JP3621513B2 - Ａｌ金属接合体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする金属からなる部材と、他の材料からなる異種部材とを接合したＡｌ金属接合体に関するものであり、主に産業用・構造用部品として用いられるＡｌ金属接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ａｌ合金は耐食性に優れ高熱伝導性であり、しかも軽量であるという利点を有しているので、種々の分野において利用が進んでいる。特に自動車用では、熱交換器への利用や軽量化を目的とした動弁系部品への利用がなされている。そして、これらの用途に使用する場合には、Ａｌ合金同士の接合、又は異種材料との接合によって複合化したものとして用いられる。また、その接合には、溶接、ろう付、鋳ぐるみ、はんだ付等の各種手法が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した接合方法を用いてＡｌ合金と異種材料との接合を行う場合には、材料同士の特性の違い、特に熱膨張係数の差がその接合強度を左右することになる。つまり、上述した接合方法には、必ず熱を加える工程があるので、その加熱温度と接合後の冷却温度との差における材料同士の熱膨張差が、熱残留応力として接合部分に生じることになる。この様に接合部分に生じた熱残留応力は、接合体自身の強度低下を招くばかりではなく、例えば十分に界面強度が得られる接合体であっても、セラミックスのような脆性材料を用いた場合には、セラミックスの接合界面にキレを生じてしまい、構造材等として用いるには不適切なものとなることがある。
【０００４】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、熱残留応力を緩衝して、接合体の強度低下を防止できるとともに、セラミックス等の脆性材料にキレ等の生じ難いＡｌ金属接合体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の発明は、
Ａｌ又はＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ金属部材と、該Ａｌ金属部材とは異なる材料からなる異種部材とを接合したＡｌ金属接合体において、前記Ａｌ金属部材と前記異種部材との接合界面に、Ｈｖ硬さ２０〜８０（マイクロビッカース；荷重１００ｇｆ）で且つ厚さ０．１〜３ｍｍの軟質金属層を備えたことを特徴とするＡｌ金属接合体を要旨とする。
【０００６】
本発明においては、前記Ａｌ金属部材とは、純Ａｌからなる金属部材又はＡｌを主成分とする金属からなる金属部材（例えばＡｌ合金部材）を意味する。また、異種部材とは、Ａｌ金属部材とは異なる材料からなる部材、例えばＡｌ以外の他の金属からなる金属部材や金属以外のセラミック等の材料からなる部材を意味する。従って、Ａｌ金属接合体とは、純Ａｌからなる金属部材と異種部材との接合体、及びＡｌを主成分とする金属からなる金属部材と異種部材との接合体を意味している。
【０００７】
具体的には、Ａｌ金属部材としては、純Ａｌ（ＪＩＳ Ａ１０５０）、Ａｌ合金（ＪＩＳ Ａ７０７５）等を使用することができる。
また、異種部材としては、セラミックスに関しては、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、サーメットなどが挙げられ、金属材料に関しては、鉄系合金、Ｔｉ合金、超硬合金などが挙げられる。
【０００８】
請求項２の発明は、
前記軟質金属層が、Ａｌ又はＡｌを主成分とする金属からなることを特徴とする前記請求項１記載のＡｌ金属接合体を要旨とする。
前記軟質金属層を構成するＡｌを主成分とする金属としては、例えばＪＩＳ Ａ１０５０の様な純Ａｌや、ＪＩＳ Ａ５０５６、ＪＩＳ Ａ５０５２、ＪＩＳ
Ａ３００３等のＡｌ合金を用いることができる。
【０００９】
請求項３の発明は、
前記軟質金属層が、Ａｌ以外の他の金属からなることを特徴とする前記請求項１記載のＡｌ金属接合体を要旨とする。
前記軟質金属層を構成する他の金属としては、例えば無酸素Ｃｕ等の金属を用いることができる。
【００１０】
請求項４の発明は、
前記軟質金属層の厚さが、０．２〜１．０ｍｍであることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか記載のＡｌ金属接合体を要旨とする。
請求項５の発明は、
前記厚さの範囲の軟質金属層が複数層形成されていることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれか記載のＡｌ金属接合体を要旨とする。
【００１１】
請求項６の発明は、
前記軟質金属層の硬さが、Ｈｖ硬さ２０〜４０（マイクロビッカース；荷重１００ｇｆ）であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか記載のＡｌ金属接合体を要旨とする。
【００１２】
上述したＡｌ金属接合体の接合方法としては、例えばろう付け接合が挙げられるが、このろう付け接合に用いるろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金などの公知のろう材が挙げられる。
また、前記異種部材の接合面には、接合性を高めるために、接合に先だって、メタライズ層を形成しておくことが好ましい。このメタライズ層としては、セラミックス部材に対してはＡｌを用い、炭素鋼に対してはＴｉを用いることができる。
【００１３】
尚、接合時に、Ａｌ金属部材を構成する物質と軟質金属層を構成する物質とから脆弱な金属間化合物が形成される場合には、その金属間化合物の形成を防止するバリア層を設けておくことが好ましい。例えば、金属間化合物を形成する物質の拡散を防止するために、接合に先だって、軟質金属層となる緩衝板の表面に例えばＮｉメッキ層等を形成しておくことが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明では、Ａｌ合金等のＡｌ金属部材とそれとは別の異種部材との接合体において、Ｈｖ硬さ２０〜８０で且つ厚さ０．１〜３ｍｍの軟質金属層がその接合界面に存在していることにより、熱残留応力が緩衝され、接合体の強度として、Ａｌ金属部材自身の強度とほぼ同等な接合強度が得られる。また、これら接合体の内、異種部材がセラミックスの様な脆性材料である場合には、熱残留応力が緩衝されることにより、セラミックス等の界面にはキレが生じない。
【００１５】
それに対して、本発明範囲外の硬度又は厚さを有する金属層を介在させた接合体の場合、期待する接合強度を得ることができない。つまり、硬度が高い場合には、熱残留応力の緩衝が不十分であり、一方、硬度が低い場合には、熱残留応力は緩衝するものの前記金属層（緩衝層）の耐力が接合強度を左右してしまい、いずれの場合も接合強度の低下を招くこととなるからである。同様に、緩衝層の厚さが０．１ｍｍより薄い場合には、熱残留応力の緩衝効果が不十分であり、一方、厚い場合には、緩衝層の耐力により接合強度が左右されてしまう。
【００１６】
また、異種部材の材料（異種材料）としては、セラミックスに関しては、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、サーメットなどが挙げられ、金属材料に関しては、鉄系合金、Ｔｉ合金、超硬合金などが挙げられるが、これらの異種材料の熱膨張係数α（３０℃〜４００℃）の一例を示すと、ジルコニア；１０．５×１０^−６／℃、アルミナ；７．０×１０^−６／℃、窒化珪素；２．３×１０^−６／℃、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）；１３．６×１０^−６／℃、超鋼；４．８×１０^−６／℃、であり、例えばＡｌ合金の熱膨張係数α（ＪＩＳ Ａ２０２４；２２．９×１０^−６／℃、Ａ７０７５；２５．２×１０^−６／℃）と大きく異なり、接合における残留応力も大きなものとなる。
【００１７】
しかしながら、本発明では、上述した軟質金属層の構成を採用することにより、残留応力を緩衝し接合強度の高い良好な接合体を得ることが可能である。そして、その効果は、熱膨張係数の差が大きい程有効であり、例えば差が１７×ｌ０^−６／℃以上あるような場合に効果は大きいものとなる。
【００１８】
請求項２の発明では、軟質金属層として、純ＡｌやＡｌ合金の様なＡｌ又はＡｌを主成分とする金属を採用できる。
請求項３の発明では、軟質金属層として、無酸素Ｃｕの様なＡｌ以外の他の金属を採用できる。
【００１９】
請求項４の発明では、軟質金属層の厚さが、０．２〜１．０ｍｍであるので、一層接合強度が向上する。
請求項５の発明では、熱応力を緩衝するために、厚さの範囲の軟質金属層を複数使用しても、同様な効果が得られる。
【００２０】
請求項６の発明では、軟質金属層の硬さが、Ｈｖ硬さ２０〜４０（マイクロビッカース；荷重１００ｇｆ）であるので、一層接合強度が向上する。
尚、前記軟質金属層となる部材（例えば緩衝板）が、例えばＡｌ合金、特にろう付け熱処理や溶体化熱処理などにより特性が変化しない非熱処理型合金であれば、前記請求項１〜６の範囲内の軟質金属層を形成するため好ましい。
【００２１】
【実施例】
本発明のＡｌ金属接合体の実施例について説明する。
（実施例１）
図１（ａ）に接合セットの状態を示す様に、本実施例のＡｌ金属接合体（以下単に接合体と称す）１を製造する場合には、図の左右方向にＡｌ金属部材２と異種部材３とを配置するとともに、このＡｌ金属部材２と異種部材３との間に、図の左から順に、ろう材４、（接合後の軟質金属層となる）緩衝板５、ろう材６を配置する。それとともに、異種部材３の接合面にはメタライズ層（膜）７を形成しておく。
【００２２】
前記Ａｌ金属部材２は、丸棒（直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ）であり、その材料として、ＪＩＳ Ａ２０２４、又はＪＩＳ Ａ７０７５のＡｌ合金を用いた。
前記異種部材３は、丸棒（直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）であり、その材料として、セラミックスの場合は、Ａｌ_２０_３、Ｚｒ０_２、Ｓｉ_３Ｎ_４を用い、金属材料の場合は、炭素鋼（超鋼）、Ｔｉ合金を用いた。
【００２３】
そして、これらの異種部材３の接合面のメタライズ層７としては、セラミックスの場合は、蒸着によりＡｌ（１０００オングストローム厚）からなる層を形成し、金属材料（炭素鋼）の場合は、蒸着によりＴｉ（１０００オングストローム厚）からなる層を形成した。尚、異種部材３がＴｉ合金である場合にはメタライズ層７は形成しなかった。
【００２４】
前記緩衝板５は、接合後に軟質金属層となるものであって、円盤（直径１０ｍｍ、厚さ０．１〜３．０ｍｍの範囲）であり、その材料として、ＪＩＳ Ａ１０５０（純アルミ）、ＪＩＳ Ａ３００３、ＪＩＳ Ａ５０５２、ＪＩＳ ５０５６よりなる純アルミ又はＡｌ合金を用いた。つまり、この緩衝板５として、下記表１に示す様に、Ｈｖ硬さ２０〜８０（マイクロビッカース；荷重１００ｇｆ）で、且つ厚さ０．１〜３．０ｍｍの範囲の軟質金属を用いた。
【００２５】
尚、前記緩衝板５は、例えば圧延加工、加熱処理及びなまし処理により加工作成され、圧延加工によって一旦硬さが上昇するが、その後の加熱処理及びなまし処理により、上述した元の硬さの範囲（Ｈｖ硬さ２０〜８０）に戻るものである。また、ろう付けの際の加熱によってもこの硬さは変化しないので、緩衝板５と軟質金属層の硬さは同様なものである。
【００２６】
前記ろう材４，６としては、Ａｌ−１．８Ｓｉ−１０．８Ｃｕ−６０Ｚｎの合金箔（直径１０ｍｍ、厚さ０．０６ｍｍ）を用いた。
そして、前記図１に示す順にセットして、ろう付けを行った。ろう付条件は、窒素中で４７０℃×２ｈに保持する条件とした。
【００２７】
得られた接合体１は、各々時効処理まで施し、外径を９ｍｍまで研削を行い、図２（ａ）に示す様に、Ａｌ金属部材２をクランプして異種部材３に荷重をかける片持ち曲げ強度試験により接合強度を評価した。
また、同時に作製した接合体１を、接合面に対し垂直に切断し、接合体断面の接合界面のマイクロビッカース硬度を測定した。マイクロビッカース硬度測定の条件は荷重１００ｇｆである。尚、測定位置は図２（ｂ）に示す様に、接合部分の各層についてであるが、層中に析出が存在する箇所は避け、母相にビッカースを打ち込んだ。
【００２８】
その結果を、実験条件とともに、下記表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
この表１に示す様に、本発明の範囲の接合体１は、接合界面での剥離及び異種部材３のキレは認められず、１５３［ＭＰａ］以上の良好な接合強度を示した。（実施例２）
次に、実施例２について説明する。
【００３１】
図１（ｂ）に接合セットの状態を示す様に、本実施例の接合体１１を製造する場合には、図の左右方向にＡｌ金属部材１２と異種部材１３とを配置するとともに、このＡｌ金属部材１２と異種部材１３との間に、図の左から順に、ろう材１４、緩衝板１５、ろう材１６、緩衝板１７、ろう材１８を配置する。それとともに、異種部材１３の接合面には、予めメタライズ層（膜）１９を形成しておく。
【００３２】
ここで、前記各部材の材料及び寸法は、下記表２に示す様に、前記実施例１とほぼ同様であるので説明は省略するが、本実施例の特徴は、緩衝板１５，１７が２層となっていることである。
この接合体１１に対しても、前記実施例１と同様な実験を行った。その結果を下記表２に記す。
【００３３】
【表２】

【００３４】
この表２から明かな様に、緩衝板１５，１７を２枚有する接合体１１においても、本発明の範囲を満たすものであれば、前記実施例１と同様な効果が得られている。
（比較例）
次に、比較例について説明する。
【００３５】
下記表３に示す様に、本発明の範囲外の接合体を製造した。具体的には、Ａｌ金属接合体と異種部材とのろう付け接合の際に緩衝板を使用しないもの（試料Ｎｏ．３３，３４）、及び、Ａｌ金属接合体と異種部材とのろう付け接合の際に緩衝板を使用するが、そのＨｖ硬度又は厚さが本発明の範囲外のもの（試料Ｎｏ．３５〜４０）を使用し、前記実施例１，２と同様な実験を行った。その結果を下記表３に記す。
【００３６】
【表３】

【００３７】
この表３から明かな様に、本発明の範囲外にあるものは、接合界面での剥離、軟質金属層（緩衝層）の変形、セラミック部材のキレが生じていた。特に、緩衝板が厚い場合（試料Ｎｏ．３５，３７，４０）には、緩衝層で大きく変形しており、強度は４２［ＭＰａ］以下と低いものであった。
（実施例３）
次に、実施例３について説明する。
【００３８】
本実施例は、前記実施例１，２と異なり、緩衝板としてＡｌ合金以外の軟質金属を用いたものである。
接合体としては、前記図１（ａ）に示す様に、緩衝板を１枚使用したもの（試料Ｎｏ．４２，４４）、及び前記図１（ｂ）に示す様に、緩衝板２枚を使用したもの（試料Ｎｏ．４１，４３，４５，４６）を製造した。尚、緩衝板としては、表面に（厚さ０．１〜２．５μｍの）Ｎｉメッキを施したもの（試料Ｎｏ．４１〜４４）と、そうでないもの（試料Ｎｏ．４５．４６）を用いた。
【００３９】
そして、各部材の材料としては、下記表４に示すものを用い、特に緩衝板として、Ａｌ合金以外の無酸素Ｃｕを用いている。尚、各部材の寸法は、前記実施例１，２と同様である。
そして、前記実施例１，２と同様な実験を行った。その結果を、下記表４に記す。
【００４０】
【表４】

【００４１】
この表４から明かな様に、本発明の範囲の硬度及び厚さを満たすものであれば、Ａｌ合金以外の軟質金属を用いても、接合体において接合界面での剥離及びセラミック部材のキレは認められず、９８［ＭＰａ］以上の良好な接合強度を示した。また、緩衝板を２枚有する接合体においても、Ａｌ合金以外の軟質金属を用いても同様な効果が得られている。
【００４２】
尚、無酸素ＣｕにＮｉメッキを施していないものは若干接合強度が低いが、それでも緩衝板を備えていない前記表３の比較例よりは強度は高い。
このＮｉメッキを施していない場合の接合強度の低下の理由としては、接合界面に脆弱なＡｌ−Ｃｕ金属間化合物を生成したためと考えられる。従って、緩衝板に用いる軟質金属としてＡｌ合金以外の合金を用いる場合には、接合界面に脆弱な金属間化合物を生成しない様に、軟質金属の緩衝板にＮｉメッキ等のような拡散バリヤとなりうるメタライズを施し、金属間化合物を生成し得る元素の拡散を制御することにより、最適な接合体を得ることができる。
【００４３】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば前記実施例の様に、異種部材の接合面にメタライズ層（膜）を形成する方法としては、蒸着以外に、例えばスパッタやイオンプレーティグ等各種の方法を採用できる。
【００４４】
（２）また、接合方法としては、前記ろう付け以外に、ホットプレス、固相拡散接合等を採用できる。
（３）前記緩衝板として、例えば圧延加工のみを行ったものを用いてもよい。その場合、圧延加工によって硬さが上昇しているが、ろう付けの際の加熱及び冷却によって、上述した加熱処理及びなまし処理が行われることになるので、緩衝板から形成される軟質金属層は、結局元の硬さの範囲（Ｈｖ硬さ２０〜８０）に戻ることになる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した様に、本発明のＡｌ金属接合体は、接合界面の軟質金属層が残留熱応力の緩衝層として機能し、界面剥離や変形等が生じ難く、また異種部材にキレなどが生じ難く、高い接合強度を有する好適な産業用・構造用部材等となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のＡｌ金属接合体の接合セット状態を模式的に示し、（ａ）は緩衝板が１枚の場合を示す説明図、（ｂ）は緩衝板が２枚の場合を示す説明図である。
【図２】実験方法を示し、（ａ）は強度試験を示す説明図、（ｂ）は硬度試験を示す説明図である。
【符号の説明】
１…Ａｌ金属接合体
２…Ａｌ金属部材
３…異種部材
４，６，１４，１６，１８…ろう材
５，１５，１７…緩衝板

Claims (6)

1. Ａｌ又はＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ金属部材と、該Ａｌ金属部材とは異なる材料からなる異種部材とを接合したＡｌ金属接合体において、
   前記Ａｌ金属部材と前記異種部材との接合界面に、Ｈｖ硬さ２０〜８０（マイクロビッカース；荷重１００ｇｆ）で且つ厚さ０．１〜３ｍｍの軟質金属層を備えたことを特徴とするＡｌ金属接合体。
2. 前記軟質金属層が、Ａｌ又はＡｌを主成分とする金属からなることを特徴とする前記請求項１記載のＡｌ金属接合体。
3. 前記軟質金属層が、Ａｌ以外の他の金属からなることを特徴とする前記請求項１記載のＡｌ金属接合体。
4. 前記軟質金属層の厚さが、０．２〜１．０ｍｍであることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか記載のＡｌ金属接合体。
5. 前記厚さの範囲の軟質金属層が複数層形成されていることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれか記載のＡｌ金属接合体。
6. 前記軟質金属層の硬さが、Ｈｖ硬さ２０〜４０（マイクロビッカース；荷重１００ｇｆ）であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれか記載のＡｌ金属接合体。

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