JPH04294884A - ステンレス鋼の液相拡散接合方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステンレス鋼の液相拡
散接合方法に係り、特に接合部の耐食性を母材と同レベ
ルにまで改善でき、かつ、インサート材の作製並びに接
合界面への供給が容易なインサート材の材質および構造
と、そのインサート材を用いた場合の液相拡散接合プロ
セスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来におけるステンレス鋼の液相拡散接
合方法は、インサート材を金属箔あるいは金属粉末で供
給する場合、インサート材質として表１に示したＮｉ系
ろう材が特公昭５７−４４３１号に開示されている。ま
た、同材質のステンレス鋼をベースとしてＢやＳｉの融
点低下元素を加えた合金のインサート材が日本金属学会
誌Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．４の「鉄基ろう材を用いた耐熱
鋼の液相拡散接合」に示されている。

【０００３】また、表１のＮｉ−Ｂ合金のインサート材
をスパッタ蒸着法を用いて薄膜状で供給する薄膜応用液
相拡散接合法が溶接学会論文集Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．４に
おいて報告されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のインサート材を
箔や粉末で供給する方法は、インサート材の量を少なく
できないため、接合界面に初期のインサート材が残存し
易く、機械的強度や耐食性の点で接合部の性質が被接合
材に比較して劣ることになる。これを防ぐためには、接
合温度を十分高くするかあるいは接合時間を充分長くし
て、初期のインサート材成分を完全に拡散してやればよ
いが、現実的ではない。その結果、接合界面に成分の異
なる低融点の異質な層が残存し、高温強度や耐食性の点
で被接合材より品質が劣るという問題がある。さらに、
インサート材の成分であるＢやＳｉは被接合材と金属間
化合物を形成し、この融点が通常接合温度より高いため
、接合時間を長くしても接合界面に残存してしまい、接
合部の品質を劣化させるという問題がある。

【０００５】これに替わる方法として、インサート材を
薄膜状で供給する方法があるが、この場合は、インサー
ト材としてＢあるいはＳｉを融点降下材とする合金を用
いると、加熱過程中にＢやＳｉが被接合材中に拡散して
インサート材の融点が上昇し、液相の形成ができずボイ
ドが発生し易いという問題点がある。また、インサート
材を蒸着の手法で供給しているため、被接合材の形状や
寸法に制約があるという問題がある。

【０００６】また、従来のインサート材では欠陥の無い
接合を行うにはその量を多くしなければならず、接合部
材が薄い箔である場合はインサート材と接合部材の体積
が同等となり、部材のインサート材中への溶解による形
状変化や接合体の合金組成がステンレス鋼の組成から変
わることによる耐食性の劣化といった問題がある。

【０００７】本発明の目的は、ステンレス鋼の接合にお
いて、部材の変形を小さくでき、接合欠陥の発生が無く
、しかも接合界面付近に異質な層や金属間化合物の残存
が無く、母材と同等の機械的，化学的，冶金的性質を有
する継ぎ手を得ることである。

【０００８】また、接合部材が薄い箔であっても、精密
で冶金的性質の変化のない液相拡散接合方法を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、イン
サート材として、被接合材と同じ材質の箔にＮｉメッキ
とＡｕメッキを施した複合金属箔を用い、ＮｉおよびＡ
ｕメッキ膜を溶融させて、加熱・加圧接合することで上
記の接合品質劣化の問題，液相未形成によるボイドの発
生の問題，インサート材供給上の問題を解決している。

【００１０】

【作用】まず、接合品質については、Ａｕ及びＮｉはス
テンレス鋼の主成分であるＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒと化合物を
形成しないため、接合界面に脆弱あるいは耐食性を劣化
させる金属間化合物を生成しないこと、また、メッキの
厚みはミクロンレベルで制御可能なため異質な成分の量
を最小限に少なくすることにより、接合温度と拡散時間
を調整することで被接合材の性質と同等になる組成比率
までＮｉおよびＡｕを拡散減少させることが可能となる
ために、母材と同等の品質が得られる。

【００１１】次に、インサート材のＮｉメッキとＡｕメ
ッキの厚みを共晶組成に調整することにより、インサー
ト材を９５０℃で溶融させることが可能となり、ステン
レス鋼中にＡｕが拡散消失する前に液相を形成させるこ
とができ、その後、ステンレス鋼が変質・変形しないで
きるだけ高い温度に昇温することで拡散を促進させ、薄
いＡｕのメッキ膜であってもボイド欠陥の無い高品質の
接合が可能となる。

【００１２】最後に、インサート材は薄い金属箔にメッ
キで供給するため、任意の形状に加工することが容易で
あり、液に浸漬してメッキするだけなので寸法的な制約
も全く無い。すなわち、任意の形状，任意の寸法のイン
サート材作製が可能となるのである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１は、従来のインサート材を用いた液相
拡散接合と、本発明による液相拡散接合のＳＵＳ３１６
Ｌ材の接合結果を比較して示す。なお、従来の例ではイ
ンサート材をスパッタリング法で接合面に形成して供給
し、本発明では接合材と同じ材質の箔にインサート金属
を湿式メッキ法により形成し、その箔を接合界面に挿入
する方法で供給している。従来のＮｉベースのインサー
ト材を用いた場合にはインサート材の液相線温度が１０
４０〜１０９０℃の領域にあるため接合温度を１１５０
℃とし、Ｎｉ−Ａｕ系のインサート材の場合にはＡｕリ
ッチの領域では液相線温度が９５０〜１０６３℃である
ため接合温度を１１００℃としている。熱処理温度は、
ＳＵＳ３１６の接合材が自重によって変形しない温度範
囲でしかも接合部に形成した金属間化合物が溶融すると
いう条件を考慮し、１２６０℃としている。加熱温度が
１３００℃ではＳＵＳ３１６Ｌの固相温度を越えるため
局部的な溶融が生じる。また、１２５０℃より低い温度
では、Ａｕを用いた場合に界面付近に形成されるＡｕ−
Ｍｎ化合物が溶融しないため、熱処理時間を５時間以上
に長くしても化合物が消失しない。従来の液相拡散接合
では、接合温度より高い温度で熱処理を行わないが、比
較のため本発明と同様の熱処理を加えている。接合時間
は３０分、接合圧力は１００ｇｆ／ｍｍ２　、熱処理時
間は６０分一定で行っている。接合結果は、引張試験で
の破断位置と金属間化合物の有無と欠陥の有無で評価を
行った。

【００１６】結果を表１に示す。従来のインサート材の
場合には、加熱過程でのＢ及びＳｉの拡散により液層が
形成されないため、接合部に欠陥が発生している。本発
明によるインサート材を用いて接合した場合の接合部の
品質は、Ｎｉが０．１μｍ　の場合は、Ａｕが０．５μ
ｍ　では液相の量が少ないため欠陥が発生し破断も界面
から起こっているが、Ａｕが１．０μｍ　以上では欠陥
が無く母材破断で熱処理を行うことで接合層に化合物の
ない良好な接合部が得られている。Ｎｉが２．０μｍの
場合は、Ａｕが１．０μｍ　ではＮｉ−Ａｕ合金のＡｕ
比率が少なく液相温度が１１５０℃以上となるため、１
１００℃の加熱温度では液層が形成されなくて欠陥が発
生しているが、Ａｕが２．０〜５．０μｍでは十分な液
層の形成により欠陥の無い接合ができており、熱処理を
行うことで化合物の無い良好な接合が達成されている。 Ｎｉが５μｍでＡｕが１０μｍの場合には液層の量が多
すぎるため、６０分の熱処理時間では化合物が消失しな
いで残存している。

【００１７】従って、ＳＵＳ３１６Ｌ材に対して、イン
サート材のＮｉが０．１〜２μｍ　でＡｕが２〜５μｍ
の厚さ（但しＡｕ／Ｎｉが１以上）にして、１２６０℃
の熱処理を加えてやれば、接合部に欠陥が無く均質で母
材並強度の接合が達成されることが分かる。

【００１８】なお、図１はＮｉ板上にＡｕを１０μｍ形
成して熱処理を行ったときのＡｕ膜表面のＡｕ重量濃度
を示すが、Ａｕ中のＮｉの拡散は５００℃以上から生じ
ており、Ａｕ中への拡散速度は早い。このため、Ａｕ／
Ｎｉの比率が溶融温度の点で重要な意味を持つのである
。

【００１９】図２は、本発明によるインサート箔の断面
構造を示す。中心のステンレス鋼箔は厚みが１０〜５０
０μｍでその両サイドにＮｉを０．１〜２．０μｍ、Ａ
ｕを１．０〜５．０μｍメッキで形成してインサート箔
としている。接合に際しては箔を接合面の形状に切断加
工して、接合界面に挿入している。また、図３は、図２
のインサート箔を用いて接合する場合の接合条件のシー
ケンスの一実施例を示す。加圧力は１０〜１０００ｇ／
ｍｍ２の範囲内で、加熱前から加えるか（タイプＩ）あ
るいは加熱開始後に温度がインサート材の溶融温度Ｔｍ
　を越えた直後から加える（タイプＩＩ）方式のいずれ
かとする。加熱後接合温度Ｔ１　に達してから所定時間
経過後、まず加圧を除去してからさらに熱処理温度Ｔ２
　にまで昇温し、所定時間保持して全ての接合工程を終
了する。一方、雰囲気は接合初期は真空雰囲気とし、イ
ンサート材が溶融して所定時間経過した後不活性ガスの
導入により大気圧付近まで昇圧する。

【００２０】本実施例によれば、１０μｍ以下の非常に
薄い液層の形成により低い加圧力で良好な接合を達成で
きるため、接合体の変形が無くしかも接合材の流れ出し
やインサート箔の突出しがないため、精密な接合が可能
でしかも接合後の加工が不要な製品の組立てが可能とな
る。また、インサート材中にガスが内蔵されている場合
でも、タイプＩＩの方式を採用すれば加熱過程でガスの
放出が行われ易く、たとえガスが液層中に取り残された
場合でも雰囲気圧力を接合後半に高めることにより、そ
の体積を圧力の比率だけ小さくすることができるため、
強度上問題となるような大きさのボイド欠陥の発生を完
全に防ぐことができる。

【００２１】図４は、本発明の応用の一実施例として、
ステンレスベローズを組立てる場合の部品構成の一例を
示し、図５は組立て後のベローズの断面構造を示す。図
４において、薄い板厚で幅の広いベローズリング１の下
に、外周の接合面形状に加工したリング３の両面にＮｉ
とＡｕから成るインサート材２，３を形成した外周接合
リング５と、内周の接合面形状に加工したリング１１の
片面に接合防止用のアルミナセラミック膜を形成した内
周接合防止リング１２を配置し、その下にベローズリン
グ１を置き、その下に内周接合リング９と外周接合防止
リング１５を配置し、その順序で必要な山数だけ部品を
積層している。そしてこの構造で上下に圧力を加えて、
本発明のプロセスで接合を行った後、引張成型を加えて
図５に示すベローズを作製している。

【００２２】本実施例によれば、ベローズリングを圧延
板から作製できるため板厚を１０〜５０μｍと薄くする
ことができ、液層の形成により接合欠陥の無い接合部が
得られ、接合部は拡散処理により完全に均質化できるた
め、気密性が高く、耐食性が高くしかも柔軟性が高い、
従来のメッキベローズや塑性加工ベローズでは得られな
い高品質のステンレスベローズを得ることが可能となる
。また、ベローズリングはエッチング加工で作製できる
ため、微小なベローズや矩形や長円形状など任意の形状
のベローズを作製することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ス
テンレス鋼の接合に対して、部材の変形を小さくでき、
接合欠陥の発生が無く、しかも接合界面付近に異質な層
や金属間化合物の残存が無く、母材と同等の機械的，化
学的，冶金的性質を有する継ぎ手を得ることができる。

【００２４】また、接合部材が薄い箔であっても、精密
で冶金的性質の変化のない液相拡散接合を達成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｎｉ上のＡｕ膜表面の加熱によるＡｕ濃度変化
を示す図である。

【図２】本発明によるインサート箔の断面構造図である
。

【図３】本発明による液相拡散接合プロセスを示す図で
ある。

【図４】本発明を応用したステンレスベローズの組立て
部品構成図である。

【図５】本発明によるステンレスベローズの断面構造図
である。

【符号の説明】

１…ベローズリング、２，４…インサート材、３…外周
リング、５…外周接合リング、６，８…インサート材，
７…内周リング，９…内周接合リング、１０…接合防止
膜，１１…内周リング、１２…内周接合防止リング、１
３…接合防止膜、１４…外周リング、１５…外周接合防
止リング、１６…ステンレスベローズ、１７，１８…ア
ルミナセラミック。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレス鋼の液相拡散接合において、被
   接合材料と同材質のステンレス鋼の金属箔の両面に下地
   としてＮｉメッキ、さらにその上にＡｕメッキを施した
   ものをインサート材として接合界面に挿入し、真空中あ
   るいは不活性ガス中において加圧力が０．０５〜５ｋｇ
   ／ｍｍ２で加熱温度が１０００〜１２００℃の条件で接
   合し、その後で加圧力を除去し加熱温度を１２５０〜１
   ３５０℃として拡散処理を行うことを特徴とするステン
   レス鋼の液相拡散接合方法。
2. 【請求項２】請求項第１項において、Ｎｉメッキ厚を０
   ．１〜２μｍ　、Ａｕメッキ厚を１〜５μｍとしたこと
   を特徴とするステンレス鋼の液相拡散接合用インサート
   材。
3. 【請求項３】ステンレス鋼の液相拡散接合において、イ
   ンサート材として同材質のステンレス鋼の箔にＮｉとＡ
   ｕをメッキした箔を用い、第１のステップとして加熱と
   加圧を行って接合界面が被接合材の組成で部分的に結合
   した接合部を形成する接合工程と、第２のステップとし
   て接合部に形成された金属間化合物の融点以上に加熱し
   て拡散処理を行う工程から成ることを特徴とするステン
   レス鋼の液相拡散接合方法。
4. 【請求項４】請求項第３項において、ステンレス鋼をＳ
   ＵＳ３１６とし、加圧力を０．１　〜１ｋｇ／ｍｍ２　
   、接合温度を１１７０〜１２００℃、保持時間を１５ｍ
   ｉｎ　以上として接合し、拡散処理を１２５０〜１３０
   ０℃の加熱温度で３０ｍｉｎ　以上行うことを特徴とす
   るＳＵＳ３１６ステンレス鋼の液相拡散接合方法。
5. 【請求項５】ベローズリングと接合リングおよび接合防
   止リングを交互に積層して接合し、引張成形して製作す
   る接合ベローズにおいて、ベローズリングをステンレス
   鋼の金属箔で作り、接合リングを同じ材質のステンレス
   鋼の金属箔のリングにＮｉおよびＡｕのメッキを施した
   ものを用い、接合防止リングを同じ材質のステンレス鋼
   の金属箔のリングに片面あるいは両面にアルミナセラミ
   ックをコーティングしたものを用い、真空中で加圧力が
   ０．０５〜５ｋｇ／ｍｍ２で加熱温度が１０００〜１２
   ００℃の条件で接合し、その後で圧力を加えず加熱温度
   が１２５０〜１３５０℃の条件で拡散処理を行って組立
   てたことを特徴とするステンレス鋼製接合ベローズ。