JP2954850B2 - 炭素系材料用接合材料及び硬質表面層をもつ炭素系材料 - Google Patents

炭素系材料用接合材料及び硬質表面層をもつ炭素系材料

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、炭素質材料相互の接
続、或いは金属やセラミックスに炭素質材料を接続する
ときに使用する接合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭素質材料は、軽量性に優れ，強度，熱
伝導性，電気伝導性等が高いことから、航空機構造用を
始めとして各種の分野で使用されるようになってきてい
る。炭素質材料を構造体，部品等として各種装置，機器
に組み込む際、炭素質材料でできた構造体や部品を他の
材質の部品等に接合することが必要になる。或いは、炭
素質の部品等を相互に接合することも要求される。しか
し、炭素系の材料は、接合が困難であるため、大型の炭
素ブロックから必要形状を切り出したり、炭素系材料を
耐熱性樹脂等によって接着する方法が採用されている。
場合によっては、樹脂で炭素系材料を接着固定した後、
更に高温で熱処理することにより、樹脂自体を炭素化し
て一体化することも行われている。また、金属系の接合
材を使用して炭素系材料を接合する方法も知られてい
る。金属系接合材には、Ａｇ，Ｃｕを主成分とする銀ろ
うに少量のＴｉを添加したものが使用されている（炭素
材料学会予稿集第３２４〜３２５頁講演番号Ｐ０１４，
米国特許第２，７３９，３７５号明細書等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、大型の炭素ブ
ロックから必要形状の部品等を切り出す方法は、材料の
歩留りが悪く、得られた炭素系部品等が非常に高価なも
のとなる。この価格的な制約から、切り出された炭素系
部品等は、極めて特殊な用途に使用されるだけである。
樹脂系の接着剤で炭素系部品等を接着する方法では、使
用する樹脂の耐熱強度から耐熱性が高々２００℃に過ぎ
ず、高温雰囲気に曝される使用分野に向かない。また、
樹脂も含めて炭素化・一体化する方法は、複雑な作業が
避けられず、しかも炭素化時に樹脂がタール状になると
共に体積が著しく減少するため、正確な組立て精度が保
てない。
【０００４】これに対し、半田やろう材を使用する方法
では、樹脂による接着に比較して、耐熱強度に優れた接
合部が得られる。しかし、Ｚｎを主成分とする半田を使
用すると、高温でＺｎ蒸気の発生があり、良好な接着性
を得るためには接合時の温度，時間等の条件を厳密に管
理する必要がある。その結果、作業性の面で実際的な方
法とはいえない。また、Ａｇを主成分とするろう材で
は、高価なＡｇが多量に消費されることから、実際の生
産工程に導入するのには経済的に不利である。本発明
は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、Ｎｉ−Ｉｎ系のろう材を使用することにより、強固
な接合部を形成し、炭素系材料相互或いは炭素系材料と
金属，セラミックス等とを安価に且つ容易に接合するこ
とを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の炭素系材料用接
合材料は、その目的を達成するため、Ｉｎを２３〜８６
原子％含み、残部がＮｉである合金からなることを特徴
とする。この合金は、更に１０原子％以下のＣ及び／又
は５原子％以下のＣｏを含むことができる。本発明の接
合材料を使用して接合される炭素系材料としては、通常
の炭素質材料は勿論、グラファイト，ダイヤモンド等も
含まれる。炭素系材料に接合される金属材料としては、
本発明を拘束するものではないが、Ｃｕ，Ａｌ，Ｆｅ，
Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔａ又はこれらの合金等がある。また、炭
素系材料に接合されるセラミックス材料としては、本発
明を拘束するものではないが、アルミナ，石英，炭化ケ
イ素，窒化ケイ素等がある。
【０００６】本発明は、Ｎｉが炭素と強固に結合するこ
とを利用するものであり、Ｉｎの添加によって接合材の
融点を１０００℃以下に調整している。また、Ｎｉを含
むことから、接合時に炭素を侵食することなく、化学的
にも耐食性に優れた接合部が得られる。Ｉｎ含有量が２
３原子％を下回ると、接合材の融点が高くなりすぎ、炭
素系材料の接合に支障を来す。逆に８６原子％を超える
Ｉｎ含有量では、炭素と強固に結合するＮｉの作用が損
なわれ、十分な強度をもった接合部が得られない。所定
量のＩｎ含有は、接合材料を比較的軟らかくし、可塑性
を大きくする。そのため、炭素系材料と接合材料との熱
膨張係数の差に起因した歪みが少なく、低温での接着が
可能になる。また、炭素系材料に対する濡れ性が良好な
ことを活用し、硬質表面層として炭素系材料の表面にコ
ーティングすることも可能である。すなわち、本発明に
従ったＮｉ−Ｉｎ系合金は、炭素系材料に対する濡れ性
が良好であるため、複雑形状をもつ炭素質部品の表面を
均質に濡らし、硬度及び耐食性に優れた表面層を形成す
る。この場合、Ｃｏの含有により、表面層の硬度を高め
ることができる。
【０００７】このＮｉ−Ｉｎ系合金は、所定量の成分を
分取し、不活性雰囲気又は還元性雰囲気で加熱溶融する
ことにより調製される。任意成分として添加されるＣ
は、接合時に溶融状態にあるＮｉ−Ｉｎ合金の炭素濃度
を高め、被接合材である炭素系材料からのＣ溶込みを抑
制し、炭素系材料の侵食防止に有効に作用する。しか
し、１０原子％を超えるＣ含有量では、冷却後にグラフ
ァイトが析出し、接合強度を弱める。Ｃｏは、必要に応
じて添加される合金成分であり、接合部の硬度を上昇さ
せ、接合部の機械的強度を増加させる。しかし、５原子
％を超えるＣｏ含有量では、硬度を増加させる作用が飽
和すると共に、Ｉｎによる融点降下作用が弱められる。
【０００８】Ｉｎの半分以下をＳｎ又はＰｂで置き換え
るとき、金属材料に対する接合が容易になる。すなわ
ち、半田成分として使用されているＳｎやＰｂを予めＮ
ｉ−Ｉｎ系合金に含ませておくとき、炭素系材料と金属
材料との直接的な接合が可能になる。これに対し、Ｓｎ
やＰｂを含まないものにあっては、金属材料の種類によ
っては接合できないものがあるため、炭素系材料にＮｉ
−Ｉｎ系合金を接合した後、これを半田によって金属材
料に接合する２段階が必要とされる。この工程が短縮さ
れることは、実際の作業上で極めて有利である。ただ
し、Ｉｎを置換するＳｎ又はＰｂの量がＩｎの半分を超
えるようになると、Ｉｎの融点降下作用が著しく妨げら
れる。
【０００９】
【実施例】
実施例１：Ｎｉ１５ｇ及びＩｎ１０ｇを分取し、洗浄し
た石英ボートに入れた。窒素ガスが充填された加熱炉に
石英ボートを装入し、加熱すると、先ずＩｎが溶融し、
次いでＩｎ中にＮｉが徐々に溶解した。加熱温度が１０
００℃に達したとき、Ｎｉ及びＩｎが完全に溶け合い、
Ｉｎ２５原子％のＮｉ−Ｉｎ合金が調製された。この合
金を１０００℃に３０分間保持することにより十分に均
質化した後、徐冷した。なお、溶解，均質化等の工程
で、Ｎｉ及びＩｎと石英との間に反応が生じなかった。
冷却された合金を、厚み０．５ｍｍの板状に切断加工し
た。得られた板材を多結晶炭素のブロック２個の間に挟
み、窒素雰囲気中で９６０℃に加熱した。その結果、Ｎ
ｉ−Ｉｎ合金が溶融し炭素ブロックの対向面上に広がっ
た。その後、窒素雰囲気を維持したまま、室温まで冷却
した。冷却後の炭素ブロックを取り出して接合部を観察
したところ、炭素ブロックは、Ｎｉ−Ｆｅ合金の薄層を
介して強固に接合されていた。引張り試験では、接合部
の引張り強さは０．１ｋＮ／ｍｍ2 以上であり、炭素ブ
ロックが破壊された。また、接合面を顕微鏡観察したと
ころ、Ｎｉ−Ｉｎ系接合材による炭素ブロックの侵食は
無視できる程度であった。
【００１０】実施例２：Ｎｉ１５ｇ，Ｉｎ１０ｇ及び炭
素薄板０．３ｇを分取し、石英ボートの底に炭素薄板を
敷き、その上にＮｉ及びＩｎを載置した。これを実施例
１と同様に窒素ガス雰囲気中で加熱した。１０００℃で
３０分間保持したところ、Ｃを含めて全体が融合した溶
融合金が得られた。このようにして調製された合金は、
Ｎｉ：７０原子％，Ｉｎ：２３原子％及びＣ：７原子％
の組成を持っていた。冷却後の合金を、厚み０．５ｍｍ
の板状に切断加工した。得られた板材を多結晶炭素のブ
ロック２個の間に挟み、窒素雰囲気中で９６０℃に加熱
した。その結果、Ｎｉ−Ｉｎ合金が溶融し炭素ブロック
の対向面上に広がった。その後、窒素雰囲気を維持した
まま、室温まで冷却した。冷却後の炭素ブロックを取り
出して接合部を観察したところ、炭素ブロックは、Ｎｉ
−Ｉｎ合金の薄層を介して強固に接合されていた。引張
り試験では、接合部の引張り強さは０．１ｋＮ／ｍｍ2
以上であった。また、接合面を顕微鏡観察したところ、
炭素ブロックの侵食は実施例１よりも少なくなってい
た。
【００１１】実施例３：Ｎｉ１５ｇ，Ｉｎ１０ｇ及びＣ
ｏ１ｇを実施例１と同様に溶融し、Ｎｉ：７１原子％，
Ｉｎ：２４原子％及びＣｏ：５原子％の組成をもつ合金
を調製した。この合金は、非常に硬度が高く、通常の加
工工具や切削工具では切削加工ができなかった。そこ
で、立方晶窒化ボロン製加工工具を使用して厚み０．５
ｍｍの板材を作製した。得られた板材を使用して炭素ブ
ロックを接合したところ、引張り強さ１ｋＮ／ｍｍ2 の
接合部が得られた。
【００１２】実施例４：実施例３で得られた合金の小片
を溶融状態にし、炭素ブロックの表面全体を薄くコーテ
ィングした。形成された表面層は、下地のカーボンに対
する密着性に優れ、高い硬度を持っていた。
【００１３】実施例５：実施例１〜３のＮｉ−Ｉｎ系合
金におけるＩｎの１／３をＳｎ又はＰｂで置換した合金
を調製した。これら合金を使用して炭素ブロックを銅板
に接合したところ、何れも９７０℃で一回の加熱により
接合することができた。
【００１４】
【００１５】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ｎｉ及びＩｎを主成分とする合金を接合材として使
用することにより、炭素系材料相互の接続や炭素系材料
と金属材料，セラミックス材料等との接続を比較的低温
で行うことが可能になる。また、Ｃ，Ｃｏ，Ｓｎ，Ｐｂ
等の合金元素を添加するとき、それぞれの用途に適した
特性をもった接合材料が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22C 19/03 B23K 35/30 310 C04B 37/00 C22C 28/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｉｎを２３〜８６原子％含み、残部がＮ
    ｉである合金からなる炭素系材料用接合材料。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の合金が更に１０原子％以
    下のＣを含む炭素系材料用接合材料。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の合金が更に５原子
    ％以下のＣｏを含む炭素系材料用接合材料。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の合金をコーティングした
    硬質表面層をもつ炭素系材料。
JP7079893A 1995-03-10 1995-03-10 炭素系材料用接合材料及び硬質表面層をもつ炭素系材料 Expired - Lifetime JP2954850B2 (ja)

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