JP3631809B2

JP3631809B2 - 被接合部材の接合方法

Info

Publication number: JP3631809B2
Application number: JP15356395A
Authority: JP
Inventors: 勝敏野崎; 光矢細江; 直正木村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JPH091324A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は被接合部材の接合方法、特に、両被接合部材の接合面間にろう材を介在させ、次いでそのろう材を加熱して両被接合部材を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば永久磁石と鋼製取付台とを接合する場合、合成樹脂接着剤が用いられている（例えば、特公昭６１−３３３３９号公報参照）。
【０００３】
このように合成樹脂接着剤を用いる理由は、永久磁石、特に、希土類元素を含む永久磁石は、非常に脆いため機械加工性が悪く、また高温下に曝されると、金属組織が変化するのでそれに伴い磁気特性が影響を受ける、といった性質を有し、そのため、永久磁石を鋼製ロータ本体に取付ける場合、あり差し構造、ねじ止め、溶接等の取付手段を採用することができないからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、合成樹脂接着剤による接合では、その永久磁石の昇温に伴い接合強度が著しく低下し、また接合強度のばらつきが大きいため品質管理が難しい、といった問題がある。
【０００５】
そこで、本出願人は先に、希土類元素系合金よりなるろう材を用い、永久磁石の接合強度を向上させることのできる接合方法を提案している（例えば、特願平６−２７７０２７号明細書および図面参照）。
【０００６】
ところが、接合処理中において、ろう材より生じた液相が両接合面間から食出して、その食出し分が永久磁石外面に付着すると、その永久磁石に、それが脆いことに起因して、その付着部を起点とした割れが発生し易い、ということが判明した。
【０００７】
本発明は前記に鑑み、両被接合部材をろう材を用いて接合するに当り、ろう材より生じた液相の、両接合面間からの食出しを防止することのできる前記接合方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、両被接合部材の接合面間にろう材を介在させ、次いで前記ろう材を加熱して両被接合部材を接合するに当り、前記加熱下で前記ろう材より生じた液相の、前記両接合面間からの食出しを防止すべく、前記両接合面間において前記ろう材周りに、前記液相と包晶反応を行う塞止め用合金部材を配設することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
接合処理において、ろう材を加熱すると液相Ｌが生じる。その液相Ｌと、その周囲の合金部材、したがって固相Ｓ_１とが接触すると、両者Ｌ，Ｓ_１が包晶反応、即ち、Ｓ_１＋Ｌ→Ｓ_２の反応を生起する。ここで、Ｓ_２は晶出物、つまり固相であるから、両接合面間の合金部材配設位置に止どまる。
【００１０】
そして、最終的には固相Ｓ_２により両接合面間の間隙が塞がれるので、それら接合面間からの液相の食出しが防止される。
【００１１】
【実施例】
図１，２は接合体１の一例を示す。その接合体１においては、一方の被接合部材がＮｄＦｅＢ系永久磁石、ＳｍＣｏ系永久磁石等の希土類元素を含む四角形の永久磁石２であり、他方の被接合部材が炭素鋼よりなる角形短柱体３である。
【００１２】
永久磁石２と短柱体３の四角形の両接合面４，５間において、外周部を除く主要部に加熱工程を経て形成された接合層６が存在し、また外周部には塞止め層７が存在する。接合層６は、希土類元素系合金よりなるろう材が前記加熱工程で液相を生じることにより形成される。塞止め層７は、ろう材より生じた液相と合金部材との包晶反応による晶出物よりなり、両接合面４，５間の間隙を塞いでいる。塞止め層７および短柱体３間に存する小体積部は、合金部材８において包晶反応に携わらなかった残物である。
【００１３】
接合層６を構成する希土類元素系合金、つまりろう材は、基本的には主成分である希土類元素ＲＥと、その希土類元素ＲＥと共晶反応を行う合金元素ＡＥとから構成される。希土類元素ＲＥには、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも一種が該当し、それらは単体、または混合物であるＭｍ（ミッシュメタル）、Ｄｉ（ジジミウム）の形態で用いられる。その希土類元素ＲＥの含有量は５０原子％≦ＲＥ≦９５原子％に設定される。また合金元素ＡＥには、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＧｅおよびＩｎから選択される少なくとも一種が該当する。その合金元素ＡＥの含有量は５原子％≦ＡＥ≦５０原子％に設定される。
【００１４】
ただし、ろう材において、希土類元素ＲＥおよび合金元素ＡＥの含有量がＲＥ＞９５原子％またはＡＥ＜５原子％であると、固液共存状態における液相の体積分率Ｖｆが低くなるため接合強度が低下する。一方、ＲＥ＜５０原子％またはＡＥ＞５０原子％であると、ろう材の活性が損われる。このことから、希土類元素ＲＥおよび合金元素ＡＥの含有量は、共晶組成またはそれに近い組成となるように設定するのが望ましい。
【００１５】
なお、二種以上の希土類元素ＲＥまたは合金元素ＡＥを含有する場合には、それらの合計含有量が５０原子％≦ＲＥ≦９５原子％または５原子％≦ＡＥ≦５０原子％となる。
【００１６】
ろう材である希土類元素系共晶合金を例示すれば表１の通りである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
また希土類元素系亜、過共晶合金としては以下のものを挙げることができる。各化学式において数値の単位は原子％であり、これは以下同じである（ただし、金属間化合物は除く）。Ｎｄ_６０Ｃｕ_４０合金、Ｎｄ_７５Ｃｕ_２５合金、Ｎｄ_８０Ｃｕ_２０合金、Ｎｄ_５０Ｃｕ_５０合金、Ｎｄ_９０Ａｌ_１０合金、Ｎｄ_８０Ｃｏ_２０合金、Ｓｍ_７５Ｃｕ_２５合金、Ｓｍ_６５Ｃｕ_３５合金、Ｌａ_８５Ｇａ_１５合金。さらに三元系合金としては、Ｎｄ_６５Ｆｅ_５Ｃｕ_３０合金（液相発生温度５０１℃、）、Ｎｄ_７０Ｃｕ_２５Ａｌ_５合金（液相発生温度４７４℃、）等を挙げることができる。
【００１９】
永久磁石２と短柱体３との接合に当っては、次のような方法が採用される。
（ｉ）図３に示すように、細い角ピン状をなし、且つろう材より生じた液相と包晶反応を行う複数の塞止め用合金部材８を用意する。
（ｉｉ）図４に示すように、短柱体３の上向きの接合面５において、その四辺に沿うように四つの合金部材８を載置し、次いでそれら合金部材８による枠形空間内に四角形の薄板状ろう材９を嵌める。これによりろう材９周りに合金部材８が配設される。この場合、ろう材９の厚さは合金部材８の厚さよりも大きく、したがってろう材９は合金部材８より突出している。その後ろう材９上に永久磁石２を、その接合面４を下向きにして重ね合せて、図５に示す積層体１０を得る。（ｉｉｉ）図６（ａ）に示すように、積層体１０を真空加熱炉内に設置して、加熱下でろう材９より液相Ｌを生じさせる、つまりろう材９を液相状態または固相と液相とが共存した固液共存状態にする。
（ｉｖ）図６（ｂ）に示すように、液相Ｌとその周囲の合金部材８、したがって固相Ｓ_１とが接触すると、両者Ｌ，Ｓ_１が包晶反応、即ち、Ｓ_１＋Ｌ→Ｓ_２の反応を生起する。ここで、Ｓ_２は晶出物、つまり固相であるから、両接合面４，５間の合金部材８配設位置に止どまる。
【００２０】
そして、最終的には図２に示すように、固相Ｓ_２、したがって塞止め層７により両接合面４，５間の間隙が塞がれるので、それら接合面４，５間からの液相Ｌの食出しが防止される。
【００２１】
この接合処理において、永久磁石２および接合層６間ならびに短柱体３および接合層６間には、それらに跨がるように拡散領域が形成され、したがって永久磁石２および短柱体３が接合層６を介して強固に接合される。
【００２２】
前記合金部材８としては、希土類元素を含む金属間化合物より構成されたものが用いられ、その金属間化合物には、Ｃｕ_２Ｎｄ、Ｃｕ_２Ｌａ、Ｃｕ_２Ｐｒ、Ｃｕ_２Ｃｅ、Ｃｏ_３Ｌａ_２、Ｃｏ_３Ｃｅ、Ｃｏ_２Ｐｒ、Ｃｏ_３Ｎｄ_２、ＣｅＡｌ_２、ＡｌＮｄ_２、Ｆｅ_１７Ｃｅ_２、Ｆｅ_１７Ｎｄ_２、ＧａＣｅ、Ｇａ_３Ｎｄ_５、Ｎｉ_３ＣｅおよびＮｄＮｉ_３から選択される少なくとも一種が該当する。
【００２３】
図７はＮｄ−Ｃｕ系状態図を示す。この図７に基づき、例えば、ろう材９として、共晶点組成であるＮｄ_７０Ｃｕ_３０合金より構成されたものを用い、また合金部材８として、Ｃｕ_２Ｎｄより構成されたもの（Ｃｕ_２Ｎｄの体積分率Ｖｆ＝１００％）を用いた場合における包晶反応について具体的に説明する。
【００２４】
この条件下において、接合処理時の加熱温度ＴをＴ＝５５０℃に設定すると、Ｎｄ_７０Ｃｕ_３０合金の共晶点は５２０℃であるからＮｄ_７０Ｃｕ_３０合金は完全な液相状態となる（図７、点Ａ）。
【００２５】
液相ＬがＣｕ_２Ｎｄ（図７、点Ｂ、組成：Ｎｄ_３３．３Ｃｕ_６６．７、固相Ｓ_１）に接触すると、局所的に組成はＮｄ濃度が高くなるように移行し、例えば、Ｃｕ_２Ｎｄと液相Ｌとを合せた全体組成が、図７、Ｃ点（組成：Ｎｄ_３８Ｃｕ_６２）に至る。このＣ点は、Ｃｕ_２Ｎｄと金属間化合物ＣｕＮｄ（固相Ｓ_２）の固相混合状態が安定となる領域に属するので、Ｃｕ_２Ｎｄと液相Ｌは、Ｃｕ_２Ｎｄ（Ｓ_１）＋Ｌ→ＣｕＮｄ（Ｓ_２）の包晶反応を生起し、この包晶反応は液相Ｌが消失するまで続行してＣｕＮｄの晶出が行われる。最終的には、Ｃｕ_２ＮｄとＣｕＮｄとの量比はＣｕ_２Ｎｄ：ＣｕＮｄ＝ｂ：ａとなる。
【００２６】
さらに液相Ｌの量が増加して液相ＬとＣｕ_２Ｎｄとを合せた全体組成が図７、点Ｄ（組成：Ｎｄ_５０Ｃｕ_５０）に至ると、Ｃｕ_２Ｎｄは消失してＣｕＮｄのみが晶出する。このＣｕＮｄと液相Ｌは包晶反応を生起しない。
【００２７】
合金部材８としては、前記金属間化合物を含むものを用いれば、包晶反応による塞止め効果を得ることができるが、その塞止め効果を高めるためには、合金部材８における前記金属間化合物の体積分率ＶｆをＶｆ≧１０％に設定するのがよい。このＶｆ≧１０％において、前記塞止め効果をさらに高めるためには、前述のように合金部材８を前記金属間化合物単相組織（Ｖｆ＝１００％）にするか、またはその組織に近い組織にすればよい。
【００２８】
表２，３は、各種合金部材８における包晶反応と、その包晶反応を生起する金属間化合物を含有するための合金部材８の組成に関する許容範囲および好適範囲（Ｖｆ≧１０％）を希土類元素ＲＥについて示したものである。これらの組成は、合金部材８が属する合金系状態図に基づいて求められたものであり、例えば、図８はＬａ−Ｃｕ系状態図を、図９はＮｄ−Ａｌ系状態図を、図１０はＮｄ−Ｇａ系状態図をそれぞれ示す。
【００２９】
【表２】

【００３０】
【表３】

【００３１】
ろう材９と合金部材８との組合せは、通常、同一合金系に属するものどうしについて行われるが、ろう材９から生じた液相Ｌと合金部材８とが包晶反応を生じる、という条件を満たせば、両者８，９の組合せは、異種合金系に属するものどうしについて行ってもよい。
【００３２】
また合金部材８は、その包晶反応を行う成分の作用を妨げないことを条件として、各種合金元素を含んでいてもよい。
【００３３】
ＮｄＦｅＢ系永久磁石、ＳｍＣｏ系永久磁石等の希土類元素を含む永久磁石２は、接合処理時の加熱温度ＴがＴ＞６５０℃になると、その磁気特性、特に、着磁後の保磁力_ＩＨ_Ｃ（磁化の強さＩ＝０）が低下傾向となる。ただし、残留磁束密度Ｂｒおよび保磁力_ＢＨ_Ｃ（磁束密度Ｂ＝０）は殆ど変わらず、したがって最大磁気エネルギ積（ＢＨ）ｍａｘは略一定である。この点を考慮して、永久磁石２の接合処理に当ってはろう材９の選択がなされる。
【００３４】
接合処理における加熱時間ｈは、それが長過ぎる場合には永久磁石２等の特性に影響を与えるので、ｈ≦１０時間であることが望ましく、生産性向上の観点からはｈ≦１時間である。
【００３５】
なお、永久磁石２に対する着磁処理は前記接合処理後に行われる。
〔実施例〕
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、共晶点組成であるＮｄ_７０Ｃｕ_３０合金が得られるように秤量し、次いでその秤量物を真空溶解炉を用いて溶解し、その後、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、長さ５０ｍｍのインゴットを鋳造した。このインゴットにマイクロカッタによる切断加工を施して、Ｎｄ_７０Ｃｕ_３０合金よりなり、且つ縦９．４ｍｍ、横９．４ｍｍ、厚さ１ｍｍの複数の薄板状ろう材９を得た。
【００３６】
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、金属間化合物Ｃｕ_２Ｎｄ（組成：Ｎｄ_３３．３Ｃｕ_６６．７）が得られるように秤量し、次いでその秤量物を真空溶解炉を用いて溶解し、その後、直径３０ｍｍ、長さ４０ｍｍのインゴットを鋳造した。このインゴットにマイクロカッタによる切断加工を施して、Ｃｕ_２Ｎｄよりなり、且つ縦０．３ｍｍ、横０．３ｍｍ、長さ９．７ｍｍの細い角ピン状をなす複数の塞止め用合金部材８を得た。
【００３７】
一方の被接合部材として、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ３ｍｍのＮｄＦｅＢ系永久磁石（住友特殊金属社製、商品名ＮＥＯＭＡＸ−２８ＵＨ、キュリー点３１０℃）２を選定し、また他方の被接合部材として、炭素鋼（ＪＩＳＳ２５Ｃ）よりなり、且つ縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、長さ１５ｍｍの短柱体３を選定した。
【００３８】
図４，５に示すように、１つの永久磁石２、１つの短柱体３、１つのろう材９および４つの合金部材８を用いて積層体１０を作製し、同様の手順で合計１２０個の積層体１０を作製した。
【００３９】
次いで、これら積層体１０を真空加熱炉内に設置して、加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなる接合処理を行って、図１，２に示すように永久磁石２と短柱体３とをそれぞれ接合層６を介して接合した１２０個の接合体１を得た。
【００４０】
加熱工程において、加熱温度ＴはＴ＝５２０，５４０，５６０，５８０℃に設定され、また加熱時間ｈは各加熱温度Ｔについてｈ＝１０，２０，３０分間に設定された。さらに、１回の接合処理において真空加熱炉内に設置される積層体１０の数は１０個に設定された。
【００４１】
また前記と同一組成で、且つ縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのろう材を用いる一方、前記合金部材８を用いない、ということ以外は前記と同一条件で前記同様の積層体を作製し、同様の手順で合計１２０個の積層体を作製した。次いで、これら積層体に前記同様の接合処理を施して１２０個の接合体を得た。
【００４２】
表４は、各接合体における接合処理条件と、接合体１０個につき、ろう材より生じた液相の食出しに起因して、割れを生じた永久磁石を持つ接合体の数、つまり割れた永久磁石の数との関係を示す。
【００４３】
【表４】

【００４４】
表４から明らかなように、加熱温度ＴをＴ＝５２０℃、つまり共晶点に設定した場合には、ろう材より生じた液相の粘度が高いため合金部材の使用、不使用に拘らず液相の食出しは生じない。
【００４５】
加熱温度ＴをＴ＝５４０℃に設定した場合には、合金部材を使用すると、各加熱時間ｈにおいて前記液相の食出しを防止し得るが、合金部材を使用しないと、加熱時間ｈ≧２０分間において前記液相の食出しが発生する。
【００４６】
加熱温度ＴをＴ≧５６０℃に設定すると、合金部材を使用しても加熱時間ｈによっては前記液相の食出しが生じるが、その食出しの発生は、合金部材を使用しない場合に比べて極端に少ない。
【００４７】
前記組成のろう材を用いた接合処理において、その処理能率を向上させ、また十分な接合強度を得るためには、加熱温度Ｔを５４０℃程度に、また加熱時間ｈを２０〜３０分間程度にそれぞれ設定するのが望ましい。したがって、この条件下において合金部材を使用すれば、永久磁石の割れ発生を回避して大いに歩留りを向上させることができる。
【００４８】
前記接合技術は、回転機、例えばモータのロータにおいて、そのロータ本体に対する永久磁石の接合に適用され、回転数が１００００ｒｐｍ以上である高速回転モータの実現を可能にするものである。また前記接合技術は永久磁石相互の接合にも適用される。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のような特定の手段を採用することによって、ろう材より生じた液相の両接合面間からの食出しを防止することができる。特に、被接合部材の少なくとも一方が脆い永久磁石の場合、前記液相の食出しに起因した永久磁石の割れ発生を回避して歩留りを大いに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】接合体の斜視図である。
【図２】接合体における要部拡大断面図である。
【図３】合金部材の拡大斜視図である。
【図４】永久磁石、ろう材、合金部材および短柱体の重ね合せ関係を示す斜視図である。
【図５】積層体の要部を破断し、且つその破断部の一部を拡大した側面図である。
【図６】接合処理の説明図である。
【図７】Ｎｄ−Ｃｕ系状態図である。
【図８】Ｌａ−Ｃｕ系状態図である。
【図９】Ｎｄ−Ａｌ系状態図である。
【図１０】Ｎｄ−Ｇａ系状態図である。
【符号の説明】
１接合体
２永久磁石（被接合部材）
３短柱体（被接合部材）
４，５接合面
８合金部材
９ろう材
Ｌ液相
Ｓ_１，Ｓ_２固相

Claims

両被接合部材（２，３）の接合面（４，５）間にろう材（９）を介在させ、次いで前記ろう材（９）を加熱して両被接合部材（２，３）を接合するに当り、前記加熱下で前記ろう材（９）より生じた液相（Ｌ）の、前記両接合面（４，５）間からの食出しを防止すべく、前記両接合面（４，５）間において前記ろう材（９）周りに、前記液相（Ｌ）と包晶反応を行う塞止め用合金部材（８）を配設することを特徴とする被接合部材の接合方法。
前記ろう材（９）は希土類元素系合金よりなる、請求項１記載の被接合部材の接合方法。
前記ろう材（９）において、希土類元素ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも一種であって、その希土類元素ＲＥの含有量が５０原子％≦ＲＥ≦９５原子％である、請求項２記載の被接合部材の接合方法。
前記ろう材（９）において、合金元素ＡＥはＣｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＧｅおよびＩｎから選択される少なくとも一種であって、その合金元素ＡＥの含有量が５原子％≦ＡＥ≦５０原子％である、請求項２または３記載の被接合部材の接合方法。
前記合金部材（８）において、希土類元素を含む金属間化合物の体積分率Ｖｆが１０％≦Ｖｆ≦１００％であり、その金属間化合物は、Ｃｕ_２Ｎｄ、Ｃｕ_２Ｌａ、Ｃｕ_２Ｐｒ、Ｃｕ_２Ｃｅ、Ｃｏ_３Ｌａ_２、Ｃｏ_３Ｃｅ、Ｃｏ_２Ｐｒ、Ｃｏ_３Ｎｄ_２、ＣｅＡｌ_２、ＡｌＮｄ_２、Ｆｅ_１７Ｃｅ_２、Ｆｅ_１７Ｎｄ_２、ＧａＣｅ、Ｇａ_３Ｎｄ_５、Ｎｉ_３ＣｅおよびＮｄＮｉ_３から選択される少なくと一種である、請求項２，３または４記載の被接合部材の接合方法。
前記両被接合部材（２，３）の少なくとも一方（２）が希土類元素を含む永久磁石である、請求項１，２，３，４または５記載の被接合部材の接合方法。