JPS607590B2 - 拡散接合による製品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱間静水圧プレス法（以下ＨＩＰ法という）を
利用して被接合部材を拡散接合することにより製品を製
造する方法に関するものである。

近年、省資源、省エネルギーという時代の要請から、各
種の複合材に対するニーズが急速に高まりつつある。ま
た金属材料の分野でも、材料の高機能化に伴なつて灘加
工性、雛溶接性あるいは非溶接性の材料が増大しつつあ
る。これらの分野では、従来の接合技術では対処不可能
であり、新しい秀れた拡散接合技術の出現が強く期待さ
れている。一方近時、高圧高温ガス雰囲気下で種々の処
理を行なうｍＰ法が注目を集めており、この方法は、大
型あるいは複雑形状の高強度暁結体を製造したり、ある
いは鋳造欠陥を除去したりする等、従来技術では不可能
と言われていた技術的課題を達成できる技術として、航
空機、工具産業等を中心に精力的な工業化が進められつ
つある。

このｍＰ法は高い静水圧力と高温との相乗効果を利用す
るという原理的に秀れた方法であるため、これを拡散接
合に適用すると次の如き利点が挙げられる。

｛ａ）溶接のように母材中に熱変質層が生ずることがな
いため、接合部は母材と同等の機械的特性を示す。

【ｂ）たとえば金属とセラミック等、通常の方法では接
合不能な異種材料の組み合せでも接合可能である。

‘ｃー 接合面が複雑な形状でも接合可能である。

‘ｄ）一度に任意の方向を向いた多数の面を接合するこ
とが可能である。‘ｅー 広い面積の面を均一に完全に
接合することが可能である。

‘ｆ’脆性材料でも接合可能である。

（ｇ）通常の接合法よりも低温で接合可能である。

このようにｍＰ法による拡散接合は多くのユニークな利
点を有しているが、従来のＨＩＰ法による拡散接合技術
には、工程の複雑さ、あるいは汎用性の欠除等の問題が
あった。このためにｍＰによる拡散接合は優秀な多くの
特長を持つにも拘わらず、主として経済性の理由から本
格的な工業化がなされず、実験的段階に留まっていたの
が実情である。従来のＨＩＰ法による拡散接合の具体的
方法は第１図に示す如く、先ず被接合部材１，１′を中
子１１，１１′が準備され、これらは決められた形に組
み合せてカプセル４中に充填される。

ここで中子１１，１１′はカプセル４の形状を単純化す
るためにデッドスペースとして用いられるものであり、
もし中子を用いない場合には、カプセル自体の形状を被
接合部材を組み合わせた時の外形に沿った複雑な形状に
する必要がある。続いてカプセル４上部に排気管６を有
する姿５が溶接され、つづいて排気管を通じてカプセル
４内部が脱気され、更に脱気しながら脱気管６を銭接等
の方法で密封することにより、カプセル４の密封工程が
完了する。

この後、カプセル４は日収装置中に装入され、所定時間
高圧高温雰囲気に保たれてＨＩＰ処理を受け、被接合部
材１，１′の拡散接合が完了する。Ｈｍ処理完了後、カ
プセルを除去し、中子を取りはずすことによって、拡散
接合された製品が得られる。しかしながら上記プロセス
には次のような問題点がある。即ち複雑な形状の場合に
は、それに応じた複雑形状の中子が必要となるためその
加工費がきわめて高価につき、しかも中子は通常再使用
不能である。

また中子の離型は、機械的方法にしろ、化学的方法にし
ろ、困難で長時間を要するためコストアップとなる上に
、著しい場合には離型時に製品を傷つける場合もある。
更に製品が小型であ場合にも、個々の製品毎にカプセル
、中子が必要であり、また充填、脱気、密封等の各工程
も製品毎に行なう必要があり、著しく経済性が阻害され
ることである。そこでこのような煩雑さを解消する手段
として、第２図に示すように、被接合部材１，１′の接
合面の全周を溶接７或いはロー付ケ等の方法でシールし
、しかる後これをそのままＨＩＰする方法が提案されて
いる。

ところが、この方法にもなお、次のような方法が解決さ
れるに至っていない。即ち、先ず第１に、セラミック等
溶接できない材料には適用できないため「汎用性に欠け
ること。

また溶接、ロー付けが可能な材料の場合であっても溶接
、ロー付け等を真空下で行なわぬばならず、このため高
価な装置を必要とし、工程時間も長くなる。しかもこの
場合には製品に熱変質層が残留することになり熱変質層
を除去するには接合面の外周に沿った複雑な加工が必要
となる等の欠点を有している。本発明は上述の如き従来
のＨＩＰによる拡散接合法の問題点を踏まえ、その欠点
の解消を図ってなされたもので、その目的とするところ
は、ＨＩＰ法を利用して部材の拡散接合を行なうに際し
て、簡便で汎用性に富んだ経済性の高い方法を提供する
ことであり、又多くの特長をもつＨｍによる拡散接合法
を広く工業的に適用可能な経済性の秀れた技術として確
立することにある。

即ちか）る目的を達成する本発明は被接合部村をあらか
じめ決められた相対的関係に位置してクランプ用具を用
いて機械的にクランプし、これを耐火物粉末に埋設する
状態で気体浸透性のない材料で作られた関口部を有する
カプセル中に充填し、続いて前記カプセルの内部を脱気
あるいは脱気することなく前記カプセルの前記閉口部を
密封し、しかる後、熱間静水圧プレス処理することによ
り前謎被溶接部村の拡散薮合を行なうことを特徴とする
製品の製造法である。

以下、本発明方法の具体的態様を第３図に従って詳細に
説明する。

本発明においては、先ず第一の工程として必要な形状に
仕上げられた被接合部材１，１′が準備されるが、この
被接合部材１，１′の被接合面は、その表面荒さを小さ
な値に抑えることが好ましく、また場合によっては酸洗
い等によって被接合面のクリーニングを行なうことが望
ましい。

そして次に第二の工程として前記、被接合部材１，１′
を予め決められた相対的関係、すなわち最終製品の形状
に配置し、かつ被接合面の密着が保たれるようにクラン
プ用具２を用いて機械的にクランプする。このクランプ
は、以後の工程において、各被接合部材の相対的な位置
関係がずれたり、あるいは被接合面間に後述する耐火物
粉末がＺ混入するのを防止するためのものであり、特に
大きな力は必要としない。第３図ではクランプ用具とし
てネジを利用した例を示したが、要するに機械的な外力
を加えて被接合面間の密着を保ちうるものであれば何で
も良く、例えば被接合部材同士Ｚをワイヤ‐で縛るとい
う方法でもよい。続いて第三の工程として、前記工程で
準備された被接合材アセンブリ１，１′，２を、耐火物
粉末３に埋設する状態で、気体浸透性のない材料で作ら
れた開ロ部を有するカプセル４中に充填する２が、この
カプセル材料としては、アルミニウム、銅、軟鋼、ステ
ンレス鋼、ニッケル、モリブデン等の金属材料、あるい
はパィレツクス、バイコール、シリカ等のガラス材料が
一般的であり、Ｈｍ温度等に応じて適宜選択することが
できる。

また耐火物粉末３としては、アルミナ、マグネシア、ジ
ルコニア、ポロンナィトラィド等のセラミック材料、あ
るいはパィレツクス、バイコール、シリカ等のガラス材
料が一般的であり、ＨＩＰ温度、被接合部材との反応性
等に応じて適宜選択される。なおこれらの耐火物粉末中
にＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ等の活性の高い金属粉末をゲッ
ター材として配合しておくことにより、後述するカプセ
ル内の脱気工程を省略したり、あるいは脱気工程で脱気
しされない徴量の酸素、窒素等のガスが加熱時に吸収さ
れるので、被接合面の清浄度をより高いレベルに保つこ
とができる。また被接合部材１，１′を決められた位置
に配置した後、金属フオィルで包み、その上からクラン
プすることも可能であり、このような方法を探ることに
より、例えば耐火物粉末として超微粒粉末を用いる場合
でも、被接合面間に耐火物粉末が浸入するのを防止する
ことができる。

続いて第四の工程として、被接合部材アセンブリ１，１
′，２および耐火物粉末３が充填されたカプセル４内部
を脱気する。

これはカプセル内部に多量のガスが残存していると、被
接合面が汚染されたり、あるいは接合部に気孔として残
ったりして接合部の特性が低下するからであり、カプセ
ル４が金属材料である場合には、通常カプセルの関口部
に脱気管６を有する蓋５が溶接され、脱気管６を通じて
カプセル内部が脱気される。またこの排気工程は室温で
行なう場合もあるが、好ましくは３００〜６００ｑｏの
温度に加熱しながら行なうことが好ましく、このように
加熱下で脱気することにより、被接合アセンブリおよび
耐火物粉末の表面に吸着しているガスも除去することが
できる。なおカプセル４内に耐火物粉末３と共に前記ゲ
ツター材を充分に添加でき、カプセル内の空気が該ゲッ
ター材により充分に除去できるような場合、あるいは被
接合部材１，１′の酸素、窒素含有量が多少増加しても
問題がないような場合には、この脱気工程を省略するこ
とが可能である。次に前記に続く第五の工程として、カ
プセル４を密封するが、カプセルが金属である場合には
、脱気管６の一部をバーナー等で加熱し、その部分にハ
ンマー８，８′等により外力を加えることによって銭接
する方法が一般的であり、またカプセルがガラスである
場合には、カプセル関口部附近を加熱して軟化させ、外
力を加えて封着密封する方法が一般的である。そして最
後にカプセル密封後、第六の工程として、カプセルをＨ
ＩＰ装置中に装入し、所定の時間カプセルに高温高圧を
作用させて、ＨＩＰ処理が完了する。

この場合、圧力媒体として通常アルゴンガスが用いられ
るが、他の非反応性ガスでもよく、この圧媒ガス圧でカ
プセルを介して耐火物粉末を圧縮し、耐火物粉末が凝静
水圧的に被接合部材を圧縮することによって被接合面に
力が加えられ拡散接合が進行することになる。本発明に
おいては一つのカプセル中に多数の被接合部材アセンブ
リを装填して処理することも可能であり、また任意の方
向を向いた多数の接合面を同時に拡散接合することも可
能である。

ＨＩＰ処理の圧力温度条件は、被接合材の材質によって
勿論異なるが、圧力２００〜２０００ｋ９／地，温度４
００〜１７００ｑｏの領域が一般的であり、温度的には
被接合部材の融点の４０％から６０％の範囲が好適であ
る。

このようにしてＨＩＰ処理が完了すると、カプセル４を
ＨＩＰ装置から取り出し、該カプセルを破壊することに
よりその内部より製品が得られる。

この場合耐火粉末が若干固まっている場合もあるが、Ｈ
ＩＰ温度に応じた適当な耐火粉末を用いることにより、
耐火物粉末を製品から除去することはきわめて容易であ
り、また再利用することも勿論可能である。以上は本発
明の方法を一例によって説明したが、本発明方法は無論
、種々の改変が可能であり、例えば第４図はその例で多
数の材質の異なる薄板から成る被接合部材１，１′を贋
層し、これをクランプして複合材８を製造する例を示し
たものである。

かくして製造された複合材、例えば金属磁性材料と非金
属磁性材料とを交互に積層してなる複合材は電子工業に
おいて特に有用である。また第５図は鞄状の被接合部材
１の外周に６個の突起物となる被接合部材１′をリング
状のクランブ用具２を用いてクランプし、これをｍＰ処
理する例を示したもので、このようにして得られた製品
９はタービン用部品とし有用である。次に本発明方法を
実施して製品を製造する態様を実施例を挙げて説明する
。

（実施例） 直径３仇帆厚さ１比奴のアルミナ円板と直径３仇吻厚さ
２肌のＳＵＳ３０４円板を準備し、両者を重ね合せて第
４図に示した如きネジを利用したクランプ用具で固定し
た。

次にこれを直径７仇蚊の欧鋼製容器中に、ボロンナィト
ラィド粉末に埋設する形で充填し、容器の関口部に脱気
管を有する蓋を溶接した後、脱気管を真空ポンプに接続
し、容器全体を５００℃まで加熱しながら１０一１Ｔｏ
ｒｒの真空度まで脱気し、脱気しながら脱気管をガスバ
ーナ−で加熱し銭接して密封した。

密封後、容器をＨｍ装置中に薮入し、アルゴンガスを圧
力媒体として、１３８０℃，１８００ｋ９／地，１時間
の条件でＨＩＰ処理し、該ＨＩＰ処理完了後、容器を取
り出し、軟鋼製容器を切断して被接合アセンブリを取り
出した。この時アゼンブリの周囲には若干ボロンナィト
ラィド粉末が付着していたが、容易に除去することがで
きた。また顕微鏡による接合面の観察の結果、アルミナ
とＳＵＳ３０４は強固に接合されていることが実証され
た。叙上の如く本発明方法は被接合部材を予め所望の関
係位置に配置してクランプ用具を用いてクランプし、Ｈ
ＩＰ処理を行なうものであり、従釆法の如く中子を必要
とせず或いは溶接、ロー付け等のシールを要しないもの
であるから、例えばセラミックと金属等の異種材料でも
簡便なプロセスで接合でき汎用性が極めて高い。

また一個のカプセル中で同時に多数個の接合が行なえる
ので、その量産性に優れると共に複雑な形状の場合にお
いても容易に接合でき、かつ耐火粉末の除去が容易であ
るため、離型に要する時間が大中に短縮されるので生産
性が向上し、しかも離型時に製品が損傷を受けるおそれ
がない。更に耐火粉末は再利用ができ、従来法の如く真
空溶接装置等の特殊な装置が不要である等の利点を有し
ており、本発明方法は広く工業的に適用可能な経済性の
優れた製造方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法における工程を示す系統図、第２図は従
釆法における被接合材の固定の態様を示す概要図、第３
図は本発明方法における工程を示す系統図、第４図及び
第５図は各々本発明方法の更に他の応用例を示す概要図
である。 １，１′……被接合部材、２……クランプ用具、３・・
・・・・耐火物粉末、４・・・・・・カプセル、５…・
・・蓋、６・・・・・・脱気管、１１，１１′・・・・
・・中子。 繁図孝之図 孝３図 繁く図 髪づ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱間静水圧プレス法により被接合部材を拡散接合し
   て製品を製造する方法において、被接合部材１，１′を
   予め決められた相対的関係に配置してクランプ用具２を
   用いて機械的にクランプし、これを気体浸透性のない材
   料で作られた開口部を有するカプセル４内に耐火性粉末
   ３に埋設する状態で充填し、しかる後、該カプセルを脱
   気若しくは脱気することなく密封して熱間静水圧プレス
   処理を行なうことを特徴とする拡散接合による製品の製
   造方法。 ２ 被接合部材１，１′を予め決められた相対的関係に
   配置後、金属フオイルで包囲し、しかる後機械的にクラ
   ンプする特許請求の範囲第１項記載の拡散接合による製
   品の製造方法。 ３ 加熱下でカプセル４内の脱気を行なう特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載の拡散接合による製品の製造方
   法。 ４ 耐火物粉末３がアルミナ、マグネシア、ジルコニア
   、ボロンナイトライド等の耐火性セラミツクス粉末であ
   る特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の拡散
   接合による製品の製造方法。 ５ 耐火物粉末３が、パイレツクス、パイコール、シリ
   カ等のガラス粉末である特許請求の範囲第１項、第２項
   又は第３項記載の拡散接合による製品の製造方法。 ６ 耐火物粉末３中に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ等
   のゲツター材が配合されている特許請求の範囲第１項及
   至第５項の何れか各項に記載の拡散接合による製品の製
   造方法。