JP5278348B2 - 接合用の合金 - Google Patents

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で開示した接合用合金は、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。

本発明者らが接合部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。

さらに、本発明者らは、上記特許文献２、３で開示した接合用合金での接合後の接合部靭性を改善するための接合合金箔を提案した（特許文献４参照）。特許文献４で開示した接合用合金箔は、接合部の靭性の改善を狙ったもので、その特徴は、接合用合金箔のＰ含有量を低減したことである。本発明者らが接合部靭性劣化の原因を調査したところ、含有するＰによるものであることが判明したためである。

しかしながら、液相拡散接合が適用可能な多くの用途の中には、接合部の強度と靭性の更なる改善が必要な用途があり、そのような用途で液相拡散接合の適用を実現するには、使用する接合用合金箔の更なる改善が求められていた。

特開平９−３２３１７５号公報 特開２００４−００１０６５号公報 特開２００４−１１４１５７号公報 特開２００５−２７９７４８号公報

本発明は、接合後の接合部の接合強度と靱性を一層改善できる液相拡散接合用の合金を提供することを課題とする。

本発明では、接合用合金の合金組成を最適化することで上記の課題を解決した。すなわち、本発明は、Ｓｉ、Ｐを添加しなくても、その他の添加元素の種類と量を工夫することで液相拡散接合用合金として使用可能な合金が得られることを見出したにことに基づきなされたものである。本発明の液相拡散接合用合金は、Ｓｉ、Ｐを含有しないことにより、接合後の接合強度と靭性の一層の向上を実現したものである。

本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１）原子％で、
Ｂ ：６％以上１８％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の合金。

（２）さらに原子％で、
Ａｌ：０．１％以上５％以下
を含有することを特徴とする前記（１）に記載の接合用の合金。

（３）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）又は（２）に記載の接合用の合金。

（４）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）〜（３）のいずれかに記載の接合用の合金。

（５）さらに原子％で、
Ｎｉ：０．１％以上１１．１％以下
を含有することを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の接合用の合金。

本発明の接合用合金によれば、液相拡散接合における接合部の接合強度と靭性を、従来の接合用合金を使用した場合と比較して、例えば、シャルピー衝撃試験での吸収エネルギー値で２倍程度まで良好な値を示すほど向上させることが可能となる。その結果、液相拡散接合の適用分野拡大が実現できることになる。

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、箔形成に重要である非晶質形成能の向上をＳｉやＰを用いることなく実現できる成分系を見出したことに起因するものであり、さらに、接合箔として具備すべき低融点化をも同時に可能とする。箔形成にあたり、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。

接合部の靱性劣化は、接合層の粒界にＰが濃縮していることによるものであり、Ｐの粒界偏析が原因である。本発明の接合用合金は、Ｐを用いないことでこの靭性の発現を抑制した。さらに、Ｓｉを含有しないことで、接合部強度劣化の原因となるＳｉＯ_２の生成を抑制した。

以下に成分限定理由を述べる。

Ｂは、６原子％未満では非晶質形成が困難となるため、６原子％以上とし、好ましくは ８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。

Ｃも非晶質形成能の向上に重要で、低融点化にも有効な元素である。０．１原子％未満ではそれらの効果は認められず、１０原子％超の過度の添加は接合層の特性劣化を招く。よって、Ｃの含有量を０．１原子％以上１０原子％以下とした。なお、Ｃの含有量は多い方がその効果を発現しやすく、１原子％以上とするのがより好ましい。

Ａｌも非晶質形成能に役立つ元素である。０．１原子％未満ではその効果は認められず、５原子％超となるともはやその効果は失われる。よって、Ａｌの含有量を０．１原子％以上５原子％以下とし、好ましくは０．５原子％以上である。

なお、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。

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、Ｃ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％以下とする必要があるが、実施例３３のＮi含有量に基いて、上限を１１．１％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。Ｓｉ、Ｐについても、それぞれ０．００５原子％以下の分析限界程度以下の含有量（通常の不可避的不純物量）であれば、特段問題とはならない。

もちろん、接合後の靭性改善の観点から、Ｐの含有量は極力少ない方が良いが、実際には合金を溶製する際に用いる鉄源やその他の合金類から不可避的不純物として含まれるのは避けられない。しかし、上記の分析限界程度に抑えれば問題なく、特段純度の良い鉄源や合金類を用いて製造コストを嵩張らせなくても、この分析限界程度内に抑えることは可能である。因みに、例えば０．０１％程度の極少量のＰでも靭性劣化が発現するのは、接合後の結晶粒界での偏析によるＰの濃化に起因する。

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、酸化雰囲気での使用に特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で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。Ｓｉ、ＰはＩＣＰ分析法で分析した結果、分析限界以下（０．００５原子％以下）であった。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。

鋳造の結果、比較例のＮｏ．３８、Ｎｏ．３９、Ｎｏ．４３、Ｎｏ．４９、Ｎｏ．５４、Ｎｏ．５６、Ｎｏ．５７及びＮｏ．５９は良好な箔が得られず、以後の接合実験を行うことができなかった。これは、非晶質形成能が低かったことによるものである。

表３、４の融点、接合雰囲気、接合強度における“−”は、試験未実施であることを意味する。それ以外は、本発明例、比較例とも問題なく鋳造でき、板厚が３０μｍ程度の良好な箔が得られた。

そして、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。

さらに、接合後の靱性を評価するために、シャルピー衝撃試験により、継手部の吸収エネルギーの測定を行った。衝撃試験に際しては、引張試験と同様に継手部からＪＩＳＺ２２０１号記載の４号衝撃試験片を切り出し、ＪＩＳＺ２２０１号記載の要領で行った。衝撃試験の温度は０℃とし、得られた結果は表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、対母材比で１．０を超える高い引張強度を示し、同時に吸収エネルギーが１５０Ｊを超える優れた靱性が得られた。高い靱性を示したのは、Ｐを含有させなかったことにより脆化を抑制できたためと考えられる。

これに対して、表３、表４に示したように、比較例では衝撃試験での吸収エネルギーで１５０Ｊを超えるものがあったが、引張強度の対母材比が１．０超となるものはなく、接合強度と靭性の両者を満足するものはなかった。

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、液相拡散接合は接合温度の低下や、一度に広い接合も可能とすることから、コスト・時間の削減の観点から産業上有益な接合方法である。本発明の接合用合金箔を用いることにより、この液相拡散接合の適用先拡大すなわち、接合コストの低減を広い範囲で可能とすることが実現できる。

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 (5)

1. 原子％で、
   Ｂ ：６％以上１８％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の合金。
2. さらに原子％で、
   Ａｌ：０．１％以上５％以下
   を含有することを特徴とする請求項１項に記載の接合用の合金。
3. 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又は２に記載の接合用の合金。
4. 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１〜３のいずれか１項に記載の接合用の合金。
5. さらに原子％で、
   Ｎｉ：０．１％以上１１．１％以下
   を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合用の合金。

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