JPH08119761A

JPH08119761A - 接合用ろう材及びその接合用ろう材により接合された接合体

Info

Publication number: JPH08119761A
Application number: JP6287290A
Authority: JP
Inventors: Masahito Taniguchi; 雅人谷口; Osamu Suzuki; 治鈴木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-05-14
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JP3336485B2; US5922479A

Abstract

(57)【要約】【目的】本願発明の目的は、接合部に部材同士の熱膨
張差による熱応力が発生しても、金属部材と接合用ろう
材の間に剥離等生じないように接合することができる接
合用ろう材を提供することを目的とする。【構成】少なくとも一方の部材が金属部材である部材
同士を接合する接合用ろう材であって、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉ
ｎ及びＴｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜１．２重量％含
有されている接合用ろう材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造用部品である接合
体を得るための接合用ろう材であり、少なくとも一方を
金属部材とする部材同士を接合する接合用ろう材、詳し
くは一方の金属部材と他方のセラミックス部材とを接合
するろう材である。また本発明は、その接合用ろう材に
より接合された接合体であり、詳しくは、その接合体で
ある内燃機関の一部品のタペットについてである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミック部材と金属部材を
接合する方法の一つとして、活性ろう材を用いた活性金
属法が採用されている。これを利用した接合体として、
セラミックターボチャージャロータ、セラミックタペッ
ト等が実用化されている。この活性金属法は、活性金属
（Ｔｉ、Ｚｒ等）を含む活性ろう材にてセラミック部材
と金属部材とを接合する方法である。この活性金属法
は、専ら、ろう材とセラミック部材との強度向上を目的
とした手段であり、ろう材とセラミック部材との間に反
応層を生成し、ろう材とセラミック部材とを強固に接着
することができ、その結果、セラミック部材と金属部材
とを強固に接合することができる。また、活性ろう材の
中でも特に低融点ろう材（固相点６００℃〜７５０℃）
としてＩｎ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ系合金の接合用ろう材
が、セラミック部材と金属部材との熱膨張差による収縮
差（熱歪）を最小限に抑える方法として、自動車の摺動
部品等の低温で使用される部材同士の接合に使用されて
いる。タペット、ロッカーアーム、バルブブリッヂ等
を、Ｉｎ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ系合金のろう材を用い、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄とＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＮＣＭ６３０）を直接
ろう付することにより製作する技術が開示されている
（特開平２−１９９０７３号公報）。一方、活性ろう材
の中の高融点ろう材（固相点９００℃〜）も、実用化さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の活性ろう材
の中でも低融点ろう材を用いて接合した接合体は、引っ
張り応力、圧縮応力、ねじり応力等に対しての初期強度
は十分有している。しかし、実際の製品（接合体）の使
用時には、上記単純応力の他に温度変化によって部材同
士の熱膨張差により生ずる熱応力、長期間の使用による
疲労等の過酷な条件を伴うため、従来の活性ろう材の中
でも低融点ろう材を用いて接合した接合体は、十分対応
できない場合があった。例えばカムとの摺動面をセラミ
ックス部材により構成する内燃機関のタペットの場合、
セラミックス部材と金属部材（エンジンタペット本体）
とのろう材をも含む接合部の温度は、カムとの摺動によ
る摺動熱、エンジンオイル等により２００℃程度に上昇
する。その温度上昇が、セラミック部材（例えばＳｉ₃
Ｎ₄）と金属部材との熱膨張差による熱応力を生じさ
る。また、その温度上昇は、ろう材自体の耐力をも低下
させる。更に、長期間の使用により疲労も伴う。その結
果、使用時に金属部材とろう材との間で剥離等の劣化す
る場合があった。ここで、金属部材とろう材との接着強
度は、金属部材上の接合される面のぬれ性の程度に依存
したが、ぬれ性を向上させて金属部材とろう材との間で
の剥離を防止には限界があった。また活性ろう材高融点
のろう材を用いて接合すれば、温度上昇に対してもある
程度ろう材自体の耐力を低下させないことはできるかも
しれないが、使用時に発生する金属部材とセラミックス
部材との熱膨張の差に起因する応力による金属部材とろ
う材との剥離は、防止することできなかった。

【０００４】本願発明の目的は、接合部に部材同士の熱
膨張差による熱応力が発生しても、金属部材と接合用ろ
う材の間に剥離等生じないように接合することができる
接合用ろう材を提供することを目的とする。また本願発
明の他の目的は、接合部に部材同士の熱膨張差による熱
応力が発生しても、金属部材と接合用ろう材の間に剥離
等生じない接合体を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】その第１の手段は、少な
くとも一方の部材が金属部材である部材同士を接合する
接合用ろう材であって、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含
有し、Ｎｉが０．０３〜１．２重量％含有されている接
合用ろう材である。その接合用ろう材は、Ａｇが５０〜
８０重量％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉが０．５〜３
重量％、Ｃｕが１５〜５０重量％の範囲が望ましい。

【０００６】その第２の手段は、セラミック部材と金属
部材との接合用ろう材であって、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及び
Ｔｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜１．２重量％含有され
ているセラミック部材と金属部材との接合用ろう材であ
る。その接合用ろう材は、Ａｇが５０〜８０重量％、Ｉ
ｎが５〜２０重量％、Ｔｉが０．５〜３重量％、Ｃｕが
１５〜５０重量％の範囲が望ましい。更に、そのセラミ
ック部材が窒化珪素焼結体であることが望ましい。

【０００７】その第３の手段は、金属部材とセラミック
部材とが、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有し、Ｎｉが
０．０３〜１．２重量％含有されている接合用ろう材に
て接合された接合体である。その接合用ろう材は、Ａｇ
が５０〜８０重量％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉが
０．５〜３重量％、Ｃｕが１５〜５０重量％の範囲が望
ましい。更に、そのセラミック部材が窒化珪素焼結体で
あることが望ましい。

【０００８】その第４の手段は、本体を構成する金属部
材とカムとの摺動面を構成するセラミック部材とが、Ａ
ｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜
１．２重量％含有されている接合用ろう材にて接合され
たタペットである。その接合用ろう材は、Ａｇが５０〜
８０重量％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉが０．５〜３
重量％、Ｃｕが１５〜５０重量％の範囲であることが望
ましい。そのセラミック部材が窒化珪素焼結体であるこ
とが望ましい。

【０００９】また接合対象の金属部材としては、熱膨張
係数の比較的大きい（平均１２×１０^ー6／℃、５００℃
まで）、例えばＪＩＳＳＮＣＭ６３０、ＳＮＣＭ６１
６、ＳＫＣ２４、ＳＮＣＭ８１５等の炭素鋼、鉄等の金
属部材である。一方、接合対象の金属部材としては、熱
膨張係数の比較的小さい（平均５×１０^ー6／℃、５００
℃まで）、例えばインコロイ、Ｗ、４２アロイ、Ｍｏ、
コバール等である。接合対象のセラミック部材（平均３
×１０^ー6／℃、５００℃まで）としては、窒化珪素（熱
膨張係数約：２×１０^ー6／℃）をはじめとしてサイアロ
ン（２×１０^ー6／℃）、窒化アルミニウム（４.５×１
０^ー6／℃）、炭化珪素（４.５×１０^ー6／℃）等が挙げ
られる。

【００１０】Ａｇの含有量としては、５０〜８０重量％
が好ましく、５５〜７５重量％が特に好ましい。Ａｇの
含有量が、５０重量％未満または８０重量％を越える
と、接合層となるろう材の構成合金の溶融状態での流動
性が低下するうえ、接合層の機械的強度が低下するので
好ましくない。Ｃｕの含有量としては、１５〜５０重量
％が好ましく、２５〜４０重量％が特に好ましい。Ｃｕ
の含有量が、２５重量％未満または４０重量％を越える
と、接合層となるろう材の構成合金の溶融状態での流動
性が低下し、部材間の接合部の隙間へ溶融合金が流れ込
みにくくなるうえ接合層となるろう材のの機械的強度も
低下するので好ましくない。Ｉｎの含有量としては、５
〜２０重量％が好ましく、１０〜１５重量％が特に好ま
しい。Ｉｎの含有量が、５重量％未満または２０重量％
を越えると、融点が上昇し、ろう材自体の粘性が低下す
るので好ましくない。Ｔｉの含有量は、０．５〜３重量
％が好ましく、１〜２重量％が特に好ましい。、Ｔｉの
含有量が、０．５重量％未満または３重量％を越える
と、接合強度が極端に低下するので好ましくない。本願
発明のＮｉの含有量は、０．０３重量％より少ないとＣ
ｕの偏析が大きく生じ、１．２重量％を越えるとろう材
の溶融状態での流動性が悪化し、接合が正常に行われな
い。

【００１１】

【作用】Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有するろう材に
所定量のＮｉを含有させると、Ａｇのマトリックス中の
Ｃｕの偏析が抑制され、接合後に極めて分散の良いろう
材の組織が得られる。その結果、そのろう材によって接
合された接合体においては、接合体の接合部のろう材自
身の熱間強度が向上する。また、Ｎｉの添加によりろう
材の粘性が増す。その結果、接合時の加熱及び加重（部
材の接合面に垂直な方向）に対して、Ｎｉを所定量添加
しないろう材で接合した場合に比べ、接合後の接合体の
ろう材の厚みが若干厚くなる。そのため、Ｎｉを所定量
添加しないろう材を用いて接合した場合に比べ、その若
干厚くなったろう材の層が、接合される部材同士の熱膨
張差による熱応力を緩和する緩衝層の役割を果たす。よ
って、金属部材とセラミックス部材とをろう材を介して
接合した場合でも、金属部材とろう材との間に剥離等生
じない。また、熱膨張差の異なる金属部材同士を接合し
ても両金属部材とろう材との間に剥離等生じない。

【００１２】

【実施例】この接合用ろう材（合金）は、所定の原料を
溶解し、脱脂、焼鈍等した後、所望の形状へ圧延、引き
抜き等の加工をして板状、棒状、ワイヤー状等に成形さ
れる。その接合用ろう材を、両部材間に配置し、それぞ
れの接合される面にほぼ垂直に荷重をかけることにより
接合用ろう材を両部材に密着させながら、両部部材を接
合する。一方、片方の部材の自重を利用すれば、重り等
による荷重はなくてもよい。

【００１３】ー実験例１ー（基礎評価温度）セラミック部材（Ｓｉ₃Ｎ₄）である
円板３（直径３５ｍｍ，厚さ１．５ｍｍ）は、窒化珪素
粉末９０％にアルミナイットリア系焼結助材及び成形バ
インダを加え、金型プレスにより円板状の成形体をに成
形し、窒素雰囲気で焼成し端面をラップ仕上げし得た。
金属部材として、表１に示す金属部材２（直径３５ｍ
ｍ，厚さ５０ｍｍ）を用意した。接合用ろう材として、
表１に示す組成の接合用ろう材１を準備した。そして、
セラミック部材３の上に接合用ろう材１を置き、そのう
えに金属部材２を置き、更に、金属部材の上に重りを乗
せて真空中で７９５℃を３０分保持し、Ｎ₂ガス置換炉
冷し両部材者を接合し、接合体４を得た（図１）。

【表１】実施例、比較例のそれぞれの試料を各１０ヶ製
作し、３００℃の炉中に放置する評価を実施した。この
評価は、セラミックス部材であるＳｉ₃Ｎ₄（熱膨張係
数：約２×１０^ー6／℃）と表１に示す金属部材との熱膨
張率の差に起因する金属部材と接合用ろう材との界面か
らの剥離に至るまでの時間を評価する。セラミックス部
材と金属部材のそれぞれの接合面には、接合面にそって
作用するせん断力を生ずる。ここで、接合用ろう材によ
るセラミック部材と金属部材との熱膨張係数の差による
剥離は、セラミックス部材と接合用ろう材との間より、
金属部材と接合用ろう材との間で起こりやすい。それは
セラミックス部材と接合用ろう材との間には、反応生成
物が生成されているため強固に接着しているからであ
る。よって、金属部材と接合用ろう材との剥離が、接合
面の全面積の５０％に至る時間を表１に整理した。剥離
が、接合面の全面積の何％かは、超音波により測定し
た。結果を表１に示す。本願発明のろう材を用いて接合
した本願発明の接合体は、比較例のものに比べて剥離に
至るまでの時間が長かった。それは、所定量のＮｉがろ
う材に含まれているため、ろう材と金属部材が強固に接
合され、両部材の熱膨張差に起因する熱応力に対しても
十分対応できるものであった。また、実施例Ｎｏ.１
（図２）と比較例Ｎｏ.１１（図３）の接合体の接合用
ろう材の断面組織を観察した。本願実施例では、所定量
のＮｉ含有により、Ｃｕの偏析が抑制され結晶微細化作
用が認められた。また、接合後の本願実施例のろう材の
厚みは、粘性が高いため、比較例に比べ厚かった。

【００１４】ー実験例２ー（実体評価温度＋負荷）セラミックス部材としてＳｉ
₃Ｎ₄焼成体３（直径４０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の両端面を
研摩したものを、金属部材として鍛造で製作した本体を
構成する金属部材２を表２の接合用ろう材１を介し、真
空炉の中で８００℃を３０分保持することにより接合
し、カム６との摺動面を構成するセラミック部材３で形
成したセラミックタペット４を得た（図４）。

【表２】そのタペットを図５に示すカムモータリング装
置８にセットし、図６に示す下記モードで運転した。図
６の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」は、カムとタペットの間への
オイルの供給の有無を示す。このモードでは、カムとタ
ペットの間へのオイルの供給をしない「ＯＦＦ」の場
合、カムとタペットとの間のオイル切れが発生するので
摺動温度により接合部は２００℃以上となる。結果を表
２に示す。本願発明のろう材を用いたタペットは、熱応
力、疲労等に対しても十分対応できるものであった。

【００１５】実施例では、金属部材とセラミックス部材
と接合し評価したが、金属部材同士、金属部材と他の材
料の部材でもよい。この金属部材同士接合する場合、特
に熱膨張率が異なる部材同士のときに効果的である。ま
た、両部材間に応力を緩和する中間層を介しても良い。
この場合、両部材間にろう材、中間層、ろう材という順
に配置されることとなる。中間層は、Ｃｕ、Ｎｉ等の軟
質金属がよい。

【発明の効果】本願発明の接合用ろう材により、接合部
に部材同士の熱膨張差による熱応力が発生しても、金属
部材と接合用ろう材の間に剥離等生じないように接合す
ることができる。本願発明の接合体は、接合部に部材同
士の熱膨張差による熱応力が発生しても、金属部材と接
合用ろう材の間に剥離等生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の接合用ろう材で接合した本願発明の
接合体を示す斜視図。

【図２】（Ａ）本願発明の接合用ろう材の断面をＥＰＭ
Ａ（電子プローブマイクロアナライザ）にて測定した金
属組織の写真と（Ｂ）その金属組織の説明図。

【図３】（Ａ）比較例の接合用ろう材の断面をＥＰＭＡ
（電子プローブマイクロアナライザ）にて測定した金属
組織の写真と（Ｂ）その金属組織の説明図。

【図４】本願発明の接合用ろう材で接合した本願発明の
接合体（タペット）を示す軸方向の断面図。

【図５】カムモータリング装置を表す正面図。

【図６】カムモータリング装置にセットし、運転する際
のモードを示す図。

【符号の説明】

１接合用ろう材２金属部材（本体を構成する金属部材）３セラミックス部材４接合体（タペット）５プシュロッド６カム７スプリング８カムモータリング装置

【表１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方の部材が金属部材である
部材同士を接合する接合用ろう材であって、Ａｇ、Ｃ
ｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜１．２重
量％含有されていることを特徴とする接合用ろう材。
【請求項２】Ａｇが５０〜８０重量％、Ｉｎが５〜２
０重量％、Ｔｉが０．５〜３重量％、Ｃｕが１５〜５０
重量％である請求項１記載の接合用ろう材。
【請求項３】セラミック部材と金属部材との接合用ろ
う材であって、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有し、Ｎ
ｉが０．０３〜１．２重量％含有されていることを特徴
とするセラミック部材と金属部材との接合用ろう材。
【請求項４】Ａｇが５０〜８０重量％、Ｉｎが５〜２
０重量％、Ｔｉが０．５〜３重量％、Ｃｕが１５〜５０
重量％である請求項３記載の接合用ろう材。
【請求項５】セラミック部材が窒化珪素焼結体である
ことを特徴とする請求項４または５記載の接合用ろう
材。
【請求項６】金属部材とセラミック部材とが、Ａｇ、
Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜１．２
重量％含有されている接合用ろう材にて接合されたこと
を特徴とする接合体。
【請求項７】接合用ろう材のＡｇが５０〜８０重量
％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉが０．５〜３重量％、
Ｃｕが１５〜５０重量％であることを特徴とする請求項
６記載の接合体。
【請求項８】セラミック部材が窒化珪素焼結体である
ことを特徴とする請求項６または７記載の接合体。
【請求項９】本体を構成する金属部材とカムとの摺動
面を構成するセラミック部材とが、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及
びＴｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜１．２重量％含有さ
れている接合用ろう材にて接合されたことを特徴とする
タペット。
【請求項１０】接合用ろう材のＡｇが５０〜８０重量
％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉが０．５〜３重量％、
Ｃｕが１５〜５０重量％であることを特徴とする請求項
９記載のタペット。
【請求項１１】セラミック部材が窒化珪素焼結体であ
ることを特徴とする請求項９または１０記載のタペッ
ト。