JPH02151378A - 酸化雰囲気中で接合可能なＣｒ含有材料の液相拡散接合用合金箔 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属材料の液相拡散接合に関し、詳しくはステ
ンレス鋼、高ニツケル基合金、及び耐熱合金鋼の液相拡
散接合あるいはこれら合金鋼と炭素鋼の液相拡散接合用
に有用で、酸化雰囲気中での接合が可能で、接合強度の
高い接合部を得ることができることを特徴とする液相拡
散接合用材料に関する。

〔従来の技術〕

液相拡散接合は接合しようとする材料の間に箔。

粉末、あるいはメツキ等の形態で被接合材よりも融点の
低い共晶組成を有する合金を介在させて加圧し、挿入合
金（以下インサートメタルと称する）の液相線直上の温
度に接合部を加熱することによって溶融１等温凝固させ
る接合法であり、固相接合法の一種と考えられている。

液相拡散接合は、比較的低い加圧力で接合できることか
ら、接合による残留応力や、変形を極力避ける必要のあ
る接合に用いられ、同時に溶接の困難な高合金鋼、耐熱
鋼の接合にも適用されている技術である。

液相拡散接合によって接合しようとする材料は多くの場
合、合金組成として１．０％以上のＣｒを含有する。Ｃ
ｒ含有材料は緻密な酸化Ｃｒ（多くの場合Ｃｒ２０３）
皮膜を表面に形成するために、耐酸化性。

耐食性が優れているのが特徴である。従って接合時の加
熱によっても当然接合面には酸化皮膜が形成されること
となり、溶融したインサートメタルの濡れが阻害され、
接合に必要な原子の拡散が著しく妨げられる。

故に従来は特開昭５３−８１４５８号公報、特開昭６２
−３４６８５号公報、さらに特開昭６２−２２７５９５
号公報に見られるようにいずれも接合の際には雰囲気を
真空。

不活性、もしくは還元性に保たねばならず、接合コスト
の著しい上昇を招いていた。

本発明者らは以上の知見に基づき研究を重ねた結果、成
分として■を含有するインサートメタルは酸化雰囲気中
でも液相拡散接合が可能であることを見いだした。しか
も、■はインサートメタルの融点を上昇させる元素では
あるが、他の元素（本発明においては専らＳｉ）を適当
に調整することで接合性の極めて優れたインサートメタ
ルを得ることができることを見いだした。

■を含有し、Ｓｉ量を増加させた液相拡散接合用合金箔
は殆ど前例が無い。米国特許第３８５６５１３号明細書
にＭａＹｂＺｃなる組成を有する合金についての開示が
ある。式中ＭはＰ　ｅ　＋　Ｎ　ｓ　＋　Ｃｏ　＋　Ｖ
　＋　Ｃｒからなる群から選ばれる金属であり、ＹはＰ
、Ｂ、Ｃからなる群から選ばれる元素であり、ＺはＡＩ
、Ｓｉ、Ｓｎ。

Ｇｅ、　Ｉｎ、　Ｓｂ、　Ｂｅからなる群から選ばれる
元素であり、ａは約６０〜９０原子％の範囲にあり、ｂ
は約１０〜３０原子％の範囲にあり、Ｃは約０．１〜１
５原子％の範囲にある。このような材料は現在周知の処
理技術を用いて溶融物からの急速冷却によって工業的に
製造され、実用化されている。

しかしながらこの場合には、■は基材として使用するこ
とおよび合金をアモルファス化することを目的としたも
のであって接合用の合金箔として開示されたものではな
い。しかも、Ｓｉの含有量が低く、箔の融点は本発明に
比較して相当に高いため、液相拡散接合の実現はきわめ
て困難である。

加えてＰ含有量も本発明とは全く異なっており、高いた
めに接合部近傍Ｍｏ、もしくはＣｒ含有合金側に粗大な
析出物を生成するので接合強度が本発明の箔を用いて得
られる接合部に比較して全く低いものとなる。特開昭５
３−８１４５８号公報は米国特許第３８５６５１３号明
細書記載の合金を箔の形で提供するものであるが、この
場合には■を成分として含有していないため、酸化雰囲
気中での液相拡散接合は全く不可能である。

尚、本発明において「酸化雰囲気」とあるは、接合雰囲
気中に体積％で０．１％以上の酸化ガスを含有し、酸化
ポテンシャルが１０””ａｔｍ以上、即ち還元性のガス
、例えばＨ，、Ｈ，Ｓ、水蒸気その他を含有している場
合でも酸化力が酸素濃度相当で、０．１％以上である雰
囲気を意味している。

また「融点」とあるは、２元以上の合金においては、そ
の状態図上での固相線を、特に断わらない限りにおいて
意味するものとする。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記のような従来の欠点、即ち酸化雰囲気中に
おける液相拡散接合において被接合材表面に生成し、拡
散接合を妨げるＣｒ酸化皮膜を無害化して酸化雰囲気下
においても液相拡散接合を可能ならしめるためになされ
たものであって、■をインサートメタルの成分として含
有することでＣｒ酸化皮膜を低融点のＣｒｚ（ｈ−Ｖｚ
Ｏｓ複合酸化物化する事によって球状化し、液相拡散接
合に対して無害化して、酸化雰囲気下での液相拡散接合
を実現する液相拡散接合用合金箔を提供することを目的
としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは酸化雰囲気中で液相拡散接合を施工する場
合において、■を０．１〜２０．０％含有し、Ｓｔを増
加したインサートメタルを用いれば、接合が可能である
ことを見いだした。

本発明はこうした知見に基づいてなされたもので、その
要旨とするところは、原子％でＰ　：　０．５〜１０．
０％未満、Ｓｉ：１５．０〜３０．０％、■：０、１〜
２０．０％を含有し、あるいは更に（Ａ）Ｃｒ：０、１
〜２０．０％、　Ｆｅ　：　０．１〜２０．０％、Ｍｏ
：０．１〜２０．０％の１種または２種以上および／ま
たはＣＢ）Ｗ：　０．１〜１０．０％、　Ｃｏ：　０．
１〜１０−０％の１種または２種を含有し、残部は実質
的にＮｉおよび不可避の不純物よりなる組成を有し、厚
さが３．０−１２０μｍであることを特徴とする酸化雰
囲気中で接合可能な液相拡散接合用合金箔であり、ある
いは加えて実質的にガラス質であることを特徴とする液
相拡散接合用合金箔である。

以下本発明の詳細な説明する。

〔作用〕

最初に本発明において各成分範囲を前記のごとく限定し
た理由を以下に述べる。

まずＰは液相拡散接合を達成するに必要な等温凝固を実
現するための拡散原子として、あるいは基材のＮｉの融
点を被接合材よりも低くするために必要な元素であり、
それぞれの目的のためには０．５％以上含有させること
が必要であるが、本発明者らは詳細な研究によって１０
００％以上含有させると接合部近傍Ｍｏ、Ｃｒ含有合金
側の結晶粒界に５μｍ以上の粗大な硼化物が生成し、接
合部強度が著しく低下することを見いだしたので、０．
５〜１０．０％未満とした。このＰ含有量が低いことも
また本発明の特徴の一つである。

次にＳｔは基材のＮｉの融点を降下させるのに有効な元
素であるが、本発明の合金箔は■を多く含有することが
特徴であり、そのために融点が比較的高くなり接合時間
が長くなることを防止するために、１５．０％以上添加
することが必要である。しかしながら３０．０％を越え
る添加では、酸化雰囲気中での液相拡散接合の際にイン
サートメタル中にＳｉを含む粗大な酸化物を生成し、接
合部強度および靭性を劣化させる場合があるのでその成
分範囲を１５．０〜３０．０％に限定した。

■はＣｒ含有合金表面のＣｒの酸化皮膜を溶融・球状化
させ、溶融インサートメタルと合金の濡れを良くし、Ｐ
の拡散がＣｒ酸化皮膜によって阻害されることを防止す
ることで酸化雰囲気中における液相拡散接合を実現させ
るきわめて重要な元素である。その添加量は０．１％未
満ではＣｒの酸化皮膜を溶融させるに不十分であるため
に効果がな（，２０，０％を越えて添加するとインサー
トメタル中にＶ燐化物が生成し、液相拡散接合が実質的
に不可能となるため０．１〜２０．０％の範囲とした。

以上が本発明の基本成分であるが、本発明においてはこ
の他にそれぞれの用途に応じて（Ａ）Ｃｒ：　０．１〜
２０．０％、Ｆｅ：０．１〜２０．０％、　Ｍ。

：０．１〜２０．０％の１種または２種以上および／ま
たは（Ｂ）Ｗ：０．１〜１０．０％、Ｃｏ：０．１〜１
０．０％の１種または２種を含有させることができる。

まず、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏはこれらを含有する合金鋼を液
相拡散接合する場合に、合金とインサートメタルとの機
械的特性の差異を減少させるべく添加する元素であって
、被接合材の合金鋼成分に見合った範囲で含有量を決定
すべきである。また、接合部分が腐食環境に曝される可
能性がある場合には旧インサートメタル領域の耐食性向
上にＭｏとＣｒが、被接合材が耐熱鋼である場合には高
温強度確保のためにＭｏ、析出強化元素としてＭＯとＣ
ｒ。

およびＦｅがそれぞれ有効である。何れの元素も０．１
％未満では効果がなく、２０．０％を越えて添加すると
インサートメタル中にＦｅ、ＣｒあるいはＭｏの燐化物
が生成し、実質的に液相拡散接合が不可能となるのでそ
れぞれ０．１〜２０．０％の範囲とした。

また、Ｗ、Ｃｏは主に高強度材料の接合に際して旧イン
サートメタル部分に高い強度を付与させる目的で添加す
る元素であって、金属間化合物、あるいは炭化物として
析出し、強度を飛躍的に高める。何れも０．１％未満で
は効果がなく、１０．０％を越えて添加するとインサー
トメタル中に粗大な金属間化合物が生成してしまい、接
合部靭性を著しく劣化させる場合があるので０．１−１
０．０％の範囲とした。

上述の各合金成分はそれぞれ単独に添加しても、あるい
は併用して添加しても良い。

本発明の液相拡散接合用合金箔はインサートメタルとし
て種六の形状で提供することが可能である。例えば請求
鋼１〜４の何れかの成分を有する合金を液体急冷法によ
って箔とする事は本発明の化学成分から十分に可能であ
るし、また最も適している。更に、真空溶解、鋳造して
通常の方法で圧延、焼鈍し、箔の形態で提供することも
また可能である。

合金箔の結晶構造をガラス質としたのは本発明の合金箔
が液相拡散接合時に均一に溶融する必要があるためであ
る。不均一な組成で、含有合金成分の偏析がある場合に
はインサートメタルの融点が接合部の位置によって異な
ることとなり、均質な接合界面が得られないためである
。いうまでもな（、均質な組成の合金箔が容易に得られ
る場合には結晶構造はガラス質である必要は無い。

本発明では、通常合金溶湯を用いて液体急冷法により箔
を製造するが、ここで採用される基本的製造方法は合金
の溶湯をノズルを介して冷却基板上に噴出し、熱的接触
によって急冷凝固させる液体急冷法のうち、いわゆる単
ロール法が適している。もちろん、ドラムの内壁を使う
遠心急冷法やエンドレスタイプのベルトを使用する方法
や、これらの改良型、例えば補助ロールや、ロール表面
温度制御装置を付属させた方法、あるいは減圧下ないし
、真空中または不活性ガス中での鋳造もそれに含まれる
。また、一対のロール間に溶湯を注入して急冷凝固させ
る双ロール法も適用できる。

合金箔の厚みは薄いほど接合部近傍における機械的特性
の変化が少なく、接合に要する時間も短いので液相拡散
接合に有利であるが、３．０μｍ未満の場合には■の絶
対量が被接合材合金表面のＣｒ酸化皮膜を無害化するに
不十分となり、１２０．０μｍを越えると液相拡散接合
終了までに要する時間が１０時間以上となってしまい、
実用的でないことから３．０〜１２０．０μｍの厚みと
した。

本発明は液相拡散接合用の合金箔に関するものであるが
、大気中で接合が可能であることから、本発明合金箔を
ろう付け、半田づけなどの接合法に応用することもまた
可能であり、有用である。

〔実施例〕

第１表〜第６表に示すように請求項１〜４の何れかの組
成を有する合金約１００ｇを（１）、単ロール法（Ｃｕ
合金製３００ＩＩ［Ｔ１１径）にて急冷し、あるいは（
２）、真空溶解炉で溶製し、鋳造した後に通常の方法で
熱間圧延して、板幅２〜２１５ｍ、板厚３０．０μｍの
箔とした。なお、熱間圧延により製造した箔は７００°
Ｃで１０時間、均一化焼鈍して巨視的な成分の不均一を
なくした。象、６箔の鋳造条件は、ロール周速を５．０
〜１５．０ｍ／ｓの間に保持しである。得られた箔は板
幅と板厚をそれぞれ５点測定して、上記の寸法が得られ
ていることを確保した後にＤＴＡ　（示差熱分析装置）
にて融点を測定した。融点は第１表〜第６表に同時に示
しである。次に化学分析で成分を同定した。第１表〜第
６表はその分析結果で、単位は原子％である。

各桁は何れもＮｉを基材としており、各成分の和と１０
０％との差がＮｉと不可避の不純物の合計濃度を意味す
る。各桁の結晶構造は上記の製造条件においては非晶質
、結晶質、および部分的に結晶質と非晶質の混じった構
造の何れかになるが、何れの構造をとるかはその組成で
決定される。

続いて第１表〜第６表合計２３５の箔を含む請求項１〜
５を満足するインサートメタルおよび第７表を含む比較
インサートメタル（従来型インサートメタルを含む）を
用いて液相拡散接合を実施した。第７表の各桁の基材は
何れもＮｉであり、各成分の和と１００％との差がＮｉ
と不可避の不純物の合計濃度を意味する。第７表の箔の
製造方法も第１表〜第６表の本発引箔の場合と全く同様
である。試験片形状は第１図に示すごと＜１００ｍｍ厚
Ｘ１０００ｍｍ幅Ｘ　２０００胴長で、低炭素鋼と６２
％Ｎｉ耐食合金をそれぞれ用意し、第２図に示すごとく
間にインサートメタルを挾み込んだ。第８表に液相拡散
接合に用いた被接合材化学成分を示した。インサートメ
タルの厚みは３．０〜５００μｍとした。

雰囲気は大気、接合温度は各桁の融点直上〜融点＋５０
°Ｃの範囲とし、大型加熱炉を用いて実質的に８５０〜
１３００’Ｃで接合した。加圧は特に行っておらず、何
れも自重で接合している。接合時間はすべて１時間とし
、非接合材の強度、耐食性、靭性を確保するために接合
後の熱処理を焼き鈍し、焼き入れ十焼き鈍し、焼き鈍し
十焼き戻し、焼き入れ十焼き鈍し十焼き戻し、を適宜単
独で、あるいは組合せて施した。これら熱処理の間に被
接合材同士の元素の相互拡散が進行し、接合部の均質化
が進んだが、インサートメタル中のＰｆｆｉが少ないた
めに析出物の生成、増加、成長は殆ど見られなかった。

次にＪＩＳ　Ｇ−０６０１−５ｒクラッド鋼板の超音波
探傷試験法」に基づいて試験片方式で接合部の健全性を
調査したが、請求項１〜５を満足するインサートメタル
を用いた全ての試験片で非接合面積率は０％であった。

更に第３図に示す要領で板厚方向からＪＩＳＡ−２号引
っ張り試験片４を切り出し、各接合材ともにインストロ
ン型引張試験機を用いて常温で接合部破断相対強度を調
査した。

接合部の引っ張り破断強度は、被接合材の材質。

板厚、および使用環境条件等で決定されるが、本実施例
においては実用上の制限から３０　ｋｇ　／　＋＊ｊを
最低必要強度として仮に設定し、この値以上の破断強度
が得られた場合に十分な接合が実現したと判断した。

第４図は接合部破断強度に与えるインサートメタル中の
■の濃度の影響を表わしている。■濃度が原子％で０．
１％未満の場合には非接合材合金表面のＣｒ酸化皮膜を
十分に無害化できないために、接合部破断強度が低いが
、０．１％以上では接合部破断強度が母材並みあるいは
母材以上となっており、■が効果的に作用してＣｒ酸化
皮膜を無害化している。しかし■が２０．０％を越える
とインサートメタルの融点が上昇するために接合時間が
不足して接合部破断強度が低下する。

第５図は同様にＳｔと接合部破断強度の関係を示した図
である。Ｓｉが１５．０％未満および３０．０％を越え
る場合では接合部破断強度が低く、１５．０〜３０．０
％の場合には高い接合部破断強度が得られる。

第６図はＰと接合部破断強度の関係を示した図である。

Ｐが０．５％未満の場合にはインサートメタルの融点が
高いために、１０．０％以上の時には接合界面近傍に生
成する硼化物のために接合部破断強度が低下する。０．
５％〜１０．０％未満のＰの場合には高い接合部破断強
度が得られる。

第７図はインサートメタルの厚みと接合部引っ張り強度
３０ｋｇ／−以上を確保するに必要な接合時間との関係
を示した図である。厚みが１２０μｍを越える箔では本
発明の成分範囲においては１０時間以上の接合時間が必
要となり、実用的ではないことが明かである。

第７表は本発明合金箔に対する比較合金箔の化学成分分
析結果と融点２比較合金済を用いて実施例と全く同様な
手法によって製造したクラツド鋼板の接合部引っ張り破
断強塵を示したものである。

第２３６番箔はＰ含有量が不足したために融点が１３０
０’Ｃを超え、結果として破断強度が低かった例、第２
３７番箔はＰ含゛有量が高く、接合部近傍被接合合金側
に粗大な硼化物が多数生成して接合部破断強度が著しく
低下した例、第２３８番箔。

第２３９番箔はそれぞれＳｉ量が不足して融点が１３０
０″Ｃ以上になった例と、Ｓｉ量が過多となって接合時
に粗大なＳｉ０ｇ系酸化物がインサートメタル中に生成
して接合部破断強度が低下した例、２４０番箔はＶ量が
不足して被接合材合金表面に生成したＣｒ酸化皮膜が十
分に無害化されなかった例、２４１番箔はｖ量が２０．
０％を超えたために、拡散すべきＰがインサートメタル
中ですべて■燐化物として捕獲されてしまい、液相拡散
接合が十分に行なわれなか−た例、２４．２，２４３，
２４４番箔はいずれもＦｅ、　Ｃｒ、　Ｍｏがそれぞれ
２０．０％を越えたためにインサートメタル中にそれぞ
れの原子との燐化物が生成し、液相拡散接合が十分に行
なわれなかった例、２４５，２４６番箔はＰが過多であ
ると同時にＳｉが少なく、融点は低いものの、接合部近
傍に多数の粗大な燐化物が生成し、接合部破断強度が不
足した例である。

第１表本発引箔 第２表本発明濱 第２表本発四箇（つづ き） 第４表本発明箔 第３表本発明箔 第５表本発明省 第５表本発明Ｆ／ｉ（つづき） 第６表本発引箔（つづき） 第６表本発明箔 鋼）、３・・・液相拡散接合用合金Ｍ（インサートメタ
ル）、４・・・接合部破断強度調査用引っ張り試験片、
５・・・液相拡散接合済みクラツド鋼板、Ｘ・・・クラ
ツド鋼板幅方向、ｙ・・・クラッド鋼板長さ方向、２・
・・クラッド鋼板板厚方向。

〔発明の効果〕

本発明は酸化雰囲気中においても液相拡散接合が可能で
、極めて破断強度の高い液相拡散接合を実現する液相拡
散接合用合金箔を提供するもので、産業の発展に寄与す
るところ極めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は被接合材の模式図の一例、第２図は液相拡散接
合クラツド鋼板の組み立て要領を表わす図、第３図は完
成したクラツド鋼板と、接合部破断強度評価用引っ張り
試験片採取要領図、第４図はインサートメタル中のｖ量
と接合部破断強度の関係を表わす図、第５図はインサー
トメタル中のＳｉｌと接合部破断強度の関係を表わす図
、第６図はインサートメタル中のＰ量と接合部破断強度
の関係を表わす図、第７図はインサートメタルの厚みが
液相拡散接合によって３０ｋｇ／−以上の破断強度を有
する接合部を得るのに要する接合時間に与える影響を表
わす図である。 １・・・被接合材（炭素鋼）、２・・・被接合材（合金
第１図 第４図 インサートメゲルｒｐｖＶｇｉ 第５図 インサーＦメタノＦ中のＳ、［し釘

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）原子％で Ｐ：０．５％〜１０．０％未満 Ｓｉ：１５．０％〜３０．０％ Ｖ：０．１％〜２０．０％ を含有し、残部は実質的にＮｉおよび不可避の不純物よ
   りなる組成を有し、厚さが３．０〜１２０μｍであるこ
   とを特徴とする酸化雰囲気中で接合可能な液相拡散接合
   用合金箔。
2. （２）原子％で Ｐ：０．５％〜１０．０％未満 Ｓｉ：１５．０％〜３０．０％ Ｖ：０．１％〜２０．０％ に加えて更に Ｃｒ：０．１％〜２０．０％ Ｆｅ：０．１％〜２０．０％ Ｍｏ：０．１％〜２０．０％ の１種または２種以上を含有し、残部は実質的にＮｉお
   よび不可避の不純物よりなる組成を有し、厚さが３．０
   〜１２０μｍであることを特徴とする酸化雰囲気中で接
   合可能な液相拡散接合用合金箔。
3. （３）原子％で Ｐ：０．５％〜１０．０％未満 Ｓｉ：１５．０％〜３０．０％ Ｖ：０．１％〜２０．０％ に加えて更に Ｗ：０．１％〜１０．０％ Ｃｏ：０．１％〜１０．０％ の１種または２種を含有し、残部は実質的にＮｉおよび
   不可避の不純物よりなる組成を有し、厚さが３．０〜１
   ２０μｍであることを特徴とする酸化雰囲気中で接合可
   能な液相拡散接合用合金箔。
4. （４）原子％で Ｐ：０．５％〜１０．０％未満 Ｓｉ：１５．０％〜３０．０％ Ｖ：０．１％〜２０．０％ に加えて更に Ｃｒ：０．１％〜２０．０％ Ｆｅ：０．１％〜２０．０％ Ｍｏ：０．１％〜２０．０％ の１種または２種以上および Ｗ：０．１％〜１０．０％ Ｃｏ：０．１％〜１０．０％ の１種または２種を含有し、残部は実質的にＮｉおよび
   不可避の不純物よりなる組成を有し、厚さが３．０〜１
   ２０μｍであることを特徴とする酸化雰囲気中で接合可
   能な液相拡散接合用合金箔。
5. （５）実質的にガラス質である請求項１〜４の何れかに
   記載の酸化雰囲気中で接合可能な液相拡散接合用合金箔
   。