WO2013183560A1 - Method for joining metal members - Google Patents

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Definitions

  • step S11 after the process of step S11, before progressing to the next step, you may perform the process of wash
  • step S13 as the second metal member to be joined to the first metal member, in addition to the same type of material (aluminum or aluminum alloy), different materials such as copper and stainless steel (SUS) are also used. It is possible to use.
  • step S13 since the organic acid aluminum in which the oxide film is replaced is thermally decomposed, the atomic plane of aluminum is exposed, so that the bonding strength with the second metal member can be increased. As a result, it is possible to obtain a high bonding strength at a lower temperature than in the past. From the same viewpoint as the temperature, it is possible to obtain a sufficiently high bonding strength even if the pressure at the time of bonding is lowered.
  • Example 1 Aluminum / aluminum bonding As shown in the perspective view of FIG. 2, two columnar pure aluminums having a diameter of 20 mm and a height of 15 mm were prepared as two metal members to be bonded. Then, the joining surfaces of the two pure aluminums were mechanically polished up to number 800 with emery paper. The chemical composition of the pure aluminum used is as shown in Table 1 below.
  • the tensile strength is set to zero. That is, although it was possible to join in the range of 440 to 480 ° C., sufficient joining strength was not obtained.
  • the joint surface of the aluminum alloy was boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 20 seconds and then ultrasonically cleaned in acetone. Subsequently, the joint surface of the aluminum alloy was boiled in formic acid for 3 minutes. Thereafter, the aluminum alloy and SUS304 stainless steel were joined in a vacuum furnace by heating and pressurizing with a joining time of 15 minutes and a joining pressure of 6 MPa. And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.

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Abstract

Metal members are joined through a method which comprises: a step wherein the surface of a first metal member that is formed of aluminum is immersed in an alkali solution or exposed to a vapor that contains an alkali; a subsequent step wherein the surface of the first metal member is boiled in an organic acid solution or exposed to a vapor that contains an organic acid; and a subsequent step wherein the surface of a second metal member is abutted to the surface of the first metal member and heat and pressure are applied thereto, thereby joining the first metal member and the second metal member with each other.

Description

金属部材の接合方法Method of joining metal members
 本発明は、アルミニウムからなる金属部材を含む複数の金属部材を接合する、金属部材の接合方法に係わる。 The present invention relates to a metal member joining method for joining a plurality of metal members including a metal member made of aluminum.
 現在、アルミニウム同士、或いは、アルミニウムと鋼材は、580~620℃に加熱されて、ろう付けにより接合されている。 Currently, aluminum, or aluminum and steel are heated to 580 to 620 ° C. and joined by brazing.
 ろう付けによる接合では、接合自体は極めて強固になるが、接合阻害因子である酸化物皮膜を除去する必要がある。
 そのため、酸化物皮膜除去用に、ハロゲンを含むフラックスが用いられ、そのフラックスの残渣による接合後の腐食や、フラックスの気化による未接合部(ボイド)の形成等の接合欠陥が発生していた。
 また、酸化皮膜を機械的に破壊するために、接合圧力を増加させなくてはならないため、接合時の変形量が増加してしまう問題点もあった。
In the joining by brazing, the joining itself is extremely strong, but it is necessary to remove the oxide film that is a joining inhibiting factor.
Therefore, a flux containing halogen is used for removing the oxide film, and bonding defects such as corrosion after bonding due to the residue of the flux and formation of an unbonded portion (void) due to vaporization of the flux have occurred.
Further, since the bonding pressure has to be increased in order to mechanically destroy the oxide film, there is a problem that the deformation amount at the time of bonding increases.
 これらの問題点に対して、低温で接合する方法として、固相接合法が知られている。
 固相接合法は、母材を溶融することなく、固相状態で顕著な変形を加えずに、加熱及び加圧して接合する方法である。熱による部材へのダメージを減少させ、溶融させないことによるぬれ広がりの抑制や、精密組立接合が可能である、といった特徴を有している。
In order to solve these problems, a solid phase bonding method is known as a method for bonding at a low temperature.
The solid phase bonding method is a method of bonding by heating and pressurizing without melting a base material and without causing significant deformation in a solid phase state. It has the characteristics that the damage to the member due to heat is reduced, the spread of wetting due to not being melted, and the precision assembly and joining are possible.
 また、例えば、銅の接合面を有機酸から成る酸化膜除去液で処理してから、固相接合を行うことが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Further, for example, it has been proposed to perform solid-phase bonding after treating a copper bonding surface with an oxide film removing solution made of an organic acid (see, for example, Patent Document 1).
特開2006-334652号公報JP 2006-334652 A
 しかしながら、アルミニウム等においては、表面を有機酸で処理しただけで固相接合を行うと、十分な接合強度が得られなかった。 However, when aluminum or the like is used for solid phase bonding only by treating the surface with an organic acid, sufficient bonding strength cannot be obtained.
 上述した問題の解決のために、本発明においては、低温で、かつ、固相状態で金属同士を接合する方法を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for joining metals at a low temperature and in a solid phase.
 本発明の金属部材の接合方法は、複数の金属部材を接合する方法であって、アルミニウムからなる第1の金属部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程と、その後、第1の金属部材の表面を、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、その後、第1の金属部材の表面に、第2の金属部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、第1の金属部材と第2の金属部材を接合する工程とを有するものである。 The method for joining metal members of the present invention is a method for joining a plurality of metal members, wherein the surface of the first metal member made of aluminum is immersed in an alkaline solution or exposed to vapor containing alkali. A step of boiling the surface of the first metal member in an organic acid solution, or exposing the surface of the first metal member to a vapor containing an organic acid, and then a second metal on the surface of the first metal member. A process of joining the first metal member and the second metal member by butting the surfaces of the members, heating and pressurizing them.
 本発明の金属部材の接合方法において、第2の金属部材は、第1の金属部材と同じ材料からなり、第2の金属部材も、第1の金属部材と同様に、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程を行ってから、表面を、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程を行って、その後、第1の金属部材と接合する工程を行うことも可能である。
 本発明の金属部材の接合方法において、第2の金属部材は、第1の金属部材とは異なる材料からなる構成とすることも可能である。
 本発明の金属部材の接合方法において、有機酸が、ギ酸、クエン酸、ステアリン酸から選ばれる1種以上である構成とすることも可能である。
In the joining method of the metal member of this invention, a 2nd metal member consists of the same material as a 1st metal member, and a 2nd metal member is also immersed in an alkaline solution like a 1st metal member. Alternatively, after performing the step of exposing to vapor containing alkali, the surface is boiled in an organic acid solution, or the step of exposing to vapor containing organic acid is performed, and then the first metal member and It is also possible to perform the process of joining.
In the method for joining metal members of the present invention, the second metal member can be made of a material different from that of the first metal member.
In the method for joining metal members of the present invention, the organic acid may be one or more selected from formic acid, citric acid, and stearic acid.
 上述の本発明の金属部材の接合方法によれば、アルミニウムからなる第1の金属部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露することにより、アルミニウムの表面に形成された酸化物皮膜を有効に除去、或いは、水酸化物に置換することができる。
 その後、第1の金属部材の表面を、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露することにより、酸化物皮膜から置換された水酸化物が有機酸塩に置換される。
 その後、第1の金属部材の表面に、第2の金属部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、第1の金属部材と第2の金属部材を接合することにより、酸化物皮膜が除去、或いは、有機酸塩に置換された状態で、加熱及び加圧するので、有機酸塩は熱分解反応を生じて分解されることから、第1の金属部材の原子面が露出し、接合強度を増大させることが可能になる。
 そして、高い接合強度が得られるので、従来よりも低い温度で、十分に高い接合強度を得ることが可能になる。
According to the metal member joining method of the present invention described above, the surface of the first metal member made of aluminum is formed on the surface of aluminum by being immersed in an alkali solution or exposed to vapor containing alkali. The formed oxide film can be effectively removed or replaced with a hydroxide.
Thereafter, the surface of the first metal member is boiled in an organic acid solution or exposed to vapor containing an organic acid, whereby the hydroxide substituted from the oxide film is replaced with the organic acid salt. .
Thereafter, the surface of the second metal member is abutted against the surface of the first metal member, and the oxide film is removed by heating and pressurizing to join the first metal member and the second metal member. Alternatively, since heating and pressurization are performed in a state where the organic acid salt is substituted, the organic acid salt is decomposed by a thermal decomposition reaction, so that the atomic plane of the first metal member is exposed and the bonding strength is increased. It can be increased.
And since high joint strength is obtained, it becomes possible to obtain sufficiently high joint strength at a temperature lower than before.
 上述の本発明によれば、従来よりも低い接合温度で、十分な接合強度を得ることが可能になる。
 これにより、接合温度を低くして、接合装置の構成を簡略化することや、加熱に必要なエネルギーを低減し、接合時の変形量を低減することが、可能になる。
According to the above-described present invention, it is possible to obtain a sufficient bonding strength at a bonding temperature lower than that of the prior art.
As a result, it is possible to lower the bonding temperature, simplify the structure of the bonding apparatus, reduce the energy required for heating, and reduce the deformation amount during bonding.
本発明の実施の形態の金属の接合方法の手順のフローチャートである。It is a flowchart of the procedure of the joining method of the metal of embodiment of this invention. 実験1で使用した純アルミニウムの試料の斜視図である。2 is a perspective view of a pure aluminum sample used in Experiment 1. FIG. 実験1で使用した引張試験用の試験片の側面図である。3 is a side view of a test piece for a tensile test used in Experiment 1. FIG. 実験1(アルミニウム/アルミニウム接合)の引張試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the tension test of Experiment 1 (aluminum / aluminum joining). A~C アルカリ処理も有機酸処理も行っていない試料の接合界面のSEM写真である。A to C are SEM photographs of the bonding interface of a sample that has not been subjected to alkali treatment or organic acid treatment. A~C アルカリ処理も有機酸処理も行っていない試料の接合界面のSEM写真である。A to C are SEM photographs of the bonding interface of a sample that has not been subjected to alkali treatment or organic acid treatment. 図6の白色を呈した介在物のEDX分析結果である。It is an EDX analysis result of the inclusion which exhibited the white of FIG. A~C アルカリ処理の後に有機酸処理を行った試料の接合界面のSEM写真である。A to C are SEM photographs of the bonding interface of a sample subjected to an organic acid treatment after an alkali treatment. アルカリ処理の後に有機酸処理を行った試料表面のFT-IR分析の結果である。It is the result of the FT-IR analysis of the sample surface which performed the organic acid process after the alkali process. 実験2で使用したアルミニウム合金及びステンレス鋼(SUS)の試料の斜視図である。It is a perspective view of the sample of the aluminum alloy and stainless steel (SUS) used in Experiment 2. 実験2における引張試験のやり方を示す図である。It is a figure which shows the method of the tension test in Experiment 2. FIG. 実験2(アルミニウム合金/SUS接合)の引張試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the tension test of Experiment 2 (aluminum alloy / SUS joining). 実験2(アルミニウム合金/SUS接合)の引張試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the tension test of Experiment 2 (aluminum alloy / SUS joining). 実験3で使用した純アルミニウム及び純銅の試料の斜視図である。It is a perspective view of the sample of pure aluminum and pure copper used in Experiment 3. 実験3(アルミニウム/銅接合)の引張試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the tension test of Experiment 3 (aluminum / copper joint). 実験3の各試料の引張試験後の各破面のSEM写真及びアルミニウム側の破面における銅の分布を示す写真である。It is a SEM photograph of each fracture surface after a tensile test of each sample of Experiment 3, and a photograph showing the distribution of copper on the fracture surface on the aluminum side. 実験3の試料の接合界面近傍における、SEM写真、並びに、アルミニウム及び銅の分布を示す図である。It is a figure which shows the SEM photograph in the joint interface vicinity of the sample of Experiment 3, and distribution of aluminum and copper.
 以下、発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
 なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明の概要
2.実施の形態
3.実施例
Hereinafter, the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described.
The description will be given in the following order.
1. 1. Outline of the present invention Embodiment 3 FIG. Example
<1.本発明の概要>
 まず、本発明の概要について説明する。
 本発明の金属部材の接合方法は、同一の材料からなる、或いは、異種の材料からなる、複数の金属部材を接合する方法である。
 そして、本発明では、アルミニウムから成る第1の金属部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程と、その後、第1の金属部材の表面を、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、その後、第1の金属部材の表面に、第2の金属部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、第1の金属部材と第2の金属部材を接合する工程とを有する。
<1. Summary of the present invention>
First, an outline of the present invention will be described.
The method for joining metal members of the present invention is a method for joining a plurality of metal members made of the same material or different materials.
In the present invention, the step of immersing the surface of the first metal member made of aluminum in an alkali solution or exposing the surface of the first metal member to vapor containing alkali, and then the surface of the first metal member with an organic acid. The step of boiling in a solution or exposing to a vapor containing an organic acid, and then bringing the surface of the second metal member into contact with the surface of the first metal member, heating and pressurizing, Joining the metal member and the second metal member.
 本発明において、アルミニウムから成る第1の金属部材の材料としては、例えば、アルミニウム純金属又はアルミニウム合金を使用することができる。この場合、アルカリ水溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露することによって、アルミニウムの表面の酸化物皮膜を除去することができる。
 本発明において、第2の金属部材には、各種の金属材料からなる金属部材を使用することが可能である。例えば、銅やステンレス鋼(SUS)等を、第2の金属部材に使用することが可能である。
In the present invention, as the material of the first metal member made of aluminum, for example, an aluminum pure metal or an aluminum alloy can be used. In this case, the oxide film on the surface of aluminum can be removed by dipping in an aqueous alkali solution or by exposing to an alkali-containing vapor.
In the present invention, a metal member made of various metal materials can be used for the second metal member. For example, copper, stainless steel (SUS), or the like can be used for the second metal member.
 また、接合する第1の金属部材及び第2の金属部材は、同じ材料であっても、異種の材料であっても良い。
 第1の金属部材及び第2の金属部材を同じ材料とする場合には、第2の金属部材に対しても、第1の金属部材と同様に表面の処理(アルカリ処理+有機酸処理)を行うことが望ましい。
 第2の金属部材を第1の金属部材と異なる材料とする場合でも、第2の金属部材に対して、第1の金属部材と同様の表面の処理(アルカリ処理+有機酸処理)を行っても良い。
Further, the first metal member and the second metal member to be joined may be the same material or different materials.
When the first metal member and the second metal member are made of the same material, the surface treatment (alkali treatment + organic acid treatment) is applied to the second metal member as well as the first metal member. It is desirable to do.
Even when the second metal member is made of a material different from that of the first metal member, the same treatment as the first metal member (alkali treatment + organic acid treatment) is performed on the second metal member. Also good.
 本発明において、アルカリ溶液やアルカリを含む蒸気には、各種のアルカリを使用することが可能である。
 例えば、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムを使用することができる。そして、これらのアルカリの水溶液や、アルカリを含む水蒸気を使用することができる。
 金属部材の表面を、アルカリ水溶液に浸漬する場合には、より好ましくは、アルカリ水溶液を煮沸する。アルカリ水溶液を煮沸することにより、金属部材の表面の酸化皮膜の除去を効率良く行うことができる。
In the present invention, various alkalis can be used for the alkali solution or the vapor containing the alkali.
For example, sodium hydroxide and sodium carbonate can be used. And the aqueous solution of these alkalis and the water vapor | steam containing an alkali can be used.
When the surface of the metal member is immersed in an alkaline aqueous solution, the alkaline aqueous solution is more preferably boiled. By boiling the alkaline aqueous solution, the oxide film on the surface of the metal member can be efficiently removed.
 本発明において、有機酸としては、各種の有機酸を使用することができる。
 例えば、ギ酸、クエン酸、ステアリン酸から選ばれる1種以上を使用することができる。
In the present invention, various organic acids can be used as the organic acid.
For example, at least one selected from formic acid, citric acid, and stearic acid can be used.
 本発明では、アルミニウムから成る第1の金属部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露することにより、金属部材の表面に形成された、表面汚染層を含む酸化物皮膜が除去或いは水酸化物に置換されると共に、アルミニウムが水酸化アルミニウムに置換される。
 表面汚染層は接合性阻害因子となるため、表面汚染層が存在していると接合強度を低下させる。また、水酸化物は、加熱及び加圧して金属部材を接合する工程において、熱分解反応を生じて、金属原子の原子面が露出する。
 従って、表面汚染層を有効に除去或いは水酸化物に置換することにより、接合強度を増大させることができる。
 このようにして高い接合強度を得ることができるため、従来よりも低い温度で高い接合強度を得ることが可能になる。
In the present invention, the surface of the first metal member made of aluminum is oxidized by immersing the surface of the first metal member in an alkaline solution or exposing the surface of the first metal member to a vapor containing alkali, and including a surface contamination layer formed on the surface of the metal member. The material film is removed or replaced with hydroxide, and aluminum is replaced with aluminum hydroxide.
Since the surface contamination layer becomes a bondability inhibiting factor, the presence of the surface contamination layer reduces the bonding strength. Moreover, in the process of joining a metal member by heating and pressurizing, a hydroxide undergoes a thermal decomposition reaction to expose an atomic plane of metal atoms.
Therefore, the bonding strength can be increased by effectively removing the surface contamination layer or replacing it with a hydroxide.
Thus, since high joint strength can be obtained, it becomes possible to obtain high joint strength at a temperature lower than before.
 また、水酸化アルミニウムは、加熱及び加圧して金属部材を接合する工程において、熱分解反応を生じて、アルミニウムの原子面が露出するので、第2の金属部材(アルミニウム又は他の金属)と金属素材同士の金属的接触領域を増加させて、高い接合強度を得ることができる。 In addition, since aluminum hydroxide undergoes a thermal decomposition reaction in the step of joining the metal members by heating and pressurizing and the atomic plane of aluminum is exposed, the second metal member (aluminum or other metal) and the metal are exposed. A high bonding strength can be obtained by increasing the metallic contact area between the materials.
 さらに、本発明では、第1の金属部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露した後に、さらに、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露することにより、水酸化アルミニウムがアルミニウムの有機酸塩に置換される。有機酸としてギ酸を使用した場合には、ギ酸アルミニウムに置換される。
 従って、表面汚染層を有機酸塩に置換することにより、接合強度を増大させることができる。
 このようにして高い接合強度を得ることができるため、従来よりも低い温度で高い接合強度を得ることが可能になる。
 また、アルカリを用いた処理のみの場合と比較して、より低い温度から高い接合強度を得ることが可能になる。
Furthermore, in the present invention, after the surface of the first metal member is immersed in an alkali solution or exposed to vapor containing alkali, the surface is further boiled in an organic acid solution, or vapor containing an organic acid. Exposure to aluminum replaces aluminum hydroxide with an organic acid salt of aluminum. When formic acid is used as the organic acid, it is replaced with aluminum formate.
Therefore, the bonding strength can be increased by replacing the surface contamination layer with an organic acid salt.
Thus, since high joint strength can be obtained, it becomes possible to obtain high joint strength at a temperature lower than before.
Moreover, it becomes possible to obtain a high bonding strength from a lower temperature as compared with the case of only the treatment using alkali.
 また、ギ酸アルミニウム等、アルミニウムの有機酸塩は、水酸化アルミニウムと同様に、加熱及び加圧して金属部材を接合する工程において、熱分解反応を生じて、アルミニウムの原子面が露出するので、第2の金属部材(アルミニウム又は他の金属)と金属素材同士の金属的接触領域を増加させて、高い接合強度を得ることができる。 In addition, an aluminum organic acid salt, such as aluminum formate, causes a thermal decomposition reaction in the step of joining metal members by heating and pressurizing, similar to aluminum hydroxide, and the atomic plane of aluminum is exposed. By increasing the metallic contact area between the two metal members (aluminum or other metal) and the metal material, a high bonding strength can be obtained.
 上述したように、本発明によれば、従来よりも低い温度で、十分に高い接合強度が得られるので、低温で固相状態での接合が可能になる。
 そして、温度と同様の観点から、接合の際の圧力を低くしても、十分に高い接合強度を得ることが可能になる。
 これにより、低圧力で固相状態での接合が可能になり、接合の際の変形量を低減することができるので、接合の位置精度を向上することができる。接合の位置精度が向上することにより、高い位置精度を保つことが可能になり、溶接では困難であった複雑な形状の金属部材の接合も可能になる。
 また、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、接合装置の構成を簡略化することや、加熱に必要なエネルギーを低減して、エネルギー効率を向上することができる。例えば、消費電力や加熱用の燃料、接合に要する時間等を低減することが可能になる。
As described above, according to the present invention, a sufficiently high bonding strength can be obtained at a temperature lower than that in the prior art, so that bonding in a solid state can be performed at a low temperature.
From the same viewpoint as the temperature, it is possible to obtain a sufficiently high bonding strength even if the pressure at the time of bonding is lowered.
Thereby, bonding in a solid phase can be performed at a low pressure, and the amount of deformation at the time of bonding can be reduced, so that the positional accuracy of bonding can be improved. By improving the positional accuracy of the joining, it becomes possible to maintain a high positional accuracy, and it becomes possible to join metal members having complicated shapes that were difficult to weld.
Further, since bonding can be performed at a low temperature and a low pressure, the structure of the bonding apparatus can be simplified, energy required for heating can be reduced, and energy efficiency can be improved. For example, it becomes possible to reduce power consumption, fuel for heating, time required for joining, and the like.
<2.実施の形態>
 本発明の実施の形態の金属の接合方法の手順のフローチャートを、図1に示す。
 図1に示すように、まず、ステップS11において、接合させる金属部材(アルミニウムから成る第1の金属部材)の表面を、アルカリ溶液中に浸漬、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露する。
 これにより、金属部材の表面に形成された、表面汚染層(例えば、酸化物皮膜等の化学吸着層)を、有効に除去、或いは、水酸化物に置換することができる。
<2. Embodiment>
FIG. 1 shows a flowchart of the procedure of the metal bonding method according to the embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, first, in step S <b> 11, the surface of the metal member to be joined (first metal member made of aluminum) is immersed in an alkali solution or exposed to vapor containing alkali.
Thereby, the surface contamination layer (for example, chemical adsorption layer such as an oxide film) formed on the surface of the metal member can be effectively removed or replaced with a hydroxide.
 アルミニウムから成る金属部材(第1の金属部材)としては、アルミニウム、アルミニウム合金を使用することができる。
 アルカリ溶液やアルカリを含む蒸気には、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムや、各種のアルカリを使用することが可能である。溶液の溶媒としては、水を使用することができる。また、その他各種の極性溶媒を使用することも可能である。
As the metal member (first metal member) made of aluminum, aluminum or an aluminum alloy can be used.
Sodium hydroxide, sodium carbonate, and various alkalis can be used for the alkali solution or the vapor containing the alkali. Water can be used as the solvent of the solution. It is also possible to use other various polar solvents.
 なお、ステップS11の工程の後に、次のステップに進む前に、金属部材(第1の金属部材)の表面を、洗浄する工程や、乾燥する工程を行っても良い。 In addition, after the process of step S11, before progressing to the next step, you may perform the process of wash | cleaning the surface of a metal member (1st metal member), and the process of drying.
 次に、ステップS12において、金属部材(第1の金属部材)の表面を、有機酸溶液中で煮沸、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する。
 これにより、表面汚染層から置換された水酸化物が、さらに有機酸塩に置換される。
Next, in step S12, the surface of the metal member (first metal member) is boiled in an organic acid solution or exposed to vapor containing an organic acid.
Thereby, the hydroxide substituted from the surface contamination layer is further substituted with an organic acid salt.
 有機酸としては、ギ酸、クエン酸、ステアリン酸や、その他の有機酸を使用することができる。溶媒としては、水や各種の極性溶媒を使用することが可能である。 As the organic acid, formic acid, citric acid, stearic acid, and other organic acids can be used. As the solvent, water or various polar solvents can be used.
 なお、ステップS12の工程の後に、次のステップに進む前に、金属部材(第1の金属部材)の表面を、洗浄する工程や、乾燥する工程を行っても良い。 In addition, after the process of step S12, before proceeding to the next step, the surface of the metal member (first metal member) may be cleaned or dried.
 次に、ステップS13において、2つの金属部材(第1の金属部材及び第2の金属部材)の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して接合する。
 これにより、表面汚染層が除去、或いは、有機酸塩に置換された状態で、加熱及び加圧するので、有機酸塩は熱分解反応を生じて分解されることから、第1の金属部材の金属原子の原子面が露出し、接合強度を増大させることができる。高い接合強度が得られるので、従来よりも低い温度及び低い変形量で高い接合強度を得ることが可能になる。
 即ち、ステップS11及びステップS12の工程を行わない、従来の接合方法と比較して、接合の際の加熱の温度及び加圧力を低くすることが可能になる。
Next, in step S13, the surfaces of the two metal members (the first metal member and the second metal member) are brought into contact with each other and joined by heating and pressing.
As a result, since the surface contamination layer is removed or replaced with the organic acid salt, heating and pressurization are performed, so that the organic acid salt is decomposed by a thermal decomposition reaction, so that the metal of the first metal member The atomic plane of the atoms is exposed, and the bonding strength can be increased. Since a high bonding strength can be obtained, it is possible to obtain a high bonding strength at a lower temperature and lower deformation than in the past.
That is, it is possible to lower the heating temperature and the applied pressure during bonding as compared to the conventional bonding method in which the steps S11 and S12 are not performed.
 第2の金属部材には、第1の金属部材と同じ材料も、第1の金属部材と異なる材料も、使用することが可能である。
 第2の金属部材を第1の金属部材と同じ材料とする場合には、第2の金属部材に対しても、ステップS11及びステップS12の各工程を行うことが望ましい。
 第2の金属部材を第1の金属部材と異なる材料とする場合でも、第2の金属部材に対して、ステップS11及びステップS12の各工程と同様の処理を行っても良い。
For the second metal member, the same material as the first metal member or a material different from the first metal member can be used.
When the second metal member is made of the same material as the first metal member, it is desirable to perform the steps S11 and S12 on the second metal member.
Even when the second metal member is made of a material different from that of the first metal member, the second metal member may be processed in the same manner as in the steps S11 and S12.
 本実施の形態において、第1の金属部材として使用する、アルミニウムやアルミニウム合金では、表面汚染層として、酸化物皮膜(酸化アルミニウム)が形成されやすい。
 ステップS11の工程では、水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムを含有する、水溶液や水蒸気を使用することにより、表面汚染層である酸化物皮膜(酸化アルミニウム)が除去或いは水酸化物に置換されると共に、アルミニウムが水酸化アルミニウムに置換される。
 水溶液に浸漬する場合には、より好ましくは、水溶液を煮沸する。水溶液を煮沸することにより、酸化物皮膜の除去を効率良く行うことができる。
 また、その後、必要に応じて、アルコール等で洗浄する工程や、金属部材の表面を乾燥する工程を行っても良い。
In the present embodiment, an oxide film (aluminum oxide) is easily formed as a surface contamination layer in aluminum or an aluminum alloy used as the first metal member.
In the process of step S11, by using an aqueous solution or water vapor containing sodium hydroxide or sodium carbonate, the oxide film (aluminum oxide) which is a surface contamination layer is removed or replaced with hydroxide, and aluminum Is replaced by aluminum hydroxide.
When immersed in an aqueous solution, the aqueous solution is more preferably boiled. By boiling the aqueous solution, the oxide film can be efficiently removed.
Moreover, you may perform the process of wash | cleaning with alcohol etc. and the process of drying the surface of a metal member after that as needed.
 ステップS12の工程では、有機酸として、例えば、ギ酸、クエン酸、ステアリン酸を使用することができる。
 これらの有機酸を使用することにより、表面汚染層から置換された水酸化アルミニウムが、有機酸塩である、有機酸アルミニウム(ギ酸アルミニウム、クエン酸アルミニウム、ステアリン酸アルミニウム)に置換される。
 また、その後、必要に応じて、アルコール等で洗浄する工程や、金属部材の表面を乾燥する工程を行っても良い。
In the step S12, for example, formic acid, citric acid, or stearic acid can be used as the organic acid.
By using these organic acids, the aluminum hydroxide substituted from the surface contamination layer is replaced with an organic acid aluminum salt (aluminum formate, aluminum citrate, aluminum stearate) which is an organic acid salt.
Moreover, you may perform the process of wash | cleaning with alcohol etc. and the process of drying the surface of a metal member after that as needed.
 ステップS13の工程では、第1の金属部材に接合する相手の第2の金属部材として、同種の材料(アルミニウムやアルミニウム合金)の他、異種の材料、例えば、銅やステンレス鋼(SUS)等も使用することが可能である。
 ステップS13の工程では、酸化物皮膜が置換された有機酸アルミニウムが熱分解するので、アルミニウムの原子面が露出することから、第2の金属部材との接合強度を増大させることができる。これにより、従来よりも低い温度で高い接合強度を得ることが可能になる。
 そして、温度と同様の観点から、接合の際の圧力を低くしても、十分に高い接合強度を得ることが可能になる。これにより、低い圧力での接合が可能になり、接合の際の変形量を軽減して、高い位置精度を保つことが可能になる。
 また、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、エネルギー効率を向上することができる。
In the process of step S13, as the second metal member to be joined to the first metal member, in addition to the same type of material (aluminum or aluminum alloy), different materials such as copper and stainless steel (SUS) are also used. It is possible to use.
In step S13, since the organic acid aluminum in which the oxide film is replaced is thermally decomposed, the atomic plane of aluminum is exposed, so that the bonding strength with the second metal member can be increased. As a result, it is possible to obtain a high bonding strength at a lower temperature than in the past.
From the same viewpoint as the temperature, it is possible to obtain a sufficiently high bonding strength even if the pressure at the time of bonding is lowered. As a result, joining at a low pressure is possible, and the amount of deformation at the time of joining can be reduced, and high positional accuracy can be maintained.
In addition, since the bonding can be performed at a low temperature and a low pressure, energy efficiency can be improved.
 なお、アルミニウムやアルミニウム合金を使用した第1の金属部材に対して、ステップS11を省略して、ステップS12及びステップS13のみを行うと、十分な接合強度の向上効果が得られない。
 これは、アルミニウムの酸化物皮膜が、有機酸だけでは、置換されない、或いは、置換されにくいためと考えられる。
 酸化物皮膜をいったん水酸化アルミニウムに置換しておくと、容易に有機酸アルミニウムに置換することができる。
Note that if the step S11 is omitted and only the steps S12 and S13 are performed on the first metal member using aluminum or an aluminum alloy, a sufficient bonding strength improvement effect cannot be obtained.
This is presumably because the oxide film of aluminum is not replaced with an organic acid alone or is not easily replaced.
Once the oxide film is replaced with aluminum hydroxide, it can be easily replaced with organic acid aluminum.
 上述の本実施の形態によれば、接合させる金属部材(アルミニウムから成る第1の金属部材)の表面を、アルカリ溶液中に浸漬、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露することにより、金属部材の表面に形成された、表面汚染層(例えば、酸化物皮膜等の化学吸着層)を、有効に除去、或いは、水酸化物に置換することができる。
 そして、金属部材(アルミニウムから成る第1の金属部材)の表面を、有機酸溶液中で煮沸、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露することにより、表面汚染層から置換された水酸化物を、有機酸塩に置換することができる。
 さらに、2つの金属部材(第1の金属部材及び第2の金属部材)の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して接合することにより、表面汚染層が除去、或いは、有機酸塩に置換された状態で、加熱及び加圧するので、有機酸塩は熱分解反応を生じて分解されることから、第1の金属部材の金属原子の原子面が露出し、接合強度を増大させることができる。
 これにより、高い接合強度が得られるので、低い温度で高い接合強度を得ることが可能になり、アルカリによる処理工程及び有機酸による処理工程を行わない従来の場合と比較して、接合の際の加熱の温度を低くすることが可能になる。即ち、低温で固相状態での接合が可能になる。
 そして、接合の際の圧力を低くしても十分に高い接合強度を得ることが可能になり、低圧力で固相状態での接合が可能になることから、接合の際の変形量を低減することができるので、接合の位置精度を向上することができる。接合の位置精度が向上することにより、高い位置精度を保つことが可能になり、溶接では困難であった複雑な形状の金属部材の接合も可能になる。
 また、低温かつ低圧力で接合が可能になるため、エネルギー効率を向上することができる。例えば、消費電力や加熱用の燃料、接合に要する時間等を低減することが可能になる。
According to the above-described embodiment, the surface of the metal member is obtained by immersing the surface of the metal member to be joined (first metal member made of aluminum) in an alkaline solution or exposing the surface to vapor containing alkali. The surface contamination layer (for example, a chemisorption layer such as an oxide film) formed in (1) can be effectively removed or replaced with a hydroxide.
Then, the surface of the metal member (first metal member made of aluminum) is boiled in an organic acid solution, or exposed to a vapor containing an organic acid, thereby replacing the hydroxide substituted from the surface contamination layer. An organic acid salt can be substituted.
Furthermore, the surface contamination layer was removed or replaced with an organic acid salt by joining the surfaces of the two metal members (first metal member and second metal member) with each other but heated and pressurized. In this state, since heating and pressurization are performed, the organic acid salt is decomposed by causing a thermal decomposition reaction, so that the atomic planes of the metal atoms of the first metal member are exposed and the bonding strength can be increased.
As a result, a high bonding strength can be obtained, so that a high bonding strength can be obtained at a low temperature. Compared to the conventional case in which a treatment process using an alkali and a treatment process using an organic acid are not performed, The heating temperature can be lowered. That is, bonding in a solid state can be performed at a low temperature.
And even if the pressure at the time of joining is lowered, it becomes possible to obtain a sufficiently high joining strength, and joining in a solid phase state is possible at a low pressure, thereby reducing the deformation amount at the time of joining. Therefore, the bonding position accuracy can be improved. By improving the positional accuracy of the joining, it becomes possible to maintain a high positional accuracy, and it becomes possible to join metal members having complicated shapes that were difficult to weld.
In addition, since the bonding can be performed at a low temperature and a low pressure, energy efficiency can be improved. For example, it becomes possible to reduce power consumption, fuel for heating, time required for joining, and the like.
<3.実施例>
 次に、実際に、本発明によって金属部材の接合を行い、特性を調べた。
<3. Example>
Next, the metal members were actually joined according to the present invention, and the characteristics were examined.
(実験1)アルミニウム/アルミニウム接合
 接合する2つの金属部材として、図2に斜視図を示すように、直径が20mmで高さが15mmの円柱状の純アルミニウムを2個用意した。
 そして、2個の純アルミニウムの接合面を、エメリー紙で800番まで機械研磨仕上げを行った。
 使用した純アルミニウムの化学組成は、下記の表1の通りである。
(Experiment 1) Aluminum / aluminum bonding As shown in the perspective view of FIG. 2, two columnar pure aluminums having a diameter of 20 mm and a height of 15 mm were prepared as two metal members to be bonded.
Then, the joining surfaces of the two pure aluminums were mechanically polished up to number 800 with emery paper.
The chemical composition of the pure aluminum used is as shown in Table 1 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(アルカリ処理のみ)
 2個の純アルミニウムを、水酸化ナトリウム水溶液中で30秒間煮沸した後に、メタノールにより10秒間洗浄した。
 その後、真空炉中で、接合時間を30分に設定して、加熱及び加圧することにより、2個の純アルミニウムを接合した。
 そして、設定する接合圧力を3MPaと6MPaと変え、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Alkaline treatment only)
Two pure aluminums were boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 30 seconds and then washed with methanol for 10 seconds.
Thereafter, in a vacuum furnace, the joining time was set to 30 minutes, and two pieces of pure aluminum were joined by heating and pressurizing.
And the joining pressure to set was changed into 3MPa and 6MPa, joining temperature was changed, and each joined metallic member, and produced the coupling.
(アルカリ処理及び有機酸処理)
 2個の純アルミニウムを、水酸化ナトリウム水溶液中で30秒間煮沸した後に、メタノールにより10秒間洗浄した。
 さらに、ギ酸中で、純アルミニウムの接合面を60秒間煮沸した後、蒸留水により10秒間洗浄した。
 その後、真空炉中で、接合時間を30分に設定して、加熱及び加圧することにより、2個の純アルミニウムを接合した。
 そして、設定する接合圧力を6MPaとして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Alkali treatment and organic acid treatment)
Two pure aluminums were boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 30 seconds and then washed with methanol for 10 seconds.
Further, the pure aluminum joint surface was boiled in formic acid for 60 seconds and then washed with distilled water for 10 seconds.
Thereafter, in a vacuum furnace, the joining time was set to 30 minutes, and two pieces of pure aluminum were joined by heating and pressurizing.
And the joining pressure to set was 6 Mpa, joining temperature was changed, and each metal member was joined, and the joint was produced.
(処理なし)
 比較対照として、アルカリ処理も有機酸処理も行わない試料を作製した。
 2個の純アルミニウムを、そのまま(研磨を行った状態のまま)、真空炉中で、接合時間を30分に設定して、加熱及び加圧することによって接合した。
 そして、設定する接合圧力を3MPaと6MPaと変え、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(No processing)
As a comparative control, a sample in which neither alkali treatment nor organic acid treatment was performed was prepared.
Two pieces of pure aluminum were joined as they were (as they were polished) in a vacuum furnace by setting the joining time to 30 minutes and heating and pressurizing them.
And the joining pressure to set was changed into 3MPa and 6MPa, joining temperature was changed, and each joined metallic member, and produced the coupling.
(有機酸処理のみ)
 また、比較対照として、有機酸処理のみを行った試料を作製した。
 ギ酸中で、2個の純アルミニウムのそれぞれの接合面を60秒間煮沸した後、蒸留水により10秒間洗浄した。
 その後、真空炉中で、接合時間を30分に設定して、加熱及び加圧することにより、2個の純アルミニウムを接合した。
 そして、設定する接合圧力を6MPaとして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Organic acid treatment only)
Moreover, the sample which performed only the organic acid process was produced as a comparison control.
In formic acid, each joining surface of two pure aluminums was boiled for 60 seconds and then washed with distilled water for 10 seconds.
Thereafter, in a vacuum furnace, the joining time was set to 30 minutes, and two pieces of pure aluminum were joined by heating and pressurizing.
And the joining pressure to set was 6 Mpa, joining temperature was changed, and each metal member was joined, and the joint was produced.
(引張試験)
 さらに、2個の純アルミニウムの接合により得られた継手に対して、加工を行って、図3に側面図を示すように、接合面付近の径が細くなるように加工された試験片を作製した。
 この試験片に対して、径が細くなった部分に、引張試験用の治具を引っ掛けて、引張試験を行った。
 引張試験機は、INSTRON社製5567を使用した。
 なお、接合時の変形が非常に大きかった試料や、正しく接合できなかった試料は、測定不能であるため、引張試験の対象から除外した。
 各試料の引張試験の結果をまとめて、図4に示す。
(Tensile test)
Further, the joint obtained by joining two pure aluminums is processed to produce a test piece that is processed so that the diameter in the vicinity of the joining surface becomes small as shown in a side view in FIG. did.
A tensile test was performed on the test piece by hooking a jig for a tensile test to a portion with a reduced diameter.
As the tensile tester, 5567 manufactured by INSTRON was used.
Note that samples with very large deformation at the time of joining and samples that could not be joined correctly were excluded from the tensile test because they could not be measured.
The results of the tensile test for each sample are summarized in FIG.
 処理なしの場合には、接合圧力3MPaでは590℃まで、接合圧力6MPaでは540℃まで、接合温度を上げることが可能であり、接合温度を高くすると引張強さも増大した。しかし、さらに接合温度を高くすると、接合時の変形が大きくなり、所定の試験片を作製することができなかった。そして、引張強さがアルミニウムの0.2%耐力(30MPa)に達しなかった。 In the case of no treatment, the joining temperature could be increased up to 590 ° C. at a joining pressure of 3 MPa and up to 540 ° C. at a joining pressure of 6 MPa, and the tensile strength increased as the joining temperature was increased. However, when the joining temperature is further increased, deformation at the time of joining increases, and a predetermined test piece cannot be produced. And the tensile strength did not reach the 0.2% proof stress (30 MPa) of aluminum.
 水酸化ナトリウム水溶液で処理を行った場合には、6MPaの接合圧力において、処理なしの場合よりも100℃以上低い温度で接合することが可能となった。アルミニウムの0.2%耐力(30MPa)の引張強さに達する接続強度を得るための接合温度は、接合圧力3MPaでは555℃程度、接合圧力6MPaでは450℃程度であった。
 そして、接合温度と接合時の変形量は相関があるため、処理なしの場合の40%以上から10%程度にまで変形を抑制することができる。
When the treatment was performed with an aqueous sodium hydroxide solution, it was possible to join at a bonding pressure of 6 MPa at a temperature 100 ° C. or more lower than that without treatment. The joining temperature for obtaining the joining strength reaching the 0.2% proof stress (30 MPa) of aluminum was about 555 ° C. at a joining pressure of 3 MPa and about 450 ° C. at a joining pressure of 6 MPa.
And since there is a correlation between the bonding temperature and the amount of deformation at the time of bonding, the deformation can be suppressed from 40% or more without treatment to about 10%.
 また、水酸化ナトリウム水溶液による処理に続き、ギ酸で処理を行った場合には、水酸化ナトリウム水溶液による改質処理のみの場合に比べて、より低温から高い強度の接続強度が得られる。図4から、接合圧力6MPaでは、20~30℃程度低い温度で同程度の接続強度が得られることがわかる。 Further, when the treatment with formic acid is carried out following the treatment with the aqueous sodium hydroxide solution, a higher connection strength can be obtained from a lower temperature than in the case of only the modification treatment with the aqueous sodium hydroxide solution. FIG. 4 shows that the same connection strength can be obtained at a temperature as low as 20 to 30 ° C. at a bonding pressure of 6 MPa.
 なお、ギ酸で処理を行っただけで接合を行った場合には、接合強度が弱く、図3に示した試験片を作製している途中で接合部が破断した。そのため、図4では、引張強さを0としている。即ち、440~480℃の範囲で接合することはできたが、十分な接合強度が得られなかった。 In addition, when it joined only by processing with formic acid, joining strength was weak, and the junction part broke in the middle of producing the test piece shown in FIG. Therefore, in FIG. 4, the tensile strength is set to zero. That is, although it was possible to join in the range of 440 to 480 ° C., sufficient joining strength was not obtained.
 ここで、アルカリ処理も有機酸処理も行っていない試料(処理なし)において、接合工程後の接合界面近傍の組織をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察を行った。
 接合圧力3MPa・接合温度590℃としたときの接合界面のSEM写真を図5A~図5Cに示し、接合圧力6MPa・接合温度540℃としたときの接合界面のSEM写真を図6A~図6Cに示す。図5及び図6において、図Aは中心部の写真を示し、図Bは中心部と端部との中間部の写真を示し、図Cは端部の写真を示す。
Here, the structure in the vicinity of the bonding interface after the bonding step was observed with a SEM (scanning electron microscope) in a sample that was not subjected to alkali treatment or organic acid treatment (no treatment).
SEM photographs of the bonding interface when the bonding pressure is 3 MPa and the bonding temperature of 590 ° C. are shown in FIGS. 5A to 5C, and SEM photographs of the bonding interface when the bonding pressure is 6 MPa and the bonding temperature is 540 ° C. are shown in FIGS. Show. 5 and 6, FIG. A shows a photograph of the central portion, FIG. B shows a photograph of an intermediate portion between the central portion and the end portion, and FIG. C shows a photograph of the end portion.
 図5A~図5Cに示すように、接合圧力3MPa・接合温度590℃としたときには、接合界面近傍には観察位置に関わらず、白色を呈した介在物が認められた。
 図6A~図6Cに示すように、接合圧力6MPa・接合温度540℃としたときにも、同様に、接合界面近傍に白色を呈した介在物が認められた。
As shown in FIGS. 5A to 5C, when the bonding pressure was 3 MPa and the bonding temperature was 590 ° C., white inclusions were observed in the vicinity of the bonding interface regardless of the observation position.
As shown in FIGS. 6A to 6C, white inclusions were observed in the vicinity of the bonding interface when the bonding pressure was 6 MPa and the bonding temperature was 540 ° C.
 さらに、図6の白色を呈した介在物について、EDXにより定性分析を行った。このEDX分析結果を、図7に示す。
 図7より、AlとOが強く検出されている。このことから、接合界面近傍に認められた白色を呈する介在物は、アルミニウムの酸化物であることが示唆された。そして、この白色を呈する介在物が接合面に介在していたため、アルミニウムの自己拡散が阻害され、接合強さが低かったものと考えられる。
Further, qualitative analysis was performed by EDX on the white inclusion in FIG. The results of this EDX analysis are shown in FIG.
From FIG. 7, Al and O are detected strongly. From this, it was suggested that the white inclusions observed in the vicinity of the bonding interface were aluminum oxides. And since this white inclusion was present in the joint surface, it is considered that the self-diffusion of aluminum was inhibited and the joint strength was low.
 次に、アルカリ処理後に有機酸処理を行った試料(複合改質処理)において、接合工程後の接合界面近傍の組織をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察を行った。
 接合圧力6MPa・接合温度440℃としたときの接合界面のSEM写真を図8A~図8Cに示す。図8Aは中心部の写真を示し、図8Bは中心部と端部との中間部の写真を示し、図8Cは端部の写真を示す。
Next, in the sample subjected to the organic acid treatment after the alkali treatment (composite modification treatment), the structure in the vicinity of the joining interface after the joining step was observed with a SEM (scanning electron microscope).
8A to 8C show SEM photographs of the bonding interface when the bonding pressure is 6 MPa and the bonding temperature is 440 ° C. 8A shows a photograph of the central portion, FIG. 8B shows a photograph of an intermediate portion between the central portion and the end portion, and FIG. 8C shows a photograph of the end portion.
 図8A~図8Cに示すように、接合圧力6MPa・接合温度440℃としたときには、接合線が不連続になり、一部の領域でアルミニウム同士が密着化している。
 ここで、処理なしの試料と比較すると、接合界面近傍で認められた白色を呈した介在物は、複合改質処理を行った試料では認められなかった。これは、アルカリ処理により、アルミニウムの接合表面に形成されていた加工層及び酸化皮膜を含む加工層が改質・除去されたためと考えられる。これにより、接合温度の上昇によってアルミニウムが塑性変形するに従い、アルミニウム同士の密着化した領域が増加したため、図4の結果において接合圧力に関わらず接合温度の上昇に伴い接合強度が上昇したと推測される。
As shown in FIGS. 8A to 8C, when the joining pressure is 6 MPa and the joining temperature is 440 ° C., the joining lines are discontinuous, and aluminum is in close contact with each other in some regions.
Here, compared with the sample without treatment, the white inclusions observed in the vicinity of the bonding interface were not recognized in the sample subjected to the composite modification treatment. This is presumably because the processed layer and the processed layer including the oxide film formed on the bonding surface of aluminum were modified and removed by the alkali treatment. As a result, as the aluminum is plastically deformed due to the increase in the bonding temperature, the area where the aluminum is in close contact with each other increased. Therefore, in the result of FIG. 4, it is estimated that the bonding strength increased with the increase in the bonding temperature regardless of the bonding pressure. The
 次に、実験1と同じ条件でアルカリ処理及び有機酸処理を行った試料について、アルミニウムの表面をFT-IRで分析を行った。また、比較対照として、研磨直後の改質処理を行っていない試料についても、同様に分析を行った。
 FT-IRの分析結果を、図9に示す。
Next, an aluminum surface was analyzed by FT-IR for a sample that had been subjected to alkali treatment and organic acid treatment under the same conditions as in Experiment 1. As a comparative control, a sample that was not subjected to the modification treatment immediately after polishing was similarly analyzed.
The analysis result of FT-IR is shown in FIG.
 図9に示すように、複合改質処理を行った試料では、1740cm-1,1640cm-1、1400cm-1にピークを生じている。
 このうち、1740cm-1及び1400cm-1近傍は、それぞれ、カルボキシ基、エーテル結合のピークであることが知られている。また、1640cm-1近傍は、炭酸水素塩のピークであることが知られている。よって、水酸化ナトリウムとギ酸を用いて複合改質処理を行った場合には、改質を行わない場合と比較して、これらのピークが増加している傾向が認められたことから、アルミニウムの表面に、アルミニウムのギ酸塩が生成されることが示唆された。これは、Al(OH)を、熱した90%以上のギ酸に溶解すると、塩基性塩Al(OH)(HCOO)・HOが得られるとされていることからも、裏づけられている。
As shown in FIG. 9, in the sample subjected to complex modification treatment, 1740 cm -1, 1640 cm -1, it is caused a peak at 1400 cm -1.
Among, 1740 cm -1 and 1400 cm -1 vicinity, respectively, a carboxy group, are known to be the peak of the ether bond. Further, it is known that the vicinity of 1640 cm −1 is a bicarbonate peak. Therefore, when the combined reforming treatment using sodium hydroxide and formic acid was performed, these peaks tended to increase as compared with the case where no reforming was performed. It was suggested that aluminum formate was formed on the surface. This is supported by the fact that the basic salt Al (OH) (HCOO) 2 .H 2 O is obtained when Al (OH) 3 is dissolved in 90% or more of heated formic acid. Yes.
 ここで、アルミニウムのギ酸塩であるギ酸アルミニウムは、100℃近傍の温度域で脱水反応を生じ、HOを放出するとされ、引き続いて300℃近傍の温度域においてAlに熱分解するとされている。
 従って、本実験の条件では、接合温度を300℃以上に設定しているので、まず100℃近傍の温度域で脱水反応が生じて、アルミニウムの素地表面が一部露出し、さらに300℃近傍の温度域でギ酸アルミニウムがAlに熱分解することによって、さらなるアルミニウムの素地表面の露出が生じていたものと考えられる。
 これらの反応により、アルミニウムの接合表面上に存在する酸化皮膜の占める割合の減少、即ち、酸化皮膜の破壊が生じて、接合初期においてアルミニウム原子の自己拡散が進行したものと推測される。
 その結果、より低温から接合強さが上昇し、改質処理を施さない場合と比較して、低い温度で十分な強度が得られたと考えられる。
Here, aluminum formate, which is an aluminum formate, undergoes a dehydration reaction in the temperature range near 100 ° C. and releases H 2 O, and then thermally decomposes into Al 2 O 3 in the temperature range near 300 ° C. Has been.
Therefore, under the conditions of this experiment, since the bonding temperature is set to 300 ° C. or higher, first, a dehydration reaction occurs in the temperature range near 100 ° C., and a part of the surface of the aluminum substrate is exposed. It is considered that further exposure of the base surface of aluminum was caused by the thermal decomposition of aluminum formate into Al 2 O 3 in the temperature range.
By these reactions, it is presumed that the reduction of the proportion of the oxide film existing on the bonding surface of aluminum, that is, the destruction of the oxide film, occurred, and the self-diffusion of aluminum atoms proceeded in the initial stage of bonding.
As a result, it is considered that the bonding strength increased from a lower temperature, and sufficient strength was obtained at a lower temperature compared to the case where the modification treatment was not performed.
 以上の結果から、アルミニウム同士の接合において、アルミニウムに対して、アルカリ処理及び有機酸処理の複合改質処理を行うことにより、接合強度を向上し、処理を施さない場合に比較して、より低温及び低変形量で接合が可能になることがわかる。 From the above results, in joining aluminum to each other, by performing a combined modification treatment of alkali treatment and organic acid treatment on aluminum, the joining strength is improved, and the temperature is lower than when no treatment is performed. It can also be seen that joining is possible with a low deformation amount.
(実験2)アルミニウム合金/SUS接合
 接合する2つの金属部材として、図10に斜視図を示すように、直径が22mmで高さが20mmの円柱状のハイシリコンアルミニウム合金と、直径が10mmで高さが15mmの円柱状のSUS304ステンレス鋼を用意した。
 使用したSUS304ステンレス鋼の化学組成を表2に示し、使用したハイシリコンアルミニウム合金の化学組成を表3に示す。
(Experiment 2) Aluminum alloy / SUS bonding As shown in the perspective view of FIG. 10, a cylindrical high silicon aluminum alloy having a diameter of 22 mm and a height of 20 mm, and a diameter of 10 mm and a high as two metal members to be bonded. A cylindrical SUS304 stainless steel having a length of 15 mm was prepared.
The chemical composition of the used SUS304 stainless steel is shown in Table 2, and the chemical composition of the high silicon aluminum alloy used is shown in Table 3.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
(アルカリ処理のみ)
 アルミニウム合金の接合面を、水酸化ナトリウム水溶液中で20秒間煮沸した後に、アセトン中で超音波洗浄した。
 その後、真空炉中で、接合時間を15分、接合圧力を6MPaに設定して、加熱及び加圧することにより、アルミニウム合金とSUS304ステンレス鋼を接合した。
 そして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Alkaline treatment only)
The joint surface of the aluminum alloy was boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 20 seconds and then ultrasonically cleaned in acetone.
Thereafter, the aluminum alloy and SUS304 stainless steel were joined in a vacuum furnace by heating and pressurizing with a joining time of 15 minutes and a joining pressure of 6 MPa.
And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.
(アルカリ処理及び有機酸処理)
 アルミニウム合金の接合面を、水酸化ナトリウム水溶液中で20秒間煮沸した後に、アセトン中で超音波洗浄した。
 続いて、アルミニウム合金の接合面を、ギ酸中で3分間煮沸した。
 その後、真空炉中で、接合時間を15分、接合圧力を6MPaに設定して、加熱及び加圧することにより、アルミニウム合金とSUS304ステンレス鋼を接合した。
 そして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Alkali treatment and organic acid treatment)
The joint surface of the aluminum alloy was boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 20 seconds and then ultrasonically cleaned in acetone.
Subsequently, the joint surface of the aluminum alloy was boiled in formic acid for 3 minutes.
Thereafter, the aluminum alloy and SUS304 stainless steel were joined in a vacuum furnace by heating and pressurizing with a joining time of 15 minutes and a joining pressure of 6 MPa.
And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.
(処理なし)
 比較対照として、アルカリ処理も有機酸処理も行わない試料を作製した。
 真空炉中で、接合時間を15分、接合圧力を6MPaに設定して、加熱及び加圧することにより、アルミニウム合金とSUS304ステンレス鋼を接合した。
 そして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(No processing)
As a comparative control, a sample in which neither alkali treatment nor organic acid treatment was performed was prepared.
In a vacuum furnace, the aluminum alloy and SUS304 stainless steel were joined by heating and pressurizing with a joining time of 15 minutes and a joining pressure of 6 MPa.
And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.
(引張試験)
 さらに、アルミニウム合金とSUS304ステンレス鋼の接合により得られた継手を使用して、実験1のような接合面付近の径が細くなるようにする加工は行わず、継手をそのまま試験片とした。
 この試験片に対して、図11に示すように、径が太いアルミニウム合金側の端面に、引張試験用の治具を引っ掛けて、SUS304ステンレス鋼の外側を治具で挟んで、図中矢印で示す方向に応力をかけて、引張試験を行った。
 引張試験機は、INSTRON社製5567を使用した。
 各試料の引張試験の結果を、図12に示す。
(Tensile test)
Furthermore, the joint obtained by joining the aluminum alloy and SUS304 stainless steel was used, and the joint was used as it was as a test piece without performing the process of reducing the diameter near the joint surface as in Experiment 1.
As shown in FIG. 11, with respect to this test piece, a jig for tensile test is hooked on the end surface on the aluminum alloy side having a large diameter, and the outside of SUS304 stainless steel is sandwiched by the jig, and an arrow in the figure indicates A tensile test was performed by applying stress in the direction shown.
As the tensile tester, 5567 manufactured by INSTRON was used.
The result of the tensile test of each sample is shown in FIG.
 また、上述した処理なし及びアルカリ処理+有機酸処理の条件で、接合圧力を12MPaに設定して、他の条件は同様にして、継手を作製して、この継手を試験片として使用して引張試験を行った。
 この接合圧力を12MPaに設定した各試料の引張試験の結果を、図13に示す。
Further, under the conditions of no treatment and alkali treatment + organic acid treatment as described above, the joint pressure was set to 12 MPa, and the other conditions were made in the same manner to produce a joint, and this joint was used as a test piece. A test was conducted.
FIG. 13 shows the result of the tensile test of each sample in which the joining pressure is set to 12 MPa.
 図12及び図13からわかるように、接合圧力6MPaの場合には510℃で、接合圧力12MPaの場合には480℃で、アルミニウムの0.2%耐力(30MPa)を十分に超える引張強さに達する接続強度が得られ、処理を施さない場合に比較して、より低温、低変形量で接合が可能となる。
 なお、図12より、ギ酸による表面改質を施さず、水酸化ナトリウムのみの処理では、その効果は減少することがわかる。
As can be seen from FIGS. 12 and 13, the tensile strength is 510 ° C. when the joining pressure is 6 MPa and 480 ° C. when the joining pressure is 12 MPa, and the tensile strength sufficiently exceeds the 0.2% proof stress (30 MPa) of aluminum. Connection strength that can be achieved is obtained, and joining is possible at a lower temperature and with a lower amount of deformation than when no treatment is performed.
From FIG. 12, it can be seen that the effect is reduced by treatment with sodium hydroxide alone without surface modification with formic acid.
 以上の結果から、アルミニウム合金とステンレス鋼(SUS)の接合においても、アルミニウム合金に対して、アルカリ処理及び有機酸処理の複合改質処理を行うことにより、接合強度を向上し、処理を施さない場合に比較して、より低温及び低変形量で接合が可能になることがわかる。 From the above results, even in the joining of aluminum alloy and stainless steel (SUS), the joint strength is improved and the treatment is not performed by subjecting the aluminum alloy to a combined modification treatment of an alkali treatment and an organic acid treatment. It can be seen that joining is possible at a lower temperature and a lower deformation amount than in the case.
(実験3)純アルミニウム/純銅接合
 接合する2つの金属部材として、図14に斜視図を示すように、直径が20mmで高さが15mmの円柱状の純アルミニウムと、直径が10mmで高さが15mmの円柱状の純銅を用意した。
 使用した純アルミニウム及び純銅の純度は、いずれも99.9%である。
(Experiment 3) Pure Aluminum / Pure Copper Joining As two metal members to be joined, as shown in a perspective view in FIG. 14, a columnar pure aluminum having a diameter of 20 mm and a height of 15 mm, and a diameter of 10 mm and a height. 15 mm columnar pure copper was prepared.
The purity of the used pure aluminum and pure copper is 99.9%.
(アルカリ処理のみ)
 純アルミニウムの接合面を、水酸化ナトリウム水溶液中で20秒間煮沸した後に、メタノールにより10秒間洗浄した。
 その後、真空炉中で、接合時間を15分、接合圧力を12MPaに設定して、加熱及び加圧することにより、純アルミニウム及び純銅を接合した。
 そして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Alkaline treatment only)
The bonded surface of pure aluminum was boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 20 seconds and then washed with methanol for 10 seconds.
Then, pure aluminum and pure copper were joined by heating and pressurizing in a vacuum furnace with a joining time of 15 minutes and a joining pressure set to 12 MPa.
And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.
(アルカリ処理及び有機酸処理)
 純アルミニウムの接合面を、水酸化ナトリウム水溶液中で20秒間煮沸した後に、メタノールにより10秒間洗浄した。
 続いて、純アルミニウムの接合面を、ギ酸中で60秒間煮沸した。
 その後、真空炉中で、接合時間を15分、接合圧力を12MPaに設定して、加熱及び加圧することにより、純アルミニウム及び純銅を接合した。
 そして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(Alkali treatment and organic acid treatment)
The bonded surface of pure aluminum was boiled in an aqueous sodium hydroxide solution for 20 seconds and then washed with methanol for 10 seconds.
Subsequently, the joining surface of pure aluminum was boiled in formic acid for 60 seconds.
Then, pure aluminum and pure copper were joined by heating and pressurizing in a vacuum furnace with a joining time of 15 minutes and a joining pressure set to 12 MPa.
And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.
(処理なし)
 比較対照として、アルカリ処理も有機酸処理も行わない試料を作製した。
 真空炉中で、接合時間を15分、接合圧力を12MPaに設定して、加熱及び加圧することにより、純アルミニウム及び純銅を接合した。
 そして、接合温度を変えて、それぞれ金属部材の接合を行って、継手を作製した。
(No processing)
As a comparative control, a sample in which neither alkali treatment nor organic acid treatment was performed was prepared.
In a vacuum furnace, pure aluminum and pure copper were joined by setting the joining time to 15 minutes, setting the joining pressure to 12 MPa, and heating and pressurizing.
And joining temperature was changed and metal member was joined, respectively, and the joint was produced.
(引張試験)
 さらに、純アルミニウムと純銅の接合により得られた継手を使用して、実験1のような接合面付近の径が細くなるようにする加工は行わず、実験2と同様に、継手をそのまま試験片とした。
 この試験片に対して、図11に示した実験2と同様に、径が太い純アルミニウム側の端面に、引張試験用の治具を引っ掛けて、純銅の外側を治具で挟んで、図中矢印で示す方向に応力をかけて、引張試験を行った。
 引張試験機は、INSTRON社製5567を使用した。
 各試料の引張試験の結果を、図15に示す。
(Tensile test)
Furthermore, using the joint obtained by joining pure aluminum and pure copper, the processing for reducing the diameter near the joint surface as in Experiment 1 was not performed, and the joint was directly used as a test piece as in Experiment 2. It was.
In the same manner as in Experiment 2 shown in FIG. 11, a tensile test jig was hooked on the end surface on the pure aluminum side having a large diameter, and the outside of pure copper was sandwiched between the test pieces with the jig. A tensile test was performed by applying stress in the direction indicated by the arrow.
As the tensile tester, 5567 manufactured by INSTRON was used.
The result of the tensile test of each sample is shown in FIG.
 図15からわかるように、接合温度773K(500℃)でアルミニウムの0.2%耐力に匹敵する継手強度が得られ、処理を施さない場合に比較して、より低温、低変形量で接合が可能となる。
 なお、図15より、ギ酸による表面改質を施さず、水酸化ナトリウムのみの処理では、その効果は減少することがわかる。
As can be seen from FIG. 15, a joint strength comparable to the 0.2% proof stress of aluminum is obtained at a joining temperature of 773 K (500 ° C.), and the joining can be performed at a lower temperature and with a lower deformation amount than when no treatment is performed. It becomes possible.
FIG. 15 shows that the effect is reduced by treatment with only sodium hydroxide without surface modification with formic acid.
 以上の結果から、純アルミニウムと純銅の接合においても、純アルミニウムに対して、アルカリ処理及び有機酸処理の複合改質処理を行うことにより、接合強度を向上し、処理を施さない場合に比較して、より低温及び低変形量で接合が可能になることがわかる。 From the above results, even in the joining of pure aluminum and pure copper, the joint strength is improved by performing combined modification treatment of alkali treatment and organic acid treatment on pure aluminum, compared with the case where no treatment is performed. Thus, it can be seen that the joining is possible at a lower temperature and a lower deformation amount.
 ここで、各試料について、接合温度773K(500℃)としたときの、引張試験後の銅側の破面及びアルミニウム側の破面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察を行った。また、EDX(エネルギー分散型X線分析)により、アルミニウム側の破面の面分析を行った。
 各破面のSEM写真及びアルミニウム側の破面における銅の分布を、図16に示す。
 図16に示すように、アルカリ処理や複合改質処理(アルカリ処理及び有機酸処理)を行うことより、処理を施さない場合と比較して、破面に互いの金属がより顕著に付着するようになり、純アルミニウム側の破面から検出される銅元素の割合も増加する。
Here, for each sample, the copper-side fracture surface and the aluminum-side fracture surface after the tensile test when the bonding temperature was 773 K (500 ° C.) were observed with an SEM (scanning electron microscope). Further, surface analysis of the fracture surface on the aluminum side was performed by EDX (energy dispersive X-ray analysis).
The SEM photograph of each fracture surface and the copper distribution on the fracture surface on the aluminum side are shown in FIG.
As shown in FIG. 16, by performing alkali treatment or composite modification treatment (alkali treatment and organic acid treatment), it is more likely that each metal adheres more significantly to the fracture surface than when no treatment is performed. Thus, the ratio of the copper element detected from the fracture surface on the pure aluminum side also increases.
 また、各試料について、接合温度773K(500℃)としたときの、接合工程後の接合界面近傍の組織をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察を行った。また、EDX(エネルギー分散型X線分析)により、接合界面近傍の線分析を行った。
 接合界面近傍のSEM写真、アルミニウム及び銅の分布を、図17に示す。
 図17に示すように、アルカリ処理や複合改質処理(アルカリ処理及び有機酸処理)を行うことより、処理を施さない場合と比較して、層状の組織が均一に形成されるようになる。これは、アルカリ処理や複合改質処理(アルカリ処理及び有機酸処理)を行うことにより、純アルミニウムと純銅の原子面が密着化して、金属間の反応が均一に進んだと推測される。
For each sample, the structure in the vicinity of the bonding interface after the bonding step when the bonding temperature was 773 K (500 ° C.) was observed with a SEM (scanning electron microscope). Further, line analysis in the vicinity of the bonding interface was performed by EDX (energy dispersive X-ray analysis).
FIG. 17 shows the SEM photograph near the bonding interface and the distribution of aluminum and copper.
As shown in FIG. 17, by performing alkali treatment or composite modification treatment (alkali treatment and organic acid treatment), a layered structure is uniformly formed as compared to the case where no treatment is performed. This is presumed that by performing alkali treatment or composite modification treatment (alkali treatment and organic acid treatment), the atomic planes of pure aluminum and pure copper were brought into close contact, and the reaction between the metals proceeded uniformly.
 本発明は、上述の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
 以上の通り、本発明に係る金属部材の接合方法は、低温及び低変形量で金属部材を接合することを可能にするものであり、産業上の利用可能性を有している。 As described above, the method for joining metal members according to the present invention makes it possible to join metal members at low temperatures and low deformation amounts, and has industrial applicability.

Claims (4)

  1.  複数の金属部材を接合する方法であって、
     アルミニウムからなる第1の金属部材の表面を、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程と、
     その後、前記第1の金属部材の表面を、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程と、
     その後、前記第1の金属部材の表面に、第2の金属部材の表面を突き合わせて、加熱及び加圧して、前記第1の金属部材と前記第2の金属部材を接合する工程とを有する
     金属部材の接合方法。
    A method of joining a plurality of metal members,
    Immersing the surface of the first metal member made of aluminum in an alkali solution or exposing it to vapor containing alkali;
    Then, boiling the surface of the first metal member in an organic acid solution, or exposing to a vapor containing an organic acid,
    Thereafter, the surface of the first metal member is brought into contact with the surface of the second metal member, and heated and pressurized to join the first metal member and the second metal member. Member joining method.
  2.  前記第2の金属部材は、前記第1の金属部材と同じ材料からなり、
     前記第2の金属部材も、前記第1の金属部材と同様に、アルカリ溶液中に浸漬する、或いは、アルカリを含む蒸気に曝露する工程を行ってから、表面を、有機酸溶液中で煮沸する、或いは、有機酸を含む蒸気に曝露する工程を行って、その後、前記第1の金属部材と接合する工程を行う
     請求項1に記載の金属部材の接合方法。
    The second metal member is made of the same material as the first metal member,
    Similarly to the first metal member, the second metal member is immersed in an alkali solution or exposed to a vapor containing alkali, and then the surface is boiled in an organic acid solution. Or the process of exposing to the vapor | steam containing an organic acid is performed, and the process of joining with a said 1st metal member is performed after that. The joining method of the metal member of Claim 1.
  3.  前記第2の金属部材は、前記第1の金属部材とは異なる材料からなる、請求項1に記載の金属部材の接合方法。 The metal member joining method according to claim 1, wherein the second metal member is made of a material different from that of the first metal member.
  4.  前記有機酸が、ギ酸、クエン酸、ステアリン酸から選ばれる1種以上である、請求項1に記載の金属部材の接合方法。 The method for joining metal members according to claim 1, wherein the organic acid is at least one selected from formic acid, citric acid, and stearic acid.
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