KR20220119359A

KR20220119359A - 금속 접합재

Info

Publication number: KR20220119359A
Application number: KR1020227009655A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 카자마; 쿠니테루 미하라; 요시아키 오기와라
Original assignee: 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-08-29
Also published as: JPWO2021140785A1; JP7051000B2; TW202132032A; WO2021140785A1

Abstract

실시형태의 금속 접합재는, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재가 접합되어 구성되는 금속 접합재로서, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재가 확산층을 통해 접합되며, 상기 확산층과 수직인 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 중, 상기 제1 금속 부재만은, 상기 확산층과 인접하고, 상기 확산층으로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립을 포함한 제1 기둥형 결정 조직부를 갖는다.

Description

금속 접합재

본 개시는 금속 접합재에 관한 것이다.

종래부터 금속 부재끼리를 접합하는 기술이 각종 분야에서 이용되고 있다.

또한, 최근에는, 재료에 대한 요구가 해마다 엄격해져, 동계(同系) 재료의 금속 부재끼리를 접합하는 기술과 더불어, 이계(異系) 재료의 금속 부재끼리를 접합하는 기술, 특히, 상반된 특성을 갖는 이계 금속 부재끼리의 접합 고정밀화가 요구되고 있다.

예를 들면, 열 전도율이 높은 재료인 구리계 부재나 알루미늄계 부재와, 내열성이 높은 스테인리스 부재나 내열강 부재를 조합하는 열 교환기나, 비중이 큰 구리계 부재와 비중이 작은 알루미늄계 부재의 조합 등, 금속 접합재를 구성하는 금속 부재의 다양성 요구는 높다. 특히, 다양한 종류의 접합재가 실용화되고 있는 예로서, 바이메탈에서는, 열 팽창 계수가 다른 금속 부재끼리가 접합되고, 션트 저항기에서는, 전기 저항율이 낮은 금속 부재와, 전기 저항율이 높은 금속 부재가 접합되어 있다.

금속 부재의 접합 방법으로서는, 용융 용접, 고상 접합, 납 접합, 접착, 기계적 접합 등이 있다. 그 중에서도, 용융 용접에 따른 금속 부재의 접합 방법은 옛부터 사용되어, 실용적이고 실적이 많다. 용융 용접으로는, 티그 용접, 미그 용접, 마그 용접, 플라즈마 용접과 같은 아크 용접, 스폿 용접, 심 용접, 프로젝션 용접, 플래시 버트 용접과 같은 저항 용접, 전자 빔 용접과 같은 고에너지 빔 용접 등이 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 알루미늄계 금속재와, 적어도 표면의 일부를 아연으로 피복하는 철계 금속재를 접합하고, 상기 철계 금속재와 상기 알루미늄계 금속재의 계면에는, 아연이 알루미늄에 고용되어 이루어지는 합금층이 개재되어 있으며, 더욱이, 상기 합금층에는 아연이 석출되어 있고, 또한, 상기 합금층에는 철, 알루미늄 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택된 2종 이상의 금속 원소로 이루어지는 금속간 화합물이 분산되어서 석출되어 있는 이종 금속 접합체가 기재되어 있다. 특허문헌 1에서는, 이종 금속 접합체의 제조 방법은, 알루미늄계 금속재와 철계 금속재의 이음매에 레이저광을 조사하여, 상기 철계 금속재의 표면에 함유된 아연과, 상기 알루미늄계 금속재의 표면에 함유된 알루미늄을 용출시키는 제1 공정과, 상기 레이저광의 조사면끼리가 접촉되는 방향으로 롤러로 가압하여, 철계 금속재와 알루미늄계 금속재의 계면에, 아연을 알루미늄에 고용시킨 합금층을 형성시키는 제2 공정을 포함한다.

또한, 특허문헌 2에는, 구리와 아연을 주성분으로 한 금속과, 철을 주성분으로 한 금속을, 단면끼리를 맞댐으로써 맞대기 계면을 형성하고, 해당 맞대기 계면근방에 고에너지 밀도를 갖는 빔을 조사하여 접합부를 형성하고, 해당 접합부를 통해, 상기 구리와 아연을 주성분으로 한 금속과, 상기 철을 주성분으로 한 금속을 접합하는, 이종 금속의 맞대기 접합 방법에 있어서, 상기 고에너지 밀도를 갖는 빔의 조사 중심의 위치를, 상기 맞대기 계면으로부터 떨어진 상기 구리와 아연을 주성분으로 한 금속의 표면으로 하고, 상기 구리와 아연을 주성분으로 한 금속의 상기 맞대기 계면과 인접한 부분을 용융하여, 상기 구리와 아연을 주성분으로 한 금속의 용융 조직으로 구성되는 상기 접합부를 형성하는 이종 금속의 맞대기 접합 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에서는, 철을 주성분으로 한 금속에 비하여, 열 전도율이 높고 레이저광의 흡수율이 낮은, 구리와 아연을 주성분으로 한 금속에 대하여 빔이 조사된다.

상기와 같은 종래 기술에서는, 알루미늄계 금속 부재 및 철계 금속 부재나, 구리와 아연을 주성분으로 한 금속 부재 및 철을 주성분으로 한 금속 부재와 같이, 금속 접합재는 특정 금속 부재의 조합에 한정된다. 또한, 고온 균열이 발생하기 쉬운 경우가 있기 때문에, 성형 가공이 용이하지 않고, 인장 강도 등의 접합 특성이 충분하지 않다. 나아가서는, 최근, 기술 레벨의 향상에 따라, 금속 접합재의 접합 특성 향상이 추가로 요구되고 있다.

일본 특허 제5165339호 일본 공개특허공보 특개 제2013-154398호

본 개시의 목적은 동계 재료의 금속 부재 및 이계 재료의 금속 부재와 상관 없이, 금속 부재끼리의 접합 신뢰성이 우수한 금속 접합재를 제공하는 것이다.

[1]　제1 금속 부재와 제2 금속 부재가 접합되어 구성되는 금속 접합재로서, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재가 확산층을 통해 접합되며, 상기 확산층과 수직인 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 중, 상기 제1 금속 부재만은, 상기 확산층과 인접하고, 상기 확산층으로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립을 포함한 제1 기둥형 결정 조직부를 갖는 것을 특징으로 하는, 금속 접합재.

[2]　상기 단면에 있어서, 상기 제1 기둥형 결정 조직부 중의 모든 결정립 중, 0.50이하의 종횡비를 갖는 여러 결정립이 차지하는 면적 비율은 50% 이상인, 상기 [1]에 기재된 금속 접합재.

[3]　상기 단면에 있어서, 상기 제1 기둥형 결정 조직부의 평균 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 이하인, 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 금속 접합재.

[4]　제1 금속 부재와 제2 금속 부재가 접합되어 구성되는 금속 접합재로서, 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재가 확산층을 통해 접합되고, 상기 확산층의 평균 두께는 50㎛ 이하인, 금속 접합재.

[5]　상기 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재는, 상기 제1 기둥형 결정 조직부의 상기 확산층 측과 반대 측에, 상기 제1 기둥형 결정 조직부로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립을 포함한 제2 기둥형 결정 조직부를 갖는, 상기 [1]∼[4] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[6]　상기 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재는, 상기 제1 기둥형 결정 조직부와, 상기 제2 기둥형 결정 조직부의 사이에 경계면을 갖는, 상기 [5]에 기재된 금속 접합재.

[7]　상기 단면에 있어서, 상기 경계면과, 상기 경계면과 평행하고, 상기 경계면으로부터 상기 제2 금속 부재 측과 반대 측 방향으로 400㎛ 떨어진 제1 기준선과, 상기 제1 금속 부재의 2개 외형선으로 구획되는 제1 영역 내에서 차지하는, 0.35이하의 종횡비를 갖는 결정립의 면적 비율은 50% 이상인, 상기 [6]에 기재된 금속 접합재.

[8]　25℃에서, 상기 제1 금속 부재의 열 전도율(λ1)에 대한 상기 제2 금속 부재의 열 전도율(λ2)의 비(λ2/1)는 10이상이고, 상기 제1 금속 부재의 융점(T1)과, 상기 제2 금속 부재의 융점(T2)의 차이(ΔT)는 10℃ 이상인, 상기 [1]∼[7] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[9]　상기 제1 금속 부재가 알루미늄계 재료이고, 상기 제2 금속 부재가 구리계 재료인, 상기 [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[10]　상기 제1 금속 부재가 철계 재료이고, 상기 제2 금속 부재가 구리계 재료인, 상기 [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[11]　상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 알루미늄계 재료인, 상기 [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[12]　상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 철계 재료인, 상기 [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[13]　상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 구리계 재료인, 상기 [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[14]　상기 제1 금속 부재는 저항재용 구리 합금 재료이고, 상기 제2 금속 부재는, 상기 제1 금속 부재보다 도전율이 높은 구리계 재료인, 상기 [1]∼[8] 중 어느 하나에 기재된 금속 접합재.

[15]　상기 제1 금속 부재는, Mn을 10.0질량% 이상 14.0질량% 이하, Ni을 1.0질량% 이상 3.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 저항재용 구리 합금 재료인, 상기 [14]에 기재된 금속 접합재.

[16]　상기 제1 금속 부재는, Mn을 6.0질량% 이상 8.0질량% 이하, Sn을 2.0질량% 이상 4.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 저항재용 구리 합금 재료인, 상기 [14]에 기재된 금속 접합재.

본 개시에 따르면, 동계 재료의 금속 부재 및 이계 재료의 금속 부재와 상관없이, 금속 부재끼리의 접합 신뢰성이 우수한 금속 접합재를 제공할 수 있다.

도 1은 실시형태의 금속 접합재의 개략을 도시하는 사시도이다.
도 2는 실시형태의 금속 접합재의 확산층과 수직인 단면을 EBSD법으로 관찰한 화상이다.
도 3은 도 2의 화상에 있어서의 각 구성을 도시하는 개략도이다.
도 4는 도 2의 화상의 EPMA의 라인 분석 결과이다.
도 5는 실시예에 있어서의 레이저광의 조사 위치를 설명하기 위한 사시도이다.

이하, 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 열심히 연구를 거듭한 결과, 파이버 레이저 용접의 접합 조건이나 금속 부재의 물성 적정화를 도모함으로써, 동계 재료의 금속 부재 및 이계 재료의 금속 부재와 상관 없이, 금속 부재끼리의 접합 신뢰성이 우수한 금속 접합재를 얻을 수 있는 것을 찾아내서, 이러한 지견에 근거하여, 본 개시를 완성시키기에 이르렀다.

도 1은 실시형태의 금속 접합재(1)의 개략을 도시하는 사시도이다. 도 2는 금속 접합재(1)의 확산층(30)과 수직인 단면을 EBSD법으로 관찰한 화상이다. 구체적으로는, 도 2는 금속 접합재(1)의 확산층(30)과 레이저광의 조사 방향으로 각각 수직인 단면의 화상이다. 도 3은 도 2의 화상에 있어서의 각 구성을 도시하는 개략도이다. 금속 접합재(1)는, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)가 접합되어 구성된다.

우선, 금속 접합재(1)를 구성하는 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20))에 대해서, 재료와 그 조합에 대해서 설명한다.

제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 구성하는 재료 및 그 조합으로서는, 금속 접합재(1)가 후술하는 제1 기둥형 결정 조직부(12)나 확산층(30)을 갖고고 있으면 좋다.

제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 구성하는 재료의 조합에 대해서는, 이계 재료여도, 동계 재료여도 된다. 여기서, 이계 재료란, 다른 금속인 이종 금속, 다른 합금인 이종 합금, 다른 합금계인 이계 합금을 포함한다. 또한, 동계 재료란, 같은 금속인 동종 금속, 같은 합금인 동종 합금, 같은 합금계인 동계 합금을 포함한다.

예를 들면, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 조합이 이계 재료일 경우, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 구성하는 재료 및 조합으로서는, 제1 금속 부재(10)가 알루미늄계 재료이고, 제2 금속 부재(20)가 구리계 재료인 조합, 제1 금속 부재(10)가 철계 재료이고, 제2 금속 부재(20)가 구리계 재료인 조합인 것이 바람직하다. 이러한 이계 재료의 조합으로 구성되는 금속 접합재(1)는, 후술하는 파이버 레이저 용접에 의해 용이하게 제조할 수 있으며, 인장 강도나 신장 등의 접합 특성이 우수하다.

또한, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 조합이 동계 재료일 경우, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 구성하는 재료로서는, 알루미늄계 재료, 철계 재료, 구리계 재료인 것이 바람직하다. 이러한 동계 재료의 조합으로 구성되는 금속 접합재(1)는 파이버 레이저 용접에 의해 용이하게 제조할 수 있으며, 인장 강도나 신장 등의 접합 특성이 우수하다.

또한, 동계 재료 중, 이하에 나타내는 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 조합으로 구성되는 금속 접합재(1)는, 션트 저항기 등의 저항기로서 적합하게 사용된다. 저항기로서 바람직한 금속 접합재(1)로서는, 제1 금속 부재(10)가 이하에 나타내는 저항재용 구리 합금 재료이고, 제2 금속 부재가 제1 금속 부재(10)보다 도전율이 높은 구리계 재료, 보다 바람직하게는 제2 금속 부재가 순동(純銅)이다.

저항재용 구리 합금 재료는 비저항이 크고, 또, 저항 변화의 온도 계수가 작다는 전기적 특성이 요구되기 때문에, Mn(망간)을 30.0질량% 이하 함유한 구리 합금이 사용된다.

특히, 저항재용 구리 합금 재료로서는, Mn을 10.0질량% 이상 14.0질량% 이하, Ni(니켈)을 1.0질량% 이상 3.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu(구리) 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 Cu-Mn-Ni계 저항재용 구리 합금 재료이다.

다른 종류의 저항재용 구리 합금 재료로서는, Mn을 6.0질량% 이상 8.0질량% 이하, Sn(주석)을 2.0질량% 이상 4.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 Cu-Mn-Sn계 저항재용 구리 합금 재료이다.

상기 Cu-Mn-Ni계 및 Cu-Mn-Sn계 저항재용 구리 합금 재료는, 20℃ 이상 50℃ 이하의 온도 범위 내의 저항 온도 계수의 절대치가 50ppm/℃ 이하이고, 저항 온도 계수가 작아, 환경 온도가 변해도 저항값이 안정되기 때문에, 저항기에 사용되는 저항재로 적합하게 이용된다.

저항 온도 계수(TCR)란, 온도차 1℃당 저항값 변화의 비율에 대해서, 하기 식 (1)에 나타낸 것이다.

저항 온도 계수(TCR)(ppm/℃)=｛(R-R₀)/R₀｝×[1/｛(T-T₀)×10⁶｝]　··· 식 (1)

식 (1) 중, T는 시험 온도(℃), T₀은 기준 온도(℃), R은 시험 온도(T)에 있어서의 저항값(Ω), R₀은 기준 온도(T₀)에 있어서의 저항값(Ω)을 나타낸다.

상기 Cu-Mn-Ni계 저항재용 구리 합금 재료에 대해서, Mn의 함유량이 10.0질량% 미만이면, 저항 온도 계수의 상승이나, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 증대 등을 일으키는 경우가 있다. Mn의 함유량이 14.0질량%보다 크면, 전기 저항율의 상승, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 감소, 내식성 및 제조성 저하 등을 일으키는 경우가 있다. 또한, Ni의 함유량이 1.0질량% 미만이면, 저항 온도 계수의 상승, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 증대, 내식성 저하 등을 일으키는 경우가 있다. Ni의 함유량이 3.0질량%보다 크면, 전기 저항율의 상승, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 감소, 제조성 저하 등을 일으키는 경우가 있다.

상기 Cu-Mn-Sn계 저항재용 구리 합금 재료에 대해서, Mn의 함유량이 6.0질량% 미만이면, 저항 온도 계수의 상승이나, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 증대 등을 일으키는 경우가 있다. Mn의 함유량이 8.0질량%보다 크면, 전기 저항율의 상승이나, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 감소 등을 일으키는 경우가 있다. 또한, Sn의 함유량이 2.0질량% 미만이면, 저항 온도 계수의 상승, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 증대, 내식성 저하 등을 일으키는 경우가 있다. Sn의 함유량이 4.0질량%보다 크면, 전기 저항율의 상승, 재결정 소둔 시에 결정립 지름의 감소, 제조성 저하 등을 일으키는 경우가 있다.

또한, 상기 Cu-Mn-Ni계 및 Cu-Mn-Sn계 저항재용 구리 합금 재료에 대해서, 추가로 Fe(철): 0.001질량% 이상 0.500질량% 이하, Si(규소): 0.001질량% 이상 0.100질량% 이하, Cr(크롬): 0.001질량% 이상 0.500질량% 이하, Zr(지르코늄): 0.001질량% 이상 0.200질량% 이하, Ti(티타늄): 0.001질량% 이상 0.200질량% 이하, Ag(은): 0.001질량% 이상 0.500질량% 이하, Mg(마그네슘): 0.001질량% 이상 0.500질량% 이하, Co(코발트): 0.001질량% 이상 0.100질량% 이하, P(인): 0.001질량% 이상 0.100질량% 이하, 그리고, Zn(아연): 0.001질량% 이상 0.500질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 것이 바람직하다.

상기 Cu-Mn-Ni계 및 Cu-Mn-Sn계 저항재용 구리 합금 재료가 추가로 상기 1종 이상의 원소를 함유하면, 재결정 소둔 시에 결정립의 성장이 늦어지기 때문에, 결정립 지름의 제어가 용이해짐과 더불어, 내열성이 향상한다. 그 때문에, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 향상한다.

이와 같이, 상기 저항재용 구리 합금 재료에 대해서, 저항 온도 계수가 매우 작기 때문에, 환경 온도에 대한 저항값 변화의 안정화가 요구되는 저항기의 저항재로 적합하게 사용된다. 또한, 저항재용 구리 합금 재료보다 도전성이 높은 구리계 재료와 저항재용 구리 합금 재료가 접합되어 구성되는 금속 접합재(1)는 션트 저항기 등의 저항기에 적합하게 사용된다.

다음으로, 확산층(30)과 수직인 단면에서의 금속 접합재(1)의 조직에 대해서 설명한다.

도 1∼3에 도시하는 바와 같이, 금속 접합재(1)는, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)가 확산층(30)을 통해 접합되어 구성된다. 확산층(30)과 수직인 단면에 있어서, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20) 중, 제1 금속 부재(10)만은, 확산층(30)으로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립(11)을 포함한 제1 기둥형 결정 조직부(12)를 갖는다. 제1 기둥형 결정 조직부(12)는 제1 금속 부재(10) 측 확산층(30)과 인접한다.

확산층(30)은, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 사이에 형성된다. 확산층(30)을 구성하는 금속 원소는, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와, 제2 금속 부재(20)를 구성하는 금속 원소로 이루어진다.

제1 기둥형 결정 조직부(12)에 많이 포함되는 결정립(11)은, 확산층(30)으로부터 제1 금속 부재(10)의 방향을 향하여 연장되고, 전체적으로 접합 방향(X)을 따라 연장된다. 제1 금속 부재(10)의 접합 전 조직의 결정립이 입상인데 비하여, 결정립(11)은 길다. 또한, 접합 방향(X)에 있어서의 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 상태에 대해서, 확산층(30) 측으로부터, 후술하는 제2 기둥형 결정 조직부(14) 측에 걸쳐, 전체면에 결정립(11)이 형성되는 상태여도 되고, 일부에 결정립(11)이 형성되는 상태여도 되고, 도 2∼3에 도시하는 바와 같이, 이들 상태가 혼재해도 된다.

금속 접합재(1)가 제1 금속 부재(10) 내에 제1 기둥형 결정 조직부(12)를 가짐으로써, 제1 금속 부재(10)의 인장 강도나 신장이 향상한다. 더욱이, 제1 금속 부재(10) 내의 제1 기둥형 결정 조직부(12)가 확산층(30)과 인접함으로써, 제1 기둥형 결정 조직부(12)가 확산층(30)과 접합된다. 그 때문에, 확산층(30)의 평균 두께가 종래에 비하여 작아도, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 양호하고, 금속 접합재(1)의 인장 강도나 신장 등의 접합 특성이 우수하다. 더욱이, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)에 비하여 저항값이 불안정한 확산층(30)의 평균 두께를 작게, 또, 균일화할 수 있기 때문에, 금속 접합재(1)가 저항기인 경우에는, 후술하는 바와 같이, 금속 접합재(1)마다의 저항값 및 저항 온도 계수의 편차를 억제할 수 있다.

또한, 제1 기둥형 결정 조직부(12) 중의 결정립(11)은 도 2∼3에 도시하는 바와 같이, 금속 접합재(1)에서 접합면 방향(Y)의 전체면에 걸쳐 형성되는 것이 바람직하다. 여러 결정립(11)이 접합면 방향(Y)의 전체면에 걸쳐 형성되면, 확산층(30)의 평균 두께가 더욱 작아도, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 향상하여, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 양호하다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 기둥형 결정 조직부(12)에 포함된 여러 결정립(11)의 적어도 일부는 확산층(30)을 관통하여, 제2 금속 부재(20)까지 연장되는 것이 바람직하다. 제1 기둥형 결정 조직부(12)에 포함되는 적어도 일부의 결정립(11)이 확산층(30)을 관통하여, 제2 금속 부재(20)까지 연장되면, 제1 기둥형 결정 조직부(12) 중의 결정립(11)과 제2 금속 부재(20)가 접합되기 때문에, 확산층(30)의 평균 두께가 더욱 작아도, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(2)의 접합 강도가 더욱 증가하여, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 향상한다.

결정립(11)이 확산층(30)을 관통하여 제2 금속 부재(20)까지 연장된다는 것은, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 결정립(11)이 확산층(30)을 관통하여, 제2 금속 부재(2)에 침입하는 것이다.

확산층(30)에 침입하지 않는 결정립(11)은, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성된다. 또한, 확산층(30)에 침입하는 결정립(11)에 대해서, 확산층(30)에 침입한 부분은, 확산층(30)을 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소, 즉, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와, 제2 금속 부재(2)를 구성하는 금속 원소로 구성되고, 확산층(30)에 침입하지 않는 부분, 즉, 확산층(30)으로부터 제1 금속 부재(10) 측 부분은, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성된다. 또한, 확산층(30)을 관통하여 제2 금속 부재(20)까지 연장되는 결정립(11)에 대해서, 제2 금속 부재(20)에 침입한 부분은, 제2 금속 부재(20)를 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성되고, 확산층(30)에 침입한 부분은, 확산층(30)을 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성되며, 확산층(30)에 침입하지 않는 부분은, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성된다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 기둥형 결정 조직부(12) 중의 모든 결정립 중, 0.50이하(0초과 0.50이하)의 종횡비(단변 방향 치수/장변 방향 치수)를 갖는 여러 결정립이 차지하는 면적 비율은 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상이다. 이와 같이, 0.50이하의 종횡비를 갖는 여러 결정립의 면적 비율이, 제1 기둥형 결정 조직부(12) 중의 50% 이상을 차지하면, 제1 기둥형 결정 조직부(12)에 포함되는 종횡비 0.50이하인 결정립(11)의 함유 비율이 증가하기 때문에, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 상기 특성이 더욱 향상한다. 그 결과, 확산층(30)의 평균 두께가 더욱 작아도, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 더욱 증가하여, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 향상한다.

결정립의 종횡비는 결정립의 장변 방향 치수에 대한 단변 방향 치수의 비(比)이다. 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 결정립의 장변 방향 치수란, 접합 방향(X)의 결정립의 최대 치수이고, 결정립의 단변 방향 치수란, 접합 방향(X)으로 수직인 방향의 결정립의 최대 치수이다. 진원형 결정립의 경우, 종횡비는 1이다.

예를 들면, 결정립(11)에 대해서, 장변 방향 치수는 20㎛ 이상 400㎛ 이하 정도이고, 단변 방향 치수는 1㎛ 이상 80㎛ 이하 정도이다.

도 2∼3과 같은, 확산층(30)과 수직인 단면에서 금속 접합재(1)의 조직은, 고분해능 주사형 분석 전자현미경(일본 전자 주식회사 제조, JSM-7001FA)에 부속된 EBSD 검출기를 이용하여 연속해서 측정한 결정 방위 데이터로부터, 해석 소프트웨어(TSL사 제조, OIM　Analysis)를 이용하여 산출한 결정 방위 해석 데이터로부터 얻을 수 있다. 「EBSD」란, Electron　BackScatter　Diffraction의 약어로서, 주사형 전자현미경(SEM) 내에서 시료인 금속 접합재(1)에 전자선을 조사하였을 때에 생기는 반사 전자 키쿠치선 회절을 이용한 결정 방위 해석 기술인 것이다. 「OIM Analysis」란, EBSD에 의해 측정된 데이터 해석 소프트웨어이다. 관찰 시료는 확산층(30)과 수직인 단면에 대해서, 전해 연마로 경면 마무리된 표면이다. 관찰은 접합 방향 3㎜×접합면 방향 3㎜의 시야에서, 스텝 사이즈 2.0㎛로 실시한다. 15° 이상의 방위차를 결정립계로 하고, 2픽셀 이상으로 이루어지는 결정립을 해석 대상으로 삼는다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 확산층(30)으로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 평균 두께에 대해서, 하한치는 바람직하게는 50㎛ 이상, 보다 바람직하게는 100㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 150㎛ 이상이고, 상한치는 바람직하게는 500㎛ 이하, 보다 바람직하게는 400㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 350㎛ 이하이다. 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 평균 두께란, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 접합 방향(X)을 따른 평균 길이 치수이다. 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 평균 두께가 50㎛ 이상이면, 제1 기둥형 결정 조직부(12)를 갖는 제1 금속 부재(10)의 기계 강도가 증가하기 때문에, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 향상한다. 또한, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 평균 두께가 500㎛ 이하이면, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 결정 사이즈의 조대화가 억제되고, 제1 기둥형 결정 조직부(12)를 갖는 제1 금속 부재(10)의 기계 강도 저하가 억제되기 때문에, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 양호하다.

여기서, 확산층과 수직인 단면 화상 상에서, 후술하는 확산층(30)의 EPMA의 라인 분석에 의해 특정된 확산층의 10개소 위치를 연결함으로써, 확산층(30)과, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 경계가 특정된다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 확산층과 수직인 단면을 EBSD법으로 관찰함으로써, 제1 기둥형 결정 조직부(12)와, 제2 기둥형 결정 조직부(14)를 사이에 둔 경계면(15)은 특정된다. 이 2개 경계에 의해, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 영역은 특정된다.

제1 기둥형 결정 조직부(12)의 평균 두께는, 도 2∼3에 도시하는 바와 같은 확산층(30)과 수직인 단면을 5개소 관찰하여, 각 단면에서의 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 최대 두께와 최소 두께를 각각 측정하고, (제1 기둥형 결정 조직부(12)의 최대 두께＋제1 기둥형 결정 조직부(12)의 최소 두께)/2를 산출하여, 그 합계를 5로 나눈 값이다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(2)의 사이에 형성되는 확산층(30)의 평균 두께는 50㎛ 이하, 바람직하게는 40㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30㎛ 이하이다. 이와 같이, 확산층(30)의 평균 두께는 50㎛ 이하이며, 작을수록 바람직하다. 확산층(30)의 평균 두께란, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 접합 방향(X)을 따른 평균 길이 치수이다. 확산층(30)의 평균 두께가 50㎛ 이하이면, 종래에 비하여 평균 두께가 작고, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 양호하며, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 우수하다.

또한, 금속 접합재(1)를 저항기로서 편입시킨 전자기기나 전기기기에서는, 최근, 고집적화에 따라, 금속 접합재(1)의 소형화가 진행되고 있다. 종래에는, 소형화된 금속 접합재에서는, 확산층의 평균 두께가 크거나, 확산층의 두께가 불균일하기 때문에, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 접합 상태가 안정되지 않고, 금속 접합재마다의 저항값 및 저항 온도 계수가 불안정해지는 경우가 있다. 실시형태에서는, 상기와 같이, 금속 접합재(1)의 확산층(30)의 평균 두께가 종래에 비하여 작고, 또, 균일하기 때문에, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 상태가 안정화되어, 금속 접합재(1)마다의 저항값 및 저항 온도 계수의 편차를 억제할 수 있다. 또한, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도 관점에서, 확산층(30)의 평균 두께의 하한치는 예를 들면, 1㎛ 이상이다.

확산층(30)은 EPMA의 라인 분석에 의해 특정된다. 확산층(30)의 평균 두께는, 도 2∼3에 도시하는 바와 같은 확산층(30)과 수직인 단면 화상에 있어서, EPMA의 라인 분석을 10개소 측정하여, 그 평균치로 한다. 도 4는, 도 2의 화상의 EPMA의 라인 분석 결과이다. 도 4에 도시하는 분석 결과에서는, 확산층(30)의 평균 두께는 21㎛이다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(2) 중 제1 금속 부재(10)만은, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 확산층(30) 측과 반대 측에, 제1 기둥형 결정 조직부(12)로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립(13)을 포함한 제2 기둥형 결정 조직부(14)를 갖는 것이 바람직하다. 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 확산층(30) 측과 반대 측이란, 제1 기둥형 결정 조직부(12)의 제1 금속 부재(10) 측이다. 제2 기둥형 결정 조직부(14)는, 제1 금속 부재(10) 측의 제1 기둥형 결정 조직부(12)와 인접한다.

제2 기둥형 결정 조직부(14)는, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성된다. 즉, 제2 기둥형 결정 조직부(14)에 많이 포함되는 결정립(13)은, 제1 금속 부재(10)를 구성하는 금속 원소와 같은 금속 원소로 구성된다. 제2 기둥형 결정 조직부(14)에 많이 포함되는 결정립(13)은, 제1 기둥형 결정 조직부(12)로부터 제1 금속 부재(10)의 방향을 향하여 연장되며, 전체적으로 접합 방향(X)을 따라 연장된다. 제1 금속 부재(10)의 접합 전 조직의 결정립에 비하여, 결정립(13)은 길다.

금속 접합재(1)가 제1 금속 부재(10) 내에 제2 기둥형 결정 조직부(14)를 가짐으로써, 제1 금속 부재(10)의 인장 강도나 신장이 향상한다. 더욱이, 제1 금속 부재(10) 내의 제2 기둥형 결정 조직부(14)가 제1 기둥형 결정 조직부(12)와 인접함으로써, 제2 기둥형 결정 조직부(14)가 제1 기둥형 결정 조직부(12)와 접합되기 때문에, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 더욱 증가하여, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 향상한다. 더욱이, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 향상하기 때문에, 확산층(30)의 두께를 더욱 작게 할 수 있으므로, 금속 접합재(1)마다의 저항값 및 저항 온도 계수의 편차를 더욱 억제할 수 있는 동시에, 금속 접합재(1)의 저항 조정이 더욱 용이해져 금속 접합재(1)의 저항 조정이 불필요해지는 경우도 있다.

여기서, 상술한 바와 같이, 제1 금속 부재(10)는, 제2 기둥형 결정 조직부(14)의 제1 기둥형 결정 조직부(12) 측, 즉, 제1 기둥형 결정 조직부(12)와, 제2 기둥형 결정 조직부(14)의 사이에 경계면(15)을 갖는다. 그 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같은 EBSD법으로 관찰한 화상에서는, 제2 기둥형 결정 조직부(14)의 제1 금속 부재(10) 측을 나타내는 경계에 비하여, 반대 측인 제2 기둥형 결정 조직부(14)의 제1 기둥형 결정 조직부(12) 측을 나타내는 경계면(15)은 명확하다.

도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 경계면(15)과, 경계면(15)과 평행하고, 경계면(15)으로부터 제2 금속 부재(20) 측과 반대 측 방향으로 400㎛ 떨어진 제1 기준선(16)과, 제1 금속 부재(10)의 2개 외형선(17a, 17b)으로 구획되는 제1 영역(18) 내에서 차지하는, 0.35이하(0초과 0.35이하)의 종횡비를 갖는 여러 결정립의 면적 비율은 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상이다. 이와 같이, 0.35이하의 종횡비를 갖는 여러 결정립의 면적 비율이 제1 영역(18) 중의 50% 이상을 차지하면, 제2 기둥형 결정 조직부(14)에 포함되는 종횡비 0.35이하인 결정립(13)의 함유 비율이 증가하기 때문에, 제2 기둥형 결정 조직부(14)의 상기 특성이 더욱 향상한다. 그 결과, 확산층(30)의 평균 두께가 더욱 작아도, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도가 더욱 증가하여, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 더욱 향상한다.

도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 기준선(16)이란, 경계면(15)과 평행하고, 경계면(15)으로부터 제1 금속 부재(10) 방향으로 400㎛ 떨어진 기준선이다. 또한, 제1 금속 부재(10)의 외형선(17a, 17b)이란, 접합 방향(X)을 따라 연장되는 제1 금속 부재(10)의 윤곽을 구성하는 2개의 선이다. 접합 방향(X)을 따라 연장되는 제1 금속 부재(10)의 외형선(17a, 17b)은 경계면(15) 및 제1 기준선(16)과 교차한다. 이러한 경계면(15)과, 제1 기준선(16)과, 2개의 외형선(17a, 17b)으로 구획되는 제1 영역(18)에 있어서, 0.35이하의 종횡비를 갖는 여러 결정립의 면적 비율은 50% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(2) 중 제2 금속 부재(20)만은, 확산층(30)과, 확산층(30)과 평행한 특정 결정 기준선(21)과, 제2 금속 부재(20)의 2개 외형선(22a, 22b)으로 구획되어, 결정 방위 [001]의 [001]결정 조직과, 결정 방위 [011]의 [011]결정 조직과, 결정 방위 [111]의 [111]결정 조직의 합계 면적이 차지하는 면적 비율이 50% 이상인 특정 결정 조직부(23)를 갖고, 확산층(30)과 특정 결정 기준선(21) 사이의 평균 간격 치수(B1)는 500㎛ 이하인 것이 바람직하다.

도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 특정 결정 기준선(21)이란, 확산층(30)과 평행하고, 확산층(30)으로부터 제2 금속 부재(20) 방향으로 떨어진 기준선이다. 또한, 제2 금속 부재(20)의 외형선(22a, 22b)이란, 접합 방향(X)을 따라 연장되는 제2 금속 부재(20)의 윤곽을 구성하는 2개의 선이다. 접합 방향(X)을 따라 연장되는 제2 금속 부재(20)의 외형선(22a, 22b)은 특정 결정 기준선(21) 및 확산층(30)과 교차한다.

특정 결정 조직부(23)에는, 적어도 결정 방위 [001]의 [001]결정 조직, 결정 방위 [011]의 [011]결정 조직 및 결정 방위 [111]의 [111]결정 조직이 포함된다. 확산층(30)과, 특정 결정 기준선(21)과, 2개의 외형선(22a, 22b)으로 구획되는 특정 결정 조직부(23)에 있어서, [001]결정 조직과, [011]결정 조직과, [111]결정 조직의 합계 면적의 면적 비율은 50% 이상인 것이 바람직하다.

[001]결정 조직과, [011]결정 조직과, [111]결정 조직의 합계 면적이 차지하는 면적 비율이 50% 이상인 특정 결정 조직부(23)에 대해서, 평균 간격 치수(B1)가 500㎛ 이하이면, 파이버 레이저 용접에 의해, 양호한 제1 기둥형 결정 조직부(12)와, 두께가 작고 균일한 확산층(30)이 용이하게 형성되기 때문에, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도는 양호하며, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 우수하다. 또한, 제1 금속 부재(10)가 용융되어 고체화될 때, 그 응고 및 냉각에 따른 내부 응력의 발생 및 체적의 수축을 동반하기 때문에, 확산층(30) 근방에서, 이 내부 응력을 제2 금속 부재(20)의 미소 크리프 변형에 의해서 완화시키기 때문에, 접합이 용이하게 형성되기 쉽다.

이러한 접합 특성을 향상시키는 관점에서, 특정 결정 조직부(23)의 면적에서 차지하는 [001]결정 조직과, [011]결정 조직과, [111]결정 조직의 합계 면적의 면적 비율은 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상이다. 또한, 확산층(30)과 특정 결정 기준선(21) 사이의 평균 간격 치수(B1)는 바람직하게는 500㎛ 이하, 보다 바람직하게는 400㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 300㎛ 이하이다.

특정 결정 조직부(23)의 결정 방위는 고분해능 주사형 분석 전자현미경(일본 전자 주식회사 제조, JSM-7001FA)에 부속된 EBSD 검출기를 이용하여 연속해서 측정한 결정 방위 데이터로부터, 해석 소프트웨어(TSL사 제조, OIM　Analysis)를 이용하여 산출한 결정 방위 해석 데이터로부터 얻을 수 있다. 또한, 평균 간격 치수(B1)는, 도 2∼3에 도시하는 바와 같은 확산층(30)과 수직인 단면을 5개소 관찰하여, 각 단면에서의 평균 간격 치수(B1)의 최대 간격 치수와 최소 간격 치수를 각각 측정하고, (최대 간격 치수＋최소 간격 치수)/2를 산출하여, 그 합계를 5로 나눈 값이다.

또한, 도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(2) 중, 제2 금속 부재(20)만은, 확산층(30)과, 확산층(30)과 평행한 쌍결정 기준선(24)과, 제2 금속 부재(20)의 2개 외형선(22a, 22b)으로 구획되어, 쌍결정 조직이 차지하는 면적 비율이 50% 이상인 쌍결정 조직부(25)를 가져도 좋고, 확산층(30)과 쌍결정 기준선(24) 사이의 평균 간격 치수(B2)는 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 금속 접합재(1)가 쌍결정 조직부(25)를 가질 경우, 제2 금속 부재(20)는 구리계 재료나 SUS 등의 철계 재료이다.

도 2∼3에 도시하는 단면에 있어서, 쌍결정 기준선(24)이란, 확산층(30)과 평행하고, 확산층(30)으로부터 제2 금속 부재(20) 방향으로 떨어진 기준선이다. 제2 금속 부재(20)의 외형선(22a, 22b)은 쌍결정 기준선(24) 및 확산층(30)과 교차한다. 쌍결정 조직부(25)에는 적어도 쌍결정 조직이 포함된다. 확산층(30)과, 쌍결정 기준선(24)과, 2개의 외형선(22a, 22b)으로 구획되는 쌍결정 조직부(25)에 있어서, 쌍결정 조직의 면적 비율은 50% 이상인 것이 바람직하다.

쌍결정 조직이 차지하는 면적 비율이 50% 이상인 쌍결정 조직부(25)에 대해서, 평균 간격 치수(B2)가 500㎛ 이하이면, 파이버 레이저 용접에 의해, 양호한 제1 기둥형 결정 조직부(12) 및 두께가 작고 균일한 확산층(30)이 용이하게 형성되기 때문에, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합 강도는 양호하며, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 우수하다. 또한, 제1 금속 부재(10)가 용융되어 고체화될 때, 그 응고 및 냉각에 따른 내부 응력의 발생 및 체적의 수축을 동반하기 때문에, 확산층(30) 근방에서, 이 내부 응력을 제2 금속 부재(20)의 미소 크리프 변형에 의해 완화되기 때문에, 접합이 용이하게 형성되기 쉽다.

이러한 접합 특성을 향상시키는 관점에서, 쌍결정 조직부(25)의 면적에서 차지하는 쌍결정 조직의 면적 비율은 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상이다. 또한, 확산층(30)과 쌍결정 기준선(24) 사이의 평균 간격 치수(B2)는 바람직하게는 500㎛ 이하, 보다 바람직하게는 400㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 300㎛ 이하이다.

쌍결정 조직부(25)의 쌍결정 상태는 고분해능 주사형 분석 전자현미경(일본 전자 주식회사 제조, JSM-7001FA)에 부속된 EBSD 검출기를 이용하여 연속해서 측정한 결정 방위 데이터로부터, 해석 소프트웨어(TSL사 제조, OIM　Analysis)를 이용하여 산출한 결정 방위 해석 데이터로부터 얻을 수 있다. 또한, 평균 간격 치수(B2)는, 도 2∼3에 도시하는 바와 같은 확산층(30)과 수직인 단면을 5개소 관찰하여, 각 단면에서의 평균 간격 치수(B2)의 최대 간격 치수와 최소 간격 치수를 각각 측정하고, (최대 간격 치수＋최소 간격 치수)/2를 산출하여, 그 합계를 5로 나눈 값이다.

또한, 25℃에서, 제1 금속 부재(10)의 열 전도율(λ1)에 대한 제2 금속 부재(20)의 열 전도율(λ2)의 비(λ2/1)는 바람직하게는 10이상, 보다 바람직하게는 15이상, 더욱 바람직하게는 20이상이고, 제1 금속 부재(10)의 융점(T1)과 제2 금속 부재(20)의 융점(T2)의 차이(ΔT)는 바람직하게는 10℃ 이상, 보다 바람직하게는 50℃ 이상, 더욱 바람직하게는 100℃ 이상이다. 금속 접합재(1)를 구성하는 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)에 대해서, 열 전도율의 비(λ2/1) 및 융점의 차이(ΔT)가 상기 수치 범위 내이면, 파이버 레이저 용접에 의해, 양호한 접합 특성을 갖는 금속 접합재(1)를 제조하는 것이 용이해진다. 특히, 결정립(11), 제1 기둥형 결정 조직부(12), 결정립(13), 제2 기둥형 결정 조직부(14), 경계면(15), 제1 영역(18), 특정 결정 조직부(23), 쌍결정 조직부(25) 및 확산층(30)을 상기 수치 범위 내로 용이하게 제어 가능하다. 또한, 종래에는, 10이상의 열 전도율비의 금속 부재끼리를 접합하는 것은 곤란하였으나, 파이버 레이저 용접의 조건을 적정화함으로써, 상기와 같은 접합 특성이 우수한 금속 접합재(1)를 얻을 수 있다.

다음으로, 금속 접합재(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.

금속 접합재(1)는, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 접합시킴으로써 제조 가능하다. 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 접합에는, 파이버 레이저 용접을 이용한다.

파이버 레이저 용접은 레이저광을 열원으로 하여, 레이저광을 집광하여 금속 부재에 조사하고, 금속 부재를 국부적으로 용융 및 응고시킴으로써, 금속 부재끼리를 접합하는 방법이다. 파이버 레이저 용접은 높은 에너지 밀도의 레이저광을 이용하여 단시간에 금속 부재를 접합할 수 있다.

광학계 렌즈에서 극히 작은 영역에 집광하여 높은 에너지 밀도의 레이저광을 얻을 수 있기 때문에, 파이버 레이저 용접은 고속 심용입 용접이 가능하고, 용접의 열 영향이 매우 적고, 용접 변형이 적은 등, 많은 특장이 있다.

한편, 파이버 레이저 용접용 광원의 고기능화가 최근 수년간 적극적으로 진행되고 있다. 특히, 레이저광의 고출력화는 종래에 비하여 현저히 개선되었다.

또한, 금속 부재가 알루미늄계 재료나 구리계 재료이면, 금속 부재의 레이저광의 반사율이 높기 때문에, 레이저광의 조사 에너지가 금속 부재의 용융에 충분히 활용되지 않아, 레이저광의 출력을 높이는 경우가 있었다. 레이저광의 출력을 올리면, 금속 접합재의 접합면에는 결함이 많이 생성되기 때문에, 금속 접합재의 접속 신뢰성이 저하되는 경우가 있었다.

이러한 상황을 기초로, 실시형태에서는, 종래보다 매우 고출력화된 파이버 레이저를 이용하여, 용접 조건을 적정화함으로써, 접합 신뢰성이 우수한 금속 접합재(1)를 제조할 수 있다.

실시형태에서는, 파이버 레이저 용접에 있어서, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 접촉시킨 상태, 또는 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 근접 배치시킨 상태에서, 제1 금속 부재(10) 측에 레이저광을 조사하여, 제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)를 접합시킨다.

제2 금속 부재(20)에 비하여, 낮은 열 전도율로 레이저광의 흡수율이 높은 제1 금속 부재(10)에 레이저광을 조사하기 때문에, 레이저광에 의한 용융에서는, 제1 금속 부재(10)의 용융이 지배적이다. 그리고, 용융 후에 급냉시킴으로써, 제1 금속 부재(10)의 융액의 열이 레이저광의 조사 위치로부터 멀어지도록, 제1 금속 부재(10) 중 및 제2 금속 부재(20) 중으로 전해지면서, 용융부가 급냉 응고되기 때문에, 금속 접합재(1)에는 상기와 같은 기둥형 결정 조직부 등이 형성된다. 나아가서는, 제2 금속 부재(20)에 전해지는 열의 영향을 억제 가능하기 때문에, 종래에 비하여, 확산층(30)의 두께를 작고, 또, 균일화할 수 있는 동시에, 특정 결정 조직부(23)나 쌍결정 조직부(25)의 확대를 억제 가능하다. 그 때문에, 금속 접합재(1)의 접합 특성이 향상한다.

제1 금속 부재(10)와 제2 금속 부재(20)의 파이버 레이저 용접에 있어서의 레이저광의 출력에 대해서, 하한치는 바람직하게는 1㎾ 이상, 보다 바람직하게는 3㎾ 이상이고, 상한치는 바람직하게는 10㎾ 이하, 보다 바람직하게는 6㎾ 이하이다. 레이저광의 출력이 1㎾ 이상이면, 레이저광에 의한 용융을 양호하게 실시할 수 있다. 레이저광의 출력이 10㎾ 이하이면, 제2 금속 부재(20)에 전해지는 열의 영향을 억제 가능하다.

이상 설명한 실시형태에 따르면, 고출력 파이버 레이저를 이용하여, 용접 조건이나 금속 부재의 물성을 적정화함으로써, 제1 기둥형 결정 조직부나 제2 기둥형 결정 조직부 등을 갖고, 두께가 감소된 확산층을 갖는 금속 접합재를 얻을 수 있다. 금속 접합재에서는, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재의 조합이 동계 재료 또는 이계 재료와 상계 없이, 인장 강도나 신장 등의 접합 특성이 양호하기 때문에, 금속 부재끼리의 접합 신뢰성이 우수하다.

이상, 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 개시의 개념 및 특허청구 범위에 포함되는 모든 양태를 포함하며, 본 개시의 범위 내에서 여러 가지로 개변할 수 있다.

[실시예]

다음으로, 실시예 및 비교예에 대해서 설명하지만, 본 개시는 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1∼18 및 비교예 1∼10)

우선, 표 1에 나타내는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재를 준비하였다. 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재는 판 형상이고, 판 두께는 2㎜, 폭은 10㎜, 길이는 100㎜였다. 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 종류는 이하와 같다.

구리계 재료는 이하를 사용하였다.

·Cu-Mn-Ni계 저항재용 구리 합금 재료

·Cu-Mn-Sn계 저항재용 구리 합금 재료

·무산소 구리(OFC): Cu 함유량은 99.96질량% 이상

알루미늄계 재료는 이하를 사용하였다.

·Al 1060

·Al 7075

철계 재료는 이하를 사용하였다.

·SUS 430

·SUS 304

[표 1]

다음으로, 2개의 금속 부재를 선정하고, 판 두께는 2㎜, 폭은 10㎜인 면을 맞추어서, 표 2에 나타내는 조건으로, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재를 파이버 레이저 용접하여, 금속 접합재를 제조하였다. 레이저광의 파장은 1070㎚였다.

실시예 1∼18에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 맞대기 면(50), 즉, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 접촉면과 평행하고, 해당 면(50)으로부터 제1 금속 부재 측으로 거리 h(㎜)만큼 떨어진 위치에 대하여, 레이저광을 주사하면서 조사하였다. 즉, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 맞대기 면(50)으로부터 거리 h(mm)만큼 떨어진 제1 금속 부재(10)의 위치를 레이저광으로 조사하였다.

한편, 비교예 1∼10에서는, 실시예 1∼18과 같은 제1 금속 부재(10) 측이 아니라, 제1 금속 부재(10) 및 제2 금속 부재(20)의 맞대기 면(50)을 레이저광으로 조사하였다.

[표 2]

상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 금속 접합재에 대해서, 확산층과 수직인 단면의 화상은 고분해능 주사형 분석 전자현미경(일본 전자 주식회사 제조, JSM-7001FA)에 부속된 EBSD 검출기를 이용하여 연속해서 측정한 결정 방위 데이터로부터, 해석 소프트웨어(TSL사 제조, OIM　Analysis)를 이용하여 산출한 결정 방위 해석 데이터로부터 얻었다. 관찰 시료는 확산층과 수직인 단면에 대해서, 전해 연마로 경면 마무리된 표면으로 하였다. 관찰은 접합 방향 3㎜×접합면 방향 3㎜의 시야에서, 스텝 사이즈 2.0㎛로 실시하였다. 15° 이상의 방위차를 결정립계로 하고, 2픽셀 이상으로 이루어지는 결정립을 해석 대상으로 삼았다. 이렇게 하여 얻어진 화상을 기초로, 확산층과 수직인 단면을 관찰한 결과를 표 3에 나타낸다.

확산층은 EPMA의 라인 분석에 의해 특정하였다. 확산층의 평균 두께는 확산층과 수직인 단면 화상에 있어서, EPMA의 라인 분석을 10개소 측정하여, 그 평균치로 하였다.

또한, 확산층과 수직인 단면 화상 상에서, 확산층의 EPMA의 라인 분석에 의해 특정된 확산층의 10개소 위치를 연결함으로써, 확산층과, 제1 기둥형 결정 조직부의 경계를 특정하였다. 또한, 확산층과 수직인 단면의 상기 화상으로부터, 제1 기둥형 결정 조직부와, 제2 기둥형 결정 조직부 사이의 경계면을 특정하였다. 이렇게 하여, 제1 기둥형 결정 조직부의 영역을 특정하였다. 그리고, 제1 기둥형 결정 조직부의 평균 두께는, 상기 EBSD법으로 확산층과 수직인 단면을 5개소 관찰하여, 제1 기둥형 결정 조직부의 영역을 특정하고, 각 단면에서의 제1 기둥형 결정 조직부의 최대 두께와 최소 두께를 각각 측정하고, (제1 기둥형 결정 조직부의 최대 두께＋제1 기둥형 결정 조직부의 최소 두께)/2를 산출하여, 그 합계를 5로 나눈 값으로 하였다. 또한, 제1 기둥형 결정 조직부 중의 모든 결정립 중, 0.50이하(0초과 0.50이하)의 종횡비(단변 방향 치수/장변 방향 치수)를 갖는 여러 결정립이 차지하는 면적 비율을 구하였다.

또한, 제1 기둥형 결정 조직부와, 제2 기둥형 결정 조직부 사이의 경계면(15)과, 경계면(15)과 평행하고, 경계면(15)으로부터 제2 금속 부재(20) 측과 반대 측 방향으로 400㎛ 떨어진 제1 기준선(16)과, 제1 금속 부재(10)의 2개 외형선(17a, 17b)으로 구획되는 제1 영역(18) 내에서 차지하는 영역에 있어서, 모든 결정립 중, 0.35이하(0초과 0.35이하)의 종횡비(단변 방향 치수/장변 방향 치수)를 갖는 여러 결정립이 차지하는 면적 비율을 구하였다.

[표 3]

[평가]

상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 금속 접합재에 대하여, 이하의 평가를 실시하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.

[1]　인장 강도비

JIS　Z　2214에 준거하여 인장 시험을 실시하였다. 그리고, 인장 강도가 낮은 쪽의 금속 부재의 인장 강도에 대한 금속 접합재의 인장 강도의 비(금속 접합재의 인장 강도/낮은 쪽의 금속 부재의 인장 강도)를 인장 강도비로 하였다. 또한, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재가 같은 재료일 경우, 인장 강도가 낮은 쪽의 금속 부재는 제1 금속 부재로 하였다. 모든 금속 접합재는 레이저에 의해 가열되고 연화되기 때문에, 접합 전의 금속 부재보다 인장 강도는 저하되는 경향이 있지만, 인장 강도비가 0.80이상이면, 금속 접합재는 양호하고, 인장 강도비가 0.80미만이면, 금속 접합재는 불량이라고 판단하였다.

[2]　신장비

JIS　Z　2241에 준거하여 인장 시험을 실시하였다. 그리고, 인장 강도가 낮은 쪽의 금속 부재의 신장에 대한 금속 접합재의 신장의 비(금속 접합재의 신장/낮은 쪽의 금속 부재의 신장)를 신장비로 하였다. 모든 금속 접합재는 레이저에 의해 가열되고 연화되기 때문에, 접합 전의 금속 부재보다 신장이 증가하는 경향이 있지만, 접합 상태가 나쁜 경우에는 신장하기 때문에 끊어져버린다. 신장비가 1.5이상이면, 금속 접합재는 양호하고, 신장비가 1.5미만이면, 금속 접합재는 불량이라고 판단하였다.

[3]　저항값의 편차

저항값의 편차는, 얻어진 금속 접합재의 저항값에 대해서, 평균치로부터 어느 정도 다른지 하는 지표이다. 실시예 1∼11 및 비교예 1∼3에서 얻어진 금속 접합재 10샘플에 대하여, 실온(25℃)에서의 저항값을 측정하여, 각 실시예 및 각 비교예에 있어서의 측정치의 평균치와 최대치로 최소치를 얻었다. 그리고, 금속 접합재의 저항값의 평균치에 대한 저항값의 최대치와 최소치의 차이의 비((금속 접합재의 저항값의 최대치-금속 접합재의 저항값의 최소치)/금속 접합재의 평균치)를 저항값의 편차로 하였다. 저항값의 편차가 작을수록, 금속 접합재가 저항기로서 양호하다.

[표 4]

표 1∼4에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼18에서는, 금속 접합재의 확산층과 수직인 단면에 있어서, 제1 금속 부재만이 제1 기둥형 결정 조직부를 갖고, 확산층의 평균 두께가 50㎛ 이하였다. 그 때문에, 금속 접합재의 인장 강도비 및 신장비는 양호하였다.

또한, 실시예 1∼11 및 비교예 1∼3은, 제1 금속 부재로서 저항재용 구리 합금 재료를 사용하였으며, 인장 강도비 및 신장비와 함께, 저항값의 편차를 측정하였다. 실시예 1∼11은 확산층의 평균 두께가 50㎛ 이하이고, 종래에 비하여 확산층의 두께가 작아서 균일화되었기 때문에, 저항값의 편차를 억제할 수 있었다. 실시예 1∼11의 금속 접합재는 션트 저항기 등의 저항기로서 적합하다는 것이 시사되었다.

한편, 비교예 1∼10에서는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 맞대기 면을 따라 레이저광을 조사하였다. 그 때문에, 확산층과 수직인 단면에는, 제1 기둥형 결정 조직부가 형성되지 않았다. 나아가서는, 확산층의 평균 두께는 50㎛보다 컸다. 그 결과, 비교예의 금속 접합재에서는, 인장 강도비 및 신장비가 불량이고, 또, 비교예 1∼3은 저항값의 편차도 컸다.

1　금속 접합재
10　제1 금속 부재
11　결정립
12　제1 기둥형 결정 조직부
13　결정립
14　제2 기둥형 결정 조직부
15　경계면
16　제1 기준선
17a, 17b　제1 금속 부재의 외형선
18　제1 영역
20　제2 금속 부재
21　특정 결정 기준선
22a, 22b　제2 금속 부재의 외형선
23　특정 결정 조직부
24　쌍결정 기준선
25　쌍결정 조직부
30　확산층
50　맞대기 면

Claims

제1 금속 부재와 제2 금속 부재가 접합되어 구성되는 금속 접합재로서,
상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재가 확산층을 통해 접합되며,
상기 확산층과 수직인 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재 중, 상기 제1 금속 부재만은, 상기 확산층과 인접하고, 상기 확산층으로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립을 포함한 제1 기둥형 결정 조직부를 갖는 것을 특징으로 하는, 금속 접합재.
제1항에 있어서,
상기 단면에 있어서, 상기 제1 기둥형 결정 조직부 중의 모든 결정립 중, 0.50이하의 종횡비를 갖는 여러 결정립이 차지하는 면적 비율은 50% 이상인, 금속 접합재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단면에 있어서, 상기 제1 기둥형 결정 조직부의 평균 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 이하인, 금속 접합재.
제1 금속 부재와 제2 금속 부재가 접합되는 금속 접합재로서,
상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재가 확산층을 통해 접합되고, 상기 확산층의 평균 두께는 50㎛ 이하인, 금속 접합재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재는, 상기 제1 기둥형 결정 조직부의 상기 확산층 측과 반대 측에, 상기 제1 기둥형 결정 조직부로부터 멀어지는 방향을 향하여 연장되는 여러 결정립을 포함한 제2 기둥형 결정 조직부를 갖는, 금속 접합재.
제5항에 있어서,
상기 단면에 있어서, 상기 제1 금속 부재는, 상기 제1 기둥형 결정 조직부와, 상기 제2 기둥형 결정 조직부의 사이에 경계면을 갖는, 금속 접합재.
제6항에 있어서,
상기 단면에 있어서, 상기 경계면과, 상기 경계면과 평행하고, 상기 경계면으로부터 상기 제2 금속 부재 측과 반대 측 방향으로 400㎛ 떨어진 제1 기준선과, 상기 제1 금속 부재의 2개 외형선으로 구획되는 제1 영역 내에서 차지하는, 0.35이하의 종횡비를 갖는 결정립의 면적 비율은 50% 이상인, 금속 접합재.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
25℃에서, 상기 제1 금속 부재의 열 전도율(λ1)에 대한 상기 제2 금속 부재의 열 전도율(λ2)의 비(λ2/1)는 10이상이고,
상기 제1 금속 부재의 융점(T1)과, 상기 제2 금속 부재의 융점(T2)의 차이(ΔT)는 10℃ 이상인, 금속 접합재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재가 알루미늄계 재료이고, 상기 제2 금속 부재가 구리계 재료인, 금속 접합재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재가 철계 재료이고, 상기 제2 금속 부재가 구리계 재료인, 금속 접합재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 알루미늄계 재료인, 금속 접합재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 철계 재료인, 금속 접합재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 구리계 재료인, 금속 접합재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 부재는 저항재용 구리 합금 재료이고,
상기 제2 금속 부재는, 상기 제1 금속 부재보다 도전율이 높은 구리계 재료인, 금속 접합재.
제14항에 있어서,
상기 제1 금속 부재는, Mn을 10.0질량% 이상 14.0질량% 이하, Ni을 1.0질량% 이상 3.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 저항재용 구리 합금 재료인, 금속 접합재.
제14항에 있어서,
상기 제1 금속 부재는, Mn을 6.0질량% 이상 8.0질량% 이하, Sn을 2.0질량% 이상 4.0질량% 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 저항재용 구리 합금 재료인, 금속 접합재.