JP2004523363A - ロウ付用フラックスとしての還元用金属 - Google Patents

Abstract

本発明は接合体の製造方法を含む。この方法は、第１の酸化物を形成でき、かつ融解温度が６６０℃よりも高い第１の材料と、第１の材料上の第１の酸化物の少なくとも一部を還元できる、第１の材料に隣接した第１の還元用金属と、還元用金属に隣接したロウ材と、融解温度が６６０℃よりも高い材料を含む、ロウ材に隣接した第２の材料と、を含む多層アセンブリを形成することを含む。さらに、この方法は、続いてアセンブリの周りに真空を作り、アセンブリを加熱して還元用金属とロウ材とを溶かすことを含む。続いて、このアセンブリを冷却することで接合体を形成する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体（ｂｒａｚｅｄ ｂｏｄｉｅｓ）の製造方法とこれによって作製される研磨物品とに関する。
【背景技術】
【０００２】
２つまたはそれ以上の材料のアセンブリを接合または連結して１つの構造体にする方法にロウ付（ｂｒａｚｉｎｇ）がある。ロウ付は、ロウ材（ｂｒａｚｅ）と任意にフラックスとの存在下で両材料の固相線温度未満の温度まで材料を加熱して行われる。こうしてロウ材で接合された金属と金属との結合が接合体である。場合によっては、ロウ材の前にフラックスを用いて一方または両方の金属の表面を還元する。これによって表面に濡れが生じ、一層良好な結合状態が得られるのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ホウ化物やフッ化物などの非金属イオン塩を含有するものなど、周知のフラックスのなかには低温で酸化物を溶かして機能するものがある。たとえば、ハンディフラックス（ＨＡＮＤＹ ＦＬＵＸ）という商品名で市販されているフッ化物系フラックス（ウィスコンシン州カダヒ（Ｃｕｄａｈｙ）のルーカス・ミルホープト・インコーポレイテッド（Ｌｕｃａｓ Ｍｉｌｈａｕｐｔ，Ｉｎｃ．）から販売）には、３１５℃で酸化物を溶解しはじめ、５９０℃から８７０℃まで活性を維持できるフッ化物が含まれている。このタイプのフラックスでは、いずれ接合体の腐食斑の一因となる残留フラックスやフラックスの反応生成物が接合体に残ってしまうことがあるため、状況次第で上記のフラックスが望ましくない結果につながる場合がある。また、これらのフラックスを用いると、非腐食性材料の金属面が完全に除去されてしまい、ステンレス鋼上に鉄分の多い表面が残るなど腐食性材料だけが本来の場所に残ることがある。このタイプのフラックスの量を最小限にすることで、いずれ接合体に出てくる可能性のある腐食の量を抑えることにつながる。
【０００４】
ところで、ロウ付を行う上で好ましい環境のひとつに真空炉がある。真空炉の雰囲気中には最小限の酸素しかなく、金属を加熱しても酸化は起こらないためである。ホウ化物やフッ化物を含むフラックスは揮発性が高すぎて真空炉では使用できず、たとえ真空炉といえどもあらゆる金属の表面酸化を阻止することはできない。このような金属の一例としてステンレス鋼があげられる。すなわち、ステンレス鋼の表面にクロムの酸化物が存在すると、真空炉の中であってもステンレス鋼部品の濡れが妨げられてしまうのである。これに対する周知の解決策のひとつに、ステンレス鋼の表面にニッケルの薄い層をめっきする方法がある。ロウ材がニッケル表面を濡らし、金属の拡散がゆえにめっきしたニッケルとステンレス鋼の母材との間の結合が強くなる。ステンレス鋼にニッケルをめっきする方法は有効ではあるが、これには費用のかかるめっきの工程が必要であり、めっきしたニッケルが均一な被覆や密着性などのロウ付の要件を確実に満たすようにする上で品質保証の問題が発生してしまう。
【０００５】
もうひとつの周知の解決策として、Ｂｒａｚｉｎｇ ｏｆ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ（ステンレス鋼のロウ付）、ポール・エフ・ストラットン（Ｐａｕｌ Ｆ． Ｓｔｒａｔｔｏｎ）著、Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｉｎｇ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ、第Ｈ１４〜Ｈ１６頁（２０００年８月）に記載されているように、真空炉に水素を混合して炉内の酸素と反応させ、これによって酸素のない環境を達成する方法がある。しかしながら、現実には酸素のない環境を達成するのはほぼ不可能である。極めて酸化されやすいため非常にドライな水素雰囲気を必要とする特定の金属（クロムなど）の場合は特にそうである。
【０００６】
したがって、真空炉中で不揮発性でありながら、金属、特に酸化されやすい金属の表面を還元できるロウ付用フラックス（ｂｒａｚｉｎｇ ｆｌｕｘ）を提供することが望まれている。また、接合しにくい金属をロウ付する単純かつ安価な方法が得られると望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態において、本発明は接合体の製造方法を含む。この方法は、第１の酸化物を形成でき、かつ融解温度が６６０℃よりも高い第１の材料と、第１の材料上の第１の酸化物の少なくとも一部を還元できる、第１の材料に隣接した第１の還元用金属と、還元用金属に隣接したロウ材と、融解温度が６６０℃よりも高い材料を含む、ロウ材に隣接した第２の材料と、を含む多層アセンブリを形成するステップを含む。さらに、この方法は、アセンブリの周りに真空を作るステップと、アセンブリを加熱して還元用金属とロウ材とを溶かすステップを含む。続いて、このアセンブリを冷却することで接合体を形成する。
【０００８】
本発明のもうひとつの態様は、融解温度が６６０℃よりも高い第１の材料を含む第１の層と、融解温度が６６０℃よりも高い第２の材料を含む第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられたフィラー層であって、ロウ材と酸化アルミニウムとを含有する複合組織合金を含むフィラー層とを含む接合体を提供するものである。
【０００９】
また、本発明では、溶融研磨体を含む第１の層と、融解温度が６６０℃よりも高い材料を含む第２の層と、第１の層と第２の層との間に設けられたフィラー層であって、ロウ材と還元用金属酸化物とで構成された複合組織合金を含むフィラー層とを含む研磨物品を提供することもできる。本発明のもうひとつの実施形態は、複数の研磨粒子と、融解温度が６６０℃を上回る金属と、ロウ材と酸化アルミニウムとを含有する、金属と研磨粒子との間のフィラー層とを含む研磨物品を含む。さらに、本発明によれば、ロウ材金属箔と、ロウ材の一表面の少なくとも一部を覆う、少なくとも８マイクロメートル厚のアルミニウムコーティングとを含む多層ロウ付アセンブリが得られる。
【００１０】
本願明細書において使用する以下の用語を以下のとおり定義する。
【００１１】
「フラックス」とは、母材金属の表面から酸化物を除去して母材金属の濡れを促進する材料を示す。
【００１２】
「自然酸化物」とは、他に酸化物コーティングを加えることなく金属から形成される金属酸化物を示す。
【００１３】
「還元用金属」とは、生成自由エネルギがこの金属での還元対象となる別の金属の酸化物の生成自由エネルギよりも小さい酸化物を形成する金属を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
作製方法
本発明による接合体製造方法の一実施形態を図１および図２に示す。最初にアセンブリ１０を形成して本発明による接合体の特定の実施形態を作製する。アセンブリ１０は、還元用金属１６の表面１６ａ側で還元用金属１６と接触した第１の材料１８を含む。ロウ材１４には第１の表面１４ａがあり、対向する還元用金属１６の表面１６ｂと接触するように配置されている。この状態で、ロウ材の第２の表面１４ｂが第２の材料１２と接触するように配置される。
【００１５】
特定の実施形態では、第１の材料１８は金属である。当業者間で周知の機械的または化学的な手段によって第１の材料１８の表面を前処理し、不純物（油分など）やミルスケール（高温プロセスで発生する厚い酸化物層）を除去しておいてもよい。いくつかの実施形態では、第１の材料１８の融解温度または固相線温度が６６０℃よりも高く、たとえば約８５０℃から約１６００℃である。いくつかの実施形態では、融解温度または固相線温度が１０００℃を上回る。本発明は、どのような厚さの材料でも機能する。第１の材料１８の厚さが０．３センチメートルよりも厚くてもよく、たとえば約０．３センチメートルから約１．０センチメートルとすることができる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、第１の材料１８は酸化物を形成できるものなどである。たとえば、ステンレス鋼の表面には、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、コバルトおよびこれらを含有する合金（たとえばニューヨーク州ハンティントンのインコアロイズ・インターナショナル（Ｉｎｃｏ Ａｌｌｏｙｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）から入手可能な、商標名インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）で販売されている合金）などの他の材料の場合と同様に、容易に酸化物が形成される。ステンレス鋼では、主にステンレス鋼の表面でクロムが大気中の酸素と反応してクロム酸化物を多く含む層ができることで、酸化物が形成される。クロム酸化物を多く含む層があると表面をロウ材で濡らすのが難しくなり、ロウ付によって表面を他の材料に結合する機能が妨げられる。
【００１７】
第２の材料１２は、層（図示のとおり）であってもよいし、単数または複数のばらの物体（図示せず。研磨粒子など）であってもよい。特定の実施形態では、第２の材料１２は非金属である。他の実施形態では、材料１２および１８のいずれも金属である。このような実施形態では、材料１２および１８は同一の金属であっても異なる金属であってもよい。金属材料としては、たとえば、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、クロム、コバルト、銅、これらを含有する合金があげられる。非金属材料としては、たとえば、セラミック、立方晶窒化ホウ素、窒化アルミニウムまたはダイアモンドがあげられる。また、第２の材料１２は、金属材料と非金属材料との混合物であってもよい。第２の材料１２の厚さは約２５０マイクロメートルとすることができる。しかしながら、他の材料厚が本発明に適している場合もある。材料１２および１８は同一の厚さであってもよいし、それぞれ異なる厚さであってもよい。また、材料１２および１８は、対になって互いにかみあう複雑な形状（図示せず）のものであってもよいし、あるいは、材料１２および１８が互いにかみあわない形状（すなわち、これらの材料を並べると間にすき間ができる）のものであってもよい。第２の材料１２には対向する表面１２ａがあり、この表面を焼結、ロウ付、あるいは他の構造体（図示せず）に結合してもよい。
【００１８】
特定の実施形態では、第２の材料１２も酸化物を形成できるものとすることができる。この場合、ロウ材の反対側１４ｂを第２の還元用金属（図示せず）と接触させて配置し、第２の材料１２を第２の還元用金属と接触させて配置することになる。第２の還元用金属は、第２の材料１２を還元できる限りにおいて最初の還元用金属１６と同一であっても異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、第２の材料１２の融解温度または固相線温度が６６０℃よりも高く、たとえば約８５０℃から約１６００℃である。いくつかの実施形態では、融解温度または固相線温度が１０００℃を上回る。
【００１９】
図２に縦の矢印「ａ」で示すように、アセンブリ１０全体を任意に加圧下で適所に維持してもよい。この圧力については、油圧シリンダまたは空気圧シリンダ、錘またはクランプ（Ｃクランプ、ばねクランプなど）あるいは当業者間で周知の他の適当な機械的結合手段または非接着結合手段で印加することができる。圧力によって、ロウ材１４および還元用金属１６の一部をアセンブリの側面から押し出し、完成品から除去することができる。
【００２０】
次に、アセンブリを加圧下で適所に保持したままアセンブリの周りに真空を作る。真空を作るには空気圧を少なくとも約０．６Ｐａまで下げる。いくつかの実施形態では、真空は少なくとも０．１Ｐａ、たとえば０．０５Ｐａである。
【００２１】
真空下で圧力によって全体を保持した状態のまま、図２に縦の矢印「ｂ」で示すようにアセンブリ１０を加熱する。いくつかの実施形態では、約８０から約１２０℃の範囲まで温度を上昇させ、吸収された水分をアセンブリから除去する。ロウ付温度は選択したロウ材の液相線によって決まる。通常、ロウ付温度はロウ材の液相線温度よりも約１０から約８０℃高い温度である。場合によっては、残留している有機材料をすべてアセンブリから焼き落とすために、アセンブリ１０を約２５０から約４００℃の範囲まで約１から約１０分間かけて加熱する。次に、ロウ材と還元用金属とを溶かすために約７００から約９００℃の範囲まで約１から約１５分間かけて温度を上昇させる。
【００２２】
続いてアセンブリを冷却する。この冷却は、従来技術において周知のどのような手段で行ってもよい。たとえば、真空チャンバに冷却ガスを導入して冷却を行ってもよいし、あるいは熱を止めた後もアセンブリを真空内に残しておき、徐々に室温に戻すようにしてもよい。また、アセンブリを急冷することもできる。さらに、室温および大気圧で冷たくなるまでアセンブリを冷ます形で冷却を行ってもよい。
【００２３】
ロウ材
本発明の接合体には、適当なロウ材であればどのようなものでも使用できる。ロウ材は、一般に融点が４５０℃よりも高いが、接合対象となる材料の融点よりは低く、その融点未満なのが普通の金属または合金である。通常、ロウ材は接合対象となる材料との関係に応じて選択される。ロウ材を選択する際には意図した用途での強度と腐食の要件を満たすようにする。また、どのロウ材がどの金属と結合できるのかは周知であり、よって接合対象となる材料１２および１８の性質に応じてロウ材を選択しなければならない。たとえば、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（カーク・オスマー エンサイクロペディア・オブ・ケミカル・テクノロジー）、第２２巻、第４８９〜４９０頁（第４版、１９９７年）にロウ材が列挙されている。さらに、銀またはインジウムを含有するものなど、合金によってはそのコストが特定の用途の一要素になることがある。ロウ材は、接合対象となる材料の表面を濡らすことのできるものでなければならない。ロウ材の一例としては、ニッケル、ニッケル合金、銀、銀合金、金、金合金、銅、銅合金、鉄、鉄合金、コバルト、コバルト合金、スズ、スズ合金、ホウ素、ケイ素、クロム、クロム合金、インジウムおよびこれらの混合物があげられるが、これに限定されるものではない。
【００２４】
いくつかの実施形態では、銅、銀、スズ、インジウムまたはこれらの組み合わせを含有するロウ材などでは７００℃付近の温度でロウ材が溶ける。特定の実施形態では、ロウ材が固体の箔または多孔性の箔の形態であってもよい。通常、このような場合のロウ箔（ｂｒａｚｅ ｆｏｉｌ）は約２５から約７６０マイクロメートル厚である。
【００２５】
還元用金属
本発明の接合体はさらに還元用金属を含む。このような還元用金属は、金属面におかれると、酸化物として金属の表面にある酸素と反応する働きを持つ。金属面の酸化物中に含まれる酸素は還元用金属との酸化物を形成することを好むため、表面の酸化物中に含まれる酸素と還元用金属との間の酸化反応により還元が起こる。この酸化反応によって還元用金属の一部が酸化物に変換され、表面の酸化物を還元する作用を持つため、表面を濡らして結合するのに有利な状態にすることができる。
【００２６】
還元用金属は、金属の表面上の酸素と反応することで結合対象となる金属に酸化物のない表面を作り出す。金属の表面にある酸素の少なくとも一部が還元用金属を優先的に酸化していくため、実質的に自然酸化物のない金属面が残る。
【００２７】
システムごとに適切な還元用金属を選ぶにあたり、エリンガム図を使用すると選択を行いやすい。エリンガム図を用いて、特定の温度で特定の金属と平衡する酸素の分圧（Ｐ_Ｏ２）を推測する。本願明細書では図４にエリンガム図を示す。また、デービッド・アール・ギャスケル（Ｄａｖｉｄ Ｒ．Ｇａｓｋｅｌｌ）著、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（素材熱力学概論）、第３版、マグローヒル・ブック・カンパニー（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ，Ｃｏ．）、第３７０頁の図１０．１３にもエリンガム図の一例が掲載されている。
【００２８】
エリンガム図を示す図４を参照すると、ｘ軸は温度（℃）を示し、ｙ軸は酸化物の生成自由エネルギ（ΔＧ_ｏｘｉｄ（ジュール／モル））を示す。調べたい特定の金属の酸化反応をエリンガム図から求めるには、調べたい温度に対応する垂直線と金属の酸化を示すエリンガム線との交点を定める。次に、この交点と図の左上にある「Ｏ」という点とを結ぶ線を引く。さらに、その線を図の一番下または右側にあるＰ_Ｏ２の目盛りと交わるまで延長する。こうして得られるＰ_Ｏ２目盛り上の交点が、調べたい温度で調べたい金属と平衡するときのＰ_Ｏ２（ａｔｍ）である。
【００２９】
上記にて概説した手順を用いると、特定の金属に適した還元用金属では、結合の一部になっている金属のロウ付温度における平衡のＰ_Ｏ２よりもロウ付温度における平衡のＰ_Ｏ２が低くなる。たとえば、ロウ付温度約８００℃におけるアルミニウムのＰ_Ｏ２は約１０^−４２気圧であり、クロムのＰ_Ｏ２は約１０^−３０気圧である。したがって、アルミニウムはクロムに適した還元用金属のひとつである。
【００３０】
金属が特定の金属に適した還元用金属であるか否かを推測するためのもうひとつの方法に、還元用金属がロウ付条件で酸化する際のギブス自由エネルギ（ΔＧ_ｏｘｉｄ）が接合対象となる金属のΔＧ_ｏｘｉｄよりも小さいか否かを求める方法がある。特定温度における金属の酸化反応のΔＧ_ｏｘｉｄについてもエリンガム図から求めることが可能である。まず、調べたい温度に対応する垂直線と調べたい金属の酸化反応を示すエリンガム線との交点を求める。次に、この交点からｙ軸までｘ軸に平行な水平線を引く。この水平線がｙ軸と交わる点が各温度での金属の酸化反応のΔＧ_ｏｘｉｄになる。見込みのある還元用金属のΔＧ_ｏｘｉｄが接合対象となる金属のΔＧ_ｏｘｉｄよりも小さい場合、その金属に還元用金属を用いることができる。
【００３１】
特定の実施形態では、還元用金属がアルミニウムである。たとえば、ステンレス鋼を他の材料と接合する実施形態またはステンレス鋼をステンレス鋼と接合する実施形態では、アルミニウムを還元用金属として利用することができる。アルミニウムはステンレス鋼の表面にあるクロムの酸化物に対する還元用金属であり、これを金属クロムに変換するため、ロウ付金属を濡らしてステンレス鋼に結合することができる。アルミニウムは一般に薄箔の形態であり、これをステンレス鋼とロウ材フィラー金属との間に配置する。ロウ材フィラー金属組成物の変化を最小限に抑えるには、アルミニウム箔はロウ材よりもかなり薄いが、同時にクロムの酸化物と反応させられるだけのアルミニウムがあるような十分な厚さでなければならない。
【００３２】
また、アルミニウムは、耐食性を高める目的で金属合金に添加されることが多い。少量のアルミニウムで金属の表面に保護層を形成し、腐食を抑えることができる。さらに、酸化アルミニウムは他の酸化物ほど外見の悪いものではないし、耐食性を持たせることで接合体の強度が保たれることも多い。なお、酸素に対する親和性がクロムよりも高い他の元素が使われることもある。こうした元素として、チタン、ケイ素、マグネシウムがあげられる。
【００３３】
クロムの酸化物を還元するのにアルミニウム以外の材料で何を選ぶかは、ロウ材と還元用金属の融点によって決まる。ステンレス鋼の表面の酸化物を活発に還元するには、還元用金属がロウ材フィラー金属の融点よりも若干低い温度で溶けるのが最もよい。還元用金属がロウ材よりもかなり低い温度で溶けると、ロウ材フィラー金属が溶けるまでに時間がかかりすぎてしまい、大気と反応して接合部の強度を落とす望ましくない物質が形成されてしまうことがある。
【００３４】
通常、ロウ付作業を行うまでは還元用金属１６はロウ材１４とは別の層である。還元用金属層１６については、たとえば、別の箔層の形態とすることができる。これらの実施形態では箔層は通常約０．３から約２００マイクロメートル厚である。この箔層は中実の層であってもよいし、開口を含むもの（たとえばメッシュまたは多孔性箔など）であってもよい。いくつかの実施形態では箔層は約５から約１２０マイクロメートル厚であり、たとえば約５から約２０マイクロメートル厚である。あるいは、還元用金属層１６は粉末形態であってもよく、これを第１の材料１８の上に振りかけることが可能である。これらの実施形態では還元用金属の層を第１の材料の上に振りかけて一般に約５から約２０マイクロメートル厚の層を形成する。また、還元用金属層１６は、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき、浸漬被覆または蒸着などによって成膜した、ロウ材１４上のフィルムコーティングの形態であってもよい。これらの実施形態では、ロウ材に成膜するコーティングの厚さを約０．５から約５マイクロメートルとすることができる。
【００３５】
ロウ材と還元用金属との間に金属間化合物が形成され、熱が放出される場合に、もうひとつ利点が得られる場合がある。たとえば、銅ロウ材と還元用金属にアルミニウムとを含む系では、ＡｌＣｕが形成される際に１モルあたり約４０キロジュールの熱が放出され、これがロウ材を溶かす一助となる。特定の理論に拘泥されるわけではないが、この熱力学的推進力（ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）によって還元用金属とロウ材とを良好な状態で混合、強健で均一な接合部が得られると思われる。このようにして、接合部の片側でロウ材と金属との間に比較的純粋な還元用金属の薄い層だけしか挟んでいない構造物を得る。
【００３６】
接合体
図３に示すような本発明の接合体では、少なくとも２種類の材料１２と１８とが互いにフィラー材料２２によって接合されている。この接合体については厚さを約０．６から約１センチメートルとすることができ、たとえば約０．６３５センチメートルとすることができる。特定の実施形態では、フィラー層２２は還元用金属の酸化物とロウ材とからなる複合組織合金である。場合によっては、フィラー層にも還元用金属が含まれる。いくつかの実施形態では、フィラー層の厚さ全体に還元用金属酸化物がある。他の実施形態では、フィラー層の至るところに不連続な島として還元用金属酸化物が存在する。還元用金属酸化物も第１の材料の表面に沿って結合部に向かって不連続な島として存在することがある。フィラー層については約１００マイクロメートル厚とすることができる。しかしながら、他のフィラー層厚が適している場合もあり、本発明は本願明細書に記載の特定の厚さに限定されるものではないことは、当業者であれば理解できよう。
【００３７】
接合体は、たとえば４５０℃未満のあらゆる温度で安定するものであればよい。たとえば、フィラー材料がはんだで構成される場合、定義上は４５０℃未満であるはんだの融解温度で接合体が機能しなくなるであろう。
【００３８】
研磨物品
本発明の接合体を用いて研磨物品を作製してもよい。場合によっては、焼結した研磨物品の中に接合体が含まれる。たとえば、第１の材料１８として機能する他の支持材料にロウ付けすると、溶融研磨体を第２の材料１２として機能させることができる。
【００３９】
本発明による溶融研磨体の一実施形態では、金属マトリックス全体に研磨粒子をランダムに分布させる。このような溶融研磨体を作製するには、金属の粉末と、複数の金属被覆研磨粒子と、所望の任意の成分（たとえば有機バインダや硬質の粒子（タングステンカーバイド粒子など））とを組み合わせて可融性組成物を最初に調製する。金属マトリックス材料には、青銅、コバルト、タングステン、銅、鉄、ニッケル、スズ、クロムまたはこれらを含有する混合物または合金を含む金属粉末などが含まれる。有機バインダとしてはポリビニルブチラールなどのポリマーがあげられ、これを可融性組成物中に含むことで金属粉末を圧縮成形して素地として知られる成形塊を形成することができる。この成形塊は物理的に取り扱うことの可能なものである。通常、有機バインダについては融解工程で焼き落とさなければならないことから、有機バインダは所望の特性を得るのに必要最小限の量で可融性組成物に含まれる。任意に、タングステンカーバイドなどの硬質の粒子を可融性組成物に加え、得られる溶融研磨体の耐摩耗性を高めるようにしてもよい。一般に硬質の粒子は可融性組成物の重量に対して約１０〜５０％の範囲の量で加えられるが、組成物によってはこの範囲外の量が好都合なこともある。有機バインダを溶媒和にするのに必要な量の有機溶媒を可融性組成物に加えてもよい。一般的な有機溶媒としては、たとえばメチルエチルケトンがあげられ、これをバインダを溶媒和にするのに最低限必要な量で可融性組成物に添加する。
【００４０】
可融性組成物が調製されたら、プレスを使ってこの可融性組成物を金型で冷間成形し、素地成形物（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ ｃｏｍｐａｃｔ）を得る。次に、この素地成形物を溶融させる。溶融は焼結などによって行うことができる。焼結温度は一般に約７００〜１１００℃の範囲であり、一般的な焼結時間は約５〜３０分間の範囲である。焼結工程で圧力を加えてもよい。一般的な焼結圧力は、たとえば、約１００〜５００ｋｇ／ｃｍ^２の範囲である。溶融後、得られた溶融研磨体を所望のサイズおよび形状に切断してもよい。
【００４１】
本発明による溶融研磨体のもうひとつの実施形態では、金属マトリックス全体に研磨粒子を非ランダムに分布させる。たとえば、金属マトリックス内の実質的に平坦な１つまたはそれ以上の層に研磨粒子を集中させることができる。このような焼結研磨体については、本願明細書に援用する米国特許第５，３８０，３９０号（ツェレシン（Ｔｓｅｌｅｓｉｎ））に報告されている手法などによって形成することができる。
【００４２】
本発明の溶融研磨体を切削砥石や研削砥石に利用してもよい。このような砥石は実質的に円筒形であり、一般には第１の支持板と第２の支持板との間に挟持する形で溶融研磨体を含み、これを本発明で溶融研磨体にロウ付けしてもよい。この砥石には中央に穴があるため、回転軸に砥石を装着して回転させることができる。
【００４３】
もうひとつの実施形態では、金属製のシムに結合した研磨材からなる単一の層を含む溶融研磨体を円板または環に取り付け、端面研削工具の面を形成することができる。この円板または環を円板または環の面内で回転させ、円板の基本的に平らな側で工作物を研磨する。上記の溶融体を、耐食性合金で一方の側に研磨材を結合したニッケル製のシムからなるものとしてもよい。このような溶融研磨体は、本願明細書に援用する米国特許第６，１２３，６１２号（ゴアーズ（Ｇｏｅｒｓ））に報告された手法などで形成できるものである。一方の側がニッケルからなる溶融研磨体を本発明でステンレス鋼の支持板にロウ付けすることができる。ロウ付けしたアセンブリを円板形に切断し、研磨工具を形成してもよい。あるいは、ロウ付けしたアセンブリをいくつかの切片に切断し、これをさらに環に取り付けて研磨工具を作製してもよい。ロウ付けした切片を環に取り付けるには、たとえばねじまたは接着剤を用いればよい。
【実施例】
【００４４】
以下の非限定的な実施例を用いて本発明をさらに説明する。特に明記しない限り、部、パーセンテージ、比率はいずれも重量を基準にしたものである。
【００４５】
【表１】

【００４６】
材料
５ミリメートル厚のステンレス鋼板４３０枚と０．２５ミリメートル厚のニッケル製のシムとを接合して実施例を作製した。イリノイ州エルクグローブ（Ｅｌｋ Ｇｒｏｖｅ）のプリシージョン・プロセス・コーポレーション（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｒｐ．）から表面を磨いたステンレス鋼板を購入した。また、イリノイ州セイント・チャールズ（Ｓｔ． Ｃｈａｒｌｅｓ）のクライティリアン・メタルズ・インコーポレイテッド（Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ Ｍｅｔａｌｓ Ｉｎｃ．）からニッケル製のシムを購入し、「巻かれた」状態で使用した。各金属の実施例を、幅５０ミリメートルで長さ１５０ミリメートルに切断した。ロウ付を行う前に、ニューヨーク州ニューヨークのアルコノックス・インコーポレイテッド（Ａｌｃｏｎｏｘ Ｉｎｃ．）から入手可能なアルコノックス・パウダード・プリシージョン・クリーナー（Ａｌｃｏｎｏｘ Ｐｏｗｄｅｒｅｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃｌｅａｎｅｒ）を脱イオン水に溶解した溶液で、超音波浴を併用して実施例を洗浄した。続いて実施例を脱イオン水で水洗し、空気乾燥させた。
【００４７】
ロウ付手順
構成要素を以下の順序で積層してロウ付アセンブリを作製した。ａ）ステンレス鋼板、ｂ）還元用金属（単数または複数）、ｃ）ＢＲ６０４ロウ箔、ｄ）ニッケル製のシム。この４層のロウ付アセンブリを０．００５インチ（０．０１２７ｃｍ）のグラファイト紙のシート（ウェストバージニア州クラークスバーグ（Ｃｌａｒｋｓｂｕｒｇ）のユーカル・カーボン・カンパニー（ＵＣＡＲ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏ．）から市販）で分離し、０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）のステンレス鋼製のねじ棒４本で隅のそばを接合した０．５×４×６インチ（１．２７×１０．１６×１５．２４ｃｍ）鋼板２枚の間にクランプ留めした。ねじ棒のナットを約５０ｆｔ−ｌｂ．（６８Ｎ−ｍ）まで均等に締め付けたところ、この時点で棒が壊れはじめた。
【００４８】
４つの実施例のクランプ留めしたアセンブリを動作範囲（ｗｏｒｋｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）の真空炉の中央に配置した。真空炉の動作範囲は直径３０センチメートル、高さ約２５センチメートルであった。これをグラファイトクロス電極で電気的に加熱した。炉にはグラファイトフェルトの断熱材で内張りを施しておいた。グラファイトは、加熱すると（ｗｈｅｎ ｈｅａｔｅｄ ｔｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）一酸化炭素を形成して微量の遊離酸素をすべて取り除いた。加熱前の炉の到達真空度は約２×１０^−５トール（０．００２６Ｐａ）であった。真空を作るには油拡散ポンプと機械的補助ポンプを使用した。しかしながら、ロウ付温度で動作させると、炉内での材料のガス抜けが原因で圧力が約０．００１トール（０．１３３Ｐａ）まで上昇することがあろう。残留ガスは鉄に対しては還元性であったが、ステンレス鋼に含まれるクロムなどの反応性金属に対しては酸化性であった。
【００４９】
最も中央側の２つの実施例のうち一方に設けられた穴の中に配置した熱電対を利用して、ロウ付アセンブリの温度をモニタリングした。最初に温度を３００℃まで上昇させ、この状態を５分間維持して微量な有機材料をすべて焼き落とした。次に温度を約５０分間で約７６０℃まで上昇させた後、電力を遮断した。実施例の中心温度は約７７０℃まで上昇しつづけた。実施例をたとえば１４時間など一晩かけて真空内で冷ました。
【００５０】
実施例４つずつ２組を各々真空炉にて２通りのロウ付サイクルでロウ付けした。実施例１〜４については第１のロウ付サイクルでロウ付けし、実施例５から８は第２のロウ付サイクルでロウ付けした。ステンレス鋼の表面におけるクロムの酸化物の還元には異なる還元用金属を使用した。各実施例で用いた還元用金属を表１にあげておく。溶かした金属をベルジャーにて高真空下で気化させることで蒸気コーティングの実施例を作製した。ロウ箔に隣接して配置したガラス片を利用して、堆積したコーティングの厚さを求めた。ガラスを粉砕し、粉砕面を１０００倍の光学顕微鏡で調べて金属堆積物の厚さを求めた。
【００５１】
剥離試験手順
切片の端から長さ２インチの切片をのこぎりで切り出した。これらの切片は約３／８インチ（０．９５センチメートル）幅であった。鋭利なのみを用いてステンレス鋼からニッケル製のシムの端を引き剥がした。このニッケルにクランプを取り付け、ニッケルの残りの部分をステンレス鋼から剥離するのに必要な力を携帯式のフォースゲージで測定した。ニッケルを９０°の角度でステンレス鋼から剥離した。切片の幅を測径器で測定し、剥離強度（単位はポンド）を切片幅（単位はインチ）で除して９０°剥離強度を計算した。次に、このようにして得られた値を１メートルあたりのキロニュートン値（ｋＮ／ｍ）に変換した。最大印加力を記録できるようにフォースゲージを設定した。短いニッケル箔を剥離し、各切片を同じようにして何度か測定した。
【００５２】
比較例Ａ
６インチ×６インチのステンレス鋼板３４０枚の表面に非金属フッ化物ベースのフラックスであるハンディフラックス（ＨＡＮＤＹＦＬＵＸ）（ウィスコンシン州カダヒ（Ｃｕｄａｈｙ）のルーカス・ミルホープト・インコーポレイテッド（Ｌｕｃａｓ Ｍｉｌｈａｕｐｔ，Ｉｎｃ．）から市販されている）の薄層をコーティングし、０．１３ミリメートルのＢＲ ５０５ロウ箔（ウィスコンシン州カダヒ（Ｃｕｄａｈｙ）のルーカス・ミルホープト・インコーポレイテッド（Ｌｕｃａｓ−Ｍｉｌｈａｕｐｔ，Ｉｎｃ．）から市販されている）層とニッケル製のシムとを加えて積層プリフォームを作製した。ニッケル製のシムの反対側にはダイアモンドの研磨材が焼結されていた。このプリフォームをロウ付向けの焼結プレス機に入れた。焼結プレス機では、実施例に大きな電流を流して約１５ＭＰａの圧力下で２枚のプラテン間の実施例を加熱した。金属部品とプラテンとの間にグラファイト紙を配置して電流に対する耐性を高め、効率よく加熱した。焼結プレス機では約１１５ＭＰａの圧力下で実施例を８００℃まで加熱し、冷却した。幅７ミリメートルで長さ３８ミリメートルの実施例をロウ付けした板から切り出した。
【００５３】
実施例１〜８
上記のロウ付手順で説明したようにして実施例１〜８を作製した。各実施例で用いた還元用金属を表１にあげておく。
【００５４】
【表２】

【００５５】
比較例Ａおよび実施例１〜８の剥離強度を上記の剥離試験手順に従って測定した。平均値を表２に示す。
【００５６】
【表３】

【００５７】
これらのデータから、適切な量の還元用金属フラックスを用いることで現在利用できるフッ化物ベースのフラックスよりも強力なステンレス鋼結合が得られることが分かる。実施例２および７に示す薄いアルミニウム箔は、これらの実施例に最適なフラックスであるように思われる。また、フラックスとして箔を用いると粉末や蒸気コーティングを用いる場合よりも若干強い結合が得られた。
【００５８】
比較例Ｂ〜Ｃおよび実施例９
上記のロウ付手順で説明したようにして比較例ＢおよびＣを作製した。しかしながら、最初にミネソタ州セントポールのコオペラティブ・プレーティング（Ｃｏ−ｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｐｌａｔｉｎｇ）による２０ミクロンのニッケルをステンレス鋼板に電気めっきした。上記同様、電気めっき後のステンレス鋼を真空炉でのロウ付け前にロウ材料およびニッケル製のシムと重ねた。比較例ＢおよびＣについてはそれぞれ１２７マイクロメートル厚のＢＲ ６０４と１２７マイクロメートル厚のＢＲ ６１６（ウィスコンシン州カダヒ（Ｃｕｄａｈｙ）のルーカス・ミルホープト・インコーポレイテッド（Ｌｕｃａｓ Ｍｉｌｈａｕｐｔ，Ｉｎｃ．）から市販）でロウ付けした。
【００５９】
還元用金属として１６マイクロメートルのアルミニウム箔（バージニア州リッチモンドのレイノルズ・メタルズ・カンパニー（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏ．）から市販）をステンレス鋼とロウ箔との間に挟んで、上記のロウ付手順で説明したようにして実施例９を作製した。
【００６０】
上述した剥離強度手順に従って９０°剥離強度を測定した。結果を表３にあげておく。
【００６１】
【表４】

【００６２】
このように、比較例Ｂと実施例９とを直接比較すると明らかなように、アルミニウムフラックスを含む非ニッケルコーティングステンレス鋼で、ニッケルを電気めっきしたステンレス鋼を用いる周知の方法よりも強力な強いロウ付け結合が得られた。
【００６３】
耐食性試験
実施例３を真空炉にてアルミニウム層でロウ付けし、腐食について試験を行った。また、比較例Ａと同様にして作製した実施例の腐食についても試験した。両方の断片をペトリ皿に入れ、チーズクロースで覆って脱イオン水で湿らせた。水酸化アルミニウムを滴下し、水に若干の導電性を持たせた。実施例を約２０℃で約２日間かけてゆっくりと乾燥させた。
【００６４】
このようにして得られた接合体を、図５および図６として添付した光画像で見ることができる。図５に示すフラックスで作製した実施例ではロウ材界面に沿って点錆跡５０が形成されたが、図６に示す本発明によるアルミニウムで真空ロウ付けした実施例ではロウ材界面に沿って点錆跡は形成されなかった。
【００６５】
上述した説明は一例にすぎず、限定的なものではない点は理解できよう。本発明の範囲および趣旨を逸脱することなく本発明に対してさまざまな修正および改変を施し得ることは当業者であれば上記の説明から明らかであろう。本発明は本願明細書に記載の一例としての実施形態にむやみに限定されるものではない点を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態によるアセンブリの分解断面図である。
【図２】図１同様のアセンブリに本発明の方法で圧力と熱処理を加えた状態を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による接合体の断面図である。
【図４】エリンガム図である。
【図５】市販のフラックスを使って形成した標準的な接合体の光画像である。
【図６】フラックスとしてアルミニウムを用いた、本発明の一実施形態による接合体の光画像である。

Claims (18)

1. （ａ）第１の酸化物を形成でき、かつ融解温度が６６０℃よりも高い第１の材料と、
   前記第１の材料上の前記第１の酸化物の少なくとも一部を還元できる、前記第１の材料に隣接した第１の還元用金属と、
   前記還元用金属に隣接したロウ材と、
   融解温度が６６０℃よりも高い材料を含む、前記ロウ材に隣接した第２の材料と、を含む多層アセンブリを形成するステップ、
   （ｂ）前記アセンブリの周りに真空を作るステップ、
   （ｃ）前記アセンブリを加熱して前記還元用金属と前記ロウ材とを溶かすステップ、
   （ｄ）前記アセンブリを冷却することで接合体を形成するステップを含む、接合体の製造方法。
2. 前記第１の材料が金属である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の材料が第２の酸化物を形成でき、前記アセンブリが、前記第２の材料に隣接した第２の還元用金属をさらに含み、前記還元用金属が、前記第２の材料上の前記第２の酸化物の少なくとも一部を還元できる、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の材料が、ステンレス鋼と、チタンと、ニッケルと、鉄と、コバルトと、クロムと、ジルコニウムと、これらを含有する合金と、から選択される金属である、請求項２に記載の方法。
5. 前記第２の材料が溶融研磨体である、請求項１に記載の方法。
6. 前記還元用金属がアルミニウムである、請求項１に記載の方法。
7. 前記ロウ材が、銅と、銀と、スズと、インジウムと、これらを含有する合金と、から選択される材料を含む、請求項１に記載の方法。
8. ステップ（ｂ）において、真空が少なくとも０．６パスカルである、請求項１に記載の方法。
9. ステップ（ｃ）において、温度が約４５０℃から約８００℃である、請求項１に記載の方法。
10. ステップ（ｃ）において、約１分間から約１５分間温度を維持する、請求項１に記載の方法。
11. 前記アセンブリが、
    前記第２の材料に隣接した第２の還元用金属と、
    融解温度が６６０℃よりも高い材料を含む第３の材料と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. （ａ）融解温度が６６０℃よりも高い第１の材料を含む第１の層と、
    （ｂ）融解温度が６６０℃よりも高い第２の材料を含む第２の層と、
    （ｃ）前記第１の層と前記第２の層との間に設けられたフィラー層であって、ロウ材と酸化アルミニウムとを含有する複合組織合金を含む前記フィラー層と、
    を含む、接合体。
13. 前記第１の層または前記第２の層に研磨粒子をさらに含む、請求項１１に記載の接合体。
14. （ａ）溶融研磨体を含む第１の層と、
    （ｂ）融解温度が６６０℃よりも高い材料を含む第２の層と、
    （ｃ）前記第１の層と前記第２の層との間に設けられたフィラー層であって、ロウ材と還元用金属酸化物とで構成された複合組織合金を含むフィラー層と、
    を含む、研磨物品。
15. 複数の研磨粒子と、
    融解温度が６６０℃を上回る金属と、
    ロウ材と酸化アルミニウムとを含有する、前記金属と前記研磨粒子との間のフィラー層と、
    を含む、研磨物品。
16. 金属がステンレス鋼である、請求項１４に記載の研磨物品。
17. （ａ）ロウ材金属箔層と、
    （ｂ）前記ロウ材の一表面の少なくとも一部を覆う、約１マイクロメートルから２０マイクロメートル厚のアルミニウム層と、
    を含む、多層ロウ付アセンブリ。
18. 前記アルミニウム層が約８マイクロメートル厚である、請求項１７に記載の多層ロウ付アセンブリ。

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