黒鉛およびダイヤモンド多結晶材料のろう付け：解説

1.ろう付け特性

グラファイトおよびダイヤモンド多結晶材料のろう付けは、セラミックろう付けと同様の課題に直面している。

金属に比べ、ろう材はグラファイトやダイヤモンド多結晶体に濡れにくく、熱膨張係数が一般的な構造材料と大きく異なる。大気中で直接加熱した場合、400℃を超えると酸化や炭化物の生成が起こることがある。

したがって、真空 ろう付け を採用すべきである。^-1 Pa.グラファイトとダイヤモンドの多結晶材料はともに強度が低いため、ろう付け時に熱応力が存在するとクラックの発生につながる可能性がある。

低熱膨張係数のフィラーメタルを選択し、冷却速度を厳密に制御することが重要である。

このような素材の表面は一般的な水には濡れにくい。 ろうまた、真空コーティング、イオンスパッタリング、プラズマ溶射などのろう付け前表面改質法を採用して、グラファイトやダイヤモンド多結晶材料の表面にWやMoなどの元素を2.5～12.5umの厚さで蒸着し、対応する炭化物を形成したり、高活性ろう材を使用したりすることもできる。

グラファイトとダイヤモンドにはさまざまなグレードがあり、粒径、密度、純度などが異なり、ろう付け特性も異なる。

さらに、真空環境におけるダイヤモンド多結晶材料では、温度が1000℃を超えると摩耗比が減少し始め、1200℃を超えると摩耗比が50%以上減少する。

したがって、ダイヤモンドを真空ろう付けする場合は ろう付け温度 真空度は5×10以下とし、1200℃以下に制御すること。^-2 パ。

2.フィラーメタルの選択：

ろうの選択は主に用途と表面処理条件によって異なる。耐熱材料として使用する場合は、ろう付け温度が高く、耐熱性に優れたろうを選択する必要がある。

耐薬品腐食性材料には、ろう付け温度が低く、耐食性の良いろうを選択する。表面メタライズ処理を施した黒鉛には、延性があり耐食性に優れた純銅ろうが使用できる。

銀系および銅系の活性金属フィラーは、グラファイトとダイヤモンドのいずれに対しても良好な濡れ性と流動性を持つが、ろう付け接合部の使用温度は400℃を超えないことが望ましい。

400～800℃で使用されるグラファイト部品やダイヤモンド工具には、通常、金系、パラジウム系、マンガン系、チタン系のろうが使用される。800～1000℃で使用される接合部には、ニッケルベースまたはタングステンベースのろうが選択される。

グラファイト成分が1000℃以上で使用される場合、純金属フィラーメタル（Ni、Pd、Ti）、または炭素と炭化物を形成できるモリブデン（Mo）やタンタル（Ta）などの元素を含む合金フィラーメタルを使用することができる。

グラファイトまたはダイヤモンドを使用しない場合 表面処理直接ろう付けには、表16に示す活性ろうを使用できる。これらのろうは、主にチタンベースの二元または三元合金である。純 チタン はグラファイトと強く反応して厚い炭化物層を形成し、その線膨張係数はグラファイトの線膨張係数と大きく異なるため、クラックの発生につながる。

そのため、フィラーメタルとしては使用できない。TiにCrとNiを添加すると融点が下がり、セラミックとの濡れ性が向上する。Ti-ZrをベースにTaやNbなどの元素を加えた三元合金は、線膨張係数が低く、ろう付け応力を低減できる。

主にTi-Cuをベースとする三元合金は、黒鉛と鋼のろう付けに適しており、接合部に高い耐食性をもたらす。

表16：グラファイトとダイヤモンドの直接ろう付け用フィラーメタル。

3.ろう付けプロセス

黒鉛ろう付けの方法は、表面メタライゼーションを行った後にろう付けする方法と、表面処理を行わずにろう付けする方法に分けられる。いずれの方法であっても、ろう付け部品を組み立てる前に、黒鉛材料の表面をアルコールまたはアセトンで拭き取り、汚染物質を除去する前処理が必要である。

表面金属化ろう付けを使用する場合、グラファイト表面にNiまたはCuの層を電気めっきするか、プラズマ溶射を使用してTi、Zr、二珪化モリブデンの層を蒸着することができる。

次に、ろう付けには銅系または銀系のろう材が用いられる。最も一般的な方法は、活性ろう材を用いた直接ろう付けであり、ろう付け温度は表16に示すろう材に基づいて選択することができる。

ろう材は、ろう付け接合部の中間または一端付近に配置することができる。熱膨張係数の高い金属をろう付けする場合、中間緩衝層として一定の厚さのMoまたはTiを使用することができる。

この遷移層は加熱中に塑性変形を起こし、熱応力を吸収して黒鉛の割れを防ぐ。

例えば、黒鉛と耐食性ニッケル基ハステロイN部品の真空ろう付けには、耐溶融塩腐食性と耐放射線性に優れたB-Pd60Ni35Cr5ろう材を使用する。ろう付け温度は1260℃、絶縁時間は10分である。

天然ダイヤモンドは、B-Ag68.8Cu16.7Ti4.5やB-Ag66Cu26Ti8などの活性ろう材を用いて直接ろう付けできる。ろう付けは、真空または低アルゴンガス保護下で行う。ろう付け温度は850℃を超えないようにし、加熱速度の速いものを選択する。

界面に連続したTiC層が形成されるのを防ぐため、ろう付け温度での保持時間はあまり長くしない方がよい（通常は約10秒）。

ダイヤモンドをろう付けする場合 合金鋼ダイヤモンド砥粒を損傷させる過度の熱応力を防ぐため、移行には可塑性の中間層または低膨張合金層を使用すべきである。

ブレージングプロセスは、小さなダイヤモンド粒子（20～100mg）を鋼のボディにろう付けすることで、旋削工具やボーリング工具などの超精密加工工具を製造するために使用される。ろう付け部の接合強度は200～250MPaに達する。

多結晶ダイヤモンドのろう付けには、炎ろう付け、高周波ろう付け、真空ろう付けがある。金属や石材の切断に使用されるダイヤモンド丸鋸刃は、Ag-Cu-Tiのような低融点活性ろう材を使用した高周波ろう付けまたは炎ろう付けによってろう付けすべきである。

ろう付け温度は850℃以下に制御し、加熱時間は長すぎないようにする。徐冷を採用する。石油および地質学で使用される多結晶ダイヤモンドドリルビットの場合 ボーリングまた、過酷な使用条件や大きな衝撃荷重にさらされるような場合には、ニッケル系ろう材を選択し、真空ろう付けの中間層として純銅箔を使用することもできる。

例えば、350～400個の円柱状の多結晶ダイヤモンド粒子（4.5～4.5mm）を、以下のような歯穴にろう付けする。 35CrMo または40CrNiMo鋼の切削歯を形成するために、真空度5×10-2Pa以下の真空ろう付けが採用される。ろう付け温度は1020±5℃、絶縁時間は20±2分、ろう付け部のせん断強度は200MPa以上である。

ろう付けの際は、金属部品がグラファイトまたは多結晶材料を押さえるように、ワークピースの重量を利用して組み立てと位置決めを行うことが望ましい。位置決めに治具を使用する場合、治具の材質は、ワークピースの熱膨張係数と同様の熱膨張係数を持つべきである。

アルミニウム基複合材料のろう付け (1) ろう付け特性 アルミニウム基複合材料は、主に粒子（ウィスカーを含む）強化材と繊維強化材に分類され、強化材にはB、CB、SiCなどが使用される。

ろう付け用のアルミニウム基複合材料の加熱中、基材Alは補強相と容易に化学反応を起こす。例えば、ろう材中のSiが母材中に急速に拡散し、脆い液滴層が形成される。これは材料の性能を低下させる。

さらに、Alと補強相の線膨張係数が大きく異なるため、不適切なろう付け加熱によって界面に熱応力が発生し、接合部の割れにつながる可能性がある。

さらに、ろう材と補強相の間の濡れ性が悪いため、ろう付けのために複合材料の表面処理を行うか、活性ろう材を使用する必要がある。可能な限り真空ろう付けを採用すべきである。

(2) ろう材とプロセス

BまたはSiC粒子強化アルミニウム系複合材料は、軟ろう付け技術を用いてろう付けすることができる。ろう付けの前に、サンドペーパー研磨、ワイヤーブラシ、アルカリ洗浄、または 無電解ニッケルめっき (コーティング厚さ0.05mm）。

S-Cd95Ag、S-Zn95Al、S-Cd83Znなどのろう材が使用でき、穏やかなオキシアセチレン火炎加熱が可能である。また、摩擦攪拌ろう付けにS-Zn95Alろう材を用いると高い接合強度が得られます。

真空ろう付けは、短繊維強化6061アルミニウムベースの複合材料の接合に適用できる。表面は研削し、800グリットのサンドペーパーで研磨した後、超音波洗浄を使用してアセトンで洗浄する。

Al-Si系ろう材が主に使用されるが、Siの母材への拡散を防ぐため、複合材のろう付け面に純アルミニウム箔のバリア層をコーティングすることができる。

あるいは、ろう付け強度の低いB-Al64SiMgBi(11.65i-15Mg-0.5Bi)ろう材を選択することもできる。このろう材の溶融温度範囲は554〜572℃であり、ろう付け温度は580〜590℃、ろう付け時間は5分を選択できる。接合部のせん断強度は80MPa以上である。

グラファイト粒子を補強材とするアルミニウム基複合材料の場合、保護雰囲気炉での真空ろう付けが最も成功する方法である。濡れ性を改善するには、Mgを含むAl-Siろう材を使用する必要がある。

アルミニウムの真空ろう付けと同様に、Mg蒸気またはTiの脱ガスを導入し、さらに一定量のMgを添加することで、アルミニウム系複合材料のろう材の濡れ性を大幅に向上させることができる。

各種材料のはんだ付け性