JP3100022B2 - インサート材料を用いた固相拡散接合法 - Google Patents

インサート材料を用いた固相拡散接合法

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JP3100022B2 JP05218145A JP21814593A JP3100022B2 JP 3100022 B2 JP3100022 B2 JP 3100022B2 JP 05218145 A JP05218145 A JP 05218145A JP 21814593 A JP21814593 A JP 21814593A JP 3100022 B2 JP3100022 B2 JP 3100022B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は接合しようとする部材を
互に当接し、その接合面に圧力と熱を加えることによ
り、固相の状態で接合する固相拡散接合法に関する。
【0002】
【従来の技術】部材を固相の状態で接合する方法とし
て、ハンダや銀,黄銅,銅等のろうを使用して、その物
理的粘着力や化学的結合力によって、部材を接合する方
法がある。また、微細な結晶粒組織を有する部材を用
い、この部材の接合しようとする面を高精度に仕上げ、
それらの接合面に圧力と熱を加えて固相で接合する方法
がある。この接合方法は、一般に拡散接合と呼ばれてお
り、その要領を図2に示す。即ち、接合しようとする部
材A,Bは金属材料であって、その結晶粒径が1μm以
下と細かく、接合面が十点平均粗さで0.1〜0.2μ
m 以下に仕上げられて清浄であることが要求される。そ
して、これらの接合部材A,Bを、加圧用の治具1,2
の間に挟み、所定の温度に加熱しながら所定の圧力Pの
もとで、真空容器3内の真空中で7.2〜18ks 程度
の時間をかけて接合される。なお、4は加熱用のヒータ
ー、5はオイルシールである。さらに、この固相拡散接
合の他の方法として、図3に示すように接合部材の間に
箔状金属などのインサート材10を挟み、前記と同じ要
領で圧力と熱を加えることで接合部材とインサートした
金属とを反応させて接合する方法がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記ろう付け等による
方法は、接合強度が低く簡易接合の域を出ず、構造用部
材への利用には適していない。一方、図2に示す方法
は、部材の変形を極力抑えて接合でき、接合部強度も優
れているが、その接合条件として、前記のように部材の
結晶粒径が1μm 以下であることが必要であり、接合面
の仕上げ精度が十点平均粗さで0.1〜0.2μm 以下
と高く、雰囲気が真空であること、接合時間も7.2k
s 以上かかるという欠点がある。また、インサート材を
介設しておこなう方法は、図2に示す方法の場合のよう
な接合部材に要求される組織は必要なく、繊維強化金属
(以下FRMとする)や、粒子分散強化金属(以下PR
Mとする)などの接合が難しい複合部材でも接合ができ
る。また接合面の仕上げ精度も十点平均粗さで1μm 以
下でよい。しかし、接合界面近傍に、インサート材料と
接合部材の成分とが互に拡散して脆い合金層が形成され
るため、インサート材料の材質やその厚さに注意を要す
る場合がある。本発明は、前記事情に鑑みてなされたも
ので、前記問題点を解消した固相拡散接合法を提供する
ことを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】前記目的に添い、本発明
は、Al合金同志をインサート材を介して固相の状態で
接合する場合に、前記インサート材にCu,Zn,M
g,Alまたはこれらを40%以上含有する合金の箔を
用い、前記Al合金固有の溶体化処理温度の少なくとも
上下2%の温度に保持しながら、その保持時間内でおこ
なう固相拡散接合法とすることによって前記課題を解消
した。本発明の方法によってインサート材がすべて接合
部材のなかへ拡散吸収され良好な接合状態がえられた。
【0005】
【実施例】本発明はAl合金における溶体化処理を利用
するものである。Al合金における溶体化処理は、Cu
Al2 ,MgZn2 ,Mg2 Si等のAl合金中で形成
される金属間化合物が粗大析出しないよう、加熱してこ
れらを固相のAlマトリックス中へ固溶させ、その後の
急冷で過飽和固溶体とする処理である。通常は後工程の
時効処理で、均一微細に析出させるケースが多い。この
溶体化処理温度は成分の拡散や移動が起こる温度であ
り、この温度域ではインサート材料のように外部からの
成分の侵入や拡散も可能である。本発明者はこの点に着
目し、これを固相拡散接合に利用したものである。表1
にAl合金鋳物各種の溶体化処理温度と時間との関係
を、表2にAl合金伸材各種の溶体化処理温度と時間と
の関係をそれぞれ示す。
【0006】
【表1】
【0007】
【表2】 これによればAl合金の種類によって、その溶体化処理
温度と保持時間が多少異っている。よって、本発明では
このようなAl合金の典型的溶体化処理温度域723〜
823Kの範囲を利用するものである。そしてAl合金
の強さや硬さを高める金属間化合物の典型的成分のC
u,Zn,Mg,Alまたはそれらを40%以上含有す
る合金をインサート材とし、接合部材には前記のような
Al合金,Al合金複合材料を用いる。
【0008】なお、前述のようにAl合金の種類により
溶体化処理温度とその保持時間が異なる。従って本発明
では接合材料に用いるAl合金の種類により、接合時に
おいて異なる接合温度を採用する。よって、この接合温
度が溶体化処理温度より低い場合には、接合部材はあま
り活性を示さないため、インサート材料が十分拡散でき
ず層状に残留したり、界面が残留して十分な接合ができ
ない。例えばSiC粒子を20mass%複合したAC
8A合金同志を713Kの温度と0.1MPa の圧力を
10.8ks 間加えたところ、図4に示すように十分接
合できない面が認められた。一方溶体化処理温度783
Kより高温ではAl合金が軟化して、接合時加える圧力
で大変形してしまったり、図5に示すように結晶組織が
粗大化してしまい好ましくない。よって、本発明では溶
体化処理温度の少なくとも上下2%の温度の範囲内で接
合することが好ましい。また、接合時間は1.8Ks 〜
7.2Ks とする。1.8Ks より短いと十分接合させ
たり、インサート成分を十分拡散できない。また、7.
2Ks 以上でもよいが7.2Ks までで十分である。こ
れはAl合金の種類により溶体化処理の保持時間が異な
る関係もあり、種類に応じて接合時間の上限を適宜決定
する。このように、本発明では溶体化処理温度に保持し
ながら、溶体化処理に要する時間の範囲内、即ち、これ
より短かい時間において接合をおこなう。本発明に係る
拡散接合では接合時間を十分取ったり、または引続き冷
却してしまわずに、そのまま加熱を続け、後急冷すれば
Al合金やAl合金マトリックス複合材料の溶体化処理
がそのままおこなえ、処理を効率良く行うことができ
る。なお、本発明の固相拡散接合において付加する圧力
は0.1〜100MPa とし、好ましくは1〜10MP
a とする。
【0009】具体例1 JIS AC8A合金と、AC8A合金に、径が5μm
のSiC粒子を10mass%添加した複合材料(PR
M)を、それぞれφ20×30mmのピースに加工し、
接合面を280番のエメリー紙で研いて仕上げた。これ
らをヘキサンで脱脂後、インサート材料として厚さ50
μm の純Cu箔を挟み、約1×10-2Pa の真空雰囲気
中で約783Kの温度と約1MPa の圧力を7.2ks
間加えた。 これにより両者は接合でき、Cuインサー
トは全て接合部材やそのマトリックス中へ拡散吸収さ
れ、接合部付近に境界線はほとんど認められなかった。
この接合部付近の金属組織を図1に示す。 具体例2 JIS AC8A合金に、径が5μm のSiC粒子を5
mass%添加した複合材料(PRM)を、それぞれφ
20×30mmのピースに加工し、接合面を280番の
エメリー紙で研いて仕上げた。これらをヘキサンで脱脂
後、インサート材料として厚さ100μm の純Zn箔を
挟み、約1×10-2Pa の真空雰囲気中で約783Kの
温度と約1MPa の圧力を3.6ks 間加えた。このこ
とにより両者は接合でき、Znインサートは全て複合材
料のマトリックス中へ拡散吸収された。 具体例3 JIS AC4A合金と、AC4C合金を、それぞれφ
20×30mmのピースに加工し、接合面を280番の
エメリー紙で研いて仕上げた。これらをヘキサンで脱脂
後、インサート材料として厚さ50μm の純Cu箔を挟
み、約1×10-2Pa の真空雰囲気中で約798Kの温
度と約1MPa の圧力を7.2ks 間加えた。これによ
り両者は接合でき、Cuインサートは全て被接合部材や
そのマトリックス中へ拡散吸収された。
【0010】具体例4 JIS AC9A合金と、AC8A合金に、径が5μm
のSiC粒子を10mass%添加した複合材料(PR
M)を、それぞれφ20×30mmのピースに加工し、
接合面を280番のエメリー紙で研いて仕上げた。これ
らをヘキサンで脱脂後、インサート材料として厚さ50
μm の純Cu箔を挟み、約1×10-2Pa の真空雰囲気
中で約783Kの温度と約1MPa の圧力を7.2ks
間加えた。これにより両者は接合でき、Cuインサート
は全て被接合部材やそのマトリックス中へ拡散吸収され
た。 具体例5 JIS A2024合金同士を、それぞれφ20×30
mmのピースに加工し、接合面を280番のエメリー紙
で研いて仕上げた。これらをヘキサンで脱脂後、インサ
ート材料として厚さ100μm の純Zn箔を挟み、約1
×10-2Pa の真空雰囲気中で約768Kの温度と約1
MPa の圧力を3.6ks 間加えた。これにより両者は
接合でき、Znインサートは全て複合材料のマトリック
ス中へ拡散吸収された。 具体例6 JIS A7075合金同士を、それぞれφ20×30
mmのピースに加工し、接合面を280番のエメリー紙
で研いて仕上げた。これらをヘキサンで脱脂後、インサ
ート材料として厚さ100μm の純Zn箔を挟み、約1
×10-2Pa の真空雰囲気中で約743Kの温度と約1
MPa の圧力を3.6ks 間加えた。これにより両者は
接合でき、Znインサートは全て複合材料のマトリック
ス中へ拡散吸収された。
【0011】
【発明の効果】本発明によれば、Al合金又はAl合金
をマトリックスとする複合材料をインサート材を介設し
て固相の状態で接合する場合に、インサート材と接合部
材又は接合部材のマトリックスの間で、成分の拡散を良
好に行なうことができ、良好な接合状態がえられる。ま
た、接合部材の変形を極力抑えて接合ができ、溶体化処
理が同時にできるという大きな特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法によって接合した接合部材の接合
断面の金属組織を示す図面に代る写真である。
【図2】固相接合法の要領を説明する図である。
【図3】インサート材を用いる固相接合法の要領を説明
する図である。
【図4】不完全な接合断面の金属組織を示す図面に代る
写真である。
【図5】結晶組織が粗大化した接合断面の金属組織を示
す図面に代る写真である。
【符号の説明】
1 治具 2 治具 3 真空容器 10 インサート材 A 接合部材 B 接合部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 20/00 - 20/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al合金同志をインサート材を介して固
    相の状態で接合する場合に、前記インサート材にCu,
    Zn,Mg,Alまたはこれらを40%以上含有する合
    金の箔を用い、前記Al合金固有の溶体化処理温度の少
    なくとも上下2%の温度に保持しながら、その保持時間
    内でおこなうことを特徴とする固相拡散接合法。
  2. 【請求項2】 前記保持時間が、少なくとも1.8Ks
    以上であることを特徴とする請求項1に記載の固相拡散
    接合法。
  3. 【請求項3】 前記Al合金が、JIS AC8A,A
    C4A,AC4C,AC9A,A2024,A707
    5,AC1A,AC2A,AC2B,AC4B,AC4
    D,AC5A,AC8B,AC8C,AC9B,A40
    32,A6061のいずれか、またはそれの組合せであ
    ることを特徴とする請求項1に記載の固相拡散接合法。
  4. 【請求項4】 溶体化処理が同時に続行しておこなえる
    ことを特徴とする請求項1に記載の固相拡散接合法。
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