专利名称：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
技术领域：
本发明涉及焊接用包覆材料、使用其的焊接方法以及焊接制品，特别是涉及用于焊接热交换器、燃料电池用部件等被焊接部件的焊接用包覆材料。
背景技术：
作为机油冷却器的接合材料使用不锈钢基包覆材料。其是在作为基材的不锈钢板的一面或者两面包覆有起到焊料功能的Cu材料。
另外，作为由不锈钢、Ni基或Co基合金等形成的部件的焊接材料，由JIS标准规定了焊接接合部的耐腐蚀性优异的各种Ni焊料。进而，作为用于热交换器的接合的Ni焊料，提出了向粉末状的Ni焊料中添加4～22重量％的选自Ni、Cr或Ni-Cr合金中的金属粉末而形成的粉末Ni焊料(参照例如特开2000-107883号公报)。
另外，还有在作为基材的不锈钢表面具有Ni和Ti所形成的焊料层，即具有Ni/Ti/不锈钢这样的焊料层结构的自焊接性复合材料(参照例如特开平7-299592号公报)。
发明内容
然而，将以往的焊料或者焊接用包覆材料用作为暴露于高温、腐蚀性高的气体或者液体中的热交换器(燃料电池改性器用冷却器、废气再循环装置(以下称为EGR)用冷却器)的接合用焊料时，会存在如下所述的问题。
(1)将上述的不锈钢基包覆材料用作为汽车用机油冷却器的接合材料时，耐热性和耐腐蚀性完全没有问题。但是，将该不锈钢基包覆材料用作为燃料电池用热交换器或者EGR用冷却器的接合材料时，耐腐蚀性会存在问题。具体来说，在燃料电池用热交换器、EGR用冷却器内，由于循环着高温且腐蚀性高的溶液或废气等，所以不锈钢基包覆材料的焊料(Cu材料)就存在耐腐蚀性不充分的问题。
(2)特开平7-299592号公报中记载的自焊接性复合材料即Ni-Ti包覆材料在焊接接合时，有时会产生基材成分向焊料中溶入(扩散)的所谓“基材被侵食”的现象。此时，焊料会大幅度地侵食基材，从而产生基材的薄壁化。结果是，存在焊接接合部的强度降低的问题。
(3)特开2000-107883号公报记载的粉末Ni焊料及JIS标准中规定的各种Ni焊料由于是粉末状，所以需要将粉末Ni焊料分别涂布到各焊接接合部上这样的作业。也就是说，在焊接作业时需要大量的劳动，从而焊接制品的生产率会显著降低，其结果是，存在制造成本上升的问题。另外，JIS标准中规定的非晶形Ni焊料由于非常脆，所以焊料制造时和焊接制品组装时会难以操作(处理)，同样存在制造成本增加的问题。
考虑以上情况而进行的本发明的目的在于提供几乎不发生基材被侵食的现象且耐腐蚀性、焊接生产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。
为了实现上述目的，本发明涉及的焊接用包覆材料由在基材表面成为一体地设置焊料层而形成的复合材料构成，其与被焊接部件焊接，其特征在于，由在上述基材表面成为一体地设置从基材侧依次层积有Ni或Ni合金层、Ti或Ti合金层、Fe-Ni合金层的焊料层而形成的复合材料构成，Fe成分在该焊料层全体中所占的重量比为25～40重量％，并且Ni成分在焊料层全体中所占的重量W1与Ni成分和Ti成分在焊料层全体中所占的重量总和W2之比W1/W2为0.56～0.66。
在此，焊料层的厚度T2与包覆材料全体的厚度T1之比T2/T1优选为0.05～0.12。另外，在构成焊料层的各层异质金属间的界面优选具有厚度为2～6μm的扩散反应层。
Fe-Ni合金层优选由Fe-35～45重量％Ni构成。
基材优选由以Fe为主成分的合金构成。另外，该以Fe为主成分的合金优选为不锈钢。
另一方面，本发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℃的温度预热上述焊接用包覆材料后，在真空氛围下以1100～1200℃的温度焊接该预热后的焊接用包覆材料和被焊接部件。
在此，真空氛围的真空度优选为小于等于10-2Pa。另外，真空氛围优选为除去了氮气的气体氛围，并且真空度为小于等于10-2Pa。
再者，本发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，本发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。
根据本发明，能够发挥出可以得到几乎不发生基材被侵食的现象且耐腐蚀性和流动性良好的焊接用包覆材料这样的优异效果。
图1是本发明的一个优选实施方式所涉及的焊接用包覆材料的截面图；图2是表示图1中的焊接用包覆材料的一个变形例的横截面图。
图中，10是焊接用包覆材料；11是基材；12是Ni层；13是Ti层；14是Fe-Ni合金层；15是焊料层。
具体实施例方式
以下基于
本发明的一个优选实施方式。
在图1表示本发明的一个优选实施方式所涉及的焊接用包覆材料的截面图。
如图1所示，本实施方式涉及的焊接用包覆材料10是与被焊接部件焊接的材料，其由在基材11的表面(图1中仅为上面)成为一体地设置焊料层15而形成的复合材料构成。通过对该复合材料适宜地实施轧制加工，可以得到期望厚度的焊接用包覆材料(最终制品)10。在此所说的基材11的表面是表示露出在外部的全部的面。
焊料层15是从基材11侧依次层积包覆Ni(或Ni合金)层12、Ti(或Ti合金)层13、Fe-Ni合金层14而形成的层。
Fe成分在焊料层15全体中所占的重量比(浓度)被调整为25～40重量％，优选为30～35重量％。换而言之，焊接用包覆材料10被调整成焊料层15全体的组成为Ni-Ti-25～40重量％Fe。这些调整通过调整层12、13、14的各层厚度以及调整层12、13、14的各合金组成等来完成。在此，Fe成分的含量(浓度)被限定为25～40重量％，这是因为如果Fe成分的含量不足25重量％，则不能充分抑制Fe成分从基材11向焊料层15溶出。另一方面，如果Fe成分的含量超过40重量％，则焊料的流动性会降低。
Ni成分在焊料层15全体中所占的重量W1与Ni成分和Ti成分在焊料层15全体中所占的重量总和W2之比W1/W2被调整为0.56～0.66，优选为0.58～0.65，更优选为0.58～0.62。这些调整是通过调整层12、13、14的各层厚度以及调整层12、13、14的各合金组成等来完成。在此，将W1/W2限定为0.56～0.66，这是因为如果W1/W2不足0.56或者W1/W2超过0.66，焊料的流动性就会显著地降低或者焊料完全不熔融。
焊料层15的厚度T2与焊接用包覆材料10全体的厚度T1之比T2/T1(或者T2×100/T1)被调整为0.05～0.12(或者5～12％)，优选为0.06～0.10(或者6～10％)。在此，将T2/T1限定为0.05～0.12，是因为如果T2/T1不足0.05，则在将基材11和焊料层15复合成为一体之前，需要事先使焊料层15的厚度足够薄，结果是加工成本会大幅度上升。另一方面，是因为如果T2/T1超过0.12，则焊料层15的材料成本会增加。另外，如果T2/T1超过0.12，则仅在基材11的一个面具有焊料层15的焊接用包覆材料10的情况，施压后的形状就可能会产生显著的翘曲，结果是在焊接接合部可能会产生溶液等渗漏这样的不良情况。
焊接用包覆材料10中，在构成焊料层15的各层12、13、14的异质金属间的界面具有厚度为2～6μm，优选2～4μm的扩散反应层(未图示)。
Fe-Ni合金层14由Fe-35～45重量％Ni，优选Fe-36.0～36.5重量％Ni(例如殷钢(注册商标))或Fe-42重量％Ni(例如42合金)构成。
作为本实施方式涉及的焊接用包覆材料10的焊料层15的构成材料，选定Ni、Ti、殷钢(注册商标)或者42合金，这是因为可以比较容易地得到板状材料或者箔状材料，并且轧制、冲压、拉深这样的加工性优异。
对于焊料层15来说，在整个焊料层15中可以含有0.02～10.0重量％，优选0.02～5.0重量％的P。由此可以显著地改善焊料的流动性、耐氧化性。在此，将P的含量限定为0.02～10.0重量％，是因为如果不足0.02重量％，则无法期望提高流动性；相反如果超过10.0重量％，则根据进行焊接的被焊接部件的种类，强度会降低。
另一方面，基材11由与构成后述的焊接制品的构成部件(被焊接部件)相同或者大致相同的材料构成。例如，作为基材11的构成材料，优选以Fe为主成分的Fe基合金，更优选为不锈钢，特别优选为奥氏体系不锈钢。在此，作为Fe基合金优选不锈钢，是因为在与使用耐腐蚀性优异的焊料同样的环境下能够得到充分的耐腐蚀性，而且是能够以较低成本获得的通用品，并且轧制、冲压、拉深这样的加工性优异。
为了得到本实施方式涉及的焊接用包覆材料10，在对复合材料实施轧制加工之前可以适宜地实施热处理。该热处理可以根据焊料层15的层结构、各层12、13、14的组成和层厚适宜地调整加热温度和加热时间，以使焊接用包覆材料10的伸长率大于等于30％。
对这样得到的焊接用包覆材料10适宜地实施轧制、冲压、拉深加工而形成期望形状的半成品后，组合该半成品和需要进行接合的被焊接部件(未图示)，接触需要进行焊接接合的部分(焊接接合部)。随后，以焊接接合部为重点，通过加热对它们的组合部件实施焊接处理，得到焊接制品。或者，也可以使用焊接用包覆材料10作为被焊接部件。例如，准备多个本实施方式涉及的焊接用包覆材料10，对各复合材料10适宜地实施冲压加工而各自形成期望形状的半成品后，组合这些半成品，使焊接接合部接触。随后，通过加热对它们的组合部件实施焊接处理，也可以得到焊接制品。
在本实施方式中，针对仅在基材11的一个面(图1中为上面)设置焊料层15的焊接用包覆材料10进行了说明，但是并不限定于此。例如，也可以是在基材11的两个面(图1中为上、下面)设置焊料层15的焊接用包覆材料。
另外，在本实施方式中使用呈箔状的焊接用包覆材料10进行了说明，但是复合材料的形状并不限于箔状。例如，像图2中表示的图1的变形例那样，也可以在棒状或者线状的基材21的表面，成为一体地设置从基材21侧依次层积Ni(或Ni合金层)层12、Ti(或Ti合金)层13、Fe-Ni合金层14而形成的焊料层15，作为焊接用包覆材料20。此时，作为基材21可以适用与基材11同样的材料。另外，各层12、13、14的形成可以通过镀层法、挤压法、成管法等来进行。
作为使用了本实施方式涉及的焊接用包覆材料10的焊接制品，可举出燃料电池的改性器用冷却器等在高温下循环有腐蚀性高的溶液或者气体的热交换器、EGR用冷却器、燃料电池部件、机油冷却器、散热器、蓄电池部件等。本实施方式涉及的焊接用包覆材料，特别是棒状或者线状焊接用包覆材料20(参照图2)，由于直径尺寸小，处理性良好，因此除了燃料电池的改性器用冷却器的热交换器、EGR用冷却器、燃料电池部件等以外，也可以适用于机油冷却器、散热器、蓄电池部件等。
接着，说明使用了本实施方式涉及的焊接用包覆材料的焊接方法。
对本实施方式涉及的焊接用包覆材料10适宜地实施轧制、冲压、拉深加工而制作期望形状的半成品。对焊接用包覆材料10预先实施热处理，使基材11的伸长率大于等于30％。通过该热处理，焊接用包覆材料10的基材11被充分退火并软化，得到充分的伸长率。另外，通过该热处理，在构成焊料层15的各层12、13、14的异质金属间的界面，即Ni层12和Ti层13的界面及Ti层13和Fe-Ni合金层14的界面，会形成厚度2～6μm的扩散反应层。其结果，焊接用包覆材料10的冲压成形性(加工性)变得良好，冲压加工后不会在半成品的基材上产生裂纹或者产生大的翘曲。从而，可以高成品率且高精度地制作期望形状的半成品。
在此，基材11的软化热处理被调整成扩散反应层的层厚成为2～6μm。这些调整可以通过调整热处理温度和热处理时间等来完成。在此，将扩散反应层的层厚限定为2～6μm，这是因为如果不足2μm，则热处理不充分，基材11不会充分软化；如果扩散反应层的层厚超过6μm，则焊料层15全体的硬度过高，伸长率就会降低，例如产生焊料层15剥离这样的情况时，难以加工成半成品。
接着，组合该半成品(焊接用包覆材料10)和被焊接部件(未图示)，使焊接接合部接触。随后，通过加热对它们的组合部件实施焊接处理。在此，在焊接处理之前，以800～不足940℃，优选850～不足940℃，更优选880～920℃的温度对半成品(或者半成品和被焊接部件双方)实施预热处理。通过该预热处理，可以抑制通过与焊接氛围中的气体(N2、O2、C)反应而降低流动性的Ti扩散(露出)到焊料层15的最表面，同时可以释放加工成期望形状的半成品的应力。另外，通过该预热处理，在缓和焊接温度(1100～1200℃)下的热变形的同时，通过提高焊料全体的匀热性，可以提高焊接接合部的可靠性。
随后，在真空度小于等于1×10-2Pa的氛围下，优选在真空度小于等于1×10-2Pa且不含N2的气体氛围下，在1100～1200℃的温度对预热后的半成品和被焊接部件实施焊接处理。在此，将焊接处理时的真空度限定为小于等于1×10-2Pa，这是因为焊接处理温度是超过1000℃的高温，如果氛围中含有大量的碳、氧、氮等气体，则这些气体和焊料成分能够以良好的反应性发生反应，从而会降低焊料的流动性。特别是，N2气体会与焊料成分的Ti反应而形成TiN系化合物而显著降低流动性，因此优选在真空度小于等于1×10-2Pa且不含N2的气体氛围下进行焊接处理。
通过该焊接处理，在焊接接合部会产生焊料层15(焊料)的熔融反应，焊料会被熔融。该焊接处理时，在与基材11相邻部分的焊料层15中也存在作为预热处理和到焊料层15的熔融反应过程的结果被扩散的Fe成分。因此，焊接处理时，即使基材11中的Fe成分向焊料中溶入，焊料中的Fe浓度也会立刻饱和。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，从而大幅度地减少“基材被侵食”现象的发生。另外，为了不妨碍焊料的流动性，将Fe成分在焊料层15全体中所占的浓度调整为25～40重量％，因此焊料的流动性变得良好。其结果是，在焊接后不会产生基材11特别是焊接接合部的强度降低，并且也不用担心会侵食基材11。
这样，通过焊接接合本实施方式涉及的焊接用包覆材料10和被焊接部件(不锈钢板)，可以在工业上稳定地制造在焊接接合部“基材被侵食”现象少的焊接制品。该焊接制品与焊接前相比较，基材11的强度几乎不会降低，并且几乎不会对基材11产生侵食，具有高的可靠性。
另外，本实施方式涉及的焊接用包覆材料10(参照图1)是将焊料和基材11成为一体地设置而形成，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这样的作业。因此，能够以良好的焊接生产率得到焊接制品。
不用说，本发明并不限于上述的实施方式，除此以外也可以设想到各种方式。
接着，基于实施例说明本发明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例11在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.52mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为0.72mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。进而，反复轧制，制作三层结构(殷钢/Ti/Ni/SUS304)的焊料层的总厚度为70μm的焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为25重量％。
首先将该包覆材料用真空度保持在1×10-3Pa的管状炉在900℃预热，再对预热后的包覆材料在1200℃实施加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
实施例12在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.42mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.01mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
实施例13在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.38mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为0.96mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
实施例14在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.55mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.16mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
实施例15在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.33mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.11mm的42合金条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
实施例16在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.28mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.43mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为40重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
比较例11在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.55mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为0.64mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为23重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
比较例12在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.21mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.62mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为43重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
比较例13在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.32mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为0.90mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
比较例14在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.62mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.23mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。使用该复合材料，与实施例11同样地制作焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
比较例15在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为1.01mm的殷钢(注册商标)条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为0.42mm的Ni条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。进而，反复轧制，制作三层结构(Ni/Ti/殷钢/SUS304)的焊料层的总厚度为70μm的焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。使用该包覆材料，与实施例11同样地进行焊接特性的评价。
在此，调整各不锈钢条材的厚度，使实施例11～16和比较例11～15的各焊接用包覆材料的焊料层的厚度T2与焊接用包覆材料全体的厚度T1之比(T2×100/T1)均为8％。
另外，对实施例11～16和比较例11～15的各焊接用包覆材料，在包覆轧制后实施了热处理。通过该热处理，各不锈钢条材被软化，在焊料层的各层间的界面分别形成异质金属间的扩散反应层。调整热处理条件，使各扩散反应层的层厚均为3μm。
现有例11在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面层积Cu条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。进而，反复轧制，制作双层结构(Cu/SUS304)的焊料层的总厚度为70μm的焊接用包覆材料。对该包覆材料在管状炉中实施1120℃的加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
现有例12在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的一个面上涂布用合成树脂粘合剂溶解市售的粉末Ni焊料(Ni-19重量％Cr-10重量％Si)而得到的物质。对涂布了该焊料的基材在管状炉中实施1180℃的加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
关于实施例11～16、比较例11～15和现有例11、12的各试样，将它们的层积结构、Fe成分在焊料层全体中所占的浓度(重量％)、以及W1/W2的值示于表1中。另外，各试样的焊接特性的评价也一并示于表1中。焊接特性的评价是针对焊接后的基材的残存性、是否发生腐蚀、焊角形成状态(流动性)、焊接生产率以及它们的综合评价而进行的。
关于基材的残存性，通过截面观察焊接处理前后的基材的板厚的变化来测定，将板厚的平均减少率和最大减少率少的记为良好(○)、多的记为不良(×)而进行评价。
对于腐蚀试验，首先将焊接处理后的各试样在含有氯离子、硝酸离子、硫酸离子的腐蚀性溶液中浸渍1000小时。随后，从溶液中取出上述各试样，进行焊接接合部(焊接熔融部)的组织观察。通过调查是否发生腐蚀来进行耐腐蚀性的评价。另外，分析腐蚀试验后的溶液，定量比较来自焊料的溶出物，判断腐蚀程度。
流动性的评价是，在各试样的焊料层的表面放置由SUS304形成的不锈钢管后，进行加热焊接处理时，根据焊接接合部的焊角形状和焊角的截面积来进行。
表1 ○良好、×不良如表1所示，实施例11～16的各试样在焊料层的最外层配置有Fe-Ni合金层，同时将焊料层的Fe成分浓度调整为25～40重量％，将W1/W2调整为0.58～0.65。因此，对于实施例11～16的各试样来说，在焊接处理时几乎不会产生“基材被侵食”的现象，焊接处理后的基材的残存性良好。另外，对于实施例11～16的各试样来说，均没有产生腐蚀，流动性和焊接生产率良好。从而，实施例11～16的各试样的焊接特性的综合评价均良好。
另外，作为配置在焊料层的最外层的Fe-Ni合金层，实施例11～14、16的各试样使用殷钢(注册商标)，但是就替代殷钢(注册商标)而使用了42合金的实施例15的试样来说，焊接特性也良好。
相反，比较例11的试样，由于焊料层的Fe成分浓度少于规定范围(25～40重量％)，为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强度。
比较例12的试样，由于焊料层的Fe成分浓度多于规定范围(25～40重量％)，为43重量％，因此焊料的流动性差。
比较例13的试样，由于W1/W2是小于规定范围(0.58～0.65)的0.55，因此焊料的流动性差。另外，比较例14的试样，由于W1/W2是大于规定范围(0.58～0.65)的0.67，因此与比较例13的试样同样，焊料的流动性差。
比较例12～14的各试样由于焊料的流动性差，因此不能确保焊接接合部的可靠性(充分的接合强度)。
比较例15的试样，虽然焊料层的Fe成分浓度和W1/W2与实施例12的试样完全相同，但是焊料层的层积结构不同。比较例15的试样由于在焊料层的最内层配置有为Fe-Ni合金层的殷钢(注册商标)，因此在焊接处理时不能充分地抑制基材被侵食的现象。
现有例11的试样虽然基材被侵食的现象少，流动性和焊接生产率也良好，并可以得到良好的焊接特性，但是由于耐腐蚀性不充分，因此结果是不能耐于在高腐蚀环境下的使用。
现有例12的试样虽然基材被侵食的现象少，耐腐蚀性和流动性也良好，但是焊料为粉末焊料，而且需要使用有机物类粘合剂，因此焊接生产率显著低。
由以上的结果可以确认，通过形成使基材和从基材表面依次具有Ni层、Ti层、Fe-Ni合金层这种层结构的焊料层成为一体而得到的焊接用包覆材料，并且将Fe成分在焊料层全体中所占的浓度规定为25～40重量％，将W1/W2规定为0.58～0.65，可以得到优异的焊接特性。
实施例21在作为基材的不锈钢条材(SUS304条材)的表面依次层积厚度为0.42mm的Ni条材、厚度为1.0mm的Ti条材、厚度为1.01mm的殷钢(注册商标)条材，通过轧制法进行包覆而制作复合材料。进而，反复轧制，制作三层结构(殷钢/Ti/Ni/SUS304)的焊料层的总厚度为70μm的焊接用包覆材料。使Fe成分在焊料层全体中所占的浓度为32重量％。另外，调整不锈钢条材的厚度，使焊料层的厚度T2与焊接用包覆材料全体的厚度T1之比(T2×100/T1)为5％。进而，以不锈钢条材的软化为目的，在包覆轧制后对得到的焊接用包覆材料实施热处理。通过该热处理，在焊料层的各层间的界面形成异质金属间的扩散反应层。调整热处理条件，使扩散反应层的层厚为3μm。
首先将该包覆材料用真空度保持在1×10-3Pa的管状炉在900℃预热，再对预热后的包覆材料在1200℃实施加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
实施例22除了T2×100/T1为8％以外，制作与实施例21完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
实施例23除了T2×100/T1为12％以外，制作与实施例21完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
实施例24除了扩散反应层的层厚为2μm以外，制作与实施例22完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
实施例25除了扩散反应层的层厚为6μm以外，制作与实施例22完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
比较例21除了T2×100/T1为4％以外，制作与实施例21完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
比较例22除了T2×100/T1为13％以外，制作与实施例21完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
比较例23除了扩散反应层的层厚为1μm以外，制作与实施例22完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
比较例24除了扩散反应层的层厚为8μm以外，制作与实施例22完全相同的构成的焊接用包覆材料。使用该包覆材料，与实施例21同样地进行焊接特性的评价。
关于实施例21～25和比较例21～24的各试样，将它们的层积结构、Fe成分在焊料层全体中所占的浓度(重量％)、T2/T1的值(％)、以及扩散反应层的层厚(μm)示于表2中。另外，各试样的接合性(焊接接合部的可靠性)和焊接处理前的加工性的评价也一并示于表2中。
加工性是在焊接处理之前使用凹凸形状的金属模具对实施例21～25和比较例21～24的各试样实施冲压加工后，观察各试样的表面和截面，评价基材上是否产生裂纹、减壁率、平坦度(是否发生翘曲)等。
表2 ○良好、×不良如表2所示，实施例21～25的各试样是将T2/T1调整为5～12％，将扩散反应层的层厚调整为2～6μm。实施例21～25的各试样，由于焊料层具有充分的厚度，因此在焊接处理后可以得到充分的接合强度，焊接接合部的可靠性良好。另外，实施例21～25的各试样在冲压加工时，基材上没有产生裂纹，基材的翘曲也非常小，也没有发生焊料层的剥离。从而，实施例21～25的各试样为加工性良好。
相反，比较例21的试样，由于T2/T1是小于规定范围(5～12％)的4％，焊料层的厚度不充分，因此在焊接处理后无法得到充分的接合强度，焊接接合部的可靠性不良。另外，比较例21的试样，在冲压加工时焊料层会从基材剥离，冲压加工性不良。
比较例22的试样由于T2/T1是大于规定范围(5～12％)的13％，焊料层的厚度大于必要值，因此在焊接处理后虽然能够得到充分的接合强度，但是会导致制造成本增加。另外，比较例22的试样，在冲压加工时在基材产生翘曲，冲压加工性不良。
比较例23的试样由于包覆轧制后的热处理不充分，因此扩散反应层的层厚是薄于规定范围(2～6μm)的1μm。从而，基材没有被充分软化，冲压加工时在基材产生大的翘曲，同时加工部的一部分会发生破裂，冲压加工性不良。另外，由于产生了大的翘曲，所以焊接部的密合性变得不充分，焊接接合部的可靠性不良。
比较例24的试样由于包覆轧制后的热处理过度，因此扩散反应层的层厚是厚于规定范围(2～6μm)的8μm。因此，在冲压加工时会产生以扩散反应层为起点的裂纹传播、推进到基材这样的不良情况。另外，比较例24的试样，在冲压加工时焊料层会从基材剥离，同时试样表面会产生表面粗糙化。也就是说，比较例24的试样为冲压加工性不良。
从以上结果可以确认，通过将T2/T1规定为5～12％、将扩散反应层的层厚规定为2～6μm，可以得到优异的焊接特性和冲压加工性。
实施例31制作与[实施例1]中的实施例12完全相同的构成的焊接用包覆材料。首先将该包覆材料用真空度保持在1×10-2Pa的管状炉在900℃预热，再对预热后的包覆材料在1200℃实施加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
实施例32制作与[实施例1]中的实施例12完全相同的构成的焊接用包覆材料。首先将该包覆材料用真空度保持在1×10-3Pa的管状炉在900℃预热，再对预热后的包覆材料在1200℃实施加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
比较例31制作与[实施例1]中的实施例12完全相同的构成的焊接用包覆材料。首先将该包覆材料用真空度保持在1×10-1Pa的管状炉在900℃预热，再对预热后的包覆材料在1200℃实施加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
比较例32制作与[实施例1]中的实施例12完全相同的构成的焊接用包覆材料。首先将该包覆材料用真空度保持在1×10-2Pa且添加有微量的N2气体的管状炉在900℃预热，再对预热后的包覆材料在1200℃实施加热处理，使焊料层熔融，进行焊接特性的评价。
关于实施例31、32和比较例31、32的各试样，将它们的层积结构、Fe成分在焊料层全体中所占的浓度(重量％)、以及W1/W2的值示于表3中。另外，将对各试样实施焊接处理时的焊接氛围的真空度和流动性的评价也一并示于表3中。
对于流动性，将流动充分的评价为良好(○)，将流动不充分的评价为不足(△)，将流动差的评价为(×)。
表3 ○良好、△不足、×不良如表3所示，实施例31、32的各试样，是将焊接处理时的焊接氛围的真空度调整为小于等于1×10-2Pa。从而，实施例31、32的各试样为焊料的流动性充分。另外，焊接氛围的真空度越低，焊料的流动性就越好。
相反，比较例31的试样，由于焊接处理时的焊接氛围的真空度为大于规定范围(小于等于1×10-2Pa)的1×10-1Pa，因此焊料的流动性不充分。
另外，比较例32的试样，虽然焊接氛围的真空度为1×10-2Pa，满足规定范围(小于等于1×10-2Pa)，但是由于氛围气体中含有N2，因此流动性显著地差。
从以上的结果可以确认，通过使焊接氛围的真空度小于等于1×10-2Pa，优选焊接氛围的真空度小于等于1×10-2Pa，并且使氛围气体为不含N2的气体，可以得到良好的流动性。
权利要求
1.焊接用包覆材料，由在基材表面成为一体地设置焊料层而形成的复合材料构成，其与被焊接部件焊接，其特征在于，由在所述基材表面成为一体地设置从基材侧依次层积有Ni或Ni合金层、Ti或Ti合金层、Fe-Ni合金层的焊料层而形成的复合材料构成，Fe成分在该焊料层全体中所占的重量比为25～40重量％，并且Ni成分在焊料层全体中所占的重量W1与Ni成分和Ti成分在焊料层全体中所占的重量总和W2之比W1/W2为0.56～0.66。
2.权利要求1所述的焊接用包覆材料，其中，所述焊料层的厚度T2与包覆材料全体的厚度T1之比T2/T1为0.05～0.12。
3.权利要求1或2所述的焊接用包覆材料，其中，在构成所述焊料层的各层异质金属间的界面具有厚度为2～6μm的扩散反应层。
4.权利要求1～3的任意一项所述的焊接用包覆材料，其中，所述Fe-Ni合金层由Fe-35～45重量％Ni构成。
5.权利要求1～4的任意一项所述的焊接用包覆材料，其中，所述基材由以Fe为主成分的合金构成。
6.权利要求5所述的焊接用包覆材料，其中，所述以Fe为主成分的合金为不锈钢。
7.焊接方法，其是使用了权利要求1～6的任意一项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℃的温度预热所述焊接用包覆材料后，在真空氛围下以1100～1200℃的温度焊接该预热后的焊接用包覆材料和被焊接部件。
8.权利要求7所述的焊接方法，其中，所述真空氛围的真空度小于等于10-2Pa。
9.权利要求7所述的焊接方法，其中，所述真空氛围为除去了N2气体的气体氛围，并且真空度小于等于10-2Pa。
10.焊接制品，其特征在于，焊接接合权利要求1～6的任意一项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，使用权利要求7～9的任意一项所述的焊接方法，来焊接接合焊接用包覆材料和被焊接部件。
全文摘要
本发明提供几乎不会发生基材被侵食现象，并且耐腐蚀性、焊接生产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。本发明的焊接用包覆材料(10)由在基材(11)表面成为一体地设置焊料层(15)而形成的复合材料构成，其与被焊接部件焊接，其特征在于，由在基材(11)表面成为一体地设置从基材(11)侧依次层积有Ni层(12)、Ti层(13)、Fe－Ni合金层(14)的焊料层而形成的复合材料构成，Fe成分在该焊料层(15)全体中所占的重量比为25～40重量％，并且Ni成分在焊料层(15)全体中所占的重量W1与Ni成分和Ti成分在焊料层(15)全体中所占的重量总和W2之比W1/W2为0.56～0.66。
文档编号B23K1/00GK1792537SQ20051013512
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月23日 优先权日2004年12月24日
发明者佐川英之, 黑田洋光, 黑木一真, 堀井文夫, 德光哲哉, 作山信人, 冈本茂 申请人:日立电线株式会社