JP3772957B2 - 金属の接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属の接合方法に係り、特に金属超微粒子を利用した金属の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２個の金属体を接合するには、金属体に溶接棒を介して電流を流して接合部を高温に加熱することで接合する、いわゆる溶接を用いるのが一般であった。しかしながら、溶接対象の金属体の構造が微細で且つ複雑な場合には、例えば溶接棒の挿入が困難であり、溶接が難しい場合がある。又、抵抗溶接が可能な場合においても、接触面積が大きい時は溶接は同様に困難である。又、ロウ付けによる方法もあるが、一般にロウ付けでは接合力が低く問題がある。又、拡散接合による溶接方法は、設備的に大掛かりとなり大変である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、比較的低温で且つ強固な接合力が得られる金属の接合方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、２個の金属体を準備し、両金属体の接合面間に有機系の物質で被覆された粒径が１乃至１００ｎｍの金属超微粒子からなる層を配置し、１５０乃至５００℃の温度に加熱、あるいは加圧、あるいは通電、あるいはそれらを組合わせることにより、前記層から前記金属超微粒子同士及び前記２個の金属体の接合面とに融合させた金属超微粒子の融合層を形成し、前記２個の金属体を該金属超微粒子の融合層を介して接合することを特徴とする金属の接合方法である。
【０００５】
金属超微粒子は有機系の物質で被覆されているので、溶媒中における分散安定性に優れ、溶媒中に高濃度で且つ均質に分散させることができる。そして、金属超微粒子の粒径が小さくなるに従い表面に存在する原子の割合が増え、低い温度でも融合しやすくなる。例えば、平均粒径が１から１００ｎｍ程度の超微粒子であると、１５０乃至５００℃でも融合するようになる。このため、有機系の物質で被覆された金属超微粒子からなる層を接合対象の２個の金属体間に配置し、１５０乃至５００℃程度の温度に加熱することで、有機系の物質が焼失し且つ金属超微粒子が互いに融合すると共に両金属体とも融合し強固な接合層を形成することができる。また、加熱以外にも加圧あるいは通電、さらにはそれらを組合わせることにより同様の効果を得ることができる。係る接合方法によれば、比較的大面積で接合面間に凹凸があるような場合でも容易に強固な接合体を得ることができる。ここで、前記加熱、加圧、通電、あるいはそれらの組合わせを真空雰囲気下で行うことを特徴とすることが好ましい。これにより、超微粒子の酸化を完全に防止して、その融合を促進することができる。
【０００６】
前記金属超微粒子を被覆する有機系の物質は、有機金属化合物あるいは該金属に対して化学吸着性を有する官能基を含む有機物活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の金属の接合方法である。
【０００７】
金属有機化合物を空気を遮断した不活性ガス雰囲気下において、その金属有機化合物の分解開始温度以上、且つ完全分解温度未満の温度で加熱することにより有機金属化合物で被覆された金属超微粒子が得られる。又、非水系溶媒中で且つ該金属に対して化学吸着性を有する有機物の存在下で、金属塩を該金属塩の分解還元温度以上で且つ該金属に対して化学吸着性を有する有機物の分解温度以下で加熱することにより、コア金属の周囲を有機系物質で取り巻いた構造を有する複合金属超微粒子が得られる。又、金属を真空中で蒸発させ若干のガスの存在下で冷却することによって、気相中から金属の超微粒子を凝結させて得ることができる。このような超微粒子を該金属に対して化学吸着性を有する有機物に導入することで有機物で被覆された金属超微粒子が得られる。係る有機物で被覆された金属超微粒子によれば、その粒径が１乃至１００ｎｍのコア金属が容易に得られ、上述したように良好な分散性及び低温融合性が得られる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記２個の金属体は異種金属であり、前記融合層は第１の金属体の成分から第２の金属体の成分にその成分比が変化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属の接合方法である。これにより２個の金属を段階的にその組成を変化させ、連続的に第１の金属体の成分から第２の金属体の成分に移行させることができる。従って、熱膨張係数等の異なる金属を滑らかな組成の変化の融合層により接続することができるので、温度上昇に対しても安定且つ強固な金属の接合を行うことができる。
請求項５に記載の発明は、前記有機系の物質が水酸基、カルボキシル基、チオール基、アミノ基またはアミド基を有し炭素数が４以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属の接合方法である。
【０００９】
【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を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施形態例の接合方法を示す。まず図１（ａ）に示すように、接合対象の金属１１，１２を準備する。この場合は、同種の金属であり、例えば銅であるとする。次に図１（ｂ）に示すように、有機系の物質で被覆された粒径が１乃至１００ｎｍの金属超微粒子からなる層１３を配置する。ここで有機物で被覆された金属超微粒子は溶媒中に高濃度で分散して配置されたペースト状をなしている。しかしながら、有機物で被覆された超微粒子の粉末を直接被接合面に配置するようにしてもよい。
【００１１】
この実施の形態例では、例えば粒径が５ｎｍ程度の銅の超微粒子が脂肪酸錯体で被覆されたものを用い、これを高濃度に有機溶媒中に分散させたものを用いている。この分散液においては、金属の超微粒子は脂肪酸で完全に覆われているため、常温で酸化されるという問題が完全に生じない。そして接合対象の他方の金属体１１を図１（ｃ）に示すように分散層１３上に圧着する。
【００１２】
次ぎに、２００℃程度の比較的低温で焼成する。これにより金属超微粒子を被覆する有機物である脂肪酸が気化して排除される（焼失する）と共に、金属超微粒子同士が融合すると共に接合対象の金属体１１，１２とも強固に融合した融合層１３ａを形成する。超微粒子は加熱と同時に金属と一体化し、且つ有機物の共存下で熱処理されるため空気中で加熱しても酸化されるという問題が生じ難い。有機物を揮発させるのに時間を要し接合物が酸化してしまう場合は、真空中で加熱することで酸化を完全に防ぐことができる。このため金属体の接合に当たってフラックス又は不活性ガスの使用が不要であり、簡便に金属体を強力に接合することができる。そして、接合材として金属超微粒子を使うため、その接合力は加圧なしでも強力であるが、接合時に加圧することで接合強度を更に増大することができる。
【００１３】
上述したように、係る接合方法によれば例えば銅の接合の場合は、通常１０００℃以上の高温を必要とするが、銅の超微粒子を用いることで２００℃程度の温度で２個の銅材を接合することが可能となる。又、接合対象の金属体としてチタンを用いる場合には、通常チタンは極めて酸化され易い性質を有するので、不活性ガス中で行われるが、チタンの超微粒子を用いることで不活性ガス雰囲気を必要とすることなく、２個のチタン材を強固に接合することができる。
【００１４】
このような金属超微粒子は、例えば有機金属塩又は金属錯体を有機物が分解する温度以上で且つ完全に分解する温度未満で熱分解することにより、有機物で被覆された超微粒子が得られる。例えば、ステアリン酸の金属塩を２００〜６００℃程度で加熱分解することにより、有機物で被覆された好ましくは１０ｎｍ程度の金属超微粒子が得られる。又は非水系溶媒中で且つ該金属に対して化学吸着性を有する有機物の存在下で、金属塩を該金属塩の分解還元温度以上で且つ該金属に対して化学吸着性を有する有機物の分解温度以下で加熱することにより、同様に該金属に対して化学吸着性を有する有機物で被覆された金属超微粒子が得られる。これらの金属超微粒子は有機物で被覆されているので、化学的に安定であり且つ良好な溶媒への分散性が得られる。
【００１５】
又、金属超微粒子はガス中蒸発法で生成することも可能であり、金属を真空中で蒸発させ、不活性ガスを僅かな量流して冷却することにより、その不活性ガス中で蒸発した金属ガスが凝固し、同様に金属超微粒子が得られる。この場合には、得られた金属超微粒子は金属単体の状態であるので、該金属に対して化学吸着性を有する有機物に導入することで該金属に対して化学吸着性を有する有機物で被覆された金属超微粒子が得られる。このような有機物で被覆された超微粒子を分散させる溶媒としては例えばトルエン、ヘキサン等が好適であり、これにより有機物で被覆された超微粒子は良好な分散性を有するため、溶媒中に偏析することなく、高濃度の分散液（ペースト）１３を得ることができる。
【００１６】
図２は、本発明の第２の実施の形態例を示す。この場合には異種金属体を接合する例であり、アルミ材１４とステンレス鋼材１５とを金属超微粒子の融合層１６を用いて接合した例である。この金属融合層１６の組成は、図示するようにアルミ材１４側ではその組成が殆どアルミの超微粒子から構成されていて、反対にステンレス鋼材１５側では殆どが鉄によって構成されている。尚、図中●はアルミの超微粒子から形成された融合層を示し、○は鉄の超微粒子から形成された融合層をそれぞれ示す。図示するように、その間は徐々に成分比が連続的に変化し、中間部では略アルミ５０％と鉄５０％となっている。
【００１７】
このような組成の連続的変化にすることで、融合層１６はアルミ材１４と強固な接合が得られると共に、ステンレス鋼材１５とも同種の元素の融合層で接合されるため強固な接合が得られる。そして、アルミ材１４とステンレス鋼材１５とはその温度係数が異なるが、その間が連続的に変化する組成の融合層で接続されているため、温度上昇が起こり熱膨張係数が異なるために両者の間で歪みが生じても、その間の融合層１６でこの歪みを吸収して強固な接合が得られる。
【００１８】
このような融合層１６は、有機物で被覆されたアルミの超微粒子を分散させた分散液Ａと、有機物で被覆された鉄の超微粒子を分散させた分散液Ｂとを準備し、最初に分散液Ｂをステンレス鋼材１５の接合面に薄く塗布する。そして、次ぎに分散液Ｂを９０％、分散液Ａを１０％とした混合液を準備し、この混合液を充分に撹拌した後に前記層上に塗布する。そして、次ぎに分散液Ｂを８０％、分散液Ａを２０％、と順次混合比率を変化させ、中間段階では分散液Ａと分散液Ｂとの比率を５０％づつとし、更にその後分散液Ａの比率を徐々に増やし、最終的には１００％の分散液Ａを最上層に塗布する。
【００１９】
そして、アルミ材１４を圧着し、これを１５０〜５００℃程度の温度で加熱することにより、有機物を気化して焼失し、金属超微粒子同士の融合層及び金属超微粒子と金属材１４，１５との融合層を形成する。
【００２０】
尚、この場合は２種類の分散液を混合して塗布する例について説明したが、噴霧により分散液層をその組成比を変化させながら塗布するようにしてもよい。又、分散液を塗布することに代えて、２種類の分散液Ａ，Ｂを準備し、これらを噴霧装置を用いて混合比率を変化させながら噴霧により組成の連続的に変化した分散液の塗布層を形成してもよい。又、溶媒中に有機物で被覆された金属超微粒子を分散させるのでなく、有機物で被覆された超微粒子の粉体を直接混合させて、分散層を形成するようにしてもよい。
【００２１】
上述したような金属超微粒子の融合層により、本実施の形態例のように接合部の面積が比較的大きな場合にも分散層１６を比較的厚塗りにより形成し、且つ傾斜勾配で成分を変化させることで、熱膨張によって生じる剪断力を小さく抑え、強固な結合体が得られる。又、比較的低温で且つ空気中で接合を行うことができることから簡便で且つ応用範囲の広い接合方法とすることができる。
【００２２】
尚、上記の実施の形態例は本発明の若干の応用例について説明したが、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、有機物で被覆された金属超微粒子を２個の金属体の間に充填し、これを比較的低温で加熱することにより金属体と金属超微粒子及び金属超微粒子同士の融合層を形成することができる。従って、比較的低温で且つ大掛かりな設備を要することなく２個の金属体を接合することができる。それ故、従来の溶接法等に比して簡便で、且つ十分に強固な金属体間の接合が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例の金属の接合方法を示す図であり、同種の金属体の接合例を示す。
【図２】本発明の第２の実施の形態例の金属の接合方法を示す図であり、異種の金属体の接合例を示す。
【符号の説明】
１１ 金属体
１２ 金属
１３ 分散層
１３ａ 融合層
１４ アルミ材
１５ ステンレス鋼材
１６ 金属融合層
Ａ，Ｂ 分散液

Claims (5)

1. ２個の金属体を準備し、両金属体の接合面間に有機系の物質で被覆された粒径が１乃至１００ｎｍの金属超微粒子からなる層を配置し、１５０乃至５００℃の温度に加熱、あるいは加圧、あるいは通電、あるいはそれらを組合わせることにより、前記層から前記金属超微粒子同士及び前記２個の金属体の接合面とに融合させた金属超微粒子の融合層を形成し、前記２個の金属体を該金属超微粒子の融合層を介して接合することを特徴とする金属の接合方法。
2. 前記加熱、加圧、通電、あるいはそれらの組合わせを真空雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１に記載の金属の接合方法。
3. 前記金属超微粒子を被覆する有機系の物質は、有機金属化合物あるいは該金属に対して化学吸着性を有する官能基を含む有機物活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の金属の接合方法。
4. 前記２個の金属体は異種金属であり、前記融合層は第１の金属体の成分から第２の金属体の成分にその成分比が変化していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属の接合方法。
5. 前記有機系の物質が水酸基、カルボキシル基、チオール基、アミノ基またはアミド基を有し炭素数が４以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属の接合方法。

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