JPH04220195A - 接合用インサート材料 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種金属の接合時に用
いるロウ材である接合用インサート材料に関し、さらに
詳しくは、銅合金と鋼、鋼と鋼などの接合性に優れ、か
つ低コストで得られる銅系の接合用インサート材料に関
する。

【０００２】

【従来の技術】優れた摺動性を有する黄銅系材料または
青銅系材料等を強靱な鋼材に接合して形成されるシリン
ダブロックやピストンシューなどの部品では、前述した
ような銅系の摺動材と鋼材とが強固に接合されているこ
とが必須の要件である。

【０００３】その接合法としては、従来、次のような方
法が採られている。 ■鋳込み接合 鋳型中に予熱した鋼材をセットした後、溶融状態の青銅
材を注入して接合する。 ■肉盛 青銅や黄銅の材料を鋼母材上に載置した後、あるいは青
銅や黄銅の粉末を母材上に供給しながら溶融させ、同時
に鋼母材も加熱しつつそれらの肉盛層を形成する。 ■ロウ付け 青銅材または黄銅材と鋼材との間に銀ロウ、黄銅ロウ、
青銅ロウ等のロウ材をインサートし、非酸化雰囲気の炉
内で加熱溶融して接合させる。あるいは、シューなどの
小物品では加圧しながら直接通電する抵抗ロウ付け法に
よってロウ材を溶融させて接合させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たような従来の接合法では、それぞれ次のような問題点
があった。

【０００５】■鋳込み接合では青銅材の歩留りが悪いた
め生産性も悪く、コスト高になる。また、この鋳込み接
合では蒸気圧の高いＺｎを多く含む黄銅系の接合ができ
ない。

【０００６】■肉盛は黄銅系、青銅系のいずれの材料で
も接合可能であるが、生産性に劣り、品質のバラツキも
大きく、また高温、ダスト等により作業環境が劣悪とな
る懸念がある。

【０００７】■ロウ付けでは、黄銅ロウあるいは青銅ロ
ウを用いて非酸化雰囲気の炉内でロウ付けする場合は、
充分な接合強度が得られない。銀ロウを用いて同様にロ
ウ付けする場合には、接合強度の向上は期待できるが、
銀ロウが多量の銀を含むために非常にコスト高になる。

【０００８】また、加圧しながら接合部に通電してロウ
材を溶融させる抵抗ロウ付け法では、接合しようとする
材料が青銅材または黄銅材であると、これらの材料とロ
ウ材との電気抵抗値の差が少なく、したがって接合部に
おいて十分な発熱量が得られない。たとえ所要の発熱量
が得られたとしても、接合しようとする側の材料とロウ
材との融点が近いために、ロウ材のみを溶融させること
が難しく、接合材料の品質管理が困難である。

【０００９】本発明は前述したような種々の問題点を解
消するためになされたものでその目的は、安価で、特に
鋼に対して大きな接合強度が得られるロウ材としてのイ
ンサート材料を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従来の青銅ロウあるいは
黄銅ロウをロウ材料として用いたロウ付け法においては
、ロウ材が最も低い融点をとるようにロウ材の成分組成
を決めていた。すなわち、ロウ材の成分が共晶を生成す
ることを狙った成分組成としていたのである。ロウ材は
共晶の状態にある場合には、融点が低いという点で有利
である。しかしながら一方では、共晶は固くて脆いとい
う欠点があり、これがロウ付けによる接合時の接合強度
が低い原因の１つとなっていた。

【００１１】本発明は、前述したようなロウ材を共晶状
態にある溶成材とした従来のロウ材に対する認識から脱
却して粉末冶金技術における液相焼結の技術に基づく新
規なロウ材としてのインサート材料を提供するものであ
る。

【００１２】すなわち、本発明に係る接合用インサート
材料は、金属粉末および合金粉末の混合粉末を圧粉およ
び圧延してなる薄板状の圧粉体であるとともに、この圧
粉体の成分組成が、Ｓｎが５〜１５ｗｔ％、Ｐが　０．
１〜２．０　ｗｔ％、Ｆｅが　０．３〜１３ｗｔ％含有
され残部が主としてＣｕよりなる構成とされたことを特
徴とするものである。

【００１３】さらに、金属粉末および合金粉末を圧粉お
よび圧延してなる薄板状の圧粉体であるとともに、この
圧粉体の成分組成が、Ｓｎが５〜１５ｗｔ％ならびにＳ
ｉが　０．１〜３．０　ｗｔ％、Ｔｉが　０．１〜５．
０　ｗｔ％、Ｐが　０．１〜２．０　ｗｔ％、Ｆｅが　
０．３〜１３ｗｔ％のうちから少なくとも一種が含有さ
れ残部が主としてＣｕよりなる構成とされたことを特徴
とするものである。

【００１４】また、このような２通りの基本成分の他に
Ｎｉ：５ｗｔ％以下、Ａｇ：５ｗｔ％以下およびＰｂ：
５ｗｔ％以下の成分量のうちの１種または２種以上を添
加含有させることもできる。

【００１５】本発明に係るインサート材料は、基本的に
は青銅（Ｃｕ−Ｓｎ）系となっている。その理由は、青
銅系材料が、■融点が低く銅合金／鋼の接合温度を低下
させること、■Ｃｕ−Ａｇ系に比べてはるかに安価であ
ること、■Ｚｎを含む黄銅と異なり合金蒸気圧が低いこ
と、等である。

【００１６】前記■の効果はＳｎの含有量を５ｗｔ％以
上とした場合に有効であるが、Ｓｎの含有量が１０ｗｔ
％を超えると接合界面部にＣｕ−Ｓｎのβ型金属間化合
物が析出し始め、さらに１２ｗｔ％以上ではこのβ型金
属間化合物の析出量が多量となってインサート材料によ
る接合部が脆くなる。したがって、Ｓｎの含有量は５〜
１５ｗｔ％とし、好ましくは５〜１０ｗｔ％の範囲であ
る。特に、接合面積が大きい場合には、Ｓｎの含有量は
１０ｗｔ％を超えないことが好ましい。

【００１７】Ｐは接合界面部での接合性の改善を図るた
めに加えられる。すなわち、Ｐは接合時に生成する液相
の流動性を高めるとともに、接合界面部に生成する酸化
被膜を、その強い還元能力によって還元し分散させる機
能を有する。これらの機能を発揮させるためにはＰの含
有量は　０．１〜２．０　ｗｔ％が良く、　０．６〜１
．０　ｗｔ％の範囲であることがさらに好ましい。Ｐが
多すぎると接合部にＣｕ３Ｐが共晶状に晶出し、このＣ
ｕ３Ｐは脆いために接合強度を向上させる上で逆効果と
なる。

【００１８】ところが、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐの三元系では　
８００℃〜８５０℃以上に加熱されるとＯ２　が解離し
発泡し易くなる。本発明ではこのような発泡を防止する
ためにＦｅが添加される。この発泡防止効果はＦｅの脱
酸作用によるものである。さらにＦｅの添加は前記した
共晶状Ｃｕ３Ｐの晶出を防止する上からも有効である。

【００１９】Ｆｅは粒径が　２５０メッシュ以下の鉄粉
末または同じく　２５０メッシュ以下のＦｅ−Ｐ合金粉
末（Ｐ含量１５ｗｔ％以上）として添加することが好ま
しく、なかでも前記ＰをＣｕ系もしくはＮｉ系のＰ合金
粉末の形で添加する場合には、粒径５０μｍ以下の鉄を
主体とするＦｅ粉末の適量添加により、全体中のＦｅ量
を調整するのが効果的である。Ｆｅの含有量は０．３〜
１３ｗｔ％の範囲内にあるのが良く、多すぎるとインサ
ート材料の融点が高くなるため好ましくない。

【００２０】なお、上記のＰ、Ｆｅの還元、脱酸機能の
目的はＳｉ、Ｔｉの単独または複合的添加によっても同
様に達せられる。含有量はＳｉ：　０．３〜３．０ｗｔ
　％、Ｔｉ：　０．１〜５．０ｗｔ　％の範囲にあるの
が良く、多すぎた場合には金属間化合物が多く析出して
脆くなるため好ましくない。

【００２１】前述したようなＣｕ−Ｓｎ系にＰとＦｅと
を加えた基本組成もしくはＳｉ、Ｔｉを単独、複合的に
加えた基本組成に加えて、本発明では５ｗｔ％以下のＮ
ｉ、５ｗｔ％以下のＡｇおよび５ｗｔ％以下のＰｂのう
ちの１種または２種以上を添加することを可能としてい
る。

【００２２】これら添加材のうちＮｉ、ＳｉおよびＴｉ
はインサート材料自体および接合界面自体の強化を目的
として添加される。ＮｉとＳｉはそれぞれ適量が共存す
ることによって著しく剪断強度を増加させるが、Ｎｉと
Ｓｉとを合わせた量が４ｗｔ％を超えると金属間化合物
が析出し始めて脆くなり、接合強度が弱くなるので、こ
の量を４ｗｔ％以下に抑えておくことが好ましい。

【００２３】ＴｉとＳｉとについても、ＮｉとＳｉの場
合とほぼ同じことが言える。Ｔｉを単独に添加する場合
には、Ｃｕ−Ｔｉの合金粉の添加が好ましいが、水素化
チタン粉末の形で添加する場合にも水素化チタンが焼結
性に優れている点からより好ましいと言える。

【００２４】ＡｇとＰｂとは液相と鋼との濡れ性を改善
させる目的で添加される。この濡れ性改善の効果は、Ａ
ｇとＰｂがそれぞれ１〜２ｗｔ％含有されている場合に
特に効果的である。ＡｇとＰｂとが多いほど接合時に液
相が多量に生成して濡れ性は良くなるが、その反面、Ａ
ｇとＰｂとの共存による強度劣化が始まって接合強度に
悪影響を及ぼすことがある。しかもＡｇは高価であるた
め、なるべく少量に抑えるるのが望ましい。

【００２５】なお、ＳｉとＰｂとが共存すると剪断強度
が著しく劣化する場合が多いから、ＳｉとＰｂとが共存
するような添加の組合せは回避することが好ましい。

【００２６】前記したような成分組成、すなわち、基本
的なＣｕ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｐ、Ｆｅ−
Ｐ等の金属粉末および合金粉末を配合し、あるいはさら
に適宜添加成分を配合し、混粉した後、圧粉や圧延、も
しくは圧粉と圧延を併用して、例えば厚さ１ｍｍ以下の
薄板状に成形して接合用インサート材料が製造される。

【００２７】

【作用】本発明に係るインサート材料を用いて銅合金と
鋼、あるいは鋼と鋼等の接合を行なうに際しては、接合
部にインサート材料を挟んで非酸化雰囲気中で加熱する
。この加熱によってインサート材料の粉末成分の一部が
溶融して液相を生成する。同時に加熱温度を調整して固
相が少なくとも　５０ｖｏｌ％以上残るようにする。こ
れにより、脆いＣｕ−Ｓｎ金属間化合物が接合界面部に
多量に析出することが防止される。

【００２８】一方、溶融した成分は粉末表面の固相を拡
散し、その際に固相の成分と反応して共晶とは異なる靱
性に富む組織を生成する。同時に、溶融した成分は接合
する部材の接合面を濡らしながら拡散し、これらの共働
作用によって、インサート材料と接合する各部材との密
着性および接合性が保全される。

【００２９】最後に溶融した成分を冷却固化させて焼結
を完了する。このようにして本発明に係るインサート材
料では、液相焼結に基づく接合を行なうことにより、目
的とする接合強度の大きな接合が達成される。

【００３０】また、本発明に係るインサート材料を抵抗
ロウ付け法に適用した場合には、インサート材料が圧粉
状態にあることにより、大きな電気抵抗が生じて電流に
よる発熱集中効果が働きさらに粉末の一部が溶融し易く
してあることにより発熱集中効果が高まる。

【００３１】したがって、青銅や黄銅等の銅合金相互の
接合に際してもインサート材料のみを選択的に溶融させ
ることができ、抵抗ロウ付けによる小部品の接合にも好
適に使用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上、述べたように本発明に係るインサ
ート材料を用いて接合を行なうことにより、共晶や金属
間化合物の生成が回避あるいは抑制され、その結果、接
合強度を大巾に改善でき、剪断強度で１５ｋｇ／ｍｍ２
　程度あるいはそれ以上が得られるようになった。

【００３３】本発明に係るインサート材料を用いること
によって、青銅や黄銅からなる摺動材を鋼材に接合して
製造する各種油圧機器部品、並びに各種産業部品を安価
にかつ品質よく提供できるようになった。しかも、本発
明のインサート材料は高価なＡｇを多量に含む必要がな
いからコスト的にもより有利である。

【００３４】

【実施例】次に本発明の実施の好ましい形態につき図面
を参照しつつ説明する。

【００３５】まず、電解銅粉（福田金属社製　　ＣＥ１
５）、Ｃｕ−３３Ｓｎ（アトマイズ粉、福田金属社製−
♯３５０　）、カルボニルＦｅ粉（ＳＣＭ社製、平均粒
径５μｍ）、Ｃｕ８Ｐ（福田金属社製−♯２５０　以下
）、カルボニルＮｉ粉（インコネル社製、平均粒径５μ
ｍ）、金属Ｓｉ粉（−♯２５０　）、Ｆｅ−２７Ｐ（福
田金属社製−♯３５０　以下）、Ｃｕ３０Ｔｉ（モリテ
ック社製−♯２５０　以下）をそれぞれ素原料として用
いて表１のＮｏ．１〜１５に示す組成となるように配合
した。次に、Ｖ型混粉器で１時間混粉した後、直径２５
ｍｍ、厚さ　０．２ｍｍに面圧　２．５トン／ｃｍ２　
でプレス成形した。さらに圧延機で厚さ　０．１ｍｍに
圧延して本発明のインサート材料を作成した。

【００３６】これらの各インサート材料をそれぞれ直径
２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの鋼材（ＳＣＭ４４０Ｈ）と、
直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの高力黄銅材（中越合金製Ｐ
３１Ｃ）との間に挟んで、アンモニア分解ガス（ＡＸガ
ス）雰囲気中において　９００℃で１時間加熱接合した
。

【００３７】これらの材料から図１に示されるように、
鋼材１の上面に所定面積の接合部３を介して黄銅材３が
接合されている剪断力測定試験片を削り出し、接合部３
において剪断破壊した結果を表１に併せ示した。この表
１から、本発明に係るインサート材料を用いて接合した
場合、基本的な成分組成でもって１３ｋｇ／ｍｍ２　以
上の剪断破壊応力が得られ、さらに添加剤を適宜加える
ことにより２０ｋｇ／ｍｍ２　以上の大きな剪断破壊応
力が得られることがわかる。

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接合用インサート材料を用いて接合し
た部分の、剪断破壊応力を測定する試験片の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１　　鋼材 ２　　黄銅材 ３　　接合部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属粉末および合金粉末の混合粉末を
   圧粉および圧延してなる薄板状の圧粉体であるとともに
   、この圧粉体の成分組成が、Ｓｎが５〜１５ｗｔ％、Ｐ
   が　０．１〜２．０　ｗｔ％、Ｆｅが　０．３〜１３ｗ
   ｔ％含有され残部が主としてＣｕよりなる構成とされた
   ことを特徴とする接合用インサート材料。
2. 【請求項２】　　金属粉末および合金粉末を圧粉および
   圧延してなる薄板状の圧粉体であるとともに、この圧粉
   体の成分組成が、Ｓｎが５〜１５ｗｔ％ならびにＳｉが
   　０．１〜３．０　ｗｔ％、Ｔｉが　０．１〜５．０　
   ｗｔ％、Ｐが　０．１〜２．０　ｗｔ％、Ｆｅが　０．
   ３〜１３ｗｔ％のうちから少なくとも一種が含有され残
   部が主としてＣｕよりなる構成とされたことを特徴とす
   る接合用インサート材料。
3. 【請求項３】　　前記、主としてＣｕよりなる残部中に
   、Ｎｉ：５ｗｔ％以下、Ａｇ：５ｗｔ％以下およびＰｂ
   ：５ｗｔ％以下からなる群から選ばれる成分の１種また
   は２種以上を含むことを特徴とする請求項１または２に
   記載の接合用インサート材料。