JP6817936B2 - 予備焼結されたろう付け - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１４年１１月２１日に出願された「予備焼結されたろう付け」という名称の米国仮出願第６２／０８２，７３６号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、ろう付けによる部品の接合プロセスに関し、より詳細には、Ｈ₂−Ｎ₂雰囲気中で粉末金属をろう付けするための改良された方法および装置に関する。

粉末金属部品は、一般に特殊な雰囲気中でろう付けされる。ろう付けは、焼結プロセス後または焼結プロセス中に行うことができる。ろう付けは、金属の望ましくない酸化を引き起こす可能性のある非常に高い温度を必要とすることがある。このような酸化を避けるために、空気以外の雰囲気の使用を必要とすることがある。

ろう付け雰囲気は、一般に、標準的なＨ₂−Ｎ₂雰囲気で達成され得るものよりも強い還元電位を必要とする。典型的には、これは、吸熱ガス、メタンまたはＣＯ／ＣＯ₂の使用あるいは系内での投与によって達成され得る。しかし、このような方法には欠点がある。

添加のステップにて組成物を添加すると、ろう付けプロセスが複雑になり、さらなるエラーを引き起こしうる。さらに、追加された部品は、製造コストならびに廃棄物およびスクラップを増加させる。したがって、改善されたシステムおよび方法が必要とされる。

本出願は、第１の金属部品と第２の金属部品の連続表面の間に挿入された予備焼結された粉末金属の冶金接合部によって前記第２の金属部品に結合される前記第１の金属部品を有する物品を記載する。粉末金属は、鉄、炭素、銅、ニッケル、モリブデン、クロム、マンガン、またはそれらの２つ以上の組み合わせから選択することができる。さらに、粉末金属は、銅溶浸プロセスによって製造することができる。

粉末金属は、空気、水素、窒素、ヘリウム、メタン、エンドガス、またはそれらの２つ以上の組み合わせからなる雰囲気中で予備焼結されてもよい。さらに、粉末金属は、約３００°Ｆ〜１５００°Ｆの温度で予備焼結されてもよい。一実施形態では、粉末金属は潤滑剤を含まない。一実施形態では、粉末金属はフラックス剤を含まない。

一実施形態では、物品の冶金接合部は、ろう付けプロセスによって形成される。ろう付けプロセスは、Ｈ₂−Ｎ₂雰囲気中で行うことができる。

冶金接合部の破断強度は、少なくとも３５０００ｋＮ、少なくとも４５０００ｋＮ、または少なくとも５５０００ｋＮであってもよい。

本出願はまた、予備焼結された粉末金属を含む、ろう付けプロセスで使用するための組成物を記載する。本出願はまた、以下のステップを含むろう付けのためのプロセスを記載する：粉末金属を予備焼結するステップ；前記予備焼結された粉末金属を第１および第２の金属部品に添加するステップ；前記予備焼結された粉末金属を含有する前記第１および第２金属部品の組み合わせを、前記粉末金属が溶融して金属部品を接合することで冶金接合部を形成するまで加熱するステップ。

本技術の動作は、以下の図に関連してなされた詳細な説明を参照することにより、よりよく理解されるであろう。

図１は、ろう付け前およびろう付け後の金属部品およびろう付けペレットを示す。 図２Ａ〜２Ｄは、ペレットが溶融され、接合される金属部品と合金化された後の、金属部品内のろう付けペレットの様々な拡大図を示す。 図３Ａ〜３Ｂは、様々なトルク試験器具を示す。 図４Ａ〜図４Ｄは、様々な引張試験器具を示す。

発明の詳細な説明

ここで、本出願の例示的な実施形態を詳細に参照し、その例を添付図面に示す。他の実施形態が利用されてもよく、構造上および機能上の変更は、本出願のそれぞれの範囲から逸脱することなく行われてもよいことを理解されたい。さらに、種々の実施形態の特徴を、本出願の範囲から逸脱することなく組み合わせ、または変更することができる。このように、以下の説明は、説明のみを目的として提示されており、例示された実施形態に対してなすことができ、かつ依然として本出願の趣旨および範囲内にある様々な変更および修正を決して限定するべきではない。

予備焼結されたろう付けの方法が一般に提示される。現在知られ、利用されている方法とは異なり、予備焼結されたろう付け方法は、ろう付けプロセスの間に使用される添加のステップおよび添加剤の必要性を軽減する。典型的なろう付けプロセスでは、吸熱ガスおよびメタンのような添加剤の投与を介して従来のＨ₂−Ｎ₂雰囲気を変更する必要がある。提示された予備焼結されたろう付け方法は、このように雰囲気を変更せずにろう付けを可能にする。

ろう付けプロセスは、典型的には、溶加材を媒体として使用して金属部品を接合するために使用される。溶加材は、その融点を超えて加熱され、金属部品の間に分配される。

一般に、ろう付けプロセスにおいて接合媒体としてろう付けペレットが使用される。ろう付けペレットは、ペレット状にプレスされる粉末金属などの任意の適切な材料から形成されてもよい。適切な粉末金属の例としては、真鍮、青銅、銅、スズ、マンガン、シリコンおよび他の一般金属の組み合わせの合金が挙げられるが、これらに限定されない。ろう付けペレットは、成形潤滑剤およびフラックス材料などの添加剤をさらに含んでもよい。潤滑剤およびフラックス材料は、粉末金属中に含有され、ペレットに形成されてもよい。適切な潤滑剤およびフラックス材料の例としては、ホウ砂、塩化物、フッ化物、リン酸塩、ワックス、ステアリン酸塩およびステアリン酸金属塩が挙げられるが、これらに限定されない。

図１は、ろう付けプロセスで使用される部品を示す。第１の金属部品であるスパイダ１０、第２の金属部品であるフランジ１２を示す。スパイダ１０およびフランジ１２は、鋼および他の合金を含むが、これに限定されない任意の適切な金属で形成されてもよい。スパイダ１０は、全体的に平面状基部１６に固定された１つ以上のアーム１４を含んでもよい。基部１６は、図１に示されるように全体的に円形であってもよいし、正方形、長方形、楕円形、五角形、六角形などを含むが、これに限定されない任意の他の適切な形状であってもよい。本教示は、本明細書に記載される形状に限定されない。任意形状の基部１６を利用することができる。いくつかの実施形態では、スパイダ１０の平面状基部１６は、中央開口部１８と、平面状基部１６から外向きに延びる１つ以上のアーム１４とを有することができる。アーム１４は、丸形、直方体、円筒形、円形などを含むが、これに限定されない任意の適切な形状とすることができる。さらに、アーム１４は、拡大ローブ、鈍端、テーパ端、丸みを帯びた遠位端、Ｔ字形遠位端、Ｙ字形遠位端などを含むが、これに限定されない任意の所望の形状で終端することができる。スパイダ１０のアーム１４の数は、例えば１つから６つ、またはそれ以上など、変化してもよい。アーム１４は、平面状基部１６の縁のまわりで均等に間隔を空けてもよく、または異なるアーム１４の間の距離が変化してもよい。アーム１４間の間隔は、流体および固体材料の移動を可能にすることができる。

フランジ１２は、図１に示すように全体的に円形の形状であってもよいし、正方形、長方形、楕円形、五角形、六角形などを含むが、これに限定されない任意の他の適切な形状であってもよい。本教示は形状によって限定されず、任意の適切な形状を利用することができる。フランジ１２は、上面２０および下面（図示せず）を有することができる。フランジ１２は、全体的に凸形状、全体的に平面形状、または全体的に凹形形状を有してもよく、スパイダ１０のアーム１４をその下側で受容して、かつ／または接触するように構成されてもよい。フランジ１２は、中央開口部２２と、中央開口部２２を囲む上面２０にペレット２６を受け入れるように設計された開口部２４とを含むことができる。

スパイダ１０およびフランジ１２は、自動車のトランスミッションのキャリア部分２８を形成するように組み合わせることができる。一実施形態では、スパイダ１０のアーム１４がフランジ１２の開口部２４と一致するように、フランジ１２をスパイダ１０の上に配置することができる。この位置決めにより、ろう付けペレット２６がスパイダ１０およびフランジ１２の両方に接触することが可能になる。本出願では、スパイダ１０およびフランジ１２について説明するが、本明細書に記載のろう付けプロセスを使用して、あらゆるタイプの金属部品に適用することができることを理解されたい。

図１はさらに、ろう付けペレット２６を示す。ろう付けペレット２６は、粉末金属、潤滑剤、およびフラックス材料から形成することができる。適切な粉末金属および合金の例としては、鉄、炭素、銅、ニッケル、モリブデン、クロム、マンガン、シリコン、ホウ素、およびそれらの２種以上の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、ペレット２６は、銅溶浸プロセスを用いて構築された合金を含むことができる。適切な潤滑剤およびフラックス材料の例としては、ホウ砂、塩化物、フッ化物、リン酸塩、アミドワックス、またはステアリン酸金属塩が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、ペレット２６は潤滑剤を一切含まない。いくつかの実施形態では、ペレット２６はフラックス材料を一切含まない。いくつかの実施形態では、ペレット２６は、潤滑剤及びフラックス材料を一切含まない。

ろう付けペレット１６は、円形、直方体、円筒形などを含むが、これに限定されない任意の適切なペレット形状およびサイズに形成することができる。ろう付けペレット２６は、３〜１０ｍｍの平面寸法または０〜１０ｍｍの長さ寸法を含むが、これに限定されない任意の適切なサイズのペレットに形成することができる。ろう付けペレット２６は、アミドワックス、ステアリン酸金属塩、ならびに他の独自の潤滑剤および／またはフラックス剤のようなプレス潤滑剤を含む任意の市販のろう粉末または予め形成されたろう合金の物品から選択することができる。これらの市販のろう粉末および予め形成されたろう合金の物品の例としては、Ｈｏｅｇａｎａｅｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＡＮＣＯＲＢＲＡＺＥ ７２が挙げられる。

プロセスの第１ステップ、すなわち予備焼結ステップでは、ろう付けペレット２６を熱処理してろう合金から潤滑剤を除去することができる。これは、ペレット２６からの潤滑剤材料を溶融および／または蒸発させる所望の温度にペレット２６を特別に加熱することによって達成され得る。一実施形態では、所望の温度は、約３００°Ｆ〜１５００°Ｆ、約４００°Ｆ〜１４００°Ｆの間；約５００°Ｆ〜１３００°Ｆの間；約６００°Ｆ〜１２００°Ｆの間；約７００°Ｆ〜１１００°Ｆの間；約８００°Ｆ〜１０００°Ｆの間；さらに約８５０°Ｆ〜９５０°Ｆの間であり得る。一実施形態では、熱処理温度は、約１２００°Ｆ〜約１９００°Ｆの間であってもよい。しかしながら、潤滑材料をペレット１８のろう合金から除去するのに必要な任意の適切な温度を使用することができることを理解されたい。

予備焼結プロセスは、炉、オーブン、実験室、または他の適切な環境で行うことができる。予備焼結環境は、空気、水素、窒素、ヘリウム、メタン、エンドガス、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含むが、これに限定されない任意の適切な雰囲気を組み込むことができる。

潤滑材料がペレット１８のろう合金から除去されると、ろう付けペレット２６をろう付けプロセスに使用することができる。ろう付けプロセスの第１ステップでは、スパイダ１０のアーム１４がフランジ１２の開口部２４と一致するように、フランジ１２をスパイダ１０の上に配置することができる。図１に示すように、ペレット２６は、フランジ１２の開口部１７内に配置されてもよい。開口部１７は、ペレットおよびろう合金がスパイダ１０およびフランジ１２の両方に接触できるように特別に設計されてもよい。

ろう付けペレット２６が開口部１７内に適切に配置されると、金属部品を炉内に配置することができる。ろう付けは、酸化を引き起こす可能性がある非常に高い温度を必要とするので、炉は空気以外の雰囲気を利用してもよい。例えば、炉は、酸化を避けるために、Ｈ₂−Ｎ₂、Ｈｅ、および／またはＡｒ雰囲気の任意の組み合わせを使用することができる。

メタンまたはＣＯ／ＣＯ₂などの吸熱ガスの使用またはシステム内での投与から利益を受ける現在のろう付けプロセスとは異なり、このような添加剤は必要ではない。炉は、吸熱ガス添加剤またはメタン投与を全く伴わずに、Ｈ₂−Ｎ₂雰囲気を利用することができる。吸熱ガスを添加またはメタンを投与することが全くなく、ろう付けペレットの予備熱処理後に許容可能な濡れ強度およびろう付け界面強度を提供するには、Ｈ₂−Ｎ₂雰囲気で十分である。

スパイダ１０およびフランジ１２を加熱した後、ペレット２６は溶融してスパイダ１０およびフランジ１２の金属と合金化し、スパイダ１０とフランジ１２との間にろう付け接合部３０が形成される。最終ろう付け部分３０を図２Ａに示す。図２Ｂは、ろう付け接合部３０の７倍拡大図を示す。図２Ｃは、ろう付け接合部３０の１０倍の拡大図を示す。図２Ｄは、ろう付け接合部３０の５０倍の拡大図を示す。

ろう付け接合部は、焼結されたろう付けペレットを利用しないろう付け接合部と比較して、改善された強度を有することができる。以下の表１に示すように、「グリーンピル」、すなわち非予備焼結ペレットで作製されたろう付け接合部の破断の平均は、予備焼結ペレットで作製されたろう付け接合部よりも低い平均破断（ｋＮ）を有する。破断強度は、ベース金属のうちの１つが破損すること、またはろう付け接合部自体が破損することのいずれかによってアセンブリを分離するように加えられる引張力である。試験としては純粋な引張試験を実施してもよく、図３Ａ〜３Ｂおよび４Ａ〜４Ｄに示すトルク試験を適用して行ってもよい。

試料Ｂ、ＣおよびＤを、空気中で脱水させ（ｄｅｌｕｂｅｄ）、Ｈ₂−Ｎ₂でろう付けした。試料Ｅを窒素中で脱水し、Ｈ₂−Ｎ₂でろう付けした。予備焼結された試料（試料Ｂ、ＣおよびＤ）を用いた冶金接合部の平均は、対照の２９４２１ｋＮの破断平均値と比較して５７７６１ｋＮの破断平均値を有し、これはほぼ２倍の値である。したがって、ろう付けペレット２６の予備焼結により、ろう付け製品の破断平均値、ひいては強度が増加する。一実施形態では、予備焼結された試料を使用する冶金接合部の平均破断強度は、３５０００ｋＮより大きくてもよい。一実施形態では、予備焼結された試料を使用する冶金接合部の平均破断強度は、４５０００ｋＮより大きくてもよい。一実施形態では、予備焼結された試料を使用する冶金接合部の平均破断強度は、５５０００ｋＮより大きくてもよい。一実施形態では、予備焼結された試料を使用する冶金接合部の平均破断強度は、６００００ｋＮより大きくてもよい。

上記は、フランジとスパイダが接合され、キャリア部分を形成するように構成された例であるが、この技術は、あらゆる適切な部品に使用することができる。例えば、この技術は、自動車産業において、ストレスの強い状況に直面する際に強度を必要とする部品を形成するのに有用である。一実施形態では、この技術は、エンジン部品および／またはトランスミッション部品に使用され得る。この技術は、航空宇宙産業、製造業、建設業などの自動車産業以外の他の分野でも利用できる。

本出願の実施形態を、添付の図面に示し、かつ前述の詳細な説明に記載しているが、本出願は、開示された実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載の用途には、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの再編成、修正および置換を行うことができることを理解されたい。以下の特許請求の範囲は、特許請求の範囲またはその均等物の範囲内に入る限り、すべての修正および変更を含むことが意図されている。

Claims (6)

1. 第１の金属部品と第２の金属部品の連続表面の間に挿入された予備焼結されたろう付けペレットの溶融固化物である冶金接合部によって前記第２の金属部品に連動接合される前記第１の金属部品を含み、前記第１の金属部品がキャリア部分のスパイダを含み、前記第２の金属部品が前記キャリア部分のフランジを含む、前記キャリア部分を含む物品を製造する方法であって、
   粉末金属、潤滑剤及びフラックス材料を用いてろう付けペレットを形成し、前記ろう付けペレットを予備焼結して前記潤滑剤及び前記フラックス材料を除去し、予備焼結されたろう付けペレットを形成することと、
   前記予備焼結されたろう付けペレットを、前記第１の金属部品と前記第２の金属部品とをろう付けすべき位置に配置することと、
   前記予備焼結されたろう付けペレットを含有する前記第１および第２金属部品の前記キャリア部分を形成する組み合わせを、前記予備焼結されたろう付けペレットが溶融して金属部品を接合することで冶金接合部を形成するまで加熱することと、を含み、
   前記潤滑剤及び前記フラックス材料が、ホウ砂、塩化物、フッ化物、リン酸塩、ワックス、ステアリン酸塩およびステアリン酸金属塩からなる群より選択される、製造方法。
2. 粉末金属が、鉄、炭素、銅、ニッケル、モリブデン、クロム、マンガン、またはそれらの２つ以上の組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の製造方法。
3. 銅溶浸プロセスによって合金を製造することを含み、前記ろう付けペレットが、前記合金を含む、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記ろう付けペレットが、水素、窒素、ヘリウム、メタン、エンドガス、またはそれらの２つ以上の組み合わせからなる群から選択される雰囲気中で予備焼結される、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記ろう付けペレットが、３００°Ｆ〜１５００°Ｆの温度で予備焼結される、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記ろう付けプロセスが、Ｈ₂−Ｎ₂雰囲気中で行われる、請求項１に記載の製造方法。