JP3560017B2

JP3560017B2 - 酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法

Info

Publication number: JP3560017B2
Application number: JP6233099A
Authority: JP
Inventors: 宏西; 敏雄大崎
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: JP2000254788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合炉実験炉のプラズマ対向機器であるブランケット第一壁部分やバッフル、リミタ機器、ダイバータ機器などを製作する際に適用する、異種材料の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、材料の機能を向上させる目的から、異種材料の接合方法の開発が進められている。核融合炉においてもプラズマに接する第一壁は、厳しい熱負荷を受けるため、異種材料を接合した材料の使用が計画され、ブランケット部には伝熱特性に優れ、比較的高温強度を有する酸化物分散強化銅、例えばアルミナ分散強化銅とステンレス鋼の拡散接合材が現行有力な方法として挙げられている。そのため酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合について、接合欠陥が無く、接合強度の高い接合技術の開発が要望されている。
【０００３】
従来、酸化物分散強化銅の接合は、ろう付け接合で行われている。しかし、ろう付接合部の酸化物分散強化銅が溶融するため、分散している酸化物、例えばアルミナが結晶粒界に凝集し、接合部の強度が低くなる。また、酸化物分散強化銅を溶融させないように直接拡散接合すると、引張り強度は酸化物分散強化銅母材の強度が得られるが、接合部の酸化物分散強化銅に金属間化合物や再結晶層が生成し、疲労強度は酸化物分散強化銅より低く、接合界面近傍から破断する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、接合部の酸化物分散強化銅に金属間化合物や再結晶層が生成せず、衝撃強度、引張り強度は勿論のこと低サイクル疲労強度を酸化物分散強化銅と同等にでき、接合界面近傍から破断することのないようにした酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明による酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法は、酸化物分散強化銅とステンレス鋼の間に、金の薄層材を挿入し、酸化物分散強化銅を溶融させずにステンレス鋼と固相拡散接合することを特徴とするものである。ここで、酸化物分散強化銅とステンレス鋼の形状は、板材、管材、棒材などいずれの形状でもよい。
【０００６】
かかる本発明の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法によると、酸化物分散強化銅とステンレス鋼の間に挿入した金の薄層材の元素が酸化物分散強化銅の表面にほどよく拡散し、再結晶や金属間化合物が生成されず、酸化物分散強化銅は軟化せず、接合部の衝撃強度、引張り強度及び低サイクル疲労強度は酸化物分散強化銅と同等となる。従って、接合欠陥が無く、接合強度の高い異材接合材料が得られる。
【０００７】
上記の本発明の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法において、酸化物分散強化銅とステレンス鋼との間に挿入する薄層材は、厚さ１０〜３０μｍが固相拡散接合する上で好ましい。その理由は、１０μｍ未満では固相拡散接合の加圧時に破れる恐れがあるからであり、３０μｍを超えると接合部の酸化物分散強化銅の表面に薄層材の金が拡散し過ぎて再結晶や金属間化合物が生成される恐れがあるからである。
【０００８】
上記の本発明の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法において、固相拡散接合は、一軸荷重負荷の拡散接合及び静水圧加圧成形の拡散接合のいずれでもよい。一軸荷重負荷の拡散接合の条件は、一軸加圧約９．８ＭＰａ、温度約８５０℃、拡散保持時間約１〜２ｈｒであることが好ましい。静水圧加圧成形の拡散接合の条件は、加圧約１５０〜２００ＭＰａ、温度約８５０℃、拡散保持時間約１〜２ｈｒであることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法の実施形態を図１によって説明すると、酸化物分散強化銅（本例はアルミナ分散強化銅）より成る厚さ２０ｍｍ、縦８０ｍｍ、横１６０ｍｍの板材１と３１６ステンレス鋼より成る厚さ２０ｍｍ、縦８０ｍｍ、横１６０ｍｍの板材２との間に、下記の表１の左欄に示すＳＡＣ１〜４の金の薄層材（本例は金箔）３を挿入し、酸化物分散強化銅の板材１を溶融させずに、下記の表１の右欄に示す接合条件で固相拡散接合して異材接合材料４を得た。この固相拡散接合は、一軸荷重負荷の拡散接合である。
【００１０】
【表１】

【００１１】
上記のように固相拡散接合して得た異材接合材料４の接合部の引張り強度の測定結果を図２のグラフに、シャルピー衝撃値の測定結果を図３のグラフに示す。また、薄層材３が、ＳＡＣ１，２，４の場合の接合部の組織を図４のＳＥＭ写真に示す。これらの結果で判るように酸化物分散強化銅より成る板材１と薄層材３の間でほどよい拡散が行われ、Ａｕ元素は約１００μｍが酸化物分散強化銅側に拡散され、接合界面近傍の酸化物分散強化銅側に脆化を伴う金属間化合物や再結晶層の生成が抑制され、接合部の破断は接合界面より約１０ｍｍ離れた酸化物分散強化銅側で起り、引張り強度は酸化物分散強化銅と同等になり、その上シャルピー衝撃値は直接拡散接合した異材接合材料の接合部では酸化物分散強化銅母材の２０％であるが、金の薄層材３を介在して固相拡散接合した異材接合材料４の接合部では酸化物分散強化銅母材の５０％まで上昇した。さらに、金の薄層材３を用いた上記接合方法により得られた異材接合材料４の接合部と酸化物分散強化銅、ステンレス鋼さらには直接拡散接合した異材接合材料の接合部の低サイクル疲労試験結果を、図５のグラフに示す。この図５のグラフで判るように異材接合材料４の接合部の疲労寿命は、直接拡散接合した異材接合材料の接合部に比べて大きく上昇し、酸化物分散強化銅母材と同程度に達した。また、破断箇所は負荷ひずみにより異なり、全ひずみ範囲Δε_ｘ＝１．５％では酸化物分散強化銅、１、２％では接合界面近傍、１．０％以下ではステンレス鋼であった。然して、上記接合方法の実施形態において金の薄層材３を挟んで３１６ステンレス鋼の板材２と接合するものが酸化物分散強化銅の板材１であるので、接合温度が約８５０℃と直接拡散接合温度よりも低く設定でき、接合中の酸化物分散強化銅の回復による強度劣化を防止することができる。
【００１２】
上記の実施形態では、酸化物分散強化銅とステンレス鋼とを、金の薄層材を挟んで一軸荷重負荷の拡散接合により接合しているが、静水圧加圧成形法の拡散接合により接合してもよいものである。この場合、２〜３ｍｍの厚さのステンレス薄板で全体を包み込み、このステンレス薄板のシール溶接後に包み込んだ内部を真空引きして、接合部界面の雰囲気に空気や活性気体が存在しないようにした後、加圧約１５０〜２００ＭＰａ、温度約８５０℃、拡散保持時間（加圧時間）約１〜２ｈｒ程度で静水圧加圧成形法により拡散接合する。
【００１３】
また、上記実施形態では、金の薄層材３を挟む酸化物分散強化銅とステンレス鋼が共に板材１、板材２であるが、これに限るものではなく、管材、棒材などいずれの形状でもよい。
【００１４】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法は、酸化物分散強化銅とステンレス鋼の間に、金の薄層材を挿入し、酸化物分散強化銅を溶融させずにステンレス鋼と固相拡散接合するので、Ａｕ元素が酸化物分散強化銅の表面にほどよく拡散し、脆化を伴う金属間化合物や再結晶が生成されず、酸化物分散強化銅は軟化せず、接合部の衝撃強度、引張り強度及び低サイクル疲労強度は酸化物分散強化銅と同等なる。従って、接合欠陥が無く、接合強度の高い異材接合材料が得られ、核融合炉実験炉のヒートシンク材料として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の接合方法により得た異材接合材料の接合部の引張り強度の測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の接合方法により得た異材接合材料の接合部のシャルピー衝撃値の測定結果を示すグラフである。
【図４】本発明の接合方法により得た異材接合材料において接合に携わった薄層材が表１のＳＡＣ−１，２，４の場合の接合部の組織を示すＳＥＭ写真である。
【図５】本発明の接合方法により得られた異材接合材料の接合部と酸化物分散強化鋼、ステンレス鋼及び直接拡散接合した異材接合材料の接合部の低サイクル疲労試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１酸化物分散強化銅（板材）
２ステンレス鋼（板材）
３金の薄層材
４異材接合材料

Claims

酸化物分散強化銅とステンレス鋼との間に、金の薄層材を挿入し、酸化物分散強化銅を溶融させずにステンレス鋼と固相拡散接合することを特徴とする酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法。
請求項１又記載の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法において、薄層材が、厚さ１０〜３０μｍであることを特徴とする酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法。
請求項１又は２記載の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法において、固相拡散接合が、一軸荷重負荷の拡散接合又は静水圧加圧成形の拡散接合であることを特徴とする酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法。
請求項３記載の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法において、一軸荷重負荷の拡散接合の条件が、一軸加圧約９．８ＭＰａ、温度約８５０℃、拡散保持時間約１〜２ｈｒであることを特徴とする酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法。
請求項３記載の酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法において、静水圧加圧成形の拡散接合の条件が、加圧約１５０〜２００ＭＰａ、温度約８５０℃、拡散保持時間約１〜２ｈｒであることを特徴とする酸化物分散強化銅とステンレス鋼の接合方法。