ろう付方法およびそのろう材
【目的】 複数の鋼部材を浸炭処理と並行的にろう付けし、その後焼入れするろう付方法、複数の金属部材や鋼部材をろう付けする為のろう材を提供する。
【構成】 複数の鋼部材を浸炭処理するのと並行してろう付けし、その後焼入れする為には、浸炭処理温度９３０℃で液相状態で、焼入れ直前温度８５０℃で固相状態であるろう材が必要である。８０〜５５重量％のＣｕと２０〜４５重量％のＭｎとからなるＣｕ−Ｍｎ合金ろう材、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金ろう材等が適用可能である。
【構成】 複数の鋼部材を浸炭処理するのと並行してろう付けし、その後焼入れする為には、浸炭処理温度９３０℃で液相状態で、焼入れ直前温度８５０℃で固相状態であるろう材が必要である。８０〜５５重量％のＣｕと２０〜４５重量％のＭｎとからなるＣｕ−Ｍｎ合金ろう材、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金ろう材等が適用可能である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ろう付方法およびそのろう材に関し、特に鋼部材を浸炭処理と並行してろう付けし、その後焼入れするろう付方法及びそのろう材に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車のマニュアル変速機のヘリカルギヤとクラッチコーンとは分割ギヤとして構成した部品を電子ビーム溶接することでギヤ部材に一体化されて来たが、電子ビーム溶接では、部分的な溶融と凝固とが起こるため、クラッチコーンの熱変形が問題となるうえ、特殊な真空チャンバーも必要で、消耗品も多く、メンテナンス費用も高額になる等の問題がある。そこで、特開平１−２３７０９６号公報には、ヘリカルギヤとクラッチコーンとを浸炭処理と並行的にろう付けしてギヤ部材とする為のろう材として、ＣｕとＡｇとを主成分とする合金であって、５〜１０重量％のＳｎと２０〜５０重量％のＡｇとを含む合金からなるろう材が提案されている。
【０００３】前記公報に記載の技術のように、鋼部材を浸炭処理と並行してろう付けし、その後焼入れ処理する為にろう材に要求される条件としては、(1) 浸炭処理温度が９３０℃で焼入れ直前温度が８５０℃であるため、固相線が８５０℃以上であり且つ液相線が９３０℃以下であること、(2) 量産時の作業性の観点から線材化が可能であること、(3) ろう付けの目標剪断強度が約１７Kgf/mm2 以上であること、が必要である。一方、従来の鋼部材をろう付けするろう材としては、Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＣｕＰ合金，ＣｕＺｎ合金等のろう材が主として適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記公報に記載のろう材では、約１７Kgf/mm2 以上の目標剪断強度を確保することは困難であるため、ろう付けの接合面を大きく設定する必要があり、ギヤ部材が大型化する。また、ろう材の組成を余程適切に設定しないと、固相線が８５０℃以下になる可能性が高く、ギヤ部材の焼入れ開始後も完全に凝固せず、焼入れの進行と並行して凝固するため、ろう付けの接合強度が低下する可能性がある。
【０００５】従来周知の前記列挙したろう材は、前記諸条件(1) 〜(3) を満足するものではないため、ヘリカルギヤとクラッチコーンとを浸炭処理と並行的にろう付けしてギヤ部材とする為のろう材として適用することはできない。本発明の目的は、複数の鋼部材を浸炭処理と並行的にろう付けし、その後焼入れできるろう付方法、複数の金属部材をろう付けする為のろう材、複数の鋼部材をろう付けする為のろう材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１のろう付方法は、複数の鋼部材同士をろう付けする方法において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材を鋼部材間のろう付け対象部位又はその近傍部位にセットする第１の工程と、前記ろう材をセットした複数の鋼部材を、浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに前記ろう材によりろう付け対象部位をろう付けする第２の工程と、前記浸炭処理された複数の鋼部材を焼入れ処理する第３の工程とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】請求項２のろう付方法は、請求項１の発明において、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕとＭｎの合金であることを特徴とするものである。請求項３のろう付方法は、請求項１の発明において、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕとＭｎとＮｉの合金であることを特徴とするものである。
【０００８】請求項４のろう付方法は、請求項２又は請求項３の発明において、前記第１の工程において鋼部材間にセットされるろう材は、線材をリング状又は開リング状に構成したろう材であることを特徴とするものである。請求項５のろう付方法は、請求項１の発明において、前記複数の鋼部材が、自動車用変速機におけるヘリカルギヤとクラッチコーンであることを特徴とするものである。
【０００９】請求項６のろう材は、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるものである。請求項７のろう材は、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるものである。
【００１０】請求項８のろう材は、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるものである。請求項９のろう材は、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるものである。
【００１１】
【発明の作用及び効果】請求項１のろう付方法においては、複数の鋼部材同士をろう付けする際に、第１の工程において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材を鋼部材間のろう付け対象部位又はその近傍部位にセットし、第２の工程において、前記ろう材をセットした複数の鋼部材を、浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに前記ろう材によりろう付け対象部位をろう付けし、第３の工程において、前記浸炭処理された複数の鋼部材を焼入れ処理する。
【００１２】ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材は、Ｍｎの重量％を適切に設定すれば、鋼部材の浸炭処理温度（約９３０℃）において液相状態で、鋼部材の焼入れ処理直前の温度（約８５０℃）において十分に固相状態となるので、複数の鋼部材を浸炭処理するのと並行してろう付けすることができ、また、焼入れ処理開始前にろう材を凝固させることができるためろう付けの接合強度を確保することができる。しかも、ろう材にＭｎが含まれるため硬度が幾分増すけれども、ろう材を線材化することができるから、ろう材を所定形状に成形して量産に対応できるようになるため、ろう付けのコストを低減できる。
【００１３】請求項２のろう付方法においては、請求項１と同様の作用・効果を奏するが、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕとＭｎの合金であるため、図４の状態図からも判るように、鋼部材の浸炭処理（約９３０℃）において液相状態を保持し、鋼部材の焼入れ処理直前の温度（約８５０℃）よりも高い約８７０℃以上の固相線を確保（約８７０℃以下で液相状態とならない）することができる。
【００１４】請求項３のろう付方法においては、請求項１と同様の作用・効果を奏するが、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕトＭｎとＮｉの合金である。ろう材が２０〜４５重量％のＭｎを含む合金であり、Ｎｉの重量％は比較的少量であるため、基本的に請求項２と同様の作用・効果が得られるうえ、ろう材が０〜１５重量％のＮｉを含む合金であるため、ろう付けの接合強度を高めることができ、また、ろう材の液相状態における鋼部材に対する濡れ性を高め、接合部の隅々までろう材を充填できるからろう付けの信頼性を高めることができる。
【００１５】請求項４のろう付方法においては、請求項２又は請求項３と同様の作用・効果を奏するが、前記第１の工程において鋼部材間にセットされるろう材は、線材をリング状又は開リング状に構成したろう材であるため、ろう材のセットが簡単になり、量産的にろう付けする際のコスト低減を図ることができる。
【００１６】請求項５のろう付方法においては、請求項１と同様の作用・効果を奏するが、前記複数の鋼部材が、自動車用変速機におけるヘリカルギヤとクラッチコーンである。このヘリカルギヤとクラッチコーンをろう付けにて一体的に接合するため、熱歪みを最小限に抑制して高品質のギヤ部材とすることができる。
【００１７】請求項６のろう材においては、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ろう材が、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるので、２０〜４５重量％のＭｎの作用により、ろう材の液相線お固相線を低くすることができるとともに、ろう材の線材化が可能であるため、量産的なろう付けに適する。そして、図４の状態図から判るように、請求項１で説明したように、このろう材は、鋼部材の浸炭処理温度（約９３０℃）において液相状態で、鋼部材の焼入れ処理直前の温度（約８５０℃）において十分に固相状態となるので、複数の鋼部材を浸炭処理するのと並行してろう付けすることのできるものとなる。
【００１８】請求項７のろう材においては、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ろう材が、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるので、基本的に請求項６と同様の作用・効果が得られるうえ、０〜１５重量％のＮｉを含む合金であるため、請求項３で説明したように、ろう付けの接合強度を高めることができ、また、ろう材の液相状態における金属部材（特に、鋼部材）に対する濡れ性を高め、接合部の隅々までろう材を充填できるからろう付けの信頼性を高めることができる。
【００１９】請求項８のろう材においては、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるものである。ろう付け対象部材が、複数の鋼部材という点で請求項６と異なるのみであり、基本的に請求項６と同様の作用・効果が得られる。
【００２０】請求項９のろう材においては、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるものである。ろう付け対象部材が、複数の鋼部材という点で請求項７と異なるのみであり、基本的に請求項７と同様の作用・効果が得られる。
【００２１】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明する。本実施例は、自動車のマニュアル変速機用に組み込まれるギヤ部材を製作する際に、鋼製のヘリカルギヤと鋼製のクラッチコーンとを浸炭処理と並行してろう付けしてギヤ部材を作成する浸炭処理・ろう付方法、および、そのろう付けの為のろう材に、本発明を適用した場合の一例である。最初に、浸炭処理・ろう付方法について説明し、その後、前記浸炭処理・ろう付方法に適用可能なろう材について説明する。
【００２２】前段の工程において、図１（ａ）に示すように、予め、クラッチコーン１０と、ヘリカルギヤ２０とを製作しておくものとする。これらの構造について説明すると、クラッチコーン１０において、筒部１３とギヤ部１４とが一体形成され、軸孔１１は、筒部１３内の大径孔１１ａと、ギヤ部１４内の小径孔１１ｂとからなり、小径孔１１ｂの内周面１２と、ギヤ部１４の下面１６の内周側部分とがろう付けされる面である。筒部１３の外周面１５はテーパー状のコーン面に形成され、ギヤ部１４の外周部にはギヤ歯１７が形成されている。
【００２３】ヘリカルギヤ２０には、軸孔２１を形成してあり、上端側の嵌合軸部２２と、本体部２３とが一体形成され、嵌合軸部２２と本体部２３とに亙って軸孔２１が形成され、嵌合軸部２２は、クラッチコーン１０の小径孔１１ｂに微小隙間を以て嵌合可能に形成されている。嵌合軸部２２の外周基部には、開リング状のろう材３０（図２参照）を装着する為の環状溝２５が形成され、本体部２３の上面の内周側部分には、クラッチコーン１０の下面１６に当接可能な環状面２６が形成され、嵌合軸部２２の外周面２４と、環状面２６とがろう付けされる面である。また、本体部２３の外周部にはギヤ歯２７が形成されている。
【００２４】更に、別の前段の工程において、図２に示すように、予め、環状溝２５に装着する為の開リング状のろう材３０を製作しておく。この開リング状のろう材３０は、所定の太さの線材を開リング状に成形し且つ切断して作成する。但し、この開リング状のろう材３０の合金の材質については後述する。
【００２５】次に、浸炭処理・ろう付方法の第１工程において、図１（ｂ）に示すように、ヘリカルギヤ２０の環状溝２５に、開リング状のろう材３０をセットする。次に、第２工程において、図１（ｃ）に示すように、所定の圧入プレスにヘリカルギヤ２０とクラッチコーン１０とをセットし、クラッチコーン１０をヘリカルギヤ２０に圧入する。この圧入後の状態において、ろう材３０は環状溝２５内に位置し、内周面１２が外周面２４に２０〜３０μｍの微小隙間を以て外嵌し、クラッチコーン１０の下面１６の内周側部分は、環状面２６に４０〜８０μｍの微小隙間を以て当接した状態となる。
【００２６】次に、第３工程において、クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とを浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに、その浸炭処理と並行してろう材３０によるろう付けを行ない、クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とをろう付けして一体化したギヤ部材４０にする。次に、第４工程において、ギヤ部材４０を浸炭炉から取り出し、ソルトバスの溶融ソルト内に収容して、焼入れ処理する。
【００２７】ここで、前記第３及び第４工程における浸炭処理・ろう付け処理及び焼入れ処理の温度特性（ヒートパターン）について説明する。図３に示すように、３５０℃まで昇温して２０分間保持し、その後９３０℃まで加熱し、９３０℃の加熱状態において８６分間浸炭処理するのと並行してろう材３０を融解させてろう付けする。その後、焼入れ時の熱変形を抑制する為に、フェライト析出が生じない８５０℃の温度まで降温させて８４分間保持し、次に、ソルトバスにより８５０℃から２３０℃の温度に焼入れ処理し、その後２３０℃から大気中にて徐冷する。
【００２８】後述するろう材３０の特性から判るように、前記浸炭処理・ろう付けの際、ろう材３０が融解して、内周面１２と外周面２４間の２０〜３０μｍの微小隙間３１に充填されるとともに、クラッチコーン１０の下面１６の内周側部分と環状面２６間の４０〜８０μｍの微小隙間３２に充填され、８５０℃に降温された状態においてろう材は完全に凝固状態になる。そして、その凝固しながらではなく、凝固完了状態において焼入れ処理されるため、焼入れの際の熱歪みによりろう付け接合部の強度が低下することもない。
【００２９】次に、前記クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とをろう付けするのに適したろう材３０の合金組成と機械的特性について説明する。前記のように、浸炭処理と並行してろう付けし、その後焼入れ処理する関係上、ろう材３０に必要な特性としては、(1) 浸炭処理時の温度９３０℃において液相状態であること、(2) 焼入れ直前の温度８５０℃において固相状態であること、(3) 約17.2 Kgf/mm2以上の目標剪断強度を確保できること、〔尚、この目標剪断強度は、規格で規定されている捩じり強度５００Kg・m および抜き強度２３ton から設定した〕
(4) 融解状態のろう材３０を微小な接合隙間に均一に充填する為に、クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０を構成する鋼部材に対する濡れ性が高いこと、(5) クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とを量産的にろう付けする為に、線材化してから所定形状に成形できるろう材３０であること、等の諸必要条件を満足する必要がある。
【００３０】以上の諸必要条件を充足するろう材３０として、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金からなるろう材が有力な候補であるので、それについて検討する。図４のＣｕ−Ｍｎろう材用合金の２元系状態図に示すように、前記(1) と(2)の条件を満足する為には、Ｍｎの成分比率を２０〜４５重量％の範囲に設定する必要があり、その場合、Ｍｎの成分比率３８．５重量％で最低融点８７０℃となる。Ｍｎを含むと、ろう材合金が硬くなって線材化が難しくなる虞があったが、ろう材メーカーによる検討の結果、α固溶体が多く析出する領域では、過度に硬くなることはなく、十分に線材化可能であることが判った。
【００３１】次に、液相状態のろう材３０の鋼部材に対する濡れ性を高め、接合強度を高める為に、前記のろう材に、Ｎｉを添加してなる合金も有力な候補である。そこで、図５に示す組成の合金からなる７種類のろう材Ｍ１〜Ｍ７について、濡れ性確認試験を行った。この濡れ性確認試験では、ろう材Ｍ１〜Ｍ７の試料１ｇを鋼板表面にてプラズマアークで加熱融解して、鋼板表面における濡れ半径を計測し、その計測結果を図６に示す。この図から、概略的に、Ｎｉの組成比率が高まる程濡れ性が向上することが判った。但し、Ｎｉを添加しない場合であっても、適用するフラックスの種類を調整することで、ある程度まで濡れ性を高めることができる。
【００３２】ところで、Ｍｎの組成比率が高まる程融点が高くなり、また、Ｎｉの組成比率が高まる程融点が高くなることから、図７に示すＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉろう材用合金の３元系状態図により検討した結果、浸炭処理時の温度９３０℃において液相状態を確保する為には、Ｎｉの組成比率は１５重量％以下であることが必要であることが判った。
【００３３】一方、前記７種類のろう材Ｍ１〜Ｍ７について、接合強度試験を行った結果は、図８に示す通りである。この結果から、ろう材Ｍ１は十分な接合強度を発揮するが、ろう材Ｍ２，３は接合強度的に多少劣るものの実用に耐えない訳ではない。ろう材Ｍ４〜Ｍ７は、十分な接合強度を発揮し、濡れ性と強度の観点から最も望ましいものであることが判る。
【００３４】以上のような検討結果から、前記クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０のような複数の鋼部材を浸炭処理と並行的にろう付けし、その後焼入れ処理するのに適したろう材３０としては、次の種々のろう材を適用できる。
（ａ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるろう材。
（ｂ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、８０〜５５重量％のＣｕと２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕ−Ｍｎ合金からなるろう材。
（ｃ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉを含む合金からなるろう材。
（ｄ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金からなるろう材。
（ｅ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、４５重量％以上のＣｕと、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金からなるろう材。
【００３５】次に、前記実施例を部分的に変更した変更態様について説明する。
１〕前記実施例におけるろう付け対象部材はクラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０であったが、ろう付け対象部材は前記のものに限定されず、その他の種々の鋼部材であってもよく、２つの鋼部材をろう付けするとは限らず、３つの鋼部材又は３つ以上の鋼部材をろう付けするろう付方法にも、同様に本発明を適用可能である。
２〕前記ろう材３０は、線材から開リング状に成形したものを適用したが、閉リング状のろう材を装着できる場合には、閉リング状のろう材を適用してもよい。
３〕前記（ａ）と（ｃ）のろう材は、必要に応じて、Ｃｕ，Ｍｎ，Ｎｉ以外のその他の金属元素を微小量又は少量添加してなる合金であってもよい。
４〕前記実施例のろう材は、鋼部材をろう材するのに好適のものであるが、鋼部材以外の複数の金属部材（特に、ダクタイル鋳鉄部材、鋳鉄部材、銅合金部材、アルミ合金部材、その他）のろう付けにも適用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施例に係るクラッチコーンとヘリカルギヤの断面図、（ｂ）はろう材をセットして状態のヘリカルギヤの断面図、（ｃ）はヘリカルギヤにクラッチコーンを圧入した状態の断面図、（ｄ）はクラッチコーンとヘリカルギヤとをろう付けした状態の断面図である。
【図２】開リング状のろう付けの平面図である。
【図３】浸炭処理・ろう付けの温度特性図である。
【図４】Ｃｕ−Ｍｎろう付け用合金の２元状態図である。
【図５】種々の実験に供した７種類のろう材の組成を示す図表である。
【図６】前記７種のろう材の濡れ性確認試験の試験結果を示すグラフである。
【図７】Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉろう材用合金の３元状態図である。
【図８】前記７種のろう材の接合強度試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ クラッチコーン
２０ ヘリカルギヤ
３０ 開リング状ろう材
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ろう付方法およびそのろう材に関し、特に鋼部材を浸炭処理と並行してろう付けし、その後焼入れするろう付方法及びそのろう材に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車のマニュアル変速機のヘリカルギヤとクラッチコーンとは分割ギヤとして構成した部品を電子ビーム溶接することでギヤ部材に一体化されて来たが、電子ビーム溶接では、部分的な溶融と凝固とが起こるため、クラッチコーンの熱変形が問題となるうえ、特殊な真空チャンバーも必要で、消耗品も多く、メンテナンス費用も高額になる等の問題がある。そこで、特開平１−２３７０９６号公報には、ヘリカルギヤとクラッチコーンとを浸炭処理と並行的にろう付けしてギヤ部材とする為のろう材として、ＣｕとＡｇとを主成分とする合金であって、５〜１０重量％のＳｎと２０〜５０重量％のＡｇとを含む合金からなるろう材が提案されている。
【０００３】前記公報に記載の技術のように、鋼部材を浸炭処理と並行してろう付けし、その後焼入れ処理する為にろう材に要求される条件としては、(1) 浸炭処理温度が９３０℃で焼入れ直前温度が８５０℃であるため、固相線が８５０℃以上であり且つ液相線が９３０℃以下であること、(2) 量産時の作業性の観点から線材化が可能であること、(3) ろう付けの目標剪断強度が約１７Kgf/mm2 以上であること、が必要である。一方、従来の鋼部材をろう付けするろう材としては、Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＣｕＰ合金，ＣｕＺｎ合金等のろう材が主として適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記公報に記載のろう材では、約１７Kgf/mm2 以上の目標剪断強度を確保することは困難であるため、ろう付けの接合面を大きく設定する必要があり、ギヤ部材が大型化する。また、ろう材の組成を余程適切に設定しないと、固相線が８５０℃以下になる可能性が高く、ギヤ部材の焼入れ開始後も完全に凝固せず、焼入れの進行と並行して凝固するため、ろう付けの接合強度が低下する可能性がある。
【０００５】従来周知の前記列挙したろう材は、前記諸条件(1) 〜(3) を満足するものではないため、ヘリカルギヤとクラッチコーンとを浸炭処理と並行的にろう付けしてギヤ部材とする為のろう材として適用することはできない。本発明の目的は、複数の鋼部材を浸炭処理と並行的にろう付けし、その後焼入れできるろう付方法、複数の金属部材をろう付けする為のろう材、複数の鋼部材をろう付けする為のろう材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１のろう付方法は、複数の鋼部材同士をろう付けする方法において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材を鋼部材間のろう付け対象部位又はその近傍部位にセットする第１の工程と、前記ろう材をセットした複数の鋼部材を、浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに前記ろう材によりろう付け対象部位をろう付けする第２の工程と、前記浸炭処理された複数の鋼部材を焼入れ処理する第３の工程とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】請求項２のろう付方法は、請求項１の発明において、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕとＭｎの合金であることを特徴とするものである。請求項３のろう付方法は、請求項１の発明において、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕとＭｎとＮｉの合金であることを特徴とするものである。
【０００８】請求項４のろう付方法は、請求項２又は請求項３の発明において、前記第１の工程において鋼部材間にセットされるろう材は、線材をリング状又は開リング状に構成したろう材であることを特徴とするものである。請求項５のろう付方法は、請求項１の発明において、前記複数の鋼部材が、自動車用変速機におけるヘリカルギヤとクラッチコーンであることを特徴とするものである。
【０００９】請求項６のろう材は、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるものである。請求項７のろう材は、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるものである。
【００１０】請求項８のろう材は、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるものである。請求項９のろう材は、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるものである。
【００１１】
【発明の作用及び効果】請求項１のろう付方法においては、複数の鋼部材同士をろう付けする際に、第１の工程において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材を鋼部材間のろう付け対象部位又はその近傍部位にセットし、第２の工程において、前記ろう材をセットした複数の鋼部材を、浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに前記ろう材によりろう付け対象部位をろう付けし、第３の工程において、前記浸炭処理された複数の鋼部材を焼入れ処理する。
【００１２】ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材は、Ｍｎの重量％を適切に設定すれば、鋼部材の浸炭処理温度（約９３０℃）において液相状態で、鋼部材の焼入れ処理直前の温度（約８５０℃）において十分に固相状態となるので、複数の鋼部材を浸炭処理するのと並行してろう付けすることができ、また、焼入れ処理開始前にろう材を凝固させることができるためろう付けの接合強度を確保することができる。しかも、ろう材にＭｎが含まれるため硬度が幾分増すけれども、ろう材を線材化することができるから、ろう材を所定形状に成形して量産に対応できるようになるため、ろう付けのコストを低減できる。
【００１３】請求項２のろう付方法においては、請求項１と同様の作用・効果を奏するが、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕとＭｎの合金であるため、図４の状態図からも判るように、鋼部材の浸炭処理（約９３０℃）において液相状態を保持し、鋼部材の焼入れ処理直前の温度（約８５０℃）よりも高い約８７０℃以上の固相線を確保（約８７０℃以下で液相状態とならない）することができる。
【００１４】請求項３のろう付方法においては、請求項１と同様の作用・効果を奏するが、前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕトＭｎとＮｉの合金である。ろう材が２０〜４５重量％のＭｎを含む合金であり、Ｎｉの重量％は比較的少量であるため、基本的に請求項２と同様の作用・効果が得られるうえ、ろう材が０〜１５重量％のＮｉを含む合金であるため、ろう付けの接合強度を高めることができ、また、ろう材の液相状態における鋼部材に対する濡れ性を高め、接合部の隅々までろう材を充填できるからろう付けの信頼性を高めることができる。
【００１５】請求項４のろう付方法においては、請求項２又は請求項３と同様の作用・効果を奏するが、前記第１の工程において鋼部材間にセットされるろう材は、線材をリング状又は開リング状に構成したろう材であるため、ろう材のセットが簡単になり、量産的にろう付けする際のコスト低減を図ることができる。
【００１６】請求項５のろう付方法においては、請求項１と同様の作用・効果を奏するが、前記複数の鋼部材が、自動車用変速機におけるヘリカルギヤとクラッチコーンである。このヘリカルギヤとクラッチコーンをろう付けにて一体的に接合するため、熱歪みを最小限に抑制して高品質のギヤ部材とすることができる。
【００１７】請求項６のろう材においては、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ろう材が、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるので、２０〜４５重量％のＭｎの作用により、ろう材の液相線お固相線を低くすることができるとともに、ろう材の線材化が可能であるため、量産的なろう付けに適する。そして、図４の状態図から判るように、請求項１で説明したように、このろう材は、鋼部材の浸炭処理温度（約９３０℃）において液相状態で、鋼部材の焼入れ処理直前の温度（約８５０℃）において十分に固相状態となるので、複数の鋼部材を浸炭処理するのと並行してろう付けすることのできるものとなる。
【００１８】請求項７のろう材においては、複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ろう材が、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるので、基本的に請求項６と同様の作用・効果が得られるうえ、０〜１５重量％のＮｉを含む合金であるため、請求項３で説明したように、ろう付けの接合強度を高めることができ、また、ろう材の液相状態における金属部材（特に、鋼部材）に対する濡れ性を高め、接合部の隅々までろう材を充填できるからろう付けの信頼性を高めることができる。
【００１９】請求項８のろう材においては、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるものである。ろう付け対象部材が、複数の鋼部材という点で請求項６と異なるのみであり、基本的に請求項６と同様の作用・効果が得られる。
【００２０】請求項９のろう材においては、複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなるものである。ろう付け対象部材が、複数の鋼部材という点で請求項７と異なるのみであり、基本的に請求項７と同様の作用・効果が得られる。
【００２１】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明する。本実施例は、自動車のマニュアル変速機用に組み込まれるギヤ部材を製作する際に、鋼製のヘリカルギヤと鋼製のクラッチコーンとを浸炭処理と並行してろう付けしてギヤ部材を作成する浸炭処理・ろう付方法、および、そのろう付けの為のろう材に、本発明を適用した場合の一例である。最初に、浸炭処理・ろう付方法について説明し、その後、前記浸炭処理・ろう付方法に適用可能なろう材について説明する。
【００２２】前段の工程において、図１（ａ）に示すように、予め、クラッチコーン１０と、ヘリカルギヤ２０とを製作しておくものとする。これらの構造について説明すると、クラッチコーン１０において、筒部１３とギヤ部１４とが一体形成され、軸孔１１は、筒部１３内の大径孔１１ａと、ギヤ部１４内の小径孔１１ｂとからなり、小径孔１１ｂの内周面１２と、ギヤ部１４の下面１６の内周側部分とがろう付けされる面である。筒部１３の外周面１５はテーパー状のコーン面に形成され、ギヤ部１４の外周部にはギヤ歯１７が形成されている。
【００２３】ヘリカルギヤ２０には、軸孔２１を形成してあり、上端側の嵌合軸部２２と、本体部２３とが一体形成され、嵌合軸部２２と本体部２３とに亙って軸孔２１が形成され、嵌合軸部２２は、クラッチコーン１０の小径孔１１ｂに微小隙間を以て嵌合可能に形成されている。嵌合軸部２２の外周基部には、開リング状のろう材３０（図２参照）を装着する為の環状溝２５が形成され、本体部２３の上面の内周側部分には、クラッチコーン１０の下面１６に当接可能な環状面２６が形成され、嵌合軸部２２の外周面２４と、環状面２６とがろう付けされる面である。また、本体部２３の外周部にはギヤ歯２７が形成されている。
【００２４】更に、別の前段の工程において、図２に示すように、予め、環状溝２５に装着する為の開リング状のろう材３０を製作しておく。この開リング状のろう材３０は、所定の太さの線材を開リング状に成形し且つ切断して作成する。但し、この開リング状のろう材３０の合金の材質については後述する。
【００２５】次に、浸炭処理・ろう付方法の第１工程において、図１（ｂ）に示すように、ヘリカルギヤ２０の環状溝２５に、開リング状のろう材３０をセットする。次に、第２工程において、図１（ｃ）に示すように、所定の圧入プレスにヘリカルギヤ２０とクラッチコーン１０とをセットし、クラッチコーン１０をヘリカルギヤ２０に圧入する。この圧入後の状態において、ろう材３０は環状溝２５内に位置し、内周面１２が外周面２４に２０〜３０μｍの微小隙間を以て外嵌し、クラッチコーン１０の下面１６の内周側部分は、環状面２６に４０〜８０μｍの微小隙間を以て当接した状態となる。
【００２６】次に、第３工程において、クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とを浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに、その浸炭処理と並行してろう材３０によるろう付けを行ない、クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とをろう付けして一体化したギヤ部材４０にする。次に、第４工程において、ギヤ部材４０を浸炭炉から取り出し、ソルトバスの溶融ソルト内に収容して、焼入れ処理する。
【００２７】ここで、前記第３及び第４工程における浸炭処理・ろう付け処理及び焼入れ処理の温度特性（ヒートパターン）について説明する。図３に示すように、３５０℃まで昇温して２０分間保持し、その後９３０℃まで加熱し、９３０℃の加熱状態において８６分間浸炭処理するのと並行してろう材３０を融解させてろう付けする。その後、焼入れ時の熱変形を抑制する為に、フェライト析出が生じない８５０℃の温度まで降温させて８４分間保持し、次に、ソルトバスにより８５０℃から２３０℃の温度に焼入れ処理し、その後２３０℃から大気中にて徐冷する。
【００２８】後述するろう材３０の特性から判るように、前記浸炭処理・ろう付けの際、ろう材３０が融解して、内周面１２と外周面２４間の２０〜３０μｍの微小隙間３１に充填されるとともに、クラッチコーン１０の下面１６の内周側部分と環状面２６間の４０〜８０μｍの微小隙間３２に充填され、８５０℃に降温された状態においてろう材は完全に凝固状態になる。そして、その凝固しながらではなく、凝固完了状態において焼入れ処理されるため、焼入れの際の熱歪みによりろう付け接合部の強度が低下することもない。
【００２９】次に、前記クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とをろう付けするのに適したろう材３０の合金組成と機械的特性について説明する。前記のように、浸炭処理と並行してろう付けし、その後焼入れ処理する関係上、ろう材３０に必要な特性としては、(1) 浸炭処理時の温度９３０℃において液相状態であること、(2) 焼入れ直前の温度８５０℃において固相状態であること、(3) 約17.2 Kgf/mm2以上の目標剪断強度を確保できること、〔尚、この目標剪断強度は、規格で規定されている捩じり強度５００Kg・m および抜き強度２３ton から設定した〕
(4) 融解状態のろう材３０を微小な接合隙間に均一に充填する為に、クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０を構成する鋼部材に対する濡れ性が高いこと、(5) クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０とを量産的にろう付けする為に、線材化してから所定形状に成形できるろう材３０であること、等の諸必要条件を満足する必要がある。
【００３０】以上の諸必要条件を充足するろう材３０として、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金からなるろう材が有力な候補であるので、それについて検討する。図４のＣｕ−Ｍｎろう材用合金の２元系状態図に示すように、前記(1) と(2)の条件を満足する為には、Ｍｎの成分比率を２０〜４５重量％の範囲に設定する必要があり、その場合、Ｍｎの成分比率３８．５重量％で最低融点８７０℃となる。Ｍｎを含むと、ろう材合金が硬くなって線材化が難しくなる虞があったが、ろう材メーカーによる検討の結果、α固溶体が多く析出する領域では、過度に硬くなることはなく、十分に線材化可能であることが判った。
【００３１】次に、液相状態のろう材３０の鋼部材に対する濡れ性を高め、接合強度を高める為に、前記のろう材に、Ｎｉを添加してなる合金も有力な候補である。そこで、図５に示す組成の合金からなる７種類のろう材Ｍ１〜Ｍ７について、濡れ性確認試験を行った。この濡れ性確認試験では、ろう材Ｍ１〜Ｍ７の試料１ｇを鋼板表面にてプラズマアークで加熱融解して、鋼板表面における濡れ半径を計測し、その計測結果を図６に示す。この図から、概略的に、Ｎｉの組成比率が高まる程濡れ性が向上することが判った。但し、Ｎｉを添加しない場合であっても、適用するフラックスの種類を調整することで、ある程度まで濡れ性を高めることができる。
【００３２】ところで、Ｍｎの組成比率が高まる程融点が高くなり、また、Ｎｉの組成比率が高まる程融点が高くなることから、図７に示すＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉろう材用合金の３元系状態図により検討した結果、浸炭処理時の温度９３０℃において液相状態を確保する為には、Ｎｉの組成比率は１５重量％以下であることが必要であることが判った。
【００３３】一方、前記７種類のろう材Ｍ１〜Ｍ７について、接合強度試験を行った結果は、図８に示す通りである。この結果から、ろう材Ｍ１は十分な接合強度を発揮するが、ろう材Ｍ２，３は接合強度的に多少劣るものの実用に耐えない訳ではない。ろう材Ｍ４〜Ｍ７は、十分な接合強度を発揮し、濡れ性と強度の観点から最も望ましいものであることが判る。
【００３４】以上のような検討結果から、前記クラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０のような複数の鋼部材を浸炭処理と並行的にろう付けし、その後焼入れ処理するのに適したろう材３０としては、次の種々のろう材を適用できる。
（ａ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなるろう材。
（ｂ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、８０〜５５重量％のＣｕと２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕ−Ｍｎ合金からなるろう材。
（ｃ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉを含む合金からなるろう材。
（ｄ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金からなるろう材。
（ｅ）ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、４５重量％以上のＣｕと、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉを含むＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金からなるろう材。
【００３５】次に、前記実施例を部分的に変更した変更態様について説明する。
１〕前記実施例におけるろう付け対象部材はクラッチコーン１０とヘリカルギヤ２０であったが、ろう付け対象部材は前記のものに限定されず、その他の種々の鋼部材であってもよく、２つの鋼部材をろう付けするとは限らず、３つの鋼部材又は３つ以上の鋼部材をろう付けするろう付方法にも、同様に本発明を適用可能である。
２〕前記ろう材３０は、線材から開リング状に成形したものを適用したが、閉リング状のろう材を装着できる場合には、閉リング状のろう材を適用してもよい。
３〕前記（ａ）と（ｃ）のろう材は、必要に応じて、Ｃｕ，Ｍｎ，Ｎｉ以外のその他の金属元素を微小量又は少量添加してなる合金であってもよい。
４〕前記実施例のろう材は、鋼部材をろう材するのに好適のものであるが、鋼部材以外の複数の金属部材（特に、ダクタイル鋳鉄部材、鋳鉄部材、銅合金部材、アルミ合金部材、その他）のろう付けにも適用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施例に係るクラッチコーンとヘリカルギヤの断面図、（ｂ）はろう材をセットして状態のヘリカルギヤの断面図、（ｃ）はヘリカルギヤにクラッチコーンを圧入した状態の断面図、（ｄ）はクラッチコーンとヘリカルギヤとをろう付けした状態の断面図である。
【図２】開リング状のろう付けの平面図である。
【図３】浸炭処理・ろう付けの温度特性図である。
【図４】Ｃｕ−Ｍｎろう付け用合金の２元状態図である。
【図５】種々の実験に供した７種類のろう材の組成を示す図表である。
【図６】前記７種のろう材の濡れ性確認試験の試験結果を示すグラフである。
【図７】Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉろう材用合金の３元状態図である。
【図８】前記７種のろう材の接合強度試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ クラッチコーン
２０ ヘリカルギヤ
３０ 開リング状ろう材
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数の鋼部材同士をろう付けする方法において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材を鋼部材間のろう付け対象部位又はその近傍部位にセットする第１の工程と、前記ろう材をセットした複数の鋼部材を、浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに前記ろう材によりろう付け対象部位をろう付けする第２の工程と、前記浸炭処理された複数の鋼部材を焼入れ処理する第３の工程と、を備えたことを特徴とするろう付方法。
【請求項２】 前記ろう材が、８０〜５５重量％のＣｕと、２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕとＭｎの合金であることを特徴とする請求項１に記載のろう付方法。
【請求項３】 前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕとＭｎとＮｉの合金であることを特徴とする請求項１に記載のろう付方法。
【請求項４】 前記第１の工程において鋼部材間にセットされるろう材は、線材をリング状又は開リング状に構成したろう材であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のろう付方法。
【請求項５】 前記複数の鋼部材が、自動車用変速機におけるヘリカルギヤとクラッチコーンであることを特徴とする請求項１に記載のろう付方法。
【請求項６】 複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項７】 複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項８】 複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項９】 複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項１】 複数の鋼部材同士をろう付けする方法において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金のろう材を鋼部材間のろう付け対象部位又はその近傍部位にセットする第１の工程と、前記ろう材をセットした複数の鋼部材を、浸炭炉内に収容して浸炭処理するとともに前記ろう材によりろう付け対象部位をろう付けする第２の工程と、前記浸炭処理された複数の鋼部材を焼入れ処理する第３の工程と、を備えたことを特徴とするろう付方法。
【請求項２】 前記ろう材が、８０〜５５重量％のＣｕと、２０〜４５重量％のＭｎを含むＣｕとＭｎの合金であることを特徴とする請求項１に記載のろう付方法。
【請求項３】 前記ろう材が、２０〜４５重量％のＭｎと、０〜１５重量％のＮｉとを含むＣｕとＭｎとＮｉの合金であることを特徴とする請求項１に記載のろう付方法。
【請求項４】 前記第１の工程において鋼部材間にセットされるろう材は、線材をリング状又は開リング状に構成したろう材であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のろう付方法。
【請求項５】 前記複数の鋼部材が、自動車用変速機におけるヘリカルギヤとクラッチコーンであることを特徴とする請求項１に記載のろう付方法。
【請求項６】 複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項７】 複数の金属部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項８】 複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【請求項９】 複数の鋼部材同士をろう付けする為のろう材において、ＣｕとＭｎとを主成分とする合金であって、２０〜４５重量％のＭｎと０〜１５重量％のＮｉとを含む合金からなることを特徴とするろう材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図４】
【図７】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図４】
【図７】
【公開番号】特開平８−２０６８７６
【公開日】平成８年（１９９６）８月１３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−３９３１４
【出願日】平成７年（１９９５）２月２日
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【公開日】平成８年（１９９６）８月１３日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）２月２日
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
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