１．研究の目的と背景キーワード：レーザブレージング，溶融挙動，組織制御セラミックスは，一般的に高融点で硬い特徴を有するとともに優れた電気特性を示すものもあり，工具や耐摩耗性が必要な部品，コンデンサや圧電素子等の様々な分野に用いられている1)．近年では，ハイブリッド車や電気自動車，鉄道車両等のモータ駆動用インバータなどのパワー半導体デバイスとして炭化ケイ素の利用も進んでいる2)．さらに，ダイヤモンドを半導体デバイスとして用いる研究も盛んに進められ3)，機能性に優れるセラミックスと加工性や放熱特性，コスト面に優れた金属の接合手法の確立が求められている．一方，セラミックスと金属は，脆性・延性や融点，熱膨張係数，電気伝導性等の性質が大きく異なることから，一般的な溶融溶接は困難であり，機械的締結も広範囲への適用は実現できていない．焼き嵌めや鋳ぐるみ等の手法もあるものの，その適用形状には制限が生じる．これらの理由から，セラミックスと金属の接合には一般にろう付(ブレージング)が多用されている．ろう付法は，接合する部材(母材)よりも融点の低い合金(ろう)を溶かして接合材として用いることにより，母材を溶融することなく，複数の部材を接合させる方法である．この技術は，他の方法では接合困難な材料や形状に適し，機械的締結よりも高精度な接合が可能である．ろう付を用いてセラミックスと金属を接合するには，金属とのぬれ性の悪いセラミックス表面をぬれやすい状態に改質する必要がある4,5)．表面改質手法のうち，ろう材中に含まれるTiなどの活性金属成分でろう付と表面改質を同時に行う活性ろう付法(図1)は，セラミックスの表面改質と同時にろう付を実現出来ることから，メタライズなどの前処理工程が不要でコストダウンに寄与できる．しかしながら従来の活性ろう付法では，ろう材中に含まれるTiなどの活性金属成分の酸化を防ぐために，10-3Pa以下の真空中または高純度不活性/還元性ガス雰囲気が必図1活性ろう付法の模式図加熱中にこの界面を表面改質鹿児島県工業技術センター生産技術部（2018年度一般研究開発助成AF-2018213-B2）研究専門員瀬知啓久２．実験方法須条件となっている．現在，工具製造等に用いられる異材接合には高真空を用いた真空炉中での長時間加熱／冷却が行われているが，長時間の加熱に起因する材質の劣化や，残留応力の発生等が懸念されている．また，接合に用いられる市販の活性金属ろう材については，現在のところ加熱冷却に時間を要する従来の炉中ろう付を想定したものが提供されているのみである．加えて，固相線と液相線が離れた組成でゆっくり加熱冷却した場合には“溶け分かれ”(注：加熱時に半溶融状態となった際，固相と液相が分離して液相のみぬれ拡がり，空隙等の接合欠陥の発生要因となる現象)の発生が懸念される．この課題に対し，筆者らは局所的かつ短時間に加熱するために金属に対して高い吸収率を有するレーザを熱源に用いたレーザブレージングを研究開発している6)．これまでに，10-1Pa程度の低真空排気を伴うArガス置換を用いたチャンバー中での接合(ろう付)により，接合時の母相の材質劣化が抑制可能なことを確認している．レーザブレージングは昇温速度が速く，短時間でろう材が完全溶融するため“溶け分かれ”が発生しにくく，従来は利用が困難であった材料組成の活用が可能となる．また，高温保持時間が短いことから，金属間化合物の生成抑制や活性金属成分の過剰添加が不要になるなどの利点が生まれる．一方，ろう材組織には溶融時の保持時間や冷却条件によって差異が生じ，接合部の強度に影響することが想定される．そのため，レーザブレージング時の各種活性金属ろう材の溶融挙動や凝固時の組織制御が求められている．そこで本研究では，レーザ急速加熱による活性金属ろう材の溶融挙動の明確化ならびに冷却過程の制御によるろう材組織の制御を行い，ろう材組成と凝固組織の相関を明らかにすることを目的とした．2・1実験装置の概要図2に，実験装置の模式図を示す．供試材料には，セラミックスとして窒化ケイ素(5 mm×5mm×0.32mm t,Ra= 0.54µm)を使用し，ろう材として，Ag–Cu共晶ろう材(72 mass%Ag–28 mass%Cu)のAgの一部をInで置換し融点を低下させたAg–Cu–In-Tiろう材(58.8mass%Ag–27.4mass%Cu–12.6mass%In–1.21mass%Ti; No.1)ならびにAg–Cu共晶ろう材に活性金属成分としてTiを添加したろ− 228 −金属／セラミックスの異材レーザブレージングにおける急速加熱冷却条件下での溶融挙動の明確化ならびに凝固時の組織制御
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