JP3797637B2 - 複合材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として電子産業、半導体産業、金型関係、産業機械等に利用されるロウ付けによる複合材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なる金属をロウ付けにより強固に液相接合することは容易ならざる技術とされている。これは、液相接合過程における接合界面の溶融によって層状の脆弱な金属間化合物を生じるためであり、ロウ付けによく見られる現象である。従って、このような脆弱層を生じた複合材は、加工中や使用中に剥がれ、又は、分離を生じたり複合板として利用出来ない等の問題を生じることが多い。
【０００３】
以上の問題を解決するため、コーティング方法を用いたロウ付け方法がある。例えば、特開平８−２５７７４３号報では、予め異種金属の接合面に窒化物又は炭化物をコーティングしておき、ロウ付けするものであるが、このコーティング方法でも、コーティング層の厚みに制約があり、例えば、薄いとポ−ラスな部分ができ、その部分から拡散が起こり脆弱な金属間化合物の生成を生じ、完全には避けることができない。又、例えば、特開昭６０−１３３９７１号報では、鋼やステンレス鋼の接合面にＡｌやＡｌ−Ｓｉ、Ａｇ、Ｓｎを５〜１００μｍコーティングした後にロウ付けを行っているが、ロウ付け時の熱影響による脆弱な金属間化合物の生成は避けられず、所望形状への加工中や使用中の剥がれ、 又は、分離等の問題が完全には解決されていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者は、問題点を明確にするため、従来方式であるロウ付けによる複合材を、液相接合過程における反応部を詳細に観察し解析した結果、脆弱な層状の金属間化合物の生成の他、 ロウ材と被接合材の境界面に、約１０〜２０μｍの隙間が点状及び連続に存在することを確認した。即ち、総じてロウ付けされた境界面は、ロウ材と被接合材のぬれ性の良否に起因する未反応による未接合が存在すること、これらは大きな場合接合面全体の約５０％にも達することなど、反応部の脆弱層以外に生じる新たな問題を確認した。
【０００５】
以上のように、異種金属を直接ロウ付けする方法、又は、予めコーティングする最新の方法にしても、接合界面に脆弱な金属間化合物の生成を完全には避けられず、又、１００％接合させることは難しい。従って、接合後の複合板を所望の形状に加工中、又は、使用中に剥がれたり、分離をしたりするなど製造及び使用上の多くの問題があった。更に、 このような複合板においては期待する性能が確保出来ず、例えば、使用中の通電性の不安定や低下による生産効率の低下等の様々の問題を生じることから、複合板として十分に利用されていない用途もある。本発明の課題は、ロウ材と基材との未接合部を出来るだけ生じないようにしかつ脆弱な金属間化合物の生成を防止し、その結果所望形状への加工中や使用中に剥がれ、分離を生じない複合材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、
［１］２枚の母材金属材料が接合補助材料とロウ材を介して接合された複合材であって、該母材金属材料の少なくとも一方が前記接合補助材料と爆発圧着により固相接合されていることを特徴とする複合材、
［２］接合補助材料の厚みが、０．５〜６ｍｍの範囲からなることを特徴とする［１］記載の複合材に関する。
前記のとおり、本発明は、母材金属材料間に接合補助層とロウ材層を有し、該接合補助層と前記金属材料層が固相結合されていることを特徴とする複合材である。
本発明において母材金属材料とは、最終的に接合しようとする金属材料をいい、金属の板材、焼結材、圧搾材、鍛造材等が挙げられる。また、鋼、鉄や銅、アルミニウム、タングステン（Ｗ）、銀、ニッケル、チタン、モリブデン、ニオブ、タンタルおよびこれらの合金など通常用いられる金属のいずれの種類を用いることもできる。本発明では母材金属材料同士が異なる場合に大きな効果が得られるが、同種の金属を使用しても良い。金属粉末を焼結又は圧搾することにより得られた金属材料の場合や、爆発圧着が不可能な金属材料の場合や固相接合が難しい母材金属材料の組み合わせの場合に特に効果的である。
【０００７】
本発明において、接合補助材料とは、母材金属材料とロウ材の接合を助ける金属であり、接合しようとする金属材料と固相接合しうる金属で、かつ、使用するロウ材とぬれ性の良い金属材料である。例えば、銅−タングステン合金と鋼を銀ロウ材で接合しようとする場合は、銅が好ましく、また、アルミニウム合金とステンレスをアルミニウム合金ロウ材で接合しようとする場合は、アルミニウム合金が好ましい。接合補助材層の厚みは、０．１１〜１０ｍｍとすると好ましく、さらに好ましくは０．５〜６ｍｍがよく、とくに好ましくは１〜３ｍｍの範囲が良い。接合補助層は必要であれば両方の母材金属材料に固相接合しておいても良い。
【０００８】
ここで「ぬれ性が良い」とは、液状のロウ材を金属表面に乗せた場合、両者のなじみが良く、ロウ材が金属表面全体に薄膜状に行き渡る状態をいう。ぬれ性のよい接合補助層とロウ材の組合せには、例えば、Ｃｕと銀ロウ材や、Ａｌ合金とＡｌ合金ロウ材が挙げられる。
固相接合とは、原子間の引力の作用する範囲まで近づけて接合したり、原子の拡散現象によって接合する方法をいい、固体の金属材料同士を室温、また加熱条件下で加圧する方法や爆発圧着する方法などが良い。
【０００９】
接合補助材料は、ロウ材又は母材金属材料のどちらか一方の材料の主成分からなる。ここで主成分とは、複数以上成分の中で最も比率の大きい成分を示すものである。
次に複合材の例を挙げる。例えば、ＡとＢをロウ材Ｃを用いてロウ付けする時、それぞれの異種金属とロウ材Ｃとのぬれ性がＢと悪くＡと良い場合は、Ｂに予めＡを冶金的に固相接合しＡ＋Ｂとしておき、ロウ材ＣによりＡ＋Ｃ＋Ａ＋Ｂとしたり、ロウ材Ｃとぬれ性の良い他金属材料Ｄ材を予めＢに冶金的に接合しＤ＋Ｂとしておきロウ材ＣによりＡ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｂとする。Ａとぬれ性が悪くＢとぬれ性が良い場合は、前記と同じ考え方でＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｂとしたり、Ａ＋Ｄ＋Ｃ＋Ｂとすることである。Ａ及びＢともぬれ性が悪い場合は、同じ考え方でＡにぬれ性の良い金属材料ＦとＢにぬれ性の良い金属材料Ｇを予め冶金的に接合しておき、ロウ材ＣでＡ＋Ｆ＋Ｃ＋Ｇ＋Ｂとすればよい。
【００１０】
さらに、得られた複合板で、ぬれ性の良い金属材料を予め固相接合した面及びロウ付け部での液相接合面で良好な接合がなされているかどうかの確認は、ＪＩＳ Ｇ ０６０１の超音波探傷、ＪＩＳ Ｚ ２３４３浸透探傷試験及び顕微鏡によるミクロ観察により行うことができる。
本発明による複合材は、所要形状への加工中に剥がれ又は分離等の問題もなく、又、通電性が約５０％向上し特に放電加工用電極部材に適している。
【００１１】
【発明実施の形態】
以下、実施例により説明する。
【００１２】
【実施例１】
ロウ付けしたい銅板に先立って、ぬれ性の良いそれと同材質の合わせ材銅板Ｃ１１００Ｐの３ｍｍ厚さと、母材鋼板ＳＳ４００の３０ｍｍ厚さとを、幅ｘ長さが１０００ｘ１５００ｍｍの寸法で、冶金接合である爆発圧着法にて製作した。そのクラッド板より５０ｍｍ幅、１００ｍｍ長さ、すなはち、（３＋３０）ｘ５０ｘ１００を切り出し、ぬれ性の良い合わせ材銅Ｃ１１００Ｐ厚さ３ｍｍ側とロウ付けしたい銅板Ｃ１１００Ｐ厚さ１０ｍｍを、ＪＩＳ Ｚ ３２６１ＢＡｇ−１の銀ロウ材によりロウ付けを行い、銅板＋銀ロウ＋銅板＋鋼板（１０＋銀ロウ＋３＋３０）ｘ５０ｘ１００ｍｍ複合板を製造した。接合状況は、爆着クラッド後ＪＩＳ Ｇ ０６０１の超音波探傷試験にて１００％圧着していることを確認し、５０ｘ１００ｍｍに切断後は、接合端面はＪＩＳ Ｚ２３４３の浸透探傷試験で無欠陥であることを確認し、更には、１０％抜き取りで顕微鏡によるミクロ観察を行い、脆弱な金属間化合物、及び、ミクロ的隙間もなく、極めて良好であった。ロウ付けの接合面も、前記と同じ要領で確認し、両ロウ付け面とも極めて良好接合されていた。
【００１３】
但し、極々微小であるが顕微鏡によるミクロ観察で、浸透探傷試験では検出できない約１０μｍの極めて小さい点状の隙間が、僅かに確認された。この状況は、ロウ付けの上下とも同じで、従来法のように連続している隙間は、全く見られなかった。５０ｘ１００ｍｍより、原厚ｘ７ｘ１０ｍｍの寸法に５０個切り出し、切削加工を行ったが、剥がれ、分離は全く見られ無かった。更に、その５０個を放電加工用電極として使用したが、使用中の剥がれ、分離も全く見らず、通電、放電が高い水準で安定していた。
【００１４】
【実施例２】
ロウ付けしたいＣｕ３０％−Ｗ７０％合金の金属材料に先立って、ぬれ性の良くない母材鋼板ＳＳ４００の３０ｍｍ厚さの表面に、予めぬれ性の良い銅板Ｃ１１００Ｐの３ｍｍ厚さを合わせ材として、幅ｘ長さが２００ｘ２００ｍｍの寸法で、冶金接合である爆発圧着法にて製作した。そのクラッド板より４５ｍｍ幅、９５ｍｍ長さ、すなはち、（３＋３０）ｘ４５ｘ９５を切り出し、ぬれ性の良い合わせ材銅Ｃ１１００Ｐ厚さ３ｍｍ側とロウ付けしたいＣｕ３０％−Ｗ７０％合金板厚さ１０ｍｍを、ＪＩＳ Ｚ ３２６１ＢＡｇ−１の銀ロウ材によりロウ付けを行い、Ｃｕ３０％−Ｗ７０％合金板＋銀ロウ＋銅板＋鋼板（１０＋銀ロウ＋３＋３０）ｘ４５ｘ９５ｍｍ複合板を製造した。接合状況は、爆着クラッド後ＪＩＳ Ｇ ０６０１の超音波探傷試験にて１００％圧着していることを確認し、４５ｘ９５ｍｍに切断後は、接合端面はＪＩＳ Ｚ２３４３の浸透探傷試験で無欠陥であることを確認し、更には、顕微鏡によるミクロ観察を行い、脆弱な金属間化合物、及び、ミクロ的隙間もなく、極めて良好であった。ロウ付けの接合面も、前記と同じ要領で確認し、Ｃｕ３０％−Ｗ７０％合金側も、銅側も極めて良好なロウ付けであった。
【００１５】
尚、極々微小であるが、両側ロウ付け面とも顕微鏡によるミクロ観察で、浸透探傷試験では検出できない約１０μｍの極めて小さい点状の隙間が、僅かに確認されたが、従来法のように連続している隙間は、全く見られなかった。４５ｘ９５ｍｍより、原厚ｘ７ｘ１０ｍｍの寸法に４０個切り出し、切削加工を行ったが、剥がれ、分離は全く見られ無かった。更に、その４０個を放電加工用電極として使用したが、使用中の剥がれ、分離も全く見らず、通電、放電が高い水準で安定していた。
【００１６】
【比較例１】
従来技術で比較するため、基本的に実施例１と同材料を用いることにした。すなはち、ぬれ性の悪い母材鋼板ＳＳ４００の３０ｍｍ厚さと向かい合わせに、ぬれ性の良い銅板のＣ１１００Ｐ厚さ１０ｍｍを配置し、ＪＩＳ Ｚ ３２６１ＢＡｇ−１の銀ロウ材によりロウ付けし複合板を製造した。寸法は、銅板、銀ロウ、鋼板（１０＋銀ロウ＋３０）の板厚で、幅ｘ長さが、５０ｘ１００ｍｍとした。接合状況は、ロウ付け後ＪＩＳ Ｇ０６０１の超音波探傷試験では、未接合と見られる欠陥らしきエコーはあるものの、明確に断定できず、接合端面をＪＩＳＺ２３４３の浸透探傷試験を行なったところ、銀ロウと鋼板の間に点状、又は、連続状の欠陥が約２５％見られた。
【００１７】
更に、一部切り出し顕微鏡観察を行ったところ、脆弱な金属間化合物も、一部に見られ、隙間１０〜１５μｍの未接合部が、点状、又は、連続状の欠陥として約４５％も見られた。これらの未接合は、当然のごとく鋼とロウ付け部に見られ、一方銅部とロウ付けの間は、浸透探傷試験では検出できないが、顕微鏡によるミクロ観察で約１０μｍの極めて小さい点状隙間が、僅かに確認されたのみで、実施例１と同様であった。その複合板より、７ｘ１０ｍｍの寸法に４５個切り出し、切削加工を行ったところ、５個に接合部の開口、剥がれ、分離が見られた。残り４０個を放電加工用電極として使用したが、使用中の６個も開口部が見られた。この開口や、剥がれ、分離は、全て鋼とロウ材の間であった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により、これまでロウ付け部に見られた脆弱な金属間化合物は全く生じることなく、又、ミクロ観察で新たに確認された未接合部も生じないため、従来品の、接合強度が弱く種々問題を生じていたことを解決し、加えて、これまでロウ付け出来なかった組み合わせも可能とし、複合材として所要形状への切断、機械加工中、曲げ加工中等、又は、使用中の開口、剥がれ、分離もなく、結果的に著しい生産性の向上、又、不良材の発生もなく経済効果が期待出来ると共に、これまで利用出来なかった各技術分野への適用も可能となり、新たな産業への発展も期待される。

Claims (2)

1. ２枚の母材金属材料が接合補助材料とロウ材を介して接合された複合材であって、該母材金属材料の少なくとも一方が前記接合補助材料と爆発圧着により固相接合されていることを特徴とする複合材。
2. 接合補助材料の厚みが、０．５〜６ｍｍの範囲からなることを特徴とする請求項１記載の複合材。