JP3305735B2 - 高強度ろう接合部の製法 - Google Patents
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Description
付けすべき表面をろう付けする前に構造化して拡大され
た表面を得る形式の、金属−セラミック及びセラミック
−セラミック複合材料における高強度ろう接合部を製造
する方法に関する。
たえるために、単一の材料の代わりに部分的に極めて異
なる特性を有する種々の材料を互いに接合して成る特殊
な複合材料を使用することが必要である。
黒鉛とモリブデン又はタングステンのような高融点金属
とからなる複合材料が有用であり、これは高融点金属か
らなる単成分加工材に比べて、特に黒鉛の良好な蓄熱性
によりまたその小さな比重によって一層広範な高温使用
を可能とする。
途の1つは例えばX線管用回転陽極である。
業的に重要であり、その需要は次第に増してきている。
更にAl2 O3 、Si3 N4 、SiC、TiO、Ti
N、TiC、ZrO2 、AlNのようなセラミックと高
融点金属又は他の金属とからなる複合材料が例として挙
げられる。
に接合して成る複合材料も特殊な用途に使用される。
ばX線管用回転陽極、核融合炉用の第一壁並びにダイバ
ータ板及びリミッタの構造部材、高圧スイッチ、鋳造金
型、電極及びそれに類するものがある。
が個々の加工材成分間に存在することは、これらすべて
の金属−セラミック及びセラミック−セラミック複合材
料の有用性にとって重要である。複合材料を製造するに
当たって、個々に異なる加工材を互いにろう付けする方
法がしばしば使用される。それというのもこれによって
個々の加工材間に良好な熱伝導性が保証されるからであ
る。特に高温使用に対してはZr、AgCuTi、Cu
Ti及びNiTiのようなろうが普及している。接合す
べき加工材はしばしば著しく異なる熱膨張係数を有する
ことから、特に周期的な熱負荷に際して、複合材料内に
ろう接合部の強度を損ないまた極端な場合にはこの構造
部材を破壊しかねない応力状態が生じる。
セラミック加工材の表面を拡大することが行われてお
り、これは例えば丸削り又はフライス削りのような特殊
な機械的加工によって、例えば溝又は筋を施すことによ
り得ることができる。
た1個又は複数個の黒鉛部分とからなるX線管回転陽極
に関するドイツ連邦共和国特許出願公告第195138
3号明細書には、ろう付けのために準備された黒鉛部分
の表面に、その表面を拡大する構造化部、例えば溝を形
成することが提案されている。
造化法は、ろう接合部に満足のいく強度をもたらすには
なお不十分である。
書には、高融点金属からなる回転陽極の個々の部分を1
個又は複数個の黒鉛部分とろう付けすることによって接
合する方法が記載されている。この方法の場合ろう付け
すべき黒鉛表面に溝を施すが、この溝は、ろう付けすべ
き表面に対して垂直に施された黒鉛部分を貫通する孔に
接している。黒鉛部分を貫通する孔は、ろう付け時に生
じる気体を外に排出しまたろう層中に空洞が生じるのを
十分に阻止する働きをする。孔の数が少ないこと及び孔
の寸法の故にまず第一に気体が排出され、強度を増すた
めのろう付け表面の拡大は実際には得られない。従って
この方法により製造されるろう接合部の場合にも、異な
る加工材間の接合強度は特に耐熱衝撃に関する高度な要
求にはしばしば適応しない。
148号明細書には、熱分解黒鉛からなる部分相互間の
か又はこれと金属部分とのろう接合部を製造する方法が
記載されており、この場合熱分解黒鉛からなる部分に
は、ろうがろう付け工程中に十分にそこを流れる間隙を
有する。この方法は被接合部の厚みが20〜100μm
と極めて薄い熱電子管構造部の接合に特に適している。
ては、この間隙はもっぱら熱分解黒鉛からなる部分を完
全に貫通する孔又はスリットとして記載されている。こ
の方法は、ろうがしばしば被接合部の接触面から流出
し、孔を介して非接触表面に流れ、これによりリベット
接合の形の点状接合を生じるろう接合部をもたらす。こ
の種の接合は大きな塊状部分の接合には適していない。
840号明細書には、金属部分とセラミック部分とを硬
質ろうにより接合する方法が記載されているが、この場
合金属部分のろう付けすべき表面は硬質ろう用の毛管作
用をする流れ溝を、有利には平行して走る溝の形でか又
はローレット目の形で有している。この形式で高められ
た表面の粗面度は多くの場合なお、ろう接合部の最適強
度を達成するには不十分であるという欠点を有する。
は、塊状部分の接合に適しており、その使用に際して公
知のろう接合に比べて機械的強度を更に改良し、特に熱
負荷に際しても変化しない金属−セラミック及びセラミ
ック−セラミック複合材料における高強度ろう接合部を
製造する方法を提供することにある。
ば、セラミック材料を貫通しない平均直径50μm〜5
00μm及び深さ100μm〜2mmの孔を穿つことに
より、先の構造化を行うことにより解決される。
れ、これにより特に強度の小さい反応層においてろう接
合の強度上昇は驚異的に改善される。驚異的な強度上昇
の原因は、特殊な表面形状によりろう層中に亀裂抑制作
用が生じることにある。更に孔の直径及び深さを特別に
同調させることにより、ろうと被接合材料との間の移行
領域において熱機械的材料特性を意図的に変化させるこ
とができまた特に異方性の基礎材料の場合これらの特性
に関して段階的な移行領域を得ることができる。全ての
複合材料における応力状態は本発明による表面形状によ
り著しく減少される。セラミック材料のみからなる複合
材料の場合、本発明によるろう付けすべき表面の構造化
は一般に双方のろう付けすべき部分で実施される。しか
しこの構造化を一方の部分のみに行うことももちろん可
能である。
って先細になっている場合、例えば円錐状に形成されて
いる場合である。この仕様によりろう付け工程の際にろ
うは特に良好に孔内に侵入することができる。
な方法として選択される。この方法により孔は特に経済
的に形成することができ、また自動的に円錐形状に処理
することができる。
隔は、ろう付けすべき材料の特殊性及びろう付けすべき
面の大きさにより決定される。多くの場合孔をできるだ
け緊密に並べることが有利である。また個々の孔を重ね
合わせることもできる。その際ろう付けすべき面の少な
くとも10%を孔により構造化するのが有利である。し
かし特定の場合、特に加工が難しい材料の場合には、構
造化される面部分を一層小さく選択しても十分である
が、その際最少でも構造化部が約1%を下回ってはなら
ない。さもなければろう接合の強度上昇の所望効果は実
際にはほとんど得られない。個々の孔の間隔が比較的大
きい場合それに応じてろう面を大きく構成することによ
り更に経済的に構造化することができる。
従来公知のろう付け法の場合と同様に超音波洗浄し、最
終接合部を通常のろうを使用しまた公知の処理条件下に
高温−高真空ろう炉中で製造する。
mの寸法の黒鉛(CFC)部分と、モリブデン合金(T
ZM)からなる同じ寸法のプレート状部分とからなる接
合部を本発明方法により製造した。このため黒鉛部分を
そのろう付けすべき表面で、孔の平均間隔が0.25m
mの場合最大直径0.2mm及び深さ0.75mmの円
錐状の孔により構造化した。孔はNd−YAGパルスレ
ーザにより以下の条件で製造した。周波数100Hz、
パルス幅0.1ms、パルスエネルギー0.85ジュー
ル、対物レンズf=100mm、ガス3.5バール
O2、送り速度1.8mm/分。
中で洗浄した。引続きCFC部分の構造化された表面上
に厚さ0.2mmのジルコンろう箔を施し、その上にT
ZM部分を重ねた。このように積層化したろう構造を高
温−高真空ろう付け炉に入れ、20分以内に1700℃
のろう付け温度に加熱し、この温度を5分間保持した。
次いで炉を真空下に室温に冷却した。本発明により製造
された接合部を超音波により非破壊試験した。ろう接合
部はいかなる亀裂もまた収縮空洞も有していなかった。
に基づき旋盤で削ることにより溝を刻んで構造化した、
同じ材料からなる同じ寸法の接合部を製造した。他の製
造条件は本発明により製造した接合部の場合と同じであ
った。
度を比較した。先行技術に基づき製造した接合部では1
5KNの剪断力でろう層に破壊が生じたが、一方本発明
により製造した接合部では21KNでCFC部分に、C
FC材料の特性を超えたことにより破壊が生じたが、ろ
う接合部自体は破損されないままであった。
径100mm、内径50mm及び厚さ1mmのレニウム
成分を10重量%含むタングステン合金からなる環状部
分とからなる円板状の接合体を、本発明方法に基づき例
1による接合部と同様にして製造した。
基づき旋盤で削ることにより溝を刻んで構造化した、同
じ材料からなる同じ寸法の接合部を製造した。他の製造
条件は本発明により製造した接合部の場合と同じであっ
た。
た。このため接合体を1分以内で室温から600℃に加
熱し、その後水中で室温に急冷した。先行技術に基づき
製造した接合部では8ヒートサイクル後すでに環状のタ
ングステン−レニウム部分に剥離が見られたが、本発明
により製造した接合部では20ヒートサイクル後もなお
複合材料の接合部にいかなる損傷も認められなかった。
Claims (5)
- 【請求項1】 セラミック材料のろう付けすべき表面を
ろう付けする前に構造化して拡大された表面を得る形式
の、金属−セラミック及びセラミック−セラミック複合
材料での高強度ろう接合部を製造する方法であって、セ
ラミック材料を貫通しない平均直径50μm〜500μ
m及び深さ100μm〜2mmの孔を穿つことにより、
上記の構造化を行うものにおいて、前記孔が表面から内
部に向かって先細になっていることを特徴とする高強度
ろう接合部の製法。 - 【請求項2】 孔が円錐形をしていることを特徴とする
請求項1記載の高強度ろう接合部の製法。 - 【請求項3】 孔をレーザにより穿つことを特徴とする
請求項2記載の高強度ろう接合部の製法。 - 【請求項4】 個々の孔が均一な直径、均一な深さ及び
均一な間隔を有することを特徴とする請求項1ないし3
の1つに記載の高強度ろう接合部の製法。 - 【請求項5】 ろう付けすべき表面の少なくとも10%
が孔で構造化されていることを特徴とする請求項1ない
し4の1つに記載の高強度ろう接合部の製法。
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