(57)【要約】【課題】  濡れ性の問題を生じさせないこと。【解決手段】  ろう材をインサート材として濡れ性の悪い異種金属を接合する方法である。使用するろう材の融点以下の温度範囲で接合する。その際、ろう付けの場合の接合圧力よりも大きな接合圧力を加える。【効果】  ろう材を溶融させないで固体のままで接合するので、ろう材の異種金属に対する濡れ性の問題を生じさせることがなく、それ故、フラックスを使用することもなく、高強度な接合力が得られる。従来のろう付よりも低温であるため、接合する異種金属への熱影響を抑制できる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう材をインサート材として無機材料を接合する方法であって、使用するろう材の融点以下の温度範囲で接合することを特徴とする無機材料の固相接合方法。
【請求項２】
ろう付けの場合の接合圧力よりも大きな接合圧力を加えることを特徴とする請求項１記載の無機材料の固相接合方法。
【請求項３】
接合する無機材料は濡れ性の悪い異種金属であることを特徴とする請求項１又は２記載の無機材料の固相接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう材をインサート材として用いた無機材料の固相接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ろう材を用いた無機材料（母材）の接合（ろう付け）は、接合しようとする無機材料よりも低い融点のろう材を溶融させ、この溶融させたろう材を接合面間に満たすことで行われ、いわゆるはんだ付けもろう付けの一つである。
【非特許文献１】日本機械学会編「機械工学便覧」社団法人日本機械学会、昭和62年
【０００３】
しかしながら、上記ろう付けは、ろう材を融点以上の温度に加熱して溶融状態とすることから、接合しようとする無機材料との濡れ性が問題となる。下記の条件で炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、高力黄銅（ＨＢｓＣ２）、無酸素銅（Ｃ１０２０）、りん青銅（ＰＢＣ３Ｃ）に対する一般的なろう材である銀ろうの濡れ性試験を行った結果を図１６に示す。
【０００４】
濡れ性試験条件
銀ろう：０．２７ｇ（外径５．８ｍｍ×１ｍｍ）、融点  ７８３℃
炉内温度：８５０℃
炉内圧力：大気圧、２Ｎリットル／ｍｉｎの窒素ガス気流
保持時間：０．２５時間
接触面の粗さ：０．００６μｍＲａ
【０００５】
図１６より明らかなように、母材が炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）の場合は、接触角度θが７２．６°であまり濡れ性がよくなく、また、高力黄銅（ＨＢｓＣ２）の場合は、接触角度θが１２４．８°で濡れ性が非常に悪い。この様に、母材の種類によって、ろう材の濡れ性が異なる。
【０００６】
従って、ろう付け時、接合する母材によっては、この濡れ性を改善するために、各種のフラックスを同時に使用しなければならなかった。特に黄銅のような亜鉛含有量の多い材料は、フラックスを使用しても濡れ性が改善されにくく、また、高強度な接合力を得るには特殊な環境下で接合するしか方法がなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、無機材料のろう付けでは、ろう材の無機材料に対する濡れ性の問題が生じる点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、無機材料の接合に際し、ろう材の無機材料に対する濡れ性の問題を無くするために、使用するろう材の融点以下の温度範囲で接合することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ろう材を溶融させないで固体のままで接合させるので、ろう材の無機材料に対する濡れ性の問題を生じさせることがなく、それ故、フラックスを使用することもなく、高強度な接合力を得ることができるという利点がある。
また、従来のろう付よりも低温であるため、接合する無機材料への熱影響を抑制できるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らは、無機材料の接合に際し、ろう付けにあった上記濡れ性の問題を解決すべく、ろう材をインサート材として用いた接合について、各種条件を変更して、接合温度と引張強度の関係を調査したところ、以下のような知見を得た。
【００１１】
１）炉内圧力が７Ｐａ〜１５Ｐａ、接合圧力は、真空炉ろう付けの場合の接合圧力よりも大きな２．５ＭＰａ、保持時間が０．５時間の条件で、接合温度を７２５℃、７５０℃、７７５℃、８００℃、８５０℃に変化させ、接合面粗さが０．００６μｍＲａ（鏡面加工）の、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）と高力黄銅（ＣＡＣ３０４）を銀ろう（ＢＡｇ−８）を用いて接合し、その場合の引張強度を調査した。
【００１２】
接合温度と引張強度の関係を図１に示すが、接合温度がろう材である銀ろうの融点（７８３℃）以上の液相状態で接合した場合は、引張強度は４２０ＭＰａ〜４４０ＭＰａの範囲であまり変化しないことが判明した。
【００１３】
一方、接合温度が銀ろうの融点未満の固相状態でも、融点に近い温度範囲では、同じ条件で、接合温度が８５０℃、接合圧力が、真空炉ろう付けの場合の（概ね）最大接合圧力である１０ｋＰａでろう付けした場合（図１に●で示す）の引張強度（２４０ＭＰａ）以上の十分な引張強度が得られることが判明した。特に、融点直前の固相温度範囲では、融点以上の温度で接合した場合よりも大きな引張強度が得られた。
【００１４】
２）１）と同じ材料（但し、接合面粗さは１．０５μｍＲａ：機械加工）とろう材を使用し、１）と同じ炉内圧力で、保持時間を１．０時間に、接合圧力を５．５ＭＰａに変更して接合した場合の引張強度を調査した。接合温度と引張強度の関係を図２に示すが、接合温度が銀ろうの融点（７８３℃）以上の液相状態で接合した場合は、接合温度が高くなる程、引張強度４４０ＭＰａ〜３６０ＭＰａへと低下していくことが判明した。
【００１５】
一方、接合温度が銀ろうの融点未満の固相状態でも、融点に近い温度範囲では、同じ条件で、接合温度が８５０℃、接合圧力が真空炉ろう付けの場合の（概ね）最大接合圧力である１０ｋＰａでろう付けした場合（図２に▽で示す）の引張強度（２７０ＭＰａ）以上の十分な引張強度が得られることが判明した。特に、融点直前の固相温度範囲では、融点以上の温度で接合した場合よりも大きな引張強度が得られた。
【００１６】
３）２）と同じ材料とろう材を使用し、炉内圧力のみ大気圧（窒素ガス気流（２Ｎリットル／ｍｉｎ）中）に変更して接合した場合の引張強度を調査した。接合温度と引張強度の関係を図３に示すが、接合温度が銀ろうの融点（７８３℃）以上の液相状態で接合した場合は、引張強度は３６０ＭＰａ〜３５５ＭＰａとあまり変化しないことが判明した。なお、この場合、２）の真空状態で接合した場合よりも引張強度は低下したが、前記２）で説明したろう付けの場合の引張強度（２７０ＭＰａ）よりも高かった。
【００１７】
一方、接合温度が銀ろうの融点未満の固相状態でも、融点に近い温度範囲では、接合温度は前記２）のろう付けの場合の引張強度（２７０ＭＰａ）よりも高かった。
【００１８】
以上より、ろう材をインサート材として無機材料を接合するに際しては、使用するろう材の融点以下の温度範囲で接合すれば、ろう材を溶融させないで固体のままで接合させることになるので、ろう材の無機材料に対する濡れ性の問題を生じさせることがなく、それ故、フラックスを使用することもなく、高強度な接合力を得ることができるということが判明した。そして、その際、ろう付けの場合の接合圧力（例えば真空炉ろう付けの場合の最大値は１０ｋＰａ）よりも大きな接合圧力を加えることが望ましい。これが本発明方法である。
【００１９】
この本発明方法によれば、従来の直接拡散接合やろう付けでは困難であった濡れ性の悪い異種金属、例えば亜鉛（Ｚｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、砒素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）の含有量の多い金属であっても接合することができる。
本発明において、濡れ性が悪い母材とは、ろう材との接触角が４５°を超えるもの、特に高力黄銅のように９０°を超えるものをいう。
【００２０】
本発明者らは、上記の本発明方法の効果を確認するために、図９に示した、ヒータ９で加熱可能な密閉室１内に設置した黒鉛製の型２に、ろう材３を挟んで炭素鋼４と高力黄銅５を配置し、油圧プレス６で上パンチ７に対して下パンチ８を上昇させて、炭素鋼４と高力黄銅５を接合する各種の実験を行った。なお、図９中の１０は密閉室１内の温度を測定する熱電対である。
【００２１】
以下、その結果について説明する。
ａ−１）１）と同じ材料とろう材を使用し、１）と同じ炉内圧力で、接合温度を７５０℃、接合圧力を１０ＭＰａとした条件で、保持時間を変化させて、本発明方法により接合した場合の引張強度を調査した。保持時間と引張強度の関係を図４に示すが、この図４より、本発明方法では、接合面が鏡面加工の場合には、保持時間は０．５時間を超えると、引張強度に対する影響が少なかった。
【００２２】
ａ−２）接合面粗さを１．０５μｍＲａの機械加工とした他は、ａ−１）と全く同じ条件で実験し、保持時間と引張強度の関係を調査した結果を図５に示す。この場合も、引張強度に対する保持時間の影響は、接合面が鏡面加工の場合よりも大きいとは言うものの、引張強度に対する保持時間の影響は少なかった。
【００２３】
ｂ−１）ａ−１）と同じ条件で、保持時間を０．５時間と一定にし、接合圧力を変化させて本発明方法により接合した場合の引張強度を調査した。接合圧力と引張強度の関係を図６に示すが、この図６より接合圧力が４．０ＭＰａを超えると、引張強度に対する影響が少なかった。
【００２４】
ｂ−２）接合面粗さを１．０５μｍＲａの機械加工とした他は、ｂ−１）と全く同じ条件で実験し、接合圧力と引張強度の関係を調査した結果を図７に示す。この場合、鏡面加工の場合（ｂ−１の場合）に比べて接合圧力が引張強度に及ぼす影響が大きいが、接合強度が８ＭＰａ以上では、通常のろう付けした場合の引張強度（２００ＭＰａ）よりも大きい引張強度が得られ、機械加工面の接合に十分適用できることが判明した。
【００２５】
ｂ−３）保持時間を１時間とした他は、ｂ−２）と全く同じ条件で実験し、接合圧力と引張強度の関係を調査した結果を図８に示す。この場合、接合圧力が５．５ＭＰａ以上では、何れも３００ＭＰａ以上の引張強度が得られ、この場合も十分に機械加工面の接合に適用できることが判明した。
【００２６】
以上の実験結果より、本発明方法によれば、濡れ性の悪い異種金属の、機械加工した接合面を、高い接合強度で接合することができることが確認された。
なお、上記の１）〜３）及びａ−１）〜ｂ−３）の実験のｎ数は何れも３である。
【００２７】
図１０及び図１１は、上記図１の実験を行った際の各接合温度での、接合材料を構成する亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、ろう材（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）元素の線分析結果を示した図であり、それぞれ最上部の金属断面写真における紙面縦方向中央部に引いた２本の線間の線分析結果を示したものである。
【００２８】
図１０及び図１１における鉄（Ｆｅ）元素の線分析結果より明らかなように、銀ろうの融点（７８３℃）未満の固相状態で接合した本発明方法の場合（図１０）には、銀ろうの融点以上の液相状態で接合した場合や従来のろう付けにより接合した場合（図１１）に比べて、高力黄銅の強度を低下させる鉄（Ｆｅ：最上部の金属断面写真における紙面横方向の左側部分）元素の黄銅（最上部の金属断面写真における紙面横方向の右側部分）への拡散が少ないことが判る。
【００２９】
図１２及び図１３は、同じく上記図１の実験を行った際の各接合温度での、接合材料を構成する亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、ろう材（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）元素の面分析結果を示した図である。
【００３０】
図１２及び図１３より明らかなように、銀ろうの融点（７８３℃）未満の固相状態で接合した本発明方法の場合（図１２）には、銀ろうの融点以上の液相状態で接合した場合や従来のろう付けにより接合した場合（図１３）に比べて、高力黄銅の強度を低下させる鉄（Ｆｅ：最上部の金属断面写真における紙面横方向の左側部分）元素の黄銅（最上部の金属断面写真における紙面横方向の右側部分）への拡散が少ないことが判る。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明方法は、図１４に示したような、斜板式アキシャルピストンポンプの構成部品である弁板１７の接合や、図１５に示したような、外径が６０ｍｍ〜１５０ｍｍの銅合金の母材１１に、厚さが３ｍｍ以下のライニング部１２を接合する等の用途にも適用できる。なお、図１４中の１３はシリンダブロック、１４はピストン、１５は斜板、１６は斜板支持台を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）と高力黄銅（ＣＡＣ３０４）の鏡面加工面同士を接合した場合の結果を示した図で、接合温度と引張強度の関係を表した図である。
【図２】炭素鋼と高力黄銅の機械加工面同士を接合した場合の結果を示した図で、接合温度と引張強度の関係を表した図である。
【図３】大気圧で行った場合の図２と同様の図である。
【図４】炭素鋼と高力黄銅の鏡面加工面同士を接合した場合の結果を示した図で、保持時間と引張強度の関係を表した図である。
【図５】炭素鋼と高力黄銅の機械加工面同士を接合した場合の結果を示した図で、保持時間と引張強度の関係を表した図である。
【図６】炭素鋼と高力黄銅の鏡面加工面同士を接合した場合の結果を示した図で、接合圧力と引張強度の関係を表した図である。
【図７】炭素鋼と高力黄銅の機械加工面同士を接合した場合の結果を示した図で、接合圧力と引張強度の関係を表した図である。
【図８】保持時間を図７の２倍にした場合の図である。
【図９】実験装置の概略説明図である。
【図１０】図１の実験を行った資料（７２５℃、７５０℃、７７５℃）の接合部各元素の線分析結果を示す図である。
【図１１】図１の実験を行った資料（８００℃、８５０℃、ろう付け：８５０℃）の接合部各元素の線分析結果を示す図である。
【図１２】図１の実験を行った資料（７２５℃、７５０℃、７７５℃）の接合部各元素の面分析結果を示す図である。
【図１３】図１の実験を行った資料（８００℃、８５０℃、ろう付け：８５０℃）の接合部各元素の面分析結果を示す図である。
【図１４】本発明方法の適用例を示す説明図である。
【図１５】本発明方法の他の適用例を示す説明図である。
【図１６】炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、高力黄銅（ＨＢｓＣ２）、無酸素銅（Ｃ１０２０）、りん青銅（ＰＢＣ３Ｃ）に対する一般的なろう材である銀ろうの濡れ性試験を行った結果を示した図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    密閉室
２    型
３    ろう材
４    炭素鋼
５    高力黄銅
６    油圧プレス
７    上パンチ
８    下パンチ
【図１】
2005040834.tif 000002
【図２】
2005040834.tif 000003
【図３】
2005040834.tif 000004
【図４】
2005040834.tif 000005
【図５】
2005040834.tif 000006
【図６】
2005040834.tif 000007
【図７】
2005040834.tif 000008
【図８】
2005040834.tif 000009
【図９】
2005040834.tif 000010
【図１４】
2005040834.tif 000011
【図１５】
2005040834.tif 000012
【図１０】
2005040834.tif 000013
【図１１】
2005040834.tif 000014
【図１２】
2005040834.tif 000015
【図１３】
2005040834.tif 000016
【図１６】
2005040834.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月30日(2003.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
本発明方法は、図１４に示したような、斜板式アキシャルピストンポンプの構成部品である弁板１７の接合や、図１５に示したような、外径が６０ｍｍ〜１５０ｍｍの炭素鋼の母材１１に、厚さが３ｍｍ以下のライニング部１２を接合する等の用途にも適用できる。なお、図１４中の１３はシリンダブロック、１４はピストン、１５は斜板、１６は斜板支持台を示す。