JP7345795B2 - 接合方法および熱交換部材 - Google Patents
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Description
銅合金表面のCuO、Cu2O、BeO、CrO、ZnOなどの酸化皮膜をカルボン酸などの有機酸で除去するとともにカルボン酸塩などの有機酸被膜を形成して再酸化を抑止し、当該処理材の接合面同士を接触させ、減圧雰囲気下で加圧加熱させることでカルボン酸被膜を揮発させて活性な銅合金表面を母材以外の元素を添加することなく接合し、接合体を溶体化処理しその後に治具による拘束をしてまたはせずに時効処理することで接合部に水素特性を劣化させる元素を含有しない高い熱伝導率と強度と耐水素特性に優れた接合体である。
複数の銅合金部材の接合方法であって、
当該銅合金部材がベリリウムを構成元素として含む場合に、第一と第二の銅合金部材の表面をアルカリ溶液中に浸漬する、あるいは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を有機酸溶液中で煮沸する、あるいは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、前記第一と第二の銅合金部材を接合する工程を有する、ものとしてもよい。
複数の時効硬化性銅合金部材を接合しその後に熱処理する接合方法であって、
第一と第二の銅合金部材の表面を、有機酸溶液中で煮沸する、あるいは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、前記第一と第二の銅合金部材を接合する工程と、を有する、ものとしてもよい。
この接合方法において、前記接合する工程のあと、前記接合体を溶体化し時効硬化処理する工程、を有するものとしてもよい。
複数の時効硬化性銅合金部材を接合しその後に熱処理する接合方法であって、
前記銅合金部材がベリリウムを構成元素として含む場合に、第一と第二の銅合金部材の表面をアルカリ溶液中に浸漬する、あるいは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を有機酸溶液中で煮沸する、あるいは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、前記第一と第二の銅合金部材を接合する工程と、
その後当該接合体を溶体化し時効硬化処理する工程と、
を有する、ものとしてもよい。
この銅合金部材としては、他にベリリウム銅CuCoNiBe(CEN番号CW103C)、クロム銅(UNS番号C18200)、ジルコニウム銅(UNS番号C15000)、クロムジルコニウム銅(UNS番号C18510)、コルソン銅(UNS番号C19010)、CuNiSn(UNS番号C72700、C72950、C72900)等の時効硬化型銅合金であってもよい。
本開示においては銅合金部材の表面を、有機酸溶液中で煮沸することで、酸化皮膜を除去するとともに、表面に有機酸塩被膜を形成することで酸化皮膜の再形成を抑止する。有機酸としては、例えばギ酸、酢酸、クエン酸などのカルボン酸の1種を選ぶ事ができる。例えばベリリウム銅にギ酸で処理を施した場合、表層ではBe(HCOO)2、Be4O(HCOO)6、Cu(HCOO)2等のギ酸塩被膜が形成される。
ここで有機酸溶液中での煮沸処理は、有機酸を含む蒸気に曝露する処理をもって代替することもできる。
2Cu(HCOO)2 + O2 → 2Cu + 2H2O +2CO2
2Be(HCOO)2 + O2 → 2Be + 2H2O +2CO2
Be4O(HCOO)6 + O2 → 4Be + 3H2O +6CO2
[試験片の準備]
図3に示すOFC(無酸素銅JIS番号C1020)、黄銅(Cu-40Zn JIS番号C2801)、CuBe11(JIS番号C1751)、CuBe25(JIS番号C1720)については、直径1mmの線材と10×10×10×5mmの板材とし、クロム銅(UNS番号C18200)については、直径3mmの線材と10×10×10×5mmの板材を準備し、線材は図5に示すようにR5.0の曲率で90度の曲げを付けたうえで、図4に示す工程で表面処理を行ない、評価試料を作製した。
すなわち、比較例として表面処理なしとするものは、各線材と板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行った後、そのまま接合した。
条件1とするものは、各線材と板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行ったのち、100℃に加温した98%ギ酸水溶液中に0.5~96分浸漬したのち蒸留水で10秒間洗浄した。
条件2とするものは、各線材と板材をアセトン中で超音波洗浄して脱脂を行ったのち、室温で5%NaOH水溶液に0~240秒浸漬し、その後100℃に加温した98%ギ酸水溶液中に6分浸漬したのち蒸留水で10秒間洗浄した。
次に、図5の斜視図に示すように、板材の上に、R5.0の曲率で90度に曲げた線材の片端を押し付けて加熱することで接合した。この際の接合温度条件は、それぞれ図6~図10に示すとおりである。
接合により得られた試験材に対して、ピール試験(クロスヘッド速度:0.17mm/秒)によりピール強度を測定した。試験結果は、それぞれ図6~図10に示すとおりである。
無酸素銅(OFC)、CuBe11合金、Be金属に対して、FT-IR(日本分光(株)社製FT/IR-4200)を用いて表面解析を行った。測定は、表面処理なし、ギ酸処理、アルカリ前処理(アルカリ処理+ギ酸処理)を行った試料を用いた。
図6、図7、図8より、OFC,黄銅、クロム銅においては ギ酸処理をしていない比較対照の試料より、ギ酸処理を行った試料はピール強度が上がること、ギ酸塩処理に先立ち、アルカリ置換処理を行なってもピール強度は改善されずにむしろ低下することがわかる。
これは前述の様に、ギ酸処理をした試料は前処理において酸化皮膜が除去された表面にギ酸塩が生成し、その後の接合の減圧下昇温中に銅ギ酸塩被膜が分解し表層に接合の障害となる酸化皮膜がない活性な接合表面同士が加圧下で接合されること、またギ酸処理に先立つアルカリ処理においては、図13に例を示すように特に有効なアルカリ処理による水酸化被膜が形成されることが少ないために、そののちのギ酸塩被膜の形成に有利に働く事が少ないためであると推定される。
また、図9、図10よりベリリウム銅合金においては、ギ酸処理をしていない比較対照の試料より、ギ酸処理を行った試料はピール強度が上がること、ギ酸塩処理に先立ち、アルカリ置換処理を行うとベリリウムを含まない他合金ではみられなかったピール強度はより改善が確認されることがわかる。
これは前述の様に、ギ酸処理をした試料は前処理において酸化皮膜が除去された表面にCu(HCOO)2、Be(HCOO)2やBe4O(HCOO)6等のギ酸塩が生成し、その後の接合の減圧下昇温中にこれら銅ギ酸塩被膜、ベリリウムギ酸塩被膜が分解し、表層に接合の障害となる酸化皮膜がない活性な接合表面同士が加圧下で接合されること、また、ギ酸塩処理に先立つアルカリ処理においては、銅酸化皮膜CuOに加えて両性金属元素であるベリリウムの酸化物であるBeOが除去された表面にBe(OH)2やNa2[Be(OH)4]等の水酸化物が形成され、これがその後のギ酸処理でCu(HCOO)2、Be(HCOO)2 やBe4O(HCOO)6等のギ酸塩被膜に効果的に置換され、その後の接合の減圧下昇温中に分解し、表層に接合の障害となる酸化皮膜がない活性な接合表面同士が加圧下で接合されるためであると理解される。
この形成されたアルカリ被膜からの置換によるギ酸塩被膜の有効な形成は、図14に示すように強度試験からはその効果が判明しているCuBe11においても、形成効果が十二分にはよみとれなかったが、図15に示す純ベリリウムにおいてその有効性(置換メカニズム)が確認できた。
[試験片の準備]
図3に示す組成の直径32×50mmの試験片二個一組を準備し、接合面は平研でRa≦0.2μmに調整した。表に記載する機械物理特性は素材に備考欄の熱処理を施した
場合に得られるものである。
図4に示すように、試験条件1ではビーカーに98%ギ酸を入れて100℃に加熱して試験片を6分間浸漬した後取り出して蒸留水で10秒洗浄して接合用試験片とした。
試験条件2ではビーカーに室温で5%水酸化ナトリウム水溶液に90秒浸漬し、その後別のビーカーに98%ギ酸を入れて100℃に加熱して試験片を6分間浸漬した後取り出して蒸留水で10秒洗浄して接合用試験片とした。
素材接合面を突き合わせ、図11に示す真空度で加圧、加熱して接合した。
接合は、加圧後減圧し、表記載の真空度に達した後減圧を続けながら5℃/分の速度で昇温し、表記載の保持温度で記載時間保持した後、炉冷し、炉内温度が50℃以下になるまで加圧減圧を続けたのちに取出した。
接合材には、図11に記載の溶体化処理、時効処理を施した。
溶体化処理は表記載温度の塩浴に記載時間浸漬したのち、水冷した。
時効処理は真空炉に挿入し、減圧を続けながら5℃/分の速度で昇温し、表記載の保持温度で記載時間保持した後、炉冷し、炉内温度が50℃以下になったのち取出した。
試験片は接合素材から、接合部が試験片中央位置となるようにASTM E8M Specimen3に規定される試験片を加工し、引張試験を行った。
引張試験結果を図11に示す。
結果を図12に示す。
図11より、ギ酸処理をしていない比較対照の試料より、ギ酸処理を行った試料は接合材の引張強度ならびに当該接合材に溶体化時効処理を施した材料の引張強度が上がること、ギ酸塩処理に先立ちアルカリ置換処理を行うとこれらの引張強度は、さらに改善されることがわかる。改善される理由は前述のとおりである。
Claims (8)
- 複数の時効硬化性銅合金部材を接合しその後に熱処理する接合方法であって、
第一と第二の銅合金部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、あるいは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程を行うことなく、有機酸溶液中で煮沸する、あるいは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、前記第一と第二の銅合金部材を接合する工程と、
を有する接合方法。 - 請求項1に記載の接合方法であって、
前記接合する工程のあと、前記接合体を溶体化し時効硬化処理する工程、
を有する接合方法。 - 複数の時効硬化性銅合金部材を接合しその後に熱処理する接合方法であって、
前記銅合金部材がベリリウムを構成元素として含む場合に、第一と第二の銅合金部材の表面をアルカリ溶液中に浸漬する、あるいは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を有機酸溶液中で煮沸する、あるいは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、
その後、前記第一と第二の銅合金部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、前記第一と第二の銅合金部材を接合する工程と、
その後当該接合体を溶体化し時効硬化処理する工程と、
を有する接合方法。 - 前記アルカリ溶液が水酸化ナトリウム水溶液である、請求項3に記載の接合方法。
- 前記時効硬化性銅合金は、ベリリウム銅25合金(UNS番号C17200)、ベリリウム銅11合金(UNS番号C17510)、ベリリウム銅10合金(UNS番号C17500)、ベリリウム銅CuCoNiBe(CEN番号CW103C)、クロム銅(UNS番号C18200)、クロムジルコニウム銅(UNS番号C18510、CEN番号CW106C)、CuNiSn合金(UNS番号C72700、C72950、C72900)、ジルコニウム銅(UNS番号C15000)、コルソン銅(UNS番号C19010、C70250,C70320)のいずれか1以上である請求項1~4のいずれか1項に記載の接合方法。
- 前記銅合金は、ベリリウム銅25合金(UNS番号C17200)、ベリリウム銅11合金(UNS番号C17510)、ベリリウム銅10合金(UNS番号C17500)、ベリリウム銅CuCoNiBe(CEN番号CW103C)、クロム銅(UNS番号C18200)、クロムジルコニウム銅(UNS番号C18510、CEN番号CW106C)、CuNiSn合金(UNS番号C72700、C72950、C72900)のいずれか1以上である請求項3又は4に記載の接合方法。
- 前記有機酸が、ギ酸、酢酸、クエン酸から選ばれる1種以上のカルボン酸である、請求項1~6のいずれか1項に記載の接合方法。
- 請求項1~7のいずれか1項に記載する接合方法で製造された時効硬化性銅合金製の熱交換部材。
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