JP2001130976A - セラミックスと金属の接合方法及びその方法により接合されたセラミックスと金属の接合体 - Google Patents

セラミックスと金属の接合方法及びその方法により接合されたセラミックスと金属の接合体

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 中間材を用いないセラミックスと金属の接合
方法及びその方法によるセラミックスと金属の接合体の
提供。 【解決手段】 金属側の接合面面積をセラミックス側の
接合面面積の９０％を超えない面積として接合すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックスと金
属とをろう付にて接合する方法及びその方法により接合
されたセラミックスと金属の接合体に関するもので、例
えば、電気を入り切りする開閉器において、接触子を開
閉するため電気的に絶縁された操作ロッドにおける絶縁
物（セラミックス）と金属との接合に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の方法及び接合体を図７に基づいて
説明する。図７は、特開平１−２９９７９０号公報に開
示された接合体を示すものであり、セラミックスとして
のアルミナ１と金属としてのニッケル棒２との間に、ニ
ッケル板４や４タングステン板５等を中間材として介在
させている。図中の３はろう材である。
【０００３】尚、その他の中間材としては、１９９０
年、日刊工業新聞社発行の「セラミックス接合工学」
（岸本信也・須賀唯和 共著、）に記載されているよう
に、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウ
ム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄・ニッケル・クロム合金
（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ）、銅・炭素（Ｃｕ−Ｃ）、アルミ
ニウム・炭化珪素（Ａｌ−ＳｉＣ）、発泡金属、多孔質
材料等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の接合方法やその
方法による接合体は、上記のような中間材を必要とする
ものであった。このため、接合作業に当り、部品点数が
多くなり、組立に手間がかかり、製作コストが高価とな
る等の問題がある。又、介在させる中間材の表面状態が
悪いと、十分な接合強度が得られなくなるため、その管
理を十分に行わなければならなかった。
【０００５】本発明は、上記のような課題を解消すると
共に、接合強度に高い信頼性を与える接合方法及び接合
体の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、セラ
ミックスと金属とをろう付にて接合する方法において、
金属側の接合面面積はセラミックス側の接合面面積の９
０％を超えない面積とすることを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、セラミックスと金属と
をろう付にて接合する方法において、金属側の接合面面
積はセラミックス側の接合面面積の９０％を超えない面
積とすることを特徴とする。
【０００８】請求項３の発明は、請求項１乃至請求項２
の何れかに記載のセラミックスと金属の接合方法におい
て、接合面は平面であることを特徴とする。
【０００９】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項５
に記載のセラミックスと金属の接合方法において、セラ
ミックスはアルミナ、金属は銅、ニッケル、鉄の何れか
一つであることを特徴とする。
【００１０】請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４
記載のセラミックスと金属の接合方法において、セラミ
ックスはアルミナ、金属は銅、ニッケル、鉄の何れか一
つを主成分とする合金であることを特徴とする。
【００１１】請求項６発明は、請求項１乃至請求項６の
何れかに記載のセラミックスと金属の接合方法におい
て、セラミックスの接合面にメタライズが施されていな
い場合には、活性金属入りのろう材を使用することを特
徴とする。
【００１２】請求項７の発明は、請求項６に記載のセラ
ミックスと金属の接合方法において、活性金属はチタン
（Ｔｉ）又はジルコニウム（Ｚｒ）であることを特徴と
する。
【００１３】請求項８のセラミックスと金属の接合体の
発明は、請求項１乃至請求項７の何れかに記載のセラミ
ックスと金属の接合方法により接合されたことを特徴と
する。
【００１４】本発明の特徴は、図１のセラミックス１０
と金属２０との接合体の断面図で示すように、セラミッ
クス１０と金属２０のろう付け接合面（以下、単に接合
面という）において、金属２０の接合面面積をセラミッ
クス１０の接合面面積より小さく、例えば、セラミック
ス１０の接合面面積の９０％を超えない面積とすること
にある。この場合、セラミックス１０と金属２０との双
方の接合面を平面とすると更によい。この接合方法によ
り、十分なろう付け強度を有する接合体を得ることがで
きる。尚、本明細書において、金属２０の接合面とは、
文字通り、セラミックス１０側と実質的に接触して接合
される面の全てをいう。他方、セラミックス１０の接合
面とは、金属２０側と実質的に接触して接合される面及
び当該面が延在する面であって、金属２０側と接触しな
い面部分を含むものとする。
【００１５】上記のセラミックスとしては、例えばアル
ミナ（アルミナセラミックス）が開閉器の絶縁ロッドの
場合に好適である。又、上記の金属としては、例えば、
銅を始めとして、銅を主成分とする銅・亜鉛（Ｃｕ−Ｚ
ｎ）、銅・錫（Ｃｕ−Ｓｎ）、銅・クロム（Ｃｕ−Ｃ
ｒ）、銅・ジルコニウム（Ｃｕ−Ｚｒ）、銅・ベリリウ
ム（Ｃｕ−Ｂｅ）、銅・チタン（Ｃｕ−Ｔｉ）等の合
金、又、ニッケル（Ｎｉ）を始めとして、ニッケルを主
成分とするニッケル・銅（Ｎｉ−Ｃｕ）、モネル、イン
コネル等の合金、更には、鉄（Ｆｅ）を始めとして、鉄
を主成分とする鉄・ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）、コバ−
ル、インコロイ等の合金が好適である。
【００１６】実験によれば、金属２０の接合面面積が９
０％を超えると、セラミックスに残留する熱応力が大き
くなって、低いろう付け強度となってしまうばかりか、
ろう付け完了時点でセラミックスに破壊が生じたりし
た。
【００１７】又、例えばチタン（Ｔｉ）やジルコニウム
（Ｚｒ）等を適当に含有した活性金属ろう材を用いる場
合には、接合面にメタライズを施したり、ニッケルメッ
キしたりする工程を省いても十分な接合強度を有する接
合体が得られる。従って、本発明によれば、接合体の接
合面にメタライズを施したり、ニッケルメッキしたりす
る工程が不要となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、開閉器の
絶縁ロッドとして用いられるセラミックスと金属との接
合体を例にして説明する。尚、この例に示す接合体は、
絶縁物としてのセラミックスを中央にして、その上下に
同種の金属が接合された形態のもので、接合部分が２個
所あるが、両接合部分における接合方法は同様であるの
で、以下、一方の接合部分について説明する。
【００１９】実施の形態１．図２に示す形態において、
この実施の形態１では、ろう付け面にメタライズとニッ
ケルメッキを施したφ２０×Ｌ２０ｍｍのアルミナセラ
ミックス１１と、外径をφ３０、２０、１９、１８、１
５、１０ｍｍと変化させたＬ５０ｍｍの銅棒（Ｃｕ）２
１とを、厚さ０．１ｍｍのろう材（ＢＡｇ−８）３１を
間に挟んで直立させ１×１０-5Ｔｏｒｒの真空度で８０
０℃×５分の加熱でろう付けを行った。ろう付け後に、
セラミックス１１の両端にろう付けされた銅棒（Ｃｕ）
２１を引張り試験機で引張りろう付け強度を測定したと
ころ、図６の表に示すような結果が得られた。
【００２０】表によれば、銅棒（Ｃｕ）２１の径が小さ
い場合には銅棒（Ｃｕ）２１で破断するが、銅棒（Ｃ
ｕ）２１の径が大きくなるにつれてセラミックス１１で
破断するようになり、銅棒（Ｃｕ）２１の径がセラミッ
クス１１の径より大きくなると、ろう付け完了時点でセ
ラミックス１１にクラックが入り引張り試験ができない
サンプルが生じた。
【００２１】このセラミックス１１の破断は、熱応力の
残留によるものであり、銅棒（Ｃｕ）２１の接合面面積
がセラミックス１１の接合面面積のおおよそ９０％を超
えるあたりからセラミックス１１の破壊が始まり強度低
下が著しくなる。
【００２２】これによって、安定した強度を確保するた
めには、銅棒（Ｃｕ）２１の接合面面積がセラミックス
１１の接合面面積の約９０％以下の必要があることがわ
かる。
【００２３】実施の形態２．図２に示す形態において、
ろう付け面にメタライズが施されていないφ２０×Ｌ２
０ｍｍのアルミナセラミックス１１と、外径をφ２０、
１９、１８ｍｍと変化させたＬ５０ｍｍの銅棒（Ｃｕ）
２１を、厚さ０．１ｍｍのチタン（Ｔｉ）入り活性ろう
材、例えば、銀・銅・チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）の市
販のろう材３１を間に挟んで直立させ１×１０-5の真空
度で９００℃×５分の加熱でろう付けを行った。
【００２４】ろう付け完了品は、上記実施の形態１と同
様にろう付け強度を引張り試験機で測定したところ、図
６の表に示すような結果が得られた。
【００２５】表によれば、ろう付け強度はメタライズを
施して、例えば、市販のろう材（ＢＡｇ−８）でろう付
けした場合と大差のない結果になった。
【００２６】実施の形態３．図２に示す形態において、
ろう付け面にメタライズとニッケルメッキを施したφ２
０×Ｌ２０ｍｍのアルミナセラミックス１１と、外径を
φ１９、１８と変化させたＬ５０ｍｍのモネル、Ｎｉ、
Ｆｅ、Ｆｅ−４２Ｎｉ棒２１を、厚さ０．１ｍｍの市販
のろう材（ＢＡｇ−８）３１を間に挟んで直立させ、１
×１０-5の真空度で８００℃×５分の加熱でろう付けを
行った。
【００２７】ろう付け後は、上記実施の形態１、２と同
様に、引張り試験機でろう付け強度を測定したところ、
図６の表に示すような結果が得られた。
【００２８】表によれば、破断強度に差があるものの、
金属棒２１の接合面面積がアルミナセラミックス１１の
接合面面積の９０％を超えるあたりからセラミックス１
１での破壊が始まり、それ以上の径では強度低下が著し
くなった。この傾向は、銅（Ｃｕ）の場合と同じであ
り、安定した強度を確保するためには接合面面積がアル
ミナセラミックスの接合面面積の９０％以下の必要があ
る。
【００２９】実施の形態４．上記実施の形態１乃至３で
は、円柱のアルミナセラミックス１２と円柱の金属棒２
１の場合にて説明したが、セラミックス１１と金属２１
のろう付け接合部が、例えば、図３の（ａ）〜（ｅ）の
各々に示すような縦断面の形態や、図４の（ａ）〜
（ｉ）に示すような横断面図の形態であってもよい。
尚、図３の（ｃ）や（ｄ）に示すように、セラミックス
１１側の接合面は、必ずしも、全面にわたって平面であ
る必要はなく、少なくとも、金属２１側の接合面と実質
的に接触する接合面が平坦であれば足り、接触しない接
合面の領域は平面でなく、適当にカットされた面であっ
てもよい。
【００３０】実施の形態５．図５に示す実施の形態５に
おいて、金属２１が中実の形状でなく、ろう付け接合面
の横断面が図５の（ａ）に示すように中空であったり、
又、図５の（ｂ）に示すようにスリットが入っていても
よい。
【００３１】
【発明の効果】請求項１乃至請求項７の各発明によれ
ば、中間材が不要となって部品点数が少なく、組立が容
易で、製作コストが低く、接合強度が高い信頼性のある
セラミックスと金属の接合方法を提供することができ
る。
【００３２】請求項８の発明によれば、従来のような中
間材を必要とせず、セラミックスと金属とが十分なろう
付け強度を有して接合された、製作容易で製作コストの
低い廉価な接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の形態を示す摸式的垂直断面図であ
る。
【図２】 実施の形態１の開閉器の操作ロッドの要部を
示す摸式的垂直断面図である。
【図３】 実施の形態２を示す摸式的垂直断面図であ
り、（ａ）〜（ｅ）はその変形例を示す図である。
【図４】 実施の形態３を示す摸式的水平断面図であ
り、（ａ）〜（ｉ）はその変形例を示す図である。
【図５】 実施の形態４を示す摸式的水平断面図であ
り、（ａ）〜（ｂ）はその変形例を示す図である。
【図６】 本発明の実験結果を示す表である。
【図７】 従来の技術を示す摸式的垂直断面図である。
【符号の説明】
１０、１１ アルミナセラミックス（セラミックス）、
２０、２１ 金属棒（金属）、３０、３１ ろう材、４
ニッケル板（中間材）、５ タングステン板（中間
材）。
───────────────────────────────────────────────────── 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 103:04 Ｂ２３Ｋ 103:04 103:08 103:08 103:12 103:12 (72)発明者 佐藤 俊文 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 糸谷 孝行 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 小林 稔 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G026 BA03 BB22 BB24 BB28 BE01 BE04 BF16 BF17 BF24 BG02 BG23 BH06

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックスと金属とをろう付にて接合
    する方法において、金属側の接合面面積はセラミックス
    側の接合面面積の９０％を超えない面積とすることを特
    徴とするセラミックスと金属の接合方法。
  2. 【請求項２】 セラミックスと金属とをろう付にて接合
    する方法において、残留する熱応力によりセラミックス
    が損傷を受けないよう金属側の接合面面積はセラミック
    ス側の接合面面積の９０％を超えない面積とすることを
    特徴とするセラミックスと金属の接合方法。
  3. 【請求項３】 接合面は平面であることを特徴とする請
    求項１乃至請求項２の何れかに記載のセラミックスと金
    属の接合方法。
  4. 【請求項４】 セラミックスはアルミナ、金属は銅、ニ
    ッケル、鉄の何れか一つであることを特徴とする請求項
    １乃至請求項３に記載のセラミックスと金属の接合方
    法。
  5. 【請求項５】 セラミックスはアルミナ、金属は銅、ニ
    ッケル、鉄の何れか一つを主成分とする合金であること
    を特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のセラミック
    スと金属の接合方法。
  6. 【請求項６】 セラミックスの接合面にメタライズが施
    されていない場合には、活性金属入りのろう材を使用す
    ることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記
    載のセラミックスと金属の接合方法。
  7. 【請求項７】 活性金属はチタン又はジルコニウムであ
    ることを特徴とする請求項６に記載のセラミックスと金
    属の接合方法。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の
    セラミックスと金属の接合方法により接合されたことを
    特徴とするセラミックスと金属の接合体。
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