物を形成し、ろう付けフィラーメタルが母材に適切に接合するのを妨げるため、ろう付け接合失敗の主な原因となります。
ろう付け雰囲気の核となる目的は、接合される金属表面上の酸化物の生成を防ぐことです。したがって、直接的または間接的に酸素を導入するガスは、ろう付けプロセス全体を根本的に損ないます。
ろう付け雰囲気の重要な役割
ろう付けは、フィラーメタルが溶融し、毛細管現象によって接合部に流れ込むのに十分な温度まで金属を加熱することに依存します。この加熱サイクル中の炉内の雰囲気は受動的ではありません。それは接合の成功または失敗を決定する重要な変数です。
酸化の防止
ろう付け温度が高くなると、金属は利用可能な酸素と非常に速く反応し、薄く粘着性のある金属酸化物の層を形成します。この酸化物層はバリアとして機能し、溶融したろう付けフィラーメタルが母材と直接接触するのを防ぎます。これは「濡れ性」が悪いとして知られる現象であり、弱く、または存在しない接合の主な原因です。
フィラーメタルの流れの促進
クリーンで酸化物のない表面は、溶融したフィラーメタルを接合部の狭い隙間に引き込む毛細管現象にとって不可欠です。適切なろう付け雰囲気は、加熱中に表面を保護し、表面が手つかずのままであり、フィラーメタルが接合部全体にわたって自由に均一に流れることを可能にします。
主な原因：酸素とその発生源
純粋な酸素は明白な敵ですが、多くの場合、あまり直接的でない発生源からろう付けプロセスに侵入します。高品質の接合を実現するためには、これらを制御することが最も重要です。
遊離酸素（O₂）
これは最も直接的な汚染物質です。炉の漏れ、汚染された雰囲気ガス、または加熱サイクル開始前の炉室の不十分なパージによって導入される可能性があります。数ppm（パーツ・パー・ミリオン）の酸素でさえ、ステンレス鋼などの敏感な材料を酸化させるには十分です。
水蒸気（H₂O）
水蒸気は、しばしば過小評価される酸素の主要な発生源です。高温のろう付け温度では、水分子が解離し、熱い金属部品上に酸化物を容易に形成する酸素を放出する可能性があります。雰囲気ガスの水分含有量は、「露点」として測定され、監視および制御すべき重要なパラメーターです。
二酸化炭素（CO₂）
水蒸気と同様に、二酸化炭素もろう付け温度で酸素源となる可能性があります。CO₂分子は分解し、「酸化ポテンシャル」を生み出す可能性があり、これは多くの一般的な金属、特にクロムやその他の容易に酸化される元素を含む金属にとって有害となる可能性があります。
その他の反応性ガス
塩素や硫黄化合物などのガスも非常に望ましくありません。これらは必ずしも酸化物を形成しませんが、非常に腐食性が高く、母材と激しく反応します。これにより、濡れ性を阻害し、壊滅的なろう付け後の腐食や接合部の破損につながる可能性のある他の表面化合物（塩化物など）が生成されます。
トレードオフの理解：不活性雰囲気と還元雰囲気
ろう付け雰囲気は、一般的に不活性または活性（還元性）に分類されます。選択は、接合される材料、フィラーメタル、およびコストの考慮事項によって異なります。
不活性雰囲気：保護するもの
窒素（N₂）やアルゴン（Ar）などの不活性ガスは、単に酸素を追い出すことによって機能します。これらは、酸化物が形成できない環境を作り出す受動的な保護材です。窒素は多くの用途で費用対効果の高い主力ですが、チタンなどの非常に敏感な材料には、より高純度（そしてより高価）なアルゴンが使用されます。
還元雰囲気：洗浄するもの
活性または「還元性」雰囲気、通常は水素（H₂）を含むものは、さらに一歩進みます。水素は酸素を追い出すだけでなく、酸素と反応して水蒸気（H₂O）を形成することにより、軽度の表面酸化物を積極的に除去し、それが炉から排出されます。これにより、わずかな予備酸化を持つ部品の洗浄に優れています。
露点のジレンマ
水素を豊富に含む雰囲気を使用すると、重要なトレードオフが生じます。水素は水蒸気を生成することで酸化物を除去しますが、その水蒸気濃度が高くなりすぎると（露点が高いと）、その水蒸気自体が部品を再酸化させる可能性があります。成功する還元雰囲気には、生成された水蒸気が継続的に除去され、全体の雰囲気が乾燥した状態に保たれるように、慎重なバランスが必要です。
目的のための正しい選択をする
適切な雰囲気の選択は、材料、品質要件、および予算の関数です。
- 炭素鋼の費用対効果の高いろう付けが主な焦点である場合： 標準的な窒素雰囲気は、重度の酸化を防ぎ、高品質の接合を生成するのに通常十分です。
- ステンレス鋼、超合金、またはその他の敏感な金属のろう付けが主な焦点である場合： 純粋なアルゴンまたは低露点の窒素/水素ブレンドなど、高純度で非常に乾燥した雰囲気を使用する必要があります。
- サイクル中に軽度の表面酸化物を持つ部品の洗浄が主な焦点である場合： 水素を含む還元雰囲気が、濡れ性のために完璧な表面を保証するための理想的な選択肢です。
結局のところ、炉雰囲気を制御することは、一貫性のある高インテグリティのろう付け接合を実現するための最も重要な要素です。
要約表：
| ガスの種類 | 望ましくない理由 | 一般的な発生源 |
|---|---|---|
| 酸素（O₂） | 金属酸化物を直接形成し、フィラーメタルの濡れ性を妨げる。 | 空気の漏れ、汚染されたガス、不十分なパージ。 |
| 水蒸気（H₂O） | 高温で解離し、酸素を放出する。 | 雰囲気ガス中の高い露点。 |
| 二酸化炭素（CO₂） | 分解して酸化ポテンシャルを提供することがある。 | 雰囲気ガス中の不純物。 |
| 塩素/硫黄化合物 | 濡れ性を阻害する腐食性の表面化合物を形成する。 | 汚染されたガスまたは部品。 |
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