JPH0275480A - 筒状積層材の拡散接合方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば医療用機器１分析機器、ｆｓ子機器お
よびこれらの部品等に使われる筒状積層材の拡散接合方
法に関する。

［従来の技術］ をリブテン。タングステン、チタン、鉄、クロム、銀、
マンガン、ニッケル等からなる被接合材を、例えば銅あ
るいは銅合金からなる金属基材に接合する手段として、
■ろう付、■蒸着、■めっき等が知られている。

■　ろう付としては銀ろう付が一般的であるが、高温時
の接合部の強度に開局が条り、熱応力あるいは外力によ
る剪断力が負荷された場合にろう材部から剥離する可能
性がある。また、円筒形の部材の外周面全体に均一にろ
う付することは技術的に難しく、使用中にろう付不良箇
所が冷却不足となって局部的な温度上昇を生じ、剥離す
る可能性が高い。また、チタンやクロム、モリブデン等
はろう材との濡れ性が悪いため、ろう材自体が不可能な
場合もある。

■　蒸着は、被接合材を真空蒸着法やイオンブレーティ
ング、スパッタリング法などによって金属基材の外周面
にコーティングする方法であるが、コーティング速度が
きわめて遅く、必要厚（例えば３０〜１００ｕ）にする
のに長時間を要する。また、コーティング厚が大になる
と不可避的に発生する残留応力により剥離しやすくなる
。

■　めっきによる場合、被接合材はめつき可能な金属（
銀、鉄、ニッケル、クロム等）に限られるから、材料的
な制約が大きい。また、めっきは液中で行なわれるため
、真空で高温にさらされると、めっき時に吸着された液
分がガス化しやすく、界面から剥離する可能性がある。

また、蒸着の場合と同様に被接合材の厚みに大きな制約
を受ける。

上記■、■、■の各方法に比べて、拡散接合は接合強度
および高温時の強度が高く、しかも欠陥のない安定した
接合部が得られる。拡散接合は、□接合したい部材を真
空中、不活性ガスもしくは還元ガス雰囲気中で高温に加
熱するとともに、接合部に荷重を負荷した状態で所定の
時間保持することにより、部材相互の接触部を通じて原
子の相互拡散を生じさせて固相状態のまま接合を行なう
方法である。拡散接合によって被接合材を接合した場合
、ろう付のような低融点部分がないため高温強度に優れ
、各種の被接合材令てに適用可能であり、被接合材の厚
みを大きくとれ、しかもめつきのような接合界面からの
ガスの発生を生じないなど、優れた特性を発揮できる。

拡散接合を行なうための設備としては、ホットプレス装
置あるいはＨＩＰ　（熱間等方加圧装置）を適用できる
。ホットプレス装置は、真空炉あるいは雰囲気炉にプレ
スを貫通して設け、真空あるいは還元ガス、不活性ガス
雰囲気中で加熱とプレスを行なえるようにした装置であ
る。ＨＩＰは、接合部材を塑性変形容易な金属製密閉容
器（一般的には低炭素鋼からなる容器）の内部に収容し
、この容器の外側からガスの圧力によって容器ごと接合
部材を全方向から加圧するようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ 前述したホットプレス装置の場合、通常は加圧方向が一
方向（垂直方向）のみであるから、部材の幅方向（径方
向）に接合させることが困難である。これに対しＨＩＰ
は全方向からの接合が可能であるが、容器も一緒に接合
されてしまうため、接合後に容器を除去するための手間
のかかる加工が必要である。

なお、本発明者らによって提案された金属と黒鉛からな
る複合材、の製造方法（特開昭Ｈ−１４６８２５号公報
）においては、被接合材に黒鉛が使用されている。黒鉛
は塑性変形せず割れやすいから、高温接合時にはこの黒
鉛製被接合材を拡径させるような力が加わらないように
格別の配慮が必要であった。

従って本発明の目的は、゛−２−７ 叫金属基材の外周部に、蚕属製被接合材をホ吸ドブレス
等を用いて高品質に接合させることができるような拡散
接合方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を果たすための本発明方法は、円筒状をなし一
端側から他端側に向かって内径が狭まるテーパ状内面を
有した金属基材と、この金属基材のテーパ状内面に対応
したテーパ状外周面を有する抑圧具と、常温において上
記金属基材の外径よりも大きな内径を有しかつ金属基材
よりも熱膨張率の小さな材料からなる円筒状の被接合材
とを使用する拡散接合方法であって、常温において上記
金属基材のテーパ状内面に上記押圧具をセットしかつ金
属基材の外周側に上記被接合材をセットする工程と、上
記金属基材および被接合材を拡散接合温度まで昇温させ
その昇温の途中あるいは昇温後に上記押圧具を金属基材
のテーパ状内面の一端側から他端側に向かって押圧する
ことにより金属基材の外周面を被接合材の内周面に密接
させるとともに接合温度に達した状態において上記抑圧
具に更に大きな荷重を加えることによって被接合材と金
属基材を拡径方向に塑性変形させた状態で金属基材と被
接合材相互の接触面の拡散接合を行なう工程とを具備し
たことを特徴とする拡散接合方法である。

なお、場合によっては上記被接合材の外側に、この被接
合材を収容可能な大きさの内周面をもつ治具をセットし
てもよい。上記押圧具の材質は炭素または炭化珪素（Ｓ
　ｉ　Ｃ）が適している。

［作用］ 上記金属基材のテーパ状内面に押圧具をセットしかつ金
属基材の外周側に上記被接合材および必要に応じて上記
治具をセットする。そして金属基材および被接合材を拡
散接合温度まで昇温させると、熱膨張差によって金属基
材と被接合材が互いに接触する。また、昇温の途中ある
いは昇温後に押圧具を金属基材に押込むことにより金属
基材と被接合材との接触を補助する。そして接合温度に
保持した状態で、抑圧具に更に大きな荷重を加えること
により、金属基材と被接合材を拡径方向に塑性変形させ
た状態にして金属基材と被接合材相互の拡散接合を行な
う。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例について第１図ないし第５図を
参照して説明する。

第１図において、銅製の金属基材１は底部２を有した円
筒状をなしている。この金属基材１の内面３は、一端側
から他端側（底部２側）に向かって内径が狭まるテーパ
状に加工されている。金属基材１の外径は軸方向の全長
にわたって実質的に一定である。

金属基材１のテーパ状内面３に挿入される押圧具５は黒
鉛製である。この押圧具°５は円錐台状をなしており、
金属基材１のテーパ状内面３と同一傾斜角のテーパ状外
周面６を有している。この抑圧具５の外径および長さは
、常温（室温）において第１図に示されるようにテーパ
状内面３の軸方向の途中まで押圧具５を挿入できるよう
な寸法としである。押圧具５は、真空ホットプレス装置
によって真空雰囲気中で図示上方から所望の荷重を加え
ることができるようになっている。

金属基材１の外周側に設けられる被接合材８は円筒状を
なしている。この被接合材８は例えばニッケル製であり
、常温における被接合材８の内径Ｂは金属基材１の外径
Ａよりも大きい。−例としてＡ−φ９［ｉ、５ｍ、　　
Ｂ−φ９７．Ｏｎであり、金属基材１の外周面９と被接
合材８の内周面１０との間に隙間１２が生じる。被接合
材８の材料は、目的に応じてニッケル以外にモリブデン
、タングステン。

チタン、鉄、クロム、銀、マンガン等が使用され、望ま
しくは拡散接合の容易な融点８００℃以上の合金を選ぶ
。被接合材８の内径Ｂは、金属基材１と被接合材８を接
合温度まで加熱した時に両者が丁度密接できるように接
合温度と熱膨張差を考慮して決める。

被接合材８の外周側に配置されるダイス治具１５は黒鉛
製である。この治具１５は、常温において被接合材８の
外径Ｃよりも大きな内径りのダイス孔内周面１６を有し
ている。常温での寸法は一例としテＣ−φ９９．０ｚｊ
Ｉ、　Ｄ　−φ１０１．Ｏｒｔｒｍテあり、被接合材８
の外周面１７と雨具１５の内周面１６との間には隙間１
８があく。

上記金属基材１と被接合材８を拡散接合させるには、ま
ず第１図に示されるように、常温で金属基材１のテーパ
状内面３に押圧具５を軸方向の途中まで挿入するととも
に、金属基材１の外周側に被接合材８と治具１５をセッ
トする。

次に金属基材１と被接合材８を押圧具５および治具１５
と共に加熱し、かつ真空ポンプ等によってホットプレス
内の真空引きを行ない、金属基材１と被接合材８の接合
温度（本実施例では銅とニッケルが拡散接合する温度）
まで一定の割合で昇温させる。この昇温の途中において
、押圧具５に図示上方から比較的小さい荷重（例えばｔ
　ｔｏｎ程度）を加えることにより、押圧具５を底部２
に向かって押込む。昇温過程の金属基材１と被接合材８
は共に熱膨張して径が拡大するが、銅製の金属基材１は
被接合材８よりも熱膨張率が大きく、しかも内面側から
押圧具５のテーパ状外周面６によるくさび効果によって
拡径方向に押圧されているため、相対的に金属基材１の
拡径率の方が大きい。

このため、第２図に示されるように押圧具５が途中まで
押込まれたところで金属基材１の外周面９が被接合材８
の内周面１０に密接する。この時の寸法は、Ａ１−φ９
７．５ｕ、　ｃｌ−φ９９．５ｕ、　Ｄｌ−φ１０１．
５　ａｘである。この工程を経ることによって金属基材
１の均等な拡径が補助され、金属基材１と被接合材８と
の接触が促進される。

接合温度（−例として１０００℃前後）に達した段階で
、押圧具５に更に大きな荷重（例えば８　ｔｏｎ前後）
を負荷することにより、第３図に示されるように上記の
状態から更に金属基材１の径と被接合材８の径を拡大さ
せ、この状態を一定時間保持する。これによって金属基
材１の外周面９と被接合材８の内周面１０との間に大き
な面圧が負荷され、しかも両者が共に拡径する方向に塑
性変形するので、両者間に完全な接合状態が得られる。

また、被接合材８の表面に何らかの理由によって酸化被
膜が生じていても、被接合材８を拡径させることで酸化
被膜が破れるため、拡散接合の接合強度が増す。しかも
この接合時に被接合材８の外周面１７が全面にわたって
黒鉛治具１５の内周面１６によって規制されるため、接
合後に安定した形状寸法を得ることができる。接合時の
寸法例は、Ａ２１１１Ｉφ９９．５１１１．　Ｄ２　＝
φ１０１．５　ａ、　　Ｅ−φ９１．Ｏｎである。接合
温度は使用材料によって相違するが、おおむね６００℃
から１０２０℃である。

接合後は所定時間かけてゆっくりと冷却し、最終的に常
温に戻す。この冷却過程における温度降下率は接合前の
昇温過程における温度上昇率よりも小さくするとよい。

以上の一例の温度履歴とホットプレス荷重との関係を第
５図に示す。

接合後は、冷却過程の途中または常温に戻ったところで
、適宜の機械的処理によって押圧具５を除去する。押圧
具５は黒鉛製であるから容易に除去できる。また必要に
応じて被接合材８の外周部を所定の寸法に仕上げ機械加
工するとともに、金属基材１の内周部にも必要に応じて
仕上げ加工を行なうことによって、第４図に例示したよ
うな筒状積層材２０が得られる。仕上げ加工後の寸法例
は、Ａ３ｇｍφ９９．０．、、　Ｄ３繻φ１Ｇ０．Ｏｕ
、　Ｅ３　＝φ９３．０題である。

［発明の効果］ 本発明によれば、金属基材と被接合材との拡散接合を一
方向から荷重を加えるホットプレス装置等を使用して行
なうことができ、所望厚みの被接合材を強固にかつ欠陥
を生じることなく接合でき、その接合面はきわめて良質
であり、高温での使用にも長期間充分耐えることができ
る。また本発明では、押圧具によって径の小さな被接合
材を拡径した状態で接合を行なって製品にするため、高
純度で高価な被接合材を効率よく使用でき、低コスト化
にも寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はそれぞれ本発明の一実施例方法を
工程順に示すそれぞれ断面図、第４図は接合後に仕上げ
加工された製品の断面図、第５図は本発明の一実施例方
法における温度履歴とブレス荷重との関係を示す図であ
る。 １・・・金属基材、３・・・テーパ状内面、５・・・押
圧具、６・・・テーパ状外周面、８・・・被接合材、１
５・・・治具。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第３図 第５図 １、事件の表示 特願昭６３−２２８０６３号 ２、発明の名称 筒状積層材の拡散接合方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （４８４）日本発条株式会社 ４、代理人 東京都千代田区霞が関３丁目７番２号　ＵＢＥビル７、
補正の内容 （１）明細書中、第８頁１３行目に「一定である。」と
ある次に下記文章を加入する。 記 「なお、金属基材１は必ずしも底部２を有している必要
はなく、場合によっては底部２をもたずに両端が開口す
るような円筒形状をなしていてもよい。」

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状をなし一端側から他端側に向かって内径が
   狭まるテーパ状内面を有した金属基材と、この金属基材
   のテーパ状内面に対応したテーパ状外周面を有する押圧
   具と、常温において上記金属基材の外径よりも大きな内
   径を有しかつ金属基材よりも熱膨張率の小さな材料から
   なる円筒状の被接合材とを使用する拡散接合方法であっ
   て、常温において上記金属基材のテーパ状内面に上記押
   圧具をセットしかつ金属基材の外周側に上記被接合材を
   セットする工程と、上記金属基材および被接合材を拡散
   接合温度まで昇温させその昇温途中あるいは昇温後に上
   記押圧具を金属基材のテーパ状内面の一端側から他端側
   に向かって押圧することにより金属基材の外周面を被接
   合材の内周面に密接させるとともに接合温度に達した状
   態において上記押圧具に更に大きな荷重を加えることに
   よって被接合材と上記金属基材を拡径方向に塑性変形さ
   せた状態で金属基材と被接合材相互の接触面の拡散接合
   を行なう工程とを具備したことを特徴とする筒状積層材
   の拡散接合方法。
2. （２）上記金属基材が銅または銅合金からなり、上記押
   圧具が黒鉛または炭化珪素から なる請求項１記載の筒状積層材の拡散接合方法。