JP2015110236A - ろう付構造体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】一対の金属部材を予め決められた接合部において接合することであるろう付構造体の製造方法を得る。【解決手段】配置工程において、予め決められた接合部24に金属粉末14の粉末集合体18が配置され、接合工程において、金属粉末14の粉末間にスラリー22が吸引され、金属粉末14にスラリー22に含まれるバインダが蒸発する。一対の金属板26、28が接合される際に、粉末集合体18を構成する金属粉末14が、支柱となる支柱効果を発揮するため、複合ろう材12が、一対の金属板26、28を予め決められた接合部24において接合することができる。【選択図】図1

Description

本発明は、金属部材と金属部材とを接合するために用いられるろう付構造体の製造方法に関する。
特許文献1には、基板とヒートシンクとをろう材で接合する際に、基板の接合界面に離型剤を配置する構成が記載されている。この離型剤によって、基板とヒートシンクとには接合されない非接合領域が形成され、この非接合領域を設けることでろう材で接合する際の熱応力を緩和するようになっている。
特開2008−235672号公報
しかし、従来の構成では、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の動きを制御することはできず、ろう材が金属部材との接合界面の外側へ流れ出てしまうことがある。これにより、一対の金属部材を予め決められた接合部において接合することができないことがある。
本発明の課題は、一対の金属部材を予め決められた接合部において接合することである。
請求項1に係るろう付構造体の製造方法は、一対の金属部材の接合部に金属粉末の集合体を配置する工程と、配置された前記集合体の隣りに、前記金属部材に拡散して前記金属部材と固着する接合ろう材を配置する程と、加熱することで、前記接合部に配置される前記集合体の前記金属粉末に前記接合ろう材を含浸させて複合ろう材とし、前記複合ろう材により一対の前記金属部材を接合する工程と、を備えることを特徴とする。
上記構成によれば、一対の金属部材の接合部に金属粉末の集合体が配置され、また、配置された金属粉末の隣りに、接合ろう材が配置される。さらに、加熱することで、接合部に配置された金属粉末に接合ろう材を含浸させて複合ろう材とし、この複合ろう材により一対の金属部材が接合される。
ここで、集合体を構成する金属粉末が、一対の金属部材を接合する際に、支柱となる支柱効果(スペーサ効果)を発揮するため、金属粉末の集合体の変形が抑制され、接合部に配置された金属粉末の集合体の形状と、複合ろう材の形状とが同様となる。換言すれば、一対の金属部材を予め決められた接合部において接合することができる。
請求項2に係るろう付構造体の製造方法は、請求項1に記載のろう付構造体の製造方法において、前記接合ろう材には、前記金属粉末の表面と共晶結合可能なろう材が用いられ、加熱することで、前記金属粉末に前記接合ろう材を含浸させる工程では、前記金属粉末の表面に前記接合ろう材が共晶結合することを特徴とする。
上記構成によれば、金属粉末の表面に接合ろう材が共晶結合することで複合ろう材が形成される。これにより、金属粉末の表面に接合ろう材が共晶結合しない場合と比して、複合ろう材の液相線温度が向上し、健全で、強固な接合界面を形成することができる。
請求項3に係るろう付構造体の製造方法は、請求項1又は2に記載のろう付構造体の製造方法において、前記接合部に前記集合体が配置される工程では、前記金属粉末の粉末同士を接着させるバインダと前記金属粉末が混合された前記集合体が前記接合部に配置されることを特徴とする。
上記構成によれば、金属粉末の粉末同士を接着させるバインダと金属粉末とが混合された集合体が接合部に配置される。これにより、集合体を接合部に配置する際の集合体の取り扱い(ハンドリング)を容易にすることができる。
請求項4に係るろう付構造体の製造方法は、請求項1又は2に記載のろう付構造体の製造方法において、前記接合部に前記集合体が配置される工程では、前記金属粉末を圧粉又は焼結させることで固まった状態の前記集合体が前記接合部に配置されることを特徴とする。
上記構成によれば、金属粉末を圧粉又は焼結されることで固まった状態の集合体が接合部に配置される。これにより、集合体を接合部に配置する際の集合体の取り扱い(ハンドリング)を容易にすることができる。
請求項5に係るろう付構造体の製造方法は、請求項1〜4の何れか1項に記載のろう付構造体の製造方法において、前記集合体の隣りに前記接合ろう材を配置する工程では、前記集合体を構成する前記金属粉末に対する、前記接合ろう材の体積比は、25%以上50%以下とされることを特徴とする。
上記構成によれば、金属粉末に対する、接合ろう材の体積比は、25%以上50%以下とされている。このため、複合ろう材内における組成偏析に起因した添加物(Si,P,Bなど)の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。
本発明によれば、一対の金属部材を予め決められた接合部において接合することができる。
(A)(B)(C)(D)第1実施形態に係るろう付構造体の製造方法を示した工程図である。 (A)(B)第1実施形態に係るろう付構造体の製造方法に用いられる金属板を示した斜視図である。 (A)(B)(C)(D)第2実施形態に係るろう付構造体の製造方法を示した工程図である。 (A)(B)(C)(D)第3実施形態に係るろう付構造体の製造方法を示した工程図である。 (A)(B)(C)(D)(E)第4実施形態に係るろう付構造体の製造方法を示した工程図である。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係るろう付構造体の製造方法の一例について図1〜図2を用いて説明する。なお、図中に示す矢印UPは、鉛直方向の上方を示す。
先ず、ろう付構造体の製造方法によって製造されるろう付構造体10について説明し、次に、ろう付構造体の製造方法について説明する。
(ろう付構造体)
ろう付構造体10は、図1(D)に示されるように、一対の金属板26、28(金属部材の一例)と、この一対の金属板26、28を接合する複合ろう材12とを含んで構成されている。
〔金属板〕
図2(A)(B)に示されるように、金属板26は、金属板28に対して上方に配置され、金属板26の一方向(図中左右方向)の両端側の部分は、下方に向けて折り曲げられ、折り曲げ部27が形成されている。これに対して、金属板28の一方向(図中左右方向)の両端側の部分は、上方に向けて折り曲げられ、折り曲げ部29が形成されている。
また、図1(A)、図2(B)に示されるように、金属板26の折り曲げ部27の端部27Bと、金属板28の折り曲げ部29の内側を向いた板面29Aとが接している。そして、金属板26の折り曲げ部27の外側を向いた板面27Aと、金属板28の折り曲げ部29の内側を向いた板面29Aとで挟まれる空間が、一対の金属板26、28を接合する接合部24(設計上予め決められた接合空間)とされている。複合ろう材12が、図1(D)に示されるように、この接合部24全域に亘って配置されている。
なお、本実施形態では、金属板26、28として、ステンレス鋼板(SUS鋼板)が用いられている。
〔複合ろう材〕
複合ろう材12は、金属粉末14と夫々の金属板26、28に拡散して固着する接合ろう材16とを含んで構成されている。
接合ろう材16は、ステンレス製の金属板26に対して融点が低く、さらに、金属板26と共晶結合可能なものが用いられる。接合ろう材16として、Ni基(ニッケル)ろう材、Fe基(鉄)ろう材、Ag基(銀)ろう材、又はTi基(チタン)ろう材を用いることが可能であるが、本第1実施形態では、接合ろう材16としてNi基(ニッケル)ろう材が用いられている。
一方、金属粉末14は、本第1実施形態では、金属板26と同様の組成であるステンレス鋼の粉末が用いられ、ろう付温度で、接合ろう材16が、金属粉末14に含浸して金属粉末14の表面に共晶結合するようになっている。なお、金属粉末14としては、一例として、粒径10〜45〔μm〕の粉末が用いられる。
つまり、複合ろう材12は、ステンレス鋼の粉末である金属粉末14にNi基のろう材である接合ろう材16が、ろう付温度で共晶結合することで形成されるようになっている。さらに、この複合ろう材12においては、金属粉末14に対する接合ろう材16の体積比は、25%以上50%以下とされている。なお、この体積比については、重量と真密度との関係から算出することで、測定することができる。
(ろう付構造体の製造方法)
ろう付構造体の製造方法についは、一対の金属板26、28の接合部24に金属粉末14の集合体の一例としての粉末集合体18等を配置する配置工程と、金属板26と金属板28とを接合する接合工程と、によって説明する。
〔配置工程〕
配置工程では、図1(A)(B)に示されるように、一対の金属板26、28を接合させる接合部24に金属粉末14の粉末集合体18(一例として厚さ90〔μm〕)が配置される(粉末配置工程)。さらに、図1(C)に示されるように、この粉末集合体18と接するように隣りに、接合ろう材16となる液状のスラリー22(接合ろう材16とバインダ(一例として、有機系溶剤水系媒体)とが体積比50%の割合で混合された液状の部材)が金属板26の板面27Aに配置(塗布)される(ろう材配置工程)。
ここで、スラリー22に含まれる接合ろう材16の体積は、スラリー22において接合ろう材16を構成する体積と、粉末集合体18を構成する金属粉末14の体積とを考慮して決められている。具体的には、前述したように、金属粉末14に対する接合ろう材16の体積比は、25%以上50%以下とされている。
〔接合工程〕
接合工程では、粉末集合体18及びスラリー22が予め決められた位置に配置された状態で、これを図示せぬ加熱炉内に配置し、スラリー22に含まれる接合ろう材16を溶融させる。なお、加熱炉内の温度については、接合ろう材16は溶融するが、金属板26、28は溶融しないように設定されている(例えば、1100°C)。
そして、図1(D)に示されるように、接合部24で、一対の金属板26、28が接合される。
詳細には、粉末集合体18及びスラリー22が予め決められた位置に配置された状態で、これを加熱することで、粉末集合体18を構成する金属粉末14間にスラリー22が吸引され(吸引効果)、さらに、スラリー22に含まれるバインダが蒸発する。これにより、スラリー22に含まれる接合ろう材16が金属粉末14に含浸して金属粉末14の表面に接合ろう材16が共晶結合することで、複合ろう材12が形成される(図1(D)参照)。
さらに、複合ろう材12に含浸された接合ろう材16は、金属板26、28との接合界面で拡散して金属板26、28と共晶結合する。さらに、複合ろう材12を冷却させることで、一対の金属板26、28が、接合部24にて複合ろう材12により接合される(ろう付される)。
(作用・効果)
以上説明したように、配置工程において、予め決められた接合部24に金属粉末14の粉末集合体18が配置され、接合工程において、金属粉末14の粉末間にスラリー22が吸引され、金属粉末14にスラリー22に含まれるバインダが蒸発する。さらに、スラリー22に含まれる接合ろう材16が金属粉末14に含浸して金属粉末14の表面に接合ろう材16が共晶結合する。そして、一対の金属板26、28が接合される際に、粉末集合体18を構成する金属粉末14が、支柱となる支柱効果(スペーサ効果)を発揮するため、複合ろう材12が、一対の金属板26、28を予め決められた接合部24において接合することができる。
また、複合ろう材12が、一対の金属板26、28を予め決められた接合部24において接合することで、複合ろう材12の適正厚さを確保することができる。
また、複合ろう材12の厚みを適正化することで、接合界面における接合ろう材16の組成拡散が十分に行われると共に、共晶組織の制御が可能となる。
また、接合ろう材16の組織拡散が十分に行われることで、複合ろう材12内における組成偏析に起因した添加物(Si,P,Bなど)の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。この効果は、金属板26に対する濡れ性の高いろう材料においてより顕著に表れる。
また、金属板26との接合界面において、接合ろう材16と金属板26、28とは共晶組成を形成するため、添加物に対する抗析力(析出させないようにする力)を向上させることができる。
また、複合ろう材12の適正厚さを確保することで、任意の設定面積(接合界面の面積)内で複合ろ材12を構成する接合ろう材16を金属板26、28と共晶結合させることができる。
また、金属粉末14にスラリー22に含まれる接合ろう材16が含浸して金属粉末14の表面に接合ろう材16が共晶結合することで複合ろう材12が形成されるため、複合ろう材12の衝撃値(例えばアイゾット衝撃値等)を向上させることができる。
また、金属粉末14にスラリー22に含まれる接合ろう材16が含浸して金属粉末14の表面に接合ろう材16が共晶結合することで複合ろう材12が形成されるため、複合ろう材12の液相線温度が向上する。これにより、健全で、強固な接合界面を形成することができる。ここで、健全とは、例えば、巣などの構造的欠陥がない、強度低下要因となる析出を抑制した状態であることを言う。
また、金属粉末14に対する接合ろう材16の体積比は、25%以上50%以下とされている。このため、複合ろう材12内における組成偏析に起因した添加物(Si,P,Bなど)の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。具体的には、25%未満の場合には、金属粉末14と接合ろう材16との共晶結合が不足し、50%よりも多い場合には、添加物(Si,P,Bなど)が析出してしまう。
また、金属板26、28としてステンレス鋼板が用いられ、金属粉末14としてステンレス鋼を微粉化した粉末(粒子)が用いられている。このように、金属粉末14を、金属板26と同一の金属材料、又は金属板26と同様の組成であるステンレス鋼のを含む金属材料とすることで、複合ろう材12を形成する接合ろう材16と金属板26、28との界面、及び金属粉末14の表面と接合ろう材16との界面において、良好な接合層を形成することができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係るろう付構造体の製造方法の一例について図3を用いて説明する。なお、第1実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第1実施形態と異なる部分を主に説明し、他の部分の説明は省略する。
(全体構成)
ろう付構造体30は、図3(D)に示されるように、一対の金属板36、38(金属部材の一例)と、この一対の金属板36、38を接合する複合ろう材32とを含んで構成されている。
〔金属板〕
図3(A)に示されるように、金属板36は、金属板38に対して図中左側に配置され、鉛直方向に対して傾斜した傾斜部36Aと、傾斜部36Aの下端から下方に延びる鉛直部36Bと、鉛直部36Bの下端から金属板38側に向かうように水平方向に延びる水平部36Cと、を有している。これに対して、金属板38は、鉛直面に対して金属板36と対称形状とされ、傾斜部38A、鉛直部38B、及び水平部38Cを有し、金属板38の水平部38Cの先端と金属板36の水平部36Cの先端とは、対向している。
そして、水平部36C及び水平部38Cの上方で、かつ、鉛直部36Bと鉛直部38Bとで挟まれる空間が、一対の金属板36、38を接合する接合部34(接合空間)とされている。一対の金属板36、38が接合された状態では、この接合部34全域に亘って、複合ろう材32が、配置される(図3(D)参照)。
〔複合ろう材〕
複合ろう材32は、第1実施形態に係る複合ろう材12と同様の構成とされ、金属粉末14と接合ろう材16とを含んで構成されている。
(ろう付構造体の製造方法)
ろう付構造体の製造方法は、一対の金属板36、38の接合部34に金属粉末14の集合体の一例としての粉末集合体42が配置され、さらに、接合ろう材16となる液状のスラリー22が粉末集合体42の隣りに配置(塗布)される配置工程(図3(A)(B)(C)参照)と、金属板36と金属板38とが接合される接合工程と、を備えている。
ここで、粉末集合体42は、金属粉末14と、金属粉末同士を接着させるバインダ(一例として、有機系溶剤水系媒体)とが混合された集合体とされている。なお、バインダには、接合工程における加熱炉内の温度(ろう付温度)以下で、蒸発するものが用いられる。このため、接合工程において、金属粉末同士を接着させるバインダは、蒸発するようになっている。
以上説明したように、金属粉末14と、金属粉末同士を接着させるバインダとを混合することで粉末集合体42が形成される。これにより、粉末集合体42を接合部34に配置する際の粉末集合体42の取り扱い(ハンドリング)を容易にすることができる。第2実施形態の他の作用・効果は、第1実施形態と同様である。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係るろう付構造体の製造方法の一例について図4を用いて説明する。なお、第1実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第1実施形態と異なる部分を主説明し、他の部分の説明は省略する。
(全体構成)
ろう付構造体50は、図4(D)に示されるように、一対の金属板56、58(金属部材の一例)と、この一対の金属板56、58を接合する複合ろう材52とを含んで構成されている。
〔金属板〕
図4(A)に示されるように、金属板56は、金属板58に対して上方に配置され、湾曲状とされている。これに対して、金属板58は、金属板56の湾曲度合と同様の湾曲度合によって湾曲状とされている。
そして、一対の金属板56、58を接合する接合部54(接合空間)が、一対の金属板56、58の間に位置している。また、一対の金属板56、58が接合された状態では、図4(D)に示されるように、この接合部54全域に、複合ろう材52が、配置されている。
〔複合ろう材〕
複合ろう材52は、第1実施形態に係る複合ろう材12と同様の構成とされ、金属粉末14と接合ろう材16とを含んで構成されている。
(ろう付構造体の製造方法)
ろう付構造体の製造方法は、一対の金属板56、58の接合部54に金属粉末14の集合体の一例である粉末集合体62が配置され、接合ろう材16となる液状のスラリー22が、粉末集合体62の隣りに配置(塗布)される配置工程(図4(A)(B)(C)参照)と、金属板56と金属板56とを接合する接合工程と、を備えている。
ここで、粉末集合体62は、金属粉末14を圧粉又は焼結されることで固められ、接合部54と同様の形状とされている。
以上説明したように、金属粉末14を圧粉又は焼結されることで粉末集合体62が固められるため、粉末集合体62を接合部54に配置する際の粉末集合体62の取り扱い(ハンドリング)を容易にすることができる。第3実施形態の他の作用・効果は、第1実施形態と同様である。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係るろう付構造体の製造方法の一例について図5を用いて説明する。なお、第1実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第1実施形態と異なる部分のみ説明し、他の部分の説明は省略する。
(全体構成)
ろう付構造体70は、図5(D)に示されるように、一対の金属板76、78(金属部材の一例)と、この一対の金属板76、78を接合する複合ろう材72とを含んで構成されている。
〔金属板〕
図5(A)に示されるように、一対の金属板76、78は、平板状とされ、金属板76が、金属板78に対して上方に配置されている。
そして、一対の金属板76、78を接合する接合部74(接合空間)が、一対の金属板76、78の間に位置している。また、一対の金属板76、78が接合された状態では、図5(D)に示されるように、この接合部74全域に、複合ろう材72が、配置されている。
〔複合ろう材〕
複合ろう材72は、第1実施形態に係る複合ろう材12と同様の構成とされ、金属粉末14と接合ろう材16とを含んで構成されている。
(ろう付構造体の製造方法)
ろう付構造体の製造方法は、一対の金属板76、78の接合部74に金属粉末14の集合体である粉末集合体82が配置され、接合ろう材16となる液状のスラリー22が、粉末集合体82の両隣りに配置(塗布)される配置工程(図5(A)(B)(C)参照)と、金属板76と金属板78とを接合する接合工程と、を備えている。
ここで、接合部74の体積(粉末集合体82の体積)から金属粉末14の体積を減じた値に対する、スラリー22に含まれるNi基のろう材の体積比は、125%以上200%以下とされる。
これにより、粉末集合体82(金属粉末14)に含浸されなかったNi基のろう材によって、図5(D)(E)に示されるように、金属板76、78と複合ろう材72との境界86を覆うようにフィレット84が夫々形成される。
このように、境界86を覆うようにフィレット84が形成されることで、境界86から複合ろう材72と金属板76、78とが剥離するのを抑制することができる。
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、接合工程において、加熱炉を用いてスラリーに含まれる接合ろう材16を溶融させたが、高周波誘導加熱等を用いて接合ろう材16を溶融させてもよい。
また、上記第3、第4実施形態では、特に説明しなかったが、配置工程におけるスラリー22の配置(塗布)と、粉末集合体の配置との順番については、どちらが先でもよくまた同時であってもよい。
また、上記実施形態では、金属板としてステンレス板を用い、ろう材料として、Ni基ろう材を用いたが、金属板としてステンレス鋼を用い、Fe基ろう材、Ag基ろう材、Ti基ろう材等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、金属板としてステンレス鋼を用い、ろう材料として、Ni基ろう材を用いたが、金属板として銅板を用い、ろう材料としてCu基ろう材を用いたり、金属板としてアルミ板を用い、ろう材料としてAl基ろう材を用いてもよい。
また、上記実施形態では、配置工程において、接合ろう材16となる液状のスラリー22(Ni基のろう材料とバインダとが体積比50%の割合で混合された液状の部材)を配置したが、バインダと混合されていない接合ろう材16をそのまま配置してもよい。
また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、配置工程における粉末集合体及びスラリー22の配置は、スクリーン印刷等を用いて行ってもよい。
また、上記第2実施形態では、特に説明しなかったが、粉末集合体42として、金属粉末14と、金属粉末同士を接着させるバインダとが混合させた後、バインダを蒸発させて接合部34と同様の形状に固化させてもよい。これにより、粉末集合体42の取り扱い(ハンドリング)をさらに容易にすることができる。また、接合工程におけるガス生成量を最小化することができ、これにより、ろう付安定性が向上する。
また、上記第2、第3実施形態では、特に説明しなかったが、接合部に、金属粉末14と金属粉末同士を接着させるバインダとが混合された粉末集合体と、金属粉末14を圧粉又は焼結されることで固められた粉末集合体と、を組み合わせて配置してもよい。
10 ろう付構造体
12 複合ろう材
14 金属粉末
16 接合ろう材
18 粉末集合体(集合体の一例)
24 接合部
26 金属板(金属部材の一例)
28 金属板(金属部材の一例)
30 ろう付構造体
32 複合ろう材
34 接合部
36 金属板(金属部材の一例)
38 金属板(金属部材の一例)
42 粉末集合体(集合体の一例)
50 ろう付構造体
52 複合ろう材
54 接合部
56 金属板(金属部材の一例)
58 金属板(金属部材の一例)
62 粉末集合体(集合体の一例)
76 金属板(金属部材の一例)
78 金属板(金属部材の一例)
82 粉末集合体(集合体の一例)

Claims (5)

  1. 一対の金属部材の接合部に金属粉末の集合体を配置する工程と、
    配置された前記集合体の隣りに、前記金属部材に拡散して前記金属部材と固着する接合ろう材を配置する程と、
    加熱することで、前記接合部に配置される前記集合体の前記金属粉末に前記接合ろう材を含浸させて複合ろう材とし、前記複合ろう材により一対の前記金属部材を接合する工程と、
    を備えるろう付構造体の製造方法。
  2. 前記接合ろう材には、前記金属粉末の表面と共晶結合可能なろう材が用いられ、加熱することで、前記金属粉末に前記接合ろう材を含浸させる工程では、前記金属粉末の表面に前記接合ろう材が共晶結合する請求項1に記載のろう付構造体の製造方法。
  3. 前記接合部に前記集合体が配置される工程では、前記金属粉末の粉末同士を接着させるバインダと前記金属粉末が混合された前記集合体が前記接合部に配置される請求項1又は2に記載のろう付構造体の製造方法。
  4. 前記接合部に前記集合体が配置される工程では、前記金属粉末を圧粉又は焼結させることで固まった状態の前記集合体が前記接合部に配置される請求項1又は2に記載のろう付構造体の製造方法。
  5. 前記集合体の隣りに前記接合ろう材を配置する工程では、前記集合体を構成する前記金属粉末に対する、前記接合ろう材の体積比は、25%以上50%以下とされる請求項1〜5の何れか1項に記載のろう付構造体の製造方法。
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