WO1992001528A1 - Soudage par diffusion a chaud - Google Patents

Description

明 細 害

加熱拡散接合法 技術分野

本発明は、 接合部材と被接合部材との間にイ ンサー ト材を介在さ せるとともに、 加熱、 加圧条件下において接合部材と被接合部材と を接合させる加熱拡散接合法に関するものである。 背景技術 .

機械用材料のうち、 構成各部にそれぞれ特有の機能を癸現させる ために、 互に異つた特性を有する金属材料である接合部材と被接合 部材とを一体化させる方法と しては、 従来、 鋅込み法が一般に行わ れていた。 しかし、 接合部材が合金である場合、 铸込み法によって 接合を行う ことができる合金は限られていた。 なぜならば、 鋅込み 法では接合部材は完全に溶融されなければならないから、 接合部材 が合金であつてしかもその合金成分中に低沸点金属が舍有されてい る場合には、 合金全体が溶融される時にその低沸点金属が気化して しまうからである。 このことは、 例えば銅一亜鉛合金の場合では亜 鉛が合金の溶点直前で蒸発して接合部材の表面に亜鉛の層または酸 化亜鉛の層が形成されるという現象を招く。 このような現象により、 被接合部材面における接合部材の接合強度が低下し、 または接合部 材における銅一亜鉛の組成比が鎳込み材における組成比と異つたも のとなつたりする。 したがって、 このような合金材料よりなる接合 部材を铸込み法によって被接合部材面に形成することは困難であつ ノ o

拡散接合法は、 接合部材を溶融させることなく加圧して被接合部 材に接合させる方法であり、 接合部材と被接合部材とを重ね合せた 同軸方向に超高圧を付加する超高圧法または静水圧的に加圧する Η I Ρ法等と同様に、 前述したような難鐃込み材料よりなる接合部材 の接合に適した方法である。

前述したような固相の状態において行われる接合法の中でも、 ィ . ンサー ト材を接合部材と被接合部材との間に存在させるとともに、 これら各部材を加熱および加圧条件下におく ことにより接合を行う 加熱拡散接合法は、 イ ンサー ト材の選択により優れた接合効果が期 待できる接合法である。

加熱拡散接合法は、 その加熱手段として通電による抵.抗発熱が利 甩されることが多く、 このような従来技術の例として油圧機器の摺 動部材の作成が挙げられる。 この従来技術によれば、 第 3図に示さ れるように、 被接合部材 3 1 と しての S C M材よりなるシュ一等と 接合部材 3 2 としての P B C材よりなる摺動材等との間にィ ンサー ト材としての通常のろう材 3 3を挿入してこれら被接合部材 3 1 ろう材 3 3および接合部材 3 2を重ね合せるとともに、 この重ね合 せ体に銅電極 3 および鋦電極 3 5 により加圧 3 8状態のもとで電 源 3 9から通電加熱する加熱拡散接合法が用いられている。 このよ うな従来技術による加熱拡散接合法では、 通常のろう材 3 3の介在 により接合部材 3 2 と被接合部材 3 1 との間の熱の授受 行われ難 いことと、 一般に接合部材 3 2 は形状的に厚さが薄く熱容量が小さ いこととにより、 接合部材 3 2が水冷されている銅電極 3 4に直接 当接するようにされると、 接合部材 3 2 に発生したジュール熱が銅 電極 3 4に移動し、 接合面におるろう材 3 3の溶融挙動を伴いつつ 拡散接合させるのに充分な温度まで接合面部を加熱することができ なかった。 したがって、 やむを得ず、 銅電極 3 と接合部材 3 2 と の間に、 断熱材としてドーナツ状の補助電極 3 6 と、 この補助電極 3 6 の通電性を補償する例えば銀一タングステン電極 3 7が併用さ れていた。

しかしながら、 前述したような従来技術による抵抗加熱手段にお いては、 接合の操作回数が多く なると銀一タ ングステン電極 3 7で あっても、 その表面が酸化されることにより、 この銀一タンダステ ン電極 3 7 に接する接合部材 3 2表面の変形率も接合の操作回数に 応じて増大する。 したがって、 前記変形率が一定値以上に達すると 銀一タ ングステン電極 3 7の酸化皮膜を除去し研磨する必要がある という問題点があった。 さらに、 銅電極 3 4および銅電極 3 5以外 の補助電極 3 6および鋦—タングステン電極 3 7を、 接合部材 3 2 のサイズ毎に用意する必要があり、 加熱拡散接合を行う装置が複雑 化するという問題点もあった。

一方、 加熟拡散接合法において、 加熱手段として従来の抵抗加熱 による場合はイ ンサー ト材としてろう材を用いることについての制 約があった。 例えば、 加熱拡散接合法におけるろう材として用いら れるアモルフ ァスろぅ材についてみれば一般に入手可能なァモルフ ァスろう材の材質または特性等に限度があるために接合強度等に問 題がある場合が多い。 具体的に、 アモルフ ァスろう材には下記のよ うな難点がある。

(a) 融点が低く延性に富んだ金属箔状のものが多く、 摩擦による熱 または剪断力が加わると接合強度が低下すること。

(b) 髙融点のものではタ ングステンまたはモリ ブデン等を成分に有 するものがあるが、 濡れ性等の点で、 接合部材または被接合部材 との適合性に難点があることが多いこと。

(c) 不純物として含有されている金属と、 接合部材または被接合部 材との間で脆弱な金属間化合物を生成すること。

したがって、 油圧機器の摺動部材のように耐熱性が求められると ともに、 大きな剪断力が付加される機械用材料には接合強度が不十 分となる傾向が避けられないという問題点があつた。 発明の開示

本発明は前述したような種々の問題点を解決するためになされた ものであって、 铸込み法によって接合が困難であった材質よりなる . 接合部材の接合を可能とすることは勿論、 接合部材と被接合部材と ' の間に介在させられるインサー ト材を特定の態様のものとすること により、 単純化された電極の使用によって安定した抵抗加熱が得ら れる加熱拡散接合法を提供することを目的としている。 さらにに今 一つの目的は、 接合部材と被接合部材との間に介在させられるイ ン サー ト材が通常のろう材とされた場合であっても、 抵抗加熱が得ら れるために使用される電極が、 前記単純化された電極の使用が可能 であるとともに、 連続的に稼働することができる加熱拡散接合法を 提供することである。

したがって、 本発明における第一の発明は、

(a) 被接合部材の接合面にイ ンサー ト材としてメ ツキ層を形成する イ ンサー ト材形成工程、

(b) 前記イ ンサー ト材形成工程においてイ ンサー ト材が接合面に形 成された被接合部材にそのィンサー ト材を介して接合部材を重ね 合せる重ね合せ工程および

(c) 前記重ね合せ工程において得られる重ね合せ体を加熱するとと もに、 重ね合せ方向に加圧することにより、 ィンサー ト材が介在 する接合面において接合部材と被接合部材とを接合させる加熱、 加圧工程

を有することを特徵とする加熱拡散接合法となっている。

この第一の発明の重ね合せ工程において、 接合材と被接合部材と の間に介在させられるインサー ト材としてのメ ツキ層は、 被接合部 材の接合面に施された銅または鋦合金よりなる銅系メ ツキとされる ことが望ま しい。

また、 本発明の第 2の発明は、

(a) 接合部材と被接合部材とをィンサー ト材を介して重ね合せる重 ね合せ工程、

(b) 前記重ね合せ工程において得られる重ね合せ体の偶数個を、 そ れぞれの接合部材と接合部材とが当接するように組合せる組合せ 工程および

( c) 前記組合せ工程において組合せられた偶数個の重ね合せ体を加 熱するとともに、 重ね合せ方向に加圧することにより、 イ ンサー ト材が介在する接合面においてそれぞれの接合部材と被接合部材 とを接合させる加熱、 加圧工程

を有することを特徴とする加熟拡散接合法をその要旨とする。

この第 2の発明の重ね合せ工程において、 接合部材と被接合部材 との間に介在させられるイ ンサー ト材は、 前記被接合部材の接合部 材側の表面に施された銅系メ ツキの外に、 接合部材および被接合部 材の各接合面間に配置されるろぅ材とされることが好ま しい態様で 本発明の加熱拡散接合法における加熱は、 前記重ね合せ体にそれ ぞれ接触する一対の電極から通電されることによる抵抗発熱による ものであり、 この抵抗発熱により与えられる接合部材と被接合部材 との接合面域の温度は、 第 1 の発明においては接合部材の絶対温度 で表される融点の 7 0〜 1 0 0 %の温度とされることが扦ま しく、 当然に、 抵抗発熱を生起させるための電圧値、 電流値および印加時 間は前記接合面域における所要温度にもとづき設定される。

加熱とともに、 接合部材と被接合部材との重ね合せ方向に付加さ れる圧力は 1 0 0 k g / cn！〜 2 t / crf、 好ま し く は 4 0 0 k g Z cnf〜 1. 5 t /crf、 の範囲であり、 この圧力が油圧プレス機のコラムを介 する等の周知の手段により重ね合せ体または偶数個の重ね合せ体に 付加されるものであることが好ま しい。

本発明における接合部材は連続铸造または押出し成形等によつて 得られるものであってもよく、 C u— Z n系、 C u— S n系、 C u — A 1系または C u— P b系等の鋦合金をはじめ、 どのような組成 を有する銅系金属でもよい。 また、 被接合部材としては一般に S C M S S等の鉄系の金属材料が多く用いられるが、 どのような純金 属または合金も使用可能である。 特別な場合には、 被锋合部材の材 質は前記接合部材の材質と同一のことも有り得る。 .

被接合部材の接合部材側の表面に形成されるィンサ一 ト材として のメ ツキは銅系メ ツキであれば何れでもよく、 銅系メ ツキの組成と . しては C u— Z η合金等が例示される。 このメ ツキは一種類だけで はなく複数種類の層重であってもよい。 また、 メ ツキの下地として 鉄系の被接合部材との親和性の向上を図ってニッケルメ ツキまたは 銅メ ツキを行う ことも可能である。

本発明の加熱拡散接合法による接合の際の雰囲気は真空またはァ - ルゴンガス、 窒素ガス等の不活性ガス雰囲であることが望ま しいが、 加圧力が大で接合所要時間が短縮される場合には大気中であつても よい。

本発明による加熱拡散接合法では、 イ ンサー ト材としてメ ツキが 用いられる場合には被接合部材の接合部材側の表面に銅系メ ッキが 施された後、 加熱、 加圧条件下にて接合部材が接合されることによ り接合強度が確保される。

この場合は、 インサー ト材が前述したようなメ ツキとされている ことにより接合部材と被接合部材との各接合面は互に整合し合う滑 らかな面となっている。 したがって、 重ね合せ方向の加圧によって 接合部材の接合面はメ ッキ層を介して被接合部材の接合面と全面域 にわたつて完全に密着した状態が得られ、 接合部材および被接合部 材にそれぞれ接触する一対の電極からの通電による抵抗発熱が生起 された場合には、 接合部材と被接合部材との間には単一体と変らぬ 程度の良好な熱の伝達性が保たれる。 したがって、 接合部材と被接 合部材とは熱を授受し合って接合面域近傍の温度は均一な温度にな りやすい。 その結果、 厚さが薄く熱容量が小さいものとなる傾向が ある接合部材が、 水冷式の電極に直接接触させられていても接合部 材が過度に冷却される現象は生ずることがなく、 接合部材と被接合 部材との間の加熱拡散接合が円滑に行われる。 同時に前記一対の電 極は、 特に接合部材に対して前述したような理由により過冷を防止 する補助電極および接触抵抗を補償する銀一夕ングステン電極等を 併用する必要のない単純化された電極とすることが可能である。

イ ンサー ト材が銅.系メ ツキであれば鋦系金属からなる接合部材に 対して濡れ性が非常によいこととも相俟って大きな接合強度が得ら れるのである。

また、 イ ンサー ト材がろう材である場合には、 接合部材と被接合 部材との間に介在させられるろう材の影響で、 接合部材と被接合部 - 材との各接合面の密着性は、 前述したようなメ ツキとされたイ ンサ 一ト材の場合より も劣り、 イ ンサー ト材を介して重ね合された接合 部材と被接合部材との間の抵抗加熟にもとづく熱の授受は充分に行 われない。

このような場合には本発明による第二の発明が行われ、 この第二 の発明によれば、 ろう材を介して接合部材と被接合部材とが重ね合 された重ね合せ体の偶数個が、 それぞれの接合部材と接合部材が当 接するように組合される状態で一対の電極に接触され、 通電される。 このような構成によれば、 被接合部材は電極に接触する面とろう材 が設置される面との間隔が比較的大きく熱容量が大きい形状である ことにより、 ろう材を溶融させるのに充分な抵抗発熱を生じその熱 を保持することができる。 したがって、 従来の技術にみられるよう な補助電極および銀一タ ングステン電極を必要としない。 また、 接 合部材に接触するのは銀一夕ングステン電極でなく、 組合される相 手の重ね合せ体の接合部材であり、 加熱拡散接合が完了する度ごと に両方の接合部材の各接触面は常に新規な接触面となることにより、 イ ンサー ト材としてろう材を使用する場合においても電極に酸化皮 膜が形成されることはなく電極を研磨する必要はない。. 図面の簡単な説明

第 1図および第 2図は本発明の実施の具体例を示す図であつて、 第 1図は第 2の発明の一実施例を模型的に説明する図、

第 2図は第 2の発明の他の実施例を模型的に説明する図、

第 3図は従来例の説明図である。 発明を実施するための最良の形態

次に本発明による加熱拡散接合法の実施の具体例について図面を 参照しつつ説明する。

実施例 1

被接合部材としての鐧材 S C M 4 4 0 Hと、 接合部材としての耐 摩耗性黄銅材 P 3 1 C (組成 （w t %) 、 Z n ： 2 6〜 3 0、 F e ： 0.5 〜1.3 、 A 1 ： 3.5 〜4· 5 、 N i ： 2. (！ 〜 4.0 、 S i ： 0. 5 〜： L.5 、 C o : 0〜l.0 、 C u : B a し ） との接合を行つた。 この接合は本発明による第 1 の発明により行われる例である。

まず、 S C M 4 4 0 H材に下地として C uメ ツキを 5 um 程度の 膜厚に施した後、 C u— Z n (真鍮） メ ツキを約 2 0 m の膜厚に 施しィ ンサー ト材を形成した。

このイ ンサー ト材の表面上に P 3 1 C材を載置し、 接合部材、 ィ ンサー ト材および被接合部材の重ね合せ体と した。 この重ね合せ体 を真空 （ 1 X 1 0 -²T 0 r r . ) 中で、 抵抗加熱によ り 8 5 0 での 温度に 5分間保持し、 そのうちの 1 分間、 P 3 1 C材の上から重ね 合せ方向に表 1 に示されるような圧力を加えた。

このようにして接合を行った後、 超音波探傷法による非破壊検査、 および剪断テス トを行って接合状態を調べた。 その結果を表 1 に示 しフ ο

また、 同じ材料について接合条件を変えた場合の接合状態につい ても同じく 表 1 に示した。 なお、 接合の際の雰囲気をアルゴンガス に変えた場合、 または加圧時間を 3分と した場合についても接合状 態を調べたが同様の傾向の結果が得られた。

被接合部材と しての S C Μ 4 4 0 Η材と接合部材と しの Ρ 3 1 C 材とはイ ンサー ト材と してのメ ツキを介して密着し、 S C M 4 4 0 Η材と Ρ 3 1 C材との間には抵抗加熱による熱の授受が充分に行わ れて接合面域の加熱は充分に行われ、 補助電極等の使用の必要がな く 、 特に電極の接触面には酸化皮膜の生成は認められなかった。

実施例 2

被接合部材と しての鑭材 S C M 4 4 0 Ηと、 接合部材と してのリ ン青銅 P B C — 2 C (組成 （w t %) 、 S n : 9.0 ~12.0、 P ： 0.05 0.5 C u ： 87.0 91.0) との接合を行った。 この接合も本 発明による第 1 の発明により行われる例である。

まず、 S C M 4 4 0 H材に下地と して C uメ ツキを 5 Ai m 程度の 膜厚に施した後、 C u— Z nメ ツキを約 2 0 〃πι の膜厚に施しィ ン サ一 ト材を形成した。 このイ ンサー ト材の面上に P B C— 2 C材を 載置し、 接合部材、 イ ンサー ト材および被接合部材の重ね合せ体と した。 この重ね合せ体を真空 （ 1 X 1 0 — ²T 0 r r . ) 中で、 抵抗 加熱により 1 0 0 0 の温度に 5分間保持し、 そのうちの 1分間 P

B C— 2 C材の上から重ね合せ方向に表 1 に示されるような圧力を 加えた。

このようにして接合を行った後、 実施例 1 と同様のテス トを行い その結果を表 1 に示した。 なお、 接合の際の雰囲気をアルゴンガス とした場合についても接合部材を調べたが同様の傾向の結果が得ら れた。

この実施例においても、 被接合部材としての S C M 4 4 0 H材と、 接合材としての P B C— 2 C材とはインサー ト材としてのメ ツキを 介して密着、 S C M 4 4 0 H材と P B C— 2 C材との間には抵抗加 熱による熱の授受が充分に行われて接合面域の加熱は充分に行われ、 補助電極等の使用が必要がなく、 特に電極の接触面には酸化皮膜の 生成は認められなかった。 表 1 接合条件と接合状態とを示す表

実施例 3

この実施例はインサー ト材としてろう材が用いられる場合で第 2 の発明による加熱拡散接合法が好適に用いられる例である。 第 1 図に示されるように、 被接合部材としての S C M材よりなる シユ ー 1 aと接合部材としての P B C材よりなる摺動材 2 a との間 にろう材 3 aを介在させて重ね合せ体 1 1 aを形成するともとに、 被接合部材としての S C Mよりなる材シユ ー 1 bと接合部材と して の P B C材よりなる摺動材 2 bとの間にろう材 3 bを介在させて重 ね合せ体 1 1 bを形成する。 そして、 それぞれの摺動材 2 a と摺動 材 2 b とが当接し合うように重ね合せ体 1 1 aと重ね合せ体 1 1 b とを組合せる。

組合わされた重ね合せ体 1 1 aおよび 1 1 bの各シユ ー 1 aおよ び 1 bに、 外部電源 7 に接続された鋦電極 4および 5をそれぞれ接 . 触させ、 シユ ー、 ろう材、 摺動材の重ね合せ方向に圧力 6を付加す るとともに、 前記銅電極 4および 5間に電圧を印加する。 一対の銅 電極 4 と 5 との間にあって加圧された状態で存在するシユ ー 1 a、 ろう材 3 a、 摺動材 2 a、 摺動材 2 b、 ろう材 3 bおよびシュ一 1 bを流れる電流による抵抗加熱と前記付加圧力とによって、 ろう材 3 a とろう材 3 bとが溶融し、 シユ ー 1 a と摺動材 2 a とはろう材 3 aにより、 またシユ ー 1 a と摺動材 2 bとはろう材 3 bによりそ れぞれ拡散接合された。

実施例 4

第 2図に示されているのはインサー ト材としてろう材が用いられ る第 2の発明の今一つの実施例である。

この実施例では、 前記実施例 3 におけると同様な被接合部材とし ての S C M材よりなるシユ ー l a ( l b ) と接合部材と しての P B C材よりなる摺動材 2 a ( 2 b ) との間にろう材 3 a ( 3 b ) を介 在させて形成される重ね合せ体が 4個組合されている。 すなわち、 第 2図に示されるように前述したような重ね合せ体 1 1 a と 1 1 b および重ね合せ体 1 2 a と 1 2 bが重ね合せ方向に直列とされ、 重 ね合せ体 1 1 aと 1 1 bの各摺動材 2 aと 2 b、 重ね合せ体 1 1 b と 1 2 aの各シユ ー 1 b と 1 aおよび重ね合せ体 1 2 aと 1 2 bの 各摺動材 2 aと 2 bとがそれぞれ当接し合って組合される。 重ね合 せ体 1 1 aのシユ ー 1 aおよび重ね合せ体 1 2 bのシユ ー 1 bには、 . それぞれ鋦電極 4および 5が接触させられ、 外部電源 7から電圧が 印加されるとともに、 重ね合せ方向に圧力 6が付加される。 この実 施例では多数の偶数個の重ね合せ体を組合せ、 重ね合せ方向に加圧 した状態のもとで通電することにより、 多数個、 この実施例では 4 個の重ね合せ体それぞれについて、 同時に加熱拡散接合の実施が可 能であった。 . 産業上の利用可能性

本発明による加熱拡散接合法によれば、 接合部材と被接合部材と の間に介在させられるイ ンサー ト材が、 被接合部材の接合面に形成 されたメ ツキとされている場合には、 接合部材、 被接合部材および 接合面域にわたつて加熱拡散接合が行われるに好適な抵抗加熱が均 ' 等に行われ、 加えて前記メ ツキは不純物の少ぃ高純度のものにでき るから大きな接合強度.を得ることができる。 メ ツキはその技術が確 立されている上に、 特殊なろう材の使用よりも作業コス トが安価に でき、 さらに抵抗加熱が補助電極等が除かれた単純化された電極の 使用による通電により安定な状態で得られる。

また、 インサー ト材としてろう材が用いられるときも、 本発明に よる加熱拡散接合法によれば単純化された電極の使用による通電に より抵抗加熱が得られる。 この場合には、 インサー ト材を介して重 ね合される重ね合せ体が重ね合せ方向に組合されるとともに、 加熟、 加圧されるに際して電極と接触するのは熱容量が大きい被接合部材 とされる。 したがって、 電極は補助電極等が除かれた単純化された 装置とすることができる。

本発明による加熱拡散接合法は、 接合部材と被接合部材とがその 接合面において強固に接合された機械用材料が容易に得られるとと もに、 加熱拡散接合装置が単純化され、 保守の工数が低減できるこ とから生産性を大巾に向上させるものである。

Claims

請求の範囲 (a) 被接合部材の接合面にィンサー ト材としてメ ッキ層を形成す るイ ンサー ト材形成工程、

(b) 前記ィンサー ト材形成工程においてィンサー ト材が接合面に 形成された被接合部材にそのィンサー ト材を介して接合部材を 重ね合せる重ね合せ工程および

(c) 前記重ね合せ工程において得られる重ね合せ体を加熱すると ともに、 重ね合せ方向に加圧することにより、 ィ >サ一ト材が 介在する接合面において接合部材と被接合部材とを接合させる 加熱、 加圧工程

を有することを特徴とする加熱拡散接合法。

前記イ ンサー ト材として被接合部材の接合面に施されるメ ッキ が銅または鋦合金よりなる鋦系メ ツキであることを特徵とする請 求項 1 に記載の加熱拡散接合法。

前記接合部材が銅または銅合金よりなる銅系金属であることを 特徴とする請求項 1 に記載の加熱拡散接合法。

(a) .接合部材と被接合部材とをィンサー ト材を介して重ね合せる 重ね合せ工程、

(b) 前記重ね合せ工程において得られる重ね合せ体の偶数個を、 それぞれの接合部材と接合部材とが当接するように組合せる組 合せ工程および

(c) 前記組合せ工程において組合せられた偶数個の重ね合せ体を 加熱するとともに、 重ね合せ方向に加圧することにより、 イ ン サー ト材が介在する各接合面においてそれぞれの接合部材と被 接合部材とを接合させる加熱、 加圧工程

を有することを特徴とする加熱拡散接合法。 前記イ ンサー ト材が被接合部材の接合面に施される銅または銅 合金よりなる錮系メ ツキであることを特徴とする請求項 4 に記載 の加熱拡散接合法。

前記ィンサー ト材が接合部材および被接合部材の各接合面間に 配置されるろう材であること特檄とする請求項 4 に記載の加熱拡 散接合法。

前記加熟が重ね合せ体にそれぞれ接触する一対の電極から通電 されることによる抵抗発热であることを特徴とする請求項 1 また は 4 に記載の加熱拡散接合法。

前記抵抗発熱により与えられる接合部材と被接合部材との接合 面域の温度は、 接合部材の絶対温度で表される融点の 7 0 〜 1 0 0 %の範囲の温度とされることを特徴とする請求項 1 に記載 の加熱拡散接合法。

前記接合時に重ね合せ体の重ね合せ方向に付加される圧力は

1 0 0 k g/ cnf〜 2 t / ciiの範囲である請求項 1 または 4 に記載の 加熱拡散接合法。