JPS61103685A - 拡散接合方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は拡散接合方法に係り、特に接合面をＡｒイオン
ビームで清浄化した後、共晶化合物を０．０１〜５μｍ
厚さにスパッタ蒸着し、金属あるいはその合金よシ低い
温度で接合する拡散接合方法に関する。

〔発明の背景〕

銅、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ａｔ等の金属及びその合金を
組合せて接合する場合において、通常の溶融溶接による
接合では金属間化合物の生成による溶接割れの発生が問
題となり適用できないのが現状である。しかし、この種
の接合は原子力及び化学工業等の複合化構造物を製作す
るのに欠くことのできない技術である。そのため、上記
金属またはその合金の接合はろう付法等により行なわれ
ている。この場合、ろう材としてＢＡｇ系が使用されて
おり、一般的には約１００μｍａ度の接合層を有してい
る。さらに、ろう、付法では接合部界面にブローホール
等の欠陥を生じ易いばかりか、微細孔を設けた構造物等
の製作においては、ろう材で孔をふさいでしまうという
欠点がある。

一方、接合すべき金属部材を直接接触させて拡散接合す
る方法或はインサート材挿入による拡散接合では次のよ
うな欠点がある。すなわち、被接合材と被接合材との間
に何もはさまず被接合材同志を完全に密着するようにし
て行なう直接接合では高い加圧力を必要とし、適用材料
によっては著しい変形が生じ構造物とすることができな
い場合がある。また、被接合材間にインサート材をはさ
んだ間接接合では広い接合層を有するばかりか、成分に
よってはインサート材の製作が困難である等の問題があ
る。さらにインサート方式は、微細孔、すなわち、０．
２〜５φ程度の孔を設けた構過部品の接合では溶融した
インサート材が孔をふさいでしまい、目的とする微細冷
却孔付構造物の寡作が難かしい等の欠点もある。

拡散接合法の一例として特開昭５５−１１２１８９号公
報、ｔ＃開昭５５−１１２１９０号公報記載の方法があ
る。特開昭５５−１１２１８９号公報では接合面にＣｒ
メッキを施こした後拡散接合している。一方、特開昭５
５−１１２１９０号公報に記載の発明では被接合材と被
接合材との間にＦｅ−Ａｇ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ａｇ等
のインサート材を挿入して拡散接合している。これらの
方法ではいずれの場合にも被接合材と成分的な差かあ’
）、Ａ　ｇ　＋　Ｃ’　＋Ｎｉ等が残存する。このため
母材と接合部の物理的特性に差を生ずる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、接合不良及びボイドの発生の少ない接
合部が得られるようにした拡散接合方法を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は被接合部材の接合面となる部分をＡｒイオンビ
ーム処理し、清浄化した後接合性を考慮した薄膜共晶化
合物を形成し、他方の被接合部材と対面させて真空また
は不活性雰囲気中で拡散接合を行なう方法である。

本発明における被接合材接合面のイオンビーム処理によ
る清浄化は酸化皮膜の除去に効果があシ、接合性を著し
く向上する。すなわち、接合面に酸化皮膜が付着したま
まの状態で共晶化合物をスパッタした場合にはその境界
に酸素が残存し゛、ボイド発生の原因となシ、接合性を
著しく悪くするのである。

次に被接合材接合面を清浄化後、共晶化合物をスパッタ
蒸着することは箔、メッキ材あるいは粉末をインサート
して接合する従来の拡散接合方法に比べ、接合性に及ぼ
す酸素の影響を無視できるため良好な接合が可能である
。また、接合条件等においては従来の拡散接合方法に比
べて低荷重（０，５Ｋｇ　／　ｔｍ　”　Ｗ、下）で、
短時間（約１時間）での接合が可能となるだけでなく、
物理的、性能的にも大きな効果がある。ここで低荷重接
合が可能であるとしているのは共晶化合物の合金層を被
接合材よシ低い温度で溶融する成分としているためであ
る。さらに接合面はＡｒイオンビームエツチング処理に
よシ、清浄化されるため密着性が著しく良好な状態であ
シ、高加圧が不必要、すなわち低荷重で接合できる。ま
た、低加圧で接合できることは製品製作上、変形防止等
の点で大きなメリットがある。

短時間で接合が可能であるとしているのは箔。

メッキ材、粉末等をインサートした場合と異なシ、接合
面が著しく清浄化され、酸化皮膜が存在しないため原子
拡散が容易に行なわれるだけでなく、接合界面にしても
従来の箔、メッキ材をインサートした拡散接合方法では
２面、粉末をインサートした拡散接合方法では無数の界
面が存在するのに対して本発明では一面だけであるため
反応時間が短縮されるだけでなく、接合部に発生する欠
陥も緩和される。

また、箔、メッキ材、粉末をインサートした従来の拡散
接合方法ではインサート自オから接合の際酸素、窒素等
のガスが発生し、接合不良の要因となるが、本発明では
エツチングによる清浄化。

合金膜形成及び接合を同一真空中で行なうためガス発生
等の問題はない。

金属部材の少なくとも一方にＣｕ又はＣｕ合金を用いる
場合、共晶化合物薄膜合金層はＣｕをペースとし、これ
に１０〜４０重量係のＴｉを含有するものとするが、こ
のＴｉはＭｎ、Ａｇ、８　ｉ。

Ｍｇ等と置き換えることも可能である。また、この共晶
化合物薄膜合金層には被接合材の種類によって、その構
成元素の一部が浸入するため、従来の拡散接合部に比べ
て接合部と被接合材間の成分濃度差が少なく、接合部と
被接合材との間に生ずる物理的性質の差は非常に少ない
。また、これらのことは短時間接合を容易ならしめる一
要因ともなっている。次に共晶化合物薄膜合金層は成分
的にＣｕを主成分とし、これにＴｉあるいはＭｎ。

Ａｇ、Ｓｉを添加し、スパッタ蒸着したもので共晶化合
物合金層の溶融開始温度は被接合材より低くなるように
調整する。しかし、異種材料を組合せ接合する場合には
被接合材のうち融点の低い方よりさらに低温で溶融可能
なようにする。そのため接合温度は最高でも被接合材の
融点よ、１ｇ１ｏ。

Ｃ低く設定でき被接合材が接合の際に溶ける等の心配は
なく良品質の接合部を得ることができる。

以上、本発明方法は接合前に被接合材の接合面となる部
分をＡｒイオンビーム処理によシエッチングし清浄面と
した後、共晶化合物合金層を設け、・　　それを同一真
空中で対面し接合するため良品質な接合部を得ることが
できる。これは、共晶化合物と被接合材及び共晶化合物
と共晶化合物との密着性が良く、原子移動がスムーズに
行なわれる効果がある。

共晶化合物の厚さは０．０１〜５μｍが適当であシ、第
２図に示すごとく厚さが０．０１μｍ以下では固相接合
の範囲となり、接合の際変形を生ずる原因となる。一方
５μｍ以上の厚さではその厚さが増加すると化合物層に
よる強度不足を生ずる恐れがある。またこの厚さを従来
の方法と比較すると箔をインサートする拡故接合法では
１００μｍ。

メッキ材をインサートする方法では３０μｍ１粉末をイ
ンサートする方法では１２０μｍ程度であり、本発明は
著しく薄くできる。そのため、接合部の特性は被接合材
と同等となる。

次に、本発明方法における接合部の信頼性、すなわち欠
陥の発生状況では従来の拡散接合方法に比べて著しく少
なく、９９％以上の接合率は前述の如く、本発明は接合
界面が１ケ所しかないことと、接合面そのものが著しく
清浄化されているためである。また、同一真空中で清浄
化処理、スパッタ蒸着による合金層の形成及び接合を一
貫処理しているためである。さらに、従来方法では箔及
び粉末からのガス発生があるが、本発明ではその影響が
全く無い。

共晶化合物層の形成方法は真空または不活性雰囲気中で
スパッタ蒸着法によシ行なうが、その条件はターゲット
の成分によって異なる。本発明ではガス圧を２５〜５Ｘ
１σ−”Ｔｏｒｒ　で実施した。

また、接合についてはＩ　Ｘ　１０−４〜２　Ｘ　１０
−’　Ｔｏｒｒの真空中で８５０〜ｌ０ＱＯＣに加熱し
て行なったが、加熱途中、２回程、中間保持を実施した
。このようにして接合した接合部はボイド及び未接合部
等の欠陥は認められず良好な結果が得られた。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。被接合部材は
ステンレス鋼の５Ｕ８３０４と無酸素鋼を用い、それを
接合した。その方法としては被接合材の接合面となる部
分はすべてＡｒイオンビーム処理、すなわちガス圧３　
Ｘ　１０−”　Ｔｏｒｒ　としたＡｒの不活性雰囲気中
で出力を６００Ｗとして清浄化処理を行ない、接合面の
酸化被膜を除去した。

その後はステンレス鋼側の接合面にＣｕとＴｉからなる
共晶化合物層を１〜５μｍスパッタ蒸着した。スパッタ
蒸着時の条件はガス圧を４．８　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒ
とし、アルゴン等の雰囲気中で出力を１．３ＫＷとして
行なった。その後は真空−貫ラインとなっている別の室
にて被接合材のステンレス鋼と無酸素銅の接合面となる
部分を対面して接合した。

その場合の条件としては初期真空度を８　Ｘ　１０”Ｔ
ｏｒｒ　、接合温度を９５００．加圧力を０．３　Ｋｇ
ｆ／−２として３０分間保持して接合した。このように
して接合した接合部については接合断面をミクロ的に調
べた結果、良好な接合部が得られた。

第１〜３表には本発明（Ｃ）の拡散接合方法と従来の接
合法（ａ）、（ｂ）とを比較して示した。

第　　　２　　　表 第　　　３　　　表 牽ｇ！Ｍ半＝Ｘｌυυ 接合長 （ａ）は箔を挿入して行なう接合方法、（ｂ）はメッキ
材を挿入して接合する方法でろ）、この方法ではインサ
ート材を自由自在に加工することができず複雑形状部品
への適用が難かしい。また、このインサート材の代シに
粉末等ヲ便用する場合があるが、接合の際粉末から発生
する酸素、窒素、水素等が欠陥発生の要因となる恐れが
おる。

本発明による拡散接合方法（Ｃ）では被接合部材の接合
面となる部分をＡｒイオンビーム処理によシ清浄化し、
酸化被膜を除去後、接合性と接合面の酸化防止を考慮し
た共晶化合物層ｔ−０．０１〜５μｍスパッタ蒸着し、
接合面としているため、酸化物及びガス等による影響は
全くなく、シかも複雑形状部品への適用が容易である。

尚、共晶化合物の成分については前記適用金属部材によ
って異なるが、ここではＣｕと８ＵＳとの接合を行なっ
たため５０〜７５１Ｃｕ−５０〜２５１Ｔｉ系とした。

以上のような方法で被接合部材の接合面に共晶化合物層
を設け、それを対面して第２表に示す温度で接合し、そ
の断面ミクロにより接合率を調べるとともに接合部の強
度試験も実施した。強度的には共晶、化合物層の厚さが
厚い方が低く、３μｍ程度に共晶化合物層を薄くすると
１７〜１８１！４ｆ／ｗｘ２の強度が得られた。また、
接合率では接合温度によって異なり、９５０Ｃでは１０
０％の接合率を示した。

次に、従来の接合方法（ｂ）について実施した一例を説
明する。被接合材の接合面をエメリー紙及び研磨によシ
仕上げ加工した後、Ｃｕ−Ｔｉ合金の粉末をインサート
し、９５０Ｇまで加熱して接合した。その結果、第３表
に示した如（９０（ｉの接合率で本発明方法よシ悪いこ
とがわかる。また、これらの引張試験では接合部に脆い
化合物層が厚く形成されるため接合部で破断し、３匂ｆ
　／１ｍ”程度の強度しか得られなかった。

なお本発明め方法において、インサート材である共晶化
合物層の厚さを変えた場仕には、引張強さは第１図に示
すように変化する。

〔発明の効果〕

本発明によって従来の接合方法では得ることのできない
高品質接合部、すなわちボイド及び未接合部が無く、強
度的にも被接合材に近い値が得られる効果がある。また
、従来の接合方法ではインサート材として被接合材と異
なるＡ　ｇ　ｅ　Ｎ　ｉ及びその粉末を使用するのに対
して本発明では被接合材成分と近似の成分としているた
め原子の拡散が容易で拡散時間を短縮できる効果がある
。

さらに共晶化合物層形成前にはＡｒイオンビーム処理に
よυ接合面の清浄化を行なっているため接合面の密着性
は著しく良好で拡散接合の際に最も重要な原子の移動を
容易にする効果がある。また、同一真空中で清浄化、ス
パッタ蒸着及び接合を一貫して行なうことは酸化防止を
図る上で著しい効果がある。接合幅についても従来方法
よシ著しく狭いため接合層による影響が少なく、接合後
の性質としても被接合材と同程度の物理的特性が得られ
る及び従来法では適用できない共晶化合物を利用した接
合ができる等の効果もある。更に、本発明方法において
１００％の接合率を得るための加圧力と共晶化合物層の
厚さについて最低の限界曲線を求めたことにより、常に
安定な接合部を得ることができる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法において９５００に加熱して接合し
た接合部の引張試験結果を示す特性図であり、第２図は
本発明における共晶化合物の厚さ共晶Ａしイト拘層巧ノ
ｑさくγγう 第　２　図 共晶化合物→４’！−（％叛）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも２つの金属部材の接合面を接触させて拡
   散接合する方法において、前記接触面に予め０．０１〜
   ５μｍ厚さの共晶化合物層を前記金属部材のいずれかに
   直接形成することにより設け、その状態で拡散接合する
   ことを特徴とする拡散接合方法。 ２、特許請求の範囲の第一項において、前記共晶化合物
   層を清浄化処理を施した前記金属部材表面に形成するこ
   とを特徴とする拡散接合方法。 ３、特許請求の範囲の第一項において、前記金属部材の
   接合面となる部分に非酸化性雰囲気中でＡｒイオンビー
   ム照射し、清浄化した後、前記共晶化合物をスパッタ蒸
   着して共晶化合物層を形成することを特徴とする拡散接
   合方法。