JP4604709B2 - Joining member and container using the same - Google Patents
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Description
この発明は、接合用部材および器物に関し、特に、チタン層を有する基材を用いた接合用部材およびそれを用いた器物に関するものである。 The present invention relates to a bonding member and a container, and more particularly to a bonding member using a base material having a titanium layer and a container using the same.
従来、接合用部材は、たとえば特開平９−２０６９６２号公報に開示されている。
チタンは、鉄系材料と同程度の高強度を有する。また、低比重であるため、アルミニウムやマグネシウムのように軽く、耐食性に関してもステンレスを上回る耐食性を有する。「軽い」、「強い」、「錆びない」などの優れた特性から、航空宇宙、化学、電力等の分野での利用から始まり、最近では、建築、土木、医療、民生品（メガネ枠から鍋まで）に急速に需要の分野を広げつつある。しかしながら、熱伝導性のみがステンレスと同程度であり、熱伝導性はアルミニウムの１／１０、鉄の１／４と低い。逆に、この特性により、保温性に優れるという特徴も有する。熱伝導性を補うためには、アルミニウムなどとクラディングして複合材とすることが考えられるが、融点差が大きく、かつチタンの表面に強固な不働態皮膜が形成されるため、板材への複合化は困難である。よって、ワイヤやパイプなどの複合材が得られているのみである。 Titanium has the same high strength as iron-based materials. Moreover, since it is low specific gravity, it is light like aluminum and magnesium, and also has a corrosion resistance higher than stainless steel in terms of corrosion resistance. It begins with use in fields such as aerospace, chemistry, and electric power because of its excellent characteristics such as “light”, “strong”, and “not rust”. ) Is rapidly expanding the field of demand. However, only the thermal conductivity is comparable to stainless steel, and the thermal conductivity is as low as 1/10 of aluminum and 1/4 of iron. On the other hand, this characteristic also has a feature of excellent heat retention. In order to supplement the thermal conductivity, it is conceivable to make a composite material by cladding with aluminum or the like, but since the melting point difference is large and a strong passive film is formed on the surface of titanium, Compounding is difficult. Therefore, only composite materials such as wires and pipes are obtained.
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、チタン層を有する接合用部材を提供することを目的とするものである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a joining member having a titanium layer.
我々は、チタン層を有する接合用部材を得る手法として、拡散接合性に優れる銅鍍金を接合層とする技術を開発した。チタン層表面をＥＤＴＡなどの有機酸とフッ化アンモニウムなどのフッ化物塩の混合水溶液で処理することでチタンの不働態皮膜を除去する。その後電気ニッケル鍍金を介して結晶粒径を０．５μｍ以下に制御した電気銅鍍金を密着性よく形成する。たとえば、アルミニウム板とチタン板との複合材を得る場合には、チタン／電気ニッケル鍍金／電気銅鍍金と、アルミニウム／ジンケート処理皮膜／ニッケル（銅鍍金浴がピロリン酸銅浴もしくはシアン化銅浴の場合は不要）／電気銅鍍金の皮膜構成とし、銅鍍金同士が対向した状態で、温度１５０℃以上の温度でホットプレスにより接合して複合材が得られる。 As a technique for obtaining a bonding member having a titanium layer, we have developed a technique using a copper plating excellent in diffusion bonding as a bonding layer. The titanium passive layer is removed by treating the surface of the titanium layer with a mixed aqueous solution of an organic acid such as EDTA and a fluoride salt such as ammonium fluoride. Thereafter, an electrolytic copper plating whose crystal grain size is controlled to 0.5 μm or less is formed with good adhesion through an electric nickel plating. For example, when obtaining a composite material of an aluminum plate and a titanium plate, titanium / electric nickel plating / electro copper plating and aluminum / zincate treatment film / nickel (copper plating bath is a copper pyrophosphate bath or a copper cyanide bath). In some cases, the composite material is obtained by bonding with hot pressing at a temperature of 150 ° C. or more in a state where the copper platings are opposed to each other.
以上のような知見に基づきなされた、この発明に従った接合用部材は、金属最外層にチタン層を有する基材と、基材の一方の表面上にニッケル層を介して形成された銅の接合層とを備え、接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が０．５μｍ以下である、接合用部材である。本発明の他の形態としては、チタン層とニッケル層の間にステンレス層を有する。 The joining member according to the present invention made based on the above knowledge is made of a base material having a titanium layer as a metal outermost layer and a copper formed on one surface of the base material via a nickel layer. A joining member having a joining layer, wherein an average crystal grain size of copper contained in the joining layer is 0.5 μm or less. As another form of this invention, it has a stainless steel layer between a titanium layer and a nickel layer.
接合層は電気鍍金により形成され、該電気鍍金の際に電解浴にメルカプトプロパンスルホン酸、ポリオールおよび染料の少なくとも一種を添加することで接合層中の銅の粒径が制御されているのが好ましい。より好ましくは、接合層に含まれる銅の平均結晶粒径が０．２μｍ以下である。 The bonding layer is formed by electroplating, and it is preferable that the particle size of copper in the bonding layer is controlled by adding at least one of mercaptopropanesulfonic acid, polyol and dye to the electrolytic bath during the electroplating. . More preferably, the average crystal grain size of copper contained in the bonding layer is 0.2 μm or less.
基材において、接合層と反対側の表面にチタンの不働態膜、発色アルマイト層、炭化フッ素から選択される少なくとも１つの層がさらに形成されていると、より耐久性、外観等が良く、好ましい形態となる。 In the base material, it is preferable that at least one layer selected from a passive film of titanium, a colored alumite layer, and fluorine carbide is further formed on the surface on the side opposite to the bonding layer. It becomes a form.
ニッケル層は、チタン層またはステンレス層の表面を有機酸で処理した後に、その表面に形成されるのが好ましい。 The nickel layer is preferably formed on the surface of the titanium layer or stainless steel layer after the surface is treated with an organic acid.
ステンレス層は、チタン層に直接接触する磁性ステンレス層とするのが好ましい。 The stainless steel layer is preferably a magnetic stainless steel layer in direct contact with the titanium layer.
銅の接合層に含まれる硫黄の濃度が質量比で１００ｐｐｍ以下であり、表面の硬度が４００Ｈｖ以下であると、接合がしやすくなり、好ましい。 It is preferable that the concentration of sulfur contained in the copper bonding layer is 100 ppm or less in terms of mass ratio and the surface hardness is 400 Hv or less because bonding becomes easy.
この発明に従った器物の態様は、上述のいずれかの接合用部材と、接合層に接合する相手材とを、銅層を向かい合わせにして接合し、加工により所定の空間を取囲む。 In the embodiment of the container according to the present invention, any one of the above-described joining members and the counterpart material to be joined to the joining layer are joined with the copper layers facing each other, and a predetermined space is surrounded by processing.
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態において、同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
まず、この発明の基材を構成するチタンの物性を以下に説明する。 First, the physical properties of titanium constituting the substrate of the present invention will be described below.
チタンの比重は４．５１以上で、鉄およびステンレスの比重の約半分であり、アルミニウムの比重の約１．５倍である。 The specific gravity of titanium is 4.51 or more, about half of the specific gravity of iron and stainless steel, and about 1.5 times the specific gravity of aluminum.
機械的強度は、純チタンで５００Ｎ／ｍｍ2である。合金チタンでは、８００Ｎ／ｍｍ2程度である。 The mechanical strength is 500 N / mm 2 for pure titanium. In the case of titanium alloy, it is about 800 N / mm 2 .
溶融点は、１６６８℃である。なお、鉄の溶融点は１５３５℃、アルミニウムの溶融点は６６０℃である。 The melting point is 1668 ° C. The melting point of iron is 1535 ° C., and the melting point of aluminum is 660 ° C.
チタンの伝熱性は、ステンレスと同程度である。これはアルミニウムの１／１０、鉄の１／４に相当する。 Titanium has the same thermal conductivity as stainless steel. This corresponds to 1/10 of aluminum and 1/4 of iron.
熱膨張率は、ステンレスの１／２程度である。 The coefficient of thermal expansion is about 1/2 that of stainless steel.
チタンは弾力性がある。具体的には、チタンのヤング率は鉄の倍であり、銅のヤング率とほぼ等しい。チタンは、耐食性、耐候性ともステンレスより優れている。大気中および海水中では腐食されない。 Titanium is elastic. Specifically, the Young's modulus of titanium is twice that of iron and is almost equal to the Young's modulus of copper. Titanium is superior to stainless steel in both corrosion resistance and weather resistance. It is not corroded in the air and seawater.
（調理用器物としての長所）
図１は、サンプル１から８の器物の構成を示す表である。図１では、調理用器物の例を示す。図１中のサンプル１から８について以下に説明する。なお、図１中の各組成下に示す数字は、各層の厚みを示す。例えば、サンプル１において、「Ｔｉ２ｍｍ」とは、厚みが２ｍｍのＴｉ層が形成されていることを示す。
(Advantages as cooking utensils)
FIG. 1 is a table showing the structures of the
サンプル１
サンプル１は、本発明になる接合用部材の１例と、別の接合用部材を組み合わせてなる複合材を用いた器物の例である。この器物は、主として、チタン層／アルミニウム層／フッ素樹脂層（ＰＴＦＥ）により構成される。なお、接合用皮膜構成は省略している。サンプル１のように構成することで、フライパン、鍋や釜として使用した場合には、熱伝導性に優れ、軽く、高強度であり、傷がつきにくく、直火加熱などの高温にも耐え、腐食することがない。内面には、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）がコーティングされており、調理物がこびり付くことはない。しかし、フッ素樹脂は柔らかいため金属製束子などを使用することはできない。
図２は、本発明の接合用部材の例（図２ｂ）と別の接合用部材(図２ａ)を模式的に示す断面図である。図３は、本発明の複合材（サンプル１）を模式的に示す断面図である。図４は、本発明の器物（サンプル１）を模式的に示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing another example of the joining member of the present invention (FIG. 2b) and another joining member (FIG. 2a). FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the composite material (sample 1) of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the container (sample 1) of the present invention.
図２の例では、チタン層１０により構成される基材の上に中間層としてのニッケル層９が形成されている。ニッケル層９上には、銅を含む接合層としての銅層８が形成されている。基材としてのチタン層１０、ニッケル層９および銅層８が接合用部材７を構成する。銅層８に含まれる銅の平均結晶粒径が０．５μｍ以下である。別の接合用部材１（相手材）は、下から順に接合層としての銅層６、ニッケル層５、亜鉛層４、アルミニウム層３およびフッ素樹脂層２が積層されている。
In the example of FIG. 2, a
図２の部材を図３のように、２つの銅層６および８を接触させ、固相拡散させる。これにより複合材１００を形成する。このとき、拡散接合された後の銅の平均結晶粒径は大きくなるため、０．５μｍ以下になるとは限らない。
As shown in FIG. 3, the two
図３で作製された複合材１００を加工して、図４のように、深絞り加工を施すことにより、器物２００を形成する。器物２００は外表面２００ａおよび内表面２００ｂを有し、所定の空間１０１を取囲む筐体形状である。なお、器物２００は、円柱形状または角柱形状などの形状であってもよく、側面が傾斜した、いわゆる錐体であってもよい。器物２００を形成する場合には、ダイスを用いて深絞り加工を行なうが、そのダイスには液体、固体または混合体潤滑剤を用いることが好ましい。潤滑剤として、硫黄系油性潤滑剤、硫化油脂と炭酸カルシウム微粉末の混合物、炭酸カルシウム、ステアリン酸カルシウム、レジコート(アクゾノーベル社商標)、ステアリン酸カルシウムと炭酸カルシウムの混合物などさまざまなものを用いることができる。
The
サンプル１では、器物の外側からチタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、フッ素樹脂層が配置される。
In
サンプル２
サンプル２は、本発明になる接合用部材の２つの例を用い、間に両面接合部材を用いた複合材として器物を作製している。この器物は、主としてチタン層／アルミニウム層／チタン層により構成される。より詳細には、器物の外側から内側へ向かってチタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、チタン層の順に配置される。サンプル２で示される器物を鍋や釜として使用した場合には、熱伝導性に優れ、軽く、高強度であり、傷がつきにくく、直火加熱などの高温にも耐え、腐食することがない。フッ素樹脂ほどの非粘着性はないが、表面が硬質であり、傷が付きにくいことから、調理物の付着は少なく、さらに金属束子などで調理物を残存なく除去することが可能である。
サンプル３
サンプル３は、本発明になる接合用部材の２種類の形態を両側に用い、間に両面接合部材を配した複合材を器物にした例である。この器物は、主としてチタン層／アルミニウム層／酸化処理したチタン層により構成される。具体的には、器物の外側から内側へ向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、チタン層および酸化チタン層が配置される。サンプル３では、非粘着性は有さないが、酸化チタンが超親水性を示し、酸化チタン表面に水が浸透しやすいため汚れが落ちやすい。また、炊飯釜として使用した場合は、釜内面全面により沸騰が起こり、細かな対流が発生するためにおいしいご飯が炊飯できる。
サンプル４
サンプル４は、本発明になる接合用部材の２種類の形態を両側に用い、間に両面接合部材を配した複合材を器物にした例である。この器物は、主としてチタン層／アルミニウム層／酸化処理したチタン層／フッ化黒鉛層（ＣＦ）により構成される。具体的には、器物の外側から内側に向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層、亜鉛層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、チタン層、酸化チタン層、フッ化黒鉛層が配置される。酸化チタンはフッ化黒鉛などのセラミックスと大きな密着性を持ち、従来の非粘着性表面として使用されてきたフッ素樹脂と異なり、フッ化黒鉛は高強度であるため、金属製の箆や束子を使用することが可能である。
サンプル５
サンプル５は、本発明になる接合用部材を片側に用い、間に両面接合部材を配し、器物内側には別の接合用部材を用いて作製された器物の例である。この器物の例は、主として、チタン層／ステンレス層（ＳＵＳ４３０）／アルミニウム層／フッ素樹脂層（ＰＴＦＥ）により構成される。具体的には、器物の外側から内側に向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、ステンレス層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層、亜鉛層、アルミニウム層およびフッ素樹脂層が配置される。ＩＨ加熱用のステンレスの外面にチタンを被覆しても、非磁性であるため磁力線が通過し、問題なくステンレス層で発熱する。なお、チタンは非常に薄いため磁気遮蔽として機能しない。外面は保温性のよいチタンであるため、外部への熱の逃げが少なく、熱伝導のよい内面アルミニウム層へ熱が効率よく伝わり、省エネルギ効果も大きい。また、チタンが最表面にあることで、大きな耐食性を有することと、チタンカラーと称される独特な色調で差別化も期待できる。また、着色アルマイト処理を施せば、耐候性に優れる７色の着色が可能となる。すなわち、この実施の形態では、チタン層表面に着色アルマイト処理を施すことが可能である。
サンプル６
サンプル６は、本発明になる接合用部材の一例を２枚用い、両方の銅を向かい合わせに接合してなる複合材を用いた器物である。この器物は、主としてチタン層／銅層／チタン層により構成される。具体的には、器物の外側から内側に向かって、チタン層、ニッケル層、銅層、銅層、ニッケル層およびチタン層が配置される。接合用銅鍍金を厚膜化してもよく、また銅箔を用いて銅層を構成してもよい。機能的には、サンプル６はサンプル２と同等であるが、アルミニウムより熱伝導性に優れる銅を薄い中間層として使用することで全体的な軽量化を図ることができる。
サンプル７
サンプル７は、本発明の接合用部材の一例を片側に用い、別の接合用部材と複合化してなる器物の例である。この器物は、主としてチタン層／銅層／ステンレス層（ＳＵＳ４３０）により構成される。接合用の銅鍍金（銅層）を厚膜化してもよく、銅箔と接合してもよい。基本性能はサンプル６と同等であるが、ステンレス層を構成するＳＵＳ４３０はＩＨ用であり、ＩＨ調理器への適用が可能である。熱伝導性の大きな銅を中間層とすることで調理むらを生じない。
サンプル８
サンプル８は、本発明の接合用部材に用いる基材として、チタンの圧延クラッド鋼板（ＳＵＳ４３０）を用いた例である。すなわち、チタン層とステンレス層とが直接圧延により接合された基材を用いる。チタンと鋼板の圧延クラッドは、双方とも高融点であり容易に得ることができる。このクラッド板を基材とした接合用部材とアルミ二ウムを基材とした接合用部材を用いた複合材とすることで、接合用銅鍍金を減らしたものでもサンプル５と同等の性能が望める器物を得ることができる。
（拡散接合性に優れる銅層）
本明細書でいう拡散接合とは、固相拡散接合と呼ばれるもので、母材を溶融させずに固相状態のまま接合する手法を指す。固相状態で接合を行なうには、接合界面近傍で塑性変形もしくはクリープ変形を起こして両面を密着させ、拡散による原子の移動を利用する。変形と拡散は母材の強度や拡散係数などに依存し、温度や加圧によって大きく変化する。加熱して金属は軟化し、変形しやすくなると同時に原子拡散も活発になる。すなわち、拡散接合を支配する因子は、拡散速度であり、相互拡散速度の大きい界面を有する金属層を形成する技術である。一般的には、拡散速度は温度が支配的因子となり、銅同士の拡散接合では、温度８００℃程度の温度が使用される。銅中への銅の拡散速度を図５で示す。
(Copper layer with excellent diffusion bonding)
The diffusion bonding referred to in this specification is called solid phase diffusion bonding, and refers to a technique in which a base material is bonded in a solid state without melting. In order to perform bonding in a solid state, plastic deformation or creep deformation is caused in the vicinity of the bonding interface to bring both surfaces into close contact with each other, and the movement of atoms by diffusion is used. Deformation and diffusion depend on the strength and diffusion coefficient of the base material, and change greatly with temperature and pressure. When heated, the metal softens and becomes easily deformed, and at the same time, atomic diffusion becomes active. That is, the factor governing diffusion bonding is the diffusion rate, which is a technique for forming a metal layer having an interface with a high mutual diffusion rate. Generally, the temperature is a dominant factor in the diffusion rate, and a temperature of about 800 ° C. is used for diffusion bonding between copper. The diffusion rate of copper into copper is shown in FIG.
本願では、フッ素樹脂およびアルミニウムを使用するため、上述のようなアルミニウムの融点（６６０℃）やフッ素樹脂の分解温度（３４０℃）を越える温度領域では、拡散接合を適用することは困難である。 In the present application, since fluororesin and aluminum are used, it is difficult to apply diffusion bonding in a temperature range exceeding the melting point of aluminum (660 ° C.) and the decomposition temperature of fluororesin (340 ° C.) as described above.
拡散現象は、さらに詳細には、（１）母材結晶粒内を拡散する体拡散、（２）結晶粒と結晶粒の間に介在する粒界を移動する粒界拡散、（３）接合界面の母材表面を移動する表面拡散の３種があり、（１）に比べ（２）の粒界拡散では拡散係数が１万倍から１０万倍も大きくなることが知られている。一般に、金属材料では粒界が占める面積はほんの僅かであるが、そこを経由する物質移動量が非常に大きい。そこで、本願では、拡散接合母材として水溶液中から電析反応で得た微細結晶銅を利用することで、拡散接合がフッ素樹脂の分解温度以下でも起こり得ることを見出した。具体的には、銅鍍金の電流密度と光沢剤（ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、メルカプトプロパンスルホン酸、または染料）を制御することで、銅の電析結晶粒を２００ｎｍ以下に電析することで、温度３００℃×１００ｋｇ/ｃｍ2×３０分の条件でもほぼ完全に一体になることが判明した。なお、光沢剤の組合せとして、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールおよびメルカプトプロパンスルホン酸の混合物、または、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールおよび染料の混合物を用いてもよい。 More specifically, the diffusion phenomenon includes (1) body diffusion that diffuses in the base material crystal grains, (2) grain boundary diffusion that moves through the grain boundary interposed between the crystal grains, and (3) the bonding interface. There are three types of surface diffusion that move on the surface of the base material, and it is known that the diffusion coefficient increases by 10,000 to 100,000 times in the grain boundary diffusion of (2) compared to (1). In general, in a metal material, the area occupied by a grain boundary is very small, but the amount of mass transfer through the area is very large. Therefore, the present application has found that diffusion bonding can occur even at a temperature lower than the decomposition temperature of the fluororesin by using microcrystalline copper obtained by electrodeposition reaction from an aqueous solution as the diffusion bonding matrix. Specifically, by controlling the current density of copper plating and the brightener (polypropylene glycol, polyethylene glycol, mercaptopropane sulfonic acid, or dye), the electrodeposited crystal grains of copper are electrodeposited to 200 nm or less, It was found that the film was almost completely integrated even at a temperature of 300 ° C. × 100 kg / cm 2 × 30 minutes. As a combination of brighteners, a mixture of polypropylene glycol, polyethylene glycol and mercaptopropane sulfonic acid, or a mixture of polypropylene glycol, polyethylene glycol and dye may be used.
図６は金属結晶粒径と接合強度との関係を示すグラフである。図６から明らかなように、金属結晶粒径を小さくすれば、接合強度が上昇することがわかる。この現象は、結晶粒径を小さくすることで、拡散速度が速い結晶粒界が界面に多数存在するようになり、拡散速度を大幅に向上できることを狙った結果である。また、電析物の特徴として、軽元素が共析することにより硬度が大きくなる傾向があるが、硬度が大きくなり過ぎると、接合界面近傍で塑性変形もしくはクリープ変形を起こし難くなり両面が密着することが困難になる。そのため、銅中に光沢剤から共析する硫黄の量は１００ｐｐｍ以下であることが好ましく、銅の硬度としては４００Ｈｖ以下とするのが好ましい。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the metal crystal grain size and the bonding strength. As is apparent from FIG. 6, it can be seen that the bonding strength increases when the metal crystal grain size is reduced. This phenomenon is a result of aiming at the fact that by reducing the crystal grain size, a large number of crystal grain boundaries having a high diffusion rate exist at the interface, and the diffusion rate can be greatly improved. In addition, as a feature of the electrodeposits, the hardness tends to increase due to the eutectoid of light elements, but if the hardness is too high, plastic deformation or creep deformation hardly occurs in the vicinity of the joint interface, and both surfaces adhere to each other. It becomes difficult. Therefore, the amount of sulfur eutectoid from the brightener in copper is preferably 100 ppm or less, and the hardness of copper is preferably 400 Hv or less.
（拡散接合性に優れる銅の被覆方法）
ニッケル層の外表面には、銅が被覆される。
(Copper coating method with excellent diffusion bonding)
The outer surface of the nickel layer is coated with copper.
本発明になる接合用部材に用いる銅被覆は、金属基材であるチタン層もしくはステンレス層に施されるが、基材直接ではなく、ニッケル層を介して被覆する。 The copper coating used for the joining member according to the present invention is applied to a titanium layer or a stainless steel layer, which is a metal substrate, but is coated via a nickel layer instead of the substrate directly.
（１） ステンレス（ＳＵＳ４３０）上への被覆（Ｔｉクラッド鋼板の処理）
ＳＵＳ４３０基材［材質：Ｆｅ−１８％Ｃｒ、厚み：０．５ｍｍ］をＮａＯＨ水溶液中で陽極電解脱脂を施し、表面に存在する有機不純物と不働態クロム酸化層を溶解した。その後、塩酸で洗浄し、水洗を経て、ニッケルストライク鍍金浴（第２の鍍金液）で厚みが０．２μｍのニッケル鍍金膜（ニッケル層）を形成した。
(1) Coating on stainless steel (SUS430) (treatment of Ti clad steel plate)
A SUS430 base material [material: Fe-18% Cr, thickness: 0.5 mm] was subjected to anodic electrolytic degreasing in an aqueous NaOH solution to dissolve organic impurities present on the surface and a passive chromium oxide layer. Thereafter, it was washed with hydrochloric acid, washed with water, and a nickel plating film (nickel layer) having a thickness of 0.2 μm was formed in a nickel strike plating bath (second plating solution).
水洗および希塩酸での洗浄の後、第１の鍍金液で銅鍍金を８μｍ施した。銅鍍金の結晶粒径制御は、以下のようにした。 After washing with water and dilute hydrochloric acid, 8 μm of copper plating was applied with the first plating solution. The crystal grain size control of the copper plating was performed as follows.
銅鍍金の結晶粒径は光沢剤の添加量と密接な関係を持っており、光沢剤を所定量、すなわち光沢剤中のポリオール成分を１０〜２０ｃｍ3／ｄｍ3および硫黄含有成分をポリオールの１０分の１添加した状態で、電流密度を調整し、断面観察により１００ｎｍ付近の結晶粒径となるよう調整した。我々の調査では、結晶粒径が２００ｎｍ〜１０ｎｍ程度であれば、３００℃以下の温度で拡散接合が可能であり、好ましくは、粒径は１００ｎｍ±５０ｎｍ程度であった。なお、結晶粒径が大き過ぎると、拡散速度が大きい結晶粒界が欠乏するため拡散接合性が悪い。また、結晶粒径が小さい場合には、粒界が不純物を包み込むサイトとして機能するため、硬く脆い銅層となり、この場合も拡散接合性が悪い。後処理として、銅表面は酸化しやすいため酸化防止処理としてベンゾトリアゾールを主成分とする水溶液を塗布もしくは浸漬し、温風にて乾燥する。 The crystal grain size of the copper plating is closely related to the amount of the brightener added. The predetermined amount of the brightener, that is, the polyol component in the brightener is 10 to 20 cm 3 / dm 3 and the sulfur-containing component is 10% of the polyol. The current density was adjusted with the addition of a fraction, and the crystal grain size was adjusted to near 100 nm by cross-sectional observation. In our investigation, if the crystal grain size is about 200 nm to 10 nm, diffusion bonding is possible at a temperature of 300 ° C. or less, and preferably the grain size is about 100 nm ± 50 nm. If the crystal grain size is too large, the crystal grain boundary having a high diffusion rate is deficient, so that the diffusion bonding property is poor. In addition, when the crystal grain size is small, the grain boundary functions as a site for wrapping impurities, resulting in a hard and brittle copper layer. In this case as well, the diffusion bonding property is poor. As post-treatment, since the copper surface is easily oxidized, an aqueous solution containing benzotriazole as a main component is applied or immersed as an anti-oxidation treatment, and dried with warm air.
（２） チタン層上への被覆
チタン層［材質：純度99.9％Ｔｉ、厚み：０．０５ｍｍ］をＮａＯＨ水溶液中で陽極電解脱脂を施し、表面に存在する有機不純物を溶解した。その後、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）７０ｇ／ｄｍ3と過酸化水素水（３５％）を６０ｃｍ3／ｄｍ3の溶液中に室温で含浸処理を施し表面の不働態皮膜を除去した。さらに、塩酸で洗浄し、水洗を経て、ニッケルストライク鍍金浴（第２の鍍金液）で厚みが０．２μｍのニッケル鍍金を施した。水洗、希塩酸での洗浄の後、第１の鍍金液で銅鍍金を８μｍ施した。銅鍍金の結晶粒径制御は、ステンレス層への銅鍍金と同様である。後処理として、銅表面は酸化しやすいため酸化防止処理として、ベンゾトリアゾールを主成分とする水溶液を塗布もしくは含浸し、温風にて乾かした。図７は、ニッケル層形成の前処理工程を示す図である。図７を参照して、前処理として基材に有機酸処理を施した後に、ニッケルめっきによりニッケル層を形成する。
(2) Coating on Titanium Layer A titanium layer [material: purity 99.9% Ti, thickness: 0.05 mm] was subjected to anodic electrolytic degreasing in an aqueous NaOH solution to dissolve organic impurities present on the surface. Thereafter, 70 g / dm 3 of EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and hydrogen peroxide (35%) were impregnated in a solution of 60 cm 3 / dm 3 at room temperature to remove the passive film on the surface. Further, after washing with hydrochloric acid, washing with water, nickel plating with a thickness of 0.2 μm was applied in a nickel strike plating bath (second plating solution). After washing with water and dilute hydrochloric acid, 8 μm of copper plating was applied with the first plating solution. The control of the crystal grain size of the copper plating is the same as that of the copper plating on the stainless steel layer. As a post-treatment, the copper surface easily oxidizes, and as an anti-oxidation treatment, an aqueous solution containing benzotriazole as a main component was applied or impregnated and dried with warm air. FIG. 7 is a diagram showing a pretreatment process for forming a nickel layer. Referring to FIG. 7, after the organic acid treatment is performed on the base material as a pretreatment, a nickel layer is formed by nickel plating.
別途、アルミニウム、ステンレスを基材とする接合用部材および両面接合用部材を用意した。 Separately, a bonding member and a double-sided bonding member based on aluminum and stainless steel were prepared.
（拡散接合性）
拡散接合すべき、基材の銅層同士を対向させ、真空チャンバ中に配置し大気を排気する。真空状態のまま、９．８×１０2Ｎ／ｃｍ2程度の圧力を加え、温度２８０℃まで昇温し拡散接合を実施する。この状態を３０分間保持した後、室温まで冷却し大気圧に戻す。なお、この際、高温での保持時間にも関係するが、温度３００℃で２０分間の保持では特に問題はないが、同温度で３０分保持すれば異種金属の拡散速度差に起因するカーケンダルボイドが銅鍍金下地の界面で発生し、複合材の接合力が大きく低下する。望ましい拡散接合条件は温度２８０℃で３０分であるが、温度３００℃を超えると好ましくなく、さらに時間が３０分を超えることも好ましくない。
(Diffusion bonding)
The copper layers of the base materials to be diffusion bonded are opposed to each other, placed in a vacuum chamber, and the atmosphere is exhausted. In a vacuum state, a pressure of about 9.8 × 10 2 N / cm 2 is applied, and the temperature is raised to 280 ° C. to perform diffusion bonding. After maintaining this state for 30 minutes, it is cooled to room temperature and returned to atmospheric pressure. At this time, although it is related to the holding time at a high temperature, there is no particular problem in holding at a temperature of 300 ° C. for 20 minutes. Voids are generated at the interface of the copper plating base, and the bonding force of the composite material is greatly reduced. Desirable diffusion bonding conditions are 30 minutes at a temperature of 280 ° C., but it is not preferable that the temperature exceeds 300 ° C., and it is not preferable that the time exceeds 30 minutes.
（チタンの表面処理）
（１） 超親水化処理：本処理は高温を伴うため、拡散接合する前の基材単体で実施する。チタン板もしくはチタンクラッド鋼板を１０-7ｍｍＨｇ（１．３×１０-5Ｐａ）の高真空中でアルゴンイオン衝突法により表面をクリーニングする。その後、分圧が１×１０-4ｍｍＨｇ（１．３×１０-2Ｐａ）程度となるように酸素ガスを制御して導入する。基材を加温することで成長速度は幾分増加する。この処理により、チタン表面には、酸化チタンよりなる、水との接触角がゼロ度に近い超親水膜が得られる。酸化チタン自身でも十分な耐久性は存在するが、さらに高強度化し耐久性を強化するためには、真空処理時に塩化ケイ素もしくは、メチルオルトシリケートにより発生したシリコン蒸気を導入し、酸化チタン＋酸化ケイ素複合膜とすることも可能である。
(Titanium surface treatment)
(1) Super-hydrophilic treatment: Since this treatment involves high temperatures, it is carried out on a single substrate before diffusion bonding. The surface of a titanium plate or a titanium clad steel plate is cleaned by an argon ion collision method in a high vacuum of 10 −7 mmHg (1.3 × 10 −5 Pa). Thereafter, oxygen gas is controlled and introduced so that the partial pressure is about 1 × 10 −4 mmHg (1.3 × 10 −2 Pa). Warming the substrate increases the growth rate somewhat. By this treatment, a superhydrophilic film made of titanium oxide and having a contact angle with water close to zero degree is obtained on the titanium surface. Titanium oxide itself has sufficient durability, but in order to further strengthen and strengthen the durability, silicon vapor generated by silicon chloride or methyl orthosilicate was introduced during vacuum treatment, and titanium oxide + silicon oxide A composite membrane can also be used.
（２） 着色陽極酸化処理：燐酸もしくは蓚酸アンモニウム水溶液を温度１５℃以下に保ち、２枚のチタン板を浸漬する。２枚のチタン板間に交流電圧を加え、表面に陽極酸化層を形成する。陽極酸化電圧は１００Ｖを超えると、陽極酸化膜の絶縁破壊により非常に粗い灰褐色の皮膜が生成する。２０Ｖ程度の交流電圧の印加では薄く緻密な酸化皮膜が形成され、膜厚に応じた光の干渉効果のために７色に発色する。 (2) Colored anodizing treatment: An aqueous solution of phosphoric acid or ammonium oxalate is kept at a temperature of 15 ° C. or lower, and two titanium plates are immersed. An AC voltage is applied between the two titanium plates to form an anodized layer on the surface. When the anodic oxidation voltage exceeds 100 V, a very rough grayish brown film is generated due to dielectric breakdown of the anodic oxide film. When an alternating voltage of about 20 V is applied, a thin and dense oxide film is formed, and colors are generated in seven colors due to the light interference effect corresponding to the film thickness.
（３） フッ化黒鉛コート：プラズマＣＶＤ（化学気相成長法）装置によりチタン表面に中間層としてＳｉＣを約０．１μｍ成膜する。その後、ＣＦ４ガスを導入し、フッ化黒鉛皮膜を形成する。 (3) Fluorinated graphite coating: SiC is deposited on the titanium surface as an intermediate layer by a plasma CVD (chemical vapor deposition) apparatus to a thickness of about 0.1 μm. Thereafter, CF 4 gas is introduced to form a graphite fluoride film.
以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、本発明の接合用部材を用いた器物について説明したが、器物に限定されるものではなく、一般的な構造材として本発明を適用することも可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment shown here can be variously modified. First, the container using the bonding member of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the container, and the present invention can be applied as a general structural material.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
１ 接合用部材、２ フッ素樹脂層、３ アルミニウム層、４ 亜鉛層、５ ニッケル層、６ 銅層、７ 接合用部材、８ 銅層、９ ニッケル層、１０ チタン層、１００ 複合材、１０１ 空間、２００ 器物。 1 bonding member, 2 fluororesin layer, 3 aluminum layer, 4 zinc layer, 5 nickel layer, 6 copper layer, 7 bonding member, 8 copper layer, 9 nickel layer, 10 titanium layer, 100 composite material, 101 space, 200 objects.
Claims (14)
とを、銅層を向かい合わせにして接合することにより形成されてなる複合材を加工してなる器物。 A joining member formed of a titanium layer, a nickel layer, and a copper layer from the outermost layer, a double-sided joining member formed by sequentially laminating a copper layer, a nickel layer, a stainless steel layer, a nickel layer, and a copper layer, and a copper layer An article formed by processing a composite material formed by joining a joining member laminated in the order of a nickel layer, a zinc layer, an aluminum layer, and a fluororesin layer with the copper layers facing each other.
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