JP2004276072A

JP2004276072A - 異種金属複合体

Info

Publication number: JP2004276072A
Application number: JP2003071609A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Iguchi; 忠士井口; Shinko Ogusu; 真弘小楠; Masashi Sakamoto; 将史坂本; Noriyoshi Kaneda; 教良金田
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP3719439B2

Abstract

【課題】ろう付の際の真鍮などの銅−亜鉛合金の成分の変化を抑制することができる異種金属複合体を提供する。
【解決手段】鉄系の心材と銅−亜鉛合金からなる材料とを互いにろう付接合した異種金属複合体であって、銅−亜鉛合金からなる上側（下側）部材２（３）の全体にニッケルメッキ層１１、銅メッキ層１２および銀メッキ層１３が設けられ、心材と上側（下側）部材２（３）とが互いに接触して加熱されることで接合されている。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄系の材料と真鍮などの銅−亜鉛合金からなる材料どうしを互いにろう付接合した異種金属複合体に係り、特に、ろう付の際の銅−亜鉛合金の成分の変化を抑制する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅−亜鉛合金には、鉛を添加することによって切削加工性を向上させた快削黄銅などがあり、このような銅−亜鉛合金は、各種機械加工を実施して高い加工精度が要求される部品の材料として様々な分野で使用されている。また、鉄系の材料は、その炭素含有量やその他の添加成分を調整することで多くの種類のものが提供されており、また、比較的安価に入手できるために多種多様な分野で使用されている。
【０００３】
従来では、鉄系材料と銅−亜鉛合金は、例えばシャフトとギヤなどのように、それぞれの材料の適正を利用して個別に使用されることが多い。しかしながら、鉄系材料と例えば真鍮とを接合することにより、鉄系材料で全体の剛性と強度を保ちながら、真鍮の部分で機械加工の高い精度を得ることができる。また、両者を接合して使用する場合には、半田付のような低温接合を用いることが一般的である。
【０００４】
しかしながら、鉄系材料の線膨張率は１１×１０^−６（／Ｋ）であるのに対して真鍮のそれは１９×１０^−６（／Ｋ）であるため、真鍮を機械加工した際に生じる熱によって両者に作用する熱応力が大きい。このため、半田付のような接合強度の低い方法で鉄系材料と真鍮とを接合すると、接合時の残留応力によって真鍮を機械加工する際に両者が剥離し易いという問題があった。そこで、鉄系材料と真鍮との接合強度を高めるために、両者をろう付で接合することが従来より提案されている。たとえば、特許文献１では、裏金と真鍮とをろう付するに際して、真鍮の接合面にニッケルメッキを施すことにより、ろう材との濡れ性を改善するとともに真鍮に含有されている亜鉛の蒸発を防止している。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７２６７９６号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ろう付は真空中で行われるため、上記特許文献１に記載の技術においても、真鍮に含有されている蒸気圧の低い亜鉛成分の蒸発は避けることはできない。その結果、接合後の真鍮の成分が変化してしまい、真鍮の加工特性をはじめその他の機械的・物理的特性が変化してしまうという問題が生じる。
【０００７】
したがって、本発明は、ろう付の際における真鍮などの銅−亜鉛合金の成分の変化を効果的に抑制することができる異種金属複合体を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の異種金属複合体は、鉄系の心材と銅−亜鉛合金からなる材料とを互いにろう付接合した異種金属複合体において、銅−亜鉛合金からなる材料の全体にろう材のメッキが施され、心材と銅−亜鉛合金からなる材料とが互いに接触して加熱されることで接合されていることを特徴としている。
【０００９】
上記構成の異種金属複合体にあっては、銅−亜鉛合金からなる材料の全体にろう材のメッキが施されているから、ろう付のための加熱に際して銅−亜鉛合金中の亜鉛成分の蒸発が抑制される。したがって、本発明によれば、銅−亜鉛合金の切削加工性を維持しつつ鉄系材料の剛性や低熱膨張率等の利点を生かした金属接合体を得ることができる。また、メッキによって銅−亜鉛合金にろう材が設けられるから、ろう材の箔を所定箇所に配置する作業やろう材のペーストを塗布する作業が省略され、製造工程が簡略化されるという利点もある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
本発明で用いるろう材としては接合強度の高い銀ろうが好適である。銀ろうは、通常、銀を主成分として銅、亜鉛、カドミウム等が添加されたもので、鉄系材料と銅−亜鉛合金材料とのろう付に適している。本発明では、銀ろうを構成するために、亜鉛合金材料に銅をメッキし、その上に銀をメッキすることができる。なお、銀は亜鉛合金材料から離間させることが望ましく、そのためにメッキは上記の順番で行うことが望ましい。ろう材のメッキの厚さは、５〜２００μｍが好ましく、２０〜１００μｍであればさらに好適である。
【００１１】
心材および／または銅−亜鉛合金からなる材料に、ニッケルの下地メッキを施すことが望ましい。この下地メッキにより銀ろうとの濡れ性が向上し、両者の密着性が高められる。また、そのような下地メッキを銅−亜鉛合金に設けることにより、銅−亜鉛合金中に含まれる亜鉛や鉛と銀との合金化を抑制するとともに、亜鉛の蒸発を防止することもできる。
【００１２】
心材に施す下地メッキの厚さは０．５〜３０μｍであることが望ましい。下地メッキの厚さが０．５μｍ未満では銅−亜鉛合金からなる材料との濡れ性向上の効果が得られず、また、厚さが３０μｍを超えてもそれ以上の濡れ性の向上は期待できない。心材に施す下地メッキの厚さは、１〜１５μｍがより好適である。
【００１３】
快削黄銅中の鉛は、黄銅に対してほとんど固溶せず、粒界および粒内に微粒状となって分散している。この分散した鉛が快削性をもたらす訳であるが、そのような鉛が銀と合金化すると、粒状に分散した鉛が拡散して快削性が損なわれるばかりでなく、カーケンダール拡散によって鉛が存在していた部分がボイドとなり、その断面が露出されるような加工を行ったときに外観が損なわれる。特に、銀が鉛および亜鉛と合金化すると、その融点が低下するために合金化をさらに促進するようになる。
【００１４】
したがって、上記のような銀の合金化を抑制するためには、銅−亜鉛合金材料へのニッケルの下地メッキにある程度の厚さが求められ、下地メッキの厚さは、鉄系材料の心材への下地メッキの厚さよりも厚いことが望ましい。本発明者等の検討によれば、銅−亜鉛合金材料へのニッケルの下地メッキは１０μｍ以上であることが望ましく、２５μｍ以上であればさらに好適である。ただし、下地メッキの厚さは５０μｍを超えても機能はさほど向上せず、４０μｍあればほぼ充分である。よって、下地メッキの厚さは、１０〜５０μｍが望ましく、２５〜４０μｍであればさらに好適である。
【００１５】
銀と銅の共晶反応を利用した銀ろうによる接合温度（ろう付温度）は、一般に、７８０℃以上の温度（通常は８１０〜８３０℃）とされ、また、材料の酸化を防止するためにろう付の加熱を行うための加熱炉内は真空とされる。ところが、亜鉛の蒸気圧曲線からすると、真空中での上記のような温度は亜鉛が蒸発する領域に入っていることから、本発明においてもその対策を講じることが望ましい。
【００１６】
本発明者等の検討によれば、ろう付の加熱を行うための加熱炉の雰囲気圧力を１３ＫＰａ以上にすることにより、上記のような温度でも亜鉛の蒸発を抑制可能であることが判明している。よって、加熱炉の雰囲気圧力は１３ＫＰａ以上であることが望ましい。ただし、この場合には、加熱炉の雰囲気をアルゴンガスまたは窒素ガスのような不活性ガスとすることが望ましい。
【００１７】
加熱炉の雰囲気を不活性ガスとすることにより、雰囲気の圧力をさらに高めて亜鉛の蒸発を一層抑制することができる。たとえば、雰囲気を一旦真空にしてアルゴンガスまたは窒素ガスを導入して６６ＫＰａ以上、好ましくは７３ＫＰａ以上とすることにより、亜鉛の蒸発をさらに効果的に抑制することができる。なお、加熱炉の雰囲気圧力は、大気圧以上となっても何ら問題はない。また、加熱炉の雰囲気を不活性ガスとしない場合には、製品の酸化を防止するために加熱炉の雰囲気圧力は１．３×１０^−２ＫＰａ以下とすることが望ましい。
【００１８】
なお、本発明における銅−亜鉛合金は真鍮と呼ばれる黄銅であり、それにはスズ入り黄銅、高力黄銅、鉛入り黄銅（快削黄銅）、洋白、アルミニウム黄銅、ケイ素黄銅などあらゆる黄銅が含まれる。また、本発明におけるろう材は、銀ろうに限定されるものではなく、アルミニウム合金ろう、リン銅ろう、金ろうなど種々のろう材を用いることができる。
【００１９】
本発明に用いられる心材としては、機械構造用炭素鋼（ＳＣ材）、機械構造用合金鋼（ＳＭＣ材）、低熱膨張合金（インバー材、スーパーインバー材など）、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）などあらゆる鉄系材料を用いることができる。
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態をさらに詳細に説明する。図１は実施形態の異種金属複合体を示す斜視図である。この図に示す異種金属複合体は、鉄系材料からなる円板状の心材１の表裏面に、真鍮からなる円板状の上側部材２および下側部材３を接合したものである。心材１の全表面には、図５に示すように、ニッケルメッキ層１０が設けられ、ニッケルメッキ層１０の厚さは０．５〜３０μｍとされている。
【００２１】
図４に示すように、上側部材２および下側部材３の全表面には、ニッケルメッキ層１１、銅メッキ層１２、および銀メッキ層１３が順次設けられている。ニッケルメッキ層１１の厚さは１０〜５０μｍとされている。また、銅メッキ層１２および銀メッキ層１３はろう材を構成するもので、その厚さはそれぞれ５〜５０μｍおよび１０〜１００μｍとされ、ろう材全体の厚さは２５〜２００μｍとされている。
【００２２】
上記構成の異種材料複合体は次のようにして製造される。まず、心材１および上側部材２、下側部材３にニッケルメッキを施し、次いで、上側部材２および下側部材３に、銅メッキおよび銀メッキを施す。次に、心材１、上側部材２および下側部材３を重ね合わせ、全体を上下方向から加圧した状態で加熱炉に装入する。加圧方法としては、重しを乗せる方法や、バイス等の工具あるいはプレスで加圧する方法を採用することができる。なお、加圧力は０．１〜５ＭＰａが好適である。
【００２３】
加熱炉の雰囲気圧力は１３ＫＰａ以上に設定し、雰囲気温度は７９０〜８６０℃に設定する。そして、その状態で所定時間保持することにより、銅メッキ層１２および銀メッキ層１３が溶融して銀ろうとなる。そして、異種金属複合体を加熱炉から取り出して冷却することにより、心材１、上側部材２および下側部材３が互いに接合される。
【００２４】
図２は、上記のような異種金属複合体の外周に真鍮製のリング４を嵌合したもので、リング４の全表面には、図４に示す上側部材２と同様にニッケルメッキ、銅メッキおよび銀メッキがこの順番で施されている。このような異種金属複合体は、リング４と、心材１、上側部材２および下側部材３とが銅メッキおよび銀メッキが溶融してなる銀ろうによって接合されている。図３は、図２に示す異種金属複合体において、心材１、上側部材２および下側部材３をリング状としたものである。
【００２５】
上記のような異種金属複合体では、真鍮製の上側部材および下側部材を機械加工して高精度な部品に加工することができる。また、その部品は、鉄系材料によって剛性および強度が確保されるとともに、鉄系材料は真鍮に比べて熱膨張率が小さいため、温度変化が激しい用途にも有用である。このように、本発明では、鉄系材料および真鍮の利点を兼ね備えた複合材料を、真鍮の成分に変化を生じさせることなく製造することができる。しかも、その製造工程にはろう材のセットや塗布を必要としないから、製造工程が簡略化され自動化にも容易に対応することができる。
【００２６】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図１を参照して説明する。
［製造例１］
円板状に加工した鉄系材料（材質：炭素工具鋼）の表裏面に、円板状に加工した真鍮（材質：快削黄銅、亜鉛含有量：３７重量％）製の上側部材および下側部材を積層した。上側部材および下側部材には厚さ３０μｍのニッケルの下地メッキを行った後、表１に示す厚さの銅メッキおよび銀メッキを順次行い、一部のものには亜鉛メッキも行った。また、鉄系材料には、厚さ５μｍのニッケルのメッキを行った。
【００２７】
【表１】

【００２８】
上記心材、上側部材および下側部材を積層し、その上に錘を置いて１ＭＰａに加圧した状態で真空炉に収容した。真空炉の内部を真空にした後、内部にアルゴンガスを導入し、雰囲気圧力を７９ＫＰａに設定した。次いで、真空炉を８１０℃まで昇温して６０分間保持した後、異種金属複合体を真空炉から取り出して自然冷却した。
【００２９】
［製造例２］
上側部材および下側部材へのニッケルの下地メッキの厚さを２０μｍとした以外は製造例１と同じ条件で金属積層体を作製した。
【００３０】
［評価］
製造例１および２の金属積層体における真鍮の亜鉛含有量を測定した結果、いずれも３７重量％であり、亜鉛の蒸発は認められなかった。
【００３１】
また、図６に製造例１および２における真鍮と鉄系材料の接合部の顕微鏡写真を示す。図６（Ｂ）に示すように、上側部材および下側部材へのニッケル下地メッキの厚さを２０μｍとした製造例２では、ろう材を構成する銀と真鍮中の鉛との合金化が生じた結果、鉛粒子が拡散して抜けた痕にボイドが生じていた。これに対して、図６（Ａ）に示すように、製造例１では、ニッケルの下地メッキを３０μｍとしているため鉛粒子の欠如は認められず、健全な接合界面が得られた。表１に製造例１におけるボイドの状態を記載したが、ボイドがある場合でも微少で殆ど問題ないと考えられる。以上の結果により、ニッケルの下地メッキの厚さの好ましい限界値は、２０μｍと３０μｍとの中間の２５μｍと推察され、２５μｍ以上が好適であることが確認された。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉄系の心材と銅−亜鉛合金からなる材料とを互いにろう付接合した異種金属複合体において、銅−亜鉛合金からなる材料の全体にろう材のメッキが施され、心材と銅−亜鉛合金からなる材料とが互いに接触して加熱されることで接合されているから、銅−亜鉛合金の切削加工性を維持しつつ鉄系材料の剛性や低熱膨張率等の利点を生かした製品を得ることができ、また、製造工程が簡略化される等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における異種金属複合体を示す一部破砕斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態における異種金属複合体を示す一部破砕斜視図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態における異種金属複合体を示す一部破砕斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における上側（下側）部材を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態における心材を示す断面図である。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は本発明の実施例の異種金属複合体の接合部分を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１心材
２上側部材
３下側部材
４リング
１１ニッケルメッキ層
１２銅メッキ層
１３銀メッキ層

Claims

鉄系の心材と銅−亜鉛合金からなる材料とを互いにろう付接合した異種金属複合体において、上記銅−亜鉛合金からなる材料の全体にろう材のメッキが施され、上記心材と銅−亜鉛合金からなる材料とが互いに接触して加熱されることで接合されていることを特徴とする異種金属複合体。
前記ろう材は銀ろうであり、前記銅−亜鉛合金からなる材料の表面に、銀ろうの成分をなす金属のメッキを順次施したことを特徴とする請求項１に記載の異種金属複合体。
前記心材および／または前記銅−亜鉛合金からなる材料に、ニッケルの下地メッキが施されていることを特徴とする請求項１または２に記載の異種金属複合体。
前記銅−亜鉛合金からなる材料に施す下地メッキの厚さを１０〜５０μｍとしたことを特徴とする請求項２または３に記載の異種金属複合体。
前記心材に施す下地メッキの厚さを０．５〜３０μｍとしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の異種金属複合体。
前記加熱を行うための加熱炉の雰囲気圧力を１３ＫＰａ以上としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の異種金属複合体。
前記加熱を行うための加熱炉の雰囲気をアルゴンガスまたは窒素ガスとしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の異種金属複合体。