JP6014014B2

JP6014014B2 - ろう付け構造体の製造方法

Info

Publication number: JP6014014B2
Application number: JP2013253090A
Authority: JP
Inventors: 志満津　孝; 孝志満津; 敬河原田; 省三永井; 博紀萩野
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: JP2015110235A

Description

本発明は、金属部材と金属部材とを接合するために用いられるろう付け構造体の製造方法に関する。

特許文献１には、基板とヒートシンクとをろう材で接合する際に、基板の接合界面に離型剤を配置する構成が記載されている。この離型剤によって、基板とヒートシンクとには接合されない非接合領域が形成され、この非接合領域を設けることでろう材で接合する際の熱応力を緩和するようになっている。

特開２００８−２３５６７２号公報

しかし、従来の構成では、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の動きを制御することはできず、ろう材が金属部材との接合界面の外側へ流れ出てしまうことがある。これにより、ろう材の適正厚さが確保されないことがあった。

本発明の課題は、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の適正厚さを確保することである。

請求項１に係るろう付け構造体の製造方法は、対向する一対の金属部材を接合する接合部に、金属粉末と夫々の前記金属部材に拡散して前記金属部材と固着する接合ろう材とを含んで構成される複合ろう材が、全域に亘って配置されるろう付構造によって一対の前記金属部材を接合することで製造されるろう付け構造体の製造方法であって、一方の前記金属部材に金属粉末が集合した粉末集合体を一定の厚さで一方向に延びるように配置し、一方向に延びるように配置される前記粉末集合体の付近に、接合ろう材とバインダとが混合されたスラリーを塗布する配置工程と、一方の前記金属部材に、前記粉末集合体及び前記スラリーが配置された側から、他方の金属部材を押し付け、一対の金属部材を加熱して一方の前記金属部材と他方の前記金属部材とを接合する接合工程と、を備え、前記配置工程では、前記粉末集合体の外周を囲むように、前記スラリーを一方の前記金属部材に塗布することを特徴とする。

本発明によれば、金属部材と金属部材とをろう材で接合する際に、ろう材の適正厚さを確保することができる。

（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第１実施形態に係るろう付構造の接合手順を示した工程図である。第１実施形態に係るろう付構造における接合手順の配置工程の際に、金属板に粉末集合体及びスラリーを配置した状態を示した斜視図である。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第１実施形態に対する比較形態に係るろう付構造の接合手順を示した工程図である。第２実施形態に係るろう付構造における接合手順の配置工程の際に、金属板に粉末集合体及びスラリーを配置した状態を示した斜視図である。第３実施形態に係るろう付構造における接合手順の配置工程の際に、金属板に粉末集合体及びスラリーを配置した状態を示した斜視図である。第４実施形態に係るろう付構造における接合手順の配置工程の際に、金属板に粉末集合体及びスラリーを配置した状態を示した斜視図である。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）第５実施形態に係るろう付構造の接合手順を示した工程図である。（Ａ）（Ｂ）第１実施形態に対する第１参考形態に係るろう付構造における接合手順の配置工程の際に、金属板に粉末集合体及びスラリーを配置した状態、及び複合ろう材で一対の金属板をろう付した状態を示した斜視図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るろう付構造の一例について図１〜図３を用いて説明する。なお、図中に示す矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。

（全体構成）
一対の金属板２６（一対の金属部材の一例）を接合するために用いられるろう付構造１０は、図１（Ｄ）に示されるように、対向する一対の金属板２６に挟まれている。このろう付構造１０では、一対の金属板２６を接合する接合部２４（設計上予め決められた接合空間：図１（Ａ）参照）に、金属粉末１４と夫々の金属板２６に拡散して固着する接合ろう材１６とを含んで構成される複合ろう材１２が全域に亘って配置されている。そして、この複合ろう材１２によって、一対の金属板２６が接合部２４で接合されている。

なお、本実施形態では、金属板２６として、ステンレス鋼板（ＳＵＳ鋼板）が用いられている。

〔複合ろう材〕
複合ろう材１２は、前述したように、金属粉末１４と接合ろう材１６とを含んで構成されている。

接合ろう材１６は、ステンレス製の金属板２６に対して融点が低く、さらに、金属板２６と共晶結合可能なものが用いられる。接合ろう材１６として、Ｎｉ基（ニッケル）ろう材、Ｆｅ基（鉄）ろう材、Ａｇ基（銀）ろう材、又はＴｉ基（チタン）ろう材を用いることが可能であるが、本第１実施形態では、接合ろう材１６としてＮｉ基（ニッケル）ろう材が用いられる。

一方、金属粉末１４は、本第１実施形態では、金属板２６と同様の組成であるステンレス鋼の粉末が用いられ、一対の金属板２６をろう付によって接合する際のろう付温度で、接合ろう材１６が、金属粉末１４に含浸して金属粉末１４の表面に共晶結合するようになっている。なお、金属粉末１４としては、一例として、粒径１０〜４５〔μｍ〕の粉末が用いられる。

つまり、複合ろう材１２は、ステンレス鋼の粉末である金属粉末１４にＮｉ基のろう材である接合ろう材１６が、ろう付温度で共晶結合することで形成されるようになっている。

さらに、この複合ろう材１２においては、金属粉末１４に対する接合ろう材１６の体積比は、２５％以上５０％以下とされている。また、金属粉末１４の最大粒子径は、接合部２４（接合空間）の厚さ（高さ）及び接合部２４の幅の半分以下とされている。なお、この体積比については、重量と真密度との関係から算出することで、測定することができる。

（接合手順）
一対の金属板２６を接合する接合手順は、一方の金属板２６に、金属粉末１４及び接合ろう材１６となる液状のスラリー２２（接合ろう材１６とバインダ（一例として、有機系溶剤、水系媒体）とが体積比５０％の割合で混合された液状の部材）を配置（塗布）する配置工程と、一方の金属板２６と他方の金属板２６とを接合する接合工程と、を含んでいる。

〔配置工程〕
配置工程では、図１（Ａ）（Ｂ）、図２に示されるように、金属粉末１４が集合して厚さ一定の所定の形状とされた粉末集合体１８（一例として厚さ９０〔μｍ〕）が一方向に延びるように一方の金属板２６に配置される。さらに、この粉末集合体１８の外周を囲むように、スラリー２２が一方の金属板２６に塗布される。

ここで、粉末集合体１８は、一対の金属板２６を接合する接合部２４（接合空間）の全域に亘って配置される。

また、スラリー２２に含まれる接合ろう材１６の体積は、複合ろう材１２を構成する接合ろう材１６の体積を考慮して決められている。具体的には、前述したように、金属粉末１４に対する接合ろう材１６の体積比は、２５％以上５０％以下とされている。

〔接合工程〕
接合工程では、図１（Ｃ）（Ｄ）に示されるように、粉末集合体１８及びスラリー２２が配置された一方の金属板２６に、他方の金属板２６が押し付けられ、これを図示せぬ加熱炉内に配置し、スラリー２２に含まれる接合ろう材１６を溶融させる。これにより、一対の金属板２６が接合される。なお、加熱炉内の温度については、接合ろう材１６は溶融するが、金属板２６は溶融しないように設定されている（例えば、１１００°Ｃ）。

詳細には、一対の金属板２６間で、粉末集合体１８及びスラリー２２を挟み、これを加熱することで、粉末集合体１８を構成する金属粉末１４間にスラリー２２が吸引され（吸引効果）、吸引されたスラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。これにより、スラリー２２に含まれる接合ろう材１６が金属粉末１４に含浸して金属粉末１４の表面に接合ろう材１６が共晶結合することで、複合ろう材１２が形成される（図１（Ｄ）参照）。

さらに、複合ろう材１２に含浸された接合ろう材１６は、夫々の金属板２６との接合界面で拡散して夫々の金属板２６と共晶結合する。さらに、複合ろう材１２を冷却させることで、一対の金属板２６は、複合ろう材１２により接合される（ろう付される）。

一対の金属板２６が接合された状態で、複合ろう材１２の厚さ（図１（Ｄ）の厚さＥ）は、一定とされ、配置工程で金属粉末１４を金属板２６に配置した際の粉末集合体１８の厚さ（図１（Ｂ）の厚さＣ）と同等となっている。これは、後述するように、金属粉末１４によって生じる支柱効果のためである。

一方、本第１実施形態に対する比較形態として、金属粉末を用いず、接合ろう材１６のみで一対の金属板２６を接合するろう付構造１００（図３（Ｄ）参照）について、ろう付構造１００によって一対の金属板２６を接合する接合手順によって説明する。

配置工程では、図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、一方の金属板２６の接合部２４にスラリー２２のみを配置（塗布）する。そして、接合工程では、図３（Ｃ）に示されるように、スラリー２２が配置された一方の金属板２６に、他方の金属板２６を押し付け、これを図示せぬ加熱炉内に配置し、スラリー２２に含まれる接合ろう材１６を溶融させる。ここで、一対の金属板２６にスラリー２２が押圧されることで、スラリー２２が押し潰されて接合界面（設計値の接合界面）より広がってしまう。そして、スラリー２２に含まれるバインダが蒸発すると、図３（Ｄ）に示されるように、接合ろう材１６と金属板２６との接合界面が広がったろう付構造１００が形成される。

しかし、本第１実施形態のろう付構造１０に用いられる複合ろう材１２は、金属粉末１４に接合ろう材１６を含浸させて形成されるようになっている。このため、金属粉末１４が支柱となり、任意の厚みを保持した上で、複合ろう材１２が押し潰されない。これにより、複合ろう材１２と金属板２６との接合界面が広がらない。

（作用・効果）
以上説明したように、配置工程において、接合部２４に粉末集合体１８が配置される。また、接合工程において、粉末集合体１８を構成する金属粉末１４の粉末間にスラリー２２が吸引され、スラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。さらに、スラリー２２に含まれる接合ろう材１６が金属粉末１４に含浸して金属粉末１４の表面に共晶結合する。そして、粉末集合体１８を構成する金属粉末１４が、一対の金属板２６を接合する際に、支柱となる支柱効果（スペーサ効果）を発揮するため、複合ろう材１２に金属粉末１４が備えられない場合と比して、複合ろう材１２の適正厚さを確保することができる。

また、複合ろう材１２の厚みを適正化することで、接合界面における接合ろう材１６の組成拡散が十分に行われると共に、共晶組織の制御が可能となる。

また、複合ろう材１２の厚さは一定とされている。これにより、複合ろう材１２の厚さが一定とされない場合と比して、接合界面における接合ろう材１６の組成拡散を十分に行うことができる。

また、接合ろう材１６の組織拡散が十分に行われることで、複合ろう材１２内における組成偏析に起因した添加物（Ｓｉ，Ｐ，Ｂなど）の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。この効果は、金属板２６に対する濡れ性の高いろう材料においてより顕著に現れる。

また、接合界面において、接合ろう材１６と金属板２６とは共晶組成を形成するため、添加物に対する抗析力（析出させないようにする力）を向上させることができる。

また、複合ろう材１２の適正厚さが確保されることで、任意の設定面積（接合界面の面積）で複合ろ材１２を構成する接合ろう材１６を金属板２６と共晶結合させることができる。

また、複合ろう材１２の厚さは、粉末集合体１８の厚さと同等となっている（変化していない）。このため、一対の金属板２６で粉末集合体１８及びスラリー２２を押圧して一対の金属板２６を接合する際に、押圧方向（本実施例では鉛直方向）へのスラリー２２に対する負荷による、スラリー２２の偏心、及びこのスラリー２２の横ずれ量を抑制することができる。つまり、一方の金属板２６に対する他方の金属板２６の横ずれ量（押圧方向に対して直交方向のずれ量）を抑制することができる。

また、金属粉末１４にスラリー２２に含まれる接合ろう材１６が含浸して金属粉末１４の表面に接合ろう材１６が共晶結合することで複合ろう材１２が形成される。このため、複合ろう材１２の衝撃値（例えばアイゾット衝撃値等）を向上させることができる。

また、金属粉末１４にスラリー２２に含まれる接合ろう材１６が含浸して金属粉末１４の表面に接合ろう材１６が共晶結合することで複合ろう材１２が形成される。このため、複合ろう材１２の液相線温度が向上し、これにより、健全で、強固な接合界面を形成することができる。ここで、健全とは、例えば、巣などの構造的欠陥がない、強度低下要因となる析出を抑制した状態であることを言う。

また、複合ろう材１２において、金属粉末１４に対する接合ろう材１６の体積比は、２５％以上５０％以下とされている。このため、複合ろう材１２内における組成偏析に起因した添加物（Ｓｉ，Ｐ，Ｂなど）の析出によるろう材強度の低下を抑制することができる。具体的には、２５％未満の場合には、金属粉末１４とＮｉ基のろう材料との共晶結合が不足し、５０％よりも多い場合には、添加物（Ｓｉ，Ｐ，Ｂなど）が析出してしまう。

また、金属板２６としてステンレス鋼板が用いられ、金属粉末１４としてステンレス鋼を微粉化した粉末（粒子）が用いられている。このように、金属粉末１４を、金属板２６と同一の金属材料、又は金属板２６と同様の組成であるステンレス鋼のを含む金属材料とすることで、複合ろう材１２を構成する接合ろう材１６と金属板２６との界面、及び金属粉末１４の表面と接合ろう材１６との界面において、良好な接合層を形成することができる。

また、金属粉末１４の最大粒子径は、接合部２４の厚さ（高さ）及び接合部２４の幅の半分以下とされている。このため、金属板２６に配置される粉末集合体１８の厚さ、及び粉末集合体１８の幅を予め決められた値の範囲内とすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るろう付構造の一例について図４を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分を主に説明し、他の部分の説明は省略する。

第２実施形態に係るろう付構造３０における配置工程では、図４に示されるように、厚さ一定の粉末集合体１８が一方向に延びるように一方の金属板２６に配置される。さらに、この粉末集合体１８と接して沿うように、スラリー２２が、一方向に延びるように一方の金属板２６に塗布（配置）される。第２実施形態の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るろう付構造の一例について図５を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分を主に説明し、他の部分の説明は省略する。

第３実施形態に係るろう付構造４０における配置工程では、図５に示されるように、厚さ一定の粉末集合体１８が一方向に延びるように一方の金属板２６に配置される。さらに、この粉末集合体１８と予め決められた距離（例えば、０．５〜１〔ｍｍ〕）をおいてスラリー２２が、一方向に延びるように一方の金属板２６に塗布（配置）される。

接合工程では、粉末集合体１８及びスラリー２２が配置された一方の金属板２６に、他方の金属板２６を押し付け、これを図示せぬ加熱炉内に配置し、スラリー２２に含まれる接合ろう材１６を溶融させる。これにより、粉末集合体１８とスラリー２２とが、予め決められた距離をおいて配置される場合でも、粉末集合体１８を構成する金属粉末１４間にスラリー２２が吸引される。第３実施形態の他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るろう付構造の一例について図６を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分を主に説明し、他の部分の説明は省略する。

第４実施形態に係るろう付構造５０における配置工程では、図６に示されるように、厚さ一定の粉末集合体１８が一方向に延びるように一方の金属板２６に配置される。さらに、粉末集合体１８の一方向の一端及び他端に接するように、他方向に延びる一対のスラリー２２が一方の金属板２６に塗布（配置）される。第４実施形態の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係るろう付構造の一例について図７を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分を主に説明し、他の部分の説明は省略する。

第５実施形態に係るろう付構造６０における配置工程では、粉末集合体１８の体積から金属粉末１４の体積を減じた値（空間体積）に対する、スラリー２２に含まれるＮｉ基のろう材の体積比は、１２５％以上２００％以下とされている（図７（Ａ）参照）。

そして、接合工程では、図７（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、一対の金属板２６間で、粉末集合体１８及びスラリー２２を挟み、これを加熱することで、粉末集合体１８を構成する金属粉末１４間にスラリー２２が吸引され、さらに、スラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。

ここで、前述したように、粉末集合体１８の体積から金属粉末１４の体積を減じた値（空間体積）に対する、スラリー２２に含まれるＮｉ基のろう材の体積比は、１２５％以上２００％以下とされている。これにより、金属粉末１４に含浸されなかったＮｉ基のろう材（接合ろう材１６を構成するろう材と同種のろう材）によって、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）に示されるように、金属板２６と複合ろう材１２との境界８２を覆うフィレット８４が形成される。

このように、境界８２を覆うフィレット８４が形成されることで、境界８２から複合ろう材１２と金属板２６とが剥離するのを抑制することができる。第５実施形態の他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第１参考形態＞
次に、本発明の第１参考形態に係るろう付構造の一例について図８を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分を主に説明し、他の部分の説明は省略する。

第１参考形態に係るろう付構造７０の配置工程では、図８（Ａ）に示されるように、一方向に一定の間隔を空けて複数（図８（Ａ）では一例として４個）の粉末集合体７８が配置される。粉末集合体７８は、平面視で矩形状とされており、隣り合う粉末集合体７８との距離Ｇとされている。さらに、粉末集合体７８の厚さＨ（高さ）とされている。そして、距離Ｇは、厚さＨの１００倍以下、かつ、１４〔ｍｍ〕以下とされている。また、この粉末集合体７８と部分的に接するように、スラリー２２が、一方向に延びるように一方の金属板２６に塗布（配置）される。

そして、接合工程では、一対の金属板２６間で、粉末集合体７８及びスラリー２２を挟み、これを加熱することで、粉末集合体７８を構成する金属粉末１４間にスラリー２２が吸引され、さらに、スラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。これにより、粉末集合体７８が配置された部分では、第１実施形態と同様に、複合ろう材１２によって一対の金属板２６が接合される（図８（Ｂ）参照）。

また、隣り合う粉末集合体７８の間にも、スラリー２２が吸引され、さらに、スラリー２２に含まれるバインダが蒸発する。これにより、隣り合う粉末集合体７８の間では、接合ろう材１６によって一対の金属板２６が接合される。複合ろう材１２による第１参考形態の他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、接合工程において、加熱炉を用いてスラリーに含まれる接合ろう材１６を溶融させたが、高周波誘導加熱等を用いて接合ろう材１６を溶融させてもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、配置工程における粉末集合体１８及びスラリー２２の金属板２６への配置は、スクリーン印刷等を用いて行ってもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、配置工程におけるスラリー２２の金属板２６への配置（塗布）と、粉末集合体１８の金属板２６への配置との順番については、どちらが先でもよくまた同時であってもよい。

また、上記実施形態では、金属板としてステンレス板を用い、ろう材料として、Ｎｉ基ろう材を用いたが、金属板としてステンレス鋼を用い、Ｆｅ基ろう材、Ａｇ基ろう材、Ｔｉ基ろう材等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、金属板としてステンレス鋼を用い、ろう材料として、Ｎｉ基ろう材を用いたが、金属板として銅板を用い、ろう材料としてＣｕ基ろう材を用いたり、金属板としてアルミ板を用い、ろう材料としてＡｌ基ろう材を用いてもよい。

１０ろう付構造
１２複合ろう材
１４金属粉末
１６接合ろう材
２２スラリー
２４接合部
２６金属板
３０ろう付構造
４０ろう付構造
５０ろう付構造
６０ろう付構造
７０ろう付構造
８２境界
８４フィレット

Claims

対向する一対の金属部材を接合する接合部に、金属粉末と夫々の前記金属部材に拡散して前記金属部材と固着する接合ろう材とを含んで構成される複合ろう材が、全域に亘って配置されるろう付構造によって一対の前記金属部材を接合することで製造されるろう付け構造体の製造方法であって、
一方の前記金属部材に金属粉末が集合した粉末集合体を一定の厚さで一方向に延びるように配置し、一方向に延びるように配置される前記粉末集合体の付近に、接合ろう材とバインダとが混合されたスラリーを塗布する配置工程と、
一方の前記金属部材に、前記粉末集合体及び前記スラリーが配置された側から、他方の金属部材を押し付け、一対の金属部材を加熱して一方の前記金属部材と他方の前記金属部材とを接合する接合工程と、を備え、
前記配置工程では、前記粉末集合体の外周を囲むように、前記スラリーを一方の前記金属部材に塗布するろう付け構造体の製造方法。