JP2007319896A

JP2007319896A - アルミニウム系部材の接合方法

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Publication number: JP2007319896A
Application number: JP2006152745A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okamoto; 憲治岡本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】クラッド材やフラックスを用いずにアルミニウム系材料からなる被接合部材を相互に接合でき、形状に制限されないアルミニウム系部材の接合方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム系材料１，２からなる２つの被接合部材を相互に接合する。被接合部材の接合面に銀被覆層３，４を形成し、銀被覆層３，４上に平均粒子径５０ｎｍ以下の銀粒子を配設し、両被接合部材を相互に押圧しながら、２８０℃以上でアルミニウム系部材１，２の固相線温度以下の温度に加熱する。前記押圧は２ＭＰａ以上の圧力で行う。前記銀被覆層は無電解メッキまたは電解メッキ処理により形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、純アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法に関する。

純アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料は、表面に酸化被膜が形成されているため、該アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合することが難しいという問題がある。

前記問題を解決するために、従来、例えばＡｌ−Ｍｎ系合金からなる芯材をＡｌ−Ｓｉ系合金からなる皮材で被覆したクラッド材を用いてろう付けする方法、或いは金属粉末含有非腐食性フラックスを用いてろう付けする方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

前記金属粉末含有非腐食性フラックスは、金属粉末としてＳｉ粉末もしくはＳｉ合金粉末またはこれらを主体とした粉末を含み、該金属粉末はその大きさが平均１０μｍ以下で最大３０μｍ以下のものである。前記フラックスによれば、アルミニウム系材料の表面に塗布されたケイ素がろう付け温度で該アルミニウム系材料中に急速に拡散し、該アルミニウム系材料の表層部の組成がＡｌ−Ｓｉ共晶組成に近くなることにより溶融し、ろうを形成するとされている。

しかしながら、前記クラッド材を用いてろう付けする方法、または前記金属粉末含有非腐食性フラックスを用いてろう付けする方法では、被接合部材の形状自由度が制限されるという不都合がある。
特開平１０−３４３７５号公報特開平６−２７７８７３号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、クラッド材やフラックスを用いずにアルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合することができ、形状に制限されることのないアルミニウム系部材の接合方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法において、各被接合部材の接合面に銀被覆層を形成し、該銀被覆層上に平均粒子径５０ｎｍ以下の銀粒子を配設し、両被接合部材を相互に押圧しながら、２８０℃以上で該アルミニウム系部材の固相線温度以下の温度に加熱することを特徴とする。

本発明では、まず、各被接合部材の接合面に銀被覆層を形成する。前記銀被覆層は、例えば、無電解メッキまたは電解メッキ処理により形成することができる。

次に、前記銀被覆層上に平均粒子径５０ｎｍ以下の銀粒子を配設する。そして、両被接合部材を相互に押圧しながら、２８０℃以上で該アルミニウム系部材の固相線温度以下の温度に加熱する。このようにすると、前記加熱により、前記銀粒子の活性表面が露出し、該銀粒子同士、または該銀粒子と前記銀被覆層の銀とが反応すると共に、該銀被覆層の銀が前記アルミニウム系部材中に拡散する。

この結果、本発明によれば、クラッド材やフラックスを用いずに各被接合部材を相互に強固に接合することができ、各被接合部材が形状により制限されることがない。

尚、金属部材同士の接合に銀ろう材を用いることは公知であり、例えば、Ｃｕ：２５〜３０％と、Ｈｆ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｂｅ，Ｌｉのうちの１種または２種以上：０．２〜５％と、Ｏ２：１００ｐｐｍ以下を含有し、残りがＡｇおよび不可避的不純物からなる組成を有するＡｇろう材素地中に最大粒径５０μｍ以下の金属間化合物粒子が分散している組織を有するものが知られている（特許文献２参照）。しかし、前記銀ろう材は、融点が高いので、アルミニウム部材には使用することができない。

本発明において、前記押圧は、反応層に空隙を形成させないように行うことが好ましく、このために２ＭＰａ以上の圧力で行うことが好ましい。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の接合方法を示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

本実施形態の接合方法は、純アルミニウムの他、Ａ１０５０材、Ａ２０２４材、Ａ５０５２材等のアルミニウム合金からなるアルミニウム系部材に適用することができる。

本実施形態の接合方法では、まず、図１，２に示すように、被接合部材となるアルミニウム系部材１，２の少なくとも接合面に銀被覆３，４を形成する。前記銀被覆３，４は、例えば、それ自体公知の方法により無電解メッキまたは電解メッキにより形成することができる。前記無電解メッキまたは電解メッキによれば、工程中にアルミニウム系部材の表面に形成されている酸化被膜層を薄くすることができ、アルミニウム系部材１，２の地金と銀被覆３，４とが部分的に接触することができる。

次に、銀被覆層３，４上に平均粒子径５０ｎｍ以下の銀粒子を配設する。前記銀粒子は、一般に銀ナノ粒子と呼ばれるものであり、相互に凝集して粗大化することを防止するために、粒子表面に有機物からなるコーティング膜が形成されている。前記コーティング膜を形成する有機物としては、例えば、ドデカンチオール、オクタデカンチオール等を挙げることができる。示差熱分析によれば、ドデカンチオールからなる前記コーティング膜の耐熱温度は２００℃であり、オクタデカンチオールからなる前記コーティング膜の耐熱温度は２２０℃である。

前記銀粒子は、トリエチレングリコール等の溶剤に分散させたペーストとして銀被覆層３，４上に塗布することにより、銀粒子層５を形成する。銀粒子層５は、例えば、０．００５〜０．１ｇ／ｃｍ^２の量のＡｇを含むように形成される。

次に、銀被覆層３が形成されたアルミニウム系部材（被接合部材）１と、銀被覆層４が形成されたアルミニウム系部材（被接合部材）２とを、銀粒子層５を介して重ね合わせ、銀粒子層５に空隙を形成させないように押圧する。前記押圧は、例えば、２ＭＰａ以上の圧力で行う。

そして、アルミニウム系部材１，２を、２８０℃以上、アルミニウム系部材１，２の固相線温度以下の温度で加熱する。このようにすると、前記温度は前記銀粒子のコーティング膜の耐熱温度以上であるので、該コーティング膜が分解し、該銀粒子の表面が露出する。前記銀粒子の表面は活性に富んでいるので、該表面が露出すると、該銀粒子同士または、該銀粒子と銀被覆層３，４中の銀とが反応し、相互に強固に接合される。

また、銀被覆層３，４は、前記メッキにより形成されているので、部分的にアルミニウム系部材１，２の地金と接触しており、ＡｇはＡｌ中への固溶限が比較的大きいため、銀被覆層３，４中のＡｇがアルミニウム系部材１，２の地金中に拡散する。この結果、銀被覆層３，４を介して、アルミニウム系部材１，２を強固に接合することができる。

尚、一般に、熱処理型アルミニウム合金の溶体化温度は４９５〜５５０℃の範囲であるので、本実施形態の接合方法では、被接合部材を前記範囲の溶体化温度で前述のようにして接合した後、急冷することにより、接合と同時に溶体化処理を行うことができる。

次に、本発明の実施例と比較例とを示す。

本実施例では、アルミニウム合金（Ａ１０５０材）からなる１０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍのアルミニウム系部材１，２を用意した。

次に、アルミニウム系部材１，２の表面を５０容量％の硝酸で酸洗して、該表面に形成されている酸化被膜を除去した後、常法に従って無電解メッキを行い、厚さ約２μｍの銀被覆層３，４を形成した。

次に、２０μｍの厚さのマスクを用いて、アルミニウム系部材２の先端部の銀被覆層４上に、銀粒子ペーストを塗布し、５ｍｍ×５ｍｍの面積の銀粒子層５を形成した。前記銀ペーストは、平均粒子径１５ｎｍの銀粒子をトリエチレングリコールに分散したもので、該銀粒子はドデカンチオールからなるコーティング膜（耐熱温度２００℃）を備える。前記銀粒子層５は、０．０２ｇ／ｃｍ^２のＡｇを含んでいた。次に、アルミニウム系部材２を、大気中、１５０℃の温度に５分間保持して溶媒を蒸発させた。

次に、銀被覆層３が形成されたアルミニウム系部材１と、銀被覆層４が形成されたアルミニウム系部材２とを、銀粒子層５を介して重ね合わせ、５ＭＰａの圧力（以下、接合圧力と記載する）で押圧した。そして、アルミニウム系部材１，２を、６０℃／分の速度で４５０℃の接合温度まで昇温し、該接合温度に１０分間保持して接合した。

接合後、図１に矢示するように、アルミニウム系部材１，２を相互に離間するように引っ張り、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

本実施例では、接合温度を３５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

本実施例では、接合温度を２８０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例１〕
本比較例では接合温度を２５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

本実施例では、銀粒子の平均粒子径を２５ｎｍとし、接合温度を３５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

本実施例では、銀粒子の平均粒子径を２５ｎｍとし、接合温度を２８０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、銀粒子の平均粒子径を２５ｎｍとし、接合温度を２５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

本実施例では、銀粒子の平均粒子径を５０ｎｍとし、接合温度を３５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

本実施例では、銀粒子の平均粒子径を５０ｎｍとし、接合温度を２８０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例３〕
本比較例では、銀粒子の平均粒子径を５０ｎｍとし、接合温度を２５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例４〕
本比較例では、銀粒子の平均粒子径を６５ｎｍとし、接合温度を３５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例５〕
本比較例では、銀粒子の平均粒子径を６５ｎｍとし、接合温度を２８０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例６〕
本比較例では、銀粒子の平均粒子径を６５ｎｍとし、接合温度を２５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表１に示す。

表１から、銀粒子の平均粒子径が５０ｎｍ以下であり、接合温度が２８０℃以上であるとき（実施例１〜７）には、接合部のせん断強度が４３〜５２ＭＰａであり、優れたせん断強度を得ることができることが明らかである。しかし、銀粒子の平均粒子径が５０ｎｍ以下であっても、接合温度が２８０℃未満の２５０℃であるとき（比較例１〜３）には、接合部のせん断強度が１４〜１６ＭＰａであり、実施例１〜７に比較して十分なせん断強度を得ることができないことが明らかである。

また、銀粒子の平均粒子径が５０ｎｍを超える６５ｎｍであるとき（比較例４〜６）には、接合温度に関わらず、接合部のせん断強度が１４〜１６ＭＰａであり、実施例１〜７に比較して十分なせん断強度を得ることができないことが明らかである。

本実施例では、接合温度を３５０℃とし、接合圧力を２ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表２に示す。

本実施例では、接合温度を３５０℃とし、接合圧力を１ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表２に示す。

本実施例では、接合温度を３５０℃とし、接合圧力を０．５ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表２に示す。

本実施例では、接合温度を３２０℃とし、接合圧力を２ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表２に示す。

本実施例では、接合温度を３２０℃とし、接合圧力を１ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表２に示す。

本実施例では、接合温度を３２０℃とし、接合圧力を０．５ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表２に示す。

表２から、接合圧力が２ＭＰａ未満の１〜０．５ＭＰａの場合（実施例９，１０，１２，１３）であっても、３０〜３５ＭＰａとそれ自体優れた接合強度を得ることができる。しかし、接合圧力が２ＭＰａ以上の場合（実施例８，１１）には、表１に示す実施例１〜７と同程度の４４〜４５ＭＰａというさらに優れた接合強度を得ることができることが明らかである。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、接合温度を４９０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、接合温度を２８０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。
〔比較例７〕
本比較例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、接合温度を２５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、銀粒子の平均粒子径を５０ｎｍとし、接合温度を４９０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、銀粒子の平均粒子径を５０ｎｍとし、接合温度を３２０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。
〔比較例８〕
本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、銀粒子の平均粒子径を６５ｎｍとし、接合温度を３２０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、銀粒子をオクタデカンチオールからなるコーティング膜（耐熱温度２２０℃）を備えるものとし、接合温度を３５０℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、接合温度を３５０℃とし、接合圧力を２ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ２０２４材を用い、接合温度を３５０℃とし、接合圧力を１ＭＰａとした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

本実施例では、アルミニウム合金としてＡ５０５２材を用い、接合温度を４００℃とした以外は、実施例１と全く同一にして、アルミニウム系部材１，２を接合した。接合後、実施例１と全く同一にして、接合部のせん断強度を測定した。結果を表３に示す。

表３から、アルミニウム系部材１，２の材質、接合圧力に関わらず、銀粒子の平均粒子径が５０ｎｍ以下であり、接合温度が２８０℃以上であるとき（実施例１４〜２１）には、接合部のせん断強度が３５〜５０ＭＰａであり、優れたせん断強度を得ることができることが明らかである。しかし、銀粒子の平均粒子径が５０ｎｍ以下であっても、接合温度が２８０℃未満の２５０℃であるとき（比較例７）には、接合部のせん断強度が１４ＭＰａであり、実施例１４〜２１に比較して十分なせん断強度を得ることができないことが明らかである。また、銀粒子の平均粒子径が５０ｎｍを超える６５ｎｍであるとき（比較例８）にも、接合部のせん断強度が１２ＭＰａであり、実施例１４〜２１に比較して十分なせん断強度を得ることができないことが明らかである。

本発明の接合方法の一例を示す平面図。図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。

符号の説明

１，２…アルミニウム系部材、３，４…銀被覆層、５…銀粒子。

Claims

アルミニウム系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合するアルミニウム系部材の接合方法において、
各被接合部材の接合面に銀被覆層を形成し、該銀被覆層上に平均粒子径５０ｎｍ以下の銀粒子を配設し、両被接合部材を相互に押圧しながら、２８０℃以上で該アルミニウム系部材の固相線温度以下の温度に加熱することを特徴とするアルミニウム系部材の接合方法。
請求項１において、前記押圧は２ＭＰａ以上の圧力で行うことを特徴とするアルミニウム系部材の接合方法。
請求項１または請求項２において、前記銀被覆層は無電解メッキまたは電解メッキ処理により形成することを特徴とするアルミニウム系部材の接合方法。