JPH06292984A - 銅−アルミニウム異種金属継手材 - Google Patents
銅−アルミニウム異種金属継手材Info
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Abstract
温特性および気密性に優れた銅系金属およびアルミニウ
ム系金属の接合体を得る。 【構成】 銅系金属およびアルミニウム系金属からなる
異種金属接合体を圧延クラッド法、拡散接合クラッド
法、爆発圧着クラッド法および摩擦圧接クラッド法など
の各種接合方法によって製作するに際し、銅系金属(4
または5)とアルミニウム系金属(1または2)との中
間にインサート材としてチタニウム3を挿入した少なく
とも3層からなる異種金属接合体とすることを特徴とす
る銅−アルミニウム異種金属継手材。 【効果】 構造用異種金属継手材および超高真空容器用
異種金属継手材として優れている。
Description
ニウムまたはアルミニウム合金の接合を必要とする構造
物などにおいて、異種金属継手材の接合強度を向上し、
構造体に異種金属継手材を取り付ける際の溶接などによ
り熱影響が与えられても熱影響前の異種金属継手材の持
つ特性をそのまま維持することで高温から低温に至る幅
広い温度範囲の使用に耐える継手材に関する。例えば、
超高真空容器の部材などとして銅もしくは銅合金からな
る容器本体と、アルミニウムもしくはアルミニウム合金
からなるフランジあるいは配管などの管状の構造体を接
合する場合、あるいは反対に、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金からなる容器本体と銅または銅合金からな
るフランジまたは配管を接合する場合、構造物の加熱脱
ガス処理などの高温熱処理を行った後も容器および配管
内部の超高真空を容易に達成または維持し、構造物とし
て十分に信頼性を有する気密性と接合強度と機械的性質
を備えた銅−アルミニウム異種金属継手材に関する。
れらの合金の組み合わせを接合しようとする場合、これ
らを直接溶接すると周知のように接合境界部に金属間化
合物が生成されるため安定した接合状態が得られない。
ミニウム系金属の組み合わせにおける接合は、異材継手
と称されるあらかじめ何らかの方法で接合しておいた銅
およびアルミニウムからなる異種金属継手材(以下、異
材継手と称す。)を接合しようとする構造体の中間に介
して、異材継手と構造体が同系統の金属材料の間で直接
溶接ができるような手段を取っている。この異材継手の
製作方法としては、圧延クラッド法、拡散接合クラッド
法、爆発圧着クラッド法および摩擦圧接クラッド法など
があり、継手の大きさや形状に応じて、その製作方法が
適宜選択されている。
は、異材継手の製造時または加工時に、接合しようとす
る材料自身または異種金属接合面が高温にさらされるた
め、接合後の接合界面部に脆弱な金属間化合物を生成
し、異種金属間の接合強度が弱かったり、また、調質処
理を施してあるアルミニウム合金や銅合金などは入熱の
影響を受けて本来の材料特性が損なわれる場合があるた
め、特に異材継手に使用する素材の特性を維持する必要
がある場合は、爆発圧着クラッド法などの冷間での接合
方法が多用されている。
方法においても、銅または銅合金とアルミニウムまたは
アルミニウム合金を直接接合する場合、銅とアルミニウ
ムは元々冶金的に相性が悪いことから、安定した高強度
の接合を得ることが難しく、また、良好な接合によって
高強度の接合が得られたとしても、およそ200℃以上
に加熱された場合、その温度域で平衡に現われる脆弱な
金属間化合物が層状に析出して、接合境界部の強度低下
と気密性の低下をもたらすなどの問題があった。また、
異材継手に使用する金属材料がそれぞれ合金成分を含ん
でいる場合は、脆弱な金属間化合物層の析出する温度が
低下し、異材継手に要求される接合境界部の性能がさら
に低温側において低下するなどの問題があった。
合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金のそれぞれ
の構造体を接合する場合の異材継手に関して、上記従来
技術における問題点を解決し、銅または銅合金およびア
ルミニウムまたはアルミニウム合金からなる異材継手を
製造する圧延クラッド法、拡散接合クラッド法、爆発圧
着クラッド法または摩擦圧接クラッド法などの製法にお
いて、銅とアルミニウムの冶金的相性の悪さを克服する
ことで異材継手の接合強度ならびに接合境界部の気密性
などの機械的特性を向上せしめ、安定した性能を有する
異材継手を供給ならしめ、かつ、機器組み立て時の構造
体と異材継手の溶接ならびに機器組み立て後の構造物本
体の加熱脱ガス処理などの高温熱処理をおこなった後も
継手の性能を維持し、十分に信頼できる機械的性能と接
合強度と気密性を有する銅−アルミニウム異材継手を提
供することを目的とする。
め、本発明は従来より行われていた銅または銅合金とア
ルミニウムまたはアルミニウム合金の接合に際して、中
間層として両金属に冶金的に相性の良い金属材料を挿入
することで解決しようと試み、接合強度の向上と高温特
性の上昇ならびに接合境界部の気密性の向上を同時に付
与し得る方策について種々研究を行った。
たはこれらの直接接合による異材継手を高温にさらした
際に発生しやすい脆弱な金属間化合物の生成を抑えるた
めに、チタニウムを中間材として挿入することで、均一
で良好な特性を有する異材継手が得られることを見出
し、本発明を完成した。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる異材継手
を製造する際に、銅または銅合金とアルミニウムまたは
アルミニウム合金との中間にチタニウムを挿入すること
を特徴とする銅−アルミニウム異材継手に関するもので
ある。以下に本発明を詳細に説明する。
チタニウムをインサート材として挿入することによっ
て、銅とアルミニウムを直接接合することが回避できる
ため、約200℃以上で平衡に出現する脆弱な層状の金
属間化合物(γ2相、ζ2相、η相およびθ相など)の析
出を防止することができる。また、これらの金属の中間
にチタニウムを挿入することで、銅およびチタニウムな
らびにアルミニウムおよびチタニウムが直接接合される
ことになり、銅とチタニウムの境界部においては約40
0℃以上の加熱を受けた場合にTiCuやTiCu3な
どの金属間化合物が生成し、アルミニウムとチタニウム
の境界部においては約350℃以上の加熱を受けた場合
にTiAlやTiAl3などの金属間化合物が生成する
など、銅とアルミニウムを直接接合した場合に比べて境
界部に生成する金属間化合物の析出温度を高くして、比
較的高温においても高強度の安定した接合面を得ること
ができる。
出する脆弱な金属間化合物層は硬くて脆いことから加工
などの僅かな外力に対して微細な亀裂が生じ易く、一旦
亀裂が発生するとこの金属間化合物層の中を伝播し易い
性質を有しているため、配管用の異材継手などに使用し
て接合境界部が真空容器の内面側と外面側に同時に曝さ
れる場合は、これらの微細な亀裂がリークの原因となっ
て容器内部を超高真空状態に達成することや到達した真
空度を維持することが難しいので気密性を確保すること
ができなかったが、銅とアルミニウムの中間にチタニウ
ムを挿入することでこれら脆弱な金属間化合物の析出を
抑制することができ、ひいては十分な気密性を確保する
ことができる。
は本発明の基本概念を示す板状に積層した銅−アルミニ
ウム異種金属継手材の一断面模式図で、銅4または銅合
金5からなる第1層とアルミニウム1またはアルミニウ
ム合金2からなる第2層との中間にチタニウム3からな
る第3層を一体となるように全面にわたって接合した銅
または銅合金およびチタニウムおよびアルミニウムまた
はアルミニウム合金の3層構造からなる銅−アルミニウ
ム異種金属継手材を示す。
種金属継手材の一断面模式図で、銅4もしくは銅合金5
またはアルミニウム1もしくはアルミニウム合金2から
なる内層あるいは芯材と、これらの異種金属からなる外
層との中間にチタニウムの層3を全面にわたって接合し
た銅または銅合金およびチタニウムおよびアルミニウム
またはアルミニウム合金の3層構造からなる銅−アルミ
ニウム異種金属継手材を示す。
種金属継手材の一断面模式図で、銅またはアルミニウム
の層の外側にさらにそれぞれ同系統の銅合金5あるいは
アルミニウム合金2をそれぞれ一体となるように接合し
た4層または5層からなる銅−アルミニウム異種金属継
手材を示す。
する。 実施例1 爆発圧着クラッド法によって、板厚30mmの無酸素銅
板(C1020P)および板厚2mmのチタン板(TP
28C)および板厚10mmのアルミニウム板(A11
00P)の順に積層した3層からなるクラッド材を製作
した。爆発圧着は各材料の接合ごとに合わせて2回行
い、まず無酸素銅板の上にチタン板を接合して2層クラ
ッド材とした後、次にこのクラッド材のチタン面側にア
ルミニウム板を接合して3層のクラッド材とした。
び450℃に1時間加熱保持した後の接合状態について
調査した。まず、クラッド材の板厚方向に中心軸を有す
るように平行部の直径が6mmの丸棒引張試験片を採取
し、その試験片の平行部中央に板厚2mmのチタン板が
位置するように機械加工で仕上げた。この試験片を用い
て引張試験を行った結果、爆着ままの状態では125〜
140N/mm2の引張強さを示し、破断は何れもA1
100素材内部で生じていた。また、熱処理を施した材
料は80〜100N/mm2の引張強さを示し、何れも
A1100素材内部で破断した。
作用しているにもかかわらず、平行部に位置する異種金
属の接合界面における割れや剥離などは発生せず、接合
界面はA1100の素材強度よりも強いことが実証され
た。
理を施したクラッド状から、外径60mm、内径50m
mのリング状の異材継手管を加工し、接合界面部を中心
に真空外覆法によるヘリウムリーク試験を行い気密性を
調査した。その結果、何れの試験体においてもそれぞれ
のリーク量は使用したヘリウムリーク試験器の最小可能
検出リーク量(2.0×10-11atm・cc/se
c)以下であり、熱処理を施した後も異材継手管の接合
界面部が十分な気密性を有していることが実証された。
て、タフピッチ銅板(C1100P)およびチタン板
(TP28C)およびアルミニウム棒(A1050B
D)の順に積層した3層からなるクラッド材を製作し
た。クラッド材の製作にあたっては、まず板厚50mm
のタフピッチ銅板の片面に板厚2mmのチタン板を爆発
圧着クラッド法によって接合し2層クラッド材とした
後、これを板厚方向に中心軸を有する直径70mmの丸
棒に加工した。次に、切り出したこの丸棒のチタン面に
対して直径70mm、長さ200mmのアルミニウム棒
を摩擦圧接クラッド法により接合し、チタニウムを中間
材とする3層からなるクラッド材を製作した。このよう
に製作したクラッド材は、摩擦圧接法に特有の接合不良
部を取り除くために素材の中心軸と一致するように外径
60mm、内径40mmのリング状の異材継手管に加工
した後、接合ままの状態および450℃に1時間加熱保
持した後の接合状態について調査した。
の丸棒引張試験片をリング状の材料から同じ要領で製作
し、引張試験を行った。その結果、接合ままの状態では
120〜130N/mm2の引張強さを示し、破断は接
合境界部から離れたA1050素材内部で生じていた。
また、熱処理を施した材料は80〜100N/mm2の
引張強さを示し、同様にいずれもA1050素材内部で
破断した。
時間加熱保持した材料から、外径は60mmのままで内
径を50mmとした実施例1と同寸法のリング状に加工
した異材継手管に対して、実施例1と同様な方法で異種
金属の接合界面部を中心とするヘリウムリーク試験を行
った。その結果、それぞれのリーク量は何れの試験体に
おいても使用したヘリウムリーク試験器の最小可能検出
リーク量(2.0×10-11atm・cc/sec)以
下であり、熱処理を施した後も異材継手管の接合界面部
が十分な気密性を有していることが実証された。
板厚30mmの無酸素銅板と板厚10mmの2層からな
るクラッド板を製作し、チタニウム板を中間に挿入した
3層クラッド材の特性と比較するために、爆発圧着まま
の状態および450℃に1時間加熱保持したクラッド材
の接合状態について調査した。
ついて、実施例1と同様な形状の丸棒引張試験を行っ
た。その結果、爆発圧着ままの状態の試験片は100〜
130N/mm2の引張強さを示し、破断はA1100
素材内部で生じていた。また、熱処理を施した材料は、
試験片を加工する際に接合界面部から破断してしまうも
のがあったが、引張試験を行ったものは40〜60N/
mm2の引張強さを示し、そのほとんどが接合界面部で
破断した。
に1時間加熱保持した後のクラッド材から実施例1に示
した寸法と同じ形状のリング状の異材継手管に加工し、
同じ手法で異種金属の接合界面部を中心とするヘリウム
リーク試験を行った結果、爆発圧着ままの状態から加工
した異材継手管のリーク量は何れの試験体においても使
用したヘリウムリーク試験器の最小可能検出リーク量
(2.0×10-11atm・cc/sec)以下であっ
たが、熱処理を施した材料から加工した異材継手管から
は約10000倍近いリーク量(2.0×10-7atm
・cc/sec)が検出された。
m、長さ50mmのタフピッチ銅棒(C1100R)と
同じ直径で長さ200mmのアルミニウム棒(A105
0BD)からなる2層クラッドを製作した。このクラッ
ド材を実施例2に示したチタニウムを挿入した3層から
なるクラッド材の特性と比較するために、摩擦圧接まま
の状態および450℃に1時間加熱保持した材料の接合
状態について調査した。比較のための調査は、実施例2
と同様に摩擦圧接法に特有の接合不良部を取り除くため
に、使用した素材の軸を中心に外径60mm、内径40
mmのリング状に加工した材料に対して行った。
の丸棒引張試験片を同じ要領で採取し、引張試験を行っ
た。その結果、摩擦圧接ままの状態では120〜130
N/mm2の引張強さを示し、破断は接合境界部から離
れた位置のA1050素材内部で生じていた。また、熱
処理を施した材料は比較例2と同様に試験片を加工する
際に接合界面部から破断するものもあったが、引張試験
を行った試験片は40〜50N/mm2の引張強さを示
し、破断は何れも接合界面部から生じていた。
リング状の異材継手管に加工し、接合境界部を中心にヘ
リウムリーク試験を行った。その結果、摩擦圧接ままの
状態から加工した異材継手管のリーク量は何れの試験体
においても使用したヘリウムリーク試験器の最小可能検
出リーク量(2.0×10-11atm・cc/sec)
以下であったが、熱処理を施した材料から加工した異材
継手管からは約10000倍近いリーク量(2.0×1
0-7atm・cc/sec)が検出された。
アルミニウム異材継手は、異材継手自身を構成する異種
金属の接合境界部を銅およびチタニウムならびにアルミ
ニウムおよびチタニウムの直接接合とすることができる
ため、銅とアルミニウムを直接接合した場合に約200
℃の比較的低温で生成する脆弱な金属間化合物の析出を
回避し、接合境界部に生成する金属間化合物の析出温度
を約350℃にまで高くならしめることができる。した
がって、異材継手製造時の温度条件を比較的高温側まで
幅広く設定することができるようになり、圧延クラッド
法、拡散クラッド法、爆発圧着クラッド法および摩擦圧
接クラッド法などの種々の製造方法における入熱制限お
よびこれに伴う材質規制などの製造条件を緩和すること
ができ、かつ、異材継手に負荷される機器組み立て時の
溶接入熱および組み立て後に真空機器などに対して行わ
れる加熱脱ガス処理などの熱影響が加えられた後も十分
に信頼できる機械的性質と接合強度と気密性を有する異
材継手を供給することができる。
継手は、構造体と異材継手とを接合する際の溶接などの
入熱に対して、接合境界部が受ける熱影響を比較的高温
まで許容することができるため、溶接方法の選択や溶接
条件の設定範囲を幅広く設定することができ、かつ、構
造体同士を接合する空間が狭い場合には、異材継手の長
さを短くすることができる。さらに溶接熱影響を少なく
するために設けられる異材継手外面の放熱溝などが不要
になるなど、異材継手を用いるための形状的な制約を緩
和し、比較的自由な形状で設計し接合することができる
ようになる。
どの配管用異材継手またはフランジなどとして用いる場
合は、容器組み立て後の加熱脱ガス処理などにおいて、
異材継手の高温特性の向上に起因して加熱温度を約35
0℃までの比較的高温に設定することができるため、処
理時間を短縮することができ、かつ、容易に超高真空に
到達することができる。
の一断面模式図、
た異種金属継手材の一断面模式図、
を有し、アルミニウムの外側に更にアルミニウム合金層
を有する異種金属継手材の一断面模式図。
Claims (2)
- 【請求項1】 銅またはその合金からなる部材とアルミ
ニウムまたはその合金からなる部材とが、チタニウム層
を介して接合されていることを特徴とする銅−アルミニ
ウム異種金属継手材。 - 【請求項2】 銅またはその合金からなる部材またはア
ルミニウムまたはその合金からなる部材が、チタニウム
層との接合面と反対面に、それぞれ同系統の耐食構造用
または高強度合金層を有することを特徴とする請求項1
記載の銅−アルミニウム異種金属継手材。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8451993A JP3240211B2 (ja) | 1993-04-12 | 1993-04-12 | 銅−アルミニウム異種金属継手材 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8451993A JP3240211B2 (ja) | 1993-04-12 | 1993-04-12 | 銅−アルミニウム異種金属継手材 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06292984A true JPH06292984A (ja) | 1994-10-21 |
JP3240211B2 JP3240211B2 (ja) | 2001-12-17 |
Family
ID=13832888
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8451993A Expired - Lifetime JP3240211B2 (ja) | 1993-04-12 | 1993-04-12 | 銅−アルミニウム異種金属継手材 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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- 1993-04-12 JP JP8451993A patent/JP3240211B2/ja not_active Expired - Lifetime
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