JP3221896B2 - 黒鉛と金属部材の接合構造および接合方法 - Google Patents
黒鉛と金属部材の接合構造および接合方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、黒鉛と金属部材とを備
えた複合材において適用される黒鉛と金属部材の接合構
造と接合方法に関する。
えた複合材において適用される黒鉛と金属部材の接合構
造と接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】黒鉛を利用する機器において、例えばメ
カニカルシールのように耐摩耗性を要求される機械部品
や水冷炉壁のような耐熱性が要求される構造材、あるい
はスパッタリングターゲットやＸ線ターゲットのように
黒鉛を使いかつ冷却することが要求される部材におい
て、黒鉛にＣｕ系あるいはＮｉ系などの金属部材を積層
した複合材が用いられることがある。
カニカルシールのように耐摩耗性を要求される機械部品
や水冷炉壁のような耐熱性が要求される構造材、あるい
はスパッタリングターゲットやＸ線ターゲットのように
黒鉛を使いかつ冷却することが要求される部材におい
て、黒鉛にＣｕ系あるいはＮｉ系などの金属部材を積層
した複合材が用いられることがある。
【０００３】このような複合材においては、黒鉛と金属
部材との接合部の良否が複合材の品質を左右する要因と
なる。一般に黒鉛と金属部材を接合するには、ろう付け
および液相拡散接合が適していると言われているが、い
ずれにしても接合部の品質が問題になる。
部材との接合部の良否が複合材の品質を左右する要因と
なる。一般に黒鉛と金属部材を接合するには、ろう付け
および液相拡散接合が適していると言われているが、い
ずれにしても接合部の品質が問題になる。
【０００４】例えば図５に示される複合材１は、黒鉛２
とＣｕ製のバッキングプレート３がインサート材４を介
して接合されている。この複合材１は、例えばスパッタ
リングターゲットとして使用され、スパッタリング中に
発生する熱を冷却するためにバッキングプレート３側が
水冷される。
とＣｕ製のバッキングプレート３がインサート材４を介
して接合されている。この複合材１は、例えばスパッタ
リングターゲットとして使用され、スパッタリング中に
発生する熱を冷却するためにバッキングプレート３側が
水冷される。
【０００５】また、図６に示される複合材５は、Ｃｕ製
のカップ状金属部材６の外側に、インサート材７を介し
て円筒状の黒鉛８を取付けたものであり、この黒鉛８は
Ｃの特性Ｘ線を発生させるためのＸ線ターゲットとして
使用される。この複合材５の場合、真空中で黒鉛８に電
子ビームを照射する際に高温となるため、カップ状金属
部材６の内側が水冷される。
のカップ状金属部材６の外側に、インサート材７を介し
て円筒状の黒鉛８を取付けたものであり、この黒鉛８は
Ｃの特性Ｘ線を発生させるためのＸ線ターゲットとして
使用される。この複合材５の場合、真空中で黒鉛８に電
子ビームを照射する際に高温となるため、カップ状金属
部材６の内側が水冷される。
【０００６】上述した複合材１，５を始めとして、黒鉛
と金属部材を接合する場合に接合界面に介在されるろう
材あるいは接合用のインサート層（この明細書では両者
を合わせてインサート材と呼ぶ）として、黒鉛と反応す
る金属（例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｗ，
Ｖ，Ｔａ等）を含む箔を用いることが知られている。特
に、Ｔｉ，Ｚｒを含む活性金属ろうが多用される。
と金属部材を接合する場合に接合界面に介在されるろう
材あるいは接合用のインサート層（この明細書では両者
を合わせてインサート材と呼ぶ）として、黒鉛と反応す
る金属（例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｗ，
Ｖ，Ｔａ等）を含む箔を用いることが知られている。特
に、Ｔｉ，Ｚｒを含む活性金属ろうが多用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしＴｉ，Ｚｒは黒
鉛との反応が激し過ぎて、Ｃへの侵食性が強く、そのた
め黒鉛にクラックを生じやすいなど、接合部の品質に問
題がある。一方、Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔａは、実用的な反応
速度が得られる温度が一般には１３００℃以上必要であ
ることから、利用しにくく、接合に要するコストが高く
つくといった問題がある。
鉛との反応が激し過ぎて、Ｃへの侵食性が強く、そのた
め黒鉛にクラックを生じやすいなど、接合部の品質に問
題がある。一方、Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔａは、実用的な反応
速度が得られる温度が一般には１３００℃以上必要であ
ることから、利用しにくく、接合に要するコストが高く
つくといった問題がある。
【０００８】従って本発明の目的は、強度が高くかつ品
質の優れた接合部が得られるとともに、比較的低い温度
でも実用的な反応速度が得られるような黒鉛と金属部材
の接合構造と接合方法を提供することにある。
質の優れた接合部が得られるとともに、比較的低い温度
でも実用的な反応速度が得られるような黒鉛と金属部材
の接合構造と接合方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明の接合構造は、黒鉛と金属部材との間
にＣｒを含むインサート材を有し、かつ上記インサート
材と上記黒鉛との界面に、厚さ０．５μｍから２０μｍ
のクロム炭化物反応層が存在しかつ上記インサート材と
金属部材との界面が互いに接合されていることを特徴と
する。上記金属部材として、例えばＣｕまたはＣｕ合
金、あるいはＮｉまたはＮｉ合金などが使われる。
開発された本発明の接合構造は、黒鉛と金属部材との間
にＣｒを含むインサート材を有し、かつ上記インサート
材と上記黒鉛との界面に、厚さ０．５μｍから２０μｍ
のクロム炭化物反応層が存在しかつ上記インサート材と
金属部材との界面が互いに接合されていることを特徴と
する。上記金属部材として、例えばＣｕまたはＣｕ合
金、あるいはＮｉまたはＮｉ合金などが使われる。
【００１０】また本発明による接合方法は、黒鉛と金属
部材との間にＣｒを含有する合金からなるインサート材
を配置し、上記黒鉛と金属部材とを互いに加圧した状態
で上記金属部材とインサート材が互いに接合する温度ま
で加熱するとともに、この加熱処理に伴って上記インサ
ート材と黒鉛との界面に厚さが０．５μｍから２０μｍ
のクロム炭化物反応層を生成させることを特徴とする。
部材との間にＣｒを含有する合金からなるインサート材
を配置し、上記黒鉛と金属部材とを互いに加圧した状態
で上記金属部材とインサート材が互いに接合する温度ま
で加熱するとともに、この加熱処理に伴って上記インサ
ート材と黒鉛との界面に厚さが０．５μｍから２０μｍ
のクロム炭化物反応層を生成させることを特徴とする。
【００１１】上記インサート材は、Ｃｒを含む合金の箔
を使用したり黒鉛との接合面にＰ．Ｖ．Ｄ（蒸着，スパ
ッタリング）などによるコーティングで供給する。この
状態で、相手側の金属部材とろう付けや拡散接合を行
い、この接合時の加熱により、ＣｒとＣが反応して、接
合に適当なクロム炭化物反応層が生成される。
を使用したり黒鉛との接合面にＰ．Ｖ．Ｄ（蒸着，スパ
ッタリング）などによるコーティングで供給する。この
状態で、相手側の金属部材とろう付けや拡散接合を行
い、この接合時の加熱により、ＣｒとＣが反応して、接
合に適当なクロム炭化物反応層が生成される。
【００１２】上記のように黒鉛とＣｒとを接触させた状
態で、７００℃以上に加熱すると、黒鉛とＣｒの界面に
おいて反応が自発的に進む。従って上記反応層を生成さ
せるためには、Ｃｒを何らかの手段でインサート材に適
当量含有させること、および黒鉛と相手金属部材とに良
好に接触させることが必要である。
態で、７００℃以上に加熱すると、黒鉛とＣｒの界面に
おいて反応が自発的に進む。従って上記反応層を生成さ
せるためには、Ｃｒを何らかの手段でインサート材に適
当量含有させること、および黒鉛と相手金属部材とに良
好に接触させることが必要である。
【００１３】これを実現するために、本発明では、イン
サート材としてＣｒを適当量含んだ合金、例えばＮｉ−
Ｃｒ系あるいはＣｕ−Ｃｒ系合金などを使用したり、
Ｐ．Ｖ．Ｄで必要量をコーティングする。但し、安定し
た反応層を得るには、Ｃｒの含有量を０．５％から３０
％程度にすると良い。
サート材としてＣｒを適当量含んだ合金、例えばＮｉ−
Ｃｒ系あるいはＣｕ−Ｃｒ系合金などを使用したり、
Ｐ．Ｖ．Ｄで必要量をコーティングする。但し、安定し
た反応層を得るには、Ｃｒの含有量を０．５％から３０
％程度にすると良い。
【００１４】接合時の条件としては、ＣｒとＣを反応さ
せるために７００℃から１２００℃程度の温度に加熱す
る必要がある。更には、接触界面の密着性を良くするた
めに０．０１kgｆ／mm2 ないし５kgｆ／mm2 程度の荷重
を負荷しておくとよい。ＣｒとＣは１２００℃以下の温
度で反応し、所定の反応層が得られる。この反応層が黒
鉛と金属部材の仲介層として存在する。
せるために７００℃から１２００℃程度の温度に加熱す
る必要がある。更には、接触界面の密着性を良くするた
めに０．０１kgｆ／mm2 ないし５kgｆ／mm2 程度の荷重
を負荷しておくとよい。ＣｒとＣは１２００℃以下の温
度で反応し、所定の反応層が得られる。この反応層が黒
鉛と金属部材の仲介層として存在する。
【００１５】
【作用】黒鉛と反応する金属は数多く知られているが、
Ｃｒは反応の進み方が適当で、しかも反応層の強度が高
い。ＣｒとＣの反応をインサート材の種類および厚さや
接合時の負荷荷重あるいは接合温度等によって制御し、
インサート材と黒鉛との界面に厚さ０．５μｍから２０
μｍ、より望ましくは５μｍから１０μｍのクロム炭化
物反応層を生成させることにより、安定した接合状態
と、実用上十分な接合強度が得られる。
Ｃｒは反応の進み方が適当で、しかも反応層の強度が高
い。ＣｒとＣの反応をインサート材の種類および厚さや
接合時の負荷荷重あるいは接合温度等によって制御し、
インサート材と黒鉛との界面に厚さ０．５μｍから２０
μｍ、より望ましくは５μｍから１０μｍのクロム炭化
物反応層を生成させることにより、安定した接合状態
と、実用上十分な接合強度が得られる。
【００１６】上述したように本発明による接合構造は、
黒鉛とインサート材との接合界面にクロム炭化物反応層
（Ｃｒ3 Ｃ2 ，Ｃｒ7Ｃ3 ，Ｃｒ23Ｃ6 等）をもってい
る。すなわち（Ｃ−Ｃｒ）間は反応により接合され、こ
の反応層はインサート材の合金に対して拡散と複雑形状
によるアンカー効果により強固に接合された状態とな
る。インサート材と金属部材同志は原子の相互拡散など
により接合される。
黒鉛とインサート材との接合界面にクロム炭化物反応層
（Ｃｒ3 Ｃ2 ，Ｃｒ7Ｃ3 ，Ｃｒ23Ｃ6 等）をもってい
る。すなわち（Ｃ−Ｃｒ）間は反応により接合され、こ
の反応層はインサート材の合金に対して拡散と複雑形状
によるアンカー効果により強固に接合された状態とな
る。インサート材と金属部材同志は原子の相互拡散など
により接合される。
【００１７】
【実施例】以下に本発明の一実施例について、図１ない
し図４を参照して説明する。図１に示すように、黒鉛１
１と、ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属部材１２との間
に、（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ）の合金箔からなるインサート
材１３を配置し、荷重を負荷するとともに、真空中で９
００℃以上、１２００℃以下に加熱する。真空度は１０
-4Torr〜１０-5Torr程度である。
し図４を参照して説明する。図１に示すように、黒鉛１
１と、ＣｕまたはＣｕ合金からなる金属部材１２との間
に、（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ）の合金箔からなるインサート
材１３を配置し、荷重を負荷するとともに、真空中で９
００℃以上、１２００℃以下に加熱する。真空度は１０
-4Torr〜１０-5Torr程度である。
【００１８】上記熱処理を行うことによって、図２に模
式的に示すような複合材１５が得られる。この複合材１
５の接合構造においては、黒鉛１１と金属部材１２との
間の接合部１６に、仲介層としての反応層２０が存在し
ている。すなわち母材である黒鉛とインサート材１３の
Ｃｒとが反応により接合され、その界面にＣとＣｒの化
合物であるクロム炭化物（Ｃｒ3 Ｃ2 ，Ｃｒ7 Ｃ3 ，Ｃ
ｒ23Ｃ6 等）の反応層２０をもっている。
式的に示すような複合材１５が得られる。この複合材１
５の接合構造においては、黒鉛１１と金属部材１２との
間の接合部１６に、仲介層としての反応層２０が存在し
ている。すなわち母材である黒鉛とインサート材１３の
Ｃｒとが反応により接合され、その界面にＣとＣｒの化
合物であるクロム炭化物（Ｃｒ3 Ｃ2 ，Ｃｒ7 Ｃ3 ，Ｃ
ｒ23Ｃ6 等）の反応層２０をもっている。
【００１９】上記反応層２０は、インサート材１３のＮ
ｉ−Ｃｒ系合金に対し、拡散と複雑形状によるアンカー
効果により、強固に接合がなされた状態となる。インサ
ート材１３に含まれているＮｉと金属部材１２のＣｕと
の界面は、原子の相互拡散による拡散層２１を介して接
合されている。
ｉ−Ｃｒ系合金に対し、拡散と複雑形状によるアンカー
効果により、強固に接合がなされた状態となる。インサ
ート材１３に含まれているＮｉと金属部材１２のＣｕと
の界面は、原子の相互拡散による拡散層２１を介して接
合されている。
【００２０】上記接合部１６を得る場合、反応層２０の
厚さを０．５μｍないし１０μｍに制御するために、以
下の条件で接合を行った。 インサート材１３の厚さ ５０μｍ 接合荷重 ０．５kgｆ／mm2 （５．１Ｍ
ｐａ） 接合温度 ９５０℃〜１０５０℃ 以上の条件で接合された接合部１６の接合強度は、３点
曲げ抗折試験において抗折強度が８kgｆ／mm2 であっ
た。３点曲げ抗折試験は、図３に示されるように複合材
１５の両端側を２か所の支持部２５，２６で支持した状
態で、複合材１５の長手方向中央部に押圧子２７によっ
て荷重を負荷して行われる。
厚さを０．５μｍないし１０μｍに制御するために、以
下の条件で接合を行った。 インサート材１３の厚さ ５０μｍ 接合荷重 ０．５kgｆ／mm2 （５．１Ｍ
ｐａ） 接合温度 ９５０℃〜１０５０℃ 以上の条件で接合された接合部１６の接合強度は、３点
曲げ抗折試験において抗折強度が８kgｆ／mm2 であっ
た。３点曲げ抗折試験は、図３に示されるように複合材
１５の両端側を２か所の支持部２５，２６で支持した状
態で、複合材１５の長手方向中央部に押圧子２７によっ
て荷重を負荷して行われる。
【００２１】上記実施例の複合材１５の曲げ破断強度は
８〜９kgｆ／mm2 であり、破断は接合部１６近傍の黒鉛
１１側に生じた。ちなみに、高強度黒鉛の曲げ強度は８
ないし１０kgｆ／mm2 であるから、本実施例の接合部１
６は母材（黒鉛）に匹敵する強度を有している。耐熱性
に関しては、Ｎ2 中または真空中で、室温→８００℃→
炉冷（室温）の熱サイクルを１０回繰返しても、接合部
１６に異常が認められなかった。
８〜９kgｆ／mm2 であり、破断は接合部１６近傍の黒鉛
１１側に生じた。ちなみに、高強度黒鉛の曲げ強度は８
ないし１０kgｆ／mm2 であるから、本実施例の接合部１
６は母材（黒鉛）に匹敵する強度を有している。耐熱性
に関しては、Ｎ2 中または真空中で、室温→８００℃→
炉冷（室温）の熱サイクルを１０回繰返しても、接合部
１６に異常が認められなかった。
【００２２】図４は、上記実施例によって得られた黒鉛
とインサート材との接合界面を示す電子顕微鏡写真であ
る。図中の右側が黒鉛、左側がＣｒを含むＮｉ合金から
なるインサート材であり、インサート材と黒鉛との界面
に、Ｃｒ−Ｃ反応層としてのＣｒ3 Ｃ2 が厚さ約１μｍ
ないし５μｍの範囲で生成されている。
とインサート材との接合界面を示す電子顕微鏡写真であ
る。図中の右側が黒鉛、左側がＣｒを含むＮｉ合金から
なるインサート材であり、インサート材と黒鉛との界面
に、Ｃｒ−Ｃ反応層としてのＣｒ3 Ｃ2 が厚さ約１μｍ
ないし５μｍの範囲で生成されている。
【００２３】下記表１は、インサート材１３の厚さと接
合条件を下記のように変化させることにより、種々の厚
さのクロム炭化物反応層２０を生成させ、それぞれの接
合界面を走査型電子顕微鏡で観察しかつ接合強度を３点
曲げ抗折試験で求めた結果である。
合条件を下記のように変化させることにより、種々の厚
さのクロム炭化物反応層２０を生成させ、それぞれの接
合界面を走査型電子顕微鏡で観察しかつ接合強度を３点
曲げ抗折試験で求めた結果である。
【００２４】接合条件として、インサート材１３の厚さ
は２０μｍ，５０μｍ，１００μｍの３種類であり、い
ずれも（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ）合金箔を用いた。加熱温度
は、９００℃，１０００℃，１１００℃で、３０分また
は６０分間加熱を行い、加圧条件は０．５kgf ／mm
2 （５．１Ｍｐａ）、真空雰囲気１０-4Torr〜１０-5To
rrとした。
は２０μｍ，５０μｍ，１００μｍの３種類であり、い
ずれも（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ）合金箔を用いた。加熱温度
は、９００℃，１０００℃，１１００℃で、３０分また
は６０分間加熱を行い、加圧条件は０．５kgf ／mm
2 （５．１Ｍｐａ）、真空雰囲気１０-4Torr〜１０-5To
rrとした。
【００２５】
【表１】 上記表１において、Ｎｏ．４からＮｏ．９まで、すなわ
ちクロム炭化物反応層の厚さが０．５μｍから２０μｍ
の範囲の時に、接合界面の状態および接合強度が共に良
好であることが確認された。特に、反応層の厚さが５〜
１０μｍの範囲が最も安定している。なお、０．１μｍ
未満では未接合の部分を生じるため、使用不可である。
また反応層の厚さが４０μｍ以上になると、反応層が脆
くなり接合強度が低下するため好ましくない。
ちクロム炭化物反応層の厚さが０．５μｍから２０μｍ
の範囲の時に、接合界面の状態および接合強度が共に良
好であることが確認された。特に、反応層の厚さが５〜
１０μｍの範囲が最も安定している。なお、０．１μｍ
未満では未接合の部分を生じるため、使用不可である。
また反応層の厚さが４０μｍ以上になると、反応層が脆
くなり接合強度が低下するため好ましくない。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、黒鉛と金属部材との接
合界面において安定した強度の高品質の接合部が得ら
れ、かつ接合時の反応の進み方が適当で加熱温度も比較
的低くてすむ。
合界面において安定した強度の高品質の接合部が得ら
れ、かつ接合時の反応の進み方が適当で加熱温度も比較
的低くてすむ。
【図１】本発明方法に使用する部材の概略を示す断面
図。
図。
【図２】本発明方法によって接合された接合部を拡大し
て模式的に示す断面図。
て模式的に示す断面図。
【図３】３点曲げ抗折試験を実施する装置を模式的に示
す側面図。
す側面図。
【図４】本発明の一実施例方法によって接合された接合
部の金属組織を５０００倍に拡大して示す顕微鏡写真。
部の金属組織を５０００倍に拡大して示す顕微鏡写真。
【図５】黒鉛と金属部材とからなる複合材の一例を示す
断面図。
断面図。
【図６】黒鉛と金属部材とからなる複合材の他の例を示
す断面図。
す断面図。
１１…黒鉛、１２…金属部材、１３…インサート材、１
５…複合材、１６…接合部、２０…反応層、２１…拡散
層。
５…複合材、１６…接合部、２０…反応層、２１…拡散
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 37/02
Claims (6)
- 【請求項１】黒鉛と金属部材との間にＣｒを含むインサ
ート材を有し、かつ上記インサート材と上記黒鉛との界
面に、厚さ０．５μｍから２０μｍのクロム炭化物反応
層が存在しかつ上記インサート材と金属部材との界面が
互いに接合されていることを特徴とする黒鉛と金属部材
の接合構造。 - 【請求項２】上記クロム炭化物反応層の厚さが５μｍか
ら１０μｍである請求項１記載の黒鉛と金属部材の接合
構造。 - 【請求項３】上記インサート材にＮｉ−Ｃｒ系の合金を
用いた請求項１記載の黒鉛と金属部材の接合構造。 - 【請求項４】上記クロム炭化物反応層がＣｒ ３ Ｃ ２ を主
成分とする反応層であることを特徴とする請求項３記載
の黒鉛と金属部材の接合構造。 - 【請求項５】上記インサート材にＣｕ−Ｃｒ系の合金を
用いた請求項１記載の黒鉛と金属部材の接合構造。 - 【請求項６】黒鉛と金属部材との間にＣｒを含有する合
金からなるインサート材を配置し、上記黒鉛と金属部材
とを互いに加圧した状態で上記金属部材とインサート材
が互いに接合する温度まで加熱するとともに、この加熱
処理に伴って上記インサート材と黒鉛との界面に、厚さ
０．５μｍから２０μｍのクロム炭化物反応層を生成さ
せることを特徴とする黒鉛と金属部材の接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29376891A JP3221896B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 黒鉛と金属部材の接合構造および接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29376891A JP3221896B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 黒鉛と金属部材の接合構造および接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05105537A JPH05105537A (ja) | 1993-04-27 |
| JP3221896B2 true JP3221896B2 (ja) | 2001-10-22 |
Family
ID=17798962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29376891A Expired - Fee Related JP3221896B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | 黒鉛と金属部材の接合構造および接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3221896B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006042196A2 (en) * | 2004-10-07 | 2006-04-20 | Gyroton, Inc. | Multilobe rotary motion asymetric compression/expansion engine |
| DE102009014407A1 (de) * | 2009-03-28 | 2010-10-21 | Sgl Technologies Gmbh | Klebstofffreie, temperatur- und reaktionsstabile Haftverbindung zwischen Metallen und Graphit |
-
1991
- 1991-10-15 JP JP29376891A patent/JP3221896B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05105537A (ja) | 1993-04-27 |
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