JPS61259884A - 金属部材の接合体 - 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〉 本発明は金属部材の接合体に関するものである〈従来の
技術〉 金属部材の接合で、最も難しいことは１両者の線膨張係
数の違いの問題をいかに解消するかである。

特に鉄鋼等の実用的な金属材料と超硬合金、タングステ
ン、モリブデンのような金属とは線膨張係数が３〜４倍
違うために、このような金属の組合せでは、たとえ接合
がうまく行っても、接合後の冷却過程で大きな熱応力が
発生し、変形や破壊がおこる。

従来接合部の熱応力を緩和するために、色々な形の中間
層、たとえば、中間的な線膨張係数をもつ金属や、銅の
ような軟質金属、あるいは線膨張係数の近い金属の中間
層を挿入して接合することが行われているが、いずれも
、この残留応力の問題を完全には解消していないのが現
状である。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明は以上の様な問題点に鑑みてなされたものであり
、接合境界部および中間層間の応力を軽減することがで
きる新規な接合方法を提供せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明者は上記問題点にかんして鋭意研究をおこなった
結果、次のような新しい知見をうるに−至った。即ち、 接合部に単数おるいは複数の中間層を挿入すると共に、
該中間層の中の少なくとも一つの中間層として次の構造
の中間層、即ち、 （イ）内層部分に、金属あるいはセラミックの単体の層
あるいは積層された層から構成される中心となる材料の
層を配し、 （ロ）この中心となる材料の層の外面を、金属の連続体
の層でくるんだ形で被覆、接合した構造からなる中間層
を用いて接合したものは、接合過程の熱応力が著しく軽
減でき、変形、破壊を防止できることを見出だした。

本発明は、この新しい知見をもとに為されたものである
。

〈作用〉 線膨張係数のことなる材料の板を高温ではりあわせると
、冷却過程で曲げの応力が発生する。

線膨張係数の差が小さくなれば、この応力も小さくなる
が、この応力の発生そのものを防止することはできない
。

したがって接合すべき二つの材料の間に、中間的な線膨
張係数を有する中間層をインサートしても応力の発生そ
のものは回避できない。

この応力は変形や破壊を誘発する。

しかして本発明では、接合部材と中間層あるいは中間層
と中間層の間に上記した構造の中間層がが挟まれており
、この層は、セラミックあるいは金属の単層あるいは積
層された構造からなる中心となる材料の層の外面を、金
属の連続体の層でくるまれた形で被覆され、接合された
構造になっており、しかもこの中心となる材料の層は、
この連続体によって前後、左右、上下全面から圧縮、拘
束されているために、たとえ、この層に曲げの力が作用
しても、反対側の面に作用しているこの金属の連続体の
層の圧縮、拘束力は、この曲げの力を打消す方向に作用
し、応力の解消あるいは軽減に寄与する。

本発明の中間層の、中心となる材料の層の構造は、セラ
ミック単層、金属単層、セラミック積層体、金属積層体
あるいはセラミックと金属の混ざった積層体からなるが
、隣の層との応力を軽減するだめには、この隣の層に対
面する部分の材料は、隣の層と同じ材料、あるいは同じ
線膨張係数をもつ材料が好ましい。この組合わせにする
と、この部分の接合応力を最少にすることが出来る。

異種材料の層を何層も積層するばあい、要は、接合部分
の応力を極小にすることが目的であるので、全体の収縮
力がこの部分に波及しないように組合わせ条件を考慮す
る。

例えば、線膨張係数がすこしづつ徐々に変化するように
配置したり、あるいは各層を本発明の趣旨とする金属の
連続体でくるんで積層させ、各層間で本発明の趣旨とす
るキャンセル応力が作用するようにする。

中心材料の層の外側の金属の連続体の層の厚さは、必ず
しも均等な厚さでなくてもよいが、隣の層が引張り力に
弱い脆弱な材料の場合、接合面の部分の厚さは極力薄く
する。厚くなると、接合端゛　面に作用する、この金属
の収縮による引張り力が無視できなくなる。

一方隣の層が延性のある金属の場合、あえて厚さ、形状
を制約する必要はない。

中心材料の層の材料は、接合すべき部材の種類によって
も変化するが、セラミック材料から金属材料まで広く使
用できる。

セラミック材料にあっては、炭化物、窒化物、ホー化物
、酸化物等々から炭素材料まで、広い範囲で使用できる
。

金属材料にあっては、Ｗ、Ｍｏ等の低膨張材料からＷＣ
−ｃｏ、　Ｔ　ｉ　Ｃ−Ｎ　ｉ等のサーメット。

Ｔ　ｉ、　Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａおよび鉄、非鉄合金に至る
までひろく使用できる。

要は、中間層としての特性を備えておれば、全て使用す
ることが出来る。

金属連続体の層の材料は、この部分は全面が同じ材料で
なくても良い（たとえば場所によって材料を変えたり、
多層構造にしたりして）が、連続体である必要がある。

使用される材料は、この部分は、隣の層との間に挟まれ
れる部分であるので、応力緩衝効果を考え、あるいは応
力そめもρができるだけ生起しないように、比較的低剛
性の材料か、線膨張係数の近い材料、あるいは剛性の高
い材料では厚さを薄くシて、あるいは他の金属の層を更
にこの部分に被覆したりして用いる。また、この連続体
は、全体が連続している必要はあるが必ずしも全面隙間
なく被覆される必要はない。

つまり局部的に被覆されてない箇所があってもかまわな
い。

〈実施例〉 本発明の中間層の構造および実施の形態を図面によって
説明する。

第１図イ〜ハは本発明の中間層の構造の説明図である。

第２図イ〜ハは中間層と接合部材との結合の形態を例示
したものである。

第１図イ〜ハにおいて、（１）は中心となる材料の層、
（２）は（１）をくるむように被覆された金属の連続体
の層である。

（イ）の場合は（１）が単層から成り、（ロ）は積層体
から成り、（ハ）は積層体で、かつそれぞれの層が金属
の連続体でくるまれた構造のものである。実際の使用に
際して、これらの中間層は部材の間に単独でインサート
されたり、あるいは従来から使用されている通常の中間
層と組合わされて用いられる。

第２図は接合部材と中間層の結合の形態を例示したもの
であり、（イ）は中間層（１）が相手材（２）にうめこ
まれ、接合面のみが表面に現われたものであり、（ハ）
の場合は、（１）の中間層の左右両側に接合部材（２）
を配置されたものであり、（ロ）の場合は、隣の層に半
分うめこまれて接合されたものである。尚、本図では、
説明を筒単にするために、中間層は単層で示したが、こ
れは必要に応じて適宜第１図で説明した構造にされる。

以上、本例は代表的なものを示したに過ぎないもので、
中間層の形状が変化してくれば、当然この形態も変わっ
てくることは言うまでもないことであり、本例のみに限
られるものではない。

尚、本発明の中心材料の層の材料は金属材料に限らず、
セラミック材料も使用できるが、中心材料とこれをくる
む金属との接合は、中心材料の層が金属の場合問題がな
いが、セラミックの場合、接合面を予めメタライズして
、あるいは外側のくるむ金属としてセラミックと直接接
合できる金属を使って、接合する。

実施例１（タングステンと鋼の接合） 接合形態は第１図（イ）、第２図（イ）の形態接合部材
； ５０Ｍ×５０ＩＭ＆×２０履のタングステンと１００×
１００×５０ＩＩ＃ＩＲの５４５Ｃの鋼中心材料の層； 上記タングステンと同じ材質で、５０Ｘ５０Ｘ１０ｍの
板を使用。

５４５Ｃの方に中心材料の層を嵌めこむための溝（多少
余裕を持たせて）を設け、このなかに銅の粉末と一緒に
中心材料となるタングステンの板をうめこむ。

次に、このタングステンの上に銅のシートを載せ、更に
、この上に接合するタングステンをあわせて載せる。

これを雰囲気炉で１２００℃に数秒加熱した。

タングステンの中間材料の層は、溶融した鋼によって、
全面をくるまれ接合され、この銅層と上にのせたタング
ステンの板が融着していた。

本例では、溶融鋼の層が金属の連続体の層の役割をして
おり、いずれの接合面にもキレンや剥離は認められなか
った。

タングステンは線膨張係数が小さく、脆弱なため、通常
の方法では剥離やキレンが発生しやすいが、本発明では
皆無であり、また反りも認められなかった。

実施例２（サーメットとステンレス鋼の接合）接合形態
は、第１図（イ）、第２図（ハ）。

接合部材； ステンレス！ｇ　　６０Ｘ５０Ｘ３０ｍの板サーメット
　　５０Ｘ３０Ｘ５．ｗの超硬合金中心材料の層； ５０Ｘ３０Ｘ１０ｍｔｔｔの同材質の超硬合金板ステン
レス鋼の方は、線膨張係数を調整するために、接合面に
予め軟鋼の中間層を溶接肉盛に−よって形成しておく。

中心材料の層となる超硬合金の板の全面をＮｉで無電解
メッキした後、これを銅箔でくるみ、軟鋼を肉盛したス
テンレス板の上に載せる。

次にこの上に接合する超硬合金の板をあわせて載せ、無
酸化雰囲気で、１２００℃に加熱。

銅箔をくるまれた真中の超硬合金の板は溶融した銅によ
って全面を濡らされ、くるまれて接合さ・れており、上
に載せた超硬の板、ステンレス鋼の板もこの溶融鋼の層
と融着していた。

接合部は全く健全で剥離キレンは認められず、また反り
の現象も見られなかった。

実施例３（タングステンと鋼の接合） 接合形態は第１図（イ）、第２図（イ）の形態である。

〈接合部材〉 実施例１と同じ 〈中心材料の層〉 炭化ケイ素の板　５０×５０×１０ＩＩＩＩＲ接合操作
は、中心材料の層となる炭化ケイ素のの板の全面に、Ｓ
　１−５０ＦｅＮｂの粉末を塗付し、これを減圧化１４
００℃に加熱して全面をメタライズする。つぎにこのメ
タライズした炭化ケイ素の板を８４５Ｃの溝の中に銅の
粉末と一緒にうめこむ。つぎに、この上に更に銅のシー
トを載せ、この上に接合するタングステンを合せてのせ
る。これを実施例１と同じ＜１２００’Ｃに加熱。

炭化ケイ素の中心材料の層は溶融した銅によって、全面
をくるまれて接合されており、この銅層と上に載せたタ
ングステンの板が融着していた。

接合部は全く健全で剥離、亀裂、反りも全く認められな
かった。

以上、上記実施例は、接合部材として、タングステンと
超硬合金の組合せの様に、線膨張係数の極端に異なるも
のの組合せについて示したものであるが、本発明は上例
のみに限定されるものではなく、これ以外のいかなる組
合わせにも適用することが可能である。

中間層の中心となる層の材料も、金属材料、セラミック
材料及び複合材料が適宜使用できる。

中心材料の層の金属の被覆、接合操作は、上例の様に、
溶かして接合を行なう他に、同相で接合あるいは、この
種の接合に通常一般的に使用される被覆、接合操作が全
て採用できる。

る。

〈発明の効果〉 １）接合応力の緩和に著効を有する。

低膨張性金属と鋼のような高膨張、高剛性の材料の接合
が出来る。

２）接合強度が高い。

３）簡便な操作で安価に施工できる。

４）サーメットも含めて広い範囲の金属材料に対して適
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ハは、本発明の中間層の構造の説明図であり
、第２図イ〜ハは中間層と接合部材との結合の形態を例
示したものである。 第１図で、（１）は中心となる材料の層（２）は金属の
連続体の層である。 第２図で、（１）は中間層、（２）は相手材である。 （イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ロ）
（／す

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 接合部に単数あるいは複数の中間層を挿入された接合体
   であつて、該中間層の中の、少なくとも一つの中間層と
   して次の構造の中間層、即ち、（イ）内層部を構成する
   中心となる材料の層と、（ロ）該中心となる材料の層（
   内層部）をくるむ形で被覆し、該層と接合されている金
   属の連続体の層からなる構造の中間層を使用されてなる
   ことを特徴とする金属部材の接合体。