JP2006272390A - インバー合金と黄銅の複合構造体及びその接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に厚みが50μm以上、1000μm以下の銅層からなるインサート材を配置し熱間等方加圧法により接合し、更に、前記インバー合金と銅層の間に厚みが10μm以上、200μm以下のNi層を配置した。
【選択図】 図4
Description
しかしながら、ロー付けの場合は接合部の原子拡散が生じ難く、プレスなどの荷重付加により固相拡散を発生させたとしてもその拡散距離は数μm以下と極めて薄いため、インバー(Invar)合金と黄銅界面の強度は10kg/mm2 程度以下と低くなる。また接合面積が広い場合には、接合面全面への均一なロー材塗布が困難となるため、接合部欠陥も残留し易いなど、その強度信頼性は十分満足できるものではなかった。
このHIP法による異種材料の接合方法としては、例えば、特許文献1においてセラミックスと金属の接合方法として開示されている。この方法は、セラミックスと金属を接合させる場合に発生する熱膨張差起因の熱応力を回避し、かつ冶金的な固相接合を可能ならしめるために、異種材料間に1mm厚のニオブをインサート材として挿入したものをHIP処理するものである。
それにより、本願発明が対象としているインバー合金と黄銅とのHIP法による接合において、特許文献1にインサート材として開示されているニオブ材を両材料の間に設けたとしても生じる残留応力は極めて大きく、その割れを防止することは容易ではない。
以下、この請求項1記載の発明について詳細に説明するが、まず、インバー合金について説明する。図1に、Ni−Fe合金であるインバー合金のNi含有率と熱膨張係数を示すが、図1から明らかなように、Niの含有率が代表的なインバー合金である36重量%Niにおいて最小の熱膨張係数を示し、その含有率が36重量%から増減しても熱膨張係数が増大することが知られている(公知技術1)。
また、図2は、前記Ni−Fe合金であるインバー合金にCuを添加した場合の熱膨張係数の増加量を示す図である。図2から明らかなようにインバー合金へのCuの添加率が増加すると共に熱膨張係数が増加することが知られている(公知技術2)。
請求項1記載の発明では、インバー合金の物理的特性である前記した公知技術1及び公知技術2を、本発明材のHIP接合、即ち、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅を用いたHIP接合の実施により生ずる熱膨張差が起因する残留応力の低減に利用できることを種々の試験の結果、完成した。
さらに、本インサート銅は他方の素材を黄銅の1種である快削黄銅を使用した場合に快削黄銅中に含有される鉛の接合界面への拡散析出を抑制し、優れた界面強度を確保することも可能となる。
(1)インサート材である銅層はNi合金であるところのインバー合金、並びに黄銅、又は快削黄銅との固相接合により完全に密着し、前記の如く、拡散層におけるインバー合金の熱膨張率を傾斜的に増大させるためHIP実施による接合材同士の大きな熱膨張差を緩和し、それにより生じる残留応力を低減する働きがある。
(2)接合を対象とするインバー合金、黄銅いずれの材質とも黄銅の融点である850℃以下での低温での拡散が容易である。
(3)強度、靭性を損なう金属間化合物などを形成しないことから20kg/mm2 以上の接合強度と5%以上の接合部伸びを確保するための冶金的な固相接合が可能であり、かつ、銅の降伏力は5kg/mm2 以下で、弾性率も13000kg/mm2 と極めて低応力にて塑性変形を行うことから、インバー合金と黄銅の熱膨張差から生じる冷却時の発生応力を吸収できる。
図4は、異種材料の間に第1、第2のインサート材を使用し、熱間等方加圧焼結(HIP)により接合後の元素濃度と膨張係数の関係を示す。異種材料としては、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅の1種である快削黄銅を使用した。また、第1のインサート材としては快削黄銅側に銅層を使用し、第2のインサート材としてNi層を用い、銅層とインバー合金との間に第2のインサート材を配置しているため、Ni層とインバー合金との間の接合境界部には、以下の特徴を有する拡散層が生成する。
HIP処理中にNi層からインバー合金方向へのNi原子の拡散により、接合界面近傍におけるインバー合金中の含有Ni量が36%より増大し、両者の間に形成される拡散層において熱膨張率が傾斜的に大きくなる(図4)ことで、熱膨張差によって生じる残留応力を前記請求項1、2の構成より更に大きく分散、低減することが可能となった。
インバー合金と黄銅間に設置するNi層厚みの限定理由について説明する。厚みを10μm以上としたのは、これ未満の厚みの場合はインバー合金及び黄銅含有成分との相互拡散により、前述のインバー合金への段階的なNi拡散量が十分確保できないためである。厚みを200μm以下にしたのは、これを超えた厚みを付与してもインバー合金への段階的なNi拡散量が飽和するため、コスト面から不利になるためである。
前記熱間等方加圧法を、温度が600℃以上840℃以下、圧力が50MPa以上200MPa以下、処理時間が0.5時間以上4時間以下の条件で行う。
前記熱間等方加圧法を、温度が600℃以上840℃以下、圧力が50MPa以上200MPa以下、処理時間が0.5時間以上4時間以下の条件で行う。
また、インサート材の挿入によってHIP処理後のインバー合金と黄銅との接合界面の残留応力を低減でき、接合面の割れ及び加工中の素材歪を防止して工業的に活用可能な複合構造材を提供できる。
インバー合金と黄銅の一例である快削黄銅とからなる積層体を金属容器に封入し、公知のHIP処理方法により固相拡散接合することにより一体化製造するにあたり、以下に述べる種々の試験により各素材間に配置する適切なインサート材料と厚み、HIP処理条件を見出し、信頼性のある接合複合構造体を完成したものである。
HIP処理温度は、840℃を超えると快削黄銅が溶融するため好ましくなく、他方600℃未満の場合は炭素鋼製金属容器がHIP圧力により変形しなくなり十分な圧力を接合素材に負荷できなくなる。よって適切なるHIP処理温度としては、600℃以上840℃以下であり、以下に説明する本試験では800℃を選定した。
HIP処理の保定時間としては、4時間を超えて保定を行うと快削黄銅に含有される鉛が銅層中を拡散し、インバー合金界面に到達することで強度低下を招くことと、処理コストが増大する。また、0.5時間未満の場合は拡散が不十分になる。よって適切なるHIP保定時間としては、0.5時間以上、4時間以下であり、本試験では2時間を選定した。
接合の対象とする各素材は、インバー合金と黄銅の1種である快削黄銅とし、両素材間に銅層又は銅層及びNi層が配置されるように炭素鋼製容器に充填後、最大200℃まで加熱しながら、内部を5×10-5torrまで真空脱気、封入した。この素材を800℃、150MPa、2時間のHIP処理により固相接合させた後、試験片中央部に接合面が配置されるよう機械加工により引張試験片を作成した。表1に試験条件及びその結果を示す。
本実施例におけるインサート材として使用する銅としては無酸素銅を使用したが、純度99%以上であれば製造方法は問わず、他にもリン脱酸銅、メッキ銅を使用しても同じ効果を奏する。また、層厚30μmを銅メッキ、不足する残りの厚みは各種厚みの銅箔を使用した。
また、インサート材として使用するNiとしては圧延Ni箔を使用したが、純度99%以上であれば製造方法は問わず、他にも電解、無電解メッキNiを使用しても同じ効果を奏する。
評価方法
得られた試験材のうち、引張試験片は直径10mmのJIS4号相当材を作成し、常温で試験を行った。一方、前述のφ100mm×20mmの円盤試験片はその外周接合部を超音波にて非破壊検査することで割れの有無を調査した。また、黄銅部の変形は円盤試験片の黄銅外周部について加工前後の変位測定により評価し、黄銅部の歪はゲージ法により測定した。以上の結果を表1に示す。
表1における本発明例であるNo.1〜No.5に示すものは、本発明の特許請求項1、2、4に対応するものである。即ち、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層からなるインサート材を使用して熱間等方加圧(HIP)法により接合してなるインバー合金と黄銅の複合構造体であって、前記HIP処理前の銅層の厚みが50μm以上、1000μm以下である。また、比較例No.12〜No.14のものは、前記本発明材No.1〜No.5に対応するものである。
本発明例であるNo.1〜No.5に示すものは、引張試験片の破断は接合界面ではなく、銅層内部で発生しており、その強度は本発明における接合強度目標の下限値である100MPa以上を確保できる。また、φ100×20mm円盤試験材においても接合界面の割れは無く、接合部近傍の快削黄銅部の歪量は2.90%以下で、その変形量も0.1mm未満に抑制できることから、いずれも精密部品など工業的に使用することが可能良好な複合構造体を得ることができる。
比較例No.14では良好な接合面、即ち、実施例No.5と同様の良い結果を得たが、銅厚の厚みが本発明材の上限である1000μmを超えた1280μmであり、同例に示す1000μm以上の銅厚みでは応力緩和層としての機能が飽和し、コスト的に不利になり実用的でない。
表1における本発明例であるNo.6〜No.9に示すものは、本発明の特許請求項3、5に対応するものである。即ち、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層及びNi層からなるインサート材を使用して熱間等方加圧(HIP)法により接合してなるインバー合金と黄銅の複合構造体あって、前記インバー合金と銅層の間に厚みが10μm以上、200μm以下となるNi層を使用してHIPにより接合してなるインバー合金と黄銅の複合構造体であり、比較例No.15のものは、前記本発明材No.6〜No.9に対応するものである。
これに対し、その比較例であるNo.15においてはNi層の厚みが、220μmで本発明の上限値200μmより厚く、その効果は、本発明材No.9と差異がなく、200μmを超えるNi厚みではインバー合金へのNi拡散により発生する傾斜的な熱膨張率の変化による応力緩和層としての機能が飽和し、コスト的に不利になるため好ましくない。また、Ni層の厚みが10μm未満の場合は、銅層単独の場合に比べてその効果の差異が無い。
Claims (5)
- 一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層からなるインサート材を配置し熱間等方加圧法により接合してなることを特徴とするインバー合金と黄銅の複合構造体。
- 請求項1記載の複合構造体において、前記熱間等方加圧法処理前の銅層の厚みが50μm以上、1000μm以下である複合構造体。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載の複合構造体において、前記インバー合金と銅層の間に厚みが10μm以上、200μm以下のNi層を配置したことを特徴とする複合構造体。
- 一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層を介在させた積層体を金属容器にて封入し、内部を真空脱気後、熱間等方加圧法により昇温及び加圧することにより固相接合するインバー合金と黄銅の複合構造体の接合方法であって、
前記熱間等方加圧法を、温度が600℃以上840℃以下、圧力が50MPa以上200MPa以下、処理時間が0.5時間以上4時間以下の条件で行うことを特徴とするインバー合金と黄銅の複合構造体の接合方法。 - 一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層を介在し、且つ前記インバー合金と前記銅層との間にNi層を介在させた積層体を金属容器にて封入し、内部を真空脱気後、熱間等方加圧法により昇温及び加圧することにより固相接合するインバー合金と黄銅の複合構造体の接合方法であって、
前記熱間等方加圧法を、温度が600℃以上840℃以下、圧力が50MPa以上200MPa以下、処理時間が0.5時間以上4時間以下の条件で行うことを特徴とするインバー合金と黄銅の複合構造体の接合方法。
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