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JPS62192296A - ろう材 - Google Patents

ろう材

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Publication number
JPS62192296A
JPS62192296A JP62030649A JP3064987A JPS62192296A JP S62192296 A JPS62192296 A JP S62192296A JP 62030649 A JP62030649 A JP 62030649A JP 3064987 A JP3064987 A JP 3064987A JP S62192296 A JPS62192296 A JP S62192296A
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titanium
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Publication date
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Publication of JPH0418955B2 publication Critical patent/JPH0418955B2/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ろう材に係り、特にチタニウムと銅とニッケ
ルとを含有し、チタニウム合金製の物品をろう付するの
に有用なろう材に係る。
従来の技術 純粋に機械的な方法を除き、チタニウム合金製の物品を
接合する方法としては、溶接、ろう付、及び拡散接合法
の三つの方法が従来より知られている。また第四の方法
である液相界面拡散(LID)接合法はろう付と拡散接
合法とが組合わされたものである。溶接、ろう付、LI
D接合法に於ては、接合されるべき物品の間の接合部に
またがる溶加材が使用される。
チタニウム合金製の物品をろう付するための−つのろう
制組成物が米国特許第3.652,237号に記載され
ている。このろう材はフォイルとして製造されており、
Ti−15wt%Ni−15wt%Cuなる公称組成を
有している。またこのろう祠はチタニウムの外層により
囲繞された一つ又はそれ以上の銅及びニッケルの層より
なる複合構造を有している。しかしこのろう材には二つ
の重大な問題がある。まず第一に、ろう材が溶融する際
には、融液がフォイルの表面及び接合される物品の接合
面に不可避的に存在する酸化チタニウムの層を貫通しな
ければならない。かかる酸化物の障撃は最適の接合部が
形成されることを阻害する。
また第二に、ろう付接合部に空隙や割れが発生すること
を回避するためには接合面の間の距離が小さい値でなけ
ればならないことが解った。空隙や割れの如き不連続部
は接合される物品の間の間隙に溶融したろう材が十分に
は供給されないことにより惹起こされる。
他のろう材が米国特許第4,026,677号、同第4
,034,454号、同4,034,906号に記載さ
れている。これらのろう材は一般に銅層又は銅及びベリ
リウムの層を有するTi−50wt%Zrフォイルであ
る。ベリリウムが有害であるので、かかるろう材の使用
は制限される。またTi−Zr−Cuフォイルの融点が
低いことにより、用途によってはこのろう材を使用する
ことができない。
ハニカム材をシート材に接合するための種々のろう材合
金が米国特許第3,683,488号に記載されている
。Au、Ni、、Ag、Cuの如き金属の層がハニカム
のセル壁に電気めっきされる。
しかしハニカムにめっききすることは困難であり、エン
ジニアはろう付のための改善された方法を希求している
チタニウムのLID接合法に使用されるろう制は多数の
米国特許の対象となっている。例えば米国特許第3,7
68,985号、同第3,769゜101号、同第3,
854,194号、同第3゜981.429号、同第4
,029,479号、同第4,318,965号を参照
されたい。これらの米国特許には、銅及びニッケルが互
いに等しい量にて存在するNi−Ag−Cuろう材が記
載されている。これらの三つの元素の層は接合されるべ
き部品の一方の接合面上にめっきされ、或いはこれらの
元素の層が非常に薄いチタニウムフォイル上にめっきさ
れ、次いでフォイルが接合されるべき部品の間に配置さ
れる。電気めっきされたフォイルの全体としての厚さは
約15μである。
この薄いろう材は接合部へ極く少量の融液しか供給する
ことができず、接合プロセス中に生じる急激な拡散に起
因して、ろう材は極く限られた時間しか液体の状態にな
らない(米国特許第3,854.194号のコラム5の
第37行参照)。かかる急激な拡散により接合部が十分
に形成されることが阻害される。更にこれらのろう材の
好ましいLID接合温度は約970℃(米国特許第3,
981.429号のコラム3の第7行参照)であり、こ
のことによりチタニウム合金によってはそれらを接合す
ることにかかるろう材を使用することが阻害される。更
に銀を含有するろう材にて接合されたチタニウム合金製
の物品は使用中に早期に破断することが従来より認めら
れており、かかる破断は接合プロセス中に形成されるT
i−Ag金属間化合物に於て開始しているものと思われ
る。
米国特許第3.957,194号によれば、LID接合
を行うべく、銅、ニッケル、及び銅の各層がチタニウム
製のハニカムのセル壁」二に順次めっきされる。しかし
前述の如くハニカムにめっきを施すことは望ましくない
上述のチタニウム合金製基体を接合するのに使用される
ろう材やLID接合用溶加材は既に知られているが、こ
れらのろう材にはその使用を制限する幾つかの欠点があ
る。従って研究者等は当技術分野に於ける現状を改善す
る努力を継続的に払っている。特に研究者等は、チタニ
ウム合金製の物品のろう付に使用されるろう祠であって
、その溶融特性及び凝固特性が接合面の間の間隙が大き
くてよく、しかもろう付接合部が母材の引張り特性に匹
敵する引張り特性を有するような溶融特性及び凝固特性
である改善されたろう祠を得る研究を行っている。
発明の開示 本発明によれば、ろう材は実質的にチタニウム(又はチ
タニウム合金)とニッケルと銅とよりなっており、銅に
対するニッケルの重量パーセントの比は約3=2であり
、ニッケル及び銅の合計の含有量は約39〜51wt%
である。ろう材はチタニウム合金の中心部とこれに隣接
する銅層及びニッケル層とを有している。銅層はチタニ
ウム合金の中心部に隣接しており、ニッケル層は銅層に
隣接している。好ましいろう材の組成は約28wt%N
 l % 17 wt%Cu、残部Tiである。本発明
のろう材は特にチタニウム又はチタニウム合金製の金属
物品をろう付するのに有用である。また本発明のろう材
はチタニウム合金をニッケル合金、鉄合金、又はコバル
ト合金にろう付するのにも有用である。
不等量のニッケル及び銅を含有する本発明のろう材組成
物は、等量にてニッケル及び銅を使用することを開示す
る従来技術のろう材及びLID接合用溶加材に比してか
なり良好なろう何時性を有していることが認められた。
特に本発明のろう材は、それが溶融すると従来技術のろ
う材に比して良好な流れ特性を有するようになる。即ち
本発明のろう材は、接合面の間の間隙を良好に充填し、
比較的間隙の大きい組立体が良好に且固定的にろう付さ
れることを可能にする。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。
発明を実施するための最良の形態 本発明のろう材は特に純チタニウム又はチタニウム合金
をろう付するのに適している。また試験によれば、本発
明のろう材はチタニウム合金製物品をニッケル合金、鉄
合金、又はコバルト合金製物品に接合するために使用さ
れてもよいことが認められた。本発明のろう材は約92
5℃(1700°F)の固相線温度を有し、約945℃
(1735下)の液相線温度を有している。本発明のろ
う材により形成される接合部は母材金属の引張り特性に
匹敵する引張り特性を有している。本発明のろう材はフ
ォイル、ワイヤ、粉末を含む種々の形態にて製造されて
よい。また本発明のろう材は均一な合金として製造され
てもよく、また例えばそれぞれ成分元素であるチタニウ
ム、ニッケル、及び銅の互いに独立した層を有する異種
の複合構造体として製造されてもよく、後者の如く製造
される方が好ましい。かくして本願に於て「ろう材」と
いう言葉は均一な材料及び複合構造の材料の両方を意味
する。チタニウムは純チタニウム(商業的に純粋のチタ
ニウム)又はTi−6wt%Al−4wt%Vの如きチ
タニウム合金であってよい。
ろう材をフォイルの形態にて製造するためには、米国の
航空宇宙材料仕様(A M S : A erospa
ceMaterials  S peciflcati
on) 4900.4901、又は4902に記載され
ている如き商業的に純粋のフォイルが使用されてよい。
またろう材をワイヤの形態にて製造するためには、AM
S4951に記載されている如き商業的に純粋のワイヤ
が使用されてよい。更にろう材を粉末の形態にて製造す
るためには、合金化されていないチタニウム粉末又はT
i−6wt%Al−4wt%V (AMS4998)の
如き合金化されたチタニウム粉末か使用されてよい。ろ
う材として如何なる形態を選定するかはろう付される継
手の構造次第である。
ろう肘用フォイルを使用する用途に於ては、フォイルの
公称厚さは約0.005〜0゜010cmである。ろう
併用ワイヤを使用する用途に於ては、ワイヤの公称直径
は約0.050〜0.125cmである。更にろう付用
粉末を使用する用途に於ては、粉末の公称メツシュ寸法
(タイラー篩シリーズ)は90wt%(最小値)−80
メツシユ、5wt%(最大値)−200メツシユである
。例えば米国特許第3,293,072号及び同第4,
546.047号に記載されている如く粉末がテープ、
可撓性を有するコード又はペーストの形態にて形成され
る場合には、ビヒクル、即ちバインダはフラックスを含
有しないものでなければならず、また接合部に悪影響を
及ぼすことな(蒸発し得るものでなければならない(例
えば残留物質が生じることなく蒸発するものでなければ
ならない)。また粉末は加工片に熱溶射され又は接着さ
れてもよい。
フォイルのろう材が加工片をろう付するために使用され
る場合には、ろう材は加工片の接合面の間に配置される
。またワイヤのろう材は接合面に隣接して配置される。
粉末は接合面の間に配置されてもよく、また接合面に隣
接して配置されてもよい。本願に於て、「〜の間」とい
う言葉は接合面の間又は接合面に隣接してということを
意味する。
複合構造(層状)のろう材の断面図が第1a図及び第1
b図に示されている。第1a図に示されている如く、フ
ォイルの形態をなするう材10はチタニウム合金の中心
フォイル12と、中心フォイル]2に隣接する銅層14
と、銅層14に隣接するニッケル層16とを含んでいる
。ワイヤ及び粉末の形態をなするう材18が第1b図に
示されている。ろう利1−8はチタニウム合金の中心ワ
イヤ又は粉末粒子20と、該ワイヤ又は粒子を囲繞する
銅層22と銅層22を囲繞するニッケル層24とを含ん
でいる(簡略化の目的で、ワイヤ及び粉末粒子は図に於
ては円形断面を有するものとして図示されている。しか
し本発明はかかる形状に限定されるものではなく、他の
形状であってもよい)。本発明の好ましい実施例に於て
は、ニッケルは外層と呼ばれる。何故ならば、ニッケル
は取り扱い及び清浄に維持することが容易な表面を与え
、これによりろう材の保存期間を長くするからである。
ニッケル層及び銅層は、当技術分野に於て公知の電気め
っき法や化学めっき法を用いてめっきにより適用されて
よい。後者のめつき法は銅めっきされたチタニウム合金
粉末粒子に対しニッケルをめっきするために使用されて
よい。かかる化学めっきの場合には、ニッケル層の組成
は一般に化学めっき用のニッケルめっき浴中に存在する
リンをある程度含有していることが多い。しかしリンは
粉末のろう何時性に悪影響を及ぼすことがないものと考
えられる。またスパッタリングや化学蒸着法の如き物理
的又は化学的溶着法によりニッケル 12一 層や銅層が適用されてもよい。
本発明の他の一つの実施例に於ては、チタニウムの中心
部を囲繞する複数個の銅層及びニッケル層が存在する(
これらの層の数は必ずしも等しくなくてよい)。
ニッケル層及び銅層は互いに独立の層として適用される
必要はなく、合金として溶着されてもよい。しかし容易
に適用し得るよう、これらの層は互いに独立した層であ
ることが好ましい。
勿論」二連の如く形成される層状構造が好ましいが、本
発明のろう材は他の技法により形成されてもよい。例え
ば本発明のろう材は均一な合金として製造されてもよい
。かかる合金は粉末の形態にて最も容易に製造される。
例えば合金粉末を製造するためには、急速凝固速度(R
S R)法の如き方法や、当技術分野に於て公知の他の
方法が使用されてよい。本発明を実施するのに必ずしも
好ましい方法ではないが、チタニウム粉末粒子、ニッケ
ル粉末粒子、及び銅粉末粒子が接合される物品の接合面
に隣接して又はそれらの接合面の間に配置されてもよく
、その場合各粉末粒子の量は後に詳細に説明する本発明
の組成が達成されるよう選定される。或いはニッケルめ
っきされたチタニウム粉末が銅粉末と共に適用されても
よい。更に他の一つの方法として、ニッケルめっきされ
たチタニウム粉末及び銅めっきされたチタニウム粉末が
適用されてもよく、更にはこれらの方法以外の方法が採
用されてもよい。上述の第一の例の場合には、各成分の
量は本発明の組成が達成されるよう選定されなければな
らない。
本発明のろう材を製造する他の可能な方法としては、チ
タニウムシート、銅シート、及びニッケルシートを圧延
して複合フォイルを形成する方法や、チタニウム合金の
ワイヤ上に銅層及びニッケル層を押出し成形する方法が
ある。フォイルや各層の厚さは本発明の組成が達成され
るよう選定されなければらない。
本発明のろう材の好ましい層状構造は、従来技術の説明
に於て上述したT i−Cu−Ag−N iのLID接
合用介在層(米国特許第3,981.。
429号)やTi−Cu−Niのろう併用介在層(米国
特許第3,652,237号)とは明確に異なっている
。Ti−Cu−Ag−Ni介在層は非常に薄く (約1
5μ)、溶融しても接合されるべき部材の間の間隙へ極
く少量の融液しが供給することができない。従って接合
されるべき部材の間の間隙は非常に小さい値でなければ
ならず、このことにより密な当接を容易には達成するこ
とができない構成要素を接合することにががるろう材を
使用することが阻害される。更にこの米国特許及びTi
−Cu−Ni介在層を開示する米国特許は、介在層に等
量の銅及びニッケルを使用することし、か開示していな
い。しかし後に説明する如く、ニッケルの量が銅の量を
」1回る場合にろう付接合部の品質が大きく改善される
第2図はAMS4911のT形継手の標本をろう付する
ために使用された種々のろう材の組成を示している。全
てのろう材はフォイルの形態をなしており、従来の材料
(米国特許第3,652゜237号に記載されたTi−
Cu−N1−Ti(7)−15一 層状構造をなすTi−15wt%Cu−1−5wt%N
i組成物)を除き、全てのろう材はチタニウムの内方部
とこれに隣接する銅層及びニッケル層とよりなる構造、
即ちNi−Cu−Ti−Cu−Niの層状構造を有して
いた。上述の従来の材料の厚さは約0.005cmであ
り、他の材料の厚さは約0.009cmであった。これ
らの他の材料に於て、チタニウムよりなる中心部の厚さ
は約0.005e[nであり、銅層及びニッケル層のそ
れぞれの厚さは中心部の両側に於て約0.001cmで
あった。
955℃にて1時間に亙り真空雰囲気にてろう付を行い
、925℃に冷却して該温度に1時間保持した後標本を
視覚的にまた金属学的に検査したところ、第2図に於て
「本発明の組成」として示されたハツチングが施された
領域内の組成物のみが空隙や割れを含まないろう付接合
部を形成した。
またこれらのろう材組成物のみが良好に流動して構成要
素の間の不連続部を完全に充填した。更にこれらの接合
部には残留する(即ち合金化されていない)銅は認めら
れなかった。これに対し、第2図に於てハツチングが施
された領域以外の組成物は割れや空隙が存在する不完全
な接合部を形成した。種々の特性を低下させる残留銅も
これらの組成物には認められた。第2図の左下方の部分
(「本発明の組成」以外の部分)の組成物は接合される
構成要素中に迅速に拡散し、従って接合面の間に流動し
て連続的な接合部を形成するための液体金属が殆ど存在
しなかった。従ってかかる組成物は密な当接を容易には
達成することができない構成要素をろう付するには不適
当である。また第2図の左」1方の部分及び右下方の部
分の組成物は」二連の第2図の左下方の部分の組成物に
比してより多量の液体を接合面の間へ供給したが、連続
的な接合部を形成するには不十分であった。また第2図
の右上方の部分の組成物は多量の液体を生成し、T形継
手の構成要素が過剰に溶解した。またこのことはろう材
の液体が構成要素中へ拡散する速度が遅すぎることを示
している。従ってこれらの組成物はハニカムの如き薄い
部材をろう付するには不適当なものである。
第2図に示されている如く、本発明のろう材の組成範囲
は約15〜21wt%Cu、24〜30wt%Ni、残
部Ti又はTi合金である。Ni:CUの重量パーセン
ト比は約1.2:1〜1.85:1でなければならない
。換言すれば、重量パーセントで見てニッケル含有量は
銅含有量の約1.2〜1.85倍でなければならない。
最も好ましい組成は18wt%Cu、27wt%Ni、
残部Ti又はTi合金であり、かかる組成の場合にはN
i:Cuの比は3:2である。かかる組成が採用される
場合には、Ti−6wt%Al−4wt%Vの如きチタ
ニウム合金をろう付するための最も好ましいろう付サイ
クルは約955℃にて1時間加熱し、しかる後約925
°Cにて4時間加熱するサイクルである。しかし上述の
如き合金や他の合金をろう付するに際し他のサイクルが
採用されてもよい。
Ti−18wt%Cu−27wt%Niの好ましい組成
を有する厚さ0.0075cmのフォイルの場合にはチ
タニウム合金の中心部の厚さは約o、。
050cfilであり、銅層及びニッケル層の厚さはそ
れぞれ約0.0006cmである。直径0.1000I
11の断面円形のワイヤについては、チタニウム合金の
中心部の直径は約0.080cmであり、銅層及びニッ
ケル層の合計の厚さは約0.020cmである。また−
80メツシユ(タイラー篩シリーズ)のめっきされた粉
末については、裸の(めっきされていない)チタニウム
合金粉末の直径は公称で約0.015cmであり、銅層
及びニッケル層の合計の厚さは約0.002cmである
勿論銅層及びニッケル層の厚さは成る程度変化されてよ
い。しかしこれらの層は本発明の組成が達成されるよう
チタニウム合金の中心部の寸法に応じて適正な厚さの比
率にて適用されなければらない。
本発明の好ましい層状構造、即ちチタニウム合金の基体
上のニッケル層及び銅層は、米国特許第3.652,2
37号に記載されたTi−Cu−Ni介在層とは区別さ
れる。この米国特許には、チタニウム層がニッケル及び
銅の基体を囲繞し且これを密閉式にシールするろう何周
フォイルが記=  19 − 載されている。従来技術の説明の欄に於て上述した如く
、チタニウムの外面」二には強靭な高融点の酸化物の膜
が形成されており、このことにより最適のろう付接合部
を形成することが阻害される。
本発明のろう材はチタニウム合金の中心部」二に銅層及
びニッケル層が存在し又は銅−ニッケル合金層が存在し
ている。全てではないにしても殆どのチタニウム合金部
分が大気より隔離されるので、かかる高融点の酸化物の
形成が防止される。
第2図に示されたデータはAMS4911の標本をろう
付することにより得られたものである。
しかし追加の試験により、本発明のろう付組成物はチタ
ニウム合金製の構成要素を互いにろう付するのに有用で
あるのみならず、チタニウム合金をニッケル合金、コバ
ルト合金、又は鉄合金の如きチタニウム以外の元素をベ
ースとする合金にろう付するにも有用であることが解っ
た。例えば本発明の好ましい組成物はAMS4975 
(Ti−6wt%Al−2wt%Sn−4wt%Zr−
2wt%M o )をlNC0NEL (登録商標)合
金718(Ni−1.9wt%Cr−0,10wt%C
−18wt%Fe−0.9wt%Ti−0,6wt%A
l−3wt%M。
−5,2wt%Cb及びTa)にろう付するにも有用で
あることが解った。これらの試験に於て形成されたろう
付接合部を金属学的に検査したところ、ろう材が母材に
充分に拡散しており、ろう付接合部には割れや空隙は認
められなかった。成る特定の理論に拘束されることを望
む訳ではないが、本発明のろう材が優れた結果を達成す
る理由は、ろう付組立体がろう材の融液が加工片の間の
間隙内に於て横方向に流れ得る温度状態にある間は液化
したろう祠が殆ど等温凝固しないことによるものと考え
られる。温度が低下しない限り、溶融したろう材は凝固
しない。
勿論接合される加工片の接合面の間の間隙を制限するこ
とが好ましい。しかし一般に、接合される部材の機械加
工公差を大きくする(このことにより接合面の間の間隙
が増大される)ことが経済的に有利である。試験により
、本発明の組成によれば0.038cmまでの間隙が良
好に充填されることが解った。更に本発明の組成物の流
動性が高いことにより、従来のろう材に比して深さ約0
゜050cn+までの局部的な不連続部(例えば粗い機
械加工痕や処理欠陥)に効率的にろう材が充填する。
本発明のろう材を用いてろう付されたAMS4911の
標本について行われた引張り試験に於ては、破断はろう
付接合部に於てではなく母材に於て発生し、従って接合
部の引張り強さは母材の引張り強さよりも高いことが認
められた。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はががる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第1a図はフォイルの形態をなするう祠の断面を示す解
図である。 第1b図はワイヤ及び粉末の形態をなするう祠の断面を
示す解図である。 第2図はろうイ」試験に於て評価されたろう材の種々の
組成物を示す解図的グラフである。 10・・・ろう材、12・・・中心フォイル、14・・
・銅層、16・・・ニッケル層、18・・・ろう材、2
0・・・ワイヤ又は粉末粒子、22・・・銅層、24・
・・ニッケル層 特許出願人  ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代  理  人   弁理士   明  石  昌  
毅FIG、/a FIG、 /b

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)実質的にニッケルと銅とチタニウム若しくはチタ
    ニウム合金とよりなるろう材にして、ニッケルと銅との
    合計の含有量は実質的に39〜51wt%であり、重量
    パーセントで見てニッケルの含有量は銅の含有量よりも
    高いろう材。
  2. (2)実質的にチタニウム合金の中心部とこれに隣接す
    る他の金属層とよりなるろう材にして、第一の金属層が
    前記中心部に隣接しており、第二の金属層が前記第一の
    金属層に隣接しており、前記第一及び第二の金属層の金
    属はニッケル及び銅よりなる群より選択されており、重
    量パーセントで見てニッケルの含有量は銅の含有量より
    も高いろう材。
  3. (3)実質的にニッケルと銅とチタニウム若しくはチタ
    ニウム合金とよりなるろう材にして、ニッケルと銅との
    合計の含有量は実質的に39〜51wt%であり、重量
    パーセントで見てニッケルの含有量は銅の含有量よりも
    高く、前記ろう材は実質的にチタニウム合金の中心部と
    これに隣接する銅層及びニッケル層若しくは前記中心部
    に隣接する銅−ニッケル合金層とよりなるろう材。
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