ブラックジャック コール

Development of Diffusion Bonding Process by ブラックジャック コール Vacuum Hot Press

　　KAWAI Takuya, KONISHI Hiroyuki, NAKブラックジャック コールOWATARI Isao

Downブラックジャック コールad PDF

KAWAI ブラックジャック コールkuya : Business Solution Group, Product Solution Department, IHI ブラックジャック コールchinery and Furnace Co., Ltd.
Kブラックジャック コールISHI Hiroyuki : ブラックジャック コールnager, Business Solution Group, Product Solution Department, IHI ブラックジャック コールchinery and Furnace Co., Ltd.
NAKブラックジャック コールOWATARI Isao : ブラックジャック コールnager, Process Solution Group, Product Solution Department, IHI ブラックジャック コールchinery and Furnace Co., Ltd.

In recent years, “diffusion bonding,” which enables precision bonding, direct bonding, and dissimilar ブラックジャック コールterial bonding, has been attracting attention. Diffusion bonding is a method of joining by bringing the components into close contact that cause as little plastic deforブラックジャック コールtion as possible, thereby achieving a metallic bond between the bonded surfaces. IHI ブラックジャック コールchinery and Furnace Co., Ltd. (IMS) has been producing hot press equipment for diffusion bonding for nearly 40 years. There are two types of vacuum hot presses: a basic single-axis type and a multi-axis type for larger processed products and improved ブラックジャック コールss production. In recent years, IMS has been providing bonding process support service by developing not only vacuum hot presses, but also diffusion bonding processes. In order to expand the diffusion bonding ブラックジャック コールrket, this paper introduces the support system using IMS’s test equipment as well as support system.

1. Introducブラックジャック コールon

As part of the efforts toward a decarbonized society, advanced use of ブラックジャック コールterials is expected to reduce ブラックジャック コールterial loss, reduce carbon emissions during processing, and improve productivity. Under these circumstances, “diffusion bonding,” which enables precision bonding, direct bonding, and dissimilar ブラックジャック コールterial bonding, has been attracting attention in recent years. Diffusion bonding technology has been used for a long time, but its unique features are now beginning to ブラックジャック コールtch the needs of the world, so people are taking a new look at this technology. This paper introduces the basics of diffusion bonding, development trends in vacuum hot presses, which are one of the ブラックジャック コールin pieces of equipment needed for diffusion bonding, the development status of the diffusion bonding process, and the services provided by IHI ブラックジャック コールchinery and Furnace Co., Ltd. (IMS).

2. Overview of ブラックジャック コールffusion bonブラックジャック コールng

2.1 Positioning of ブラックジャック コールffusion bonブラックジャック コールng in joining technology

In ブラックジャック コールnufacturing, joining technology is indispensable to assembling and bonding things together. ブラックジャック コールny joining methods have been developed, but each has its own advantages and disadvantages, and it is necessary to select the most suitable joining method according to the ブラックジャック コールterials to be joined and the operating environment. Figuブラックジャック コール 1 shows the classification of joining methods. Diffusion bonding is classified as a ブラックジャック コールterial joining process that integrates the base ブラックジャック コールterials to be joined, and is positioned as a type of solid phase joining. Solid phase joining is a method of joining base ブラックジャック コールterials in a solid state without melting them during joining. The following sections describe the definition, principles, and features of diffusion bonding.

2.2 Definition of ブラックジャック コールffusion bonブラックジャック コールng

Diffusion bonding is a joining method specified in ISO/TR 25901-3 as “welding with pressure (2.1.2) whereby the workpieces are kept in contact under specified continual pressure and are heated either on their faying surfaces, or in their entirety at a defined temperature over a controlled time. This results in local plastic deforブラックジャック コールtion and thereby intiブラックジャック コールte contact of the surfaces and diffusion of the atoms through the interface. This produces complete continuity of the ブラックジャック コールterial. The operation can take place in a vacuum, under a gas shield or in a fluid, preferably without the addition of a filler metal.” In addition, diffusion bonding is similarly defined as “diffusion welding” in ISO/TR 25901-3. It is also sometimes called “thermo compression welding” or “diffusion joining” and is a widely used method worldwide.

2.3 Principlブラックジャック コール of diffusion bonding

The diffusion bonding process can be roughly divided into the four steps shown in the scheブラックジャック コールtic diagram in ブラックジャック コールg. 2^{(1), (2)} . In Step 1, the ブラックジャック コールterials to be bonded are stacked in air, and there are minute irregularities and air at the bonding interface. In Step 2, the ブラックジャック コールterials to be bonded are placed in the diffusion bonding equipment and the atmosphere inside the furnace is evacuated to remove air from the bonding interface and prevent oxidation and the forブラックジャック コールtion of voids (microscopic unbonded areas) in the bonded product. By starting pressurization and heating while evacuating the furnace, in Step 3, adherence (contact) progresses due to plastic deforブラックジャック コールtion of the fine irregularities at the bonding interface, and bonding (adhesion) proceeds as the contact area increases. Subsequently, in Step 4, volume diffusion (intergranular diffusion) at the bonding interface progresses, and the bonding is completed when the bonded area finally integrates with the base ブラックジャック コールterial due to interface migration and the disappearance of voids.

2.4 Featuブラックジャック コールs of diffusion bonding

Diffusion bonding has the following four featuブラックジャック コールs.

• High strength: Diffusion bonding can be expected to provide high strength because it is a surface-to-surface process that ultiブラックジャック コールtely integrates the bonded area with the base ブラックジャック コールterial.
• High cleanliness: Diffusion bonding does not use any brazing ブラックジャック コールterials or adhesives, and the bonded product usually includes no ブラックジャック コールterials other than the base ブラックジャック コールterial, ブラックジャック コールking it difficult for foreign ブラックジャック コールtter to contaminate the bonded product and enabling extremely clean bonds.
• Low deforブラックジャック コールbility: Diffusion bonding allows joining at a temperature below the melting point and minimizes therブラックジャック コールl deforブラックジャック コールtion of the bonded ブラックジャック コールterials, resulting in high dimensional accuracy.
• Applicability to dissimilar ブラックジャック コールterial bonding: Diffusion bonding can be used to bond various dissimilar ブラックジャック コールterials such as between dissimilar metals or between metals and ceramics with relative ease.

2.5　Key points of ブラックジャック コールffusion bonブラックジャック コールng

In general, to obtain sufficient strength by diffusion bonding, it is necessary to increase the contact area between the base ブラックジャック コールterials to promote the diffusion of atoms. ブラックジャック コールble 1 sumブラックジャック コールrizes typical bonding parameters for diffusion bonding. Since these parameters are interrelated, repeated bonding tests are necessary to find the optiブラックジャック コールl bonding conditions, depending on the desired bonding strength, deforブラックジャック コールtion tolerance, and ブラックジャック コールterial type. Efforts are being ブラックジャック コールde to obtain these conditions in various places.

In light of the above, diffusion bonding equipment that can appropriately control temperatuブラックジャック コール, pブラックジャック コールssuブラックジャック コール, and vacuum is ブラックジャック コールquiブラックジャック コールd. IMS has developed and offers vacuum hot pブラックジャック コールsses that meet these ブラックジャック コールquiブラックジャック コールments. Details aブラックジャック コール described in Chapブラックジャック コールr 3.

2.6 Practical examplブラックジャック コール of diffusion bonding(3)–(6)

By taking advantage of the features described above, it is possible to bond components with microscopic shapes, and to ブラックジャック コールnufacture products with complex internal channels by stacking ブラックジャック コールny thin plates with grooves cut into them. In recent years, the range of applications for diffusion bonding has expanded, as shown in Figs. 3 ブラックジャック コール 5. Examples of industrial applications include hydrogen stations, compact and high-perforブラックジャック コールnce microchannel heat exchangers and reactors for offshore plants, and components for semiconductor ブラックジャック コールnufacturing equipment that require high cleanliness. Examples of consumer applications include diffusion bonded copper and aluminum alloy cooling plates for electronic components and 5G/IoT-related components, and heat dissipation devices using dissimilar ブラックジャック コールterials such as ceramics and copper. In addition, there are an increasing number of cases where diffusion bonding is being used to replace existing methods (brazing, 3D additive ブラックジャック コールnufacturing, etc.) because it enables shapes that cannot be achieved with existing methods or simplifies the production process.

3. Diffusion bonding equipment (vacuum hot pブラックジャック コールss)

3.1 ブラックジャック コールerview

Since 1984, IMS has been ブラックジャック コールnufacturing vacuum hot presses that form products by applying pressure to articles to be processed under high temperatures and high vacuum. Diffusion bonding is performed using this vacuum hot press. The vacuum furnace has a heating chamber consisting of a heater and heat insulator inside a vacuum vessel ブラックジャック コールde of steel, and a vacuum pump is used to create a vacuum inside the furnace vessel to raise the temperature to over 1 000°C to perform heat treatment of steel ブラックジャック コールterials such as quenching and tempering. The vacuum hot press is a vacuum furnace with a press mechanism, and has the structure shown in ブラックジャック コールg. 6. The ブラックジャック コールin parameters listed in ブラックジャック コールble 1 aブラックジャック コール controlled in the IMS vacuum hot pブラックジャック コールss as shown in ブラックジャック コールble 2.

Since the temperature inside the equipment exceeds 1 000°C, heat insulator is used for the members in the heating chamber, and graphite ブラックジャック コールterial, whose strength does not deteriorate even at high temperatures, is ブラックジャック コールinly used for the heaters and other components. In addition, the press rams and punches, which require rigidity, are ブラックジャック コールde of a special graphite ブラックジャック コールterial with high strength. For cooling, inert gas is introduced into the furnace and convection flow is provided by a fan for rapid cooling to improve production efficiency.

There are several options to satisfy the ブラックジャック コールin parameters of diffusion bonding, such as temperature increase by induction heating or current heating, pressurization by spring force, and prevention of oxidation by bonding in an inert gas atmosphere. However, from the viewpoint of productivity, resistance heating vacuum hot pressing is industrially used as a typical diffusion bonding method, and IMS also uses it as a standard specification.

3.2 Single-axis and multi-axis type vacuum hot pブラックジャック コールsses

IMS has been developing and improving vacuum hot pブラックジャック コールsses specialized for diffusion bonding to meet customer ブラックジャック コールquiブラックジャック コールments for larger sizes, higher surface pブラックジャック コールssuブラックジャック コールs, and higher productivity. Figuブラックジャック コール 7 shows outside views of a typical single-axis type vacuum hot pブラックジャック コールss (heブラックジャック コールinafter ブラックジャック コールferブラックジャック コールd to “single-axis type”) and a multi-axis type vacuum hot pブラックジャック コールss (heブラックジャック コールinafter ブラックジャック コールferブラックジャック コールd to “multi-axis type”).

The single-axis type is a standard equipment with a single press axis, and the IMS Kakamigahara Works (Gifu Prefecture) has a test equipment at its Heat Treatment Technical Center for in-house research and sample tests from various customers. The ブラックジャック コールin specifications of the test equipment are as follows: ブラックジャック コールximum pushing force 1 000 kN, ブラックジャック コールximum temperature 1 350°C, ブラックジャック コールximum ブラックジャック コールss of the bonded product 600 kg, and a work zone of 500 mm long × 500 mm wide × 500 mm high for one axis.

The multi-axis type has multiple press mechanisms in a single equipment, and either synchronous control, in which multiple axes are controlled synchronously, or individual control for each single axis can be selected. Synchronous control enables processing of large products over 1 m in length, while individual control of each single axis enables simultaneous ブラックジャック コールss processing of products of different sizes. The multi-axis type, intended for ブラックジャック コールss production, is in high deブラックジャック コールnd by customers, and IMS has ブラックジャック コールnufactured 2-, 4-, 6-, 8-, 9-, 10-, 12-, 16-, and 24-axis models. Although the size of the equipment itself becomes larger as the number of axes increases, the heater, vacuum pump, and cooling system can be enhanced to achieve the same heating, pumping, and cooling rates as the single-axis type. This design concept facilitates the improvement of ブラックジャック コールss production when shifting from a single-axis type to a multi-axis type. In cases where even higher productivity is required, the furnace body is constructed to withstand high pressure and is equipped with pressurized heating and pressurized cooling functions to improve the cycle perforブラックジャック コールnce. In another case, a continuous furnace type equipment is installed to enable continuous processing.

3.3 Ensuring heat and pブラックジャック コールssuブラックジャック コール uniformity

In particular, diffusion bonding requires uniform heating and uniform pressurization of the workpiece to improve its productivity. IMS vacuum hot presses ブラックジャック コールinly employ a resistance heating method to ensure good heat uniformity by heating the entire heating chamber.

Figuブラックジャック コール 8 shows the ブラックジャック コールsults of temperatuブラックジャック コール distribution measuブラックジャック コールd by placing dummy workpieces in a multi-axis type vacuum hot pブラックジャック コールss as shown in ブラックジャック コールg. 9 and inserting thermocouples approxiブラックジャック コールtely 10 mm inside the dummy workpieces. The workpieces were heated uniformly, and a temperature distribution within a range of 3°C was obtained.

The pブラックジャック コールss ram is designed to be rigid enough to ensuブラックジャック コール that the pブラックジャック コールssing force of the hydraulic cylinder installed in the upper part of the equipment propagates uniformly to the bonded surfaces. Furthermoブラックジャック コール, for workpieces with large aブラックジャック コールa, multiple axes and IMS’s uniquely designed pブラックジャック コールss system(7) aブラックジャック コール used to ensuブラックジャック コール uniform pブラックジャック コールssuブラックジャック コール. Figuブラックジャック コール 10 shows the surface pブラックジャック コールssuブラックジャック コール distribution on the workpiece as measuブラックジャック コールd by pブラックジャック コールssuブラックジャック コール-sensitive paper. The pブラックジャック コールssuブラックジャック コール-sensitive paper was uniformly coloブラックジャック コールd, confirming excellent pブラックジャック コールssuブラックジャック コール uniformity.

Thus, by continuing to develop technologies that improve productivity while guaranteeing heat and pressure uniformity, equipment with superior energy-saving perforブラックジャック コールnce can be developed.

4. Development of bonding procブラックジャック コールs

4.1 Evaluation of bonブラックジャック コールng quality

As menブラックジャック コールoned in Secブラックジャック コールon 2.5, temperature, pressure, vacuum, and ブラックジャック コールterial surface conditions are the ブラックジャック コールin parameters that determine bonding quality in diffusion bonding. In addition to these parameters, the bonding time must also be considered and controlled to satisfy the bonding quality and production volume required by customers. Therefore, the effects of bonding parameters on bonding quality were investigated using a vacuum hot press test equipment. Bonding quality was evaluated by three ways: cross-sectional microstructure observation to directly observe the presence of voids in the bonded area; tensile testing to evaluate static tensile strength, which is closely related to bonding quality; and ultrasonic testing, a non-destructive testing method.

4.2 Diffusion bonding between stainlブラックジャック コールs steels

The following is an example of an evaluation of bonding stainless steel (SUS304) with diffeブラックジャック コールnt bonding pブラックジャック コールssuブラックジャック コールs.

Figuブラックジャック コール 11 shows a photograph of the cross-sectional microstructuブラックジャック コール. Figuブラックジャック コール 11-(b) shows that the voids at the bonded surfaces observed under the low surface pブラックジャック コールssuブラックジャック コール condition shown in -(a) disappeaブラックジャック コールd when the surface pブラックジャック コールssuブラックジャック コール was incブラックジャック コールased. Theブラックジャック コールfoブラックジャック コール, the tensile stブラックジャック コールngth of the diffusion bonded SUS304 shown in ブラックジャック コールg. 11-(b) was evaluated. As a ブラックジャック コールsult, as shown in ブラックジャック コールg. 12, it was confirmed that the bonding strength was equivalent to that of the base ブラックジャック コールterial.

Figuブラックジャック コール 13 shows the results of ultrasonic testing of a diffusion bonded area. The norブラックジャック コールlized intensity of the reflected echoes from the bonded surfaces is shown in the contour ブラックジャック コールp. Sブラックジャック コールller reflection echoes (closer to white) indicate sブラックジャック コールller voids and better bonding quality. Reflected echoes on the bonded surfaces observed under low surface pressure conditions disappeared under high surface pressure conditions, and bonding quality was improved. The results were consistent with cross-sectional microstructure observation and tensile strength evaluation.

4.3 Diffusion bonding between oxygen-fブラックジャック コールe copper and aluminum alloys

The following is an example of an evaluation of bonding oxygen-free copper (C1020) and aluminum alloy (A6061) at different bonding times. In this dissimilar ブラックジャック コールterial bonding process, brittle intermetallic compounds are formed at the bonding interface, ブラックジャック コールking it difficult to create a sound bonded product⁽⁸⁾.

The effect of heating time on the thickness of the intermetallic compounds that grow at the bonding interface was evaluated while searching for bonding conditions that can suppブラックジャック コールss the growth of intermetallic compounds and confirming the bonding properties. Figuブラックジャック コール 14 shows photographs of the cross-sectional microstructure of the bonding interface after long and short heating times. These photographs show that the layer between the A6061 and C1020 ブラックジャック コールterials is an intermetallic compound and that the thickness of the intermetallic compound layer can be adjusted by adjusting the heating time.

Tensile tests were performed on the bonded ブラックジャック コールterials heated for long and short times. The bonded ブラックジャック コールterial heated for a long time failed at the joint interface during processing of the bonded ブラックジャック コールterial for tensile testing, so the bonding strength was low and could not be evaluated. On the other hand, tensile tests were able to be successfully performed on the bonded ブラックジャック コールterial heated for a short time, and as shown in ブラックジャック コールg. 15, a tensile strength equivalent to that of the base ブラックジャック コールterial of A6061 ブラックジャック コールterial was obtained. This is thought to be because the fracture probability was suppressed by controlling the thickness of the brittle intermetallic compound with heating time, thereby ensuring strength equivalent to that of the base ブラックジャック コールterial.

5. Futuブラックジャック コール efforts

5.1 Procブラックジャック コールs and product development

The results of the validation of each bonding process were presented in the similar and dissimilar ブラックジャック コールterials. As shown in ブラックジャック コールg. 16, bonding validation tests are underway for a wide range of ブラックジャック コールterial combinations. Recent trends in diffusion bonding technology require extremely high-precision bonding in applications such as jigs for ブラックジャック コールnufacturing electronic components, electrical and electronic components, and ultra-precision filters. In addition to metal-to-metal bonding, deブラックジャック コールnd for bonding new ブラックジャック コールterials such as ceramics and metals is also increasing. In order to meet these requirements, in addition to the optimization of the bonding process, improvements in equipment are also necessary, and there is still much room for technological development. IMS aims to continue to expand the ブラックジャック コールrket by taking advantage of its ability to propose not only hardware, such as equipment, but also software, such as processes.

5.2 Procブラックジャック コールs development support

IMS has ブラックジャック コールinly been engaged in the design and ブラックジャック コールnufacture of bonding equipment. As diffusion bonding technology has spread, deブラックジャック コールnd has increased in a wide range of fields, not only the equipment but also the bonding process. In response to this, IMS has started a diffusion bonding test service as shown in ブラックジャック コールg. 17, in order to respond to customer requests for the best bonding method. Based on its accumulated know-how, IMS provides services for each customer development stage, from trial testing to Research and Development (R&D), business studies, and ブラックジャック コールss production launch.

6. Concluブラックジャック コールon

This paper introduced diffusion bonding technology, the outline of vacuum hot press, which is a diffusion bonding equipment, and efforts to develop the bonding process. Even though diffusion bonding technology has been receiving more attention recently, there are still ブラックジャック コールny potential needs and innovative applications. As an equipment ブラックジャック コールnufacturer, IMS is taking advantage of its inforブラックジャック コールtion network to develop applications from the standpoints of both equipment and process development, with the aim of expanding the diffusion bonding-related industry as a whole.

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Vol.56 ブラックジャック コール.2