JP3822850B2 - 鉄系低融点接合用合金 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種構造物等の鉄基材料を接合するための接合用合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
各種構造物等の鉄基材料の接合において、液相拡散接合法が知られている。液相拡散接合は、被接合材の間に被接合材よりも融点の低い接合材を介在させて液相線直上にて加熱し、接合材中の拡散元素を拡散させて接合する方法である。
【0003】
本発明者らは、酸化雰囲気中での液相拡散接合を実現できる鉄基材料の液相拡散接合用合金箔を発明し、特許出願した(特許文献1参照)。
該合金箔は、P:1.0〜20.0原子%、Si:1.0〜10.0原子%、V:0.1〜20.0原子%、B:1.0〜20.0原子%を含有し、さらに、Cr、Ni、Co、W、Nb、Tiを必要に応じて含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有し、厚さが3.0〜200μmの箔である。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−323175号公報
【0005】
また、このような合金箔を製造するための方法として、単ロール法や双ロール法などが知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの外周面に、溶融金属をオリフィスなどから噴出させることにより急速に凝固させて、薄帯を鋳造するものである。合金組成を適正に選ぶことによって液体金属に類似した非晶質合金薄帯を製造することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平9−323175号公報に開示している液相拡散接合用合金箔を使用した接合において、接合強度の改善が求められた。かかる要望を充足するために、本発明者らは実験検討を行った結果、接合材を低融点化することで、接合時の加熱温度を低下させるのが有効であることが分かった。
そこで本発明が解決しようとする課題は、接合材の合金組成を最適化することで、より低温での接合を可能とし、接合強度を向上できる低融点接合用合金を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、原子%にて、B:6%以上14%以下、Si:2%以上3.5%以下、C:0.2%以上4%以下、P:1%以上20%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金である。
また本発明は、さらに、原子%にて、Ni:0.1%以上20%以下と、Cr:0.1%以上20%以下と、V:0.1%以上10%以下の少なくとも1種を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金である。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の接合用合金は、低融点化の観点から組成を限定している。合金の融点は成分組成によって一義的に決まるが、本発明の接合用合金は非晶質の箔状で使用することが特に有効であり、薄帯鋳造時における非晶質形成能の観点からも組成を限定している。なお、非晶質は箔全体に形成されなくてもよい。
以下に成分の限定理由を述べる。
【0009】
B、Si、Pは非晶質化を実現し、かつ融点が1100℃以下となるためにその含有量を限定した。
Bは、6原子%未満では非晶質形成が困難となる。14原子%超となると低融点化効果がなくなるばかりでなく、接合部に硼化物を生成し接合強度を低下させる。したがってB含有量を6原子%以上14原子%以下とした。
【0010】
Siは、2原子%未満および3.5原子%超では低融点化効果がなくなり、また非晶質形成が困難となる。したがってSi含有量を2原子%以上3.5原子%以下とした。
【0011】
Pは、本発明で最も重要な元素であり、1〜20原子%の範囲で良好な低融点化効果を示す。1原子%未満ではこの効果は得られず、20原子%超になるとさらなる添加効果は得られなくなるばかりか、良好な箔の形成が困難となる。したがってP含有量を1原子%以上20原子%以下とした。
【0012】
Cは、薄帯の鋳造性に効果のある元素である。すなわち、0.2原子%以上4原子%以下の添加により溶融合金と冷却基板との濡れ性が向上し、冷却速度が高くなり良好な非晶質化が達成できる。0.2原子%未満ではこの効果は得られず、4原子%超としてもさらなる添加効果は得られない。したがってC含有量を0.2原子%以上4原子%以下とした。
【0013】
Niは、主として低融点化効果があり、必要に応じて添加する。0.1原子%未満ではその効果が不十分であり、20原子%を超えるとこの効果が得られなくなる。したがって、Ni含有量を0.1原子%以上20原子%以下とした。
【0014】
Crは、主として耐食性、耐酸化性を高めるために、必要に応じて添加する。0.1原子%未満ではその効果が不十分であり、20原子%を超えると融点が1100℃を超えるようになってしまう。したがってCr含有量を0.1原子%以上20原子%以下とした。
【0015】
Vは、被接合表面の酸化被膜形成物質を低融点物質にする効果がある。例えばFe2 O3 を、融点が約800℃の低融点複合酸化物V2 O5 −Fe2 O3 にする効果があり、本発明合金を使用した場合、接合温度900〜1100℃で酸化被膜が溶融する。液相中では表面張力の差によって球状化するので、B、Si、P等の拡散元素が自由に拡散し、酸化雰囲気中でも液相拡散接合を達成できる。V含有量が0.1原子%未満ではこの効果が不十分であり、10原子%超では融点が1100℃を超えるようになる。したがってV含有量を0.1原子%以上10原子%以下とした。
Vを添加することにより酸化雰囲気中での接合が可能となるが、本発明のV添加合金は、酸化雰囲気用に限定されるものではない。
【0016】
上記元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Mn、S等を0.2原子%程度まで含有しても特段の問題はない。
【0017】
本発明の接合用合金は、液相拡散接合のみならず、いわゆるロウ付け、あるいはロウ接とよばれる接合法にも使用できる。この接合法は一般的に、接合材が溶融したのち、接合材中の拡散元素B、Si、P等が被接合材中に拡散する前に固化して接合する方法である。
【0018】
また本発明の接合用合金は、急冷凝固法として知られている単ロール法や双ロール法等により薄帯に鋳造し、箔状の接合材として使用することができる。また形状としては箔のほか、用途に応じて粉末等も使用することができる。さらに、非晶質に限らず、結晶質のものでも用途によっては使用可能である。
【0019】
【実施例】
表1に示す各合金について、単ロール法により下記条件で箔を鋳造した。表2に、融点および接合実験の結果を示す。各合金は、いずれもMn、S等の不純物を0.2原子%含んでいる。鋳造時の溶融合金温度は、表2に示す融点よりおよそ150℃高い温度とした。
【0020】
各合金の融点はDTA装置により求めた。表2に示すように、本発明例はいずれも1100℃以下であったが、比較例はいずれも1100℃を超えるものであった。
鋳造結果、比較例のNo.34、No.35、No.42、No.47、No.48、No.49は良好な箔が得られず、以後の接合実験を行うことができなかった。それ以外は、本発明例、比較例とも問題なく鋳造でき、板厚が25μm程度の良好な箔が得られた。
【0021】
得られた箔を用いて接合実験を行い、接合後に接合強度を測定した。接合実験に際しては、直径20mmの円盤状にした箔2枚を重ねて接合材とし、直径20mmのSTK400の丸鋼を被接合材とした。図1に示すように、2本の被接合材1の間に接合材2を挟みこんで接合した。接合温度は、各合金の融点直上から融点+50℃の範囲として、雰囲気制御可能な加熱炉を用いて表2に示すそれぞれの雰囲気で加熱した。加熱中は、被接合材1と接合材2の密着性を高めるため2MPaで加圧した。接合時間はすべて10分とした。
【0022】
そして、図2に示すように、接合後の丸鋼3から接合線4を中心としてJISA2号引張試験片5を切り出し、JISA2号引張試験機を用いて引張試験を行った。また、接合実験前の被接合材2の母材からも同試験片を切り出して同様に引張試験を行い、接合強度を対母材比(接合部強度)/(母材強度)で表2に示した。
【0023】
本発明例は、いずれも対母材比で0.9を超える高い接合強度が得られた。これは、融点の低い本発明合金からなる接合材を使用したことで、接合温度を低くすることができ、そのため接合部の熱影響部の強度劣化を抑制できたためと考えられる。
【0024】
これに対して、比較例はいずれも対母材比で0.9未満であり、満足できる接合強度が得られなかった。これは接合材の融点が高かったため、接合温度を高くしなければならず、その分熱影響部の強度が劣化したためと考えられる。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】
【発明の効果】
本発明の低融点接合用合金は、成分組成を最適化して融点を1100℃以下としたことにより、より低温での接合が可能となり、対母材比で0.9を超える高い接合強度が安定して得られる。このため、被接合材の特性を損なうことのない接合が可能となり、さらに加熱温度低下により接合コストの削減も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例における接合実験の説明図である。
【図2】実施例における引張試験片の説明図である。
【符号の説明】
1:被接合材 2:接合材
3:接合後の丸鋼 4:接合線
5:引張試験片
Claims (8)
- 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
Ni:0.1%以上20%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
Cr:0.1%以上20%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
V :0.1%以上10%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
Ni:0.1%以上20%以下、Cr:0.1%以上20%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
Ni:0.1%以上20%以下、V :0.1%以上10%以下、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
Cr:0.1%以上20%以下、V :0.1%以上10%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。 - 原子%にて、
B :6%以上14%以下、 Si:2%以上3.5%以下、
C :0.2%以上4%以下、 P :1%以上20%以下、
Ni:0.1%以上20%以下、Cr:0.1%以上20%以下、
V :0.1%以上10%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が1100℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用合金。
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