JPS62146625A - 金属と黒鉛からなる複合材の製造方法 - 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〕 本発明は、各種機器の部品等に使われる金属と黒鉛から
なる複合材の製造方法に関する。

〔従来の技術とその問題点〕

一般に金属材料と黒鉛とは互いに熱膨張率が大きく異な
っている。例えば鉄鋼系の線膨張係数は１３〜１８Ｘｌ
Ｏ’であるのに対し、黒鉛の線膨張係数は２〜５Ｘ１０
”である。一般に、ろう付けや拡散接合で熱膨張率が実
用上問題にならない範囲は、両者の線膨張係数の差がｌ
×ｌＯ″６より小さい場合である。

このため、金属と黒鉛をろう付けや拡散接合などで接合
すると、接合後の冷却過程で両者に寸法差を生じて大き
な残留応力が発生し、極端な場合には黒鉛が破壊される
ことがある。

−例として、第３図に示されるようなカップ状あるいは
パイプ状の金属材料１の外側に円筒状の黒鉛２を被着す
る場合、単に両者をろう付けまたは拡散接合すると、金
属と黒鉛の熱膨張率の差のため、昇温過程で黒鉛２が破
壊するか、あるいは接合後の冷却過程で金属材料１と黒
鉛２とが剥離してしまう。このため従来は、第３図のよ
うな構造の複合材を拡散接合あるいはろう付けによって
作るのは困難であった。

従って金属と黒鉛からなる複合材の接合は、現在のとこ
ろ小さな円柱同志の接合や小さな直方体同志の接合とい
った単純形状のテストピースでの研究や、黒鉛と金属の
反応性の研究、あるいは熱膨張率の差が問題にならない
程度のご（小さな部品での研究が行なわれているに過ぎ
なかった。

一方、従来よりバイブ状の材料にしばしば適用されてい
る焼き嵌めや冷やし嵌めによる機械的な締結では、黒鉛
の強度が低いこともあって充分な締結強度が得られなか
った。

また、接着剤によって金属と黒鉛を接合させることも考
えられるが、接着剤を用いる接合では耐熱性に難点があ
り、しかも真空や特殊雰囲気中での使用の場合に、接着
剤からのガスの発生が問題となる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、黒鉛製の外筒の内側に、少なくとも一端側が
開口するテーパ状内面を有しかつ黒鉛よりも熱膨張率の
大きな金属からなる金属内筒を挿入し、更に上記金属内
筒と黒鉛外筒との間にこれら金属と黒鉛とを高温で接合
する結合材を介在させるとともに、上記金属内筒のテー
パ状内面には、黒鉛または黒鉛と同等の熱膨張率の材料
からなりかつ外面が上記テーパ状内面と同一のテーパ形
状をもつ押え部材を挿入し、これら金属内筒と黒鉛外筒
を上記結合材の接合温度まで加熱するとともに、この加
熱によって拡大した上記テーパ状内面に上記押え部材を
押込んだ状態で黒鉛外筒と金属内筒を接合させることを
特徴とする。

上記金属内筒は、接合時の高温状態では黒鉛外筒よりも
径が拡大するから、黒鉛外筒の内面と金属内筒の外面と
が接合温度まで加熱された時に丁度接合に適した寸法と
なるように、両部材の熱膨張率をもとに各部の寸法を設
定しておく。

〔作用〕

黒鉛外筒と金属内筒とは、互いの接合時に両者の熱膨張
率差によって丁度接合に適した寸法となって接合される
。そして冷却過程においては、押え部材によって金属内
筒の収縮が抑制されるから、黒鉛外筒と金属内筒との接
合部に剥離方向の力が加わることを防止でき、安定した
接合状態を維持できる。

上記方法は、黒鉛外筒と金属内筒との接合を硬ろう付け
あるいは拡散接合などの高温接合によって行なうから、
焼き嵌め、冷やし嵌め等の機械的な締結と比較すると接
合強度が高く耐熱性がある。

また、接着剤による接合と比較すると耐熱性がはるかに
優れており、かつ真空雰囲気中でガスの放出を生じるお
それもない。

〔実施例〕

第１図および第２図に示された一実施例において、複合
材５は黒鉛製の外筒６と、この黒鉛外筒６の内側に収容
される金属製の内筒７と、押え部材８などを倫えて構成
される。黒鉛外筒６は、両端が開口する円筒形状をなし
ている。

一方、金属内筒７は本実施例の場合、一端側が開口する
カップ型である。この金属内筒７は、黒鉛よりも熱膨張
率の大きな金属、例えば銅、ニッケル、チタン、鉄鋼、
あるいはこれらの合金が用いられる。

上記金属内筒７はテーパ状内面７ａを有している。この
テーパ状内面７ａは、金属内筒７の開口端側の内径が漸
増するような形状である。なお、金属内筒７はカップ型
に限るものではなく、例えば両端が開口したパイプ状で
あってもよい。

黒鉛外筒６と金属内筒７との間には、これら金属と黒鉛
とを拡散接合あるいは硬ろうなどのように高温度で接合
するための結合材９が介在させられる。この結合材９に
は例えばニッケル箔やチタン箔のように薄いインサート
材が使用されるが、適宜の硬ろう材を使用することも可
能である。常温において、結合材９が肢管された状態で
の金属内筒７の外径Ｄ１は、黒鉛外筒６の内径Ｄ２より
も小さい。例えばＤ２は４０．０間、Ｄｌは３９，３龍
である。結合材９の厚みは数十μ程度である。

上記Ｄ１とＤ２は各材質の熱膨張率から計算して、接合
温度まで加熱されたときにＤｌとＤ２とがほぼ一致する
ように加工しておく。但し、場合によっては結合材９の
厚みを含まない寸法Ｄ３が接合温度でＤ２と一致するよ
うに加工してもよい。

金属外筒７のテーパ状内面７ａには、黒鉛または黒鉛と
同等の熱膨張率の材料からなる押え部材８が挿入される
。この押え部材８の外面８ａの形状は円錐台状であって
、テーパ状内面７ａの形状と一致している。

押え部材８は、第１図に示されるように常温ではその底
面８ｂが金属内筒７の底から離れているが、高温の接合
温度まで加熱されて金属内筒７の内径が拡大した時には
、第２図に示されるように底面８ｂが金属内筒７の底に
接触ないし近付（位置まで押え部材８を挿入でき、しか
もこの時に押え部材８の上部は金属内筒７の上端よりも
上に出るような寸法としである。

第１図に示されるように、常温で黒鉛外筒６に金属内筒
７と押え部材８をセットし、金属内筒７と黒鉛外筒６を
結合材９の接合温度まで加熱する。

この加熱によって、金属内筒７の径が相対的に広がるか
ら、押え部材８に矢印Ｆ方向から適当な荷重を付加する
ことによって、第２図に示されるように押え部材８を奥
まで挿入する。

このように押え部材８を押込みつつ接合温度まで加熱す
ることにより、黒鉛外筒６と金属内筒７は結合材９を介
して拡散接合（または硬ろう付け）によって接合させら
れる。そして押え部材８に荷重を付加し続けながら冷却
すると、押え部材８は金属内筒７から押出されることな
く嵌合状態を維持する。

こうして金属内筒７は内部の押え部材８によって収縮が
阻止され、径が広がった状態のまま常温まで戻されるか
ら、冷却過程で一種の塑性変形を生じ、押え部材８を除
去しても金属内筒７は拡径したままとなる。従って、黒
鉛外筒６と金属内筒７との接合面に剥離方向の力が生じ
ることを防げる。押え部材８は通常は冷却後に適宜の方
法で除去するが、特に問題がなければ除去しないで挿入
したまま残してもよい。

上記複合材５によれば、単なる焼き嵌めや冷やし嵌め等
の５機械的嵌合に比べて耐熱性と接合強度が高い。しか
も接着剤を使用した場合のような汚染物質の放出も生じ
ないため、例えば次に述べるような用途に使用できる。

黒鉛の耐熱性は非酸化性雰囲気では約２５００℃と優れ
ているため、金属内筒７の内側を適宜の手段によって冷
却することにより、優れた高温耐熱性を発揮する。しか
も黒鉛外筒６と金属内筒７との機械的接合強度が高いた
め、従来の接着や焼き嵌めでは強度的に使用できなかっ
た条件下で、メカニカルシールや軸受は等のＩｄ動部材
に使用することが可能である。この場合、金属内筒７の
材質は鉄鋼系金属が適する。黒鉛は自己潤滑性があり、
しかも摩擦抵抗が小さいので無給油の軸受として使用す
ることができる。

しかも上記方法によって得られた複合材５は耐熱性が高
く、かつ高温でも汚染ガスの放出が無いので、例えばＸ
線発生用ターゲットやスパッタリングターゲットとして
炭素を用いる場合に、従来よりも高温度で使用可能であ
る。Ｘ線発生用のターゲットは真空中で使用され、しか
も電子線が照射させられて高温となるため耐熱性が要求
されるとともに、真空雰囲気の汚染のない接合が必要で
あるから、本発明方法によって得られる複合材はこの種
の用途に好適である。この場合、金属内筒７には銅合金
が使用される。

［発明の効果］ 本発明によれば、互いに熱膨張率の異なる黒鉛外筒と金
属内筒を強固に結合することができ、耐熱性があり、し
かも雰囲気中へのガスの放出の心配もない。

【図面の簡単な説明】

第１図およびｉ２図は本発明の一実施例をそれぞれ工程
順に示す断面図、第３図は金属と黒鉛からなる複合材を
例示する断面図であ′る。 ５・・・複合材、６・・・黒鉛外筒、７・・・金属内筒
、７ａ・・・テーパ状内面、８・・・押え部材、９・・
・結合材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 黒鉛製の外筒の内側に、少なくとも一端側が開口するテ
   ーパ状内面を有しかつ黒鉛よりも熱膨張率の大きな金属
   からなる金属内筒を挿入し、更に上記金属内筒と黒鉛外
   筒との間にこれら金属と黒鉛とを高温で接合する結合材
   を介在させるとともに、上記金属内筒のテーパ状内面に
   は、黒鉛または黒鉛と同等の熱膨張率の材料からなりか
   つ外面が上記テーパ状内面と同一のテーパ形状をもつ押
   え部材を挿入し、これら金属内筒と黒鉛外筒を上記結合
   材の接合温度まで加熱するとともに、この加熱によって
   拡大した上記テーパ状内面に上記押え部材を押込んだ状
   態で黒鉛外筒と金属内筒を接合させることを特徴とする
   金属と黒鉛からなる複合材の製造方法。