JPH0521870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭素材の接合方法に関し、更に詳しく
はフリーカーボンを20重量％以上含有する炭素材
と、該炭素材または金属材とを接合する方法に関
する。

〔従来の技術〕

炭素材は、その特性が広く、工業用の用途で広
く使われている。

その形態としては、一般に、炭素材として、定
義されているが、より細かくは、黒鉛単独、炭素
単独、又は、これらを含む複合材として用いられ
るのが普通である。

たとえば、黒鉛単独材としては、その高温での
耐熱衝撃性に優れている事から、核燃料炉の構造
材として使われたり、熱伝導率が大きく、かつ潤
滑性が良好な所から、鋳造のモールド、スリーブ
に、高温強度に優れている点で、ホツトプレスの
モールドに、導電性が大きい事からスツパタリン
グ用ターゲツトに用いられたりしている。

炭素単独材としては、その耐食性より、化学装
置のライニング材に用いられたり、その電気抵抗
に見合つた電気ブラシ材などの用途がある。

更に、複合材では、炭素の基材に、電気伝導度
の高い金属を含浸させ、潤滑性と導電性とを活用
した電気ブラシとしたり、炭素と樹脂とを複合化
し、シール材或いは放電加工電極材として使用し
たりしている。

この様に、炭素材の用途は、広範に、かつ着実
に、拡大しつつ有るが、実際に工業化を進めるに
は、なお問題点を残している。

一般に、工業装置の大型化、高機能化の要求
は、日増しに高まりつつあり、各部材を、一体物
で作り上げるには、製造設備或いは各素材機能の
性質上の制約が有り必ずしも容易ではない。更
に、複雑な形状をした鋳造モールドなど、いわゆ
るニア・シエーブで作り上げるにも、その加工成
形には、制約がある。

他に、炭素材の持つ特性を活かしきつても、な
おそれ以上の特性を要求される場合も多く、例え
ば核燃料炉構造材では、構造材としての黒鉛にか
かる熱負荷が大きく、強制的な水冷が必要となる
場合があるが、黒鉛材自身水冷は、その水分浸透
性により不可能であり、より高い熱伝導性を持
ち、脆性が少ない水冷用の金属配管との組み合わ
せが必要である。

又、使用時に期待される炭素材としての特性
が、その表（裏）面層だけあれば良い様な場合も
多く、その表（裏）面層の下（上）の基層には、
表（裏）面層と異なる材料を用いる事がある。

このような要求に対する最も普通の手段は炭素
材と他の金属材料、あるいは適当な金属種を介し
て炭素材同志を接合することであり、この接合に
より上記各機能を賦与せしめ、複合機能により各
材料の持つ機能を相互せしめつつ対処する手段で
ある。

このような要請からこの種上記材料同志の接合
については従来からも種々提案されている。

しかし乍ら従来の各種接合方法はいずれも接合
強度が不充分であつたり、或いは接合材より制約
があつたり、或いは操作に煩雑な手間や時間を要
したりするものが多く、現在なお満足すべき方法
は極めて少ない。

〔発明が解決しようとする課題〕 本発明が解決しようとする課題は、この種の炭
素材同志または炭素材と金属材とを出来るだけ簡
単な操作でしかも接合強度を大きく出来、しかも
耐熱性、耐衝撃性及び耐食性に優れた接合材が収
得出来る新しい接合方法を開発することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題はフリーカーボンを20重量％以上含む
炭素材と、該炭素材または金属材とを接合するに
際し（但し炭素鋼同志を接合する場合を除く）、
銅を少なくとも25重量％以上と他の金属成分とを
含有してなる接合材の介在下に、被接合材間に鉄
または鉄合金を存在させて、真空下、不活性ガス
下またはフラツクス存在下に加熱することによつ
て解決される。

〔発明の作用並びに構成〕

本発明に於いては、炭素材同志または炭素材と
金属材との接合に際し、銅を少なくとも25重量％
以上と他の金属成分とを含有する接合材中に、鉄
またはその合金好ましくは厚み１mm以下の薄板状
乃至箔状体を介在させて、真空下または不活性ガ
ス雰囲気下或いはフラツクス存在下で、加熱する
ことにより、炭素材側の被接合体接触面に鉄系の
合金を晶出せしめ、これにより強固な接合を得る
ものである。更に図面を用いて本発明の作用を詳
しく説明する。

第１図は説明の便宜上炭素材同志を接合する際
の模擬的な説明図を示す。第１図に於いて１は気
密容器、２は炭素材、３はヒーター、４は接合
材、５は鉄または鉄合金を示す。炭素材２の間に
接合材４を介在させ、この接合材中に鉄または鉄
合金を存在させる。必要に応じ重り又は治具６等
で加圧しつつヒーター３により加熱すると、炭素
材２と鉄または鉄合金５との間にある接合材４中
に鉄系合金が晶出し、橋かけ接合効果により、炭
素材２と接合材４、並びに鉄または鉄合金５と接
合材４とは強固に接合され、全体として一体とな
つて接合される。接合された状態を示したものが
第２図であり、第２図中７は晶出した鉄合金層で
ある。この場合気密容器１内は真空にしても或い
は不活性ガスを導入しても良い。またフラツクス
を用いる場合や抵抗加熱による場合には気密容器
１は必ずしも使用する必要はない。

以下に本発明法を更に詳しく説明する。

本発明に於いて接合すべき材料は炭素材同志ま
たは炭素材と金属材である。但し炭素材同志の場
合として特に炭素鋼同志を接合する場合は含まな
い。この際の炭素材としては、フリーカーボンを
20重量％、好ましくは50重量％以上含有する炭素
材であり、含水炭素や炭化水素等は勿論含まな
い。ここでフリーカーボン20重量％以上含有する
炭素材とは加熱中において鉄または鉄合金と結合
拡散を生ずるカーボンを少なくとも20重量％以上
含むものをいう。この際フリーカーボンが20重量
％に達しないものでは炭素材との間に橋かけ効果
を生じ難く望ましくない。この具体的な例として
は黒鉛単独から成るもの、炭素単独から成るも
の、或いはこれ等をその少なくとも一成分とした
他の材料との複合材が例示出来る。複合材として
は炭素材に金属を含浸、浸透せしめたもの、例え
ば炭素に鉄、アンチモン、鉛合金、アルミニウム
等を高温下熔融含浸、又は銅粉と炭素粉とを混合
加圧成形した物等を好ましい具体例として挙げる
ことが出来る。

ここに複合材として例示した炭素材に金属を含
浸、浸透せしめた複合材、又は炭素粉と金属粉と
を混合加圧成形した複合材にあつては、余りに炭
素質の部分が少ない（金属質が過多になる）と、
炭素層に生成する橋かけ柱状晶が生成しないか、
又は少なくなつて、金属との接合力が弱くなる。
また炭素部分の基材の強度も低下するので、この
ような複合材にあつては炭素質の部分（フリーカ
ーボン）が20重量％以上であることが望ましい。

黒鉛又は炭素質のみから成る基材（フリーカー
ボン100％）は勿論良好な接合材を得ることがで
きる。

また被接合材たる金属材としては広く各種の金
属が包含され、金属としては合金も含まれる。好
ましい金属又は合金としてはたとえば銅、タング
ステン、モリブデン、鉄、珪素、ステンレス、ハ
ステロイ、炭素鋼等である。

これ等被接合材たる炭素材や金属材は、その材
質が上記で説明したものであるかぎりその形状、
大きさ等は何等限定されず、適宜な形状、大きさ
のものが使用される。

本発明に於いて使用する接合材は銅を少なくと
も25重量％好ましくは40重量％以上含有し、その
他の成分として他の金属を含有するものであり、
銅100％のものでも良い。その代表例としては所
謂銅ろう、金ろう、黄銅ろう、銀ろう、銅−ニツ
ケル合金ろうを例示出来る。尚この際のその他の
金属としては金、亜鉛、銀、ニツケル等を代表例
として例示出来、これ等は１種または２種以上で
使用される。この際銅が25重量％に達しない場合
には前記、各素材間への橋かけ接合効果が弱く、
接合強度の低下となり望ましくない。

また鉄または鉄合金としては、本接合方法に於
ける１種の芯材的な作用を有し、接合物中に残存
するため、その形状としては薄板乃至板状体、箔
状体等が特に好ましく、この際の厚みとしては１
mm以下特に好ましくは0.5mm以下である。この際
１mmよりも厚くなりすぎると接合部の耐衝撃性な
どが劣下することがありあまり望ましくない。

これ等各材料を用いて本発明法を実施するに際
しては、第１図ですでに説明した通り、鉄または
鉄合金好ましくはその薄板状乃至箔状体５を芯材
としてその上下に接合材４を介して被接合材２を
配置する。接合条件としては、真空下または不活
性ガス雰囲気下、或いはフラツクス存在下のいず
れか、或いはこれ等の２つ以上の手段を併用す
る。いずれも接合材の表面が酸化されないように
するためである。この際の真空下とは実質的に酸
素の影響が生じない程度に酸素量が少ない状態を
いい、通常10^-3気圧以下好ましくは10^-4気圧程度
であり、また不活性雰囲気としては通常の不活性
ガスたとえばアルゴン、窒素ガス等を使用すれば
良い。

またフラツクスとしては接合材をうまく被覆し
て酸素との接触を遮断出来るものであれば良く、
代表例としてホウ砂、ホウ酸、硼弗化物またはそ
れ等の混合物等を例示することができる。このフ
ラツクスを使用する場合は空気中でも良く、また
上記の雰囲気下で行つても良い。尚フラツクスは
加熱接合条件下では蒸発、分解等により揮散して
接合面には残らない。

加熱条件としては使用する被接合材や接合材の
種類に合わせて適宜に決定すれば良く、原則的に
は接合材中に鉄合金が晶出しうる温度であり、通
常接合材の軟化点よりも高温好ましくは50℃前後
高温である。

この際本発明に於いては必要に応じ、若干荷重
をかけることも出来る。これにより接合材が溶融
して流れ、接合面全面を均一に濡らし、また接合
面に空洞が発生するのを防止することが出来る。

本発明に依り接合された材料は、その優れた接
合強度を生かして広く各種分野に使用することが
出来る。例えば炭素材同志の接合品である黒鉛シ
ート同志または黒鉛シートと金属板との接合品
は、高温用パイプ継手部のパツキング材、高温用
カーボンパルプの弁圧、熱遮継材、軸受、自動車
用バスケツト等として有効に使用される。

また炭素材と金属材との接合品は、更に広く各
種の分野に使用され、炭素質複合材料（以下Ｃ／
Ｃ材という）と金属との接合品として例えばＣ／
Ｃ材にボルト等を接合したものやＣ／Ｃ材の一面
に金属型パイプを接合したもの等を例示出来る。
前者のボルト等を接合したものは核融合プラズマ
閉じ込め装置の第１壁の取り付けに好適であり、
またパイプを接合したものは同じくプラズマ閉じ
込め装置部の高負荷熱を受ける部分の冷却を目的
として水循環用パイプを接続した構造部材として
極めて優れており、その他炭素質レーザー光用反
射鏡の裏面に同様に冷却用パイプを接合した形態
としても使用される。尚本発明接合方法並びに接
合品は、上記の例に限定されるものではなく、そ
の他従来から炭素材が使用されて来た各種分野に
広く用いられることは当然である。

〔実施例〕

以下に実施例を示して本発明法を更に詳しく説
明する。

実施例 １ 第１図に示した手順により行つた。この際使用
した炭素材２はフリーカーボン99.9％、嵩比重
1.77、熱膨張率4.0×10^-6／℃（室温〜400℃）、異
方比1.02のブロツク体（サイズ0.6cm×0.6cm×
2.25cm）である。また接合材４としてはJIS−Ｚ
−3266による金ろう「Ｂ・Au−１」（金37.0〜
38.0％残り銅）で使用量は厚みとして0.1mmとな
る量である。芯材としては鉄箔（厚み0.1mm）５
を使用した。条件としては、容器１内にN₂ガス
を導入し密閉し、1050℃で４分間ヒーター３によ
り加熱した。

この加熱により、炭素材２と芯部の鉄箔５との
間の接合材４に鉄系の合金が晶出し、炭素材２
と、接合材４とは、強固に接合され、第２図の如
く、合金７が晶出し強固な結合が保たれている。

この様にして得られた炭素材同志での接合部
は、充分な強度を有している。たとえばこの接合
材の熱間四点曲げ強度を、横軸には接合材の融点
を１とする相対温度、縦軸には四点曲げ強度を用
いて示すと第４図の通りである。

この結果から、炭素材とほぼ同等の曲げ強度
が、接合材に認められ、接合材の融点を１とする
相対温度で0.6迄は、十分な耐熱強度があること
が示されている。

実施例 ２ 上記実施例１に於ける炭素材同志の接合に代
え、その一方だけを金属（電気銅、銅100％の電
気導体用銅材）とし、その他は同様に行つた。こ
の結果第３図に示す通り実施例１と同様に強固に
接合で出来ていた。

実施例 ３ 上記実施例１に於ける炭素材同志の接合に代
え、その一方だけを金属（炭素を0.8％含有する
炭素網）とし、その他は同様に行つた。この結果
実施例１と同様に強固に接合が出来ていた。

実施例 ４ 膨張黒鉛圧密シート（東洋炭素(株)製「パーマフ
オイル」、比重1.1、熱膨張係数３×10^-6／℃、
100mm×50mm×1.0mm）２枚の間に厚み0.05mmの純
銅を接合材として用いて、厚み0.1mmの鉄箔を介
在させて、N₂ガス中1150℃に昇温し、同温度で
45分間保持し接合せしめた。得られた接合物は強
固に接合しており繰り返し曲げても充分に耐え層
間剥離等は全く生じなかつた。

実施例 ５ 上記実施例４に於いて得られた膨張黒鉛圧密シ
ートを接合して得られた接合シートを第５図に示
す円板状の形状に切り抜き、高温配管用継手部材
（パツキング材）を製造した。但し第５図に於い
ては１０は圧縮シートを、１１は黒鉛シートを、
１２は鉄板を示す。

実施例 ６ 圧縮黒鉛シートと第６図に示すボールバルブ弁
座台（ステンレス鋼SUS316製）を用い、且つ黒
鉛シートの形状として第６図に示す形状となし、
その他は実施例４と同様に処理してバールバルブ
弁座を製造した。但し第６図に於いて２０は弁座
台、２１は黒鉛シートを示す。

実施例 ７ 上記実施例４に於いて黒鉛圧縮シートの代わり
に金属（SS−41）を用い、形状として第７図に
示す形状に上記金属並びに黒鉛シートを成形し、
その他は実施例４と同様に処理し、軸受を製造し
た。但し第７図中３１は金属、３０は黒鉛シート
を示す。この軸受は例えば換気扇の低繰音部用或
いは高温部用軸受として好適である。

〔発明の効果〕

本発明法によれば被接合材の間に銅を25％以上
含む接合材と鉄または鉄合金を介在させて加熱す
るという極めて簡単な操作で、しかも極く短時間
で強固な且つ耐熱性に富んだ接合体が収得出来、
その産業上の利用価値は極めて高い。

またこの接合方法により炭素材同志あるいはこ
れと金属材とを強固にしかも充分なる耐熱性をも
つて接合出来る結果、広く各種の分野に接合物を
利用することが出来るに至る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法の模擬的な説明図であり、第
２及び３図はいずれも本発明法により得られる接
合物の模擬的な構造図である。第４図は実施例１
で得られた接合物の強度を示すグラフである。第
５図は本発明接合方法により得た接合体を用いた
継手部材の一例を示す図面であり、第６図は同じ
くポールバルブ弁座を示す図面であり、第７図は
同じく軸受の一例を示す図面である。 １……気密容器、２……炭素材、３……ヒータ
ー、４……接合材、５……鉄またはその合金、６
……重り、７……晶出合金、８……金属材料、１
０……黒鉛圧縮シート、１１……黒鉛シート、１
２……鉄板、２０……弁座台、２１……黒鉛シー
ト、３０……黒鉛シート、３１……金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ フリーカーボンを20重量％以上含む炭素材
   と、該炭素材または金属材とを接合するに際し、
   銅を少なくとも25重量％以上含有してなる接合材
   の介在下に、被接合材間に鉄または鉄合金を存在
   させて、真空下、不活性ガス下またはフラツクス
   存在下に、加熱することを特徴とする炭素材の接
   合方法。 ２ 鉄または鉄合金が薄板状乃至箔状である請求
   項１に記載の接合方法。 ３ フリーカーボンを20重量％以上含む膨張黒鉛
   を圧密してなる可撓性黒鉛シートを、銅を少なく
   とも25重量％以上含有してなる接合材の介在下
   に、被接合材間に鉄または鉄合金を存在させて、
   真空下、不活性ガス下またはフラツクス存在下
   に、加熱し、接合して得られる接合体。 ４ 黒鉛と金属とを接合して得られる請求項３に
   記載の接合体。 ５ 請求項３の接合体を高温配管用継手部材（パ
   ツキング材）として使用した継手部材。 ６ 請求項４の金属がステンレスである接合体を
   ポールバルブ用摺動部材として使用したポールバ
   ルブ。 ７ 請求項４の接合体を用いた軸受。 ８ 請求項４の金属がステンレスである接合体を
   用いたメカニカルシール。