金属部材の接合方法

【課題】拡散接合またはろう付けによって金属部材を強固に接合でき、接合面の平面加工を要さない金属部材の接合方法を提供すること。
【解決手段】複数の金属部材を拡散接合またはろう付けする金属部材の接合方法を、金属材料からなる母材１を脆性破壊して、複数の金属部材１１、１２に分離させる破壊工程と、破壊工程後に、複数の金属部材１１、１２の破面１１０、１２０同士を突き合わせ、複数の破面１１０、１２０を拡散接合またはろう付けする接合工程と、で構成する。脆性破壊された母材１の破面１１０、１２０は殆ど塑性変形せず、各破面１１０、１２０は相補的な形状をなす。このため、この破面１１０、１２０同士を接合させることで、接合面を平面加工しなくても２以上の金属部材１１、１２を強度高く接合させることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２以上の金属部材を拡散接合またはろう付けして一体化する金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空状の金属体を製造したり、金属体の内部に他の部材や装置を配設する場合、一般には、２以上の金属部材を接合する方法がとられている。例えば図１３に示すような中空状をなす金属体８０を製造する場合、図１４に示すように中空状（箱状）の第１の金属部材８１と第２の金属部材８２とを準備し、図１５に示すように第１の金属部材８１と第２の金属部材８２とを接合する。
【０００３】
ところで、異なる材料からなる金属部材同士を接合する場合や、金属部材に与える熱の影響を小さくしたい場合などには、拡散接合またはろう付けで金属部材同士を接合するのが一般的である（例えば、特許文献１〜３参照）。これらの接合方法は、接合箇所を溶融状態または溶融に近い状態にして接合する融接や圧接とは異なり、金属部材の接合面をほぼ原型に近い状態に維持できる。
【０００４】
しかしその反面、これらの接合方法では、接合面同士の隙間が大きいと、金属部材同士の接触面積、金属部材の接合面間に介在するインサート金属と金属部材との接触面積、または金属部材とろう材との接触面積を十分に確保できず、接合強度を大きくし難い。したがって、これらの接合方法で２以上の金属部材を強度高く接合するためには、各金属部材における接合面の平面度を小さくする（表面の凹凸を小さくして幾何学的な平面に近づける）必要がある。しかし、金属部材の接合面を高精度に平面加工するためには多くの工数を必要とし、接合コストが高くなる問題がある。また、接合強度を高めるためには接合面積を大きくするのがよいが、接合面が平面であれば接合面積を所定面積以上にできない。このため、接合強度を大きく向上させ難い。また、接合面が平面であれば、接合後の金属部材が破断する際に、亀裂が直進する。このため、亀裂が進行し易く、接合後の金属部材が破断し易い問題があった。
【特許文献１】特開２００６−１８１６２７号公報
【特許文献２】特開２００２−１０３０５５号公報
【特許文献３】特開２０００−３４３２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、拡散接合またはろう付けによって金属部材を強固に接合でき、接合面の平面加工を要さない金属部材の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する金属部材の接合方法は、複数の金属部材を拡散接合またはろう付けする金属部材の接合方法であって、金属材料からなる母材を脆性破壊して、複数の金属部材に分離させる破壊工程と、破壊工程後に、複数の金属部材の破面同士を突き合わせ、複数の破面を拡散接合またはろう付けする接合工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の金属部材の接合方法は、下記の（１）〜（３）の何れかを備えるのが好ましい。（１）〜（３）の複数を備えるのがより好ましい。
【０００８】
（１）上記破壊工程は、上記母材を遷移温度以下にしておこなう。
【０００９】
（２）上記破壊工程前に、凹状をなす破壊開始部を上記母材に形成する予備工程を備える。
【００１０】
（３）上記母材のなかで少なくとも上記破壊工程後に破面となる部分のＪＩＳＧ０５５２による結晶粒度は、Ｎｏ２〜Ｎｏ８である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の金属部材の接合方法は、母材を脆性破壊して複数の金属部材に分離させる破壊工程を備える。脆性破壊された母材の破面は、殆ど塑性変形しない。このため、各破面は相補的な形状をなし、互いにぴったりと合わさる。このため、この破面同士を接合させれば（すなわち破面を接合面にすれば）、接合面を平面加工しなくても、２以上の金属部材を強度高く接合させることができる。
【００１２】
また、脆性破壊された破面（すなわち接合面）は非常に微細な凹凸形状をなす。このため、金属部材同士の接合面積は、接合面を平面加工する場合に比べて極めて大きくなる。このことによっても、金属部材同士を強度高く接合できる。
【００１３】
さらに、接合面が凹凸形状をなし、３次元的に延びるため、一旦接合した金属部材の接合面が破断する際にも、亀裂が進行し難い。このことによっても、金属部材同士を強度高く接合できる。
【００１４】
本発明の金属部材の接合方法によると、これらの協働によって、複数の金属部材を拡散接合またはろう付けによって強固に接合できる
なお、本発明における拡散接合とは、固相拡散接合、液相拡散接合、共晶接合を含む概念である。
【００１５】
また、本発明の金属部材の接合方法によると、接合面を平面加工する必要がないため、接合に要する工数を低減でき、製造コストを低減できる利点もある。
【００１６】
上記（１）を備える本発明の金属部材の接合方法によると、複数の金属部材をさらに強固に接合できる。遷移温度（衝撃遷移温度、延性−脆性遷移温度ともいう）は、材料の破壊の様式が急に変わる温度である。母材を遷移温度以下にすると、母材の吸収エネルギが急激に低下したり、破面が延性から脆性に変化する。このため、破壊工程において母材を遷移温度以下にすることで、母材を脆性破壊し易くでき、破壊工程で得られる各々の金属部材の破面を、信頼性高く相補的な形状にできる。よって、複数の金属部材をさらに強度高く接合できる。なお、母材の材料として遷移温度の低い材料を用いる場合には、母材を冷却して遷移温度以下にすればよい。母材の材料として比較的遷移温度の高い材料を用いる場合には、冷却が不要になる場合もある。
【００１７】
上記（２）を備える本発明の金属部材の接合方法によると、接合に要するコストをさらに低減し得る。予備工程において予め破壊開始部を形成しておけば、破壊工程において母材は破壊開始部から脆性破壊する。このため、母材を脆性破壊する位置を精度高くコントロールでき、製造ロスを低減できるためである。
【００１８】
上記（３）を備える本発明の金属部材の接合方法によると、金属部材同士をさらに強度高く接合できる。本発明の金属部材の接合方法の破壊工程において、母材は脆性破壊するとともに粒界破壊する。上述したように金属部材同士を強度高く接合するためには、破面（接合面）の表面積を大きくするのが良い。破面の表面積を大きくするためには、母材中の結晶粒を小さくする方がよいが、結晶粒が小さすぎると粒界破壊だけでなく粒内破壊が生じる可能性がある。これは、結晶粒が小さくなるほど結晶粒界の不純物濃度が小さくなり、粒界の強度が高くなることが要因と考えられる。粒内破壊が生じると、破面同士の相補性が低下する可能性がある。母材のなかで破面に相当する部分の結晶粒度がＮｏ２〜Ｎｏ９（ＪＩＳＧ０５５２による）であるようにすると、破面の表面積を所定以上にしつつ破面を信頼性高く結晶粒界破壊させ得る。このため、金属部材同士を強度高く接合できる。なお、ＪＩＳＧ０５５２による結晶粒度Ｎｏ２〜Ｎｏ９は、結晶粒の平均断面積０．０３１２ｍｍ^２〜０．０００２４４ｍｍ^２に相当する。
【００１９】
なお、本発明の金属部材の接合方法における破壊工程では、母材は必ずしも粒界破壊しなくてもよい。破壊工程において母材を脆性破壊すれば、金属部材の破面は重なるためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の金属部材の接合方法は、金属部材を肉抜きしたり、金属部材の内部に他の部材や装置を配設する場合などに好ましく使用できる。例えば、本発明の金属部材の接合方法によって図１３に示すような中空状をなす金属体を製造する場合には、先ず中実状の母材を脆性破壊して２つの金属部材に分離させ、次いで各金属部材の破面から内部に向けて中空部を形成し、次いで２つの金属部材の破面同士を突き合わせ、この破面を拡散接合またはろう付けする。図１４〜図１５に示した従来の金属部材の接合方法のように別々に成形された金属部材同士を接合するのではなく、元々一体であった金属部材を脆性破壊して分離させることで、各金属部材の接合面（すなわち破面）を相補的な形状にでき、接合強度を高め得る利点がある。
【００２１】
本発明の金属部材の接合方法において、母材の形状や母材を構成する金属材料の種類は特に限定されない。例えば、母材は１種の金属材料のみからなるものであっても良いし、複数種の金属材料からなるもの（合金）であっても良い。また、母材として、材料組成が部位毎に異なるものを用いても良い。
【００２２】
本発明の金属部材の接合方法において母材を脆性破壊する方法としては、ハンマー等の打具で母材に衝撃を与える方法、落錘による方法等を好ましく用いることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の金属部材の接合方法を例を挙げて説明する。
【００２４】
（実施例１）
実施例１の金属部材の接合方法は、上記（１）および（３）を備える。実施例１の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図を図１〜図５に示す。
【００２５】
（１：破壊工程）
母材１として、ＪＩＳＳＫ５に規定されている共析鋼からなる焼ならし材を準備した（図１）。この母材１の遷移温度は室温以上であった。また、この母材１全体のＪＩＳＧ０５５２による結晶粒度はＮｏ６．３であった。
【００２６】
先ず、母材１を−３０℃に冷却した。冷却した母材１の所定箇所に鋼製の鑿２をあてがい、ハンマー３によって、この鑿２に衝撃を与えた。衝撃は鑿２を介して母材１に伝達した。衝撃を受けた母材１は脆性破壊し、２つの金属部材（第１金属部材１１、第２金属部材１２）に分離した（図２）。このとき第１金属部材１１の破面（第１破面１１０）と第２金属部材１２の破面（第２破面１２０）とは、図５に示すように、微細かつ互いに相補的な凹凸形状をなす。このため、第１破面１１０と第２破面１２０とは、互いに突き合わせるとぴったりと重なった。
【００２７】
（２：接合工程）
破壊工程後に、第１金属部材１１に中空部１１１を穿設した。この中空部１１１は第１金属部材１１の内部に向けて延び、第１破面１１０に開口する。第１金属部材１１に中空部１１１を穿設した後に、第１破面１１０と第２破面１２０とを突き合わせ、両者を拡散接合した。詳しくは、窒素ガス雰囲気中で、昇温とともに加圧して、接合部を１０００℃、６０分間高周波加熱しつつ保持し、その後放冷した。以上の破壊工程〜接合工程によって、第１金属部材１１と第２金属部材１２とが接合してなり、中空状をなす実施例１の接合体４が得られた。
【００２８】
（実施例２）
実施例２の金属部材の接合方法は、上記（１）〜（３）を備える。実施例２の金属部材の接合方法は、破壊工程の前に予備工程を持つこと、および、接合工程において中空部に他部材を配設すること以外は実施例１の金属部材の接合方法と同じである。実施例２の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図を図６〜図１０に示す。
【００２９】
（１：予備工程）
実施例１の金属部材の接合方法における母材と同じ材料からなる母材１を準備した。この母材１は、図６に示すように、柱状をなす第２の金属部１３２と、柱状をなし第２の金属部１３２の途中から分岐している第１の金属部１３１と、を持つ。この母材１のなかで第１の金属部１３１と第２の金属部１３２との境界部分に、図７中破線で示すように、凹状をなす破壊開始部１３３を切削形成した。この破壊開始部１３３は、母材１の表面から内部に向けて陥没する略環溝状をなす。また、破壊開始部１３３の陥没端部は尖端形状をなす。
【００３０】
（２：破壊工程）
予備工程後の母材１を−３０℃に冷却した。次いで、図略のハンマーを用いて冷却した母材１の第１の金属部１３１に衝撃を与えた。衝撃を受けた母材１は脆性破壊し、第１の金属部１３１からなる第１金属部材１１と、第２の金属部１３２からなる第２金属部材１２とに分離した（図８）。このとき母材１は粒界破壊し、第１金属部材１１の破面（第１破面１１０）と第２金属部材１２の破面（第２破面１２０）とは、微細かつ互いに相補的な凹凸形状をなす。
【００３１】
（３：接合工程）
破壊工程後に、第１金属部材１１に第１中空部１１１を穿設し、第２金属部材１２に第２中空部１２２を穿設した（図９）。第１中空部１１１は第１金属部材１１の内部に向けて延び、第１破面１１０に開口する。第２中空部１２２は第２金属部材１２の内部に向けて延び、第２破面１２０に開口する。第１破面１１０と第２破面１２０とを突き合わせると、第１中空部１１１と第２中空部１２２とは連通する。
【００３２】
第１金属部材１１に第１中空部１１１を穿設し、第２金属部材１２に第２中空部１２２を穿設した後に、第１中空部１１１および第２中空部１２２に他部材５を収容しつつ、第１破面１１０と第２破面１２０とを突き合わせて、両者をろう付けした（図１０）。詳しくは、突き合わせ面にＮｉ系合金箔（３０μｍ）をインサートし、窒素ガス雰囲気中で１２００℃、１５分間高周波加熱しつつ保持し、その後に放冷した。以上の破壊工程〜接合工程によって、第１金属部材１１と第２金属部材１２とが接合してなり、中空状をなし、内部に他部材５が配設されてなる実施例２の接合体４が得られた。
【００３３】
（比較例）
比較例の金属部材の接合方法は、別体の２つの金属部材を拡散接合する方法である。比較例の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図を図１１〜図１２に示す。
【００３４】
比較例の金属部材の接合方法における２つの金属部材（第１金属部材６１、第２金属部材６２）は別体形成されている。第１金属部材６１と第２金属部材６２とは実施例１の金属部材の接合方法における母材と同じ材料からなる。図１１に示すように、比較例の金属部材の接合方法における第１金属部材６１は、実施例１の金属部材の接合方法における第１金属部材１１とほぼ同形状である。比較例の金属部材の接合方法における第２金属部材６２は、実施例１の金属部材の接合方法における第２金属部材１２とほぼ同形状である。第１金属部材６１の接合面６１０、および、第２金属部材６２の接合面６２０は、機械加工（施盤による施削）によって平面加工されている。第１金属部材６１の接合面６１０の平面粗さ、および、第２金属部材６２の接合面６２０の平面粗さは、１０．３μｍＲＺ（十点平均粗さ）であった。
【００３５】
比較例の金属部材の接合方法では、第１金属部材６１の接合面６１０と第２金属部材６２の接合面６２０とを突き合わせ、実施例１の金属部材の接合方法における接合工程と同様に、両者を拡散接合した。以上の工程によって、第１金属部材６１と第２金属部材６２とが接合してなり、中空状をなす比較例の接合体７が得られた。
【００３６】
（評価試験）
実施例１の接合体の引張強度と、比較例の接合体の引張強度とを、それぞれ、金属材料引張試験方法（ＪＩＳＺ２２４１）で測定した。実施例１の接合体の引張強度は９００（Ｎ／ｍｍ^２）であり、比較例の接合体の引張強度は５５０（Ｎ／ｍｍ^２）であった。実施例１の接合体の引張強度は比較例の接合体の引張強度の１．６倍であり、非常に大きい。このことから、実施例１の金属部材の接合方法によると、金属部材同士を強度高く接合できることがわかる。なお、この評価試験において、実施例１の接合体は母材自体が破断し、比較例の接合体は接合面で破断した。このことからも、本発明の金属部材の接合方法によると、金属部材を強固に接合できることがわかる。
【００３７】
以上の結果から、本発明の金属部材の接合方法によると、接合面を平面加工することなく、拡散接合またはろう付けによって金属部材を強固に接合できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図２】実施例１の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図３】実施例１の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図４】実施例１の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図５】実施例１の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図６】実施例２の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図７】実施例２の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図８】実施例２の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図９】実施例２の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図１０】実施例２の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図１１】比較例の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図１２】比較例の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図１３】中空状をなす金属体の一例を模式的に表す断面図である。
【図１４】従来の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【図１５】従来の金属部材の接合方法を模式的に表す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：母材
１１、１２：金属部材
１１０、１２０：破面
１３３：破壊開始部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属部材を拡散接合またはろう付けする金属部材の接合方法であって、
金属材料からなる母材を脆性破壊して、複数の金属部材に分離させる破壊工程と、
該破壊工程後に、該複数の金属部材の破面同士を突き合わせ、複数の該破面を拡散接合またはろう付けする接合工程と、を備えることを特徴とする金属部材の接合方法。
【請求項２】
前記破壊工程は、前記母材を遷移温度以下にしておこなう請求項１に記載の金属部材の接合方法。
【請求項３】
前記破壊工程前に、凹状をなす破壊開始部を前記母材に形成する予備工程を備える請求項１または請求項２に記載の金属部材の接合方法。
【請求項４】
前記母材のなかで少なくとも前記破壊工程後に破面となる部分のＪＩＳＧ０５５２による結晶粒度は、Ｎｏ２〜Ｎｏ９である請求項１〜請求項３の何れか一つに記載の金属部材の接合方法。

【図１】