專利名稱：焊接用包覆材料、使用其的焊接方法以及焊接制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接用包覆材料、使用其的焊接方法以及焊接制品，特別是涉及用于焊接熱交換器、燃料電池用部件等被焊接部件的焊接用包覆材料。
背景技術(shù)：
作為機油冷卻器的接合材料使用不銹鋼基包覆材料。其是在作為基材的不銹鋼板的一面或者兩面包覆有起到焊料功能的Cu材料。
另外，作為由不銹鋼、Ni基或Co基合金等形成的部件的焊接材料，由JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了焊接接合部的耐腐蝕性優(yōu)異的各種Ni焊料。進而，作為用于熱交換器的接合的Ni焊料，提出了向粉末狀的Ni焊料中添加4～22重量％的選自Ni、Cr或Ni-Cr合金中的金屬粉末而形成的粉末Ni焊料(參照例如特開2000-107883號公報)。
另外，還有在作為基材的不銹鋼表面具有Ni和Ti所形成的焊料層，即具有Ni/Ti/不銹鋼這樣的焊料層結(jié)構(gòu)的自焊接性復(fù)合材料(參照例如特開平7-299592號公報)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，將以往的焊料或者焊接用包覆材料用作為暴露于高溫、腐蝕性高的氣體或者液體中的熱交換器(燃料電池改性器用冷卻器、廢氣再循環(huán)裝置(以下稱為EGR)用冷卻器)的接合用焊料時，會存在如下所述的問題。
(1)將上述的不銹鋼基包覆材料用作為汽車用機油冷卻器的接合材料時，耐熱性和耐腐蝕性完全沒有問題。但是，將該不銹鋼基包覆材料用作為燃料電池用熱交換器或者EGR用冷卻器的接合材料時，耐腐蝕性會存在問題。具體來說，在燃料電池用熱交換器、EGR用冷卻器內(nèi)，由于循環(huán)著高溫且腐蝕性高的溶液或廢氣等，所以不銹鋼基包覆材料的焊料(Cu材料)就存在耐腐蝕性不充分的問題。
(2)特開平7-299592號公報中記載的自焊接性復(fù)合材料即Ni-Ti包覆材料在焊接接合時，有時會產(chǎn)生基材成分向焊料中溶入(擴散)的所謂“基材被侵食”的現(xiàn)象。此時，焊料會大幅度地侵食基材，從而產(chǎn)生基材的薄壁化。結(jié)果是，存在焊接接合部的強度降低的問題。
(3)特開2000-107883號公報記載的粉末Ni焊料及JIS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各種Ni焊料由于是粉末狀，所以需要將粉末Ni焊料分別涂布到各焊接接合部上這樣的作業(yè)。也就是說，在焊接作業(yè)時需要大量的勞動，從而焊接制品的生產(chǎn)率會顯著降低，其結(jié)果是，存在制造成本上升的問題。另外，JIS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的非晶形Ni焊料由于非常脆，所以焊料制造時和焊接制品組裝時會難以操作(處理)，同樣存在制造成本增加的問題。
考慮以上情況而進行的本發(fā)明的目的在于提供幾乎不發(fā)生基材被侵食的現(xiàn)象且耐腐蝕性、焊接生產(chǎn)率良好的焊接用包覆材料、使用其的焊接方法以及焊接制品。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的焊接用包覆材料由在基材表面成為一體地設(shè)置焊料層而形成的復(fù)合材料構(gòu)成，其與被焊接部件焊接，其特征在于，由在上述基材表面成為一體地設(shè)置從基材側(cè)依次層積有Ni或Ni合金層、Ti或Ti合金層、Fe-Ni合金層的焊料層而形成的復(fù)合材料構(gòu)成，F(xiàn)e成分在該焊料層全體中所占的重量比為25～40重量％，并且Ni成分在焊料層全體中所占的重量W1與Ni成分和Ti成分在焊料層全體中所占的重量總和W2之比W1/W2為0.56～0.66。
在此，焊料層的厚度T2與包覆材料全體的厚度T1之比T2/T1優(yōu)選為0.05～0.12。另外，在構(gòu)成焊料層的各層異質(zhì)金屬間的界面優(yōu)選具有厚度為2～6μm的擴散反應(yīng)層。
Fe-Ni合金層優(yōu)選由Fe-35～45重量％Ni構(gòu)成。
基材優(yōu)選由以Fe為主成分的合金構(gòu)成。另外，該以Fe為主成分的合金優(yōu)選為不銹鋼。
另一方面，本發(fā)明涉及的焊接方法是使用了上述的焊接用包覆材料的焊接方法，其特征在于，以800～不足940℃的溫度預(yù)熱上述焊接用包覆材料后，在真空氛圍下以1100～1200℃的溫度焊接該預(yù)熱后的焊接用包覆材料和被焊接部件。
在此，真空氛圍的真空度優(yōu)選為小于等于10-2Pa。另外，真空氛圍優(yōu)選為除去了氮氣的氣體氛圍，并且真空度為小于等于10-2Pa。
再者，本發(fā)明涉及的焊接制品是焊接接合上述的焊接用包覆材料和被焊接部件而形成的制品。另外，本發(fā)明涉及的焊接制品是使用上述的焊接方法，焊接接合焊接用包覆材料和被焊接部件而形成的制品。
根據(jù)本發(fā)明，能夠發(fā)揮出可以得到幾乎不發(fā)生基材被侵食的現(xiàn)象且耐腐蝕性和流動性良好的焊接用包覆材料這樣的優(yōu)異效果。


圖1是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式所涉及的焊接用包覆材料的截面圖；圖2是表示圖1中的焊接用包覆材料的一個變形例的橫截面圖。
圖中，10是焊接用包覆材料；11是基材；12是Ni層；13是Ti層；14是Fe-Ni合金層；15是焊料層。
具體實施例方式
以下基于

本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式。
在圖1表示本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式所涉及的焊接用包覆材料的截面圖。
如圖1所示，本實施方式涉及的焊接用包覆材料10是與被焊接部件焊接的材料，其由在基材11的表面(圖1中僅為上面)成為一體地設(shè)置焊料層15而形成的復(fù)合材料構(gòu)成。通過對該復(fù)合材料適宜地實施軋制加工，可以得到期望厚度的焊接用包覆材料(最終制品)10。在此所說的基材11的表面是表示露出在外部的全部的面。
焊料層15是從基材11側(cè)依次層積包覆Ni(或Ni合金)層12、Ti(或Ti合金)層13、Fe-Ni合金層14而形成的層。
Fe成分在焊料層15全體中所占的重量比(濃度)被調(diào)整為25～40重量％，優(yōu)選為30～35重量％。換而言之，焊接用包覆材料10被調(diào)整成焊料層15全體的組成為Ni-Ti-25～40重量％Fe。這些調(diào)整通過調(diào)整層12、13、14的各層厚度以及調(diào)整層12、13、14的各合金組成等來完成。在此，F(xiàn)e成分的含量(濃度)被限定為25～40重量％，這是因為如果Fe成分的含量不足25重量％，則不能充分抑制Fe成分從基材11向焊料層15溶出。另一方面，如果Fe成分的含量超過40重量％，則焊料的流動性會降低。
Ni成分在焊料層15全體中所占的重量W1與Ni成分和Ti成分在焊料層15全體中所占的重量總和W2之比W1/W2被調(diào)整為0.56～0.66，優(yōu)選為0.58～0.65，更優(yōu)選為0.58～0.62。這些調(diào)整是通過調(diào)整層12、13、14的各層厚度以及調(diào)整層12、13、14的各合金組成等來完成。在此，將W1/W2限定為0.56～0.66，這是因為如果W1/W2不足0.56或者W1/W2超過0.66，焊料的流動性就會顯著地降低或者焊料完全不熔融。
焊料層15的厚度T2與焊接用包覆材料10全體的厚度T1之比T2/T1(或者T2×100/T1)被調(diào)整為0.05～0.12(或者5～12％)，優(yōu)選為0.06～0.10(或者6～10％)。在此，將T2/T1限定為0.05～0.12，是因為如果T2/T1不足0.05，則在將基材11和焊料層15復(fù)合成為一體之前，需要事先使焊料層15的厚度足夠薄，結(jié)果是加工成本會大幅度上升。另一方面，是因為如果T2/T1超過0.12，則焊料層15的材料成本會增加。另外，如果T2/T1超過0.12，則僅在基材11的一個面具有焊料層15的焊接用包覆材料10的情況，施壓后的形狀就可能會產(chǎn)生顯著的翹曲，結(jié)果是在焊接接合部可能會產(chǎn)生溶液等滲漏這樣的不良情況。
焊接用包覆材料10中，在構(gòu)成焊料層15的各層12、13、14的異質(zhì)金屬間的界面具有厚度為2～6μm，優(yōu)選2～4μm的擴散反應(yīng)層(未圖示)。
Fe-Ni合金層14由Fe-35～45重量％Ni，優(yōu)選Fe-36.0～36.5重量％Ni(例如殷鋼(注冊商標(biāo)))或Fe-42重量％Ni(例如42合金)構(gòu)成。
作為本實施方式涉及的焊接用包覆材料10的焊料層15的構(gòu)成材料，選定Ni、Ti、殷鋼(注冊商標(biāo))或者42合金，這是因為可以比較容易地得到板狀材料或者箔狀材料，并且軋制、沖壓、拉深這樣的加工性優(yōu)異。
對于焊料層15來說，在整個焊料層15中可以含有0.02～10.0重量％，優(yōu)選0.02～5.0重量％的P。由此可以顯著地改善焊料的流動性、耐氧化性。在此，將P的含量限定為0.02～10.0重量％，是因為如果不足0.02重量％，則無法期望提高流動性；相反如果超過10.0重量％，則根據(jù)進行焊接的被焊接部件的種類，強度會降低。
另一方面，基材11由與構(gòu)成后述的焊接制品的構(gòu)成部件(被焊接部件)相同或者大致相同的材料構(gòu)成。例如，作為基材11的構(gòu)成材料，優(yōu)選以Fe為主成分的Fe基合金，更優(yōu)選為不銹鋼，特別優(yōu)選為奧氏體系不銹鋼。在此，作為Fe基合金優(yōu)選不銹鋼，是因為在與使用耐腐蝕性優(yōu)異的焊料同樣的環(huán)境下能夠得到充分的耐腐蝕性，而且是能夠以較低成本獲得的通用品，并且軋制、沖壓、拉深這樣的加工性優(yōu)異。
為了得到本實施方式涉及的焊接用包覆材料10，在對復(fù)合材料實施軋制加工之前可以適宜地實施熱處理。該熱處理可以根據(jù)焊料層15的層結(jié)構(gòu)、各層12、13、14的組成和層厚適宜地調(diào)整加熱溫度和加熱時間，以使焊接用包覆材料10的伸長率大于等于30％。
對這樣得到的焊接用包覆材料10適宜地實施軋制、沖壓、拉深加工而形成期望形狀的半成品后，組合該半成品和需要進行接合的被焊接部件(未圖示)，接觸需要進行焊接接合的部分(焊接接合部)。隨后，以焊接接合部為重點，通過加熱對它們的組合部件實施焊接處理，得到焊接制品。或者，也可以使用焊接用包覆材料10作為被焊接部件。例如，準(zhǔn)備多個本實施方式涉及的焊接用包覆材料10，對各復(fù)合材料10適宜地實施沖壓加工而各自形成期望形狀的半成品后，組合這些半成品，使焊接接合部接觸。隨后，通過加熱對它們的組合部件實施焊接處理，也可以得到焊接制品。
在本實施方式中，針對僅在基材11的一個面(圖1中為上面)設(shè)置焊料層15的焊接用包覆材料10進行了說明，但是并不限定于此。例如，也可以是在基材11的兩個面(圖1中為上、下面)設(shè)置焊料層15的焊接用包覆材料。
另外，在本實施方式中使用呈箔狀的焊接用包覆材料10進行了說明，但是復(fù)合材料的形狀并不限于箔狀。例如，像圖2中表示的圖1的變形例那樣，也可以在棒狀或者線狀的基材21的表面，成為一體地設(shè)置從基材21側(cè)依次層積Ni(或Ni合金層)層12、Ti(或Ti合金)層13、Fe-Ni合金層14而形成的焊料層15，作為焊接用包覆材料20。此時，作為基材21可以適用與基材11同樣的材料。另外，各層12、13、14的形成可以通過鍍層法、擠壓法、成管法等來進行。
作為使用了本實施方式涉及的焊接用包覆材料10的焊接制品，可舉出燃料電池的改性器用冷卻器等在高溫下循環(huán)有腐蝕性高的溶液或者氣體的熱交換器、EGR用冷卻器、燃料電池部件、機油冷卻器、散熱器、蓄電池部件等。本實施方式涉及的焊接用包覆材料，特別是棒狀或者線狀焊接用包覆材料20(參照圖2)，由于直徑尺寸小，處理性良好，因此除了燃料電池的改性器用冷卻器的熱交換器、EGR用冷卻器、燃料電池部件等以外，也可以適用于機油冷卻器、散熱器、蓄電池部件等。
接著，說明使用了本實施方式涉及的焊接用包覆材料的焊接方法。
對本實施方式涉及的焊接用包覆材料10適宜地實施軋制、沖壓、拉深加工而制作期望形狀的半成品。對焊接用包覆材料10預(yù)先實施熱處理，使基材11的伸長率大于等于30％。通過該熱處理，焊接用包覆材料10的基材11被充分退火并軟化，得到充分的伸長率。另外，通過該熱處理，在構(gòu)成焊料層15的各層12、13、14的異質(zhì)金屬間的界面，即Ni層12和Ti層13的界面及Ti層13和Fe-Ni合金層14的界面，會形成厚度2～6μm的擴散反應(yīng)層。其結(jié)果，焊接用包覆材料10的沖壓成形性(加工性)變得良好，沖壓加工后不會在半成品的基材上產(chǎn)生裂紋或者產(chǎn)生大的翹曲。從而，可以高成品率且高精度地制作期望形狀的半成品。
在此，基材11的軟化熱處理被調(diào)整成擴散反應(yīng)層的層厚成為2～6μm。這些調(diào)整可以通過調(diào)整熱處理溫度和熱處理時間等來完成。在此，將擴散反應(yīng)層的層厚限定為2～6μm，這是因為如果不足2μm，則熱處理不充分，基材11不會充分軟化；如果擴散反應(yīng)層的層厚超過6μm，則焊料層15全體的硬度過高，伸長率就會降低，例如產(chǎn)生焊料層15剝離這樣的情況時，難以加工成半成品。
接著，組合該半成品(焊接用包覆材料10)和被焊接部件(未圖示)，使焊接接合部接觸。隨后，通過加熱對它們的組合部件實施焊接處理。在此，在焊接處理之前，以800～不足940℃，優(yōu)選850～不足940℃，更優(yōu)選880～920℃的溫度對半成品(或者半成品和被焊接部件雙方)實施預(yù)熱處理。通過該預(yù)熱處理，可以抑制通過與焊接氛圍中的氣體(N2、O2、C)反應(yīng)而降低流動性的Ti擴散(露出)到焊料層15的最表面，同時可以釋放加工成期望形狀的半成品的應(yīng)力。另外，通過該預(yù)熱處理，在緩和焊接溫度(1100～1200℃)下的熱變形的同時，通過提高焊料全體的勻熱性，可以提高焊接接合部的可靠性。
隨后，在真空度小于等于1×10-2Pa的氛圍下，優(yōu)選在真空度小于等于1×10-2Pa且不含N2的氣體氛圍下，在1100～1200℃的溫度對預(yù)熱后的半成品和被焊接部件實施焊接處理。在此，將焊接處理時的真空度限定為小于等于1×10-2Pa，這是因為焊接處理溫度是超過1000℃的高溫，如果氛圍中含有大量的碳、氧、氮等氣體，則這些氣體和焊料成分能夠以良好的反應(yīng)性發(fā)生反應(yīng)，從而會降低焊料的流動性。特別是，N2氣體會與焊料成分的Ti反應(yīng)而形成TiN系化合物而顯著降低流動性，因此優(yōu)選在真空度小于等于1×10-2Pa且不含N2的氣體氛圍下進行焊接處理。
通過該焊接處理，在焊接接合部會產(chǎn)生焊料層15(焊料)的熔融反應(yīng)，焊料會被熔融。該焊接處理時，在與基材11相鄰部分的焊料層15中也存在作為預(yù)熱處理和到焊料層15的熔融反應(yīng)過程的結(jié)果被擴散的Fe成分。因此，焊接處理時，即使基材11中的Fe成分向焊料中溶入，焊料中的Fe濃度也會立刻飽和。因此，可以抑制基材11中的Fe成分向焊料中溶入，防止基材11的Fe成分向焊料中溶出，從而大幅度地減少“基材被侵食”現(xiàn)象的發(fā)生。另外，為了不妨礙焊料的流動性，將Fe成分在焊料層15全體中所占的濃度調(diào)整為25～40重量％，因此焊料的流動性變得良好。其結(jié)果是，在焊接后不會產(chǎn)生基材11特別是焊接接合部的強度降低，并且也不用擔(dān)心會侵食基材11。
這樣，通過焊接接合本實施方式涉及的焊接用包覆材料10和被焊接部件(不銹鋼板)，可以在工業(yè)上穩(wěn)定地制造在焊接接合部“基材被侵食”現(xiàn)象少的焊接制品。該焊接制品與焊接前相比較，基材11的強度幾乎不會降低，并且?guī)缀醪粫?1產(chǎn)生侵食，具有高的可靠性。
另外，本實施方式涉及的焊接用包覆材料10(參照圖1)是將焊料和基材11成為一體地設(shè)置而形成，因此不需要在基材11和被焊接部件的焊接接合部配置焊料這樣的作業(yè)。因此，能夠以良好的焊接生產(chǎn)率得到焊接制品。
不用說，本發(fā)明并不限于上述的實施方式，除此以外也可以設(shè)想到各種方式。
接著，基于實施例說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于這些實施例。
實施例11在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.52mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為0.72mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。進而，反復(fù)軋制，制作三層結(jié)構(gòu)(殷鋼/Ti/Ni/SUS304)的焊料層的總厚度為70μm的焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為25重量％。
首先將該包覆材料用真空度保持在1×10-3Pa的管狀爐在900℃預(yù)熱，再對預(yù)熱后的包覆材料在1200℃實施加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
實施例12在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.42mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.01mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
實施例13在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.38mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為0.96mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
實施例14在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.55mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.16mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
實施例15在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.33mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.11mm的42合金條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
實施例16在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.28mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.43mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為40重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
比較例11在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.55mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為0.64mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為23重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
比較例12在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.21mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.62mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為43重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
比較例13在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.32mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為0.90mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
比較例14在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.62mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.23mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。使用該復(fù)合材料，與實施例11同樣地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
比較例15在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為1.01mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為0.42mm的Ni條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。進而，反復(fù)軋制，制作三層結(jié)構(gòu)(Ni/Ti/殷鋼/SUS304)的焊料層的總厚度為70μm的焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。使用該包覆材料，與實施例11同樣地進行焊接特性的評價。
在此，調(diào)整各不銹鋼條材的厚度，使實施例11～16和比較例11～15的各焊接用包覆材料的焊料層的厚度T2與焊接用包覆材料全體的厚度T1之比(T2×100/T1)均為8％。
另外，對實施例11～16和比較例11～15的各焊接用包覆材料，在包覆軋制后實施了熱處理。通過該熱處理，各不銹鋼條材被軟化，在焊料層的各層間的界面分別形成異質(zhì)金屬間的擴散反應(yīng)層。調(diào)整熱處理條件，使各擴散反應(yīng)層的層厚均為3μm。
現(xiàn)有例11在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面層積Cu條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。進而，反復(fù)軋制，制作雙層結(jié)構(gòu)(Cu/SUS304)的焊料層的總厚度為70μm的焊接用包覆材料。對該包覆材料在管狀爐中實施1120℃的加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
現(xiàn)有例12在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的一個面上涂布用合成樹脂粘合劑溶解市售的粉末Ni焊料(Ni-19重量％Cr-10重量％Si)而得到的物質(zhì)。對涂布了該焊料的基材在管狀爐中實施1180℃的加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
關(guān)于實施例11～16、比較例11～15和現(xiàn)有例11、12的各試樣，將它們的層積結(jié)構(gòu)、Fe成分在焊料層全體中所占的濃度(重量％)、以及W1/W2的值示于表1中。另外，各試樣的焊接特性的評價也一并示于表1中。焊接特性的評價是針對焊接后的基材的殘存性、是否發(fā)生腐蝕、焊角形成狀態(tài)(流動性)、焊接生產(chǎn)率以及它們的綜合評價而進行的。
關(guān)于基材的殘存性，通過截面觀察焊接處理前后的基材的板厚的變化來測定，將板厚的平均減少率和最大減少率少的記為良好(○)、多的記為不良(×)而進行評價。
對于腐蝕試驗，首先將焊接處理后的各試樣在含有氯離子、硝酸離子、硫酸離子的腐蝕性溶液中浸漬1000小時。隨后，從溶液中取出上述各試樣，進行焊接接合部(焊接熔融部)的組織觀察。通過調(diào)查是否發(fā)生腐蝕來進行耐腐蝕性的評價。另外，分析腐蝕試驗后的溶液，定量比較來自焊料的溶出物，判斷腐蝕程度。
流動性的評價是，在各試樣的焊料層的表面放置由SUS304形成的不銹鋼管后，進行加熱焊接處理時，根據(jù)焊接接合部的焊角形狀和焊角的截面積來進行。
表1 ○良好、×不良如表1所示，實施例11～16的各試樣在焊料層的最外層配置有Fe-Ni合金層，同時將焊料層的Fe成分濃度調(diào)整為25～40重量％，將W1/W2調(diào)整為0.58～0.65。因此，對于實施例11～16的各試樣來說，在焊接處理時幾乎不會產(chǎn)生“基材被侵食”的現(xiàn)象，焊接處理后的基材的殘存性良好。另外，對于實施例11～16的各試樣來說，均沒有產(chǎn)生腐蝕，流動性和焊接生產(chǎn)率良好。從而，實施例11～16的各試樣的焊接特性的綜合評價均良好。
另外，作為配置在焊料層的最外層的Fe-Ni合金層，實施例11～14、16的各試樣使用殷鋼(注冊商標(biāo))，但是就替代殷鋼(注冊商標(biāo))而使用了42合金的實施例15的試樣來說，焊接特性也良好。
相反，比較例11的試樣，由于焊料層的Fe成分濃度少于規(guī)定范圍(25～40重量％)，為23重量％，因此基材被侵食的程度大，在焊接接合部不能得到充分的接合強度。
比較例12的試樣，由于焊料層的Fe成分濃度多于規(guī)定范圍(25～40重量％)，為43重量％，因此焊料的流動性差。
比較例13的試樣，由于W1/W2是小于規(guī)定范圍(0.58～0.65)的0.55，因此焊料的流動性差。另外，比較例14的試樣，由于W1/W2是大于規(guī)定范圍(0.58～0.65)的0.67，因此與比較例13的試樣同樣，焊料的流動性差。
比較例12～14的各試樣由于焊料的流動性差，因此不能確保焊接接合部的可靠性(充分的接合強度)。
比較例15的試樣，雖然焊料層的Fe成分濃度和W1/W2與實施例12的試樣完全相同，但是焊料層的層積結(jié)構(gòu)不同。比較例15的試樣由于在焊料層的最內(nèi)層配置有為Fe-Ni合金層的殷鋼(注冊商標(biāo))，因此在焊接處理時不能充分地抑制基材被侵食的現(xiàn)象。
現(xiàn)有例11的試樣雖然基材被侵食的現(xiàn)象少，流動性和焊接生產(chǎn)率也良好，并可以得到良好的焊接特性，但是由于耐腐蝕性不充分，因此結(jié)果是不能耐于在高腐蝕環(huán)境下的使用。
現(xiàn)有例12的試樣雖然基材被侵食的現(xiàn)象少，耐腐蝕性和流動性也良好，但是焊料為粉末焊料，而且需要使用有機物類粘合劑，因此焊接生產(chǎn)率顯著低。
由以上的結(jié)果可以確認，通過形成使基材和從基材表面依次具有Ni層、Ti層、Fe-Ni合金層這種層結(jié)構(gòu)的焊料層成為一體而得到的焊接用包覆材料，并且將Fe成分在焊料層全體中所占的濃度規(guī)定為25～40重量％，將W1/W2規(guī)定為0.58～0.65，可以得到優(yōu)異的焊接特性。
實施例21在作為基材的不銹鋼條材(SUS304條材)的表面依次層積厚度為0.42mm的Ni條材、厚度為1.0mm的Ti條材、厚度為1.01mm的殷鋼(注冊商標(biāo))條材，通過軋制法進行包覆而制作復(fù)合材料。進而，反復(fù)軋制，制作三層結(jié)構(gòu)(殷鋼/Ti/Ni/SUS304)的焊料層的總厚度為70μm的焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料層全體中所占的濃度為32重量％。另外，調(diào)整不銹鋼條材的厚度，使焊料層的厚度T2與焊接用包覆材料全體的厚度T1之比(T2×100/T1)為5％。進而，以不銹鋼條材的軟化為目的，在包覆軋制后對得到的焊接用包覆材料實施熱處理。通過該熱處理，在焊料層的各層間的界面形成異質(zhì)金屬間的擴散反應(yīng)層。調(diào)整熱處理條件，使擴散反應(yīng)層的層厚為3μm。
首先將該包覆材料用真空度保持在1×10-3Pa的管狀爐在900℃預(yù)熱，再對預(yù)熱后的包覆材料在1200℃實施加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
實施例22除了T2×100/T1為8％以外，制作與實施例21完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
實施例23除了T2×100/T1為12％以外，制作與實施例21完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
實施例24除了擴散反應(yīng)層的層厚為2μm以外，制作與實施例22完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
實施例25除了擴散反應(yīng)層的層厚為6μm以外，制作與實施例22完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
比較例21除了T2×100/T1為4％以外，制作與實施例21完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
比較例22除了T2×100/T1為13％以外，制作與實施例21完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
比較例23除了擴散反應(yīng)層的層厚為1μm以外，制作與實施例22完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
比較例24除了擴散反應(yīng)層的層厚為8μm以外，制作與實施例22完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。使用該包覆材料，與實施例21同樣地進行焊接特性的評價。
關(guān)于實施例21～25和比較例21～24的各試樣，將它們的層積結(jié)構(gòu)、Fe成分在焊料層全體中所占的濃度(重量％)、T2/T1的值(％)、以及擴散反應(yīng)層的層厚(μm)示于表2中。另外，各試樣的接合性(焊接接合部的可靠性)和焊接處理前的加工性的評價也一并示于表2中。
加工性是在焊接處理之前使用凹凸形狀的金屬模具對實施例21～25和比較例21～24的各試樣實施沖壓加工后，觀察各試樣的表面和截面，評價基材上是否產(chǎn)生裂紋、減壁率、平坦度(是否發(fā)生翹曲)等。
表2 ○良好、×不良如表2所示，實施例21～25的各試樣是將T2/T1調(diào)整為5～12％，將擴散反應(yīng)層的層厚調(diào)整為2～6μm。實施例21～25的各試樣，由于焊料層具有充分的厚度，因此在焊接處理后可以得到充分的接合強度，焊接接合部的可靠性良好。另外，實施例21～25的各試樣在沖壓加工時，基材上沒有產(chǎn)生裂紋，基材的翹曲也非常小，也沒有發(fā)生焊料層的剝離。從而，實施例21～25的各試樣為加工性良好。
相反，比較例21的試樣，由于T2/T1是小于規(guī)定范圍(5～12％)的4％，焊料層的厚度不充分，因此在焊接處理后無法得到充分的接合強度，焊接接合部的可靠性不良。另外，比較例21的試樣，在沖壓加工時焊料層會從基材剝離，沖壓加工性不良。
比較例22的試樣由于T2/T1是大于規(guī)定范圍(5～12％)的13％，焊料層的厚度大于必要值，因此在焊接處理后雖然能夠得到充分的接合強度，但是會導(dǎo)致制造成本增加。另外，比較例22的試樣，在沖壓加工時在基材產(chǎn)生翹曲，沖壓加工性不良。
比較例23的試樣由于包覆軋制后的熱處理不充分，因此擴散反應(yīng)層的層厚是薄于規(guī)定范圍(2～6μm)的1μm。從而，基材沒有被充分軟化，沖壓加工時在基材產(chǎn)生大的翹曲，同時加工部的一部分會發(fā)生破裂，沖壓加工性不良。另外，由于產(chǎn)生了大的翹曲，所以焊接部的密合性變得不充分，焊接接合部的可靠性不良。
比較例24的試樣由于包覆軋制后的熱處理過度，因此擴散反應(yīng)層的層厚是厚于規(guī)定范圍(2～6μm)的8μm。因此，在沖壓加工時會產(chǎn)生以擴散反應(yīng)層為起點的裂紋傳播、推進到基材這樣的不良情況。另外，比較例24的試樣，在沖壓加工時焊料層會從基材剝離，同時試樣表面會產(chǎn)生表面粗糙化。也就是說，比較例24的試樣為沖壓加工性不良。
從以上結(jié)果可以確認，通過將T2/T1規(guī)定為5～12％、將擴散反應(yīng)層的層厚規(guī)定為2～6μm，可以得到優(yōu)異的焊接特性和沖壓加工性。
實施例31制作與[實施例1]中的實施例12完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。首先將該包覆材料用真空度保持在1×10-2Pa的管狀爐在900℃預(yù)熱，再對預(yù)熱后的包覆材料在1200℃實施加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
實施例32制作與[實施例1]中的實施例12完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。首先將該包覆材料用真空度保持在1×10-3Pa的管狀爐在900℃預(yù)熱，再對預(yù)熱后的包覆材料在1200℃實施加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
比較例31制作與[實施例1]中的實施例12完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。首先將該包覆材料用真空度保持在1×10-1Pa的管狀爐在900℃預(yù)熱，再對預(yù)熱后的包覆材料在1200℃實施加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
比較例32制作與[實施例1]中的實施例12完全相同的構(gòu)成的焊接用包覆材料。首先將該包覆材料用真空度保持在1×10-2Pa且添加有微量的N2氣體的管狀爐在900℃預(yù)熱，再對預(yù)熱后的包覆材料在1200℃實施加熱處理，使焊料層熔融，進行焊接特性的評價。
關(guān)于實施例31、32和比較例31、32的各試樣，將它們的層積結(jié)構(gòu)、Fe成分在焊料層全體中所占的濃度(重量％)、以及W1/W2的值示于表3中。另外，將對各試樣實施焊接處理時的焊接氛圍的真空度和流動性的評價也一并示于表3中。
對于流動性，將流動充分的評價為良好(○)，將流動不充分的評價為不足(△)，將流動差的評價為(×)。
表3 ○良好、△不足、×不良如表3所示，實施例31、32的各試樣，是將焊接處理時的焊接氛圍的真空度調(diào)整為小于等于1×10-2Pa。從而，實施例31、32的各試樣為焊料的流動性充分。另外，焊接氛圍的真空度越低，焊料的流動性就越好。
相反，比較例31的試樣，由于焊接處理時的焊接氛圍的真空度為大于規(guī)定范圍(小于等于1×10-2Pa)的1×10-1Pa，因此焊料的流動性不充分。
另外，比較例32的試樣，雖然焊接氛圍的真空度為1×10-2Pa，滿足規(guī)定范圍(小于等于1×10-2Pa)，但是由于氛圍氣體中含有N2，因此流動性顯著地差。
從以上的結(jié)果可以確認，通過使焊接氛圍的真空度小于等于1×10-2Pa，優(yōu)選焊接氛圍的真空度小于等于1×10-2Pa，并且使氛圍氣體為不含N2的氣體，可以得到良好的流動性。
權(quán)利要求
1.焊接用包覆材料，由在基材表面成為一體地設(shè)置焊料層而形成的復(fù)合材料構(gòu)成，其與被焊接部件焊接，其特征在于，由在所述基材表面成為一體地設(shè)置從基材側(cè)依次層積有Ni或Ni合金層、Ti或Ti合金層、Fe-Ni合金層的焊料層而形成的復(fù)合材料構(gòu)成，F(xiàn)e成分在該焊料層全體中所占的重量比為25～40重量％，并且Ni成分在焊料層全體中所占的重量W1與Ni成分和Ti成分在焊料層全體中所占的重量總和W2之比W1/W2為0.56～0.66。
2.權(quán)利要求1所述的焊接用包覆材料，其中，所述焊料層的厚度T2與包覆材料全體的厚度T1之比T2/T1為0.05～0.12。
3.權(quán)利要求1或2所述的焊接用包覆材料，其中，在構(gòu)成所述焊料層的各層異質(zhì)金屬間的界面具有厚度為2～6μm的擴散反應(yīng)層。
4.權(quán)利要求1～3的任意一項所述的焊接用包覆材料，其中，所述Fe-Ni合金層由Fe-35～45重量％Ni構(gòu)成。
5.權(quán)利要求1～4的任意一項所述的焊接用包覆材料，其中，所述基材由以Fe為主成分的合金構(gòu)成。
6.權(quán)利要求5所述的焊接用包覆材料，其中，所述以Fe為主成分的合金為不銹鋼。
7.焊接方法，其是使用了權(quán)利要求1～6的任意一項所述的的焊接用包覆材料的焊接方法，其特征在于，以800～不足940℃的溫度預(yù)熱所述焊接用包覆材料后，在真空氛圍下以1100～1200℃的溫度焊接該預(yù)熱后的焊接用包覆材料和被焊接部件。
8.權(quán)利要求7所述的焊接方法，其中，所述真空氛圍的真空度小于等于10-2Pa。
9.權(quán)利要求7所述的焊接方法，其中，所述真空氛圍為除去了N2氣體的氣體氛圍，并且真空度小于等于10-2Pa。
10.焊接制品，其特征在于，焊接接合權(quán)利要求1～6的任意一項所述的的焊接用包覆材料和被焊接部件。
11.焊接制品，其特征在于，使用權(quán)利要求7～9的任意一項所述的焊接方法，來焊接接合焊接用包覆材料和被焊接部件。
全文摘要
本發(fā)明提供幾乎不會發(fā)生基材被侵食現(xiàn)象，并且耐腐蝕性、焊接生產(chǎn)率良好的焊接用包覆材料、使用其的焊接方法以及焊接制品。本發(fā)明的焊接用包覆材料(10)由在基材(11)表面成為一體地設(shè)置焊料層(15)而形成的復(fù)合材料構(gòu)成，其與被焊接部件焊接，其特征在于，由在基材(11)表面成為一體地設(shè)置從基材(11)側(cè)依次層積有Ni層(12)、Ti層(13)、Fe－Ni合金層(14)的焊料層而形成的復(fù)合材料構(gòu)成，F(xiàn)e成分在該焊料層(15)全體中所占的重量比為25～40重量％，并且Ni成分在焊料層(15)全體中所占的重量W1與Ni成分和Ti成分在焊料層(15)全體中所占的重量總和W2之比W1/W2為0.56～0.66。
文檔編號B23K1/00GK1792537SQ20051013512
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者佐川英之, 黑田洋光, 黑木一真, 堀井文夫, 德光哲哉, 作山信人, 岡本茂 申請人:日立電線株式會社