TW201341092A - 鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一種使用單層型硬焊片在無助熔劑之情形下面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件之方法，係在鋁合金構件與銅合金構件之間插入下述焊料構成的單層硬焊片且使其面接觸之狀態下，於惰性氣體環境下，保持硬焊接溫度為510至550℃，且一面施加0.6MPa以上之面壓一面在無助熔劑之情形下硬焊鋁合金構件與銅合金構件；其中該硬焊料係由具有包含Si：1.0至12質量%、Mg：0.1至5.0質量%且剩餘部分由Al及不可避免之不純物構成之成分組成，且厚度為15至200μm。

Description

鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法 技術領域
本發明係有關於一種使用硬焊片且在惰性氣體環境中，在無助熔劑之情形下面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件之方法。
背景技術
近年來，藉面接觸冷卻車載用IGBT等之發熱之熱交換系統的需要升高，且需要面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件之技術。例如，接合將銅板與陶瓷板貼在一起之熱傳導性、電絕緣性良好之基板及鋁合金製之水冷構件時，需要面硬焊接前述基板之銅板與前述水冷構件之鋁合金面的技術。
在該面硬焊接技術中，在鋁合金構件與銅板之間插入硬焊料且進行硬焊接加熱，因此容易在接合部產生空隙缺陷，且使用助熔劑時成為容易封入助熔劑之構造。因此，成為硬焊接技術之特別比較難之技術。
另一方面，不使用助熔劑之鋁構件與銅構件之面硬焊接接合技術可舉使用真空硬焊接法之面硬焊接接合技術為例。例如，在非專利文獻1中提出一種技術，該技術係在鋁板(A1050)與無氧銅板(C1020)之間插入Al-Si-Mg-Bi系箔硬焊料(相當於4104，熔點：832K)，且施加初期負載0.1MPa，並且在真空爐中保持783至823K(510至550℃)，進 行面硬焊接。在該非專利文獻1提出之技術中揭示在硬焊接保持期間Al擴散至Cu母材活潑化且生成金屬間化合物δ相，接著在冷卻時金屬間化合物θ相在Al側結晶，因此接合強度(硬焊接強度)降低。
又，在專利文獻1中提出一種技術，該技術係透過硬焊料接合Al材與Cu材而製造焊接構體時，預先在Al材與Cu材中之至少一者之接合處實施Ni鍍敷且形成鍍敷層，然後，使用例如Al-Si或以Al-Si為主體之合金的硬焊料焊接Al材與Cu材。
此外，在專利文獻2中提出鋁或鋁合金製構件與銅或銅合金製構件之接合方法，該接合方法之特徵在於接合鋁(Al)或鋁(Al)合金製之構件與銅或銅合金製之構件時，在前述銅或銅合金製之構件之接合面形成由銀構成之金屬層，且使用Al-Si系之合金硬焊料硬焊接該金屬層與前述鋁(Al)或鋁(Al)合金製之構件之接合面，藉此形成殘存之前述金屬層、殘存之前述金屬層及存在生成Al-Ag之金屬間化合物之區域的反應層，又，該反應層係藉由銀(Ag)及鋁(Al)之反應而構成，且使網狀地生成之前述Al-Ag之金屬間化合物存在其基質相。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開昭56-109157
專利文獻2：日本專利第3917503號
非專利文獻
非專利文獻1：輕金屬熔接Vol. 40(2002) No.9, P13-20
發明概要
但是，在非專利文獻1中，詳細地調查Al-Cu硬焊接頭之破壞舉動，且了解到最終斷裂位置之主要部份不是θ相與δ相之2種不同金屬間化合物間的界面，而是θ相內部。又，在相同非專利文獻1中，在鋁構件與銅構件之硬焊接合時，必定伴隨硬焊料之熔融凝固，因此得到之結論是控制金屬間化合物層之生成至提高接合強度所需之程度在原理上是困難的。又，在相同非專利文獻1提出之技術中採用真空硬焊接，因此有生產性效率低，成本高之缺點。
又，在專利文獻1提出之技術中，必須預先在Al材與Cu材中之至少一者之接合處實施Ni鍍敷且形成鍍敷層，且在專利文獻2中提出之技術中，必須使用高價之銀(Ag)作為插入材，恐有成本增高，程序亦會繁雜之虞。
因此，希望開發確保安定之硬焊品質，且不招致成本上升之面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件之技術。
本發明係用以解決如此課題所研究出者，且目的在於提供一種在藉單層型硬焊片在惰性氣體環境中無助熔劑面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件時，抑制金屬間化合物之成長，且保持鋁合金構件與銅合金構件間之導熱率為高，並且具有優異硬焊接強度(剪力)的面硬焊接技術。
為達成該目的，本發明之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法係使用下述硬焊料構成之單層硬焊片來面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件，該硬焊料係由具有包含Si：1.0至12質量%、Mg：0.1至5.0質量%且剩餘部分由Al及不可避免之不純物構成之成分組成，且厚度為15至200μm；又，該面硬焊接方法之特徵在於：在鋁合金構件與銅合金構件之間插入前述硬焊片且使其面接觸之狀態下，於惰性氣體環境下，保持硬焊接溫度為510至550℃，且一面施加0.6MPa以上之面壓一面在無助熔劑之情形下硬焊接鋁合金構件與銅合金構件。
作為前述硬焊料含有之不可避免之不純物Cu、Mn、Zn宜分別小於1.0質量%。
又，前述硬焊料厚度為15至150μm，且進一步宜為15至100μm。
此外，面硬焊接之鋁合金構件宜至少固相線溫度為520℃以上。鋁合金構件之固相線溫度為550℃以上更佳。鋁合金構件，例如如同AA1000系，固相線溫度為600℃以上又更佳。
再者，前述硬焊接溫度宜為510至550℃。
又，面硬焊接時之前述硬焊接溫度之保持時間宜為2分以上，且5分以上特佳。
此外，面硬焊接時之前述惰性氣體係氮氣，且前述惰性氣體之氧濃度為500ppm以下特佳。
依據由本發明提供之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，在惰性氣體環境中在無助熔劑之情形下，且在鋁合金構件與銅合金構件之間施加特定面壓並且面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件。因此，可抑制在鋁合金構件與銅合金構件間容易產生之空隙缺陷等，結果可進行品質安定之面硬焊接。
依據上述面硬焊接方法，可在惰性氣體環境中硬焊接，且可採用連續爐之生產方式，因此與批式爐之真空硬焊接時比較，生產效率高，且由於使用單層型硬焊片，故可謀求全體低成本化。又，由於在鋁合金構件與銅合金構件間施加0.6MPa以上之面壓且進行硬焊接，故插入鋁合金構件與銅合金構件間之硬焊料在熔融時會由鋁合金構件與銅合金構件之間效率良好地排出。因此，可特別抑制在Al側生成θ相等之金屬間化合物，且可使金屬間化合物層之厚度變薄，又，可保持鋁合金構件與銅合金構件間之導熱率為高，且可進行具有優異硬焊接強度(剪力)之面硬焊接。
圖1是說明倒T字試驗片之形狀之圖。
圖2是說明金屬組織觀察用．導熱率測量用試驗片之形狀之圖。
圖3是說明剪切試驗方法之概念圖。
圖4(a)、(b)是說明加壓式硬焊接試驗夾具之概念圖。
圖5是說明金屬間化合物層之厚度測量之照片。
圖6是顯示硬焊接時之施加壓力對化合物層之厚度之影響的圖。
圖7是顯示化合物層厚度對抗剪強度之影響的圖。
圖8是顯示化合物層厚度對導熱率之影響的圖。
圖9是顯示施加壓力0.2MPa時之斷面金屬組織之照片。
圖10是顯示施加壓力0.6MPa時之斷面金屬組織之照片。
圖11是顯示硬焊接溫度與保持時間之影響的圖。
圖12是顯示硬焊料中Mg添加量之影響的圖。
圖13是顯示硬焊料中Si添加量之影響的圖。
圖14是顯示硬焊料中不純物含有量之影響的圖。
圖15是顯示硬焊料厚度之影響的圖。
圖16是顯示硬焊接環境中氧濃度之影響的圖。
用以實施發明之形態
通常，面硬焊接時，由於在接合之鋁合金構件與銅合金構件間插入硬焊料且進行硬焊接加熱，故必定伴隨硬焊料之熔融凝固。即，只要在硬焊接後亦在鋁合金構件與銅合金構件之間殘存硬焊料，控制金屬間化合物層之生成至提高接合強度之程度就是困難的。因此，硬焊接製品之品質容易產生不均。
又，如專利文獻1提出地在Al材與Cu材中至少一者之接合處實施Ni鍍敷，或如專利文獻2提出地使用高價銀作為插入材時，結果由於使用Al-Si系之合金硬焊料進行硬焊接，故恐有成本增高，程序亦會繁雜之虞。
因此，本發明人等在反覆專心檢討成本比習知技術低且品質安定之面硬焊接法之過程中，完成本發明。
以下說明其細節。
首先，本發明係在鋁合金構件與銅合金構件之間插入由Al-Si-Mg系合金硬焊料構成儘量厚度薄之單層硬焊片，且使其面接觸之狀態下，施加特定面壓且充分熔解硬焊片，並且濕潤鋁合金構件與銅合金構件之界面濕且由界面積極地排出熔融之硬焊料，使在鋁合金構件與銅合金構件之間形成之金屬間化合物層厚度可變薄的面硬焊接方法。由於金屬間化合物層厚度可變薄，故可得到硬焊接強度高之接合體。
鋁合金構件可為鋁合金板，亦可為鋁合金擠壓材或鋁合金鑄件。同樣地，銅合金構件可為銅合金板，亦可為銅合金擠壓材或銅合金鑄件。例如，亦可設置卡合部以連結鋁合金製之部件與銅合金製之部件，且在該卡合部上設置插入硬焊片之部位。簡言之，在本發明中，被接合材不限於鋁合金板與銅合金板，如果是在至少一部份上具有可硬焊接之平滑面之鋁合金製與銅合金製者，則全部都可以。
使用本發明之面硬焊接法之鋁合金構件宜由至少固相線溫度為520℃以上之鋁合金構成。
使用在後詳述之Al-Si系之硬焊料時，為充分熔解該硬焊料，需要510℃以上之硬焊接溫度，且被接合材之鋁合金構件必須使用固相線溫度為520℃以上者。被接合材之鋁合 金構件之固相線溫度小於520℃時，在面硬焊接之加熱中，鋁合金構件之至少一部份可能會熔解。更佳之鋁合金構件之固相線溫度為550℃以上。又更佳之鋁合金構件之固相線溫度為600℃以上。
本發明之第一特徵在於使用由具有預定組成與厚度之硬焊料單層者作為硬焊片以抑制成本。
使用具有包含Si：1.0至12質量%、Mg：0.1至5.0質量%且剩餘部分由Al及不可避免之不純物構成之成分組成之合金，且厚度15至200μm的鋁合金薄板，作為硬焊料。
Si：1.0至12質量%
Si係藉其含量使硬焊片之液相線溫度降低，並且用以改善面硬焊接中之濕潤性的元素。Si含量小於1.0質量%時，硬焊片之液相線溫度會過高，且即使達到預定硬焊接溫度，硬焊片之熔解亦會不足，且可能無法得到足夠之硬焊接強度(剪應力)。相反地，Si含量超過12質量%時，鑄造中Si在鑄塊中央部析出(結晶)之可能性變高，且即使假設得到健全之熱軋板，得到在微觀上均質之組織的硬焊片亦是困難的。
因此，硬焊料中之Si含量範圍為1.0至12質量%。更佳之Si含量範圍為2.0至12質量%。又更佳之Si含量範圍為3.0至12質量%。
Mg：0.1至5.0質量%
Mg被認為是藉由本身氧化，作為還原劑作用，因此抑制因硬焊接加熱在鋁合金構件與硬焊片之硬焊料之界面產 生之鋁氧化，且用以改善面硬焊接中之濕潤性的元素。Mg含量小於0.1質量%時，雖然亦取決於硬焊接溫度或保持時間，但是其效果會不足，且可能無法得到足夠之硬焊接強度(剪應力)。相反地，Mg含量超過5.0質量%時，熱軋鑄塊時對軋輥之負載變大，且亦產生邊緣裂縫，因此熱軋變困難。考慮硬焊料之加工性時，Mg含量宜低。
因此，硬焊料中之Mg含量範圍為0.1至5.0質量%。更佳之Mg含量範圍為0.1至4.0質量%。又更佳之Mg含量範圍為0.1至3.0質量%。
剩餘部分係由Al及不可避免之不純物構成
不可避免之不純物可舉Fe、Cu、Mn、Zn等為例，但是就該等元素而言，如果在Fe：小於1.0質量%，Cu：小於1.0質量%，Mn：小於1.0質量%，Zn：小於1.0質量%之範圍內，則不會妨害本發明之效果。因此，作為不可避免之不純物之前述成分含量宜分別為小於1.0質量%。
又，亦可考慮Cr、Ni、Zr、Ti、V、B、Sr、Sb、Ca、Na等作為其他不純物元素，但是如果在Cr：小於0.5質量%，Ni：小於0.5質量%，Zr：小於0.2質量%，Ti：小於0.2質量%，V：小於0.1質量%，B：小於0.05質量%，Sr：小於0.05質量%，Sb：小於0.05質量%，Ca：小於0.05質量%，Na：小於0.01質量%之範圍內，則不會大幅損害本發明之硬焊片之性能特性，因此亦可含有而作為不可避免之不純物。Pb、Bi、Sn、In係分別小於0.02質量%，且其他各小於0.02質量%，並且在這範圍內即使含有管理外元素亦不會 妨害本發明之效果。
構成硬焊片之硬焊料厚度：15至200μm
構成本發明之單層硬焊片之硬焊料的厚度宜為可達成健全面硬焊接之厚度。當厚度小於15μm時，可能得不到足夠之硬焊接強度。當厚度超過200μm時，由接合面排出之硬焊料量會過多，且成本變高。因此，硬焊料厚度之範圍為15至200μm。更佳之厚度範圍係15至150μm。又更佳之厚度範圍係15至100μm。
由硬焊料構成之單層型硬焊片之製造方法
例如，如果是由100μm厚度之硬焊料構成之單層型硬焊片，則如下地製造。
混合作為原料之鑄錠、廢料等，投入熔解爐中，且熔製由預定硬焊料組成之鋁熔融金屬。熔解爐一般係藉燃燒器之火焰直接加熱熔解原料之燃燒爐。鋁熔融金屬到達預定溫度，例如，800℃後，投入適量之除渣用助熔劑，且藉攪拌棒進行熔融金屬之攪拌，熔解全部之原料。然後，為調整成分，投入追加之原料，例如Mg等，且在進行30至60分左右之淨靜後，去除浮遊在表面上之金屬渣。鋁熔融金屬到達預定溫度，例如，被冷卻至740℃後，由流出口流出至出料槽，且依需要通過串列旋轉脫氣裝置、CFF過濾器等開始鑄造。又，當與熔解爐併設保持爐時，將藉熔解爐熔製之熔融金屬移至保持爐，然後藉保持爐進一步進行淨靜等後開始鑄造。
DC鑄造機之套管可為單注者，但是亦可為重視 生產效率之多注者。例如，在700mm×450mm之尺寸之水冷式鑄模內，一面通過傾斜管、浮體澆注，一面以鑄造速度60mm/分使下型下降，接著在水冷式鑄模下部對凝固外殼層進行直接水冷(Direct Chill)，且使樣本內之熔融金屬凝固冷卻，得到預定尺寸，例如，700mm×450mm×4500mm之尺寸的扁胚。鑄造結束後，切斷扁胚之前端、後端且進行單面25mm之兩面面切削，且將厚度為400mm之扁胚插入均熱爐中，實施450至540℃×1至12小時之均質化處理(HO處理)。均質化處理後，由均熱爐取出扁胚，且藉熱軋機實施任何次數之熱軋，例如，得到6mm厚之熱軋板卷材(再卷材(Reroll))。
在該6mm厚之熱軋板卷材實施任何次數之冷軋，例如，得到由100μm厚度之硬焊料構成之單層型硬焊片。又，在冷軋程序中，冷軋之加工硬化顯著時，最好依需要將卷材插入退火爐，且實施保持溫度300至450℃之中間退火，使冷軋板軟化。
本發明之第二特徵在於在惰性氣體環境下不使用助熔劑，且在鋁合金構件與銅合金構件之間施加特定面壓。因此，在硬焊料熔融時由鋁合金構件與銅合金構件之間效率良好地排出，且特別可抑制在Al側生成θ相等之金屬間化合物，並且可使金屬間化合物層之厚度變薄，又，保持鋁合金構件與銅合金構件間之導熱率為高，且進行具有優異硬焊接強度(剪力)之面硬焊接。
惰性氣體環境下
為如前述地充分熔解硬焊片(硬焊料)，且濕潤鋁合金構件與銅合金構件之界面且進行面硬焊接，必須至少在保持溫度510℃以上保持預定時間。
因此，在硬焊接加熱中，為抑制鋁合金構件與銅合金構件之硬焊面之表面或硬焊片之硬焊料面的氧化，亦必須在惰性氣體環境下進行面硬焊接。
惰性氣體可使用氮氣、氬氣、氦氣等。又，惰性氣體中之氧濃度宜為500ppm以下。惰性氣體中之氧濃度超過500ppm時，面硬焊接後之接合強度(剪應力)降低。更佳之惰性氣體中之氧濃度為100ppm。又更佳之惰性氣體中之氧濃度為10ppm以下。具體而言，就工業用氮氣而言，規格定為氧濃度為10ppm以下，因此由成本面來說最好使用工業用氮氣。
當然，硬焊接加熱中、硬焊接溫度保持中及冷卻中，宜以惰性氣體充滿加熱裝置內。但是，如電磁感應加熱地急速加熱時，亦可在到達預定保持溫度前，噴射惰性氣體而將加熱裝置內之大氣取代為惰性氣體。
施加面壓：0.6MPa以上
在本發明之面硬焊接方法中，熔解預定組成之硬焊片(硬焊料)，且在使硬焊料與鋁合金構件、硬焊料與銅合金構件面接觸之狀態下，進行硬焊接加熱，但是必須在此時一面對接合面施加0.6MPa以上之面壓，一面保持預定之硬焊接溫度。當然，亦可在硬焊接加熱時不施加面壓，且在到達硬焊料之熔融溫度之前，藉設置在爐內之壓機等對接合 面施加0.6MPa以上之面壓且進行面硬焊接。
面壓為0.6MPa以上時，插入鋁合金構件與銅合金構件間之硬焊料會在熔融時由鋁合金構件與銅合金構件之界面效率良好地排出。因此，可特別抑制在Al側生成θ相等之金屬間化合物。具體而言，例如，可令金屬間化合物層之厚度為30μm以下，且保持鋁合金構件與銅合金構件間之導熱率為高，並且進行具有優異硬焊接強度(剪力)之面硬焊接。
面壓小於0.6MPa時，插入鋁合金構件與銅合金構件之間的硬焊料即使在熔融後亦難以由鋁合金構件與銅合金構件之界面排出。因此，急速地進行Cu原子由銅合金構件表面至熔融硬焊料之擴散，無法抑制在含有硬焊料之Al側生成θ相等之金屬間化合物。結果，金屬間化合物層之厚度無法變薄，且不僅鋁合金構件與銅合金構件之界面之導熱率降低，且無法得到足夠之硬焊接強度(剪應力)。當然，為維持面硬焊接後之鋁合金構件與銅合金構件之界面的導熱率為高，且確保足夠之硬焊接強度(剪應力)，對接合面施加之面壓宜高。因此，較佳之面壓為0.6MPa以上。更佳之面壓為1.0MPa以上。
硬焊接之溫度條件：保持於510至550℃
在本發明之面硬焊接方法中，為了熔解預定組成之硬焊片(硬焊料)，且濕潤鋁合金構件與銅合金構件之界面，並且由鋁合金構件與銅合金構件之界面排出熔融硬焊料，且確實地進行面硬焊接，至少需要硬焊接溫度為510℃以上。
硬焊接溫度小於510℃時，硬焊料之熔解不足，且得不到足夠之硬焊接強度(剪斷強度)。當然，在可容許範圍內保持溫度越高越可得到充足之硬焊接強度(剪斷強度)。但是，保持溫度超過550℃時，急速地進行Cu原子對含有硬焊料之Al側之擴散，即使是1000系之鋁合金構件，界面附近之固相線溫度亦會降低，因此依序產生局部熔解，又，亦施加特定面壓，銅合金構件可能會深深嵌入鋁合金構件。因此，較佳之保持溫度範圍係510至550℃。
硬焊接之保持時間
硬焊接溫度之保持時間宜為2分以上。雖然取決於硬焊接溫度，但是保持時間小於2分時，由於接合面之溫度不均一，得不到充足之硬焊接強度(剪應力)。更佳之保持時間係5分以上。
實施例
硬焊片之製作
測量、混合預定之各種鑄塊，且在塗布離型材之#30坩堝中各裝入裝填9kg(共計16試料)之原料。將該等坩堝插入電爐內，在760℃熔解且去除熔渣，然後，保持熔融金屬溫度為740℃。接著藉由小型旋轉脫氣裝置，以流量1Nl/分將氮氣吹入熔融金屬中，且進行脫氣處理。然後進行30分鐘之淨靜且藉攪拌棒去除浮上熔融金屬表面上之渣滓，接著以杓在成分析用鑄模中採取圓盤樣本。
接著，使用夾具依序由電爐內取出坩堝，在預熱至200℃之5個模具(70mm×70mm×15mm)中澆鑄鋁熔融金屬。各 試料之圓盤樣本係藉發光光譜分析進行組成分析。其結果顯示於表1中。
鑄塊係在切斷擠出熔融金屬後，將兩面各面切削3mm，使厚度為9mm。將該鑄塊裝入電熱爐，且以100℃/小時之升溫速度加熱到480℃，且進行480℃×1小時之均質化處理，接著用熱軋機實施熱軋至3mm之厚度。
然後，對熱軋板實施冷軋，作成0.2mm厚度之冷軋板，且使其軟化並實施400℃×2小時之中間退火。接著實施冷軋， 作成0.06mm(60μm)之最終冷軋板。又，為了調查硬焊料厚度對硬焊接強度(剪應力)之影響，就E合金硬焊料而言，製作厚度15μm、20μm、30μm、60μm及100μm之5種等級之最終軋板。
將該最終冷軋板切斷成預定大小(15mm×8mm)，作成多數硬焊片(硬焊料)。
倒T字試驗片之製作
如圖1所示地載置硬焊片(15mm×8mm)在AA1100合金製之塊A(35mm×35mm×10mm)之35mm×35mm之面上中央，且使無氧銅製(C1020)之塊B(18mm×15mm×8mm)之15mm×8mm之面重疊在上述硬焊片上而在塊A之35mm×35mm之面上中央直立設置塊B。
接著，使用如圖4(a)所示之加壓式硬焊接試驗夾具加壓塊B之上面，且將堆起之塊等插入試驗爐內。為將環境氣體取代為惰性氣體，以流量10Nl/分流入工業用氮氣(氧濃度10ppm以下之氮)，直到安裝在塊A上之熱電偶顯示硬焊接溫度，且藉PID控制以50℃/分之速度加熱，並且在預定硬焊接溫度保持預定時間後，令對電阻線之輸出為OFF，且爐內冷卻堆起之塊等。安裝在塊A上之熱電偶顯示400℃以下後，由爐取出堆起之塊等且冷卻至室溫。
又，為了調查硬焊接環境氣體之氧濃度對硬焊接強度(剪應力)之影響，就E合金硬焊料(硬焊料厚：60μm)而言，除了工業用氮氣(氧濃度10ppm以下之氮)以外，亦流入氧濃度500ppm之氮、氧濃度2000ppm之氮，或不流入氮而在大氣中，且在硬焊接溫度540℃、保持時間10分之條件下，同樣 地進行倒T字試驗片的製作。
剪應力之測量
將如上所述地製作之倒T字試驗片固定在如圖3之夾具中，且藉由阿姆斯勒(Amsler)測試機由塊A之端面(35mm×10mm之面)加壓(應變速度：1mm/分)，且進行硬焊面之硬焊接強度(剪應力)的測量。
金屬組織觀察用、導熱率測量用試驗片之製作
如圖2所示地載置硬焊片(30mm×30mm)在AA1050合金製之塊C(40mm×40mm×4mm)之40mm×40mm之面上中央，且使無氧銅製(C1020)之塊D(30mm×30mm×2.5mm)之30mm×30mm之面重疊在上述硬焊片上而在塊C之40mm×40mm之面上中央重疊塊D。
接著，使用如圖4(b)所示之加壓式硬焊接試驗夾具加壓塊D之上面，且將堆起之塊等插入試驗爐內。為將環境氣體取代為惰性氣體，以流量10Nl/分流入工業用氮氣(氧濃度10ppm以下之氮)，直到安裝在塊A上之熱電偶顯示硬焊接溫度，且藉PID控制以50℃/分之速度加熱，並且在預定硬焊接溫度保持預定時間後，令對電阻線之輸出為OFF，且爐內冷卻堆起之塊等。安裝在塊C上之熱電偶顯示400℃以下後，由爐取出堆起之塊等且冷卻至室溫。
導熱率之測量
導熱率係密度、比熱、熱擴散率相乘而算出。密度係藉由尺寸及重量測量，且比熱、導熱率係分別藉由雷射閃光法測量。測量試驗片使用藉銑刀將金屬組織觀察用、導 熱率測量用試驗片加工成板厚2mm後，藉線切割放電加工精加工成直徑2mm之試驗片。雷射閃光法使用ULVAC-RIKO(股)公司製之熱常數測量裝置TC-7000。
金屬間化合物層之測量
將金屬組織觀察用、導熱率測量用試驗片之中央部斷面埋入樹脂且鏡面研磨，且如圖5所示地在金屬顯微鏡下測量金屬間化合物層之厚度。在圖5中，上側區域係Cu基材(無氧銅(C1020))，且下側區域係Al基材(AA1050合金)。沿該等基材彼此之接合界面，在上側δ相生成層狀，且在下側θ相生成塊狀。設定測量用基準線使其與接合面直交，且測量δ相與Cu基材之邊界(a點)及θ相與Al基材之邊界(b點)的距離，並且令該距離為金屬間化合物層之厚度。如此，每1試驗片在任意10個地方之斷面測量金屬間化合物層之厚度。
又，在上述實施例之說明中，未特別顯示之詳細條件係使用E合金硬焊料(硬焊料厚度：60μm)及被接合材(AA1100合金製，無氧銅製(C1020)之塊)，且一面流入工業用氮(氧濃度10ppm以下之氮)，一面在硬焊接溫度540℃、保持時間10分、加壓力3MPa之條件下進行硬焊接，且進行倒T字試驗片之製作及金屬組織觀察用、導熱率測量用試驗片之製作。
其結果顯示在表2至10，及圖6至16圖中。
首先，由表2所示之結果可知，如果一面施加0.6MPa以上之面壓一面進行硬焊接，則形成30μm以下之化合物層之厚度。又，由化合物層厚度對抗剪強度之影響來看可知，在化合物層厚度30μm以下之狀態下抗剪強度增加。由化合物層厚度對導熱率之影響來看可知，在化合物層厚度30μm以下之狀態下導熱率增加。又，由硬焊接時之施加壓力對化合物層厚度之影響的斷面組織照片來看可知，如果一面施加0.2MPa之面壓一面進行硬焊接，則在Al側形成θ相等之金屬間化合物大幅成長之組織，但是如果一面施加0.6MPa之面壓一面進行硬焊接，則在Al側形成θ相等之金屬間化合物未大幅成長之組織，且形成薄之大致一定厚度的組織，並且抑制金屬間化合物之生成。
因此，可了解的是就硬焊接時之施加壓力而言，宜施加0.6MPa以上之面壓。
可了解的是硬焊接溫度宜為510℃以上。又，可了解的是硬焊接溫度保持時間宜為2分以上，且5分以上特佳。
接著，由構成硬焊料之鋁合金中之成分的影響來看，為了在540℃硬焊接時得到所欲之剪應力，含有0.1質量%的Mg是充足的。但是，在540℃硬焊接時Mg含量小於0.01質量%則無法得到所欲之剪應力。又，Mg含量超過3.0質量%之試料即使在540℃進行硬焊接，剪應力亦不會降低，但是硬焊料本身之加工性如前所述地降低。因此，可了解的是Mg之較佳含量為0.1至3.0質量%。
由Si含量來看可知，在1.0至12.0質量%之範圍內，得到充足之剪應力，但是在Si含量0.5質量%，得到之剪應力稍微變低。
就不可避免之不純物之Cu、Mn、Zn而言，可了解的是如果分別含有小於1.0質量%，則幾乎不影響剪應力。
就硬焊料厚度而言，如果是15μm以上之厚度，則立刻得到充足之剪應力，但是其厚度為15μm時，得到之剪應力稍微變低。因此，硬焊料之厚度宜為15μm以上。過厚之硬焊料會過剩，因此上限係如前所述地為200μm。
由硬焊接時之環境來看可知應為至少氮等之惰性氣體環境。可了解的是氧含量500ppm以下之惰性氣體環境是特佳的。
產業上之可利用性
依據本發明，提供確保安定之硬焊品質，且不招致成本上升之面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件之技術。

Claims (9)

  1. 一種鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，係使用下述硬焊料構成之單層硬焊片來面硬焊接鋁合金構件與銅合金構件，該硬焊料具有包含Si：1.0至12質量%、Mg：0.1至5.0質量%且剩餘部分由Al及不可避免之不純物構成之成分組成，且厚度為15至200μm；該面硬焊接方法之特徵在於：在鋁合金構件與銅合金構件之間插入前述硬焊片且使其面接觸之狀態下，於惰性氣體環境下，保持硬焊接溫度為510至550℃，且一面施加0.6MPa以上之面壓一面在無助熔劑之情形下硬焊接鋁合金構件與銅合金構件。
  2. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中作為前述硬焊料含有之不可避免之不純物Cu係限制於小於1.0質量%。
  3. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中作為前述硬焊料含有之不可避免之不純物Mn係限制於小於1.0質量%。
  4. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中作為前述硬焊料含有之不可避免之不純物Zn係限制於小於1.0質量%。
  5. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中構成前述硬焊片之硬焊料為厚度15至150μm。
  6. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中前述硬焊接溫度之保持時間為2分以上。
  7. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中前述硬焊接溫度之保持時間為5分以上。
  8. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中前述惰性氣體係氮氣。
  9. 如申請專利範圍第1項之鋁合金構件與銅合金構件之面硬焊接方法，其中前述惰性氣體之氧濃度為500ppm以下。
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