WO1998033620A1

WO1998033620A1 - Composite bonding material of beryllium, copper alloy and stainless steel and composite bonding method

Info

Publication number: WO1998033620A1
Application number: PCT/JP1998/000423
Authority: WO
Inventors: Takaharu Iwadachi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 1999-08-03
Also published as: EP0901869A1; JP3197835B2; DE69834298D1; EP0901869A4; EP0901869B1; DE69834298T2; US6176418B1; JPH10216960A

Description

明細書ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合体および複合接合方法技術分野

この発明は、ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を効果的に接合することができる、異種材料の複合接合技術に関するものである。

背景技術

近年、材料に対する多様な要求に応えるため、特性の異なる種々の素材を接合して複合化する、複合接合技術が注目を浴びている。

かような接合素材の一つとしてベリリゥムがあり、その X線透過性の良さや核的特性の特異性から、 X線の透過窓など種々の用途に用いられている。

ベリリゥムを X線の透過窓に適用する場合には、ベリリゥムをステンレス鋼製の構造体（フランジ）にろう付や拡散接合によって接合してきたが、ベリリウムが直接接合されたステンレス鋼は、一般に熱伝導性が悪いという問題があつた。そこで、熱伝導性を改善すべく、ステンレス鋼製の構造体に予め銅合金を接合しておき、その接合体にベリリゥムを接合する方式が開発された。

しかしながら、上記の接合方法では、ステンレス鋼と銅合金とを拡散接合にて接合した後、該接合体にベリリゥムをろう付や拡散接合によって再度接合する必要があるため、接合処理が煩雑なだけでなく'、コストが嵩むところに問題を残していた。

また、ベリリウムをろう付したり、拡散接合する場合は、 650〜800 °Cの温度範囲で実施するケースが一般的であるが、この温度範囲はステンレス鋼の鋭敏化温度と重なることから、ステンレス鋼の耐食性が劣化するところにも問題を残していた。

発明の開示この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を、ステンレス鋼の鋭敏化の問題なしに、効果的に接合した複合接合体を、その有利に接合方法と共に提案することを目的とする。

以下、この発明の解明経緯について説明する。

前述したとおり、従来、ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を接合するには、まずステンレス鋼と銅合金とを接合した後、該接合体にベリリウムを再度接合する方式が採用されてきた。

というのは、ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を同時に接合しようとしても、銅合金とステンレス鋼との好適接合温度は 850〜1050°Cと比較的高温であるのに対し、ベリリウムと銅合金との好適接合温度は 800°C以下と低温であるため、前者の高温で接合した場合にはベリリゥムと銅合金とが反応して低融点の共晶合金を形成して接合面が溶融する不利が生じ、一方後者の低温で実施した場合は銅合金とステンレス鋼との接合が十分ではなく、いずれにしても満足のいく接合体は得られなかったからである。

そこで、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ベリリゥムと銅合金との間に、インサート材として、ベリリゥムゃ銅合金と反応しても低融点の共晶合金を形成しないものを介在させることが、所期した目的の達成に関し極めて有効であることの知見を得た。

この発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。

1 . ステンレス鋼を基材とし、その上に銅合金、さらにその上にベリリウムを、 1回の拡散接合処理で積層してなるベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合体。

2 . ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を、この順に重ねて接合するに際し、

ベリリウムと銅合金との間に、これらそれぞれとの合金系の固相線最低温度が 870°C以上となるィンサ一卜材を介在させ、温度： 850 °C以上、上記固相線最低温度未満、圧力： 20〜300 MPa の条件下での一回の拡散接合処理により、三者を同時に接合することを特徴とするベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。

3 . 上記 2において、ベリリウムと銅合金との間に介在させるインサート材がニォブであるベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。

4 . 上記 2において、ベリリウムと銅合金との間に介在させるインサ一卜材がモリブデンであるベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。 5 . 上記 2において、ベリリゥムと銅合金との間に介在させるィンサート材がチ夕ンであるベリリゥム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。

6 . 上記 2 , 3 , 4または 5において、ステンレス鋼と銅合金との間にニッケル中間層を形成させることを特徴とするベリリゥム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。

図面の簡単な説明

図 1は、 X線透過窓の模式図、

図 2は、ガラスコ一ティング H I P接合法の説明図、

図 3は、実施例における、三者接合要領の説明図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、この発明について具体的に説明する。

図 1に、この発明に従って接合した X線透過窓を模式で示し、図中番号 1がべリリウム箔、 2が銅合金、 3がステンレス鋼製の構造体である。

同図において、構造体としてステンレス鋼を用いる理由は、所定の強度および冷却水に対する耐食性を確保するためであり、かようなステンレス鋼としては、 SUS 304， SUS 316, SUS 316L, SUS 316LN 等のオーステナイト系ステンレス鋼は勿論のこと、 SUS 430, SUS 430LX, SUS 434, SUS 436L 等のフヱライト系ステンレス鋼等が有利に適合する。また、抜熱材としての銅合金としては、無酸素銅（0FC)、アルミナ分散強化銅 (DSCu) 、ベリリウム銅（C17510, C17500等）およびクロム ' ジルコニウム銅等が好適である。

さて、この発明では、上記したステンレス鋼、銅合金およびベリリウムの三者を同時に接合するわけであるが、接合法としては、図 2に示したように、接合体全体をガラス粉末 4で覆ってから加熱 ·加圧する、いわゆるガラスコ一ティング H I P (熱間等方加圧）が有利に適合する。

一般に、ステンレス鋼と銅合金とを H I Pによって接合する場合、加熱温度は 850 ~1050°C程度が好適とされるが、この温度域で上記の三者を H I P接合した場合、銅合金とベリリウムとの間に低融点の共晶合金が形成されるため、良好な接合は望み得ない。

ここに、良好な接合とは、界面における接合強度が 70 MPa 以上のことをいい、より好ましい接合強度は 100 MPa以上である。

しかしながら、この発明に従い、銅合金とベリリウムとの間にニオブゃモリブデン、チタン等をインサート材として介在させておけば、かような弊害が有利に回避されるのである。

というのは、例えばインサート材としてニオブを介在させた場合、ニオブとベリリウムの間に形成される合金の共晶温度は 1440°Cであって、ベリリウムと銅合金とが反応して形成される共晶合金（共晶温度： 866 °C ) は勿論のこと、ベリリゥムそのものの融点（1289°C ) よりも融点が高い。また、ニオブと銅合金との間に形成される合金の固相線最低温度は必ずしも明確ではないが、高融点であるため、 850°C以上の温度で H I P接合しても、何ら問題は生じないのである。

同様に、モリブデンをインサート材として介挿した場合に、モリブデンとベリリゥム間に形成される合金の共晶温度は 1827°C、またモリブデンと銅合金との間に形成される合金の固相線最低温度は銅の融点以上であるため、やはり 850°C以上の温度で H I P接合しても、何ら問題は生じない。また、チタンをィンサ一ト材として介挿した場合に、チタンとベリリゥム間に形成される合金の固相線最低温度は 980°C、またチタンと銅合金との間に形成される合金の固相線最低温度は 885°Cであり、やはり 850°C以上の温度での H I P 接合に何ら問題は生じない。

従って、この発明では、ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を H I P接合する際に、ベリリゥムと銅合金との間に介挿すべきィンサー卜材として、ベリリウムゃ銅合金との間に形成される合金の固相線最低温度が 870°C以上である、ニオブ、モリブデンおよびチタン等を用いることにしたのである。

ここに、かようなインサ一ト材の好適厚みは 0. 5~600 ；である。というのは、ィンサ一ト材の厚みが 0. 5 m に満たないとベリリゥムの拡散バリァとしての効果が十分でなく、一方 600 ;w m を超えるとその効果が飽和に達するだけでなく経済的にも不利となるからである。

また、インサート材の形成方法については、特に限定されるわけではないが、金属箔を挿入する方法をはじめとして、蒸着、スパッタリング、マグネトロンスパッタリングおよびイオンプレーティング等の P V D法およびめつき法等がとりわけ有利に適合する。

上記のようにして、ベリリウムと銅合金との間にニオブやモリプデン、チタン等を介在させておけば、銅合金とステンレス鋼との接合に好適な 850°C以上の温度での H I P接合が可能になるのである。とはいえ、接合温度が、インサ一ト材とベリリゥムとの間に形成される合金またはィンサート材と銅合金との間に形成される合金の固相線最低温度以上になると、やはり接合部が溶融する不利が生じるので、接合温度の上限は上記固相線最低温度未満とした。

また、 H I P接合における加圧力は、 20〜300 MPa の範囲とする必要がある。というのは、加圧力が 20 MPa に満たないと満足いくほど十分な拡散接合が期待できず、一方 300 MPaを超えるとその効果が飽和に達するだけでなく、装置コス卜の上昇を招き経済的でなくなるからである。なお、この発明では、ステンレス鋼と銅合金との間にニッケル中間層を形成させることが有利である。というのは、かようなニッケル中間層を形成させておくと、比較的低温でも容易にステンレス鋼と銅合金との接合が可能となるだけでなく、その強度の一層の向上が望めるからである。

例えば、ステンレス鋼とアルミナ分散強化銅（DSCu) とを 850°Cで直接接合した場合の接合強度は、 130〜180 MPa 程度であるが、両者間にニッケル中間層を形成させた場合には、 250 MPa以上の高い接合強度を得ることができる。

ここに、かようなニッケル中間層の形成は、インサート材の形成と同様な方法でよく、またその好適厚みは 1 D！〜 50 m 程度である。

実施例 1

この例では、銅合金として無酸素銅（0FC)を、またステンレス鋼としては SUS 316 を用い、これらベリリゥム、無酸素銅および SUS 316 を、図 3に示すように積層した。この時、ベリリウムと無酸素銅の間には、表 1に示す種々の方法で種々のインサート材 5を介在させた。また、一部については無酸素銅と SUS 316 との間に二ッケル層を介在させた。

これらの積層体を、ステンレス製の容器（厚さ： 2 mm) に入れ、内部を真空に引いた後、 TI G溶接にて封口した。

その後、同じく表 1 に示す条件で H I P接合し、複合接合体とした。

かくして得られた複合接合体から、破線 Aおよび破線 Bで示すようなせん断試験サンプルを取り出し、単純せん断試験を実施した。

また、得られた複合接合体の SUS 316 部分から耐食性のテストピースを切り出し、 J I S G 573 に準拠した 65%硝酸腐食試験を実施した。

上記の試験結果を、表 1に併記する。

また、表 1には、比較のため、インサート材の介在なしに、複合接合を実施した場合の試験結果も併せて示す。表 1 インサート材ィンサ一ト材二ッケル中間層ニッケル H I P温度、時間 H I P圧力 Be/Cu界面 Cu/ステンレス腐食速度

No. の種類およびの形成方法の有無および中間層のせん断強度界面せん断備考厚み m ) 厚み C m ) 形法 CCxh) ( MPa ) ( MPa ) ¾S (MPa) (g/m² · h)

1 Nb (50 ) 箔挿入なし一 900 X 2 140 130 100 < 0.1 適合例

2 Nb O m ) スパ！タリングなし一 1050 X 2 140 140 180 < 0.1 〃

3 Mo ( 5 ym ) スパ 7タリングなし一 1000 X 2 100 110 170 < 0.1

4 Nb (2 ）蒸着有り（5 m ) めっき 950 X 2 150 130 175 < 0.1 〃

5 Ti (lOxzm ) 蒸着有り（5 ）めっき 850 X 4 140 120 170 0.1

6 Nb (10/zm ) イオンプレ-テグ有り (2 ) めつさ 950 X 2 50 100 180 < 0.1

7 Mo (10 ) 蒸着有り（lOim ) めっき 900 X 2 100 90 175 < 0.1 〃

8 なしなし 880 X 140 Be/Cu界面が溶融し、接合部がはく離比較例

9 なしなし 700 2 140 130 60 1.8 〃

10 なしなし 800 X 2 140 120 80 1.2 〃

同表から明らかなように、この発明に従い、ベリリウムと銅合金との間に適切なインサート材を介在させて 850°C以上で H I P接合した場合（No. 1〜7 ) には、 Be/OFC 界面および 0FC/SUS 316 界面において十分に満足のいくせん断強度が得られただけでなく、優れた耐食性も併せて得ることができた。とくに、 0FC/ SUS 316 界面に N i中間層を形成した場合には、 0FCZSUS 316 界面せん断強度の一層の向上が見られた。

これに対し、インサー卜材の介在なしに 850°C以上の温度で H I P接合した場合（No. 8) には、接合時に BeZOFC 界面が溶出し、接合部がはく離した。

この点、 No. 9〜10のように 800°C以下の温度で H I P接合した場合には、接合強度の面では問題なかったが、処理温度がステンレス鋼の鋭敏化温度と重なったため、耐食性の著しい劣化を招いた。

実施例 2

この例では、銅合金としてアルミナ分散強化銅（DSCu) 、またステンレス鋼としては SUS 316LNを用い、実施例 1 と同様にして、表 2に示す条件で複合接合体を製造した。

かくして得られた複合接合体のせん断試験結果および 65%硝酸腐食試験結果を、表 2に併記する。

また、表 2には、比較のため、インサ一卜材の介在なしに、複合接合を実施した場合の試験結果も併せて示す。

表 2 ィンサ一ト材インサート材ニッケル中間層ニッケル H I P温度、時間 HI P圧力せん断強度 CuZステンレス腐食速度

No. 日

の種類およひの开 -成方法の無およひ中間暦の界せん断備 -4 厚み <ium ) 厚み（wm ) 形成方法 CCxh) ( MPa ) ( MPa ) ¾« (MPa) (g/m² · h)

11 Nb (50 ) 箔挿入なし一 900 X 2 140 140 180 < 0.1 適合例

12 Nb (10/zm ) スパタリングなし一 1050 X 2 140 150 300 < 0.1

13 Mo ( 5〃 m ) ス^タリングなし ― 1000 X 2 100 120 280 < 0.1

14 Nb (2 urn ) 蒸着有り (5 ) めつさ 950 X 2 150 155 280 < 0.1

15 Ti (lOwm ) 蒸着有り（5 m ) めっき 850 X 4 140 120 260 < 0.1

16 Nb (lOym ) イオンプレ-ティング有り (2 am ) めっき 950 X 2 50 100 285 < 0.1

17 Mo (10 ) 蒸着有り（lOwin ) めっき 900 X 2 100 95 275 < 0.1

18 なしなし 880 X 140 Be/Cu界面が溶融し、接合部がはく離比較例

19 なしなし 700 X 2 140 60 1.9

20 なしなし 800 2 140 100 1.3

産業上の利用可能性

この発明によれば、ベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の三者を、ステンレス鋼の鋭敏化による耐食性の劣化を招くことなしに、 1回の接合処理で同時に複合接合することができるので、接合処理の簡便化のみならず、製造コス卜の大幅な低減を実現することができる。

Claims

請求の範囲 . ステンレス鋼を基材とし、その上に銅合金、さらにその上にベリリウムを、

1回の拡散接合処理で積層してなるベリリゥム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合体。 . ベリリウム、鋦合金およびステンレス鋼の三者を、この順に重ねて接合するに際し、

ベリリウムと銅合金との間に、これらそれぞれとの合金系の固相線最低温度が 870 °C以上となるィンサート材を介在させ、温度： 850 で以上、上記固相線最低温度未満、圧力： 20~300 MPa の条件下での一回の拡散接合処理により、三者を同時に接合することを特徴とするベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。 . 請求項 2において、ベリリウムと銅合金との間に介在させるインサート材がニオブであるベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。 . 請求項 2において、ベリリウムと銅合金との間に介在させるインサ一卜材がモリブデンであるベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。 . 請求項 2において、ベリリウムと銅合金との間に介在させるインサート材がチタンであるベリリゥム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。 . 請求項 2， 3， 4または 5において、ステンレス鋼と銅合金との間にニッケル中間層を形成させることを特徴とするベリリウム、銅合金およびステンレス鋼の複合接合方法。