TWI671152B

TWI671152B - 金屬接合之製程

Info

Publication number: TWI671152B
Application number: TW107136988A
Authority: TW
Inventors: 林智雄; 林建棋; 左北辰
Original assignee: 林智雄; 林建棋; 左北辰
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2019-09-11
Also published as: TW202015844A

Abstract

本發明為有關一種金屬接合之製程，主要先將至少一第一金屬件進行淬火程序後冷卻至常溫後，在第一金屬件及第二金屬件的銜接處加入助熔劑及焊接媒介，再將第一金屬件及第二金屬件相互抵靠，並同時將第一金屬件及第二金屬件加熱至第二金屬件之液化臨界溫度以下，此溫度同時作為第一金屬件回火程序之加熱溫度，以利用加熱後的助熔劑將第一金屬件表面的第一氧化層、及第二金屬件表面的第二氧化層脫離去除，並在脫離瞬間由焊接媒介進入脫離處而直接連結第一金屬件及第二金屬件。藉此，將高硬度的第一金屬件與高導熱、低比重的第二金屬件進行大接觸面積的金屬接合，使兩金屬特性互補，達到高散熱、輕量化、耐磨耗之特性。

Description

金屬接合之製程

本發明為提供一種金屬接合之製程，尤指一種將高硬度的第一金屬件與高導熱率、低比重的第二金屬件進行金屬接合，而使整體金屬特性互補，並達到高散熱效果、耐磨耗功能及輕量化特性的金屬接合之製程。

按，盤式制動，又稱為碟式制動或是碟煞，是一種廣泛應用於各類型交通工具和工業機械的制動裝置。盤式制動裝置主要由安裝在車軸上與車輪同軸旋轉之制動盤、像鉗一樣橫跨在制動盤兩側之制動鉗、及制動時以壓緊制動盤之制動閘片，藉此使制動閘片與制動盤摩擦而產生制動、減速煞車的作用。

過去為了提高車輛驅動性與減少燃料的消耗，乃將車輪的輪圈由低碳鋼轉變為鋁合金，因鋼的比重為7.87g/cc、而鋁合金的比重為2.7g/cc，在重量比強度大幅提升的前提下，可有效達成輕量化。

欲完成鋁與不鏽鋼的金屬接合，必須先了解鋁與不鏽鋼的物理性質差異相當大(包括密度差異大、熔點)，也因為兩者之間幾乎沒有機會以液相熔接的方式接合，所以基本上都以機械方式做為接合手段而形成複合材料，而可採用的方法包括摩擦焊接、滾壓接合、擴散接合及螺絲鎖固。其中摩擦焊接須在接觸面不與新鮮的氧化氣氛有所接觸的條件下，使兩金屬利用相對迴轉運動下的摩擦升溫造成接觸面變形才能達成，接觸面積大、操作手段嚴苛，且製程成本較高；滾壓接合原理與摩擦焊接類似，但屬於對金屬的面貼合之平整度需求較高的作法，較不適用於有機械形狀之碟煞盤；擴散接合(diffusion bonding)等非熔式(Welding)金屬接合的進行，則需要去除鋁與不鏽鋼的氧化層，惟，鋁與不鏽鋼的最大共通點就是表面的氧化層屬於高熔點的不動氧化層、及氧化層的氧化動作幾乎瞬間完成，而金屬氧化物並不是金屬，故氧化物會變成金屬間相互擴散的阻礙，以致於無法達成擴散接合。

不只是碟煞盤，在不同領域當中亦有將兩種不同金屬接合在一起的需求，當以機械結合的壓力迫接方式結合兩金屬時，如第一圖所示，係為習知複合材金屬接合面之巨觀示意圖，在肉眼觀看下第一金屬91與第二金屬92看似已完全貼合，事實上，因為金屬的變形量不一，造成金屬接合面的間隙93極大，使得金屬間接觸面積大小無法提供有效的熱傳導，即使第二金屬92的導熱係數遠大於第一金屬91的導熱係數，兩者之間仍因有效接觸面積太小，而無法將摩擦累積的熱能傳導給第二金屬92；當以焊材連接兩金屬時，雖可利用融化的焊材94填補兩金屬間的間隙93(如第二圖所示，係為習知複合材金屬接合面之微觀示意圖)，但焊材94所連接的只是第一金屬91與第二金屬92表面的氧化層95，對於熱能傳導並沒有幫助。

是以，要如何在輕量化、高導熱的前提下，將兩種金屬特性互補，以解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種將高硬度的第一金屬件與高導熱率、低比重的第二金屬件進行金屬接合，而使整體金屬特性互補，並達到高散熱效果、耐磨耗功能及輕量化特性的金屬接合之製程的發明專利者。

本發明之主要目的在於：配合第一金屬件與第二金屬件表面的第一氧化層與第二氧化層之去除動作，將高硬度的第一金屬件與高導熱率、低比重的第二金屬件進行金屬接合，而達到高散熱效果、耐磨耗功能及輕量化特性。

為達成上述目的，本發明之製程所達到的結果為：至少一第一金屬件，該第一金屬件表面界定有至少一第一結合面及至少一第一非結合面，並由至少一第一氧化層包覆該第一結合面及該第一非結合面，且該第一金屬件之材質比重為4.3克/立方公分(g/cm³)至8克/立方公分(g/cm³)，而該第一金屬件之洛氏硬度(HRC)為30至50，並具有至少一第二金屬件，該第二金屬件表面界定有至少一第二結合面及至少一第二非結合面，並由至少一第二氧化層包覆該第二結合面及該第二非結合面，且該第二金屬件之比重為1.68克/立方公分(g/cm³)至2.84克/立方公分(g/cm³)，而該第二金屬件之導熱率為130瓦‧公尺/克氏度(Wm/K)至260瓦‧公尺/克氏度(Wm/K)，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比不小於50% 。

而上述結果之達成步驟係為：將第一金屬件經過淬火程序及冷卻至常溫的步驟後，在第一結合面及第二結合面處加入助熔劑及焊接媒介，並使第一結合面與第二結合面相互抵靠，接著同時將第二金屬件及第一金屬件加熱至第二金屬件之液化臨界溫度以下，此溫度同時作為第一金屬件回火程序之加熱溫度，以利用加熱後的助熔劑將第一金屬件表面的第一氧化層、及第二金屬件表面的第二氧化層脫離去除，以於第一氧化層及第二氧化層上產生較大的孔洞，而裸露出第一結合面及第二結合面，在此瞬間由焊接媒介進入脫離處而直接連結第一金屬件及第二金屬件，進而完成緻密的金屬接合。藉此，利用金屬接合製作出第一金屬件與第二金屬件特性互補之複合材料，並可同時兼顧整體的散熱率、輕量化及耐磨耗性能。

藉由上述技術，可針對習用金屬接合所存在之鋁合金材質導熱率不佳、以及鋁與不鏽鋼以機械方式結合時成本較高、製程條件嚴苛及接觸面積太小、導熱率差的問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。

1‧‧‧第一金屬件

11‧‧‧第一結合面

111‧‧‧第一氧化層

12‧‧‧第一非結合面

2‧‧‧第二金屬件

21‧‧‧第二結合面

211‧‧‧第二氧化層

22‧‧‧第二非結合面

3‧‧‧助熔劑

4‧‧‧焊接媒介

Ta‧‧‧時間

Tb‧‧‧時間

91‧‧‧第一金屬

92‧‧‧第二金屬

93‧‧‧間隙

94‧‧‧焊材

95‧‧‧氧化層

第一圖係為習知複合材金屬接合面之巨觀示意圖。

第二圖係為習知複合材金屬接合面之微觀示意圖。

第三圖係為本發明較佳實施例之立體圖。

第四圖係為本發明較佳實施例之俯視圖。

第五圖係為本發明較佳實施例之方塊流程圖。

第六圖係為本發明較佳實施例之加熱時間軸示意圖。

第七圖係為本發明較佳實施例之結合前置作業示意圖(一)。

第八圖係為本發明較佳實施例之結合前置作業示意圖(二)。

第九圖係為本發明較佳實施例之結合示意圖。

第十圖係為本發明較佳實施例之去氧接合示意圖。

第十一圖係為本發明較佳實施例之接合面示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請同時配合參閱第三圖至第十一圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖至接合面示意圖，由圖中可清楚看出本發明之主要步驟為：(a)取至少一第一金屬件，該第一金屬件表面界定有至少一第一結合面及至少一第一非結合面，並由至少一第一氧化層包覆該第一結合面及該第一非結合面，且該第一金屬件之材質比重為4.3克/立方公分(g/cm³)至8克/立方公分(g/cm³)，而該第一金屬件之洛氏硬度(HRC)為30至50(或維氏硬度(HV)為300至500)；(b)將至少一第一金屬件進行淬火程序後，冷卻至常溫；(c)取至少一第二金屬件，該第二金屬件表面界定有至少一第二結合面及至少一第二非結合面，並由至少一第二氧化層包覆該第二結合面及該第二非結合面，且該第二金屬件之比重為1.68克/立方公分(g/cm³)至2.84克/立方公分(g/cm³)，而該第二金屬件之導熱率為130瓦‧公尺/克氏度(Wm/K)至260瓦‧公尺/克氏度(Wm/K)；(d)於該第一結合面及該第二結合面之銜接處加入至少一助熔劑及至少一焊接媒介；(e)將該第一金屬件的第一結合面與該第二金屬件之第二結合面相互抵靠；(f)加熱該第二金屬件至一預定溫度，該預定溫度小於該第二金屬件之液化臨界溫度；(g)該預定溫度同時作為該第一金屬件進行回火程序之加熱溫度；(h)該助熔劑受熱後，使該第一結合面上的第一氧化層、及該第二結合面上的第二氧化層脫離去除；(i)該焊接媒介由該第一氧化層及該第二氧化層之脫離處，連結該第一金屬件及該第二金屬件；及(j)該第一結合面與該第二結合面進行金屬接合，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比不小於50%。

藉由上述之說明，已可了解本技術之結構，而依據這個結構之對應配合，更可將高硬度的第一金屬件與高導熱率、低比重的第二金屬件進行金屬接合，而使整體金屬特性互補，並達到高散熱效果、耐磨耗功能及輕量化特性等優勢，而詳細之解說將於下述說明。

本發明係利用特殊之製程，將兩種不同特性的金屬進行金屬接合，如釬焊(brazing)或非熔式(Welding)的金屬接合其中之一者，以取其各自之優質特性予以互補，其中第一金屬件1係為高硬度、耐磨耗的特性，但導熱率低、比重較高，例如：鈦或不鏽鋼(本實施例係以不鏽鋼為舉例)，而第二金屬件2係為低比重、高導熱的特性，但硬度較低，例如：鎂或鋁(本實施例以為鋁為舉例。並為了將金屬接合的過程具體化，更以不鏽鋼片體(第一金屬件1)與鋁質碟煞盤(第二金屬件2)的接合作為實施。

本發明將第一金屬件1與第二金屬件2進行金屬接合時，目的乃將兩種金屬間的接觸面積極大化，而有效讓第一金屬件1因摩擦蓄積之熱量，得以有效經由第二金屬件2處散出，當以釬焊(brazing)方式接合時，乃使焊接媒介4直接連結第一金屬件1與第二金屬件2，而具有較佳的結構強度，可以不需要螺絲鎖固，並因硬化後的第一金屬件1可承受更高強度的摩擦力，而更安全耐用，且因第一金屬件1主要在提供機械強度之需求，佔整體比例較低，主體仍為比重較低的第二金屬件2，而可達到輕量化之目的。

製作時，如第六圖所示，首先對第一金屬件1進行淬火程序(步驟a、b)，將其加熱至1000~1040℃(本實施例係以1020℃、時間0至Ta為例)，以使第一金屬件1從較柔軟的珠光體固相轉變成較堅硬的麻田散鐵固相，在轉變過程中，原子不擴散、化學成分不改變，但晶格發生變化，同時新、舊固相間維持一定的位向關係，並且具有切變共格的特徵，故第一金屬件1經過淬火程序後，其洛氏硬度根據其含碳量可增加為HRC50~HRC58。接著，使麻田散鐵型態的第一金屬件1冷卻至常溫(步驟b，時間Ta至Tb)，其冷卻方式可為自然冷卻、加水冷卻等，冷卻速度的選定則會影響表面硬度和心部硬度，例如，在慢速冷卻過程中因共析反應而相變化成為波來鐵型態。另外，麻田散鐵(Martensite)態的第一金屬件1在接合時進行的回火程序，可使第二金屬件2與波來鐵(Pearlite)態之第一金屬件1，同時繼續完成SUS420等系列不鏽鋼的熱處理。

之後，為了再對第一金屬件1進行回火程序，使其加熱至一預定溫度(本實施例係為520~560℃，時間Tb起)，此回火程序除了可改變金屬的材料特性，使其減少淬火應力、穩定不鏽鋼的形狀大小、及防止淬火零件變形或開裂外，同時，因鋁本身的熔點約為660.4℃，但實際上在200℃左右即逐漸降低抗張強度(隨溫度上升機械強度逐漸下降)、在565℃左右即開始軟化(部分液化)，故該預定溫度亦為鋁的液化臨界溫度以下，而所謂鋁的液化臨界溫度以下係指鋁開始發生液化狀態前的溫度，在鋁的三相圖中即為鋁的絕對固相之上限值(但鋁僅為本實施例之材質舉例，不因此而侷限)。因此，對第二金屬件2的加熱動作，亦設定為加熱至該預定溫度，而將第二金屬件2確實維持在固相狀態，避免存在半固半液的現象，以利用後續接合動作。

另外，鋁與不鏽鋼的最大共通點就是表面的氧化層屬於高熔點的不動氧化層、及氧化層的氧化動作幾乎瞬間完成，其原因在於，純淨的金屬鋁極易與空氣中的氧氣反應，生成一層薄的第二氧化層211覆蓋在暴露於空氣中第二金屬件2的第二結合面21及第二非結合面22上，該第二氧化層211係為氧化鋁薄膜主要在防止鋁被繼續氧化；同理，金屬不鏽鋼不易生鏽的原因，也是因為不鏽鋼含有10%~13%的鉻，而鉻極易與空氣反應生成一層第一氧化層111(氧化鉻薄膜)，並包覆於空氣中第一金屬件1的第一結合面11及第一非結合面12上。然而，因為金屬氧化物並不是金屬，故也會變成金屬間相互連接的阻礙，以致於無法達成金屬接合。

而為了使第二金屬件2與第一金屬件1得以進行接合，就必須將第二金屬件2之第二結合面21上的第二氧化層211、及第一金屬件1之第一結合面11上的第一氧化層111脫離去除。乃於第一金屬件1冷卻至常溫後，於第一結合面11及該第二結合面21之銜接處加入至少一助熔劑3及至少一焊接媒介4(步驟d)，並將該第一金屬件1的第一結合面11與該第二金屬件2之第二結合面21相互抵靠(如第七圖至第九圖)，以在不造成第二金屬件2斷裂的情況下，使該第一金屬件1的第一結合面11與該第二金屬件2之第二結合面21相互抵靠(步驟e)，此時，在微觀條件下，仍因金屬鋁與金屬不鏽鋼的物理特性差異，使第一結合面11與第二結合面21之間存在有不規則的非平整面，接著，同時將第一金屬件1及第二金屬件2加熱至該預定溫度(步驟f、g)，使助熔劑3對第一金屬件1及第二金屬件2作用，而使該第一結合面11上的第一氧化層111、及該第二結合面21上的第二氧化層211脫離去除(步驟h)。其中該助熔劑3係為氯化銨或複合鹽(本實施例係以氯化銨為例，亦可為氯化鋅與氟化鉀構成的複合鹽、或至少兩種以上鹽類混合成之複合鹽)，氯化銨的水溶液呈弱酸性(複合鹽則呈弱鹼性)，加熱時酸性(或鹼性)會再增強，甚至可變為分子更小的氣態，且由於銨離子的配位性，氯化銨對金屬有腐蝕性，而更有利於滲透第二氧化層211及第一氧化層111的細微孔洞，與內部的第一金屬件1及第二金屬件2進行化學反應，迫使第一金屬件1及第二金屬件2的表面(第一結合面11及第二結合面21)產生崩塌游離，進而導致接觸表面的不動氧化層(第一氧化層111及第二氧化層211)產生更大的孔洞。於此同時，如步驟(i)，焊接媒介4(如鋁矽合金)從第一氧化層111及第二氧化層211之脫離處，直接連結該第一金屬件1及該第二金屬件2，而使兩個固態金屬間有效進行金屬接合(如第十圖所示)。

其中，氯化銨的沸點約為520℃，且此時的第二金屬件2及第一金屬件1，已預先加熱至520~560℃，故當氯化銨添加至該銜接處時，氯化銨會反應分解為氯化氫及氨氣NH₄Cl→NH₃+HCl，進而產生氯離子(Cl^-)，又固態的第二氧化層211與第一氧化層111實際上存在著大量的微小孔洞，而氣態氯化氫可輕易穿過該些孔洞，直接與下方的金屬鋁及金屬鉻作用；因此第二金屬件2可直接與氯離子反應而生成氣態的三氯化鋁Al⁺+3Cl^-→AlCl3，而第一金屬件1可直接與氯離子反應生成氣態的三氯化鉻Cr⁺+3Cl^-→CrCl3。藉此，利用讓第二金屬件2與第一金屬件1的最表層氣化，致使第二金屬件2與第一金屬件1上的第二氧化層211及第一氧化層111失去附著的基底而自然脫離去除。

因此，第二金屬件2的第二結合面21及第一金屬件1的第一結合面11，在沒有了第二氧化層211及第一氧化層111的阻礙，即可有效的進行金屬接合，此時，該第一結合面11與該第二結合面21便可達到50%≦貼合面積<100%(如第四圖及第十一圖所示)，且利用金屬接合製成的鋁-不鏽鋼複合材，可大幅增加第一金屬件1傳導熱量至第二金屬件2的路徑，而有效幫助第一金屬件1散熱。藉此實現高導散熱、輕量化，同時利用第二金屬件2與第一金屬件1接觸面積極大化的效果，增加整體導散熱率以及耐磨耗性能。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，例如，亦包含有鋁-鈦複合材，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明之金屬接合之製程於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼審委早日賜准本發明，以保障發明人之辛苦發明，倘若鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

Claims

一種金屬接合之製程，其步驟包括：(a)取至少一第一金屬件，該第一金屬件表面界定有至少一第一結合面及至少一第一非結合面，並由至少一第一氧化層包覆該第一結合面及該第一非結合面，且該第一金屬件之材質比重為4.3克/立方公分(g/cm³)至8克位方公分(g/cm³)，而該第一金屬件之洛氏硬度(HRC)為30至50；(b)將至少一第一金屬件進行淬火程序後，冷卻至常溫；(c)取至少一第二金屬件，該第二金屬件表面界定有至少一第二結合面及至少一第二非結合面，並由至少一第二氧化層包覆該第二結合面及該第二非結合面，且該第二金屬件之比重為1.68克/立方公分(g/cm³)至2.84克/立方公分(g/cm³)，而該第二金屬件之導熱率為130瓦‧公尺/克氏度(Wm/K)至260瓦‧公尺/克氏度(Wm/K)；(d)於該第一結合面及該第二結合面之銜接處加入至少一助熔劑及至少一焊接媒介；(e)將該第一金屬件的第一結合面與該第二金屬件之第二結合面相互抵靠；(f)加熱該第二金屬件至一預定溫度，該預定溫度小於該第二金屬件之液化臨界溫度；(g)該預定溫度同時作為該第一金屬件進行回火程序之加熱溫度；(h)該助熔劑受熱後，使該第一結合面上的第一氧化層、及該第二結合面上的第二氧化層脫離去除；(i)該焊接媒介由該第一氧化層及該第二氧化層之脫離處，連結該第一金屬件及該第二金屬件；及(j)該第一結合面與該第二結合面進行金屬接合，且該第一結合面與該第二結合面之貼合面積比不小於50%。
如申請專利範圍第1項所述之金屬接合之製程，其中該淬火程序之操作溫度為1000℃至1040℃。
如申請專利範圍第1項所述之金屬接合之製程，其中該助熔劑係為氯化銨或複合鹽其中之一者。
如申請專利範圍第1項所述之金屬接合之製程，其中該第二金屬件為鋁質時，該預定溫度係為520℃至560℃。
如申請專利範圍第4項所述之金屬接合之製程，其中該第一金屬件為不鏽鋼時，該第一氧化層為氧化鉻，且該第二氧化層為氧化鋁。
如申請專利範圍第1項所述之金屬接合之製程，其中該金屬接合係為釬焊(brazing)或非熔式(Welding)的金屬接合其中之一者。
如申請專利範圍第1項所述之金屬接合之製程，其中該焊接媒介係為鋁矽合金。