JPH04317475A - 熱膨張係数が異なった材料から成る部品のろう付け方法 - Google Patents

熱膨張係数が異なった材料から成る部品のろう付け方法

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JPH04317475A
JPH04317475A JP28423291A JP28423291A JPH04317475A JP H04317475 A JPH04317475 A JP H04317475A JP 28423291 A JP28423291 A JP 28423291A JP 28423291 A JP28423291 A JP 28423291A JP H04317475 A JPH04317475 A JP H04317475A
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レンツ ライナー
Karl-Heinz Thiemann
カール−ハインツ テイエマン
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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、熱膨張係数が異なった
材料特に一方がセラミックス又は硬質金属および他方が
金属から成る部品が、ろう付け接合面の全範囲にわたっ
て広がるろう付けされた中間層を介在して間接的に互い
に結合されるろう付け方法に関する。
【0002】
【従来の技術】かかるろう付け方法は例えばドイツ連邦
共和国特許出願公開第3514320号公報で公知であ
る。かかるろう付け方法は非常に問題がある。即ち接合
個所が運転に条件づけられて加熱される場合、隣接する
構造部品が異なって熱膨張し、接合個所に非常に大きな
力が作用し、この力が構造部品の破片をはじき飛ばした
り、ろう付け接合個所に亀裂を生じてしまう。かかる接
合個所はしばしばろう付け温度からの最初の冷却にも耐
えられない。上述した公報には、焼結セラミックス材料
製の中間層がろう付け接合面の最大長手方向の距離の約
1.5〜20%の厚みで中間ろう付けされることにより
、接合個所に隣接する構造部品間に生ずる熱応力を消滅
することが提案されている。この提案によれば、熱応力
はある程度は段階的に両ろう付け接合面を越えて消滅さ
れるであろう。しかし所定の構造部品の寸法および所定
の温度跳躍の場合、構造部品間の相対膨張の絶対値がセ
ラミックス層の中間ろう付けによってもセラミックス中
間層が存在しない場合よりも小さくないので、そのよう
な有効な応力の消滅が行われるとは限らない。これは詳
しくは特にセラミックス中間層に対してセラミックス製
の主構造部品と同じ材料が提案されるときに言える。
【0003】ドイツ連邦共和国特許第3345219号
公報に、セラミックス部品を金属部品にろう付けするた
めの多層構造のろう(はんだ)薄膜が示されている。そ
のろう薄膜は、銅、鉄、ニッケルあるいは銅・ベリリウ
ム合金あるいはニッケル・鉄合金から成る約50〜30
μmの金属中間層を有している。この金属中間層はろう
付けに直接関与せず、ただろう付けすべき構造部品間の
内部応力を低減するものである。これによっても限られ
た範囲でしか内部応力は消滅できず、従って小さな面積
のろう付け接合しか出来ない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、冒頭
に述べた形式のろう付け方法を、接合個所の範囲におけ
る熱応力が有効に消滅され、それにより大きな面積のろ
う付け接合も許されるように改良することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によればこの目的
は、冒頭に述べた形式のろう付け方法において、金属で
形成された中間層が形状記憶合金で作られ、約0.1〜
0.6mmの厚みを有し、ろう付け接合個所の面積が大
きい場合に層厚みが大きくされることによって達成され
る。
【0006】形状記憶合金製の中間層を利用しているた
めに、この中間層は大きな相対膨張をも、接合個所に過
大な機械的応力が生ずることなしに吸収できる。それ自
体公知の形状記憶合金は8%の伸びまで吸収できる。従
って、中間層を適当に厚く寸法づけた場合、熱膨張係数
が異なった材料を大きな面積の接合個所に沿ってほとん
ど内部応力なしにろう付けすることができる。
【0007】本発明の有利な実施態様は請求項2〜5に
記載されている。
【0008】
【実施例】以下図に示した2つの実施例を参照して本発
明を詳細に説明する。
【0009】図1に示した往復機関のロッカー1は図1
の左側端が支持ボルト3の球状頭部に接触支持され、ロ
ッカー1の反対側端は吸排気弁(図示せず)の弁軸2の
上端に載っている。ロッカー1は一般に鋼で作られ、こ
れは鍛造で特殊な形にされ、支持ボルト3との接触範囲
および弁軸2への載置範囲において滑り荷重が負荷され
る個所における滑り面が補助的に硬化処理されている。 ロッカー1のカム軸5のカム4と共働する面には、セラ
ミックス製の滑り部材6が取り付けられている。この滑
り部材6はほぼ親指の大きさをしている。かかるセラミ
ックス製の非常に小さな構造部品は従来において鋼製の
部品に永久的にろう付けすることはできなかった。これ
は運転中に生ずる熱膨張が滑り部材および又はろう付け
個所を壊してしまうからである。滑り部材をエラストマ
を介在して鋼製ロッカーに加硫接続することが提案され
ているが(ドイツ連邦共和国特許第3429169号公
報参照)、この方式も、ロッカーが高周波振動し従って
物体力が生ずる場合には、十分な耐久性がない。
【0010】滑り部材6とロッカー1との間に耐久性を
有し内部応力が無いような接続部を形成するために、硬
ろう付けが行われている。その場合本発明に基づいて、
形状記憶合金製の中間層10が挿入されているので、全
部で2つのろう付け層が、詳しくは中間層10と滑り部
材6との間の層11および中間層10とロッカー1との
間の層11′が生ずる。中間層10の厚みは少なくとも
約0.1mmでなければならず、これは約1.5〜2c
mの大きさの滑り部材において十分である。ろう付け個
所の面積が大きい場合例えば平面対角線の最大寸法が約
5cmである場合、中間層10に対して大きな層厚みa
、例えば約0.4mmの範囲の層厚みaが用意されねば
ならない。中間層10が厚くされればされるほど、大き
いろう付けの場合でも容易に内部応力が消滅される。 必要な層厚みaはろう付けすべき構造部品の大きさに関
係するだけでなく、材料特性即ち熱膨張係数にも関係す
る。より正確に言えば、ろう付けすべき両方の材料の熱
膨張係数の差が関係する。鋼とセラミックスの材料の組
合せの場合、この熱膨張係数の差は約7〜9.5ppm
/絶対温度であり、これは特に使用されるセラミックス
の種類に左右される。アルミニウムとセラミックスの材
料の組合せの場合、その差は約17〜22ppm/絶対
温度であり、この場合にはセラミックスの種類だけでな
く、アルミニウム合金も熱膨張係数の高さに影響を与え
る。勿論本発明は、それらの熱膨張係数が大きく異なっ
ている鋼とアルミニウムとをろう付けする場合にもうま
く利用できる。しかしこの可延性金属の組合せの場合に
はこれらの材料はそれほど問題は生じない。何故ならば
、これらの材料は或る内部応力まで塑性変形によって補
償されるからであり、これはセラミックス材料の場合に
は不可能である。セラミックスは引張り内部応力が生ず
ると破壊してしまう。
【0011】中間層10に対する上述した形状記憶合金
は名称「シェイプ・メモリ・アロイ(SMA)」でも知
られている。その場合、この合金の特殊な特性が露顕す
るような互いに正確に調和された合金成分を含む特に純
粋な特殊合金が対象となる。工業的にはニッケル・チタ
ン合金、銅・亜鉛・アルミニウム合金および銅・アルミ
ニウム・ニッケル合金が使用され、また価格の点から興
味が増しているこの種の鉄基合金も知られている。形状
記憶合金はその結晶構造が温度および応力に関係して変
化する。材料は、或る臨界温度以下においてマルテンサ
イト状態にあり、別の臨界温度以上においてオーステナ
イト状態にある。その変態は狭い温度範囲において行わ
れ、その位置および幅が合金特性である。この種類の合
金の超弾性のここで興味のある特性は、オーステナイト
範囲だけで即ち変態範囲以上において生ずる現象である
。この特性は数%のゴムに類似した弾性延性であり、そ
の際に生ずる応力は伸びに大きく左右される。ここで同
様に興味ある形状記憶合金の別の特性は、マルテンサイ
ト状態において観察される擬可塑性である。この擬可塑
性において材料は小さな応力の作用下で外見上において
連続的に高い度合いで変形させられ、その場合、変形に
とって必要な応力はほとんど伸びに無関係である。
【0012】ろう付け結合部を非常に高いろう付け温度
から冷却する際、形状記憶合金ははじめこれが超弾性で
もなく擬可塑性でもない状態にあり、高い温度において
一般的な鋼と同様に振る舞う。ろう付け結合部がろうの
凝固温度よりかなり低く冷却された際にはじめて、形状
記憶合金はまず超弾性特性をあらわす。その時まで接合
個所において冷却に条件づけられて形成された熱応力は
、いまや超弾性挙動に基づいて消滅されるが、冷却に条
件づけられた接合個所における構造部品の相対膨張が増
大するにつれて、低いレベルの場合にも、応力は増加す
る。一層冷却する場合にいつかは組織変態の温度範囲が
通過され、その場合材料はますますマルテンサイト状態
に変化するので、ますます擬可塑性特性を持つことにな
る。材料は非常に小さく一定した応力の場合に連続的に
変形し、低いレベルの内部応力は消滅する。
【0013】ニッケル・チタン合金は伸び8%の超弾性
を許し、これは金属にとっては非常に大きい値であるが
、この種の合金は非常に高価である。上述した両方の種
類の合金は安価であり、2%の超弾性しか許されないが
、これも非常に大きな値である。中間層10を経済的に
利用する場合、事情によっては高価な種類の合金がコス
ト的に是認できる。即ち、そのほかは匹敵し得る周辺条
件のもとで、ニッケル・チタン合金における層厚みは、
別の形状記憶合金製の層厚みの約4分の1で済ませられ
る。
【0014】なおろう付けは特別な前処理なしに唯一の
作業工程で単純な活性ろう付けとして実施できる。ろう
(はんだ)は同様に薄膜形状で接合個所に入れられ、ロ
ッカー1、鋼側のろう付け11′に対する薄膜、形状記
憶合金製の中間層10、セラミックス側のろう付け11
に対する薄膜およびセラミックス製の滑り部材6が直列
に重ね合わされ、真空引きできるろう付け炉に入れられ
る。この関係において、ろう付けによって中間層10は
前処理なしに或る境界領域において中間層10の材料へ
のろうの拡散に基づいて合金的に僅かに変化し、これに
よって既に形状記憶特性は著しく害される。即ちかかる
境界領域は有用な超弾性あるいは擬可塑性が失われ、こ
れは目的に合わない。この損失は母材の厚みを大きく選
択することによって考慮しなければならない。そのよう
な形状記憶合金へのろうの拡散を金属遮蔽層を電気めっ
きすることによって避けることが目的に適っている。そ
のために例えば約5〜10μmの層厚みの銀が適してい
るが、ニオブ、金あるいはプラチナも基本的には利用で
きる。更になお、材料の形状記憶特性が失われることな
しに、ろう付け温度全体に耐えられるような種類の形状
記憶合金が選定されねばならない(これは今日において
は可能である)。少なくとも約2分間にわたり900℃
の温度が短時間作用した場合、板金層の形状記憶特性は
まだ維持されている。この場合、少なくとも600℃以
上の範囲では急速に加熱し、ろうがセラミックスと反応
した後も再び急速に冷却しなければならない。例えばニ
ッケル・チタン形状記憶合金製の層をセラミックスにろ
う付けする場合、室温から600℃まで加熱する際に約
90分の時間が必要であり、これに対して850℃まで
の最終加熱は、3倍以上に速い加熱速度(20℃/mi
n)で12分間で行われる。約10秒の短い保持時間の
後で室温の雰囲気内で冷却が行われる。その場合、85
0〜400℃の温度範囲における平均冷却速度は60℃
/min以上に設定され、それ以下において冷却速度は
徐々に遅くされる。真空炉において放射だけによる熱伝
達によって材料をろう付け温度に加熱する場合、上述し
た加熱速度にすることは困難である。この理由から、形
状誘導器によって誘導式に加熱することが目的に適って
おり、その場合、要求される加熱速度を得ることは難し
くない。ろう付け済みのセラミックス材料は誘導加熱の
際に加熱されず、従ってほぼ室温に保持されているので
、この温度勾配は、ろうとセラミックスとの反応が行わ
れた後で熱伝導によって冷却するために関与される。 セラミックスは誘導加熱の際に表面近くしか加熱されず
、これに対して深く位置するセラミックス層はなお冷た
い状態にある。冷却は低温の保護ガス例えば成形ガスを
吹きつけることによって加速することもできる。継続す
る冷却過程においては水も採用できる。
【0015】ロッカー1に対する材料として事情によっ
ては焼入れ合金鋼が利用されるので、この場合には、こ
の合金鋼がその硬さを失わないようにするために、これ
をろう付けする際にろう付け温度は500℃以上にして
はならない。他方ではセラミックス層をろう付けする際
、そのろう付けにとって必要なセラミックス材料との反
応が行われるようにするために、800℃以上の温度が
少なくとも一時的に保持されねばならない。従って好適
には、セラミックス製の滑り部材6は形状記憶合金製の
中間層10に第1のろう付け工程においてまず850℃
で溶融する硬質ろう11例えば銀・チタンろうによって
結合され、これに対して焼入れ鋼板製のロッカー1は形
状記憶合金製の中間層10に第2のろう付け工程におい
て高溶融軟質ろう11′によってろう付けされる。それ
に適したろうは例えば下記のようなものである。 −  溶融温度が240℃の亜鉛・アンチモンろう(9
5:5) −  溶融温度が220〜300℃の亜鉛・銀ろう(9
0:10) −  溶融温度が305℃の鉛・銀ろう(97:3)−
  溶融温度が325℃の鉛・インジウムろう(96:
4) もっと高い溶融温度の新しい軟質ろうが開発された場合
には、これも利用できる。同じようにして、著しく低い
溶融温度の硬質ろう合金も、これが公知であるならば、
利用することが考えられる。その場合このろうの処理温
度は、その温度によって焼入れ鋼も強度を損なうことな
しにろう付けできるようにするために、500℃以下で
なければならない。非焼入れ鋼は勿論高い温度において
ろう付けできるが、もっともその強度は焼入れ鋼よりも
小さい。
【0016】滑り部材には好適には耐衝撃性のセラミッ
クス詳しくはシリコン窒化物セラミックスが利用される
。これは特に衝撃に対して強く靱性を有しているが、熱
膨張係数が特に小さくせいぜい3×10−6/℃であり
、従って温度変化の際に、11×10−6/℃の熱膨張
係数の鋼の熱膨張の約27%しか膨張しない。
【0017】本発明に基づくろう付け結合の安定性を立
証するために、一辺が20mmの正方形のプレートおよ
び次の層構造物を製造した。 −  シリコン窒化物から成る厚み4mmのセラミック
スプレート −  厚み2mmの活性ろう薄膜(銀・チタン)−  
厚み0.3mmのニッケル・チタン形状記憶合金(50
/50原子%) −  厚み0.2mmの活性ろう薄膜(銀・チタン)−
  厚み2mmの鋼板、低炭素構造鋼
【0018】この
ろう付けされた複合プレートは室温から液体窒素で急冷
され、続いて室温に放置されて再び加熱された。中間に
ろう付けされた形状記憶合金製の中間層10によりその
急冷過程に無害で耐えた。形状記憶合金製の中間層が存
在しない同形の匹敵した試験片は急冷試験後に完全に壊
れ、セラミックス層は完全にはじき飛ばされた。セラミ
ックスプレートからろう付け接合部に対して平行に延び
る貝殻状の破片がはじき飛ばされることが確認された。 中間にろう付けされた中間層10のために、滑り部材6
は間接的ではあるが有効に鋼製ロッカー1にろう付けさ
れ、その場合、内部応力が少なく永続的で高い強度の接
続部が出来上がった。
【0019】図2は本発明に基づくろう付け方法の別の
用途としてカップタペット7の例を示している。即ちこ
こでは例えば硬質金属から成る押圧板8がカップタペッ
トの底9にろう付けされ、その場合同様に形状記憶合金
製の中間層10が中間にろう付けされている。この硬質
金属もその熱膨張挙動およびぜい性破壊性においてセラ
ミックス材料と非常に類似した振る舞いをする。
【0020】
【発明の効果】形状記憶合金製中間層によって、ろう付
け接合個所における内部応力は有効に消滅され、従って
ろう付け接合は耐久性を有し内部応力が存在せず、大き
な運転安定性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】セラミックス製滑り部材がろう付けされている
往復ピストンエンジンにおける吸排気弁に対するロッカ
ーの側面図。
【図2】押圧板がろう付けされているカップタペットの
側面図。
【図3】図1および図2における部分IIIの拡大詳細
図。
【符号の説明】
1    ロッカー 5    カム軸 6    滑り部材 7    カップタペット 8    押圧板 9    カップタペットの底 10    中間層 11    ろう(はんだ)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  熱膨張係数が異なった材料特に一方が
    セラミックス又は硬質金属および他方が金属から成る部
    品が、ろう付け接合面の全範囲にわたって広がるろう付
    けされた中間層を介在して間接的に互いに結合されるろ
    う付け方法において、金属で形成された中間層(10)
    が形状記憶合金で作られ、約0.1〜0.6mmの厚み
    (寸法a)を有し、ろう付け接合個所の面積が大きい場
    合に層厚みが大きくされることを特徴とする熱膨張係数
    が異なった材料から成る部品のろう付け方法。
  2. 【請求項2】  ろう付けされる一方の部品が往復ピス
    トンエンジンにおける吸排気弁のロッカー(1)であり
    、他方の部品が、吸排気弁を作動するカム軸(5)のカ
    ム(4)と共働するセラミックス又は硬質金属製の滑り
    部材(6)であることを特徴とする請求項1記載のろう
    付け方法。
  3. 【請求項3】  ろう付けされる一方の部品が往復ピス
    トンエンジンにおける吸排気弁のカップタペット(7)
    であり、他方の部品が、吸排気弁を作動するカム軸(5
    ′)のカム(4′)と共働するカップタペット(7)の
    底(9)の外側におけるセラミックス又は硬質金属製の
    押圧板(8)であることを特徴とする請求項1記載のろ
    う付け方法。
  4. 【請求項4】  形状記憶合金製の中間層(10)がろ
    う(11,11′)に面した側に、ニオブ、銀あるいは
    別の貴金属から成り好適には電気めっきで設けられた金
    属遮蔽層を少なくとも5〜10μmの層厚みで設けられ
    ることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに
    記載のろう付け方法。
  5. 【請求項5】  セラミックス製あるいは硬質金属製部
    品(6,8)が形状記憶合金製の中間層(10)に、溶
    融温度が800℃以上である第1のろう(11)によっ
    てろう付けされ、金属部品(1,7)が形状記憶合金製
    の中間層(10)に、溶融温度が500℃以下の第2の
    ろう(11′)によってろう付けされることを特徴とす
    る請求項1ないし4のいずれか1つに記載のろう付け方
    法。
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