DE69834298T2

DE69834298T2 - Verbundwerkstoff aus beryllium, kupferlegierung und rostfreier stahl und verfahren zum verbinden

Info

Publication number: DE69834298T2
Application number: DE69834298T
Authority: DE
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: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: WO1998033620A1; JPH10216960A; EP0901869B1; EP0901869A4; US6176418B1; EP0901869A1; DE69834298D1; JP3197835B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbund- bzw. Verbindungstechnologie für unterschiedliche Arten von Materialien, die zur wirkungsvollen Bindung von Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl angewendet werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um auf verschiedene Anforderungen in Bezug auf Materialien reagieren zu können, hat sich die Industrie in letzter Zeit der Entwicklung von Verbund- bzw. Verbindungstechnologie zur Verbindung mehrerer, unterschiedliche Eigenschaften aufweisender Materialien zwecks Bildung eines Verbundkörpers gewidmet.
Solche Verbindungsmaterialien umfassen Berylliummetall, das verschiedenen Zwecken dient, z.B. für Röntgentransmissionsfenster, da es hervorragende Röntgenstrahlen-Durchlässigkeit und ausgezeichnete Eigenschaften für Geräte im Bereich der Nukleartechnik aufweist.
In Zusammenhang mit Röntgenfenstern besteht die gängige Praxis darin, Berylliummetall mit einem Flansch oder einem ähnlichen Strukturkörper aus Edelstahl mittels Hartlöten oder Diffusionsbinden zu verbinden. Doch Edelstahl, mit dem Berylliummetall direkt verbunden wurde, weist das allgemeine Problem der unzulänglichen Wärmeleitfähigkeit auf.
Um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, wurde daher ein Verbindungsverfahren entwickelt, in dem die Kupferlegierung im Vorhinein mit einem Strukturkörper aus Edelstahl verbunden wird und danach das Berylliummetall mit dem Verbundkörper aus Kupferlegierung und Edelstahl verbunden wird.
Allerdings erfordert dieses Verbindungsverfahren, dass nach dem Verbinden des Edelstahls und der Kupferlegierung Berylliummetall mittels Hartlöten oder Diffusionsbinden mit dem Verbundkörper aus Kupferlegierung und Edelstahl verbunden wird, sodass weiterhin das Problem besteht, dass die Verbindungsbehandlung nicht nur kostspielig, sondern auch teuer in der Durchführung ist.
Außerdem besteht die gängige Praxis darin, dass das Hartlöten oder Diffusionsbinden von Berylliummetall bei einer Temperatur im Bereich von 650 °C bis 800 °C erfolgt, doch dieser Temperaturbereich überschneidet sich mit der Sensibilisierungstemperatur von Edelstahl. Daher führt das Hartlöten oder Diffusionsbinden, wenn es in einem solchen Temperaturbereich stattfindet, zum Problem, dass die Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls abnimmt.
US-A-5-161.179 offenbart ein Berylliumfenster für ein Röntgensystem, wobei eine Berylliumplatte mittels Diffusionsschweißen unter Druck an einem Rahmen aus Edelstahl befestigt wird; es kommt ein dazwischen liegender Schweißfilm zum Einsatz, der aus Nickel, Silber, Gold und Kupfer oder mehr als einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Nickel und Kupfer, bestehen kann. Der auf die Berylliumplatte ausgeübte Druck wird mit etwa 10 kg/mm² angegeben, kann aber von etwa 1 bis etwa 100 kg/mm² reichen. Die Temperatur wird bei 650 °C angegeben, kann aber im Bereich von 300 °C bis 900 °C liegen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat das Ziel, die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Verbundkörper bereitzustellen, in dem Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl wirkungsvoll miteinander verbunden werden, ohne dass Probleme in Bezug auf die Sensibilisierung des Edelstahls auftreten. Außerdem betrifft die Erfindung ein vorteilhaftes Bindungsverfahren dafür.
Die Details der Entwicklung, die zu der vorliegenden Erfindung führten, sind nachstehend beschrieben.
Wie oben erwähnt, erfolgt das herkömmliche Verfahren zur Verbindung von Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl, indem zunächst eine Kupferlegierung mit einem Strukturkörper aus Edelstahl und danach das Berylliummetall mit dem Verbundkörper aus Kupferlegierung und Edelstahl verbunden wird.
Der Grund dafür liegt darin, dass ein zufrieden stellender Verbundkörper erhalten werden kann, wenn Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl gleichzeitig miteinander verbunden werden. Die bevorzugte Verbindungstemperatur von Kupferlegierung und Edelstahl ist eine relativ hohe Temperatur von 850 °C bis 1050 °C, während die bevorzugte Verbindungstemperatur von Berylliummetall und Kupferlegierung eine relativ niedrige Temperatur von höchstens 800 °C ist. Wenn daher das Verbinden im ersteren Fall unter relativ hohen Temperaturbedingungen stattfindet, reagieren Beryllium und Kupferlegierung miteinander, um eine eutektische Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt zu bilden, sodass die Verbindungsfläche schmilzt. Wenn hingegen die Verbindung im letzteren Fall unter niedrigen Temperaturbedingungen stattfindet, wird keine ausreichende Haftungsfestigkeit zwischen der Kupferlegierung und dem Edelstahl erzielt.
Die Anmelden führten umfangreiche Untersuchungen durch, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und gelangten zur Erkenntnis, dass das oben angeführte Ziel der Erfindung erreicht werden kann, wenn ein Zwischen- bzw. Einsatzmaterial zwischen dem Berylliummetall und der Kupferlegierung eingesetzt ist, das sogar beim Umsetzen mit Berylliummetall oder Edelstahl keine eutektische Legierung mit niedriger Schmelztemperatur bildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem Aspekt einen Verbundkörper nach Anspruch 1.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verbindungsverfahren zur Verbindung mit Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl nach Anspruch 5.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Ansicht von Röntgenfenstern.
2 ist eine erläuternde Ansicht eines Glasbeschichtungs-HIP-Verbindungsverfahrens.
3 ist eine erläuternde Ansicht der Verbindung zwischen Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
BESTE DURCHFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung.
In 1 ist schematisch ein Röntgenfenster dargestellt, das unter Anwendung des Verbindungsverfahrens der Erfindung gebildet wurde. In 1 steht Bezugszeichen 1 für eine Berylliumfolie, 2 für eine Kupferlegierung und 3 für einen Strukturkörper aus Edelstahl.
In der in 1 zu sehenden Anordnung wird Edelstahl als Strukturkörper verwendet, um vorbestimmte Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kühlwasser bereitzustellen. Als Edelstahl können günstigerweise verschiedene austenitische Edelstähle wie z.B. SUS 304, SUS 316, SUS 316L und SUS 316LN oder ferritische Edelstähle wie z.B. SUS 430, SUS 430LX, SUS 434 und SUS 436 verwendet werden.
Die als Wärmeableitungsmaterial verwendete Kupferlegierung besteht vorzugsweise aus sauerstofffreiem Kupfer (OFC), Aluminiumoxid-Dispersions-verstärktem Kupfer (DSCu), Berylliumkupfer (C17510, C17500 usw.), Chrom-Zirconium-Kupfer oder dergleichen.
Gemäß der Erfindung ist beim gleichzeitigen Verbinden von Edelstahl, Kupferlegierung und Berylliummetall ein bevorzugtes Verbindungsverfahren das so genannte glasbeschichtete HIP-Verfahren (HIP steht für „heißes, isostatisches Pressen"), bei dem – wie aus 2 ersichtlich – der Verbundkörper insgesamt mit Glaspulver 4 beschichtet und anschließend unter Druck erhitzt wird.
Im Allgemeinen liegt beim Verbinden von Edelstahl und Kupferlegierung mittels des HIP-Verfahrens die bevorzugte Heiztemperatur im Bereich von etwa 850 °C bis 1050 °C. Wenn jedoch das Berylliummetall, die Kupferlegierung oder der Edelstahl gleichzeitig unter derartigen Temperaturbedingungen miteinander verbunden werden, bildet sich zwischen der Kupferlegierung und dem Berylliummetall eine niedrigschmelzende eutektische Legierung, sodass keine hervorragende Verbindung erzielt werden kann.
In diesem Zusammenhang bedeutet hervorragende Bindung, dass die Bindungsfestigkeit an der Grenzfläche zumindest 70 MPa, noch bevorzugter zumindest 100 MPa, beträgt.
Andererseits ist gemäß der Erfindung Niob, Molybdän, Titan oder ein ähnliches Metall als Zwischenmetall zwischen dem Berylliummetall und der Kupferlegierung eingesetzt, um die oben beschriebenen Probleme wirkungsvoll überwinden zu können.
Wenn z.B. ein Niobmetall zwischen dem Metberyllium und Edelstahl eingesetzt ist, weist die eutektische Legierung zwischen Niob und Beryllium eine eutektische Temperatur von 1440 °C auf, die nicht nur über der eutektischen Temperatur (866 °C) der eutektischen Legierung aus Beryllium und Kupferlegierung, sondern auch über dem Schmelzpunkt des Berylliummetalls (1289 °C) selbst liegt. Zwar ist die minimale Solidustemperatur der Legierung aus Niobmetall und Kupferlegierung nicht immer konstant, doch liegt sie deutlich über dem Schmelzpunkt der Legierung aus Berylliummetall und Kupferlegierung, sodass bestimmte Probleme nicht auftreten, selbst wenn die drei Materialien mittels eines HIP-Verfahrens bei einer Temperatur von zumindest 850 °C gleichzeitig miteinander verbunden werden.
Wenn ein Molybdänmetall zwischen dem Berylliummetall und Edelstahl eingesetzt ist, weist die zwischen Molybdän und Beryllium gebildete eutektische Legierung eine eutektische Temperatur von 1827 °C auf; die minimale Solidustemperatur der Legierung aus Molybdänmetall und Kupferlegierung liegt über dem Schmelzpunkt der Kupferlegierung, sodass bestimmte Probleme nicht auftreten, selbst wenn die drei Materialien mittels eines HIP-Verfahrens bei einer Temperatur von zumindest 850 °C gleichzeitig miteinander verbunden werden.
Wenn ein Titanmetall zwischen dem Berylliummetall und Edelstahl eingesetzt ist, beträgt die minimale Solidustemperatur der Legierung zwischen Titanmetall und Berylliummetall 980 °C und die minimale Solidustemperatur der Legierung zwischen Titanmetall und Kupferlegierung 885 °C, sodass bestimmte Probleme nicht auftreten, selbst wenn die drei Materialien mittels eines HIP-Verfahrens bei einer Temperatur von zumindest 850 °C gleichzeitig miteinander verbunden werden.
Wenn daher gemäß der Erfindung das Berylliummetall, die Kupferlegierung und der Edelstahl mittels eines HIP-Verfahrens miteinander verbunden werden, wird ein Zwischenmaterial zwischen das Berylliummetall und den Edelstahl eingesetzt, das Niob, Molybdän, Titan oder ein ähnliches Metall umfasst, das eine Legierung mit dem Berylliummetall oder der Kupferlegierung bilden kann, das eine minimale Solidustemperatur von zumindest 870 °C aufweist.
Gemäß der Erfindung ist es vorzuziehen, dass die Dicke des Zwischenmaterials im Bereich von 0,5 bis 600 μm liegt. Wenn die Dicke des Zwischenmetalls unter 0,5 μm liegt, kann keine zufrieden stellende Wirkung von Beryllium als Diffusionsschranke erzielt werden; wenn hingegen die Dicke des Zwischenmetalls über 600 μm hinausgeht, kann Beryllium seine Wirkung auch nicht mehr entfalten, und außerdem ist eine zu große Dicke wirtschaftlich gesehen unvorteilhaft.
Das Verfahren zur Ausbildung des Zwischenmaterials ist nicht auf eine bestimmte Vorgangsweise eingeschränkt. Es eignet sich ein Verfahren, bei dem eine Metallfolie eingeführt wird, ein PVD-Verfahren wie z.B. Dampfabscheiden, Sputtern, Ionen-Magnetronsputtern, Plattieren oder dergleichen oder ein herkömmliches Plattierungsverfahren.
Durch Einsetzen von Niob, Molybdän, Titan oder eines ähnlichen Zwischenmaterials zwischen das Berylliummetall und die Kupferlegierung in der oben beschriebenen Weise ist es möglich, mittels eines HIP-Verfahren Verbindung bei einer Temperatur von zumindest 850 °C zu erzielen, die für das Verbinden des Berylliummetalls und der Kupferlegierung geeignet ist. Wenn allerdings die Verbindungstemperatur über der minimalen Solidustemperatur der Legierung liegt, die zwischen dem Einsatzmaterial und dem Beryllium oder zwischen dem Einsatzmaterial und der Kupferlegierung entstanden ist, tritt das Problem auf, dass die Verbindungsgrenzfläche schmilzt. Daher ist gemäß der Erfindung die Obergrenze der Verbindungstemperatur niedriger als die minimale Solidustemperatur.
Es ist außerdem notwendig, dass der Druck für das HIP-Verbindungsverfahren in einem Bereich von 20 bis 300 MPa liegt. Dies ist auf folgende Tatsache zurückzuführen: Wenn der Druck unter 20 MPa liegt, kann keine zufrieden stellende Diffusionsverbindung erreicht werden, und wenn der Druck über 300 MPa liegt, geht die Wirkung der Druckbeaufschlagung verloren, und die Vorrichtung ist teuer, was wirtschaftlich gesehen unvorteilhaft ist.
Gemäß der Erfindung ist es überdies vorteilhaft, eine Nickelzwischenschicht zwischen dem Edelstahl und der Kupferlegierung vorzusehen. Wenn nämlich eine derartige Nickelzwischenschicht vorhanden ist, können der Edelstahl und die Kupferlegierung nicht nur problemlos und bei relativ niedriger Temperatur, sondern auch solcherart miteinander verbunden werden, dass die Bindungsfestigkeit verbessert wird.
Wenn beispielsweise der Edelstahl und Aluminiumoxid-Dispersions-verstärktes Kupfer (DSCu) direkt miteinander verbunden werden, bleibt die Bindungsfestigkeit in einem Bereich von 130 bis 180 MPa. Wenn hingegen eine Nickelzwischenschicht zwischen dem Edelstahl und dem DSCu vorhanden ist, kann eine Bindungsfestigkeit erzielt werden, die zumindest 250 MPa beträgt.
Das Verfahren zur Ausbildung der Zwischenschicht ähnelt dem oben erwähnten Verfahren zur Ausbildung des Zwischenmaterials, wobei die bevorzugte Dicke der Zwischenschicht im Bereich von 1 bis 50 μm liegt.
Ausführungsform 1
In Ausführungsform 1 wurden OFC als Kupferlegierung und SUS 316 als Edelstahl verwendet. Anschließend wurden Berylliummetall, OFC und SUS 316 wie aus 3 ersichtlich miteinander verbunden. In diesem Fall wurde das Zwischenmaterial zwischen dem Berylliummetall und dem OFC mittels unterschiedlicher Verfahren (siehe Tabelle 1) angeordnet. Bei einigen aus Tabelle 1 ersichtlichen Prüfkörpern befand sich zwischen dem OFC und SUS 316 eine Nickelschicht.
Jeder Verbundkörper wurde in einen Mantel aus Edelstahl mit einer Dicke von 2 mm gesteckt und der Mantel durch TIG-Schweißen abgedichtet, nachdem im Mantel eine Vakuumatmosphäre geschaffen worden war.
Anschließend wurden diese Verbundkörper mittels des HIP-Verfahrens unter den in Tabelle 1 veranschaulichten Bedingungen miteinander verbunden, um Verbundkörper zu bilden.
Danach wurden Scherversuchsproben – dargestellt durch die durchbrochenen Linien A und B in 3 – aus den auf diese Weise erhaltenen Verbundkörpern geschnitten und einem einfachen Scherversuch unterzogen.
Ferner wurden Korrosionsbeständigkeitsproben aus dem SUS-316-Teil der Verbundkörper geschnitten und gemäß JIS G 573 einem Test mit. 65 % Salpetersäure unterzogen.
Die Ergebnisse dieser Versuche sind aus Tabelle 1 ersichtlich.
Zu Vergleichszwecken zeigt Tabelle 1 außerdem die Testergebnisse betreffend Verbindungsverfahren, die ohne Vorsehen von Zwischenmaterialien durchgeführt wurden.
Wie man dies aus obiger Tabelle 1 erkennt, ist es im Falle der Prüfkörper der Erfindung (Nr. 1 bis 7), die durch Vorsehen eines zweckmäßigen Einsetzmaterials zwischen dem Berylliummetall und der Kupferlegierung gebildet wurden, und mittels Durchführung eines HIP-Verbindungsverfahrens bei einer Temperatur von zumindest 850 °C möglich, eine zufrieden stellende Scherfestigkeit an der Be/OFC-Grenzfläche sowie an der OFC/SUS-316-Grenzfläche ebenso wie hervorragende Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Besonders die Prüfkörper, in denen sich eine Ni-Zwischenschicht zwischen OFC/SUS 316 befindet, wiesen hinsichtlich der Grenzflächenscherfestigkeit weitere Verbesserungen auf.
Wenn hingegen die HIP-Verbindung bei einer Temperatur von zumindest 850 °C ohne Vorsehen eines Zwischenmaterials erfolgte (Nr. 8), schmolz die Be/OFC-Grenzfläche während des Verbindens, und im verbundenen Teil kam es zur Trennung.
Die Prüfkörper Nr. 9 und Nr. 10, die mittels Durchführung von HIP-Verbindung bei einer Temperatur von höchstens 800 °C erzeugt wurden, wiesen kein Problem in Bezug auf die Bindungsfestigkeit auf, obwohl festgestellt wurde, dass infolge der Behandlungstemperatur, die sich mit der Sensibilisierungstemperatur des Edelstahls überschnitt, die Korrosionsbeständigkeit deutlich abnahm.
Ausführungsform 2
In Ausführungsform 2 wurde DSCu als Kupferlegierung und SUS 316LN als Edelstahl verwendet, um Verbundkörper unter den in Tabelle 2 veranschaulichten Bedingungen in ähnlicher Weise wie in Ausführungsform 1 herzustellen.
Die Ergebnisse des Scherversuchs und des Versuchs mit 65 % Salpetersäure, denen die auf diese Weise erhaltenen Verbundkörper unterzogen wurden, sind aus Tabelle 2 ersichtlich.
Zu Vergleichszwecken zeigt Tabelle 2 außerdem die Ergebnisse von Versuchen, die mit Verbundkörpern ohne Zwischenmaterial durchgeführt wurden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, gleichzeitig die Verbindung von Berylliummetall, Kupferlegierung und Edelstahl mittels einer einzigen Verbindungsbehandlung zu erzielen, ohne dass dabei die Korrosionsbeständigkeit für die Sensibilisierung des Edelstahls beeinträchtigt wird. Die Verbindungsbehandlung ist leicht durchzuführen, und die Herstellungskosten können deutlich gesenkt werden.

Claims

Verbundkörper aus Berylliummetall (1), einer Kupferlegierung (2) und Edelstahl (3), die durch einen einzelnen Diffusionsbindungsvorgang mit dem Edelstahl als Substrat, der Kupferlegierung über dem Edelstahl und dem Berylliummetall über der Kupferlegierung verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenmaterial (5) zwischen dem Berylliummetall (1) und der Kupferlegierung (2) vorhanden ist, wobei das Zwischenmaterial (5) in Kombination mit dem Berylliummetall bzw. der Kupferlegierung einen minimalen Schmelzpunkt von nicht weniger als 870 °C aufweist.
Verbundkörper nach Anspruch 1, worin das Zwischenmaterial (5) Niob, Molybdän oder Titan ist.
Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, worin die Dicke des Zwischenmaterials (5) im Bereich von 0,5 bis 600 μm liegt.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin eine Nickel-Zwischenschicht zwischen dem Edelstahl und der Kupferlegierung vorhanden ist.
Verbindungsverfahren zum Verbinden von Berylliummetall (1), einer Kupferlegierung (2) und von Edelstahl (3), die in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet und miteinander verbunden werden, und zwar durch Diffusionsbinden unter Druck, sodass das Berylliummetall, die Kupferlegierung und der Edelstahl gleichzeitig miteinander verbunden werden, worin ein Zwischenmaterial zwischen dem Berylliummetall und der Kupferlegierung bereitgestellt wird, wobei das Zwischenmaterial (5) in Kombination mit dem Berylliummetall bzw. der Kupferlegierung einen minimalen Schmelzpunkt von nicht weniger als 870 °C aufweist, und ein einzelner Diffusionsbindungsvorgang unter der Bedingung durchgeführt wird, dass die Temperatur nicht unter 850 °C liegt und niedriger ist als der minimale Schmelzpunkt ist, und der Druck beträgt 20 bis 300 MPa.
Verbindungsverfahren nach Anspruch 5, worin das Zwischenmaterial (5) Niobmetall ist.
Verbindungsverfahren nach Anspruch 5, worin das Zwischenmaterial (5) Molybdänmetall ist.
Verbindungsverfahren nach Anspruch 5, worin das Zwischenmaterial (5) Titanmetall ist.
Verbindungsverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin eine Nickel-Zwischenschicht zwischen dem Edelstahl und der Kupferlegierung gebildet wird.