JP2008194750A - 銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法を提供する。
【解決手段】チタン母材に銀拡散制御層を形成させる工程（工程１）；前記工程１で銀拡散制御層が形成されたチタン母材と異種金属の間に挿入材を位置させる工程（工程２）；及び工程２で挿入された挿入材の溶融温度以上に加熱して、チタン母材と異種金属を接合する工程（工程３）を含んでなる銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法に関するものである。本発明による方法は、チタン母材上に銀拡散制御層を形成させることで、チタンと異種金属ブレイジング接合時に接合部で脆性が大きい金属間化合物の生成を抑制して脆性防止及び接合部の靭性を向上させることができるので、チタンと異種金属ブレイジング接合時に有用に使用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法に関するものである。

現在建築物；自動車、船舶、飛行機、列車などの輸送器機を含む構造物；各種配管；及びパイプ類などには金属または合金間の接合が必要な器機部品がたくさん存在する。このような金属及び合金間の接合には、大部分高温溶融接合を使用した溶接方式が使用されている。

しかし、溶融接合及び溶接は、作業温度が高いため粒子粗大化などの周囲母材の組職を変化させて、機械的物性を低下させる問題点を有しているだけではなく、高温処理による内部応力形成によって応力腐食亀裂（ＳＣＣ）などの問題を発生させている。このような点を考慮して最近では、このような構造部品の金属及び合金間に十分な引張強度及び接着強度、そして優秀な漏洩防止（ｌｅａｋ ｔｉｇｈｔ）特性を付与して、現場適用が可能な非溶融方式を使用した低温固相接合技術に対する研究が活発に進行されている。このような固相接合技術中の一つであるブレイジング技術は、最近セラミックや高温用材料などの新素材に適用するための研究が活発に行われていて、ブレイジング接合方法は、溶融接合と比べて母材の機械的物性に影響を与えないので、内部熱応力の側面でも非常に好ましい効果を示している。

しかし、ブレイジング接合方法で同種ではない異種金属及び合金を接合する時には、大部分接合しようとする二つの母材成分間の金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅ）が接合部に生成されて、接合部の靭性を低める問題がある。これは、ブレイジング接合時に溶融された挿入材の中に、接合しようとする二つの異種金属あるいは合金成分が多量溶解（ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）し、冷却時にこの二つの成分間の金属間化合物が生成されるからである。例えば、チタンブレイジング時に使用される銀−銅−チタン系挿入材を使用してチタン−銅間の異種ブレイジング接合をすると、Ｔｉ_２Ｃｕ、ＴｉＣｕ、Ｔｉ_３Ｃｕ_４、ＴｉＣｕ_２、ＴｉＣｕ_４などのチタン−銅間金属間化合物が接合部に形成されるため、接合部の靭性が低くなってチタン−銅間接合物の強度低下を誘発する。

以上のことに鑑みて、本発明者等は、チタン異種金属ブレイジング接合時の金属間化合物の生成を抑制する方法を研究中に、チタン母材の上に銀（Ａｇ）拡散制御層を形成させることにより、チタン異種金属ブレイジング接合時、接合部において脆性（ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ）が大きい金属間化合物の生成を抑制して、脆性防止及び接合部の靭性が向上することを確認して本発明を完成した。

本発明の目的は、銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、チタン母材に銀拡散制御層を形成させる工程（工程１）；
前記工程１で銀拡散制御層が形成されたチタン母材と異種金属との間に挿入材を位置させる工程（工程２）；及び
工程２で挿入された挿入材を溶融温度以上に加熱してチタン母材と異種金属を接合する工程（工程３）を含んでなる、銀拡散制御層を使用したチタン異種接合部の脆性防止及び接合力向上方法を提供する。

以下、本発明を詳しく説明する。
Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系を使用してチタン異種金属ブレイジング接合をすると、溶融した挿入材で母材であるチタンと銅が多量溶解されて、接合後の接合部にはチタン−銅間金属間化合物が生成される。このように接合部に金属間化合物が生成されると、接合部の靭性が低くなって低い強度で破壊が起きるようになる。したがって、このような金属間化合物の生成を防止すれば、接合部の接合力を向上させて接合部の脆性を防止することができる。

このように、接合部の金属間化合物の生成を防止するためには、ブレイジング接合時に接合しようとする二つの母材の中で少なくとも一つ以上の母材が溶融された挿入材で母材の溶解を防止しなければならない。

本発明ではこのような点を考慮して、チタン母材上に銀拡散制御層を形成させてチタンが溶融された挿入材で母材の溶解を防止して、ブレイジング接合時の接合部の靭性を向上させることができる方法を考案した。ここで、銀（Ａｇ）を拡散制御層に選択したのは、チタンと銀の間に生成されるチタン−銀相は、他の金属間化合物より靭性が優秀であるという研究結果があり、銀−銅間には銀−銅状態図（図１）に示したように、完全工程反応を通じて銀及び銅固溶相（ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）だけが生成され、他の金属間化合物が生成されないので、接合部の靭性向上に大きい効果を与えることができるからである。

以下、図２を参照して本発明を工程別で詳細に説明する。
まず、工程１は、チタン母材Ａ１に銀拡散制御層Ｂを形成する工程である。

本発明において、前記銀拡散制御層Ｂは、他の金属間化合物より靭性が優秀であり、チタン母材Ａ１に前記銀拡散制御層Ｂが形成された場合、チタンＡ１が溶融された挿入材にチタン母材Ａ１が溶解されることを防止して、他の金属間化合物が形成されることを防ぐことにより、接合部の靭性向上を助ける。

本発明において、前記銀拡散制御層Ｂの形成方法は、コーティング、蒸着及びクラディングなどの多様な方法を使用することができ、特別に限定されない。

次に、工程２は前記工程１で銀拡散制御層が形成されたチタン母材Ａ１−１と異種金属Ａ２の間に挿入材Ｃを位置させる工程である。

本発明において、使用される挿入材Ｃは、一般的にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系を使用することができ、前記挿入材Ｃの形態は、パウダー、リボン、板材などの形態が可能だが、これに制限されない。

本発明において、前記挿入材Ｃを位置させる方法としては特別に制限されず、例えば銀拡散制御層が形成されたチタン母材Ａ１−１上に挿入材Ｃを位置させた後、異種金属Ａ２をその上に位置させる方法、銀拡散制御層が形成されたチタン母材Ａ１−１または異種金属Ａ２に挿入材Ｃをコーティングする方法など様々な方法を使用することができる。

工程３は、前記工程２で挿入された挿入材Ｃの溶融温度以上に加熱して、チタン母材Ａ１と異種金属Ａ２を接合する工程である。

このように挿入材Ｃを銀拡散制御層が形成されたチタン母材Ａ１−１及び銅Ａ２の間に位置させた後、加熱手段Ｄ１、Ｄ２を使用して挿入材Ｃ及び周囲温度を挿入材Ｃの溶融温度以上に加熱して、一定時間維持すると溶融した挿入材ＣとチタンＡ１−１に形成された銀拡散制御層Ｂ及び異種金属Ａ２の間には、組成成分差による合金元素の拡散が起きるようになり、それによって挿入材ＣとチタンＡ１−１及び異種金属Ａ２の間に強い接合を形成することができる。また、チタン母材Ａ１と銀拡散制御層Ｂの間にも同じ原理の拡散が起きるようになり、強い接合が成立する。

本発明による方法において、前記接合温度は、７７０〜９６０℃であることが好ましく、これは挿入材Ｃの溶融点が７７０℃以下で、拡散制御層Ｂである銀の溶融点が９６２℃であるからである。

このような方法で接合すると、チタン母材Ａ１が銀拡散制御層Ｂによって溶融された挿入材Ｃ中に溶解することができず、接合部にはチタン−異種金属間化合物が生成されないので、接合部の脆性を防止して靭性を向上させることができる。

以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。しかし、下記の実施例は本発明の例示するだけのものであって、本発明の範囲が下記の実施例によって限定されるものではない。

＜実施例＞拡散制御層を使用したチタンと異種金属間の接合
溶融温度が１１６０℃のチタン金属板にスパッタコーティング法を使用して１００μｍの銀拡散層を形成した。以後、前記銀拡散層が形成されたチタンと溶融温度が１０８３℃の銅金属板の間に挿入材として、銀７０重量％、銅２８重量％及びチタン２重量％を含有した合金からなる厚さ１００μｍのリボンを挟んだ後、アルゴン雰囲気で温度が８１０℃になるまで１００℃／分の速度で昇温させながら紫外線ブレイジング（Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂｒａｚｉｎｇ）をした。８１０℃で６分間温度を維持した後、平均５０℃／分の冷却速度で冷却してチタンと銅を接合させた。

＜比較例＞拡散制御層を使用しないチタンと異種金属間の接合
前記チタン金属板に銀拡散層を形成する工程を除いて実施例１と同一に遂行した。但し、接合時に８１０℃で１０分間温度を維持した。

＜実験例１＞接合表面分析
本発明による方法で接合したチタン−異種金属接合部の接合部状態を確認するために次のような実験を遂行した。

実施例及び比較例によって接合されたチタン−銅接合部の微細組職を走査電子顕微鏡で観察した後、その結果を図３及び図４に示した。

図３に示したように、銀拡散制御層が形成されたチタンと銅の接合部は、チタン母材上の銀拡散制御層の存在によって、いかなるチタン−銅間金属間化合物も生成されないことを確認した。一方、図４に示したように、銀拡散制御層がない場合には、接合部にＴｉ_２ＣｕＢ、ＴｉＣｕ（ｃ）、Ｔｉ_３Ｃｕ_４（ｄ）、ＴｉＣｕ_２、またはＴｉ_２Ｃｕ_３（ｅ）、ＴｉＣｕ_４（ｆ）などのチタン−銅間金属間化合物が生成されることを確認した。

したがって、本発明による方法は、チタン−異種金属間金属間化合物の生成を抑制して脆性を防止することが分かった。

＜実験例２＞引張実験
本発明による方法で接合したチタン−異種金属接合部の強度を調べるために次のような実験を遂行した。

実施例及び比較例によって接合されたチタン−銅接合部の降伏強度、引張強度及び延伸率を引張試験を通じて測定して、その結果を表１に示した。

表１に示したように、本発明による銀拡散制御層が形成されたチタンと銅の接合部は、チタン−銅間金属間化合物が生成されなかったため、銀拡散制御層を使用しない時より靭性が向上して、さらに高い強度と延伸率を示すことを確認することができた。

本発明による方法は、チタン母材上に銀拡散制御層を形成させることによって、チタンと異種金属ブレイジング接合時の接合部で、脆性が大きい金属間化合物の生成を抑制して、脆性防止及び接合部の靭性を向上させることができるので、チタンと異種金属ブレイジング接合時に有用に使用することができる。

銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）間の状態図である。 本発明による拡散制御層を使用したチタン母材と異種金属の接合方法の模式図である。 本発明の一実施例によるチタンに銀拡散制御層を蒸着して、銅と接合後の接合部の微細組職を示した写真である。 本発明の一比較例によるチタンに銀拡散制御層なしに銅と接合後の接合部の微細組職を示した写真である。

符号の説明

Ａ１：チタン母材
Ａ１−１：拡散制御層が形成されたチタン
Ａ２：銅
Ｂ：銀拡散制御層
Ｃ：挿入材
Ｄ１：加熱手段
Ｄ２：加熱手段
ａ：Ｔｉ Ｓ．Ｓ． （Ｔｉ−ｒｉｃｈ）
ｂ：Ｔｉ_２Ｃｕ
ｃ：ＴｉＣｕ
ｄ：Ｔｉ_３Ｃｕ_４
ｅ：ＴｉＣｕ_２（またはＴｉ_２Ｃｕ_３）
ｆ：ＴｉＣｕ_４
ｇ：Ａｇ−ｒｉｃｈ
ｆ：Ｃｕ（Ｔｉ，Ａｇ）
ｉ：Ｃｕ−ｒｉｃｈ
α：ＴｉＡｇ
β：Ａｇ
γ：Ｃｕ Ｓ．Ｓ．（Ｃｕ−ｒｉｃｈ）
δ：Ａｇ Ｓ．Ｓ．（Ａｇ−ｒｉｃｈ）

Claims (6)

1. チタン母材に銀拡散制御層を形成する工程（工程１）；
   前記工程１で銀拡散制御層が形成されたチタン母材と異種金属の間に挿入材を位置させる工程（工程２）；及び
   工程２で挿入した挿入材の溶融温度以上に加熱してチタン母材と異種金属を接合する工程（工程３）を含んでなる、銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法。
2. 前記銀拡散制御層形成方法が、コーティング、蒸着及びブレイジングからなる群から選択されるいずれかひとつであることを特徴とする、請求項１に記載の銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法。
3. 前記挿入材を位置させる方法として、銀拡散制御層が形成されたチタン母材上に挿入材を位置させた後、異種金属をその上に位置させることを特徴とする、請求項１に記載の銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法。
4. 前記挿入材を位置させる方法として、銀拡散制御層が形成されたチタン母材または異種金属に挿入材をコーティングすることを特徴とする、請求項１に記載の銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法。
5. 前記挿入材の形態が、パウダー、リボン及び板材からなる群から選択されるいずれかひとつであることを特徴とする、請求項１に記載の銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法。
6. 接合温度が、７７０〜９６０℃であることを特徴とする、請求項１に記載の銀拡散制御層を使用したチタンと異種金属接合部の脆性防止及び接合力向上方法。