(57)【要約】【課題】チタン部材と鋼部材とを接合し、接合強度が母材強度を上回る接合体を製造するに当たり、より効率良く製造することが可能な接合体の接合方法を提供する。【解決手段】本発明の接合方法は、チタン部材３１と鋼部材３２とをろう付け接合する方法であって、チタン部材３１に含まれるチタンと鋼部材３２に含まれる炭素との結合を阻害する材料からなる芯材１０の両面にろう材として機能する金属が固着したクラッドろう材１を用いてチタン部材３１と鋼部材３２とをろう付け接合することを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン部材と鋼部材とをろう付け接合する方法であって、
前記チタン部材に含まれるチタンと前記鋼部材に含まれる炭素との結合を阻害する材料からなる芯材の両面にろう材として機能する金属が固着したクラッドろう材を用いて前記チタン部材と前記鋼部材とをろう付け接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記金属は、Ｎｉ基ろう材であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記チタン部材は、Ｔｉ-Ａｌ合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン部材と鋼部材とをろう付け接合することを特徴とする接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両用エンジンのターボチャージャー（過給機）に使用されるインペラ（Ｔｉ‐Ａｌ合金などのチタン部材）と軸（低合金鋼などの鋼部材）の接合には強力な接合力が得られるＮｉ基アモルファスろう材を用いたろう付け接合が行われている。しかし、この方法によるときは、鋼部材中のＣおよびチタン部材中のＴｉがそれぞれ接合層内へ拡散し、両者が接合層内で反応する。この結果、接合部に脆い炭化物ＴｉＣが形成される。
一方、ガソリン車は燃費向上のため排気ガス温度上昇の傾向にあり、ターボチャージャーの使用温度が高くなりつつある。このような使用環境下では、Ｔｉ、Ｃの拡散および反応が促進され、使用中に接合部のＴｉＣ層が成長し、接合部強度が低下する。
【０００３】
このような問題に対して、特許文献１では、チタン部材と鋼部材との間に、フェライト系ステンレス鋼からなる中間材を挟み、チタン部材と中間材との間及び中間材と鋼部材との間に、Ｎｉロウを介在させて接合してなる接合体の技術が提案されている。これにより、チタン部材と鋼部材との間に挟んだフェライト系ステンレス鋼の中間材がバリアーとなって、接合時に鋼部材中のＣ成分が拡散してＴｉ成分と出会い、反応して炭化物ＴｉＣを形成することが防止される。
【特許文献１】特開２００６−２９７４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、チタン部材と鋼部材との間フェライト系ステンレス鋼からなる中間材のシートを挟み、チタン部材と中間材との間、および中間材と鋼部材との間に、それぞれＮｉロウの箔を挟み、接合部を、真空中または不活性ガス雰囲気内において、所定の温度及び圧力の条件で加熱、保持することにより製造している。ここで、チタン部材と鋼部材との間には、フェライト系ステンレス鋼の中間材のシート一枚と、チタン部材と中間材との間、および中間材と鋼部材との間に挟まれるＮｉロウの箔が二枚と、計三枚の構造からなっている。その結果、チタン部材と鋼部材とを接合する際の芯合わせが困難になるとともに製造工程が煩雑になるので、接合体を製造するに当たり効率良く製造することができない場合がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、チタン部材と鋼部材とを接合し、接合強度が母材強度を上回る接合体を製造するに当たり、より効率良く製造することが可能な接合体の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の接合方法は、チタン部材と鋼部材とをろう付け接合する方法であって、前記チタン部材に含まれるチタンと前記鋼部材に含まれる炭素との結合を阻害する材料からなる芯材の両面にろう材として機能する金属が固着したクラッドろう材を用いて前記チタン部材と前記鋼部材とをろう付け接合することを特徴とする。
この接合方法によれば、チタン部材と鋼部材とを結合する場合、チタン部材とクラッドろう材と鋼部材とを位置合わせした後、加熱加圧処理により、チタン部材と鋼部材とが、クラッドろう材を介して接合される。位置合わせは、３つの部材（チタン部材、クラッドろう材、鋼部材）のみであり、従来の中間材と２枚のＮｉロウ箔とを用いる場合に比べて容易となる。
【０００７】
本発明においては、前記金属は、Ｎｉ基ろう材であることが望ましい。また、本発明においては、前記チタン部材は、Ｔｉ-Ａｌ合金からなることが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、チタン部材と鋼部材とをろう付け接合する方法であって、前記チタン部材に含まれるチタンと前記鋼部材に含まれる炭素との結合を阻害する材料からなる芯材の両面にろう材として機能する金属が固着したクラッドろう材を用いて前記チタン部材と前記鋼部材とをろう付け接合する接合方法を採用することによって、チタン部材と鋼部材との間に別途ろう材を配置する必要がない。すなわち、チタン部材と鋼部材とを接合する際の芯合わせが容易になり、製品の製造効率を向上させた接合体とすることができる。また、この接合方法によれば、芯材がチタン部材と鋼部材とを隔離して拡散防止用のバリアー材としての働きをするため、チタン部材中のＴｉ成分と鋼部材中のＣ成分とが反応して脆い炭化物ＴｉＣが形成されることがなくなる。その結果、チタン部材と鋼部材との接合強度の低下を防ぐことができる。
したがって、本発明では、チタン部材と鋼部材とを接合し、接合強度が母材強度を上回る接合体を製造するに当たり、より効率良く製造することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００１０】
図１は、本発明の接合方法による、接合体の一例として、車両用エンジンの過給機に使用されるインペラ（チタン部材）３１と軸（鋼部材）３２との接合体３０を模式的に示した断面図である。接合体３０は、チタン部材３１と、３層構造のクラッドろう材１と、鋼部材３２とから構成されている。
【００１１】
チタン部材３１の材料としては軽くて高温強度に優れたＴｉ‐Ａｌ合金が好適である。鋼部材３２の材料としては、比強度及び靭性に優れた低合金鋼が好適である。低合金鋼は、炭素鋼に炭素以外の金属材料を少量（８％以下）添加した鋼部材であり、「強靭鋼」「高張力鋼」とも呼ばれ、その主なものとして、「クロムモリブデン鋼」「ニッケル・クロムモリブデン鋼」がある。
【００１２】
図２は本発明のクラッドろう材１の構成の一例を模式的に示している。クラッドろう材１は、金属からなる板状の芯材１０と、芯材１０の両面に形成されるろう材組成を有するクラッド層１１とから構成されている。後述するが、クラッドろう材１は、芯材１０の表面にろう材として機能する金属を圧着後、ろう材の融点近傍の温度に加熱して、ろう材が溶融あるいは焼結して層となり、芯材１０の表面に固着されることによって形成される。
【００１３】
芯材１０の材料としては、ろう材の融点よりも高い融点を持つ金属を用いることが望ましい。本実施形態では、低炭素ステンレス鋼のＳＵＳ３１６Ｌを形成材料とする。ＳＵＳ３１６Ｌはオーステナイト系ステンレス鋼であり、フェライト系ステンレス鋼よりも高温強度、加工性、靭性、疲労強度に優れている。また、ＳＵＳ３１６Ｌは、クロムニッケル系ステンレス鋼であり、主成分は、重量で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：１２％〜１５％、Ｃｒ：１６％〜１８％、Ｍｏ：２％〜３％となっている。また、芯材１０の厚さは、チタン部材３１と鋼部材３２とを隔離して拡散防止用のバリアー材としての機能を果たすことのできる厚さで良く、本実施形態では０．３ｍｍ（図２の１０ｔ）としている。
【００１４】
クラッド層１１のろう材組成の材料としては、チタン部材３１と鋼部材３２に対して良い濡れ性を有するものを用いることが望ましい。本実施形態では、Ｎｉベースのろう材であるＢＮｉ‐３を形成材料とする。クラッド層１１の厚さは、チタン部材３１と鋼部材３２の拡散接合を促す機能を果たすことのできる厚さで良く、本実施形態では芯材１０の両面に形成されるクラッド層１１の両方とも０．０４ｍｍ（図２の１１ｔ）としている。
【００１５】
図３は、本発明のクラッドろう材１の製造装置Ｄ１の概略構成図である。製造装置Ｄ１は、ホッパ２１と、ベルトフィーダ２２と、圧延ローラ２３と、プーリ２４と、加熱炉２５と、回収ローラ２６とを備えている。
【００１６】
ホッパ２１は、クラッド層１１の形成材料である粉末（Ｎｉろう材を含む原料粉末）１１Ａを収容するとともに、粉末１１Ａをベルトフィーダ２２に供給するように構成されている。
【００１７】
ベルトフィーダ２２は、粉末１１Ａを搬送し、圧延ローラ２３上から下方に粉末１１Ａを落下させることによって、圧延ローラ２３の周面（後述する圧延ローラ２３Ａの周面）に粉末１１Ａを供給する構成となっている。
【００１８】
圧延ローラ２３は、一対の圧延ローラ２３Ａと圧延ローラ２３Ｂとによって構成されている。圧延ローラ２３Ａがベルトフィーダ２２の下方に配置されている。圧延ローラ２３は、不図示の回転駆動機構により回転駆動されることによって、ベルトフィーダ２２を介して供給される粉末１１Ａと上方から挿通される板状のシート材１０Ａとを圧延ローラ２３Ａと圧延ローラ２３Ｂとの間によって圧延する構成となっている。そして、圧延ローラ２３は、圧延ローラ２３Ａ、２３Ｂ間においてシート材１０Ａ及び粉末１１Ａを圧着し、これによってシート材１０Ａの一方側の面に、粉末１１Ａからなる粉末層を形成する。
【００１９】
プーリ２４は、圧延ローラ２３の下方に配置されており、圧延ローラ２３によって粉末１１Ａが一方側の面に圧着されたシート材１０Ａを水平方向にガイドするように構成されている。
【００２０】
加熱炉２５は、一方側の面に配置された粉末１１Ａをシート材１０Ａごと、粉末１１Ａの融点近傍まで加熱することによって粉末１１Ａを溶融あるいは焼結させるものである。これによって、シート材１０Ａの一方側の面における粉末層が溶融あるいは焼結し、その後冷却されることによって、ろう材組成を有するクラッド層１１とされる。
【００２１】
回収ローラ２６は、加熱炉２５から排出されたシート材１０Ａ、すなわちクラッドシートを巻き取ることによって回収するものである。
【００２２】
このようにして構成された製造装置Ｄ１の動作について説明する。まず、製造装置Ｄ１はホッパ２１に収容された粉末１１Ａをベルトフィーダ２２によって圧延ローラ２３Ａの周面に供給する。
【００２３】
次いで、圧延ローラ２３Ａの周面に供給された粉末１１Ａは、圧延ローラ２３Ａの回転駆動によって、圧延ローラ２３Ａ、２３Ｂの間に供給され、圧延ローラ２３Ａ、２３Ｂの間に上方から下方へ挿通されて搬送される板状のシート材１０Ａの一方側の面に圧着されて配置される。
【００２４】
次いで、粉末１１Ａが圧着されたシート材１０Ａは、圧延ローラ２３Ａ、２３Ｂの下方に位置する加熱炉２５にプーリ２４を介して挿入され、粉末１１Ａの融点近傍の温度まで加熱される。この結果、粉末１１Ａからなる粉末層が溶融あるいは焼結して層となり、シート材１０Ａの表面にしっかりと固着されることによって、ろう材組成を有するクラッド層１１となる。
【００２５】
そして、クラッド層１１が形成されたシート材１０Ａ、すなわちクラッドシートが回収ローラ２６によって巻き取られることによって回収される。
【００２６】
以上の工程により、シート材１０Ａの一方側の面にクラッド層１１が形成されたクラッドシートが製造される。さらに、同様の工程をシート材１０Ａの他方の面に施した後、チタン部材３１と鋼部材３２とを接合する接合部の形状に合わせて裁断する工程を経ることにより、図１に示すような、芯材１０の両面にクラッド層１１が形成されたクラッドろう材１が製造される。
【００２７】
図４（ａ）は、従来技術の接合方法による、チタン部材３１と鋼部材３２の接合直前の各部材の配置を示した概略図である。従来技術の接合方法は、チタン部材３１と鋼部材３２との間に、フェライト系ステンレス鋼からなる中間材１３のシートを挟み、チタン部材３１と中間材１３の間、および中間材１３と鋼部材３２との間に、それぞれＮｉロウ１４の箔を挟む工程を経ていた。そして、接合部を、真空中または不活性ガス雰囲気中において、温度がＮｉロウ１４の融点を超えて１１５０℃以下である温度に加熱して、１．５〜７．０ＭＰａの圧力を加え、その条件に１０〜１８０秒間保つことから接合していた。
【００２８】
図４（ｂ）は、本実施形態の接合方法による、チタン部材３１と鋼部材３２の接合直前の各部材の配置を示した概略図である。本実施形態の接合方法は、チタン部材３１と鋼部材３２との間に、芯材１０の両面にろう材組成を有するクラッド層１１が形成されたクラッドろう材１を挟む工程を経る。そして、前述の従来技術の接合条件（雰囲気、温度、圧力、保持時間）にて接合される。
【００２９】
図５は、チタン部材３１と鋼部材３２の接合において、Ｎｉ基アモルファスろう材１２のみを使用した場合の接合部（接合体）３０Ａを模式的に示した断面図である。接合体３０Ａは、Ｎｉ基アモルファスろう材１２の一方の面にチタン部材３１を有し、他方の面に鋼部材３２を有して構成されている。
【００３０】
接合体３０Ａの接合は、Ｎｉ基アモルファスろう材１２を挟んだ両方の部材の成分が相互に拡散して反応することが避けられない。チタン部材３１中のＴｉ成分と、鋼部材３２中のＣ成分とが拡散して反応すると、脆い炭化物ＴｉＣ４０Ａが形成される。そして、使用中に反応が促進していくとＮｉ基アモルファスろう材１２の中に、炭化物ＴｉＣ４０Ａの層（炭化物層）４０が形成される。これにより、接合強度が接合当初と比較して低下する場合がある。
【００３１】
図６は、チタン部材３１と鋼部材３２の接合において、芯材１０の両面にクラッド層１１が形成された三層構造からなるクラッドろう材１を使用した場合の接合部（接合体）３０Ｂを模式的に示した断面図である。接合体３０Ｂは、クラッドろう材１の一方の面にチタン部材３１を有し、他方の面に鋼部材３２を有して構成されている。
【００３２】
接合体３０Ｂの接合は、前述の接合体３０Ａと同様に拡散接合により行われる。前述の接合体３０Ａの接合は、Ｎｉ基アモルファスろう材１２のみを用いているのに対して、接合体３０Ｂの接合は三層構造からなるクラッドろう材１を用いている。この三層構造によれば、クラッドろう材１中の芯材１０がチタン部材３１と鋼部材３２とを隔離して拡散防止用のバリアー材としての働きをする。その結果、チタン部材３１中のＴｉ成分と鋼部材３２中のＣ成分とが反応して接合部に脆い炭化物ＴｉＣ４０Ａの形成されること、さらには炭化物層４０が形成されることを防ぐことができる。これにより、チタン部材３１と鋼部材３２とを接合するに当たり、接合強度が使用中に低下することのない、信頼性の高い製品が提供できる。
【００３３】
なお、本実施形態では、チタン部材３１と鋼部材３２との間は、予めろう材組成を有する三層構造のクラッドろう材１からなっているので、別途ろう材を配置する必要がない。また、フェライト系ステンレス鋼の中間材のシート一枚とＮｉロウの箔が二枚とからなる計三枚の構造に比べて、三層構造のクラッドろう材１は一枚のみからなるため、チタン部材３１と鋼部材３２とを接合する際の芯合わせが容易になる。したがって、製造工程が簡素化するので、接合体を製造するに当たり効率良く製造することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、基材１０がチタン部材３１と鋼部材３２とを隔離して拡散防止用のバリアー材としての働きをするため、チタン部材３１中のＴｉ成分と鋼部材３２中のＣ成分とが反応して脆い炭化物ＴｉＣ４０Ａが形成されることがなくなる。その結果、チタン部材３１と鋼部材３２との接合強度の低下を防ぐことができる。
【００３５】
また、本実施形態では、ろう材として機能する金属１１Ａの材料は、Ｎｉ基ろう材を使用しているので、より信頼性の高い接合体３０を得ることできる。より具体的には、この構成によれば、耐熱性、耐食性に優れ、鉄系母材に濡れ性が良いので、チタン部材３１と鋼部材３２を良好に接合することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、チタン部材３１の材料はＴｉ‐Ａｌ合金を使用しているので、より信頼性の高い接合体３０を得ることできる。より具体的には、この構成によれば、チタンとアルミニウムの金属間化合物（チタンアルミナイド）からなり、高温において、アルミニウムの酸化物が表面に緻密な保護性被膜を形成するので、優れた耐酸化性を得ることができる。また、従来より耐熱構造材料として使用されているニッケル基超合金に比べて軽量なので、製品の軽量化を図ることができる。
【００３７】
以上、車両用エンジンのターボチャージャー（過給機）に使用されるインペラ（Ｔｉ‐Ａｌ合金などのチタン部材）３１と軸（低合金鋼などの鋼部材）３２の接合方法に関して説明してきたが、本発明は、エンジンバルブのヘッドとステムの接合方法にも適用できるだけでなく、チタン部材と鋼部材との拡散接合に関して、本発明は広い用途をもつ。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のクラッドろう材を使用した接合体の断面図である。
【図２】本発明のクラッドろう材の模式図である。
【図３】本発明のクラッドろう材の製造装置の概略図である。
【図４】接合体の接合方法の概略図である。
【図５】Ｎｉ基アモルファスろう材のみを使用した接合部の断面図である。
【図６】本発明のクラッドろう材を使用した接合部の断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…クラッドろう材、１０…芯材、１１…クラッド層、１１Ａ…粉末（ろう材として機能する金属）、３１…チタン部材、３２…鋼部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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