JP2010094712A

JP2010094712A - 拡散接合方法

Info

Publication number: JP2010094712A
Application number: JP2008267830A
Authority: JP
Inventors: Hisao Yamazaki; 久男山崎; Takuya Yamazaki; 拓哉山崎
Original assignee: SEKISOU KANAGATA CO Ltd
Current assignee: SEKISOU KANAGATA CO Ltd
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】十分な接合強度を有し、拡散接合後の被接合体の変形量の少ない拡散接合方法を提供する。
【解決手段】被接合体１に対し、加圧装置により被接合体１の積層方向にのみ加圧する拡散接合方法において、積層した被接合体１の外壁面５全体を取り囲むように被接合体１の外壁面５と所定の隙間δを有した状態で金属板３（３ａ〜３ｎ）を配置し、加圧装置により被接合体１にのみ被接合体１の積層方向に加圧し、加圧方向と直交する方向への被接合体１の変形量を拘束しながら被接合体１を接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被接合体を接触させ加熱、加圧することで原子を相互拡散させ接合する拡散接合方法に関する。

金属材料の接合方法の一つである拡散接合は、被接合体を接触させ加熱、加圧することで原子を相互拡散させ接合する方法であり、複数枚の金属板を積層接合してなる積層金型、積層型熱交換器の製造などで利用されている（例えば特許文献１、２参照）。

金属板に予め冷却水路に該当する部分を加工し、これを積層、接合、形状加工する積層金型であれば、複雑な冷却水路を有する金型、例えば金型の成形面に沿う冷却水路を有する金型であっても、金属板を加工した後に積層するので、一枚一枚の金属板の加工は容易であり、成形面に沿う冷却水路を有する金型を簡単に製造することができる。このような金型は、冷却性能に優れ樹脂成形の成形時間を短縮することができる（例えば特許文献１参照）。ここで金属板の接合に拡散接合を用いることで、冷却水の漏洩を確実に防止することができる。

拡散接合において、被接合体を加圧する装置として、被接合体を挟持するカーボングラファイト製の板材からなる上下一対の挟持部材と、カーボンコンポジット材からなる連結ボルト及びナットからなる挟持部材の間隔を所定の間隔に拘束する拘束手段とを備える拡散接合治具がある（例えば特許文献２参照）。この拡散接合治具は、被接合体を挟持部材で挟み込みこれを加熱すると、被接合体と挟持部材及び拘束手段との線膨張率の違いから被接合体が加圧されるものである。このほか拡散接合においては、被接合体の加圧にプレス装置も多く使用される。
特開２００６−８２０９６号公報特開２００６−１９２４８３号公報

近年、金型を用いて製造する樹脂成形品の大型化が進み、これに伴いこれに使用する金型も大型化している。金型は大型化するに伴い、成形時の冷却がより困難となるため積層金型はこの点でも有利である。大型の積層金型を製造するに際し、金属板又は金属ブロックの接合に拡散接合を用いる場合には、大きな荷重が必要となることから低い加圧圧力で接合可能な拡散接合方法が求められている。金型の成形面に沿う冷却水路を有する積層金型を製造するに当たり、冷却水路を精度よく成形面に沿うように配置するには、加工した金属板又は金属ブロックを接合するとき、冷却水路の位置が接合前の位置と大きく異ならないことが必要であり、完全に同一であれば理想的である。金属体の接合に拡散接合方法を使用すると、金属体を接触させ加熱、加圧する必要があることから、従来の拡散接合方法では、接合後の金属体に変形が生じていた。金型が大きくなるに従って、拡散接合時の変形量の絶対値も大きくなる。これらから、現在、変形量の少ない拡散接合方法が求められている。

本発明の目的は、十分な接合強度を有し、拡散接合後の被接合体の変形量の少ない拡散接合方法を提供することである。

本発明は、被接合体に対し、加圧装置により被接合体の積層方向にのみ加圧する拡散接合方法において、加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束しながら被接合体を接合することを特徴とする拡散接合方法である。

本発明の拡散接合方法によれば、加圧装置により被接合体の積層方向にのみ加圧する拡散接合方法において、加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束しながら被接合体を接合するので、拡散接合後の被接合体の変形量が少ない。また加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束しながら被接合体を接合するので、加圧装置で加える荷重を被接合体に効率的に加えることができ、低い加圧圧力でも高い接合強度が得られる。

図１は、本発明の実施の一形態としての拡散接合方法を説明するための模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は（ａ）中、切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。

被接合体１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）を拡散接合により接合するとき、積層した被接合体１の外周全体を取り囲むように被接合体１の外壁面５と所定の隙間δを有した状態で金属板３（３ａ〜３ｎ）を配置する。この金属板３は、被接合体１の水平方向（積層方向と直交する方向）への変形量を拘束するための部材である。これらを加熱炉内（図示を省略）に設置し、加熱炉内を真空、例えば加熱炉内の圧力を１×１０⁻³ｔｏｒｒ（０．１３Ｐａ）〜１×１０^−５ｔｏｒｒ（０．００１３Ｐａ）とし、加熱しながらプレス装置（図示省略）を用いて被接合体１にのみ鉛直方向（積層方向）に荷重を加え、被接合体１を加圧する。なお、加熱炉内を真空とする代わりに加熱炉内を窒素ガスなどの還元性ガス雰囲気としてもよい。

被接合体１を鉛直方向に加圧すると、積層された被接合体１は、水平方向に膨張しようとするけれども、外周を取り囲むように金属板３が配置されているので、水平方向への膨張が拘束される。この結果、拡散接合後の被接合体１の変形量が非常に少ない。また、プレス装置（図示省略）で加える荷重が逃げることなく積層した被接合体１に加わり、低い加圧圧力で効率的に接合することができる。低い加圧圧力で拡散接合が可能となることから、拡散接合後の被接合体１の変形量をより少なくすることができる。また低い加圧圧力で拡散接合を可能としたことにより、特殊な加圧装置又は特殊な治具を用いることなく、汎用的な加圧装置を使用して拡散接合を行なうことができる。

この結果、例えば積層金型のように被接合体である金属板に冷却水路を加工した後、積層、拡散接合する場合にあっては、拡散接合後の被接合体中の冷却水路の位置が接合前の位置と殆ど変わらないので、これらを形状加工した後の金型において冷却水路を所定の位置に高精度に配置することができる。

ここで使用可能な被接合体１は特定の種類の材料に限定されるものではなく、例えば炭素工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼などの鉄鋼材料、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの非鉄金属材料などが例示される。特に線膨張係数の高い材料に好適に使用することができる。被接合体１の外壁面５全体を囲むように配置する金属板３も特定の材料に限定されるものではない。被接合体１の外壁面５全体を囲むように配置する金属板３に代え金属ブロックを用いてもよいけれども、加工の容易性、コスト、取り扱い性を考えれば板材が好ましい。

被接合体１の外壁面５全体を囲むように配置する金属板３と被接合体１との隙間δは、被接合体１に加える荷重、それに伴う変形量及び被接合体１、配置する金属板３の熱膨張を考慮し適宜決定すればよく、隙間δを例示すれば１〜２ｍｍ程度である。被接合体１の外壁面５全体を囲むように配置する金属板３と被接合体１とが接触し接合するおそれがあるような場合には、金属板３の内壁面７にボロン粉末のような離型剤を塗布してもよい。

上記のように本発明の拡散接合方法の特徴は、加圧装置により一軸方向にのみ加圧する拡散接合方法において、加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束しながら被接合体を接合する点にあり、加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束する拘束手段は、上記の金属板３又は金属ブロックに限定されるものではない。なお被接合体が例えばパイプのような形状であって内側に大きな空間を有する場合には、外側への変形量と共に内側への変形量を拘束しながら被接合体を接合する。

実施例１
材料に銅Ｃ１０２０を用い、次の要領で拡散接合を行なった。
被接合体１として幅１００ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ２０ｍｍの銅板５枚を用い、それぞれの銅板に銅板を貫通しない溝の加工、及びこの溝の端部に貫通孔を加工した。さらに対角線上の２角にこれら銅板を積層する際に使用する位置決め用の貫通孔を設けた。なおこの５枚の銅板を所定の順番に積層接合することで、溝が連通し冷却水路が形成される。この銅板の接合面を研磨、脱脂した後に積層し、積層した被接合体１の外壁面５全体を囲むように金属板３を配置した。ここでは厚さ６ｍｍの熱間圧延鋼板を使用した。このとき銅板と熱間圧延鋼板との隙間δを約１ｍｍとした。これらを拡散接合炉にセットし、拡散接合炉の圧力を１×１０^−４ｔｏｒｒ（０．０１３Ｐａ）とした後、銅板にのみ鉛直方向にプレス装置を用いて１０ＭＰａの圧力で加圧した。加熱は次の要領で行なった。拡散接合炉内の圧力を１×１０^−４ｔｏｒｒに保持し、銅板を加圧した状態で、約２時間で室温から８００℃まで昇温した後、８００℃で１時間保持し、その後拡散接合炉内で自然放冷した。

実験の結果、接合強度に優れた被接合体が得られた。具体的には、次の項目（１）変形量、（２）冷却水路からの水の漏洩、（３）接合強度の評価を行なった。変形量は、拡散接合前の幅Ｌ_０（１００ｍｍ）に対する拡散接合後の最大の幅Ｌの比Ｌ／Ｌ_０で行なった。変形量Ｌ／Ｌ_０は、１．０２であった。冷却水路からの水の漏洩は、冷却水路に加圧ポンプで０．７ＭＰａの水圧を加えその状態を３０分間保持し、目視による水の漏洩確認、圧力変化を測定した。その結果、水の漏洩は全くなかった。接合強度は、接合後の被接合体から接合部が含まれるように１８．２ｍｍ×１４．３ｍｍ×９９．３ｍｍの大きさのテストピースを切出し、このテストピースの引張試験を行なうことで評価した。この結果、破断応力（引張強度）は１６．２５ｋｇｆ／ｍｍ^２であり、破断箇所は接合部でなく母材であった。

実施例２，比較例１，２
拡散接合条件を変化させ、実施例２及び比較例１、比較例２を実施した。接合条件及びその結果を表１に示した。比較例１、比較例２は、被接合体１の外壁面５全体を囲むように配置する金属板３が配置されていない。
表１に示すように、加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束することで、変形量が少なくかつ接合強度の高い接合体が得られた。一方、加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束しない条件では、接合強度を高くすると変形量が大きく、逆に変形量を抑制するために加圧圧力を小さくすると接合強度が低下した。

本発明の実施の一形態としての拡散接合方法を説明するための模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は（ａ）中、切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。

符号の説明

１被接合体
３金属板
５被接合体の外壁面
７金属板の内壁面

Claims

被接合体に対し、加圧装置により被接合体の積層方向にのみ加圧する拡散接合方法において、
加圧方向と直交する方向への被接合体の変形量を拘束しながら被接合体を接合することを特徴とする拡散接合方法。