（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体の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よく似ています。金属と比較すると、はんだはグラファイトおよびダイヤモンド多結晶体材料を濡らしにくく、その熱膨張係数は一般的な構造材料のそれとは大きく異なります。これら2つ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。したがって、真空ろう付けを採用し、真空度は10⁻¹Pa以上でなければなりません。両者と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、亀裂が発生する可能性があります。熱膨張係数の低いろう付けフィラー金属を選択し、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用充填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、プラズマスプレーなどの方法）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2.5～12.5μmの厚さのW、Moなどの元素の層を堆積させ、それらと対応する炭化物を形成するか、または高活性ろう付け用充填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、粒径、密度、純度などの点で異なり、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℃を超えると摩耗率が50%以上低下します。したがって、ダイヤモンドを真空ろう付けする場合は、ろう付け温度を1200℃以下に制御し、真空度を5×10⁻²Pa以上にする必要があります。
（２）ろう付け用フィラーメタルの選択は、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付け用フィラーメタルを選択する必要があります。耐薬品性材料の場合は、ろう付け温度が低く耐食性に優れたろう付け用フィラーメタルを選択します。表面金属化処理後のグラファイトには、延性が高く耐食性に優れた純銅はんだを使用できます。銀系および銅系の活性はんだは、グラファイトおよびダイヤモンドに対して濡れ性と流動性に優れていますが、ろう付け接合部の使用温度は400℃を超えることは困難です。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、金系、パラジウム系、マンガン系またはチタン系のフィラーメタルが使用されます。800℃～1000℃で使用される接合部には、ニッケル系またはドリル系のフィラーメタルを使用する必要があります。グラファイト部品を1000℃以上で使用する場合、純金属フィラー金属（Ni、PD、Ti）またはモリブデン、Mo、Taなどの炭素と炭化物を形成できる元素を含む合金フィラー金属を使用することができる。
表面処理を施していないグラファイトやダイヤモンドの場合、表16の活性フィラー金属を直接ろう付けに使用できます。これらのフィラー金属のほとんどは、チタンをベースとした二元合金または三元合金です。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、線膨張係数がグラファイトと大きく異なるため、亀裂が発生しやすく、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は三元合金で、主にTi Zrで構成され、TA、Nbなどの元素が添加されています。線膨張係数が低いため、ろう付け応力を低減できます。主にTi Cuで構成される三元合金は、グラファイトと鋼のろう付けに適しており、接合部は高い耐食性を有します。
表16 グラファイトおよびダイヤモンドの直接ろう付け用ろう付けフィラー金属
（３）ろう付けプロセス 黒鉛のろう付け方法は、表面金属化後のろう付けと、表面処理なしのろう付けの２種類に分けられます。どちらの方法を用いる場合でも、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。表面金属化ろう付けの場合、黒鉛表面にNi、Cuの層、またはTi、Zr、もしくは二ケイ化モリブデンの層をプラズマスプレーでめっきし、その後、銅系ろう材または銀系ろう材を用いてろう付けを行います。現在、活性ろう材を用いた直接ろう付けが最も広く用いられている方法です。ろう付け温度は、表１６に示すろう材に応じて選択できます。ろう材は、ろう付け接合部の中央または片端付近にクランプすることができます。熱膨張係数の大きい金属で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できます。遷移層はろう付け加熱中に塑性変形を起こし、熱応力を吸収してグラファイトの割れを防ぐことができます。例えば、グラファイトとハステロン部品の真空ろう付けでは、遷移接合部として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はんだが使用されます。ろう付け温度は1260℃で、10分間保持されます。
天然ダイヤモンドは、b-ag68.8cu16.7ti4.5、b-ag66cu26ti8などの活性はんだを用いて直接ろう付けできます。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、加熱速度は速めに設定する必要があります。ろう付け温度での保持時間は、界面に連続したティック層が形成されるのを避けるため、長すぎないようにする必要があります（一般的に約10秒）。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、プラスチック中間層または低膨張合金層を中間層として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、鋼材に20～100mgの微粒子ダイヤモンドをろう付けするろう付けプロセスによって製造され、ろう付け接合部の強度は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。金属または石を切断するダイヤモンド丸鋸刃には、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。融点の低い Ag Cu Ti 活性ろう付けフィラー金属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、冷却速度は遅くする必要があります。石油および地質掘削で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、大きな衝撃荷重を受けます。ニッケルベースのろう付けフィラー金属を選択でき、真空ろう付けの中間層として純銅箔を使用できます。たとえば、350 ～ 400 カプセル Φ 4.5 ～ 4.5 mm 柱状多結晶ダイヤモンドを 35CrMo または 40CrNiMo 鋼の穴にろう付けして、切削歯を形成します。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以上とする。
ろう付けの際、金属部品が上部の黒鉛または多結晶材料を圧迫するように、溶接体の自重をできる限り利用して組み立ておよび位置決めを行う。位置決めに治具を使用する場合は、治具の材質は溶接体の熱膨張係数と類似した材質とする。
投稿日時：2022年6月13日