JPH1052753A - Ａｌ系金属と異種材料との接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ａｌ系金属に対し金属あるいはセラミック等
の異種材料が高強度で接合されてしかも安価に製造でき
る接合体と、そのための接合方法とを提供する。 【構成】 異種材料被接合体とＴｉ系金属板との間に、
Ａｌ系金属被接合体よりも高融点のろう材箔あるいはろ
う材板を介挿してろう付け処理を行う。次いで、Ｔｉ系
金属板とＡｌ系金属被接合体との間に、Ａｌ系金属被接
合体よりも低融点の別のろう材箔あるいはろう材板を介
挿して両者をろう付けする。これにより、異種材料被接
合体とＴｉ系金属板とが、ろう材層、Ｔｉ系金属板及び
別のろう材層を介して互いに接合された接合体が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、Ａｌ系金属と異種
材料との接合体及び接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡｌあるいはＡｌ合金等のＡｌ系金属は
耐食性に優れて熱伝導性が高く、しかも軽量である利点
を有していることから種々の分野で利用が進んでいる。
この場合、Ａｌ系金属同士を接合したり、Ａｌ系金属部
材とＡｌ以外を主成分とする異種金属部材とを接合して
複合化することも行われている。このようなＡｌ系金属
部材と異種金属部材との接合体としては、Ａｌ系の低融
点ろう材を用いて接合したものが知られている。また、
そのような低融点ろう材としては、２成分系ろう材とし
てＡｌ−Ｓｉ系（例えばＪＩＳＢＡ４０４５）、３成分
系のろう材としてＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系（例えばＪＩＳＢ
Ａ４１４５）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍ
ｇ系等が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た接合体のうち、異種金属部材中にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ
の一種以上が含有されていると、接合の際にこれがＡｌ
系金属部材中のＡｌ成分と反応して脆弱な金属間化合物
が形成され、接合強度が低下する問題がある。一方、Ａ
ｌ系金属部材に対しては、金属部材のみでなくセラミッ
ク部材を接合する要望も高まっている。この場合、接合
に使用するろう材としては、セラミックとの反応性に優
れたＴｉ等の活性金属を含有する例えば貴金属ベースの
ろう材を使用するのが本来望ましいのであるが、Ａｌ系
金属は低融点であるためそれらのろう材は使用できない
ので、止むなく前述のＡｌ系低融点ろう材が用いられて
いた。しかしながら、該Ａｌ系低融点ろう材はセラミッ
クとの反応性が悪く、結局は十分な接合強度が達成でき
ない問題がある。また、接合に先立って、セラミック部
材の被接合面に対し蒸着やスパッタ等によりメタライズ
層を形成してから接合を行う方法もあるが、この場合は
蒸着装置やスパッタ装置等の特殊な処理装置が必要とな
り、また工数も増大して製造コストの高騰を招く欠点が
ある。

【０００４】本発明の課題は、Ａｌ系金属に対し金属あ
るいはセラミック等の異種材料が高強度で接合されてし
かも安価に製造できる接合体と、そのための接合方法と
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために本発明の接合体の第一の構成は、Ａ
ｌを主体に構成されたＡｌ系金属被接合体と、Ｆｅ，Ｎ
ｉ及びＣｏの１種以上を主成分とする金属からなる異種
材料被接合体とが金属系接合層を介して互いに接合され
るとともに、金属系接合層が、Ａｌ系金属被接合体中の
Ａｌ成分と、異種材料被接合体中のＦｅ，Ｎｉ及びＣｏ
成分の１種以上とが、それらＡｌ系金属被接合体と異種
材料被接合体との間での成分拡散に基づき反応すること
を抑制する拡散バリア層を含むことを特徴とする。

【０００６】Ａｌを主体とするＡｌ系金属被接合体と、
Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの一種以上を含む金属からなる異種材
料被接合体との接合体においては、その接合の際に、Ａ
ｌとＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏとが拡散し合い、その接合界面に
脆弱なＡｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｎｉ系あるいはＡｌ−Ｃｏ
系といった脆弱な金属間化合物が形成されるので、接合
強度は低い。しかし、上記本発明の第一の構成に係る接
合体においては、その金属系接合層に拡散バリア層が含
まれており、この拡散バリア層がＡｌとＦｅ、Ｎｉない
しＣｏとの拡散及びそれによる反応を妨げるので上記脆
弱な金属間化合物の生成が抑制され、ひいては高強度の
接合体を得ることができる。

【０００７】また、上記第一の構成の接合体を得るため
の本発明の接合方法は、下記の工程を含むことを特徴と
する。 拡散バリア用金属層形成工程：異種材料被接合体の接
合面に対し、Ａｌ系金属被接合体中のＡｌ成分と、異種
材料被接合体中のＦｅ，Ｎｉ及びＣｏ成分の１種以上と
が、それらＡｌ系金属被接合体と異種材料被接合体との
間での双方向ないし一方向の成分拡散に基づき反応する
ことを抑制するための拡散バリア層となるべき拡散バリ
ア用金属層を形成する。 接合工程：その形成された拡散バリア用金属層に対
し、Ａｌ系金属被接合体を、異種材料被接合体とは反対
側から直接又は他層を介して間接的に接合する。

【０００８】これにより、上記本発明の第一の構成に係
る接合体を能率的に製造することが可能となる。ここ
で、上記方法においては拡散バリア用金属層は、接合後
において拡散バリア層となる。

【０００９】なお、拡散バリア用金属層は、例えば蒸着
法、蒸着、スパッタ等の気相成膜法や、化学メッキ等に
より形成することができる。また、所定の組成の金属か
らなる金属板を異種材料被接合体の接合面にろう付けに
より接合して形成することもできる。一方、拡散バリア
用金属層に対するＡｌ系金属被接合体の接合方法として
は例えばろう付を採用できる。この場合、接合に用いる
ろう材としては各種Ａｌ合金ろうを使用することがで
き、例えばＡｌ−Ｓｉ系（ＪＩＳ：ＢＡ４３４３、ＢＡ
４０４５等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系（ＪＩＳ：ＢＡ４１
４５等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系（ＪＩＳ：ＢＡ４００
３、ＢＡ４００４、ＢＡ４００５、ＢＡ４Ｎ０４等）、
さらにはＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓ
ｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｇｅ−
Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系等のろう材を使用できる。なお、ろ
う付け接合に代えて、ろう材を使用しない拡散接合や摩
擦圧接、爆発圧接、抵抗溶接、ホットプレス等を採用し
てもよい。

【００１０】上記本発明の第一の構成に係る接合体にお
いて、異種材料被接合体の材質としては、具体的には、
クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金
（例えば商標名：インコネル）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
（例えばコバール）、Ｆｅ−Ｎｉ合金（例えば４２アロ
イ）、さらにはＷＣ−Ｃｏ、ＴｉＮ−Ｃｏ、ＷＣ−Ｎｉ
等の焼結金属等が挙げられる。

【００１１】一方、Ａｌ系金属被接合体の材質として
は、純Ａｌ（不可避不純物を含む場合がある）あるいは
各種Ａｌ合金を使用することができる。具体的には、工
業用純Ａｌ（ＪＩＳ：１０５０、１０６０、１０８０、
１１００等）、鋳造用Ａｌ合金（ＪＩＳ：ＡＣ１Ａ、Ａ
Ｃ１Ｂ、ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ、Ａ
Ｃ４Ｂ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＣ４Ｄ、ＡＣ５Ａ、
ＡＣ７Ａ、ＡＣ７Ｂ、ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ、
ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ等）、ダイキャスト用Ａｌ合金（Ｊ
ＩＳ：ＡＤＣ１、ＡＤＣ３、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６、ＡＤ
Ｃ１０、ＡＤＣ１２等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系展伸用合
金（ＪＩＳ：２０１４、２０１７、２０２４等）、Ａｌ
−Ｍｎ系展伸用合金（ＪＩＳ：３００３、３００４
等）、Ａｌ−Ｓｉ系展伸用合金（ＪＩＳ：４０３２、４
０４３等）、Ａｌ−Ｍｇ系展伸用合金（ＪＩＳ：５００
５、５０５２、５０８３、５０８６等）、Ａｌ−Ｍｇ−
Ｓｉ系展伸用合金（ＪＩＳ：６０６１、６０６３等）、
Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系あるいはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系
展伸用合金（ＪＩＳ：７０７５、７Ｎ０１等）、さらに
はＡｌ−Ｌｉ系合金等が例示できる。

【００１２】また、Ａｌ系金属基質にＡｌ₂Ｏ₃等のセラ
ミック粒子を分散させたＡｌ系分散強化型複合材料、同
じくＡｌ系金属基質をカーボン、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃等に
よる前駆体系繊維、Ｂ／Ｗ、Ｂ₄Ｃ／Ｂ／Ｗ、ＳｉＣ／
Ｂ／Ｗ、ＳｉＣ／Ｃ等のＣＶＤ系繊維、Ｗ、Ｍｏ、鋼等
の金属繊維、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、グラファイ
ト、チタン酸カリウム等のひげ結晶（ウィスカー）繊維
等の強化繊維体で強化した繊維強化型複合材料を使用す
ることもできる。

【００１３】次に、拡散バリア層は、例えばＴｉ，Ｐｄ
及びＰｔの少なくともいずれかを含有するものとして構
成できる。具体的には、拡散バリア層は、Ｔｉを主成分
とする層、Ｐｄを主成分とする層及びＰｔを主成分とす
る層のうち少なくとも一層からなるものとして構成する
ことができる。この場合、例えばＴｉ，Ｐｄ，Ｐｔの単
層のみでもよいが、それらの層を複数層組み合わせても
よい。例えばＴｉ層とＰｄ層、Ｔｉ層とＰｔ層、Ｐｄ層
とＰｔ層の２層や、Ｔｉ層とＰｄ層とＰｔ層の３層のよ
うに、異なる種類の層を積層してもよいし、例えばＴｉ
層とＰｄ層とＴｉ層の３層や、Ｔｉ層とＰｄ層とＴｉ層
とＰｔ層の４層（あるいははそれ以上の多層）など、同
種の層を複数層含ませて組み合わせてもよい。また、Ｔ
ｉ，Ｐｄ，Ｐｔに変えて、それらを主成分とする合金を
用いてもよい。

【００１４】また、拡散バリア層は、Ｔｉ，Ｐｄ及びＰ
ｔの少なくともいずれかを主成分とするものとして構成
してもよい。この場合、拡散バリア層が、例えば２種又
は３種の異なる物質からなる合金層として存在してもよ
く、あるいは、２種又は３種以上の異なる物質からなる
混合層（例えばある物質の中に僅かに他の物質が混在し
ている層）として存在してもよい。いずれにしろ、Ｔ
ｉ，Ｐｄ及びＰｔの少なくともいずれかを主成分とする
ものとして拡散バリア層を構成することにより、Ａｌ系
金属被接合体中のＡｌ成分と、異種材料被接合体中のＦ
ｅ，Ｎｉ及びＣｏ成分の１種以上との拡散及びそれによ
る反応を効果的に抑制することが可能となる。

【００１５】なお、上記成分の拡散ないし反応抑制効果
は拡散バリア層の厚さが増大するに伴い高められ、それ
によって接合界面に前述の脆弱な金属間化合物が形成さ
れにくくなるので、接合体の強度はより高められる傾向
にある。この場合、拡散バリア層の厚さが２μm以上の
範囲において少なくとも、接合体の強度を必要十分な値
に確保することが可能となる。拡散バリア層の厚さは、
より望ましくは５μｍ以上とするのがよい。一方、拡散
バリア層の厚さが１０μmを超えた場合は、それ以上の
バリア層の厚さ増大に伴う接合強度の向上はもはや期待
できなくなるので、拡散バリア層の厚さは１０μm以下
の範囲で調整することが望ましいといえる。

【００１６】なお、ここでいう拡散バリア層の厚さと
は、図１に示すように、Ａｌ系金属被接合体と異種材料
被接合体との間において、拡散バリア層の一方の側に隣
接している層をＡ層、他方の側に隣接している層をＢ層
とし、それらＡ層ないしＢ層との間で拡散を生じている
部分Ｃ及びＤを除いた残余の部分の厚さをいう（従っ
て、当然ながら接合後の厚さである）。また、拡散バリ
ア層、その両側の拡散を生じている部分、Ａｌ系金属被
接合体及び異種材料被接合体は、公知の方法、例えば電
子プローブ・マイクロ・アナライザ（ＥＰＭＡ：あるい
はこれと走査電子顕微鏡観察像との組み合わせ）、エネ
ルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、波長分散分光法（Ｗ
ＤＳ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）等により識別で
き、それに基づいて拡散バリア層の厚みも容易に測定す
ることができる。

【００１７】なお、上記第一の構成の接合体において
は、Ａｌ系金属被接合体と異種材料被接合体との間に、
熱残留応力を緩和する緩衝層を設けてもよい。この場
合、緩衝層は、Ａｌ系金属被接合体と拡散バリア層との
間及び拡散バリア層と異種材料被接合体との間の、少な
くともいずれかに配置することができる。

【００１８】次に、本発明の接合体の第二の構成は、Ａ
ｌを主体に構成されたＡｌ系金属被接合体と、それとは
異なる材質で構成された異種材料被接合体とが、金属系
接合層を介して互いに接合されるとともに、その金属系
接合層が、Ｔｉ又はＴｉ合金で構成されてＡｌ系金属被
接合体の側に配置されるＴｉ系金属層と、そのＴｉ系金
属層（例えばＴｉ系金属板）と異種材料被接合体との間
に形成されてそれらを互いに接合するろう材層とを含む
ことを特徴とする。

【００１９】上記構成によれば、異種材料被接合体にろ
う接されたＴｉ系金属層により、Ａｌ系金属被接合体と
該異種材料被接合体とを強固に接合することができる。
異種材料被接合体は、金属で構成されていてもセラミッ
クで構成されていてもいずれでもよい。例えば異種材料
が金属の場合、従来の接合体の構成では接合界面に脆弱
な金属間化合物が形成されて接含強度が確保できない場
合があったが、上述のようにＡｌ系金属被接合体と異種
材料被接合体との間にＴｉ系金属層をろう付により介在
させ、そのＴｉ系金属層を介してそれらを接合すること
により、Ａｌ系金属と異種材料との反応を妨げることが
でき、ひいては上記金属間化合物の形成が抑えられた高
強度の接合体が実現する。また、異種材料がセラミック
の場合も、Ｔｉ系金属層とろう材層との介在により接合
強度が高められた接合体を得ることができる。

【００２０】また、上述のような接合体を得るための本
発明の接合方法は、下記の工程を含むことを特徴とす
る。 ろう付け工程：異種材料被接合体の被接合面にＴｉ系
金属層をろう材により予めろう付け接合する。 接合工程：そのろう付けされたＴｉ系金属層に対しＡ
ｌ系金属被接合体を、異種材料被接合体とは反対側から
直接又は他層を介して間接的に接合する。

【００２１】該方法によれば、Ａｌ系金属被接合体の接
合に先立って、異種材料被接合体に対しＴｉ系金属層が
ろう付けされるので、該Ａｌ系金属の融点に関係なくそ
のろう付け温度を自由に設定することができる。従っ
て、接合強度向上の観点から高融点のろう材を使用する
ことも可能となり、例えば異種材料がセラミックの場合
は、セラミックの接合に適した高融点ろう材（後述）を
用いてＴｉ系金属層をこれに接合することができる。そ
して、Ｔｉ系金属層が異種材料被接合体に接合されてし
まえば、該Ｔｉ系金属層に対してはＡｌ系金属被接合体
を後述する方法により比較的低温で高強度に接合するこ
とが可能であるため、結果として蒸着装置やスパッタ装
置などの特殊な装置を用いたメタライズ処理等も不要と
なり、高強度の接合体を安価に製造することが可能とな
る。

【００２２】このように、異種材料被接合体がセラミッ
クで構成されている場合に例示されるように、Ｔｉ系金
属層を異種材料被接合体と接合するろう材層は、Ａｌ系
金属被接合体よりも融点の高い材質で構成することがで
きる。

【００２３】上記本発明の第二の構成の接合体において
異種材料被接合体を金属材料で構成する場合、その材質
としては、軟鋼やステンレス鋼を始めとする各種鉄系材
料の他、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｂｅ及びＺｒのいずれかを
主成分とする金属（単体金属及び合金の双方を含む）
等、各種使用できる。特に、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを含有
する材質を使用した場合、Ｔｉ系金属層は前述の第一の
構成と同様に、Ａｌ系金属被接合体中のＡｌ成分と、異
種材料被接合体中のＦｅ，Ｎｉ及びＣｏ成分の１種以上
とが、それらＡｌ系金属被接合体と異種材料被接合体と
の間での成分拡散に基づき反応することを抑制する拡散
バリア層として機能する。これにより、従来問題となっ
ていたそれら成分とＡｌとの金属間化合物の形成がＴｉ
系金属層の介在により効果的に阻止されるので、高強度
の接合体を得る上での波及効果が特に大きい。

【００２４】なお、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏの１種以上を主
成分とする金属としては第一の構成と同様に、クロムモ
リブデン鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ基耐熱合金（例えば商
標名：インコネル）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（例えばコ
バール）、Ｆｅ−Ｎｉ合金（例えば４２アロイ）、さら
にはＷＣ−Ｃｏ、ＴｉＮ−Ｃｏ、ＷＣ−Ｎｉ等の焼結金
属等が挙げられる。また、異種材料被接合体をセラミッ
クで構成する場合は、その材質としてＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ
₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ等、各種使用で
きる。

【００２５】一方、Ａｌ系金属被接合体の材質として
は、前述の第一の構成の接合体と同様のものが使用でき
るので、説明を省略する。

【００２６】次に、Ｔｉ系金属層はＴｉを主成分として
構成されていればよく、例えば工業用純Ｔｉ（例えばＪ
ＩＳ Ｈ４６００）、Ｔｉ−Ｐｄ合金（例えばＪＩＳ
Ｈ４６０５）、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（例えばＪＩＳ
Ｈ４６０７、組成は重量％：以下、本明細書では組成
値はすべて重量％で表すものとして、「重量％」の表示
は省略する）、及びその他の各種Ｔｉ合金を使用するこ
とができる。なお、Ｔｉ系金属層の厚さは、０．１mm以
上とするのがよい。厚さが０．１mm未満になると、ろう
接時に熱応力等でＴｉ系金属層が反り、後にＡｌ系金属
被接合体を接合したときの接合強度が低下する場合があ
る。なお、Ｔｉ系金属層の厚さは、望ましくは０．２mm
以上に設定するのがよい。ここで、図１を援用して示す
ように、Ｔｉ系金属層の厚さも第一の構成における拡散
バリア層と同様に、Ａｌ系金属被接合体と異種材料被接
合体との間において、Ｔｉ系金属層の一方の側に隣接し
ている層をＡ層、他方の側に隣接している層をＢ層と
し、それらＡ層ないしＢ層との間で拡散を生じている部
分を除いた残余の部分の厚さをいう。すなわち、この場
合も、接合後の厚さを意味するものとなる。

【００２７】また、異種材料被接合体にＴｉ系金属層を
ろう付けするためのろう材としては、Ａｇ系、Ｎｉ系、
Ｃｕ系、Ａｇ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｃｕ系等の各種ろう材、
及びこれらのろう材組成にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金
属成分を加えた活性ろう材を使用することができる。後
者の場合、活性金属成分は、異種材料表面とろう材との
濡れ性を高める役割を果たし、結果として異種材料被接
合体とＴｉ系金属層との接合強度がさらに高められる。
一方、活性金属成分を含有しない前者のろう材を使用し
た場合でも、ろう付処理の際にＴｉ系金属層中のＴｉ成
分がろう材の溶融により生じた液相中に溶出・拡散する
ことがある。この場合、その拡散したＴｉ成分が活性金
属成分として機能し、異種材料被接合体とＴｉ系金属層
との接合強度が同様に高められる場合がある。

【００２８】異種材料被接合体がセラミックスで構成さ
れる場合には、接合後のろう材層が例えばＴｉを含有す
るものとなっていれば、セラミックスとろう材との濡れ
性を高める上で望ましいといえる。この場合、含有され
るＴｉ成分は、上記Ｔｉ系金属層に由来するもの、活性
ろう材に始めから含有されているＴｉ成分に由来するも
の、及びその双方からなるもののいずれかとなる。な
お、ろう材層中のＴｉ成分は、公知の方法、例えば電子
プローブ・マイクロ・アナライザ（ＥＰＭＡ：あるいは
走査電子顕微鏡観察像との組み合わせ）エネルギー分散
型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、波長分散分光法（ＷＤＳ）、オ
ージェ電子分光法（ＡＥＳ）等により特定することがで
きる。なお、ろう材層中にＴｉ系金属層に由来するＴｉ
成分が含有される場合は、ろう材層とＴｉ系金属層との
境界付近においてその接合方向（すなわち厚さ方向）
に、Ｔｉ系金属層側からろう材層側に向けてＴｉ成分含
有量が漸減する遷移領域が形成されることがある。

【００２９】次に、異種材料被接合体にろう付けされた
Ｔｉ系金属層に対しては、Ａｌ系金属被接合体を別のろ
う材層を介してろう付け接合することができる。この場
合、その別のろう材の材質としては、Ａｌ系金属被接合
体よりも低融点のものを使用できる。具体的には、例え
ばＡｌ−Ｓｉ系（ＪＩＳ：ＢＡ４３４３、ＢＡ４０４５
等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系（ＪＩＳ：ＢＡ４１４５
等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系（ＪＩＳ：ＢＡ４００３、Ｂ
Ａ４００４、ＢＡ４００５、ＢＡ４Ｎ０４等）、さらに
はＡｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍ
ｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｇｅ−Ｓｉ−
Ｃｕ−Ｍｇ系等の各種Ａｌ系ろう材を用いることができ
る。

【００３０】前述の通り、従来の接合体においては、Ａ
ｌ系金属部材に対しセラミック部材を接合する場合に、
本来高融点のろう材を使用したいところをＡｌ系金属部
材の融点による制約から、止むなくＡｌ系低融点ろう材
を用いなければならず、結果として十分な接合強度が達
成できなかった。しかしながら、上述のようにＴｉ系金
属層と異種材料被接合体とのろう付け接合と、そのＴｉ
系金属層に対するＡｌ系金属被接合体のろう付け接合と
をこの順序で逐次的に施すようにし、前者においては高
融点のろう材を、後者においては低融点のろう材を使用
することでそのような問題が解決され、強度に優れた接
合体を容易に得ることが可能となった。

【００３１】なお、上記第二の構成の接合体において
も、異種材料被接合体とＴｉ系金属層との間、あるいは
Ｔｉ系金属層とＡｌ系金属被接合体との間に熱残留応力
を綬和する緩衝層を設けてもよい。

【００３２】また、Ｔｉ系金属層に対するＡｌ系金属被
接合体の接合は、ろう付け以外にも、ろう材を使用しな
い拡散接合や摩擦圧接、さらには爆発圧接等により行っ
てもよい。また、異種材料被接合体が金属材料で構成さ
れている場合には、抵抗溶接による接合も可能である。

【００３３】以上の本発明の第一の構成及び第二の構成
の各接合体においては、Ａｌ系金属被接合体を時効析出
硬化型Ａｌ合金により構成すれば、接合工程が、例えば
ろう接のための加熱処理など、所定の接合温度に加熱す
る工程を含んでいる場合に、その加熱工程をＡｌ系金属
被接合体の溶体化処理に流用することができる。この場
合、接合後に上記加熱処理温度（すなわち溶体化処理温
度）よりも低温（室温を含む）で所定時間時効処理する
ことにより、Ａｌ系金属被接合体が析出硬化して、その
強度を高めることができる。なお、時効析出硬化型Ａｌ
合金としては、鋳物あるいはダイキャスト用のもので
は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系（ＪＩＳ：ＡＣ１Ａ、ＡＣ１Ｂ
等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系（ＪＩＳ：ＡＣ５Ａ
等）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系（ＪＩＳ：ＡＣ２Ａ、ＡＣ２
Ｂ等）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系（ＪＩＳ：ＡＣ４Ａ、ＡＣ
４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＤＣ３等）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系
（ＪＩＳ：ＡＣ４Ｂ、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２等）、Ａ
ｌ−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｃｕ系（ＪＩＳ：ＡＣ４Ｄ等）、Ａｌ
−Ｓｉ−Ｍｇ−Ｎｉ系（ＪＩＳ：ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、
ＡＣ８Ｃ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ等）の各種合金、展伸用
のものでは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系（ＪＩＳ：２０１４、
２０１７、２０２４等）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系
（ＪＩＳ：４０３２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（ＪＩ
Ｓ：６０６１、６０６３等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ
系あるいはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（ＪＩＳ：７０７５、７
Ｎ０１等）、及び各種Ａｌ−Ｌｉ系合金等を例示するこ
とができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図２は、本発明の接合体の第一の構成の一
例を示す模式図である。Ａｌ系金属被接合体と異種材料
被接合体との間には、ろう材からなる接合層と拡散バリ
ア層とがＡｌ系金属被接合体側からこの順序で形成され
ている。なお、拡散バリア層の両側（図の上下方向）に
は図１に示すような拡散を生じている部分があるが、図
２においてはこれを省略して描いている。

【００３５】Ａｌ系金属被接合体は、Ａｌを主成分とす
る金属（すなわち、Ａｌ又はＡｌ合金）からなる部材で
あり、異種材料被接合体は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの一種以
上を含む金属からなる部材である。一方、接合層を構成
するろう材は、例えばＡｌ系の低融点ろう材であり、こ
の接合層によるろう付け接合によって接合体が形成され
る。また、拡散バリア層は、Ｔｉ，Ｐｄ，Ｐｔのうちの
一種以上を含む層であり、その厚みは例えば２μｍ以上
とされる。

【００３６】このような接合体を製造する場合には、ま
ず異種材料被接合体の接合面に、メッキ、蒸着、スパッ
タなどの方法で拡散バリア層となるべきＴｉなどのメタ
ライズ膜（拡散バリア用金属層）を予め形成し、その形
成された拡散バリア用金属層と、Ａｌ系金属被接合体と
の間に、接合層となるろう材からなる箔を挟みこむ。そ
して、その状態でろう材の溶融温度以上に加熱すること
によりろう付けによる接合を行う。なお、ここでは、拡
散バリア層を形成するためにメタライズ膜を用いたが、
異種材料被接合体側に拡散バリア層となるＴｉ等の箔を
配置して挟み込んでもよい。

【００３７】また、図３は緩衝層を備えた接合体の一例
を示している。該構成においては、Ａｌ系金属被接合体
とＦｅを主体とする異種材料被接合体との間に、ろう材
よりなる接合層、Ａｌを主成分とする金属からなる緩衝
層、ろう材よりなる第二の接合層、及び拡散バリア層
が、Ａｌ系金属被接合体側からこの順序で形成されてい
る。この接合体は、接合界面に緩衝層を備えているの
で、Ａｌ系金属被接合体と異種材料被接合体との間の熱
膨張係数差が大きい場合に有利である。

【００３８】次に、図４（ａ）は、本発明の接合体の第
二の構成の一例を示す模式図である。すなわち、該接合
体においては、異種材料被接合体とＴｉ系金属層として
のＴｉ系金属板とが、ろう材層、Ｔｉ系金属板及び別の
ろう材層を介して互いに接合されている。Ａｌ系金属被
接合体は第一の構成と同様に、Ａｌを主成分とする金属
（Ａｌ又はＡｌ合金）からなる部材であり、異種材料被
接合体は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏの一種以上を含む金属から
なる部材あるいはセラミック部材である。また、Ｔｉ金
属板は、工業用純Ｔｉ、Ｔｉ−Ｐｄ合金あるいはＴｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金等で構成される。さらに、異種材料被
接合体にＴｉ系金属板をろう付けするためのろう材は、
Ａｇ系、Ｎｉ系、Ｃｕ系、Ａｇ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｃｕ系
等の各種ろう材、あるいはこれらのろう材組成にＴｉ、
Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分を加えた活性ろう材であ
る。一方、Ｔｉ系金属板をＡｌ系金属被接合体にろう付
けする別のろう材は、例えばＡｌ系の低融点ろう材であ
る。なお、拡散バリア層の両側（図の上下方向）には図
１に示すような拡散を生じている部分があるが、図２な
いし図４においてはこれを省略して描いている。

【００３９】その場合の接合体の製造方法の一例を図５
に模式的に示している。すなわち、同図（ａ）に示すよ
うに、異種材料被接合体とＴｉ系金属板との間にろう材
箔あるいはろう材板（例えば後述するＡｌ系金属被接合
体よりも高融点のもの）を介挿し、その状態でＡｌ系金
属被接合体の融点よりも高い所定の温度に加熱してろう
付け処理を行う。これにより、同図（ｂ）に示すよう
に、異種材料被接合体とＴｉ系金属板とはろう材層を介
して接合される。そして、Ｔｉ系金属板とＡｌ系金属被
接合体との間に、別のろう材箔あるいはろう材板を介挿
し、該Ａｌ系金属被接合体の融点よりも低い所定の接合
温度に加熱して両者をろう付けする。

【００４０】なお、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すよう
に、異種材料被接合体とＴｉ系金属板との間、あるいは
Ｔｉ系金属板とＡｌ系金属被接合体との間に熱残留応力
を綬和する緩衝層を設けてもよい。異種材料被接合体が
例えばセラミックの場合は、図４（ｂ）に示すように、
緩衝板をそのセラミック製の異種材料被接合体とＴｉ
系金属板との間に配置する。この場合、緩衝板は、例
えばＮｉあるいはＮｉ合金等で構成できる。また、この
ような緩衝板をセラミック製の異種材料被接合体に接
合するためのろう材（緩衝板接合用ろう材）として
は、Ａｇ系、Ｎｉ系、Ｃｕ系、Ａｇ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｃ
ｕ系等のろう材組成にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成
分を加えた活性ろう材を使用できる。この場合、図６
（ａ）に示すように、まず異種材料被接合体に緩衝板
とＴｉ系金属板とを、それぞれ緩衝板接合用ろう材層
及び前述のろう材層とを介して接合しておき、これに別
のろう材を用いてＡｌ系金属被接合体を接合するように
する。

【００４１】一方、異種材料被接合体が金属により構成
される場合は、図４（ｃ）に示すように、緩衝板をＴ
ｉ系金属板とＡｌ系金属被接合体との間に配置する。こ
の場合、緩衝板は、例えばＡｌを主成分とする金属で
構成できる。また、このような緩衝板をＡｌ系金属被
接合体に接合するためのろう材（緩衝板接合用ろう
材）としては、例えばＡｌ系の低融点ろう材を使用でき
る。この場合、図６（ｂ）に示すように、異種材料被接
合体にＴｉ系金属板を前述のろう材層を介して接合して
おき、これに緩衝板とＡｌ系金属被接合体とを、上記
別のろう材及び緩衝板接合用ろう材を用いて接合する
ようにする。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 （実施例１）図２に示す接合体を、次のような材質を用
いて、表１に示す各種組み合わせでろう付けにより作製
した（試料Ｎｏ．１〜１７）。 (1)Ａｌ系金属被接合体：Ａｌ鋳物（ＡＣ２Ａ）、純Ａ
ｌ（Ａｌ０５０）、Ａｌ−Ｃｕ合金（Ａ２０１７）、Ａ
Ｉ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（Ａ７０７５）の４種類を用いた。
大きさは、直径１０．５mm、長さ２０mmである。 (2)異種材料被接合体：Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ、炭
素鋼（Ｓ２０Ｃ；Ｆｅ−０．２Ｃ）を用いた。大きさ
は、直径１０．５mm、長さ２０mmである。 (3)接合層：ろう材として、Ａｌ−１０Ｓｉ（ＢＡ４０
４５）、Ａｌ−２７Ｃｕ−５Ｓｉ、Ａｌ−１４Ｃｕ−３
Ｓｉ−８０Ｚｎの３種類の低融点ろう材からなる厚さ５
０μmのろう材箔を用いた。 (4)拡散バリア用金属層：各種方法・材質で形成したメ
タライズ層とした。形成方法と厚さ、及び接合後の拡散
バリア層の組成は表１に示す。なお、拡散バリア層の厚
さは、接合後にＥＰＭＡにより測定したものであり、各
欄の元素記号の右側にその数値を示す。また、２層から
なるＮｏ．１３の拡散バリア層の構成においては、表中
左側に記した層を異種材料被接合体側に、同じく右側に
記した層をＡｌ系金属被接合体側に配置した。また、Ｎ
ｏ．１４の混在層は、Ｔｉ中にＡｌが２０重量％混在し
ている層であり、試Ｎｏ．１６の混在層は、Ｐｄ中にＡ
ｌが２０重量％混在している層であことを意味する。

【００４３】

【表１】

【００４４】そして、得られた接合体の４点曲げ試験を
行ない、その接合強度を測定した。その結果も同じく表
１に記す。なお、比較例（試料Ｎｏ．１８〜２２）につ
いても同様な実験を行った。ここで、「接合せず」は、
手で取れたものなど４点曲げ試験前に取れたものを意味
している。

【００４５】この表１から明らかな様に、本実施例のも
の（試料Ｎｏ．１〜１７）は、４点曲げ強度が３５ＭＰ
ａ以上の接合強度を有し、好ましい高強度の接合体であ
る。特に、拡散バリア層が２μm以上のもの（試料Ｎ
ｏ．５〜１７）は、４点曲げ強度が７５Ｍｐａ以上と大
きく好適であり、さらに拡散バリア層が５μm以上のも
の（試料Ｎｏ．９〜１７）は、４点曲げ強度が１４０Ｍ
ｐａ以上と一層大きく極めて好適である。これに対し、
本発明の範囲外にある比較例（試料Ｎｏ．１８〜２２）
では、接合体を形成できないか、あるいは接合しても手
で簡単に取れるように強度が低く好ましくない。

【００４６】（実施例２）異種材料被接合体（直径１
０．５ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円板状）として、炭素鋼
（ＪＩＳ Ｓ２０Ｃ、組成：Ｆｅ−０．２Ｃ）、真鍮
（ＪＩＳ Ｃ２８０１、組成：Ｃｕ−４０Ｚｎ）、Ａｌ
₂Ｏ₃焼結体及びＳｉ₃Ｎ₄焼結体の４種類を、また、Ｔｉ
系金属板（直径１０．５ｍｍの円板状、厚さは表２内に
記載）として、工業用純Ｔｉ及びＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａ
ｌ−４Ｖ）の２種類を用意した。また、それらを接合す
るための前記ろう材（直径１０．５ｍｍ、厚さ２０ｍｍ
の円板状）としては、上記異種材料との接合性を考慮し
て、Ａｇ−Ｃｕ共晶ろう（組成：Ａｇ−２８Ｃｕ及びＡ
ｇ−２８Ｃｕ−４Ｔｉ）及びＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう（組
成：Ａｇ−３５Ｃｕ−２Ｔｉ）の３種類を選定した。一
方、Ａ１系金属被接合体（直径１０．５ｍｍ、厚さ２０
ｍｍの円板状）としては、工業用純Ａｌ（ＪＩＳ １０
５０）、鋳造用Ａｌ合金（ＪＩＳ ＡＣ２Ａ）、展伸用
Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金（ＪＩＳ ２０１７）、及びＡｌ
−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金（ＪＩＳ ７０７５）の３種類
を用意した。さらに、Ａ１系金属被接合体をＴｉ系金属
板に接合するための前記別のろう材としては、低融点ろ
うであるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｚｎ系ろう（組成：Ａｌ−
１２Ｃｕ−２Ｓｉ−５６Ｚｎ）を用いた。

【００４７】これらを表１に示す組合せにて、図１に示
す前述の方法により接合した。なお、異種材料被接合体
とＴｉ系金属板との接合は、ろう材としてＡｇ−２８Ｃ
ｕを用いたものは温度８３０℃で、またＡｇ−３５Ｃｕ
−２Ｔｉを用いたものは温度９００℃で、さらにＴｉ系
金属板とＡｌ系金属被接合体との接合は温度５２０℃
で、それぞれ真空中で行った。こうして得られた接合体
は、外径が９ｍｍとなるように円筒研削し、Ａｌ系金属
被接合体の側をクランプして異種材料被接合体側に片持
ち曲げ荷重を付与することにより、その接合強度を評価
した。結果を表２に示す（なお、表中「＊」を付与した
ものは比較例であることを示す）。

【００４８】

【表２】

【００４９】すなわち、実施例の接合体（Ｎｏ．１〜２
８）については、いずれも１００ＭＰａ以上の高強度を
示していることがわかる。一方、Ｔｉ系金属板に代えて
純Ｎｉ板あるいはＮｉ−３０Ｍｏ板等を使用した比較例
（Ｎｏ．２９〜３６）は、Ａｌ系金属被接合体と低融点
ろうとの問で脆弱な金属間化合物が形成されたため低強
度であった。また、比較例３３及び３４の接合体はＴｉ
系金属板の厚さが薄いため、異種材料被接合体とのろう
接時に熱応力等でＴｉ系金属板が反り、接合強度が同様
に低下した。さらに、Ａｌ系金属被接合体と炭素鋼と
を、Ｔｉ系金属板を介さずに低融点ろうを用いて直接的
に接合を試みた比較例３５においては、炭素鋼と低融点
ろうとが反応して脆弱な金属間化合物が形成され、接合
強度が極端に低下したため強度測定が不能であった。ま
た、炭素鋼に代えてＡｌ₂Ｏ₃を用いた比較例３６におい
ては、Ａｌ₂Ｏ₃と低融点ろうとが反応せず接合体が得ら
れなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接合体の主要部分を示す模式図。

【図２】本発明の第一の構成に係る接合体の一例を示す
模式図。

【図３】図２の接合体の変形例を示す模式図。

【図４】本発明の第二の構成に係る接合体を、そのいく
つかの変形例とともに示す模式図。

【図５】図４（ａ）の接合体の作製方法を示す概念図。

【図６】図４（ｂ）及び（ｃ）の接合体の作製方法を示
す概念図。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌを主体に構成されたＡｌ系金属被接
   合体と、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏの１種以上を主成分とする
   金属からなる異種材料被接合体とが金属系接合層を介し
   て互いに接合されるとともに、 前記金属系接合層は、前記Ａｌ系金属被接合体中のＡｌ
   成分と、前記異種材料被接合体中のＦｅ，Ｎｉ及びＣｏ
   成分の１種以上とが、それらＡｌ系金属被接合体と異種
   材料被接合体との間での成分拡散に基づき反応すること
   を抑制する拡散バリア層を含むことを特徴とするＡｌ系
   金属と異種材料との接合体。
2. 【請求項２】 前記拡散バリア層は、Ｔｉ，Ｐｄ及びＰ
   ｔの少なくともいずれかを含有する請求項１記載のＡｌ
   系金属と異種材料との接合体。
3. 【請求項３】 前記拡散バリア層は、Ｔｉを主成分とす
   る層、Ｐｄを主成分とする層及びＰｔを主成分とする層
   のうち少なくとも一層からなるものである請求項２記載
   のＡｌ系金属と異種材料との接合体。
4. 【請求項４】 前記拡散バリア層の厚さが２μｍ以上で
   ある請求項１ないし３のいずれかに記載のＡｌ系金属と
   異種材料との接合体。
5. 【請求項５】 Ａｌを主体に構成されたＡｌ系金属被接
   合体と、それとは異なる材質で構成された異種材料被接
   合体とが、金属系接合層を介して互いに接合されるとと
   もに、 その金属系接合層が、Ｔｉ又はＴｉ合金で構成されて前
   記Ａｌ系金属被接合体の側に配置されるＴｉ系金属層
   と、そのＴｉ系金属層と前記異種材料被接合体との間に
   形成されてそれらを互いに接合するろう材層とを含むこ
   とを特徴とするＡｌ系金属と異種材料との接合体。
6. 【請求項６】 前記異種材料被接合体は、Ｆｅ，Ｎｉ及
   びＣｏの１種以上を主成分とする金属で構成されてお
   り、前記Ｔｉ系金属層は前記Ａｌ系金属被接合体中のＡ
   ｌ成分と、前記異種材料被接合体中のＦｅ，Ｎｉ及びＣ
   ｏ成分の１種以上とが、それらＡｌ系金属被接合体と異
   種材料被接合体との間での成分拡散に基づき反応するこ
   とを抑制する拡散バリア層として機能するものである請
   求項５記載のＡｌ系金属と異種材料との接合体。
7. 【請求項７】 前記異種材料被接合体はセラミックスに
   より構成され、前記ろう材層はＴｉを含有するものであ
   る請求項５記載のＡｌ系金属と異種材料との接合体。
8. 【請求項８】 前記Ｔｉ系金属層を前記異種材料被接合
   体と接合する前記ろう材層は、前記Ａｌ系金属被接合体
   よりも融点の高い材質で構成され、 該Ｔｉ系金属層に対し前記Ａｌ系金属被接合体は、該Ａ
   ｌ系金属被接合体よりも低融点の別のろう材層を介して
   接合される請求項５ないし７のいずれかに記載の接合
   体。
9. 【請求項９】 前記Ａｌ系金属被接合体は、時効析出硬
   化型Ａｌ合金で構成されている請求項１ないし８のいず
   れかに記載の接合体。
10. 【請求項１０】 Ａｌを主体に構成されたＡｌ系金属被
    接合体と、Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏの１種以上を主成分とす
    る金属からなる異種材料被接合体とを互いに接合する方
    法であって、 前記異種材料被接合体の接合面に対し、前記Ａｌ系金属
    被接合体中のＡｌ成分と、前記異種材料被接合体中のＦ
    ｅ，Ｎｉ及びＣｏ成分の１種以上とが、それらＡｌ系金
    属被接合体と異種材料被接合体との間での成分拡散に基
    づき反応することを抑制するための拡散バリア層となる
    べき拡散バリア用金属層を形成する拡散バリア用金属層
    形成工程と、 その形成された拡散バリア用金属層に対し、前記Ａｌ系
    金属被接合体を、前記異種材料被接合体とは反対側から
    直接又は他層を介して間接的に接合する接合工程とを含
    むことを特徴とするＡｌ系金属と異種材料との接合体の
    製造方法。
11. 【請求項１１】 Ａｌを主体に構成されたＡｌ系金属被
    接合体と、それとは異なる材質で構成された異種材料被
    接合体とを互いに接合する方法であって、 前記異種材料被接合体の被接合面にＴｉ系金属層をろう
    材により予めろう付け接合するろう付け工程と、 そのろう付けされたＴｉ系金属層に対し前記Ａｌ系金属
    被接合体を、前記異種材料被接合体とは反対側から直接
    又は他層を介して間接的に接合する接合工程とを含むこ
    とを特徴とするＡｌ系金属と異種材料との接合体の製造
    方法。
12. 【請求項１２】 前記異種材料被接合体と前記Ｔｉ系金
    属層との間には、前記ろう付けによりろう材層が形成さ
    れるとともに、前記Ｔｉ系金属層中のＴｉ成分の一部が
    そのろう材層中に拡散し、該ろう材層中においてその拡
    散したＴｉ成分を、前記Ｔｉ系金属層と前記異種材料被
    接合体とを該ろう材層を介して接合するための活性金属
    成分として機能させるようにした請求項１１記載の接合
    体の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記ろう付け工程において、前記Ｔｉ
    系金属層は前記異種材料被接合体に対して、前記Ａｌ系
    金属被接合体よりも高融点のろう材により接合され、 前記接合工程において、前記Ａｌ系金属被接合体は前記
    Ｔｉ系金属層に対して、該Ａｌ系金属被接合体よりも低
    融点のろう材により接合される請求項１１又は１２に記
    載の接合体の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記Ａｌ系金属被接合体は時効析出硬
    化型Ａｌ合金で構成され、前記接合工程において所定の
    接合温度に加熱されることにより溶体化処理される請求
    項１０ないし１３のいずれかに記載の接合体の製造方
    法。