JP3759198B2

JP3759198B2 - 被接合部材の接合方法

Info

Publication number: JP3759198B2
Application number: JP14483095A
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: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JPH091383A

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接合方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、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影響を受ける、といった性質を有する。
【０００３】
そのため、モータ用ロータにおいて、鋼製ロータ本体に永久磁石を取付ける場合、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（例えば、特公昭６１−３３３３９号公報参照）。
【０００４】
【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。
【０００５】
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接合方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、両被接合部材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、前記ろう材は、希土類元素ＲＥと他の成分元素Ｅ _L とからなる合金であって、包晶組織および共晶組織の一方の金属組織を有し且つその金属組織には少なくとも一種の金属間化合物が含まれており、前記希土類元素ＲＥの含有量が３３．３原子％＜ＲＥ＜５０原子％であると共に前記他の成分元素Ｅ_Lの含有量が５０原子％≦Ｅ_L≦６６．７原子％であり、前記成分元素Ｅ_LはＣｕ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも一種であり、前記加熱下で前記ろう材を、固相と液相とが共存する固液共存状態にすることを特徴とする。
【０００７】
【作用】
前記接合方法において、前記組成のろう材を加熱下で固相と液相とが共存する固液共存状態にすると、希土類元素ＲＥを含む液相が高活性であることから、種種の材質の被接合部材に対して優れた濡れ性を発揮し、またろう材が優れた耐酸化性を有することもあって、ろう材よりなる接合層を介して両被接合部材が強固に接合される。この場合、各被接合部材と接合層との間には相互拡散が生じている。また前記組成のろう材は比較的低い加熱温度で固液共存状態になるので、加熱による両被接合部材の特性への影響は回避される。さらに、ろう材は接合処理時に固液共存状態にあって高粘度であるから、両被接合部材間から食出すことがなく、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】
例えば、一方の被接合部材が脆い場合、両被接合部材間から食出したろう材が前記一方の被接合部材の外面に玉状になって付着すると、その一方の被接合部材にはろう材付着部を起点として割れが生じるが、この問題は、前記のようにろう材の食出しが防止されることから回避される。
【０００９】
ただし、ろう材において、希土類元素ＲＥの含有量がＲＥ＜３３．３原子％では、ろう材の液相発生温度が高くなりすぎるため好ましくなく、一方、ＲＥ＞５０原子％では、保管時および接合処理時ならびに接合処理後において、ろう材およびそのろう材よりなる接合層が酸化することがあるので好ましくない。その上、高価な希土類元素ＲＥの含有量が多くなるので、ろう材の製造コストの上昇を招く。
【００１０】
また成分元素Ｅ_Lの含有量がＥ_L＜５０原子％であるか、Ｅ_L＞６６．７原子％であると、３３．３原子％＜ＲＥ＜５０原子％の要件を満足することができない。
【００１１】
前記ろう材において、その組成を前記のように設定する理由は既述の通りである。したがって、このろう材は優れた濡れ性と耐酸化性を有する。
【００１２】
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の濡れ性の悪さは、その結晶粒界に希土類元素濃度の高い相が存在していることに起因する。前記ろう材より生じた液相は、高活性であると共に前記結晶粒界に存する希土類元素濃度の高い相と同種の成分ＲＥを含有することから永久磁石に対して優れた濡れ性を発揮する。したがって、前記ろう材は、希土類元素を含む永久磁石の接合に好適である。
【００１３】
【実施例】
図１に示す接合体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永久磁石２であり、他方の被接合部材が、冷間圧延鋼板３を積層してかしめ手段４により一体化した２つの積層体５である。
【００１４】
永久磁石２と各積層体５との間に加熱工程を経て形成された接合層６が存在する。各接合層６はろう材を前記加熱工程で固液共存状態にすることにより形成される。なお、各積層体５に存する貫通孔７は引張り試験においてチャックとの連結に用いられる。
【００１５】
ろう材は、希土類元素ＲＥの含有量が３３．３原子％＜ＲＥ＜５０原子％であり、また他の成分元素Ｅ_Lの含有量が５０原子％≦Ｅ_L≦６６．７原子％である合金よりなる。
【００１６】
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。また成分元素Ｅ_Lには、Ｃｕ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも一種が該当する。
【００１７】
前記組成を有するろう材は、金属組織上、包晶組織および共晶組織の一方を有していて、その組織には少なくとも一種の金属間化合物が含まれる。
【００１８】
表１，２は、各種ろう材の合金系、組成、液相発生温度Ｔｍおよび液相発生反応を示す。両表中、「Ｌ」は液相を意味し、これは以下同じである。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
表１のＮｄ−Ｃｏ系合金よりなるろう材において、Ｎｄ含有量が４０原子％であるものはＣｏ₃Ｎｄ₂単相組織を有する。
【００２２】
その他のろう材としては、例えばＮｄ含有量が３３．３原子％＜Ｎｄ＜５０原子％であるＮｄ−Ｃｕ系合金よりなるものを挙げることができる。この場合の液相発生温度ＴｍはＴｍ＝６７５℃であり、また液相発生反応は、ＣｕＮｄ→Ｃｕ₂Ｎｄ＋Ｌ（包晶タイプ）である。
【００２３】
ろう材の製造に当っては、インゴットを鋳造し、次いでそのインゴットから薄板状ろう材を切出す方法、液体急冷法である単ロール法を適用して薄帯を製造し、次いでその薄帯から箔状ろう材を切出す方法等が適用される。ろう材の生産性向上の観点からは単ロール法が優れている。この単ロール法によれば、耐酸化性の良好な非晶質ろう材を得ることが可能であるが、前記組成のろう材は、もともと優れた耐酸化性を有するので、非晶質である必要はない。
【００２４】
永久磁石２と各積層体５との接合に当っては、図２に示すように、１つの積層体５の上向きの接合面ｂ上に１つのろう材８を、またろう材８の上に一方の接合面ａを下向きにした永久磁石２を、さらに永久磁石２の上向きの他方の接合面ａ上にもう１つのろう材８を、さらにまたろう材８の上にもう１つの積層体５を、その接合面ｂを下向きにしてそれぞれ重ね合せて重ね合せ物を作製し、次いで、その重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱下でろう材８を固液共存状態にし、その後炉冷する、といった方法が採用される。
【００２５】
前記接合方法において、前記組成のろう材８を加熱下で固液共存状態にすると、希土類元素ＲＥを含む液相が高活性であることから、永久磁石２および各積層体５に対して優れた濡れ性を発揮し、またろう材８が優れた耐酸化性を有することもあって、ろう材８よりなる接合層６を介して永久磁石２と各積層体５とが強固に接合される。この場合、永久磁石２および各積層体５と、接合層６との間には相互拡散が生じている。
【００２６】
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。表１，２に示したろう材８はその液相発生温度ＴｍがＴｍ≦６５０℃であって加熱温度Ｔ≦６５０℃で液相を発生して固液共存状態になるので、接合処理時において永久磁石２の磁気特性に影響を及ぼすことはない。これは積層体５の特性についても同様である。
【００２７】
またろう材８は接合処理時に固液共存状態にあって高粘度であるから、永久磁石２および各積層体５間から食出すことがなく、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り、またろう材８の食出しに起因した永久磁石２の割れ発生を回避することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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１〕
純度９９．９％のＣｅと純度９９．９％のＣｕとを、Ｃｅ₄₀Ｃｕ₆₀合金（数値の単位は原子％、これは、ろう材組成において以下同じである。）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、Ｃｅ₄₀Ｃｕ₆₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状ろう材８を得た。図３に示すように、Ｃｅ₄₀Ｃｕ₆₀合金は包晶組織を備え、その包晶組織はＣｕ₂Ｃｅ相をＣｕＣｅ相で包んだ形態を有する。この場合、包晶点は５１６℃である。このろう材８は、大気中に放置しても変色せず、したがって優れた耐酸化性を有する。
【００３０】
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、厚さ０．３mmの冷間圧延鋼板３を積層してなり、且つ縦１０mm、横１０mm、長さ１５mmの積層体５を選定した。
【００３１】
図２に示すように、１つの永久磁石２と、２つの積層体５と、２つのろう材８とを重ね合せて重ね合せ物を作製し、同様の方法で合計２０個の重ね合せ物を作製した。
【００３２】
次いで、これら重ね合せ物を、真空度１０^-5Ｔｏｒｒの真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝５３０℃、加熱時間ｈ＝３０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、図１に示すように各積層体５と永久磁石２とをそれぞれ接合層６を介して接合した２０個の接合体１を得た。これらの接合体１を例１とする。
【００３３】
この接合処理においては、加熱温度ＴがＴ＝５３０℃であって、図３に示す包晶点（液相発生温度Ｔｍ）５１６℃を超えているので、ろう材８は液相発生反応、即ち、表１に示したように、ＣｕＣｅ→Ｃｕ₂Ｃｅ＋Ｌを生じて固液共存状態となる。
【００３４】
この加熱温度Ｔ＝５３０℃における固相と液相との割合は、図３に示すようにＣｕ₂Ｃｅ：Ｌ＝ｄ：ｃであり、また液相の組成はＣｅ₅₉Ｃｕ₄₁であって、Ｃｅ濃度が高いことから高活性である。
【００３５】
各接合体１において、永久磁石２および各積層体５間からのろう材８の食出しは生じていなかった。また接合体１を大気中に放置しても接合層６の変色、したがって酸化は認められなかった。
【００３６】
前記Ｃｅ₄₀Ｃｕ₆₀合金よりなるろう材８を用いた場合、図３に示すように包晶点５１６℃で液相を生じるので、加熱温度ＴをＴ≧５１６℃に設定することにより、永久磁石２と各積層体５との接合が可能である。このときの液相の組成はＣｅ₆₀Ｃｕ₄₀である。
【００３７】
加熱温度Ｔの上昇に伴い液相量が増し、例えば加熱温度Ｔの上限値であるＴ＝６５０℃では液相量は全ろう材量の略３分の１となる。このときの液相の組成はＣｅ₅₂Ｃｕ₄₈である。
【００３８】
比較のため、前記同様の１つのＮｄＦｅＢ系永久磁石２と、前記同様の２つの積層体５と、２層の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）とよりなる前記同様の重ね合せ物を合計１０個作製した。次いで、これら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、各積層体５と永久磁石２とをそれぞれエポキシ樹脂系接着剤を介して接合した前記同様の１０個の接合体を得た。これらの接合体を例２とする。
【００３９】
接合処理直後において、接合体の例１，２の各１０個について室温下で引張り試験を行い、また接合処理から１ケ月経過後において、接合体の例１の残りの１０個について室温下で引張り試験を行ったところ、表３の結果を得た。なお、表３の引張強さは平均値であり、これは以下同じである。
【００４０】
【表３】

【００４１】
表３から明らかなように、ろう材８を用いた例１は、エポキシ樹脂系接着剤を用いた例２に比べて接合強度が高く、その接合強度は１５０℃の加熱下においても殆ど変わらず、またそのばらつきも小さかった。例２は室温下における接合強度が低い上にそのばらつきが大きく、また１５０℃の加熱下ではその接合強度が室温下のそれの３分の１に低下することが判明した。
【００４２】
さらに例１の場合、１ケ月経過後においても、その接合強度に変化は見られない。これは接合層６、したがってろう材８が優れた耐酸化性を有することに起因する。
【００４３】
次に、接合処理における真空加熱炉の真空度を１０^-1Ｔｏｒｒに設定した以外は前記と同様の方法で、前記接合体の例１に対応する接合体１の例１ａを得た。例１ａの総数は１０個である。
【００４４】
接合処理直後において、接合体１の例１ａについて室温下で引張り試験を行ったところ、その引張強さは２．７kgｆ／mm²であって、例１ａは表３の例１に示した、真空度１０^-5Ｔｏｒｒの場合と略同等の接合強度を有することが判明した。これは、ろう材８が優れた耐酸化性を有することに起因する。
〔実施例２〕
純度９９．９％のＣｅと純度９９．９％のＣｏとを、Ｃｅ₄₀Ｃｏ₆₀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、Ｃｅ₄₀Ｃｏ₆₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ０．５mmの薄板状ろう材８を得た。図４に示すように、Ｃｅ₄₀Ｃｏ₆₀合金は共晶組織を有し、その共晶組織はＣｏ₂Ｃｅ相とＣｏＣｅ₃相とよりなる。この場合、共晶点は４４０℃である。このろう材８は、大気中に放置しても変色せず、したがって優れた耐酸化性を有する。
【００４５】
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、厚さ０．３mmの冷間圧延鋼板３を積層してなり、且つ縦１０mm、横１０mm、長さ１５mmの積層体５を選定した。
【００４６】
図２に示すように、１つの永久磁石２と、２つの積層体５と、２つのろう材８とを重ね合せて重ね合せ物を作製し、同様の方法で合計２０個の重ね合せ物を作製した。
【００４７】
次いで、これら重ね合せ物を、真空度１０^-5Ｔｏｒｒの真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝４６０℃、加熱時間ｈ＝３０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、図１に示すように各積層体５と永久磁石２とをそれぞれ接合層６を介して接合した２０個の接合体１を得た。これらの接合体１を例１とする。
【００４８】
この接合処理においては、加熱温度ＴがＴ＝４６０℃であって、図４に示す共晶点（液相発生温度Ｔｍ）４４０℃を超えているので、ろう材８は液相発生反応、即ち、表２に示したようにＣｏ₂Ｃｅ＋ＣｏＣｅ₃→Ｌを生じて固液共存状態となる。
【００４９】
この加熱温度Ｔ＝４６０℃における固相と液相との割合は、図４に示すようにＣｏ₂Ｃｅ：Ｌ＝ｄ：ｃであり、また液相の組成はＣｅ₆₇Ｃｏ₃₃であって、Ｃｅ濃度が高いことから高活性である。
【００５０】
各接合体１において、永久磁石２および各積層体５間からのろう材８の食出しは生じていなかった。また接合体１を大気中に放置しても接合層６の変色、したがって酸化は認められなかった。
【００５１】
前記Ｃｅ₄₀Ｃｏ₆₀合金よりなるろう材８を用いた場合、図４に示すように共晶点４４０℃で液相を生じるので、加熱温度ＴをＴ≧４４０℃に設定することにより永久磁石２と各積層体５との接合が可能である。このときの液相の組成はＣｅ₆₈Ｃｏ₃₂である。
【００５２】
加熱温度Ｔの上昇に伴い液相量が増し、例えば加熱温度Ｔの上限値であるＴ＝６５０℃は液相量は全ろう材量の略４分の１となる。このときの液相の組成はＣｅ₅₉Ｃｏ₄₁である。
【００５３】
接合処理直後において、接合体の例１の１０個について室温下で引張り試験を行い、また接合処理から１ケ月経過後において、残りの１０個について室温下で引張り試験を行ったところ、表４の結果を得た。
【００５４】
【表４】

【００５５】
例１の場合、１ケ月経過後においても、その接合強度は接合処理直後と略同じである。これは接合層６、したがってろう材８が優れた耐酸化性を有することに起因する。
【００５６】
次に、接合処理における真空加熱炉の真空度を１０^-1Ｔｏｒｒに設定した以外は前記と同様の方法で、前記接合体１の例１に対応する接合体１の例１ａを得た。例１ａの総数は１０個である。
【００５７】
接合処理直後において、接合体１の例１ａについて室温下で引張り試験を行ったところ、その引張強さは２．８kgｆ／mm²であって、例１ａは表４の例１に示した、真空度１０^-5Ｔｏｒｒの場合に近似する接合強度を有することが判明した。これは、ろう材８が優れた耐酸化性を有することに起因する。
【００５８】
図５，６は接合体１としてのモータ用ロータを示す。このロータ１は、成層鉄心よりなるロータ本体（被接合部材）９に、Ｃｅ₄₀Ｃｕ₆₀合金製ろう材を用いて複数のＮｄＦｅＢ系永久磁石２を接合したものである。回転軸１０のスプライン軸部１１はロータ本体９のスプライン孔１２に圧入され、そのロータ本体９の一端部が回転軸１０に溶接部１３を介して接合される。
【００５９】
このロータ１においては、それが１００００rpm 以上で高速回転してもロータ本体９からの永久磁石２の脱落は皆無であった。
【００６０】
なお、本発明は、希土類元素を含む永久磁石相互の接合にも適用される。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、ろう材の組成および接合処理時におけるろう材の状態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ろう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。さらに、例えば一方の被接合部材が脆い場合、前記食出し部分がその部材に付着することに起因したその部材の割れ発生、といった不具合も回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】接合体の斜視図である。
【図２】永久磁石、ろう材および積層体の重ね合せ関係を示す斜視図である。
【図３】Ｃｕ−Ｃｅ系状態図を示す。
【図４】Ｃｏ−Ｃｅ系状態図を示す。
【図５】モータ用ロータの断面図で、図６の５−５線断面図に相当する。
【図６】図５の６−６線断面図である。
【符号の説明】
１接合体
２永久磁石（被接合部材）
５積層体（被接合部材）
８ろう材

Claims

両被接合部材（２，５）間にろう材（８）を介在させ、次いで前記ろう材（８）を加熱して両被接合部材（２，５）を接合するに当り、
前記ろう材（８）は、希土類元素ＲＥと他の成分元素Ｅ _L とからなる合金であって、包晶組織および共晶組織の一方の金属組織を有し且つその金属組織には少なくとも一種の金属間化合物が含まれており、前記希土類元素ＲＥの含有量が３３．３原子％＜ＲＥ＜５０原子％であると共に前記他の成分元素Ｅ_Lの含有量が５０原子％≦Ｅ_L≦６６．７原子％であり、前記成分元素Ｅ_LはＣｕ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも一種であり、前記加熱下で前記ろう材（８）を、固相と液相とが共存する固液共存状態にすることを特徴とする、被接合部材の接合方法。
前記両被接合部材（２，５）の少なくとも一方が希土類元素を含む永久磁石である、請求項１記載の被接合部材の接合方法。
接合処理時の加熱温度ＴがＴ≦６５０℃である、請求項１または２記載の被接合部材の接合方法。
前記ろう材の液相発生温度ＴｍがＴｍ≦６５０℃である、請求項１，２または３記載の被接合部材の接合方法。