JP5398294B2 - アルミニウム系材料の接合方法及び接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、接合性を著しく阻害する強固な酸化皮膜が表面に生成されているアルミニウムやアルミニウム合金などアルミニウム系材料の接合方法と、当該方法によって得られるアルミニウム系材料の接合構造に関するものである。

アルミニウム系材料の代表的な接合方法としてろう付（ブレージング）やはんだ付（ソルダリング）がある。

上記方法のうち、アルミニウム系材料のろう付においては、材料の表面に形成されている酸化皮膜がろうのぬれや流動を阻害するため、フラックスを用いて酸化皮膜を除去することが必要となる。
このようなフラックスとしては、塩化物系又はフッ化物系の一種よりなるものが使用される（例えば、特許文献１参照）。

一方、アルミニウム系材料のはんだ付においても、ロウ付同様、一般的に塩化亜鉛などの塩化物を主成分とする無機フラックスが用いられる。

特開平８−３２３２７８号公報

しかし、アルミニウム系材料のろう付において、継手部に上記のような塩化物系のフラックスが残存すると、水分を吸収し母材や継手部に腐食が生じるため、ろう付作業後は速やかに洗浄を行わなければならない。
一般に、このようなフラックスの大部分は、熱水（８０〜１００℃）によって除去することができるが、さらに完全に除去するためには、酸処理を行う必要がある。

このような酸処理には、硝酸が一般的に広く用いられているが、小物組立品には用いられるものの、大型組立品に対しては、多量の残留フラックスと硝酸が反応して、危険なガスが発生し、アルミニウム母材に対しても有害なため適用されることは少ない。
いずれにしても、このような酸処理や、その後の洗浄の工程、そのための設備が必要となって、生産コストが増すと共に、洗浄を完全に行うための酸洗が部品形状によって制約があったり、洗浄が十分ではないと腐食が生じたりするといったことが問題となる。

さらに、ろう付により得られた継手は約６００℃、すなわちアルミニウム母材の焼きなまし温度以上に加熱されるため、非熱処理合金のろう付継手の強度は母材の軟質材まで低下してしまう。
そもそも、熱応力や熱衝撃が問題となるような複雑形状の部品においては、製造工程上の制約から接合プロセス温度の上限が存在するため、高温プロセスであるロウ付による接合方法は適用できない。

一方、アルミニウム系材料のはんだ付に用いられるフラックスは、反応型フラックスとも呼ばれるものであって、アルミニウムの酸化皮膜に対する侵食性がきわめて強い。また、接合部に残留したこのようなフラックスは、水分を吸収しアルミニウムを腐食し易いので、はんだ付後のフラックス除去処理を完全に行わなければならないといった問題がある。

本発明は、アルミニウム系材料の接合における上記課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、酸化皮膜除去用のフラックスを使用することなく、低温度で接合することができ、接合後のフラックス洗浄工程を不要にして、コスト低減が可能なアルミニウム系材料の接合方法を提供することにある。さらに、当該方法を適用したアルミニウム系材料の接合構造を提供することにある。

本発明者らは、上記目的の達成に向けて鋭意検討を重ねた結果、Ａｌよりも酸化されやすい元素、すなわち酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素を含む中間材を接合面に介在させることによって上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のアルミニウム系材料の接合方法においては、アルミニウム又はアルミニウム合金から成る被接合材の間に、酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素を含有し、被接合材の融点よりも低い融点の中間材を介在させた状態で、上記中間材の融点以上、被接合材の融点以下の温度に加熱して接合することを特徴としている。

また、本発明のアルミニウム系材料の接合構造は、アルミニウム又はアルミニウム合金から成る被接合材の新生面同士が中間材を介して接合され、この中間材には酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素が含まれていることを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウム系材料同士の接合面に、酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素を含有し、かつ被接合材よりも低い融点の中間材を介在させ、中間材の融点以上被接合材の融点以下の温度に加熱して接合するようにしている。したがって、フラックスの使用と接合後の洗浄が不要となると共に、母材が焼きなまされることなく新生面同士が直接接合され、高い継手強度の確保とコストの削減が可能になる。

本発明によるアルミニウム系材料の接合メカニズム及び接合過程を示す説明図である。 本発明の実施例に用いたアルミニウム系材料の接合要領を示す説明図である。 本発明の実施例において接合に用いたホットプレス装置の全体を示す写真である。 本発明の実施例１により得られた接合界面のＳＥＭ観察像及びＥＤＸマッピング画像である。 本発明の実施例２により得られた接合界面のＳＥＭ観察像及びＥＤＸマッピング画像である。

以下に、本発明のアルミニウム系材料の接合方法や、これによって得られる接合構造について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。

本発明のアルミニウム系材料の接合方法においては、上記したように、酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素を含有し、かつ被接合材よりも低い融点を有する中間材を被接合材の接合面間に介在させ、この状態で、中間材の融点以上、被接合材の融点以下の温度に加熱して接合するようにしている。
すなわち、上記中間材には、酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素、言い換えると、Ａｌよりも酸化されやすい元素が含まれている。したがって、接合プロセスにおいて、アルミニウム系材料の表面に生成している酸化皮膜（Ａｌ_２Ｏ_３）が当該元素により還元され、被接合材の新生面が露出し、強固な接合界面が形成されることになる。

また、酸化皮膜除去フラックスを使用しないため、接合界面に残存して接合界面の健全性を損なうことがなく、しかも接合後の洗浄工程が不要となるため、生産工数の低減、洗浄装置の省略によりコストの低減につながり、産業用途の拡張性が大きい。
さらに、中間材の融点以上、被接合材の融点以下の温度で接合でき、中間材の選定によってかなり低温での接合が可能となるため、母材の焼きなましが防止され、強固な継手強度を確保できる。したがって、熱応力や熱衝撃が問題となるような複雑形状の部品のように、接合プロセス温度の上限が存在するような継手の接合にも適用することができる。

本発明において、酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素としては、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒを挙げることができる。
すなわち、各金属の酸化物の標準生成自由エネルギーについては、２８２３Ｋにおいて、Ａｌ_２Ｏ_３が−４９７ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２であるのに対し、Ｌａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３のそれは、それぞれ−９２８ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２、−７７５ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２、−９００ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２、−９８９ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ_２であることが知られている。

したがって、上記中間材としては、これら元素の少なくとも１種の金属を主成分として含有する合金を用いることが望ましい。なお、この場合の「主成分」とは、材料中に最も多く含まれる成分を意味するものとする。
また、上記「酸化の標準生成自由エネルギー」とは、接合プロセス温度におけるもの、すなわち中間材の融点以上、被接合材の融点以下の温度における標準生成自由エネルギーであることは言うまでもない。

図１は、本発明方法によるアルミニウム系材料の接合過程を示す説明図であって、まず、図１（ａ）に示すように、アルミニウム合金から成る被接合材１，２の間に、中間材３として、この例では、Ｌａ系合金Ｌａ_５５Ａｌ_２５Ｎｉ_２０（融点：７０２Ｋ）を挟持した状態に準備する。なお、上記被接合材１，２の表面には、Ａｌ_２Ｏ_３から成る酸化皮膜Ｆが生成している。

加熱を開始し、中間材３が液相温度に達すると、図１（ｂ）に示すように、中間材３に含まれるＬａが被接合材１，２の表面の酸化皮膜Ｆを還元し、還元反応の進行によって、Ａｌ_２Ｏ_３が分解し、図１（ｃ）に示すように、被接合材１，２の新生面が露出される。

被接合材１，２の新生面が露出し、溶融状態の中間材３に直接接触すると、図１（ｄ）に示すように、これらの間で液相拡散が生じる。
そして、所定時間保持した後、放熱することによって、図１（ｅ）に示すように、接合が完了する。

これにより、アルミニウム合金製の被接合材１，２の新生面同士がＬａを主成分として含有する中間材３を介して接合された接合構造が得られる。

以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図２に示すように、純アルミニウム材（Ａ１０５０−Ｈ２４）から成る幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚み０．５ｍｍの被接合材１，２の間に、Ｌａ系合金Ｌａ_５５Ａｌ_２５Ｎｉ_２０（融点：７０２Ｋ）から成る幅２０ｍｍ、長さ１２ｍｍ、厚さ３０〜４０μｍの中間材３を挟み、重ね代を１８ｍｍとして接合を行った。
接合装置としては、図３に示すように、真空チャンバー内に試験片設置部と加圧部を備え、チャンバー内温度を熱電対によって検出して制御することができるホットプレス装置を用い、接合条件としては、加圧力を３ｔに一定制御し、接合温度を７０５Ｋ、保持時間を１０分とした。

接合完了後、接合継手から試験片を切り出し、引張試験を行った結果、接合界面から剥がれることはなく、母材破断となる良好な継手性能が得られることが確認された。

また、接合断面をＳＥＭ観察すると共に、Ａｌ，Ｌａ，Ｎｉ及びＯについてエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）を実施した。
その結果、図４に示すように、接合界面に酸化物や他の成分によるコンタミは検出されなかった。

また、Ｌａ系合金とアルミニウム材の界面に厚さ８μｍ程度の拡散反応層が確認された。さらに、アルミニウム材とＬａ系合金の界面に厚さ１μｍ程度のＮｉの濃化層が確認された。
以上の観察結果からＬａ系合金とアルミニウム材間で拡散反応が確認され、Ｌａ系合金の組成の一つであるＮｉが接合の際の冶金反応に寄与することで界面の密着性を向上させることができた。また、接合界面において、未接合領域である空隙などは確認されず、良好な接合界面が得られた。

（実施例２）
上記同様の被接合材１，２を接合するに際し、中間材３として、Ｌａ系合金Ｌａ_５５Ａｌ_２０Ｃｕ_２５（融点：６７９Ｋ）を使用し、加圧力を３ｔ、接合温度を６８２Ｋ、保持時間を１０分の接合条件を採用したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の接合継手を得た。

そして、同様の継手引張試験と、接合断面のＳＥＭ観察及びエネルギー分散Ｘ線分析（Ａｌ，Ｌａ，Ｃｕ、Ｏ）を実施した結果、同様に母材破断すると共に、接合界面に酸化物やコンタミは検出されなかった。ＳＥＭ観察像と上記元素のＥＤＸマッピング画像を図５に示す。
当該実施例によって得られた接合界面においては、実施例１の接合界面に見られたような拡散反応層は確認されなかったが、実施例１と同様、接合界面において、未接合領域である空隙などは確認されず、良好な接合界面が得られた。

（実施例３）
上記被接合材１，２を接合するに際し、中間材３として、Ｃｅ系合金Ｃｅ_７０Ａｌ_１０Ｃｕ_２０（融点：６４７Ｋ）を使用し、加圧力を３ｔ、接合温度を６５０Ｋ、保持時間を１０分の接合条件を採用したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の接合継手を得た。
同様の継手引張試験の結果、同様に母材破断する良好な継手性能が確認されると共に、接合界面における酸化物やコンタミの存在は検出されなかった。

（実施例４）
同様に、上記被接合材１，２を接合するに際して、中間材３として、Ｐｒ系合金Ｐｒ_６８Ｃｕ_２５Ａｌ_７（融点：７０５Ｋ）を使用し、加圧力を３ｔ、接合温度を７０９Ｋ、保持時間を１０分の接合条件を採用したこと以外、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の接合継手を得た。
そして、継手引張試験の結果、母材破断する良好な継手性能が同様に確認された。また、接合界面に酸化物やコンタミの存在は検出されなかった。

以上のように、アルミニウム系材料から成る被接合材の接合面間に、ＬａやＣｅ、Ｐｒを主成分として含有する合金を介在させることによって、酸化皮膜を除去するためのフラックスを使用することなく、アルミニウム系材料の融点よりも大幅に低い温度でアルミニウム系材料同士を高強度に接合できることが判明した。

１ 被接合材
２ 被接合材
３ 中間材
Ｆ 酸化皮膜

Claims (4)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金から成る被接合材の間に、酸化の標準自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素を含有すると共に、被接合材よりも低い融点を有する中間材を介在させた状態で、上記中間材の融点以上、被接合材の融点以下の温度に加熱して接合することを特徴とするアルミニウム系材料の接合方法。
2. 上記中間材がＬａ、Ｃｅ又はＰｒを主成分として含有する合金であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. アルミニウム又はアルミニウム合金から成る被接合材の新生面同士が中間材を介して接合され、上記中間材には酸化の標準生成自由エネルギーがＡｌよりも小さい元素が含まれていることを特徴とするアルミニウム系材料の接合構造。
4. 上記中間材がＬａ、Ｃｅ又はＰｒを主成分として含有する合金であることを特徴とする請求項３に記載の接合構造。

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