JP3822851B2

JP3822851B2 - 鉄系低融点接合用の合金

Info

Publication number: JP3822851B2
Application number: JP2002259277A
Authority: JP
Inventors: 有一佐藤; 広明坂本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2004001065A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種構造物等の鉄基材料を接合するための接合用合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種構造物等の鉄基材料の接合において、液相拡散接合法が知られている。液相拡散接合は、被接合材の間に被接合材よりも融点の低い接合材を介在させて液相線直上にて加熱し、接合材中の拡散元素を拡散させて接合する方法である。
【０００３】
本発明者らは、酸化雰囲気中での液相拡散接合を実現できる鉄基材料の液相拡散接合用合金箔を発明し、特許出願した（特許文献１参照）。
該合金箔は、Ｐ：１．０〜２０．０原子％、Ｓｉ：１．０〜１０．０原子％、Ｖ：０．１〜２０．０原子％、Ｂ：１．０〜２０．０原子％を含有し、さらに、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉを必要に応じて含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有し、厚さが３．０〜２００μｍの箔である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３２３１７５号公報
【０００５】
またこのような合金箔を製造するための方法として、単ロール法や双ロール法などが知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの外周面に、溶融金属をオリフィスなどから噴出させることにより急速に凝固させて、薄帯を鋳造するものである。合金組成を適正に選ぶことによって液体金属に類似した非晶質合金薄帯を製造することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平９−３２３１７５号公報に開示している液相拡散接合用合金箔を使用した接合において、接合強度の改善が求められた。かかる要求を充すために本発明者らは実験検討を行った結果、接合層の材質を改善すると共に、接合材を低融点化することで接合時の加熱温度を低下させるのが有効であることがわかった。
【０００７】
そこで本発明が解決しようとする課題は、接合材の合金組成を最適化することで、接合層の材質を改善すると共に、より低温での接合を可能にして、接合強度を向上できる低融点接合用の合金を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、原子％にて、Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金である。
【０００９】
また本発明は、さらに、原子％にて、Ｎｉ：０．１％以上２０％以下と、Ｃｒ：０．１％以上２０％以下と、Ｖ：０．１％以上１０％以下の少なくとも１種を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の接合用合金は、接合層の材質改善および低融点化の観点から組成を限定している。合金の融点は成分組成によって一義的に決まるが、接合層の材質改善を考慮して組成を限定している。さらに本発明の接合用合金は非晶質の箔状で使用することが特に有効であり、薄帯鋳造時における非晶質形成能の観点からも組成を限定している。なお、非晶質は箔全体に形成されなくてもよい。
【００１１】
接合部の材質改善については、十分な接合強度が得られなかった材料の接合部組織を観察した結果、接合層にＳｉＯ₂が生成し、これを基点に割れが発生しているのが認められた。このＳｉＯ₂は接合材中のＳｉによることがわかり、接合用合金のＳｉ含有量を低減することとした。しかし、Ｓｉは合金の非晶質化にとって重要な元素であるため、これを低減しても所要の非晶質化を達成できる総合的な成分組成を求めた。以下に成分限定理由を述べる。
【００１２】
Ｓｉは、接合層のＳｉＯ₂生成を抑えるために２原子％未満とした。Ｓｉを添加しなくてもよい。これによる非晶質形成能の低下は、下記他の成分、特にＣによって補うことができる。
【００１３】
Ｂ、Ｐ、Ｃは非晶質化を実現し、かつ融点が１１００℃以下となるためにその含有量を限定した。
Ｂは、６原子％未満では非晶質形成が困難となる。１４原子％超では低融点化効果がなくなるばかりでなく、接合部に硼化物を生成し接合強度を低下させる。したがってＢ含有量を６原子％以上１４原子％以下とした。
【００１４】
Ｐは、１〜２０原子％の範囲で良好な低融点化効果を示す。１原子％未満ではこの効果は得られず、２０原子％超になるとさらなる添加効果は得られなくなるばかりか、良好な箔の形成が困難となる。したがってＰ含有量を１原子％以上２０原子％以下とした。
【００１５】
Ｃは、本発明で重要な役割をなす元素である。つまりＳｉを低減したことによる非晶質形成能の低下を、主としてＣで代替する。このため２原子％以上添加する。含有量は６原子％までで十分であり、６原子％を超えてもさらなる添加効果は得られない。またＣは薄帯の鋳造性に効果のある元素である。すなわち、上記範囲で溶融合金と冷却基板との濡れ性が向上し、冷却速度が高くなり良好な非晶質化が達成できる。したがってＣ含有量を２原子％以上６原子％以下とした。
【００１６】
Ｎｉは、主として低融点化効果があり必要に応じて添加する。０．１原子％未満ではその効果が不十分であり、２０原子％を超えるとこの効果が得られなくなる。したがって、Ｎｉ含有量を０．１原子％以上２０原子％以下とした。
【００１７】
Ｃｒは、主として耐食性、耐酸化性を高めるために必要に応じて添加する。０．１原子％未満ではその効果が不十分であり、２０原子％を超えると融点が１１００℃を超えるようになってしまう。したがってＣｒ含有量を０．１原子％以上２０原子％以下とした。
【００１８】
Ｖは、被接合表面の酸化被膜形成物質を低融点物質にする効果がある。例えばＦｅ₂Ｏ₃を、融点が約８００℃の低融点複合酸化物Ｖ₂Ｏ₅−Ｆｅ₂Ｏ₃にする効果があり、本発明合金を使用した場合、接合温度９００〜１１００℃で酸化被膜が溶融する。液相中では表面張力の差によって球状化するので、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等の拡散元素が自由に拡散し、酸化雰囲気中でも液相拡散接合を達成できる。Ｖ含有量が０．１原子％未満ではこの効果が不十分であり、１０原子％超では融点が１１００℃を超えるようになる。したがってＶ含有量を０．１原子％以上１０原子％以下とした。
Ｖを添加することにより酸化雰囲気中での接合が可能となるが、本発明のＶ添加合金は、酸化雰囲気用に限定されるものではない。
【００１９】
上記元素以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｍｎ、Ｓ等を０．２原子％程度まで含有しても特段の問題はない。
【００２０】
本発明の接合用合金は、液相拡散接合のみならず、いわゆるロウ付け、あるいはロウ接とよばれる接合法にも使用できる。この接合法は一般的に、接合材が溶融したのち、接合材中の拡散元素Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等が被接合材中に拡散する前に固化して接合する方法である。
【００２１】
また本発明の接合用合金は、急冷凝固法として知られている単ロール法や双ロール法等により薄帯に鋳造し、箔状の接合材として使用することができる。また形状としては箔のほか、用途に応じて粉末等も使用することができる。さらに、非晶質に限らず、結晶質のものでも用途によっては使用可能である。
【００２２】
【実施例】
表１に示す各合金について、単ロール法により下記条件で箔を鋳造した。表２に融点および接合実験の結果を示す。各合金は、いずれも、Ｍｎ、Ｓ等の不純物を０．２原子％含んでいる。鋳造時の溶融合金温度は、表２に示す融点よりおよそ１５０℃高い温度とした。

【００２３】
各合金の融点はＤＴＡ装置により求めた。表２に示すように、本発明例はいずれも１１００℃以下であったが、比較例は大半が１１００℃を超えるものであった。
【００２４】
鋳造結果、比較例のＮｏ．３３、Ｎｏ．３４、Ｎｏ，４１、Ｎｏ．４７は良好な箔が得られず、以後の接合実験を行うことができなかった。それ以外は、本発明例、比較例とも問題なく鋳造でき、板厚が２５μｍ程度の良好な箔が得られた。
【００２５】
得られた箔を用いて接合実験を行い、接合後に接合強度を測定した。接合実験に際しては、直径２０ｍｍの円盤状にした箔２枚を重ねて接合材とし、直径２０ｍｍのＳＴＫ４００の丸鋼を被接合材とした。図１に示すように、２本の被接合材１の間に接合材２を挟みこんで接合した。接合温度は、各合金の融点直上から融点＋５０℃の範囲として、雰囲気制御可能な加熱炉を用いて表２に示すそれぞれの雰囲気で加熱した。加熱中は、被接合材１と接合材２の密着性を高めるため２ＭＰａで加圧した。接合時間はすべて１０分とした。
【００２６】
そして、図２に示すように、接合後の丸鋼３から接合線４を中心としてＪＩＳＡ２号引張試験片５を切り出し、ＪＩＳＡ２号引張試験機を用いて引張試験を行った。また、接合実験前の被接合材２の母材からも同試験片を切り出して同様に引張試験を行い、接合強度を対母材比（接合部強度）／（母材強度）で表２に示した。
【００２７】
本発明例は、いずれも対母材比で１．０を超える高い接合強度が得られた。これは、Ｓｉ含有量を低減した接合用合金を接合材としたことによりＳｉＯ₂の生成を抑制したため、および融点の低い合金を接合材としことで接合温度を低くすることができ接合部の熱影響部の強度劣化を抑制できたためと考えられる。
【００２８】
これに対して、比較例はいずれも対母材比で０．９１以下であり、満足できる接合強度が得られなかった。これは接合部にＳｉＯ₂が生成したことと、接合材の融点が高かったため、接合温度を高くしなければならず、その分熱影響部の強度が劣化したためと考えられる。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
【発明の効果】
本発明の低融点接合用合金は、Ｓｉ含有量を低減することにより接合層の材質を改善するとともに、成分組成を最適化して融点を１１００℃以下としてより低温での接合が可能となった。このため、対母材比で１．０を超える高い接合強度が安定して得られる。したがって、被接合材の特性を損なうことのない接合が可能となり、さらに、加熱温度低下により接合コストの削減も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における接合実験の説明図である。
【図２】実施例における引張試験片の説明図である。
【符号の説明】
１：被接合材２：接合材
３：接合後の丸鋼４：接合線
５：引張試験片

Claims

原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下
Ｎｉ：０．１％以上２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下、
Ｃｒ：０．１％以上２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下、
Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下、
Ｎｉ：０．１％以上２０％以下、Ｃｒ：０．１％以上２０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下、
Ｎｉ：０．１％以上２０％以下、Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下、
Ｃｒ：０．１％以上２０％以下、Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。
原子％にて、
Ｂ：６％以上１４％以下、Ｓｉ：２％未満、
Ｃ：２％以上６％以下、Ｐ：１％以上２０％以下
Ｎｉ：０．１％以上２０％以下、Ｃｒ：０．１％以上２０％以下、
Ｖ：０．１％以上１０％以下
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、非晶質でかつ融点が１１００℃以下であることを同時に満足することを特徴とする鉄系低融点接合用の合金。