JP2023166775A - ロウ材ペースト - Google Patents

Abstract

【課題】高い作業性を実現できるペースト状のロウ材を提供する。【解決手段】ロウ材ペーストは、８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有する。前記ロウ材は２質量％以上５質量％以下のフラックスを含有する。前記バインダーは水酸基を二つ以上含み、炭素数８～１０で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含む。（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有される。【選択図】図１

Description

本実施の形態は、ロウ材ペーストに関する。

従来から、部材、特に金属製の部材を接合するためにロウ材が用いられている。例えば特許文献１では、管部材が、その端部が継手部材の開口部に挿入された状態で、ニッケルロウ、銀ロウ等を用いたロウ付けにより継手本体に接合される態様が開示されている。この特許文献１では、継手本体の端面において、開口部と管部材の外周面との境界部分に沿ってロウ付けを行い、溶融して液状となったロウ材が、毛細管現象により、開口部の内周面と管部材の外周面との間の僅かな隙間に入り込み、入り込んだロウ材が温度低下して硬化することで管部材の端部と継手本体とがロウ付けにより接合されることが開示されている。

特開２０２１－７６２２４号公報

ロウ材による接合は、ペレット状のロウ材を用いて接合することが一般的である。このようなペレット状のロウ材では作業性が高くないことから、利用の場面は限られていた。なお、ペレット状のロウ材を用いる場合には、ペレット状のロウ材を載置するための凹部を設けることも必要になる。

本発明では、このような状況を改善するために、高い作業性を実現できるペースト状のロウ材を提供する。

［概念１］
本発明のロウ材ペーストは、
８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、
前記ロウ材は２質量％以上５質量％以下のフラックスを含有し、
前記バインダーは水酸基を二つ以上含み、炭素数８～１０で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含み、
（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、
（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有されてもよい。

［概念２］
概念１のロウ材ペーストは、
２５℃～４５０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎという条件で測定した場合の２５０℃でのＴＧ残量が０質量％以上１質量％以下となってもよい。

［概念３］
概念１又は２のロウ材ペーストにおいて、
バインダーは、フラックスに対し吸熱反応を及ぼさない固形溶剤を含有してもよい。

［概念４］
概念１乃至３のいずれか１つのロウ材ペーストにおいて、
ロウ材は、金属、及びホウ酸及びホウ砂のいずれか１種又は両方を含有してもよい。

［概念５］
概念１乃至４のいずれか１つのロウ材ペーストにおいて、
バインダーの固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを含有してもよい。

［概念６］
概念１乃至５のいずれか１つのロウ材ペーストにおいて、
バインダーの液体溶剤としてイソボルニルシクロヘキサノール、テルピネオール及びイソオクタデカノールのいずれか１つ以上を含有してもよい。

本発明によれば、十分な接合を実現でき、かつ高い作業性を有するペースト状のロウ材を提供する。

本実施の形態によるロウ材ペーストを用いて金属部品同士を接合する態様を示した側方図。

以下に、本実施の形態の好適な実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態での「又は」は「及び」を含む概念であり、Ａ又はＢは、Ａ、Ｂ、並びにＡ及びＢの両方のいずれかを示している。

本実施の形態のペースト状のロウ材ペーストは、ロウ材及びバインダーを含んでもよい。ロウ材は、金属と、フラックスとしてのホウ酸又はホウ砂を含んでもよい。バインダーは、固形溶剤及び液体溶剤を含有してもよく、さらにチキソ材を含有してもよい。本実施の形態では、ホウ酸及びホウ砂を含む材料としてはトボックスを用いてもよい。

本実施の形態ではロウ材ペーストを提供できる。このようなロウ材ペーストを用いることで、接合部に直接塗布し濡れを確保でき、接合品質の安定を得ることができる。また、成形する部品を小型・簡易化し、１個部品あたりの加工精度及び収率を向上させることができる。さらに、ロウ材ペーストの粘着力によって、より小さな部品をレンガのように積み上げて接合することもより容易なものであり、量産段階でも様々に応用することができるようにもなる。一例として、本実施の形態のロウ材ペースト５０は、図１に示すような金属部品１０，２０を別の金属部品３０に接合する際に用いられる。例えば、ろう材ペーストは金属部品１０，２０の表面に塗り広げられて、金属部品１０，２０を別の金属部品３０に接合する際に用いられる。このような接合は、４５０℃以上の温度で行われ、典型的には９００～１０００℃で金属部品同士の接合が行われることになる。一例として、ロウ材ペースト５０はオートマティックトランスミッションの構成部品同士の接合に用いられてもよい。

ロウ材ペースト中、ロウ材は８０質量％以上９５質量％以下で含有され、バインダーは５質量％以上２０質量％以下で含有されてもよい。後述するとおりバインダーは接合時には蒸発して無くなることからロウ材とバインダーの比率は特段限定されるものではないが、バインダーの含有量が多いと、粘度が低くなり作業性が下がってしまうことから、バインダーの上限値は２０質量％とすることが好ましく、１５質量％とすることがより好ましく、１０質量％とすることがさらにより好ましい。また、バインダーの含有量が少ないと粘度が高くなり、やはり作業性が下がってしまうことから、バインダーの下限値は５質量％とすることが好ましく、７質量％とすることがより好ましく、８質量％とすることがさらにより好ましい。

バインダーの固形溶剤としては、水酸基を二つ以上含み、炭素数８～１０で構成され２５℃で固体であるものを用いることが好ましく、例えば２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオール等を用いてもよい。

バインダーの液体溶剤としては、低沸点の液体溶剤を用いてもよく、一例として、イソボルニルシクロヘキサノール、テルピネオール又はイソオクタデカノールを用いてもよい。テルピネオールとしては、α－テルピネオール、β－テルピネオール、γ－テルピネオール、δ－テルピネオール等を用いてもよい。本実施の形態の液体溶剤とは２５℃において液体の状態である溶剤を意味し、固形溶剤とは２５℃において固体の状態である溶剤を意味している。なお、α－テルピネオールの沸点は２１７℃であり、水溶性はないという特性を有している。

ロウ材の金属は金属粉末として投入され、その他の部材と混合されることで、ペースト状になってもよい。このようにペースト状になっていることから、ロウ材ペーストにおいては金属粉末を粉末としては肉眼で認識することができない。金属は合金粉末、金属粉末、又は合金粉末と金属粉末の混合物であってもよい。ロウ材に含まれる金属は特に限定されることなく、あらゆる種類の金属を利用することができる。なお、接合する金属部品の材質に応じてロウ材に含まれる金属を適宜変更してもよい。一例としては、Ｃｕ系の合金粉末とＦｅ系の金属粉末が用いられてもよく、より具体的には、ＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末とＦｅ粉末を用いてもよい。ＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末としては、Ｃｕが３８．０～４１．０質量％、Ｎｉが４０．０～４３．０質量％、Ｍｎが１４．０～１６．０質量％、Ｓｉが１．６～２．０質量％、Ｂが１．３～１．７質量％及び１．０質量％以下のその他の成分が含まれてもよい。典型的には、合金粉末は接合の主成分となり、金属粉末は濡れ性を確保するために添加されている。Ｆｅ板金を用いる場合には、Ｆｅ粉末は当該Ｆｅ板金への濡れ性を確保できる。

典型的には、ロウ材成分として、合金粉末、金属粉末、並びにホウ酸及びホウ砂を含んでいる。ロウ材成分全体（１００質量％）に対して、７０～９０質量％の合金粉末、１０～２０質量％の金属粉末、１～１０質量％のフラックスを含んでもよい。フラックス中のホウ酸とホウ砂の比率は１：５～５：１となってもよい。ホウ酸及びホウ砂は合金粉末及び金属粉末の還元剤として機能するフラックスである。合金中の金属又は金属単体として例えばＣｕが用いられている場合にはホウ酸が還元剤として機能し、合金中の金属又は金属単体としてＦｅが用いられている場合にはホウ砂が還元剤として機能する。なお、ホウ酸及びホウ砂を含むフラックスは１７０℃付近から高温の範囲（広範な温度範囲）で還元効果を示すものとなっている。

本実施の形態のバインダーとしては、ホウ酸及びホウ砂による還元を阻害しないという特徴を有しているものを選定してもよい。このようなバインダーを採用した場合にはホウ酸又はホウ砂を含むロウ材に対して、本実施の形態は極めて有益な効果を発揮する。ロウ材に含まれる金属粉末の還元剤としてはホウ酸又はホウ砂が利用されることが好まれるが、本実施の形態のバインダーを採用することで、そのようなホウ酸又はホウ砂を利用しつつ、ペースト状のロウ材ペーストを提供できる。このため、本実施の形態は極めた多種の適用を可能にする点で、非常に優れた効果を発揮することができる。なお、本願の発明者らが確認したところによると、固形溶剤及び液体溶剤を適切なものにしないと、９００～１０００℃程度の高温での金属部品同士の接合の際にバインダーが残ってしまう。このようにバインダーが残ってしまうと、ロウ材に含まれるホウ酸又はホウ砂による還元効果を阻害し、ロウ材の接合材としての機能が発揮されないことになる。なお、バインダー材は最終的には蒸発して無くなることを想定していることから、前述したように、ロウ材に含まれる金属は特に限定されることはない。

バインダーはチキソ材を含有してもよい。チキソ材として、アミド成分を用いてもよく、一例として、ステアリン酸アミド、トルアミド、ラウリン酸アミド、ミリスチン酸アミド、パルチミン酸アミド等を用いてもよい。

一例として、バインダー成分として、固形溶剤である２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールと、液体溶剤であるテルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール又はイソオクタデカノールと、チキソ材であるステアリン酸アミド、トルアミド等が含まれてもよい。

一例として、ロウ材ペーストは、８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、ロウ材は２質量％以上５質量％以下のフラックスを含有し、バインダーは水酸基を二つ以上含み、炭素数８～１０で構成され２５℃で固体となる固形溶剤と、液体溶剤を含んでもよい。そして、バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有されてもよい。当該態様とは異なり、バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有されるようにしてもよい。なお、ロウ材ペーストは、これら以外の成分を含んでもよい。

フラックスに対し吸熱反応を及ぼさない固形溶剤が選定されてもよい。一例としては、ホウ酸又はホウ砂を含むフラックスに対しては、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールは吸熱反応を及ぼさないことから、ホウ酸又はホウ砂を含むフラックスを採用する場合には、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールが固形溶剤として選定されてもよい。なお、本実施の形態において吸熱反応とは、化学反応において、外部から熱を吸収する反応のことを意味している。

バインダー成分中、固形溶剤は１０～６０質量％で含まれ、液体溶剤は１０～９０質量％で含まれてもよい。一例として、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを含む固体溶剤が１０～６０質量％で含まれ、（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールのいずれか１つ以上を含む液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールのいずれか１つ以上を含む液体溶剤がバインダー全体に対して１０～９０質量％で含有され、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有されてもよい。

なお、テルピネオールが単独の液体溶剤として用いられる場合であって、固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールが用いられ、かつバインダーがチキソ材を含有しないときには、上限値としては、バインダー全体に対してテルピネオールは６４質量％以下で含まれることが好ましく、６０質量％以下で含まれることがより好ましい。またこの場合において、下限値としては、バインダー全体に対してテルピネオールは３５質量％以上で含まれることが好ましく、４０質量％以上で含まれることがより好ましく、５０質量％以上で含まれることがさらにより好ましい。このような条件においてテルピネオールの含有量が多くなると、ペースト分離が発生し、ペースト保管性能が悪化するためである。他方、テルピネオールの含有量が少なくなると、バインダー性状が悪化するためである。

固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いる場合には、ペーストとしての最適な柔らかさと最適なタッキング（０．６以上のタッキング）を実現するために、バインダー成分中（１００質量％中）、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールの下限値は２５質量％となっていることが好ましく、３０質量％となっていることがより好ましい。また、バインダー成分中、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールの上限値は６５質量％となっていることが好ましく、５０質量％となっていることがより好ましく、４０質量％となっていることがさらにより好ましい。

固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いる場合であって液体溶剤としてテルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールのいずれか１つ以上を用いるときには、ペーストとしての最適な柔らかさと最適なタッキング（０．６以上のタッキング）を実現するために、バインダー成分中（１００質量％中）、テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールの合計値（テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールのいずれかが含まれず０となっている場合を含む）の下限値は、４５質量％となっていることが好ましく、５０質量％となっていることがより好ましい。また、バインダー成分中、テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールの合計値の上限値は、７５質量％となっていることが好ましく、７０質量％となっていることがより好ましい。

金属部品同士の接合時におけるバインダーの残渣をより確実に抑える観点からはバインダー成分全体に対して１０質量％以下で含まれることが好ましく、６質量％以下で含まれることがより好ましく、２質量％以下で含まれることがさらにより好ましい。

合金粉末としてＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末を用い、粒度分布が２２μｍ～４４μｍとなり、Ｄ５０が３３μｍである粉末を用いた。なお、ＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末は、Ｃｕが３８．０～４１．０質量％、Ｎｉが４０．０～４３．０質量％、Ｍｎが１４．０～１６．０質量％、Ｓｉが１．６～２．０質量％、Ｂが１．３～１．７質量％及び１．０質量％以下となっていた。
金属粉末としてＦｅ粉末を用い、粒度分布が７５μｍ以下となり、Ｄ５０が３３μｍである粉末を用いた。
ホウ酸及びホウ砂を４：１で含有するフラックスを用いた。
ロウ材１００質量％のうち、８２質量％のＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末と、１５質量％のＦｅ粉末と、３質量％のフラックスとを含有するようにした。

１７５℃ＴＧ残量％は、株式会社日立ハイテクサイエンス製、熱重量示唆熱分析ＴＧ-ＤＴＡを用い、２５℃～４５０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎという条件で測定した。ＴＧ残量％は接合強度に影響するものである。表に示す％とは１７５℃ＴＧ残量における値である。１７５℃ＴＧ残量％において１質量％未満の場合には「〇」とし、１質量％以上の場合には「×」とした。
フラックス反応性は、ペーストを試作後に目視によって判断した。目視によってホウ酸及びホウ砂による反応がない場合には「〇」とし、目視によってホウ酸及びホウ砂による反応がある場合には「×」とした。
ペースト化はＪＩＳによる粘度と目視によって確認した。粘度が５０～１６０Ｐａ・ｓであり、目視によって分離を確認できない場合には「〇」とし、粘度が５０～１６０Ｐａ・ｓの範囲外であるか、目視によって分離を確認できた場合には「×」とした。
強度は株式会社鷺宮製作所製のＤＦＨ２１０（静的ねじり試験機）を用いて測定した。強度が弱い場合には接合材としての機能を果たさないことになる。７９００Ｎｍ以上の場合には「〇」とし、７９００Ｎｍ未満の場合には「×」とした。なお、１７５℃ＴＧ残量が多くなると、フラックスによる還元効果を阻害してしまい、その結果として強度が弱くなってしまうと推測される。なお、本実施例では１７５℃での値を用いているが、１７５℃よりも高い値で判断してもよく、２２０℃での残量が１質量％未満とするものを選定してもよいし、２５０℃での残量が１質量％未満とするものを選定してもよい。但し、効果としては、２５０℃ＴＧ残量％において１質量％未満となることが好ましく、２２０℃ＴＧ残量％において１質量％未満となることがより好ましく、１７５℃ＴＧ残量％において１質量％未満となることがさらにより好ましい。

表１の実施例１～９の各々からなるバインダー成分を準備した。
次に、９１質量％のロウ材成分を９質量％のバインダー成分に混合した後で、１７５℃ＴＧ残量％、フラックス反応性、ペースト化及び強度に関する測定を行った。なお、ロウ材成分（１００質量％）は、前述したとおり、８２質量％のＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末、１５質量％のＦｅ粉末及び３質量％のフラックスを混合したものからなっており、後述する比較例１乃至１４でも同様である。

表１で示したとおり、実施例１～９のいずれにおいても、ＴＧ、フラックス反応性、ペースト化及び強度の各々において優れた結果となった。なお、１７５℃ＴＧ残量％で「〇」となる場合には、当然に２５０℃ＴＧ残量％も１質量％以下となる。

表２の比較例１～７の各々からなるバインダー成分を準備した。
ＴＧ、フラックス反応性、ペースト化及び強度の各々の評価は実施例と同様にして行った。固形溶剤を用いていない比較例１ではＴＧ及び強度において好ましい結果を得ることができなかった。水酸基を二つ以上含み炭素数８～１０で構成される固形溶剤を用いなかった比較例２乃至７では、フラックス反応性、ペースト化及び強度の各々において好ましい結果を得ることができなかった。

表３の比較例８～１４の各々からなるバインダー成分を準備した。
ＴＧ、フラックス反応性、ペースト化及び強度の各々の評価は実施例と同様にして行った。比較例２～７と同様、水酸基を二つ以上含み炭素数８～１０で構成される固形溶剤を用いなかった比較例８及び９では、フラックス反応性、ペースト化及び強度の各々において好ましい結果を得ることができなかった。
固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いつつも、チキソ材を含有しない場合で液体溶剤がバインダー全体に対して６５質量％以下で含有される比較例１０乃至１２では強度において好ましい結果を得ることができなかった。また、液体溶剤としてα－テルピネオールを用いた比較例１０及び１１ではペースト化においても好ましい結果を得ることができなかった。また液体溶剤としてイソオクタデカノールを用いた比較例１２ではＴＧにおいても好ましい結果を得ることができなかった。
固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いており、チキソ材の含有量が１５質量％以上となっている比較例１３及び１４ではＴＧ及び強度の各々において好ましい結果を得ることができなかった。

また、３０質量％の２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールに対する析出性を確認したところ、α－テルピネオールでは２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールの析出性が極めて優れていることを確認でき、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いる場合にはα－テルピネオールを採用することが有益であることも確認できた。

１０，２０，３０ 金属部品
５０ ロウ材ペースト

Claims (6)

1. ８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、
   前記ロウ材は２質量％以上５質量％以下のフラックスを含有し、
   前記バインダーは水酸基を二つ以上含み、炭素数８～１０で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含み、
   （１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、
   （２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有される
   ロウ材ペースト。
2. ２５℃～４５０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎという条件で測定した場合の２５０℃でのＴＧ残量が０質量％以上１質量％以下となる、請求項１に記載のロウ材ペースト。
3. バインダーは、フラックスに対し吸熱反応を及ぼさない固形溶剤を含有する、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。
4. ロウ材は、金属、及びホウ酸及びホウ砂のいずれか１種又は両方を含有する、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。
5. バインダーの固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを含有する、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。
6. バインダーの液体溶剤としてイソボルニルシクロヘキサノール、テルピネオール及びイソオクタデカノールのいずれか１つ以上を含有する、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。