JP3119906B2 - 炭素系材料と金属の接合体 - Google Patents
炭素系材料と金属の接合体Info
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- JP3119906B2 JP3119906B2 JP03248300A JP24830091A JP3119906B2 JP 3119906 B2 JP3119906 B2 JP 3119906B2 JP 03248300 A JP03248300 A JP 03248300A JP 24830091 A JP24830091 A JP 24830091A JP 3119906 B2 JP3119906 B2 JP 3119906B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、炭素系材料と金属の接
合体に関するものであって、さらに詳しくは、耐熱性、
耐熱疲労性に優れた同接合体に関するものである。
合体に関するものであって、さらに詳しくは、耐熱性、
耐熱疲労性に優れた同接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】炭素系材料は脆弱で耐酸化性に劣る反
面、溶融金属に濡れにくいという優れた特性もあり、こ
の特性を活かして溶湯用部品や溶接用部材などに広く利
用されている。これらの部材は、通常部材全体を大きな
ブロックから切り出して形成したり、あるいは部材の一
部をカーボンで形成し、金属で形成した部材の本体部分
にこのカーボン部材をネジやカシメなどの機械的な接合
手段で一体化して、使用されている。しかしながら、全
体をカーボンで形成すると値段が高くなる上に、カーボ
ンが脆弱なために使用中に破損することが多く、またネ
ジやカシメなどにより機械的に金属本体と一体化したも
のでは、ネジ部やカシメ部が弛くなり、脱落しやすいと
いう欠点があった。
面、溶融金属に濡れにくいという優れた特性もあり、こ
の特性を活かして溶湯用部品や溶接用部材などに広く利
用されている。これらの部材は、通常部材全体を大きな
ブロックから切り出して形成したり、あるいは部材の一
部をカーボンで形成し、金属で形成した部材の本体部分
にこのカーボン部材をネジやカシメなどの機械的な接合
手段で一体化して、使用されている。しかしながら、全
体をカーボンで形成すると値段が高くなる上に、カーボ
ンが脆弱なために使用中に破損することが多く、またネ
ジやカシメなどにより機械的に金属本体と一体化したも
のでは、ネジ部やカシメ部が弛くなり、脱落しやすいと
いう欠点があった。
【０００３】そこで、これらの欠点を改善するために
は、カーボンは必要な部分のみに止め、本体の部分は金
属材料で形成し、両者を冶金的に接合する方法が有効で
あるが、このためには次のような課題を解決する必要が
ある。 （１）接合部の熱応力の問題 本来カーボンと金属は膨脹係数が極端に異なるために、
接合部に大きな熱応力が発生して接合部が破壊されやす
い。 （２）熱疲労の問題 カーボンと金属の接合体は、通常その使用される雰囲気
温度が最高４５０℃に到達し、しかも常温から４５０℃
までの繰り返し加熱を受けるために、疲労が起こり長時
間使用できない。しかしながら従来このような課題を解
決した炭素系材料と金属の接合体はなく、耐熱性、耐熱
疲労性の改善が強く要望されるのである。
は、カーボンは必要な部分のみに止め、本体の部分は金
属材料で形成し、両者を冶金的に接合する方法が有効で
あるが、このためには次のような課題を解決する必要が
ある。 （１）接合部の熱応力の問題 本来カーボンと金属は膨脹係数が極端に異なるために、
接合部に大きな熱応力が発生して接合部が破壊されやす
い。 （２）熱疲労の問題 カーボンと金属の接合体は、通常その使用される雰囲気
温度が最高４５０℃に到達し、しかも常温から４５０℃
までの繰り返し加熱を受けるために、疲労が起こり長時
間使用できない。しかしながら従来このような課題を解
決した炭素系材料と金属の接合体はなく、耐熱性、耐熱
疲労性の改善が強く要望されるのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みなされたものであって、その目的とするところは、
前述のような耐熱性と耐熱疲労性の課題を解決した、炭
素系材料と金属との新規な接合体を提供することにあ
る。
鑑みなされたものであって、その目的とするところは、
前述のような耐熱性と耐熱疲労性の課題を解決した、炭
素系材料と金属との新規な接合体を提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに鋭意研究した結果、炭素系材料と金属とを冶金的に
ろう付するろう材として非常に好適な合金ろうを選定す
ることに成功し、また、このろう付に際して炭素−金属
複合材料をインサートすると一層効果的であること、さ
らには金属含浸法とろう付の併用、メタライズ法とろう
付及び熱拡散法との併用などが非常に適していることを
見出だしたのである。
めに鋭意研究した結果、炭素系材料と金属とを冶金的に
ろう付するろう材として非常に好適な合金ろうを選定す
ることに成功し、また、このろう付に際して炭素−金属
複合材料をインサートすると一層効果的であること、さ
らには金属含浸法とろう付の併用、メタライズ法とろう
付及び熱拡散法との併用などが非常に適していることを
見出だしたのである。
【０００６】すなわち本願第一の発明は、炭素系材料の
接合部にケイ素又はケイ素合金を含浸させた後、この接
合部と金属との間にアルミニウム又はアルミニウム合金
をろう材として挿入し、溶融・融着させたことを特徴と
するものである。また第二の発明は、炭素系材料の接合
部をメタライズした後、この接合部と金属とをパラジウ
ム、カドミウム、亜鉛、錫から選ばれる１種又は２種以
上の元素を主成分とする軟ろうでろう付し、しかる後、
前記のろう付の温度以上で熱処理したことを特徴とする
ものである。
接合部にケイ素又はケイ素合金を含浸させた後、この接
合部と金属との間にアルミニウム又はアルミニウム合金
をろう材として挿入し、溶融・融着させたことを特徴と
するものである。また第二の発明は、炭素系材料の接合
部をメタライズした後、この接合部と金属とをパラジウ
ム、カドミウム、亜鉛、錫から選ばれる１種又は２種以
上の元素を主成分とする軟ろうでろう付し、しかる後、
前記のろう付の温度以上で熱処理したことを特徴とする
ものである。
【０００７】本発明における炭素系材料とは、炭素その
ものの外、炭素に金属を含浸させたような炭素と金属と
の複合体及び、炭素とセラミックとの複合体を包含する
ものである。なお、炭素とセラミックとの複合体とは、
例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ア
ルミニウムなどのセラミック成分を、炭素に配合したも
のである。
ものの外、炭素に金属を含浸させたような炭素と金属と
の複合体及び、炭素とセラミックとの複合体を包含する
ものである。なお、炭素とセラミックとの複合体とは、
例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ア
ルミニウムなどのセラミック成分を、炭素に配合したも
のである。
【０００８】本願の第一の発明は、炭素系材料の接合部
に予めケイ素あるいはケイ素合金を含浸させておいて、
この接合部と金属とをアルミニウムまたはアルミニウム
合金をろう材として用いて、溶融・融着させろう付した
接合体である。この場合、特に接合させる相手金属がア
ルミニウム系金属であると極めて優れた結果が得られる
のである。この接合部では、ろう材中に含まれるアルミ
ニウムと炭素系材料に含浸されたケイ素とが反応して低
融点のアルミニウム−ケイ素合金が形成されており、し
たがって低い温度でろう付できるのである。
に予めケイ素あるいはケイ素合金を含浸させておいて、
この接合部と金属とをアルミニウムまたはアルミニウム
合金をろう材として用いて、溶融・融着させろう付した
接合体である。この場合、特に接合させる相手金属がア
ルミニウム系金属であると極めて優れた結果が得られる
のである。この接合部では、ろう材中に含まれるアルミ
ニウムと炭素系材料に含浸されたケイ素とが反応して低
融点のアルミニウム−ケイ素合金が形成されており、し
たがって低い温度でろう付できるのである。
【０００９】また本願の第二の発明は、炭素系材料の接
合部を予めメタライズした後、この接合部と金属とをパ
ラジウム、カドミウム、亜鉛及び錫から選ばれる元素を
主成分とする軟ろう材でろう付し、しかる後このろう付
の温度以上の温度で熱処理した接合体である。この場合
は、接合部の熱応力が大きい場合に適しており、後工程
の熱処理は謂ゆる拡散処理と称されるものである。この
拡散処理によって接合部分の再溶融温度が高くなり、ろ
う材の融点以上でも使用できるようになるのである。拡
散処理温度は、本発明の目的のためには３５０〜５００
℃の範囲が好ましいものである。また炭素系材料へのメ
タライズの方法は、現在通常使用されている方法はすべ
て使用することができ、例えばメッキ、蒸着、スパッタ
リング、活性金属融着、金属含浸などの方法があげられ
る。
合部を予めメタライズした後、この接合部と金属とをパ
ラジウム、カドミウム、亜鉛及び錫から選ばれる元素を
主成分とする軟ろう材でろう付し、しかる後このろう付
の温度以上の温度で熱処理した接合体である。この場合
は、接合部の熱応力が大きい場合に適しており、後工程
の熱処理は謂ゆる拡散処理と称されるものである。この
拡散処理によって接合部分の再溶融温度が高くなり、ろ
う材の融点以上でも使用できるようになるのである。拡
散処理温度は、本発明の目的のためには３５０〜５００
℃の範囲が好ましいものである。また炭素系材料へのメ
タライズの方法は、現在通常使用されている方法はすべ
て使用することができ、例えばメッキ、蒸着、スパッタ
リング、活性金属融着、金属含浸などの方法があげられ
る。
【００１０】
【実施例】実施例１（請求項１） 炭素系材料として等方性カーボンをリング状（外径２０
mm、長さ１０mm、厚さ１mm）に形成したものを使用し、
金属材料としてアルミニウムを上記と同一形状のリング
状にしたものを用いて、カーボンリングの接合部側に下
記の如く予めケイ素を含浸させてから、アルミニウム合
金にてろう付けした。 ケイ素の含浸条件…真空中１４５０℃でケイ素をカーボ
ンリングの接合部側に含浸させた。 ろう材…アルミニウム−リチウム合金箔を使用してカー
ボンとアルミニウムの間に挟んだ。 接合条件…温度６００℃、時間１０分、１／１０5Torr
の真空雰囲気
mm、長さ１０mm、厚さ１mm）に形成したものを使用し、
金属材料としてアルミニウムを上記と同一形状のリング
状にしたものを用いて、カーボンリングの接合部側に下
記の如く予めケイ素を含浸させてから、アルミニウム合
金にてろう付けした。 ケイ素の含浸条件…真空中１４５０℃でケイ素をカーボ
ンリングの接合部側に含浸させた。 ろう材…アルミニウム−リチウム合金箔を使用してカー
ボンとアルミニウムの間に挟んだ。 接合条件…温度６００℃、時間１０分、１／１０5Torr
の真空雰囲気
【００１１】このようにして得られたカーボンとアルミ
ニウムの接合体は、その接合部に割れは認められなかっ
た。さらに、下記の熱サイクルテストにより、使用試験
を試みた。 熱サイクルテスト 電気炉内で４５０℃まで加熱して１０分間保持して大気
中に放冷するテストであり、常温→４５０℃加熱→放冷
を１サイクルとして、これを２００００回繰返したとこ
ろ、このサイクルテストの後にも接合部に割れは全く認
められなかったのである。
ニウムの接合体は、その接合部に割れは認められなかっ
た。さらに、下記の熱サイクルテストにより、使用試験
を試みた。 熱サイクルテスト 電気炉内で４５０℃まで加熱して１０分間保持して大気
中に放冷するテストであり、常温→４５０℃加熱→放冷
を１サイクルとして、これを２００００回繰返したとこ
ろ、このサイクルテストの後にも接合部に割れは全く認
められなかったのである。
【００１２】実施例２（請求項２） 炭素系材料として、１０mm×１０mm×１０mmの形状の等
方性カーボンのチップを使用し、金属材料として同じ形
状のＳ４５Ｃの鋼を用いた。このカーボンチップの接合
面を予めニッケルメッキによりメタライズした後、パラ
ジウム、カドミウム主成分の軟ろうで下記の如くろう付
した後、熱拡散処理した。 ろう材…パラジウム−カドミウム−銀の合金で融点３２
０℃の軟ろう 接合条件…温度３５０℃、時間１０分間、大気中 熱拡散処理…温度４５０℃、時間６０分間、大気中
方性カーボンのチップを使用し、金属材料として同じ形
状のＳ４５Ｃの鋼を用いた。このカーボンチップの接合
面を予めニッケルメッキによりメタライズした後、パラ
ジウム、カドミウム主成分の軟ろうで下記の如くろう付
した後、熱拡散処理した。 ろう材…パラジウム−カドミウム−銀の合金で融点３２
０℃の軟ろう 接合条件…温度３５０℃、時間１０分間、大気中 熱拡散処理…温度４５０℃、時間６０分間、大気中
【００１３】このようにして得られたカーボンと鋼との
チップ接合体は、その接合部に割れはなく強力に接合さ
れていた。またこの接合体を４５０℃に加熱したが剥離
は発生しなかった。さらに、実施例１と同じ熱サイクル
テストを行ったが、接合部に割れは認められなかったの
である。
チップ接合体は、その接合部に割れはなく強力に接合さ
れていた。またこの接合体を４５０℃に加熱したが剥離
は発生しなかった。さらに、実施例１と同じ熱サイクル
テストを行ったが、接合部に割れは認められなかったの
である。
【００１４】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、炭素系
材料と金属との新規な接合体であって、両者の熱膨張係
数の極端な相違から生じる熱応力の問題と熱疲労の問題
を、炭素系材料へケイ素含浸を行ってからアルミニウム
系ろう材でろう付けする手段、及び、メタライズ法と特
殊な軟ろうによるろう付及び熱拡散処理を行う手段など
により解決したものである。従って本発明による接合体
は、溶融金属を入れる溶湯用部品、またスパッターなど
が飛散する環境で使用される溶接用部品などに極めて好
適に用いることができ、これらの使用条件に十分に耐え
る耐熱性と耐熱疲労性とを有し、その接合部が破損した
り剥離して脱落したりすることはないのである。しかも
本発明の接合体は、経済的に有利に得られる特徴も有し
ており、極めて高度な有用性を発揮するものである。
材料と金属との新規な接合体であって、両者の熱膨張係
数の極端な相違から生じる熱応力の問題と熱疲労の問題
を、炭素系材料へケイ素含浸を行ってからアルミニウム
系ろう材でろう付けする手段、及び、メタライズ法と特
殊な軟ろうによるろう付及び熱拡散処理を行う手段など
により解決したものである。従って本発明による接合体
は、溶融金属を入れる溶湯用部品、またスパッターなど
が飛散する環境で使用される溶接用部品などに極めて好
適に用いることができ、これらの使用条件に十分に耐え
る耐熱性と耐熱疲労性とを有し、その接合部が破損した
り剥離して脱落したりすることはないのである。しかも
本発明の接合体は、経済的に有利に得られる特徴も有し
ており、極めて高度な有用性を発揮するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−155483（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−26880（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−165132（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−112095（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−310778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−187546（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−212189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−167041（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−183180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−81252（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−310778（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 37/02
Claims (2)
- 【請求項１】 炭素系材料の接合部にケイ素又はケイ素
合金を含浸させた後、この接合部と金属との間にアルミ
ニウム又はアルミニウム合金をろう材として挿入し、溶
融・融着させたことを特徴とする、炭素系材料と金属の
接合体 - 【請求項２】 炭素系材料の接合部をメタライズした
後、この接合部と金属とをパラジウム、カドミウム、亜
鉛、錫から選ばれる１種または２種以上の元素を主成分
とする軟ろうでろう付し、しかる後、前記のろう付の温
度以上で熱処理したことを特徴とする、炭素系材料と金
属の接合体
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03248300A JP3119906B2 (ja) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | 炭素系材料と金属の接合体 |
| US07/928,751 US5340658A (en) | 1991-08-21 | 1992-08-13 | Composites made of carbon-based and metallic materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03248300A JP3119906B2 (ja) | 1991-09-02 | 1991-09-02 | 炭素系材料と金属の接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06263553A JPH06263553A (ja) | 1994-09-20 |
| JP3119906B2 true JP3119906B2 (ja) | 2000-12-25 |
Family
ID=17176031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03248300A Expired - Lifetime JP3119906B2 (ja) | 1991-08-21 | 1991-09-02 | 炭素系材料と金属の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3119906B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0660905U (ja) * | 1993-02-03 | 1994-08-23 | 市光工業株式会社 | 車両用灯具のレンズ |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2872072B1 (fr) * | 2004-06-24 | 2006-09-29 | Snecma Propulsion Solide Sa | Procede de brasage de pieces en materiau composite thermostructural siliciure |
| FR2912675B1 (fr) * | 2007-02-16 | 2009-04-17 | Commissariat Energie Atomique | Procede d'assemblage refractaire entre un materiau carbone et un alliage de cuivre |
| DE102009014407A1 (de) * | 2009-03-28 | 2010-10-21 | Sgl Technologies Gmbh | Klebstofffreie, temperatur- und reaktionsstabile Haftverbindung zwischen Metallen und Graphit |
| JP2016198937A (ja) * | 2015-04-09 | 2016-12-01 | 株式会社デンソー | 炭素材料層含有複合材料および熱交換器 |
-
1991
- 1991-09-02 JP JP03248300A patent/JP3119906B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0660905U (ja) * | 1993-02-03 | 1994-08-23 | 市光工業株式会社 | 車両用灯具のレンズ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06263553A (ja) | 1994-09-20 |
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