JP5382759B2

JP5382759B2 - 金属ガラスと結晶金属との接合法

Info

Publication number: JP5382759B2
Application number: JP2007250123A
Authority: JP
Inventors: 能人河村; 鍾鉉金; 博憲黒木
Original assignee: Kuroki Kogyosho Co Ltd
Current assignee: Kuroki Kogyosho Co Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009078292A

Description

本願発明は、ナノ結晶金属材料およびアモルファス金属（以下金属ガラスと称する。）と通常の結晶構造を有する金属体（以下、結晶金属と称する。）との接合、とくに、パルス通電接合によるＺｒ基の金属ガラスのような金属ガラスとＴｉのような結晶金属との接合に関する。

金属ガラスは、強度と硬さ、耐摩耗性、耐食性等に優れた特性を持ち、多くの分野への利用が期待されている。
この金属ガラスの用途を開拓するにあたっては、溶接技術の確立が必須且つ急務であり、とくに、既存材料である結晶金属材料との接合は重要である。

ところが、金属ガラスは、このように優れた特性がありながら、難加工性、難溶接性であるという欠点がある。その応用分野を広げるためには、金属ガラス間の溶接接合技術も重要であるが、実際の機器部品などを作製するためには、金属ガラスと実用金属材料との接合技術が必要であり、その接合手段として、爆着法、摩擦圧接法、高エネルギービーム溶接法を適用した例が報告されている。

このことから、溶接のための加熱源として、鋭い溶け込み形状を形成でき、局部的な急速加熱と急速冷却に適している電子ビームあるいはレーザービームといった高エネルギービームを使用する溶接が、金属ガラスと結晶金属との溶接に適していることが非特許文献１に報告されている。

そして、その報告には、金属ガラスと結晶金属との間の溶接の可否は、その界面に形成される溶融層の組成が、接合基材である金属ガラスの形成能を有する組成比の範囲内にあるか否かに係っていることが開示されている。

本願の発明者は、特許文献１において、界面に形成される溶融層の組成を金属ガラスの形成能を有する組成比とするために、高エネルギービームの走査域を金属ガラスと結晶金属との突合せ面から金属ガラス側へシフトし、これによって、形成される溶融層への結晶金属の溶解量を少なくして、形成される溶融層の成分組成をガラス形成能を有する組成比の範囲内に入るように調整する金属ガラスと結晶金属との接合法を開示した。

この方法は、金属ガラスと結晶金属との突合せ面に、結晶金属の溶け込みを少なくして溶融層の成分組成をガラス形成能を有する組成の範囲内にするための手段として適した方法である。
Materials Transactions, Vol.42. No.12 (2001),p.2649-265 特開２００６−８８２０１号公報

ところが、金属ガラスと結晶金属との溶融による接合は、金属ガラスと結晶金属との溶接に際しては、金属ガラスと結晶金属が溶け合うことにより金属間化合物が形成し、これが非晶質の金属ガラスの特性を阻害し、その上、良好な接合を妨げる。

また、摩擦接合法や高エネルギービームによる接合法の適用に際しては、高価な設備を要し、その上、溶融層の成分組成の調整に手間を要する。

本発明は、高エネルギーを要する電子ビームならびに爆発接合に代わる低コストで短時間での金属ガラスと結晶金属との接合が可能な接合法を見出すことにある。

本発明は、金属ガラスと結晶金属との接合法として、爆発接合や電子ビーム溶接に比べエネルギー密度が低いものの、大気中で短時間で低コストに行うことができる極めて実用的な接合法として、それ自体広く知られているパルス通電の適用を思い付き、その実用化について検討を行った結果、完成した。

すなわち、パルス通電接合法による金属ガラスと結晶金属の接合条件の確立を目的として、金属ガラスと結晶金属との接合にパルス通電接合法を適用するに際しての技術的な達成要件を確立した。

その第１は、接合条件の確立、すなわち、パルス通電に際しての充電電圧が接合性に及ぼす影響についてである。

その第２は、接合メカニズムの調査であり、接合中の温度履歴調査と接合界面の組成定性分析である。

すなわち、本発明は、コンデンサ型電源にエネルギーを蓄え、トランスに瞬間的に放出して大電流を流し、接合部でのジュール発熱による昇温を利用したパルス電流を利用した接合法であって、Ｚｒ基金属ガラスと結晶金属のそれぞれの接合先端間に、接合時間が９ｍｓから１４ｍｓ、かつ、最大電流密度が１平方ｍｍあたり０．４ｋＡから０．５２ｋＡの大電流を流し、発生するジュール発熱による昇温を利用する接合法であって、それぞれの先端が相対して配置された通電ホールダーのそれぞれの先端に接合すべきＺｒ基金属ガラスと結晶金属を保持し、保持したＺｒ基金属ガラスと結晶金属のそれぞれの接合先端をそれぞれの通電ホールダーの相対する先端部から突出した長さ（突出し長さ）として、０．１ｍｍから２．０ｍｍ突出させ、Ｚｒ基金属ガラスと結晶金属のそれぞれの接合先端間に瞬間的に大電流を流し、発生するジュール発熱による昇温を利用する接合法である。

金属ガラスと結晶金属のパルス通電接合に際しては、それぞれの接合先端における接合圧力は、接合面の凹凸の圧潰と酸化物の除去に影響を与える。接合圧力が低い場合には、バリの量と排出速度の低下による冷却速度の低下による接合面の結晶化をもたらし、好ましくない。

突出し長さは温度分布に影響を与える。突出し長さが、０．１ｍｍよりも短い場合には、直接通電のために充電電圧を下げる必要があり、ジュール発熱量が少なく接合が困難になる。また、２．０ｍｍよりも長い場合は、溶融部と熱影響部の冷却速度の低下をもたらし、接合箇所の結晶化をもたらす。

また、金属ガラスのパルス通電接合では、充電電圧が低い場合は接合不良が起り、充電電圧が高いと溶接は起こるもののアモルファス側が結晶化するといった問題点があり、結晶化することなく良好な溶接が行われる最適充電電圧範囲も重要な要素である。

良好な接合かつアモルファス性を維持できる接合条件は、保持したＺｒ基金属ガラスと結晶金属のそれぞれの接合先端の突出し長さにもよるが、充電電圧が１５０から２４０Ｖであり、保持したＺｒ基金属ガラスと結晶金属のそれぞれの接合先端の突出し長さによって、充電電圧を変動させ、調整する。このときの接合時間は９から１４ｍｓ、最大電流密度は１平方ミリメートルあたり０．４から０．５２ｋＡである。

本発明によって、従来の摩擦反接法、高エネルギーを利用した溶接法に比して、簡便にＺｒ基金属ガラスと結晶金属との接合状態を得ることができる。Ｚｒ基金属ガラスとＴｉの接合に成功したことにより、アモルファス合金の応用範囲が拡大すると期待される。

以下、実施例によって、本発明の実施形態を説明する。

接合条件について
（供試材）
金属ガラスとしては以下のとおりのＢＭＧ組成と熱物性値を有するＺｒ系を使用した。

ＢＭＧ組成（ａｔ．％）Ｚｒ_４１Ｂｅ_２１Ｔｉ_１４Ｃｕ_１２Ｎｉ_１０
熱物性値ガラス遷移温度６２９Ｋ
結晶化温度６７８Ｋ
融点１０３０Ｋ
結晶金属としては、純度９９．５％、融点が１９４１Ｋの純Ｔｉを使用した。

機械加工によって、それぞれ、２×４×１２ｍｍの接合試料を作製し、接合部を研磨し、端面加工を施した。

（使用装置）
パルス通電接合装置として図１に示す計装化パルス通電接合装置を用いた。同図において、１０は、接合試料であるＺｒ基金属ガラスとＴｉ試料を保持し、接合する箇所を示す。

図２は図１に示す接合する箇所１０を拡大して示すもので、接合試料であるＺｒ基金属ガラス１とＴｉ試料２を両方の通電ホールダーＡ，Ｂにそれぞれ取り付けている。ｄ１とｄ２がそれぞれの試料の「突出し長さ」を示す。

（接合条件）
トランス巻数比を４０、図２に示す両試料の突出し長さｄ１，ｄ２をそれぞれ０．５ｍｍ、接合圧力を１６８ＭＰａ、充電電圧を１２０〜２６０Ｖとして、コンデンサ型電源にエネルギーを蓄え、トランスに瞬間的に放出して大電流を流し、接合部でのジュール発熱によって昇温を利用する。

（接合評価方法）
接合結果の接合評価方法として、充電電圧による接合部の機械的性質に与える影響をハンマリング試験と三点曲げ試験によって行い、組織観察をＳＥＭ、ＥＤＸ、微小領域ＸＲＤにより評価した。

ハンマリング試験結果
ハンマリング試験を行ったところ、低充電電圧で破断した領域、未破断であった領域、高充電電圧で破断した領域の三つの領域に分かれた。充電電圧が接合性に及ぼす影響をハンマリング試験結果として見た場合、１５０Ｖ以上で接合状態が得られたが、とくに、１８０〜２２０Ｖの間が未破断で良好な接合状態が得られた。

三点曲げ試験結果
図３は、充電電圧が１４０Ｖ、２００Ｖ、２４０Ｖで得られた接合部の三点曲げ試験結果を示す。１４０Ｖと２４０Ｖではそれぞれ約２５０ＭＰａと３００ＭＰａで破断したが、２００Ｖでは、破断することなく８００ＭＰａ近い曲げ強度を示した。

破面観察結果
充電電圧が１８０〜２２０Ｖの範囲外の１４０Ｖでは金属ガラスの部分的な溶融が起きた。また、２４０Ｖでは脆性的な破壊が起きた。

界面観察結果
充電電圧が１４０Ｖでは、接合不良が起きたため、接合界面に隙間が観察された。また、２００Ｖでは、接合界面に隙間は観察されず、良好な接合が形成された。しかしながら、２４０Ｖでは、金属ガラス側にコントラストが観察され、また、Ｔｉ側では、変形と溶融も起きた。また、接合界面には反応層が観察された。

微小領域ＸＲＤ結果
充電電圧が１４０Ｖ、２００Ｖでは、溶融部、熱影響部において、アモルフアス構造を示すハローパターンが観察されたが、２４０Ｖでは、コントラストが観察された領域で結晶化を示すピークが観察された。この結果より、２４０Ｖでは、結晶化していることが分かった。

ＥＤＸ結果
ＥＤＸによる線分析を行ったところ、２００Ｖでは合金化層は観察されなかったが、２４０Ｖでは合金化層が観察された。

接合時間と最大電流密度の関係
図４（ａ）において、接合時間ｍｓは最大電流値の半分までの時間とし、最大電流密度は最大電流値を試料の断面積で割った値とした。その結果、同図（ｂ）において、斜線で示した領域が、良好な接合かつアモルファス性を維持した領域である。

（まとめ）
上記実施例の結果を接合性の観点から見たところ、充電電圧が１７０Ｖ以下では接合不良が起こり、１８０Ｖ以上では、良好な接合が起きていた。しかし、アモルファス性の観点から観ると、２３０Ｖ以上では結晶化が起きていた。したがって、良好な接合かつアモルファス性を維持した条件は充電電圧が１８０から２２０Ｖであり、このときの接合時間は９から１４ｍｓ、最大電流密度は、１平方ミリメートルあたり０．４から０．５２ｋＡであった。

ii 接合メカニズムの調査
接合中の温度履歴調査と接合中の組成定性分析と接合部における温度測定を行った。

（温度測定結果）
充電電圧が１４０Ｖの場合、最高到達温度は約９００Ｋであり、金属ガラスの融点以下であった。この結果から、充電電圧が１４０Ｖの場合、接合に必要なエネルギーが不足したことにより接合不良が起こったと考えられる。

充電電圧が２００Ｖの場合、最高到達温度は約１３５０Ｋであり、金属ガラスの融点以上であった。この結果より、接合に必要なエネルギーが与えられたことにより、良好な接合が起こったと考えられる。また、結晶化開始時間よりも短時間側で冷却しているため、再アモルファス化したと考えられる。

また、充電電圧が２４０Ｖの場合、金属ガラスの融点を超えており、十分なエネルギーが与えられたため、良好な接合が起こったと考えれる。また、ＴＴＴ曲線よりも短時間側で冷却し、アモルファス構造を維持すると考えられるが、実際には結晶化が起きている。

（接合界面近傍の組成変化）
図５は、使用した金属ガラスの擬似三元系状態図を示す。この状態図に点分析結果（Ｔｉ＝３４±２ａｔ％、Ｚｒ＝２４±１ａｔ％）を当てはめたところ、組成が大幅にずれ、著しくガラス形成能が低下したと考えられる。

その結果、図６に示すようにＴＴＴ曲線が短時間側に移動し、冷却過程でノーズ時間を超えてしまうため、結晶化が起こったと考えられる。

実施例１において、試料突出し長さ１．０ｍｍを接合パラメータとして変化させ、接合条件を探った。接合材の機械的性質は３点曲げ試験により調査し、接合面の分析にはＳＥＭ、マクロエリアＸＲＤ、ＥＤＳ分析を用いた。

突出し長さを１．０ｍｍと長くした場合には、最適充電電圧範囲が１７０〜２４０Ｖ、接合可能電圧幅が７０Ｖとなり、突出し長さを０．５ｍｍとした際の接合可能電圧幅４０Ｖに比べると、接合可能電圧幅が大きく拡大されることが明らかとなった。

（まとめ）
突出し長さが０．５ｍｍの場合、充電電圧が１７０Ｖ以下では、エネルギー不足のため接合不良が起こり、１８０Ｖ以上では十分なエネルギーが与えられたことにより良好な接合が起こった。しかし、アモルファス性の観点からみたところ、２３０Ｖ以上で過多なエネルギー及び合金化による組成のずれのため結晶化が起こった。したがって、良好な接合かつアモルファス構造を維持した接合条件は、充電電圧が１８０Ｖから２２０Ｖであり、このとき、接合時間は９から１４ｍｓであり、最大電流密度は１平方ミリメートルあたり０．４から０．５２ｋＡであった。

突出し長さが１．０ｍｍの場合は、最適充電電圧範囲が１７０〜２４０Ｖ、接合可能電圧幅が７０Ｖとなり、突出し長さを０．５ｍｍとした際の接合可能電圧幅４０Ｖに比べると、接合可能電圧幅が大きく拡大された。

以上のとおり、Ｚｒ基金属ガラスとＴｉの接合に成功したことにより、Ｚｒ基金属ガラスの応用範囲が拡大すると期待される。

上記実施例においては、金属ガラスとして特定組成を有するＺｒ基金属ガラスと結晶金属として純Ｔｉを、パルス通電接合法によって接合した例を示したが、組成の異なるＺｒ基金属ガラスを使用し、結晶金属として純Ｔｉ以外のＡｌ合金、Ｍｇ合金、Ｚｒ合金等を使用した場合でも、実施例に示す同様の条件で、良好な接合状態を得ることができる。

実施例に使用したパルス通電接合装置を示す。図１に示すパルス通電接合装置の試料支持部分を示す。三点曲げ試験結果を示す。接合時間と最大電流密度の関係を示す。使用した金属ガラスの擬似三元系状態図を示す。使用した金属ガラスのＴＴＴ曲線を示す。

符号の説明

１、２金属ガラスと結晶金属の試料
ｄ試料突き出し長さ
Ａ，Ｂ通電ホールダー

Claims

コンデンサ型電源にエネルギーを蓄え、トランスに瞬間的に放出して大電流を流し、接合部でのジュール発熱による昇温を利用したパルス電流を利用した接合法であって、それぞれの先端が相対して配置された通電ホールダーのそれぞれの先端に接合すべきＺｒ基金属ガラスと結晶金属を保持し、保持した前記Ｚｒ基金属ガラスと前記結晶金属のそれぞれの接合先端を、それぞれの通電ホールダーの相対する先端部からの突出し長さ０．１ｍｍから２．０ｍｍ突出させ、前記Ｚｒ基金属ガラスと前記結晶金属のそれぞれの接合先端間に、接合時間が９ｍｓから１４ｍｓ、かつ、最大電流密度が１平方ｍｍあたり０．４ｋＡから０．５２ｋＡの大電流を流し、発生するジュール発熱による昇温を利用するＺｒ基金属ガラスと結晶金属の接合法。
保持した前記Ｚｒ基金属ガラスと前記結晶金属に付与される充電電圧を、それぞれの前記突出し長さに応じて、１５０Ｖから２４０Ｖの間で変動調整する請求項１に記載のＺｒ基金属ガラスと結晶金属の接合法。