JP4646369B2

JP4646369B2 - 耐食性に優れた銅ブスバーおよびその製造方法

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Publication number: JP4646369B2
Application number: JP2000263218A
Authority: JP
Inventors: 宏昭岡野; 晃小阪; 淳船越
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002075058A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給/配電設備における複数の電源，電極保持部材，供給回路等を結ぶ接続導体であるブスバー（母線）の改良に係り、特に強酸性腐食環境等に対する耐食性に優れた銅ブスバーおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅は高導電性を有する金属材料であり、電極や電極に電気を与えるブスバー等に広く使用されている。しかし、銅は、酸化性酸に対する腐食抵抗性に乏しい。
そのため、例えばコンデンサー用アルミ箔の製造工程においてアルミ箔表面に微細穴をエッチング加工する電極取付け用ブスバーとして使用される場合、酸化性強酸性溶液と接触し、腐食損傷を生じ易いという問題がある。その対策として、次のような手段が採られている。
(1)銅ブスバーに樹脂ライニングを施し、腐食液との接触を遮断する。
(2)銅ブスバーに代え、チタン製のブスバーを使用する。
(3)銅ブスバーの表面にチタンのシートを被せ溶接で接合した被覆構造とする。
【０００３】
樹脂ライニングで保護された銅ブスバーは、ライニング層が健全な状態に安定維持されれば問題はないが、通電時にブスバーに発生する熱により樹脂の剥離を生じ易く、剥離部分からブスバーの腐食が進むだけでなく、剥離した樹脂片がアルミ箔の製品皮質に悪影響を及ぼすという欠点がある。
チタン製ブスバーは、チタンの物性として酸化性強酸に対する優れた腐食抵抗性を示すが、銅に比し電気伝導性が低く（Ｃｕ：1.72×10^−６Ωｃｍ(20℃)，Ｔｉ：0.478×10^−４Ωｃｍ(26℃)）、従って電気抵抗を低減するためにブスバーの断面積を大きくする必要があり、しかも断面積を大きくするだけでは十分でなく、電流値も低く抑えなければならない。このためエッチング効率が低下するという欠点がある。
【０００４】
他方、銅ブスバーの表面にチタンシートを被せて溶接で接合した構造とする場合は、樹脂ライニングによる被覆構造やチタン製ブスバーに付随する上記欠点はなく、チタン被覆層による保護効果として優れた腐食防止効果を得ることができる。しかし、その被覆構造における基体と被覆層との当接界面は不連続面であり、そのため通電時におけるブスバー本体と被覆層との界面の接触抵抗が大きく、ブスバーとして安定な使用を確保することは困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、チタン被覆構造の長所を生かしつつ、その欠点であるブスバー本体と被覆層との界面に生じる接触抵抗の問題を解消し、銅腐食環境において安定に使用し得る銅ブスバーおよびその製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の銅ブスバーは、銅又は銅合金の基体とその表面を被包するチタン又はチタン合金シートの被覆層とからなり、基体とシートとの当接界面およびシート端縁部同士の当接界面は拡散接合された被覆保護構造を有している。
基体は複数個のセグメントの接合体として構成することも可能であり、その場合のブスバーの基体は、セグメント同士の当接界面を拡散接合により一体化された構造を備えている。
【０００７】
本発明の銅ブスバーは、銅又は銅合金からなる基体（ブスバー本体である）による高導電性を有すると共に、チタン又はチタン合金からなる被覆層により腐食環境から遮断されて基体の腐食損傷を防止され、また基体と被覆層とが拡散接合された一体的接合構造であることにより、基体と被覆層との間の接触抵抗の問題も実質的に解消される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の銅ブスバーの実施例を示している。
１１は銅又は銅合金からなる基体、１２はチタン又はチタン合金からなる被覆層である（図は基体１１がＬ字断面形状をなすアングル型ブスバーの例である）。基体（１１）と被覆層（１２）との界面は全体に亘って拡散接合により一体化されている。被覆層（１２）はチタン又はチタン合金シートで形成され、シートの端縁同士の当接界面も拡散接合により一体的に接合（端縁同士の境界面は消失）している。
【０００９】
また、図２に示すように、基体（１１）の板面に、例えば電極保持等のための穴（１３）が設けられる場合は、穴（１３）のそれぞれの内周面もチタン又はチタン合金からなる被覆層（１２）が設けられる。
被覆層（１２）は、銅ブスバーの用途・使用環境等に応じて適宜の層厚を与えられ、例えばアルミ箔エッチング加工の電極保持用ブスバーの場合、約１〜５ｍｍ程度の厚さとしてよい。
【００１０】
ブスバー本体である基体（１１）の基本的な材種は銅（純銅）であるが、ブスバーの使用態様に応じて、例えば強度を要求され、かつ電気伝導性がある程度低くても差し支えないような場合には、銅に代えて適宜の銅合金（例えば黄銅等）が適用され、被覆層（１２）についても強度等の要求に応じ、チタン（純チタン）に代え、適宜のチタン合金（例えばTi-4Al-V等）を適用することができる。
以下の説明では、基体（１１）を形成する銅又は銅合金を「銅」、基体（１１）の被覆層（１２）を形成するチタン又はチタン合金を「チタン」とそれぞれ表記する。
【００１１】
図３は、アングル型銅ブスバー（図１）を構成する部材の組付け態様の例を示している。同図（１）のように、基体（１１）とその表面を被覆する複数枚のチタンシート（１２_１）〜（１２_６）を用意し、同図（２）に示すように各チタンシート（１２_１）〜（１２_６）を基体（１１）の表面にあてがい、端縁部同士を溶接ｗし基体（１１）の表面に固定する。基体（１１）とチタンシート（１２_１）〜（１２_６）の向い合う面は隙間のないように当接させ、チタンシートの端縁同士も隙間のないように当接させる。
【００１２】
基体（１１）は、複数個のセグメントを用いて構成することもできる。図４は、アングル型の基体（１１）を２枚の基体セグメント（１１_１）（１１_２）で形成する例を示している。基体セグメント（１１_１）（１１_２）は、Ｌ字型に突合わされ溶接ｗにより仮り付けされている。表面にあてがわれるチタンシート（１２_１）〜（１２_６）の取付けは、前記図２に示した例におけるそれと同じ要領で行なえばよい。なお、各部材の表面は、部材同士の当接界面の拡散接合を阻害されないように、予め酸化膜、その他の汚染物の付着を除去しておく。
【００１３】
上記のように部材の組付けを行なったうえ加熱処理に付す。この処理は、部材同士の当接界面の酸化汚染を生じないように不活性雰囲気（アルゴン，窒素ガス等）ないし真空雰囲気で行なわれる。加熱処理においては、基体（１１）と被覆層（１２）との界面（銅−チタン界面）に拡散による反応層（金属間化合物層）が生成する。図８は銅−チタン接合界面と直交する面における元素分布状況（ＥＰＭＡ面分析・線分析による）を示している。図中、Ａ（細帯状部分）が反応層である。
【００１４】
加熱処理においては、基体（１１）と被覆層（１２）との界面の接合（銅−チタン界面接合）、被覆層材であるチタンシート（１２_１）〜（１２_６）の端縁同士の接合（チタン−チタン界面接合）、および図４に示したように基体（１１）を複数個のセグメント（１１_１）（１１_２）で構成する場合は、該セグメント同士の接合（銅−銅界面接合）を同時に達成することを要する。基体と被覆層との界面接合およびセグメント同士の界面接合が不完全であると、ブスバーの実機使用時に接触抵抗が発生し電気伝導が阻害され、またチタンシート同士の継ぎ目に一部でも接合の不完全ないし強度の乏しい個所があると、その部分が起点となって被覆層（１２）の保護機能が損なわれるからである。
【００１５】
銅−チタン界面の接合においては、その界面に７９０℃前後以上の温度域で反応層（Ａ）が生成し、８５０℃を越えると反応が急激に進み、反応層（Ａ）が過剰に生成する。反応層（Ａ）は脆質であるため、その層厚が過大になると、熱応力等により反応層に亀裂とそれによる剥離を生じ易くなる。健全な接合界面を得るには、基体と被覆層との接合強度（曲げ強度）が１２０ＭＰａ以上であることが必要であり、そのためには反応層（Ａ）の層厚を５０μｍ以下とすることを要する。処理温度８５０℃以下で反応層（Ａ）の層厚５０μｍ以下を達成することができる。
【００１６】
さて、チタン−チタン界面、および銅−銅界面の接合について、チタンの融点（１６８０℃）および銅の融点（１０８３℃）が上記処理温度と比べて著しく高いことから、これらの部材同士の当接界面に拡散接合を生じさせ、十分な接合強度を得ることができるかが問題となる。処理温度を７００℃以上とすれば、これらの拡散接合が可能であり、しかもその接合部は、銅−チタン界面の接合強度を超える高い接合強度を示す。７００℃の加熱処理で生成する銅−チタン界面の反応層（Ａ）の層厚は５μｍ程度である。
【００１７】
上記のように、銅−チタン界面の反応層（Ａ）の層厚を５〜５０μｍの範囲に調整することにより、基体（１１）と被覆層（１２）との界面（銅−チタン界面）に１２０ＭＰａ以上の接合強度をもたせると共に、被覆層材であるチタンシート（１２_１）〜（１２_６）の端縁同士の界面（チタン−チタン界面）および基体セグメント（１１_１）（１１_２）同士の界面（銅−銅界面）の接合強度が銅−チタン界面の接合強度以上となる拡散接合を同時に達成することができる。その加熱処理温度は７００〜８５０℃である。
【００１８】
上記の加熱処理は、加圧条件下に行なうことが望ましい。加圧力の効果として、処理温度が低温域に制限されていながら、当接界面の相互拡散が効率化されると共に、当接界面全体に亘る均質な拡散接合が達成され接合品質を高めることが容易になる。加圧力は、約１０〜２００ＭＰａの範囲が適当である。この加圧加熱処理法として、ホットプレス法、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）等を適用することができる。
【００１９】
ホットプレス法による拡散接合は、部材組付け体（１５）（図３(2)，図４(2)）を金型に装填し、不活性ないし真空雰囲気中、金型を介して押圧力を加えた状態で加熱処理することにより行なわれる。ホットプレス装置の制約上、部材組付け体の全体を一度に接合処理することができない場合は、部分毎に分けて実施すればよい。
【００２０】
熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）による場合は、部材組付け体（１５）を、図６のように、カプセル（軟鋼製等）（２０）で被包し、カプセル（２０）に取付けた脱気管（２１）を介してカプセル内を脱気し密封したうえＨＩＰ装置にかけ、アルゴンガス等を圧力媒体とする静水圧の作用下に加熱する。なお、部材組付け体（１５）の製作において、チタンシート（１２_１）〜（１２_６）の端縁部同士を気密に溶接し、内側（シートと基体との間）を真空脱気する場合は、カプセル（２０）を省略しそのままＨＩＰ処理（カプセル・フリーＨＩＰ）することができる。ＨＩＰ法は、一度の処理で組付け体全体の拡散接合を達成することができ、また組付け体の全体に均一に圧力が加えられ、かつ温度管理も容易であること等から、本発明のブスバーの製造法として最適である。
【００２１】
上記説明ではアングル型のブスバーを例に挙げたが、ブスバーの形状に制限はなく、帯板形状、チャネル形状、パイプ形状等、用途や設置形態に応じた種々の形状が与えられる。また、穴（１３）を有するブスバー（図２）を製作する場合は、部材の組付け体（１５）（図３(2)，図４(2)）を形成する工程で、図７に示すように、基体（１１）に設けられた各穴（１３）のそれぞれの内周面に、環状に賦形したチタンシート（１２_７）を嵌め込み、溶接ｗしておけばよい。
【００２２】
【実施例】
銅又は銅合金の柱状ブロックとチタン又はチタン合金の柱状ブロックを用意し、ブロックの端面を密接させて当接界面の外周に沿って溶接することにより組付け体を形成し、拡散接合処理に付し供試接合体を得る。
【００２３】
（１）供試材の材種
［銅又は銅合金］
純銅（≧99.90％）Ｃ１１００（ＪＩＳＨ３１００）
黄銅（85%Cu-15%Zn）ＹＢＳＣ１（ＪＩＳＨ５１０１）
［チタン又はチタン合金］
純チタン（≧99.5%）ＴＰ３４０Ｈ（ＪＩＳＨ４６００）
チタン合金（Ti-6%Al-4%V）ＴＡＰ６４０（ＪＩＳＨ４６０７）
【００２４】
（２）拡散接合処理
ＨＩＰ：ブロックの組付け体を圧力容器内に装入し、Ａｒガスを圧力媒体とする加圧下に加熱処理した。
ホットプレス：ブロックの組付け体をダイスに装填し、窒素ガス雰囲気中、ブロックの当接界面と直交する向きの一軸加圧下に加熱処理した。
【００２５】
（３）接合強度試験
各供試接合体から、３種の角柱状試験片Ａ（銅-チタン接合体），Ｂ（銅-銅接合体），Ｃ（チタン-チタン接合体）を調製し、図７に示すように３点曲げ法による接合部の強度測定を行なった。
試験片サイズ：３×３×４０（ｍｍ）
スパン距離：３０ｍｍ
試験温度：室温
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１に、供試接合体の材種の組合せと拡散接合条件、および接合強度の測定結果を示している。表中「接合部状況」欄の「＊」印は、３点曲げ試験で、曲げ変形開始後も接合部の破断はなく接合状態が保たれていたことを示している。
発明例の接合体（銅−チタン界面の反応層の生成層厚は５〜５０μmである）は、銅−チタン界面の接合強度が十分に大きく、しかも銅−銅界面、およびチタン−チタン界面の接合強度も高く、ブスバー全体が高強度である。
【００２８】
他方、比較例No.１１（銅−チタン界面の反応層厚が不足）は、銅−チタン界面の接合強度が極端に低いだけでなく、チタン−チタン界面は未接合の状態であり、銅−銅界面の接合強度も著しく低い。また、比較例No.１２（銅−チタン界面の反応層厚が過剰）では、銅−銅界面、およびチタン−チタン界面の接合強度は十分高いものの、銅−チタン界面の接合強度が大きく低下している。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の銅ブスバーは、チタン被覆層によりブスバー本体（銅基体）が腐食環境から確実に遮断保護され、樹脂コーティングのような剥離はなく、チタン製ブスバーにおける問題（電気伝導性が低いことに起因する断面積増大等の設計上の制約や電流値の制限等）もなく安定使用することができる。特に、酸化性強酸腐食環境に対する耐食性にも優れているので、例えばアルミ箔製造における微細孔エッチング加工のための電極保持用ブスバー等として好適であり、耐用寿命の向上、メンテナンスコストの低減、操業の安定化等をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブスバーの被覆構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明のブスバーの被覆構造の他の例を模式的に示す部分断面図である。
【図３】本発明のブスバーを製作するための構成部材の組付け態様の例を示す断面説明図である（同図（１）は各部材の組付け前、同図（２）は組付け状態を示している）。
【図４】本発明のブスバーを製作するための構成部材の組付け態様の他の例を示す断面説明図である（同図（１）は各部材の組付け前、同図（２）は組付け状態を示している）。
【図５】本発明のブスバーを製作するための構成部材の組付け態様の他の例を示す部分断面説明図である。
【図６】熱間静水圧加圧処理を適用して拡散接合して本発明のブスバーを製造する場合の部材組付け体のカプセル封入の例を示す断面図である。
【図７】実施例における供試材の拡散接合部の曲げ強度試験の説明図である。
【図８】銅−チタン拡散接合部の接合面と直交する面におけるＥＰＭＡ面分析・線分析による元素分布を示す図である。
【符号の説明】
１０：ブスバー
１１：基体（銅又は銅合金）
１１_１，１１_２：基体セグメント
１２：被覆層（チタン又はチタン合金）
１２_１，１２_２…１２_７：チタンシート
１３：穴
１５：部材組付け体
２０：カプセル
２１：脱気管
ｗ：溶接
Ａ：銅−チタン界面に生成した拡散反応層

Claims

銅又は銅合金の基体とその表面を被包するチタン又はチタン合金シートの被覆層とからなり、シートは端縁同士が当接するように配置され、基体とシートとの当接界面およびシート端縁同士の当接界面が拡散接合されている耐食性に優れた銅ブスバー。
基体は複数個のセグメントからなる組立て体であり、セグメント同士の当接界面は拡散接合されている請求項１に記載の銅ブスバー。
基体と被覆層との界面における拡散反応層の層厚が５〜５０μｍである請求項１又は２に記載の銅ブスバー。
拡散接合部の接合強度が１２０ＭＰａ以上である請求項３に記載の銅ブスバー。
銅又は銅合金の基体の表面を、チタン又はチタン合金シートで密着被包すると共にシートの端縁同士を当接させ、加熱処理することにより基体とシートとの当接界面及びシート端縁同士の当接界面を拡散接合する請求項１に記載の耐食性に優れた銅ブスバーの製造方法。
基体は、相互に当接された複数個の基体セグメントからなり、加熱処理で基体セグメント同士の当接界面を拡散接合する請求項５に記載の耐食性に優れた銅ブスバーの製造方法。
加熱処理を７００〜８５０℃の温度域で行なう請求項５又は請求項６に記載の銅ブスバーの製造方法。
部材相互の当接界面に１０〜２００ＭＰａの圧力を作用させた状態で加熱処理する請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の銅ブスバーの製造方法。
熱間静水圧加圧法により加圧状態での加熱処理を行う請求項８に記載の銅ブスバーの製造方法。