（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ろう付けに伴う問題は、セラミックろう付けで遭遇する問題と非常に似ています。金属と比較して、はんだはグラファイトおよびダイヤモンド多結晶材料を濡らしにくく、その熱膨張係数は一般構造材料のそれと大きく異なります。両者は空気中で直接加熱され、温度が400℃を超えると酸化または炭化が発生します。そのため、真空ろう付けを採用し、真空度は10-1Pa以上である必要があります。どちらも強度が高くないため、ろう付け中に熱応力が発生すると、クラックが発生する可能性があります。熱膨張係数の低いろう材を選択し、冷却速度を厳密に制御するようにしてください。このような材料の表面は、通常のろう付け金属では濡れにくいため、ろう付け前に表面改質（真空コーティング、イオンスパッタリング、プラズマ噴霧などの方法）によって、グラファイトやダイヤモンド多結晶材料の表面に厚さ2.5〜12.5μmのW、Moなどの層を堆積し、それらと対応する炭化物を形成するか、高活性ろう付け金属を使用することができます。
グラファイトとダイヤモンドには多くのグレードがあり、粒子サイズ、密度、純度などが異なり、ろう付け特性も異なります。また、多結晶ダイヤモンド材料の温度が1000℃を超えると、多結晶摩耗率が低下し始め、1200℃を超えると摩耗率は50%以上低下します。そのため、ダイヤモンドを真空ろう付けする場合は、ろう付け温度を1200℃以下に制御し、真空度は5×10-2Pa以上に保つ必要があります。
（2）ろう材の選択は、主に用途と表面処理に基づいて行われます。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材を選択します。化学的に耐腐食性のある材料の場合は、ろう付け温度が低く、耐腐食性に優れたろう材を選択します。表面メタライズ処理後のグラファイトには、延性が高く耐腐食性に優れた純銅はんだを使用できます。銀ベースおよび銅ベースの活性はんだは、グラファイトおよびダイヤモンドに対する濡れ性および流動性が良好ですが、ろう付け接合部の使用温度は400℃を超えることが困難です。400℃〜800℃で使用されるグラファイト部品およびダイヤモンド工具には、通常、金ベース、パラジウムベース、マンガンベース、またはチタンベースのろう材が使用されます。800℃〜1000℃で使用される接合部には、ニッケルベースまたはドリルベースのろう材を使用する必要があります。 1000℃以上でグラファイト部品を使用する場合は、純金属フィラーメタル（Ni、PD、Ti）またはモリブデン、Mo、Taなど炭素と炭化物を形成できる他の元素を含む合金フィラーメタルを使用できます。
表面処理をしていないグラファイトやダイヤモンドの場合は、表16の活性フィラーメタルを直接ろう付けに使用できます。これらのフィラーメタルのほとんどはチタンベースの2元または3元合金です。純チタンはグラファイトと強く反応し、非常に厚い炭化物層を形成する可能性があり、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り、クラックが発生しやすいため、はんだとして使用できません。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します。TiはTi Zrを主成分とし、TA、Nbなどの元素を添加した3元合金です。線膨張係数が低いため、ろう付け応力を軽減できます。Ti Cuを主成分とする3元合金は、グラファイトと鋼のろう付けに適しており、接合部の耐食性が高くなっています。
表16 グラファイトとダイヤモンドの直接ろう付け用ろう材
（3）ろう付け工程 黒鉛のろう付け方法は、表面メタライズ処理後のろう付けと表面処理なしのろう付けの2種類に分けられます。どちらの方法を使用する場合でも、溶接部は組み立て前に前処理を行い、黒鉛材料の表面汚染物質はアルコールまたはアセトンで拭き取る必要があります。表面メタライズ処理のろう付けでは、プラズマ溶射により黒鉛表面にNi、CuまたはTi、Zr、二ケイ化モリブデンのいずれかの層をめっきし、その後、銅系ろう材または銀系ろう材を用いてろう付けします。現在、活性はんだを用いた直接ろう付けが最も広く用いられています。ろう付け温度は、表16に示すはんだの種類に応じて選択できます。はんだは、ろう付け接合部の中央または片端付近に固定することができます。熱膨張係数の大きい金属とろう付けする場合は、一定の厚さのMoまたはTiを中間緩衝層として使用することができます。遷移層は、ろう付け加熱中に塑性変形を生じさせ、熱応力を吸収し、グラファイトの割れを防ぎます。例えば、グラファイトとハステロインの部品を真空ろう付けする場合、遷移層にはMoが使用されます。溶融塩腐食と放射線に対する耐性に優れたB-PD60NI35CR5はんだを使用します。ろう付け温度は1260℃で、10分間保持します。
天然ダイヤモンドは、b-ag68.8cu16.7ti4.5、b-ag66cu26ti8などの活性はんだで直接ろう付けすることができます。ろう付けは真空または低アルゴン雰囲気下で行います。ろう付け温度は850℃を超えてはならず、より速い加熱速度を選択してください。ろう付け温度での保持時間は、界面に連続したTi層が形成されるのを避けるため、あまり長く（通常10秒程度）にしないでください。ダイヤモンドと合金鋼をろう付けする場合は、過度の熱応力によるダイヤモンド粒子の損傷を防ぐため、中間層としてプラスチック中間層または低膨張合金層を追加する必要があります。超精密加工用の旋削工具やボーリング工具は、20～100mgの微粒子ダイヤモンドを鋼板にろう付けするろう付け工程で製造され、ろう付け接合部の接合強度は200～250MPaに達します。
多結晶ダイヤモンドは、炎、高周波、または真空でろう付けできます。ダイヤモンド丸鋸刃で金属や石を切断する場合は、高周波ろう付けまたは炎ろう付けを採用する必要があります。低融点のAg Cu Ti活性ろう材を選択する必要があります。ろう付け温度は850℃以下に制御し、加熱時間は長すぎず、冷却速度を遅くする必要があります。石油や地質掘削に使用される多結晶ダイヤモンドビットは、作業条件が悪く、大きな衝撃荷重に耐えます。ニッケルベースのろう材を選択でき、純銅箔を真空ろう付けの中間層として使用できます。たとえば、350〜400カプセルФ4.5〜4.5mmの円柱状多結晶ダイヤモンドを35CrMoまたは40CrNiMo鋼の穿孔部にろう付けして、切断歯を形成します。真空ろう付けを採用し、真空度は5×10-2Pa以上、ろう付け温度は1020±5℃、保持時間は20±2分、ろう付け接合部のせん断強度は200mpa以上である。
ろう付け作業においては、溶接部の自重を可能な限り利用して組み立て、位置決めを行い、金属部が上部のグラファイトまたは多結晶材料を押さえるようにする。位置決め治具を使用する場合は、治具の材質は溶接部と熱膨張係数が近似する材料とする。
投稿日時: 2022年6月13日