JPS63119993A - 拡散接合方法 - 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、超塑性を示す２相ステンレス鋼をインサート
金属とした接合方法、特に超塑性を示す２相ステンレス
鋼をインサート金属とした鉄系およびＮｉ基金属材料の
拡散接合方法に関する。

（従来の技術） 近年、原子力開発、宇宙開発、海洋開発および地熱発電
などの大型産業から、エレクトロニクスなどの精密産業
にいたるまで、新しい材料の開発はめざましいものがあ
る。それらには高温、高圧、高腐食性雰囲気などの苛酷
な環境下において、厳しい条件に耐え得ることが要求さ
れる。

ところで、そのようなすぐれた材料にあっても機器への
組立て等に際しては適宜手段で接合しなければならない
、したがって、これらの材料の優れた特性を失うことな
く、信頼性の高い接合を行う技術が重要となる。拡散接
合はこの要望に答える技術である。

拡散接合を行う場合、母材の接合を容易にするため、あ
るいは継手の性能を向上させるため、しばしば母材の間
にインサート金属を挿入して接合する、インサート金属
には拡散接合中、常に固体であるものと、−度液相にな
るものとがある。それらは固体インサート金属と液相イ
ンサート金属に分類される。

固体インサート金属は、箔、粉末、メッキ、蒸着、イオ
ンブレーティング、溶射など種々の方法で用いられてい
る。Ｎｉに代表されるように、母材よりも軟い金属をイ
ンサート金属に用いると、接合面間の密着を促進する効
果と、異種金属を溶接するときにしばしばみられる脆弱
な金属間化合物や析出物の形成を抑制する効果が期待で
きる。この場合、接合にかなり長時間（数十分〜数十時
間）を必要とすることや、高真空条件、接合面の表面粗
さの管理など、接合のための厳しい条件が求められると
いう欠点がある。

液相インサート金属は、溶接温度まで加熱されると液相
になり、接合面間の空隙を溶融金属で満たし、母材との
間に相互拡散を生じさせる。この場合母材との間のぬれ
性が重要であることは云うまでもない、さらに、インサ
ート金属として、母材に近い基本成分に融点を下げる元
素（例えばボロン、リン）を添加した合金が用いられる
ことが多いため、接合後それらの元素が接合表面近くに
偏析する。それを防ぐために、拡散処理（接合温度より
若干低い温度で数十時間保持）が実施されるため能率低
下を招いていた。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、かかる拡散接合に関する諸問題点を解
消し、高能率な拡散接合方法を提供しようとするもので
ある。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、かかる目的を達成すべ（、検討を重ねた
ところ、鉄系金属材料などにインサート金属として２相
ステンレス鋼を挿入し、その超塑性現象を巧みに利用す
ることにより、両金属材料の互の接合面の密着を容易に
なし得て極めて短い拡散距離でお互いを拡散接合させる
ことができることを知見し、本発明に至った。

ここに、本発明の要旨とするところは、例えば鉄系およ
びＮｉ基金属材料から選ばれた接合母材を接合するに際
し、インサート金属として固溶窒素含有１０．０５〜０
．２５％のＦｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉを主成分とする２相ス
テンレス鋼を母材間に挿入し、７５０〜１２００℃の温
度に加熱した状態下で、０．５〜ｔｏ　ｋｇｆ／ａｍ”
の圧縮力を付与しながら前記母材とインサート金属の各
接合面を突合せて拡散接合せしめた後、少なくとも５０
０℃まで２℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することを
特徴とする拡散接合方法である。特に、接合母材は鉄系
およびＮｉ基金属材料から選ばれた同種または異種の材
料であるが、二相ステンレス鋼によって脆弱な金属間化
合物が形成されず、所期の接合強度が得られるものであ
れば特に制限きれない。

（作用） 本発明において処理の対象とする被接合金属材料は、特
に制限されないが、好ましくは鉄系およびＮｉ基金属材
料である。これら金属材料は同種金属であっても異種金
属であってもよい。

ここに鉄系金属材料としては代表的には炭素鋼、低合金
鋼、ステンレス鋼が挙げられ、一方Ｎｉ基金属材料はＡ
１１ａｙ　６００、Ａ１１ｏｙ　６２５などに代表され
る。

インサート金属として固溶窒素含有量０．０５〜０．２
５％のＦｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉを主成分とする２相ステン
レス鋼を用いる。この２相ステンレス鋼の主成分を、Ｆ
ｅ、　ＣｒおよびＮｉと限定したのは、他の元素を用い
た組合せでも、α相とＴ相の２相混合＆１１織を得るこ
とができるけれども、それによって得られる材料の性質
とコストを考慮した場合に、Ｆｅ、　Ｃｒ５Ｎｉの３元
素を主成分とする方が有利となるからである。本発明は
、本来２相ステンレス鋼が持っている超塑性を利用する
のであって、それを示すものであれば何ら制限されない
のである。

しかし、実用上は、好ましくは、本発明で対象となる２
相ステンレス鋼には、Ｎｉ　：４〜１８％、Ｃ「：１５
〜３５％であってこれらの他に、必要に応じてＭ。

５６．０％、Ｃｕ５１％、ＴｉＳ２．５％、ＺｒＳ２．
５％、ＮｂＳ２．５　％、Ｖ≦Ｏ−５％、ＷＳ２．０　
％オ、Ｊ：びＣ５０，１％の少なくとも１種を含有し、
あるいは、さらにＳｉ≦５％、Ｍｎ５５％のうちの１種
以上を含んだものや、更には、少量のＲＥＭ、Ｃｅおよ
びＣａや不可避不純物を含むものも包含される。

さらに好ましくは、Ｎ　ｉ　：　６〜９％、Ｃｒ：２２
〜２７％、Ｍｏ：１〜４％、Ｎ：０．１〜０．２０％お
よび脱酸剤として０．５〜１．５％程度の少量のＳ　ｉ
　’Ｐ　Ｍ　ｎを含むものがある。

固ＷＩＮｆｉを０．０５〜０．２５％と限定したのは、
０．０５％未満では超塑性が得に＜　＜　、０．２５％
を越えてＮを添加するのは工業的に困難となるからであ
る。

なお、固溶Ｎ量は０．１〜０．２％の範囲で含をするの
が好ましい、利用するインサート金属は前述の分類では
固相インサート金属であり、その利用形態としてはすで
に述べたように各種あるが、薄板、箔状で利用するのが
好ましい、溶射の場合、ガス溶射でもプラズマ溶射でも
よい。

次に、加熱温度を７５０〜１２００℃に限定する理由は
、この範囲で２相ステンレス鋼の超塑性が得やすいから
である。好ましくは、ｘｏｏｏ〜１１００℃である。加
熱は、どのような方法であっても良いが、スケール発生
防止のため、不活性ガス雰囲気下、特にインサート金属
として利用する２相ステンレス鋼中に多量に含有される
窒素ガスの拡散防止のためＮ！ガス含有不活性ガス雰囲
気中で加熱することが好ましい、加熱手段としては、例
えば高周波加熱などが好ましい。

接合のための圧縮力は、０．５　ｋｇｆ／−ｍ１以上必
要であり、あまり大きすぎると、座屈、変形が大きくな
るため、１０　ｋｇｆ／＋ｗｍ”以下にとどめるのが望
ましい、加圧方法は油圧、ガス圧等のいずれを用いても
よい。

上記の加熱および加圧の保持時間であるが、本発明では
、特に制限されず、母材の種類に応じ適宜設定できるが
、１０秒以上の保持時間をとれば十分である。

このようにして、加熱、加圧により接合された母材と２
相ステンレス鋼は、そのまま冷却される。

しかし、冷却中にシグマ相が生成すると、著しく靭性を
害するため、少なくとも５００　’Ｃまで、２℃／ｓｅ
ｃ以上の冷却速度で冷却しなければならない。

出来れば、１０００〜１１００℃近傍に加熱後水冷すれ
ば、溶体化処理を施したのと実賞的に同じ効果が得られ
るため好ましい。

なお、従来の拡散接合方法では、接合面は鏡面研磨し、
１０−’Ｔｏｒｒ以上の高真空中で加熱・加圧するのが
普通であるが、本発明の場合では、ＪＩＳ　ＢＯ６０１
で規定される１０点平均粗さで３０μ−以下であれば、
接合が可能であり、しかもＮ、ガス含有不活性ガス雰囲
気下であればなお良い、鏡面を要しない理由は使用する
２相ステンレス鋼が超塑性を示すためである。そして、
接触面の密着が容易になし得て、極めて短い拡散距離で
お互いを拡散接合させることができる。したがって、非
常に短時間（数分）で接合が可能となり、真空度や接合
面の表面粗さの管理条件が緩和できるのである。

次に、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する
。

実施例 第１表に示す化学成分の厚さ１１１Ｉｍの二相ステンレ
ス鋼をインサート金属として用いて、第２表に示す化学
成分の各種接合母材を、第３表に示す種々の条件で接合
し、直径１４ｇ＋−の丸棒に加工し、接合部より継手引
張試験片（ＪＩＳ４号丸棒）を採取した。

上記のように接合された試験片の接合部断面の金属組織
写真を接合不良例として第１図に、接合良好例として第
２図にそれぞれ示す、第１図は第３表の例１　（比較例
）の接合部断面の金属組織写真であり、第２図は同表の
例２　（本発明例）の接合部断面の金属組織写真である
。なお、接合加熱はＮｚ　：　９９．９体積％の雰囲気
下において高周波誘導加熱により行い、加熱・加圧保持
時間はいずれの場合も２分間とした。このようにして得
た各試験片について、引張試験を行った。

各試験の結果は同じく第３表にまとめて示す。

第３表に示す結果から明らかなように、試験嵐１４．６
．７．９．１３ではそれぞれインサート金属、冷却速度
、加熱温度、加圧力が本発明の範囲を外れたため、十分
な接合が行われなかった。

その他の本発明例は、良好な接合が見られた。

第１表　インサート金属の化学成分　　　０１１％）第
３表 （ｊｌ）−は本発明の範囲外、　冷却速度：５００℃ま
での平均冷却速度衣に、本発明での加熱温度の影響を調
べるために、第３表の例２に示した接合を加熱温度を６
００〜１３００℃に変えて行った。その時の加熱温度（
６００℃〜１３００℃）で得られた試料の引張強度、伸
びをＪＩＳ　ｚ２２４１（１９８０）引張試験法で測定
した。結果を加熱温度と引張強度および伸びとの関係に
まとめて第３図にグラフで示す、第３図に示すように、
上記条件の接合時の加熱温度は７５０〜１２００℃で最
も良好な引張強度および伸びを示し、この温度の範囲で
すぐれた引張特性を示していることがわかる。

次に、本発明の加熱および加圧保持時間の影響を調べる
ために、第１表のＡ（冷間圧延材）のインサート金属を
用いた炭素鋼（ＳＭ　５０）の接合を加熱温度１０００
℃、圧縮力１．９　　ｋｇｆ／ｍ＋ｗ”で保持時間を０
〜１２０秒変化させて行った。その時の保持時間を０〜
１２０秒に変化させて得られて試料の絞り、引張強度を
測定した。結果を、保持時間と絞り、引張強度との関係
にまとめて第４図にグラフで示す。

第４図に示すように、前記炭素鋼の接合では保持時間の
１０秒付近から引張強度および絞りが最大点で一定とな
っている。このことから、本発明の加熱・加圧保持時間
は１０秒以上とれば十分であることがわかる。

次に、本発明のインサート材の圧延形態による影響を調
べるために、第１表のＢのインサート金属の冷延材と熱
延材とを用い、炭素＄４　（ＳＭ　５０）の接合を加熱
温度１１００℃、圧縮力１．９　ｋｇｆ／請１で、保持
時間を変えて行った。その時の加熱・加圧の保持時間を
変えて得られた試料をＪＩＳ　Ｚ２２４１　（１９８０
）引張試験法により絞りを測定した。結果を第５図にま
とめて示す。

第５図のように、熱延材よりも冷延材のほうが保持時間
にかかわらず絞りが大きい、したがって、本発明ではイ
ンサート材として熱間圧延材よりも冷間圧延材が好まし
いことがわかる。

次に、本発明の圧縮力の影響を調べるために、第１表の
Ａのインサート金属を用いた炭素鋼接合を１１００℃、
９００℃の加熱温度で圧縮力を０〜５ｋｇｆ／ａｎ”に
変化させて行った。圧縮力を０〜５ｋｇｆ／ｍｍ２変化
させて得られた試料の引張強度および伸びをＪＩＳ　Ｚ
２２４１（１９８０）引張試験法で測定した。結果を第
６図にまとめて示す。

第６図かられかるように、０．５　　ｋｇｆ／ａｍ”付
近の圧縮力で引張強度が最大となり、伸び率は２　　ｋ
ｇｆ７ｍｍ”の圧縮力で最大となる３したがって、特に
、０．５〜２　ｋｇｆ／ｍｓ＋”の圧縮力で十分な引張
強度をもつ接合が得られることがわかった。

（発明の効果） 以上のことから、本発明は、超望性を示す２相ステンレ
ス鋼を拡散接合のインサート金属として用いているので
、被接合材同士の密着が容易に行え、掻めて短時間に拡
散接合させることができる。

さらに、本発明はこの拡散接合から必ずしも鏡面研磨す
る必要もなく、高真空度を求める必要もなくなるため、
真空度や接合面の表面粗さの管理が緩和できる。

したがって、本発明によれば、金属材料、特に、鉄系お
よびＮｉ基金属材料を接合する際に大幅に作業能率が同
上することが期待できるのである。

なお、超望性現象を示すものには、このほかチタン合金
やアルミ合金などがある。しかしこれらを用いて鉄系お
よびＮｉ基金属材料の接合を試みても、接合界面に脆い
金属間化合物が生成し、良好な接合継手が得られない。

【図面の簡単な説明】

第り図は、第３表の例１　（比較例）の接合部断面の金
属ｍ礒写真； 第２図は、第３表の例２　（本発明例）の接合部断面金
属組織写真； 第３図は、第３表の例２（本発明例）の接合における加
熱温度と引張強度および伸びとの関係を示すグラフ； 第４図は、第１表のＡのインサート金属（冷延材）を用
いた炭素鋼接合における保持時間と絞り、引張強度との
関係を示すグラフ； 第５図は、第１表のＢのインサート金属を用いた炭素鋼
接合における圧延条件の変更による保持時間と絞りの関
係を示すグラフ；および第６図は、第１表のＡのインサ
ート金属を用いた炭素鋼の接合における圧縮力と破断時
の引張強度、伸びの関係を示すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）インサート金属として固溶窒素含有量０．０５〜
   ０．２５％のＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とする２相ステ
   ンレス鋼を接合母材間に挿入し、７５０〜１２００℃の
   温度に加熱した状態下で、０．５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ＾
   ２の圧縮力を付与しながら前記接合母材とインサート金
   属との各接合面を突合せて拡散接合せしめた後、少なく
   とも５００℃まで２℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却す
   ることを特徴とする拡散接合方法。
2. （２）７５０〜１２００℃への加熱をＮ＿２ガス含有不
   活性ガス雰囲気下で行う特許請求の範囲第１項記載の方
   法。
3. （３）前記接合母材が鉄系およびＮｉ基金属材料から選
   ばれた同種または異種の金属材料である、特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の方法。