JPH0316968A - 界面拡散によって工作部材を接合する方法 - 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】 ［発明の利用分野］ 本発明は、接合面が工作部材の材料の間での界面拡散に
よって継目部の所で互いに接合する部材の接合方怯に関
する。

［従来技術］ 工作部材を拡散溶接することは公知である。

部材の継目は加圧および高温のもとて互いに接合する。

圧力および温度を、互いに接合される部材の少なくとも
一方の部材の材料或分が別の部材の材料中に接合面の所
で拡散するように調整し、場合によってはもう一方の部
材の材料或分と例えば金属の場合には合金または金属間
層を形威し、セラξツク部材を用いる場合または金属と
セラＳツタとを用いる場合には酸化物、窒化物、炭化物
を形或するかまたは拡散することによって化学反応させ
る。拡散溶接によって高い耐熱性の接合部に均一な継目
が達威される。

この場合には、接合すべき継目部に、溶接の過程で、接
合場所の一様性およびそれに関連するその強度に悪影響
を及ぼす不所望の化合物または影響が生じないように異
物が存在しない状態を維持するように配慮すべきである
。

平面を特に一軸圧縮圧（ｅｉｎａｃｈｓｉｇｅ　［’ｒ
ｅｓｓｄｒｕｃｋ）を用いることによって互いに接合す
ることは公知である。平面の場合には、接合すべき部材
を適切に案内した場合に十分な正確さをもって均一な圧
力を負荷することができる。複雑な工作部材形状の場合
には拡散溶接装置の圧縮スタンプおよび接合面の」二へ
の圧力伝達部での工作部材の固定を多くの場合、多大な
費用を掛１）てしか達或できない。この場合には最大の
接合用面積の大きさは、継目部への最大の負荷可能な力
に左右される。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、接合すへき面の形に無関係であるが工
作材料部分の形にも無関係に拡散溶接を種々の材料同士
に対して可能とする拡散溶接法を創造することである。

［発明の構或１ この課題は、本発明に従って、冒頭に記載の種類の方法
において特許請求の範囲第１項に記載の手段によって解
決される。この方法によると、互いに接合すべき工作部
材をそれの互いに接合すべき面の所で合わせ置きそして
継目部をそれの外縁周辺で先ず第一に被覆する。要する
に、工作部利の間の外側から見ることのできる合わせ目
が層で被覆される。この被覆材料は、工作部材の材料に
適合するものであり、該工作材才」（ま被覆層の拐利に
化学的に攻撃されないしその物理的品質が変化しない。

この層材料は、場合によっては層の塗布後の後処理によ
っても、接合を得る為に必要とされる圧力負荷まで安定
したままであるように選択する。この層にて、継目部が
固定されそしてその合わせ目の所が密封される。これに
続いて、接合した工作部祠を等熱圧縮処理（ｈｉｓｓｉ
ｓｏｓｔａｔｉｓｃｈｅｎ　Ｐｒｅｓｓｅｎ）（ＨＩＰ
）によって拡散熔接する。旧Ｐ−法の場合には、工作部
材の上に、継目部の所で接合面に均一に作用する全方面
からの均一な圧力を作用させる。

この均−な圧力は工作部祠がどのように成形されている
かまたは接合而がどうな表面構造を有３ ４ しているかに無関係である。等熱圧縮の場合には、例え
ば金属の接合面に、意図しない変形を生しることなしに
降伏応力限界以上でも非常に均一に負荷することができ
る。ＩＩ　Ｉ　Ｉ］−法で圧力により早められる拡散速
度は、無圧焼結に比較して比較的僅かな粒子成長ものと
で継目部の残留空隙の封鎖を改善する。

継目部の合わせ目はプラズマ溶，射によって被覆するの
が特に有利である（請求項２参照）。

この場合、層をプラズマーハーナーによって、特にプラ
ズマ溶射ガンによって設ける。この場合、バーナーのノ
ズルを通して流れる著しく熱せられたガスは金属−また
はセラミック粉末の運搬手段およびキャリャーとして役
立つ。この粉末は、ガス中で溶融しそして工作部材の表
面の合わせ目に定着した後に所望の層を形威し、この層
は未接合の工作部材を継目部の所で固定する。プラズマ
溶射によって層中に高い物質密度、要するに僅かな孔隙
率およびアルゴン、窒素または、ＨＩＰ−法の場合に作
業空間で使用される他のガス雰囲気に対しての高い気密
性を達威ずる。層の内部において溶射された粉末粒子相
互の間にも層と、接合すべき工作部材の壁面との間にも
緊密な拡散結合を達或する為に、人気プラズマ溶躬（Ａ
ＰＳ）　　も、真空プラズマ溶射（ｖＰＳ）も使用でき
る。被覆した層の中での拡散結合を継目の所で高める為
に、請求項３に従って、層の塗布後に該層を低圧焼結に
よって更に密にするのが有利である。

層材料としては原則としてあらゆる溶融性材料が適して
いるので、一般に接合すべき部祠同志に、該部材の材料
と適合する層材料を選択することができる。例えばＦｅ
をヘースとずる酸化物分散硬化した合金（ＯＤＳ−合金
）の為には、ＦｅＣｒＡ　ｆ！．−粉末がまたはＮ１ベ
ースのＯＩ）Ｓ一合金の為にはＮｉＣｒＡｆｆ　　粉末
が使用できる。高い耐熱性の合金、例えばハステロイ（
Ｉｌａｓｔｅｌｌｏｙ）Ｘの商品名で知られている合金
にば、ＮｉＦｅＣｒ一粉未が適している。セラミソク製
工作部材の場合には、層を形或する為に同しセラミック
、例えば該部？が含有している如きものを用いるのが有
利である。例えばＡ　１　２０３より戒る部材の場合に
はＡＩ！．■０３一粉末を用いるのが有利である。継目
に塗布する層は、特にその熱膨張係数が工作部利の材料
と適合する材料で形成するべきである。

ＨＩＰ一法の場合に適用する４００　ＭＰａまでのガス
圧を高いＨＩＰ−温度のもとで維持する為には、十分な
機械的安定性も層に要求される。層の機械的安定性は、
層の材料が合わせ目の所で継目への流動現象によってあ
るいは侵入し且つ工作部材の間の所望の拡散結合を妨害
する前に、継目の所での拡散結合が等熱圧縮処理の際に
もたらされる程の大きさであるべきである。

本発明を以下に実施例によって更に詳細に説明する。図
面には、フローシ一トによって方法の過程を個々の方法
段階により図式的に説明する。

図面には、二つの工作部材１および２の拡散溶接法が図
式的に示してある。最初の方法段階ａでは、初めに工作
部材１および２の互いに接合すべき面３、４を、例えば
研削、研磨、脱脂、エッチングによって適切に準備する
。次いで工作部材ｌ、２を継目の所で合わせそしてこの
位置で固定する（方法段階ｂ）。この工作部材を処理す
る為に回転可能に配置する。第三番目の方法段階Ｃにお
いて、継目の所の、外側の十分な合わせ領域５を、部材
の材料と適合する層６で被覆する為に準備する。実施例
においては、この合わせ領域５を被覆処理前に砂吹き処
理する。

層６を合わせ領域５の上に方法段階ｄにて設ける。実施
例においては、合わせ領域５をプラズマ溶射ガン７によ
りプラズマ溶射することによって被覆を行っている。工
作部材１および２を、プラズマ溶射下に層６を設ける際
に数度、十分に回転させ、材料層を１００〜２００μｍ
の厚さで形戒する。層６で継目部を被覆された工作部材
を次いでＨＩＰ−装置中で等熱拡散溶接する（方法段階
ｅ）。

この方法を用いることによって以下に記載の接合物を製
造した： ７ ８ 実１０組１ 金属／金属一接合物を製造する。接合すべき工作部材は
両方ともＯＤＳ−合金より或る。互いに接合すべき面を
工作部材同志を合わせる前に研磨し脱脂した。この工作
部材を回転可能に据え付けそして継目の所の合わせ領域
を最初に砂吹き処理した。この合わせ領域をプラズマ溶
射によって被覆した。この実施例では、層を真空プラズ
マ溶射（ＶＰＳ）によって塗布した。プラズマガスとし
てはアルゴン／水素−混合物を用いた。合わせ領域をＦ
ｅＣｒ一層で密封する。溶射圧はｐ＝５０〜６０　ｍｂ
ａｒに調節し、層はプラズマ溶対ガンにてｉ・２７０〜
２８０ｍｍの距離から塗布した。

塗布されたこの層はｄ＝　２００　μｍの厚さを有して
いる。この層は気密であり、ヘリウムーリーク率は＜　
１０　−’．　ｍｂａ−４２７秒である。

拡散溶接する為に、被覆によって固定されそして今では
簡単に取り扱うことのできる工作部材をＨＩＰ一装置中
で等熱的に圧縮処理する。ｌＩＩＰ装置中の温度Ｔは約
１，１００゜Ｃで、圧力Ｐは１５０ＭＰａでありそして
処理期間ｔは１〜３時間である。

引張試験でこの製造された工作部材接合物を試験した時
に、室温で５００ＭＰａの引張強さが達威された。これ
は、工作部材を造っているＯＤＳ−合金の強度の８ｏｚ
の強度に相当する。

夫施拠』 金属／セラ果ツクー接合物を製造する。一方の工作部材
はＳｉ３Ｎｉ４より成り、もう一方はハステロイＸより
或る。セラ稟ツタ製の工作部材と接合する金属面を研磨
し、セラ藁ツク面を精密研磨する。継目の所の合わせ領
域を実施例１と同様番４プラズマ溶射によって被覆する
。被覆材料としてはＮｉＣｒ一合金を用いた。プラズマ
溶射の際のデータは実施例１に相応している。４００μ
ｍの厚さｄで層が被覆された。この層はくｌＱ　−’　
ｍｂａ　＋　ｌ／秒のヘリウムー　リーク率を示す。

継目部を拡散溶接する為に、ＨＩＰ−装置中で温度Ｔを
≦１，２００゜Ｃにそして圧力Ｐを２００　ＭＰａに調
節する。処理期間ｔは≦１時間である。

実遣歌−Ｈ セラごツク／セラ多ツクー接合物を製造する。

工作部材は両方ともＳｉ．Ｎｉａより成る。工作部材の
接合すべき面を精密研磨する。

合わせ領域を真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）によって被覆
する。被覆柑料として珪素（Ｓｉ）を用いた。

等熱圧縮処理の前に、Ｓｉ−層を窒素雰囲気で焼結しそ
してＳｉ３Ｎ４に転化した。焼結−および転化工程の後
には、合わせ領域の継目の所の層は気密であった。

工作部材の拡散溶接は、Ｈ　Ｉ　Ｐ一装置中で１，９０
０゜Ｃの温度Ｔおよび２００　ＭＰａの圧力Ｐのもとて
窒素雰囲気で行った。処理期間ｔは２〜３時間である。

接合部の強度を調べる為に、四点曲げ強度（二つの支点
および該支点の間の二つの負荷点並びに以下の寸法の試
料を用いて曲げ負荷を行う。試料の幅ｄ−４．５ｍｍ　
、試料の高さｈ＝３．５ｍｍ、試料長さ４２　＝４．５
ｍｍ　０二つの支点の外側距離ｊ２−　＝４０　ｍｍ　
、二つの負荷点の内側距離℃，一２０　ｍｍ　，これか
ら曲げアーム長さＮ＝１０ｍｍでの曲げ負荷が判る。）
を互いに接合されたセラミック工作部祠について測定し
た。室温にて７５０　ＭＰａの四点曲げ破壊強度が達威
された。この値は工作部材の基本材料の四点曲げ破壊強
度のハラツキ幅内にある。

この実施例では、合わせ領域に塗布すべき層の必要とさ
れる高い密度および小さい孔隙率が溶則された材料の拡
散結合によって達或することができた。層はその固定後
に、等熱圧縮処理の間の高い圧力ものとでもアルゴンま
たは窒素の如きＨＩＰ−媒体として用いられたガスに対
して気密であることが実証された。被覆材料としての金
属材料の場合には拡散結合は、先ず第一に真空プラズマ
溶射を用いることによって達或できる。何故ならば、こ
の場合に酸素、窒素、酸化炭素および水素の如きガス成
分を遠ざけることができるからである。金属の場合に妨
害なく拡散接合できる為には、例えば酸化物、炭化物ま
たは窒化物の反応生戒物が生しるのを避けな１１ １２ ければならない。Ａｆｆｚ０３、ＣｒｚＯｚ　、ＺｒＯ
ｚの如きセラ稟ツク祠料を問題なく大気プラズマ溶射に
よって被覆することができる。窒化物材料、例えばＳｉ
３Ｎａ等の場合には、実施例３で既に記載した様に、反
応性プラズマ溶射を用いる。即ち、Ｓｉを窒素中に含む
キャリャーガスを溶射すると、被覆工程の間に既にＳｉ
３Ｎ４が生しる。次いで更に窒化反応を、ＩＩＩＰ−工
程の前に、塗布された層を窒素雰囲気で焼結することに
よって行ってもよい。このようにして合わせ領域の継目
部が工作部材の材料に適合する層で気密に密封される。

実施例においては、合わされた工作部材をプラズマ溶対
ガンのプラズマ火炎の域で回転させている。プラズマ火
炎は合わせ領域に直角に向ける。合わせ目は層材料で完
全に被覆され、十分な層厚が達成される。勿論、工作部
材とプラズマ溶射ガンとを動かしてまたは別の方法で、
例えば環状物を波状物と接合する場合にはプラズマ溶射
バーナーの運動工程を相応して対応させて実施すること
もできる。必要とされる層材料にて僅かな孔隙率しか達
威されたないので、これば厚い層厚によって相殺される
。

ＨＩＰ一法による拡散溶接の特別な長所は、一度にあら
ゆる方向から同し強さで圧力を負荷できることであり、
その結果平坦でなく複雑な表面構造も拡散接合される。

溶接できない材料を接合できるので、ハンダを省ける。

更に接合すべき面の大きさはＨＩＰ−装置の作業容積だ
けでしか制限されず、面圧は一軸加熱圧縮の場合の様に
制限がない。

−トによって個々の方法段階によって図式的に説明した
ものであり、図中の記号は以下の意味を有する： ■、２　・・・工作部材 ３、４　・・・接合ずべき面 ５　・・・　　合わせ領域 ６　・・・　　被覆層 ７ プラズマ溶射ガン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（金属またはセラミックより成る）工作部材の材料
   の間で界面拡散することによって該部材を継目部で接合
   するに当たって、継目部を部材の互いに接合すべき面を
   相対して置いた後に、継目部の外縁周辺を、部材の材料
   に適合し且つ後で行う等熱圧縮処理（ＨＩＰ）の際に負
   荷される圧力まで機械的に安定している層で被覆するこ
   とによって固定し且つ密封し、そして該部材を次いで等
   熱圧縮によって拡散溶接することを特徴とする、上記部
   材の接合方法。 ２）層をプラズマ溶射によって設ける請求項１に記載の
   方法。 ３）層の低圧焼結をＨＩＰ−段階に先行させる請求項１
   または２に記載の方法。