JPH09262691A - Al金属接合体 - Google Patents
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Abstract
なるAl金属部材同士、又は該Al金属部材と異種部材
とのAl金属接合体を提供すること。 【解決手段】 接合体1は、左右に配置された第1の被
接合部材3と第2の被接合部材5との間に、ろう付けに
より接合層7が形成されたものであり、第1及び第2の
被接合部材3,5は、Al又はAl合金からなる部材で
ある。接合層7は、両被接合部材3,5を接合するため
の厚さ約50〜500μmの層であり、ろう付けにおけ
る熱処理によって、ろう材及び被接合部材成分の相互拡
散で形成される。接合層7のほぼ中央に初期界面を示す
ボイド9が存在しているが、初期界面とは、接合前の両
被接合部材3,5の端面を示し、初期界面にあるボイド
9は、両被接合部材3,5の端面の凹凸が取り残された
もの或はカーケンダール効果によるものである。
Description
造用部品として用いられる接合体に関するものであり、
詳しくは、鋳造材、展伸材、ダイキャスト等のAl又は
Al合金からなるAl金属部材同士、又はAl金属部材
と異種部材とのAl金属接合体に関するものである。
優れ且つ高熱伝導性であり、しかも軽量であるという利
点を有しているので、種々の分野において利用が進んで
いる。特に、自動車用では、熱交換器への利用や軽量化
を目的とした動弁系部品への利用がなされている。
接合したり、異種材料と接合して複合化したものとして
用いられており、その接合には、溶接、ろう付け、鋳ぐ
るみ、はんだ付け等の各種の手法が用いられる。このう
ち、ろう付け接合では、ろう材として、例えばAl−S
i系のJIS;BA4045、Al−Si−Cu系のJ
IS;BA4145、もしくはAl−Si−Mg系の合
金ろう材等が用いられる。
材を用いて接合された接合体においては、接合される部
材(被接合部材)の接合部分(界面近傍)に形成された
接合層には、ろう材成分及び被接合部材成分が互いに拡
散することにより、新たな金属間化合物や他の析出物が
生成する。
物や他の析出物が接合層内に存在することにより、接合
層の耐力は高くなるものの、その存在が多い場合には、
接合層の耐力が高すぎてかえって脆くなり、接合強度が
低いものとなってしまう。特に、Al合金に対して熱膨
張係数が大きく異なる被接合部材(例えばセラミック
ス、W合金、Fe系合金)を用いた場合、接合後に生じ
る熱残留応力が大き過ぎ、接合層での緩衝効果が得られ
ず、前記金属間化合物相から破壊が生じることがある。
れたものであり、高い接合強度を有するAl又はAl合
金からなるAl金属部材同士、又は該Al金属部材と異
種部材とのAl金属接合体を提供することを目的とす
る。
の請求項1の発明は、Al又はAl合金からなるAl金
属部材同士、又は該Al金属部材と異種部材との接合体
において、接合される前記Al金属部材同士の間、又は
Al金属部材と異種部材との間に、Alを主成分とし、
Si;0.05〜14重量%、Cu;0.05〜11重
量%、Zn;0.05〜13重量%、及びMg;0.0
5〜4重量%を含む接合層を有することを特徴とするA
l金属接合体を要旨とする。
Alからなる金属部材又はAl合金からなる金属部材を
意味する。従って、Al金属接合体とは、純Al同士の
接合体、純AlとAl合金との接合体、Al合金同士の
接合体、純Alと異種部材との接合体、及びAl合金と
異種部材との接合体を意味している。
されるろう材等の成分が被接合体に拡散して形成された
層であるが、例えばEPMAによりその断面を観察し、
元素分布分析を行なうことにより接合層と被接合部材と
を明確に区別できる。請求項2の発明は、前記接合層
が、接合される部材の初期界面を含む50〜500μm
の幅であることを特徴とする前記請求項1記載のAl金
属接合体を要旨とする。
合部材の端面を意味し、接合体においては、ボイド(接
合前部材端面の凹凸が取り残されたもの、或はカーケン
ダール効果により生じたもの)の存在する位置によって
示される。請求項3の発明は、前記接合層が、Alを主
成分とし、Si;0.1〜5重量%、Cu;0.1〜7
重量%、Zn;3〜12重量%、及びMg;0.05〜
4重量%の組成を有することを特徴とする前記請求項1
又は2記載のAl金属接合体を要旨とする。
される部材に微量に添加される、Mn、Fe、Cr、T
i、Mo、Niのうち少なくとも1種を、合計0.05
〜1.5重量%含むことを特徴とする前記請求項1〜3
のいずれか記載のAl金属接合体を要旨とする。
ミックスであることを特徴とする前記請求項1〜4のい
ずれか記載のAl金属接合体を要旨とする。請求項6の
発明は、前記異種部材が、Fe合金、Ti合金、W合
金、又はMo合金であることを特徴とする前記請求項1
〜4のいずれか記載のAl金属接合体を要旨とする。
らず、ホットプレス等の拡散接合の様な新たな接合層を
形成する接合方法に有効である。また、本発明では、接
合層全体の平均の組成が前記範囲であればよいが、少な
くとも接合層内の測定位置(限られた測定スポット)に
おけるEPMA等で測定した組成が前記範囲であればよ
い。但し、測定スポットが複数の場合には、1又は複数
箇所の測定スポットにおける測定値が前記組成の範囲外
であっても、各測定スポットにおける測定値を総合的に
評価した値、つまり、各測定値の平均が前記組成の範囲
であればよい。
径)は、接合層の厚さより多少小さく設定されるが、例
えば接合層の厚さの30〜90%の範囲としてもよい。
また、測定スポットの数としては、例えば1〜50個を
採用できるが、10個以上の場合には測定精度が一層向
上するので好適である。
用いたろう付接合においては、金属間化合物(例えばA
l−Cu金属間化合物)や他の析出物の存在が接合強度
を低減すると判断されるので、この金属間化合物や他の
析出物の生成を制御することにより、接合強度を高める
ことができると推定される。そこで、本発明者らは、実
際に、種々のAl合金を用いた接合及びその強度試験、
及びその分析を行なった。
形態は接合層中であることを見い出した。また、破面の
観察の結果、破壊箇所が金属層であるにも関わらず脆性
的な破面を呈していることを見い出した。更に、この様
な破面には、脆い金属間化合物及び他の析出物が検出さ
れており、これらの物質が接合強度を支配することを確
認した。そして、例えば被接合部材成分とろう材成分の
相互の拡散により形成された接合層中の組成を規定する
ことにより、金属間化合物や他の析出物を制御し、高強
度な接合体を得ることができることを見い出し、本発明
を完成した。
成を、Alを主成分とし、Si;0.05〜14重量
%、Cu;0.05〜11重量%、Zn;0.05〜1
3重量%、及びMg;0.05〜4重量%を含むものと
することにより、脆い金属間化合物や他の析出物の過度
の生成を防ぎつつも、接合層の耐力を高め、ひいては接
合強度を高めることとなる。一方、前記組成所定量を超
えると、脆性的な金属間化合物及び他の析出物の過度の
生成を招き、接合強度を低下させることとなり、それよ
り少ないと十分な効果は得られない。
る部材の初期界面を含む50〜500μmの幅であるの
で、強固な接合力を発揮できる。この接合層の幅は、被
接合部材の材料によっても多少異なるが、初期界面を含
む所定の範囲である。例えば金属部材同士の場合は、接
合層は、初期界面をほぼ中央としてその左右に広がり、
金属部材とセラミックス部材の場合は、初期界面を境に
て主として金属部材側に広がっている。
lを主成分とし、Si;0.1〜5重量%、Cu;0.
1〜7重量%、Zn;3〜12重量%、及びMg;0.
05〜4重量%を含むものとすることにより、更に高強
度な接合体を得ることができる。
部材に微量に添加される、Mn、Fe、Cr、Ti、M
o、Niのうち少なくとも1種を、その合計量として接
合層の0.05〜1.5重量%含むので、適量の金属間
化合物及び他の析出物が生成され、それによって、適度
の硬さ及び接合強度を発揮する接合層となる。
ラミックスを採用する場合には、優れた接合強度を備え
た複合材料となる。請求項6の発明では、異種部材とし
て、Fe合金、Ti合金、W合金、又はMo合金を採用
する場合には、優れた接合強度を備えた金属の接合体と
なる。
明する。 (実施例1)図1に示す様に、本実施例のAl金属接合
体(以下単に接合体と称す)1は、左右に配置された第
1の被接合部材3と第2の被接合部材5との間に、ろう
付けにより接合層7が形成されたものである。
Al又はAl合金からなる部材である。例えば第1の被
接合部材3を純AlのJIS;A1050とし、第2の
被接合部材5をAl合金のJIS;A5083とする。
前記接合層7は、両被接合部材3,5を接合するための
厚さ約50〜500μmの層であり、この接合層7のほ
ぼ中央に初期界面を示すボイド9が存在している。
3,5の端面を示しており、初期界面に存在しているボ
イド9は、両被接合部材3,5の端面の凹凸が取り残さ
れたもの、或はカーケンダール効果によるものである。
前記接合層7は、ろう付けにおける熱処理によって、ろ
う材及び被接合部材成分の相互拡散で形成されるもので
ある。従って、接合層7の組成の成分は、予めろう材に
含有させても良いし、両被接合部材3,5を構成するA
l合金からの拡散供給によるものでも良い。或は、第1
及び/又は第2の被接合部材3,5の接合面に、メッ
キ、蒸着、スパッタリングなどの方法により、前記接合
層7の成分を含むメタライズ層を形成し、ろう付けの際
の熱処理によって被接合部材3,5内に拡散供給しても
良い。即ち、メタライズ層の成分を被接合部材3,5内
に拡散供給して、接合層7を形成しても良い。
け接合により形成される接合層7の組成が本発明の組成
範囲であれば良い。また、上述した接合体1を製造する
場合には、接合される両被接合部材3,5の組成に応じ
て、本発明の範囲の組成の接合層7が形成されるろう材
を選択し、両被接合部材3,5の間にろう材を配置し、
所定の温度で加熱してろう付け接合する。尚、この際
に、上述した様に、メタライズ層を形成して、組成の調
整を行なってもよい。
は、例えばEPMA、SEM付属のEDS,WDSによ
る方法を採用できる。 (実施例2)次に、実施例2のAl金属接合体について
説明するが、本実施例は、Al又はAl合金に対し、異
種部材をろう付け接合したものである。
は、左右に配置された第1の被接合部材13と第2の被
接合部材15との間に接合層17が形成されている。前
記第1の被接合部材13は、Al又はAl合金からなる
部材であるが、以下の説明ではAl合金(例えばJI
S;A5052)を例に挙げて説明する。
被接合部材13とは別な材料の例えば合金やセラミック
ス等の異種材料からなる部材である。ここでは、セラミ
ックス(例えばZrO2)を例に挙げて説明する。前記
接合層17は、両被接合部材13,15を接合するため
の厚さ約50〜500μmの層である。この接合層17
は、ろう付けにおける熱処理によって、ろう材及び主と
して第1の被接合部材13の成分の相互拡散で形成され
る。
7の組成の成分は、予めろう材に含有させても良いし、
第1の被接合部材13のAl合金からの拡散供給による
ものでも良い。また、第1及び/又は第2の被接合部材
13,15の接合面に、メッキ、蒸着、スパッタリング
などの方法により、前記接合層17の成分を含むメタラ
イズ層を形成し、ろう付けの際の熱処理によって拡散供
給しても良い。
には、前記実施例1と同様に、接合される両被接合部材
13,15の組成に応じて、本発明の範囲の組成の接合
層17が形成されるろう材を選択し、両被接合部材1
3,15の間にろう材を配置し、所定の温度で加熱して
ろう付け接合する。尚、この際には、セラミックスとの
接合性を向上させるためと、組成の調整を行なうため
に、セラミックスからなる第2の被接合部材13の端面
にメタライズ層を形成するのが望ましい。 (実験例1)次に、実験例1について説明する。
の試料の接合体を作成するために、第1の接合部材とし
て、下記表1に記載した様に、Al合金のJIS;A2
017、A2024、A5052、A5083、A70
75、AC4B、AC8Aと、純AlのJIS;A10
50を用いた。また、第2の接合部材として、Al合
金、純Al、セラミックス、異種金属材料を用いた。こ
の第2の接合部材のAl合金としては、JIS;A20
17、A5052、AC8A、AC4B、A7075を
用い、純Alとしては、JIS;A1050を用い、セ
ラミックスとしては、Si3N4、ZrO2、Al2O3を
用い、異種金属材料としては、Ti合金(JIS TA
B6400)、W合金(W−10Cu)を用いた。尚、
各被接合部材は棒材であり、その寸法は、直径12mm
×長さ60mmである。
合面に、予めメタライズ層を形成したものや、メタライ
ズ層を形成していない試料を作成した。このメタライズ
層の構成は、セラミックスの場合は、セラミックス側か
ら順に、Ti、Mo、Ni(各1000オンク゛ストローム)の
三層構造、又はAl(2000オンク゛ストローム)の単層構造
である。特に、セラミックスがAl2O3の場合は、その
接合面に、Mo−Mnペーストを印刷して焼成した後に
5μmの電解Niメッキを施した。また、金属材料の場
合には、5μmの電解メッキを施した。
4045(Al−10Si)、4145(Al−10S
i−4Cu)、BA4003(Al−8Si−3M
g)、Al−27Cu−5Si、Al−22Cu−4S
i−60Zn、Al−14Cu−3Si−65Zn及び
Al−5.4Cu−0.9Si−80Znの7種を用い
た。尚、ろう材の厚さは約60μmである。
で、表1中の条件でろう付けを行なった。得られた接合
体は、引張試験片の形状に加工し、引張強度試験に供し
た。また、破断後の試料の接合面に対して垂直に切断
し、EPMAを用いて(前記実施例1に記載した方法に
て)接合層の組成を定量した。更に、その切断面におい
て、SEM像及びEPMAの元素分析によって、接合層
の厚さを測定した。その結果を、下記表2に記す。
層組成が本発明の範囲にある実施例の接合体(試料No.
1〜18)は、接合部材種やろう材組成によらず、接合
部材自身の引張強度とほぼ同様な強度を有し、その破面
は延性的なものであった。これに対して、本発明範囲外
の比較例の接合体(試料No.19〜25)は、実施例と
同様な接合部材の組み合わせであるにも関わらず、接合
部材自身の引張強度よりはるかに低く、その破面は脆性
的なものであった。
やろう材組成のみによらず、例えばろう付温度及びろう
付け時間を管理して、本発明範囲内の接合層組成にする
ことにより、金属間化合物等の生成を制御できたためで
ある。 (実験例2)次に、実験例2について説明する。
施例2の試料の接合体を作成し、その接合体を軸方向に
切断して、その断面のSEM写真(倍率150倍)を撮
影した。また、その断面に対してEPMAによる分析を
行ないその写真(倍率150倍)を撮影した。尚、EP
MAとは金属部材等における特定の成分の分布状態を分
析するものであり、このEPMAによる分析では、接合
体を軸に沿って切断し、接合層の断面に対し、接合層と
同程度であるがやや小さいスポット径(ビーム径)で面
分析を行なう。
8)のSEMによる金属組織を表す写真を示す。また、
図4及び図5に、図3と同じ場所のEPMAの元素分布
分析による金属組織を表す写真を示す。このうち、図4
(a)はAlの分布状態、図4(b)はCuの分布状
態、図4(c)はMgの分布状態、図5(a)はSiの
分布状態、図5(b)はZnの分布状態を各々示し、こ
の図4,図5において白色部分が当該成分の存在部分で
ある。尚、図3〜図5において、接合層を挟んで左側が
Al合金の第2の被接合部材(JIS;A5052)、
右側が純Alの第1の被接合部材(JIS;A105
0)である。
7)のSEMによる金属組織を表す写真を示す。また、
図7及び図8に、図6と同じ場所のEPMAの元素分布
分析による金属組織を表す写真を示す。このうち、図7
(a)はAlの分布状態、図7(b)はCuの分布状
態、図7(c)はMgの分布状態、図8(a)はSiの
分布状態、図8(b)はZnの分布状態、図8(c)は
Zrの分布状態を各々示し、この図7,図8において白
色部分が当該成分の存在部分である。尚、図6〜図8に
おいて、接合層を挟んで左側がセラミックスの第2の被
接合部材(ZrO2)、右側がAl合金の第1の被接合
部材(JIS;A5083)である。
かな様に、第1の被接合部材と第2の被接合部材との間
に、所定の厚さの接合層が明瞭に形成されていることが
わかる。よって、この接合層の存在により大きな接合力
を発揮することができる。 (実験例3)次に、実験例3について説明する。
17の実験条件のうち、ろう材の厚さを40μm、ろう
付け時間を15分に変更し、その他の実験条件は前記実
験例1と同様にして、実験例1と同様な実験を行った。
その実験条件を下記表3に、実験結果を下記表4に記
す。尚、本実験例の試料No.24が前記試料No.8に対応
し、試料No.25が前記試料No.17に対応している。
層組成が本発明の範囲にある実施例の接合体(試料No.
24,25)は、接合部材種やろう材組成によらず、良
好な強度を示し、その破面は延性的なものであった。ま
た、この試料No.24,25の接合体は、本発明の範囲
外の比較例よりも高い強度となるが、接合層が薄いため
に、前記実験例1の試料No.8,17と比べると、各々
やや強度が低くなっている。
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の態様で実施しうることはいうまでもない。 (1)例えば本発明の組成の接合層を形成する方法とし
ては、目標とする組成となる様に、第1及び/又は第
2の被接合部材の組成を選択すること、ろう材の組成
(場合によってはその厚さ)を選択すること、被接合
部材の接合端面に形成するメタライズ層の組成(場合に
よってはその厚さ)を選択すること、接合時の温度や
時間を選択すること、前記〜のうち2種以上を組
み合わせること等が挙げられる。
付け接合された接合体について述べたが、本発明は、そ
れ以外に、拡散接合として、例えばホットプレスによる
固相拡散接合、固相液相拡散接合などよって接合された
接合体にも適用できる。 (3)更に、ろう付においては、フラックスを用いた方
法がある。このフラックスは、ろう付に際し、接合層に
含有されることになる。一般的に、接合後のフラックス
の残渣は、耐食性等に関して好適に働くものではない
が、接合層でのフラックス成分の介在は防ぎ様のないも
のである。
て、フラックスを用いたろう付を行った場合も同様に、
フラックス成分(K、Na、Li、F、Cl、Sr、C
s等)が含まれるが、本発明の組成の範囲内であれば、
好適な接合が可能である。
合体は、Al又はAl合金からなるAl金属部材同士、
又は該Al金属部材と異種部材とを接合した接合体であ
り、その接合層の組成を所定のものとすることにより、
高強度の接合体とすることができる。
面図である。
面図である。
属組織を表す写真である。
分布分析による金属組織を表す写真である。
分布分析による金属組織を表す写真である。
属組織を表す写真である。
分布分析による金属組織を表す写真である。
分布分析による金属組織を表す写真である。
Claims (6)
- 【請求項1】 Al又はAl合金からなるAl金属部材
同士、又は該Al金属部材と異種部材との接合体におい
て、 接合される前記Al金属部材同士の間、又はAl金属部
材と異種部材との間に、Alを主成分とし、Si;0.
05〜14重量%、Cu;0.05〜11重量%、Z
n;0.05〜13重量%、及びMg;0.05〜4重
量%を含む接合層を有することを特徴とするAl金属接
合体。 - 【請求項2】 前記接合層が、接合される部材の初期界
面を含む50〜500μmの幅であることを特徴とする
前記請求項1記載のAl金属接合体。 - 【請求項3】 前記接合層が、Alを主成分とし、S
i;0.1〜5重量%、Cu;0.1〜7重量%、Z
n;3〜12重量%、及びMg;0.05〜4重量%の
組成を有することを特徴とする前記請求項1又は2記載
のAl金属接合体。 - 【請求項4】 前記接合層には、接合される部材に微量
に添加される、Mn、Fe、Cr、Ti、Mo、Niの
うち少なくとも1種を、合計0.05〜1.5重量%含
むことを特徴とする前記請求項1〜3のいずれか記載の
Al金属接合体。 - 【請求項5】 前記異種部材が、セラミックスであるこ
とを特徴とする前記請求項1〜4のいずれか記載のAl
金属接合体。 - 【請求項6】 前記異種部材が、Fe合金、Ti合金、
W合金、又はMo合金であることを特徴とする前記請求
項1〜4のいずれか記載のAl金属接合体。
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