(57)【要約】【課題】  Ｃｕ管とＡｌ管との間に挿入されて共晶接合に供され、前記Ｃｕ管と前記Ａｌ管との接合部における脆性θ相の粗大化を防止できる接合部材、及び該接合部材によって接合され機械強度に優れるＡｌ−Ｃｕ接合管を提供する。【解決手段】  先端にテーパーを有するＣｕ管２０と、該Ｃｕ管のテーパー部２１が嵌入可能な内径を有するＡｌ管３０との間に挿入され、共晶温度以上に加熱されて溶融した後に冷却固化されて、前記Ｃｕ管と前記Ａｌ管を共晶接合する円環形状の接合部材１０であって、Ｃｕ含有量がＣｕとＡｌの合計量に対して１６．５〜１９．０原子パーセントのＡｌＣｕ系合金である接合部材を用いて、Ａｌ−Ｃｕ接合管４０を製造する。【選択図】図４
2016052669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕからなる金属管と、Ａｌからなる金属管と、一方の金属管の端部内面に他方の金属管の端部外面を嵌入する際に両金属管の間に挿入され、共晶温度以上に加熱されて溶融した後に冷却固化されて、前記Ｃｕ管と前記Ａｌ管を共晶接合する接合部材であって、Ｃｕ含有量がＣｕとＡｌの合計量に対して１６．５〜１９．０原子パーセントのＡｌＣｕ系合金であることを特徴とする接合部材。
【請求項２】
前記Ａｌ管に接続される面は、前記Ｃｕ管に接続される面よりも、Ｃｕを多く含有する請求項１に記載の接合部材。
【請求項３】
前記Ｃｕ管と点状の接触部位を有するように、前記Ｃｕ管に接続される面の３か所以上に突起部を備える円環形状である請求項１又は２に記載の接合部材。
【請求項４】
Ｃｕからなる金属管と、Ａｌからなる金属管との間に、Ｃｕ含有量がＣｕとＡｌの合計量に対して１６．５〜１９．０原子パーセントのＡｌＣｕ系合金からなる接合部材を挿入し、該接合部材を共晶温度以上に加熱して溶融させた後に冷却固化して共晶接合したことを特徴とするＡｌ−Ｃｕ接合管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ管とＣｕ管との共晶接合に使用される部材及びそれを用いて形成されるＡｌ−Ｃｕ接合管に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動販売機等の冷蔵機器や空調機器の熱交換器では、蒸発器や凝縮器にはＡｌ管が適し、圧縮機やキャピラリーにはＣｕ管が適していることから、Ａｌ管とＣｕ管を接合したＡｌ−Ｃｕ接合管が使用されている。Ａｌ管とＣｕ管の接合には融接、圧接、ろう接などが知られているが、気密性、機械強度、製造コストの観点から共晶接合が使用され始めている。
【０００３】
特許文献１〜５には、ＡｌとＣｕの共晶接合法が開示されている。Ａｌ−Ｃｕ共晶接合は、Ａｌ部材とＣｕ部材を密に接触させた状態で、ＡｌＣｕ合金の共晶温度（５４８℃）以上に加熱し、その昇温過程でＡｌ部材とＣｕ部材の接触部で相互拡散した領域（例えば共晶温度では２．５原子パーセント＜Ｃｕ＜３２原子パーセントとなる領域）を溶融させた後、共晶温度以下に冷却し、前記溶融領域を凝固させる接合方法である。
【０００４】
Ａｌ−Ｃｕ接合管の機械強度を確保するためには、共晶接合が接合面において斑なく形成されることが必要条件であり、様々な作製方法が開示されている。例えば、特許文献３には、Ｃｕ管にテーパーを形成することで接合面積を大きくする手法が開示されている。また、特許文献４には、Ａｌ管とＣｕ管接合部をモールドで拘束する手法が開示されている。特許文献５ではＣｕ管をＡｌ管に押込力を予め付与した状態で加熱してから圧入する方法が開示されている。これらの手法により、共晶接合を形成するに必要な広さの相互拡散領域が接合面で確保されるとともに、Ａｌ管とＣｕ管の相互拡散を阻害する酸化被膜の除去や余分な共晶融液の除去も可能になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５１−１１２４５５号公報
【特許文献２】特開昭５４−１３３４５０号公報
【特許文献３】特開平９−８５４６７号公報
【特許文献４】特開平１１−２１６５７６号公報
【特許文献５】特開２００１−３３４３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ａｌ−Ｃｕ接合管において、１０００Ｎを超える機械的強度を求めた場合は、共晶接合を接合面に斑なく形成するだけでは不十分であることが分かってきた。
【０００７】
Ａｌ−Ｃｕ共晶接合部の断面を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡によって観察すると、Ａｌ管側ではα相とラメラ構造、Ｃｕ管側ではθ相とラメラ構造が見られる。ここで、α相とは共晶温度でＣｕ量が２．５原子パーセント以下の面心立方構造のＡｌ合金のことであり、θ相とは共晶温度で３２〜３３原子パーセントのＣｕ量に対してＡｌ２Ｃｕと表記される正方晶の合金結晶であり、ラメラ構造とはα相とθ相からなる縞状構造のことである。
【０００８】
従来技術において接合強度が弱いとされるＡｌ−Ｃｕ接合部断面には、粗大化（＞１０μｍ）したθ相が形成されている。θ相は機械的に脆弱であるために、共晶接合部はθ相周辺で破断し、接合管の強度を大きく低下させる原因となる。現実の製造プロセスでは、加熱温度や加熱時間のばらつきがあり、脆性θ相の粒径コントロールが困難であることから、θ相の粗大化によって機械強度に劣る不良品の発生は不可避であった。
【０００９】
よって、本発明の目的は、先端にテーパーを有するＣｕ管と、該Ｃｕ管の先端部が嵌入可能な大きさの内径を有するＡｌ管との共晶接合に供され、前記Ｃｕ管と前記Ａｌ管との接合部における脆性θ相の粗大化を防止できる接合部材、及び該接合部材によって接合され機械強度に優れるＡｌ−Ｃｕ接合管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の接合部材は、Ｃｕからなる金属管と、Ａｌからなる金属管と、一方の金属管の端部内面に他方の金属管の端部外面を嵌入する際に両金属管の間に挿入され、共晶温度以上に加熱されて溶融した後に冷却固化されて、前記Ｃｕ管と前記Ａｌ管を共晶接合する接合部材であって、Ｃｕ含有量がＣｕとＡｌの合計量に対して１６．５〜１９．０原子パーセントのＡｌＣｕ系合金であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の接合部材において、前記Ａｌ管に接続される面は、前記Ｃｕ管に接続される面よりも、Ｃｕを多く含有することができる。
【００１２】
また、本発明の接合部材は、前記Ｃｕ管と点状の接触部位を有するように、前記Ｃｕ管に接続される面の３か所以上に突起部を備える円環形状とすることができる。
【００１３】
本発明のＡｌ−Ｃｕ接合管は、Ｃｕからなる金属管と、Ａｌからなる金属管との間に、Ｃｕ含有量がＣｕとＡｌの合計量に対して１６．５〜１９．０原子パーセントのＡｌＣｕ系合金からなる接合部材を挿入し、該接合部材を共晶温度以上に加熱して溶融させた後に冷却固化して共晶接合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の接合部材によれば、Ｃｕ管とＡｌ管の接合工程において、予備加熱時間や接合温度、接合時間のばらつきによらず脆性θ相の粗大化が抑制され、接合部の結晶組織はラメラ構造となるので、機械強度に優れたＡｌ−Ｃｕ接合管を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る接合部材の形状を示す模式図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る接合部材の形状を示す模式図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態に係る接合部材の形状を示す模式図である。
【図４】本発明の接合部材を用いるＡｌ−Ｃｕ接合管の接合プロセスの一例を示す工程模式図である。
【図５】本発明のＡｌ−Ｃｕ接合管の接合プロセスにおける温度プロファイルを示す模式図である。
【図６】従来の共晶接合法において、接合温度Ｔｊで液相化する組成範囲を示した、Ａｌ−Ｃｕ系状態図である。
【図７】従来の共晶接合法において、Ａｌ管とＣｕ管の接合部における相互拡散領域を示す断面模式図、及び接合面に対して垂直方向のＣｕ含有率分布を示す図面である。
【図８】従来の共晶接合法において、接合温度Ｔｊに応答して、液相化する組成範囲が変わることを示すＡｌ−Ｃｕ系状態図である。
【図９】従来の共晶接合法において、Ｃｕ管側界面におけるθ相の粒成長を示す断面模式図である。
【図１０】本発明の共晶接合法において、Ａｌ管とＣｕ管の隙間に溶融した接合部材が保持されている状態を示す断面模式図である。
【図１１】本発明の共晶接合法において、接合部材の液相組成から計算される凝固組織の形態を示す図面である。
【図１２】本発明の共晶接合法において、液相のＣｕ含有量とθ相の粒径との関係を示す図面である。
【図１３】本発明の接合部材の組成範囲と最小加熱温度を決定する手順を示すＡｌ−Ｃｕ系状態図である。
【図１４】本発明の共晶接合法において、接合部材の液相（Ｃｕ＝１８原子パーセント）にＡｌ管からＡｌが拡散する結果、Ａｌ界面でθ相の粒が粗大化せずラメラ構造が形成される様子を示す断面模式図である。
【図１５】本発明の外径側のＣｕ量が１９原子パーセント、内径側のＣｕ量が１６．５原子パーセントとした接合部材の液相にＡｌ管からＡｌ、Ｃｕ管からＣｕが拡散することで液相の組成範囲が狭まることを示す模式図である。
【図１６】本発明のＣｕ含有量勾配を有する接合部材の作製プロセスの一例を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明の一実施形態による接合部材の形状について図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１には、同接合部材１０の形状が示されている。接合部材１０の本体１０１は、Ａｌ管に接する外側面１０２と、Ｃｕ管に接する内側面１０３にテーパーを備える円環形状をなし、長さｈと、上面１０４の外径Ｒ１_ｏ及び内径Ｒ１_ｉと、下面１０５の外径Ｒ２_ｏ及び内径Ｒ２_ｉとによって特徴づけられ、上面１０４は下面１０５よりも拡がっており（Ｒ１_ｉ＞Ｒ２_ｉかつＲ１_ｏ＞Ｒ２_ｏ）、
さらに、接合部材１０をＣｕ管のテーパー部分に装着するための条件として、
Ｃｕ管先端部の外径＜Ｒ２_ｉ＜Ｒ１_ｉ＜Ｃｕ管テーパー部の外径最大値  …（１）
接合部材１０を装着したＣｕ管を、接合部材１０がＡｌ管に接するまで、押し込めるための条件として、
Ｃｕ管先端部の外径＜Ｒ２_ｉ＜Ｒ２_ｏ＜Ａｌ管先端部の内径            …（２）を満たすように各寸法を設定することができる。
【００１８】
接合部材１０の外側面１０２及び内側面１０３のテーパー角は、特に限定されないが、Ｃｕ管先端のテーパー角に概ね等しくして余分なあそびを減らした方が、接合部材１０を装着したＣｕ管をＡｌ管に正確に嵌入できるので好ましい。
【００１９】
もしくは、図２に示される接合部材１０ａのように、内側面１０３のテーパー角はＣｕ管先端のテーパー角よりもやや大きくし、内側面１０３の上面１０４に近い３か所に突起１０６を配設してもよい。接合部材１０ａの突起１０６は、先端がテーパー形状のＣｕ管を挿入した時にＣｕ管を弾性によって締め付け、接合部材１０ａの落下を防ぐことができる。突起１０６は、位置決めのため、内側面１０３の３か所以上に配置することが好ましく、４か所に突起１０６を配設した場合は、図３に示される接合部材１０ｂのようになる。
【００２０】
なお、図１〜３には図示していないが、本発明の接合部材は完全な円環形状でなくてもよく、Ａｌ−Ｃｕ接合に支障がない限り、切り込みや開いた部位等があってもよい。
また、上記実施形態では、Ａｌ管が外側でＣｕ管が内側になる場合を想定しているが、Ａｌ管が内側でＣｕ管が外側になるようにすることもでき、その場合には接合部材１０の内側面１０３にＡｌ管が接し、外側面１０２にＣｕ管が接するように構成される。
更に、Ａｌ管及びＣｕ管は、必ずしも円筒形である必要はなく、角筒形状等であってもよい。その場合には、接続部材１０もそれらに適合する形状とする。
【００２１】
次に、本発明の接合部材１０の材質について説明する。
【００２２】
本発明の接合部材１０は、ＣｕとＡｌの合計量に対して、１６．５〜１９．０原子パーセントのＣｕを含むＡｌＣｕ系合金を用いることができる。
【００２３】
さらに、本発明の接合部材１０は、ＡｌＣｕ系合金であって、その外側面１０２において内側面１０３よりもＣｕを多く含有し、外側面１０２のＣｕ含有量はＣｕとＡｌの合計量に対して、１９．０原子パーセント以下とし、内側面１０３のＣｕ含有量はＣｕとＡｌの合計量に対して、１６．５原子パーセント以上とする、組成勾配を有する接合部材であることが好ましい。
【００２４】
なお、接合部材１０は、不純物を含まないＡｌＣｕ合金であることが好ましいが、ＡｌＣｕの共晶組織を大きく乱さず、機械的強度に支障がでない程度ならば、微量の不純物を含んでいてもよい。
【００２５】
次に、本発明の上記接合部材を使用するＡｌ管とＣｕ管の接合プロセスについて、図４（ａ）〜（ｅ）に示される工程模式図を用いて説明する。なお、接合プロセスにおける温度プロファイルは図５のようになる。
【００２６】
図４（ａ）には、接合前のＣｕ管２０とＡｌ管３０、そして接合部材１０が示されている。Ｃｕ管２０の先端にはテーパー２１が形成されている。接合部材１０の内径は式（１）の関係を満たし、接合部材１０にＣｕ管２０を挿通して、テーパー部２０１上に装着することができる。一方、接合部材１０の外径は式（２）の関係を満たし、接合部材１０を装着したＣｕ管２０を、接合部材１０がＡｌ管３０に接するまで、押し込むことができる。ここで、Ｃｕ管２０の先端にテーパーを設ける必要は必ずしもなく、Ａｌ管３０先端、または接合部材１０にテーパーを設けてもよい。また、Ｃｕ管２０、接合部材１０、Ａｌ管３０が十分に接合されれば、各部材の形状が直線状、階段状など、テーパー形状以外となっていてもよい。
【００２７】
図４（ｂ）には、接合部材１０がＡｌ管３０に押し込まれた状態が示されている。Ｃｕ管を押し込む際には接合箇所を加熱することができる。共晶温度に到達する時刻ｔ１までの昇温は、Ｃｕ管２０から接合部材１０への相互拡散、及びＡｌ管３０から接合部材１０への相互拡散が不必要に進行しないように、急速昇温であることが好ましい。また、接合部材１０がＡｌ管３０に完全に押し込まれるまでは、ＡｌＣｕ共晶温度（５４８℃）を越えないように、押込速度と昇温速度を連動させて制御することが好ましい。接合部材１０がＡｌ管３０に完全に押し込まれる前に溶融が始まると、溶融物が液垂れ、あるいはＣｕ管２０とＡｌ管３０の隙間に行き亘らずに空孔が生じる可能性があり好ましくない。接合部材１０の内側面１０３に突起１０６を設けた場合は、接合部材１０とＣｕ管２０との接触は点接触であるため、面接触よりも相互拡散による組成変動が抑制されるので、昇温速度に課せられる制約を緩和することができる。
【００２８】
図４（ｃ）には、時刻ｔ１においてＡｌＣｕ共晶温度を越え、時刻ｔ２において接合部材１０が溶融する接合温度Ｔｊに達し、接合部材１０は溶融して溶融した接合部材１１となった瞬間の状態が示されている。本発明において、Ｃｕ管２０とＡｌ管３０の隙間を満たす溶融物は接合部材１０に由来し、接合温度Ｔｊにおいて溶融は瞬時になされる。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間は、接合温度Ｔｊは一定に保持され、Ｃｕ管２０をＡｌ管３０に更に押し込み、Ｃｕ管２０とＡｌ管３０の接触面積を拡げることができる。溶融した接合部材１１は、前記接触面積の拡大と共に、毛管現象によってＣｕ管２０をＡｌ管３０の隙間に拡がり、接合強度を高めることができる。
【００２９】
接合温度Ｔｊは、後述するように接合部材１０の組成に定まるが、５５５〜６６０℃であることが好ましく、５６０〜５９０℃が特に好ましい。５５５℃よりも低温であると溶融に斑が生じ易く、６６０℃以上であるとＡｌ管が溶融するので好ましくない。接合温度Ｔｊとして５６０〜５９０℃を特に好ましいとする理由は、５６０℃未満の場合共晶接合部が薄くなりすぎ接合強度が不足すること、そして５９０℃より高い温度ではボイド率が増加し接合強度が不足するためである。
【００３０】
また、保持時間ｔｊ（＝ｔ３−ｔ２）は、０．５〜２．０秒であることが好ましく、０．８〜１．２秒であることが特に好ましい。０．５秒よりも短時間であるとＣｕ管２０の押し込みが難しく、２．０秒よりも長時間であると拡散領域が必要以上に拡がってしまうので好ましくない。
【００３１】
図４（ｄ）には、時刻ｔ３において、Ｃｕ管２０の押し込みが完了した状態が示されている。時刻ｔ３以降は、加熱を止めて接合部を冷却する。
【００３２】
時刻ｔ４において、接合部はＡｌＣｕ共晶温度（５４８℃）に至り、溶融した接合部材１１は凝固した接合部材１２と変わり、Ａｌ管３０とＣｕ管２０が凝固した接合部材１２によって接合されてＡｌ−Ｃｕ接合管４０となる。
【００３３】
図４（ｅ）には、完成したＡｌ−Ｃｕ接合管４０が示されている。
【００３４】
以上、本発明の接合部材、及び接合方法について説明したが、本発明において機械的強度を確保する上で最も重要な構成要件は、接合部材のＣｕ含有量をＣｕとＡｌの合計量に対して１６．５〜１９．０原子パーセントに規定した点にある。
【００３５】
以下では、Ｃｕ含有量を規定したことによって得られる作用効果について説明する。
【００３６】
まず、本発明と対比される、従来の（接合部材を使用しない）共晶接合法の、金属組織学上の性質から説明する。
【００３７】
従来のＡｌ−Ｃｕ共晶接合法では、接合部材は使用せず、Ａｌ母材とＣｕ母材が直接接触している状態から加熱が始まり、ＡｌとＣｕが相互拡散して拡散層が形成される。図６に示すＡｌ−Ｃｕ系状態図によれば、ＡｌＣｕ共晶温度５４８℃に達すると、Ｃｕ含有量が５〜３３原子パーセントとなる組成範囲のうち、まず共晶組成１７．５原子パーセントのところから溶融が始まり、接合温度Ｔｊにおいては、接合温度Ｔｊと２つの液相線との交点Ｃ１（溶融下限Ｃｕ含有量）とＣ２（溶融上限Ｃｕ含有量）を両端とするハッチングされた組成は溶融して液相になる。
【００３８】
図７（ａ）に示される従来のＡｌ−Ｃｕ接合管の接合部分を拡大したものが、同図（ｂ）である。同図（ｂ）には、Ｃｕ管２０のＣｕ母材２１と、Ａｌ管３０のＡｌ母材３１との間には相互拡散領域５０が形成されている。同図（ｃ）には、相互拡散領域５０におけるＣｕ含有量の分布図が示され、図６で説明した溶融下限Ｃｕ含有量Ｃ１と溶融上限Ｃｕ含有量Ｃ２に挟まれた組成に対応する部分が溶融し、溶融した相互拡散領域５１が形成されている。
【００３９】
図８に示されるＡｌ−Ｃｕ系状態図によれば、接合温度Ｔｊが低い同図（ａ）よりも、接合温度Ｔｊが高い同図（ｂ）の方が溶融する組成範囲は広い。ＡｌＣｕ合金の凝固組織は、液相の組成が共晶点近傍の組成であればラメラ構造となるが、過共晶組成であれば初晶がθ相となり、天秤則で見積もられるようにその固相化率は液相の組成によって決まるため、液相のＣｕ組成が増加するほどθ相の粗大化が促進されることになる。
【００４０】
図９（ａ）には、接合温度が低い条件で作製された接合部断面が模式的に示されている。Ｃｕ管側に形成されるθ相の粒成長は〜５μｍ程度と粗大化が抑制される。但し、接合温度Ｔｊを低く設定した場合は、接合プロセスのばらつきで、温度がさらに低温側にずれると相互拡散領域の溶融が不十分となり接合不良が発生する懸念がある。一方、図９（ｂ）には接合温度が高い条件で作製された接合部断面が模式的に示されている。Ｃｕ管側に形成されるθ相のサイズは〜３０μｍ程度と粒成長し粗大化する。この理由は、Ａｌ管とＣｕ管の温度が同じであるならば、共晶温度以上、θ相が完全に液相化する５９１℃までの温度範囲において過共晶側への液相の組成範囲のシフト量が大きいためである。このように、従来の共晶接合法では、接合温度がばらつくと、液相組成がばらつき、液相組成が過共晶側に振れるとθ相が粗大化し、Ａｌ−Ｃｕ接合管の強度が低下する。
【００４１】
ここからは、本発明の接合部材による共晶接合の作用効果に関する詳細説明になる。
【００４２】
本発明の接合法においては、ＡｌＣｕ融液を得るために接合部材を使用するため、敢えて母材から原子を拡散させて相互拡散層を形成する必要は全くない。むしろ、急速加熱によって接合温度Ｔｊまで昇温するほうが、母材と接合部材との相互拡散を防ぐことになるので好ましい。接合部材は、接合部材の初期組成によって決まる、ＡｌＣｕ共晶温度５４８℃以上の或る温度で溶融し、その溶融温度に対してプロセス裕度を加算して接合温度Ｔｊが設定されている。
【００４３】
本発明では、図１０（ａ）に示されるＣｕ管２０とＡｌ管３０との接合部を拡大した、同図（ｂ）の断面模式図に示されるように、接合部において溶融した接合部材１１は直接Ｃｕ母材２１とＡｌ母材３１とに挟まれ、相互拡散層は形成されない。溶融直後における接合部材１１の組成は溶融前の接合部材１０と同じであるが、接合温度Ｔｊに保持されているｔ２〜ｔ３の時間に、溶融した接合部材１１にＣｕ母材２１とＡｌ母材３１からそれぞれＣｕ原子とＡｌ原子の供給が続けば、液相組成は少しずつシフトしていく。
【００４４】
しかしながら、接合温度Ｔｊに保持される時間が短ければ、液相組成のシフトは無視できる。
【００４５】
発明者は、接合部材の組成範囲を決定するにあって、本発明を考案するにあたってフェーズフィールド法によるシミュレーションを実施した。該シミュレーションによれば、液相組成を入力し、その凝固組織を視覚的に出力することができる。
【００４６】
前記シミュレーションにおいて、液相のＣｕ含有量を１７．０、１８．０、１９．０、１９．５、２０．０原子パーセントと変え、計算によって求めた凝固組織の形態を図１１に示した。図中ｘ方向は接合面方向、ｚ方向は接合面垂直方向に対応し、１００μｍ×１００μｍの領域が表示されている。図中の黒い部分はα相、白い部分はθ相を表す。Ｃｕ含有量１７．０及び１８．０原子パーセントでは、島状にα相（黒班）が点在するものの、大部分がラメラ構造（縞模様）からなる凝固組織であって、θ相（白班）は粗大化していない。Ｃｕ含有量１９．０原子パーセントでは画面右側にθ相の塊が見られる。Ｃｕ含有量１９．５原子パーセントになると粗大化したθ相が全域に拡がり、Ｃｕ含有量が２０．０原子パーセントになるとθ相がさらに粗大化していることがわかる。
【００４７】
図１２には、液相のＣｕ含有量とθ相の粒径との関係を示した。Ｃｕ含有量が１９原子パーセントを越えると、θ相の粒径が１０μｍから急激に粗大化していくことが分かる。
【００４８】
したがって、本発明の接合部材において、そのＣｕ含有量の上限を１９．０原子パーセントと規定すれば、θ相の粗大化は防止できると結論した。
【００４９】
次に、接合部材のＣｕ含有量の下限について説明する。
【００５０】
図１３にはＡｌ−Ｃｕ系状態図の共晶組成近傍の拡大図が示されている。Ｃｕ含有量の上限を１９．０原子パーセントと規定したので、１９．０原子パーセントを起点として矢印Ｙ１に沿って温度軸と平行に移動すると液相線と交差し、その温度は５５５℃であることが分かる。この温度が接合温度Ｔｊの下限となる。次にこの交点から矢印Ｙ２に沿って組成軸と平行に移動すると亜共晶側のＣｕ含有量１６．５原子パーセント液相線と交差する。本発明ではこの交点のＣｕ含有量１６．５原子パーセントを接合部材のＣｕ組成の下限と規定する。
【００５１】
Ｃｕ含有量１６．５〜１９．０原子パーセントのＡｌＣｕ合金からなる接合部材は、接合温度Ｔｊ５５５℃以上で完全に液相化する。これより温度が低いと液相の組成範囲はより共晶組成近傍に近づくためθ相の粗大化はいっそう抑制されるが、液相の量自体が少なくなると接合面全体に行き亘ることが難しくなるため、プロセス裕度を考慮して、温度下限を５６０℃とすることが特に好ましい。
【００５２】
一方、これより温度が高い場合であっても、液相組成は全く変動しないため、温度の上限はＡｌの融点６６０℃まで設定できるが、５９０℃以上ではボイド率が増加し接合強度が不足するとの理由から５９０℃以下であることが好ましい。
【００５３】
以上は、接合プロセスにおいて、液相組成のシフトを考慮しない規定であるが、実用上は殆ど問題ない。その理由は、本発明において、接合温度Ｔｊに保持されているｔ２〜ｔ３の時間は、０．５〜２．０秒と規定し、この時間内において溶融した接合部材１１にＣｕ母材２１とＡｌ母材３１からそれぞれＣｕとＡｌが供給される供給量は極僅かであるため、大きな問題にはならない。そして、本発明で必要とする急加熱、短時間保持、急冷プロセスは、公知の方法、例えば誘導加熱手段等によって容易に実現しうるものである。
【００５４】
一方、本発明の好ましい態様においては、接合部材１０は、ＡｌＣｕ系合金であって、その外側面１０２において内側面１０３よりもＣｕを多く含有し、外側面１０２のＣｕ含有量はＣｕとＡｌの合計量に対して、１９．０原子パーセント以下とし、内側面１０３のＣｕ含有量はＣｕとＡｌの合計量に対して、１６．５原子パーセント以上とする、組成勾配を有する。この作用効果について、次に説明する。
【００５５】
まず、Ａｌ管、Ｃｕ管からの拡散の影響について考えてみる。本願発明の接合部材を使用したＡｌ−Ｃｕ接合界面であっても、ｔ２〜ｔ３の接合プロセスにおいてＡｌ管、Ｃｕ管からの拡散による組成変動の影響は免れない。図１４は接合部材の液相のＣｕ量を１８原子パーセントとしてＡｌ管界面からの拡散がある場合、どの程度液相の組成が変動するか調べた結果である。前述のようにフェーズフィールド法によるシミュレーションで凝固組織を調べたところ、Ａｌ界面上に初晶として晶出する粒はα相、θ相、ほぼ同じであり、Ａｌ管からの拡散がない場合の共晶組成とほぼ等価であること、すなわち、約０．５原子パーセント程の組成変動が引き起こされることが明らかとなった。勿論、ここで得た値は接合温度、時間などによって変動するものと考えられるが一つの目安となる。そこで、本願発明の接合部材の好ましい態様では、外側のＣｕ量が内側のＣｕ量よりも大きい、上記見積もりの上限、下限に従えば、外側は１９原子パーセント、内側が１６．５原子パーセントのＣｕ量となるような組成分布とする。すると、ｔ２〜ｔ３の接合プロセスにおいてＡｌ管、Ｃｕ管からそれぞれ拡散があり、液相の組成が変動する場合において、より液相の組成範囲を狭くすることができることがわかる。この状況を図１５に示した。つまり、Ａｌ管と接する接合部材外側の組成は、仮に上記拡散量を採用すれば、１９原子パーセントから１８．５原子パーセントとなり、Ｃｕ管と接する接合部材内側の組成は１６．５原子パーセントから１７原子パーセントとなり、元の接合部材の組成範囲よりも狭くなり共晶組成に近づくことがわかる。接合部材の組成の空間分布が液相組成の空間分布としてどの程度反映するかは定かではないが、実際の接合時間は〜１秒以下であること、接合幅〜１００μｍを考えると、実際に生成する液相組成の空間分布はあってしかるべきと考えられる。したがって、接合部材に上記のような組成勾配を設けることにより、Ａｌ管、Ｃｕ管からの拡散を考慮したうえで、より液相の組成範囲を共晶組成に近づけθ相の粗大化を防ぐことが可能になる。
【実施例１】
【００５６】
［接合部材の作製］
本発明のＣｕ含有量勾配を有する接合部材の作製工程例について、図１６を用いて説明する。
【００５７】
図１６（ａ）に示されるように、溶融した共晶組成（Ｃｕ組成＝１７．５原子パーセント）のＡｌＣｕ合金６１を、鋳型６０に流し込み凝固させて、板状の鋳造物６２を得た。ＡｌとＣｕとでは比重が違うため、凝固したＡｌＣｕ合金の上部では共晶組成よりもＣｕ含有量が低く、下部では共晶組成よりもＣｕ含有量が高くなり、同図（ｂ）に示されるように鉛直方向にＣｕ組成が傾斜した鋳造物となる。ＥＤＸ測定によれば、鋳造物の上端面でＣｕ含有量は１７原子パーセント、下端面でＣｕ含有量は１８原子パーセントであった。
【００５８】
同図（ｂ）に示される鋳造物板状の鋳造物６２を上面からプレスして、手前側が薄く奥が厚くなるように成型した。
【００５９】
同図（ｃ）には、プレス成型後の鋳造物６３が示されている。奥の厚い側の厚さは（Ｒ１_ｏ−Ｒ１_ｉ）／２、手前の薄い側の厚さは（Ｒ２_ｏ−Ｒ２_ｉ）／２とした。
【００６０】
同図（ｄ）は、プレス成型後の鋳造物６３を上から見た平面図である。プレス成型後の鋳造物６３には、曲げ加工前の接合部材６４が破線でケガキされている。曲げ加工前の接合部材６４を破線に沿って切り出し、辺Ａ−Ａ’と辺Ｂ−Ｂ’が隣接するように曲げ加工すれば、円環形状になった接合部材１０を得た。辺Ａ−Ａ’と辺Ｂ−Ｂ’は溶接しないので、接合部材１０には切り込み部分が残ることになる。しかしながら、実際の接合プロセスでは接合部材は溶融し液状となるため、この切り込み部分は問題にならず、目的とするＡｌ−Ｃｕ管が得られる。
【００６１】
また、図１６には図示していないが、接合部材１０に突起１０６を形成するためには、図１６（ｃ）において上面からプレスする際に、突起１０６を形成する箇所に凹部を備えるプレス版にてプレスすればよい。プレス成型後の鋳造物６３の表面には、前記凹部に位置に凸部が形成され、それが突起１０６となる。
【００６２】
［Ａｌ−Ｃｕ接合管の作製］
Ａｌ管は外径φ８．２ｍｍ、内径φ８．１ｍｍ、Ｃｕ管は外径８．０ｍｍ、テーパー部先端外径φ６．６ ｍｍのものを使用した。接合部材の寸法は、Ｒ１_ｏ＝φ８．１ｍｍ、Ｒ１_ｉ＝φ７．９ｍｍ、Ｒ２_ｏ＝φ８．０ｍｍ、Ｒ２_ｉ＝φ７．８ｍｍ、ｈ＝２．０ｍｍとし、外側面のＣｕ含有量は１８原子パーセント、内側面のＣｕ含有量は１７原子パーセントとした。接合プロセスの昇温速度は５０℃／秒、接合温度は５７０℃、接合時間は１秒、冷却速度は−５０℃／秒とした。加熱にはマイクロ波誘導加熱方式を用いた。作製したＡｌ−Ｃｕ接合管の強度を、引張試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ製、ＭｉｃｒｏＴｅｓｔｅｒ  ５８４８）を用いて、引っ張り速度１ｍｍ／ｓで測定した。本実施例によるＡｌ−Ｃｕ接合管強度は２５００Ｎであり、当初目標の１０００Ｎを超える良好な結果が得られた。Ａｌ−Ｃｕ接合管の接合部の断面を透過型電子顕微鏡で観察すると、Ｃｕ管側のθ相の粒サイズは２〜３μｍでありθ相の粗大化が抑制されていることが確認された。また、プロセス変動の影響を見るため、接合温度を５６０℃、５８０℃、５９０℃と変えて作製したが、いずれにおいても接合管の強度は２３００〜２５００Ｎと安定して高い接合強度を示した。
【００６３】
なお、本実施形態で例示したＡｌ管やＣｕ管の純度は２Ｎ〜３Ｎのものが使用されることが多いが、不可避不純物はあってもよく、接合部材の作製工程も上記に示したものにそれに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６４】
１０、１０ａ、１０ｂ：接合部材
１０１：接合部材の本体
１０２：接合部材の外側面
１０３：接合部材の内側面
１０４：接合部材の上面
１０５：接合部材の下面
１０６：突起
１１：溶融した接合部材
１２：凝固した接合部材（共晶）
２０：Ｃｕ管
２０１：Ｃｕ管のテーパー部
２１：Ｃｕ母材
３０：Ａｌ管
３１：Ａｌ母材
４０：Ａｌ−Ｃｕ接合管
５０：相互拡散領域
５１：溶融した相互拡散領域（液相）
５２：凝固した相互拡散領域
５３：凝固したθ相の結晶粒
６０：鋳型
６１：溶融した共晶組成（Ｃｕ含有量＝１７．５原子パーセント）のＡｌＣｕ合金
６２：板状の鋳造物
６３：プレス成型後の鋳造物
６４：曲げ加工前の接合部材
Ｙ１、Ｙ２：矢印
【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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