JP3759186B2 - 被接合部材のろう接法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は被接合部材のろう接法、特に、両被接合部材間に接合材を介在させ、次いでその接合材を加熱して両被接合部材を接合するろう接法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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ためそれに伴い磁気特性が低下する、といった性質を有する。
そのため、例えば永久磁石をモータにおけるロータ用鉄心に取付ける場合、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ので、従来は接着剤が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接着剤を用いると、永久磁石の濡れ性が悪いため接合強度が低く、また温度上昇に伴いその接合強度が著しく低下する、といった問題を生ずる。このような状況下ではモータの高速回転化の要請に到底対応することはできない。
【０００４】
本発明は前記に鑑み、両被接合部材を強固に接合し、且つ後処理を不要にし得る前記ろう接法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に、請求項１の発明は、両被接合部材間に接合材を介在させ、次いで前記接合材を加熱して両被接合部材を接合するろう接法において、前記接合材は、ＮｄまたはＰｒの一種から選択される希土類元素ＲＥと、Ｃｕとからなる希土類合金より構成され、その希土類合金は、前記希土類元素ＲＥの含有量をＲＥ≧５０原子％に設定され、前記希土類合金の固相線温度をＴ_S とし、また液相線温度をＴ_L としたとき、前記接合材の加熱温度Ｔを、Ｔ_S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ_L ＋１００℃に設定することを特徴とし、また請求項２の発明は、両被接合部材間に接合材を介在させ、次いで前記接合材を加熱して 両被接合部材を接合するろう接法において、前記接合材は、ＮｄまたはＰｒの一種から選択される希土類元素ＲＥと、Ｃｕと、Ａｌ又はＢとからなる希土類合金より構成され、その希土類合金は、前記希土類元素ＲＥの含有量をＲＥ≧５０原子％に設定され、前記希土類合金の固相線温度をＴ _S とし、また液相線温度をＴ _L としたとき、前記接合材の加熱温度Ｔを、Ｔ _S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ _L ＋１００℃に設定することを特徴とする。
【０００６】
【作 用】
前記組成の希土類合金よりなる接合材は、加熱温度ＴをＴ_S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ_S （Ｔ_S ：固相線温度）に設定した場合、種々の材質の被接合部材に対して良好な拡散性を示し、これにより両被接合部材が接合材よりなる接合層を介して強固にろう接される。この場合、加熱温度ＴはＴ≦Ｔ_S であることから比較的低く、したがって加熱による被接合部材の特性変化は回避される。
【０００７】
一方、加熱温度ＴをＴ_S ＜Ｔ≦Ｔ_L ＋１００℃（Ｔ_L ：液相線温度）に設定すると、希土類元素ＲＥと合金元素（請求項１ではＣｕ、請求項２ではＣｕとＡｌ、又はＣｕとＢ）とが共晶反応を生じて接合材が液相状態または固液共存状態となる。希土類元素を含む液相は高活性であって、種々の材質の被接合部材に対して優れた濡れ性を発揮するので、両被接合部材が接合材よりなる接合層を介して強固にろう接される。この場合、共晶反応を生じる温度は比較的低く、したがって加熱による両被接合部材の特性変化は回避される。 また前記組成の接合材において、その加熱温度Ｔを前記のように設定すると、その接合材が両被接合部材間より食出すことがなく、これにより、食出し部分または食出して垂下がった部分をグラインダ等を用いて除去する、といった後処理は不要となる。
【０００８】
ただし、希土類合金において、その希土類元素ＲＥの含有量がＲＥ＜５０原子％であると接合強度が低下する。また加熱温度ＴがＴ＜Ｔ_S −５０℃では接合材の拡散性が悪いため接合強度が低く、一方、Ｔ＞Ｔ_L ＋１００℃では接合材が両被接合部材間から食出す、といった不具合を生じる。
【０００９】
【実施例】
接合材を構成する希土類合金は希土類元素ＲＥと、その希土類元素ＲＥと共晶反応を行う合金元素とよりなる。
【００１０】
希土類元素ＲＥとしては、ＮｄまたはＰｒの一種が用いられ、その含有量はＲＥ≧５０原子％に設定される。合金元素としては、Ｃｕが単独で用いられるか、或いはＣｕと、Ａｌ又はＢとが用いられる。
【００１１】
被接合部材のろう接に当っては、両被接合部材間に薄板状、フオイル状等の接合材を介在させて三者を重ね合せ、次いでその重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して接合材を加熱する、といった手段が採用される。
【００１２】
接合材の加熱温度Ｔは、希土類合金の固相線温度をＴ_S とし、また液相線温度をＴ_L としたとき、Ｔ_S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ_L ＋１００℃に設定される。加熱温度Ｔの設定は、希土類合金の状態図が既知であれば、その状態図に基づいて行われ、一方、希土類合金の状態図が未知である場合にはその希土類合金について示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を行い、その示差熱分析曲線に基づいて行われる。
【００１３】
〔実施例１〕
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、共晶点組成であるＮｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金（数値の単位は原子％、以下同じ）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、図１に示すようにＮｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状接合材１を得た。図２のＮｄ−Ｃｕ系状態図に示すように、Ｎｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金の固相線温度Ｔ_S および液相線温度Ｔ_L は共晶点Ｅ、したがって５２０℃である。
【００１４】
一方の被接合部材として、縦２０mm、横２０mm、厚さ３mmのＮｄＦｅＢ系永久磁石（住友特殊金属社製、商品名ＮＥＯＭＡＸ−２８ＵＨ）２を選定し、また他方の被接合部材として、厚さ０．４mmの冷間圧延鋼板３を積層してなり、且つ縦１０mm、横１０mm、長さ２０mmの直方体状積層体４を選定した。この場合、各鋼板３の接合にはかしめ手段５が用いられている。積層体４の貫通孔６は引張り試験においてチャックとの連結に用いられる。 図１に示すように、積層体４の上側端面上に接合材１を、また接合材１の上に永久磁石２をそれぞれ重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝４７０℃、加熱時間９０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなるろう接処理を行って、図３に示すように積層体４と永久磁石２とを接合材１よりなる接合層７を介してろう接した接合体８を得た。このろう接処理においては、加熱温度Ｔが４７０℃、即ち、固相線温度Ｔ_S （５２０℃）−５０℃に設定されているので、接合材１の拡散現象により積層体４と永久磁石２とがろう接される。この接合体８においては、積層体４および永久磁石２間からの接合材１の食出しは生じていなかった。
【００１５】
比較のため、前記同様の永久磁石２と前記同様の積層体４とをエポキシ樹脂系接着剤（日本チバガイギ社製、商品名アラルダイト）を介し重ね合せて前記同様の重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物を乾燥炉内に設置して、加熱温度２００℃、加熱時間６０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなる接合処理を行って、積層体４と永久磁石２とをエポキシ樹脂系接着剤を介して接合した前記同様の接合体８を得た。
【００１６】
各接合体８について、室温下にて引張り試験を行ったところ、表１の結果を得た。引張り試験は、図４に示すように接合体８の永久磁石２を、ホルダ９の凸形溝１０における水平部１１に係合し、そのホルダ９の牽引部１２と積層体４とを互に逆方向に、引張り速度０．５mm／min にて引張ることによって行われた。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１から明らかなように、接合材１を用いた接合体８はエポキシ樹脂系接着剤を用いた接合体８に比べて接合強度が高い。
【００１９】
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、ろう接処理時の加熱温度ＴがＴ＞６５０℃になると、その磁気特性、特に保磁力 _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。前記接合材１を用いた接合処理において、その加熱温度Ｔは４７０℃であってＴ≦６５０℃であるから、永久磁石２の磁気特性を変化させるようなことはない。
【００２０】
比較のため、加熱温度Ｔを６３０℃、即ち、Ｔ＞液相線温度Ｔ_L ＋１００℃に、また加熱時間を３０分間にそれぞれ設定して前記同様のろう接処理を行ったところ、接合材１の一部が積層体４および永久磁石２間から食出して垂下った部分が発生し、また接合体８の室温下における引張強さは１．９kgｆ／mm² であって前記実施例の場合に比べて低いことが判明した。
【００２１】
また比較のため、加熱温度Ｔを４６０℃、即ち、Ｔ＜固相線温度Ｔ_S −５０℃に設定して前記同様のろう接処理を行ったところ、積層体４および永久磁石２間からの接合材１の食出しは生じなかったが、接合体８の室温下における引張強さは０．７kgｆ／mm² といったように前記実施例の場合に比べて大幅に低いことが判明した。
【００２２】
〔実施例２〕
接合材１として、実施例１と同様のもの、即ち、Ｎｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状接合材１を選定した。また一方の被接合部材として、実施例１と同様のＮｄＦｅＢ系永久磁石２を選定し、さらに他方の被接合部材として、実施例１と同様の積層体４を選定した。
【００２３】
図１に示すように、実施例１と同様に接合材１、永久磁石２および積層体４を重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝６２０℃、加熱時間３０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなるろう接処理を行って、図３に示すように実施例１と同様の接合体８を得た。このろう接処理においては、加熱温度Ｔが６２０℃、即ち、液相線温度Ｔ_L ＋１００℃であるから接合材１は液相状態となるが、この接合体８においては、積層体４および永久磁石２間からの接合材１の食出しは生じていなかった。
【００２４】
この接合体８について、実施例１と同様の引張り試験を行ったところ、その引張強さは２．５kgｆ／mm² であり、実施例１の場合と同等であることが判明した。
【００２５】
〔実施例３〕
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、亜共晶組成であるＮｄ₆₀Ｃｕ₄₀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、Ｎｄ₆₀Ｃｕ₄₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状接合材１を得た。図２に示すように、Ｎｄ₆₀Ｃｕ₄₀合金の固相線温度Ｔ_S は５２０℃、液相線温度Ｔ_L は６５０℃である。
【００２６】
一方の被接合部材として、実施例１と同様のＮｄＦｅＢ系永久磁石２を選定し、また他方の被接合部材として、実施例１と同様の積層体４を選定した。
【００２７】
図１に示すように、実施例１と同様に接合材１、永久磁石２および積層体４を重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝６５０℃、加熱時間３０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなるろう接処理を行って、図３に示すように実施例１と同様の接合体８を得た。このろう接処理においては、加熱温度Ｔが６５０℃、即ち、液相線温度Ｔ_L であるから接合材１は液相状態となるが、この接合体８においては、積層体４および永久磁石２間からの接合材１の食出しは生じていなかった。
【００２８】
この接合体８について、実施例１と同様の引張り試験を行ったところ、その引張強さは３．０kgｆ／mm² であり、実施例１の場合よりも接合強度の高いことが判明した。
【００２９】
〔実施例４〕
純度９９．９％のＰｒと、純度９９．９％のＣｕと、純度９９．９％のＡｌとを、Ｐｒ₇₀Ｃｕ₂₅Ａｌ₅ 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、Ｐｒ₇₀Ｃｕ₂₅Ａｌ₅ 合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状接合材１を得た。図５はＰｒ₇₀Ｃｕ₂₅Ａｌ₅ 合金の示差熱分析曲線を示し、この合金の固相線温度Ｔ_S は４２７℃、液相線温度Ｔ_L は４４２℃である。
【００３０】
一方の被接合部材として、実施例１と同様のＮｄＦｅＢ系永久磁石を選定し、また他方の被接合部材として、実施例１と同様の積層体４を選定した。
【００３１】
図１に示すように、実施例１と同様に接合材１、永久磁石２および積層体４を重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物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ろう接処理を行って、図３に示すように実施例１と同様の接合体８を得た。このろう接処理においては、加熱温度Ｔを３６７〜５５０℃の範囲で変化させると共に加熱時間を３０分間に設定した。次いで、各接合体８について、実施例１と同様の引張り試験を行って接合強度を求めた。
【００３２】
表２は、接合体８の例１〜９に関する加熱温度Ｔ、接合材１の食出しの有無、引張り強さおよび評価をそれぞれ示す。
【００３３】
【表２】

【００３４】
表２から明らかなように、加熱温度ＴをＴ_S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ_L ＋１００℃に設定された接合体８の例２〜８は、接合材１の食出しが生じておらず、また接合強度も高いことが判る。
【００３５】
〔実施例５〕
純度９９．９％のＮｄと、純度９９．９％のＣｕと、純度９９．６％のＢとを、Ｎｄ₆₀Ｃｕ₃₀Ｂ₁₀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、Ｎｄ₆₀Ｃｕ₃₀Ｂ₁₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状接合材１を得た。図６はＮｄ₆₀Ｃｕ₃₀Ｂ₁₀合金の示差熱分析曲線を示し、この合金の固相線温度Ｔ_S は５１０℃、液相線温度Ｔ_L は５３３℃である。
【００３６】
一方の被接合部材として、実施例１と同様のＮｄＦｅＢ系永久磁石２を選定し、また他方の被接合部材として、実施例１と同様の積層体４を選定した。
【００３７】
図１に示すように、実施例１と同様に接合材１、永久磁石２および積層体４を重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝５８０℃、加熱時間３０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなるろう接処理を行って、図３に示すように実施例１と同様の接合体８を得た。このろう接処理においては、加熱温度Ｔが５２０℃、即ち、固相線温度Ｔ_S および液相線温度Ｔ_L 間の温度に設定されているので、接合材１は固液共存状態となるが、この接合体８においては、積層体４および永久磁石２間からの接合材１の食出しは生じていなかった。
【００３８】
この接合体８について、実施例１と同様の引張り試験を行ったところ、その引張強さは３．０kgｆ／mm² であり、実施例１の場合よりも接合強度の高いことが判明した。
【００３９】
〔実施例６〕
純度９９．９％のＮｄと、純度９９．９％のＣｕ、純度９９．９％のＡｌとを、Ｎｄ₆₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₅ 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、Ｎｄ₆₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₅ 合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５ミリの薄板状接合材１を得た。図７はＮｄ₆₅Ｃｕ₃₀Ａｌ₅ 合金の示差熱分析曲線を示し、この合金の固相線温度Ｔ_S は４７４℃、液相線温度Ｔ_L は６３７℃である。
【００４０】
一方の被接合部材として、実施例１と同様のＮｄＦｅＢ系永久磁石２を選定し、また他方の被接合部材として、実施例１と同様の積層体４を選定した。
【００４１】
図１に示すように、実施例１と同様に接合材１、永久磁石２および積層体４を重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、この重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝４９０℃、加熱時間３０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなるろう接処理を行って、図３に示すように実施例１と同様の接合体８を得た。このろう接処理においては、加熱温度Ｔが４９０℃、即ち、固相線温度Ｔ_S および液相線温度Ｔ_L 間の温度に設定されているので、接合材１は固液共存状態となるが、この接合体８においては、積層体４および永久磁石２間からの接合材１の食出しは生じていなかった。
【００４２】
この接合体８について、実施例１と同様の引張り試験を行ったところ、その引張強さは３．０kgｆ／mm² であり、実施例１の場合よりも接合強度の高いことが判明した。
【００４３】
実施例１〜６の接合技術は、図８，９に示すように、回転電機としてのモータにおいて、ロータ１３の成層鉄心（被接合部材）１４に対する永久磁石２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。図中、１５は回転軸であり、その回転軸１５に成層鉄心１４の一端部が溶接１６される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、接合材の構成および加熱温度Ｔを前記のように特定することによって、両被接合部材を強固に接合することができる。また両被接合部材間から接合材が食出すことがないので、食出し部分等の除去、といった後処理は不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 永久磁石、接合材および積層体の重ね合せ関係を示す斜視図である。
【図２】 Ｎｄ−Ｃｕ系状態図の要部を示す。
【図３】 接合体の正面図である。
【図４】 引張り試験の説明図である。
【図５】 示差熱分析曲線の一例を示す説明図である。
【図６】 示差熱分析曲線の他例を示すグラフである。
【図７】 示差熱分析曲線のさらに他例を示す斜視図である。
【図８】 モータ用ロータの断面図で、図９の８−８線断面図に相当する。
【図９】 図８の９−９線断面図である。
【符号の説明】
１ 接合材
２ 永久磁石（被接合部材）
４ 積層体（被接合部材）
１４ 成層鉄心（被接合部材）

Claims (4)

1. 両被接合部材（２，４）間に接合材（１）を介在させ、次いで前記接合材（１）を加熱して両被接合部材（２，４）を接合するろう接法において、
   前記接合材（１）は、ＮｄまたはＰｒの一種から選択される希土類元素ＲＥと、Ｃｕとからなる希土類合金より構成され、その希土類合金は、前記希土類元素ＲＥの含有量をＲＥ≧５０原子％に設定され、前記希土類合金の固相線温度をＴ_S とし、また液相線温度をＴ_L としたとき、前記接合材（１）の加熱温度Ｔを、Ｔ_S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ_L ＋１００℃に設定することを特徴とする、被接合部材のろう接法。
2. 両被接合部材（２，４）間に接合材（１）を介在させ、次いで前記接合材（１）を加熱して両被接合部材（２，４）を接合するろう接法において、
   前記接合材（１）は、ＮｄまたはＰｒの一種から選択される希土類元素ＲＥと、Ｃｕと、Ａｌ又はＢとからなる希土類合金より構成され、その希土類合金は、前記希土類元素ＲＥの含有量をＲＥ≧５０原子％に設定され、前記希土類合金の固相線温度をＴ _S とし、また液相線温度をＴ _L としたとき、前記接合材（１）の加熱温度Ｔを、Ｔ _S −５０℃≦Ｔ≦Ｔ _L ＋１００℃に設定することを特徴とする、被接合部材のろう接法。
3. 両被接合部材（２，４，１４）の一方が永久磁石（２）である、請求項１又は２記載の被接合部材のろう接法。
4. 両被接合部材（２，１４）の他方が回転電機におけるロータ用成層鉄心（１４）である、請求項３記載の被接合部材のろう接法。

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