JPH0284285A - 筒状積層材の拡散接合方法 - 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】 ；産業上の利用分野コ 本発明は、例えば医療用機器１分析機器、電子機器およ
びこれらの部品等に使われる筒状積層材の拡散接合方法
に関する。

［従来の技術］ モリブデン、タングステン、チタン、鉄、クロム２銀、
マンガン、ニッケル等からなる被接合材を、例えば銅あ
るいは銅合金からなる金属基材に接合する手段として、
■ろう付、■蒸着、■めっき等か知られている。

■　ろう付としては銀ろう付が一般的であるが、高温時
の接合部の強度に問題があり、熱応力あるいは外力によ
る剪断力が負荷された場合にろう何部から剥離する可能
性がある。また、円筒形の部）］の外外周面体に均一に
ろう付することは技術的に難しく、使用中にろう付不良
箇所が冷却不足とな−、て局部的な温度上昇を生し、剥
離するり能性が高い。また、チタンやクロム、モリブデ
ン等はろう材との濡れ性が悪いため、ろう付自体が不可
能な場合もある。

■　蒸着は、被接合材を真空蒸着法やイオンブレーティ
ング、スパッタリング法などによって金属基材の外周面
にコーティングする方法であるが、コーティング速度が
きわめて遅く、必要厚（例えば３０〜１００ｐ）にする
のに長時間を要する。また、コーティング厚が大になる
と不可避的に発生する残留応力により剥離しやすくなる
。

■　めっきによる場合、被接合材はめっき可能な金属（
銀、鉄、ニッケル、クロム等）に限られるから、何科的
な制約が大きい。また、めっきは液中で行なわれるため
、真空で高温にさらされると、めっき時に吸着された液
分がガス化しやすく、界面から剥離する可能性がある。

また、蒸着の場合と同様に被接合材の厚みに大きな制約
を受ける。

上記■、■、■の各方法に比べて、拡散接合は接合強度
および高温時の強度が高く、しかも欠陥のない安定した
接合部が得られる。拡散接合は、接合したい部材を真空
中または不活性ガスもしくは還元ガス雰囲気中で高温に
加熱するとともに、接合部に荷重を負荷した状態で所定
の時間保持することにより、部材相互の接触部を通じて
原子の相互１１ζ散を生じさせて固相状態のまま接合を
行なう方法である。拡散接合によって被接合材を接合し
た場合、ろう付のような低融点部分がないため高温強度
に優れ、各種の被接合材令てに適用可能であり、被接合
材の厚みを人き（とれ、しかもめっきのような接合界面
からのガスの発生を生じないなど、優れた特性を発揮で
きる。

拡散接合を行なうための設備としては、ホットプレス装
置あるいはＨＩＰ　（熱間等方加圧装置）を適用できる
。ホットプレス装置は、真空炉あるいは雰囲気炉にプレ
スを貫通して設け、真空あるいは還元ガス、不活性ガス
雰囲気中で加熱とプレスを行なえるようにした装置であ
る。ＨＩＰは、接合部材を塑性変形容易な金属製密閉容
器（−射的には低炭素鋼からなる容器）の内部に収容し
、この容器の外側からガスの圧力によって容器ごと接合
部材を全方向から加圧するようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ 前述したホットプレス装置の場合、通常は加圧方向か一
方向（垂直方向）のみであるから、部材の幅方向（径方
向）に接合させることが困難である。これに対しＨＩＰ
は全方向がらの接合が可能であるが、容器も一緒に接合
されてしまうため、接合後に容器を除去するための手間
のかかる加工か必要である。

なお、本発明者らによって提案された金属と黒鉛からな
る複合材の製造方法（特開昭６２−１４６８２５号公報
）においては、被接合材に黒鉛が使用されている。黒鉛
は塑性変形せず割れやすいから、高温接合時にはこの黒
鉛製被接合材を拡径させるような力が加わらないように
格別の配慮が必要であった。

従って本発明の目的は、金属基材の外周部に、金属製被
接合材を比較的簡単な工程により高品質に接合させるこ
とができるような拡散接合方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を果たすための本発明方法は、円筒状の金属基
材と、この金属基材の外周側に設けられかつ上記金属基
材よりも熱膨張率が小さい被接合材と、常温において上
記金属基材の内径よりも大きな外径を有しかつ上記金属
基材よりも熱膨張率の小さな材料からなる要具とを使用
する拡散接合方法であって、上記金属基材の外周側に上
記被接ａ　＋４をセントするとともにこれら金属基材お
よび被接合材を拡散接合可能な温度まで昇温させその昇
温途中あるいは昇温後に拡径状態にある金属基材の内部
に上記要具を所定位置に挿入しておき、その後の降温過
程において上記要具の外周部によって上記金属基材の熱
収縮を内側から阻止した状態で被接合材と金属基材との
拡散接合を終了さυ−ることを特徴とする。

なお、場合によっては上記被接合材の外側に、この被接
合材を収容可能で接合温度まで加熱された時に被接合材
の外周面と密接するような寸法の内周面をもつ治具をセ
ット・してもよい。この治具と−ト紀要只の材質は炭素
または炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）が適している。

［作用コ 上記金属基材の外周側に上記被接合材および必要に応じ
て上記治具をセットする。金属基材および被接合材を拡
散接合可能な温度まで加熱すると、金属基材と被接合材
は共に熱膨張により拡径する。

モして昇温の途中あるいはＲ温浸に上記要具を金属基材
内部の所定位置に挿入しておく。その後の降温過程にお
いては金属基材と被接合材とが共に熱収縮を生じるか、
金属基材の内部に挿入されている熱収縮率の小さな要具
によって金属基材の熱収縮が内側から阻止されるため、
被接合材の内周面と金属基材の外周面とが強固に密接し
た状部を維持したまま拡散接合が終了する。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例について第１図ないし第４図を
り照して説明する。

第１図において、銅製の金属基材１は底部２を何した円
筒状をなしている。この金属基材１の内面３は、一端側
から他端側（底部２側）に向かって内径が狭まるテーパ
状に加工されている。金属基材１の外径は軸方向の全長
にわたって実質的に一定である。

金属基材１のテーパ状内面３に挿入される要具５は黒鉛
製である。但し金属基材１よりも熱膨張率の小さなもの
であれば黒鉛以外（例えばＳｉＣ等）であってもよい。

この要具５は円錐台状をなしており、金属基材１のテー
パ状内面３と同一傾斜角のテーパ状外周面６を有してい
る。この要具５の外径および長さは、常温（室温）にお
いて第１図に示されるようにテーパ状内面３の軸方向の
途中まで要具５を挿入できるような寸法としである。要
具５は、その自重によって真空雰囲気中で図示上方から
荷重が加わるようになっている。

金属基材１の外周側に設けられる被接合材８は円筒状を
なしている。この被接合材８は例えばニッケル製であり
、常温における被接合材８の内径Ｂは金属基材１の外径
Ａよりも大きい。−例としてＡ−φ９Ｂ、５ｍｘ、　　
Ｂ−φ９７．Ｏｍｍであり、金属基材１の外周面つと被
接合材８の内周面１０との間に隙間１２が生じる。被接
合材８の材料は、目的に応じてニッケル以外にモリブデ
ン、タングステンチタン、鉄、クロム、銀、マンガン等
が使用され、望ましくは拡散接合の容易な融点６００°
Ｃ以上の合金を選ふ。波接合（オ８の内径Ｂは、金属基
材１と被接合材８を接合温度まで加熱した時に両者が丁
度沿接できるように接合温度と熱膨張差を考慮して決め
る。

被接合材８の外周側に配置されるダイス治具１５は黒鉛
製である。但し金属基材１と被接合材８よりも熱膨張率
の小さなものであれば黒鉛以外（例えばＳｉＣ等）であ
ってもよい。この治具１５は、常温において被接合材８
の外径Ｃよりも大きな内径りのダイス孔内周面１６を有
している。常温での寸法は一例としてＣ−φ’］’１．
［ｌＨ。

Ｄ−φ１０１．Ｏｒｕｎであり、被接合材８の外周面１
７と治具１５の内周面１６との間には隙間１８かあく　
。

上記金属基材１と被接合材８を拡散接合させるこは、ま
ず第１図に示されるように、常温て金属基材１のテーパ
状内面３に要具５を軸方向の途中まで挿入しておくとと
もに、金属基材１の外周側に被接合材８と治具１５をセ
ットする。

次に金属基材１と被接合材８を要具５および冶具１５と
共に加熱し、かつ真空ポンプ等によってホットプレス内
の真空引きを行ない、金属基材１と被接合材８の接合温
度（本実施例では銅とニッケルが拡散接合する温度）ま
で一定の割合で昇温させる。この昇温の途中において、
金属基材１と被接合材８は共に熱膨張して径が拡大する
ため、要具５は自重によって次第にテーパ状内面３の奥
の方まで落ちてゆく。また、銅製の金属基材１は被接合
材８よりも熱膨張率が大きいため、第２図に示されるよ
うに要具５が途中まで落込んだところで金属基材１の外
周面９が被接合材８の内周面１０に密接する。この時の
寸法は、Ａ１−φ９７．５ｆｆｉＪＩ＋ｃ＋　−φ９９
．５ｍｍ、　　Ｄ＋　−φｌｏ１．５１１１Ｊ＋である
。

接合温度（−例として１０００℃前後）に達すると、第
３図に示されるように金属基材１の径と披接合材８の径
が史に拡大するため、治具１５の内周面１６によって被
接合材８の外周面の拡径か拘束される。この状態を一定
時間保！、＋７する。これによって金属基材１の外周面
９と被接合材８の内周面】Ｏとの間に大きな血圧が負荷
されるので、両者間に完全な接合状態が得られる。しか
も被接合材８の外周面１７が全面にわたって黒鉛治具１
５の内周面１６によって規制されるため、接合後に安定
した形状寸法を得ることができる。接合時の寸法例は、
Ａ２−φ９９，５朋、Ｄ２−φ１０１．５　ａＥ−φ９
１．ＯＭである。接合温度は使用材料によって相違する
が、おおむね６００℃から１０２０℃である。

接合後の降温過程においては、金属基材１と被接合材８
が共に熱収縮するか、金属基材１の内面側か熱収縮率の
小さな要具５によって内側から押え付けられているため
、金属基材１と被接合材８は共に一体化したままほぼ熱
膨張時の径に維持される。従って金属基材１と被接合材
８の接合部は強固に拘束し合い、この状態が維持された
まま拡散接合が終了する。この降温工程では所定時間か
けてゆっくりと冷却し、最終的に常温に戻す。この冷却
過程における温度降下率は接合前の昇温過程における温
度上昇率よりも小さくするとよい。

接合後は、冷却過程の途中または常温に戻ったところで
、適宜の機械的処理によって要具５を除去する。要具５
は黒鉛製であるから容易に除去できる。また必要に応じ
て被接合材８の外周部を所定の寸法に仕上げ機械加工す
るとともに、金属基＋Ａ’　１の内周部にも必要に応じ
て仕上げ加工を行なうことによって、第４図に例示した
ような筒状積層材２０か得られる。仕上げ加工後の寸法
例は、Ａ３−　φ９９．Ｏｎ、　　Ｄ３　＝　φ１００
．０　ｍＩＡ、　　Ｅ３−φ９３．Ｏｍｍである。

なお、第５図に示されるように非テーパ状（円柱状）の
要具５を使用してもよい。この場合、金属基材１と被接
合材８とが接合温度まで加熱された時に金属基材ｌの内
径Ｅと要具５の外径とがほぼ一致するようにし、かつ金
属基材１の内面形状を上下方向に実質的にストレートに
する。従ってこの要具５は、金属基材１を接合温度まで
加熱し拡径させた状態において金属基材１に挿入する。

それ以外は前記実施例と同様でよい。なお、要具５を金
属基材１に挿入しゃすくするために要具５の先端縁部に
若干の而取り加工部２１を設けてもよい。

［発明の効果コ 本発明によれば、金属基材に所望厚みの被接合材を強固
にかつ欠陥を生じることなく拡散接合でき、その接合面
はきわめて良質であり、高温での使用にも長期間充分耐
えることができる。また本発明では、接合時に拡径した
金属基材が、その内側の要具によって拡径状態に維持さ
れたまま接合して製品となるため、高純度で高価な被接
合材を効率よく使用でき、低コスト化にも寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はそれぞれ本発明の一実施例方法を
工程順に示すそれぞれ断面図、第４図は接合後に仕上げ
加工された製品の断面図、第５図は金属基材と要具の変
形例を示す断面図である。 １・・・金属基材、５・・・要具、８・・・被接合材、
１５・・治具。 出願人代理人　弁理±　８／Ｉ武彦 第 Ｌ。 第 図 第 図 第 図 第 区 手 続 補 正 書６３．１０．２４ 昭和 年 月 日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状の金属基材と、この金属基材の外周側に設
   けられかつ上記金属基材よりも熱膨張率が小さい被接合
   材と、常温において上記金属基材の内径よりも大きな外
   径を有しかつ上記金属基材よりも熱膨張率の小さな材料
   からなる要具とを使用する拡散接合方法であって、 上記金属基材の外周側に上記被接合材をセットするとと
   もにこれら金属基材および被接合材を拡散接合可能な温
   度まで昇温させその昇温途中あるいは昇温後に拡径状態
   にある金属基材の内部に上記要具を所定位置に挿入して
   おき、その後の降温過程において上記要具の外周部によ
   って上記金属基材の熱収縮を内側から阻止した状態で被
   接合材と金属基材との拡散接合を終了させることを特徴
   とする筒状積層材の拡散接合方法。
2. （２）上記金属基材が銅または銅合金からなり、上記要
   具が黒鉛または炭化珪素からなる請求項１記載の筒状積
   層材の拡散接合方法。