JPH0694198B2 - 黒鉛と金属からなる複合材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種機器の部品等に使われる黒鉛と金属から
なる複合材に関する。

〔従来の技術とその問題点〕

一般に金属と黒鉛とは互いに熱膨張率が大きく異なって
いる。例えば鉄鋼系の線膨張係数は13〜18×10^-6である
のに対し、黒鉛の線膨張係数は２〜５×10^-6である。一
般に、ろう付けや拡散接合で熱膨張率が実用上問題にな
らない範囲は、両者の線膨張係数の差が１×10^-6より小
さい場合である。

このため、金属と黒鉛をろう付けや拡散接合などで接合
すると、接合後の冷却過程で金属の収縮率の方が大きい
ため両者に寸法差を生じて大きな残留応力が発生し、極
端な場合には黒鉛が破壊することがある。

一例として、第４図に示されるようなカップ状あるいは
パイプ状のクロム銅からなる金属材１の外側に円筒状の
黒鉛２を被着するに当たって、両者を例えばニッケル箔
などの結合材３を介して拡散結合（または硬ろう付け）
したと仮定する。この場合、接合時の高温状態で金属材
１の外面が黒鉛２の内面に密着するように各部の寸法が
設定されていると、接合後の冷却過程で金属材１は黒鉛
２に対して相対的に収縮する。金属材１は径方向ばかり
でなく軸方向にも収縮するため、金属材１に接合されて
いる黒鉛２は、その軸方向に撓むような力を受ける。こ
のため黒鉛２の端部2a,2bなどにクラックが生じたり、
クラックが進展して破壊に至ることがある。

従って金属と黒鉛からなる複合材は、現在のところ小さ
な円柱同志の接合や小さな直方体同志の接合といった単
純形状のテストピースでの研究や、黒鉛と金属の反応性
の研究、あるいは熱膨張率の差が問題にならない程度の
ごく小さな部品での研究が行なわれているに過ぎなかっ
た。

一方、従来よりパイプ状の材料にしばしば適用されてい
る焼き嵌めや冷やし嵌めによる機械的な締結では、黒鉛
の強度が低いこともあって充分な締結強度が得られなか
った。

また、特開昭60−187546号公報に記載されているよう
に、黒鉛板と銅板との間にTi層とNi層を介在させること
によって、黒鉛と銅の熱膨張差を順次緩和させることも
提案されている。しかしながら筒状複合材のように内層
に金属、外層に黒鉛を使用した場合、内層側の金属部材
の収縮量がある程度大きい時に黒鉛の両端部に大きな引
張り応力が発生し、黒鉛が破損してしまうことがある。
しかも上記先行技術の場合には黒鉛板と銅板との間に複
数の層を介在させる必要があるため、このような中間層
を筒状の複合材に適用すると構造が複雑化するとともに
製造工程も複雑になるなどの問題がある。

また、接着剤によって金属と黒鉛を接合させることも考
えられるが、接着剤を用いる接合では耐熱性に難点であ
り、しかも真空や特殊雰囲気中での使用の場合に、接着
剤からのガスの発生が問題となる。

〔問題点を解決すめための手段〕

本発明は、両端が開口する黒鉛製の外筒と、上記黒鉛外
筒の内側に挿入されかつ黒鉛外筒よりも熱膨張率の大き
い金属からなりかつ上記黒鉛外筒との間に設けられた結
合材を介して上記黒鉛外筒の内周面全体に密接可能な外
径を有するとともに拡散接合あるいは硬ろう付け等の高
温接合手段により上記黒鉛外筒に接合される金属製の内
筒とを具備し、かつ上記黒鉛外筒の両端部の全周にわた
り、それぞれ両端に向って外径が漸減するようにテーパ
状あるいは曲面状に面取り加工した部分を設けたことを
特徴とする黒鉛と金属からなる複合材である。

〔作用〕

黒鉛外筒の端部に何らの対策も施されていない場合に
は、材料の組合わせや形状、大きさ等によっては両者の
熱膨張の差により接合後の冷却過程で黒鉛外筒の端部に
クックが生じることがあるが、本発明によれば黒鉛外筒
の両端角部をテーパ状または曲面状に面取りしたことに
より、金属内筒の収縮量が大きい場合に黒鉛外筒の両端
部に過剰な引張り応力が生じることを回避でき、クラッ
クの発生を防止できる。

上記複合材の黒鉛外筒と金属内筒は互いに硬ろう付けあ
るいは拡散接合などの高温接合によって行なわれている
から、焼き嵌め、冷やし嵌め等の機械的な締結と比較す
ると接合強度が高く耐熱性がある。また、接着剤による
接合と比較すると耐熱性がはるかに優れており、かつ真
空雰囲気中でガスの放出を生じるおそれもない。

〔実施例〕

第１図に示された一実施例において、複合材５は黒鉛製
の外筒６と、この黒鉛外筒６の内側に挿入される金属製
の内筒７を備えている。黒鉛外筒６は、両端が開口する
円筒形状ないしリング状である。

金属内筒７は本実施例の場合、一端側が開口するカップ
型である。この金属内筒７は、黒鉛よりも熱膨張率の大
きな金属、例えば銅、ニッケル、チタン、鉄鋼、あるい
はこれらの合金が用いられる。金属内筒７はカップ型に
限るものではなく、例えば両端が開口したパイプ状であ
ってもよい。

そして黒鉛外筒６と金属内筒７は、拡散接合あるいは硬
ろう付けなどのように高温度で行なわれる接合手段によ
り、結合材９を介して互いに接合されている。結合材９
は例えば円筒状のニッケル箔やチタン箔であるか、適宜
の硬ろう材を使用することが可能である。結合材９の厚
みは例えば数十μ程度である。

上記黒鉛外筒６の内径と金属内筒７の外径、および結合
材９の各寸法は、これらが接合温度まで加熱された時に
各部が互いに密着できるように、各材質の熱膨張係数に
もとづいて予め算出しておく。

そして黒鉛外筒６の両端部6a,6bの角部に、それぞれ全
周にわたってテーパ状の面取りが行なわれている。

上記構成の複合材５は、金属内筒７に結合材９をセット
し、黒鉛外筒６に挿入したのち、接合温度まで加熱す
る。加熱により金属内筒７は相対的に径が拡大し、結合
材９を介して黒鉛外筒６に拡散接合（または硬ろう付
け）によって接合させられる。

こうして金属内筒７に接合された黒鉛外筒６は、接合後
の冷却過程で金属との熱膨張率の差によって径方向ある
いは軸方向等に力を受ける。ここで、黒鉛外筒６が従来
（第４図参照）のようの両端部に何らの対策も施されて
いないと、軸方向の熱膨張率の差が大きい場合に、黒鉛
外筒６の両端部にクラックが発生することがある。しか
しながら本実施例の黒鉛外筒６は、その両端部6a,6bが
予めテーパ状に面取りされていることにより、冷却過程
でクラックを生じたり、クラックが進展して破損に至る
ことを防止できる。

熱膨張率の差は当然径方向にも現われる。しかし黒鉛外
筒６の径が例えば数mmないし数十mm程度と小さい場合に
は、特に対策を講じなくとも黒鉛外筒６は金属内筒７に
対して比較的安定した接合状態を維持できる。しかし黒
鉛外筒６の径が比較的大きく、金属内筒７に対する径方
向の熱膨張率の差が問題になる場合には、以下述べるよ
うな手段を講じることが望ましい。

すなわち、第２図に示されるように金属内筒７の内面7a
をテーパ状にする。このテーパ状内面7aには、黒鉛また
は黒鉛と同等の熱膨張率の材料からなる押え部材10が挿
入される。押え部材10は円錐台状をなし、その外面は上
記テーパ状内面7aと一致するようにテーパ状をなしてい
る。

第２図に示されるように常温で黒鉛外筒６に金属内筒７
と結合材９および押え部材10等をセットし、接合温度ま
で加熱する。この加熱によって、金属内筒７の外径と内
径が相対的に広がるから、押え部材10に矢印Ｆ方向から
適当な荷重を付加することによって、押え部材10を奥ま
で圧入する。

このように押え部材10を押込みつつ接合温度まで加熱す
ることにより、黒鉛外筒６と金属内筒７は結合材９を介
して拡散結合（または硬ろう付け）によって結合させら
れる。そして押え部材10は金属内筒７から押出されるこ
となく嵌合状態を維持する。

こうして金属内筒７は内部の押え部材10によって収縮が
阻止され、径が広がった状態のまま常温まで戻されるこ
とにより、冷却過程で一種の塑性変形を生じ、押え部材
10を除去しても金属内筒７は拡径したままとなる。従っ
て、黒鉛外筒６と金属内筒７との接合面に剥離方向の過
剰な力が生じることを防げる。押え部材10は通常は冷却
後に適宜の方法で除去するが、特に問題がなければ除去
しないで挿入したまま残してもよい。

上述した複合材５によれば、単なる焼き嵌めや冷やし嵌
め等の機械的嵌合に比べて耐熱性と接合強度が高い。し
かも接着剤を使用した場合のような汚染物質の放出も生
じないため、例えば次に述べるような用途に使用でき
る。

黒鉛の耐熱性は非酸化性雰囲気では約2500℃と優れてい
るため、金属内筒７の内側を適宜の手段によって冷却す
ることにより、優れた高温耐熱性を発揮する。しかも黒
鉛外筒６と金属内筒７との機械的接合強度が高いため、
従来の接着や焼き嵌めでは強度的に使用できなかった条
件下で、メカニカルシールや幅受け等の摺動部材に使用
することが可能である。この場合、金属内筒７の材質は
鉄鋼系金属が適する。黒鉛は自己潤滑性があり、しかも
摩擦抵抗が小さいので無給油の軸受として使用すること
ができる。

しかも上記方法によって得られた複合材５は耐熱性が高
く、かつ高温でも汚染ガスの放出が無いので、例えばＸ
線発生用ターゲットやスパッタリングターゲットとして
炭素を用いる場合に、従来よりも高温度で使用可能であ
る。Ｘ線発生用のターゲットは真空中で使用され、しか
も電子線が照射させられて高温となるため耐熱性が要求
されるとともに、真空雰囲気の汚染のない接合が必要で
あるから、本発明の複合材はこの種の用途に好適であ
る。この場合、金属内筒７には例えば銅合金等が使用さ
れる。

なお、第３図に示されるように黒鉛の両端部6a,6bを曲
面状に面取りするようにしても、上記実施例と同様に黒
鉛の端部6a,6bにクラックが生じることを防止できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、互いに熱膨張率の異なる黒鉛外筒と金
属内筒を拡散接合や硬ろう付けなどにような高温接合に
よって互いに接合する場合に、黒鉛外筒の両端部にテー
パあるいは曲面状の加工を施すだけの簡単な対策によっ
て、黒鉛が破損することを防止できる。しかも本発明の
複合材は耐熱性があり、かつ雰囲気中へのガスの放出の
心配もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す複合材の断面図、第２
図は第１図に示された複合材の製造過程において押え部
材を用いた場合の断面図、第３図は本発明の他の実施例
を示す複合材の断面図、第４図は従来の複合材を例示す
る断面図である。 ５…複合材、６…黒鉛外筒、6a,6b…両端部、７…金属
内筒、９…結合材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端が開口する黒鉛製の外筒と、上記黒鉛
   外筒の内側に挿入されかつ黒鉛外筒よりも熱膨張率の大
   きい金属からなりかつ上記黒鉛外筒との間に設けられた
   結合材を介して上記黒鉛外筒の内周面全体に密接可能な
   外径を有するとともに拡散接合あるいは硬ろう付け等の
   高温接合手段により上記黒鉛外筒に接合される金属製の
   内筒とを具備し、かつ上記黒鉛外筒の両端部の全周にわ
   たり、それぞれ両端に向って外径が漸減するようにテー
   パ状あるいは曲面状に面取り加工した部分を設けたこと
   を特徴とする黒鉛と金属からなる複合材。