JP3045460B2 - 焼結接合方法およびその方法を用いる焼結複合部材 - Google Patents

焼結接合方法およびその方法を用いる焼結複合部材

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JP3045460B2 JP7093977A JP9397795A JP3045460B2 JP 3045460 B2 JP3045460 B2 JP 3045460B2 JP 7093977 A JP7093977 A JP 7093977A JP 9397795 A JP9397795 A JP 9397795A JP 3045460 B2 JP3045460 B2 JP 3045460B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、焼結接合方法およびそ
の方法を用いる焼結複合部材に関し、より詳しくは鉄系
材料に銅系材料を焼結接合する焼結接合方法およびその
方法を用いる焼結接合部材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば円筒状の鉄系材料の穴の内
側に銅系材料を接合する方法として、穴に銅系材料を
鋳込み接合する方法、穴に銅系パイプ材を挿入または
圧入して加熱し、鉄系材料と銅系パイプ材との熱膨張差
および鉄の変態収縮を利用して拡散接合する方法、穴
に銅系パイプ材を挿入し、鉄系材料と銅系パイプ材との
隙間にろう材を加熱浸透させて接合する方法などが挙げ
られる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
の方法は、(i)接合性の向上のために多量のフラック
スを用いるので作業環境が極度に悪い、(ii)必要量
以上の銅系材料が鋳込まれるので材料歩留りが悪く、鋳
込み後の後加工量も多いためコスト高になる、という問
題点がある。
【0004】また、前記,の方法は、(i)鉄系材
料の穴の内径寸法,面粗さと銅系パイプ材の外径,面粗
さとを精密に管理しなければ接合面での接合率が大きく
バラつき、製品不良率が高くなる、またそのような管理
費用が嵩む、また(ii)銅系パイプ材に成形するため
の材料が限定され、成形に費用がかかる、という問題点
がある。
【0005】また、円筒状の鉄系材料の穴に円筒状の銅
系材料を圧入し全体を加熱することにより焼結接合する
方法がある。この方法においては、銅系材料の収縮によ
る接合不良を回避すべく銅系材料を、例えば治具により
内側から拡張方向に加圧する手段が採られるが、圧力を
均一に伝達することが困難であるため接合品質を確保す
ることが困難であるという問題点がある。
【0006】本発明は、このような問題点を解消するた
めになされたものであり鉄系材料に対して銅系材料を焼
結接合するに際し、特別の費用をかけることなく高い接
合品質を得ることのできる焼結接合方法およびその方法
を用いる焼結複合材料を提供することを目的とするもの
である。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用・効果】本発明
による焼結接合方法は、前述された目的を達成するため
に、鉄系材料に対して銅系材料を焼結接合する焼結接合
方法であって、 (a)この鉄系材料の穴部に対して膨張性を与える金属
および/または半金属元素を1種以上含む3成分系以上
からなる銅系材料を接触させて600℃以上の温度で所
定時間加熱することによりその銅系材料を膨張させてそ
の鉄系材料に接合させ、 (b)さらに昇温して800℃以上の温度で加熱するこ
とによりの銅系材料を緻密化させることを特徴とする
ものである。
【0008】本発明によれば、銅系材料が膨張挙動を示
す600℃以上の温度で所定時間加熱することにより銅
系材料が鉄系材料に対して充分に接合する。したがっ
て、その後、800℃以上での焼結によりその銅系材料
を緻密化させても、収縮によりその銅系材料がその鉄系
材料の表面においてずれる、またその鉄系材料からから
分離することがなく、優れた接合品質が確保される。こ
のように本発明による焼結接合方法は、温度管理のみに
よって銅系材料の鉄系材料への接合を行うので費用がか
からない。
【0009】本発明による焼結接合方法において、前記
鉄系材料の穴部が円筒形状であり、前記銅系材料がその
鉄系部材の穴径と略同じまたは僅かに小さい外径を有す
る円筒状銅系部材であり、この系部材の穴部にその円
筒状銅系部材を挿入した状態で前述のように600℃以
上の温度で加熱するものとすることができる。こうする
ことにより円筒状鉄系部材の内側に円筒状銅系部材を接
合させることができる。
【0010】本発明による焼結接合方法において、前記
銅系材料がCu−Sn成分系を含み、このCu−Sn
分系のβ相またはβ相と同様の相を安定化する金属およ
び/または半金属元素が膨張性を促進する元素として
加されてなるものとすることができる。このような元素
の添加により前記銅系材料の膨張挙動が促進され、この
銅系材料の前記鉄系材料に対しての接合がより強固なも
のになる。このようなβ相またはβ相と同様の相を安定
化する元素としては、例えばAl,Si,Ga,Be,
In,Sb,Zn,Ti,Zr,n,Cr,Coのう
ちの一種または二種以上が用いられる。
【0011】また、さらに、前記β相またはβ相と同様
の相を安定化する元素のその安定化機能を阻害する元素
が添加されることが好ましい。このような元素を添加す
るのは、銅系材料が800℃を越える所定の温度以上に
加熱されたときにその銅系材料が焼結されて膨張挙動を
示す状態から収縮挙動を示す状態に転じて緻密化するこ
とを促進するためである。この安定化機能を阻害する元
素としては、例えばTi,Pb,Zn,P,Sb,A
g,In,Ni,Co,Fe,Crのうちの一種または
二種以上が用いられる。
【0012】本発明は、前述のような本発明により焼結
接合方法により銅系材料が鉄系材料に焼結接合されてな
る焼結複合部材にも関するものである。
【0013】本発明の目的は、後述される詳細な説明か
ら明らかにされる。しかしながら、詳細な説明および具
体的実施例は最も好ましい実施態様について説明する
が、本発明の精神および範囲内の種々の変更および変形
はその詳細な説明から当業者にとって明らかであること
から、具体的例として述べるものである。
【0014】
【実施例】次に、本発明による焼結接合方法および焼結
接合部材の具体的実施例につき、図面を参照しつつ説明
する。
【0015】(実施例1)電解Cu粉末(CE15)
に、表1に示す配合(wt%)でCu20Sn,Snア
トマイズ粉末,TiH,Pbアトマイズ粉末,Cu8
P,黒鉛,リン鉄(27%P),SiO2 ,Al
2 3 ,ZrO2 ,Si3 4 ,SiCの各粉末添加剤
を添加混合して銅系混合粉末を調製する。これら混合粉
末に4t/cm2 の圧力をかけて、図1(a)に示すよ
うな外径25.0(+0.0,−0.05)mm,内径
20,高さ20mmの薄肉円筒状成形体(円筒状銅系部
材)を成形する。また、図1(b)に示すような外径2
5.0(+0.2,−0.0)mm,深さ25mmのS
CM440H鋼製の有底円筒体(円筒状鉄系部材)を作
製する。この有底円筒体に前記薄肉円筒状成形体を圧入
し、露点が−50℃以下のアンモニア分解ガス雰囲気下
で、昇温速度5℃/分で昇温し、焼結温度で15分保持
後、30℃/分以上の速度で冷却して、焼結複合部材を
得る。
【0016】
【表1】
【0017】[TiH単独添加による膨張・収縮作用、
TiH添加の下限値]25wt%のCu20Sn、5w
t%のSnアトマイズ粉末、5wt%のPbアトマイズ
粉末、残部の電解Cu粉末(CE15)からなるベース
組成に各添加剤を添加して得られる混合粉末から前述と
同様の薄肉円筒状成形体を成形して790℃および79
0℃から昇温させたときの寸法変化率を測定した結果を
図2および図3のグラフに示す。図2のグラフにおい
て、横軸は分散剤の添加量(wt%)を、縦軸は寸法変
化率(%)を示す。また、図3のグラフにおいてGrは
黒鉛を表し、例えば2Ti−1Grという表現はTiを
2wt%、黒鉛を1wt%添加したものを表している。
【0018】図2のグラフから、TiHを単独で添加す
ると、低温(例えば790℃)側では明確な膨張性が認
められ、前記有底円筒体の穴内径面に対して自己膨張に
よる加圧接合状態が得られることがわかる。また、図3
のグラフから、高温側(例えば820℃以上)では焼結
による顕著な収縮性が認められ、焼結体が緻密化してい
ることが判る。
【0019】これら分散剤を添加したもののうち、Ti
Hを0.5wt%添加したものは、薄肉円筒状成形体と
有底円筒体とのクリアランスをほぼ0に組み合せること
によって良好な接合状態が得られた。
【0020】[TiH添加の上限値、Snの下限値、P
b/Snの共存効果]薄肉円筒状成形体の原料として6
wt%のTi,5wt%のPb,残部のCuに0,2ま
たは4wt%のSnを添加した混合粉末を用い、焼結に
よるその薄肉円筒状成形体の寸法変化率を測定した結果
を図4のグラフに示す。
【0021】図4に示されているように4%Snの共存
下で低温側において膨張、高温側において顕著な収縮挙
動が示されており、コストを抑える観点からTiH添加
量は7.0wt%程度を上限とすることが好ましいと考
えられる。
【0022】薄肉円筒状成形体の原料として6wt%の
Ti,残部のCuに0,5または10wt%のPbを添
加した混合粉末を用い、焼結によるその薄肉円筒状成形
体の寸法変化率を測定した結果を図5のグラフに示す。
【0023】この図5のグラフに示されているようにP
bが単に接合性の改善だけでなく、Snの共存がなくて
も10wt%添加すれば高温側での顕著な収縮性とが認
められる。しかしながら、Pbの蒸発の危険性を考慮す
ると、前述のようにSnを共存させて、焼結最終温度を
低く抑えることが環境問題上好ましいと考えられる。
【0024】なお、Pbは添加するだけで、接合性を安
定化させ、15%添加において前述の鉄系材料からなる
有底円筒体の接合面における剪断強度が7kg/mm2
以上と実用的に問題のない結果が得られる。また、前述
したように焼結時の環境問題と実利性を考慮するとPb
の添加量は最大15wt%程度であることが好ましいと
考えられる。
【0025】[黒鉛,セラミックス粒子の添加およびT
iHとの複合添加効果]黒鉛の単独添加では、図2,3
に示されているように低温側での膨張はほとんど認めら
れず、焼結温度の上昇と共に膨張するので、接合性は得
られるが、焼結後に充分に緻密化されない。この原因は
液相焼結で発生するCu−Sn−Pb液相との濡れ性の
悪さが焼結体の膨張性に作用しているためと考えられる
ので、TiH,Zrとの複合添加による濡れ性の改善効
果の利用が適していると考えられる。なお、ZrもCu
に対する作用がTiと類似しているので、添加量は限定
されるものの本発明に使用され得るものと考えられる。
【0026】また、図2,3に示されているように、S
iO2 ,Al2 3 ,ZrO2 粒子などの添加はそれら
単独では低温側での膨張性を促進するものではなく、む
しろ収縮性に寄与するものと考えられる。このことは、
特にAl2 3 ,Mo(後述する実施例2参照)、リン
鉄などで確認される。
【0027】しかしながら、TiHを0.5wt%複合
添加した結果は、セラミックス粒子の添加による低温側
での収縮が抑制されて、逆にTiHの効果が増長される
ことになり、接合性が高まる。特にAl2 3 の添加は
顕著な例として認められる。このような現象は、前記A
2 3 ,SiO2 ,ZrO2 などのセラミックスに共
通に認められるので、一般のセラミックス材料にも広く
認められると考えられる。
【0028】なお、黒鉛粒子の添加を除けば、TiHと
の複合添加を行わない場合には焼結性収縮がむしろ加速
されている場合が多く認められており、TiHの作用効
果が充分に認められる。
【0029】また、Grの1wt%の添加でも認められ
ているように、TiHを共存させない場合には高温側で
充分に高密度化しないために剪断強度も3〜5kg/m
2と著しく低下しており、2.0%のTiHを添加し
たものが15〜20kg/mm2 であることと比べて、
顕著な強度劣化になっていることが判る。
【0030】なお、Tiを添加させて鋳鉄と結合させた
場合でも、Tiは接合を阻害する鋳鉄中の黒鉛と反応し
TiC等の化合物相を形成し、安定した接合性の確保
や接合強度の保証といった観点からも、添加量は0.2
wt%以上が好ましい。ただし、低温側での膨張量不足
は後述のAl,Si,Znなどの複合添加によって十分
に調整が可能である。また0.2wt%以上のTiの添
加はCu−Snのベース合金の焼結時の発泡現象を完全
に止めることが出来るためである。
【0031】[Cu8pの添加効果]Cu−P合金によ
るPの添加は0.1wt%以上から顕著な効果を示す
が、この理由は、少量発生する液相の流動性と濡れ性を
著しく改善するためと考えられるが、多量に添加するこ
とは焼結材料の脆弱化を高めることにつながるので、最
大量を1.0wt%程度にとどめることが好ましい。
【0032】また、Mo,Wも単独添加により大幅な収
縮を示し、TiHとの複合添加によって顕著な膨張性を
示す系に転換するので、検討の価値のある元素である。
【0033】(実施例2)電解Cu粉末(CE15)
に、表2に示す配合(wt%)でCu20Sn,Snア
トマイズ粉末,TiH,Pbアトマイズ粉末,Siスタ
ンプ粉,Alアトマイズ粉,NiAlスタンプ粉,Ni
2 Al3 スタンプ粉,Fe10Alアトマイズ粉,Cu
30Znアトマイズ粉,カーボニルNi,カーボニルC
o,Mo,W,TiSiスタンプ粉,Mnスタンプ粉,
Crスタンプ粉の各粉末添加剤を添加混合して銅系混合
粉末を調製する。これら混合粉末から実施例1と同様に
薄肉円筒状成形体(円筒状銅系部材)と有底円筒体(円
筒状鉄系部材)とを得、実施例1と同様に焼結を行って
焼結複合部材を得る。
【0034】
【表2】
【0035】前記各粉末添加剤の添加の影響を調べるた
めに、各薄肉円筒状成形体の820℃での寸法変化率を
測定した結果が図6,7のグラフに示されている。この
ように、Si,Al,TiHまたはそれらSi,Al,
TiH元素を含有する金属間化合物の添加によって低温
側では膨張挙動が示されている。またMo,Wは実施例
1におけるセラミックス粒子の影響と同様に焼結性を高
めるために収縮性を高め、またNi,Coはほとんど寸
法変化率に影響を与えないことが示されている。
【0036】図7に示されているように、高温側でもT
iHを除いてSi,AlまたはSi,Al元素を含む金
属間化合物の単独添加では、焼結の進行による顕著な収
縮性が認められていないために、Si,AlまたはS
i,Al元素を含む金属間化合物の単独添加では充分な
特性が得られない。但し、TiHについては低温側の膨
張と高温側の収縮とが達成されており、本発明の目的に
合致した特性が示されている。また、添加量の制御やA
l,Siの添加方法を化合物添加または母合金添加にす
ることによってそれぞれ膨張量や収縮量が制御されるこ
とがわかる(図6,7参照)。
【0037】なお、Si,Alが膨張性を示す基本はC
u−Sn系のβ相をより安定化するためであると考えら
れ、状態図的にもCu−Si,Cu−Al系ではより高
温側に包晶温度があることと符号している。また、Ti
Hも低温側でCu−Sn系のβ相をより安定化するため
とも考えられる。
【0038】[TiH−Al,Siの複合添加の影響]
Al,SiとTiHとを表3に示される配合で複合添加
して前述と同様に寸法変化率を測定した結果が図8,
9,10のグラフに示されている。
【0039】
【表3】
【0040】特に、Al添加の例からわかるように(図
8参照)、金属間化合物の形で添加した場合には、低温
側での膨張性がTiHとの複合添加によってより顕著に
なり、例えば有底円筒体の穴の内径と肉薄円筒状成形体
の外径とのクリアランスを大きくとることができ、生産
上の工程管理,穴の内径の加工公差が緩くなりコスト低
減効果と共に接合品質が向上するなどの利点が得られる
ようになる。
【0041】Tiの添加量の下限値を0.2wt程度と
することが好ましい。この理由は、微量のSi,Alま
たはそれらSi,Al元素を含有する金属間化合物のコ
ントロールによりTiの効果が増長できるためである。
特に、Fe10Al合金を3wt%添加し、0.5wt
%のTiHを複合添加した例でも明らかなように低温側
の膨張から高温側の顕著な収縮作用に添加していること
がわかる。
【0042】また、Si,Alの添加量の下限値は0.
1wt%とすることが好ましい。この理由は、Si,A
lまたはSi,Al元素を含む金属間化合物の添加効果
が顕著なもので、作用性が充分に確認されるためであ
る。また、上限値は3.0wt%が好ましい。この理由
は、必要量以上の膨張量の発生は高温側での必要以上の
収縮を必要とし、緻密化が困難になりすぎるからであ
る。
【0043】[純Al添加の影響,化合物添加の主旨]
Alの添加を純金属粉末で実施した場合、焼結雰囲気の
影響(酸化性)を受けやすく、低温側で過剰に膨張し、
高温側での高密度化が達せられなくなる危険性から、N
iAl,FeAlなどの熱的に安定な金属間化合物によ
るAlの供給方法が考えられる。この考えによれば、N
i−Al,Fe−Al間の高融点金属間化合物だけでな
く、Ni,Fe族に近いCu−Al,Mn−Al,Co
−Al,Cr−Al間の金属間化合物についても同様の
効果が期待できると考えられる。したがって、これら金
属間化合物の添加も本発明の主旨に合致するものであ
る。
【0044】なお、Al量は金属間化合物のAl含有率
で換算され、同時に含有されるNi,Fe,Co,C
r,Mnの含有率は本発明の範囲に含まれるものであ
る。
【0045】また、Al,SiとTiHとの複合添加方
法としてTi−Al,Ti−Siを含む母合金の合金粉
末による添加も効果的である。
【0046】[Snの下限値,Pbの作用] 前記図7,8は、Cu−6Tiに対するSn,Pb添加
の影響を示している。これら影響からSnの添加量の下
限値は2wt%程度であろうと考えられる。なお、Pb
を10wt%添加すれば高温側での収縮性が確保できる
ことがわかるが、鉄との接合性(SiとAlの膨張性の
発現)を考慮するとSnの添加量は2wt%程度必要で
あると考えられる。また、Sn量の下限値とTiのほぼ
上限値とでの組成系での各種合金元素の添加の提供を図
10に示しているが、Si,AlおよびそれらSi,A
lを含む金属間化合物の添加作用は本発明の主旨に合致
するものである。
【0047】[Niの影響]Niの添加量を変えて前述
のように寸法収縮率を測定した結果が、図11のグラフ
に示されている。この図11および図6のグラフからN
i,Coの単独添加だけでは膨張性にほとんど影響を及
ぼさないことがわかる。
【0048】また、別の態様で添加剤を添加して前述の
ように寸法収縮率を測定した結果が図12,13,1
4,15のグラフに示されている。これらグラフから、
例えばSiとの複合添加を行えば低温側ではSiの膨張
性を示すようになると共に、高温側では高密度化を顕著
に示すようになることがわかる。
【0049】また、別の態様で添加剤を添加して寸法収
縮率を測定した結果が図16のグラフに示されている。
これら図12,13,14,15,16のグラフから、
NiとTiとの共存効果ではTiH添加量が少ない場合
には余り顕著な効果とは言えない(図16参照)、低温
側での収縮抑制効果を発揮しており接合の安定化に寄与
しており、また高温側ので緻密化に対しても加速してい
ることがわかる。また、Ni,Tiの共存効果は有底円
筒体の鋼の界面における接合強度を顕著に高め、例えば
のC2の例では剪断強度で20〜25kg/mm2
と顕著な効果が発揮されることがわかる。さらに、Ni
とTiHとの添加量を高めると好ましい結果が得られる
(図13,14)。これらの効果は、Coについても同
様に認められている。
【0050】
【表4】
【0051】
【表5】
【0052】また、10wt%という高濃度でNiを添
加した場合にはTiH添加量は2wt%でも前述のよう
な膨張・収縮効果が得られるので、TiHの添加量は3
wt%程度に上限を設けてもよい。
【0053】[Ni添加効果の機構説明]Niの添加効
果について調べた結果、Ni単独での添加は膨張・収縮
作用にはほとんど影響しないが、SiまたはAlと共存
する場合には低温側ではSi,Alの膨張性を発現さ
せ、高温側ではNiがSi,Alと化合物を形成してS
i,Alの膨張性を著しく弱めることによって焼結収縮
を示して高密度化するようになっている。この現象は、
TiHの添加効果とほぼ同じものと考えられる。また、
全く同様の効果はCoの添加でも確認されており、M
n,Mo,WなどをはじめとするSi,Alとの化合物
形成能の大きな元素の添加によってもほぼ同じことが予
想される。なお、添加量は、Si,Alの添加量に対し
て5倍の添加で効果が認められると考えられるので0.
5wt%の程度の下限値を設けてもよい。また、コスト
的な観点から20wt%程度の上限値を設けることが考
えられる。なお、充分な安定した効果を得るために2〜
5wt%程度が好ましいと考えられる。
【0054】[その他の合金元素の機能]前記図13,
14,15およびさらに別の態様で添加剤を添加したと
きの寸法変化率の測定結果を示している図17のグラフ
から、Cr,Mnが本発明の主旨に合致する元素として
使用できることがわかる。特に、CrはSi,TiHと
かわらない低温側での膨張と高温側での収縮性とを発揮
している。したがって、CrについてもSi,Al,T
iHと同様の作用を奏することがわかる。
【0055】[Zn添加の効果]さらに、別の態様で添
加剤を添加して寸法収縮率を測定した結果が図18,1
9,20,21,22のグラフに示されている。
【0056】これらのグラフから、Zn単独の添加によ
ってもZn自身が低温側での膨張性を示した後に高温側
で顕著に収縮する作用を示すことがわかる。この理由
は、Cu−Zn系でのβ相の安定化の観点から、前述の
ようにSi,Alと同様の作用を有するためと考えられ
る(図18)。
【0057】また、Znの共存によってSi,Alの添
加により低温側の膨張性がより加速され、かつZn添加
量の増大と共により加速されることと高温側ではTi,
Niなどの複合添加による収縮性の確保を必要としなく
てもよいAl添加範囲が存在していることなどが他のも
のと効果と異なる点である(図18,19,20,2
1,22)が、合金組成範囲の自由度を広げる意味から
は、効果の程度に違いはあっても、積極的な複合添加は
必要かつ有効な手段と考えられる。
【0058】また、その他のNi,黒鉛,MgなどはZ
nを含まない例と略同様の挙動を示し、基本的にはZn
との顕著な相互作用がないことがわかる。
【0059】なお、Zn添加量の下限値については、図
18に示されているように、例えば0.5wt%Al共
存効果を見た場合に、低温膨張がZnの添加量に比例し
ながら顕著になるために0wt%とすることができると
考えられる。また、Zn添加量の上限値については、Z
nを母合金として添加した場合の成形性の困難性の観点
から30wt%程度に設定され得るが、Znの添加量の
影響は前述のように添加量によって膨張温度を調整する
ことにもつながるので、Sn,Pb,TiH等の添加元
素との加減によって簡単に調整することができる。
【0060】さらには、Zn添加量が20wt%を越え
る場合には、Znの蒸発性を考慮してN2 ガスのような
不活性ガスまたは還元性ガスの加圧雰囲気中で焼結する
ことが、高温側での焼結密度を高めるのに効果的である
と考えられる。
【0061】[内径接合に必要な低温側での膨張量の検
討]さらに、別の態様で添加剤を添加して前述のように
寸法変化率を測定した結果を図23,24,25のグラ
フに示している。
【0062】図23〜25に示すように、例えば粉末を
添加した圧粉体は昇温と共に各種の膨張挙動を示すこと
がわかる。この膨張原因をハンセンの状態図に照らして
検討した結果、η,ε,γ,β相と呼ばれる金属間化合
物相の生成が関与していると考えられ、更に化合物の消
失による液相の出現によって膨張が収縮反応に転じると
考えられる。したがって、添加するSnソースの違いに
よって膨張・収縮反応の出現パターンが異なり、例えば
Cu−33SnでSnを添加した場合にはγ相の出現に
よる大きな膨張(730℃)とβ相の出現による非常に
小さな膨張が認められ、Cu−20Sn添加の場合には
δ相からγ,β相への遷移による膨張が認められる。
【0063】これらの結果が、図26のグラフに要約さ
れている。このようにいずれの場合においても接合に利
用価値の高い高温側でのβ相の出現による膨張反応は非
常に小さく、単なる熱膨張による膨張量(熱膨張係数;
18×10-6)よりも小さくなるために、Snソースを
単に変えるだけでは接合に必要な大きな膨張が期待され
ない。また、図26のグラフ中には太い実線で鋼(SC
M440H)の熱膨張・収縮曲線を示し()、更に前
記薄肉円筒状成形体(Cu系パイプ成形素材)の外径と
前記有底円筒体の内径とのクリアランス(φ25mmに
対して50μm相当)を見込んだ場合の鋼の熱膨張・収
縮曲線を別の太実線で示している()が、これらの実
線との関係からも接合性の確保のための膨張が見られな
いことが明確である。しかし、SnソースとしてはCu
−33Snがよく、Cu−20SnソースではCu20
Sn粉末の添加量が多くなり、固相焼結反応による収縮
が無視できなくなると共に、Cu−Sn系の包晶点以上
での新たなβ相の出現がほとんど期待れないことから、
接合に必要な膨張が期待できないことがわかる。
【0064】なお、本実施例において、焼結は各銅系粉
末材料の組成に応じて充分緻密化(好ましくは相対密度
で85%以上)する温度まで加熱することにより行われ
ている。
【0065】本発明の主旨は、接合に利用しやすい高温
側での膨張を出現させることにある。言い換えれば、接
合に必要な液相とβ相の新たな出現とを合金設計手法を
駆使して発現させ接合に利用することである。なお、参
照事例としてSnソースにわざとCu20Sn合金粉を
用いて、ベース成分ではβ相膨張が発生しないようにし
て、このものに3wt%のNiAlと1wt%のTiH
を複合添加した合金の熱膨張・収縮曲線を示したが、明
らかにβ相出現による非常に顕著な膨張が出現し、,
で示す鋼の曲線よりも大きく膨張し、接合性が確実に
なることがわかる。
【0066】次に、接合に必要な膨張量について検討す
る。なお、検討の資料として前記図8のグラフを用い、
検討結果を図27のグラフに示す。このグラフは、Cu
系焼結材料の冷却時の熱収縮から本系の熱膨張係数が1
8×10-6であること、Cu−10Sn−5Pb系の7
90℃での寸法変化率が−1.2%であること、および
前記図26のグラフの各種測定結果を参考にして作図し
たものであることとである。なお、前記薄肉円筒状成形
体の穴の内径部とのクリアランスを0とした場合には、
合金元素の添加による膨張量はベース合金よりも0.5
%膨張し、またクリアランスが50μmを見込んだ場合
には(φ25mmに対して)約0.8%の膨張があれば
略接合焼結が可能と考えられる。この理由は、前述の結
果と良く符号しているが、接合の安定性と工程のバラツ
キに対する安全性を考慮すると、ベースに対して1%以
上の膨張量を確保しておくことが良いが考えられる。ま
た、前記鋼の成分、例えば炭素量が変わると鋼のα/γ
変態点が変わるのでCu系パイプ成形素材の膨張量の考
慮も必要と考えられるがα/γ変態点での収縮量
0.25%程度の膨張量がカバーできるようにCu系焼
結材料の膨張量を合金元素で予め調整しておけば問題は
なく、例えば膨張量をベースに対して0.25%増やし
て、1.05%レベルにしておけばよいと考えられる。
【0067】[膨張系合金元素の検討]Cu−Sn合金
系状態図のβ相を安定化させる元素を添加した場合に
は、液相の発生に伴って、新たなβ相の出現が顕著にな
り、この反応域での大きな膨張反応が期待される。この
ような膨張反応を実現させる合金元素の選定するために
次の2種類の観点が利用される。
【0068】 Cu−Sn合金と同じくCuとの合金
系においてβ相が安定に存在する包晶、共晶反応系の合
金元素をハンセンの状態図集から選出する。前述の主旨
に適合するものとしてAl,Si,Ga,Be,In,
Sb,Zn系などが選出される。これらAl,Si,G
a,Be,In,Sb,Zn中ではAlがβ相安定化効
果からすれば最も効果的であり、SiおよびZnも実用
的な観点から現実的な合金元素として都合がよい。ま
た、Al、Si,Znの添加方法については焼結時に発
生する液相との反応によるβ相の析出が膨張反応の基本
とも考えられるので膨張系元素は例えばNiAlのよう
な化合物や母合金添加方法であっても同じ効果が発揮す
ることは容易に想像される。なお、Ga,Be,In,
Sbも基本的にはAl、Si,Znと同様の効果を示す
ものと考えられる。
【0069】 前記のようにCuとの合金系におい
てβ相が存在していなくとも、合金元素として添加する
ことによってβ相を安定化する元素の条件として、合金
元素の結晶構造が少なくともβ相と同じBCC構造を取
り、かつCuをある程度に固溶できる元素であることと
する。このような主旨に適合するものとしてTi,Z
r,Feが選定される。但し、膨張元素としての効果は
前記の元素に比べて小さいと考えられる。
【0070】[高温側高密度化の促進元素の検討]膨張
元素を添加すると高温領域においても焼結体の密度が高
まりにくく、材料特性上の不都合が多くなるので、焼結
密度が所定の温度範囲内で高密度化するように調整する
ことが必要になる。
【0071】 高密度化を促進する元素としての機能
は膨張元素、例えばSi,Alのβ相安定化機能を85
0℃以上で抑制するように析出物形態を変更させる。こ
の変更として、例えばβ→Ni3Si,TiAl,Ni
3Ti、TiSi C→TiCなどが考えられる。
【0072】この様な原理からすると、高温での高密度
化促進元素としてTi,Ni,Fe,Mn,Cr,Co
などの膨張元素と安定な金属間化合物を生成しやすい元
素の添加が対象となる。
【0073】 本来的に焼結体の焼結密度を高める手
段として、液相焼結時における液相量の増大が考えられ
るので、この観点からするとPb,Zn,P,Ag,I
nなどその他多くの元素が考えられるが、実用的な観点
からすれば前記元素が現実的と考えられる。また、前述
の説明からするとTi,Znは膨張機能と高温での収縮
機能を同時に兼ね備えた元素として機能することがわか
る。
【0074】以上のように、本発明の一つの要旨は、図
28のグラフに模式的に示されているように、銅系材料
を低温側の焼結温度においては膨張させ鉄系材料に圧接
させて接合し、高温側の焼結温度においては収縮させて
焼結材として必要な緻密性を得るものである。なお、こ
の方法において低温側での焼結において昇温速度を遅く
するまたはその低温側の温度領域で同じ温度で所定時間
加熱することにより接合性を高めることができると考え
られる。また、この銅系材料をその鉄系材料に圧接させ
ず単に接触させて焼結接合することも本発明の範囲に含
まれる。この場合には、低温側での焼結により銅系材料
を鉄系材料の接合させるときにその銅系材料が収縮によ
り鉄系材料から予定外の方向にずれることがないという
利益が得られる。
【0075】なお、本発明の焼結接合方法およびそれに
より得られる焼結複合部材は、例えばシリンダブロック
に適用される。
【0076】前述のように、本発明は、種々に変更可能
なことは明らかである。このような変更は本発明の精神
および範囲に反することなく、また当業者にとって明瞭
な全てのそのような変形、変更は請求の範囲に含まれる
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、実施例の試験体を示す側断面図であ
る。
【図2】図2は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図3】図3は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図4】図4は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図5】図5は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図6】図6は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図7】図7は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図8】図8は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図9】図9は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を示す
グラフである。
【図10】図10は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図11】図11は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図12】図12は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図13】図13は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図14】図14は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図15】図15は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図16】図16は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図17】図17は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図18】図18は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図19】図19は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図20】図20は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図21】図21は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図22】図22は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図23】図23は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図24】図24は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図25】図25は、実施例の試験体の膨張収縮挙動を
示すグラフである。
【図26】図26は、β相の出現を説明するグラフであ
る。
【図27】図27は、必要膨張量を示すグラフである。
【図28】図28は、本発明の原理を説明するグラフで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−22417(JP,A) 特開 昭49−34408(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 1/00 - 7/08 F16C 33/00 - 33/08

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鉄系材料に対して銅系材料を焼結接合す
    る焼結接合方法であって、 (a)この鉄系材料の穴部に対して膨張性を与える金属
    および/または半金属元素を1種以上含む3成分系以上
    からなる銅系材料を接触させて600℃以上の温度で所
    定時間加熱することによりその銅系材料を膨張させてそ
    の鉄系材料に接合させ、 (b)さらに昇温して800℃以上の温度で加熱するこ
    とによりその銅系材料を緻密化させることを特徴とする
    焼結接合方法。
  2. 【請求項2】 前記鉄系材料の穴部が円筒形状であり、
    前記銅系材料がその鉄系部材の穴径と略同じまたは僅か
    に小さい外径を有する円筒状銅系部材であり、この
    部材の穴部にその円筒状銅系部材を挿入した状態で前述
    のように600℃以上の温度で加熱することを特徴とす
    る請求項1に記載の焼結接合方法。
  3. 【請求項3】 前記銅系材料がCu−Sn成分系を含
    み、このCu−Sn成分系のβ相またはβ相と同様の相
    を安定化する金属および/または半金属元素が膨張性を
    促進する元素として添加されてなるものであることを特
    徴とする請求項1または2に記載の焼結接合方法。
  4. 【請求項4】 前記β相またはβ相と同様の相を安定化
    する元素がAl,Si,Ga,Be,In,Sb,Z
    n,Ti,Zr,n,Cr,Coのうちの一種または
    二種以上であることを特徴とする請求項3に記載の焼結
    接合方法。
  5. 【請求項5】 さらに、前記β相またはβ相と同様の相
    を安定化する元素のその安定化機能を阻害する元素が添
    加されることを特徴とする請求項3または4に記載の焼
    結接合方法。
  6. 【請求項6】 前記安定化機能を阻害する元素がTi,
    Pb,Zn,P,Sb,Ag,In,Ni,Co,F
    e,Crのうちの一種または二種以上であることを特徴
    とする請求項5に記載の焼結接合方法。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至6のうちのいずれかに記載
    の方法を用いて銅系材料が鉄系材料に焼結接合されてな
    る焼結複合部材。
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