JP7727593B2

JP7727593B2 - ロウ材ペースト

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Publication number: JP7727593B2
Application number: JP2022077479A
Authority: JP
Inventors: 芳恵立花; 宏川中子; 隆赤川; 聡増田; 昌揮杉山; 庸介数本; 久弥杉本; 広明初山
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-05-10
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2025-08-21
Anticipated expiration: 2042-05-10
Also published as: CN117020471A; JP2023166742A; US20230364720A1

Description

本実施の形態は、ロウ材ペーストに関する。

従来から、部材、特に金属製の部材を接合するためにロウ材が用いられている。例えば特許文献１では、管部材が、その端部が継手部材の開口部に挿入された状態で、ニッケルロウ、銀ロウ等を用いたロウ付けにより継手本体に接合される態様が開示されている。この特許文献１では、継手本体の端面において、開口部と管部材の外周面との境界部分に沿ってロウ付けを行い、溶融して液状となったロウ材が、毛細管現象により、開口部の内周面と管部材の外周面との間の僅かな隙間に入り込み、入り込んだロウ材が温度低下して硬化することで管部材の端部と継手本体とがロウ付けにより接合されることが開示されている。

特開２０２１－７６２２４号公報

ロウ材による接合は、ペレット状のロウ材を用いて接合することが一般的である。このようなペレット状のロウ材では作業性が高くないことから、利用の場面は限られていた。なお、ペレット状のロウ材を用いる場合には、ペレット状のロウ材を載置するための凹部を設けることも必要になる。

本発明では、このような状況を改善するために、高い作業性を実現できるペースト状のロウ材を提供する。

［概念１］
本発明の第一態様によるロウ材ペーストは、
８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、
前記バインダーは、水酸基を二つ以上含み炭素数５～７で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含んでもよい。

［概念２］
本発明の第二態様によるロウ材ペーストは、
８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、
前記バインダーは、水酸基を二つ以上含み炭素数８～１０で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含み、
（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、
（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有されてもよい。

［概念３］
本発明の第一態様及び第二態様によるロウ材ペーストにおいて、
ロウ材は金属を含み、
金属に含まれる酸素濃度は１０００ｐｐｍ以下であり、
前記ロウ材はホウ酸及びホウ砂を含有しなくてもよい。

［概念４］
概念１乃至３のいずれか１つによるロウ材ペーストにおいて、
２５℃～４５０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎという条件で測定した場合の２５０℃でのＴＧ残量が０質量％以上１質量％以下となってもよい。

［概念５］
概念１乃至４のいずれか１つによるロウ材ペーストにおいて、
バインダーの固形溶剤として、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン及びネオペンチルグリコールのいずれか１つ以上を含有してもよい。

［概念６］
概念１乃至５のいずれか１つによるロウ材ペーストにおいて、
バインダーの液体溶剤として、テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール、ブチルカルビトール、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、フェニルグリコール、へキシレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、イソオクタデカノールのいずれか１つ以上を含有してもよい。

本発明によれば、十分な接合を実現でき、かつ高い作業性を有するペースト状のロウ材を提供する。

本実施の形態によるロウ材ペーストを用いて金属部品同士を接合する態様を示した側方図。

以下に、本実施の形態の好適な実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態での「又は」は「及び」を含む概念であり、Ａ又はＢは、Ａ、Ｂ、並びにＡ及びＢの両方のいずれかを示している。

本実施の形態のペースト状のロウ材ペーストは、ロウ材及びバインダーを含んでもよい。ロウ材は、金属を含んでもよい。バインダーは、固形溶剤及び液体溶剤を含有してもよく、さらにチキソ材を含有してもよい。本実施の形態のロウ材はフラックスとしてのホウ酸及びホウ砂を含まない態様を採用してもよい。ロウ材に含まれる金属粉末等の金属は１０００ｐｐｍ以下の低酸素しか含有しない態様を採用してもよい。ホウ酸及びホウ砂は還元剤として作用することになるが、金属粉末等の金属が１０００ｐｐｍ以下の低酸素しか含有しない場合には、ホウ酸及びホウ砂は特に必要ない。この観点からすると、金属粉末等の金属が８００ｐｐｍ以下の酸素しか含有しない態様であることが好ましく、６００ｐｐｍ以下の酸素しか含有しない態様であることがさらに好ましい。なお、ホウ酸及びホウ砂については利用に規制がかかる可能性があることから、ホウ酸及びホウ砂を含有させない態様を採用することは、この意味でも有益なものである。またホウ酸及びホウ砂を用いない場合には、ホウ酸及びホウ砂と相性のいい固形溶剤を選択する必要もなくなり、その結果として液体溶剤の選択の幅も広がることになる点でも有益である。

本実施の形態ではロウ材ペーストを提供できる。このようなロウ材ペーストを用いることで、接合部に直接塗布し濡れを確保でき、接合品質の安定を得ることができる。また、成形する部品を小型・簡易化し、１個部品あたりの加工精度及び収率を向上させることができる。さらに、ロウ材ペーストの粘着力によって、より小さな部品をレンガのように積み上げて接合することもより容易なものであり、量産段階でも様々に応用することができるようにもなる。一例として、本実施の形態のロウ材ペースト５０は、図１に示すような金属部品１０，２０を別の金属部品３０に接合する際に用いられる。例えば、ろう材ペーストは金属部品１０，２０の表面に塗り広げられて、金属部品１０，２０を別の金属部品３０に接合する際に用いられる。このような接合は、４５０℃以上の温度で行われ、典型的には９００～１０００℃で金属部品同士の接合が行われることになる。一例として、ロウ材ペースト５０はオートマティックトランスミッションの構成部品同士の接合に用いられてもよい。

ロウ材ペースト中、ロウ材は８０質量％以上９５質量％以下で含有され、バインダーは５質量％以上２０質量％以下で含有されてもよい。後述するとおりバインダーは接合時には蒸発して無くなることからロウ材とバインダーの比率は特段限定されるものではないが、バインダーの含有量が多いと、粘度が低くなり作業性が下がってしまうことから、バインダーの上限値は２０質量％とすることが好ましく、１５質量％とすることがより好ましく、１０質量％とすることがさらにより好ましい。また、バインダーの含有量が少ないと粘度が高くなり、やはり作業性が下がってしまうことから、バインダーの下限値は５質量％とすることが好ましく、７質量％とすることがより好ましく、８質量％とすることがさらにより好ましい。

バインダーの固形溶剤としては、水酸基を二つ以上含み、炭素数５～１０で構成され２５℃で固体となるものを用いてもよい。炭素数５～７で構成される固形溶剤としては、トリメチロールプロパン、ネオペンチルグリコール等を用いてもよい。炭素数８～１０で構成される固形溶剤としては、例えば２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオール等を用いてもよい。

バインダーの液体溶剤としては、沸点が２５０以下からなる低沸点の液体溶剤を用いてもよい。バインダーの液体溶剤としては、一例として、テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール、ブチルカルビトール、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、フェニルグリコール、へキシレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、イソオクタデカノール等を用いてもよい。本実施の形態の液体溶剤とは２５℃において液体の状態である溶剤を意味し、固形溶剤とは２５℃において固体の状態である溶剤を意味している。

イソボルニルシクロヘキサノールの沸点は３０２℃であって高いものとなっているが、以下で示す液体溶剤の沸点は低いものとなっている。
α―テルピネオールの沸点は２１７℃である。
ブチルカルビトールの沸点は１９８℃である。
トリプロピレングリコールモノブチルエーテルの沸点は２３０℃である。
フェニルグリコールの沸点は２２０℃である。
ヘキシレングリコールの沸点は１９０℃である。
テトラエチレングリコールジメチルエーテルの沸点は２４０℃である。
イソオクタデカノールの沸点は３０２℃である。

ロウ材の金属は金属粉末として投入され、その他の部材と混合されることで、ペースト状になってもよい。このようにペースト状になっていることから、ロウ材ペーストにおいては金属粉末を粉末としては肉眼で認識することができない。金属は合金粉末、金属粉末、又は合金粉末と金属粉末の混合物であってもよい。ロウ材に含まれる金属は特に限定されることなく、あらゆる種類の金属を利用することができる。なお、接合する金属部品の材質に応じてロウ材に含まれる金属を適宜変更してもよい。一例としては、Ｃｕ系の合金粉末とＦｅ系の金属粉末が用いられてもよく、より具体的には、ＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末とＦｅ粉末を用いてもよい。ＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末としては、Ｃｕが３８．０～４１．０質量％、Ｎｉが４０．０～４３．０質量％、Ｍｎが１４．０～１６．０質量％、Ｓｉが１．６～２．０質量％、Ｂが１．３～１．７質量％及び１．０質量％以下のその他の成分が含まれてもよい。典型的には、合金粉末は接合の主成分となり、金属粉末は濡れ性を確保するために添加されている。Ｆｅ板金を用いる場合には、Ｆｅ粉末は当該Ｆｅ板金への濡れ性を確保できる。

一例として、ロウ材成分として、合金粉末及び金属粉末を含んでいる。ロウ材成分全体（１００質量％）に対して、８０～９０質量％の合金粉末及び１０～２０質量％の金属粉末のフラックスを含んでもよい。

バインダーはチキソ材を含有してもよい。チキソ材として、アミド成分を用いてもよく、一例として、ステアリン酸アミド、トルアミド、ラウリン酸アミド、ミリスチン酸アミド、パルチミン酸アミド等を用いてもよい。

一例として、バインダー成分として、固形溶剤である２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン及びネオペンチルグリコールのいずれか１つ以上と、液体溶剤であるテルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール、ブチルカルビトール、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、フェニルグリコール、へキシレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル及びイソオクタデカノールのいずれか１つ以上が含まれてもよい。

第一態様として、ロウ材ペーストは、８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、水酸基を二つ以上含み炭素数５～７で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含む。なお、ロウ材ペーストは、これら以外の成分を含んでもよい。

また第二態様として、ロウ材ペーストは、８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、バインダーは、水酸基を二つ以上含み炭素数８～１０で構成される固形溶剤と、液体溶剤を含み、（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、
（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有される。なお、ロウ材ペーストは、これら以外の成分を含んでもよい。

第一態様及び第二態様の各々において、ロウ材はホウ酸及びホウ砂を含有しない態様としてもよい。

バインダー成分中、固形溶剤は１０～９０質量％で含まれ、液体溶剤は１０～９０質量％で含まれてもよい。一例として、バインダーにおいて、トリメチロールプロパン及びネオペンチルグリコールのいずれか１つ以上を含む固形溶剤が１０～９０質量％で含まれ、テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール、ブチルカルビトール、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、フェニルグリコール、へキシレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、イソオクタデカノールのいずれか１つ以上を含む液体溶剤が１０～９０質量％で含まれてもよい。また別の例として、バインダーにおいて、テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール、ブチルカルビトール、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、フェニルグリコール、へキシレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、イソオクタデカノールのいずれか１つ以上を含む液体溶剤が含まれ、固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールが１０～９０質量％で含まれ、（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、バインダー全体に対して液体溶剤が６８質量％以上で含有され、（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下で含有されるようにしてもよい。

なお、テルピネオールが単独の液体溶剤として用いられる場合であって、固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールが用いられ、かつバインダーがチキソ材を含有しないときには、上限値としては、バインダー全体に対してテルピネオールは６４質量％以下で含まれることが好ましく、６０質量％以下で含まれることがより好ましい。またこの場合において、下限値としては、バインダー全体に対してテルピネオールは３５質量％以上で含まれることが好ましく、４０質量％以上で含まれることがより好ましく、５０質量％以上で含まれることがさらにより好ましい。このような条件においてテルピネオールの含有量が多くなると、ペースト分離が発生し、ペースト保管性能が悪化するためである。他方、テルピネオールの含有量が少なくなると、バインダー性状が悪化するためである。また、固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いず、別の固形溶剤を用いる場合には、液体溶剤の汎用性が高まる。またこの場合には、液体溶剤の含有量の制限も緩やかなものとなり、液体溶剤の下限値を５質量％とし、より好ましくは１０質量％としてもよく、液体溶剤の含有量の上限値を７５質量％とし、より好ましくは７０質量％としてもよい。

固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いる場合には、ペーストとしての最適な柔らかさと最適なタッキング（０．６以上のタッキング）を実現するために、バインダー成分中（１００質量％中）、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールの下限値は２５質量％となっていることが好ましく、３０質量％となっていることがより好ましい。また、バインダー成分中、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールの上限値は６５質量％となっていることが好ましく、５０質量％となっていることがより好ましく、４０質量％となっていることがさらにより好ましい。

固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いる場合であって液体溶剤としてテルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールのいずれか１つ以上を用いるときには、ペーストとしての最適な柔らかさと最適なタッキング（０．６以上のタッキング）を実現するために、バインダー成分中（１００質量％中）、テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールの合計値（テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールのいずれかが含まれず０となっている場合を含む）の下限値は、４５質量％となっていることが好ましく、５０質量％となっていることがより好ましい。また、バインダー成分中、テルピネオール、イソオクタデカノール及びイソボルニルシクロヘキサノールの合計値の上限値は、７５質量％となっていることが好ましく、７０質量％となっていることがより好ましい。

金属部品同士の接合時におけるバインダーの残渣をより確実に抑える観点からはバインダー成分全体に対して１０質量％以下で含まれることが好ましく、６質量％以下で含まれることがより好ましく、２質量％以下で含まれることがさらにより好ましい。

合金粉末としてＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末を用い、粒度分布が２２μｍ～４４μｍとなり、Ｄ５０が３３μｍである粉末を用いた。なお、ＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末は、Ｃｕが３８．０～４１．０質量％、Ｎｉが４０．０～４３．０質量％、Ｍｎが１４．０～１６．０質量％、Ｓｉが１．６～２．０質量％、Ｂが１．３～１．７質量％及び１．０質量％以下となっていた。
金属粉末としてＦｅ粉末を用い、粒度分布が７５μｍ以下となり、Ｄ５０が３３μｍである粉末を用いた。
ロウ材１００質量％のうち、８５質量％のＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末と、１５質量％のＦｅ粉末とを含有するようにした。またＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末及びＦｅ粉末において、酸素濃度は１０００ｐｐｍ以下となっていた。このように金属粉末における酸素濃度が低いことから、ロウ材にホウ酸及びホウ砂を含むフラックスを含有させていない。

１７５℃ＴＧ残量％は、株式会社日立ハイテクサイエンス製、熱重量示唆熱分析ＴＧ-ＤＴＡを用い、２５℃～４５０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎという条件で測定した。ＴＧ残量％は接合強度に影響するものである。表に示す％とは１７５℃ＴＧ残量における値である。１７５℃ＴＧ残量％において１質量％未満の場合には「〇」とし、１質量％以上の場合には「×」とした。
ペースト化はＪＩＳによる粘度と目視によって確認した。粘度が５０～１６０Ｐａ・ｓであり、目視によって分離を確認できない場合には「〇」とし、粘度が５０～１６０Ｐａ・ｓの範囲外であるか、目視によって分離を確認できた場合には「×」とした。
強度は株式会社鷺宮製作所製のＤＦＨ２１０（静的ねじり試験機）を用いて測定した。強度が弱い場合には接合材としての機能を果たさないことになる。７９００Ｎｍ以上の場合には「〇」とし、７９００Ｎｍ未満の場合には「×」とした。なお、本実施例では１７５℃での値を用いているが、１７５℃よりも高い値で判断してもよく、２２０℃での残量が１質量％未満とするものを選定してもよいし、２５０℃での残量が１質量％未満とするものを選定してもよい。但し、効果としては、２５０℃ＴＧ残量％において１質量％未満となることが好ましく、２２０℃ＴＧ残量％において１質量％未満となることがより好ましく、１７５℃ＴＧ残量％において１質量％未満となることがさらにより好ましい。

表１の実施例１～８の各々からなるバインダー成分を準備した。
次に、９１質量％のロウ材成分を９質量％のバインダー成分に混合した後で、１７５℃ＴＧ残量％、ペースト化及び強度に関する測定を行った。なお、ロウ材成分（１００質量％）は、前述したとおり、８５質量％のＣｕＮｉＭｎＳｉＢ合金粉末及び１５質量％のＦｅ粉末を混合したものからなっており、後述する実施例９乃至１７及び比較例１乃至６でも同様である。

表１で示したとおり、実施例１～８のいずれにおいても、ＴＧ、ペースト化及び強度の各々において優れた結果となった。なお、１７５℃ＴＧ残量％で「〇」となる場合には、当然に２５０℃ＴＧ残量％も１質量％以下となる。このことは以下でも同様である。

表２の実施例９～１７の各々からなるバインダー成分を準備した。
表２で示したとおり、実施例９～１７のいずれにおいても、ＴＧ、ペースト化及び強度の各々において優れた結果となった。

表３の比較例１～６の各々からなるバインダー成分を準備した。
ＴＧ、ペースト化及び強度の各々の評価は実施例と同様にして行った。固形溶剤を用いていない比較例１では、ＴＧ及び強度の各々において好ましい結果を得ることができなかった。
固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いており、チキソ材を含有しておらず、液体溶剤がバインダー全体に対して６５質量％以下でしか含有されていない比較例２乃至４では強度において好ましい結果を得ることができなかった。また、液体溶剤としてα－テルピネオールを用いた比較例２及び３ではペースト化においても好ましい結果を得ることができなかった。また液体溶剤としてイソオクタデカノールを用いた比較例４ではＴＧにおいても好ましい結果を得ることができなかった。
固形溶剤として２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いており、チキソ材の含有量が１５質量％以上となっている比較例５及び６ではＴＧ及び強度の各々において好ましい結果を得ることができなかった。

また、３０質量％の２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールに対する析出性を確認したところ、α－テルピネオールでは２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールの析出性が極めて優れていることを確認でき、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオールを用いる場合にはα－テルピネオールを採用することが有益であることも確認できた。

１０，２０，３０金属部品
５０ロウ材ペースト

Claims

８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、
前記バインダーは、水酸基を二つ以上含み炭素数５～７で構成される２５℃において固体の状態である固形溶剤と、２５℃において液体の状態である液体溶剤を含み、
固形溶剤がバインダー全体に対して１０質量以上で含有される、ロウ材ペースト。
８０質量％以上９５質量％以下のロウ材及び５質量％以上２０質量％以下のバインダーを含有し、
前記バインダーは、水酸基を二つ以上含み炭素数８～１０で構成される２５℃において固体の状態である固形溶剤と、２５℃において液体の状態である液体溶剤を含み、
（１）バインダーがチキソ材を含有しない場合には、液体溶剤がバインダー全体に対して６８質量％以上で含有され、かつ固形溶剤がバインダー全体に対して１０質量以上で含有され、
（２）バインダーがチキソ材を含有する場合には、チキソ材がバインダー全体に対して１１質量％以下２質量％以上で含有され、かつ固形溶剤がバインダー全体に対して１０質量以上で含有される、
ロウ材ペースト。
ロウ材は金属を含み、
金属に含まれる酸素濃度は１０００ｐｐｍ以下であり、
前記ロウ材はホウ酸及びホウ砂を含有しない、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。
２５℃～４５０℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎという条件で測定した場合の２５０℃でのＴＧ残量が０質量％以上１質量％以下となる、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。
バインダーの固形溶剤として、２，５－ジメチル－２，５－ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン及びネオペンチルグリコールのいずれか１つ以上を含有する、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。
バインダーの液体溶剤として、テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール、ブチルカルビトール、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、フェニルグリコール、へキシレングリコール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、イソオクタデカノールのいずれか１つ以上を含有する、請求項１又は２に記載のロウ材ペースト。