JP2010284722A

JP2010284722A - 接合用合金

Info

Publication number: JP2010284722A
Application number: JP2010037676A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sato; 有一佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP5212401B2

Abstract

【課題】接合材の合金組成を最適化することで、安価で低融点の接合用合金を提供する。
【解決手段】原子％で、Ｂ：４％以上１８％以下、Ｐ：０．１％以上１０％以下、Ｓｉ：４％以上８％以下、Ｃ：０．１％以上１０％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする接合用合金である。さらに、Ｃｒ：０．１〜２０％以下、Ｖ：０．１〜１０％以下、Ｎｉ：０．１〜４０％以下の少なくとも１種を含有する接合用合金である。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種部品、構造物等の材料を接合するための接合用合金に関するものである。

各種部品、構造物等の材料の接合方法として、液相拡散接合が知られている。液相拡散接合とは、被接合材間に融点が被接合材のそれより低い接合材料を介在させて、接合材料の液相線温度以上、被接合材料の液相線温度以下の温度で加熱し、接合材料中の拡散元素を拡散させて接合する方法である。

本発明者らは、酸化雰囲気中での液相拡散接合を実現できる接合用合金箔を発明し、開示した（特許文献１参照）。上記合金箔は、Ｐ：１．０〜２０原子％、Ｓｉ：１．０〜１０原子％、Ｖ：０．１〜２０原子％、Ｂ：１．０〜２０原子％を含有し、さらに、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉを必要に応じて含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、厚さが３．０〜２００μｍの箔である。

また、このような合金箔を製造するための方法として、単ロール法や双ロール法などが知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの外周面に、溶融金属・合金をオリフィスなどから噴出させることにより急速に凝固させて、箔を鋳造するものである。合金組成を適正に選ぶことによって、液体金属に類似した非晶質合金箔を製造することができる。

本発明者らは、上記特許文献１に開示した液相拡散接合用合金箔を改善した液相拡散接合用合金箔を開示した（特許文献２、３参照）。これら特許文献２、３で開示した液相拡散接合用合金箔は、接合強度の改善を狙ったもので、その特徴は接合用合金箔のＳｉ含有量を低減したことである。

本発明者らが接合強度劣化の原因を調査したところ、ＳｉＯ_２が強度劣化をもたらす割れの基点となっており、このＳｉＯ_２は接合箔中のＳｉによるものであることが判明したことによる。

しかしながら、接合後の接合強度の改善は実現したものの、この合金箔の製造性にやや問題があった。具体的には、脆化破断して連続した箔とならなかったり、連続したものとなっても平坦な箔ではなかったり、表面性状が不良となるという問題があった。製造が困難になると製造歩留が低減し、製造コストの上昇を招き問題となる。

特開平９−３２３１７５号公報特開２００４−００１０６５号公報特開２００４−１１４１５７号公報

本発明は、接合用合金の製造性を改善することにより、製造コストを低減することを課題とする。

本発明では、接合用合金の合金成分を最適化することにより、この合金の製造性の改善を行い、上記課題の実現を図った。

本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１）原子％で、
Ｂ：４％以上１８％以下、
Ｐ：１％以上１０％以下、
Ｓｉ：４％以上８％以下、
Ｃ：０．１％以上１０％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする接合用合金。

（２）さらに原子％で、
Ｃｒ：０．１％以上２０％以下
を含有することを特徴とする前記（１）に記載の接合用合金。

（３）さらに原子％で、
Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の接合用合金。

（４）さらに原子％で、
Ｎｉ：０．１％以上４０％以下
を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の接合用の合金。

本発明によれば、脆化による箔の破断が解消し、表面性状良好で平坦な箔が容易に得られるようになり、接合用合金の製造性が向上し、その結果、製造コストの低減を実現でき、安価な接合用合金の提供が可能となる。

実施例における、接合実験を示す図である。実施例における、引張試験片を示す図である。

本発明の接合用合金は、箔としての形成能を高めるよう合金成分を最適化することで、製造性を向上させている。箔の形成を容易にするには非晶質相の形成が重要であるが、非晶質相は箔全体に形成されなくてもよい。しかし、非晶質相の形成される割合が小さすぎると箔の形成が困難になるので、非晶質相の形成される割合は、箔全体の５０％以上であることが好ましく、さらに好ましくは７０％以上である。

また、接合用合金は低融点であることも重要な要件である。本発明では特に限定しないが、母材への熱影響を考慮すると融点は低いほど良く、接合用合金の融点は１２００℃以下、さらには、１１００℃以下が好ましい。

以下に成分限定理由を述べる。

Ｂは、４原子％未満では非晶質形成が困難となり、箔の形成能は劣化するため、４原子％以上とし、好ましくは６原子％以上である。一方、１８原子％超では接合部に硼化物を生成し接合強度を低下させるため、１８原子％以下とし、好ましくは１６原子％以下である。

Ｐは、その含有量を１０原子％超とすると接合層での極端な靱性劣化を抑制することは困難となる。また、Ｐは合金の非晶質形成能向上や低融点化に効果のある元素であるが、１原子％未満ではそれらの効果が認められなくなる。よって、Ｐ含有量を１原子％以上１０原子％以下とした。なお、Ｐの含有量は多い方がその効果を発現しやすく、３原子％以上とするのがより好ましい。

Ｓｉは、非晶質相安定化に有益な元素で、この非晶質相の安定化が箔形成能を高めるので、Ｓｉは箔の製造性向上に重要な役割を果たす。その効果を発現するには４原子％以上の添加が必要である。一方、８原子％超と過度に添加すると接合層にＳｉＯ_２が多発して接合強度の極端な劣化をもたらすので好ましくない。よって、Ｓｉ含有量は４原子％以上８原子％以下とし、好ましくは７原子％以下とする。

ＣもＳｉ同様、非晶質形成能に重要な元素で、低融点化にも有効な元素である。よって、本発明ではＣ含有量を高めることで箔形成能を高めることができたが、Ｃ量の過度の添加は接合層の特性劣化を招くので１０原子％以下とした。一方、０．１原子％未満ではもはや非晶質形成能向上や低融点化への効果が認められなくなる。したがって、Ｃ含有量は０．１原子％以上１０原子％以下とし、好ましくは０．５原子％以上、８原子％以下である。

Ｃｒは、耐食性、耐酸化性を高めるために、必要に応じて添加する。０．１原子％未満ではその効果が不十分であり、２０原子％を超えると融点が高くなり好ましくない。したがって、Ｃｒ含有量を０．１原子％以上２０原子％以下とし、好ましくは１原子％以上１８原子％以下である。

Ｖは、被接合材表面の酸化被膜形成物質を低融点物質にする効果がある。例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３を融点が約８００℃の低融点複合酸化物Ｖ_２Ｏ_５−Ｆｅ_２Ｏ_３にする効果があり、通常の接合温度では酸化被膜が溶融する。このような酸化物は溶けると表面張力の差によって球状化するので隙間が生成し、Ｂ、Ｐ等の拡散元素が自由に拡散できるようになり、酸化雰囲気中でも液相拡散接合を達成できる。

Ｖ含有量が０．１原子％未満ではこの効果が不十分であり、１０原子％超では融点が高くなるので好ましくない。よって、Ｖ含有量を０．１原子％以上１０原子％以下とし、好ましくは０．５原子％以上８原子％以下である。

Ｎｉは、低融点化効果があり、さらに箔の形成能を向上させる。Ｎｉ含有量が０．１原子％未満ではこの効果が不十分であり、４０原子％超ではこの効果が得られなくなるばかりでなく、原料コストが嵩むことになるので好ましくない。よって、Ｎｉ含有量を０．１原子％以上４０原子％以下とした。なお、Ｎｉの含有量は多い方がその効果を発現しやすく、５原子％以上が好ましい。

上記元素以外の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｍｎ、Ｓ等を０．２原子％程度まで含有しても特段の問題はない。

なお、Ｖを添加することにより酸化雰囲気中での接合が可能となるが、本発明のＶ添加合金は、酸化雰囲気用に限定されるものではない。

本発明の接合用合金は、液相拡散接合のみならず、いわゆるロウ付け及びロウ接とよばれる接合法にも使用できる。この接合法は一般的に、接合材が溶融したのち、接合材中の拡散元素が被接合材中に拡散する前に固化して接合する方法である。

また、本発明の接合用合金は、急冷凝固法として知られている単ロール法や双ロール法等により箔に鋳造し、箔状の接合材として使用することができる。また、形状として箔のほか、用途に応じて粉末等も使用することができる。さらに、非晶質に限らず、結晶質のものでも用途によっては使用可能である。

本発明を実施例に基づいて、以下に詳細に説明する。表１、２に示す各合金について、単ロール法により下記条件で箔を鋳造した。なお、表１、２において、“−”は、含有量が検出限界未満であることを意味する。表３、４に融点及び接合実験の結果を示す。

冷却ロール：材質；Ｃｕ−１質量％Ｃｒ
直径；３００ｍｍ
幅；５０ｍｍ
表面速度（周速）：２５ｍ／ｓ
ノズル−冷却ロール間のギャップ：２５０μｍ
ノズル開口形状：０．６ｍｍ×２５ｍｍ

各合金は、いずれも、Ｍｎ、Ｓ等の不純物を０．２原子％程度含んでいる。鋳造時の溶融合金温度は、表３、４に示す融点よりおよそ１５０℃高い温度とした。各合金の融点はＤＴＡ装置により求め表３、４に示した。

鋳造結果として、得られた箔の性状から箔の製造性を評価し、表３、４に示した。実施例のすべてにおいて良好な箔が得られた。

比較例で得られた、“△”で表示した箔は、全長に渡って良好とは言えなかった。なお、比較例のＮｏ．３５、Ｎｏ．４３、Ｎｏ．４９では破断して連続した箔が得られず、以後の接合実験を行うことができなかった。表３、４の融点、接合雰囲気、接合強度の“−”は、試験未実施であることを意味する。

製造性は、製造時に得られた箔の外観観察で評価した。得られた箔が破断なく表面性状良好で平坦な箔であれば製造性は良好、破断が発生したり、平坦な箔ではなかったり、さらには表面性状が悪い箔であれば良好ではないと判定した。

次に、得られた箔を用いて接合実験を行った。接合実験に際しては、直径２０ｍｍの円盤状にした箔を２枚重ねて接合材とし、直径２０ｍｍのＳＴＫ４９０丸鋼（融点１５５０℃以上）を被接合材とした。

図１に示すように、２本の被接合材１の間に接合材２を挟み込んで接合した。接合温度は、各接合材２の融点直上から融点＋５０℃として、雰囲気制御が可能な加熱炉を用いて、表３、４に示すそれぞれの雰囲気で加熱した。加熱中は、被接合材１と接合材２の密着性を高めるため２ＭＰａで加圧した。接合時間はすべて１０分とした。

接合実験後、接合継手部の引張強度を評価するために引張試験を行った。引張試験に際しては図２に示すように、被接合材１を接合した丸棒３から接合線４を中心としてＪＩＳ２号引張試験片５を切り出し、ＪＩＳＡ２号引張試験機を用いて引張試験を行った。また、接合実験前の被接合材の母材からも同試験片を切り出して同様に引張試験を行い、接合強度を対母材比（接合部強度／母材強度）で表３、４に示した。

表３、４に示したように、本発明例はいずれも、良好な箔が得られ、かつ、対母材比で１．０を超える引張強度を示した。

これに対して、表３、４に示したように、比較例ではすべてにおいて良好な箔は得られなかった。

複雑な接合形状を有する各種部品や構造物等の材料の接合において、接合温度の低下や一度に広い接合を可能とする液相拡散接合は産業上有益な接合方法である。本発明の接合用合金箔は低コスト化を実現したことから、この液相拡散接合のコスト低減に大いに貢献できる。

１被接合材
２接合材
３接合後の丸鋼
４接合線
５引張試験片

Claims

原子％で、
Ｂ：４％以上１８％以下、
Ｐ：１％以上１０％以下、
Ｓｉ：４％以上８％以下、
Ｃ：０．１％以上１０％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする接合用合金。
さらに原子％で、
Ｃｒ：０．１％以上２０％以下
を含有することを特徴とする請求項１項に記載の接合用合金。
さらに原子％で、
Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の接合用合金。
さらに原子％で、
Ｎｉ：０．１％以上４０％以下
を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合用の合金。