JPH0360414A - 炭素材の接合方法その方法による接合物及びその接合物を用いた材料 - 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〕 本発明は炭素材の接合方法に関し、更に詳しくはフリー
カーボンを０．２重量％以上含有する炭素材と、該炭素
材または金属材とを接合する方法に関する。

〔従来の技術〕

炭素材料は、その特性が広く、工業用の用途で広く使わ
れている。

その形態としては、一般に、炭素材として、定義されて
いるが、より細かくは、黒鉛単独、炭素単独、各種金属
との炭化物、又は、これらを含む複合材として用いられ
るのが静通である。

たとえば、黒鉛単独材としては、その高温での耐熱衝撃
性に優れている事から、核燃料炉の構造材として使われ
たり、熱伝導率が大きく、かつ潤滑性が良好な所から、
鋳造のモールド、スリーブに、高温強度に優れている点
で、ホットプレスのモールドに、導電性が大きい事から
スッパタリング用ターゲットに用いられたりしている。

炭素単独材としては、その耐食性より、化学装置のライ
ニング材に用いられたり、その電気抵抗に見合った電気
ブラシ材などの用途がある。

炭化物としては、例えばチタンカーバイドは、その高温
強度に優れる点でサーメットなどの硬質耐熱合金の主要
成分として用いられ、シリコンカーバイトはその耐食性
に着目し、熱交換機隔壁に、又タングステンカーバイド
は、その硬度が大きい事からチップ材、カム接触部、ダ
イス材、及びピストンヘッドに用いられている。

更に、複合材では、炭素の基盤に、電気伝導度の高い金
属を含浸させ、潤滑性と導電性とを活用した電気ブラシ
としたり、炭素と樹脂とを複合化し、シール材或いは放
電加工電極材として使用したりしている。

この様に、炭素材料の用途は、広範に、かつ着実に、拡
大しつつ有るが、実際に工業化を進めるには、なお問題
点を残している。

一般に、工業装置の大型化、高機能化の要求は、日増し
に高まりつつあり、各部材を、一体物で作り上げるには
、製造設備或いは各素材機能の性質上の制約が有り必ず
しも容易ではない。更に、複雑な形状をした鋳造モール
ドなど、いわゆるニア・シェーブで作り上げるにも、そ
の加工成形には、制約がある。

他に、炭素材料の持つ特性を・活かしきっても、なおそ
れ以上の特性を要求される場合も多く、例えば核燃料炉
構造材では、構造材としての黒鉛にかかる熱負荷が大き
く、強制的な水冷が必要となる場合があるが、黒鉛材自
身水冷は、その水分浸透性により不可能であり、水冷用
の金属配管との組み合わせ、特に熱伝導性を高めるため
接合が必要である。

又、使用時に期待される炭素材としての特性がその表（
裏）面層だけにあれば良い様な場合も多く、その表（裏
）面層の下（上）の基層には、表（裏）面層と異なる材
料を用いる事がある。

このような要求に対する最も普通の手段は炭素材と他の
金属材料、あるいは炭素材同志を接合することであり、
この接合により上記各機能を賦与せしめ、複合機能によ
り対処する手段である。

このような要請からこの種上記材料同志の接合について
は従来からも種々提案されている。

しかし乍ら従来の各種接合方法はいずれも接合強度が不
充分であったり、或いは接合材により制約があったり、
或いは操作に煩雑な手間や時間を要したりするものが多
く、現在なお満足すべき方法は極めて少ない。

〔発明が解決しようとする課題］ 本発明が解決しようとする課題はこの種炭素材同志また
は炭素材と金属材とを出来るだけ簡単な操作でしかも接
合強度大きく接合出来、しかも耐熱性、耐衝撃性及び耐
食性に優れた接合材が収得出来る新しい接合方法を開発
することである。

［課題を解決するための手段〕 この課題はフリーカーボンを０．２重量％以上含む炭素
材と、該炭素材または金属材とを接合するに際しく但し
炭素鋼同志を接合する場合を除く）、銅を鉄または鉄合
金の表面にメッキ、化学的蒸着法等適宜な手段で被覆し
、これを被接合材間に存在させて、時には被接合材であ
る黒鉛や金属材料に銅被覆を施して、真空下、不活性ガ
ス下またはフラックス存在下に加熱することによって解
決される。

〔発明の作用並びに構成］ 本発明に於いては、炭素材同志または炭素材と金属材と
の接合に際し、銅を鉄またはその合金好ましくは厚み１
ＩＩＩＩ！１以下の薄板状乃至箔状体にメッキ、化学的
蒸着法等の適宜な手段で被覆し、これを介在させて真空
下または不活性ガス雰囲気下或いはフラックス存在下に
、加熱することにより、炭素材側の被接合体接触面に鉄
系の合金を晶出せしめ、これにより強固な接合を得るも
のである。

更に図面を用いて本発明の作用を詳しく説明する。

第１図は説明の便宜上炭素材同志を接合する際の模擬的
な説明図を示す。第１図に於いて（１）は気密容器、（
２）は炭素材、（３）はヒーター、（４）は鉄または鉄
合金に被覆された銅、（５）は鉄または鉄合金を示す。

炭素材（２）の間に銅（４）が被覆された鉄または鉄合
金を存在させる。必要に応じ重り又は治具（６）等で加
圧しつつヒーター（３）により加熱すると、炭素材（２
）と鉄または鉄合金の両面に電気メッキで被覆された接
合材である鋼中に鉄系合金が晶出し、橋かけ接合効果に
より炭素材（２）と鉄または鉄合金とは強固に接合され
、全体として一体となって接合される。接合された状態
を示したものが第２図であり、第２図中（７）は晶出し
た鉄合金層である。

この場合気密容器（１）内は真空にしても或いは不活性
ガスを導入しても良い。またフラックスを用いる場合や
抵抗加熱による場合には気密容器（１）は必ずしも使用
する必要はない。

以下に本発明法を更に詳しく説明する。

本発明に於いて接合すべき材料は炭素材同志または炭素
材と金属材である。但し炭素材同志の場合として特に炭
素鋼同志を接合する場合は含まない。この際の炭素材と
しては、フリーカーボンを０．２重量％、好ましくは０
６５重量％以上含有する炭素材であり、含水炭素や炭化
水素等は勿論含まない。ここでフリーカーボン０．２重
量％以上含有する炭素材とは加熱中において鉄または鉄
合金と結合拡散を生ずるカーボンを少なくとも０．２２
＆−１％以上含むものをいう。例えば超硬合金の基本成
分であるＷＣは１２（１０　’Ｃ以下では長時間の加熱
によっても安定であるが不安定な（フリー）カーボンを
０．４％位含んでいてこれが結合に寄与するものであり
、その他の炭化物も同様である。この際フリーカーボン
が　０．２重量％に達しないものでは炭素材との間に橋
かけ効果を生ぜず望ましくない。この具体的な例として
は黒鉛単独から成るもの、炭素単独から戒るもの、各種
金属の炭化物、或いはこれ等をその少なくとも一成分と
した他の材料との複合材が例示出来、その他各種セラミ
ックや金属中にフリーカーボンを所定量含有せしめたも
のでも良い。各種金属の炭化物としては、チタンカーバ
イトやシリコーンカーバイトをはじめ、その他たとえば
炭素鋼、各種合金鋼等が好ましい例として例示出来る。

また被接合材たる金属材としては広く各種の金属が包含
され、金属としては合金も含まれる。好ましい金属とし
てはたとえばタングステン、モリブデン、鉄、珪素、ハ
ステロイ、炭素鋼、ステンレス鋼などの各種合金鋼等で
ある。

これ等被接合材たる炭素材や金属材は、その材質が上記
で説明したものであるかぎりその形状、大きさ、等は何
等限定されず、適宜な形状、大きさのものが使用される
。

この接合材は本発明に於いては鉄または鉄合金就中特に
板状乃至薄板状鉄または鉄合金に予め被覆した状態で使
用する。或いは被接合材である黒鉛や金属材料に予め銅
被覆を行う。この際の被覆手段は何等限定されず、電解
メッキ法、化学メッキ法、メッキ、化学的熱的蒸着法、
イオン化傾向による析出法金属溶射法等各種の手段が広
く採用される。このように予め被覆しておくことにより
、接合時の取扱いが極めて簡単になる。被覆する厚みは
通常０．０５〜０．５Ｍ好ましくは０．０５〜０．２　
ｍ程度である。余りに薄いと鉄屑にムラ等が生じ易く、
厚すぎると接合効果が寧ろ低下することもあり、また不
経済である。

また鉄または鉄合金としては、本接合方法に於ける１種
の芯材的な作用を有し、接合物中に残存するため、その
形状としては薄板乃至板状体、箔状体等が特に好ましく
、この際の厚みとしては１ｍｍ以下特に好ましくは０．
５Ｍ以下である。この際１Ｍよりも厚（なりすぎると接
合部の耐衝撃性などが劣下することがありあまり望まし
くない。

これ等多材料を用いて本発明法を実施するに際しては、
第１図ですでに説明した通り、鉄または鉄合金好ましく
はその薄板状乃至箔状体（５）を芯材としてその上下に
予め接合材（４）を被覆して配置する。接合条件として
は、真空下または不活性ガス雰囲気下、或いはフラック
ス存在下のいずれか、或いはこれ等の２つ以上の手段を
併用する。いずれも接合材の表面が酸化されないように
するためである。この際の真空下とは実質的に酸素の影
響が生じない程度に酸素量が少ない状態をいい、通常１
０−’気圧以下好ましくは１０−’気圧程度であり、ま
た不活性雰囲気としては通常の不活性ガスたとえばアル
ゴン、窒素ガス等を使用すれば良い。

またフラックスとしては接合材をうまく被覆して酸素と
の接触を遮断出来るものであれば良く、代表例としてホ
ウ砂、ホウ酸、硼弗化物またはそれ等の混合物等を例示
することができる。このフラックスを使用する場合は空
気中でも良く、また上記の雰囲気下で行っても良い。尚
フラックスは加熱接合条件下では蒸発、分解等により揮
散して接合面には残らない。

加熱条件としては原則的には接合材中に鉄合金が晶出し
うる温度であり、通常接合材の軟化点よりも高温好まし
くは５０°Ｃｉｉｌ後高温である。

この際本発明に於いては必要に応じ、若干荷電をかける
ことも出来る。これにより接合材が溶融して流れ、接合
面全面を均一に濡らし、また接合面に空洞が発生するの
を防止することが出来る。

本発明法に依り接合された材料はその優れた接合強度を
生かして広く各種分野に使用することが出来る。たとえ
ば炭素材同志の接合品である黒鉛シート同志の接合品は
高温用パイプ継手部のパッキング材、高温用ボールバル
ブの弁座、熱遮蔽材、軸受、自動車用ガスケット等とし
て有効に使用される。また炭素材と金属材との接合品は
更に広く各種の分野に使用され、炭素質複合材料（以下
Ｃ７Ｃ材という）と金属との接合品としてたとえばＣ／
Ｃ材にボルト等を接合したものやＣ／Ｃ材の一面に金属
製パイプを接合したもの等を例示出来る。前者のボルト
等を接合したものは核融合プラズマ閉じ込め装置の第１
壁に該炭素材を取付けるに好適であり、またパイプを接
合したものは同じくプラズマ閉じ込め装置内部の高負荷
熱を受ける部分の冷却を目的として水循環用パイプを接
続した構造部材として極めて優れており、その他炭素質
レーザー光用反射鏡の裏面に同様に冷却用パイプを接合
した形態としても使用される。尚本発明接合方法並びに
接合品は上記の例に限定されるものではなく、その他従
来から炭素材料が使用されてきた各種分野に広く用いら
れることは当然である。

〔実施例］ 以下に実施例を示して本発明法を更に詳しく説明する。

実施例１ 第１図に示した手順により行った。この際使用した炭素
材（２）はフリーカーボン９９．９％、嵩比重１゜７７
、熱膨張率４．ＯＸ　１０−’／’Ｃ（室温〜４（１０
°Ｃ）、異方比１．０２のブロック体（サイズ０．６ｃ
ｍｘＯ，６ｅｍ　Ｘ　２．２５ｃｍ　）である。また接
合材（４）としては両面０．０５ｍｍの厚さにて被覆さ
れた銅である。芯材としては鉄箔（厚み０．１ｍａ＋）
（５）を使用した。条件としては、容器（１）内にＮ２
ガスを導入し密閉し、１０５０　’Ｃで４分間ヒーター
（３）により加熱した。

この加熱により、被覆された銅と芯部の鉄箔（５）との
間に鉄系の合金が晶出し、炭素材（２）と、接合部（４
）とは、強固に接合され、第２図の如く、合金（７）が
晶出し強固な結合が保たれている。

この様にして得られた炭素材同志での接合部は、十分な
強度を有している。たとえばこの接合材の熱間四点部げ
強度を、横軸には接合材の融点をｌとする相対温度、縦
軸には四点由１げ強度を用いて示すと第４図の通りであ
る。

この結果から、炭素材とほぼ同等の１１１１げ強度が、
接合材に認められ、接合材の融点をｌとする相対温度で
０．６迄は、十分な耐熱強度があることが示されている
。

実施例２ 上記実施例１に於ける炭素材同志の接合に代え、その一
方だけを金属（ＳＳ−４１）とし、その他は同様に行っ
た。この結果第３図に示す通り実施例１と同様に強固に
接合が出来ていた。

実施例３ 上記実施例Ｉに於ける炭素÷１同志の接合に代え、その
一方だけを金属（炭素を０．８％含有する炭素鋼）とし
、その他は同様に行った。この結果実施例１と同様に強
固６ζ接合が出来ていた。

実施例４ 膨張黒鉛圧縮シート（東洋炭素■製「パーマフォイル」
、比重１．１、熱膨張係数３　Ｘ　１０−”／　”Ｃ。

１（１０ｍｍＸ５０胴ｘｉ、０　＋＋ｕ＋ｉ）　２枚の
間に、厚み０．０５恥の純銅を予め両面にメッキした全
体の厚みＯ，１ｍｍの鉄箔を介在させて、Ｎ２ガス中１
１５０°Ｃに昇温し、同温度で４５分間保持し接合せし
めた。得られた接合物は強固に接合しており、繰り返し
１１１１げても充分に耐えて眉間剥離等は全く生じなか
った。

実施例５ 上記実施例４に於いて得られた膨張黒鉛圧縮シートを接
合して得られた接合シートを第５図に示す円板状の形状
に切り抜き、高温配管用継手部材（バンキング材）を製
造した。但し第５図に於いては（１０）は圧縮シートを
、（１１）は黒鉛シートを、（１２）は接合部を示す。

実施例６ 圧縮黒鉛シートと第６図に示ｒボールバルブ弁座台（ス
テンレス鋼５ＵＳ３１６製）を用い、且つ黒鉛シートの
形状として第６図に示す形状となし、その他は実施例４
と同様に処理してボールバルブ弁座を製造した。但し第
６図に於いてＩ２中は弁座台、（２１）は黒鉛シートを
示す。

実施例７ 上記実施例４に於いて黒鉛圧縮シートの代わりに金属（
ＳＳ−４１）を用い、形状として第７図に示す形状に上
記金属並びに黒鉛シートを形威し、その他は実施例４と
同様に処理し、軸受を製造した。但し第７図中り３１）
は金属、（３０）は黒鉛シートを示す。この軸受はたと
えば換気扇の低繰音部用或いは高温部用軸受として好適
である。

実施例日 炭化珪素で被覆した黒鉛とステンレス鋼とを接合した。

即ち炭化珪素被覆黒鉛（東洋炭素■製「パーマコート」
、熱膨張係数４．３〜５．ＯＸｌ０−”／　”Ｃ１２５
Ｘ２５ＸＩ２ｔｉｎ）とステンレス鋼（ＳＵＳ　３０４
．５０　Ｘ　５０　Ｘ　１０’　ｍｍ）　とを実施例工
と同様の接合方法に依り接合し、強固に接合された接合
物を得た。

実施例９ 上記実施例日の接合方法をレーザー光用反射鏡の熱冷却
用水冷バイブの接合に応用した。即ち第８図に示す様に
、水冷用バイブ（４０）を予め接合したステンレス鋼板
（４１）に表面がＳｉＣで被覆された黒鉛製反射鏡（４
２）を接合した。

実施例１０ メカニカルシール回転環とステンレス鋼との接合に実施
例８の方法を応用した。即ち第９図（Ａ）に示す通り、
ステンレス鋼製メカニカルシール台座（５０）にＳｉＣ
被覆黒鉛材（５１）を接合した。

従来この種メカニカルシールに於いては第９図（Ｂ）に
示す通り、ローリング（５２）を用いていたが、シール
性に問題が指摘されているが、本発明接合方法に依れば
極めて優れたものとなる。

尚この場合、中心部まで炭化珪素である所謂炭化珪素焼
結体も本例に示す（炭素を基体とした炭化珪素被覆品と
同等に使用できることも確認された。） 実施例１１ ＳｉＣ製発熱体の端末に銅製ボルトを実施例８と同様の
条件で接合した。

（発明の効果〕 本発明法によれば被接合材の間に片面のみに１１４メッ
キにて被覆された鉄または鉄合金を介在させて加熱する
という極めて簡単な操作で、しかも極く短時間で強固な
且つ耐熱性に富んだ接合体が収得出来、その産業上の利
用価値は極めて高い。

またこの接合方法により炭素材同志あるいはこれと金属
材とを強固にしかも充分なる耐熱性をもって接合出来る
結果、広く各種の分野に接合物を利用することが出来る
に至る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図であり、第２及び３図は
いずれも本発明法により得られる接合物の模擬的な構造
図である。第４図は実施例１で得られた接合物の強度を
示すグラフである。 第５図は本発明接合方法により得た接合体を用いた継手
部材の一例を示す図面であり、第６図は同じくボールバ
ルブ弁座を示す図面であり、第７図は同じく軸受の一例
を示す図面であり、第８図は同じくレーザー光用黒鉛製
反射鏡、及び第９図は同じくメカニカルシールを示す図
面である。 １・・・・・・気密容器　　　　　２０・・・・・・弁
座台２・・・・・・炭素材　　　　　　２１・・・・・
・黒鉛シート３・・・・・・ヒーター　　　　　３０・
・・・・・黒鉛シート４・・・・・・を同メシキ　　　
　　　３１・・・・・・金属５・・・・・・鉄またはそ
の合金　４０・・・・・・水冷用バイブロ・・・・・・
重す４１・・・・・・ステンレス板７・・・・・・晶出
合金　　　　　４２・・・・・・黒鉛製反射鏡８・・・
・・・金属材料　　　　　５０・・・・・・メカニカル
１０・・・・・・黒鉛圧縮シート　　　　　シール台座
１１・・・・・・黒鉛シート５１・・・・・・ＳｉＣ被
覆黒鉛材１２・・・・・・鉄板　　　　　　　　５２・
・・・・・ローリング（以　上） 第 図 第 図 第 図 第 ５ 図 第 図 第 図 第 図 ２ 第 図 （Ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）フリーカーボンを０．２重量％以上含む炭素材と
   、該炭素材または金属材とを接合するに際し（但し炭素
   鋼同志を接合する場合を除く）、銅を鉄または鉄合金の
   表面にメッキ、化学的蒸着法等適宜な手段で被覆し、こ
   れを被接合材間に存在させて、または被接合材である黒
   鉛や金属材料に銅被覆を施して、真空下、不活性ガス下
   またはフラックス存在下に加熱することを特徴とする炭
   素材の接合方法。 （２）鉄または鉄合金が薄板状乃至箔状である請求項１
   に記載の接合方法。 （３）黒鉛シート同志を請求項１または２に記載の方法
   で接合して得られる接合体。 （４）請求項３の接合体を高温配管用継手部材（パッキ
   ング材）として使用した継手部材。 （５）黒鉛と金属とを請求項１または２に記載の方法で
   接合して得られる接合体。 （６）請求項５の金属がステンレス鋼である接合体をボ
   ールバルブとして使用したボールバルブ。 （７）請求項５の接合体を用いた軸受。 （８）請求項５の金属がステンレスである接合体を用い
   たレーザー光用反射鏡冷却部材。（９）請求項５の金属
   がステンレス鋼である接合体を用いたメカニカルシール
   。 （１０）炭化珪素と金属とを請求項１または２の方法で
   接合した接合体。 （１１）請求項１０の金属が銅であり、炭化珪素が炭化
   珪素製発熱体である炭化珪素製発熱体。