JPH11501254A - 非晶質中間バルク層を用いる金属の接合 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの金属材料片（２２，２４）を非晶質金属の接合要素（２６）を用いて接合する。接合作業において、接合要素（２６）を接合すべき２つの金属材料片（２２，２４）の間に配置する。接合要素（２６）とそれに隣接する接合される金属材料片（２２，２４）の領域に、接合温度への加熱、ある時間を通しての２つの金属材料片（２２，２４）の強制的な結合、及び冷却という接合処理手順を施す。接合要素（２６）はその処理が完了した後も非晶質である組成を有する。接合要素（２６）の組成はまた、その処理の間接合される金属材料片（２２，２４）から接合要素（２６）へ元素が相互拡散した後得られる組成が冷却後も非晶質であるように選択される。

Description

【発明の詳細な説明】 非晶質中間バルク層を用いる金属の接合技術分野 本発明は金属の接合に関し、さらに詳細には、非晶質中間結合要素を用いて接 合を行うことに関する。 構造物に金属を利用する殆どの例では、その金属を他の金属とある態様で接合 する必要があり、多数の方法が使用されている。接合方法には、ボルト、リベッ ト、ネジ等のような締結具を用いるものがある。また、金属間直接結合、中間接 着層による結合、或いは中間金属接合層による結合を利用する他の接合方法があ る。後者の範疇には、溶接、ろう付け及びはんだ付けの公知の方法が含まれる。 本発明は接合される材料間に配置される中間金属接合要素を用いる改良接合方法 に関する。 この一般的な既存の接合方法は特定の用途に用いる場合重大な欠点を有する。 溶接では、接合される材料が接合領域において局部的に溶融され、溶加金属で融 着されるのが普通である。溶接される金属、溶加金属、溶接処理及び溶接作業員 の技量に応じて、最終的な溶接接合部にはアンダーカッティング、気孔の形成、 不完全な融着、接合部の不完全な浸透、過度の溶融浸透、溶着部の亀裂、熱変質 部の亀裂が見られることがある。接合される材料片の組成及び微小構造が所望の 状態から局部的に変化し、接合前と比べて強度が弱く腐食しやすくなるのが普通 である。その結果、使用中に溶接接合部から欠陥が発生することが多い。 はんだ付け及びろう付けでは、接合される材料片よりも耐化学薬品性が高く融 点が低い金属の層が材料片の間に流し込まれる。はんだ付けもろう付けもはんだ またはろう付け層の材料片への接着性を利用して接合を行うという意味において 同様な作業である。接合される材料片の表面を融剤処理すると接合部においてか なりの強度を得る助けとなる。はんだ付け及びろう付けに用いる合金は通常、接 合される構造用合金材料片と比較して強度が比較的低く、構造用合金材料片より も脆いことが多い。構造用材料として用いる用途の殆どにおいて充分な大きさの 強度を得ることができるのは、接合部が非常に薄い、数千分の１インチのオーダ ーのときに限られ、その結果接合部に三軸応力状態が生じる。はんだ付け及びろ う付けされた接合部は、気孔が多い、結合が不完全、微小構造が変化している、 作業員の技量に左右されると言うような溶接接合部の問題点の多くを共有する。 溶接接合部と同様、はんだ付け及びろう付け接合部には構造的な欠陥が存在する ことが多い。 中間接合層を用いて金属を接合する改良方法に対する必要性がある。その方法 はこのタイプの他の方法に関して述べた問題点を回避するのが望ましい。本発明 はこの必要性を満たしさらにその関連の利点を有するものである。発明の説明 本発明は金属材料片を接合する方法及びその結果得られる構造物を提供する。 本発明のアプローチは接合される材料片に用いる多種類の母材金属組成に広く利 用可能である。接合は、中間接合要素を溶融することにより迅速に、或いは固相 でよりゆっくりと行うことができる。接合される材料片は接合プロセスの間局部 的にも溶融されない。接合部の厚さには制約がない。接合部の強度は、金属原子 が接合される材料片の表面から液状或いは過冷却された液状金属接合要素へ拡散 により取り込まれることから生じる。従って、接合部は通常、接合される材料片 より高強度であるため、接合された材料片をテストすると接合部それ自体でなく て接合部から離れた所で材料片に欠陥が生じる。本発明のアプローチは作業員の 技量に殆ど左右されず、また接合される物品の密着表面に特別な表面仕上げを施 す必要はない。従って、このアプローチは再現性が高く、大規模商業用途に適し ている。 本発明によると、第１の組成を有する接合すべき第１の材料片と第２の組成を 有する接合すべき第２の材料片が提供される。接合温度、接合時間、接合圧力及 び冷却速度を含む接合処理手順が選択される。この選択に関連して、金属接合要 素が選択され、提供される。この金属接合要素は接合可能組成範囲内の初期非晶 質組成を有し、好ましくは少なくとも３つの元素により形成されている。接合可 能組成範囲の特徴は、金属接合要素を第１及び第２の材料片と接触状態にして接 合処理手順を実行した後において非晶質状態を保持している点にある。この方法 はさらに、第１と第２の材料片の間への接合要素の配置、接合要素の領域とそれ に隣接する第１及び第２の材料片の部分との接合処理手順による処理を含む。 一実施例において、接合要素は、接合処理手順完了後も非晶質状態に保持され る初期組成を有するように選択される。接合処理手順の間、第１または第２の材 料片のいづれかから別の合金元素が表面接触により初期組成内に拡散した結果生 じる、初期組成と関連がある接合要素の付随組成も存在する。この付随組成もま た接合処理手順の終了時において非晶質状態を保持する。 従って、最終的な接合構造は接合すべき２つの材料片と、それらの間の非晶質 接合要素とを含む。接合要素は完全に非晶質であり、接合された材料片はそれら の元の構造を保持する。非晶質金属は、結合及び冷却の間そのガラス転移温度よ りも高い温度で粘性流動し、界面に存在するであろう空所を満たし且つ非晶質金 属と接合される材料片との間の熱膨脹係数の差による残留応力を打ち消すことに よって良好な結合を得るのに役立つ。結合後、その非晶質金属は高い強度を有す る。接合される母材金属と非晶質結合要素との間の相互拡散による結合及び結合 要素の強度により、接合部の厚さとは無関係に強い接合部が得られる。即ち、接 合部の強度はろう付けによる接合部の場合のように三軸応力状態によるものでは ない。尤も、接合部がその長さ及び深さと比べて薄い場合、本発明の接合部には このような三軸応力状態が存在するであろう。 本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示する添付図面に関連して行 う好ましい実施例の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面の簡単な説明 図１は本発明のアプローチにより調製した結合構造の立面図である。 図２（ａ）−（ｃ）は結合領域における及びそれに隣接するところの組成の変 化を示す、図１の構造に関する距離の関数としての組成の概略的なグラフである 。 図３は本発明のアプローチのプロセスの流れを示す図である。 図４は接合処理手順の時間−温度−変化を示す図である。 図５は金属接合要素の最初の選択のためのプロセス流れ図である。 図６は接合可能組成範囲を示す四層図である。本発明を実施するための最適モード 図１は第１の金属材料片２２及び第２の金属材料片２４を接合して形成した構 造体２０を概略的に示す。非晶質の金属接合要素２６が第１と第２の金属材料片 ２２，２４間を延びて接合媒体として働く。第１の金属材料片２２と接合要素２ ６とは第１の界面２８で接触し、第２の金属材料片２４と接合要素は第２の界面 ３０で接触している。金属材料片２２，２４は一定の割合で縮尺されない断片的 な図であるため、接合片２６の寸法を図面から知ることはできない。接合要素２ ６の厚さは強度を失わない程度の所望の厚さで１マイクロメータ以下から１イン チまたはそれ以上の大きさの範囲内にある。 一般的に、第１の金属材料片２２は接合前初期組成Ａを有するものとして、第 ２の金属材料片２４は初期組成Ｂを有するものとして、また接合要素は接合前初 期組成Ｊを有するものとして説明する。接合による図１の構造体の形成後、第１ の金属材料片２２から接合要素２６へ材料Ａの一部が意図的に拡散し、第２の金 属材料片２４から接合要素２６へ材料Ｂの一部が意図的に拡散する。この接合態 様の結果として、接合要素２６から第１の金属材料片２２または第２の金属材料 片２４への材料Ｊの拡散は実質的に存在しない。 図２（ａ）−（ｃ）は界面２８及び３０に垂直な方向の構造体中の距離の関数 としての構造体２０の組成を示す。図２（ａ）を参照して、第１の金属材料片２ ２の組成は実質的に完全に材料Ａである。少量の材料Ａが接合要素２６の第１の 変性領域３２へ界面２８を越えて拡散している。図２（ｂ）を参照して、第２の 金属材料片２４の組成は実質的に完全に材料Ｂである。界面３０を越えて接合要 素２６の第２の変性領域３４へ少量の材料Ｂが拡散している。図２（ｃ）を参照 して、接合要素２６の組成は中央の非変性領域３６では実質的に完全に材料Ｊで ある。それぞれの界面２８，３０に隣接する接合要素２６の領域３２，３４にお ける接合要素の組成は完全に材料Ｊではなく、第１の変性領域３２では材料Ｊと Ａの混合物、また第２の変性領域３４では材料ＪとＢの混合物である。処理の間 接合要素の一部が変性して生じる異なる組成を本明細書では総括的に「付随組成 」と呼ぶ。 領域３２及び３４において組成が変化しても、接合要素の初期組成及び付随組 成は領域３２，３４及び３６において実質的に完全に非晶質であることが重要で ある。全体で実質的に非晶質状態を保持することによって、接合要素２６は接合 作業の間ガラス状態で流動する能力を維持し、接合完了後卓越した強度及び耐腐 食性を保持する。後述する接合作業の重要な特徴は接合要素２６全体を確実に非 晶質に保持することである。 米国特許第４，６２１，０３１号に記載されるように、非晶質材料の層を用い ２つの物品を結合することは過去において知られている。その場合、結合される 物質が非晶質材料内に相互拡散しないように注意が払われており、非晶質材料に 対する相互拡散の影響の問題は注目されていなかった。米国特許第４，６２１， ０３１号のアプローチは、非晶質材料の再結晶温度より高い温度を許容しないと いう点を除き、従来のろう付けに似ている面もある。米国特許第４，６２１，０ ３１号のアプローチは多くの状況において実行可能で高い利用度をもつが、各材 料片２２，２４の母材の一部を接合要素２６に相互拡散させるとそれぞれの界面 ２８，３０において結合強度が改善されることが発見された。本発明のアプロー チでは、米国特許第４，６２１，０３１号とは異なり、接合時の拡散による組成 の変化が接合要素２６内における非晶質状態の維持を妨げないように注意を払う 必要がある。米国特許第４，６２１，０３１号のアプローチでは低い展性相が必 要とされ、以前非晶質であった領域において結晶の形成が許容される。 米国特許第４，７１０，２３５号には２つの材料片の間に結合を形成するため 非晶質材料を用いる別の方法が記載されている。この場合、非晶質材料の融点が 接合される材料片の再結晶温度以下である必要があった。このアプローチは多く の用途で有用であるが、他の用途に用いる場合選択可能な非晶質材料の範囲に制 約がある。 図３は本発明により２つの金属材料片の接合を行うための好ましいアプローチ を示す。接合されるべき第１の金属材料片２２と第２の金属材料片２４の提供を それぞれ４０，４２で示す。第１及び第２の材料片は金属である。第１及び第２ の金属材料片は同一組成及び種類であるが、一般的には、異なる組成及び種類の ものでもよい。２つの材料片２２，２４は図１にそれぞれ界面２８，３０として 示す接合が行われる一般的に整合された密着表面を有する。これらの表面は図示 のように完全に整合状態或いは平坦である必要はない。本発明の良い点は変形に より密着表面の不規則性に適合させ得るように接合要素２６を厚くできることで ある。結合時に界面となる表面もまた特定の仕上げまたは特定の平滑度をもつ必 要はない。それらはごみ、油及び他の汚染物質がないのが望ましいが、これはこ のような汚染物質が結合時に界面に捕捉されると界面の強度が低下する可能性が あるからである。使用可能な金属の種類に制限はない。その例として、ジルコニ ウム、ハフニウム、チタン、鉄、ニッケル、銅及びコバルトが含まれる。（ここ で言う金属とはその名指しした金属の組成が少なくとも５０％を占める合金を含 む）。 接合処理手順の選択を４４で、また金属製接合要素の供給を４６で示す。これ らのステップは、利用可能なデータを用いて、或いは必要な場合所要のデータを 作り出して、互いのステップを考慮しながら一緒に行われるのが普通である。４ ４で示す接合処理手順は、接合温度への加熱、接合される領域への（好ましくは 接合される界面に垂直な方向の）圧力の印加、及び周囲温度への冷却を含む。加 熱速度は、後述するように結晶状態への変化を確実に回避する点を除き重要でな いことが判明している。加熱の態様については制限がなく、炉による加熱、電気 抵抗加熱、摩擦加熱、レーザによる加熱、及び他の加熱方法が実行可能なことが 判明している。加熱方法は材料片２２及び２４の特定の種類に最も適した装置に 応じて選択される。 接合温度は接合要素２６の初期組成のガラス転移温度であるＴｇより高い任意 の温度でありうる。接合要素２６の組成は接合作業の間幾分変化するが、Ｔｇの 値はかかる組成の変化に応じて大きく変化することはなく、本質的に一定値を維 持する。 図４は接合処理手順の決定において有用な時間−温度−変化（ＴＴＴ）図と呼 ばれる図である。ＴＴＴ図は鋼処理の分野で広く知られ利用されている。その原 理を一部修正した形で用いると非晶質／結晶材料の特性を摘示しその処理を説明 するのに有用である。その図は鋼の種々の相ではなくて非晶質（ガラス状態）及 び結晶状態の有用な概念を示すように従来のＴＴＴ図を修正したものである。 好ましくは、図４に示すような対象となる接合要素の組成のＴＴＴ図を接合処 理手順の策定に利用できる。対象となる特定の接合要素の組成にとってこの種の ＴＴＴ図がない場合は、鋼のＴＴＴ図の作成に用いるのと同種の普通の手順によ り容易に作成できる。この手順を簡単に説明すると、その組成のサンプルをある 温度に加熱し、その温度に種々の時間保持し、急冷し、分析する。その構造体が 非晶質か結晶質かを調べる分析はこの２つの状態の回折パターンが著しく異なる ためＸ線回折により最も容易に行える。この２つの状態を判別するこの方法は当 該技術分野においてよく知られている。この手順を種々の温度で繰り返すことに より図４に示す図を作成する。結晶温度Ｔｘは結晶相の鼻部（最も左に延びた点 ）に対応する温度として定義される。 Ｔｇは示差走査熱量計の温度軌跡の吸熱上昇により決まる。Ｔｇの値は通常の 場合と同様、非晶質（ガラス状態の）材料の粘性がほぼ１０¹³ポイズである温度 として定義される。基準として、融点Ｔｍをその材料の粘性が１０²ポイズ以下 に低下する温度として示す。非晶質材料は結晶質材料と同じような融解現象は起 こさないことを認識されたい。それにもかかわらず、基準値Ｔｍを材料の粘性が 低いため観察者にとってそれが溶融状態の固体として振る舞うように見える温度 を示すようにするのが便利である。ＴＴＴ図の正確な値及びそれぞれの相の境界 は組成により異なる。しかしながら、そのばらつきは接合要素の初期組成のＴＴ Ｔ図を付随組成についても使用できるほど充分に小さいのが普通である。鋼処理 技術のように、ここで最も関連のある処理手順では、接合処理手順は小さなばら つきが有意となるほど特定の限界値及び相の境界に接近することはない。 図４のＴＴＴ図が示す重要なて特性は、非晶質から結晶状態への変移が温度及 び時間に依存することである。接合処理手順の目的は、接合要素を非晶質状態に 維持することであり、このため接合処理手順は接合要素が結晶状態の界へ移動す るのを許さない。接合処理手順はまた処理がＴｇより高い温度で行われるように する必要がある。 接合要素２６と少なくともそのすぐ近くの金属材料片２２，２４の部分とは非 晶質の界の中の処理温度へ加熱される。接合要素を粘性変形させて界面２８，３ ０に合致させるため接合圧力が印加される。界面２８，３０が滑らかであれば、 接合要素２６は薄いものでよく、界面に合致させるために大きく変形させる必要 はない。界面２８が粗く凸凹である場合、厚い接合要素を大きく変形させて合致 させる必要がある。接合圧力は選択された温度における接合要素の粘性応じて決 定されるが、処理温度が低ければ高い圧力となる。接合圧力は通常、約１０乃至 約１００気圧である。 ある時間経過後（その選択は後で説明する）、接合要素２６を冷却してＴｇ以 下の温度にし、そこから周囲温度へ下げる。冷却速度は接合要素がＴＴＴ図の結 晶領域に入らないように充分高いものでなければならない。従って、接合温度に ある時間が長ければ長いほど冷却速度を早くして結晶領域に入らないようにする 必要がある。 これらの原理を説明するため、図４に接合処理手順の２つの可能なタイプ、即 ち手順１及び手順２を示す。手順１として示す処理手順では、接合要素と少なく ともその近くの金属材料片２２と２４の部分（また場合によってはその全部）は Ｔｍより高い温度に加熱される。その温度で平方インチ約１５０ポンド（ｐｓｉ ）の圧力が印加される。この温度では結晶状態に変化する可能性は実質的に存在 しないため、接合要素は界面に沿い完全な接触状態が得られるまでの不定の長い 期間その温度に保持される。必要な冷却速度を決定するため、手順１をその原点 に戻すが、これは時間（対温度）がこの場合の必要な冷却速度にとって直接関係 がないからである。冷却速度は手順１の冷却部分が結晶領域内に入らないように 充分に大きくなければならない。実際、これは手順１が結晶領域の鼻部に掛かっ てはならないことを意味する。選択される冷却速度は通常、接合要素の中心が実 験的或いは商業的公差により許容される最小のクリアランス内でその鼻部を通り 過ぎるように最も遅い速度となるように選択される。一般的に急冷及び冷却方法 に共通であるが、冷却速度が過大であると材料片２２または２４の内部に高い応 力が生じるおそれがある。このため、場合によっては手順２のアプローチを用い るのが好ましい。 手順２は完全にＴｘ以下で行われる接合処理手順を示す。接合要素２６と少な くともその近くの材料片２２及び２４の部分はＴｇより高いが結晶相の領域が下 方にそして右方に後退している領域であるＴｘよりも低い温度に加熱される。こ の温度で接合圧力が印加される。接合圧力は通常、非晶質材料の粘性は温度が低 ければ高いため、手順１よりも高い。かかる温度では、時間が進行すると結晶状 態へ変移が起こるため、手順１の場合のように手順２を冷却開始時に原点に戻さ ない。従って、処理温度への加熱は接合及び冷却にできるだけ多くの時間が与え られるように通常はかなり早い速度で行う。手順１の処理手順については、冷却 を、開始後結晶領域にかからないように充分早く進める必要がある。手順２によ り例示される方式に従うにあたり、結晶温度Ｔｘは、ガラス転移温度Ｔｇより、 ２つの温度間で処理が行われるよう充分に高いものである必要がある。従来の商 業方式において、Ｔｘ−Ｔｇは少なくとも約３０°Ｃでなければならないことが 分かっている。 手順１の方式によると接合を短時間且つ低い接合圧力で達成できるが、冷却速 度が比較的大きくする必要があるため最終的な構造体内に内部応力が生じる可能 性が大きい。手順２の方式では、高い接合圧力が必要であるが内部応力が発生す る可能性は低い。手順２の方式は低い温度を使用するため、材料片２２及び２４ の一方またはその両方が特定の望ましい構造体となるよう前もって熱処理されて いるか或いは熱的劣化を受けやすい場合にはこの処理手順の方が適しているであ ろう。これらの方式の選択は材料片２２及び２４の幾何学的形状、構造的熱感受 性及び内部応力（曲げ或いは亀裂が生じる可能性がある）の受けやすさに左右さ れる。 接合処理手順の選択はまた結晶状態の界の位置及び形状にもよる。図４は結晶 状態の界の鼻部が１乃至１０分の範囲内の時間位置にあることを示すが、これは 後述する接合要素の好ましい組成にとって典型的なものである。さらに改良を続 ければ首尾よくその鼻部をさらに長い時間位置に移動させ、処理手順の選択にお いてより大きな柔軟性を得ることができるであろう。鼻部が充分に右方に移動で きれば、処理温度がＴｘとＴｍの間で結晶領域の鼻部を外れるような処理時間及 び冷却速度を用いる接合処理手順が多くの場合実際的であろう。 接合処理手順は、４６において、接合要素２６の組成の選択に関連して決定さ れる。接合要素２６の初期組成は、材料片２２及び２４に隣接する部分が付随組 成に変性した後、接合要素２６全体が非晶質状態として処理されるようなもので なければならない。組成のばらつきに対する安定性に関するこの種の情報は接合 要素２６の候補材料につき利用可能な状態にあるのが望ましい。もしそうでなけ れば、その情報を調査する必要がある。図５はこの情報を得るための手順を示し 、図６はその分析にとって有用であると判明している摘要フォーム図を示す。 ６０において候補材料の初期組成が選択される。この選択は材料片２２及び２ ４に用いる材質に部分的に基づく。初期組成は勿論、提案された処理に適した充 分に高い速度で冷却した後も非晶質の構造を保持できるものでなければならない 。その初期組成は少なくとも３つの意図的に提供される元素よりなるのが好まし いが、これはかかる組成が付随組成への部分的変性にとって最適でありその際非 晶質状態に到達する能力が失われないからである。候補となる組成は、材料片２ ２及び２４と化学的及び物理的に両立可能であると知られている組成である。最 も好ましくは、その候補となる初期組成は第１の材料片２２及び第２の材料片２ ４に見られる主要な元素の一部をも含む。一例として、第１の材料片がチタン系 合金であり、第２の材料片がジルコニウム系合金であれば、好ましい候補材料の 初期組成はチタンとジルコニウムを共に含むか或いチタンとジルコニウムの存在 を許容しそれと同時に処理終了後も非晶質状態を保持すると知られているもので ある。この選択方式により、少なくともある別の材料の接合要素への拡散が許容 されるとある程度確信される。 ６２において、接合要素の候補となる初期組成の多数のサンプルが調製される 。ステップ６４において、これらのサンプルは第１の材料片２２及び第２の材料 片２４に用いられる材料片と接触状態に置かれて一連の二つ組或いは三つ組を形 成する。その例に続いて、候補となる初期組成物がチタンとジルコニウムの材料 片間にサンドイッチ状に置かれた多数の三つ組が調製される。次いで、６６にお いて、サンプルが候補となる接合処理手順に従って処理され、６８において、接 合要素が完全に非晶質状態を維持しているか否かをチェックするための評価が行 われる。これらの完全に非晶質のサンプルは接合可能組成範囲内にあることが決 定される。 図６は４つの成分を有する合金系（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）の接合可能組成範囲を示 す正四面体図のアプローチを示し、この合金系は材料片２２または２４の一方の 主要成分である元素Ｂを含む。合金系（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）は少なくともある状況 のもとで非晶質状態を得ることができるものとして知られている。接合要素の候 補となる初期組成を選択し、それを図６のグラフ上で点Ｙとして記入する。上述 のアプローチに従うか或いは特定組成のサンプルを調製または分析することによ って調製及び分析した合金ＹとＢと間の拡散対をそれらが非晶質或いは結晶質か 否かにつき記入する。非晶質領域と結晶領域に分割するように描いた表面が接合 可能組成範囲８５である。 組成Ｙは上述したように、組成Ｂの材料片と、またもう一方の材料片と接触状 態で処理するのに適当である必要がある。そのもう一方の材料片が同じ組成Ｂで あれば評価の必要はない。一方、そのもう一方の材料片が組成Ａのような別の組 成であれば、Ａに対するその候補組成Ｙの安定性も調べる必要がある。一見して 複雑なようであるが、この評価プロセスは実際簡単であり、上述したアプローチ に手引きされると当業者の技量で充分実行できる。 接合要素２６の材料がいったん決定されると、界面２８及び３０に適合するに 必要な接合要素の寸法が決まる。この接合要素を提供するには２つの異なるアプ ローチがある。その１つは別個の、一体的でない接合要素を調製する。もう一方 は、接合要素の組成を電気メッキ、スパッタリング、電子ビーム蒸着或いは他の 方法により材料片２２または２４の一方の上に直接被覆物として付着させる。接 合要素は、その実用性がろう付けの場合のように任意特定の厚さになったか否か に依存しないため、厚さは任意適当でよい。 ４８において、接合要素２６は第１の材料片２２と第２の材料片２４との間に 配置される。接合要素を調製する第１のアプローチでは、２つの材料片２２及び ２４を接合要素２６の周りにサンドイッチ状に配置する。第２のアプローチでは 、接合要素を付着させた材料片を密着表面に沿ってもう一方の材料片と接触状態 に置く。 ５０において、接合処理手順を実行する。接合処理手順の選択については上述 した。 現在において最も好ましいケースとして、５つの成分系の合金（Ｚｒ，Ｔｉ， Ｃｕ，Ｎｉ，Ｂｅ）を接合要素の主成分として用いる。任意特定のケースにおい て、これらの元素のうちその１つの量をゼロに近付けることができる。（これら の合金は、Ｃｕ及びＮｉの溶解特性が類似しているため両者を一緒にすることが できるので、図６のように４成分図としてに描くことが可能である。しかしなが ら、図６はそれらの関係を示すのに便宜的に用いるものであって本発明の実施に とって必要条件ではない）。この系内の組成は処理の間非晶質状態を得ることが 一般的に可能であると知られている。米国特許第５，２８８，３４４号を本明細 書の一部を形成するものとして引用する。本発明に利用可能な他の合金系が他の 用途に用いるものとして当該技術分野で知られている。例えば、本明細書の一部 を形成するものとして引用する米国特許第５，０７４，９３５号；５，０５３， ０８４号及び５，０５３，０８５号を参照されたい。 本発明者等はジルコニウム系、鉄系、ニッケル系、銅系、チタン系の材料片の 接合に特に関心があり、このため米国特許第５，２８８，３４４号の合金系（Ｚ ｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｂｅ）に研究を集中した。この系の中では好ましい接合 要素は非晶質構造を有し、その組成は銅、ニッケル、コバルト及び鉄の合計の原 子重量％が約１０乃至約３８％、ジルコニウムの原子重量％が約４５乃至約６７ ％、ベリリウムの原子重量％が約１０乃至約３５％、それに付随的な不純物があ り、百分率の合計は百原子重量％である。この範囲の組成物は、叙上の組成範囲 の材料片２２及び２４と接触状態で且つ処理条件の範囲で、優れた非晶質保持特 性を有することが分かっている。他の種類の材料片２２及び２４の接合に関心の ある人は他の系に大きな関心があるであろう。 以下の例は本発明の種々の面を示すものであるが、本発明をいかなる点におい ても限定するものと考えるべきではない。例１ 市販の純粋なチタンの直径８分の１インチの棒２本を、接合される材料片とす るため、密着表面が平らになるように研削した。組成が重量％でニッケル８．７ ％、銅７．１％、ベリリウム３．０％、残りがジルコニウムである厚さ２５マイ クロメータの接合要素を調製して、チタンの棒の密着表面間に配置した。棒を１ ０ボンドの力で押し付けた。それらの棒はキャパシタ放電抵抗加熱用電極として 用いるものであった。加熱を行うために、それらの棒を介して２０，４０，８０ ジュールのパルスを、次いで１００ジュールのパルス８個を放電させた。放電加 熱の後、接合要素とその近くの材料片の領域をバルクへの熱流により急速に冷却 した。接合完了後棒に簡単な張力荷重を加えた。５７ポンドの荷重で欠陥が生じ たが、その欠陥は一方のチタン製棒の接合部から離れたところで生じた。従って 、接合部それ自体は棒よりも高い強度をもつことが分かった。例２ 純粋な銅の直径８分の１インチ棒２本を丸削りして先端部の直径がちょうど１ ６分の１インチにした。例１で用いたと同じ合金の薄いフォイルをその先端部間 に配置し、それらの棒に１０ポンドの圧縮力荷重を加えた。例１のキャパシタ放 電方式によりそれぞれ８０ジュールのパルス５個により加熱を行った。冷却後、 棒に単純な張力荷重を加えた。７．８ポンドの力の荷重で欠陥が生じたが、その 欠陥箇所は一方の銅棒の接合部から離れた所であった。例３ ＡＩＳＩ１０１８鋼を冷間圧延したバーから造った直径４分の３インチの棒２ 本を，それぞれ端部において機械加工し平らにした。組成がニッケル８．７重量 ％、銅７．５重量％、ベリリウム３．０重量％、残りがジルコニウムの合金の薄 いフォイルを一方の棒の平らな表面上にスポット溶接し、もう一方の棒を接合要 素のもう一方の側と接触状態に置いた。その棒と接合要素を慣性摩擦溶接により Ｗｋ２が１．４４５で加熱した。フライウィールを毎分７４１０回転で回転させ 軸方向荷重として５８４４ポンドの力を加えたため、付与されたエネルギーは１ ３，７９０フィート−ポンドであった。重大なことは溶接における金属のロスは ０．００３インチであるが、これは炭素鋼の従来の慣性摩擦溶接ではかなり小さ いものであった。溶接した材料片から引っ張り試験片を切り出しその張力テスト を行った。溶接部の近くで応力３４０００ｐｓｉにおいて欠陥が生じた。例４ 化学的に純粋なジルコニウム１０ｇのサンプルを組成がジルコニウム６２．６ 重量％、銅１３．２重量％、チタン１１．０重量％、ニッケル９．８重量％、ベ リリウム３．４重量％の同量の接合要素と接触させた。この接合要素は９００° Ｃで液状であり水冷炉床で冷却した。透過電子顕微鏡により高倍率で見ることに よって分かるのであるが、非晶質の接合合金はジルコニウムを充分に湿潤状態に した。界面には連続的に結合された領域があった。接合合金は冷却後も完全に非 晶質であり、ジルコニウムとの間で原子的にシャープな界面が形成された。接合 されたサンプルを欠陥が生じるまで曲げた。その欠陥はジルコニウムの分離によ るものであった。例５ 例５はジルコニウムの代わりに化学的に純粋なチタンを用いる点を除き同じで ある。同様な結果が得られ、チタンの分離による欠陥が生じた。 本発明の特定の実施例を例示目的で詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲 から逸脱することなく種々の変形例及び改善例が考えられるであろう。従って、 本発明は後記の特許請求の範囲による場合を除き限定されるべきでない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，Ｂ Ｇ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ジョンソン，ウィリアム，エル アメリカ合衆国，カリフォルニア州 91107，パサデナ，マウンテンビュー・ア ヴェニュー 3546 (72)発明者 ボルトン，ジミー，ビー アメリカ合衆国，テキサス州 77301，コ ンロウ，キャントレル 1701 (72)発明者 ペカー，アタカン アメリカ合衆国，カリフォルニア州 91106，パサデナ，イースト・ヴィラ・ナ ンバーファイブ 1001

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの金属材料片を接合する方法であって、 第１の組成を有する接合すべき第１の材料片を提供し、 第２の組成を有する接合すべき第２の材料片を提供し、 接合温度、接合時間、接合圧力及び冷却速度を含む接合処理手順を選択し、 接合処理手順の間非晶質状態に保持される初期組成及び接合処理手順の間第１ の組成及び第２の組成より成る群からの別の合金元素が表面接触によりその初期 組成へ拡散した結果その初期組成に関連することになった付随組成を有する金属 の接合要素を選択し、 接合要素を第１の材料片と第２の材料片の間へ配置し、 接合要素の領域とそれに隣接する第１及び第２の材料片の部分とを接合処理手 順で処理するステップより成り、 この処理ステップは接合要素とそれに隣接する第１及び第２の材料片の部分と を接合要素の初期組成及び付随組成が冷却完了後も非晶質状態を保持するように 充分に早い速度で冷却するステップを含む、接合方法。 ２．接合要素を提供するステップは、第１及び第２の材料片とは別に接合要素 の材料片を調製するステップを含む請求項１の方法。 ３．接合要素を提供するステップは、第１及び第２の材料片の一方の上に接合 要素材料の層を付着させるステップを含む請求項１の方法。 ４．処理ステップは、接合要素をその融点より高い温度に加熱するステップを 含む請求項１の方法。 ５．処理ステップは、接合要素をその融点より低い温度に加熱するステップを 含む請求項１の方法。 ６．接合要素を提供するステップは、初期組成結晶温度と初期組成ガラス転移 温度を有しその初期組成結晶温度が初期組成ガラス転移温度よりも少なくとも約 ３０°Ｃ高い接合要素を提供するステップを含む請求項５の方法。 ７．請求項１の方法により調製した接合構造。 ８．２つの金属材料片を接合する方法であって、 第１の組成を有する接合すべき第１の材料片を提供し、 第２の組成を有する接合すべき第２の材料片を提供し、 接合温度、接合時間、接合圧力及び冷却速度を含む接合処理手順を選択し、 初期組成が接合可能組成範囲内にある金属製接合要素を提供し、 接合可能組成範囲は金属製接合要素を第１及び第２の材料片と接触状態にして 接合処理手順を実行した後金属製接合要素が非晶質状態にあることで特徴付けら れる範囲であり、 接合要素を第１の材料片と第２の材料片の間へ配置し、 接合要素の領域とそれに隣接する第１及び第２の材料片の部分とを接合処理手 順で処理するステップより成る接合方法。 ９．金属製接合要素を提供するステップは、 高い温度から充分に早い速度で冷却した後も非晶質構造を呈する材料の母材合 金組成を選択し、 母材合金組成と第１の組成及び第２の組成のうち選択した１つの組成との組み 合わせである異なる合金組成の複数のサンプルを調製し、 各合金サンプルを第１の組成及び第２の組成のうち選択した１つの組成の材料 片と接触状態において複数の反応対を形成し、 接合処理手順をその反応対に対して実行し、 サンプルが接合処理手順の後非晶質であるか否かを調べるためにサンプルを評 価するステップより成り、 接合処理手順の後非晶質であるサンプルは接合可能組成範囲内にある、接合方 法。 １０．接合要素を提供するステップは、第１及び第２の材料片とは別に接合要 素の材料片を調製するステップを含む請求項８の方法。 １１．接合要素を提供するステップは、第１及び第２の材料片の一方の上に接 合要素材料の層を付着させるステップを含む請求項８の方法。 １２．処理ステップは、接合要素をその融点より高い温度に加熱するステップ を含む請求項８の方法。 １３．処理ステップは、接合要素をその融点より低い温度に加熱するステップ を含む請求項８の方法。 １４．接合要素を提供するステップは、初期組成結晶温度と初期組成ガラス転 移温度を有しその初期組成結晶温度が初期組成ガラス転移温度よりも少なくとも 約３０°Ｃ高い接合要素を提供するステップを含む請求項１３の方法。 １５．接合要素を提供するステップは、意図的に少なくとも３つの元素より成 る金属製接合要素を提供するステップを含む請求項８の方法。 １６．請求項８の方法により調製した接合構造。 １７．２つの金属材料片を接合する方法であって、 チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル及び銅より成る群から選択した元素を少 なくとも５０重量％有する組成の接合すべき第１の材料片を提供し、 チタン、ジルコニウム、鉄、ニッケル及び銅より成る群から選択した元素を少 なくとも５０重量％有する組成の接合すべき第２の材料片を提供し、 銅、ニッケル、コバルト及び鉄の合計の原子重量％が約１０乃至約３８％、ジ ルコニウムの原子重量％が約４５乃至約６７％、ベリリウムの原子重量％が約１ ０乃至約３５％、それに付随的な不純物があり、百分率の合計が百原子重量％の 組成と、非晶質構造を有する金属製接合要素を提供し、 接合要素を第１の材料片と第２の材料片の間へ配置し、 第１の材料片、接合要素、第２の材料片を接合するに充分な温度・時間条件下 で第１の材料片と第２の材料片を強制的に結合し、 接合要素の結晶を回避するに充分な速度で接合要素を周囲温度に冷却するステ ップより成る接合方法。 １８．請求項１７の方法により調製した接合構造。