JPH02502086A - 低温、高強度ニッケル・パラジウム基ろう接合金 - 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】 低温、高強度ニッケル・パラジウム基ろう接合金主亙少立夏 この発明は特に超硬合金（ｃｅ■ｅｎｔｅｄ　ｃａｒｂｉｄｅ）部品のろう接（ ｂｒａｚｉｎｇ）に有用な低温・高強度ニッケル・パラジウム基合金に関する。

特に、この発明はコバルトおよびある種のメタロイドを含有し約９５０℃よりも 低い液相温度を持っているニッケル・パラジウム合金に関する。

光尻■！景 ろう接はしばしば異質の組成の部材をお互いに接合する方法である。典型的には 、一体に接合される部材の融点よりも低い融点を持つ溶加金属（ｆｉｌｌｅｒ　 ｍｅｔａｌ）は−組体品を形成する部材間に挿入される。総体部材の接合部およ び溶加金属は、次いで溶加金属を溶融するために充分な、しかし、一般的には部 材の融点よりも低い温度に加熱される。冷却後、強力な空隙のない接合が形成さ れる。

ろう接法によって製造される製品の一種は超硬合金の切削工具である。これらの 工具は通常は超硬合金切削チップをホルダーすなわちシャンクにろう接すること により形成される。これらの工具の多くは高温、高応力および高いエロージョン 条件にさらす条件下で使用される、例えば油井探査および井戸掘削用のドリルビ ットとして使用される。従って、採用するろう接溶加金属は高温強度、耐食性お よび耐エロージヨン性に優れていることを保証する必要がある。しかし、超硬合 金工具における特別の問題は、応力分散条件あるいはほぼ標準的傾向下で、特に これらの傾向は非均−な熱膨張によって惹起されるのだが、超硬合金工具は脆く 破断しがちであるということである。したがって、採用のろう接溶加金属が熱膨 張によって導入される応力を減少するように低融点を示すことが最も重要である 。更に最近では、低温ろう接金属の必要性が多結晶ダイヤモンド切削チップを含 くむ超硬金属工具の製造のために認識された。特に、これらのダイヤモンド・チ ップの工具の製造において、ダイヤモンド・チップの超硬合金カッターのシャン クへのろう接は多結晶ダイヤモンド・チップが高い熱不安定性の程度を示すので 低温で実施されねばならない。

現在まで、ろう接業界は高温で使用する目的の超硬合金部品の製造において３種 類の異なるろう接溶加材料が採用された。

第一の溶加金属、すなわちＡｕ　１８Ｎｉは良好にろう接できるが溶融温度範囲 （９２５−９８５℃）が少し高く且つ高温での破断強度が低い欠点がある。第二 の溶加金属すなわちＣｕ−１０Ｃｏ−３１，５Ｍｎは、やはり良好にろう接でき るが、金基合金と同様に溶融温度範囲が高い、更に、この銅合金はマンガン含有 量が高いので耐食性が低く高温強度が乏しい、更に最近、高温強度と、良好な耐 食性と良好な耐エロージヨン性を示す一種のろう接溶加金属が開発された。米国 特許第４．５０８，２５７号明細書、第４．４０５．３９１号明細書および第４ ．４４８．６１８号明細書に開示されているこの第三種の合金はＮｉ−Ｐｄ基合 金である。しかし、これらの合金は高い融点で、超合金のろう接用に創出された 。更に、これらの合金を超硬合金部材のろう接に採用する場合、これらの合金は 超硬合金部材と反応する傾向があり、ベース金属からコバルトを浸出させ、それ によりろう接界面に微小空孔を発生させる。この微小空孔はベース金属中の脆化 破断から生ずるろう接接合部中に破滅的破損の危険を増加する。低ろう接温度（ 好ましくは約９２５°Ｃ以下）で使用可能で、ベース金属と不利に反応せず、同 時に高温での良好な強度と、良好な耐食性と、良好な耐エロージヨン性を示す新 規なろう接渚加金属に対する当該技術分野での要求がある。

光里■豊１ この発明は、化学式ＣｒａＰｄｂＳｉａＣｏｍＭｏｔＮｉｂｍＬによって表わさ れる組成物と付随不純物からなる合金に関し、化学式の添字は原子パーセントで ａ′″はＯから約１０までの範囲に、“ｂ″は約２５から約３５までの範囲に“ Ｃ″は０から約１３までの範囲に、“ｄ”は０から約１３までの範囲に、“ｅ” は約５から約２０までの範囲に、′″ｆ”はＯから約５までの範囲に、かつｃ＋ ｄの合計は約１０から約１３までの範囲にある。

好ましくは、合金は少くとも５０パーセントのガラス質構造を持つ準安定構造状 態である。

更に、この発明は箔状の上述の組成のろう接溶加金属を提供することである。こ の箔は均質で延性がある。

更に、ろう接によって２あるいはそれ以上の部材の改善された接合法が提供され る。更に特に、少くともその一つが超硬合金から成る２あるいはそれ以上の部材 のろう接法が提供され、それは （ａ）　間に接合部を規定するように超硬合金−含有の構成部材と製造する製品 を並置し、 （ｂ）　化学式　Ｃｒ、ＰｄＪｃＳｉａＣｏ、Ｍｏ、Ｎｉｂｍｔによって表わさ れる組成物、ここで添字は原子パーセントで、′ａ″は０から約１０までの範囲 に、′ｂ”は約２５から約３５までの範囲に、“Ｃ”はＯから約１３までの範囲 に、“ｄ”は０から約１３までの範囲に、“ｅ”は約５から約２０までの範囲に 、“ｆ”はＯから約　までの範囲に、かつｃ＋ｄの合計は約１０から約１３まで の範囲にあり、と附随不純物を有するろう接溶加合金を接合部に供給し、（Ｃ） 　溶融するためにろう接溶加合金を加熱し、かつろう接接合部をつくるために溶 融ろう接溶加合金を冷却する、段階から成る方法である。

主里立用史星説亙 如何なるろう接法においても、ろう接材料は一つにろう接される金属部材のサー ビス要求に適合する強度を与えることができるように充分に高い融点を持たねば ならない。しかし、融点はろう接操作を困難にするほど高くてはならない、さら に、溶加材料は化学的にも冶金学的にもろう接される材料と相溶性でなければな らない、理想的には、ろう接材料は複雑な形状が打抜かれ得るように延性の箔の 形状である。結局、ろう接箔は均質でなければならない；つまり、溶接中に空隙 あるいは汚染残渣を生成するような如何なるバインダーあるいは他の物質も含有 しない。

この発明は、超硬合金含有要素およびステンレス鋼を接合するろう接溶加材料と して特に適している改善された合金に関する。

最も一般的には、合金は化学式： ＣｒｍＰｄ、ＢｃＳｉ＊Ｃｏ、ＭｏｒＮｉｂａｔによって表わされ、附随不純物 を附加したものであり、ここで添字は原子パーセントでかつ、′ａ″は０から約 １０までの範囲に、“ｂ”は約２５から約３５までの範囲に、“Ｃ”は０から約 １３までの範囲に、“ｄ”はＯから約１３までの範囲に、“ｅ”は約５から約２ ０までの範囲に、“ｆ”は０から約５までの範囲に、かつｃ＋ｄの合計は約１０ から約１３までの範囲にある。

この発明のニッケル基合金は従来技術の合金からこれまで得られない性質のユニ ークな組合わせを提示する。最も基本的には、この発明の合金は約９５０°Ｃよ り低い、好ましくは９２５℃より低い液相線を示し、一方、いくつかの最も好ま しい合金は約９００℃より低い液相線を示す、そのような低い溶融温度によりこ の発明の合金は高温のろう接で不利益な影響を受ける低融点材料およびダイヤモ ンドのような準安定な成分のろう接に有用なユニークな利点が付与される。上述 したように、この発明の合金は特に超硬合金部材のろう接に適している。

各々の組成は、この発明のＮｉ−基合金の特性のあるユニークな結合を与える。

この発明の合金の低液相線は合金中の高いニッケルーパラジウム成分に基本的に 起因している。さらに、パラジウムは耐食性を拡大する有益な効果を有する。従 って、パラジウムは約２５ないし約３５原子パーセントまでの範囲で合金中に存 在する。はう素およびけい素はアモルファス状で存在する合金の性能を拡大する ためにかつ合金の融点を下げるために添加される。しかし、はう素およびけい素 成分の合計は、ろう接部にベース金属の過度のエロージッンを生起し、あるいは ろう接吻中に脆い金属間化合物の分離相の生成を生起するので、それ程大きくで きない。従って、はう素およびけい素成分の合計は約１０および約１３原子パー セント間の範囲内にある。

また、この発明の合金は実質量のコバルトを含有する。コバルトは超硬合金−接 合界面を横切るコバルト濃度勾配を減少する為に添加され、かくして超硬合金ベ ース材料からのコバルトの−°方向拡散の駆動力が実質的に減少させられる。上 述のように、ベース材料からのコバルトの拡散はろう接部に強度を減少する微小 多孔質を生成する。従って、コバルトは約５原子パーセントと約２０原子パーセ ント間、更に好ましくは約５原子パーセントと約１２原子パーセント間の量で合 金中に存在する。好ましくは、またモリブデンは約１原子パーセントと約５原子 パーセント間の量で存在する。更に好ましくは、モリブデンは約３５原子パーセ ントを超えない量で存在する。この発明の合金中のモリブデンの役割は低い合金 の溶融温度を維持し、一方、合金中の高い移動性の核の全体の塊状移動（移動度 ：　ｎｏｂｉｌｉｔｙ）を減少する。更に特に、モリブデンは共晶点の変位を生 起して合金中の対応するほう素およびけい素成分を低下し、それにより、共晶を 形成するために必要な侵入型抜の量を減少し、かくてアモルファス合金の生成を より容易にする。さらに、結局合金は耐食性を更に改良するために約１０原子パ ーセントまでの量クロムを含有することができる。

この発明の合金は粉末、箔、リボンおよびワイヤーなどのような種々の形態に種 々の周知の技術を適用して製造することができる。粉末状の合金を製造する通常 使用の方法はガスあるいは水アトマイゼーション法あるいは機械的粉末化法から なる。

箔、リボンあるいはワイヤー状のこの発明の合金の製造に使用する最も好ましい 方法は急速凝固である。

急速凝固法は約１０３°Ｃ／ｓｅｃより大きい急冷速度で溶融材料を急冷する方 法である。今日利用できる種々の急速凝固法の間で、最も好ましい方法はその上 で溶融合金を鋳造する急速回転冷却ホイールを採用することである。このような 方法はＮａｒａｓｈｉｍｈａｎに譲渡された米国特許第４，２２１．２５７号に 開示されている。

合金の均質な溶融物から得られる急速凝固製品は通常は固体で均質である。製品 は合金組成およびプロセシングパラメーターによってガラス質が結晶である。さ らに、少くとも５０％ガラス質の製品は充分な延性を示し合金の箔やリボンやワ イヤー状のものを破断することなくその厚さの１０倍程度の小さい径まで曲げる ことができる。好ましくは、この発明の合金は少くとも約１０”Ｃへｅｃの急冷 速度で急速凝固される。そのような急冷速度は少くとも約５０％ガラス質であり 、その結果複雑な形状に打抜（ことのできるような充分な延性を持っている合金 を製造する。さらに好ましくは、この発明の合金は、少くとも約８０％ガラス状 であり、最も好ましくは実質的にガラス質の合金は最高の延性を示すので実質的 にガラス質のものである。

この発明の合金は特にろう接溶加金属として通している。最も好ましくは合金は 箔状に製造され、箔がガラス状あるいは多結晶状であるかどうかに関わりなく使 用される。この発明の箔は典型的には約ｏ、ｏｏｏｓおよび約０．００４インチ （約１２ないし１００マイクロメーター）間の厚さである。多くの場合に、箔の 厚さはろう接される部材間の希望の間隙に依る。

この発明のろう接種はステンレス鋼のろう接に、特に超硬合金のろう接に唯−適 している。ろう接法は二つの部材の間にろう接される接合部を規定するように少 くとも二つの部材を並置し、接合部にこの発明のろう接種を供給しく通常液相線 より上の約３０および７０°Ｃ間である）液相線より高い温度にろう接種を加熱 し、その後ろう接接合部を造るようにろう接材料を冷却する。この発明にから造 られたろう接製品は高温での高強度と良好な耐食性と、良好な耐エロージゴン性 を有するろう接部を示す。

次の実施例はこの発明の一具体例を特徴する請求の範囲に附随して定義するよう に発明の範囲を限定する意図は無い。

災施旦上 約２．５４ｍｍから約２５．４１１１１１　（約０．１０インチから約１．００ インチ）幅で約１３ミクロンメーターから７６ミクロンメーター（約０．０００ ５インチから０．００３インチ）厚のリボンが下記の表１の試料３−８として計 画の各組成物の溶融物を急速回転する銅製急冷ホイール（約３０００ないし６０ ００ｆ　ｔ／ｗｉｎの表面速度）上にアルゴン過剰圧により連続的に析出するこ とにより形成された。準安定の均質なリボンがこれらの組成から造られた。試料 ３−８のリボンは実質的にガラス質であった。試料１および２は供給器から受入 れたものだった。試料１〜３は従来技術の組成物である。試料４〜８は、この発 明の範囲内の合金組成である。

盗−−−Ｙ ガａｔｔｈｅｗ 続　表−１ １１ａｔｔｈｅｗ ａ　盗−Ｕ Ｍａｔｔｈｅｗ ス１１１４ 各試料１−８のリボンの液相線および固相線温度は熱示差分析＜Ｄｉｆｆｅｒｅ ｎｔｉａｌ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　（ＤＴＡ）　）技術によって 決定した０個々の試料は不活性のレファレンス物質で均一な速度で側面毎に加熱 されそれらの試料間の温度差は温度の函数として測定された。サーモグラム（溶 解開始と溶解終了が、固相線および液相線として個々にしられている加熱エネル ギー変化対温度のプロット）が決定された。サーモグラムから決定される固相線 と液相線の値は下記の表２に示される。

溶解範囲℃（７） 跋葺慰　皿皿腺　丘祖扱 １　９ＮＯ（１６７０）　１０００（１８３２）各試料のＤＴＡの結果は、この 発明の合金（試料４〜８）を使用する場合に採用される低いろう接温度を示して いる。

災旅土主 約９４重蓋％の炭化タングステンと６重量％のＣｏ　（Ｋ２Ｓ級、Ｋｅｎｎ−ａ ｍ＋ｅｉａｔ）の約２．５４ｃｍＸ１．２７ｃｍＸ０．３２ｃｍの大きさの超硬 合金素材片が６００級ガラスペーパーを使用して研摩された。ラップジヨイント 試料（例、ろう接オーバーランピング素材片）が従来技術の合金との比較として この発明の合金から調整された超硬合金ろう接部のせん断強度の試験のために製 造された。試料調整は下記の通りであった：実質的に同じ厚さである。この発明 のろう接溶加金属（試料４〜８）および従来技術の箔、すなわち、Ｃｕ　−１０ ＣＤ　−３１、５Ｍｎ　（試料１）、８２−１８金−ニッケル（試、料２）およ びＭＢＦ−１００２（試料３）は支持板上に戴置した２個の素材の間の間隙に各 々予じめ設置した０次いで、各素材の組は試験される各ろう接合部の液相線より も５０°高い温度で窒素雰囲気の下で誘導加熱−ろう接された。冷却後、各々の ろう接製品は°清浄化され条片中に蓄積された過剰の溶加金属はオーバーラツプ 段階が矩形状の輪部を持つような方法ですり落された。ろう接された６個の部材 の組は信転できるデータ配列を得るように表１に開院した各々の合金組成を用い て調成された。ろう接された部材はＩａｓｔｒｏａ試験機とＤａｔｔａＡその他 により記述された”Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ”６５　Ｎ１．１４（１９ ８６）の“急速凝固された銅−燐基ろう接種”中の試験方法に従うガイダンスデ バイスを採用するせん断−試験が実施された０表３はせん断試験の結果を内容と している。

１　２１６（３１，４） ２　１７４　（２５，２） ３　１２１　（１７，５） ４　２４０（３４，８） ５　２５７（３７，３） ６　１８Ｂ（２７，２） ７　１９２（２７，８） ８　１７４　（２５，２） 表３のデータは、試料４〜８から造られたろう接部材が、従来技術の合金におい て採用される温度よりも実質的に低い温度でろう接されるという事実にもかかわ らず、この発明の合金から製造の接合部は従来技術の合金から製造された接合部 と同じせん断強度を示すかより大きいせん断強度を示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．式： ＣｒａＰｄｂＢｃＳｉ４ＣｏｅＭＯｆＮｉｂａＬで表わされ、ここに、添字は原 子パーセントで、“ａ”０から約１０までの範囲に、“ｂ”は約２５から約３５ までの範囲に、“ｃ”は０から約１３までの範囲に、“ｄ”は０から約１３まで の範囲に、“ｅ”は約５から約２０までの範囲に、“ｆ”は０から約５までの範 囲に、且つｃ＋ｄの合計は約１０から１３までの範囲にある組成および附随不純 物とを有する合金。 ２．合金の少くとも約５０％がガラス質である請求項１に記載の合金。 ３．合金の少くとも約９０％がガラス質である請求項１に記載の合金。 ４．“ｆ”が約１から約５までの範囲にある請求項１に記載の合金。 ５る“ｃ”が約５から約１２までの範囲にある請求項１に記載の合金。 ６．“ｆ”が約３．５よりも多くない請求項５に記載の合金。 ７．合金が約９２５℃より高くない液相線温度を持つ請求項１に記載の合金。 ８．製造する製品に超硬合金含有の要素をろう接する方法において、 （ａ）超硬合金−含有の要素および製造する製品をそれらの間に接合部を配置す るように並置し、 （ｂ）式　ＣｒａＰｄｂＢｃＳｉｄＣｏｅＭｏｆＮｉｂａＬで表わされ、ここに 添字は原子パーセントで、“‘ａ”は０から１０までの範囲に、“ｂ”は約２５ から約３５までの範囲に、“ｃ”は０から約１３までの範囲に、“ｄ”は０から 約１３までの範囲に、“ｅ”は約５から約２０までの範囲に、“ｆ”は０から約 ５までの範囲に、かつｃ＋ｄの合計は約１０から約１３の範囲にある組成および 附随不純物とを有するろう接溶加合金を接合部に供給し、 （ｃ）溶融させるためにろう接溶加合金を加熱し、（ｄ）ろう接接合部を得るよ うに溶融ろう接溶加合金を冷却する、 段階からなる方法。 ９．超硬合金−含有の要素がコバルトー含有のベース材料から成る請求項８に記 載の合金。 １０．約２５から約３５原子パーセントまでのパラジウムと、約１０から約１３ 原子パーセントまでのＢおよびＳｉの少くとも１種と、約５から約２０原子パー セントのＣｏと、約５原子パーセントを超えない量のモリブデンとから成り、且 つ９５０℃より低い液相線温度を示すニッケル基合金。