JPS62170337A - 黒鉛と金属からなる複合材 - 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黒鉛と金属から
なる複合材に関する。

（従来の技術とその問題点） 一般に金属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１３〜１８Ｘ　１０
”であるのに対し、黒鉛の線膨張係数は２〜５Ｘ　１０
’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１
×１０″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金属の収縮率の方が大きい
ため両者に寸法差を生じて大きな残留応力が発生し、穫
端な場合には黒鉛が破壊することがある。

一例として、第５図に示されるようなカップ状あるいは
パイプ状のクロム鋼からなる金属材１の外側に円筒状の
黒鉛２を被着するに当って、両者を例えばニッケル箔な
どの結合ｖｉ３を介して拡散接合（または硬ろう付け）
したと仮定する。この場合、接合時の高温状態で金属材
１の外面が黒鉛２の内面に密着するように各部の寸法が
設定されていると、接合後の冷却過程で金属材１は黒１
８２に対して相対的に収縮する。金属材１は径方向ばか
りでなく軸方向にも収縮するため、金属材１に接合され
ている黒鉛２は、その軸方向に撓むような力を受ける。

このため黒Ｗｒ１２の端部２ａ、２ｂなどにクラックが
生じたり、クラックが進展して破壊に至ることがある。

従って金属と黒鉛からなる複合材は、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ｉ・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
のごく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、従来よりパイプ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ｔｉ３［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、金属製の内筒の外側に黒鉛製の外筒を拡散接
合あるいは硬ろう付け等の高温接合手段により互いに接
合させる複合材において、上記黒鉛外筒の両端面に円周
方向の溝を形成したことを特徴とする黒鉛と金属からな
る複合材である。

〔作用〕

黒鉛外筒の両端部に何らの対策も施されていない場合に
は、材料の組合わせや形状、大きさ等によっては両者の
熱膨張率の差により接合後の冷却過程で黒鉛の端部にク
ラックが生じることがあるが、本発明によれば黒鉛外筒
の両端面に円周方向の溝を形成することにより、クラッ
クの発生を防止できる。

上記複合材の黒鉛外筒と金属内筒は互いに硬ろう付けあ
るいは拡散接合などの高温接合手段によって行なわれて
いるから、焼き嵌め、冷やし嵌め等の傭械的な締結と比
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の内側に挿入
される金属製の内筒７を備えている。黒鉛外筒６は、両
端が開口する円筒形状ないしリング状である。

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。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。

そして黒鉛外筒６と金属内筒７は、拡散接合あるいは硬
ろう付けなどのように高温度で行なわれる接合手段によ
り、結合材９を介して互いに接合されている。結合材９
は例えば円筒状のニッケル箔やチタン箔であるが、適宜
の硬ろ−う材を使用することが可能である。結合材９の
厚みは例えば数十μ程度である。

上記黒鉛外筒６の内径と金属内筒７の外径、および結合
材９の各寸法は、これらが接合温度まで加熱された時に
各部が互いに密着できるように、各材質の熱膨張係故に
もとづいて予め算出しておく。

また黒鉛外筒６の両端面５ａ、５ｂに、それぞれ円周方
向に沿う溝１１．１２が全周にわたって形成されている
。本実施例の溝１１．１２の断面は略Ｖ状である。

上記構成の複合材５は、金属内筒７に結合材９をセット
し、黒鉛外筒６に挿入したのち、接合）晶度まで加熱す
る。加熱により金属内筒７は相対的に径が拡大し、結合
材９を介して黒鉛外筒６に拡散接合（または硬ろう付け
）によって接合させられる。

こうして金属内筒７に接合された黒鉛外筒６は、接合後
の冷却過程で金属との熱膨張率の差によって径方向ある
いは軸方向等に力を受ける。ここで、黒鉛外筒６が従来
（第５図参照）のように両端面に何らの対策も施されて
いないと、軸方向の熱膨張率の差が大きい場合に、黒鉛
外筒６の両端部等にクラックが発生することがある。し
かしながら本実施例の黒鉛外筒６は、その両端面６ａ、
６ｂに予め円周方向に沿う満１１．１２が設けられてい
ることにより、冷却過程で黒鉛外筒６の両端部にクラッ
クが生じたり、クランクが進展して破損に至ることを防
止できる。

熱膨張率の差は当然径方向にも現われる。しかし黒鉛外
筒６の径が例えば数Ｍないし数十Ｉｍ程度と小さい場合
には、特に対策を講じなくとも黒鉛外筒６は金属内筒７
に対して比較的安定した接合状態を維持できる。しかし
黒鉛外筒６の径が比較的大きく、金属内筒７に対する径
方向の熱膨張率の差が問題になる場合には、以下述べる
ような手段を講じることが望ましい。

すなわち、第３図に示されるように金属内筒７の内面７
ａをテーバ状にする。このテーバ状内面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１
０が挿入される。押え部材１０は円錐台状をなし、その
外面は上記テーバ状内面７ａと一致するようにテーバ状
をなしている。

第３図に示されるように常温で黒鉛外筒６に金属内局７
と結合材９および押え部材１０等をセットし、接合温度
まで加熱する。この加熱によって、金属内筒７の外径と
内径が相対的に広がるから、押え部材１０に矢印［方向
から適当な荷重を付加することによって、押え部材１０
を奥まで圧入する。

このように押え部材１０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（または映ろう付け）によって接合させ
られる。そして押え部材１０に荷重を付加し続けながら
冷却すると、押え部材１０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。

こうして金属内局７は内部の押え部材１０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
ことにより、冷却過程で一種の塑性変形を生じ、押え部
材１０を除去しても金属内局７は拡径したままとなる。

従って、黒鉛外筒６と金属内局７との接合面に剥離方向
の過剰な力が生じることを防げる。押え部材１０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。

上述した複合材５によれば、単なる焼き嵌めや冷やし嵌
め等の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、メカニカルシールヤ軸受は等の摺動部材に
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ｅス鋼系金属が適する。黒鉛は自己潤滑性があり、
しかちｉ′ａＩ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１ｑられた少合材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
ｘＩ１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、本発明の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には例えば銅合金等が使用
される。　なお、溝１１．１２の形状は上記実施例に制
約されるものではない。例えば第４図に示すように断面
が半円凹状の溝１１．１２を形成するようにしても、上
記実施例と同様に黒鉛外筒６の端部にクラックが生じる
ことを防止できる。

〔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
属内筒を拡散接合や硬ろう付けなどのような高温接合に
よって互いに接合した場合に、黒鉛が破損することを防
止できる。しかも本発明の複合材は耐熱性があり、かつ
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図は本発明の一実施例を示す複合材の断面図、第２
図は第１図に示された複合材の平面図、第３図は第１図
に示された複合材の製造過程において押え部材を用いた
場合の断面図、第４図は本発明の他の実施例を示す複合
材の断面図、第５図は従来の複合材を例示する断面図で
ある。 ５・・・複合材、６・・・黒鉛外筒、６ａ、６ｂ・・・
両端面、７・・・金属内筒、９・・・結合材、１１．１
２・・・溝。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属製の内筒の外側に黒鉛製の外筒を拡散接合あるいは
   硬ろう付け等の高温接合手段により互いに接合させると
   ともに、上記黒鉛外筒の両端面に円周方向の溝を形成し
   たことを特徴とする黒鉛と金属からなる複合材。