JP4267494B2

JP4267494B2 - 接合用の鉄基非晶質合金箔

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Publication number: JP4267494B2
Application number: JP2004099770A
Authority: JP
Inventors: 有一佐藤; 広明坂本; 泰士長谷川; 英司津留; 康浩篠原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005279748A

Description

本発明は、各種部品、構造物等の鉄基材料を接合するための接合用非晶質合金箔に関するものである。

各種部品、構造物等の鉄基材料の接合方法として、液相拡散接合が知られている。液相拡散接合とは、被接合材間に融点が被接合材のそれより低い接合材料を介在させて、接合材料の液相線温度以上で被接合材料の液相線温度以下の温度にて加熱し、接合材料中の拡散元素を拡散させて接合する方法である。

本発明者らは、すでに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を発明し、特許出願している（特許文献１参照）。
この既発明の合金は主に箔として用いられ、この箔は、Ｐ：１．０〜２０原子％、Ｓｉ：１．０〜１０原子％、Ｖ：０．１〜２０原子％、Ｂ：１．０〜２０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。

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−ル法や双ロ−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・合金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、箔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箔を製造することができる。

さらに本発明者らは、上記特許文献１に開示した液相拡散接合用合金箔を改善した特許出願２件を発明している（特許文献２、３参照）。これら特許文献２、３で開示した液相拡散接合用合金箔は、接合強度の改善を狙ったもので、その特徴は接合用合金箔のＳｉ含有量を低減したことである。本発明者らが接合部強度劣化の原因を調査したところ、ＳｉＯ₂が強度劣化をもたらす割れの基点となっており、このＳｉＯ₂は接合箔中のＳｉによるものであることが判明したことによる。
特開平９−３２３１７５号公報特願２００２−１１１９４２号特願２００３−３１０６８７号

本発明者らは、上記特許文献２、３に開示の合金を、新たに接合後の特性として靱性を要求される用途へ適用すべく接合実験を行ったところ、接合後の引張強度の改善は認められたものの、接合層の靱性に関して多少改善が必要であることがわかった。つまり、接合後に靱性が劣化することが判明したのである。よって、本発明は接合材の合金組成を最適化することで、接合後の接合層の材質、特に靱性を改善できる液相拡散接合用の非晶質合金箔を提供することを課題とする。

液相拡散接合用の合金としては融点を低くする必要があり、上記特許文献２，３ではＰを添加することで低融点化を実現している。発明者らが上記接合層での靱性劣化の原因を調査したところ、このＰが影響していることがわかった。すなわち、Ｐが接合層粒界に濃縮して靱性の劣化を生じさせることが判明したのである。

これに対し、本発明者らは鋭意検討した結果、Ｐによる低融点化効果の維持と、接合層での靱性劣化抑制の両者を満足する合金成分を明確にすることで本発明を完成したものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）原子％にて、
Ｂ：６％以上２０％以下、Ｃ：０．１％以上４％以下、
Ｐ：０．０１％以上０．１％未満
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする接合用の鉄基非晶質合金箔。
（２）原子％にて、
Ｂ：６％以上２０％以下、Ｃ：０．１％以上４％以下、
Ｐ：０．０１％以上０．１％未満、Ｓｉ：２％未満
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする接合用の鉄基非晶質合金箔。

（３）さらに原子％にて、
Ｃｒ：０．１％以上２０％以下
を含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の接合用の鉄基非晶質合金箔。
（４）さらに原子％にて、
Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の接合用の鉄基非晶質合金箔。

本発明の接合用非晶質合金箔は、Ｂ，Ｃ，Ｐの構成元素の含有量を最適化することにより、接合層の材質を改善することが可能となった。つまり、母材強度以上の接合強度と高い靱性が安定して得られる。したがって、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。

本発明の接合用合金は、接合層の材質改善の観点からその組成を限定している。さらに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、箔鋳造時における非晶質形成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。

接合部の靱性改善には、十分な靱性が得られなかった材料の接合部組織を観察した結果、接合層の粒界にＰが濃縮しているのが判明し、Ｐの粒界偏析が原因であることがわかった。しかし、Ｐは接合用の合金箔の融点を低下する効果があるだけでなく、合金の非晶質化にとっても重要な元素であるため、これを低減しても低融点化及び非晶質化を達成できる総合的な成分組成を求めた。

以下に成分限定理由を述べる。成分含有量は原子％である。
Ｐは、その含有量を０．１％以上とすると接合層での靱性劣化が発現することから、この靱性劣化を抑制するために０．１％未満とした。一方、０．０１％未満では、もはや低融点効果や非晶質形成効果が認められなくなる。よってＰ含有量を０．０１％以上０．１％未満とした。

Ｃは、低融点化効果のみならず非晶質形成能向上にも有効な元素で、Ｐ含有量を低減せざるを得ない場合に有益な元素となる。よって本発明では、Ｃ含有量を高めることでＰ含有量減少を実現できたが、Ｃ量の過度の添加は接合層の特性劣化を招くので４％以下とした。一方、０．１％未満ではもはや低融点化効果や非晶質形成能向上効果が認められなくなる。したがってＣ含有量は０．１％以上４％以下とした。

Ｂは、６％未満では非晶質形成が困難となる。２０％超では接合部に硼化物を生成し接合強度を低下させる。よってＢ含有量を６％以上２０％以下とした。

なお、接合用合金は低融点であることも重要な要件である。本発明では特に限定しないが、母材への熱影響を考慮すると融点は低いほど良く、鉄基接合用合金の融点は１２００℃以下が好ましい。

Ｓｉは非晶質形成能を高めることから好ましいが、過度の添加は接合層のＳｉＯ₂生成の原因となることから２％未満とした。なお、Ｓｉは添加しなくともよい。

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％未満ではその効果が不十分であり、２０％を超えると融点が高くなり好ましくない。したがって、Ｃｒ含有量を０．１％以上２０％以下とした。

Ｖは被接合材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、Ｆｅ₂Ｏ₃を融点が約８００℃の低融点複合酸化物Ｖ₂Ｏ₅−Ｆｅ₂Ｏ₃にする効果があり、通常の接合温度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，Ｐ，Ｃ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％未満ではこの効果が不十分であり、１０％超では融点が高くなるので好ましくない。従ってＶ含有量を０．１％以上１０％以下とした。

上記元素以外の残部はＦｅ及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％程度まで含有しても特段の問題はない。
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のものではない。

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。

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−ル法や双ロ−ル法等により箔に鋳造し、箔状の接合材として使用することができる。このときの箔厚は３〜２００μｍ程度である。また、形状として箔のほか、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。

本発明を実施例に基づいて、以下に詳細に説明する。
表１に示す各合金について、単ロ−ル法により下記条件で箔を鋳造した。なお、表１において、“−”は、含有量が検出限界未満であることを意味する。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％程度含んでいる。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。
冷却ロ−ル：材質；Ｃｕ−２質量％Ｂｅ
直径；１２００ｍｍ
幅；２５０ｍｍ
表面速度（周速）：２５ｍ／ｓ
ノズル−冷却ロ−ル間のギャップ：２００μｍ
ノズル開口形状：０．７ｍｍ×１２０ｍｍ
各合金の融点はＤＴＡ装置により求め表２に示した。

鋳造の結果、比較例のＮｏ．３０、Ｎｏ．４２及びＮｏ．４５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。表２の融点、接合雰囲気、接合強度の“−”は、試験未実施であることを意味する。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。

そして、得られた箔を用いて接合実験を行った。接合実験に際しては、直径２０ｍｍの円盤状にした箔を２枚重ねて接合材とし、直径２０ｍｍのＳＴＫ４９０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を挟み込んで接合した。接合温度は、各接合材２の融点直上から融点＋５０℃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。

接合実験後、接合継手部の引張強度を評価するために引張試験を行った。引張試験に際しては図２に示すように、接合後の丸棒３から接合線４を中心としてＪＩＳ２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。

さらに、接合後の靱性を評価するために、シャルピ−衝撃試験により継手部の吸収エネルギ−の測定を行った。衝撃試験に際しては、引張試験同様に継手部からＪＩＳＺ２２０１号記載の４号衝撃試験片を切り出し、ＪＩＳＺ２２０１号記載の要領にて行った。なお、衝撃試験の温度は０℃とした。得られた結果を表２に示した。

表２に示したように、本発明例はいずれも対母材比で１．０を超える高い引張強度を示し、同時に高い吸収エネルギ−が８０Ｊを超え優れた靱性が得られた。高い靱性を示したのは、Ｐ含有量を低減したことにより脆化を抑制できたためと考えられる。
これに対して、表２に示したように、比較例では引張強度の対母材比と吸収エネルギ−が共にそれぞれ、１．０超と８０Ｊ超の両者を満足するものはなく、いずれかの特性で劣化していた。引張強度対母材比で１．０以下のものはＳｉＯ₂の生成による強度劣化や融点が高くなったため接合温度を高くしなければならず、そのため熱影響による強度劣化が発生したものと思われる。靱性が低かったのは、接合層でＰの偏析が生じ脆化したものである。

複雑な接合形状を有する各種部品や構造物等の鉄基材料の接合では、接合温度を下げることが可能で、かつ一度に広い接合も可能な液相拡散接合やロウ接が、接合コスト・時間の削減が可能となることから、産業上有益な接合方法である。
本発明の接合層靱性改善を実現できる接合箔を用いることにより、特に靱性を要求される各種部品、構造物等での接合にも液相拡散接合の適用が可能となることから、本発明により液相拡散接合の適用先拡大すなわち、接合コスト低減を広い範囲で可能とすることが実現できる。

本発明の実施例における接合実験の説明図である。本発明の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

原子％にて、
Ｂ：６％以上２０％以下、
Ｃ：０．１％以上４％以下、
Ｐ：０．０１％以上０．１％未満
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする接合用の鉄基非晶質合金箔。
原子％にて、
Ｂ：６％以上２０％以下、
Ｃ：０．１％以上４％以下、
Ｐ：０．０１％以上０．１％未満、
Ｓｉ：２％未満
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする接合用の鉄基非晶質合金箔。
さらに原子％にて、
Ｃｒ：０．１％以上２０％以下
を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の接合用の鉄基非晶質合金箔。
さらに原子％にて、
Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合用の鉄基非晶質合金箔。