鉛フリーはんだ付け装置用部材
【課題】鉛フリーはんだ、特に溶融状態のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだに対する耐侵食性にすぐれた鉛フリーはんだ付け装置用部材を提供すること。
【解決手段】 Ｃｏ基合金からなる基材の表面にＷＣ層を有する鉛フリーはんだ付け装置用部材において、ＷＣ層の厚さが、１０〜３００μｍであり、基材を構成するＣｏ基合金が、Ｃｒ：１５．０−３５．０重量％，Ｆｅ：０．１−２５．０重量％，Ｃ：０．０１−１．２０重量％，Ｍｎ：０．５−２．０重量％，Ｓｉ：０．１−２．０重量％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金であることにより、前記課題を解決する。
【解決手段】 Ｃｏ基合金からなる基材の表面にＷＣ層を有する鉛フリーはんだ付け装置用部材において、ＷＣ層の厚さが、１０〜３００μｍであり、基材を構成するＣｏ基合金が、Ｃｒ：１５．０−３５．０重量％，Ｆｅ：０．１−２５．０重量％，Ｃ：０．０１−１．２０重量％，Ｍｎ：０．５−２．０重量％，Ｓｉ：０．１−２．０重量％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金であることにより、前記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融鉛フリーはんだ、特に溶融状態のＳｎ−Ａｇ系はんだに対する耐浸食性にすぐれた表面にＷＣ層を有するＣｏ基合金からなる鉛フリーはんだ槽やポット、ノズル、プロペラ、シャフトなどの鉛フリーはんだ付け装置用部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉛はんだ付け装置の材料としてＳＵＳ３０４（Ｃｒ：１８〜２０質量％、Ｎｉ：８〜１０．５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物）、ＳＵＳ３０９Ｓ（Ｃｒ：２２〜２４質量％、Ｎｉ：１２〜１５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物）、ＳＵＳ３１６（Ｃｒ：１６〜１８質量％、Ｎｉ：１０〜１４質量％、Ｍｏ：２〜３質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物）などのステンレス鋼が使用されていた。
近年、環境問題に関する関心が高まり、例えば、ヨーロッパでは電子機器などへの有害物質の含有を規制することが決定されている。その規制物質の１つとして鉛が取り上げられている。そのために鉛を主成分とする鉛はんだの使用が規制され、鉛を全く使用しないＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだ（鉛フリーはんだであるＳｎ−Ａｇ系はんだの組成としてＳｎ−３．５％Ａｇ、Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．１％Ｃｕなどが知られている）が開発され、従来の鉛はんだとの置き換えが進みつつある。したがって、現在では鉛フリーはんだと言えばＳｎ−Ａｇ系はんだを一般に示している。
ところが、鉛フリーはんだであるＳｎ−Ａｇ系はんだは、従来の鉛はんだに比べて反応性が高くかつ溶融温度が高く、そのために従来から使用されているＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＳ３１６などのステンレス鋼で作製したはんだ付け装置では溶融鉛フリーはんだに対する侵食に耐えられず、したがって、従来のステンレス鋼で作製したはんだ付け装置では損傷して短期間で使用寿命に至り、早期にはんだ付け装置の交換を余儀なくされることが明らかとなってきた。
【０００３】
そこで、鉛フリーはんだによる侵食に対応するため、種々の材料あるいはコーティング方法などが提案されてきた。
【０００４】
材料を改良することにより鉛フリーはんだによる侵食に対応するものとして、例えば、所定量のＣｒ、Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉを含有したＣｏ基合金により溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、所定量のＣｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃ、Ｎを含有したＦｅ基合金により溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、所定量のＣｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉを含有したＣｏ基合金により溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
また、一方の表面にチタン層を有し他方の面にステンレス層を有するクラッド材を用いることによって、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
一方、コーティング方法を改良することにより鉛フリーはんだによる侵食に対応するものとして、例えば、はんだポット（金属容器）にマイナス電圧を与え、金属電極（タングステンカーバイト）にプラス電圧を与え小さな放電によって電極金属（タングステン）からマイナス電圧を与えたはんだポット（金属容器）に電極金属の原子遷移を行うことで、はんだポット（金属容器）に遷移してきた金属（タングステン、カーバイト）が撃ち込まれ、母材金属の表面に向かって積み上げる金属表面被覆方法を用いることによって、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
また、所定量のＣｒ、Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｂを含有した溶射用Ｃｏ基合金粉末を溶射して溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させたＣｏ基合金溶射層を形成することも提案されている（例えば、特許文献６参照）。
【０００９】
また、溶融はんだとの接触面にアモルファス金属（合金）皮膜を形成することによって溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献７参照）。
【００１０】
また、鉄合金の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金の溶融めっきを施してめっき層及びＦｅ−Ａｌ金属間化合物又はアルミニウム拡散浸透層を形成し、これを加熱してアルミニウム又はアルミニウム合金を拡散させると同時に余剰に付着したアルミニウム又はアルミニウム合金を除去し、更にめっき時に付着したフラックスを酸溶液で除去して表面にアルミニウム濃度が１３〜６０ａｔ％のＦｅ−Ａｌ金属間化合物層又はアルミニウム拡散浸透層を形成することによって、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献８参照）。
【００１１】
また、ステンレス系材料に窒化クロム層を形成することにより、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献９参照）。
【００１２】
また、ステンレス鋼に窒化処理により形成された硬化層をコーティングすることにより、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献１０参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２３３１５号公報
【特許文献２】特開２００７−３１８０９号公報
【特許文献３】特開２００６−２５７５４１号公報
【特許文献４】特開２００２−２８７７８号公報
【特許文献５】特開２０１１−３６８９１号公報
【特許文献６】特開２００７−１３１９２１号公報
【特許文献７】特開２００６−９７１３２号公報
【特許文献８】特開２００６−２８６３８号公報
【特許文献９】特開２００４−１８８４４９号公報
【特許文献１０】特開２００４−１４１９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
近年、はんだ付けの高効率化を実現するために、溶融はんだの温度を５００℃以上の高温に保持されるようになってきた。これによって、これまでに発明された対策品（４００℃以下での使用を前提として開発された）を用いても侵食を抑制できなくなり、短時間で大きな損耗するなどの問題が顕在化してきた。Ｃｏ基合金やチタンをもってしても侵食は抑制できない。また、ステンレスへの窒化処理やアルミニウム浸透処理は表面処理膜自体の耐侵食性が十分でなく損耗してまう。また、ＷＣを被覆したステンレス鋼はＷＣへの侵食はないものの、ＷＣが基材であるステンレス鋼から剥がれてしまう。そのため、５００℃以上に保持された溶融はんだを扱っても、長期間に亘り損耗が小さいはんだ槽やポッド、ノズル、プロペラ、シャフトなどの鉛フリーはんだ付け装置用部材が要望されていた。
【００１５】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、鉛フリーはんだ、特に溶融状態のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだに対する耐侵食性にすぐれた鉛フリーはんだ付け装置用部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の課題を解決すべく、本発明者らが鋭意研究したところ、表面にＷＣ（タングステンカーバイド）層を有するコバルト基合金を、鉛フリーはんだ付け装置用部材として適用することにより、溶融鉛フリーはんだに対する十分な高温耐侵食性が得られるのに加え、ＷＣコーティングは、基材から剥離しやすいというＷＣコーティングが抱えていた技術的課題を基材にコバルト基合金を用いることによって解決できるという知見を得たのである。
【００１７】
本発明は、
「（１） Ｃｏ基合金からなる基材の表面にＷＣ層を有する鉛フリーはんだ付け装置用部材において、
前記ＷＣ層の厚さが、１０〜３００μｍであり、
前記基材を構成するＣｏ基合金が、
Ｃｒ：１５．０−３５．０重量％，Ｆｅ：０．１−２５．０重量％，Ｃ：０．０１−１．２０重量％，Ｍｎ：０．５−２．０重量％，Ｓｉ：０．１−２．０重量％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金であることを特徴とする鉛フリーはんだ付け装置用部材。
（２） 前記Ｃｏ基合金が、さらに
（ａ）Ｎｉ：１．０−２４．０重量％，
（ｂ）Ｗ：１２．０−１７．０重量％，
（ｃ）Ｌａ：０．０１−０．１５％重量およびＣｅ：０．０１−０．１５重量％の内の１種または２種，
（ｄ）Ｍｇ：０．００１−０．０５重量％，
前記（ａ）〜（ｄ）の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の鉛フリーはんだ付け装置用部材。」
を特徴とするものである。
次に、限定理由について詳述する。
・ＷＣ層
ＷＣ層は高融点かつ高硬度であるため、溶融鉛フリーはんだと接触しても反応せず、またエロージョンに対する保護性も高い。そのため、保護皮膜として基材を保護することができる。
ところが、厚さが１０μｍ未満であるとＷＣ層に欠陥が生じて下地金属が露出してしまうため、十分な保護皮膜としての効果が得られない。一方、３００μｍを超えると基材との熱膨張差などにより、高温での繰り返し使用中にＷＣ層が基材から剥離し易くなるため好ましくない。そのため、基材の表面に形成するＷＣ層の厚さは、１０〜３００μｍと定めた。
・基材のコバルト基合金の組成
Ｃｒ：
Ｃｒは、表面に濃縮して薄くて緻密なＣｒ２Ｏ３を主体とする酸化皮膜を形成することにより、ＷＣ層を被覆しない溶融鉛フリーはんだとの非接触部における耐酸化性を向上させるために必須である。５００℃を超える温度に保持することにより、合金を構成するＣｏ，Ｆｅなどは酸化スケールの生成が進んでしまう。そこで、Ｃｒの含有を必須とする。ところが、Ｃｒを１５．０重量％未満含有しても十分な効果が得られず、一方、３５．０重量％を超えて含有すると加工が困難となる。従って、Ｃｒの含有量は１５．０〜３５．０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、１５．０〜３２．０重量％である。
Ｆｅ：
Ｆｅは、基材であるＣｏ基合金を所望の部材に加工する際の熱間加工性を向上させる効果がある。ところが、０．１重量％未満含有しても所望の効果が得られず、一方、２５．０重量％を超えて含有するとＷＣ層との密着性が劣化するので好ましくない。したがって、Ｆｅの含有量は０．１〜２５．０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、１５．０〜 ２２．０重量％である。
Ｃ：
Ｃは、合金内にＣｒ炭化物などを析出させることにより高温強度向上に寄与するため含有する。ところが、０．０１重量％未満を含有しても所望の効果が得られず、一方、１．２０重量％を越えて含有すると、合金が脆化し、部材の素材となる板などへの形状付与が困難となるので好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．０１〜１．２０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、０．０６〜０．５重量％である。
Ｍｎ：
Ｍｎは、母相の結晶構造であるオーステナイト構造を安定化させることにより、脆化を抑制し、その結果、形状付与を容易にする作用があるが、ところが、Ｍｎが０．５重量％未満含有しても所望の効果が得られず、一方、２．０重量％を超えて含有するとＷＣ層との密着性が劣化するので好ましくない。したがって、Ｍｎの含有量は０．５〜２．０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、０．５〜１．５重量％である。
Ｓｉ：
Ｓｉは、高温での基材の軟化を抑制するために必要である。基材の軟化は、ＷＣ層の基材からの剥離をもたらす原因となる。ところが、Ｓｉを０．１重量％未満含有しても所望の効果が得られず、一方、２．０重量％を越えて含有すると、合金の脆化が顕在化し、部材の素材となる板などへの形状付与が困難となるので好ましくない。したがって、Ｓｉの含有量は０．１〜２．０重量％に定めた。一層好ましい範囲は、０．２〜１．５重量％である。
Ｎｉ：
Ｎｉは、主要元素であるＣｏと置換することにより、冷間での曲げ加工性などの延性を改善できるため、必要に応じて添加される。ところが、Ｎｉを１．０重量％未満添加しても所望の効果が得られず、一方、２４．０重量％を越えて含有するとＷＣ層との密着性低下をもたらす原因となるので好ましくない。したがって、Ｎｉの含有量は１．０〜２４．０重量％に定めた。一層好ましい範囲は、１．０〜８．０重量％である。
Ｗ：
Ｗは、熱膨張係数を下げる効果がある。そのため、ＷＣ層との熱膨張差を改善することにより、ＷＣ層と基材との密着性を向上させる効果があるため、必要に応じて添加される。ところが、Ｗを１２．０重量％未満添加しても所望の効果が得られず、一方、１７．０重量％を越えて含有すると加工性の著しい低下をもたらすので好ましくない。したがって、Ｗの含有量は１２．０〜１７．０重量％に定めた。一層好ましい範囲は、１３．０〜１６．０重量％である。
ＬａおよびＣｅ：
これら成分は、微量に添加することにより、ＷＣ層を被覆しない溶融鉛フリーはんだとの非接触部における耐酸化性を発揮するＣｒ２Ｏ３の緻密化する効果があるところから、必要に応じて添加される。ところが、Ｌａの含有量が０．０１重量％未満では所望の効果が得られず、一方、０．１５重量％を越えて含有すると、ＷＣ層の密着性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｌａの含有量を０．０１〜０．１５重量％に定めた。Ｌａの含有量の一層好ましい範囲は、０．０５〜０．１２重量％である。
同様に、Ｃｅの含有量が０．０１重量％未満ではＣｒ２Ｏ３の緻密化する効果させるに十分な効果が得られず、一方、０．１５重量％を越えて含有すると、ＷＣ層の密着性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃｅの含有量を０．０１〜０．１５重量％に定めた。Ｃｅの含有量の一層好ましい範囲は、０．０５〜０．１２重量％である。
Ｍｇ：
Ｍｇは、Ｍｎと共存させることにより母相の結晶構造であるオーステナイト構造を安定化させ、それにより脆化を抑制し、形状付与を容易にするという効果があるので必要に応じて添加する。ところが、Ｍｇの含有量が０．００１重量％未満では所望の効果が発揮されず、一方、０．０５重量％を超えて含有すると、逆に相安定性を劣化させ加工を困難にさせてしまうので好ましくない。したがって、Ｍｇの含有量は０．００１〜０．０５重量％に定めた。一層好ましい範囲は、０．００２〜０．０１０重量％である。
不可避不純物：
不可避不純物としては、Ｐ，Ｓなどが挙げられるが、これら不純物は、高温加工などの合金製造時における割れや溶接部における高温割れの原因となる。したがって、できるだけ低減することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＷＣ層を有するＣｏ基合金からなる鉛フリーはんだ付け装置用部材は、鉛フリーはんだに対する耐侵食性がすぐれており、したがって、この部材で作製した鉛フリーはんだ付け装置は長期間損傷することなく使用することができ、電子・電気産業界における生産性の向上、製造原価の低減などすぐれた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の試験方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明について、実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００２１】
通常の高周波溶解炉を用いて溶解し鋳造して表１に示される成分組成を有するＣｏ基合金からなる厚さ：４０ｍｍ、重さ：約５Ｋｇを有するインゴットを作製した。このインゴットを１２３０℃で１０時間均質化熱処理を施し、１０００〜１２３０℃の範囲内に保持しながら、１回の熱間圧延で１ｍｍの厚さを減少させつつ最終的に厚さ：３ｍｍの薄板とし、ついで１２００℃で３０分間保持し水焼入れすることにより固溶化処理を施し、機械加工により、図に示すような攪拌翼に加工した。さらに、従来品として、市販のＳＵＳ３０４からなる厚さ：３ｍｍの薄板を用意した。これを機械加工により、図に示すような攪拌翼に加工した。
これらの攪拌翼の表面に電気放電金属遷移方法（ペネトロン処理）によりＷＣを被覆した。この際、放電時間などを調整することにより被覆層の厚さを制御した。この結果を表１に示す。なお、被覆方法は、攪拌翼をマイナス電極に固定し被覆するＷＣをプラス電極にするとともに、プラス電極にバイブレーターを取り付けて、バイブレーターの振動サイクルによりプラス電極がマイナス電極に接触した際に火花放電を発生させることができる。火花放電に際しコンデンサ中に蓄えられた電気が瞬間的に放電されるので、電流値が極めて大となり両極の溶融物質がまざり合って急冷されることにより攪拌翼の表面にＷＣの被覆層を形成させた。
Ｓｎ−３．２重量％Ａｇ−０．１重量％Ｃｕの組成の鉛フリーはんだを５５０℃に加熱しこの温度に保持することにより溶融鉛フリーはんだを作製した。この溶融鉛フリーはんだを撹拌翼により対流させた。そして、溶融鉛フリーはんだ中に攪拌翼を１０００時間保持した。１０００時間保持後に攪拌翼を取り出し、攪拌翼表面のはんだを除去した後、全浸漬面積に対する侵食面積の比（％）を測定し、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を評価した。その結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】
表１の結果から明らかなように、本発明で規定する組成のＣｏ基合金を基材とし、その表面に所定の厚さのＷＣ層を被覆したものは、耐侵食性にすぐれており損傷率が極めて低い。一方、本発明で規定する組成範囲からはみ出るＣｏ基合金を基材とするものや、ＷＣ層の厚さが本発明で規定する範囲からはみ出るものは、耐侵食性に劣り、損傷率が高い。
【００２３】
また、本発明の鉛フリーはんだ付け装置用部材によれば、所定のＣｏ基合金からなる基材表面にＷＣをペネトロン処理することによって、はんだ接触面の硬度が高くなるので、熱噴流による摩耗に強いだけでなく、ＷＣは他の金属と比較してイオン溶出が少ないのではんだ槽やインペラーなどの寿命が飛躍的に向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の鉛フリーはんだ装置用部材によれば、鉛フリーはんだに対する耐侵食性が飛躍的に向上するので、鉛フリーはんだ装置の寿命が延び、穴あきによるはんだ流出災害が防止されるとともに、設備の定期メンテナンス頻度を抑えることができるため、電気電子産業界の高利潤化に寄与するなど、その産業上の利用可能性はきわめて高い。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融鉛フリーはんだ、特に溶融状態のＳｎ−Ａｇ系はんだに対する耐浸食性にすぐれた表面にＷＣ層を有するＣｏ基合金からなる鉛フリーはんだ槽やポット、ノズル、プロペラ、シャフトなどの鉛フリーはんだ付け装置用部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉛はんだ付け装置の材料としてＳＵＳ３０４（Ｃｒ：１８〜２０質量％、Ｎｉ：８〜１０．５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物）、ＳＵＳ３０９Ｓ（Ｃｒ：２２〜２４質量％、Ｎｉ：１２〜１５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物）、ＳＵＳ３１６（Ｃｒ：１６〜１８質量％、Ｎｉ：１０〜１４質量％、Ｍｏ：２〜３質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物）などのステンレス鋼が使用されていた。
近年、環境問題に関する関心が高まり、例えば、ヨーロッパでは電子機器などへの有害物質の含有を規制することが決定されている。その規制物質の１つとして鉛が取り上げられている。そのために鉛を主成分とする鉛はんだの使用が規制され、鉛を全く使用しないＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだ（鉛フリーはんだであるＳｎ−Ａｇ系はんだの組成としてＳｎ−３．５％Ａｇ、Ｓｎ−３．０％Ａｇ−０．１％Ｃｕなどが知られている）が開発され、従来の鉛はんだとの置き換えが進みつつある。したがって、現在では鉛フリーはんだと言えばＳｎ−Ａｇ系はんだを一般に示している。
ところが、鉛フリーはんだであるＳｎ−Ａｇ系はんだは、従来の鉛はんだに比べて反応性が高くかつ溶融温度が高く、そのために従来から使用されているＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＳ３１６などのステンレス鋼で作製したはんだ付け装置では溶融鉛フリーはんだに対する侵食に耐えられず、したがって、従来のステンレス鋼で作製したはんだ付け装置では損傷して短期間で使用寿命に至り、早期にはんだ付け装置の交換を余儀なくされることが明らかとなってきた。
【０００３】
そこで、鉛フリーはんだによる侵食に対応するため、種々の材料あるいはコーティング方法などが提案されてきた。
【０００４】
材料を改良することにより鉛フリーはんだによる侵食に対応するものとして、例えば、所定量のＣｒ、Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉを含有したＣｏ基合金により溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、所定量のＣｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃ、Ｎを含有したＦｅ基合金により溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、所定量のＣｒ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉを含有したＣｏ基合金により溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
また、一方の表面にチタン層を有し他方の面にステンレス層を有するクラッド材を用いることによって、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
一方、コーティング方法を改良することにより鉛フリーはんだによる侵食に対応するものとして、例えば、はんだポット（金属容器）にマイナス電圧を与え、金属電極（タングステンカーバイト）にプラス電圧を与え小さな放電によって電極金属（タングステン）からマイナス電圧を与えたはんだポット（金属容器）に電極金属の原子遷移を行うことで、はんだポット（金属容器）に遷移してきた金属（タングステン、カーバイト）が撃ち込まれ、母材金属の表面に向かって積み上げる金属表面被覆方法を用いることによって、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
また、所定量のＣｒ、Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｂを含有した溶射用Ｃｏ基合金粉末を溶射して溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させたＣｏ基合金溶射層を形成することも提案されている（例えば、特許文献６参照）。
【０００９】
また、溶融はんだとの接触面にアモルファス金属（合金）皮膜を形成することによって溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献７参照）。
【００１０】
また、鉄合金の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金の溶融めっきを施してめっき層及びＦｅ−Ａｌ金属間化合物又はアルミニウム拡散浸透層を形成し、これを加熱してアルミニウム又はアルミニウム合金を拡散させると同時に余剰に付着したアルミニウム又はアルミニウム合金を除去し、更にめっき時に付着したフラックスを酸溶液で除去して表面にアルミニウム濃度が１３〜６０ａｔ％のＦｅ−Ａｌ金属間化合物層又はアルミニウム拡散浸透層を形成することによって、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献８参照）。
【００１１】
また、ステンレス系材料に窒化クロム層を形成することにより、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献９参照）。
【００１２】
また、ステンレス鋼に窒化処理により形成された硬化層をコーティングすることにより、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を向上させることも提案されている（例えば、特許文献１０参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−２３３１５号公報
【特許文献２】特開２００７−３１８０９号公報
【特許文献３】特開２００６−２５７５４１号公報
【特許文献４】特開２００２−２８７７８号公報
【特許文献５】特開２０１１−３６８９１号公報
【特許文献６】特開２００７−１３１９２１号公報
【特許文献７】特開２００６−９７１３２号公報
【特許文献８】特開２００６−２８６３８号公報
【特許文献９】特開２００４−１８８４４９号公報
【特許文献１０】特開２００４−１４１９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
近年、はんだ付けの高効率化を実現するために、溶融はんだの温度を５００℃以上の高温に保持されるようになってきた。これによって、これまでに発明された対策品（４００℃以下での使用を前提として開発された）を用いても侵食を抑制できなくなり、短時間で大きな損耗するなどの問題が顕在化してきた。Ｃｏ基合金やチタンをもってしても侵食は抑制できない。また、ステンレスへの窒化処理やアルミニウム浸透処理は表面処理膜自体の耐侵食性が十分でなく損耗してまう。また、ＷＣを被覆したステンレス鋼はＷＣへの侵食はないものの、ＷＣが基材であるステンレス鋼から剥がれてしまう。そのため、５００℃以上に保持された溶融はんだを扱っても、長期間に亘り損耗が小さいはんだ槽やポッド、ノズル、プロペラ、シャフトなどの鉛フリーはんだ付け装置用部材が要望されていた。
【００１５】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、鉛フリーはんだ、特に溶融状態のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだに対する耐侵食性にすぐれた鉛フリーはんだ付け装置用部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の課題を解決すべく、本発明者らが鋭意研究したところ、表面にＷＣ（タングステンカーバイド）層を有するコバルト基合金を、鉛フリーはんだ付け装置用部材として適用することにより、溶融鉛フリーはんだに対する十分な高温耐侵食性が得られるのに加え、ＷＣコーティングは、基材から剥離しやすいというＷＣコーティングが抱えていた技術的課題を基材にコバルト基合金を用いることによって解決できるという知見を得たのである。
【００１７】
本発明は、
「（１） Ｃｏ基合金からなる基材の表面にＷＣ層を有する鉛フリーはんだ付け装置用部材において、
前記ＷＣ層の厚さが、１０〜３００μｍであり、
前記基材を構成するＣｏ基合金が、
Ｃｒ：１５．０−３５．０重量％，Ｆｅ：０．１−２５．０重量％，Ｃ：０．０１−１．２０重量％，Ｍｎ：０．５−２．０重量％，Ｓｉ：０．１−２．０重量％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金であることを特徴とする鉛フリーはんだ付け装置用部材。
（２） 前記Ｃｏ基合金が、さらに
（ａ）Ｎｉ：１．０−２４．０重量％，
（ｂ）Ｗ：１２．０−１７．０重量％，
（ｃ）Ｌａ：０．０１−０．１５％重量およびＣｅ：０．０１−０．１５重量％の内の１種または２種，
（ｄ）Ｍｇ：０．００１−０．０５重量％，
前記（ａ）〜（ｄ）の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の鉛フリーはんだ付け装置用部材。」
を特徴とするものである。
次に、限定理由について詳述する。
・ＷＣ層
ＷＣ層は高融点かつ高硬度であるため、溶融鉛フリーはんだと接触しても反応せず、またエロージョンに対する保護性も高い。そのため、保護皮膜として基材を保護することができる。
ところが、厚さが１０μｍ未満であるとＷＣ層に欠陥が生じて下地金属が露出してしまうため、十分な保護皮膜としての効果が得られない。一方、３００μｍを超えると基材との熱膨張差などにより、高温での繰り返し使用中にＷＣ層が基材から剥離し易くなるため好ましくない。そのため、基材の表面に形成するＷＣ層の厚さは、１０〜３００μｍと定めた。
・基材のコバルト基合金の組成
Ｃｒ：
Ｃｒは、表面に濃縮して薄くて緻密なＣｒ２Ｏ３を主体とする酸化皮膜を形成することにより、ＷＣ層を被覆しない溶融鉛フリーはんだとの非接触部における耐酸化性を向上させるために必須である。５００℃を超える温度に保持することにより、合金を構成するＣｏ，Ｆｅなどは酸化スケールの生成が進んでしまう。そこで、Ｃｒの含有を必須とする。ところが、Ｃｒを１５．０重量％未満含有しても十分な効果が得られず、一方、３５．０重量％を超えて含有すると加工が困難となる。従って、Ｃｒの含有量は１５．０〜３５．０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、１５．０〜３２．０重量％である。
Ｆｅ：
Ｆｅは、基材であるＣｏ基合金を所望の部材に加工する際の熱間加工性を向上させる効果がある。ところが、０．１重量％未満含有しても所望の効果が得られず、一方、２５．０重量％を超えて含有するとＷＣ層との密着性が劣化するので好ましくない。したがって、Ｆｅの含有量は０．１〜２５．０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、１５．０〜 ２２．０重量％である。
Ｃ：
Ｃは、合金内にＣｒ炭化物などを析出させることにより高温強度向上に寄与するため含有する。ところが、０．０１重量％未満を含有しても所望の効果が得られず、一方、１．２０重量％を越えて含有すると、合金が脆化し、部材の素材となる板などへの形状付与が困難となるので好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．０１〜１．２０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、０．０６〜０．５重量％である。
Ｍｎ：
Ｍｎは、母相の結晶構造であるオーステナイト構造を安定化させることにより、脆化を抑制し、その結果、形状付与を容易にする作用があるが、ところが、Ｍｎが０．５重量％未満含有しても所望の効果が得られず、一方、２．０重量％を超えて含有するとＷＣ層との密着性が劣化するので好ましくない。したがって、Ｍｎの含有量は０．５〜２．０重量％と定めた。一層好ましい範囲は、０．５〜１．５重量％である。
Ｓｉ：
Ｓｉは、高温での基材の軟化を抑制するために必要である。基材の軟化は、ＷＣ層の基材からの剥離をもたらす原因となる。ところが、Ｓｉを０．１重量％未満含有しても所望の効果が得られず、一方、２．０重量％を越えて含有すると、合金の脆化が顕在化し、部材の素材となる板などへの形状付与が困難となるので好ましくない。したがって、Ｓｉの含有量は０．１〜２．０重量％に定めた。一層好ましい範囲は、０．２〜１．５重量％である。
Ｎｉ：
Ｎｉは、主要元素であるＣｏと置換することにより、冷間での曲げ加工性などの延性を改善できるため、必要に応じて添加される。ところが、Ｎｉを１．０重量％未満添加しても所望の効果が得られず、一方、２４．０重量％を越えて含有するとＷＣ層との密着性低下をもたらす原因となるので好ましくない。したがって、Ｎｉの含有量は１．０〜２４．０重量％に定めた。一層好ましい範囲は、１．０〜８．０重量％である。
Ｗ：
Ｗは、熱膨張係数を下げる効果がある。そのため、ＷＣ層との熱膨張差を改善することにより、ＷＣ層と基材との密着性を向上させる効果があるため、必要に応じて添加される。ところが、Ｗを１２．０重量％未満添加しても所望の効果が得られず、一方、１７．０重量％を越えて含有すると加工性の著しい低下をもたらすので好ましくない。したがって、Ｗの含有量は１２．０〜１７．０重量％に定めた。一層好ましい範囲は、１３．０〜１６．０重量％である。
ＬａおよびＣｅ：
これら成分は、微量に添加することにより、ＷＣ層を被覆しない溶融鉛フリーはんだとの非接触部における耐酸化性を発揮するＣｒ２Ｏ３の緻密化する効果があるところから、必要に応じて添加される。ところが、Ｌａの含有量が０．０１重量％未満では所望の効果が得られず、一方、０．１５重量％を越えて含有すると、ＷＣ層の密着性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｌａの含有量を０．０１〜０．１５重量％に定めた。Ｌａの含有量の一層好ましい範囲は、０．０５〜０．１２重量％である。
同様に、Ｃｅの含有量が０．０１重量％未満ではＣｒ２Ｏ３の緻密化する効果させるに十分な効果が得られず、一方、０．１５重量％を越えて含有すると、ＷＣ層の密着性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃｅの含有量を０．０１〜０．１５重量％に定めた。Ｃｅの含有量の一層好ましい範囲は、０．０５〜０．１２重量％である。
Ｍｇ：
Ｍｇは、Ｍｎと共存させることにより母相の結晶構造であるオーステナイト構造を安定化させ、それにより脆化を抑制し、形状付与を容易にするという効果があるので必要に応じて添加する。ところが、Ｍｇの含有量が０．００１重量％未満では所望の効果が発揮されず、一方、０．０５重量％を超えて含有すると、逆に相安定性を劣化させ加工を困難にさせてしまうので好ましくない。したがって、Ｍｇの含有量は０．００１〜０．０５重量％に定めた。一層好ましい範囲は、０．００２〜０．０１０重量％である。
不可避不純物：
不可避不純物としては、Ｐ，Ｓなどが挙げられるが、これら不純物は、高温加工などの合金製造時における割れや溶接部における高温割れの原因となる。したがって、できるだけ低減することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のＷＣ層を有するＣｏ基合金からなる鉛フリーはんだ付け装置用部材は、鉛フリーはんだに対する耐侵食性がすぐれており、したがって、この部材で作製した鉛フリーはんだ付け装置は長期間損傷することなく使用することができ、電子・電気産業界における生産性の向上、製造原価の低減などすぐれた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の試験方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明について、実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００２１】
通常の高周波溶解炉を用いて溶解し鋳造して表１に示される成分組成を有するＣｏ基合金からなる厚さ：４０ｍｍ、重さ：約５Ｋｇを有するインゴットを作製した。このインゴットを１２３０℃で１０時間均質化熱処理を施し、１０００〜１２３０℃の範囲内に保持しながら、１回の熱間圧延で１ｍｍの厚さを減少させつつ最終的に厚さ：３ｍｍの薄板とし、ついで１２００℃で３０分間保持し水焼入れすることにより固溶化処理を施し、機械加工により、図に示すような攪拌翼に加工した。さらに、従来品として、市販のＳＵＳ３０４からなる厚さ：３ｍｍの薄板を用意した。これを機械加工により、図に示すような攪拌翼に加工した。
これらの攪拌翼の表面に電気放電金属遷移方法（ペネトロン処理）によりＷＣを被覆した。この際、放電時間などを調整することにより被覆層の厚さを制御した。この結果を表１に示す。なお、被覆方法は、攪拌翼をマイナス電極に固定し被覆するＷＣをプラス電極にするとともに、プラス電極にバイブレーターを取り付けて、バイブレーターの振動サイクルによりプラス電極がマイナス電極に接触した際に火花放電を発生させることができる。火花放電に際しコンデンサ中に蓄えられた電気が瞬間的に放電されるので、電流値が極めて大となり両極の溶融物質がまざり合って急冷されることにより攪拌翼の表面にＷＣの被覆層を形成させた。
Ｓｎ−３．２重量％Ａｇ−０．１重量％Ｃｕの組成の鉛フリーはんだを５５０℃に加熱しこの温度に保持することにより溶融鉛フリーはんだを作製した。この溶融鉛フリーはんだを撹拌翼により対流させた。そして、溶融鉛フリーはんだ中に攪拌翼を１０００時間保持した。１０００時間保持後に攪拌翼を取り出し、攪拌翼表面のはんだを除去した後、全浸漬面積に対する侵食面積の比（％）を測定し、溶融鉛フリーはんだに対する耐侵食性を評価した。その結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】
表１の結果から明らかなように、本発明で規定する組成のＣｏ基合金を基材とし、その表面に所定の厚さのＷＣ層を被覆したものは、耐侵食性にすぐれており損傷率が極めて低い。一方、本発明で規定する組成範囲からはみ出るＣｏ基合金を基材とするものや、ＷＣ層の厚さが本発明で規定する範囲からはみ出るものは、耐侵食性に劣り、損傷率が高い。
【００２３】
また、本発明の鉛フリーはんだ付け装置用部材によれば、所定のＣｏ基合金からなる基材表面にＷＣをペネトロン処理することによって、はんだ接触面の硬度が高くなるので、熱噴流による摩耗に強いだけでなく、ＷＣは他の金属と比較してイオン溶出が少ないのではんだ槽やインペラーなどの寿命が飛躍的に向上する。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の鉛フリーはんだ装置用部材によれば、鉛フリーはんだに対する耐侵食性が飛躍的に向上するので、鉛フリーはんだ装置の寿命が延び、穴あきによるはんだ流出災害が防止されるとともに、設備の定期メンテナンス頻度を抑えることができるため、電気電子産業界の高利潤化に寄与するなど、その産業上の利用可能性はきわめて高い。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｏ基合金からなる基材の表面にＷＣ層を有する鉛フリーはんだ付け装置用部材において、
前記ＷＣ層の厚さが、１０〜３００μｍであり、
前記基材を構成するＣｏ基合金が、
Ｃｒ：１５．０−３５．０重量％，Ｆｅ：０．１−２５．０重量％，Ｃ：０．０１−１．２０重量％，Ｍｎ：０．５−２．０重量％，Ｓｉ：０．１−２．０重量％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金であることを特徴とする鉛フリーはんだ付け装置用部材。
【請求項２】
前記Ｃｏ基合金が、さらに
（ａ）Ｎｉ：１．０−２４．０重量％，
（ｂ）Ｗ：１２．０−１７．０重量％，
（ｃ）Ｌａ：０．０１−０．１５％重量およびＣｅ：０．０１−０．１５重量％の内の１種または２種，
（ｄ）Ｍｇ：０．００１−０．０５重量％，
前記（ａ）〜（ｄ）の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ付け装置用部材。
【請求項１】
Ｃｏ基合金からなる基材の表面にＷＣ層を有する鉛フリーはんだ付け装置用部材において、
前記ＷＣ層の厚さが、１０〜３００μｍであり、
前記基材を構成するＣｏ基合金が、
Ｃｒ：１５．０−３５．０重量％，Ｆｅ：０．１−２５．０重量％，Ｃ：０．０１−１．２０重量％，Ｍｎ：０．５−２．０重量％，Ｓｉ：０．１−２．０重量％を含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる組成を有するＣｏ基合金であることを特徴とする鉛フリーはんだ付け装置用部材。
【請求項２】
前記Ｃｏ基合金が、さらに
（ａ）Ｎｉ：１．０−２４．０重量％，
（ｂ）Ｗ：１２．０−１７．０重量％，
（ｃ）Ｌａ：０．０１−０．１５％重量およびＣｅ：０．０１−０．１５重量％の内の１種または２種，
（ｄ）Ｍｇ：０．００１−０．０５重量％，
前記（ａ）〜（ｄ）の内の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ付け装置用部材。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−２４１２２０（Ｐ２０１２−２４１２２０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１１４９（Ｐ２０１１−１１１１４９）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（５１０３１２９５０）ＭＭＣスーパーアロイ株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【出願人】（５１０３１２９５０）ＭＭＣスーパーアロイ株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
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