JP2023114474A - 接合方法、それに用いるペースト、および、接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの基材をより好適な状態で接合できる技術を提供する。【解決手段】金属で構成された第１の基材に、加熱により軟化又は溶融する第２の基材を接合する接合方法であって、少なくとも、炭素と、ニッケルと、を含む金属粉末とバインダと溶媒とを混合したペーストを準備する工程と、前記第１の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、塗布された前記ペーストにレーザーを照射して、前記第１の基材の表面に、微細な凹凸構造を有し、前記ペーストよりも厚みが小さい接合層を形成する工程と、前記接合層の上に前記第２の基材を積層して加熱押圧することにより、或いは、前記第２の基材を鋳造することにより、前記第２の基材の一部を前記接合層の前記凹凸構造に入り込ませる工程と、を備える、接合方法。【選択図】図２

Description

本発明は、金属で構成された第１の基材に対する第２の基材の接合方法に関する。

金属で構成された第１の基材に、加熱により軟化する第２の基材を接合する方法としては、例えば、本願発明の発明者によって提案された下記の特許文献１，２の技術がある。特許文献１，２の技術では、いわゆるレーザークラッディングによって、アルミニウム等の金属基材の表面に、微細な凹凸構造を有する接合層を肉盛りし、その凹凸構造に対するアンカー効果を利用して、プラスチック等の樹脂基材を接合している。この技術によれば、金属基材の表面に対するブラスト処理やエッチング処理等の時間や手間を要する表面処理を施すまでもなく、金属基材と樹脂基材との機械的接合強度を簡易かつ低コストで高めることができる。

特開２０１６－１３０００３号公報 特開２０１７－１９０５２１号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２の技術では、例えば、接合層が形成される金属基材の表面が曲面である場合などに、金属粉末を金属基材の表面に狙い通りに安定した状態で配置することが困難な場合があった。また、上記の特許文献１，２の技術では、金属基材に形成される接合層の微細な凹凸構造には、表面に局所的に突出する凸部が多数形成される場合があった。この凸部は、多くの場合、接合強度を高める方向に働くが、その一方で、接合層に積層される基材の厚みが小さい場合には、その凸部が当該基材を貫通したり、その基材の外側の面を凹凸に変形させたりする可能性があった。また、上記の特許文献１，２の技術によって作製される接合体では、その厚みが、接合層の厚みの分だけ、許容範囲より大きくなる場合もあった。

このように、上記の特許文献１，２の技術であっても、接合体の接合性を容易に向上させることは可能であるが、接合対象の２つの基材の構成や、接合後の接合体に求められる精度によっては、さらなる改良が必要な場合があった。本願は、２つの基材をより好適な状態で接合できる技術を提供することを目的とする。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、金属で構成された第１の基材に、加熱により軟化又は溶融する第２の基材を接合する接合方法として提供される。この形態の接合方法は、少なくとも、炭素と、ニッケルと、を含む金属粉末とバインダと溶媒とを混合したペーストを準備する工程と、前記第１の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、塗布された前記ペーストにレーザーを照射して、前記第１の基材の表面に、微細な凹凸構造を有し、前記ペーストよりも厚みが小さい接合層を形成する工程と、前記接合層の上に前記第２の基材を積層して加熱押圧することにより、或いは、前記第２の基材を鋳造することにより、前記第２の基材の一部を前記接合層の前記凹凸構造に入り込ませる工程と、を備える。
この形態の接合方法によれば、接合層を形成するために第１の基材に配置される材料がペーストであるため、接合層を形成する際に、第１の基材の表面に付着させやすく、所望の厚みでの塗布が容易であり、安定した状態で配置しやすい。また、このペーストによれば、凹部が深く形成され、凸部が比較的均一な高さで平坦な頂部を有する微細な凹凸構造が表層に形成された接合層を形成しやすい。こうした接合層であれば、凹部のアンカー効果によって第１の基材と第２の基材の接合強度を高めることができる一方で、凸部によって第２の基材が劣化・変形してしまうことを抑制できる。また、この形態の接合方法によれば、接合層の厚みが、第１の基材に塗布されたペーストの厚みより小さくなるため、作製される接合体の厚みが過度に大きくなることを抑制できる。

（２）上記の形態の接合方法において、前記金属粉末は、さらに、鉄とチタンのうちの少なくとも一方を含んでよい。
この形態の接合方法によれば、ペーストに含まれる鉄またはチタンの作用により、金属で構成された第１の基材との相性がよくなり、より好適な接合層を形成しやすくなる。

（３）上記の形態の接合方法において、前記金属粉末は、さらに、スズを含んでよい。
この形態の接合方法によれば、ペーストに含まれるスズの作用により、好適な凹凸構造を有する接合層を、より形成しやすくなる。

（４）上記の形態の接合方法において、記金属粉末における前記ニッケルと前記スズのモル比を１：Ｘとするとき、Ｘは、０．３以上１未満であってよい。
この形態の接合方法によれば、スズの使用量を抑えることにより、より好適な微細な凹凸構造を有する接合層を形成することができる。

（５）本発明の一形態は、第１の基材と第２の基材との接合の際に、前記第１の基材の表面に塗布され、レーザーが照射されることにより、前記第１の基材の表面に微細な凹凸構造を有する接合層を構成するペーストとして提供される。この形態のペーストは、炭素と、ニッケルと、を含む金属粉末と、バインダと、溶媒と、を含み、前記レーザーの照射によって前記接合層を構成したときの厚みが、前記第１の基材に塗布されたときの厚みより小さくなる。
この形態のペーストを用いれば、第１の基材の表面に接合層を形成する際に、第１の基材の表面に付着させやすく、所望の厚みでの塗布が容易である。また、第１の基材の表面に、凹部が深く、凸部が比較的均一な高さで平坦な頂部を有する凹凸構造が表層に形成された接合層を形成しやすくなる。その接合層によれば、凹部のアンカー効果によって第１の基材と第２の基材の接合強度を高めることができる一方で、凸部によって第２の基材が劣化・変形してしまうことを抑制できる。さらに、接合層の厚みが、第１の基材に塗布されたときのペーストの厚みよりも小さくなるため、作製される接合体の厚みが過度に大きくなることを抑制できる。

（６）本発明の一形態は、金属で構成された第１の基材と、加熱により軟化又は溶融する第２の基材と、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する接合層と、を備える接合体として提供される。この形態の接合体の前記接合層は、少なくとも、炭素と、ニッケルと、を含む金属によって構成されるとともに、前記第２の基材との間に前記第２の基材の一部が入り込んでいる微細な凹凸構造を有しており、前記接合層の厚みは、１００μｍより小さい。
この形態の接合体によれば、接合層のアンカー効果によって接合強度が高めることができる一方で、接合層の凸部によって第２の基材が変形することを抑制できる。また、この形態の接合体によれば、接合層の厚みが１００μｍより小さいため、接合層によって、接合体全体の厚みが過度に大きくなることを抑制できる。

本発明は、金属で構成された第１の基材と加熱により軟化又は溶融する第２の基材の接合方法や、その接合方法に用いられるペースト、その接合方法によって製造される接合体以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、第１の基材と第２の基材を接合した接合体の製造方法、金属基材の表面に微細な凹凸構造を有する接合層を形成する方法、第１の基材と第２の基材とを接合する接合装置、表面に微細な凹凸構造を有する接合層が形成された金属基材、金属基材の表面に微細な凹凸構造を有する接合層を形成する装置、それら装置の制御ユニットや制御プログラム等の形態で実現することができる。

第１の基材と第２の基材との接合方法の工程を示すフローチャート。 第１の基材材に対して接合層を形成する工程の様子を示す模式図。 接合層の断面構成の一例を示す模式図。 第２の基材を接合している様子を示す模式図。 ペーストの製造例の組成をまとめた表を示す説明図。 ペーストの製造例の組成をまとめた表を示す説明図。 金属粉末とバインダの重量比ごとのペーストの評価を示す説明図。 レーザーの照射方法および接合強度の測定方法を説明するための説明図。 接合力の計測結果を示す説明図。

以下、本発明の好適な実施形態および実施例を、図面を参照しながら説明する。

１．実施形態：
図１は、本実施形態における接合方法の工程を示すフローチャートである。図２は、第１の基材２０に対して、ペースト１０を用いて接合層１１を形成する工程の様子を示す模式図である。図２を参照図として、図１に示す工程Ｐ１～Ｐ３の処理工程を説明する。

工程Ｐ１では、接合層１１を形成するためのペースト１０を準備する。ペースト１０は、金属粉末と、バインダと、溶媒と、を混合することにより作製される。

＜金属粉末＞
ペースト１０の作製に用いられる金属粉末は、少なくとも、炭素（Ｃ）と、ニッケル（Ｎｉ）と、を含む。金属粉末に含まれるニッケルは、多様な基材と合金層を形成することから、好適な接合層の形成を可能とする。金属粉末を構成する金属はそれぞれ、金属原子単体の金属の粉末として混合されていてもよいし、前述の金属原子を含む化合物や合金の粉末として混合されていてもよい。例えば、炭素は、ペースト１０に、カーボンブラックや、カーボンナノチューブの粉末として混合されていてもよい。前記のカーボンブラックは、ケッチェンブラックとしてもよい。また、炭素は、ペースト１０に、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）や、炭化タングステン（ＷＣ）等の炭素化合物の粉末として混合されてもよい。なお、炭化ホウ素であれば扱いやすく、作業効率を高めることが可能である。また、金属粉末は、鉄（Ｆｅ）やチタン（Ｔｉ）を含んでいてもよい。鉄やチタンについても同様に、金属粉末中に化合物や合金の状態で混合されていてもよい。ペースト１０の金属粉末には、上述したもの以外の金属が含まれてもよい。

ペースト１０に含まれる金属粉末を構成する各粒子は、１μｍ以上１００μｍ以下の粒子径を有していることが好ましい。金属粉末は、粒径の分布の状態が概ね同一になるように混合されていることが好ましい。

ペースト１０の金属粉末には、さらに、上記の金属以外のその他の金属の原子が、１種または２種以上、粉末の状態で含まれていてもよい。ペースト１０の金属粉末には、スズ（Ｓｎ）や、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、シリコン（Ｓｉ）、バナジウム（Ｖ）、ステライト（登録商標）等の原子が含まれていてもよい。

＜バインダ＞
ペースト１０に混合されるバインダは、上述した金属粉末の分散剤として作用するものを用いることができる。また、バインダは、ペースト１０の粘度調整剤として作用するものであることが好ましい。ペースト１０のバインダは、有機化合物によって構成されてもよいし、無機化合物によって構成されてもよい。バインダは、例えば、ポリアクリル酸アミド（（Ｃ_３Ｈ_５ＮＯ）_Ｘ）と、イソパラフィンと、ポリオキシエチレンアルキルエーテルと、１，２，３－ベンゾトリアゾール（Ｃ_６Ｈ_５Ｎ_３）と、メタノール（ＣＨ_４Ｏ）と、水とを混合した溶液であってもよい。このバインダでは、ポリアクリル酸アミドとイソパラフィンのそれぞれの濃度が１～１０％、ポリオキシエチレンアルキルエーテルと１，２，３－ベンゾトリアゾールの濃度がそれぞれ１．０％以下、メタノールの濃度が２．０％以下、水の濃度が８５～９９％でよい。

ペースト１０の作製の際には、金属粉末の重量に対するバインダの重量の比は、バインダの組成成分に応じて適宜調整すればよい。金属粉末の重量とバインダの重量との比の値は、１．０以上２．５未満であるとしてもよい。金属粉末の重量とバインダの重量との比は、５＋α：５－α（αは０以上５未満の任意の実数）であるとしてもよく、５：５、６：４、７：３のいずれかであるとしてもよい。バインダの組成成分が、上述したものである場合、その比は、６：４であることが好ましい。

＜溶媒＞
ペースト１０に混合される溶媒としては、上記の金属粉末とバインダの分散媒として作用する有機溶媒を用いることができる。有機溶媒は、特に限定されないが、例えば、エタノールや、メタノールであってもよい。

工程Ｐ２では、第１の基材２０に工程Ｐ１で準備したペースト１０を塗布する。第１の基材２０は、金属によって構成される。第１の基材２０は、例えば、鉄鋼など、鋼材によって構成することができる。鋼材としては、冷間圧延鋼板や、亜鉛めっき鋼板、炭素工具鋼（ＳＫ材）、炭素鋼、ステンレス鋼、一般軟鋼材、超高張力鋼等を用いることができる。第１の基材２０は、前述の鋼材に限定されることはなく、例えば、鉄や、アルミニウム、銅等の非鉄金属、その他の種々の金属や合金によって構成されてもよい。

ペースト１０は、例えば、ダイコーターなどの塗工装置によって塗布される。ペースト１０は、第１の基材２０の表面に、５０～１５０μｍの厚みで塗布される。第１の基材２０の表面に塗布されるペースト１０の厚みは、５０～１５０μｍであることが好ましく、８０～１２０μｍであることがより好ましい。第１の基材２０の表面に塗布されるペースト１０の厚みは、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。ペースト１０を１００μｍ以下とすれば、接合層１１の厚みを１００μｍ未満にすることができる。

工程Ｐ３は、レーザークラッディングの技術を利用して接合層１１を形成する工程に相当する。工程Ｐ３では、レーザー照射装置ＬＳによって、第１の基材２０の表面に塗布されたペースト１０にレーザーを照射する。これにより、ペースト１０に含まれる金属が溶融して、第１の基材２０の表面に肉盛りされた接合層１１が形成される。工程Ｐ３でペースト１０を照射するレーザーとしては、例えば、半導体レーザーを用いることができる。工程Ｐ３で用いられるレーザーは、半導体レーザーに限定されることはなく、レーザークラッディングの技術において一般に用いられるものでよい。工程Ｐ３では、例えば、ファイバーレーザーや、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等を用いることが可能である。

レーザー照射装置ＬＳは、光学系素子により、レーザーを、例えば、直径０．５～３ｍｍのスポットビームに成形して照射する。レーザーは、１．０～１．５ｍｍのスポットビームに成形されることがより好ましい。レーザー照射装置ＬＳは、例えば、２００～５００Ｗ程度のレーザー出力でレーザーを照射する。レーザー照射装置ＬＳは、例えば、１０～７０ｍｍ／ｓの走査速度でレーザーを走査する。レーザーの走査速度は、４０～６０ｍｍ／ｓであることがより好ましい。レーザーの繰り返し周波数は、例えば、８００～１５００Ｈｚとしてよく、９００～１２００Ｈｚであることが好ましい。また、レーザーの波長は、例えば、４００～１２００ｎｍとしてよく、８００～１０００ｎｍであることが好ましい。

なお、工程Ｐ３および工程Ｐ４は、時間的に並列に実行されてもよい。つまり、塗工装置によって第１の基材２０の表面にペースト１０と塗布しながら、塗工装置に後続するレーザー照射装置ＬＳによって、塗布されたペースト１０をレーザー照射してもよい。このようにすれば、接合層１１をより効率よく形成することができる。

図３は、工程Ｐ３で形成される接合層１１の断面構成の一例を示す模式図である。接合層１１は、第１の基材２０の表面に肉盛りされており、第１の基材２０と一体化するように形成されている。接合層１１の下端部には、溶融した第１の基材２０の一部が混在している。接合層１１の表層には、多数の凹部１２が全体にわたって分布している微細な凹凸構造を有している。また、接合層１１の凹部１２の多くは、接合層１１の厚み方向に縦長に深く形成される。

接合層１１の厚みｔｃは、第１の基材２０の表面に塗布されたときのペースト１０の厚みｔｐより小さい。接合層１１の厚みｔｃは、接合層１１において偏りなく選ばれた任意の場所における第１の基材２０の表面位置からの高さの平均値として求められる。接合層１１の厚みは、第１の基材２０の表面に塗布されたときのペースト１０の厚みに対して、６０％以上９０％以下であることが好ましく、７０％以上８０％以下であることがより好ましい。なお、本実施形態では、接合層１１の厚みは、１００μｍ未満である。

本願発明の発明者は、独自の実験によって以下の知見を得た。炭素と、ニッケルと、を含む金属粉末を用いたペースト１０であれば、レーザーの照射により、第２の基材２１に対するアンカー効果を発揮させるのに好適な、上述したような微細な凹凸構造を有する接合層１１を容易に形成することができる。また、第１の基材２０に塗布したときのペースト１０の厚みより小さい接合層１１を得ることができる。さらに、金属粉末に、鉄とチタンのうちの少なくとも一方を含むと、ペーストに含まれる鉄またはチタンの作用により、金属で構成された第１の基材との相性がよくなり、より好適な接合層を形成しやすくなる。

さらに、ペースト１０の金属粉末にスズが含まれていれば、そのスズの作用によって、第２の基材２１の接合により好適で微細な凹凸構造を有する接合層１１を簡易に形成することが可能である。また、ペースト１０の金属粉末に含まれるニッケルとスズのモル比を１：Ｘとするとき、Ｘが０．３以上１未満となるように、ペースト１０にスズを混ぜることにより、さらに好適で微細な凹凸構造を有する接合層１１を形成することも可能である。

図４を参照して、工程Ｐ４を説明する。図４は、第１の基材２０に第２の基材２１を接合している様子を示す模式図である。工程Ｐ４では、第１の基材２０に形成された接合層１１の上に第２の基材２１を積層して加熱押圧する。

第２の基材２１は、加熱により軟化又は溶融する部材によって構成される。第２の基材２１は、樹脂によって構成されていてもよいし、金属によって構成されていてもよい。第２の基材２１を構成する樹脂は、プラスチックやゴム、熱可塑性樹脂、その他の加熱によって軟化する合成樹脂であってもよい。第２の基材２１を構成する樹脂は、例えば、炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、塩化ビニール等によって構成することができる。

第２の基材２１を構成する金属は、例えば、アルミニウムや、スズ、その他の種々の金属や、そうした種々の金属の原子を含む合金によって構成されてもよい。

工程Ｐ４では、加熱によって軟化させた第２の基材２１の一部を、押圧することで接合層１１の凹凸構造の凹部１２に入り込ませることにより、第２の基材２１を第１の基材２０に接合する。工程Ｐ４での第２の基材２１の接合は、加熱されたプレートによって第２の基材２１を押圧するホットプレスによって行われてもよい。第２の基材２１の加熱方法や押圧方法は特に限定されない。第２の基材２１の加熱温度は、第２の基材２１が軟化する温度に応じて適宜定められればよい。また、第２の基材２１を押圧する力は、第２の基材２１の厚みや軟化させたときの硬さによって定められればよい。また、工程Ｐ４は、溶融した第２の基材２１を鋳造することで、接合層１１の凹凸構造の凹部１２に入り込ませる工程としてもよい。

以上の工程Ｐ１～工程Ｐ４によって、第１の基材２０と第２の基材２１とを接合した接合体３０が得られる。接合体３０では、第２の基材２１の一部が接合層１１の凹凸構造の凹部１２に入り込むアンカー効果によって、第２の基材２１と接合層１１との間の接合強度が高められている。また、接合層１１の厚みが、ペースト１０を塗布したときの厚みよりも小さくなるため、接合層１１の厚みにより、接合体３０の厚みが大きくなることが抑制されている。

以上のように、本実施形態の接合方法によれば、接合層１１を形成する際には、第１の基材２０にペースト１０が塗布される。ペースト１０であれば、第１の基材２０の表面に付着させやすく、安定した状態で配置することが容易であり、所望の厚みでの塗布が容易である。また、ペースト１０であれば、第１の基材２０の表面が曲面であったり、水平方向に対して角度を有して配置されていたりしたとしても、レーザーの照射前や照射中に塗布された場所から移動したり、脱落したりしてしまうことが抑制される。

また、ペースト１０によって形成される接合層１１が有する微細な凹凸構造は、図３に示したように、多くの凸部が比較的均一な高さで平坦な頂部を有する。これにより、第２の基材２１の厚みが薄い場合でも、接合層１１の凸部が、第２の基材２１を貫通したり、第２の基材２１を厚み方向に凹凸に変形させたりすることを抑制できる。また、接合層１１の凹部１２の多くは、接合層１１の厚み方向に縦長に深く形成される。こうした凹部１２を有する接合層１１であれば、後述する工程において接合される第２の基材に対してアンカー効果を発揮しやすく、第１の基材２０と第２の基材２１の接合強度を高めやすい。

さらに、ペースト１０によって形成される接合層１１の厚みは、第１の基材２０に塗布されたペースト１０の厚みより小さくなるため、作製される接合体３０の厚みが過度に大きくなることを抑制することができる。

２．実施例：
以下、本願発明の発明者が行った具体的な実施例を詳細に説明する。

＜ペーストの製造例＞
図５の表には、本実施形態の接合方法に用いるペーストの製造例Ｓ１～Ｓ６の組成をまとめてある。製造例Ｓ１～Ｓ５は、チタンの粉末と、炭化ホウ素の粉末と、ニッケルの粉末と、スズの粉末と、を混合した金属粉末を用いて作製した。製造例Ｓ６は、比較例として作製したものであり、チタンの粉末と、炭化ホウ素の粉末と、アルミニウムの粉末と、を混合して作製した。

チタンの粉末は、東邦チタニウム社製のＴＣ－２０１を用いた。炭化ホウ素の粉末は、３Ｍ社製のＦ１０００を用いた。ニッケルの粉末は、高純度化学研究所社製の粒径が１０～２０μｍのものを用いた。スズの粉末は、ニレコ社製のＭ３８を用いた。アルミニウムの粉末は、ヒカリ素材社製の４４．７を用いた。

製造例Ｓ１では、金属粉末におけるチタン、炭素、ニッケルのモル比を、１：２：１とした。製造例Ｓ２，Ｓ５では、金属粉末におけるチタン、炭素、ニッケルのモル比を、１：１：１とした。製造例Ｓ３では、金属粉末におけるチタン、炭素、ニッケルのモル比を、３：１：１とした。製造例Ｓ４では、金属粉末におけるチタン、炭素、ニッケルのモル比を、５：１：１とした。製造例Ｓ６では、ニッケルの代わりにアルミニウムを用い、金属粉末におけるチタン、炭素、アルミニウムのモル比を、３：１：１とした。製造例Ｓ１～Ｓ５では、ニッケルのモル比１に対するスズのモル比をそれぞれ、０．５，０．７，０．３，０．７，１とした。製造例Ｓ６では、スズの粉末は添加しなかった。

製造例Ｓ１～Ｓ６は、バインダとして、ナイス社製のＶＢ１４を用いて作製した。金属粉末とバインダの重量比は６：４とした。なお、以下に説明するように、ナイス社製のＶＢ１４を用いて、金属粉末とバインダの重量比を６：４とすることにより、形成状態および塗布性が良好なペーストが得られる。

図６の表は、金属粉末とバインダの重量比ごとのペーストの評価を示している。図６の表では、バインダとして、ナイス社製のＶＢ１４とＶＢ１５とを用いた場合の評価結果を示してある。図６の評価項目である「形成状態」は、ペーストにおける粒子の分散状態や粘度等、形成されたペーストの状態を意味する。「塗布性」は、ペーストの塗布のしやすさを意味し、塗布される基材に対する付着性や、塗り広がりやすさ、塗布された後の形状の保持性等を意味している。それらの評価項目に対する評価「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」は、この順で評価が高かったことを示している。

ナイス社製のバインダＶＢ１４を用いた場合、金属粉末とバインダの重量比を６：４としたとき、形成状態も塗布性もＡ評価であった。金属粉末とバインダの重量比を５：５としたときには、塗布性はＡ評価であったが、形成状態はＢ評価であった。金属粉末とバインダの重量比を７：３としたときには、形成状態はＡ評価であったが、塗布性はＣ評価であった。ナイス社製のバインダＶＢ１５を用い、金属粉末とバインダの重量比を６：４としたときには、形成状態も塗布性も評価はＢであった。

＜ナイス社製のバインダＶＢ１４の成分＞
・ポリアクリル酸アミド（濃度１～５％）
・イソパラフィン（濃度１～５％）
・ポリオキシエチレンアルキルエーテル（濃度０．５％以下）
・１，２，３－ベンゾトリアゾール（濃度０．５％以下）
・メタノール（濃度１．０％以下）
・水（濃度９０～９６％）

＜接合層の実施例＞
図７は、製造例Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４のペーストを用いて各種の鋼材に形成した製造例Ｔ１～Ｔ４の接合層の表面における凹凸構造を撮影した顕微鏡画像を示す説明図である。

製造例Ｔ１，Ｔ２の接合層はそれぞれ、Ｓ４５Ｃ炭素鋼と、ＳＫ工具鋼（ＳＫ材）を第１の基材として、製造例Ｓ１のペーストを塗布して形成したものである。製造例Ｔ１，Ｔ２の接合層はそれぞれ、図７の右上欄の写真と、左上欄の写真と、に示されている。製造例Ｔ３，Ｔ４の接合層はそれぞれ、２７０ハイテン鋼を第１の基材として、製造例Ｓ２，Ｓ４のペーストをそれぞれ塗布して形成したものである。製造例Ｔ３，Ｔ４の接合層はそれぞれ、図７の左下欄の写真と、右下欄の写真に示されている。

＜接合層の製造条件＞
製造例Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４のペーストを、上述した各種の金属で構成された第１の基材の表面に塗布し、１００μｍの厚みのペーストの塗布層を形成した。その塗布膜に対して、以下の条件でレーザーを照射して接合層を形成した。
・レーザーの種類：半導体レーザー
・発振波長：９２０［ｎｍ］
・レーザー出力：２００～５００［Ｗ］
・ビームスポットのサイズ：直径１．０～１．５［ｍｍ］
・レーザーの発振形態：ＤＣ～１０００［Ｈｚ］
・レーザーの走査速度：５０［ｍｍ／ｓ］

図８は、製造例Ｔ１～Ｔ４の接合層を形成する際のレーザーの照射工程を説明するための模式図である。製造例Ｔ１～Ｔ４の接合層の形成の際には、第１の基材２０を、長方形形状の板状部材として準備した。第１の基材２０の表面には２つのマスキング領域ＭＡを設け、その２つのマスキング領域ＭＡに挟まれた領域ＰＡに、製造例Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４のペーストの塗布層を形成した。そのペーストの塗布層に対して、実線矢印ＬＰで示す経路で、レーザーを走査した。なお、図中の破線矢印は、レーザーを照射せずに、レーザー照射装置を、レーザーの照射を再開させる位置まで移動させた経路を示している。

図７を参照する。製造例Ｓ１のペーストを用いた製造例Ｔ１，Ｔ２の接合層の写真では、微細な凹凸構造における同程度の高さを有する平坦な凸部が白く写っている。凸部は、写真において黒い点として映る凹部の周りを囲むように形成されている。製造例Ｔ１，Ｔ２の接合層は、こうした微細な凹凸構造を有することにより、凹部によるアンカー効果によって第１の基材と第２の基材の接合強度が高められ、その一方で、凸部による第２の基材の変形・劣化が抑制された。

製造例Ｓ２のペーストを用いた製造例Ｔ３の接合層は、製造例Ｔ１，Ｔ２の製造例よりも開口面積が大きい凹部が多く形成された。こうした製造例Ｔ３の接合層でも、微細な凹凸構造の凹部に第２の基材の一部を入り込ませることによって、第２の基材を接合したときのアンカー効果を得ることが可能である。ただし、凹部が幅広く、浅く形成されている分だけ、アンカー効果は、製造例Ｔ１の接合層の方が得やすいと言える。また、製造例Ｔ３の接合層では、微細な凹凸構造の凸部が少ないため、凸部による第２の基材の変形・劣化を抑制することができる。

製造例Ｓ４のペーストを用いた製造例Ｔ４の接合層は、深い凹部の数が少なく、高さが低い凸部が多い微細な凹凸構造を有していた。こうした製造例Ｔ４の接合層でも、深くはなくとも凹部が多く形成されているため、第２の基材を接合したときのアンカー効果を得ることが可能である。ただし、深い凹部が少ない分だけ、アンカー効果は、製造例Ｔ１の接合層の方が得やすいと言える。また、製造例Ｔ４の接合層では、高さが低い凸部が多いため、第２の基材の変形・劣化を抑制することができる。

＜接合力の検証＞
図８を参照して、第１の基材２０と第２の基材２１の間の接合力の測定方法の一例を説明する。第１の基材２０と第２の基材２１の間の接合力は、第１の基材２０の上の一点鎖線で示す領域に、第２の基材２１を配置して接合し、その接合が破断するまで、矢印ＴＤで示す方向に第２の基材２１に引っ張り力を付与することによって計測される。

図９の表には、上記の方法で、製造例Ｔ２の接合層の上にＣＦＲＴＰで構成した第２の基材を接合したときの第１の基材と第２の基材の間の接合力の測定結果を示してある。また、同表には、ＳＫ鋼で構成した第１の基材に、接合層を形成することなく、ＣＦＲＴＰで構成した第２の基材を接合したときの第１の基材と第２の基材の間の接合力の測定結果を比較例として示してある。この接合力の測定結果が示しているように、製造例Ｔ２の接合層により、接合層を設けなかった場合より３倍以上も高い接合力が得られた。

＜実施例のまとめ＞
図５に示す製造例Ｓ１～Ｓ５のいずれのペーストを用いた場合でも、接合層の厚みは、ペーストの塗布層の厚みより小さくなり、１００μｍ未満であった。製造例Ｓ３，Ｓ５のペーストを用いて、上記の製造例Ｔ１～Ｔ４と同様なレーザーの照射条件で、金属によって構成された第１の基材に接合層を形成した場合であっても、接合層に、製造例Ｔ１～Ｔ４と同様な微細な凹凸構造が形成された。ただし、製造例Ｓ５のペーストを用いて形成した接合層については、製造例Ｓ１～Ｓ４のペーストを用いた接合層に比較して、得られるアンカー効果が低かった。

なお、図５に示す製造例Ｓ６のペーストを用いて、上記の製造例Ｔ１～Ｔ４と同様なレーザーの照射条件で、鋼材によって構成された第１の基材に接合層を形成した場合には、アンカー効果が得られるような微細な凹凸構造を有する好適な接合層は形成できなかった。これは、製造例Ｓ６のペーストの金属粉末には、ニッケルが含まれていなかったためであると推察される。

以上の実施例の結果が示すように、金属粉末に、チタンと、炭素と、ニッケルが含まれるペーストを用いれば、好適な接合層を形成することが容易である。製造例Ｓ１～Ｓ４のペーストについての評価結果から、金属粉末におけるニッケルのモル比１に対するチタンのモル比は、１以上５以下であることが好ましく、１以上３以下であることがより好ましく、１であることがさらに好ましいとわかった。また、製造例Ｓ２，Ｓ５のペーストについての評価結果から、ニッケルのモル比１に対するスズのモル比は、１未満であることが好ましいことがわかった。また、製造例Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のペーストについての評価結果から、ニッケルのモル比１に対するスズのモル比は、０．７以下であることがより好ましく、０．５以下であることがさらに好ましいことがわかった。また、本願発明の発明者のこれまでの長年にわたる実験結果から得られる知見によれば、ペーストの金属粉末にチタンを含むか否かは基材の材質に応じて選択することが可能であり、さらに、上記の実施例の結果は、ペーストの金属粉末に、チタンの代わりに鉄を混合したときでも同様に得ることができるものである。

３．まとめ：
以上のように、本発明によれば、第１の基材と第２の基材とを接合する際に、第１の基材の表面に、第２の基材との間のアンカー効果を得ながら、第２の基材の劣化を抑制できる微細な凹凸構造を有する接合層を容易に設けることができる。また、そうした接合層を形成する際に、第１の基材に付着させやすいペーストや、接合層を有することにより厚みが過度に大きくなることが抑制された第１の基材と第２の基材の接合体を得ることができる。

１０…ペースト
１１…接合層
１２…凹部
２０…第１の基材
２１…第２の基材
３０…接合体
ＬＳ…レーザー照射装置
ＭＡ…マスキング領域
ＰＡ…領域

Claims (6)

1. 金属で構成された第１の基材に、加熱により軟化又は溶融する第２の基材を接合する接合方法であって、
   少なくとも、炭素と、ニッケルと、を含む金属粉末とバインダと溶媒とを混合したペーストを準備する工程と、
   前記第１の基材の表面に、前記ペーストを塗布する工程と、
   塗布された前記ペーストにレーザーを照射して、前記第１の基材の表面に、微細な凹凸構造を有し、前記ペーストよりも厚みが小さい接合層を形成する工程と、
   前記接合層の上に、前記第２の基材を積層して加熱押圧することにより、或いは、前記第２の基材を鋳造することにより、前記第２の基材の一部を前記接合層の前記凹凸構造に入り込ませる工程と、
   を備える、接合方法。
2. 請求項１記載の接合方法であって、
   前記金属粉末は、さらに、鉄とチタンのうちの少なくとも一方を含む、接合方法。
3. 請求項１または請求項２記載の接合方法であって、
   前記金属粉末は、さらに、スズを含む、接合方法。
4. 請求項３記載の接合方法であって、
   前記金属粉末における前記ニッケルと前記スズのモル比を１：Ｘとするとき、Ｘは、０．３以上１未満である、接合方法。
5. 第１の基材と第２の基材との接合の際に、前記第１の基材の表面に塗布され、レーザーが照射されることにより、前記第１の基材の表面に微細な凹凸構造を有する接合層を構成するペーストであって、
   炭素と、ニッケルと、を含む金属粉末と、バインダと、溶媒と、を含み、
   前記レーザーの照射によって前記接合層を構成したときの厚みが、前記第１の基材に塗布されたときの厚みより小さくなる、ペースト。
6. 金属で構成された第１の基材と、加熱により軟化又は溶融する第２の基材と、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する接合層と、を備え、
   前記接合層は、少なくとも、炭素と、ニッケルと、を含む金属によって構成されるとともに、前記第２の基材との間に前記第２の基材の一部が入り込んでいる微細な凹凸構造を有しており、
   前記接合層の厚みは、１００μｍより小さい、接合体。
   
   

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