JPH02182387A - Ｚｒ系またはＴｉ系材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、Ｚｒ系またはＴｉ系材料とＦｅ系またはＮｉ
系材料との接合方法、特に中間層を構成するインサート
材を介在させて加圧接合する方法に関する。

（従来の技術） Ｚｒ系あるいはＴｉ系材料は、優れた耐食性を有するた
め、化学工業、原子カニ業、等に広く活用されつつある
。しかし、Ｆｅ系材料あるいはＮｉ系材料に比べ高価な
ため、特に腐食環境の麻しい部位にのみ、Ｚｒ系（Ｔｉ
系）材料を用いているに過ぎない。

しかしながら、近年に至り、一般に使用環境が厳しくな
り、また安全性に対する要望が強いことから、そのよう
な高価な材料を使用する機会は多くなりつつある。そこ
で、そのような要求を満たしながら、より安価にかつ経
済的な材料が求められるようになった。このような状況
から、Ｆｅ系（あるいはＮｉ系）材料との併用が期待さ
れる。その場合、Ｚｒ系（Ｔｉ系）材料とＦｅ系（Ｎｉ
系）材料との接合が必要となるが、これらの組み合わせ
では金属間化合物が形成して脆化するため、溶融溶接は
できない。

そこで、Ｚｒ系（Ｔｉ系）材料とＦｅ系（Ｎｉ系）材料
との非溶融接合法の開発が、Ｚｒ系（Ｔｉ系）材料の有
効活用の面からも求められている。

従来にあっても、例えば特開昭６１−５２９９６号にも
開示されているように、ＴｉまたはＺｒ系材料にステン
レス鋼を接合する場合、上述のような金属間化合物の生
成が問題となるため、そのような金属間化合物への固溶
度の大きいβ型Ｔｉ基合金あるいはβ型Ｚｒ基合金をイ
ンサート材として用いることが提案されている。しかし
ながら、かかる方法は旧Ｐ（熱間静水圧法）によるもの
であり、また金属間化合物を固溶させる必要があるため
例えば１時間という長時間の接合時間を必要とするなど
、高価な処理と言わねばならない。

（発明が解決しようとする課題） ここに、本発明の目的は、Ｚｒ系（Ｔｉ系）材料とＦｅ
系（Ｎｉ系）材料との効果的かつ簡便な非溶融接合法を
堤供することである。

（課題を解決するための手段） ところで、固体状態のまま材料を冶金的に接合するには
、接合界面の原子を原子間力が働く距離にまで接近させ
なければならない。しかし、互いに接合される界面の原
子層は酸化皮膜やガス吸着層に覆われており、これを取
り除いて原子層同士を接近させる必要がある。超塑性を
有する材料ではこの現象を利用することにより、互いの
被接合面上の皮膜の破壊、接合界面の密着が容易に行え
ることが判明した。

本件特許発明者らは、超塑性を示す二相ステンレス鋼を
インサート材として用いると短時間で接合でき、かつ真
空度や接合面粗さの管理も緩和できることを見出し、先
に特願昭第６０−１７９４５９号として提案している。

そこで、さらに研究開発を続けたところ、Ｚｒ系あるい
はＴｉ系材料の接合にあっても超塑性二相ステンレス鋼
がインサート材として有効であることを知見し、その実
用化に向けてさらに検討を続けた。

すでに述べたように、被接合材の一方が、Ｚｒ系または
Ｔｉ系材料の場合には、接合時にＺｒ　（Ｔｉ）とイン
サート材（二相ステンレス鋼）との界面にＺｒＰｅ（Ｔ
ｉ　　Ｐｅ）系、Ｚｒ−Ｎ１（Ｔｉ−Ｎ１）系金属間化
合物が形成されて脆化する。その理由は、二相ステンレ
ス鋼からのＦｅ、　Ｎｉｓ　Ｃｒの拡散が防止できない
からである。

本発明者らはこれらの金属間化合物生成について種々検
討を重ねたところ、純Ｔａ材およびその合金は、Ｐｅ、
　Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｔｉ、　Ｚｒとの金属間化合物が生
成し盾・、たとえ生成しても生成温度が極めて高いため
インサート材として金属間化合物の生成抑制を極めて効
果的に実現できることを知り、本発明を完成した。

ここに、本発明の要旨とするところは、Ｚｒ系またはＴ
ｉ系材料とＦｅ系またはＮｉ系材料との接合方法であっ
て、これら両材料の接合面の間に中間層として前記Ｆｅ
系またはＮｉ系材料の側に、重量％でＮ：０．０５〜０
．２５％を含有し、Ｆｅｓ　Ｃｒｓ　Ｎｉを主成分とし
た超塑性を有する二相ステンレス鋼の第一インサート材
と、前記Ｚｒ系またはＴｉ系材料の側に、接合に際して
Ｔａまたはその合金から成る第二インサート材とを介在
させ、７５０〜１２００℃の接合温度に加熱した状態で
０．５〜５ｋｇｆ／ｍｍ”の圧縮応力を付与しながら前
記接合面を突き合わせて拡散接合した後、少なくとも５
００℃まで２℃／Ｓ以上の冷却速度で冷却することを特
徴とするＺｒ系またはＴｉ系材料の接合方法である。

なお、本明細書で特にことわらない限り「％」は「重量
％」である。

本発明の好適Ｂ様においては、前記第二・インサート材
として純Ｔａ材などの金属間化合物生成防止材をＺｒ系
またはＴｉ系材料の接合面に予め接合させておいてもよ
い。

（作用） 次に、本発明の接合法を添付図面を参照してさらに詳細
に説明する。

第１図は、本発明にかかる接合法の略式説明図であり、
Ｆｅ系またはＮｉ系材料の接合母材ＡとＺｒ系またはＴ
ｉ系材料の接合母材Ｂとを接合するに当たり、両材料の
接合面の間に中間層として超塑性を示すＮ含有ｆｆ１０
．０５〜０．２５％の二相ステンレス鋼の第一インサー
ト材Ｃと７５０〜１２００℃という接合温度にあっても
Ｆｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉと脆弱な金属間化合物を生成しな
いＴａまたはその合金からなる第二インサート材りとを
図示のように介在させ、両側から加圧させ、接合面に０
．５〜５　ｋｇｆ／ｍｍ”の圧縮応力をかけて拡散接合
するのである。

ここに、Ｆｅ系材料としては代表的には炭素鋼、低合金
鋼、ステンレス鋼などが挙げられ、一方、Ｎｉ系材料と
してはＡｌ１ｏｙ　６００　、　Ａｌ１ｏｙ　６２５な
どに代表されるＮｉ基合金が例示される。

さらにＴｉ系材料としては、純ＴｉおよびＴｉ基合金（
例：　Ｔｉ−４Ａ−６Ｖ合金、Ｔｉ−５７ａ合金）であ
り、Ｚｒ系材料としも、純Ｚ「ばかりでな（、ジルカロ
イ合金などのＺｒｉ合金が挙げられる。

本発明によれば、以上からも明らかなように、第一イン
サート材として超塑性を示す二相ステンレス鋼を、また
、第二インサート材として７５０〜１２００℃という接
合温度においても金属間化合物の形成しないＴａおよび
その合金を使用している。

Ｔａおよびその合金の場合予めＺｒ（Ｔｉ）系材料と接
合しておいてもよく、その際の接合手段は特に制限され
ず、アーク溶接、電子ビーム溶接、拡散溶接、摩擦溶接
などいずれによって接合を行ってもよい。第二インサー
ト材の厚さは特に制限されないが、好ましくはＯ１１〜
２０ＩＩＭ程度である。

第一インサート材として用いる二相ステンレス鋼のｗＪ
ｌｔｌＩ成としては、Ｆｅ５Ｃｒ、、Ｎｉを主成分とす
るものであればよく、その超塑性を利用する関係上超塑
性を示すものであれば特に制限はない。

しかし、実用上好ましくは、Ｎｉ：４〜９％、Ｃｒ：１
５〜３５％であって、その他必要に応じさらにＭｏ＜６
％、Ｃｕ＜ｌ　％、Ｔｉ　＜　０．５　％、Ｚｒ　＜　
０．５　％、Ｖ＜Ｏ０Ｓ％、−＜１゜０％、およびＣ＜
０．１％の少なくとも１種を含有しており、あるいはさ
らにＳｉ＜５％および／またはＭｎ＜５％、そしてさら
に少量のＲＥＭ、Ｂ　、　Ｃａや不可避不純物を含んだ
ものも包含される。

さらに好ましくは、Ｎｉ：６〜８％、Ｃｒ：２２〜２７
％、Ｍｏ：０．１〜４％、Ｎ：Ｑ、ｌ　〜０．２％およ
び脱酸剤として０．５〜４％程度のＳｉや０．５〜１．
５％程度のＭｎを含むものであってもよい。

Ｆｅ−、Ｃｒ、Ｎｉの主成分を上述のようにする理由は
、α／γの二相混合組織とするためで、超塑性を利用す
るためには二相混合組織とする必要があることから、上
述の範囲とするものである。

Ｈの限定理由は、０．０５％未満では超塑性が生しにく
いためであり、０．２５％超の添加は工業的に困難であ
るからである。

このような第一インサート材の厚みは特に制限はないが
、一般には、０．１〜２０ＩＩＩ１１であれば十分であ
る。

接合時の加熱温度を７５０〜１２００℃に限定する理由
は、この温度範囲で超塑性が得やすいためで好ましくは
１０００〜１１００℃である。

接合のための圧縮力は、０．５ｋｇｆ／ａｍ”以上であ
るが、大きすぎると接合時に座屈変形が大きくなるため
上限を５ｋｌｌｆ／＋ｕｍ”とした。

加熱および加圧の保持時間は特に制限されず、１０秒以
上であれば良い、また、このように加熱加圧されて接合
された材料が冷却中にシグマ相や炭化物を形成して脆化
するとを防ぐため５００℃までの冷却は冷却速度２℃／
Ｓ以上とした。

なお、従来の拡散接合方法では、接合面は鏡面研磨し、
１０−’Ｔｏｒｒ以上の高真空中で加熱・加圧するのが
９通であるが、本発明の場合ではＦｅ　（Ｎ　ｉ）系材
料の接合面の面粗さは例えばＪＩＳ　ＢＯ６０１で規定
される１０点平均粗さで３０＃清以下であれば接合が十
分である。しかも、不活性ガス雰囲気下であればなお良
い、鏡面を要しない理由は使用する二相ステンレス鋼が
超塑性を示すためである。そして接合面の密着が容易に
なし得て、極めて短い拡散距離でお互いを拡散接合させ
ることができる。したがって、非常に短時間（数分）で
接合が可能となり、真空度や接合面の表面粗さの管理条
件が緩和できるのであって、この点からの本発明の実用
上の利益は大きい。

次に、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

実施例 第１表および第２表に示す化学組成のインサート材およ
び被接合材を用いて本発明の異種材料の接合を行った。

被接合材は直径１５ＩＩ１ｍの丸棒、インサート材用二
相ステンレス鋼は厚さｌｖｗ、直径１５ｍｍの薄円板体
、インサート材用の純Ｔａは厚さ４ｍａａ　ｓ直径１５
ｍｍの円板体とした。

これらの材料を用いて種々の条件で接合し、接合部より
継手引張試験片（ＪＩＳｄ号）を採取し、それぞれ機械
的特性の評価を行った。

接合は、第１図に示すと同様にして行い、被接合材Ｂに
相当する材料（例：　Ｚｒ、　？’＋系）とインサート
材りを清浄面同士を対向させて予め電子ビーム溶接で接
合しておいた後、被接合材Ａ　（Ｆｅ系、Ｎｉ系）との
間にインサート材Ｃを置いて、所定の圧縮応力を加えた
まま所定の温度に２分間保持した後、冷却した。加熱は
９９．９９％のＡｒガスにて置換したチャンバ内にて、
誘導加熱方式にて行った。

接合の評価は継手引張強さによって行った。

結果を第３表にまとめて示す。

第３表の結果からは、■冷却速度が２℃／Ｓ未満では接
合強度が低下すること、■インサート材Ｃが本発明のよ
うにＮを０．０５〜０．２５％含有する二相ステンレス
鋼である場合は良好な接合が得られるが、Ｎ含有量が０
．０５〜０．２５％の範囲外の場合、あるいは二相ステ
ンレス鋼でない場合には接合が生しないこと、■インサ
ート材りに純Ｔ？を用いると良好な接合が得られるが、
他の材料（例純Ｔｉ）あるいは無しの場合には良好な接
合が得られないことが分かる。

第２図には、接合強度に及ぼす加熱温度の影響をグラフ
で示す、第２図よりわかるように、加熱温度７５０℃〜
１２００℃で良好な接合が得られることが分かる。７０
０℃以下では接合されず、一方１２５０℃では座屈が起
こることが分かる。

（発明の効果） 以上詳述してきたように、本発明によれば、二相ステン
レス鋼をインサート材として使用することにより、接合
面の仕上げを厳格にすることなく、短時間で前便に接合
が行われかつ実用上十分な程度の継手接合強度が得られ
るのであって、Ｔｉ系およびＺｒ系材料の適用範囲を一
層拡大でき、本発明の技術上の意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる接合の様子を示す模式的説明
図：および 第２図は、実施例の結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｚｒ系またはＴｉ系材料とＦｅ系またはＮｉ系材料との
   接合方法であって、これら両材料の接合面の間に中間層
   として前記Ｆｅ系またはＮｉ系材料の側に、重量％でＮ
   ：０．０５〜０．２５％を含有し、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉを
   主成分とした超塑性を有する二相ステンレス鋼の第一イ
   ンサート材と、前記Ｚｒ系またはＴｉ系材料の側に、接
   合に際してＴａまたはその合金から成る第二インサート
   材とを介在させ、７５０〜１２００℃の接合温度に加熱
   した状態で０．５〜５ｋｇｆ／ｍｍ＾２の圧縮応力を付
   与しながら前記接合面を突き合わせて拡散接合した後、
   少なくとも５００℃まで２℃／Ｓ以上の冷却速度で冷却
   することを特徴とするＺｒ系またはＴｉ系材料の接合方
   法。