JP2011051015A

JP2011051015A - 反応性ろう付によるアセンブリ方法及びこの方法を用いて構成した真空カートリッジ

Info

Publication number: JP2011051015A
Application number: JP2010134809A
Authority: JP
Inventors: Marie-Francoise Devismes; マリー‐フランソワーズ、デビスム; Dominique Mazzucchi; ドミニク、マッツーチ; Hans Schellekens; ハンス、シェレケンス; Olga Kozlova; オルガ、コズロバ
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2011-03-17
Also published as: CN101920364B; EP2390037A1; EP2263820B1; US20100316885A1; CN101920364A; EP2263820A1; RU2536840C2; RU2010123963A

Abstract

【課題】ろう付による金属要素とセラミック要素のアセンブリを行うためには事前にろう付される表面を金属化する必要があり、良好な濡れ性と良好なアセンブリ強度を有する反応性ろう付によるアセンブリ方法を提供する。
【解決手段】ろう合金１はチタンを含み、金属要素２にニッケルを含むアセンブリ方法であって、前記金属要素２とセラミック要素３間の界面に十分な厚さと安定性を持った反応層の形成によって、前記セラミック要素３の表面の非濡れ性領域を最小限とし、且つ、これによって、ろう付接合体中の金属間結合化合物を最小にするアセンブリ方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１の金属の要素（first metallic element）と、イオン結合又は共有結合の酸化物（ion-covalent oxide）を少なくともその表面に備える第２の要素（second element）との、反応性ろう付（reactive brazing）による、アセンブリの方法に関するものであり、この方法は、アセンブリされる上記の２つの要素の金属の表面とイオン結合又は共有結合の酸化物の表面とをそれぞれ濡らすようにした液体ろう合金（liquid brazing alloy）を構成する添加合金（added alloy）と呼ばれる合金を用いた方法であって、このろう合金はチタンを含み、この金属の要素は、ニッケルを含む。

ろう付技術（brazing technique）は、アセンブリされる材料のものよりも低い溶融点（melting point）を持つ、“添加合金”と呼ばれる合金又は金属を用いた２つの材料をアセンブリする公知の方法によって構成される。硬く閉まった密封ジョイントを得るために、液体ろう合金は、アセンブリされる２つの表面を濡らす必要がある。濡れ性は、濡れ角θによって定義される。θ＜４０°の場合、濡れ性は良く、アセンブリされる２つの材料の間に緊密な結合が存在することが可能となる。θ＞５５°の場合には、濡れ性は悪く、原子レベルにおける緊密な結合を、界面のどの点であっても形成することができない。

真空カートリッジを形成するセラミックスは、Ａｌ２Ｏ３アルミナであり、又は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のイオン結合又は共有結合の酸化物であり、このセラミックスは、金属層の界面とにおける強い結合の形成については、困難、又は、まったく適合していないような、非常に安定した電子構造（electronic structure）を持つ。非反応性液体金属合金（non-reactive liquid metal alloy）により形成されたろうによる、これらのセラミックスの濡れ角は、９０°よりも大きく、これは、これらのろうによるこれらのセラミックスに対する非常に悪い濡れ性を示す。

ろう付による金属要素とのセラミックス要素のアセンブリを行うためには、従って、ろう付される表面を事前に金属化を行うこと、又は、反応性のろう合金を用いることが、必要である。ろう付される表面を事前に金属化することは、一般的に用いられる方法であり、真空カートリッジアルミナ（Vacuum cartridge alumina）に適用された１つである。これは、多くの場合、アルミナの上に、モリブデン−マグネシウム（Moly-manganese）の数１０ミクロンの第１の層を堆積することと、次いで、水素の下で高い温度（約１５００℃）で焼結することと、次いで、第１の層の上にニッケルの第２の層を堆積し、次いで、水素の存在下で約９５０℃で焼結することとで構成される。従って、２つの堆積操作と２つの焼結操作とを備えるこのアルミナの金属化操作は、複雑で、且つ、コストがかかる。

上記の第２の方法は、ろう付により濡れた反応生成物を形成するように、アルミナと化学反応する要素をもつろうを用いることで構成される。アルミナといったセラミックス酸化物と金属との間のろう付を可能にする反応性合金は、主に、ＡｇＣｕ系の、主に反応性要素としてチタンを含むものであり、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、を用いることは可能である。ろう合金によってアルミナの濡れ性を改善することは、有意である。

しかしながら、真空カートリッジの１つで用いられるようなアルミナと金属との異種ろう付（heterogeneous braze）の場合には、ろうの複合体が、アセンブリされる金属に対する適合性が低い場合、反応性ろう合金を用いることは、主な欠点を示す。

金属とのろうの反応性要素の化学活性（chemical activity）が、アルミナとのろうの反応性要素の化学活性と比べて強いものであるにもかかわらず、連続金属層（continuous metallic layer）がアルミナの上に形成されないことと、さらに、悪い濡れ性領域（poor-wettability area）が形成されるというリスクが実際には存在する。しっかりとしたアセンブリの密閉が必要とされる場合、セラミックスの上の悪い濡れ性領域は、シーリングの欠陥を生成することとなるような多くの目に見える欠陥を有する。さらに、得られたアセンブリは、金属化したアルミナで行われたアセンブリのものよりも低い強度を示す。

従って、上記のことから結論されるように、反応性ろう付は、すべてのタイプのアセンブリに最適なものとなることはできず、所定の場合、金属化の方法が好ましい。

本発明は、これら問題を解決し、過去においては金属化の方法が好ましい場合に対しても適用することができ、ろう合金の良好な濡れ性と、これらの特有の場合におけるアセンブリの良好な強度と、を得ることができる、反応性ろう付によるアセンブリ方法を提案するものである。

この目的のために、本発明の目的は、上記の種類のアセンブリ方法を提供することであり、この方法は、要素の界面において十分な厚さと安定性を持った反応層を形成することによって、イオン結合又は共有結合の酸化物から形成される第２の要素の表面の上の非濡れ性領域を最小限とし、且つ、ろう付接合体（brazed joint）中の金属間結合化合物の形成を最小限とするように、チタンと金属間結合化合物を形成することができる金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が２０％未満である場合には、ろう合金中のチタンの含有量は、２重量％から５重量％の間であり、アセンブリされるチタン金属と金属間結合化合物を形成することができる金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が２０％から５０％の間である場合には、このチタンの含有量は、５重量％から１０重量％の間から選択され、チタンと金属間結合化合物を形成することができる金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が５０％よりも大きい場合には、このチタンの含有量は、５重量％から１０重量％の間から選択され、且つ、Ａｇの重量百分率は、６０％未満である、ことを特徴とする。

特有の特徴によれば、形成される反応性層の厚さは、３μｍよりも大きい。

他の特徴によれば、上記のイオン結合又は共有結合の酸化物は、セラミックスである。

他の特徴によれば、上記のセラミックスは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む群に含まれるセラミックスの１つである。

他の特徴によれば、ろう合金はＡｇＣｕＴｉを含む。

特有の実施形態によれば、金属の要素は、Ｎｉ＜２０％の重量濃度（concentration by weight）を持つＣｕＮｉを含み、且つ、チタンの重量濃度は２％から５％の間である。

他の実施形態によれば、金属の要素は、２０％から５０％の間であるＮｉの重量濃度を持つＣｕＮｉを含み、且つ、チタンの重量濃度は５％から１０％の間である。

他の実施形態によれば、金属の要素は、Ｎｉ＜８％の重量濃度を持つＦｅＮｉを含み、且つ、チタンの重量濃度は２％より大きく５％より小さい。

他の特徴によれば、金属の要素は、２８％よりも大きいＮｉの重量濃度を持つＦｅＮｉを含み、チタンの重量濃度は２％より大きく５％より小さく、且つ、ろう中の銀の重量濃度は、６０％より小さい。

他の特徴によれば、チタンは、堆積物の形状で、イオン結合又は共有結合の酸化物の表面、もしくは、金属の要素の表面の上に加えられ、又は、シートの形状で、イオン結合又は共有結合の酸化物の表面、もしくは、金属の要素の表面の上に加えられ、又は、添加合金に導入されるパウダー、もしくは、微粒子の形状で、加えられる。

他の特徴によれば、チタンと金属間結合化合物を形成することができる金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が２０％から５０％の間である場合には、Ａｇの重量百分率は６０％から７１％の間であり、Ｃｕの重量百分率は２６％から３６％の間であり、且つ、Ｔｉの重量百分率は５％から１０％の間である。

他の特徴によれば、チタンと金属間結合化合物を形成することができる金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が５０％よりも大きい場合には、Ａｇの重量百分率は６０％よりも小さく、且つ、Ｔｉの重量百分率は２％から５％の間である。

本発明のさらなる目的は、円筒状本体と２つのエンドカバー板とを備える真空スイッチのための真空カートリッジであって、２つのエンドカバー板のうちの少なくとも１つは、上記の特徴を単独で備える、又は、上記の特徴を組み合わせて備える方法によって、カートリッジの本体にアセンブリされているような、真空カートリッジを提供することである。

反応性ろう付を用いて金属の要素とセラミックスの要素とのアセンブリを模式的に示す図である。図１を特定したものであり、本発明による様々な特有の実施形態を示すものである。Ｘ軸上のＴｉの重量百分率に対する、Ｙ軸上の反応層の厚さを示すグラフである。本発明による方法によって、カートリッジの円筒状部分に固定された２つのエンドカバー板を備える真空カートリッジのＸ軸断面を示すものである。３重量％及び５重量％のＴｉを含むＡｇＣｕＴｉ（７２％Ａｇ、２８％Ｃｕ）の２つの複合体に関する、Ｘ軸上の引っ張り強さ（breaking strength）Ｆ（Ｎ）に対するＹ軸上の破壊可能性（probability of breaking）を示すグラフである。

本発明の他の利点及び特徴は、本発明の特定の実施形態についての下記の説明により、さらに明らかにされる。本発明の特定の実施形態は、単なる例示であって、本発明を限定するものではない。

金属の要素２とセラミックスの要素３との間に形成された反応性ろう１を示すダイヤグラムは、図１に示される。

金属の要素２が、ＣｕＮｉ、ＦｅＮｉ、又は、ステンレス鋼（stainless steel）であるような方法の様々な特有の実施形態は、図２中に示される。ろう合金１が、ＡｇＣｕＴｉであり、Ｔｉの百分率は、Ｎｉの百分率及びＦｅの百分率に従い、Ａｇの百分率は、Ｎｉの百分率及びＦｅの百分率に従う。イオン結合又は共有結合酸化物３は、アルミナＡｌ２Ｏ３から形成されるセラミックスである。

本発明によれば、本発明は、ニッケルを含む金属要素と、その表面にイオン結合又は共有結合の酸化物を含む要素との間に、反応性ろうを形成することで構成され、この方法は、チタンを含む反応性ろうを用い、且つ、イオン結合又は共有結合の酸化物を含む要素の界面において十分な厚さと安定性を持った反応層を形成し、イオン結合又は共有結合の酸化物の上の非濡れ性領域を最小限とするように、チタンの重量含有量を調整することによって行われる。

このチタンの含有量は、所定の値以下とした金属間結合化合物の百分率を維持するように調整され、この金属間結合化合物の百分率は、形成されたろうの強度に対して影響を与える。

本発明の特有の実施形態によれば、金属の要素は、Ｎｉ＜２０重量％のＣｕＮｉである。この場合、チタンの含有量は、２重量％よりも大きく５重量％よりも小さくなるように、調整される。

金属の要素は、２０重量％から５０重量％の間であるＮｉのＣｕＮｉである場合、チタンの含有量は５重量％よりも大きく１０重量％よりも小さいものとされる。

前記金属の要素は、Ｎｉ＜８重量％のＦｅＮｉである場合、チタンの含有量は２重量％よりも大きく５重量％よりも小さいものとされる。

金属の要素は、３０重量％前後であるＮｉのＦｅＮｉである場合、チタンの含有量は２重量％よりも大きく５重量％よりも小さいものとされ、ろう中の銀の含有量は６０重量％よりも小さいものとされる。

金属の要素は、８重量％から１８重量％の間であるＮｉのステンレス鋼である場合、チタンの含有量は２重量％よりも大きく５重量％よりも小さいものとされる。

特有の実施形態によれば、ろう合金はＡｇＣｕＴｉであり、イオン結合又は共有結合の酸化物はアルミナである。

図３中には、例えば、アルミナ（ＡｌＯ３）と銅（Ｃｕ）との間といった、ろうの反応性要素と化学活性を示す要素を欠いている、イオン結合又は共有結合の酸化物と金属との間のアセンブリのための合金中のチタンの量（ＸＴｉ重量％）に対する、形成された反応層の厚さを示すグラフである。

２から５％の間のＴｉの重量百分率に対して得られる反応層の厚さは、３から６μｍの間のものとなることがわかる。同様にして、約５から１０重量％の間のＴｉの百分率に対して得られる反応層の厚さは、５から７μｍの間のものとなる。

この厚さは、金属要素中に含まれるろうの反応性要素と化学活性を示す要素、又は、ニッケルの含有量に依存する、
図４は、セラミックスから形成された円筒状本体４と、その上に反応性ろう付で固定された２つのエンドカバー板５、６とを備える真空カートリッジＡが示される。

図５中には、ろう材料中のチタンの重量百分率に対する、ろうの表面（level）の破壊可能性の依存特性が示されている。これによれば、チタンの重量百分率が５％であった場合には、破壊可能性は、チタンの重量百分率が３％のものと比べて大きくなる。

金属とイオン結合又は共有結合の酸化物との反応性ろう付によるアセンブリ方法は、本発明によれば、コストがかかる金属化準備工程（preliminary metallization step）を行うことなしに、行うことができ、この方法は、アセンブリされる金属がろう中の活性要素と高い反応性を有する場合であっても、用いることができる。

この発明は、アセンブリされた要素の寿命（lifetime）の間、良好な密閉性を維持すること、及び／又は、カートリッジの円筒状部分にエンドカバー板がアセンブリされるように機械的強度を改善すること、を要求するような、さまざまなタイプのアセンブリに適用することができる。

この発明は、Ｔｉ−Ｏ結合が可能であるようなチタンを含む金属とともに、イオン結合又は共有結合の酸化物により形成されたさまざまな材料のアセンブリに適用することができる。

イオン結合又は共有結合の酸化物は、例えば、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム等のセラミックスで構成することができる。

Claims

第１の金属の要素の第２の要素への反応性ろう付によるアセンブリ方法であって、前記第２の要素は、少なくともその表面に、イオン結合又は共有結合の酸化物を備え、添加合金と呼ばれる合金を利用して行われ、前記添加合金は、液体ろう合金を構成するようにされ、前記液体ろう合金は、上記の２つの要素の金属の表面とイオン結合又は共有結合の酸化物の表面とをそれぞれ濡らすようにされ、前記ろう合金はチタンを含み、前記金属の要素はニッケルを含むようなアセンブリ方法において、
チタンと金属間結合化合物を形成することができる前記金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が２０％未満である場合には、前記ろう合金中のチタンの含有量は、２重量％から５重量％の間であり、
アセンブリされるチタン金属と金属間結合化合物を形成することができる前記金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が２０％から５０％の間である場合には、このチタンの含有量は、５重量％から１０重量％の間から選択され、
チタンと金属間結合化合物を形成することができる前記金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が５０％よりも大きい場合には、このチタンの含有量は、５重量％から１０重量％の間から選択され、且つ、Ａｇの重量百分率は、６０％未満であり、
これによって、前記要素の界面において十分な厚さと安定性を持った反応層を形成することによって、イオン結合又は共有結合の酸化物から形成される前記第２の要素の表面の上の非濡れ性領域を最小限とし、且つ、これによって、ろう付接合体中の金属間結合化合物の形成を最小限とした、
ことを特徴とするアセンブリ方法。
前記反応層の厚さは、３μｍよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ方法。
上記のイオン結合又は共有結合の酸化物は、セラミックスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のアセンブリ方法。
上記のセラミックスは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む群から成るセラミックスの１つであることを特徴とする請求項３に記載のアセンブリ方法。
前記ろう合金は、ＡｇＣｕＴｉを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
前記金属の要素は、Ｎｉ＜２０％の重量濃度を持つＣｕＮｉを含み、且つ、チタンの重量濃度は２％から５％の間であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
前記金属の要素は、２０％から５０％の間であるＮｉの重量濃度を持つＣｕＮｉを含み、且つ、チタンの重量濃度は５％から１０％の間であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
前記金属の要素は、Ｎｉ＜８％の重量濃度を持つＦｅＮｉを含み、且つ、チタンの重量濃度は２％より大きく５％より小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
前記金属の要素は、２８％よりも大きいＮｉの重量濃度を持つＦｅＮｉを含み、チタンの重量濃度は２％より大きく５％より小さく、且つ、前記ろう合金中の銀の重量濃度は６０％より小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
前記金属の要素は、８％から１８％の間のＮｉの重量濃度を持つステンレス鋼を含み、チタンの重量濃度は２％より大きく５％より小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
前記チタンは、堆積物の形状で、前記イオン結合又は共有結合の酸化物の表面、もしくは、前記金属の要素の表面の上に加えられ、又は、シートの形状で、イオン結合又は共有結合の酸化物の表面、もしくは、金属の要素の表面の上に加えられ、又は、前記添加合金に導入されるパウダー、もしくは、微粒子の形状で加えられることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
チタンと金属間結合化合物を形成することができる前記金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が２０％から５０％の間である場合には、Ａｇの重量百分率は６０％から７１％の間であり、Ｃｕの重量百分率は２６％から３６％の間であり、且つ、Ｔｉの重量百分率は５％から１０％の間であることを特徴とする請求項５から１１のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
チタンと金属間結合化合物を形成することができる前記金属の要素中の合金要素の含有量の重量百分率が５０％よりも大きい場合には、Ａｇの重量百分率は６０％よりも小さく、且つ、Ｔｉの重量百分率は２％から５％の間であることを特徴とする請求項５から１１のいずれか１つに記載のアセンブリ方法。
円筒状本体（４）と２つのエンドカバー板（５、６）とを備える真空スイッチのための真空カートリッジであって、前記２つのエンドカバー板（５、６）のうちの少なくとも１つは、請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法によって、前記カートリッジＡの前記本体（４）にアセンブリされていることを特徴とする真空カートリッジ。