JP4446073B2 - チタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合法 - Google Patents

Description

本発明は、軽量化精密機械部品のためのチタンアルミ金属間化合物部材と銅合金部材との接合法に関する。

昨今、機械部品、とくに半導体製造装置、産業用ロボットなどの精密機械部品は軽量化のニーズが高い。

この軽量化のための素材として、アルミ、チタンおよびその合金が低密度金属として一般的に使用されている。

ところが、これらの素材は、弾性係数（剛性）が低く、熱膨張特性が大きいことから、僅かの温度変化に対しても変形が発生し、精度ズレを誘発することが問題となっている。

一方、これらの問題を克服する材料として各種セラミックスの適用も進んでいるが、セラミックスの場合は極めて硬質なために加工性が著しく低下し、既存の汎用加工機による複雑な形状の加工が出来ず、出来たとしてもコスト高のため実用化される部品が限られているのが現状である。

かかる問題に対応でき、チタン系、アルミ系合金に代わるべき素材として、チタンアルミ金属間化合物がある。

このチタンアルミ金属間化合物は優れた高温特性と低密度という特徴に着目され、鋳造法、反応焼結法によるエンジンノズル、ターボチャージャーなど一部の耐熱部材、あるいは、機能材としてスパッタリングターゲットなど単一素材のものが実用化され、部材形状によりチタンアルミ金属間化合物同士、または、他種金属と接合が試みられるようになった。

例えば、特許文献１には、チタンアルミ金属間化合物部材と低合金鋼を摩擦圧接するに当たって、仲介材料として、ニッケル基合金、オーステナイト系鉄基合金、チタン基合金、コバルト基合金等を挟んで接合することが記載されている。

また、特許文献２には、チタンアルミ金属間化合物部材同士の接合または補修のために、チタンアルミ金属間化合物粉末および銅−ニッケル−チタン合金粉末の混合粉を塗布して、真空炉中で１０００℃〜１３００℃で、拡散ロウ付けによって接合することが記載されている。

上記従来技術におけるチタンアルミ金属間化合物の接合は、専ら、チタンアルミ金属間化合物が有する特性である低密度と高温での機械特性を利用した部材への適用である。

このチタンアルミ金属間化合物は、低密度であって高温での機械的特性が優れていることの他にチタン系、アルミ系合金材料にはない高弾性率及び低熱膨張であるという特性がある。この特性を活かして、とくに、各種精密機械装置部材としての利用が考えられる。

本発明は、このチタンアルミ金属間化合物から構成される部材にメタルシール機能を保持させることを目的としてメタルパッキン部材の基材をなす黄銅のような銅合金との接合を可能ならしめる手段に関するものである。

この接合手段として、特許文献１に記載の摩擦圧接をチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合に適用した場合、接合部材と仲介材は接合面近傍以外は摩擦圧接中の摩擦熱と圧力に耐える強度を有しておらねばならず適用素材は強度を有する合金など制限を受ける。銅合金、銅の融点は１０８０℃以下であり、摩擦圧接により接合させた場合は摩擦熱により変形あるいは溶融を誘発する恐れがある。そして、摩擦圧接自体は、薄板の突合せ接合など単純形状材の接合に限定され、メタルパッキン部材の形状として円柱形部材の場合、その接合面積も小さく、複雑形状品あるいは広範囲の接合は出来ない等のプロセス上の制約がある。

また、特許文献２に記載の拡散ロウ付けをチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合に適用した場合、拡散ロウ付け温度は銅合金が溶解する１０００℃〜１３００℃程度の高温にならざるを得ず、銅合金、銅素材の変形を誘発する。また、拡散ロウ付け面の強度自体が不足し、欠陥なく確実に接合することは困難である。
特開平８−２９１４５４号公報 特開平１１−１７００３６号公報

本発明の課題は、チタンアルミ金属間化合物と銅合金を接合するに際して、優れた接合強度を有し、接合面によってそれぞれチタンアルミ金属間化合物と銅合金の特性が失われることのない接合法を提供することにある。

本発明は、チタンアルミ金属間化合物と銅合金を熱間加圧によって固相接合するもので、接合面にチタンアルミ金属間化合物の熱膨張率（１１〜２０×１０^−６／℃）と銅合金の熱膨張率（１５〜２０×１０^−６／℃）差から界面に生じる熱応力を緩和するためのインサート金属として銅または、銅及びニッケルをインサート材として挿入するものである。まず、インサート材として純銅を使用することについて説明する。

チタンアルミ金属間化合物と銅合金の間にインサート金属として純銅を配置した接合素材を金属容器中に真空封入した後、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧）処理することによりチタンアルミ金属間化合物と銅合金を接合する。

純銅とチタンアルミ金属間化合物との接合界面においてはチタン、アルミ、銅からなる拡散層を形成し、実用上十分なる接合力を確保できる。

純銅と銅合金との接合界面においては銅合金成分が純銅側へ拡散し、合金層を形成することで実用上十分なる接合力を確保できる。

この時、配置するインサート純銅の厚みは３０μｍを越え、ｌ０００μｍ以下とする。これは銅合金の含有金属のうち、銅との合金化が出来きない元素が接合界面に析出し強度を低下させることを抑制し、かつ、チタンアルミ金属間化合物と銅合金の熱膨張差により発生する残留応力を緩和し、割れの無い強固な接合を確保するために必要な厚みである。

例えば、接合する銅合金が鉛を含有する場合、鉛はインサート層側へ３０μｍを越え５００μｍ拡散するため、純銅層が薄い場合には鉛が初期接合面に多量に析出し接合強度が著しく低下する。

さらに、その他の銅合金元素においても純銅側へ拡散することで、純銅を銅合金に変質させ、本来、純銅が有する塑性変形能が低下することで、応力緩和機能が著しく低下し接合部の割れを誘発する。

従って、このインサート材としての純銅はメッキ、溶射、銅箔などの手法により３０μｍを越え、１０００μｍ以下の厚みを配置することで銅合金が含有する元素の初期接合界面への析出を抑制し、併せて応力緩和層として役目を果たすことで接合力を高めることが出来る。

上限を１０００μｍとしたのは拡散による合金化層５００μｍに加え応力緩和層としての純銅部厚み５００μｍを確保するためである。また、厚みの応力緩和に及ぼす影響は５００μｍでほぼ上限となるためインサート純銅厚みを１０００μｍとした。

また、インサート金属としてチタンアルミ金属間化合物側にニッケル、銅合金側に純銅を配置した接合素材を金属容器中に真空封入した後、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧）処理することによってもチタンアルミ金属間化合物と銅合金を接合することが出来る。

この時、インサート材であるニッケルとチタンアルミ金属間化合物界面において、チタンアルミ金属間化合物の構成元素であるチタン、アルミとニッケルが拡散してチタン、アルミ、ニッケルの金属間化合物および合金の拡散層を形成する。

インサート材であるニッケルとインサート材である純銅界面においてはニッケル、銅の拡散合金層が形成される。

また、併せて、インサート材である純銅と銅合金界面においては銅と銅合金成分との合金層が形成されることでチタンアルミ金属間化合物と銅合金との強固な接合が行われる。

ニッケルはチタンアルミ金属間化合物の構成元素であるチタン、アルミおよび純銅と相互拡散し、この接合面に十分な強度を確保できる拡散層を形成できることから選定されたものである。この拡散層の強度を維持するためにはインサート材であるニッケルの厚みがチタンアルミ金属間化合物界面において形成されるチタン、アルミ、ニッケルの金属間化合物および合金の拡散層幅２μｍ以上と純銅との界面において形成されるニッケル、銅合金層幅５μｍ以上の合計を超える必要があり、インサートニッケル層はメッキ、溶射、ニッケル箔等の方法により７μｍを越え、２００μｍ以下の幅として設置する必要がある。

前述のチタン、アルミ、ニッケルの金属間化合物および合金の拡散層とニッケル、銅合金層の合計幅は封入カプセルが塑性変形を開始する温度以上、接合対象銅合金の融点以下の温度で数時間のＨＩＰ処理を行っても最大２００μｍであることからインサートニッケル層幅の上限を２００μｍとした。

本発明において適用される熱間加圧のための手段としては、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧）熱間圧延、熱間鍛造等の任意の手段が採用できる。この際接合面は酸化を防止する目的から真空状態に保つ必要がある。加熱、加圧状態の均一性と処理操作面からは鋼製カプセルに脱気封入した後のＨＩＰ処理が望ましい。

処理温度は、封入カプセルが塑性変形を開始する温度以上で、接合対象銅合金の融点以下である必要がある。ＨＩＰ圧力は十分な接合状態を得るためには５０ＭＰａ以上とすることが好ましい。

処理時間は３０分未満の場合は接合するまでの拡散が不十分になり、長すぎる場合はインサート銅層に銅合金中の合金元素が拡散し合金化が進み、応力緩和層としての銅層厚みが減少するため、３０分以上、５時間未満が好ましい。

本発明は機械構造物として適用されるチタンアルミ金属間化合物に黄銅等の銅合金を確実に接合することでメタルパッキンの機能を有する精密部材を得ることができる。

これによって、軽量で、高い剛性のチタンアルミ金属間化合物の産業分野への適用範囲を広めることができる。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

３３質量％アルミを含有し、残部がチタンからなるチタンアルミ金属間化合物と快削黄銅との接合に本発明を適用した。

直径３０ｍｍ×高さ５０ｍｍの円柱形状からなるチタンアルミ金属間化合物の接合面に１００μｍ厚の無電解ニッケルメッキを施した。また、他方の直径３０ｍｍ×高さ５０ｍｍの円柱形状からなる快削黄銅の接合面には厚さ４０μｍの銅メッキを施し、さらにその上に銅箔を挿入して所定厚みを確保した。

これら部材を鋼製カプセル容器内に充填し、真空脱気した後にＨＩＰ処理を実施した。ＨＩＰ処理温度は鋼製カプセルがＨＩＰ圧力により十分な塑性変形を開始する７００℃以上、かつ、黄銅の融点以下の温度にする必要から８００℃とした。ＨＩＰ圧力は１５０ＭＰａとし、処理時間は２時間とした。

ＨＩＰ処理完了後に鋼カプセルを機械加工で除去し、直径２５ｍｍ×８０ｍｍの接合棒を作成し、端面から超音波探傷により境界部の欠陥有無を調査した。また、併せて、接合面を中央部とした引張試験片を作成し、界面接合強度を調査した。

インサート材として純銅を単独に使用した場合は図１（ａ）に示すように、接合前にインサート純銅を介在していたチタンアルミと快削黄銅の界面は、図１（ｂ）に示すように接合後はチタン、アルミ、銅から成る拡散層ｄと銅と快削黄銅との合金層ｃが形成されていた。

インサート材としてニッケル、純銅を使用した場合は図２（ａ）に示すように、接合前、それぞれのインサートニッケル、インサート純銅を介在していたチタンアルミと快削黄銅の界面は、図２（ｂ）に示すように接合後はチタン、アルミ、ニッケルから成る拡散層ａとニッケル、銅合金層ｂと、銅と快削黄銅との合金層ｃが形成されていた。

表１に示す、本発明の実施例の１〜６は、本発明の規定条件の範囲内のインサート金属を使用した場合を示し、比較例の９〜１２は、本発明の規定条件の範囲外の例を示す。

同表に示すように、本発明の実施例の場合は何れも優れた接合特性を有するのに対し、比較例の場合は何れも十分な接合条件は得られなかった。詳細に説明をすると、比較例９は、チタンアルミと快削黄銅との間にインサート材を設けなかったものであり、両者は全く接合されなかった。比較例１０は、チタンアルミと快削黄銅との間にインサート材として７μｍ厚のニッケルを設けたものであり、インサート材として本発明の最大の主要構成要件である純銅を設けていないため接合強度は、極めて低くなつている。

比較例１１は、チタンアルミと快削黄銅との間にインサート材として３０μｍ厚の純銅を設けているが、その厚みが薄いため、銅合金からの銅以外の成分の拡散により、残された純銅層の厚みが減少し、接合強度は、極めて低くなっている．

本実施例においてインサート材としてニッケル、純銅を使用した場合の界面モデルを接合前の状態と接合後の状態を示す図。 本実施例においてインサート材として純銅を使用した場合の界面モデルを接合前の状態と接合後の状態を示す図。

符号の説明

ａ：アルミ、ニッケルから成る拡散層
ｂ：ニッケル、銅合金層
ｃ：銅と快削黄銅との合金層
ｄ：チタン、アルミ、銅から成る拡散層

Claims (5)

1. チタンアルミ金属間化合物と銅合金を熱間加圧によって固相接合するに際して、接合面にインサート金属として純銅を挿入するチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合法。
2. インサート金属として純銅の厚みが３０μｍを超え、１０００μｍ以下である請求項１に記載のチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合法。
3. インサート金属として更にニッケルをチタンアルミ金属間化合物側に挿入し、純銅を銅合金側に挿入する請求項１又は２に記載のチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合法。
4. インサート金属としてニッケルの厚みが７μｍを超え、２００μｍ以下である請求項３に記載のチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合法。
5. チタンアルミ金属間化合物と銅合金を固相接合する熱間加圧がＨＩＰであって、加熱温度が接合材の収納カプセルが塑性変形を開始する温度以上で、接合対象銅合金の融点以下であり、ＨＩＰ圧力は５０ＭＰａ以上であり、処理時間が３０分以上、５時間未満である請求項１〜４のいずれか１項に記載のチタンアルミ金属間化合物と銅合金との接合法。

Images