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Info
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Description
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (4)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
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