JP2000271737A - 金属−セラミックス複合材料の接合方法 - Google Patents
金属−セラミックス複合材料の接合方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ロウ材であっても簡単に強固に接合すること
のできる金属−セラミックス複合材料の接合方法を提供
すること。 【解決手段】 Al合金をマトリックスとする金属−セ
ラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料と
の間にAlを40重量%以上含み、かつ500℃以下の
液相生成温度を有するロウ材を装填し、それを非酸化雰
囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける
融点以下の温度で熱処理して接合することとした金属−
セラミックス複合材料の接合方法。
のできる金属−セラミックス複合材料の接合方法を提供
すること。 【解決手段】 Al合金をマトリックスとする金属−セ
ラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料と
の間にAlを40重量%以上含み、かつ500℃以下の
液相生成温度を有するロウ材を装填し、それを非酸化雰
囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける
融点以下の温度で熱処理して接合することとした金属−
セラミックス複合材料の接合方法。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、材料と材料とを接
合する接合方法に関し、特に一方の材料がAl合金をマ
トリックスとする金属−セラミックス複合材料の接合方
法に関する。
合する接合方法に関し、特に一方の材料がAl合金をマ
トリックスとする金属−セラミックス複合材料の接合方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】Al合金は、軽量で耐食性に優れ、熱の
伝導性、電気の電導性にも優れているため、様々な分野
で利用が進んでいる。また近年、Al合金をマトリック
スとし、セラミックスを強化材として複合させた金属−
セラミックス複合材料がその軽量、高剛性を特徴として
利用されるようになってきた。
伝導性、電気の電導性にも優れているため、様々な分野
で利用が進んでいる。また近年、Al合金をマトリック
スとし、セラミックスを強化材として複合させた金属−
セラミックス複合材料がその軽量、高剛性を特徴として
利用されるようになってきた。
【0003】その金属−セラミックス複合材料の接合に
ついては、ロウ材を介して接合する場合には、マトリッ
クスであるAl合金に融点の低い鋳物材Al合金が使わ
れ、しかもセラミックス粉末が複合されているため、接
合部でのロウ材と金属部分との接触が少なく、さらにそ
のセラミックス粉末の含有量が多いとセラミックスとロ
ウ材との濡れ性が一段と悪くなるので、従来のロウ材で
は強固に接合することができないという問題があった。
ついては、ロウ材を介して接合する場合には、マトリッ
クスであるAl合金に融点の低い鋳物材Al合金が使わ
れ、しかもセラミックス粉末が複合されているため、接
合部でのロウ材と金属部分との接触が少なく、さらにそ
のセラミックス粉末の含有量が多いとセラミックスとロ
ウ材との濡れ性が一段と悪くなるので、従来のロウ材で
は強固に接合することができないという問題があった。
【0004】それを解決できるものとして、Cuなどの
インサート材を材料間に装填し、それを所定の温度と圧
力下で熱処理することにより、低温度でも接合できる拡
散接合方法が特開平6−155044に提案されてい
る。
インサート材を材料間に装填し、それを所定の温度と圧
力下で熱処理することにより、低温度でも接合できる拡
散接合方法が特開平6−155044に提案されてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この拡
散接合では、上記問題を解決することができるものの、
かなりの高圧、例えば1MPa程度の圧力下で熱処理し
なければならないので、加圧するための大型の装置、例
えばプレス機などの装置が必要となりコストが高くなる
という問題があった。また、複雑形状品では、圧力をか
けることが難しいので、接合し難いという問題もあっ
た。
散接合では、上記問題を解決することができるものの、
かなりの高圧、例えば1MPa程度の圧力下で熱処理し
なければならないので、加圧するための大型の装置、例
えばプレス機などの装置が必要となりコストが高くなる
という問題があった。また、複雑形状品では、圧力をか
けることが難しいので、接合し難いという問題もあっ
た。
【0006】本発明は、上述した金属−セラミックス複
合材料の接合方法が有する課題に鑑みなされたものであ
って、その目的は、ロウ材を介して接合する方法であっ
ても簡単に強固に接合することのできる金属−セラミッ
クス複合材料の接合方法を提供することにある。
合材料の接合方法が有する課題に鑑みなされたものであ
って、その目的は、ロウ材を介して接合する方法であっ
ても簡単に強固に接合することのできる金属−セラミッ
クス複合材料の接合方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するため鋭意研究した結果、500℃以下の液相生
成温度を有するロウ材を用いて適切に接合すれば、加圧
するための大型の装置がなくても強固に接合することが
できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
達成するため鋭意研究した結果、500℃以下の液相生
成温度を有するロウ材を用いて適切に接合すれば、加圧
するための大型の装置がなくても強固に接合することが
できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【0008】即ち本発明は、(1)Al合金をマトリッ
クスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種
または異種の材料との間にAlを40重量%以上含み、
かつ500℃以下の液相生成温度を有するロウ材を装填
し、それを非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合材
料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合す
ることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合
方法(請求項1)とし、また、(2)前記熱処理する方
法が、ロウ材を装填する部分に0.1MPa以下の荷重
をかけながら非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合
材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理する方法
であることを特徴とする請求項1記載の金属−セラミッ
クス複合材料の接合方法(請求項2)とし、さらに、
(3)前記複合材料中のセラミックスが、20vol%
以上の粉末充填率を有するSiC粉末であることを特徴
とする請求項1または2記載の金属−セラミックス複合
材料の接合方法(請求項3)とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
クスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種
または異種の材料との間にAlを40重量%以上含み、
かつ500℃以下の液相生成温度を有するロウ材を装填
し、それを非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合材
料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合す
ることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合
方法(請求項1)とし、また、(2)前記熱処理する方
法が、ロウ材を装填する部分に0.1MPa以下の荷重
をかけながら非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合
材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理する方法
であることを特徴とする請求項1記載の金属−セラミッ
クス複合材料の接合方法(請求項2)とし、さらに、
(3)前記複合材料中のセラミックスが、20vol%
以上の粉末充填率を有するSiC粉末であることを特徴
とする請求項1または2記載の金属−セラミックス複合
材料の接合方法(請求項3)とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【0009】上記で述べたように本発明の金属−セラミ
ックス複合材料の接合方法としては、接合するロウ材
を、Alを40重量%以上含み、かつ500℃以下の液
相生成温度を有するロウ材とし、それを材料間に装填し
て非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金
属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合する方法と
した(請求項1)。
ックス複合材料の接合方法としては、接合するロウ材
を、Alを40重量%以上含み、かつ500℃以下の液
相生成温度を有するロウ材とし、それを材料間に装填し
て非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金
属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合する方法と
した(請求項1)。
【0010】用いるロウ材としてAlを40重量%以上
含むロウ材としたのは、Alの含有量が少ないと、腐蝕
しやすい環境下では、接合部の陽極腐蝕が起こりやすい
こと、熱処理の場合または高温で用いる場合の温度上昇
時に生じる接合部での不均一な拡散による欠陥が生じや
すいことなどの問題が生じて接合部の接続信頼性が劣る
ので、Alの含有量を40重量%以上としたのである。
また、500℃以下の液相生成温度を有するロウ材とし
たのは、使われている金属であるAC8Aなどのキャス
ト合金の液相生成温度が530℃程度であるので、それ
より低い500℃以下で液相を生成するロウ材としたの
である。
含むロウ材としたのは、Alの含有量が少ないと、腐蝕
しやすい環境下では、接合部の陽極腐蝕が起こりやすい
こと、熱処理の場合または高温で用いる場合の温度上昇
時に生じる接合部での不均一な拡散による欠陥が生じや
すいことなどの問題が生じて接合部の接続信頼性が劣る
ので、Alの含有量を40重量%以上としたのである。
また、500℃以下の液相生成温度を有するロウ材とし
たのは、使われている金属であるAC8Aなどのキャス
ト合金の液相生成温度が530℃程度であるので、それ
より低い500℃以下で液相を生成するロウ材としたの
である。
【0011】そのロウ材としては、具体的には、Al−
Si−Cu−Sn系、Al−Zn系、Al−Si−Cu
−Zn系がある。他にAl−Mg系、Al−Ge系があ
るが、Al−Mg系はMgが窒化しやすいので、多量に
含むことは望ましくない。また、Al−Ge系はGeが
高価であるので、価格の上から望ましくない。
Si−Cu−Sn系、Al−Zn系、Al−Si−Cu
−Zn系がある。他にAl−Mg系、Al−Ge系があ
るが、Al−Mg系はMgが窒化しやすいので、多量に
含むことは望ましくない。また、Al−Ge系はGeが
高価であるので、価格の上から望ましくない。
【0012】そのロウ材を用いて熱処理する方法として
は、その熱処理する雰囲気を非酸化雰囲気とすることが
好ましく、酸化雰囲気中ではロウ材及び複合材料中のマ
トリックス金属の表面が酸化し、濡れ性が低下するので
好ましくない。また、その温度を500℃以上でかつ複
合材料中の金属が融ける融点以下の温度として熱処理す
ることが好ましく、500℃より低いと接合し難くな
る。逆に高い方では、複合材料中の金属の融点より高い
と、複合材料が変形するので好ましくない。
は、その熱処理する雰囲気を非酸化雰囲気とすることが
好ましく、酸化雰囲気中ではロウ材及び複合材料中のマ
トリックス金属の表面が酸化し、濡れ性が低下するので
好ましくない。また、その温度を500℃以上でかつ複
合材料中の金属が融ける融点以下の温度として熱処理す
ることが好ましく、500℃より低いと接合し難くな
る。逆に高い方では、複合材料中の金属の融点より高い
と、複合材料が変形するので好ましくない。
【0013】この熱処理に対しさらに好ましい熱処理法
としては、ロウ材を装填する部分に0.1MPa以下の
荷重をかけながら非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ
複合材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理する
方法とした(請求項2)。
としては、ロウ材を装填する部分に0.1MPa以下の
荷重をかけながら非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ
複合材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理する
方法とした(請求項2)。
【0014】熱処理中に荷重をかけなくても構わない
が、荷重をかけると一段と接合が良好になる。その荷重
の大きさは、試料がずれない程度の0.1MPa以下の
荷重で十分である。これは接合すべき材料の上部にある
程度の重さを有する重しを載せるだけで対応できるの
で、プレス機等の大型の装置を用いて荷重をかける必要
はなく、複雑形状品も簡単に対応できる。
が、荷重をかけると一段と接合が良好になる。その荷重
の大きさは、試料がずれない程度の0.1MPa以下の
荷重で十分である。これは接合すべき材料の上部にある
程度の重さを有する重しを載せるだけで対応できるの
で、プレス機等の大型の装置を用いて荷重をかける必要
はなく、複雑形状品も簡単に対応できる。
【0015】一方、複合材料中のセラミックスの種類と
しては、20vol%以上の粉末充填率を有するSiC
粉末とした(請求項3)。
しては、20vol%以上の粉末充填率を有するSiC
粉末とした(請求項3)。
【0016】複合材料中のセラミックスの種類として
は、例えばSiC、Al2O3、AlNなどのセラミック
ス粉末が挙げられ、何でも構わないが、この中でSiC
粉末がSiCとロウ材中のAlとの間でAl4C3を生成
する反応が生じ、より一層強固な接合が可能となるの
で、より好ましくなる。そのSiC粉末の充填率として
は、20vol%以上が好ましく、20vol%より低
いと金属に近く、複合材料の接合の効果を充分出し切れ
ない。
は、例えばSiC、Al2O3、AlNなどのセラミック
ス粉末が挙げられ、何でも構わないが、この中でSiC
粉末がSiCとロウ材中のAlとの間でAl4C3を生成
する反応が生じ、より一層強固な接合が可能となるの
で、より好ましくなる。そのSiC粉末の充填率として
は、20vol%以上が好ましく、20vol%より低
いと金属に近く、複合材料の接合の効果を充分出し切れ
ない。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の接合方法を述べると、先
ずAl合金をマトリックスとする金属−セラミックス複
合材料とそれに接合すべき材料、例えばそれと同種の金
属−セラミックス複合材料または異種の金属材料、セラ
ミックス材料などを用意する。これとは別に本発明に述
べたロウ材を用意する。ロウ材は箔でもよいし、粉末ま
たは粉末にバインダーを加えたペーストでもよい。
ずAl合金をマトリックスとする金属−セラミックス複
合材料とそれに接合すべき材料、例えばそれと同種の金
属−セラミックス複合材料または異種の金属材料、セラ
ミックス材料などを用意する。これとは別に本発明に述
べたロウ材を用意する。ロウ材は箔でもよいし、粉末ま
たは粉末にバインダーを加えたペーストでもよい。
【0018】用意した金属−セラミックス複合材料と、
それと同種または異種の材料間の接合面に用意したロウ
材を箔、粉末またはペースト状にして装填する。これを
非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金属
が融ける融点以下の温度で熱処理して接合し、金属−セ
ラミックス複合材料の接合体を作製する。なお、雰囲気
については、N2、Ar、N2+H2、Ar+H2など非酸
化雰囲気ガス中であれば何でもよいが、低コストで生産
できるN2ガスがより好ましい。
それと同種または異種の材料間の接合面に用意したロウ
材を箔、粉末またはペースト状にして装填する。これを
非酸化雰囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金属
が融ける融点以下の温度で熱処理して接合し、金属−セ
ラミックス複合材料の接合体を作製する。なお、雰囲気
については、N2、Ar、N2+H2、Ar+H2など非酸
化雰囲気ガス中であれば何でもよいが、低コストで生産
できるN2ガスがより好ましい。
【0019】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
を接合すれば、ロウ付けでも簡単に強固に接合すること
のできる金属−セラミックス複合材料の接合体が得られ
る。
を接合すれば、ロウ付けでも簡単に強固に接合すること
のできる金属−セラミックス複合材料の接合体が得られ
る。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0021】(実施例1〜8) (1)接合体の作製 金属−セラミックス複合材料としてセランクス(株)社
が製造したPSI70(Al合金 30vol%、Si
C粉末 70vol%)とCSI30(Al合金 70
vol%、SiC粉末 30vol%)を、金属材料と
して市販のAC8A(Al合金)を用意した。それらか
ら50×50×20mmの試料を切り出して用いた。
が製造したPSI70(Al合金 30vol%、Si
C粉末 70vol%)とCSI30(Al合金 70
vol%、SiC粉末 30vol%)を、金属材料と
して市販のAC8A(Al合金)を用意した。それらか
ら50×50×20mmの試料を切り出して用いた。
【0022】一方、ロウ材は、表1に示す組成となるよ
う所定金属を混合した後、黒鉛坩堝中で650℃の温度
で加熱溶解し、それを金属製の回転2本ロールに流し出
す方法で箔を作製した。箔の厚みは約200μmであ
る。得られた箔を接合する材料の50×50mmの接合
面間に装填し、その材料の接合面上部に50g/cm2
の荷重がかかる重しを載せた後、これを表1に示す雰囲
気中で表1に示す温度で熱処理して接合体を作製した。
う所定金属を混合した後、黒鉛坩堝中で650℃の温度
で加熱溶解し、それを金属製の回転2本ロールに流し出
す方法で箔を作製した。箔の厚みは約200μmであ
る。得られた箔を接合する材料の50×50mmの接合
面間に装填し、その材料の接合面上部に50g/cm2
の荷重がかかる重しを載せた後、これを表1に示す雰囲
気中で表1に示す温度で熱処理して接合体を作製した。
【0023】(2)評価 得られた接合体から接合部を中心とした試料を切り出
し、その表面を研削加工して3×4×40mmの試料を
作製した。この試料で下部スパン30mm、上部スパン
10mmの4点曲げ試験を行って接合強度を求めた。そ
の結果を表1に示す。
し、その表面を研削加工して3×4×40mmの試料を
作製した。この試料で下部スパン30mm、上部スパン
10mmの4点曲げ試験を行って接合強度を求めた。そ
の結果を表1に示す。
【0024】(比較例1〜4)比較例1では、ロウ材と
して500℃よりも高い液相生成温度を有するロウ材を
用いた他は、比較例2では、酸化雰囲気中で熱処理した
他は、比較例3では、接合温度を500℃より低い温度
で熱処理した他は実施例と同様に接合体を作製し、評価
した。その結果も表1に示す。
して500℃よりも高い液相生成温度を有するロウ材を
用いた他は、比較例2では、酸化雰囲気中で熱処理した
他は、比較例3では、接合温度を500℃より低い温度
で熱処理した他は実施例と同様に接合体を作製し、評価
した。その結果も表1に示す。
【0025】表1から明らかなように、実施例1〜8で
は、本発明の方法で接合しているので、いずれも100
MPa以上の強固な接合強度を有する接合体が得られて
いる。このことは、ロウ材を介して接合する接合方法で
も大型の装置がなくても強固に接合された金属−セラミ
ックス複合材料の接合体が得られるということを示して
いる。
は、本発明の方法で接合しているので、いずれも100
MPa以上の強固な接合強度を有する接合体が得られて
いる。このことは、ロウ材を介して接合する接合方法で
も大型の装置がなくても強固に接合された金属−セラミ
ックス複合材料の接合体が得られるということを示して
いる。
【0026】これに対して、比較例1では、本発明のロ
ウ材を用いて接合していないので、接合強度が極めて低
く、測定できなかった。また、比較例2では、酸化雰囲
気中で加熱処理しているので、接合強度が大きく低下し
た。さらに、比較例3では、接合温度を500℃より低
くしたので、これも接合強度が大きく低下した。。
ウ材を用いて接合していないので、接合強度が極めて低
く、測定できなかった。また、比較例2では、酸化雰囲
気中で加熱処理しているので、接合強度が大きく低下し
た。さらに、比較例3では、接合温度を500℃より低
くしたので、これも接合強度が大きく低下した。。
【0027】
【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料の接合方法であれば、ロウ材を介して接合す
る接合方法であっても、簡単に強固に接合された接合体
が得られるようになった。このことにより、ロウ付けで
も簡単に強固に接合することのできる金属−セラミック
ス複合材料の接合方法を提供できるようになった。ま
た、鋳物材Al合金のような低融点の金属材料であって
も、同様に強固に接合することのできる金属材料の接合
方法も当然のことながら提供できるようになった。
ス複合材料の接合方法であれば、ロウ材を介して接合す
る接合方法であっても、簡単に強固に接合された接合体
が得られるようになった。このことにより、ロウ付けで
も簡単に強固に接合することのできる金属−セラミック
ス複合材料の接合方法を提供できるようになった。ま
た、鋳物材Al合金のような低融点の金属材料であって
も、同様に強固に接合することのできる金属材料の接合
方法も当然のことながら提供できるようになった。
【表1】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // B23K 103:16
Claims (3)
- 【請求項1】 Al合金をマトリックスとする金属−セ
ラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料と
の間にAlを40重量%以上含み、かつ500℃以下の
液相生成温度を有するロウ材を装填し、それを非酸化雰
囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける
融点以下の温度で熱処理して接合することを特徴とする
金属−セラミックス複合材料の接合方法。 - 【請求項2】 前記熱処理する方法が、ロウ材を装填す
る部分に0.1MPa以下の荷重をかけながら非酸化雰
囲気中で500℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける
融点以下の温度で熱処理する方法であることを特徴とす
る請求項1記載の金属−セラミックス複合材料の接合方
法。 - 【請求項3】 前記複合材料中のセラミックスが、20
vol%以上の粉末充填率を有するSiC粉末であるこ
とを特徴とする請求項1または2記載の金属−セラミッ
クス複合材料の接合方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7726899A JP2000271737A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 金属−セラミックス複合材料の接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7726899A JP2000271737A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 金属−セラミックス複合材料の接合方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000271737A true JP2000271737A (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=13629112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7726899A Pending JP2000271737A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 金属−セラミックス複合材料の接合方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000271737A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009234865A (ja) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Taiheiyo Cement Corp | Al合金−セラミックス複合材料用の接合材及びそれを用いた接合体 |
JP2015123493A (ja) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 日本ファインセラミックス株式会社 | 複合材料接合体 |
-
1999
- 1999-03-23 JP JP7726899A patent/JP2000271737A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009234865A (ja) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Taiheiyo Cement Corp | Al合金−セラミックス複合材料用の接合材及びそれを用いた接合体 |
JP2015123493A (ja) * | 2013-12-27 | 2015-07-06 | 日本ファインセラミックス株式会社 | 複合材料接合体 |
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