JP6881971B2 - ろう材、ろう材金属粉末、及び部材の接合方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ろう材、特に硬ろう付け法で使用するためのろう材に関する。さらなる観点として、本発明は、ろう材金属粉末、並びに部材の接合方法に関する。
背景技術
硬ろう付けとは、部材を熱によって接合する方法であり、この方法では、接合箇所が、定義によると４５０℃超であるろう付け温度に加熱される。典型的に、硬ろう付けプロセスにおいて、粉末、ペースト、若しくは予め成形されたろう材製品の形状をしたろう金属は、接合させる部材界面の間にあるろう付け間隙で、又はその中で塗布される。ろう付けの間に、ろう材は溶融し、ぬれ及び毛細管力によってろう付け間隙に流れ、そこで冷却の際に凝固し、部材間の材料結合による接続を生み出す。
硬ろう付けとは、部材を熱によって接合する方法であり、この方法では、接合箇所が、定義によると４５０℃超であるろう付け温度に加熱される。典型的に、硬ろう付けプロセスにおいて、粉末、ペースト、若しくは予め成形されたろう材製品の形状をしたろう金属は、接合させる部材界面の間にあるろう付け間隙で、又はその中で塗布される。ろう付けの間に、ろう材は溶融し、ぬれ及び毛細管力によってろう付け間隙に流れ、そこで冷却の際に凝固し、部材間の材料結合による接続を生み出す。
ろう材として、たいていは合金が使用されるが、この合金は、一方で、部材にとって穏やかで容易な加工を可能にする低い溶融点を有し、他方で、部材を確実に互いに接続できる金属構成要素を含有する。
西独国特許第１１９７３０７号明細書には、２０〜４０％のニッケル、及びケイ素（任意）、及び銅から成る銅ニッケル硬ろう合金が記載されている。この硬ろうは、良好なぬれ性、高い耐酸化性、及び高い伸びの点で優れている。
発明の概要
本発明は、特に硬ろう付けのための、銅から形成されている第一層及びニッケルから形成されている第二層を有するろう材をもたらす。
本発明は、特に硬ろう付けのための、銅から形成されている第一層及びニッケルから形成されている第二層を有するろう材をもたらす。
さらに、本発明は、銅から形成されている多数の第一粒子及びニッケルから形成されている多数の第二粒子を有するろう材金属粉末をもたらす。
さらに本発明は、
第一部材及び第二部材の接合界面にニッケルめっきをして、それぞれの界面にニッケル層を形成する方法ステップと、接合界面で銅を溶融させ、銅溶融物を形成する方法ステップと、銅溶融物を用いて界面のそれぞれのニッケル層を溶融させ、銅ニッケル相を形成する方法ステップと、及び銅ニッケル相を冷却して、第一部材及び第二部材の間で強固な接続を形成する方法ステップと、
を含む、第一部材及び第二部材の接合方法をもたらす。
第一部材及び第二部材の接合界面にニッケルめっきをして、それぞれの界面にニッケル層を形成する方法ステップと、接合界面で銅を溶融させ、銅溶融物を形成する方法ステップと、銅溶融物を用いて界面のそれぞれのニッケル層を溶融させ、銅ニッケル相を形成する方法ステップと、及び銅ニッケル相を冷却して、第一部材及び第二部材の間で強固な接続を形成する方法ステップと、
を含む、第一部材及び第二部材の接合方法をもたらす。
ろう材金属粉末の第一粒子及び第二粒子は、ろう材金属粉末及びろう材ペーストに適するあらゆる粒度を有することができ、例えば、規格Ｊ−ＳＴＤ−００５によると、２μｍ〜１６０μｍである。銅は銅合金でもよく、僅かな範囲（例えば、最大約１％）で銅とは異なる元素（例えば、アルミニウム、マンガン、カドミウム、ビスマス、鉛、リン、及び／又はケイ素）を含むことができることに言及しておく。ニッケルも、ニッケル合金として形成されていてよく、合金元素を含むことができる。
ろう付けの間に、銅又は銅から形成されている第一粒子が溶融し、ニッケル及び／又はニッケル粒子、又はニッケルめっきをした界面をぬらす。その後、ニッケル、ニッケル層、又はニッケルから形成されている第二粒子は、液体状の銅によって溶解する。ニッケル割合及びその時のろう付け温度に応じて、等温の状態変化により、銅ニッケル相が形成される。このプロセスを、ニッケルが完全に溶解するまで行う。有利には、ニッケル及び銅が互いに完全に溶解可能である。ろう材が凝固する際に、ろう材の組成が変化した。その際、ニッケル及び銅が、凝固前に、液体状のろう材中で均質に分布していると有利である。
ニッケルをさらに合金化したことによって、凝固したろう材は変化した特性を有する。とりわけ、本発明によるろう材について、銅ろうと比較した時よりも高い強度、良好な耐食性、及び高い再溶融温度がもたらされる。完成している目的合金によるろう付けに対する、本発明による反応性ろう付け（つまり、出発原料である銅及びニッケルの反応が起こるろう付け）の利点は、銅によるろう付けと比較した時よりも、ろう付け温度を実質的に上昇させる必要がないことである。通常、ニッケルを銅に添加することで、不利なことに、ろう材の溶融範囲が上昇する。これによって、互いに接合させる部材が熱で少なくとも部分的に損傷を受け、それ故にろう付けが可能でないことがしばしば引き起こされる。ろう付け温度の上昇は、銅によるろう付けにおいて、プロセス技術の観点から問題でもある。というのも、銅の蒸気圧の上昇によって、ろう付け炉中に大きな銅の堆積物が発生するからである。
本発明によるろう材は、セラミック及び鋼のろう付けに素晴らしく適する。ニッケル及びニッケル合金も、本発明によるろう材、本発明によるろう材金属粉末、及び本発明による部材接合方法を用いることで接合させることができる。
本願において、層とはある範囲の平面的広がりと理解され、この範囲は、その周囲又は他の層から明確に分かれている。その際、この層は平らに形成されていてもよい、及び／又は湾曲を有してもよい、又は例えば幾何学的な形状として形成されていてもよい。例えば、層は円形、又は環状、又は正方形、又は長方形、又は三角形であってもよい。
発明の効果
本発明によるろう材で、ろう材の再溶融温度を上昇させることができ、それによって反対に、より低い相同使用温度がもたらされる。さらに、本発明によるろう材によって、ろう材の温度安定性を上昇させることができる。このろう材は、プロセス温度を上回るろう付け除去温度を有する。さらに、本発明によるろう材は、他のろう材（例えば、純粋な銅ろう）より長い寿命を有する。さらに、ろう付け温度の低下により、熱に対してより不安定な接合相手の接合が可能となる。例えば高合金鋼も、このろう材で接合させることができる。さらに、本発明によるろう材は、合金化されていない銅ろうと比較して、改善された耐食性を有する。さらに、本発明によるろう材及び本発明による方法を、迅速かつ容易に既存の方法、設備、及びプロセスに組み込むことができる。というのも、従来の設備技術をそのまま使用することが可能であり、本方法を実施するために実質的な変更が必要ないからである。さらに、本発明によるろう材及び本方法は、幅広い部材ポートフォリオに適用することができ、非常に柔軟に使用可能である。
本発明によるろう材で、ろう材の再溶融温度を上昇させることができ、それによって反対に、より低い相同使用温度がもたらされる。さらに、本発明によるろう材によって、ろう材の温度安定性を上昇させることができる。このろう材は、プロセス温度を上回るろう付け除去温度を有する。さらに、本発明によるろう材は、他のろう材（例えば、純粋な銅ろう）より長い寿命を有する。さらに、ろう付け温度の低下により、熱に対してより不安定な接合相手の接合が可能となる。例えば高合金鋼も、このろう材で接合させることができる。さらに、本発明によるろう材は、合金化されていない銅ろうと比較して、改善された耐食性を有する。さらに、本発明によるろう材及び本発明による方法を、迅速かつ容易に既存の方法、設備、及びプロセスに組み込むことができる。というのも、従来の設備技術をそのまま使用することが可能であり、本方法を実施するために実質的な変更が必要ないからである。さらに、本発明によるろう材及び本方法は、幅広い部材ポートフォリオに適用することができ、非常に柔軟に使用可能である。
本発明の一実施形態によると、ろう材は、芯、及び芯を取り巻く被覆を有するろう付けワイヤとして形成されており、芯が第一層を含み、被覆が第二層を含む、又は芯が第二層を含み、被覆が第一層を含む。例えば、ろう材は伸線法で製造され、ニッケル芯の周りに銅からの被覆が成形される。本発明によるろう材を製造するために、銅ワイヤに電気ニッケルめっきをすることも考えられる。ろう付けワイヤは、例えば０．５ｍｍ〜１０ｍｍの直径を有することができる。
さらなる実施形態によると、ろう材はろう付け箔として形成されており、第一層及び第二層は重なり合って配置されている。互いに分かれているろう付け箔層の厚さは、適用分野に応じて、約０．００４ｍｍ〜１０ｃｍである。箔とは、この文脈では、その厚さが非常に薄い層と理解され、例えば、１ｍｍ未満、又は０．１ｍｍ未満、又は０．０１ｍｍ未満である。
本発明のさらなる一実施形態によると、第一層及び第二層は、少なくともスポット状に互いに接続されている。例えば、第一層及び第二層は、それぞれスポット溶接によって互いに接続されている。層を接合させるためのその他接合技術（例えば、接着）も、層をスポット状に接続するために使用できる。第一層及び第二層は、プレス加工する、若しくは折り曲げることができ、又は他の方法で、形状結合、摩擦結合、若しくは材料結合によって互いに接続することができる。
本発明のさらなる一実施形態によると、ニッケル又は銅から形成されている第三層が備え付けられている。当然のことながら、層のサンドイッチ状配置のようなものも可能である。本発明によると、そのようにして、多数の銅及びニッケルの個別層を交互に重なり合わせて配置させておくことが可能である。これによって、出来上がるろう材における銅及びニッケルの均質な分散を改善できる。
さらなる一実施形態によると、ろう材金属粉末は、フラックスを含む第三粒子を含む。このようにして、加工品をろう材でより良好にぬらすことができる。例えばさらなる合金元素（例えば、アルミニウム、マンガン、カドミウム、ビスマス、鉛、リン、及び／又はケイ素）も、第三粒子として、又は第三層として形成されていてもよい。
本発明のさらなる一実施形態によると、ろう材金属粉末の第二粒子は、ろう材金属粉末の第一粒子より小さい。例えば、銅粒子はニッケル粒子より大きい。ニッケル粒子の大きさがより小さいことで、ニッケル粒子は銅粒子よりも大きな表面積を有する。表面積がより大きいことで、熱はニッケル粒子によってより良好に吸収され、結果として、ニッケル粒子の溶融を容易にすることができる。この処置によって、溶融をより速く、より効率的に行うことができる。ニッケル粒子のより大きな表面積の利点は、ニッケルを液体状の銅中でより速く溶解させることである。したがって、界面が制御されたプロセスを提供することができる。
本発明のさらなる一実施形態によると、第二粒子及び第一粒子は、２：１〜１００００：１の大きさの比を有する。さらなる一変法において、第一粒子及び第二粒子は、２：１〜１００００：１、好適には１０：１〜１００：１の大きさの比、及び／又は体積量比を有する。
下記で、図面の概略図に示されている実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。
本発明の実施形態によるろう材の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材（ろう付け箔として形成されているもの）の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材（ろう付けワイヤとして形成されているもの）の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材（ろう付けワイヤとして形成されているもの）の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材（ろう付けワイヤとして形成されているもの）の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材（ろう付けワイヤとして形成されているもの）の横断面概略図
本発明のさらなる実施形態によるろう材（ろう材金属粉末として形成されているもの）の横断面概略図
ろう接する２つの部材の横断面概略図
第一部材及び第二部材の接合方法のフローチャート概略図。
全ての図において、特に記載がない限りは、同一及び／又は同一機能の要素及び装置に同じ符号が記してある。方法工程のナンバリングは概観的な理解を助けるものであって、特に記載がない限りは、特にある特定の時間的順序を含意することはない。特に、複数の方法工程を同時に実施することもできる。
実施例
図１は、本発明の実施形態によるろう材１の横断面概略図である。ろう材１は、第一層２及び第二層３を有する。第一層２は銅から形成されており、第二層３はニッケルから形成されている。ろう付け中に、銅からの第一層２が溶融し、ニッケルから形成されている第二層３をぬらす。その際、ニッケルは銅溶融物中に溶解する。ニッケル割合及びその時のろう付け温度に応じて、等温の状態変化により、銅ニッケル相が形成される。このプロセスを、ニッケルが完全に銅溶融物に溶解するまで行う。第一層及び第二層は、例えば、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有することができる。しかしながら、１０ｍｍ超の厚さも可能である。
図１は、本発明の実施形態によるろう材１の横断面概略図である。ろう材１は、第一層２及び第二層３を有する。第一層２は銅から形成されており、第二層３はニッケルから形成されている。ろう付け中に、銅からの第一層２が溶融し、ニッケルから形成されている第二層３をぬらす。その際、ニッケルは銅溶融物中に溶解する。ニッケル割合及びその時のろう付け温度に応じて、等温の状態変化により、銅ニッケル相が形成される。このプロセスを、ニッケルが完全に銅溶融物に溶解するまで行う。第一層及び第二層は、例えば、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有することができる。しかしながら、１０ｍｍ超の厚さも可能である。
図２は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。ろう材１は、この形状において、２、３、４の三層から形成されている。第一層２は例えば銅から形成されており、第二層３は例えばニッケルから形成されており、第三層４は例えば同様に銅から形成されている。銅又はニッケルからのさらなる層が引き続いてもよい。さらなる層（例えば、銅、又はニッケル、又は合金元素から形成されている）も、第一層２、第二層３、若しくは第三層４の上、又は第一層２、第二層３、及び第三層４の間に配置されていてもよい。
図３は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。この実施形態において、ろう材１は、同様に２、３、４の三層を有する。この実施例において、ろう材１はろう付け箔５０として形成されている。第一層２は例えば銅から形成されており、第二層３は例えばニッケルから形成されている。第一層２及び第二層３の間には、例えばフラックス（これは例えばホウ素化合物、リン酸塩、又はケイ酸塩を含む）を有する第三層４が形成されている。当然のことながら、ろう付け箔５０として形成されているろう材１は、２つの層だけからも形成されていてもよい。２、３、及び４の層の厚さは非常に薄く、例えば１ｍｍ未満、又は０．１ｍｍ未満、又は０．０１ｍｍ未満である。
図４は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。この実施形態において、ろう材１はろう付けワイヤ１０として形成されている。ろう付けワイヤ１０は、芯２０、及び芯２０を取り巻く被覆３０を有する。芯２０は例えば第一層２から形成されており、被覆３０は例えば第二層３から形成されている。第一層２は銅から形成されており、第二層３はニッケルから形成されている。ろう付けワイヤ１０は、例えば０．１ｍｍ〜５ｃｍの直径を有しており、例えば伸線法で製造可能である。
図５は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。この実施形態において、ろう材１は、同様にろう付けワイヤ１０として形成されている。この実施形態において、第一層２は被覆３０として形成されており、第二層３は芯２０として形成されている。第一層２は例えば銅から形成されており、第二層３は例えばニッケルから形成されている。
図６は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。この実施形態において、ろう材１は、同様にろう付けワイヤ１０として形成されている。その際、第一層２は被覆３０として形成されており、主に銅を有する。第二層３は芯２０として形成されており、例えばニッケルを有する。第一層２及び第二層３の間には、例えばフラックス（これは例えばホウ素化合物、リン酸塩、又はケイ酸塩を含む）、又はさらなる金属、又は合金元素を含む第三層４が形成されている。
図７は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。この実施形態において、ろう材１は、同様にろう付けワイヤ１０として形成されている。ろう付けワイヤ１０は、第二層３を含む芯２０を有する。第二層３の周りに、例えば銅から形成されている第一層２が形成されている。この実施形態において、第一層２は長円形又は楕円形で形成されており、第二層３は、実質的に円形で形成されている。当然のことながら、第二層３が被覆３０を形成すること、及び第一層２が芯２０を形成することも可能であり、この場合、第二層３は長円形又は楕円形で形成されており、第一層２は円形で形成されている。
図８は、本発明のさらなる実施形態によるろう材１の横断面概略図である。この実施形態において、ろう材１はろう材金属粉末１００として形成されている。ろう材金属粉末１００は、銅から形成されている多数の第一粒子２０を有する。さらに、ろう材金属粉末１００は、ニッケルから形成されている多数の第二粒子３０を有する。さらに、ろう材金属粉末１００は、例えばフラックスを含む、かつ／又はその他金属、若しくは合金元素から形成されている第三粒子４０を有することができる。
ろう材金属粉末１００は、第一部材７０及び第二部材６０の間に配置される。第一粒子２０の溶融の際に、第二粒子３０及び／又は第三粒子４０の溶融がもたらされる。このようにして銅ニッケル合金を作製すると、この合金は、冷却後に、その出発原料と比較して変化した原料特性を有する。つまり、反応性ろう付けによって、出発原料に関して変化した原料特性を有する、新たなろう材原料が生み出される。
図９は、ろう接する２つの部材７０及び６０の横断面概略図である。第一部材７０及び第二部材６０は、それぞれ界面５０１及び６０１を有し、これら界面にはそれぞれニッケル層３０が備え付けられている。ニッケル層３０は、例えば１０μｍ〜１０ｍｍの厚さを有する。
第一部材７０及び第二部材６０の間にあるろう付け間隙８０に、銅ワイヤ４００をあてる。銅ワイヤ４００の溶融後、界面５０１及び６０１にあるそれぞれのニッケル層３０を、液体状の銅で溶融させ、溶融した銅（銅ワイヤ４００からのもの）と混ぜる。それによって、ろう付け間隙８０に、銅ニッケル溶融物がもたらされる。銅ニッケル溶融物の冷却後、第一部材７０及び第二部材６０の間に、強固な材料結合及び形状結合による接続がもたらされる。こうして、ろう付け箇所は特に高い強度を有する。
図１０は、第一部材及び第二部材の接合方法のフローチャート概略図である。第一方法工程Ｓ１では、第一部材及び第二部材の接合界面にニッケルめっきをして、それぞれの界面にニッケル層を形成する。第二方法工程Ｓ２では、接合界面で銅を溶融させ、銅溶融物を形成する。第三方法工程Ｓ３では、銅溶融物を用いて界面のそれぞれのニッケル層を溶融させ、銅ニッケル相を形成する。さらなる方法工程Ｓ４では、形成された銅ニッケル相を冷却して、第一部材及び第二部材の間で強固な接続を形成する。
本発明を、好ましい実施例を用いてこれまでに記載したが、本発明はこの実施例に制限されることはなく、多種多様な方法で改良可能である。特に、本発明は、発明の本質から逸脱することなく、様々な手法で変更又は改良できる。
Claims (5)
- 銅から形成されている多数の第一粒子（２０）及びニッケルから形成されている多数の第二粒子（３０）を有することを特徴とする、ろう材金属粉末（１００）。
- 前記ろう材金属粉末は、フラックス又は合金元素を含む第三粒子（４０）を含む、請求項１に記載のろう材金属粉末（１００）。
- 前記第二粒子（３０）は、前記第一粒子（２０）より小さい、請求項１又は２に記載のろう材金属粉末（１００）。
- 前記第二粒子（３０）及び前記第一粒子（２０）は、２：１〜１０００：１の大きさの比を有する、請求項３に記載のろう材金属粉末（１００）。
- Ｓ１）第一部材及び第二部材の接合界面にニッケルめっきをして、それぞれの界面にニッケル層を形成する方法ステップと、
Ｓ２）前記接合界面で銅を溶融させ、銅溶融物を形成する方法ステップと、
Ｓ３）前記銅溶融物を用いて界面のそれぞれの前記ニッケル層を溶融させ、銅ニッケル相を形成する方法ステップと、
Ｓ４）前記銅ニッケル相を冷却して、前記第一部材及び前記第二部材の間で強固な接続を形成する方法ステップと、
を含むことを特徴とする、第一部材及び第二部材の接合方法。
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