JP2015182109A - ろう材、接合体、真空バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ろう付不良を低減する。
【解決手段】CuとMnとNiを含むろう材の表面に、前記ろう材と大気とを仕切る表面層を備えることを特徴とするろう材。複数の部材がろう材で接合され、前記複数の部材のうち一部にCuを含む接合体において、前記ろう材がCu、Mn、Niを含み、更にAg、Ni、Siの何れかが島状に分散していることを特徴とする接合体。複数の部材がろう材で接合され、前記複数の部材のうち一部にCuを含む真空バルブにおいて、前記ろう材がCu、Mn、Niを含み、更にAg、Ni、Siの何れかが島状に分散していることを特徴とする真空バルブ。
【選択図】 図5

Description

本発明はろう材、接合体、真空バルブに関する。

真空バルブは主に純銅等の導体、アルミナ等の絶縁体、ステンレス等のシールドとベローズ、およびCr-Cu等の電極材から構成される。真空バルブの構成部品は、各接続部で絶縁破壊の原因となる摩耗粉などが出ないように、全てろう付によって接合される。例えば、特許文献1には、真空インタラプタの接合にCu-Mn-Ni系のろう材を用いることが記載されている。

特開昭61-209966号公報

真空容器に用いられるろう材の中で、Cu-Mn-Niろう材は、貴金属を含まない低コストなろう材である。しかし上記特許文献1のようなCu-Mn-Niろう材は、比較的蒸気圧の高いMnを多量に含む。また、MnはCuに拡散しやすい。Cu-Mn-Niろう材によって真空中でCu材同士をろう付する場合、ろう材表面のMnが空間にベーパしたりCu材へ拡散し、ろう材表面のMn量が減少しやすい。ろう材表面のMn量が減少した場合、ろう材表面の融点が上昇し、所定の温度に到達してもろう材が溶けなかったり、濡れ広がらなかったりすることでろう付不良が生じやすい。

また、Cu-Mn-Niろう材中のMnは耐酸化性や耐食性が劣るため、Cu-Mn-Niろう材を長期間常温で保存すると、大気中の酸素や水分と反応し、ろう材表面にMn酸化物が厚く形成される。表面に形成されるMn酸化物の融点は母材より高いので、母材が溶融しても表面が溶けず、ろう材の濡れ広がりを阻害し、ろう付不良が生じやすい。

本発明の目的は、ろう付不良を低減することにある。

上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。

本発明によれば、ろう付不良を低減することができる。

本実施形態の線ろう材の例を示す図である。 本実施形態の板ろう材の例を示す図である。 本実施形態のろう付前のCu部材の例を示す図である。 本実施形態の昇温パターンの例を示す図である。 本実施形態のろう付後のCu部材の例を示す図である。 本実施形態のろう付後のCu部材の拡大図と写真である。 本実施形態の真空バルブの例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

本実施形態では、Cu-Mn-Niろう材の表面に各種の表面処理を施すことにより、ろう材の融点近傍までMnのベーパおよび拡散や酸化を防止する。一般に、Cu-Mn-Niろう材の融点は組成比により880〜945℃で調整され、ろう付処理は970℃近傍で行われる。表面層は、ろう材の融点近傍までMnと大気とを仕切るバリアとして機能し、Cu-Mn-Niろう材中のMnを減少させないことにより、Cu-Mn-Niろう材自体の融点を変化させないことが必要である。表面層として、Ag層またはNi層、あるいはSi層が有効である。Ag、Ni、Siは耐酸化性や耐食性にも優れ、Cu-Mn-Niろう材を大気中で長期保管する際にも、Ag層またはNi層あるいはSi層を設けることで、耐食性に劣るMnの酸化を防止することができる。

表面層のAg、Ni、Siは、Cu-Mn-Niろう材の主成分であるCuと反応して化合物を形成する。この化合物は単体よりも融点が低くなり、Cu-Mn-Niろう材のろう付処理温度以下で溶融される。Ag、Ni、Siのうち、Agは単体の融点が960℃であり、Cu-Mn-Niのろう付温度970℃近傍では確実に溶融される。従ってAgは厚く製膜されても溶け残りにくいので、Cu-Mn-Niろう材の濡れ広がりを阻害しにくく、3者のうちで最も望ましい表面層である。大気中で長期保管する場合は、Mnの酸化を防止するAg層の厚さは0.1μm以上であることが好ましく、めっき処理工程の効率性を考慮すると20μm程度が上限である。従って、Ag層の厚さは0.1μm〜20μmが好ましい。

Cu-Mn-Niろう材に施すAg層の厚さによって、表面層を含めたCu-Mn-Niろう材の材料組成は変化することになる。例えば図1に、φ1mmのCu-Mn-Ni線ろう材102に0.1μm〜20μmのAgの表面層103を設けたろう材101を示す。この場合、Cu-Mn-Ni線ろう材とAgの比重を同等とみなして算出すると、ろう材101全体で約0.04〜8wt%のAg量を含むことになる。実用的な線ろう材の径がφ0.05〜2mm程度であるとすれば、Ag量は約0.02〜14wt%の範囲となる。さらにAg層の表面処理は線ろう材の他、図２に示すような板ろう材にも同様に有効である。実用的な0.12mmの厚さの板ろう材104に0.1μm〜20μmのAgの表面層103を設けると、ろう材101のAg量は約0.16〜30wt%となる。線ろう材および板ろう材の形状において、本実施形態のろう材をCu-Mn-Ni-Agろう材とした場合、Ag量の下限は0.02wt%、上限は30wt%であることが好ましい。

例えばφ1mmのCu-Mn-Niの線ろう材において表面層をNiとする場合、Ni層はMnを固溶するため、膜厚を1μm以上とするとMnの酸化を防止することができ、ろう材を長期保存する場合に好ましい。Ni単体の融点は1400℃でありろう材よりも高温だが、Ni層を10μm以下とすれば、ろう付時にNi層が溶けてろう材内へ容易に拡散することができ、ろう材が接合部に濡れ広がりやすくなるのでろう付不良の防止に更に好ましい。

Cu-Mn-Niろう材に施すNi層の厚さによって、表面層を含めたCu-Mn-Niろう材の材料組成は変化するが、NiはもともとCu-Mn-Niろう材に含まれているため、Ni量については特に範囲を限定しない。

Cu-Mn-Niろう材にSi層を設ける場合、Si層を0.1μm以上とすると、SiがCuに早期に拡散してSi層が失われにくい。Si層を5μm以下とすれば、ろう付時にSi層が溶けてろう材内へ容易に拡散することができ、ろう材が接合部に濡れ広がりやすくなるのでろう付不良の防止に更に好ましい。

Cu-Mn-Niろう材に施すSi層の厚さによって、表面層を含めたCu-Mn-Niろう材の材料組成は変化することになる。例えばφ1mmのCu-Mn-Ni線ろう材に0.1μm〜10μmのSi層を設けた場合、Cu-Mn-Ni線ろう材に対するSiの比重を1/3とみなして算出すると、ろう材全体で約0.01〜0.7wt%のSi量を含むことになる。実用的な線ろう材の径がφ0.05〜2mm程度であるとすれば、Si量は約0.005〜1.5wt%の範囲となる。さらにSi層の表面処理は線ろう材の他、板ろう材にも同様に有効である。実用的な0.12mmの厚さの板ろう材に0.1μm〜5μmのSi層を設けると、Si量は約0.05〜3wt%となる。線ろう材および板ろう材の形状において、本実施形態のろう材をCu-Mn-Ni-Siろう材とした場合、Si量の下限は0.005wt%、上限は3wt%であることが好ましい。

引抜きあるいは圧延によって所定の径あるいは板厚に加工されたCu-Mn-Niろう材は、脱脂処理を施したのち、めっき或いはPVD、CVDによって表面処理される。めっき法は電気めっき、無電解めっきなどの方法が有効であり、Ag層、Ni層を容易に形成できる。PVDはスパッタ法、蒸着法などが有効であり、Ag層、Ni層、Si層を形成できる。CVDは熱CVD、プラズマCVD等が有効であり、Si層を容易に形成することができる。

脱脂処理したCu-38wt%Mn-9.5wt%Ni線ろう材（φ1mm）にそれぞれAg、NiおよびSi層を表面処理した試料を準備した。AgおよびNi層は電解めっきにより製膜し、Siはスパッタにより製膜した。膜厚は0.05〜20μmの範囲で調整した。次いで、表面処理していないろう材およびAg、Ni、Siの各表面処理をしたろう材を使用し、Cu部材同士の接合実験を行った。

図3にCu部材同士をろう付する前の断面図を示す。Cu部材は無酸素銅（C1020：JIS）の丸棒105と板106を使用し、酸で洗った。Cu部材間のろう付部のクリアランスは約0.1mmとなるようにした。クリアランスの上部にろう材をセットした試料を真空炉に入れ、1×10E^-3 Paまで真空引きを行った後、所定の温度パターンで昇温し、ろう付処理を行った。

各温度パターンを図4に示す。ろう付温度は970℃とし、ろう付温度に達するまでの時間を3〜5時間とし、目標温度での保持時間は10minとした。保持時間終了後は直ちにヒータ出力を切り炉冷した。目視で評価した各試料のろう付試験結果を表1と表2に示す。Cu丸棒の全周にろう流れを確認できた場合に「◎」、ろう流れが一部に確認できないものを「○」、ろう流れを確認できたが未溶融のろう材が一部確認されたものを「△」、ろう材が未溶融でろう流れを確認できなかったものを「×」とした。図5にろう材107が溶けてCu部材間に良くろうが流れた状態の断面図を示す。

表面処理しないCu-Mn-Ni-Siろう材(No.1-3)の場合、「△」あるいは「×」であった。表面処理した試料であっても、膜厚20μmのNiめっき処理材(No.43-45)、膜厚10μmのSiスパッタ処理材(No.58-60)で「△」が認められたが、これらはNo.1-3の場合よりも広範囲にろうが流れていることを確認できた。図6に、Agめっきを施した試料でのろう付後のろう付部分の拡大図と写真を示す。Agめっきした試料の場合は、ろう付部分にAgめっき層由来のAgリッチ層が島状に分散していた。Agに限らず、NiやSiの場合も、ろう材表面に層を形成したことにより、ろう付後のろう付部分には表面層由来のNiやSi成分がリッチな部分が偏在していた。

試作した真空バルブの構造を図7に示す。1aは固定側電気接点、1bは可動側電気接点、3a、3bは補強板、4aは固定側電極棒、4bは可動側電極棒で、これらにより固定側電極6a、可動側電極6bを構成する。可動側電極6bは、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド8を介して可動側ホルダー12にろう付接合される。これらは、固定側端板9a、可動側端板9bおよび絶縁筒13によって高真空中でろう付封止され、固定側電極6aおよび可動側ホルダー12のネジ部をもって外部導体と接続される。絶縁筒13の内面には、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐシールド7が設けられ、また、可動側端板9bと可動側ホルダー12の間には摺動部分を支えるためのガイド11が設けられる。可動側シールド8と可動側端板9bの間にはベローズ10が設けられており、真空バルブ14内を真空に保ったまま、可動側ホルダー12を上下させて固定側電極6aと可動側電極6bを開閉させることができる。

真空バルブの固定側端板9aおよび可動側端板9bの最大径は150mmであり、固定側端板9a底面から可動側端板9bまでの長さは500mmである。当該バルブは、可動側電極6bと固定側端板9aが無酸素銅（JIS：1020）で構成されており、Cu-38wt%Mn-9.5wt%Niろう材により970℃でろう付される。これら部材は質量が大きいため、ろう付温度までおよそ4〜5時間かけてろう付温度まで加熱される。

当該真空バルブの固定側端板と固定側電極を無処理のCu-38wt%Mn-9.5wt%Ni線ろう材（φ1.00mm）と、膜厚10μmのAgめっき処理をした当該線ろう材（φ1.02mm）によりろう付を行った。その結果、無処理のCu-38wt%Mn-9.5wt%Ni線ろう材では、15本中8本においてろう流れ不良が生じ封止できなかった。他方、10μmのAgめっき処理を施したCu-38wt%Mn-9.5wt%Ni線ろう材（φ1mm）を使用した場合では、15本全てにおいてろう付不良が回避され、当該ろう付部を封止することができた。

以上のように、本実施例の表面処理をしたCu-Mn-Niろう材を用いることにより、大型の真空バルブで、Cu同士の接合部位においても健全なろう付部が得られることが確認できた。

101 ろう材
102 線ろう材
103 表面層
104 板ろう材
105 丸棒
106 板
107 ろう材

Claims (8)

1. CuとMnとNiを含むろう材の表面に、前記ろう材と大気とを仕切る表面層を備えることを特徴とするろう材。
2. 請求項1において、前記表面層はAgを含み、0.1〜20μmの厚さであることを特徴とするろう材。
3. 請求項2において、Ag量が0.02〜30wt%であることを特徴とするろう材。
4. 請求項1において、前記表面層はNiを含み、1〜10μmの厚さであることを特徴とするろう材。
5. 請求項1において、前記表面層はSiを含み、0.1〜5μmの厚さであることを特徴とするろう材。
6. 請求項5において、Si量が0.005〜3wt%であることを特徴とするろう材。
7. 複数の部材がろう材で接合され、前記複数の部材のうち一部にCuを含む接合体において、前記ろう材がCu、Mn、Niを含み、更にAg、Ni、Siの何れかが島状に分散していることを特徴とする接合体。
8. 複数の部材がろう材で接合され、前記複数の部材のうち一部にCuを含む真空バルブにおいて、前記ろう材がCu、Mn、Niを含み、更にAg、Ni、Siの何れかが島状に分散していることを特徴とする真空バルブ。