JP4562569B2 - インバー合金と黄銅の複合構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、機械構造物のメタルシールなどに使用されているインバー合金と黄銅の複合構造体及びその製造方法に関するものである。

インバー合金と黄銅の接合方法としては、ロー付け接合が一般的によく利用されている。これはロー付け法が工業的に簡易な作業にて施工できることと、黄銅の融点が８５０℃付近と低いことから、５００℃以下の低温ロー付けにて一定の接合面を確保できるためである。
しかしながら、ロー付けの場合は接合部の原子拡散が生じ難く、プレスなどの荷重付加により固相拡散を発生させたとしてもその拡散距離は数μｍ以下と極めて薄いため、インバー（Invar)合金と黄銅界面の強度は１０ｋｇ／ｍｍ² 程度以下と低くなる。また接合面積が広い場合には、接合面全面への均一なロー材塗布が困難となるため、接合部欠陥も残留し易いなど、その強度信頼性は十分満足できるものではなかった。

一方、接合界面の信頼性を確保することを目的として、異種材料の固相接合を熱間等方加圧法（以下、単に「ＨＩＰ」又は「ＨＩＰ法」という）で実施する手法が提案されている。これは加熱ヒータを熱源とした圧力容器内で不活性ガスを圧力媒体として熱と応力を接合界面に等方的に与えることで異種材料を冶金的に固相接合するものである。そのための具体的な製造法としては金属容器中に当該異種金属を設置した後、容器内を真空封入した処理物を炉内にてＨＩＰ処理を行うものである。
このＨＩＰ法による異種材料の接合方法としては、例えば、特許文献１においてセラミックスと金属の接合方法として開示されている。この方法は、セラミックスと金属を接合させる場合に発生する熱膨張差起因の熱応力を回避し、かつ冶金的な固相接合を可能ならしめるために、異種材料間に１ｍｍ厚のニオブをインサート材として挿入したものをＨＩＰ処理するものである。

特公平３−６０７９３号公報

しかしながら、接合を対象とする両材料の種類が異なるとその物理的特性も相違する。それにより接合に適するインサート材質、厚み、ＨＩＰ条件は特有なものとなり、接合界面の割れを防止することは容易ではない。
それにより、本願発明が対象としているインバー合金と黄銅とのＨＩＰ法による接合において、特許文献１にインサート材として開示されているニオブ材を両材料の間に設けたとしても生じる残留応力は極めて大きく、その割れを防止することは容易ではない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、ＨＩＰ法によりインバー合金と黄銅の接合面の十分なる強度を確保し、かつ、ＨＩＰ処理後のインバー合金と黄銅との接合界面の残留応力を低減することで、接合面の割れ及び加工中の素材歪を防止して工業的に活用可能な複合構造材、及びこれを製造する方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う請求項１記載のインバー合金と黄銅の複合構造体は、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に厚みが５０μｍ以上１０００μｍ以下の銅層からなるインサート材を配置すると共に前記インバー合金と前記銅層の間に厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下のＮｉ層を配置して、熱間等方加圧法により接合してなる。
以下、この請求項１記載の発明について詳細に説明するが、まず、インバー合金について説明する。図１に、Ｎｉ−Ｆｅ合金であるインバー合金のＮｉ含有率と熱膨張係数を示すが、図１から明らかなように、Ｎｉの含有率が代表的なインバー合金である３６重量％Ｎｉにおいて最小の熱膨張係数を示し、その含有率が３６重量％から増減しても熱膨張係数が増大することが知られている（公知技術１）。
また、図２は、前記Ｎｉ−Ｆｅ合金であるインバー合金にＣｕを添加した場合の熱膨張係数の増加量を示す図である。図２から明らかなようにインバー合金へのＣｕの添加率が増加すると共に熱膨張係数が増加することが知られている（公知技術２）。
請求項１記載の発明では、インバー合金の物理的特性である前記した公知技術１及び公知技術２を、本発明材のＨＩＰ接合、即ち、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅を用いたＨＩＰ接合の実施により生ずる熱膨張差が起因する残留応力の低減に利用できることを種々の試験の結果、完成した。

図３は、異種材料の間にインサート材を使用し、熱間等方加圧法（ＨＩＰ）により接合後の元素濃度と膨張係数の関係を示す。異種材料としては、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅の一種である快削黄銅を使用した。また、インサート材として銅層を使用しているため、両者の接合境界部には、以下の特徴を有する拡散層が生成する。この拡散層は、ＨＩＰ処理中に前記銅層の銅原子がインバー中に固相拡散することで、接合界面からインバー合金側に拡散による銅元素量の増大が発生する。この拡散による銅原子の移動距離は同一温度の場合には時間と共に増大することから、段階的な濃度分布が生じた拡散層である。また、前記のとおり、銅原子がインバー側に拡散することにより、拡散層では、インバー側から銅層方向へＮｉが拡散し、拡散層においてＮｉ元素量の低減が段階的に発生する。

以上詳述したとおり、インサート材として銅層を設けることにより拡散層では、代表的なインバー合金である３６重量％ＮｉよりＮｉ元素濃度が低くなるため、公知技術１（図１）で説明した如く熱膨張係数が増大し更に、Ｃｕの増加により、公知技術２（図２）で説明した如く熱膨張係数の増加量が増し、その結果、拡散層におけるインバー合金の熱膨張率を傾斜的に増大させることで、熱膨張差によって生じる残留応力を分散、低減することが可能となった。
さらに、本インサート銅は他方の素材を黄銅の１種である快削黄銅を使用した場合に快削黄銅中に含有される鉛の接合界面への拡散析出を抑制し、優れた界面強度を確保することも可能となる。

本発明において銅材を選定した理由について説明する。
（１）インサート材である銅層はＮｉ合金であるところのインバー合金、並びに黄銅、又は快削黄銅との固相接合により完全に密着し、前記の如く、拡散層におけるインバー合金の熱膨張率を傾斜的に増大させるためＨＩＰ実施による接合材同士の大きな熱膨張差を緩和し、それにより生じる残留応力を低減する働きがある。
（２）接合を対象とするインバー合金、黄銅いずれの材質とも黄銅の融点である８５０℃以下での低温での拡散が容易である。
（３）強度、靭性を損なう金属間化合物などを形成しないことから２０ｋｇ／ｍｍ² 以上の接合強度と５％以上の接合部伸びを確保するための冶金的な固相接合が可能であり、かつ、銅の降伏力は５ｋｇ／ｍｍ² 以下で、弾性率も１３０００ｋｇ／ｍｍ² と極めて低応力にて塑性変形を行うことから、インバー合金と黄銅の熱膨張差から生じる冷却時の発生応力を吸収できる。

また、請求項１記載のインバー合金と黄銅の複合構造体は、前記熱間等方加圧法処理前の銅層の厚みが５０μｍ以上、１０００μｍ以下となっている。ここで、インバー合金と黄銅間に設置する銅層厚みの限定理由について説明する。銅層の厚みを５０μｍ以上としたのは、これ未満の厚みの場合はインバー合金及び黄銅含有成分との相互拡散により、前述の応力緩和するための銅層厚が確保できないためである。また、黄銅の中でも快削性を改善させるために鉛を含有している素材、例えば快削黄銅においては、厚みが５０μｍ未満の場合は鉛成分が容易に銅内を拡散し、インバー合金と銅接合界面に凝集することで強度が大幅に低下する。１０００μｍ以下の厚みにしたのは、前記応力緩和のための厚み効果が１０００μｍを超えても増大せずコスト面から不利になるためである。

請求項１記載のインバー合金と黄銅の複合構造体は、前記インバー合金と銅層の間に厚みが１０μｍ以上、２００μｍ以下のＮｉ層を配置した。以下、この理由について詳細に説明する。
図４は、異種材料の間に第１、第２のインサート材を使用し、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）により接合後の元素濃度と膨張係数の関係を示す。異種材料としては、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅の１種である快削黄銅を使用した。また、第１のインサート材としては快削黄銅側に銅層を使用し、第２のインサート材としてＮｉ層を用い、銅層とインバー合金との間に第２のインサート材を配置しているため、Ｎｉ層とインバー合金との間の接合境界部には、以下の特徴を有する拡散層が生成する。
ＨＩＰ処理中にＮｉ層からインバー合金方向へのＮｉ原子の拡散により、接合界面近傍におけるインバー合金中の含有Ｎｉ量が３６％より増大し、両者の間に形成される拡散層において熱膨張率が傾斜的に大きくなる（図４）ことで、熱膨張差によって生じる残留応力を更に大きく分散、低減することが可能となった。

一方、銅層とＮｉ層の接合界面においては銅とＮｉからなる拡散層が生成されるが、銅、Ｎｉの２元系においては平衡状態で全率固溶状態を形成することから、その接合強度は銅、Ｎｉ単相箇所より高くなることが知られており、本発明においても何ら問題は生じない。
インバー合金と黄銅間に設置するＮｉ層厚みの限定理由について説明する。厚みを１０μｍ以上としたのは、これ未満の厚みの場合はインバー合金及び黄銅含有成分との相互拡散により、前述のインバー合金への段階的なＮｉ拡散量が十分確保できないためである。厚みを２００μｍ以下にしたのは、これを超えた厚みを付与してもインバー合金への段階的なＮｉ拡散量が飽和するため、コスト面から不利になるためである。

また、請求項２記載のインバー合金と黄銅の複合構造体の製造方法は、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に厚みが５０μｍ以上１０００μｍ以下の銅層を介在し、且つ前記インバー合金と前記銅層との間に厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下のＮｉ層を介在させた積層体を金属容器にて封入し、内部を真空脱気後、熱間等方加圧法により昇温及び加圧することにより固相接合するインバー合金と黄銅の複合構造体の製造方法であって、前記熱間等方加圧法を、温度が６００℃以上８４０℃以下、圧力が５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下、処理時間が０．５時間以上４時間以下の条件で行う。

本発明に係るインバー合金と黄銅の複合構造体及びその製造方法においては、インバー合金と黄銅との素材間に銅層からなるインサート材を配置し熱間等方加圧（ＨＩＰ）法により接合するので、インバー合金と黄銅の接合面の十分なる強度を確保できる。
また、インサート材の挿入によってＨＩＰ処理後のインバー合金と黄銅との接合界面の残留応力を低減でき、接合面の割れ及び加工中の素材歪を防止して工業的に活用可能な複合構造材を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
インバー合金と黄銅の一例である快削黄銅とからなる積層体を金属容器に封入し、公知のＨＩＰ処理方法により固相拡散接合することにより一体化製造するにあたり、以下に述べる種々の試験により各素材間に配置する適切なインサート材料と厚み、ＨＩＰ処理条件を見出し、信頼性のある接合複合構造体を完成したものである。
ＨＩＰ処理温度は、８４０℃を超えると快削黄銅が溶融するため好ましくなく、他方６００℃未満の場合は炭素鋼製金属容器がＨＩＰ圧力により変形しなくなり十分な圧力を接合素材に負荷できなくなる。よって適切なるＨＩＰ処理温度としては、６００℃以上８４０℃以下であり、以下に説明する本試験では８００℃を選定した。

ＨＩＰ処理圧力は、炭素鋼製金属容器を前記適正ＨＩＰ処理温度である６００℃以上８４０℃以下において十分変形させるため５０ＭＰａ以上の圧力が必要であり、またその上限は、現状市販されている生産用ＨＩＰ処理設備の最高圧力である２００ＭＰａである。よって適切なるＨＩＰ処理圧力としては、５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であり、本試験では１５０ＭＰａを選定した。
ＨＩＰ処理の保定時間としては、４時間を超えて保定を行うと快削黄銅に含有される鉛が銅層中を拡散し、インバー合金界面に到達することで強度低下を招くことと、処理コストが増大する。また、０．５時間未満の場合は拡散が不十分になる。よって適切なるＨＩＰ保定時間としては、０．５時間以上、４時間以下であり、本試験では２時間を選定した。
接合の対象とする各素材は、インバー合金と黄銅の１種である快削黄銅とし、両素材間に銅層又は銅層及びＮｉ層が配置されるように炭素鋼製容器に充填後、最大２００℃まで加熱しながら、内部を５×１０^-5ｔｏｒｒまで真空脱気、封入した。この素材を８００℃、１５０ＭＰａ、２時間のＨＩＰ処理により固相接合させた後、試験片中央部に接合面が配置されるよう機械加工により引張試験片を作成した。表１に試験条件及びその結果を示す。

また、ＨＩＰ処理後の接合面の割れ及び歪状況を評価するため前記同様の方法、即ち、前記と同じ接合材、同じインサート材と厚み、同じＨＩＰ条件（温度、圧力、時間）により直径１００ｍｍ×厚み１０ｍｍのインバー合金の上下に直径１００ｍｍ×厚み５ｍｍの快削黄銅を固相接合した界面評価試験片を作成した。表１にその結果を示す。
本実施例におけるインサート材として使用する銅としては無酸素銅を使用したが、純度９９％以上であれば製造方法は問わず、他にもリン脱酸銅、メッキ銅を使用しても同じ効果を奏する。また、層厚３０μｍを銅メッキ、不足する残りの厚みは各種厚みの銅箔を使用した。
また、インサート材として使用するＮｉとしては圧延Ｎｉ箔を使用したが、純度９９％以上であれば製造方法は問わず、他にも電解、無電解メッキＮｉを使用しても同じ効果を奏する。

＜試験結果＞
評価方法
得られた試験材のうち、引張試験片は直径１０ｍｍのＪＩＳ４号相当材を作成し、常温で試験を行った。一方、前述のφ１００ｍｍ×２０ｍｍの円盤試験片はその外周接合部を超音波にて非破壊検査することで割れの有無を調査した。また、黄銅部の変形は円盤試験片の黄銅外周部について加工前後の変位測定により評価し、黄銅部の歪はゲージ法により測定した。以上の結果を表１に示す。

その１：（本発明材Ｎo.１〜Ｎo.５対 比較例Ｎo.１２〜Ｎo.１４）
表１における本発明例であるＮo.１〜Ｎo.５に示すものは、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層からなるインサート材を使用して熱間等方加圧（ＨＩＰ）法により接合してなるインバー合金と黄銅の複合構造体であって、前記ＨＩＰ処理前の銅層の厚みが５０μｍ以上、１０００μｍ以下である。また、比較例Ｎo.１２〜Ｎo.１４のものは、前記本発明材Ｎo.１〜Ｎo.５に対応するものである。
本発明例であるＮo.１〜Ｎo.５に示すものは、引張試験片の破断は接合界面ではなく、銅層内部で発生しており、その強度は本発明における接合強度目標の下限値である１００ＭＰａ以上を確保できる。また、φ１００×２０ｍｍ円盤試験材においても接合界面の割れは無く、接合部近傍の快削黄銅部の歪量は２．９０％以下で、その変形量も０．１ｍｍ未満に抑制できることから、いずれも精密部品など工業的に使用することが可能良好な複合構造体を得ることができる。

これに対し、その比較例であるＮo.１２〜Ｎo.１４において、まず、Ｎo.１２、Ｎo.１３のものでは銅層の厚みが０μｍ（インサート材の設置なし）、３０μｍと本発明の下限値５０μｍより薄く、ＨＩＰ中の拡散により銅層そのものが殆ど消失することから、接合強度は４５ＭＰａ以下と低く、円盤試験片においても部分的な割れを生じ、かつ、熱膨張差によって生じる４．００％以上の過大な歪により接合面近傍の快削黄銅の変形量も０．１ｍｍ以上になることが判明し、精密加工品など工業的に使用することができない不良な複合構造体であることが判明した。
比較例Ｎo.１４では良好な接合面、即ち、実施例Ｎo.５と同様の良い結果を得たが、銅厚の厚みが本発明材の上限である１０００μｍを超えた１２８０μｍであり、同例に示す１０００μｍ以上の銅厚みでは応力緩和層としての機能が飽和し、コスト的に不利になり実用的でない。

その２：（本発明材Ｎo.６〜Ｎo.９対 比較例Ｎo.１５）
表１における本発明例であるＮo.６〜Ｎo.９に示すものは、一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に銅層及びＮｉ層からなるインサート材を使用して熱間等方加圧（ＨＩＰ）法により接合してなるインバー合金と黄銅の複合構造体あって、前記インバー合金と銅層の間に厚みが１０μｍ以上、２００μｍ以下となるＮｉ層を使用してＨＩＰにより接合してなるインバー合金と黄銅の複合構造体であり、比較例Ｎo.１５のものは、前記本発明材Ｎo.６〜Ｎo.９に対応するものである。

本発明例であるＮo.６〜Ｎo.９に示すものは、接合面の引張強度は前記本発明のおける目標の下限値である１００ＭＰａ以上を確保でき、φ１００×２０ｍｍ円盤試験材における接合界面の割れは無く、接合部近傍の快削黄銅部の歪は２．９０％（０．８５％）以下、その変形量も０．１ｍｍ未満に抑制でき、精密加工部品として工業的に十分使用することができる複合構造体である。
これに対し、その比較例であるＮo.１５においてはＮｉ層の厚みが、２２０μｍで本発明の上限値２００μｍより厚く、その効果は、本発明材Ｎo.９と差異がなく、２００μｍを超えるＮｉ厚みではインバー合金へのＮｉ拡散により発生する傾斜的な熱膨張率の変化による応力緩和層としての機能が飽和し、コスト的に不利になるため好ましくない。また、Ｎｉ層の厚みが１０μｍ未満の場合は、銅層単独の場合に比べてその効果の差異が無い。

なお、本発明が対象とするインバー材としては、前記のとおり代表的なインバー材である３６重量％Ｎｉの他、前記Ｎｉの一部をＣｏに置換したスーパーインバー合金 ３１重量％Ｎｉ−５重量％Ｃｏに対しても同様の理由により有効である（本発明例Ｎo.１０、Ｎo.１１）。

Ｎｉ−Ｆｅ合金におけるＮｉ量と熱膨張係数を示すグラフである。 インバーの熱簿膨張係数に及ぼすＣｕ添加量の影響を示すグラフである。 接合部の元素濃度と膨張係数の関係を示すグラフである。 接合部の元素濃度と膨張係数の関係を示すグラフである。

Claims (2)

1. 一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に厚みが５０μｍ以上１０００μｍ以下の銅層からなるインサート材を配置すると共に前記インバー合金と前記銅層の間に厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下のＮｉ層を配置して、熱間等方加圧法により接合してなることを特徴とするインバー合金と黄銅の複合構造体。
2. 一方の素材がインバー合金、他方の素材が黄銅からなり、前記両素材間に厚みが５０μｍ以上１０００μｍ以下の銅層を介在し、且つ前記インバー合金と前記銅層との間に厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下のＮｉ層を介在させた積層体を金属容器にて封入し、内部を真空脱気後、熱間等方加圧法により昇温及び加圧することにより固相接合するインバー合金と黄銅の複合構造体の製造方法であって、前記熱間等方加圧法を、温度が６００℃以上８４０℃以下、圧力が５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下、処理時間が０．５時間以上４時間以下の条件で行うことを特徴とするインバー合金と黄銅の複合構造体の製造方法。

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