(57)【要約】【課題】金属薄板間を、比較的低温で効率的に拡散接合できる技術の確立。【解決手段】拡散接合の対象となる複数の金属薄板22間に、水素とアルゴンの混合ガスによるプラズマ24を生成し、各金属薄板22の両面に形成された不動態膜26の少なくとも一部を除去する。【効果】この金属薄板の表面清浄化方法の場合、アルゴンによる物理的な活性化作用と、水素による化学的な還元作用によって金属薄板の不動態膜を除去する手法を採用しているため、比較的低温での処理が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散接合の対象となる金属薄板の少なくとも一面側に、水素とアルゴンの混合ガスによるプラズマを生成し、金属薄板の表面に形成された不動態膜の少なくとも一部を除去する金属薄板の表面清浄化方法。
【請求項２】
上記水素とアルゴンの混合比率を調整することにより、アルゴンによる物理的な活性化作用と、水素による化学的な還元作用の最適化を図ることを特徴とする請求項１に記載した金属薄板の表面清浄化方法。
【請求項３】
複数枚の金属薄板を、相互に所定の間隔をおいて配置し、
各金属薄板の両面間においてプラズマを生成することを特徴とする請求項１または２に記載した金属薄板の表面清浄化方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかの表面清浄化処理を施した複数の金属薄板を積層し、
所定時間、所定の温度と圧力を加えることにより、各金属薄板の表面同士を拡散接合することを特徴とする金属薄板の接合方法。
【請求項５】
真空槽内において、複数の金属薄板を積層した積層体を配置すると共に、
この積層体の上面及び下面に、熱伝導性に優れた絶縁材よりなる離型材を配置し、
各離型材の表面に、誘導加熱可能な金属材よりなる加熱材を配置し、
各加熱材の表面に、それぞれ熱伝導率の低い絶縁材よりなる断熱材を配置し、
上記真空槽の外部に配置された誘電加熱用のコイルに高周波電流を流すと同時に、上記断熱材の表面に圧力を加えることにより、各金属薄板間を拡散接合することを特徴とする請求項４に記載した金属薄板の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属薄板接の表面清浄化技術に係り、特に、複数枚の薄いステンレス製薄板等を拡散接合するに際し、各薄板の表面を清浄化（活性化）する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロポンプに代表される金属微小機械要素では、その機能性能向上のため、複雑な内部構造を有する。
例えば、マイクロポンプの場合、駆動板＋溶液貯蔵部に加え、吸い込み・掃き出しのための弁＋液量調整部＋入口出口部など、（２＋６）層の多層構造を必要とする。
これら１つ１つを、切削プロセスあるいはケミカルエッチングで作製したとしても、最終的にそれらを接合し、一体化する必要がある。
【０００３】
広く一般に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼材では、融点以下の温度で固相接合する拡散接合工法により、複数の部材を接合する技術が実用化されてきている。
これは、金属板同士を真空中で所定の温度まで加熱した状態で接合面を加圧し、しばらく保持すると金属の拡散現象により接合されるというものであり、接着剤等の介在物に頼らずに、接合面を確実に接合させることができる技術である（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】拡散接合（熱圧着）とは  インターネットURL:http://www.yama-tech.com/kakusan/  検索日：２０１８年３月１２日
【０００４】
拡散接合によって必要な接合強度を確保するためには、事前にステンレス板表面の不動態膜（主としてクロム酸化物）を除去しておくことが求められる。
このため、従来の拡散接合では、図１４に示すように、ステンレス材表面の不動態膜に含まれる酸化物や炭化物が約９００℃で母材に吸収される効果を利用し、実加工条件として９００℃以上の温度が選択されてきた（非特許文献２参照）。
【非特許文献２】ステンレス鋼の拡散接合に及ぼす表面組成の影響／日本金属学会誌第５６巻第５号（１９９２年）５７９〜５８５頁，大橋  修，菅  誠一郎
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来の通電加熱法では、９００℃以上の加熱保持とともに、高温下での比較的長時間（例えば２時間）にわたる加圧負荷保持が必要となるため、高温保持・加圧負荷時間中の変形及び材質変化、不均一な加熱によるゆがみ、冷却時の変形、残留応力増大、１つの製品生産タクト時間の増大、といった多くの課題を抱えている。
【０００６】
特に、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、９００℃以上の温度を保持している間に、結晶粒は再結晶化を伴い成長する。このため、母材の強度や延性を拡散接合前後で維持したい場合には、拡散接合温度をできるだけ下げ得る技術の開発が望まれている。
【０００７】
オーステナイト系ステンレス鋼の拡散接合温度の低温化では、これまでに特許文献１及び特許文献２等が報告されている。
【特許文献１】特許第６０８２８６６号
【特許文献２】特開２０１６−１４０８８３
【０００８】
特許文献１では、一般的なオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４に対し、事前に９０％の圧下を加えておいたＷＣ材を用いて拡散接合を行っている（同文献の実施例６）。
この場合、図１５に示すように、「引きはがし強度：２ＫＮ」のポイントで比較すると、ひずみの除去と溶体化処理を加えただけのＳＯＬ材が８００℃の接合温度であるのに対し、上記ＷＣ材の場合には７００℃近くまで低温化できることが確かめられている。
【０００９】
しかしながら、この方法の場合、試料に対し予めエメリー紙とバフ研磨を施し、不動態膜の除去や面粗さの向上が図られている。
また、接合時間を３０分とした結果であるが、実用条件では３０分以上の加熱保持時間を必要とすることが予想される。
さらに、専用の強圧下材料を準備する必要があり、簡便性に欠けていると言わざるを得ない。
【００１０】
特許文献２は、ＳＵＳ３０４に対しギ酸やクエン酸等の有機酸による煮沸を行うことで、ステンレス材の表面に有機酸塩皮膜を生成して活性化させる手法である。
これにより、図１６に示すように、２つの試料を拡散接合後に引きはがした引きはがし強度（Peel strength）は、ギ酸（FA）及びクエン酸（CA）共に１０７３Ｋ（８００℃）で約３００Ｎを示し、未処理品（as polished）に対して３倍近い強度を達成している。
しかしながら、金属薄板の表面に有機酸塩皮膜を生成すること自体が大変な手間となり、やはり簡便性に欠けていた。
【００１１】
これらの例から分かるように、オーステナイト系ステンレス鋼表面の不動態膜を低温下で効率的に除去しつつ、拡散接合温度をも低温化するプロセスは、これまでのところ構築されてきていないと考えるのが一般的である。
この発明は、このような従来技術の問題点を解決するために案出されたものであり、金属薄板間を、比較的低温で効率的に拡散接合することができる技術の確立を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載した金属薄板の表面清浄化方法は、拡散接合の対象となる金属薄板の少なくとも一面側に、水素とアルゴンの混合ガスによるプラズマを生成し、金属薄板の表面に形成された不動態膜の少なくとも一部を除去することを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載した金属薄板の表面清浄化方法は、水素とアルゴンの混合比率を調整することにより、アルゴンによる物理的な活性化作用と、水素による化学的な還元作用の最適化を図ることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載した金属薄板の表面清浄化方法は、複数枚の金属薄板を、相互に所定の間隔をおいて配置し、各金属薄板の両面間においてプラズマを生成することを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載した金属薄板の接合方法は、請求項１〜３の何れかの表面清浄化処理を施した複数の金属薄板を積層し、所定時間、所定の温度と圧力を加えることにより、各金属薄板の表面同士を拡散接合することを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載した金属薄板の接合方法は、真空槽内において、複数の金属薄板を積層した積層体を配置すると共に、この積層体の上面及び下面に、熱伝導性に優れた絶縁材よりなる離型材を配置し、各離型材の表面に、誘導加熱可能な金属材よりなる加熱材を配置し、各加熱材の表面に、それぞれ熱伝導率の低い絶縁材よりなる断熱材を配置し、上記真空槽の外部に配置された誘電加熱用のコイルに高周波電流を流すと同時に、上記断熱材の表面に圧力を加えることにより、各金属薄板間を拡散接合することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１及び２に記載した金属薄板の表面清浄化方法にあっては、アルゴンによる物理的な活性化作用と、水素による化学的な還元作用によって金属薄板の不動態膜を除去する手法を採用しているため、比較的低温での処理が可能となる。
この結果、金属薄板のゆがみや変形等を抑制しつつ、金属薄板の不動態膜を短時間で効率よく除去することが可能となる。
【００１８】
請求項３に記載した金属薄板の表面清浄化方法にあっては、一度の処理で複数の金属薄板の両面に形成された不動態膜を効率的に除去することが可能となる。
【００１９】
請求項４に記載した金属薄板の接合方法の場合、プラズマ処理によって不動態膜が事前に除去された金属薄板同士を拡散接合するものであるため、従来の接合方法に比べ、より低温での接合が可能となる。あるいは、従来と同程度の高温で接合する場合には、より高い接合強度を実現することができる。
【００２０】
請求項５に記載した金属薄板の接合方法の場合、所謂高周波誘導加熱（IH／induction heating）の原理により、金属薄板の積層体を加熱材によって効率的に加熱し、複数の金属薄板間を一度に拡散接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、金属薄板の表面清浄化に用いるＲＦ−ＤＣプラズマ装置10の構造を示す模式図であり、真空チャンバ12と、その内部に配置されたＤＣバイアス14と、一対のＲＦ電極16と、真空チャンバ12の外部に配置されたＲＦ発振器18とを備えている。
図示は省略したが、真空チャンバ12の外部には、ＲＦ発振器18の制御装置と、ＤＣバイアス14の制御装置と、冷却装置が設置されている。
【００２２】
上記真空チャンバ12内には、水平方向に配置された物干し竿状の治具20によって、複数の金属薄板22が縦向きに吊り下げられている。
各金属薄板は、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレスシートよりなり、相互間に所定の距離が確保されている。
図２に示すように、真空チャンバ12内には一対の治具20が、前後に並列的に配置されており、各治具には４枚の金属薄板22が吊り下げられている。このため、合計で８枚の金属薄板22が、一度にセットされる。
【００２３】
つぎに、真空チャンバ12内を所定の基準圧力まで排気した後に、アルゴンと水素の混合ガスを所定圧力まで導入・保持しつつ、ＲＦ電圧とＤＣバイアス電圧を付加してプラズマを点火する。この際、外部加熱は行わない。
図３は、このプラズマの発生状態を示す写真であり、縦方向に配置された各金属薄板22の間にプラズマ24が誘起され、それぞれの両面が同時に清浄化されることが確認できる。
【００２４】
金属薄板22の母材表面には、図４(a)に示すように、クロム酸化物等よりなる不動態膜26が形成されているが、アルゴンのスパッタによる物理的作用と、水素による化学的作用により、７５０℃以下の低温下において、不動態膜26を薄く、かつ断続化させることができる（図４(b)参照）。
【００２５】
このように、この発明ではアルゴンによる物理的な表面活性化と、水素による化学的な還元作用を利用する。
そして、100％のアルゴンでは化学的な効果が欠如し、100％の水素では物理的な効果が期待できないため、両者の最適な比率を考察することが求められる。
【００２６】
ここでは、アルゴンを希釈する形で水素流量を増加させ、各濃度でのプラズマ診断を行い、分光測定診断により、励起アルゴン核種（波長：７４０ｎｍ）の強度と励起水素核種（波長：６１０ｎｍ）との比率をパラメータとし、その変化を調査した。
【００２７】
この結果、図５に示すように、水素濃度２０％において水素の強度が最大となった。これにより、アルゴンによる物理的なスパッタ効果に対して、水素による還元作用を最大化できる。
ただし、この発明は、水素濃度２０％に限定されるものではない。
【００２８】
図６は、プラズマ清浄化処理の効果を示すＳＥＭ像である。
まず図６(a)は、厚さ10μｍの金属薄板22に対し、標準的な化学清浄化処理を施した後の表面性状を示すものであり、一面が目の粗い凹凸に覆われている様子が窺える。
これに対し図６(b)は、同様の金属薄板22に対して上記のプラズマ清浄化処理を施した後の表面性状を示しており、凹凸がきめ細かくなり、一面がより平坦化していることが確認できる。また、最大粗さを測定したところ、１００ｎｍほど減少していた。
【００２９】
つぎに、上記のプラズマ清浄化処理を施した一対の金属薄板22を重ね合わせ、温度：７００℃、加熱時間：３０分、圧力：１２ＭＰａの条件で、加圧負荷して接合させた。
この接合実験後の試料断面のＳＥＭ像を、図７(a)に示す。
両金属薄板22の境界線は、なお黒い点線状の残存ボイド（非接合箇所）28として僅かに認識できるが、それ以外の部分では界面に新しい再結晶粒が形成され、母材化していることがわかる。
【００３０】
図７(b)は、表面清浄化を行っていない金属薄板22同士の接合部断面を示すものであり、より多くの残存ボイド28が存在していることが定性的に理解できる。
【００３１】
上記のように、プラズマ清浄化処理によって不動態膜26が薄型化、断続化されているため、７００℃程度の低温でも金属薄板の母材中に余計な元素（ＯやＣ）が拡散していき、易接合性を達成できるものと考えられる。
【００３２】
因みに、画像処理にて境界線上の残存ボイド率を測定すると、表面清浄化を行った場合には５０％以下となり、この状態でもマイクロポンプが求める接合面積を満足していることが確認された。
【００３３】
つぎに、図８に示す加工条件で表面清浄化を施した８枚の金属薄板22間を、図９に示す拡散接合装置40を用いて同時に接合した。
この拡散接合装置40は、ガラス製の真空槽42内に配置された加圧ロッド44と、上部断熱材46と、上部加熱材48と、上部離型材50及び下部離型材52と、下部加熱材54と、下部断熱材56と、台座58とを備えている。
図中の符号60は、上部断熱材46の上面突起部46aと、加圧ロッド44の下面凹部44aとを連結するためのピンを示している。
【００３４】
上部断熱材46及び下部断熱材56は、比較的熱伝導率の低い絶縁材よりなる。
また、上部加熱材48及び下部加熱材54は、高周波誘導加熱による被加熱体となり得る鉄やステンレス鋼等の金属材よりなる。
また、上部離型材50及び下部離型材52は、窒化アルミや炭化珪素等の熱伝導性に優れた絶縁材よりなる。
【００３５】
図１０に示すように、接合対象物である金属薄板22の積層体62は、上部離型材50と下部離型材52との間に介装される。
この際、金属薄板22の積層体62に形成された一対の貫通孔64にピン66を挿通し、各ピン66の両端を上部加熱材48及び下部加熱材54に形成された凹部68に嵌合させることにより、位置決めがなされる。
【００３６】
真空チャンバ12の外部における接合対象物（金属薄板22の積層体62）の周りには、高周波誘導加熱（IH）用の円形コイル70と、セラミック製の円筒カバー72が配置されている。
円形コイル70は、円筒カバー72の外周面に固定されている。
【００３７】
ここで、図示しない高周波電源のスイッチをONし、円形コイル70に高周波電流（例えば４００KHz）を流すと、上部加熱材48及び下部加熱材54の内部に渦電流が発生し、その結果、両加熱材が発熱する。下部断熱材56と台座58の中央部に貫通した穴56a, 58aに熱電対を通し、下部離型材52または金属薄板22の積層体62を測温することで加熱温度の制御が可能となり、所定温度での加熱がなされる。
同時に、加圧ロッド44によって金属薄板22の積層体62を所定時間（例えば３０分）、所定圧力（例えば３０ＭＰａ）で加圧することにより、各金属薄板22の当接面が拡散接合される。
【００３８】
つぎに、プラズマ清浄化による拡散接合強度の上昇効果を確かめた。
すなわち、上記プロセスによって接合した金属薄板22について、加熱温度をパラメータに取り、７５０℃、７７０℃、８００℃の三条件で実験を行った。
試料サイズは２０ｍｍ角とし、積層枚数は８枚、上部離型材50及び下部離型材52のサイズは１２ｍｍ角である。
拡散接合後の試料は、図１１に示すように、２０ｍｍ角試料の４枚目と５枚目の境界面の未接合部を端部から４ｍｍの位置で折り曲げ、各端部を引張試験機のチャック80, 82にセットした後、５ｍｍ／ｓの速度で引きはがし、最大強度を引きはがし強度とした。
【００３９】
図１２のグラフにおいて、引きはがし強度と接合温度の関係を示す。
プラズマ清浄化「無し」の場合には、８００℃でも７９.４Ｎの接合強度にとどまった。また、７７０℃では３０.４Ｎに下がり、７５０℃では１１.１Ｎとなる。
これに対してプラズマ清浄化「有り」の場合、７５０℃で２４.７Ｎとなり、２.２倍の強度を示した。また、７７０℃では９０.１Ｎまで上昇し、３倍の強度となっている。さらに、８００℃では３３７.７Ｎまで上昇し、４.３倍の強度を示した。
すなわち、接合温度が上昇するにつれて引きはがし強度の差が増大することが示され、プラズマの生成から金属薄板の不動態皮膜の少なくとも一部を除去する表面清浄化の効果が確認された。
【００４０】
図１３に、引きはがし試料表面のSEM観察結果を示す。
この結果から、試料表面の材料組織が延性破断した組織を比較すると、プラズマ清浄化「無し」とプラズマ清浄化「有り」の比較では、明らかにプラズマ清浄化「有り」の試料の方が、延性破断した組織が多い。
接合温度が800℃まで高温になるとこの傾向が顕著となり、プラズマ清浄化「有り」の場合、ほぼ全面が延性破断組織となっていることがわかり、図１２の引きはがし強度の測定結果と対応している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】金属薄板の表面清浄化に用いるＲＦ−ＤＣプラズマ装置の構造を示す模式図である。
【図２】ＲＦ−ＤＣプラズマ装置における金属薄板の治具を示す写真である。
【図３】ＲＦ−ＤＣプラズマ装置におけるプラズマの発生状態を示す写真である。
【図４】表面清浄化処理により、金属薄板の不動態膜が薄型化及び断続化する様子を示す概念図である。
【図５】水素ガスの濃度と水素強度との関係を示すグラフである。
【図６】標準的な化学清浄化処理を施した金属薄板の表面性状と、プラズマ清浄化処理を施した金属薄板の表面性状との対比を示すＳＥＭ像である。
【図７】プラズマ清浄化処理を施した金属薄板同士の接合状態と、表面清浄化処理を施していない金属薄板同士の接合状態との対比を示すＳＥＭ像である。
【図８】複数の金属薄板同士を接合する際の加工条件の一例を示す表である。
【図９】金属薄板の接合に用いる拡散接合装置の構成を示す断面図である。
【図１０】上記拡散接合装置の内部構造を示す分解斜視図である。
【図１１】接合した金属薄板同士の引きはがし強度を計測する様子を示す模式図である。
【図１２】引きはがし強度と接合温度の関係を示すグラフである。
【図１３】引きはがし試料表面のＳＥＭ像である。
【図１４】非特許文献２に記載された、ステンレス鋼材の構成元素の濃度と加熱温度との関係を示すグラフである。
【図１５】特許文献１に記載された、事前に９０％の圧下を加えておいたステンレス鋼材同士の接合強度と加熱温度との関係を示すグラフである。
【図１６】特許文献２に記載された、事前に有機酸による煮沸処理を施しておいたステンレス鋼材同士の接合強度と加熱温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
10    ＲＦ−ＤＣプラズマ装置
12    真空チャンバ
14    ＤＣバイアス
16    ＲＦ電極
18    ＲＦ発振器
20    治具
22    金属薄板
24    プラズマ
26    不動態膜
28    残存ボイド
40    拡散接合装置
42    真空槽
44    加圧ロッド
46    上部断熱材
48    上部加熱材
50    上部離型材
52    下部離型材
54    下部加熱材
56    下部断熱材
58    台座
60    ピン
62    金属薄板の積層体
70    円形コイル
72    円筒カバー
80, 82    引張試験機のチャック
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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