JPS6250073A - 黒鉛−金属接合構造体 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は黒鉛部材と金属部材とを接合して成る黒鉛−金
属接合構造体に関する。

（発明の技術的背けとその問題点） 黒鉛部材は真空ないし不活性雰囲気中で耐熱性が極めて
優れているために耐熱材料として広く用いられている。

耐熱材料としての応用の中には冷却、支持、強化などの
目的から金属との接合が要求される場合が多い。この場
合の金属とは強度部材としてのステンレス鋼、ニッケル
基合金、鋼や冷却部材としての銅、銅合金などである。

黒鉛とこれらの金属を接合して成る接合構造体の一例と
しては、核融合装置のダイバータ、リミタ−などの高熱
負荷部材（Ｈ１ａｈＨｅａｔ　　Ｆｌｕｘ　　Ｃｏｍｐ
ｏｎｅｎｔ）があげられる。

これら両部材の接合に関して従来行われている方法とし
ては、■両部材をボルト、ネジなどを用いて機械的に接
合する方法、■Ｔｉなどの接合層を設けた黒鉛部材とス
テンレス鋼などの金属部材とを熱圧プレスして接合する
拡散接合法、■活性金属入り口つ材（例えばＴｉ入り銀
ロウ材）を用いて両部材を直接ロウ接する［１つ接法（
Ｄ、　Ｋ、　Ｏｗｅｎｓらによる：　Ｊ　ｏｕｒｎａｌ
　　ｏｆＮ　ｕｃｌｅａｒ　　Ｍ　ａｔｅｒｉａｌｓ　
　１２１　（１９８４）　　３４４〜３４９）などがあ
る。しかしながら■の方法では両部材間の密着性が悪く
、接合部の熱伝達効率が極めて低く、高熱負荷部材とし
て使用した場合には、金属部材を水冷しても黒鉛部材の
温度が著しく上昇してしまうという欠点を有する。

■、■の方法では接合時に部材の温度を８５０℃〜１０
００℃程度まで上界せしめるが、このとき例えば石油コ
ークス系微粒等方性の黒鉛の２０℃〜１０００℃間の湿
度上Ｒに対する熱膨張量が０．７４〜０．３５％程度で
あるのに対して、同じ温度上昇に対する銅の熱膨張量は
２．０％、ステンレス鋼で　１．９％、Ｎｉ基合金で　
１．７％といずれも黒鉛に比して極めて大ぎく、このた
め高温で接合した後室温に戻る過程で黒鉛中に極めて大
きな応力が発生し、塑性変形能がなく、破壊応力の低い
黒鉛中に容易にクラックが発生し、特に接合材の寸法が
大きいと健全な接合体が得られないという欠点がある。

〔発明の目的〕

この発明は上述した従来の接合方法の欠点を改良したも
ので、界面の熱伝達が良好で旦つ黒鉛部にクラックのな
い黒鉛−金属接合構造体の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは黒鉛部材と金属部材との接合において、■
、■の方法では両部材の密着性はほぼ充分であるが、し
かし黒鉛とステンレス鋼、銅などはその熱ｉ服が大幅に
異なるので接合時の高温加熱から室温まで冷却した時、
および使用時の高温上昇および低温への加工時に両部材
間に熱膨張差に基づく大きな熱応力が発生して黒鉛部に
クラックが発生し、両部材の剥離が生じ背金な接合体が
１０られないという問題点に着目した。さらにこの熱応
力は黒鉛部材側では主に圧縮応力であるが、その熱応力
の大きさが大きいのは金属と接した部分近傍に限られる
という事実に着目した。

そこで発明者らは、この接合の応力状態について研究を
進めた結果、両部材の間に黒鉛との間には接合による熱
応力の発生が小さく、またステンレス鋼、銅などとの金
属との間では接合による熱応力は発生ずるが、塑性変形
することにより容易にその熱応力を緩和するような熱応
力防止層を中間層として介在させることによって、所望
の接合体が得られることを見出した。

更に、その中間層に関して鋭意研究を重ねた結果、Ｍｏ
もしくはＭｏ合金の層を黒鉛部材およびステンレス鋼、
銅などの金属部材間に介在せしめると、良好な状態で両
部材を接合し１りるとの知見を得、本発明を開発するに
至った。

すなわち、本発明は黒鉛部材とステンレス鋼、銅などの
金属部材との間にＭｏまたはＭｏ合金から成る中間層を
介在せしめたことを特徴とする。Ｍｏの２０℃〜１００
０℃間の温度上昇に対する熱膨張量は０．５７％であり
、黒鉛のそれとほぼ一致しており、また２０℃〜１１５
０℃間の温度上昇に対する熱ｍ服ｍについて見るとＭｏ
のそれは１．２％であり、黒鉛のそれは製法などにより
異なるが０．８０％〜１．５％の程度であり、やはりほ
ぼ一致し、また全く一致するような黒鉛を選択すること
も可能である。

このような熱膨張量が全く一致するような両部材を高温
で接合し、室温に持ち来たしても熱応力の発生は防がれ
、また熱膨張量がほぼ一致するような両部ｌの場合には
熱応力の発生はあるが、その大きさは極めて小さく、黒
鉛にクラツクが生ずるようなことはない。すなわち黒鉛
とＭｏまたはＭｏ合金とはほぼ熱応力の発生なく接合す
ることができ、また温度を上下させることができる。

次に、黒鉛−Ｍｏ接合体のＭｏ側にステンレス鋼、銅な
どの熱ｉ張係数の大きな金属部材を高温で接合し、常温
まで持ち来たした場合、冷却途中から熱膨張量差に基づ
く熱応力が発生するが、高温ではＭｏの方が強度が大き
いのでステンレス鋼、銅などの部材側が変形し、熱応力
が緩和される。また熱応力は熱膨張係数が大きぐ違うＭ
ｏ、Ｍｏ合金−ステンレス鋼、銅などの界面近傍で大き
いので、ＭｏあるいはＭｏ合金の層の厚さを適切に選べ
ば黒鉛内に大きな熱応力が発生することはない。

このＭｏあるいはＭｏ合金の中間層の厚さとしては０．
２ｍｍ〜１０１１Ｉ１１が適切である。中間層の厚さが
０．２ｍｌ１より薄い場合、高熱膨張金属部材（ステン
レス鋼、銅など）の厚さが厚い場合には大きな熱応力を
うけ変形しやすく、黒鉛中にも大き４【熱応力が発生す
るおそれがある。中間層の厚さが１０ｍｍより厚い場合
、高熱膨張金属部材より及ぼされる力が黒鉛部材に及ぶ
のを防ＩＦする効果は大となるが、熱伝達を阻害するた
め、１０ｍｍ以下とすることが必要ぐある。

中間層の強度については、高熱膨張の金属部材より及ぼ
される力を防止するためには中ｌｌＳｌ層は高い強度を
有することが望ましい。中間層と黒鉛部材の接合のため
の熱処理湯度が１０００℃以下の場合、純Ｍｏでも大き
な強度低下はないが、１０００℃を越える場合、純１ｙ
ｌｏでは再結晶を起こし強度低下を生ずるため、中間層
としてはＭｏ合金を用いることがより望ましい。（以下
合金などの成分比はすべて重石比で表わす。）中間層と
してＴｉＴｉ−７ｒ−合金を用いる場合にはその組成範
囲は０．１％〜５％Ｔｉ。

０．８％以下Ｚｒ、’０．２５％以下Ｃ１残部Ｍｏおよ
び付随的不純物に限定される。その限定理由は以下のと
おりである。Ｔ１はＭｏに添加することにより室温およ
び高温の強度を上昇せしめ、また再結晶温度をあげて高
温の熱処理によっても強度低下をきたさないようにせし
められる。

０．１％未満では強化の効果が少なく、また５％を越え
ると硬化が著るしく薄板への加工が困難となり、また脆
化するため添加量は０．１％〜５％の範囲が望ましい。

ｌｒもＴｉと同様な効果を有するが０．８％を越えると
脆化するため添加量は０．８％以下の範囲が望ましい。

ＣはＴｉ。

Ｚｒと結びついて炭化物を形成して合金中に分散して強
化し、再結晶温度を上昇させる作用があるが、０．２５
％を越えると粗大な炭化物を析出し、機械的性質を劣化
させるので添加量は０．２５％以下が望ましい。Ｔｉ　
−Ｚｒ−Ｍｏ合金では再結晶温度が約１４００℃である
ので、その温度以下への加熱では強度低下を起こすこと
がない。また、以上の限定組成範囲中では熱膨張係数は
純Ｍｏのそれとほとんど一致する。

中間層としてＭｏ−Ｒｅ合金を用いる場合には、その組
成ｔ！囲は３％〜５０％Ｒｅ、残部Ｍｏおよび付随的不
純物に限定される。ＲｅはＭ。

に添加づると固溶強化によりＭｏの室温および高温の強
さを上昇せしめ、また室温付近での靭性を向上させ、特
に再結晶した優の靭性を大幅に向上させる効果を有する
が、添加量３％未満ではそれらの効果を出しにくく、ま
た添加ｆｆｉ　５’０％を越えると加工性が悪（なりや
すく、薄板への加工が困難となる。Ｍｏ−Ｒｅ合金の熱
膨張量は例えば２０℃〜１ｏ６ｏ℃の温度変化でＲｅ添
加量によりｔ４ｉＭｏの０．５７％からＭｏ−５０％Ｒ
ｅ含金の０．６５％まで変化するため、この範囲内の熱
膨張量をもつ黒鉛に対しては、Ｒｅ添加量を適当に選ぶ
ことにより熱膨張量をあわせて熱応力の発生を少なくす
ることもできる。中間層としてに一８ｉ−Ａｉ−Ｍｏ合
金を用いる場合には、その組成はに、Ｓｉ　、Δｌの内
の１種以上の重量比でｏ、ｏｏｓ％〜０．５％含イエし
、残部Ｍｏおよび付随的不純物より成るものが好ましい
。Ｋ、Ｓｉ　、Ａｊ！は１種または複合で添加すること
により、酸化物および空孔の分散を生じ、それにより分
散強化をすると同時に再結晶温度を高め、また再結晶後
も加工方向に伸びた長大な結晶粒組成を形成し、高い強
度を維持するとともにｖ潟の靭性にも優れる。添加ｍが
ｏ、ｏｏｓ％未満では上記したような効果を出すのに不
足であり、添加量が０．５％を越えるとｔ）数組が粗大
化し機械的性質が劣化するので上記範囲が好ましい。Ｍ
ｏまたはＭｏ合金からなる中間層と高熱膨張の金属部材
との接合界面の近傍には熱応力が発生するが、形状によ
っては特に端部などには応力集中により大きな熱応力が
発生することがある。このような場合には強度の高い１
ｙｌｏ　、　Ｍｏ合金といえども降伏応力を越える場合
があるので、変形して応力集中部の応力を緩和させるた
めに塑性変形能が大きいことが必要である。特に再結晶
温度を大きく越えて加熱された純Ｍｏは粗大結晶粒組織
となり脆化するため、応力集中をうけるとクラックを生
じるおそれがある。黒鉛−中間層の接合をＭｏの再結晶
温度をはるかに越えるような温度で行なう場合には、中
間層としてそのようなおそれの少ないＭｏ合金を使用す
ることが望ましい。Ｍｏ−Ｔｉ−Ｚｒ合金では再結晶温
度が１４００℃以上であるのでその程度の温度までは黒
鉛−中間層の接合温度を上げることができる。Ｍｏ−Ｒ
ｅ合金では再結晶後も靭性を保つので再結晶温度以上の
加熱も行うことができる。またＭｏ−に−Ａｔ；ｒ−ｓ
　＋合゛金も前述したように１８００℃程度の高温加熱
後も安定な結晶粒組織をもち、靭性に優れるので黒鉛−
中間層の接合に際して１８００℃程度の高温加熱を行う
ことができる。

さらに塑性変形能に優れたものとしてはＭｏあるいはＭ
ｏ合金の単結晶がある。単結晶はフローライングゾーン
メルティング法により作ることができ、また大きな寸法
のＭｏ単結晶板はＣａ　Ｏ，ＭｇＯを数十ｐｐｍ　トー
プしたＭｏの圧延板を２２００℃〜２４００℃の温度で
熱処理することにより作ることができる。単結晶は２０
００℃以上の加熱に対しても安定で、加熱後も室温で充
分な伸びを有するため、応力集中部にクラックを生じる
恐れはない。

本発明の接合構造体は、例えば次のようにして得られる
。板材、ブロック材などの形をした黒鉛部材とＭｏ合金
板とを間にＴｉ入り銀ロウ打箔をはさんで重ね、次いで
黒鉛部材と重ね合せられたＭｏ合金板と板材、ブロック
材などの形をした銅部材とを間に銀ロウ泊をはさんで重
ね、全体に加圧力を加えて真空中にて熱処理を行い、ロ
ウ接にて接合材を得る。もちろん他の方法、例えばあら
かじめ黒鉛部材にＭｏ合金板を接合し、次いでその接合
熱処理温度よりも低い温度で黒鉛−Ｍｏ合金板接合体の
Ｍｏ合金側にステンレス鋼、銅などの金属部材をロウ付
などの手段で接合し、接合構造体を１りる二段階接合法
を用いることもできる。

〔発明の実施例〕

（実施例１）　厚さ１０ＩＩＩ１１長さ１００ｎｉ幅１
００ＩＩＩＩｌｌの寸法の石油コークス微粉等方性黒鉛
（比重１．８２　、　熱膨１ｆｌｉ：２ｏ℃〜１０００
℃０．６％、２０℃〜１１５０℃１．１％）と３ＩＩＩ
ｍ厚の純Ｍｏ圧延板（長さ１００ｍｍ、幅１００ｉｏ＋
　）とを間に厚さ０．１ｎｏｒｍのＴｉ箔をはさんで重
ね、２０ｇ／ｃｍ２の加圧力をかけて真空中で１７５０
℃ｘ２０分間の熱処理を行って両者の接合を行った。

以上のようにして得られた黒鉛−Ｍｏ板接合体のＭｏ側
に冷却用に径５■の孔を内部にもうけた厚さ１０ｍｍ長
さ１００ｍｍ幅１１００１１Ｉの純銅板を間に厚さ５０
μｌのＢＮｉ　−６（成分１１％ＰＢａ　１．Ｎｉ　）
の１１３（融体急冷法により作成したもの）をはさんで
重ね、１０（１／ｃｓ２の圧力をかけ、真空中にて９５
０℃×１０分間の熱処理を行って接合を行った。１ｑら
れた黒鉛−Ｍｏ−銅の接合構造体はクラックなどの欠陥
のない蛙仝なものであった。

次いでこの接合構造体について高熱負荷繰返し試験を行
った。接合構造体を１０−’　ｔｏｒｒ以上の真空中に
おき、銅部材中にもうけられた冷却用の孔に１０．ｇ／
ｍｉｎの流Ｒで入口温度２０℃の冷却水を流しながら黒
鉛表面に電子ビームにより５００Ｗ　／　ａｍ２の熱負
荷を６０秒間加え、３０秒休止するという加熱冷却を２
５０口繰返し、試験模接合構造体のクラック、剥離など
異常発生の有無を目視にて検査した。その結果を表に示
す。

（実施例２）　実施例１に用いたと同じ材質、寸法の黒
鉛板と長さ１００ｍｍ幅１００ｍｍ厚ざ３ＩのＭｏ合金
圧延板（組成：　　０，４８％Ｔｉ　−０，０８％Ｚｒ
　−０，０３％Ｃ３ａ１．　Ｍｏ　）とを、間に厚さ０
．１１ＩＩＩ１１の７ｉ箔をはさんで２０ｇ／Ｃ１１２
の加圧力をかけ真空中で１１５０℃×２０分間の熱処理
を行って両者の接合を行った。次いで得られた黒鉛−Ｍ
ｏ合合金金体に実施例１と同様にして純銅板をＯつ接し
て、クラックなどの欠陥のない黒鉛−Ｍｏ合金−銅の接
合体を１ｑた。次いで実施例１と同様にして高熱負荷繰
返し試験を行った。その結果を表に示す。

（実施例３）　実施例１に用いたと同じ材質、寸法の黒
鉛板と厚さ３ＩＩｌ長さ１１００ｅ幅１００■のＭｏ合
金圧延板（組成：２５％Ｒｅ　、　３ａｌ。

Ｍｏ）とを間に厚さ０．１ｍｍのＴｉ箔をはさんで真空
中で加圧力２０（１／ｃｍ２．１７５０℃×２０分間の
熱処理を行って両者の接合を行った。次いで得られた黒
鉛−Ｍｏ合金板接合体に実施例１と同様にして純銅板を
ａつ接して、黒鉛−Ｍｏ合金−銅の接合構造体を作成し
た。得られた接合構造体はクラックなど欠陥のない健全
イにものであった。次いで接合構造体に実施例１と同様
にして高熱負荷繰返し試験を行った。その結果を表に示
す。

（実施例４）　実施例１に用いたと同じ材質、寸法の黒
鉛板に厚さ３１長さ１００ｍｍ幅１００ｎ＋ｍのＭｏ単
結晶板（組成：　　０，００３０％ＭＩＪ　０゜０．０
０２５％Ｃａ　Ｏ，Ｂａｌ−Ｍｏ　）を、間に厚さ５０
μｌのＴｉ入り銀ロウ箔（組成：　２％Ｔ　ｉ　−２７
，５％ＣＬＩ　、Ｂａ１−Ａ！＋　）をはさんで重ね、
さらにＭｏ１ｔ結晶板に実施例１に用いたと同様の純銅
板を、間に厚さ５０μｍの銀ロウ箭（組成：２８％Ｃｕ
　、Ｂａ１．Ａｇ）をはさんで重ね、全体に２０９／ｃ
ｍ２の加圧力を加えて真空中で８５０℃×１０分間の熱
処理を行い、黒鉛−Ｍｏ単結晶−銅のクランクなど欠陥
のない健全な接合構造体を得た。得られた接合構造体に
ついて実施例１と同様にして高熱負荷繰返し試験を行っ
た。その結果を表に示す。

（比較例）　実施例１に用いたと同じ材質、寸法の黒鉛
板と純銅板とを、閂に厚さ５０μｌのＴｉ入り銀ロウ箔
（組成：　２％Ｔｉ　−２７，５％Ｃｕ　、　Ｂａ１．
　ＡＱ　）をはさんで重ね、真空中に：　で２０ｇ　／
　ｃ＋１２（７）加圧力ヲカケ、８５０’Ｃｘ　１０分
間の熱処理を行って直接ロウ接を行った。

得られた接合構造体には黒鉛−銅の接合界面より多数の
クラックが発生して黒鉛中に伝播しており、針金なもの
は（ｑられなかった。

以下余白 この表から明らかなように本発明品が比較のものより優
れていることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明により熱゛膨張の大きくなる黒鉛部材とステンレ
ス鋼、銅などの金属部材とのクラックなど欠陥のない背
金な接合構造体が得られ、またこの接合構造体は中間層
として熱伝導のりぐれたＭｏもしくはＭｏ合金を使用し
ているので、黒鉛部材から金属部材への熱伝達も充分に
優れている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、黒鉛部材と金属部材との間にＭｏもしくはＭｏ合金
   より成る熱応力防止のための中間層を設けたことを特徴
   とする黒鉛−金属接合構造体。 ２、中間層の厚さが０．２ｍｍ〜１０ｍｍである特許請
   求の範囲第１項に記載の黒鉛−金属接合構造体。 ３、中間層が重量比で０．１％〜５％Ｔｉ、０．８％以
   下Ｚｒ、０．２５％以下Ｃを含有し、残部Ｍｏおよび付
   随的不純物より成るＭｏ合金より成ることを特徴とする
   特許請求の範囲１ 項に記載の黒鉛−金属接合構造体。 ４、中間層が重量比で３％〜５０％のＲｅを含有し、残
   部Ｍｏおよび付随的不純物より成る Ｍｏ合金より成ることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の黒鉛−金属接合構造体。 ５、中間層がＫ、Ｓｉ、Ａｌの内１種以上を重量比で０
   ．００５％〜０．５％含有し、残部Ｍｏおよび付随的不
   純物より成るＭｏ合金から成ることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の黒鉛−金属接合構造体。 ６、中間層が単結晶であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の黒鉛−金属接合構造体。