JPH10263849A - 部材の常温接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】接合される部材に熱的影響が生ずることがな
く、しかも簡単な設備で所望の接合強度を得ることがで
きる。 【解決手段】金属とセラミックスの接合において、窒化
アルミニウム焼結体を用意し、この窒化アルミニウム焼
結体の上に液体およびこの液体と相互に反応する成分と
が塗布された後、銅箔が積層される。次いで、室温中に
放置することにより、液体と成分が相互に発熱反応を起
こし、窒化アルミニウム焼結体と銅箔とが相互拡散して
強固に接合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１部材と第２部
材とを常温下で互いに接合するための部材の常温接合方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、金属部材と金属部材とを接合する
際、あるいは金属部材とセラミックス部材とを接合する
際に、ろう材を用いるろう付け法、拡散ろう付け法、摩
擦圧接法、あるいはミグやスポット等の各種溶接法が広
く採用されている。

【０００３】この場合、上記のろう付け法では、接合さ
れる部材間にろう材を配置し、バーナー等により局部加
熱を行って前記ろう材をその融点以上に加熱することに
より、接合を行うようにしている。しかしながら、部材
相互の成分の拡散が少なく、接合強度が低いという問題
がある。

【０００４】また、上記の拡散ろう付け法では、接合母
材である部材が高温に加熱されるため、部材相互で成分
の拡散が生じてろう付けよりも高い接合強度が得られる
ものの、焼き鈍りや熱歪みの他、変形が発生するという
問題がある。さらに、各種溶接法では、接合する金属を
溶融させるため、単位面積当たりの接合強度が高くなる
ものの、接合部の変形も大きくなるという問題がある。

【０００５】このように、上記の各接合法では、接合し
ようとする金属あるいはセラミックスを高温に曝すた
め、その歪みヒステリシスが常温時において残存してし
まい、熱歪みが発生することが知られている。また、部
分加熱によっても歪みが発生し、疲労特性に影響を与え
る等、加熱による種々の弊害が惹起されている。

【０００６】そこで、熱歪みの発生を回避するために、
常温乃至その近傍で接合を行う接合法として、摩擦圧接
法が採用されている。この摩擦圧接法では、接合する部
材双方の原子が直接拡散して非常に高い強度が得られる
とともに、歪みの発生を有効に低減することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
摩擦圧接法では、部材同士の接合部に多くのバリが発生
するため、次工程で前記バリを除去しなければならな
い。これにより、バリ除去用の特別な設備が必要になる
とともに、接合可能な部材の大きさが限定されるという
問題が指摘されている。

【０００８】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、接合される部材に熱的影響が生ずることがなく、
しかも簡単な設備で所望の接合強度を得ることができる
信頼性の高い部材の常温接合方法を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明に係る部材の常温接合方法では、先ず、接
合しようとする金属同士あるいは金属とセラミックスの
間に、ある特定の液体と、この液体が所定の臨界点以下
となる際に相互に反応する成分とが配置される。この成
分は、セラミックスや金属の粉末、ペーストあるいは板
状の形態で用いられる。

【００１０】この段階では、液分の揮散によって偶発的
に反応が開始される場合があり、この反応を制御するた
めに各種の添加剤が用いられる。すなわち、選択した液
体と反応成分は反応度が高く、保存中に徐々に反応して
液体成分が減少したり、また、その反応により反応物が
生成したりする。これにより、反応させたいとき、すな
わち、実際接合を行う際に、反応成分や反応種の欠如や
欠落が生じてしまう。

【００１１】従って、反応種である液体成分と反応成分
とは、保存時に互いに隔離する必要があり、その手法と
して液体成分のカプセル化が採用されている。カプセル
化することにより、反応種である液体成分と反応成分と
の接点が少なくなるからである。

【００１２】液体は、その量が減少していくと表面張力
で球状になる性質を有しており、予め添加剤を均一に分
散しておき、液体量を減ずることによってその液体の表
面に保護膜を形成させてカプセル化を図るものである。
カプセルは、加圧や加温等の外部からの作用によって容
易に破壊され、その内部に封入された反応種の液体成分
が反応成分と接触して反応が発生することが望ましい。
反応開始点が多い程、反応の着火源が多く存在すること
になり、急激な発熱反応が生起継続することによって、
接合可能なエネルギが得られるからである。

【００１３】このカプセル化は、完全になされるもので
はなく、保護膜の割れ目や若干の露出部分があり、ここ
から液分が蒸発できるように構成されている。このた
め、破れ目等が表面張力の元である液体の表面エネルギ
と比べて小さいときは、保存中の反応は生じず、わずか
な外力によってその均衡が破れ、液体が漏れて反応を急
激に開始することができ、有利である。なお、カプセル
化するための添加剤の量を多くすると、液体を臨界点以
下にする際のエネルギが大きくなってしまい、常温乃至
その近傍で反応させることができなくなる。

【００１４】液体は、水を始めとして、エタノール等の
アルコール類、アミン類、またはエステル類等の種々の
ものが採用される。液体の選択にあたっては、接合しよ
うとする金属やこの液体と反応させる金属に基づいて行
われるが、具体的には、酸化を促進させたい、酸化を抑
制した状態で接合したい等の要求特性から決められる。

【００１５】添加剤は、通常、セラミックスや金属粉末
の分散剤やバインダー等として用いられるものでよい。
但し、バインダーの添加量は、上記の粉末の成形時に比
べて１／１０程度の量に設定する必要がある。バインダ
ーの添加量が多いと、液体の表面張力が抑制されて接着
剤等で用いられる展開剤に近似する作用を有してしま
う。これにより、液体が均一乾燥してしまい、この液体
のカプセル化が困難になるとともに、カプセル化したと
してもそのカプセルの被膜強度が高すぎて、該カプセル
を壊して反応させるために要するエネルギが大きくなっ
てしまう。これにより、常温乃至その近傍でも接合処理
ができなくなってしまう。

【００１６】一方、粉末の分散時に用いられる分散剤的
機能を有する添加剤は、セラミックスや金属の成形用と
して通常用いられる量の２〜３倍以上の量に設定する。
これは、液体のカプセル化を図るために、表面張力を上
げてあたかもシャボン玉のような状態を形成する必要が
あり、従来の量的範囲を超える範囲に設定する必要があ
るからである。

【００１７】上記のようにカプセル化された反応性液体
は、この液体と相互に激しく発熱反応するような成分と
ともに接合しようとする部材間に挟持される。この成分
は、セラミックス、金属および有機金属に大別され、こ
れらの選択は、接合の種類等により適宜行われる。成分
としてセラミックスを用いた場合、接合部乃至その近傍
がセラミックス分散による複合材として構成され、大き
な強度が得られる。成分として金属を用いた場合、セラ
ミックスと金属の２つの形態があり、一方、有機金属を
用いた場合、金属として構成される。

【００１８】この種の成分は、粉状、液体状、または板
状の形態として用いられ、その選択は、得られる特性を
考慮してなされる。例えば、液体と反応する成分が液体
であると、接合する直前で双方をよく混合して接合しよ
うとする両方の金属に薄く塗布した後、前記金属同士を
合わせる。そのため、金属同士の間では、液分量が減少
していき、液体の臨界点以下になると両液体が直ちに激
しく発熱反応し、金属双方の接合部分の温度が急激に上
昇する。その際、液体の成分は、部分的に金属内部に拡
散するとともに、両金属自体が相互に拡散して接合処理
が遂行される。

【００１９】ここで、接合の信頼性を高めるために、金
属を、例えば、１０〜１００ＭＰａの加圧力で加圧して
もよい。この加圧によって、接合部に発生し易いボイド
が抑制され、反応の基体間距離の減少や熱伝達効率の向
上が図られ、良好な接合状態が得られる。なお、塑性変
形と同時に接合して形状付与を行う場合には、加圧力が
１００ＭＰａ以上であってもよい。

【００２０】液体と反応する成分として液体を用いる場
合には、ニトロセルロースやポリ酢酸ビニル等を粘着剤
として用いてもよい。これにより、反応量を大きくする
ことが可能になり、大きな発熱量を得ることができる。

【００２１】液体と反応する成分として粉末を用いる例
としては、液体として水を使用し、粉末として窒化アル
ミニウムを使用する場合がある。この反応では、反応ガ
スとしてアンモニアが発生する。

【００２２】そこで、先ず、水分散系で分散剤および添
加剤を加えて混合した後、その水分量を減じて水をカプ
セル化しておく。次いで、接合しようとする金属間に薄
く塗布し、その水分量を減少させていくと、臨界点以下
で発熱反応が激しく開始され、セラミックス粉末の焼結
や融着、さらには接合しようとする金属間の局部的な溶
融が発生する。その結果、接合しようとする金属相互に
拡散が生じ、接合部が複合材化することになる。

【００２３】ところで、このような接合に際して、複合
材化されたものの方が結合強度が高くなるが、介在物と
しての挙動を抑える場合には、金属粉を用いることがよ
く、さらに金属を選択してセラミックス化しないように
制御することもできる。この種の金属粉としては、希土
類元素系のセリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ネ
オジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム
（Ｄｙ）およびランタン（Ｌａ）等やアルミニウム（Ａ
ｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびリチウム（Ｌｉ）等
が該当する。一方、セラミックス化しない場合として
は、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステ
ン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバ
ルト（Ｃｏ）およびチタン（Ｔｉ）等を金属に付加する
と同時に、反応する相手液体側として、還元性のあるも
のを選択する必要がある。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の第１の形態に係る常温接
合方法について、以下に説明する。この第１の実施形態
では、金属とセラミックスとを接合する方法を、図１を
参照しながら以下に説明する。

【００２５】先ず、セラミックスとして、酸化イットリ
ウムおよび酸化カルシウムを３％含む窒化アルミニウム
焼結体が用意された（ステップＳＴ１）。一方、接合用
金属としては、厚さが１２μｍの純銅製の薄膜が設定さ
れた。

【００２６】次いで、窒化アルミニウム微粉末に対し金
属アルミニウム微粉末およびニッケル微粉末をそれぞれ
重量比で９６．５：３：０．５に設定された粉末に、分
散剤としてアルギン酸アンモニウムおよびカルバミン酸
エステルの溶液を８ｗｔ％、実質的には０．４ｗｔ％だ
け添加し、さらにアクリル樹脂エマルジョンを１ｗｔ％
だけ添加して混合した。

【００２７】さらに、上記の混合された接合剤は、水分
を１２ｗｔ％に調製された後、窒化アルミニウム板の銅
箔を積載する側に薄く塗布された。その上に銅箔が載置
されるとともに、重りが配置された（ステップＳＴ
２）。窒化アルミニウム板は、２×２×０．００２５イ
ンチの板状であり、銅箔は、同一の大きさを有するとと
もに、重りは１ｋｇに設定された。この積層物を室温
（１００℃以下）中に放置したところ（ステップＳＴ
３）、３０分間経過した後に発熱が始まり、直ちに発熱
反応が起こった。そして、１時間経過後に重りを取り除
いて観察したところ、良好な接合状態が得られた。

【００２８】そこで、接合面を切断し、鏡面研磨後に実
体顕微鏡観察および電子顕微鏡観察を行ったところ、接
合面が略均等に、しかも電子顕微鏡による線分析では、
アルミニウム成分の銅への拡散および銅成分の窒化アル
ミニウムへの拡散が生じており、強固な接合状態が得ら
れたことが実証された。

【００２９】しかも、第１の実施形態では、金属とセラ
ミックスの接合工程が、実質的に３工程でよい（図１
（Ａ）参照）。通常、この種の接合工程では、図２に示
すように、銅と窒素に共晶域がないため、大気中で熱処
理を施して窒化アルミニウム焼結体の表面を酸化する工
程が必要であった（ステップＳＴ１ａおよびステップＳ
Ｔ２ａ）。

【００３０】次に、窒化アルミニウム焼結体に銅の薄膜
を接着し、あるいはペーストを印刷し（ステップＳＴ３
ａ）、銅と酸素の共晶点乃至はその近傍まで加熱するこ
とにより接合した（ステップＳＴ４ａ）。これにより、
第１の実施形態では、従来の酸化工程と加熱工程とが不
要になり、接合工程全体の簡素化および迅速化が遂行さ
れるという効果が得られた。

【００３１】次に、第２の実施形態として、金属と金属
の接合の中、アルミニウム合金とアルミニウム合金の接
合方法について以下に説明する。

【００３２】図３に示すように、例えば、ＡｌＰ５１８
２（ＪＩＳ）のアルミニウム板１０ａ、１０ｂが用意さ
れた。このアルミニウム板１０ａ、１０ｂは、板厚が
２．０ｍｍであり、４０×１００ｍｍに切断されてそれ
ぞれの一部分を重畳させた状態で、反応金属と液体とを
含む接合剤１２が配置された。この接合剤１２は、アル
ミニウム板１０ａ、１０ｂの端部からそれぞれ２０〜３
０ｍｍ離間した位置で接合幅が１０ｍｍに設定された。
接合剤１２としては、下記の表１に示した４種類のもの
が採用され、それぞれの接合剤１２により接合されたア
ルミニウム板１０ａ、１０ｂの接合強度として引張り剪
断強度を求めた。

【００３３】

【表１】

【００３４】ここで、比較例として、従来のスポット溶
接法を用いて同一の素材による接合作業を行った。接合
条件しては、電極径が１９ｍｍ、先端Ｒが１５０の電極
で、加圧力として６００ｋｇｆの荷重を印加しながら、
３５０００Ａの大電流を１２〜１６サイクル流して溶接
を行った。このスポット溶接では、生成されるナゲット
（接合部）に水素のブローホール等による欠陥が発生し
たり、溶接部の割れが生じた。また、電流の印加による
発熱が生じ、軟化による大きな打痕が惹起されて外観品
質が低下した。その際、スポット溶接による接合の引張
り剪断強度は、８００〜１０００ｋｇｆ／φ９〜φ１１
ｍｍで、〜１６０ＭＰａ程度であった。

【００３５】これにより、第２の実施形態の接合強度
が、従来のスポット溶接によるものに比べて相当に高い
値となった。しかも、スポット溶接のように、大電流を
発生させる必要がなく、設備費を大幅に削減することが
できるという利点も得られた。

【００３６】本発明の第３の実施形態として、鉄系材料
の接合について以下に説明する。ここで、相互に反応す
る液体および成分は、第２の実施形態に係るアルミニウ
ム合金とアルミニウム合金との接合に使用されたものと
同様のものを使用可能であるが、アルミニウムやリチウ
ム等は、接合部の特性を劣化させるおそれがあり、使用
しない。

【００３７】液体と反応する成分としては、ランタン
（Ｌａ）およびセリウム（Ｃｅ）を含む希土類元素、マ
ンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、
タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、イットリウ
ム（Ｙ）、タンタル（Ｔａ）およびニオブ（Ｎｂ）等が
用いられ、さらに副次的に鉄系金属、チタン（Ｔｉ）、
ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）および炭素
（Ｃ）等が用いられる。

【００３８】液体は、前述したアルコール類、アミン類
および水等であり、さらにエステルやアミド、蟻酸、酪
酸または安息香酸等の有機酸を用いることにより、反応
の速さや発熱量の調製、さらに酸化の促進や抑制を制御
してもよい。

【００３９】そこで、鉄系材料として、熱処理済みのＳ
ＣＭ４３０をＪＩＳ１０号試験片に加工し、その一部を
中央部で切断した。次いで、これらの試験片を、比較例
であるろう付けおよび拡散ろう付けと、第３の実施形態
であるＡ、ＢおよびＣとを用いて接合した。ろう材とし
ては、ニッケルろう（ＢＮｉ−１）を用いた。拡散ろう
付けでは、接合後に熱処理を行った。また、第３の実施
形態のＡ、ＢおよびＣは、下記の表２に示す液体および
成分を用いた。

【００４０】

【表２】

【００４１】これらの接合後に引張り試験を行ったとこ
ろ、下記の表３に示すような結果が得られた。

【００４２】

【表３】

【００４３】ろう付けでは、引張り剪断強度が〜１００
ＭＰａ程度であり、拡散ろう付けによる引張り剪断強度
でも、〜３００ＭＰａ程度の値であった。これらに対し
て、第３の実施形態に係るＡ、ＢおよびＣを用いた場合
では、拡散ろう付けによるものに比べて２倍以上の接合
強度が得られた。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る部材の常温
接合方法では、接合処理が常温乃至その近傍で行われる
ため、高い接合強度を有するとともに、熱的影響がな
く、例えば、歪み等の発生を有効に阻止することができ
る。しかも、互いに反応する液体および成分を選択する
ことにより、金属同士の接合、あるいは金属とセラミッ
クスとの接合の際においても、前記金属や前記セラミッ
クスを殆ど加熱する必要がなく、相互拡散によって非常
に高い強度と接合信頼性とを得ることができる。しか
も、特別な加熱処理装置が不要となり、設備費を低減化
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る常温接合方法の
工程説明図である。

【図２】前記第１の実施形態に対応する従来の製造工程
の説明図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る常温接合方法に
使用される部材および接合剤の説明図である。

【符号の説明】

１０ａ、１０ｂ…アルミニウム板 １２…接合剤

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水、エタノール等のアルコール類、メチル
   アミン等のアミン類、カルバミン酸等の有機酸類、また
   は酢酸エチル等のエステル類から選択される少なくとも
   一種の液体と、前記液体が所定量以下になる際に相互に
   反応する成分とを、第１部材と第２部材との間に配する
   工程と、 １００℃以下の温度にて前記液体を前記所定量以下にす
   ることにより、該液体と前記成分とが相互に反応し、前
   記第１部材と前記第２部材とが相互拡散して一体的に接
   合する工程と、 を有することを特徴とする部材の常温接合方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、前記成分
   は、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、
   ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、クロム、また
   はランタンを含むセリウム、ネオジム、サマリウムおよ
   びジスプロシウム等のランタノイド元素から選択される
   少なくとも一種の元素であることを特徴とする部材の常
   温接合方法。
3. 【請求項３】請求項２記載の方法において、前記成分の
   他に、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケ
   ル、鉄、銅または銀から選択される少なくとも一種の元
   素が添加されることを特徴とする部材の常温接合方法。