JP2010149175A - ニッケル合金材のろう付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができる、ニッケル合金材のろう付け技術の提供を課題とする。
【解決手段】２枚のニッケル合金材１１、２１をろう付けする際に、これらの２枚のニッケル合金材１１、２１のそれぞれのろう付け面に、予めニッケル粉末１４を用いてブラスト処理を施すことを特徴とする。
【効果】ニッケルはろう材２８に対して高いぬれ性を有する。これにより、ブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のニッケル合金材をろう付けする、ニッケル合金材のろう付け方法に関する。

ニッケル合金材のうち、例えばニッケル基耐熱合金は、航空機のエンジン部品の素材として用いられる。エンジン部品を製造する場合に、ニッケル合金材のパーツ同士を接合することがあり、このような場合の接合方法の一つとして、ろう付けが行われる。

ろう付けを行う場合、ニッケル合金材のろう付け面に予めニッケルめっきを行い、めっきを行った上でろう付けを行うことが知られている（例えば特許文献１参照。）。
特開平１０−５９９５号公報（第２頁）

即ち、特許文献１の段落番号［０００８］第１行から第２行には、「接合部分に、予めめっきを行った後に、ろう付けすることも行われているが、」との記載がある。

しかし、めっき処理を行うとめっき廃液が生じる。この廃液を処理するには、高額の処理費用が発生するため、製造コストが嵩む。このため、めっきに代わる前処理技術が種々提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−３１５７４号公報（請求項１）

特許文献２の［請求項１］によれば、「重量％で、Ｔｉ：１．５％以上、Ａｌ１．５％以上含む析出硬化型Ｎｉ基耐熱合金部材を、Ｎｉろう材又はＣｏろう材を用いてろう付する場合、ろう付面を粒径５００μｍ以下の微細なガラス粉末又はセラミックス粉末によって乾式ブラストを行った後、Ｎｉろう材又はＣｏろう材を塗布し、その後９５０℃以上の温度で５分以上の時間、５×１０^−５ｍｍＨｇより高真空中で加熱することを特徴とするＮｉ基耐熱合金のろう付方法。」とある。

即ち、特許文献２によればろう付けを行う際の前処理として、ガラス粉末又はセラミックス粉末を用いてブラスト処理を行う。ブラスト処理によれば、めっきの場合のように廃液が生じないため、環境を汚染することなく前処理を行うことができる。

しかし、本発明者が調べたところ、ガラス粉末又はセラミックス粉末によるブラスト処理を行った場合のぬれ性が、ニッケルめっきを行った場合のぬれ性に比べて低いことが分かった。

ブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができる、ニッケル合金材のろう付け技術の提供が望まれる。

本発明は、ブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができる、ニッケル合金材のろう付け技術の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、複数のニッケル合金材をろう付けする際に、これらの複数のニッケル合金材のそれぞれのろう付け面に、予めニッケル粉末を用いてブラスト処理を施すことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、ニッケル合金材は、チタン又はアルミニウムを含み、表面にチタンの酸化膜又はアルミニウムの酸化膜を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載のニッケル合金のろう付け方法であって、ろう付けの際に用いられるろう材は、ペースト状であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ニッケル合金材のろう付け面に、ニッケル粉末を用いてブラスト処理を施す。ブラスト処理は、母材としてのニッケル合金へブラスト材としてのニッケル粉末を高速で投射させて、母材の表面に微細な凹凸を形成するが、この際、母材とブラスト材とが同種であるため、母材表面のニッケル濃度が高くなる。これは母材表面にメカニカルアロイ状の層が形成されるためである。この高濃度ニッケル層によりろう材のぬれ性を高めることが期待される。この結果、ニッケルブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができる。

請求項２に係る発明では、ニッケル合金材は、表面にチタンの酸化膜又はアルミニウムの酸化膜を有する。酸化膜を表面に有すると、ろう材のぬれ性が低下する。このような酸化膜を、ブラスト処理により除去することができる。酸化膜の除去を行うことにより、ろう付け面に直接ろうを配置することができ、ろう材のぬれ性が向上する。

請求項３に係る発明では、ペースト状のろう材を用いる。ペースト状のろう材であれば、使用するろう材の量を任意に調整することができる。ろう材の量を調整することにより、ニッケル合金材に挟まれるろう材の厚さも調整することができ、生産性を高めることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係るブラスト処理を説明する図であり、（ａ）に示すように、２枚のニッケル合金材１１、２１を準備する。ニッケル合金材１１、２１は、表面に酸化膜１２、２２を有する。この酸化膜１２、２２は、ニッケル合金材１１、２１に含まれるチタン又はアルミニウムに大気中の酸素が付着して形成される。即ち、酸化膜１２、２２は、ＴｉＯやＡｌ_２Ｏ_３である。

次に（ｂ）において、ニッケル粉末（純度９９％）１３、２３を投射するブラストガン１４、２４を準備する。次に、ニッケル合金材１１、２１のろう付け面１５、２５に、ブラストガン１４、２４を用いてブラスト処理を行う。なお、酸化膜１２、２２は、ニッケル粉末を高速で投射させることにより、ニッケル合金材（母材）１１、２１から除去することができる。酸化膜１２、２２がなければ、後述のろう材を直接ニッケル合金材１１、２１に接触させることができ、ぬれ性の向上を図ることができる。

（ｃ）は（ｂ）のｃ部拡大図であり、母材としてのニッケル合金材１１、２１へブラスト材としてのニッケル粉末（（ｂ）符号１３、２３）を高速で投射させると、ニッケル合金材１１、２１の表面に微細な凹凸２６が形成される。この際、ニッケル合金材１１、２１とブラスト材とが同種であるため、母材表面のニッケル濃度が高くなる。これは母材表面にメカニカルアロイ状の層が形成されるためである。この高濃度ニッケル層２７によりろう材のぬれ性を高めることが期待される。この結果、ブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができる。

また、微細な凹凸２６を有することにより、ろうとの接着面積を広くすることができ、ぬれ性の向上が図られる。
次に、ろうを配置する。詳細は次図で説明する。

図２は本発明に係るろう付け方法を説明する図であり、（ａ）に示すように、ニッケル粉末（図１（ｂ）、符号１４）が吹付けられたニッケル合金材１１のろう付け面１５、２５に、ペースト状のろう材２８をディスペンサ２９を用いて塗布する。ろう材２８を塗布した後、ニッケル合金材２１のろう付け面２５がろう材２８の上面に配置されるよう、矢印で示すようにニッケル合金材２１を移動させる。

ところで、ろう材２８はペースト状の他、シート状、アモルファスシート状、ワイヤー状のろう材等任意のろう材を用いることができる。
シート状のろう材を用いた場合は厚さの管理が容易であり、作業効率が上がる。
一方、ペースト状のろう材２８を用いた場合は、使用するろう材２８の量を任意に調整することができる。ろう材２８の量を調整することにより、ニッケル合金材１１、２１に挟まれるろう材２８の厚さも調整することができ、生産性を高めることができる。

次に、（ｂ）に示すように、ニッケル合金材１１とニッケル合金材２１でろう材２８をサンドイッチした形態で、真空加熱炉等の炉３３の中に入れ、真空雰囲気中で加熱する。加熱が終了したら、炉３３の中からニッケル合金合板３４を取り出す。
（ｃ）に示すように、このようにしてニッケル合金合板３４は完成する。

このようにして完成したニッケル合金合板３４の特性を調べるために、次に述べる実験を行った。
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

図３は実験の方法を説明する図であり、（ａ）に示すように、めっき又はブラスト処理を施してなる前処理部４１を有するニッケル合金材の基材４２と、同様の前処理部４３を有するニッケル合金材の基材４４とを準備する。そして、基材４２を立て、前処理部４１と４３とがＷだけ離れ且つＬだけ重なるようにして、基材４４を沿わせ、コーナー部分に図示するようにろう材４５を載せる。
この状態で、真空加熱炉に入れ、７×１０^−２Ｐａ以上で１０６０℃の条件で加熱し、１０６０℃に到達したら５分間保持する。これで、ろう材４５が流動化し、隙間Ｗを埋める。
結果、（ｂ）に示すサンプル４０を得ることができる。

なお、基材４２、４４の厚さは１．０ｍｍ、縦寸法は５５ｍｍ、横寸法は１５ｍｍであり、隙間Ｗは０．０５ｍｍ、長さＬは９ｍｍとする。

以下、参考例１〜２、比較例１〜２及び実施例１について、詳しく説明する。
○参考例１：
・基材の材質：インコネル７１８

・前処理：基材の両面に電気Ｎｉめっき（膜厚保５μｍ）を施した。
・ろう材：ＢＮｉ−２

以上の条件により、図３（ｂ）に示すサンプル４０を得ることができた。このサンプル４０を対象に、充填率、ぬれ性、変形及び廃液環境を調べる。これらのうちで、充填率は次の要領で測定する。

図４は充填率の測定方法を説明する図であり、（ａ）に示すように、サンプル４０のＸ線写真を撮影する。このとき、影４８、４９が写ることがある。これは、濡れが生じなかった場所であり、この影４８、４９の面積ｃ１、ｃ２を測定する。面積ｃ１、ｃ２を測定後、これらの面積の和ｃを求める。即ちｃ＝ｃ１＋ｃ２。

テストピースの表面積ａ×ｂのうち、影４８、４９の面積の和ｃを除いた場所は、ろうが充填された場所である。即ち、ａ×ｂ−ｃがろうの充填されている面積である。これから、表面積ａ×ｂに対して、どの位ろうが充填されたか充填率を計算する。即ち、充填率＝（ａ×ｂ−ｃ）／（ａ×ｂ）×１００（％）。充填率が９０％を超える場合に、そのテストピースのぬれ性は、合格となる。

（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図であり、影４９となっている部分は、ろうが充填されず、空洞化している。したがって、この部分の面積を計測することにより、充填率を計測することができる。

（ｃ）は、（ｂ）のｃ部拡大図であり、充填率の計測の他に、変形が生じているかについても観察を行う。ブラスト処理を行った際に、例えば、母材に反りが生ずる等、ニッケル合金材４２、４４に変形５１、５２が生ずることがある。この変形５１、５２が視認できない場合は、合格となる。

参考例１の評価を次表に示す。

参考例１では、両面ニッケルめっきを行ったところ、充填率は１００％であり、基準となる９０％を超えたため、ぬれ性は合格であり、変形も生じなかったため合格である。しかし、参考例１では、めっきの際に廃液が生じ、環境性が悪いため、不合格となり、全体の評価も不合格となる。

○参考例２：
参考例２は、表３に示す通りに、前処理条件を片面Ｎｉめっきに変更した。その他は参考例１と同一であるから、説明を省略する。

参考例２では、片面ニッケルめっきを行ったところ、充填率は１００％であり、基準となる９０％を超えたため、ぬれ性は合格であり、母材の変形も生じなかったため合格である。しかし、参考例２では、めっきの際に廃液が生じ、環境性が悪いため、不合格となり、全体の評価も不合格となる。

○比較例１：
比較例１は、参考例１からめっき処理を省いた。すなわち、前処理なしとした。その内容と結果と評価を次表に示す。

比較例１ではめっき処理を省いたために、充填率が６５％となり、評価は不合格となった。

○比較例２：
比較例２は、前処理としてＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末を基材に施した点が、比較例１と異なる。Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末の成分は次の通りである。

このようなＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末を次の条件で基材へ投射（噴射）する。
噴射圧力：７ｋｇ／ｃｍ^２
噴射距離：１５ｃｍ
噴射角度：４５°
被覆率：３００％

比較例２では、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末ブラストを施したにも拘わらず充填率は６５％に留まり、その上に、視認できるほど母材が変形したため不合格である。従って、比較例２の評価は不合格である。

○実施例１：
実施例１では、比較例２のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末ブラストを純ニッケルブラストに変更した。ブラスト材としてのニッケル粉末の成分は次の通りである。

ブラスト処理の条件は次に示すように、比較例２と同一にした。
噴射圧力：７ｋｇ／ｃｍ^２
噴射距離：１５ｃｍ
噴射角度：４５°
被覆率：３００％

実施例１では、充填率が９５％で合格であり、視認できるほどの母材の変形もなかったため合格である。従って、実施例１では、全体の評価が合格となる。

比較例２の前処理で用いたＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末は、複数の金属が結合したものであり、粒径が大きく、粉末が硬い。このようなＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末を高速で投射することにより、母材の表面に応力が残留し、母材が変形したものと考えられる。
一方、実施例１の前処理で用いたニッケル粉末は、粒径が小さく、粉末が柔らかい。粒径が小さく、粉末が柔らかいため、ニッケル粉末を高速で噴射しても、母材の表面は視認できるほどに変形しなかったものと考えられる。

比較例２では、視認することができる程度に母材が変形した。さらに母材表面のＮｉ濃度が高くなったが為に、前処理を行わなかった比較例１とろう材の充填率が同じであったものと考えられる。実施例１では、このような変形がなく、母材と同種のニッケルがメカニカルアロイングすることにより、ぬれ性が高まったものと考えられる。即ち、以下のことがいえる。

ブラスト処理は、母材としてのニッケル合金へブラスト材としてのニッケル粉末を高速で投射させて、母材の表面に微細な凹凸を形成するが、この際、母材とブラスト材とが同種であるため、母材表面のニッケル濃度が高くなる。これは母材表面にメカニカルアロイ状の層が形成されるためである。この高濃度ニッケル層によりろう材のぬれ性を高めることが期待される。この結果、ニッケルブラスト処理による前処理を行った場合であっても、ニッケルめっきを行った場合と同等のぬれ性を確保することができたものと考えられる。

本発明者らは、更に実験を行った。この実験を第２実験とする。第２実験について以下説明する。
図５は第２実験について説明する図であり、（ａ）に示すように、横幅ｂ（ｂ＝５０ｍｍ）、縦幅ｅ（ｅ＝５０ｍｍ）、厚さｆ（ｆ＝２．０ｍｍ）のニッケル合金材の基材５３を準備する。準備した基材５３の上面に、０．１（ｇ）のペースト状のＢＮｉ−２ろう材５４を載せる。

この状態で、真空加熱炉に入れ、７×１０^−２Ｐａで１０００℃の条件で加熱し、１０００℃に到達したら１０分間保持する。これでろう材５４が流動化し、略円形状（放射状）に広がる。

次に（ｂ）に示すように、このような条件で作成された略円形状のろう材５４の大きさを任意の２点ｘ、ｙで計測する。次に、これらのｘ、ｙの平均値、即ち（ｘ＋ｙ）／２を計算し、ろう材５４が直径（ｘ＋ｙ）／２の正円であるものとして、ろう材５４の面積Ｓを計算する。

以下参考例３、実施例２、実施例３、比較例３について詳しく説明する。
○参考例３
・基材の材質：インコネル７１８
・前処理：なし
・ろう材：ＢＮｉ−２

参考例３の評価を次表に示す。

参考例３では、前処理を行わずにろう付けを行ったところ、幅ｘが７．５３ｍｍ、幅ｙが７．４３ｍｍ、これらの平均（ｘ＋ｙ）／２が７．４８ｍｍ、ろう材の面積Ｓが４３．９４ｍｍ^２であった。

実施例２、実施例３、比較例３では、参考例３のろう材の面積Ｓ（Ｓ＝４３．９４ｍｍ^２）を１００％として、これに対し１１０％以上の値を得ることができた場合はぬれ性がいいものとして合格の評価を与える。

実施例２では、参考例３と同じ基材、ろう材を用いて、純Ｎｉ粉末ブラストによる前処理を行い、前処理を行った直後にろう材を載せ、ろう付けを行った。
ブラストの条件は以下の通り。
・噴射圧力：６ｋｇ／ｃｍ^２
・噴射距離：１５ｃｍ
・被覆率：４００％

実施例２では、ろう材の面積Ｓが５５．１５ｍｍ^２であり、この値は対参考例３で１２５．５％であった。従って、評価は合格となる。

実施例３では、参考例３と同じ基材、ろう材を用いて、純Ｎｉ粉末ブラストによる前処理を行い、前処理後に４８時間放置した後にろう材を載せ、ろう付けを行った。その他の条件は実施例２と同様。

実施例３では、ろう材の面積Ｓが５５．９５ｍｍ^２であり、この値は対参考例３で１２７．３％であった。従って、評価は合格となる。

比較例３では、参考例３と同じ基材、ろう材を用いて、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）粉末ブラストによる前処理を行い、前処理を行った直後にろう材を載せ、ろう付けを行った。
ブラストの条件は以下の通り。
・噴射圧力：５ｋｇ／ｃｍ^２
・噴射距離：１５ｃｍ
・被覆率：４００％

比較例３では、ろう材の面積Ｓが４４．７７ｍｍ^２であり、この値は対参考例３で１０１．９％であった。従って、評価は不合格となる。

図６は第２実験の結果を説明するグラフであり、縦軸に対参考例３の面積Ｓを示し、横軸にそれぞれの実験例を示す。
ニッケル粉末を用いて前処理を行った実施例２、３では、対参考例３で１２５．５％、１２７．３％と大幅に１１０％を超えた。

また、実施例２と実施例３とではほとんど値が変わらず、前処理後に一定時間（本実験では４８時間）放置した場合であっても、本発明の効果を得ることができることが分かる。
比較例３では、対参考例３で１０１．９％と比較例３と大差ない結果となった。即ち、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を用いてブラストを行っても、ろうのぬれ性が向上することはなかった。

ニッケル粉末ブラストによる前処理を行った場合は、母材とブラスト材とが同種であるため、母材表面のニッケル濃度が高くなる。これは母材表面にメカニカルアロイ状の層が形成されるためである。この高濃度ニッケル層が安定しているために、前処理から４８時間経過後にろう付けを行った場合においても、表面のＮｉ濃化層により活性化層と直接空気中の酸素と触れることがなかったものと考えられる。これにより、基材表面が酸化膜に汚染されることなく、ろう材と基材の化学反応（拡散）が行われ濡れが促進したものと考えられる。

尚、本発明に係るニッケル合金のろう付け方法は、表面にチタンの酸化膜又はアルミニウムの酸化膜を有するニッケル合金を例に説明したが、これらを有しないニッケル合金に対しても適用可能である。

本発明のニッケル合金のろう付け方法は、航空機のエンジン部品に用いられるニッケル基耐熱合金のろう付けに好適である。

本発明に係るブラスト処理を説明する図である。 本発明に係るろう付け方法を説明する図である。 実験の方法を説明する図である。 充填率の測定方法を説明する図である。 第２実験について説明する図である。 第２実験の結果を説明するグラフである。

符号の説明

１１、２１…ニッケル合金材、１２、２２…酸化膜、１３、２３…ニッケル粉末、１５、２５…ろう付け面、２７…ニッケル高濃度層、２８…（ペースト状の）ろう材、３４…ニッケル合金合板。

Claims (3)

1. 複数のニッケル合金材をろう付けする際に、これらの複数のニッケル合金材のそれぞれのろう付け面に、予めニッケル粉末を用いてブラスト処理を施すことを特徴とするニッケル合金材のろう付け方法。
2. 前記ニッケル合金材は、チタン又はアルミニウムを含み、表面にチタンの酸化膜又はアルミニウムの酸化膜を有することを特徴とする請求項１記載のニッケル合金材のろう付け方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のニッケル合金のろう付け方法であって、
   ろう付けの際に用いられるろう材は、ペースト状であることを特徴とするニッケル合金材のろう付け方法。

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