JP2013522047A - 金属製基板の表面をろう付けするための方法 - Google Patents
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Abstract
概して不活性な金属酸化物層(18)を有する金属製基板(12)の表面(10)をろう付けするための方法(8)は、硬質金属工具を用いて前記金属製基板(12)を機械加工することによって前記金属製基板(12)の前記表面(10)を活性化させるステップと、前記表面(10)上に活性化用材料の粉末にした粒子(14)をグリットブラスティングするステップと、ろう付け温度においてフィラー材料(16)で、金属製基板(12)の前記グリットブラスティングした表面(10)を濡らすステップであり、前記活性化用材料が前記ろう付け温度において前記金属酸化物層(18)と容易に反応する濡らすステップとを含む。
Description
本発明は、金属製基板の表面のろう付けに関する。より詳細には、本発明は、概して不活性な金属酸化物層を含む前記金属製基板の前記表面のろう付けに関する。
ろう付けは、フィラー材料が溶融温度まで加熱され、毛細管作用によって金属製基板の表面全面にわたって分配されるプロセスである。フィラー金属は、前記基板全面にわたって分配される前に、それ自体の溶融温度よりもわずかに高温にされる。フィラー金属は、前記金属製基板の前記表面を濡らし、次いで急速に冷却され、金属製基板をろう付けする。
金属製基板が、金属、例えば、とりわけアルミニウムまたはチタンを含有することがある。一般に、金属製基板の表面が大気に曝されると、表面は、大気と反応して、金属製基板の表面上に不活性な金属酸化物層(例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、または酸化クロム)を形成する。不活性層は、前記フィラー材料と前記金属製基板の前記表面との適正な濡れを妨げる。これは、接合する表面の流動性および濡れの欠如に起因する不均一で弱いろう付けを引き起こす。
既知の解決策によれば、金属製基板の表面は、前記金属製基板の表面をミリングすることまたは研磨することのいずれかによって硬質金属工具により機械加工される。これは、金属製基板の前記表面から不活性な金属酸化物層を除去し、したがってフィラー材料で適正に濡れるように表面を活性にさせる。しかし、機械加工した表面が大気に曝されると不活性な酸化物層がすぐに形成されることが欠点である。
1つの別の一般に知られた方法は、不活性な酸化物層と容易に反応し、前記酸化物層を溶解し、金属製基板の表面を活性にさせるリン、ホウ素、およびケイ素のような元素を有するフィラー材料を使用することである。しかしながら、現在のろう付け技術では、ろう付け接合部内に有害な脆性相の形成を回避するまたは少なくとも最小にするために、フィラー材料中でのこれらの元素の使用が、かなり減少してきている。
ろう付け表面の流動性および濡れ性を改善するために、概して不活性な金属酸化物層を含む金属製基板の表面をろう付けするための改善した技術を提供することが、本発明の目的である。
この目的は、請求項1に記載の方法によって達成される。
本発明の基礎となる着想は、表面上に活性化用材料の粉末にした粒子をグリットブラスティングするステップによりろう付け表面を活性化させることによって、ろう付けしようとする表面(すなわち、金属製基板の表面)のフィラー材料の濡れ性および流動性を改善することである。活性化用材料は、ろう付け温度においてそれ自体の構成成分に分裂し、金属酸化物層を解体または溶解し、これによってかなりの程度まで下にある基板の濡れを可能にする触媒として作用する。
一実施形態によれば、本方法は、前記グリットブラスティングするステップに先立って、金属工具を用いて前記金属製基板を機械加工することによって前記金属製基板を活性化させるステップをさらに含む。そのように機械加工することは、活性化用材料をグリットブラスティングするステップの前に余分な前記酸化物層を除去するために役立ち、したがって、前記表面の迅速な活性化をもたらす。
さらに別の一実施形態によれば、ろう付け温度における反応性を高めるために、炭化ケイ素(SiC)が、活性化用材料として使用される。
例示的な一実施形態によれば、前記表面上への活性化用材料の前記粉末にした粒子をグリットブラスティングするステップが、3バール〜6バールの間の圧力で行われる。かかる加圧したグリットブラスティングするステップは、前記表面上への活性化用材料のグリット粒子の最適な堆積をもたらす。
1つの別の実施形態によれば、ろう付け温度が、900℃から1260℃の範囲内に保たれる。これは、濡れのためにフィラー材料を溶融させるために十分な熱を与え、前記不活性な酸化物層に対して前記活性化用材料を容易に反応させるために活性化用材料を分解するための熱を与えることに役立つ。
さらに別の一実施形態によれば、フィラー材料は、前記フィラー材料の融点を低下させるために、ホウ素、ケイ素、およびリンのうちの少なくとも1つを含む。
別の一実施形態によれば、フィラー材料は、金属製基板の表面の適正な濡れのために、かかるフィラー材料として、ニッケルおよび鉄のうちの少なくとも1つを含む。
例示的な実施形態によれば、金属製基板は、アルミニウムまたはチタンまたはクロムまたはこれらの組み合わせを含む。
例示的なろう付け方法8が、図1に示される。図1に示したろう付け方法8が、図2に図示した概して不活性な金属酸化物層18を有する金属製基板12の表面10をろう付けするために使用されることがある。
一般に、前記金属製基板12の前記表面10が大気に曝されると、これが、表面10上に金属酸化物層18の即座の形成をもたらす。例えば、金属製基板がアルミニウムおよび/またはチタンを含む場合には、大気に曝されることが長くなると、対応するアルミニウム酸化物層/チタン酸化物層18が表面10上に形成される。この層18は、本質的に概して不活性であり、したがって、ろう付けが前記表面10上に行われるときに、酸化物層18は、前記フィラー材料で前記表面10が適正に濡れることを制限する。
図1に例示した方法8は、ステップ2、4および6を含み、これらは、理解のために、図2の説明を参照して論じられる。それゆえ、下記の議論は、図1および図2の両方を相互参照することを含む。
表面10を活性化させるために、方法8(図1)は、概して不活性な金属酸化物層18の余分なものを除いて前記表面10を清浄にするために、金属の表面10が機械加工される都合の良いステップ2を含む。ステップ2(図1)における機械加工することが、硬質金属工具を用いて前記表面10をミリングまたは研磨することによって実行されることがある。硬質金属工具は、例えば、炭素および溶融したコバルトまたはニッケルと混合した微粉化したタンタル、チタン、タングステン、またはバナジウムから作られる金属炭化物を含むことができる。あるいは、機械加工することは、クロム、タングステン、コバルトまたはバナジウムを有する高速度鋼によって行うことができる。さらに別の一実施形態では、機械加工することは、金属製基板12の前記表面10を機械加工することの間に発生した暗赤熱において硬いままである任意の金属工具によって行うことができる。
方法8(図1)のステップ4においては、活性化用材料の粉末にした粒子14が表面10上にグリットブラストされる。ここで使用するグリットブラスティングという用語は、活性化用材料の粒子14を金属製基板12の表面10へと衝突させるろう付けの前の表面準備プロセスを呼ぶ。ろう付け温度での引き続くろう付け操作中に、ろう付け表面10の流動性および濡れ性を改善するために、活性化用材料がそれ自体の構成成分へと分離し、不活性な金属酸化物層18を解体または溶解するために反応するように、活性化用材料が選択される。好ましい一実施形態では、ろう付け温度における反応性を高めるために、活性化用材料は、炭化ケイ素(SiC)である。あるいは、活性化用材料は、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ケイ素(SiO2)、酸化チタン(TiO2)またはろう付け温度において前記酸化物層18に対して容易に反応する任意の他の材料を含むことができる。
例示的な実施形態では、図1のステップ4において、前記活性化用材料の粒子14が、ある圧力で推し進められ、前記金属製基板12の表面10上へと吹き付けられることがある。粒子14が、圧縮空気を使用して推し進められることがある。あるいは、金属製基板12の前記表面10上に前記粒子14を堆積させるために、圧縮空気が、任意の他の圧縮ガスまたは加圧された流体で置き換えられることがある。さらに代替形態では、加圧された流体または圧縮ガスが、前記活性化用材料16に加えて、前記ろう付け温度において酸化物層18に対してやはり容易に反応することがある。好ましい実施形態では、グリットブラスティング用の圧力は、表面10上へのグリット粒子14の最適な堆積のために、3〜6バールの間で維持される。
図1のステップ6は、ろう付け温度においてフィラー材料16で金属製基板12のグリットブラストした表面10を濡らすステップを含む。フィラー材料16は、一般に、例えば、ニッケルおよび/または鉄を含む金属成分を有する。しかしながら、フィラー材料16は、融点を低下させ、フィラー材料の濡れ性を高めるように働く、ホウ素またはリンまたはケイ素とそれらの化合物をさらに含むことができる。ホウ素またはリンまたはケイ素との化合物の量は、前記フィラー材料16の融点を低下させ、それにより前記フィラー材料16が前記ろう付け温度で溶融するのに十分な程度とすることができる。フィラー材料を溶融させるために十分なろう付け温度まで、フィラー材料16は、加熱され、前もってグリットブラストした表面10と接触する。熱いフィラー材料16が表面10と接触すると、フィラー材料が表面を溶解し且つ侵入する金属溶解作用が生じる。この金属溶解作用が、濡れと呼ばれる。
本発明の技術的な効果は、ろう付け温度において、活性化用材料の粉末にした粒子14が、酸化物層18を分解または溶解するように反応し、したがってフィラー材料16による表面10の濡れを促進させ、それにより、冷却されたときろう付け表面が形成されることである。好ましい実施形態では、ろう付け温度が、900℃と1260℃との間に維持される。
図3Aは、表面の事前のグリットブラスティングが実行されない従来のろう付けするステップの後の前記金属製基板12のろう付けした表面20の組織を図示する。図3Aに示したように、ろう付けした表面20は、表面10の不十分な濡れのために、脆い多孔質構造22を含む。多孔質構造22は、ろう付けした表面の強度および電気的特性を低下させる。
図3Bは、上に論じたようにろう付けしようとする表面をグリットブラスティングするステップを含む本発明にしたがったろう付けするステップの後の前記金属製基板12のろう付けした表面20の組織を図示する。見られるように、このケースではろう付けした表面20の組織は、多孔質が減少した構造24を有し、これが、ろう付けした表面の強度および電気的特性を維持する。濡れの間に、前記活性化用材料のすべての粒子が前記酸化物層を溶解するために利用されるので、ろう付けした表面20は、やはり、いかなる使い切っていない活性化用材料もない。
8 ろう付け方法
10 表面
12 金属製基板
14 粉末にした粒子
16 フィラー材料
18 酸化物層
20 ろう付けした表面
22 多孔質構造
24 多孔質が減少した構造
10 表面
12 金属製基板
14 粉末にした粒子
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22 多孔質構造
24 多孔質が減少した構造
Claims (8)
- 金属製基板(12)の表面(10)をろう付けするための方法(8)であって、前記表面(10)が概して不活性な金属酸化物層(18)を含み、
前記表面(10)上に活性化用材料の粉末にした粒子(14)をグリットブラスティングするステップと、
ろう付け温度においてフィラー材料(16)で前記金属製基板(12)の前記グリットブラスティングした表面(10)を濡らすステップであり、前記活性化用材料が前記ろう付け温度において前記金属酸化物層(18)と容易に反応する、ステップと
を含む方法(8)。 - 前記グリットブラスティングするステップに先立って、前記金属製基板(12)を機械加工することによって前記金属製基板(12)を活性化させるステップ
を含む、請求項1に記載の方法(8)。 - 前記活性化用材料が、炭化ケイ素(SiC)である、請求項1または2に記載の方法。
- 前記表面(10)上に前記活性化用材料の前記粉末にした粒子(14)の前記グリットブラスティングするステップが、3バールから6バールの範囲内の圧力で行われる、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法(8)。
- 前記ろう付け温度が、900℃から1260℃の範囲内である、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法(8)。
- 前記フィラー材料(16)が、ホウ素、ケイ素、およびリンまたはこれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法(8)。
- 前記フィラー材料(16)が、ニッケルまたは鉄のうちの少なくとも1つを含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法(8)。
- 前記金属製基板(12)が、アルミニウムまたはチタンまたはクロムまたはこれらの組み合わせを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法(8)。
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