JPH01308884A - 材料接合方法および接合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は黒鉛材料と金属材料のように熱膨張率が異なる
材料要素を接合して一体の接合体を形成する材料接合方
法およびその接合体に係り、特に製造時または使用時等
においてυｌれなどの欠陥の発生が少なく、また容易に
製造することができる材料接合方法および接合体に関す
る。

（従来の技術） 耐熱性、耐食性の強化、軽量化などを目的として使用条
件に応じて複数の素材を組み合せて高様能を発揮させる
複合材料が多くの分野で普及している。

黒鉛材料は極めて高い耐熱性を有しているため、近年核
融合炉の構成材料としての使用が検討されている。実用
化に際しては構造強度を保持するために金属構造材との
接合および冷却部材としてのヒートシンク材との完全な
接合状態を確保する必要がある。しかし黒鉛材料は従来
から使用されている真空ろう付加ろう材では全くぬれな
いために、ｗ練材料との充分な接合強度が得られない。

その対策として活性金属をろう材として利用したろう付
方法が一般に採用されている。しかしろう材を使用して
接合した接合体を高真空中で使用すると、ろう材に含有
される高い蒸気圧を有する成分が経時的に蒸発し、核融
合炉内におけるビーム加速性能を大きく阻害する等の問
題がある。そこでろう材からの揮散ガスの影響を排除す
るために、ろう材を使用せずに異種材料要素を直接に接
合することが望まれている。

（発明が解決しようとする課題） しかし黒鉛材料に比べ金属材料、特に銅材料は熱膨張率
が約３〜４倍と非常に大きく、かつ黒鉛材料はほとんど
延性を有しない。そのために、両者を突き合せ加熱して
接合した後に接合温度から常温度まで冷却する過程で、
熱膨張量の差により黒鉛材料に過大な応力が作用し、黒
鉛材料にクラックを生じる場合が多く、製品の歩留りを
著しく低下させる問題点がある。

上記問題点を解決する一手段として黒鉛材料と銅材料と
の間の接合面に、黒鉛材料と熱膨張率が等しい、モリブ
デン板を中間層として挿入し、黒鉛材料と銅材料との熱
膨張量の差を、モリブデン板と銅材料との接合部におい
て吸収し、黒鉛材料のクラック発生を防止する構成が特
開昭６２−５００７３号公報に開示されでいる。

しかしながら上記のように熱反応を緩和するために、モ
リブデン板を中間層として挿入付加すると、モリブデン
材は、ヒートシンク材として用いられる銅板と比較して
熱伝導度が小さいため接合体による冷却効率が著しく低
下する問題点がある。

すなわち従来の接合方法において一般に中間層を形成す
るために用いられるモリブデン材は比較灼熱伝導度が大
きいが、それでも熱良導体である鋼材の熱伝導度の約６
０％程度の値である。そのため中間層を挿入しない直接
接合による接合体と同等の冷Ｗ効率を保持するためには
、アーマとしてｉ能する黒鉛材料またはヒートシンクと
して機能する銅材料の厚さを厚く設定しなければならな
いという不経済性がある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、黒鉛材料と銅材料のように熱膨張率が相互に異な
る材料要素を接合して一体の接合体を形成するに際し、
材料要素間に中間層を設けることなく、また割れの発生
が少ない材料接合方法および接合体を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、黒鉛と金属材料、黒鉛とセラミックス複合材
など熱膨張率が異なる材料要素と突き合わせ、拡散接合
または化学接合によって両材料要素を接合して一体の接
合体を形成する材料接合方法において、予め接合界面外
周に材料要素の加熱冷却による伸縮を拘束する拘束材を
装着した後に、所定温度にて加熱し材料要素相互および
材料要素と拘束材とを接合し、しかる後に接合温度から
常温度まで冷却することを特徴とする。

また１本発明に係る接合体は熱膨張率が異なる材料要素
を突き合せ加熱して一体に形成される接合体であり、少
なくとも熱膨張率が大きな材料要素の接合界面の外周部
に材料要素の伸縮を拘束する拘束材を接合界面に対向す
るように配設するとともに上記拘束材の外周側面は材料
要素の外周側面と一致するように形成したことを特徴と
する。

（作用） 上記材料接合方法によれば、両材料要素の接合界面外周
に拘束材を装着しており、この状態で所定の接合温度に
加熱し、一定時間保持すると材料要素相互が接合される
と同時に材料要素側面と拘束材とが接合される。この接
合処理が完了し、接合温度から常温度まで冷却すると、
熱膨張率の大きな材料要素が大きく収縮しようとするが
、その材料要素は強固な拘束材に接合されているため、
収縮が妨げられる。収縮が開始した段階では、材料要素
内に高い応力が発生するが、材料要素は、拘束され状態
で徐々に塑性変形を起こし、最終的に常温度まで冷却さ
れた段階で残留熱応力は、大幅に低減される。したがっ
て、熱膨張率の小さな材料要素が熱膨張率の大きな材料
要素の収縮によって、割れを発生することがない。

また材料要素の接合外周部に拘束材を配設した接合体に
よれば、加熱処理時および冷却時における接合面の熱に
よる伸縮が拘、束材によって防止されるため、同様に割
れの発生が少ない接合体を得ることができる。

さらに上記拘束材の外周側面を材料要素の外周側面と一
致するように形成しているため、拘束材を撤去すること
なくそのまま、接合体の構成材料として使用が可能であ
り、接合処理後の加工成形工程が簡素化する。

また、使用時の熱変化による収縮が発生しても拘束材に
よって割れの発生が効果的に防止することが可能であり
、接合体の寿命、信頼性を大幅に向上させることができ
る。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について添付図面を参照して説
明する。第１図は本発明に係る材料擦合方法を実膿する
ための熱間静水圧成形装置（１・ＩＩＰ装置：　Ｈｏｔ
　１ｓｏｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）の構成を示
す断面図である。

ＨＩＰ装置１は、断熱材を配した高圧容器であるＨＩＰ
炉２と、ＨＩ　Ｐ炉２内の底部に配置した試料台３と、
試料台３上方側面に配設され、処理材料を加熱する複数
のヒータ線４と、ＨＩＰ炉２内にアルゴン、窒素などの
不活性ガスを加圧して送給するガス圧縮機５とを備える
。

以下材料要素として、銅材料とグラファイト（黒鉛）材
料とを接合する場合を例にとり本実施胸を説明する。

まず、材料要素としての接合銅材６と接合グラファイト
材７との間に、厚さが約５μｍのチタン箔８を挿入し両
材料要素を突き合わせる。熱膨張率の大きい接合銅材６
の底面および側端面の下方部分に厚さが約２Ｃ１ｍのタ
ンタル箔９を配置する。突き合わされた材料要素は、モ
リブデンによって角筒状に形成された拘束材１０内に真
空封入される。

次に真空封入された材料要素を、ＨＩＰ炉２内の試料台
３に配置し、ヒータ線４に通電する。材料要素および拘
束材１０を所定温度まで加熱するとともに、ガス圧縮機
５を起動し、アルゴンガスを加圧媒体としてＨＩ　Ｐ炉
２内に導入して接合処理を行う。

この接合処理条件は材料要素の種類によって異なるが、
鋼材とグラファイト材との接合処理を行う場合には、一
般に加熱温度９００℃、ガス圧力１ＯＮｇｆ／ｍ、加熱
温度保持時間６０分間である。

この条件下において、両材料要素間に介装したチタン箔
８が溶解して液相を形成し、この液相を介して接合銅材
６とチタン箔８との間で相互拡散が起こり、両者は接合
すると共に、接合グラファイト材７は生成した液相との
ぬれと反応とにより接合する。

一方モリブデンによって形成した拘束材１０の内壁面と
接合銅材６の側面部１１とが同一条件下で拡散接合する
。なお、接合銅材６の下側面および底面には＾融点金属
であるタンタル箔９が配設されているため、液相は形成
されず、拘束材１０と接合銅材６とは接合しない。従っ
て、接合鋼材６と接合グラファイトＩ７との接合界面の
周囲の側面部１１のみが拘束材１０と接合した状態とな
る。

接合温度に保持終了後、一体となった接合体を常温まで
冷却する過程において、熱膨張率が大きな接合鋼材６が
接合グラファイト材７より大きく収縮しようとして部材
内部に大きな応力か発生するが、接合銅材６は接合界面
の両端の側面部１１゜１１において拘束材１０によって
拘束されているため、収縮しない。そのため収縮差によ
る接合グラフアイｌ−材７の割れを効果的に防止するこ
とができる。

なお、接合銅材６の、下側面および底面は拘束材１０に
接合していないため変形が容易である。

そのため接合銅材６を冷却する間に、両側面部１１．１
１間に発生した応力を解消する方向に接合銅材６が塑性
変形し、拘束されている接合部近傍の残留応力が緩和さ
れる。

本実施例によれば、接合界面外周部の接合銅材６の熱収
縮を拘束することが可能となるため、接合界面外周部に
おける接合グラファイトｖＪ７の割れを防止することが
できる。

また従来方法と異なり、熱応力を緩和するための中間層
を設けず、グラファイト材と鋼材との直接接合構造とし
ているため、熱伝導率を大幅に向上させることができる
。従ってヒートシンクとしての銅部材の厚さを低減する
ことが可能となり、設備の経済性が向上する。

次に本発明方法の他の実施例を第２図（ａ）〜（ｄ）を
参照して説明する。

本実施例では、熱膨張率の大きな材料要素自体を拘束材
として兼用して使用する。

すなわち、第２図（ａ）に示すように角柱状に形成した
接合グラファイト材７ａの外周面に厚さが数μｍないし
は数１０μｍのチタン箔８ａを被着し、さらにその外周
に、拘束材を兼用した接合銅材６ａを囲むように組み付
ける。接合部１６ａ。

（３ａ、・・・の各接合面外縁は真空中でシール溶接さ
れ、接合銅材６ａ、６ａ、・・・は相互に固定される。

次に固定された接合銅材６ａおよび接合グラファイト材
７ａは、第１図に示すトＬＩＰ炉２内に配置され、ヒー
タ１１４によって加熱されると同時に、ガス圧縮機５に
よって送給された高圧の不活性ガスによって第２図（ｂ
）において矢印で示すように周囲から加圧される。処理
条件は、例えば加熱温度９５０℃、ガス圧力２０００　
Ｋ９　ｆ　／　ｃＭ　、加熱温度保持時間６０分間程度
が好ましい。この条件下において、接合グラファイト４
（７ａと接合銅材６ａとはチタン箔８ａを介して相互拡
散接合および反応接合によって強固に接合する。

加熱による接合処理が完了し、次に生成した接合体を加
熱処理温度から常温まで冷却する過程の当初においては
、接合グラファイト材７ａと比較して接合鋼材６ａは約
３倍以上の熱膨張率を有するため、接合銅材６ａの収縮
Ｒは大きく、第２図（Ｃ）に示すように接合鋼材６８は
中心部の接合グラファイト材７ａを圧縮する。

さらに冷却が進行して接合体の温度が４００〜６００℃
に到達した状態では接合銅材６ａの強度は極めて低トし
ているので、この温度域において１〜２時間保持するこ
とによって、接合鋼材６ａ内の残留応力の低減を図るこ
とができる。

常温度まで冷却後、第２図（ｄ）に示すように角筒状に
接合された接合銅材６ａの両側面部１　’２　ａ　。

１２ｂを撤去し、さらに接合グラファイト材７ａの中央
部の切断線１３に沿って、切断することにより、グラフ
ァイトと銅とが一体に接合した２組の接合体１４が得ら
れる。

本実施例による材料接合方法によれば、接合処理後に接
合体を冷却する過程において、拘束材を兼用する接合銅
材６ａは接合グラファイト材７ａに対して常に中心方向
に圧縮応力を作用させるのみであり、引張応力や曲げ応
力を作用さＶることがない。したがってグラファイト材
の割れが発生することが少ない。

なお、本実施例において、接合界面に液相を形成する部
材として、チタンｆｆ１ｓａを介装したが、チタン箔８
ａの代わりに、真空Ｎ着、スパッタ蒸着、イオンブレー
ティングなどの物理然肴法（ＰＶＤ法）によって、接合
グラファイト材７ａの表面または接合銅材６ａの表面に
チタン膜を形成した場合においても同様な効果が得られ
ることが実証されている。

またチタン粉末を用いた場合においても、ＨＩＰ装置の
等方圧による加圧作用によって、緻密な接合組織を形成
することができる。なお介装する金属材としては、チタ
ン（Ｔ１）の他に周期表第■族のジルコニウム（Ｚｒ）
、またはハフニウム（Ｈｆ　）等の金属元素を使用して
も同様な効果が得られる。

さらに本実施例の材料接合方法は、熱膨張率が異なる材
料要素、例えば、黒鉛と黒鉛複合材、黒鉛とセラミック
ス複合材等についても適用可能であり、同様の効果を発
揮することができる。

次に本発明方法のその他の実施例について第３図を参照
して説明する。

本実施例おいては、厚さ１０μ瓦のチタン箔８ｂを介し
て接合グラファイト材７ｂと接合銅材６ｂとを突き合わ
せ、さらに接合界面外周にチタン箔８Ｃを介して拘束材
１０ｂを装着する。拘束材１０ｂは、例えば接合グラフ
ァイト材７ｂと近似した熱膨張率を有し、高温強度に優
れたモリブデン材によって形成される。拘束材１０ｂを
装着された接合材料要素は、加圧台１５上に載置される
。

接合材料要素の側面は、拘束材１０ｂを嵌入した外枠板
１６で被覆される。さらに接合材料要素の上面には加圧
板１７が載置され、接合材料要素を所定圧力強さで押圧
するように構成される。

次に上記構成において、接合処理を行う。接合処理は真
空度が約２　Ｘ　１０　’Ｔｏｒｒの雰囲気中において
、加熱温度が９５０℃、加圧強度１００グ／ｄ、加熱温
度保持時間６０分間とした。

上記条件下において、接合銅材６ｂと接合グラファイト
材７ｂとは、加圧板１７による加圧力と付加される熱に
よって相互に接合するとともに、接合銅材６ｂの上部側
面が熱膨脹を伴なって拘束材１０ｂ内面に接合する。

加熱処理が完了後、生成した接合体を冷却する過程にお
いて、熱膨張率が大きな接合銅材６ｂが収縮しようとす
るが、両側面部において接合された拘束材１０ｂによっ
てその変位が拘束されるため、接合グラファイト材７ｂ
の端部における割れの発生が効果的に防止される。

なお、接合銅材６ｂの側面全体に拘束材を装着し、側面
全域にＪ３ける収縮を拘束する構成にすると、接合銅材
６ｂ内部の残留応力が大きくなり、冷却後に拘束材１０
ｂを撤去する際に、接合グラファイト材７ｂに割れが発
生する場合がある。

したがって拘束材１０ｂは第３図に示すように接合界面
近傍のみに装着するとよい。例えば接合銅材６ｂの厚さ
が１０順程度の場合は拘束材１０ｂによる接合銅材６ｂ
の拘束部の幅は５履程度が好ましい。

さらに第４図に従って本発明に係る接合体の一実施例を
説明する。

本実施例に係る接合体は、熱膨張率が異なる材料要素と
しての鋼材１８と黒鉛材１９とをチタンｖ′Ｉ８ｄを介
して突き合せ加熱して一体に形成される接合体２０であ
り、少なくとも熱膨張率が大きな材料要素である鋼材１
８の接合界面２１の外周部に材料要素の伸縮を拘束する
リング状の拘束材２２を接合界面２１に対向するように
配設するとともに上記拘束材２２の外周側面は材料要素
の外周側面と一致するように形成される。リング状の拘
束材２２が銅材１８の上面外周部に嵌合する接触面には
チタン箔８ｅが介装されている。

拘束材２２は、モリブデン（ＭＯ）またはモリブデン合
金の伯に、黒鉛材１９と熱膨張率が近似し、かつ高温強
度に優れた部材、例えばタングステンやタングステン合
金などで形成するとよい。

拘束材２２の前面寸法は、黒鉛材１９の断面形状が２５
ａａ＋角の場合には、約５＃１角、断面形状が５０ａＩ
角の場合には、５〜１０ｓ＋角Ｖ１度の値が好ましい。

上記リング状の拘束材２２を配設した接合体２０によれ
ば加熱処理によって、鋼材１８、黒鉛材１９およびリン
グ状拘束材２２が相互に接合する。

一体に接合された接合体２０の冷却時における鋼材１８
の収縮は、リング状拘束材２２によって拘束されるため
、゛黒鉛材１９の割れの発生が少ない。

また本接合体２０によればリング状の拘束材２２を接合
界面周囲に埋め込む構造とし、その外周面を鋼材１８お
よび黒鉛材１９の外周面と一致するように形成している
ため、接合処理後において拘束材２２を撤去することな
く、そのまま接合体の構成材料として使用することが可
能である。従って接合処理後の加工成形工程が簡素化す
る。

さらに接合界面の大部分は鋼材１８と、黒鉛材１９とが
直接接合した領域で占められているため、伝熱効率が高
く、冷却能力を大きく設定することができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係る材料接合方法および接合体
によれば、材料要素の接合界面外周に設【ノた拘束材に
よって、接合部周囲における材料要素の熱収縮および変
形を拘束することができる。

すなわち熱膨張率が賃なる材料要素間の熱収縮量の差に
起因する応力の発生が回避され、割れ等の欠陥が発生し
ない接合体を得ることができる。

また材料要素間に熱応力緩和用の中間層を設けることな
く、両材料要素を直接に接合しているため、伝熱効率の
低下が少なく高い冷却能力を有する接合体を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する際に使用するＨｒＰ装置
の構成および本発明方法によって材料要素を接合する状
態を示す断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明方法の
他の実施例を工程順に示す断面図、第３図は本発明方法
のその伯の実施例を示す断面図、第４図は本発明による
接合体の構造を示す断面図である。 １・・・ＨＩＰ装置、２・・・ＨＩＰ炉、３・・・試料
台、４・・・ヒータ線、５・・・ガス圧縮機、６．６ａ
、６ｂ・・・接合鋼材、７．７ａ、７ｂ・・・接合グラ
ファイト材、８．８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ−・・
チタン箔、９・・・タンタル箔、１０，１０ｂ・・・拘
束材、１１・・・側面部、１２ａ、１２ｂ・・・側面部
、１３・・・切断線、１４・・・接合体、１５・・・加
圧台、１６・・・外枠板、１７・・・加圧板、１８・・
・銅材、１９・・・黒鉛材、２０・・・接合体、２１・
・・接合界面、２２・・・拘束材。 出願人代理人　　波　多　野　　　　久第１図 一−−−６α 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、黒鉛と金属材料、黒鉛とセラミックス複合材など熱
   膨張率が異なる材料要素と突き合わせ、拡散接合または
   化学接合によつて両材料要素を接合して一体の接合体を
   形成する材料接合方法において、予め接合界面外周に材
   料要素の加熱冷却による伸縮を拘束する拘束材を装着し
   た後に、所定温度にて加熱し材料要素相互および材料要
   素と拘束材とを接合し、しかる後に接合温度から常温度
   まで冷却することを特徴とする材料接合方法。 ２、材料要素の一方が黒鉛であり、他方が銅または銅合
   金である請求項１記載の材料接合方法。 ３、拘束材は、モリブデン、モリブデン合金、タングス
   テンおよびタングステン合金から選択された一種の材料
   により形成された請求項１記載の材料接合方法。 ４、熱膨張率が異なる材料要素を突き合せ加熱して一体
   に形成される接合体であり、少なくとも熱膨張率が大き
   な材料要素の接合界面の外周部に材料要素の伸縮を拘束
   する拘束材を接合界面に対向するように配設するととも
   に上記拘束材の外周側面は材料要素の外周側面と一致す
   るように形成したことを特徴とする接合体。