JP3704779B2 - Joining member, composite material, and method of manufacturing the composite material - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合用部材、複合材およびその複合材の製造方法に関し、特に電磁加熱用調理器に用いられる接合用部材、複合材およびその複合材の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、電磁加熱用調理器に用いられる炊飯器の内釜は、発熱体としての鉄、ステンレスなどの磁性金属板と、その磁性金属板から発生した熱を伝えるアルミニウム合金からなる伝熱板とを備えた複合材により構成される。伝熱板が内側となるように、この複合材に深絞り等のプレス成形加工を施すことにより、炊飯器の内釜は形成される。また、内釜内面には、炊飯のこびりつきを防止するためにフッ素樹脂のコーティングが施される。
【0003】
この複合材は、従来、ロール圧延によって磁性金属板と伝熱板を複合化する方法により形成されていた(特公昭54−3468号公報、特公昭54−9985号公報参照)。
【0004】
このようなロール圧延による方法では、アルミニウム合金を圧縮して接合するため、アルミニウム合金に皺が生じるという問題があった。さらに、この方法により形成された複合材は、板厚のばらつきが大きいという問題があった。
【0005】
このような問題を解決する改良技術として、特開平6−15465号公報、特開平6−179083号公報に示される熱間一軸加圧による方法がある。特開平6−15465号公報に記載の方法では、鉄合金とアルミニウム合金を接触させ、450℃以上600℃以下の雰囲気中で400kgf/cm2 以上の圧力をかけ、両合金を接合する。また、特開平6−179083号公報に記載の方法では、アルミニウム合金と鉄合金との間に銅を介在させて両合金を接触させ、250℃以上450℃以下の雰囲気中で250kgf/cm2 以上の圧力をかけ、両合金を接合する。
【0006】
このような方法では、上述の問題点は改善されたが、アルミニウム合金と鉄合金の十分な接合強度が得られない場合があり、歩留りが低いという問題があった。また、接合強度と歩留り改善のため、より高温処理を実施する場合、300℃以上の高温では、アルミニウム合金にフッ素樹脂を塗布した場合には、このフッ素樹脂が溶けてしまうという問題があった。さらに、高温で歪みが生じる金属の接合には利用できないという問題があった。
【0007】
そこで、本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、低温で接合でき、強い接合力が得られる接合用部材、複合材およびその複合材の製造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】
この発明の接合用部材は、金属層と、その金属層の一方の表面上に形成された銅を含む接合層とを備え、接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下であることを特徴とする接合用部材である。
【0009】
一般に、拡散接合では、拡散層の結晶粒径と温度が重要な因子である。まず、温度についてであるが、原子の拡散速度は一般に温度に比例する。これは、拡散する原子のエネルギが温度に比例するためであると考えられる。そのため、拡散接合が高温で行なわれる場合には、原子が十分に拡散するので、確実に接合することができる。
【0010】
しかし、拡散接合が低温で行なわれる場合には、拡散する原子の有するエネルギは小さいものとなる。ここで、結晶粒径が小さい場合には、結晶粒の粒界が多く存在する。そのため、粒界を経由した拡散が顕著となり、接合に必要な界面での原子の入換え頻度が大きくなる。そのため、低温でも、結晶粒径が小さければ、十分な接合が行なわれる。
【0011】
本発明者らは、これらの思想に基づき、鋭意研究を進めた結果、拡散金属の平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下では、低温(300℃以下、好ましくは250℃以下)で十分な拡散接合が行なわれることを見い出した。
【0012】
すなわち、この発明の接合用部材においては、金属層の一方の表面上に形成された銅を含む接合層中の銅の平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下である。そのため、この接合層同士を接触させて拡散接合を行なうことにより、低温(300℃以下、好ましくは250℃以下)で十分な拡散接合を行なうことができる。
【0013】
このように、本発明では、低温で金属の接合を確実に行なえるため、歩留りを向上させることができる、という効果がある。また、低温で接合を行なえるため、金属層の表面に有機樹脂を塗布した状態で接合を行なうことができるという効果がある。また、熱による歪を発生させないという効果もある。
【0014】
また、接合層は、銅めっき層であることが好ましい。
このように構成された接合用部材においては、金属層の表面に銅めっきを行なうことにより、簡易に接合層を形成することができる。
【0015】
また、金属層は、クロムを含有する鉄合金を含むことが好ましい。
この金属層としては、殆どすべての金属元素が使用できるが、誘導化熱を利用する調理器への使用の場合、高周波の持続により発生する渦電流が流れることにより発熱体となる金属であることは言うまでもない。
【0016】
この高周波による加熱方式では、たとえば、20kHz程度の周波数で発振された交番磁界中に金属層を配置すると渦電流が発生し、この電流のジュール熱により発熱する。このため、効率よく加熱するためには金属層の材質や金属層の厚さなどに制約がある。これは、高周波電流が金属層中を流れるときに生ずる表皮効果の影響が著しいからである。
【0017】
金属材料が電磁調理器の発熱体として適当か否かは、使用周波数での表皮抵抗により決定れる。たとえば、アルミニウムのように表皮抵抗が非常に小さいものは、渦電流が発生しても発熱量が小さいため、十分な出力が得られない。ロール圧延で製造されている電磁発熱用複合板には専らSUS430が使用されているが、表皮抵抗から考えても、発熱に適している材料と考えられる。本願発明では、金属層は、SUS430に限定されるものではないが、Feを中心に合金化により固有抵抗を増加させた材料、すなわち表皮抵抗を大きくした材料を金属層として利用することができる。合金化する材料としては、耐食性から考慮すると、クロムやニッケルを選定することができる。電磁調理器用としては、耐食性と発熱性に優れたクロムを含有する鉄合金であることが好ましいと考えられる。
【0018】
さらに、接合層は、金属層の一方の表面上に形成されたニッケル層を介在させて、金属層の上に形成されていることが好ましい。
【0019】
このように構成された接合用部材においては、金属層中のクロムを含有する鉄合金と、金属層の上に形成されたニッケル層との接合性がよい。また、ニッケル層と、ニッケル層の上に形成された接合層中の銅との接合性もよい。そのため、接合層と金属層を確実に接合することができる。
【0020】
また、金属層は、アルミニウムを含むことが好ましい。
さらに、接合層は、金属層の一方の表面上に形成された亜鉛層と、その亜鉛層の上に形成されたニッケル層とを介在させて、金属層の上に形成されていることが好ましい。
【0021】
このように構成された接合用部材においては、金属層中のアルミニウムと金属層の上に形成された亜鉛層との接合性がよい。また、その亜鉛層と、亜鉛層の上に形成されたニッケル層との接合性もよい。さらに、ニッケル層と、ニッケル層の上に形成された接合層中の銅との接合性もよい。そのため、金属層と接合層が確実に接合される。
【0022】
また、この発明の複合材は、第1の金属層と、その第1の金属層の一方の表面上に形成された銅を含む接合層と、その接合層を介在させて第1の金属層の一方の表面上に形成された第2の金属層とを備え、接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下であることを特徴とするものである。
【0023】
このように構成された複合材においては、第1の金属層の表面に形成された、平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下である銅を含む接合層の一部と、第2の金属層の表面に形成された平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下である銅を含む接合層の一部とを銅の拡散接合により接合させた場合に、300℃以下の低温で両金属層を確実に接合することができる。
【0024】
また、第1の金属層はアルミニウムを含み、第2の金属層はクロムを含有する鉄合金を含むことが好ましい。
【0025】
さらに、第1の金属層と接合層との間には、第1の金属層の一方の表面上に形成された亜鉛層と、その亜鉛層の上に形成されたニッケル層とが介在しており、接合層と第2の金属層との間には、ニッケル層が介在していることが好ましい。
【0026】
このように構成された複合材においては、第1の金属層中のアルミニウムとその上に形成された亜鉛層との接合性がよい。また、亜鉛層とその上に形成されたニッケル層との接合性がよい。さらに、ニッケル層とその上に形成された接合層中の銅との接合性がよい。そのため、第1の金属層と接合層とが確実に接合する。
【0027】
また、第2の接合層中の鉄とその上に形成されたニッケル層との接合性がよい。またニッケル層とその上に形成された接合層中の銅との接合性がよい。そのため、第2の金属層と接合層が確実に接合する。
【0028】
また、第1の金属層の他方の表面上には、有機物層が形成されていることが好ましい。
【0029】
また、その有機物層はフッ素樹脂であることが好ましい。
このように構成された複合材においては、フッ素樹脂などの有機物層が形成された面には、汚れがこびりつかない。そのため、電磁加熱用の調理器として使用することができる。
また、本発明の複合材の製造方法では、まず、第1の金属層と、その第1の金属層の一方の表面上に形成された銅を含む第1の接合層とを備え、かつ第1の接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が1.0μm以下である第1の接合用部材を準備する。第2の金属層と、その第2の金属層の一方の表面上に形成された銅を含む第2の接合層とを備え、かつ第2の接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が1.0μm以下である第2の接合用部材を準備する。そして、第1の接合層と第2の接合層とが対面するように第1の接合用部材と第2の接合用部材とを重ね合せる。その重ね合せた第1および第2の接合用部材を加圧し、所定の温度に加熱する。
【0030】
このように構成された複合材の製造方法においては、第1、第2の接合層中の銅の平均結晶粒径が1.0μm以下であり、これらの銅の拡散接合により第1および第2の接合用部材を接合する。そのため、300℃以下の低温で第1と第2の接合用部材を確実に接合することができる。
【0031】
また、第1の接合用部材を準備する工程では、第1の金属層の一方の表面上に銅めっき層を形成することが好ましい。
【0032】
また、第2の接合用部材を準備する工程では、第2の金属層の一方の表面上に銅めっき層を形成することが好ましい。
【0033】
このように構成された複合材の製造方法においては、第1と第2の接合用部材の表面に銅めっきを行なうことにより、簡易に接合層を形成することができる。
【0034】
また、第1の金属層はアルミニウムを含み、第2の金属層はクロムを含有する鉄合金を含むことが好ましい。さらに、好ましくは、第1の接合用部材を準備する工程は、第1の金属層の一方の表面上に亜鉛層を形成することと、その亜鉛層の上にニッケル層を形成することと、そのニッケル層の上に第1の接合層を形成することと、その第1の接合層の少なくとも表面をベンゾトリアゾールまたはその誘導体で被覆することを含む。第2の接合用部材を準備する工程は、第2の金属層の一方の表面上にニッケル層を形成することと、そのニッケル層の上に第2の接合層を形成することと、その第2の接合層の少なくとも表面をベンゾトリアゾールまたはその誘導体で被覆することを含むことが好ましい。
【0035】
このように構成された複合材の製造方法においては、第1の金属層中のアルミニウムとその上に形成された亜鉛層との接合性がよい。また、亜鉛層とその上に形成されたニッケル層との接合性がよい。さらに、ニッケル層とその上に形成された銅を含む第1の接合層との接合性がよい。そのため、第1の金属層と第1の接合層を確実に接合することができる。また、第1の接合層の少なくとも表面をベンゾトリアゾールまたはその誘導体で被覆することにより、第1の接合層中の銅の酸化を防ぐことができる。そのため、銅の拡散接合を確実に行なうことができる。また、第2の金属層中の鉄と第2の接合層中の銅との双方に接合性がよいニッケルを介在させることにより、第2の金属層と第2の接合層の接合を確実なものとすることができる。また、第2の接合層の少なくとも表面をベンゾトリアゾールまたはその誘導体で被覆することにより、第2の接合層中の銅の酸化を防ぐことができる。そのため、銅の拡散接合を確実に行なうことができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【0037】
図1(A)、(B)は、本発明の接合用部材を模式的に示す断面図である。図1(A)を参照して、接合用部材1はフッ素樹脂層2と、アルミニウム合金層3と、亜鉛層4と、ニッケル層5と、銅めっき層6とを備えている。アルミニウム合金層3に接するように亜鉛層4が形成されている。亜鉛層4に接するようにニッケル層5が形成されている。ニッケル層5に接するように銅めっき層6が形成されている。銅めっき層6の中の銅の平均結晶粒径は1.0μm以下である。亜鉛層4、ニッケル層5は、アルミニウム合金層3と銅めっき層6との接合を強める働きをする。亜鉛層4とニッケル層5の代わりにアルミニウム、銅の双方と接合性がよい金属層をアルミニウム合金層と銅めっき層6の間に介在させてもよい。アルミニウム合金層3の上にフッ素樹脂層2が形成されている。フッ素樹脂層2はアルミニウム合金層3の表面が腐食されるのを防ぐ働きや、アルミニウム合金層3の表面に汚れがつくのを防ぐ働きをする。
【0038】
図1(B)を参照して、第2の接合用部材7はフッ素樹脂層11と、鉄合金層10と、ニッケル層9と、銅めっき層8とを備えている。鉄合金層10に接するようにフッ素樹脂層11が形成されている。フッ素樹脂層11は鉄合金層10の表面が腐食されるのを防ぎ、鉄合金層10の表面に汚れがつくのを防ぐ働きをする。鉄合金層10の上にニッケル層9が形成されている。ニッケル層9の上に銅めっき層8が形成されている。ニッケル層9は銅めっき層8と鉄合金層10との接合を強める働きをする。ニッケル層9の代わりに銅と鉄の両方と接合性のよい金属層を銅めっき層8と鉄合金層10との間に介在させてもよい。銅めっき層8中の銅の平均結晶粒径は1.0μm以下である。
【0039】
なお、図1(A)では、アルミニウム合金層3と銅めっき層6との接合性があまり好ましくないため、これらの間に亜鉛層4とニッケル層5を介在させている。しかし、アルミニウム合金層3の代わりに銅めっき層6と接合性のよい金属からなる層を用いれば、亜鉛層4やニッケル層5を介在させる必要はない。
【0040】
また、図1(B)においても、鉄合金層10と銅めっき層8との接合性はあまり好ましくないため、ニッケル層9を介在させた。しかし、鉄合金層10の代わりに銅めっき層8と接合性のよい金属からなる層を用いれば、ニッケル層9を介在させる必要はない。また、アルミニウム合金層3や鉄合金層10の表面を保護する必要がなければフッ素樹脂層2、11を設ける必要はない。
【0041】
図2は、本発明の複合材を模式的に示す断面図である。図2を参照して、複合材12は第1の接合用部材1と第2の接合用部材7が接合したものである。第1の接合用部材1は図1(A)に示すものである。また、第2の接合用部材7は図1(B)に示すものである。第1の接合用部材1の銅めっき層6と第2の接合用部材7の銅めっき層8とが拡散接合することにより、第1の接合用部材1と第2の接合用部材7が接合している。
【0042】
このように構成された複合材12においては、性質の異なる2種類の金属を確実に接合することができる。ここで、鉄合金層10に渦電流を流せば、鉄合金層10から熱が発生する。鉄合金層10から発生した熱はニッケル層9、銅めっき層8、6、ニッケル層5、亜鉛層4を経由してアルミニウム合金層3に伝わる。そのため、複合材12においては、フッ素樹脂層2の上に置かれたものを効率よく加熱することができる。そのため、この複合材12は電磁加熱用調理器に使用することができる。さらに、銅のめっき処理を施すことができるのであれば、アルミニウム合金層3や鉄合金層10のかわりに、他の金属を用いることも可能である。また、銅のめっき処理を施すことができる材料であれば、金属だけでなくセラミック、サーメット、プラスチックなどをアルミニウム合金層2や鉄合金層10のかわりに用いることも可能であり、さまざまな利用分野が考えられる。
【0043】
次に、図2に示す複合材12の製造方法について説明する。
まず、図1(A)、(B)に示す第1の接合用部材1と第2の接合用部材7を準備する。ここで、第1および第2の接合用部材1、7の構成については既に説明済みであるので省略する。ここで、銅めっき層6、8の表面が酸化されていては、次の工程において、銅の拡散接合が起こらない。そのため、銅めっき層6、8の表面は有機樹脂(たとえばベンゾトリアゾール、以下、BTAと称する)で被覆されていることが好ましい。ただし、この有機樹脂は次の工程で完全に揮発する必要があるため、300℃以下で完全に揮発するものであることが好ましい。
【0044】
次に、第1の接合用部材1の銅めっき層6と第2の接合用部材7の銅めっき層8とを対面させる。このとき、銅めっき層6、8がBTAで被覆されている場合には銅めっき層6、8は接しない。この状態で、銅めっき層6、8の界面と垂直な方向に500kgf/cm2 程度の圧力を加え、250℃程度の加熱雰囲気にさらす。この際の圧力は、接合面同士が接触するのに十分なものであればよく、接合面の凹凸形状により異なり、最適化される。これにより、銅めっき層6、8を被覆するBTAは揮発し、銅めっき層6、8が接する。さらに、銅めっき層6、8の中の銅の拡散接合により、第1の接合用部材1と第2の接合用部材7とが接合される。
【0045】
このように構成された複合材の製造方法においては、300℃以下、好ましくは250℃以下で2種類の部材を確実に接合することができる。そのため、300℃あるいは250℃を超える温度に加熱すると歪が発生する部材であっても歪を起こさせずに接合することができる。また、300℃または250℃を超える温度に加熱すると溶解、分解する有機樹脂などが部材の一部に形成されている場合でも部材同士を接合することができる。
【0046】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図を参照して説明する。
【0047】
図3は、本発明のアルミニウム部材21を模式的に示す断面図である。図3を参照して、アルミニウム合金層22としては、材質がJIS3004系アルミニウム合金MG−110(住友軽金属製;Mg0.6〜0.8重量%、Mn0.9〜1.1重量%を含む)の厚み1.5mm、直径360mmのサークル板を用いた。このアルミニウム合金層22の表面をフッ素樹脂で被覆するため、アルミニウム合金層22の表面にNaCl水溶液中で20クーロン/cm2 の電気量で電解エッチングを施し、表面に微細な凹凸を設けた。この表面にフッ素樹脂分散液を塗布し、フッ素樹脂層33を焼付けにより形成した。
【0048】
次に、アルミニウム合金層22のフッ素樹脂層33が形成された面の反対側の面において、アルミニウム合金層22の表面に存在する酸化物の除去を行なうため、この面にアルカリエッチング処理を施した。このアルミニウム合金層22の表面に残存する酸化物とアルカリエッチングによる偏析物からなる残渣を強酸により除去した。この面を亜鉛溶液に浸し、アルミニウム合金層22の表面を溶解しつつ亜鉛を置換析出し、亜鉛層23を形成した。次に、亜鉛層23の表面に、ニッケルめっき浴としてワット浴(浴温50℃、陰極電流密度5A/dm2 )を用いて、めっき処理を施し、ニッケル層24を形成した。
【0049】
めっき溶液として、220g/dm3 の硫酸銅を水溶物、50g/dm3 の硫酸、0.5cm3 /dm3 の上村工業製レブコ300B(商品名)、5cm3 /dm3 の上村工業製レブコ300C(商品名)を含む水溶液を準備した。このめっき溶液にニッケル層24の表面を浸し、3Vの定電圧電解で10分間銅めっきを実施した。また、めっき溶液が減ると、上村工業製レブコ300A(商品名)、上村工業製レブコ300B(商品名)を適量補給した。その結果、ニッケル層24の表面に銅めっき層25が形成された。
【0050】
集束したガリウムイオンビームでこの銅めっき層25の断面をエッチングし、破面を電子顕微鏡で観察したところ、銅めっき層25中の銅の平均結晶粒径は0.10μmであった。次に、BTAを4重量%含むイソプロピルアルコール溶液に、アルミニウム合金層22を含む部材を1分間浸すことにより、全体がBTA26で被覆されたアルミニウム部材21を形成した。
【0051】
図4は、本発明の鉄部材27を模式的に示す断面図である。図4を参照して、ステンレス層30としては、材質がJIS430鉄クロム合金(サイズ0.5mm厚、360mmφのサークル板)を用いた。このステンレス層30の表面をフッ素樹脂で被覆するため、ステンレス合金層30の表面にNaCl水溶液中で20クーロン/cm2 の電気量で電解エッチングを施し、表面に微細な凹凸を設けた。この面に、フッ素樹脂分散液を塗布し、焼付けによりフッ素樹脂層34を形成した。
【0052】
次に、ステンレス合金層30のフッ素樹脂層34が形成された面と反対側の面についた油分とクロム酸化物を除去するため、この面にアルカリ溶液中で陽極電解処理を施した。強酸で残渣を除去した後、ニッケルめっき浴としてウッド浴を用いてステンレス合金層30の表面に厚さ約1μmのニッケル層29を形成した。
【0053】
めっき溶液として、220g/dm3 の硫酸銅を水溶物、50g/dm3 の硫酸、0.5cm3 /dm3 の上村工業製レブコ300B(商品名)、5cm3 /dm3 の上村工業製レブコ300Cを含む水溶液を準備した。このめっき溶液にニッケル層24の表面を浸し、3Vの定電圧電解で10分間銅めっきを実施した。また、めっき溶液が減ると、上村工業製レブコ300A(商品名)、上村工業製レブコ300B(商品名)を適量補給した。その結果、ニッケル層24の表面に銅めっき層28が形成された。
【0054】
このめっき溶液にニッケル層29の表面を浸し、3Vの定電圧電解で10分間銅めっきを実施した。その結果、ニッケル層29の表面に銅めっき層28が形成された。
【0055】
集束したガリウムイオンビームでこの銅めっき層28の断面をエッチングして破面を電子顕微鏡で観察したところ、銅めっき層28中の銅の平均結晶粒径は0.12μmであった。次に、BTAを4重量%含むイソプロピルアルコール溶液に、ステンレス合金層30を含む部材を浸すことにより、その表面全体がBTA31で被覆された鉄部材27を形成した。
【0056】
以上のようにして、本発明のアルミニウム部材21、鉄部材27を形成した。
次に、本発明の複合材の製造方法について、図を参照して説明する。
【0057】
図5は本発明の複合材の製造方法を模式的に示す断面図である。図5を参照して、銅めっき層25、28が対面するように図3で示すアルミニウム部材21と図4で示す鉄部材27を重ね合せた。次に、アルミニウム部材21と鉄部材27に矢印40で示す方向に約500kgf/cm2 の圧力をかけ、温度250℃の真空中に1時間保持した。これにより、BTA26、31は完全に揮発し、銅めっき層25、28が拡散接合により接合した。
【0058】
図6は、図5で示す製造方法により製造された本発明の複合材を模式的に示す断面図である。図6を参照して、複合材32は、図3で示すアルミニウム部材21からBTA26を除いたものと、図4で示す鉄部材27からBTA31を除いたものとが銅めっき層25、28の拡散接合により接合したものである。
【0059】
図7は、この複合材の剥離試験のために用いた機器の模式図である。図7を参照して、鉄部材27の端部を90°曲げて、この端部を固定台200に固定した。アルミニウム部材21の端部を90°曲げて、この端部に矢印100で示す方向に荷重をかけた。アルミニウム部材21と鉄部材27が剥離する荷重を測定し、この荷重の値を複合材32の幅の値で割り、接着強度とした。
【0060】
接着強度は40kgf/cm以上の値を示した。また、破壊部位は、アルミニウム内部であり、アルミニウムの凝集破壊が起こっていた。
【0061】
(比較例)
以下、比較例について説明する。
【0062】
比較例として、上記の実施例とほぼ同様にして、図3で示すアルミニウム部材21を製造した。製造方法において、実施例と違う点は、ニッケル層24の表面に銅めっき層25を形成する際に、めっき溶液から上村工業製レブコ300B(商品名)を除去した点である。また、めっき溶液が減った場合には、上村工業製レブコ300A(商品名)だけを補給した。これにより、銅めっき層25中の銅の平均結晶粒径は0.7μmとなった。
【0063】
次に、上記の実施例とほぼ同様にして、図4で示す鉄部材27を製造した。製造方法において、実施例と違う点は、ニッケル層29の表面に銅めっき層28を形成する際に、めっき溶液から上村工業製レブコ300B(商品名)を除去した点である。また、めっき溶液が減った場合には、上村工業製レブコ300A(商品名)だけを補給した。これにより、銅めっき層28中の銅の平均結晶粒径は1.2μmとなった。
【0064】
このように製造されたアルミニウム部材、鉄部材を用いて上記実施例と同様にして、複合材を形成した。
【0065】
次に、実施例と同様の方法で剥離試験を実施し、この複合材の接着強度を測定した。接着強度は5kgf/cmの値を示した。また、破壊部位は2つの銅めっき層が接触する界面であった。
【0066】
この複合材を電磁調理器用内鍋の形に成形加工を試みたが、問題なく実施可能であった。
【0067】
今回開示された実施例、実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の接合用部材を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明の複合材を模式的に示す断面図である。
【図3】本発明のアルミニウム部材を模式的に示す断面図である。
【図4】本発明の鉄部材を模式的に示す断面図である。
【図5】本発明のアルミニウム部材と鉄部材を接合する状態を模式的に示す断面図である。
【図6】本発明の複合材を模式的に示す断面図である。
【図7】複合材の剥離試験のために用いた機器の模式図である。
【符号の説明】
1 第1の接合用部材
3 アルミニウム合金層
6,8 銅めっき層
7 第2の接合用部材
10 鉄合金層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a joining member, a composite material, and a method for manufacturing the composite material, and more particularly to a joining member, a composite material, and a method for manufacturing the composite material used in an electromagnetic heating cooker.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
Conventionally, an inner pot of a rice cooker used for an electromagnetic heating cooker has a magnetic metal plate such as iron or stainless steel as a heating element, and a heat transfer plate made of an aluminum alloy that transfers heat generated from the magnetic metal plate. It is comprised by the provided composite material. The inner pot of the rice cooker is formed by subjecting this composite material to press forming such as deep drawing so that the heat transfer plate is on the inside. In addition, the inner surface of the inner pot is coated with a fluororesin to prevent sticking of cooked rice.
[0003]
This composite material has been conventionally formed by a method of combining a magnetic metal plate and a heat transfer plate by roll rolling (see Japanese Patent Publication Nos. 54-3468 and 54-9985).
[0004]
In such a roll rolling method, since the aluminum alloy is compressed and joined, there is a problem that wrinkles occur in the aluminum alloy. Furthermore, the composite material formed by this method has a problem that the thickness variation is large.
[0005]
As an improved technique for solving such a problem, there is a method based on hot uniaxial pressurization disclosed in JP-A-6-15465 and JP-A-6-179083. In the method described in JP-A-6-15465, an iron alloy and an aluminum alloy are brought into contact with each other and 400 kgf / cm in an atmosphere of 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. 2 The above pressure is applied to join both alloys. Further, in the method described in JP-A-6-179083, copper is interposed between an aluminum alloy and an iron alloy so that both alloys are brought into contact with each other, and 250 kgf / cm in an atmosphere of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. 2 The above pressure is applied to join both alloys.
[0006]
In such a method, although the above-mentioned problems have been improved, there is a case in which sufficient bonding strength between the aluminum alloy and the iron alloy cannot be obtained, and the yield is low. In addition, in order to improve the bonding strength and the yield, there has been a problem that when a higher temperature treatment is performed, when the fluororesin is applied to the aluminum alloy at a high temperature of 300 ° C. or higher, the fluororesin is melted. Furthermore, there is a problem that it cannot be used for joining metals that are distorted at high temperatures.
[0007]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a bonding member, a composite material, and a method for manufacturing the composite material, which can be bonded at a low temperature and obtain a strong bonding force. Objective.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The bonding member of the present invention includes a metal layer and a bonding layer containing copper formed on one surface of the metal layer, and the average crystal grain size of copper contained in the bonding layer is 0.10 μm or more 0.12 It is a member for joining characterized by being below μm.
[0009]
Generally, in diffusion bonding, the crystal grain size and temperature of the diffusion layer are important factors. First, regarding temperature, the diffusion rate of atoms is generally proportional to temperature. This is presumably because the energy of the diffusing atoms is proportional to the temperature. For this reason, when diffusion bonding is performed at a high temperature, atoms are sufficiently diffused, so that bonding can be reliably performed.
[0010]
However, when diffusion bonding is performed at a low temperature, the energy of the diffusing atoms is small. Here, when the crystal grain size is small, there are many grain boundaries of crystal grains. Therefore, diffusion through the grain boundary becomes remarkable, and the frequency of exchange of atoms at the interface necessary for bonding increases. Therefore, even if the crystal grain size is small, sufficient bonding is performed even at a low temperature.
[0011]
As a result of diligent research based on these ideas, the present inventors have found that the average crystal grain size of the diffusion metal is 0.10 μm or more 0.12 It has been found that sufficient diffusion bonding is performed at a low temperature (300 ° C. or less, preferably 250 ° C. or less) below μm.
[0012]
That is, in the bonding member according to the present invention, the average crystal grain size of copper in the bonding layer containing copper formed on one surface of the metal layer is 0.10 μm or more 0.12 It is below μm. Therefore, sufficient diffusion bonding can be performed at a low temperature (300 ° C. or less, preferably 250 ° C. or less) by bringing the bonding layers into contact with each other and performing diffusion bonding.
[0013]
As described above, according to the present invention, it is possible to reliably perform metal bonding at a low temperature, so that it is possible to improve the yield. Further, since bonding can be performed at a low temperature, there is an effect that bonding can be performed in a state where an organic resin is applied to the surface of the metal layer. Further, there is an effect that distortion due to heat is not generated.
[0014]
Moreover, it is preferable that a joining layer is a copper plating layer.
In the joining member configured as described above, the joining layer can be easily formed by performing copper plating on the surface of the metal layer.
[0015]
Moreover, it is preferable that a metal layer contains the iron alloy containing chromium.
As this metal layer, almost all metal elements can be used. However, when used in a cooker that uses derivatized heat, the metal layer should be a metal that becomes a heating element due to the flow of eddy currents generated by sustained high frequencies. Needless to say.
[0016]
In this heating method using high frequency, for example, when a metal layer is arranged in an alternating magnetic field oscillated at a frequency of about 20 kHz, an eddy current is generated, and heat is generated by the Joule heat of this current. For this reason, in order to heat efficiently, there are restrictions on the material of the metal layer, the thickness of the metal layer, and the like. This is because the influence of the skin effect that occurs when high-frequency current flows in the metal layer is significant.
[0017]
Whether or not a metal material is suitable as a heating element of an electromagnetic cooker is determined by the skin resistance at the operating frequency. For example, when the skin resistance is very small, such as aluminum, the calorific value is small even if eddy current is generated, so that a sufficient output cannot be obtained. Although SUS430 is exclusively used for the electromagnetic heat generating composite plate manufactured by roll rolling, it is considered that the material is suitable for heat generation even from the viewpoint of skin resistance. In this invention, although a metal layer is not limited to SUS430, the material which increased specific resistance by alloying centering on Fe, ie, the material which enlarged skin resistance, can be utilized as a metal layer. As a material to be alloyed, chromium or nickel can be selected in consideration of corrosion resistance. For an electromagnetic cooker, an iron alloy containing chromium excellent in corrosion resistance and heat generation is considered preferable.
[0018]
Furthermore, the bonding layer is preferably formed on the metal layer with a nickel layer formed on one surface of the metal layer interposed.
[0019]
In the joining member configured as described above, the joining property between the iron alloy containing chromium in the metal layer and the nickel layer formed on the metal layer is good. Further, the bonding property between the nickel layer and copper in the bonding layer formed on the nickel layer is also good. Therefore, the bonding layer and the metal layer can be reliably bonded.
[0020]
Moreover, it is preferable that a metal layer contains aluminum.
Furthermore, the bonding layer is preferably formed on the metal layer with a zinc layer formed on one surface of the metal layer and a nickel layer formed on the zinc layer interposed. .
[0021]
In the joining member configured as described above, the joining property between the aluminum in the metal layer and the zinc layer formed on the metal layer is good. Also, the bondability between the zinc layer and the nickel layer formed on the zinc layer is good. Furthermore, the bondability between the nickel layer and copper in the bonding layer formed on the nickel layer is also good. Therefore, the metal layer and the bonding layer are securely bonded.
[0022]
In addition, the composite material of the present invention includes a first metal layer, a bonding layer containing copper formed on one surface of the first metal layer, and the first metal layer with the bonding layer interposed therebetween. And a second metal layer formed on one surface of the copper, and an average crystal grain size of copper contained in the bonding layer is 0.10 μm or more 0.12 It is characterized by being not more than μm.
[0023]
In the composite material thus configured, the average crystal grain size formed on the surface of the first metal layer is 0.10 μm or more 0.12 The average crystal grain size formed on the part of the bonding layer containing copper that is not more than μm and the surface of the second metal layer is 0.10 μm or more 0.12 When a part of the bonding layer containing copper of μm or less is bonded by copper diffusion bonding, both metal layers can be bonded reliably at a low temperature of 300 ° C. or less.
[0024]
Moreover, it is preferable that a 1st metal layer contains aluminum and a 2nd metal layer contains the iron alloy containing chromium.
[0025]
Further, a zinc layer formed on one surface of the first metal layer and a nickel layer formed on the zinc layer are interposed between the first metal layer and the bonding layer. In addition, a nickel layer is preferably interposed between the bonding layer and the second metal layer.
[0026]
In the composite material thus configured, the bondability between the aluminum in the first metal layer and the zinc layer formed thereon is good. Also, the bondability between the zinc layer and the nickel layer formed thereon is good. Furthermore, the bondability between the nickel layer and copper in the bonding layer formed thereon is good. Therefore, the first metal layer and the bonding layer are reliably bonded.
[0027]
Also, the bondability between the iron in the second bonding layer and the nickel layer formed thereon is good. Also, the bondability between the nickel layer and copper in the bonding layer formed thereon is good. Therefore, the second metal layer and the bonding layer are reliably bonded.
[0028]
Moreover, it is preferable that the organic substance layer is formed on the other surface of the 1st metal layer.
[0029]
The organic layer is preferably a fluororesin.
In the composite material configured as described above, the surface on which the organic material layer such as the fluororesin is formed does not adhere to dirt. Therefore, it can be used as a cooking device for electromagnetic heating.
In the method for producing a composite material of the present invention, first, a first metal layer and a first bonding layer containing copper formed on one surface of the first metal layer are provided. A first bonding member having an average crystal grain size of copper contained in one bonding layer of 1.0 μm or less is prepared. A second metal layer and a second bonding layer containing copper formed on one surface of the second metal layer, and an average crystal grain size of copper contained in the second bonding layer is A second bonding member having a thickness of 1.0 μm or less is prepared. Then, the first bonding member and the second bonding member are overlapped so that the first bonding layer and the second bonding layer face each other. The superposed first and second joining members are pressurized and heated to a predetermined temperature.
[0030]
In the method of manufacturing a composite material configured as described above, the average crystal grain size of copper in the first and second bonding layers is 1.0 μm or less, and the first and second copper are diffused and bonded to each other. The joining members are joined. Therefore, the first and second joining members can be reliably joined at a low temperature of 300 ° C. or lower.
[0031]
In the step of preparing the first bonding member, it is preferable to form a copper plating layer on one surface of the first metal layer.
[0032]
In the step of preparing the second bonding member, it is preferable to form a copper plating layer on one surface of the second metal layer.
[0033]
In the method for manufacturing a composite material configured as described above, the bonding layer can be easily formed by performing copper plating on the surfaces of the first and second bonding members.
[0034]
Moreover, it is preferable that a 1st metal layer contains aluminum and a 2nd metal layer contains the iron alloy containing chromium. Further preferably, the step of preparing the first bonding member includes forming a zinc layer on one surface of the first metal layer, forming a nickel layer on the zinc layer, Forming a first bonding layer on the nickel layer and coating at least a surface of the first bonding layer with benzotriazole or a derivative thereof; The step of preparing the second bonding member includes forming a nickel layer on one surface of the second metal layer, forming a second bonding layer on the nickel layer, It is preferable to include covering at least the surface of the two bonding layers with benzotriazole or a derivative thereof.
[0035]
In the manufacturing method of the composite material thus configured, the bondability between the aluminum in the first metal layer and the zinc layer formed thereon is good. Also, the bondability between the zinc layer and the nickel layer formed thereon is good. Furthermore, the bondability between the nickel layer and the first bonding layer containing copper formed thereon is good. Therefore, the first metal layer and the first bonding layer can be reliably bonded. Further, by coating at least the surface of the first bonding layer with benzotriazole or a derivative thereof, oxidation of copper in the first bonding layer can be prevented. Therefore, copper diffusion bonding can be reliably performed. Further, nickel having good bondability is interposed between both iron in the second metal layer and copper in the second bonding layer, so that the bonding between the second metal layer and the second bonding layer is ensured. Can be. Further, by coating at least the surface of the second bonding layer with benzotriazole or a derivative thereof, oxidation of copper in the second bonding layer can be prevented. Therefore, copper diffusion bonding can be reliably performed.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0037]
1A and 1B are cross-sectional views schematically showing a joining member of the present invention. Referring to FIG. 1 (A), a bonding member 1 includes a fluororesin layer 2, an aluminum alloy layer 3, a zinc layer 4, a nickel layer 5, and a copper plating layer 6. A zinc layer 4 is formed so as to be in contact with the aluminum alloy layer 3. A nickel layer 5 is formed in contact with the zinc layer 4. A copper plating layer 6 is formed in contact with the nickel layer 5. The average crystal grain size of copper in the copper plating layer 6 is 1.0 μm or less. The zinc layer 4 and the nickel layer 5 function to strengthen the bonding between the aluminum alloy layer 3 and the copper plating layer 6. Instead of the zinc layer 4 and the nickel layer 5, a metal layer having good bondability with both aluminum and copper may be interposed between the aluminum alloy layer and the copper plating layer 6. A fluororesin layer 2 is formed on the aluminum alloy layer 3. The fluororesin layer 2 functions to prevent the surface of the aluminum alloy layer 3 from being corroded and to prevent the surface of the aluminum alloy layer 3 from becoming dirty.
[0038]
Referring to FIG. 1B, the second bonding member 7 includes a
[0039]
In addition, in FIG. 1 (A), since the joining property of the aluminum alloy layer 3 and the copper plating layer 6 is not so preferable, the zinc layer 4 and the nickel layer 5 are interposed between them. However, if a layer made of a metal having good bonding properties with the copper plating layer 6 is used instead of the aluminum alloy layer 3, there is no need to interpose the zinc layer 4 or the nickel layer 5.
[0040]
Also in FIG. 1B, the nickel layer 9 is interposed because the bondability between the
[0041]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the composite material of the present invention. Referring to FIG. 2, the
[0042]
In the
[0043]
Next, a method for manufacturing the
First, a first joining member 1 and a second joining member 7 shown in FIGS. 1A and 1B are prepared. Here, the configurations of the first and second joining members 1 and 7 have already been described, and will be omitted. Here, if the surfaces of the copper plating layers 6 and 8 are oxidized, copper diffusion bonding does not occur in the next step. Therefore, the surfaces of the copper plating layers 6 and 8 are preferably covered with an organic resin (for example, benzotriazole, hereinafter referred to as BTA). However, since this organic resin needs to be completely volatilized in the next step, it is preferable that the organic resin be completely volatilized at 300 ° C. or lower.
[0044]
Next, the copper plating layer 6 of the first bonding member 1 and the
[0045]
In the method of manufacturing a composite material configured as described above, two types of members can be reliably bonded at 300 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or lower. For this reason, even a member that generates strain when heated to a temperature exceeding 300 ° C. or 250 ° C. can be joined without causing strain. Further, even when an organic resin or the like that dissolves and decomposes when heated to a temperature exceeding 300 ° C. or 250 ° C. is formed on a part of the members, the members can be joined to each other.
[0046]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0047]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the
[0048]
Next, in order to remove the oxide existing on the surface of the
[0049]
As a plating solution, 220 g / dm Three Copper sulfate in water, 50 g / dm Three Of sulfuric acid, 0.5cm Three / Dm Three Uemura Kogyo Rebco 300B (trade name), 5cm Three / Dm Three An aqueous solution containing Rebuco 300C (trade name) manufactured by Uemura Kogyo was prepared. The surface of the
[0050]
When the cross section of the
[0051]
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the
[0052]
Next, in order to remove oil and chromium oxide on the surface opposite to the surface on which the
[0053]
As a plating solution, 220 g / dm Three Copper sulfate in water, 50 g / dm Three Of sulfuric acid, 0.5cm Three / Dm Three Uemura Kogyo Rebco 300B (trade name), 5cm Three / Dm Three An aqueous solution containing Rebuco 300C manufactured by Uemura Kogyo was prepared. The surface of the
[0054]
The surface of the
[0055]
When the cross section of the
[0056]
As described above, the
Next, the manufacturing method of the composite material of this invention is demonstrated with reference to figures.
[0057]
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the method for producing a composite material of the present invention. Referring to FIG. 5,
[0058]
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the composite material of the present invention manufactured by the manufacturing method shown in FIG. Referring to FIG. 6, the
[0059]
FIG. 7 is a schematic diagram of an apparatus used for the peeling test of the composite material. Referring to FIG. 7, the end portion of
[0060]
The adhesive strength was 40 kgf / cm or more. Further, the fracture site was inside the aluminum, and aluminum cohesive fracture occurred.
[0061]
(Comparative example)
Hereinafter, a comparative example will be described.
[0062]
As a comparative example, an
[0063]
Next, an
[0064]
A composite material was formed in the same manner as in the above example using the aluminum member and the iron member thus manufactured.
[0065]
Next, a peel test was performed in the same manner as in the example, and the adhesive strength of the composite material was measured. The adhesive strength was 5 kgf / cm. The fracture site was the interface where the two copper plating layers were in contact.
[0066]
An attempt was made to form this composite material into the shape of an inner pot for an electromagnetic cooker, but it could be carried out without problems.
[0067]
It should be understood that the examples and embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a joining member of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a composite material of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an aluminum member of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing an iron member of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the aluminum member and the iron member of the present invention are joined.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a composite material of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view of an apparatus used for a composite peel test.
[Explanation of symbols]
1 1st member for joining
3 Aluminum alloy layer
6,8 Copper plating layer
7 Second joining member
10 Iron alloy layer
Claims (15)
金属層と、
その金属層の一方の表面上に形成された銅を含む接合層とを備え、
前記接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下であることを特徴とする、接合用部材。A joining member for joining dissimilar metals,
A metal layer;
A bonding layer containing copper formed on one surface of the metal layer,
A joining member, wherein an average crystal grain size of copper contained in the joining layer is 0.10 μm or more and 0.12 μm or less.
第1の金属層と、
その第1の金属層の一方の表面上に形成された銅を含む接合層と、
その接合層を介在させて前記第1の金属層の一方の表面上に形成された第2の金属層とを備え、
前記接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が0.10μm以上0.12μm以下であることを特徴とする、複合材。A composite material in which dissimilar metals are joined,
A first metal layer;
A bonding layer comprising copper formed on one surface of the first metal layer;
A second metal layer formed on one surface of the first metal layer with the bonding layer interposed therebetween,
An average crystal grain size of copper contained in the bonding layer is 0.10 μm or more and 0.12 μm or less.
第1の金属層と、その第1の金属層の一方の表面上に形成された銅を含む第1の接合層とを備え、前記第1の接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が1.0μm以下である第1の接合用部材を準備する工程と、
第2の金属層と、その第2の金属層の一方の表面上に形成された銅を含む第2の接合層とを備え、前記第2の接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が1.0μm以下である第2の接合用部材を準備する工程と、
前記第1の接合層と前記第2の接合層とが対面するように前記第1の接合用部材と前記第2の接合用部材とを重ね合わせる工程と、
重ね合せた前記第1および第2の接合用部材を加圧し、所定の温度に加熱する工程とを備えたことを特徴とする、複合材の製造方法。A method of manufacturing a composite material in which different kinds of metals are joined,
A first metal layer and a first bonding layer containing copper formed on one surface of the first metal layer, wherein an average crystal grain size of copper contained in the first bonding layer is Preparing a first bonding member having a thickness of 1.0 μm or less;
A second metal layer, and a second bonding layer containing copper formed on one surface of the second metal layer, wherein an average crystal grain size of copper contained in the second bonding layer is Preparing a second bonding member having a thickness of 1.0 μm or less;
Superimposing the first bonding member and the second bonding member such that the first bonding layer and the second bonding layer face each other;
A method for producing a composite material, comprising the steps of pressurizing and heating the superimposed first and second joining members to a predetermined temperature.
前記第2の金属層は、クロムを含有する鉄合金を含み、
前記第1の接合用部材を準備する工程は、前記第1の金属層の一方の表面上に亜鉛層を形成することと、その亜鉛層の上にニッケル層を形成することと、そのニッケル層の上に前記第1の接合層を形成することと、その第1の接合層の少なくとも表面をベンゾトリアゾールまたはその誘導体で被覆することを含み、
前記第2の接合用部材を準備する工程は、前記第2の金属層の一方の表面上にニッケル層を形成することと、そのニッケル層の上に前記第2の接合層を形成することと、その第2の接合層の少なくとも表面をベンゾトリアゾールまたはその誘導体で被覆することを含むことを特徴とする、請求項12〜14のいずれか1項に記載の複合材の製造方法。The first metal layer comprises aluminum;
The second metal layer includes an iron alloy containing chromium,
The step of preparing the first bonding member includes forming a zinc layer on one surface of the first metal layer, forming a nickel layer on the zinc layer, and the nickel layer. Forming the first bonding layer on the substrate, and coating at least the surface of the first bonding layer with benzotriazole or a derivative thereof,
The step of preparing the second bonding member includes forming a nickel layer on one surface of the second metal layer, and forming the second bonding layer on the nickel layer. The method for producing a composite material according to any one of claims 12 to 14, comprising covering at least the surface of the second bonding layer with benzotriazole or a derivative thereof.
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