JPH0156865B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はCu或はCu合金、Fe或はFe合金等の高
純度金属またはそれらの合金を、加熱により溶解
する中間材を介して接合する方法に関する。

〔発明の背景〕

金属材料を互いに接合する方法は多種多様にわ
たつているが、信頼性の点から最も多く用いられ
ている方法は被接合材を溶融して接合する溶接法
と、被接合材と被接合材の間に録ろうを溶融させ
接合するいわゆる銀ろう付法である。溶接が困難
なCuおよびCu合金（以下Cu基材という）、Feお
よびFe合金（以下Fe基材という）およびＷおよ
びＷ合金（以下Ｗ基材という）などからなる材料
で形成する接合継手についてはほとんど銀ろう付
によつて接合している。しかし、それらに用いる
銀ろうの成分はJISに規格されているように銀の
含有量が40％〜70重量％と著しく多い。銀ろうの
価格はこの銀含有量に大きく左右され、これが製
品の価格を増大させるので大きな問題となつてい
る。

また銀ろい付の作業温度は700℃〜900℃と高
く、作業の能率面および被接合材の材質劣化の点
でも欠点があつた。

そこで、Cu基材およびFe基材を被接合材とし
た場合に、450℃以下でろう付作業できる軟ろう
材としてはPb、SnおよびZn等が考えられる。こ
こでSnおよびZnは被接合材のCuおよびFeとの新
和力が高く、合金属形成には好ましい金属といえ
る。しかし、これらは状態図から明らかなよいに
Cu_xSn_y、Cu_xZn_y、Fe_xSn_yおよびFe_xZn_y等の金属
間化合物を多量に形成する。金属間化合物物は静
的強度には強いが、靭性に対して著しく弱い。し
たがつて、中間材としてSnおよびZnを単独で用
いることは好ましくない。一方、被接合材のCu
基材およびFe基材に対してPbはSn、Znとは異な
つて親和力がなく合金層形成には全く寄与しな
い。Pbのみでは低融点接合、高強度継手は得ら
れない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高強度の接合継手を形成する
ことのできる金属材料の接合方法を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

本発明者は被接合材と合金化しないPb等を主
成分とし、かつ被接合材と合金化するSn、Zn、
およびAg等を所定量添加した中間材を用い、被
接合材の接合面に非常に薄い合金層を形成させ、
その後合金化しない主成分のPb等を排出するこ
とによつて高強度接合継手が得られることを見出
した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたもので
ある。

本発明は、加熱により融解する中間材を介して
金属材料を互いに接合する金属材料の接合方法に
おいて、接合される金属材料と合金化しない金属
を主成分とし、合金化する金属を含む合金からな
る中間材を前記接合される金属材料の間に設け、
当該中間材を融点まで加熱して、当該中間材が溶
融した時点で接合界面を加圧することにより前記
金属材料の接合界面に該金属材料と前記中間材中
の合金化する金属とよりなる合金層を形成し、次
いで当該中間材の融点よりも高い温度で、かつ当
該合金層の融点より低い温度まで該中間材を加熱
した後、さらに加圧して前記接合界面から前記中
間材の残存する融液相を押出すことを特徴とする
金属材料の接合方法である。

前記本発明の方法によつて接合される金属材料
としてはCu基材およびFe基材があり、さらにそ
の他Ni、Mn、Si、Ti、ＷおよびMo等の金属お
よびこれらの合金が挙げられる。また互いに接合
される金属材料は同種のものでも異種のものでも
よい。

接合される金属材料がCu基材である際の合金
化する金属としては、Sn、Zn、Ag、Au、In、
Sb、Si、Pt、Pd、Ｐ、Ni、Mn、Mg、Ge、Ga、
Cd、ＢおよびBeからなる群より選ばれた一種も
しくは数種の金属が好ましい。

接合される金属材料がFe基材である際の合金
化する金属としては、Sn、Zn、Ag、Au、Ni、
Mo、Mn、Ge、Pd、Pt、Re、Rh、Si、Be、Ti
およびＷからなる群より選ばれた一種もしくは数
種の金属が好ましい。

以下、かかる本発明方法を実施する際の概要を
図面に基づいて説明する。本発明の方法は第１図
中、，およびで示す各工程としたがつて行
なわれる。工程においては被接合材料Ａおよび
Ｂの間にこれら材料ＡおよびＢと合金化しない金
属（たとえばPb）を主成分とし、合金化する金
属（たとえばSn、Ag、Zn）を一種または数種添
加した合金よりなる中間材Ｃを設置する。

工程で中間材Ｃの融点まで加熱すると中間材
が溶融し、被接合材料Ａ，Ｂの固体と溶融中間材
Ｃとの界面で反応が起こり、中間材Ｃ中の合金化
する金属が選択的にその反応に加わり、夫々合金
属ＤおよびＥを形成する。この合金層の厚さは合
金化する金属の添加量等に関係し、添加量が少な
いほどその厚さは薄くなる。ここで合金化しない
金属を主成分とする一つの要因は合金層の厚さを
薄くするためである。その他の要因としては中間
材の融点を低下させることと、基材との反応はほ
とんど合金化金属によつて行なわれるもので、基
材と合金化金属の反応性を少なくし、合金層中に
占める金属間化合物の生成量を抑えることと、価
格を低下させることも考慮されている。工程に
おいては、加圧を施す。この加圧により溶融した
中間材と被接合材との密着性が高まり、反応性が
向上する。加圧をあまり強く行うことは好ましく
ない。強い加圧により中間材の多くが接合界面外
に排出されてしまうからである。具体的には、状
況にもよるが1.5Kgｆ／cm²を上限とする。工程
において、融点を大きく越える加熱は好ましくな
い。温度が高いと、それに伴い合金属の厚さが大
きくなるからである。

次に工程に移行する間にさらに加熱を施し、
加熱後さらに加圧を施す。加熱は中間材Ｃの融点
以上で合金層ＤおよびＥの融点以下でなければな
らない。合金層ＤおよびＥには被接合材料Ａおよ
びＢが多量に含有されているので、その融点は中
間材の融点より著しく高い。加熱をすることによ
り中間材の流動性が良くなる。また加圧の程度に
ついては加熱温度との関係もあるが、少なくとも
被接合材料が塑性変形して商品価値を失うような
過大な圧力は好ましくなく、好適な範囲は１〜５
Kgｆ／mm²である。工程では合金層同士が接合さ
れ、合金層形成に寄与しなかつた低融点の融液相
Ｆ（たとえばほとんどのPb）が接合面の外に排出
される。加熱により中間材の流動性が良くなるた
め、加圧により中間材を界面に残存することな
く、完全に接合界面外に排出でき、接合層を薄く
できる。そして、この融液相を凝固後、切削除去
することにより接合が完了する。合金層の厚さは
前述したように薄い方が好ましく、最大で20μｍ
以下であり、好ましくは３〜8μｍである。20μｍ
以上に厚くなると、被接合材料の溶解量の少ない
層が形成され、合金層の融点および機械的強度が
低下する原因になる。前記３〜8μｍの範囲は合
金層の融点および機械的強度が向上する厚さであ
る。

本発明における中間材の主成分を、被接合材と
合金化しない金属としたのは、前述のように合金
層の厚さを薄くするためである。主成分の含有量
を具体的に決めるにあたつては、合金層の厚さを
20μｍ以下好ましくは３〜8μｍにするのに必要な
量を選択する。但し、主成分の含有量を具体的に
決定するにあたつては、昇温速度や中間材中の合
金化金属の絶対量等との関係を考慮し適宜定め
る。例えば、昇温速度が大きい場合には、合金化
金属の含有量が多くてもよいが、昇温速度が遅い
場合は、合金化金属量は少ない方が良い。すなわ
ち、主成分である非合金化金属が多い程良い。合
金化金属量が多い場合は、長時間の加熱により合
金層が厚くなつたり、基材界面に金属間化合物が
形成される虞があるからである。

具体的な含有量の選択については以下の実施例
に示す。

〔実施例〕

以下、本発明の方法を具体的な実施例によつて
説明する。

本発明の接合方法の概略を第２図に示す。

実施例 １ 被接合材料としてのCu板（20（Ｗ）×５（ｔ）×
60（）１および２を重ね継手とし、重ね代を５
mmとした。Cu板１とCu板２との間に約0.1mmに加
工した中間材３を挟み、フラツクスを塗布し、高
周波ワークコイル４で誘導加熱した。ここで中間
材にはAgを1.5重量％、Snを１重量％、Znを0.3
重量％、残部Pbの合金からなるろうを用いた。
中間材３を５分間加熱して、中間材の融点（約
310℃）まで昇温させる。次いで接合面に加圧装
置５により約1.5Kgｆ／mm²の圧力を１分間加える。
次いで、中間材３を３分間加熱し、約550℃まで
昇温させる。昇温した時点でさらに接合面に1.5
Kgｆ／mm²を付加し、合計３Kgｆ／mm²の荷重を加え
て加熱を中止する。

実施例 ２ 実施例１においてSnを３重量％および残部Pb
の合金からなる中間材を用い、その他の条件は実
施例１と全く同様にしてCu板１および２の接合
を行なつた。

実施例 ３ 前記実施例１における被接合材料をCuに代え
てFeとし、Fe板（20W×5t×60l）１および２の
間にAg1重量％、Sn2重量％、Mn0.1重量％、残
部Pbの合金からなるろう（融点約320℃）を中間
材３として用いて同様な装置および接合条件によ
つてFe板１および２を接合した。

比較例 １ 実施例１で用いたのと同一のCu板１および２
を実施例１と同じ成分のPb合金ろうを用いて従
来のろう付法即ち融液相の排出を行なわない方法
により350℃でろう付けした。

比較例 ２ 実施例３で用いたのと同一のFe板１および２
を実施例３と同じ成分のPbの合金ろうを用いて
従来のろう付法により350℃ろう付けした。

参考例 １ 実施例１で用いたのと同一のCu板１および２
をJISのＢ Ag−７（55〜57重量％Ag、15〜19重
量％Zn、4.5〜5.5％重量Sn、残部Cu）を用いて
従来のトーチろう付法によつて約730℃でろう付
けした。

参考例 ２ 実施例３で用いたのと同一のFe板１および２
をJISのＢ Ag−７（55〜57重量％Ag、15〜19重
量％Zn、4.5〜5.5重量％Sn、残部Cu）を用いて
従来のトーチろう付法によつて約730℃でろう付
けした。

前記各実施例、比較例および参考例で得られた
重ね継手を引張試試験および再溶融温度試験に付
した。引張試験結果は引張り剪断荷重値L_T（Kg）
によつて示した（第３図）。再溶融温度試験は各
重ね継手を予め1000℃に加熱した縦型電気炉中に
吊し、下端側の被接合材が落下したときの温度値
T_M（℃）を測定することによつて行なつた。結果
を第４図に示した。第３図および第４図中におい
てA₁，A₂およびA₃は夫々本発明方法による実施
例１（Cu継手）、実施例２（Cu継手）、および実施
例３（Fe継手）の場合を、B₁およびB₂は夫々比較
例１（Cu継手）および比較例２（Fe継手）の場合
をまたC₁およびC₂は夫々銀ろう付の参考例１（Cu
継手）および参考例２（Fe継手）の場合の結果を
示す。

第３図から明らかなように、本発明方法による
CuおよびFe継手の引張強度は夫々の同成分のろ
う付法の場合よりも約４倍以上に改善され、また
銀ろう付の場合の結果とほぼ同様な値を示してい
る。尚本発明方法および銀ろう付法でFe継手の
方がCu継手よりも剪断荷重値が大きいのはCu継
手の場合にCu母材中でより早く破断が生じるた
めである。

さらに第４図から明らかなように、本発明によ
つて約550℃の低いろう付け温度で得られた重ね
継手の接合部の再溶融温度は約730℃の温度で銀
ろう付けされた重ね継手の場合より高くなつてい
る。この原因を明らかにするために、実施例１の
本発明方法でろう付けした試片（Cu継手）の断
面を電子プローブマイクロアナライザで分析した
結果を第５図中に示す。図示のように、合金層に
はCu−Sn−Ag−Zn組成が形成され、Pbは検出
されなかつた。第６図に本発明方法で接合した断
面の顕微鏡組織を示す。合金層の厚さは約4μｍ
で健全な接合面が得られている。

次に、中間材の成分を変え、被接合材の形状を
変え、加熱加圧方法を変えて（実施例４の場合）
基材の接合を行つた。以下説明する。

実施例 ４ 被接合材としてのCu板1.0（Ｗ）×0.8（ｔ）×50
（）１および２を重ね継手とし、重ね代を３mm
とした。中間材３にSn40重量％、In20重量％、
Cd0.5重量％、残部Pbからなる成分のろうを用
い、260℃に加熱したホツトプレート上でフラツ
クスを用いて予備はんだ付（30秒保持）を行つ
た。続いてこの接合した試験片を抵抗接合機によ
り、初期加圧力1.5Kgｆ／mm²、後加圧力５Kgｆ／
mm²、通電2.9KA、並びに通電時間0.4秒掛けてろ
う付した。

（結果） Cu基材からの破断時の引張剪断荷重は約17Kg
となつた。このことは、単位引張剪断荷重が
21.25Kgｆ／mm²であるを意味する。この単位引張
り剪断荷重は、従来の銀ろう法に比較しても十分
な強度を持つ値である。

また、再溶融温度は800℃以上となり、従来の
銀ろう法並の耐熱性を有した。

実施例 ５ 被接合材としてのCu棒6.0（φ）×15（）１およ
び２を突合せ継手とし、Cu板１とCu板２との間
に約0.1tに加工した中間材３を挟み、フラツクス
を塗布し高周波ワークコイル４で誘導加熱した。
ここで中間材にはAg3％、Zn2％、Pb42％、残部
Biからなる成分のろうを用いた。中間材３が溶
融した時点で1.5Kgｆ／mm²の加圧力に加え、より
高い温度（約350℃）に加熱されたところで４Kg
ｆ／mm²の加圧を付与し、150℃迄冷却した時点で
加圧を解除した。昇温速度および加圧保持時間は
実施例１と同様である。

（結果） Cu基材からの破断時の引張剪断荷重は、約300
〜350Kgｆとなつた。このことは単位引張剪断荷
重が10.6Kgｆ／mm²〜12.38Kgｆ／mm²となることを
意味する。この単位引張剪断荷重は、従来の銀ろ
う法に比べても十分強度を有する値である。

また、再溶融温度は実施例４と同様800℃以上
となつた。

上記実施例４、５で接合した試片の断面の顕微
鏡組織について検討した。その結果、実施例４に
おける試片の合金層厚さは、約17.5μｍであり、
実施例５における試片の合金層の厚さは、約
18.5μｍであつた。ともに合金層は20μｍ以下であ
り、かつ健全な接合界面であつた。

以上の各実施例においては、被接合材として
Cu基材を用いた場合について述べたが、Al、
Ti、Nb、Sn、Mg、Ni基材等の被接合材につい
ても同等の効果が得られた。またこれらの複合材
の接合および異材接合にも本発明方法は適用でき
るもである。他の接合材として被接合材に予め予
備ろう付あるいはめつきを施してから本発明方法
によるろう付方法を採用してもその効果は変らな
い。また本発明はろう付一般に用いられている加
圧可能な継手形状であれば適用可能である。加圧
方法においても機械方式、油圧方式、電気的方式
等一般的な方法が適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る金属材料の接
合方法によれば、Ag含有量の少ない安価な低融
点ろう材で接合できると共に、継手部には高融点
の合金層が形成されるので耐熱性に富んだ高い強
度の継手が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のろう付工程を示す説明図、第
２図は本発明方法を実施する際の概要の説明図、
第３図は本発明方法と従来のろう付方法によつて
接合した継手試片の引張強度を示す線図、第４図
は前記継手試片の再溶融温度を示す線図、第５図
は本発明方法によりろう付けした接合部の電子プ
ローブマイクロアナライザによる分析結果を示す
図、第６図は本発明方法によりろう付けした接合
部の金属組織を示す顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加熱により融解する中間材を介して金属材料
   を互いに接合する金属材料の接合方法において、 接合される金属材料と合金化しない金属を主成
   分とし、合金化する金属を含む合金からなる中間
   材を前記接合される金属材料の間に設け、 当該中間材を融点まで加熱して、当該中間材が
   溶融した時点で接合界面を加圧することにより前
   記金属材料の接合界面に該金属材料と前記中間材
   中の合金化する金属とよりなる合金層を形成し、 次いで当該中間材の融点よりも高い温度で、か
   つ当該合金層の融点より低い温度まで該中間材を
   加熱した後、さらに加圧して前記接合界面から前
   記中間材の残存する融液相を押出すことを特徴と
   する金属材料の接合方法。 ２ 前記接合される金属材料が銅または銅合金で
   あり、前記接合される金属材料と合金化する金属
   がSn、Zn、Ag、Au、In、Sb、Si、Pt、Pd、Ｐ、
   Ni、Mn、Mg、Ge、Ga、Cd、ＢおよびBeから
   なる群より選ばれた少なくとも一種であり、前記
   接合される金属材料と合金化しない金属がPbも
   しくはBiであることを特徴とする前記特許請求
   の範囲第１項記載の金属材料の接合方法。 ３ 前記接合される金属材料が鉄または鉄合金で
   あり、前記接合される金属材料と合金化する金属
   がSn、Zn、Ag、Au、Ni、Mo、Mn、Ge、Pd、
   Pt、Re、Rh、Si、Be、TiおよびＷからなる群よ
   り選ばれた少なくとも一種であり、接合される金
   属と合金化しない金属がPbもしくはBiであるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の
   金属材料の接合方法。