JP2002263881A - 金属−セラミックス複合材料の接合体 - Google Patents
金属−セラミックス複合材料の接合体Info
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- JP2002263881A JP2002263881A JP2001073601A JP2001073601A JP2002263881A JP 2002263881 A JP2002263881 A JP 2002263881A JP 2001073601 A JP2001073601 A JP 2001073601A JP 2001073601 A JP2001073601 A JP 2001073601A JP 2002263881 A JP2002263881 A JP 2002263881A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金のロウ材
を使用して接合した金属−セラミックス複合材料の接合
体であっても、３００℃付近まで耐熱性を有する接合体
を提供する。 【解決手段】 ＣｕまたはＺｎの１種または２種を１〜
１０質量％含む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
を、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金のロウ材により
接合してなることを特徴とする金属−セラミックス複合
材料の接合体を提供する。
を使用して接合した金属−セラミックス複合材料の接合
体であっても、３００℃付近まで耐熱性を有する接合体
を提供する。 【解決手段】 ＣｕまたはＺｎの１種または２種を１〜
１０質量％含む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
を、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金のロウ材により
接合してなることを特徴とする金属−セラミックス複合
材料の接合体を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、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体に関
する。
ックスとする金属−セラミックス複合材料の接合体に関
する。
【０００２】
【従来の技術】Ａｌ合金は軽量かつ耐食性に優れ、また
熱伝導性や電導性においても優れているため、近年、様
々な分野でＡｌ合金の利用が進んでいる。特にセラミッ
クスの分野では、Ａｌ合金の上記特徴を生かしてマトリ
ックスにＡｌ合金を用い、強化材にセラミックスを用い
て両者を複合させた金属−セラミックス複合材料が、軽
量かつ高剛性ゆえに利用されるようになってきた。ま
た、金属−セラミックス複合材料を各種の用途に適用・
拡大させるためには、さらに各種材料との接合が必要と
なる場合が多い。
熱伝導性や電導性においても優れているため、近年、様
々な分野でＡｌ合金の利用が進んでいる。特にセラミッ
クスの分野では、Ａｌ合金の上記特徴を生かしてマトリ
ックスにＡｌ合金を用い、強化材にセラミックスを用い
て両者を複合させた金属−セラミックス複合材料が、軽
量かつ高剛性ゆえに利用されるようになってきた。ま
た、金属−セラミックス複合材料を各種の用途に適用・
拡大させるためには、さらに各種材料との接合が必要と
なる場合が多い。
【０００３】かかる場合の金属−セラミックス複合材料
の接合方法として、従来から接合材であるロウ材を介し
て接合する方法が採用されている。しかし、この方法
は、融点の低い鋳物材であるＡｌ合金をマトリックスと
して、またロウ材との濡れ性が悪いセラミックス粉末を
複合材として用いるため、セラミックス粉末の含有量が
多い場合は、接合部におけるロウ材と金属部分との接触
面積が少なくなって、大きな接合強度が得られないとい
う問題があった。
の接合方法として、従来から接合材であるロウ材を介し
て接合する方法が採用されている。しかし、この方法
は、融点の低い鋳物材であるＡｌ合金をマトリックスと
して、またロウ材との濡れ性が悪いセラミックス粉末を
複合材として用いるため、セラミックス粉末の含有量が
多い場合は、接合部におけるロウ材と金属部分との接触
面積が少なくなって、大きな接合強度が得られないとい
う問題があった。
【０００４】そこで、本発明者らは、かかる問題を解決
しうる手段として、Ａｌ合金にＳｎを５〜５０質量％添
加したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｓｎ系合金をロウ材として用
いて比較的低温で接合できる方法（特開２０００−２４
７７６０号公報）を提案した。このロウ材は、ＤＴＡ分
析（示差熱分析）の結果によると、２段階の液相生成過
程を有する。１次の液相生成は２２０℃付近から開始し
液相の生成量はわずかであるが、２次の液相生成は５０
０℃付近から開始し液相の生成量は多い。したがって、
このロウ材を接合材に用いて、この種の材料では比較的
低い温度域である５００℃付近で接合しても、被接合材
と液相が増大したロウ材の間で含有金属の相互拡散が活
発に起こるから、大きな接合強度が得られる。
しうる手段として、Ａｌ合金にＳｎを５〜５０質量％添
加したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｓｎ系合金をロウ材として用
いて比較的低温で接合できる方法（特開２０００−２４
７７６０号公報）を提案した。このロウ材は、ＤＴＡ分
析（示差熱分析）の結果によると、２段階の液相生成過
程を有する。１次の液相生成は２２０℃付近から開始し
液相の生成量はわずかであるが、２次の液相生成は５０
０℃付近から開始し液相の生成量は多い。したがって、
このロウ材を接合材に用いて、この種の材料では比較的
低い温度域である５００℃付近で接合しても、被接合材
と液相が増大したロウ材の間で含有金属の相互拡散が活
発に起こるから、大きな接合強度が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、当該接合体を
加熱状態に置いた場合、ロウ材は２２０℃付近から１次
の液相を生成する結果、接合体の曲げ強度が急激に低下
するため、２２０〜３００℃程度の高温環境下では接合
体を使用できず、接合体の用途の拡大を図る観点から、
ロウ材の耐熱性の向上が強く望まれていた。
加熱状態に置いた場合、ロウ材は２２０℃付近から１次
の液相を生成する結果、接合体の曲げ強度が急激に低下
するため、２２０〜３００℃程度の高温環境下では接合
体を使用できず、接合体の用途の拡大を図る観点から、
ロウ材の耐熱性の向上が強く望まれていた。
【０００６】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金のロウ材を使
用して接合した金属−セラミックス複合材料の接合体で
あっても、３００℃付近まで耐熱性を有する接合体を提
供することにある。
題は、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金のロウ材を使
用して接合した金属−セラミックス複合材料の接合体で
あっても、３００℃付近まで耐熱性を有する接合体を提
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、上記課題を
解決するために鋭意研究した結果、Ｓｎを５〜５０質量
％含むＡｌ合金のロウ材を接合材に用いた場合でも、マ
トリックスとして特定のＡｌ合金を使用した金属−セラ
ミックス複合材料と同種または異種の材料との接合体な
ら、３００℃程度まで耐熱性を有するとの知見を得て本
発明を完成した。
解決するために鋭意研究した結果、Ｓｎを５〜５０質量
％含むＡｌ合金のロウ材を接合材に用いた場合でも、マ
トリックスとして特定のＡｌ合金を使用した金属−セラ
ミックス複合材料と同種または異種の材料との接合体な
ら、３００℃程度まで耐熱性を有するとの知見を得て本
発明を完成した。
【０００８】即ち、本発明は、ＣｕまたはＺｎの１種ま
たは２種を１〜１０質量％含む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
は異種の材料を、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金の
ロウ材により接合してなることを特徴とする金属−セラ
ミックス複合材料の接合体を提供するものである。
たは２種を１〜１０質量％含む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
は異種の材料を、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金の
ロウ材により接合してなることを特徴とする金属−セラ
ミックス複合材料の接合体を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明について、さらに詳細に説
明する。本発明において金属−セラミックス複合材料は
マトリックスにＡｌ合金を使用したものであって、当該
Ａｌ合金はＣｕまたはＺｎの１種または２種を１〜１０
質量％含む。マトリックス中のＣｕまたはＺｎは、接合
層中のＳｎと相互に拡散・混合して、接合層中のＳｎ濃
度を下げることにより、接合層の耐熱性を向上させる機
能を有する。したがって、ＣｕまたはＺｎの１種または
２種の含有量が１質量％未満ではＳｎが拡散するのに十
分でなく、１０質量％を超えると金属−セラミックス複
合材料自体の耐熱性が劣化する。
明する。本発明において金属−セラミックス複合材料は
マトリックスにＡｌ合金を使用したものであって、当該
Ａｌ合金はＣｕまたはＺｎの１種または２種を１〜１０
質量％含む。マトリックス中のＣｕまたはＺｎは、接合
層中のＳｎと相互に拡散・混合して、接合層中のＳｎ濃
度を下げることにより、接合層の耐熱性を向上させる機
能を有する。したがって、ＣｕまたはＺｎの１種または
２種の含有量が１質量％未満ではＳｎが拡散するのに十
分でなく、１０質量％を超えると金属−セラミックス複
合材料自体の耐熱性が劣化する。
【００１０】金属―セラミックス複合材料のマトリック
スであるＡｌ合金にＣｕまたはＺｎを添加するとロウ材
中のＳｎがＡｌ合金側へ拡散する理由について以下のこ
とが考えられる。Ｃｕについては、Ｃｕ−Ｓｎ二元状態
図（図１）によると、Ｓｎの融点温度付近の２００℃に
おいてはＣｕに対するＳｎの溶解度は約３質量％に過ぎ
ないが、接合温度付近の５００℃においては約１７質量
％に上がるから、接合温度付近においてＳｎがＣｕに固
溶するためと考える。また、Ｚｎについては、Ｚｎ−Ｓ
ｎ二元状態図（図２）によると、ＺｎとＳｎは比較的単
純な共晶系であり２００℃以上の温度で固溶するので、
Ｚｎを添加することによりＳｎ拡散が速くなったものと
考える。
スであるＡｌ合金にＣｕまたはＺｎを添加するとロウ材
中のＳｎがＡｌ合金側へ拡散する理由について以下のこ
とが考えられる。Ｃｕについては、Ｃｕ−Ｓｎ二元状態
図（図１）によると、Ｓｎの融点温度付近の２００℃に
おいてはＣｕに対するＳｎの溶解度は約３質量％に過ぎ
ないが、接合温度付近の５００℃においては約１７質量
％に上がるから、接合温度付近においてＳｎがＣｕに固
溶するためと考える。また、Ｚｎについては、Ｚｎ−Ｓ
ｎ二元状態図（図２）によると、ＺｎとＳｎは比較的単
純な共晶系であり２００℃以上の温度で固溶するので、
Ｚｎを添加することによりＳｎ拡散が速くなったものと
考える。
【００１１】本発明に係る金属−セラミックス複合材料
の接合体の接合方法は、金属−セラミックス複合材料
と、これと同種または異種の材料の間にＳｎを５〜５０
質量％含むＡｌ合金ロウ材を装填し、Ｎ2、Ａｒまたは
真空等の非酸化雰囲気下中で加熱して接合する。
の接合体の接合方法は、金属−セラミックス複合材料
と、これと同種または異種の材料の間にＳｎを５〜５０
質量％含むＡｌ合金ロウ材を装填し、Ｎ2、Ａｒまたは
真空等の非酸化雰囲気下中で加熱して接合する。
【００１２】また、当該Ａｌ合金ロウ材の装填時の形態
は、粉末、箔状、板状、バインダーを加えたペースト状
またはグリーンシート状のいずれでもよい。
は、粉末、箔状、板状、バインダーを加えたペースト状
またはグリーンシート状のいずれでもよい。
【００１３】
【実施例】以下に述べる試験で用いた材料を表１に示
す。
す。
【００１４】
【表１】
【００１５】試験体の作製と試験方法 表１に記載の金属−セラミックス複合材料（ＰＳＩ７
０）、金属材料およびセラミックス材料を切削加工し
て、大きさが５０×５０×２０ｍｍの被接合体を作製し
た。また、ロウ材については、表２に記載した組成のＡ
ｌ合金を溶融しアトマイズ処理して粉末化し、これにバ
インダーとしてアクリル樹脂、可塑剤および溶剤を加え
攪拌機で混合してスリップを調製した後、このスリップ
をドクターブレード装置に流し出し、約３００μｍの厚
さのグリーンシートを成形した。次に、表２に記載の被
接合体の組合せに従い、両被接合材の５０×５０ｍｍの
接合面の間にグリーンシートを装填し、４００℃の温度
で５時間保持してバインダーを分解・除去後、その材の
接合面上部に５０ｇ／ｃｍ2の荷重がかかる重しを載
せ、窒素雰囲気下、５２０℃で熱処理して接合した。当
該接合体は３×４×４０ｍｍの大きさに切削した後、表
面を研削加工して試験体を作製した。この試験体を用い
て下部スパン３０ｍｍの３点曲げ試験により、３００℃
での試験体の曲げ強度を測定した。その結果を表２に示
す。
０）、金属材料およびセラミックス材料を切削加工し
て、大きさが５０×５０×２０ｍｍの被接合体を作製し
た。また、ロウ材については、表２に記載した組成のＡ
ｌ合金を溶融しアトマイズ処理して粉末化し、これにバ
インダーとしてアクリル樹脂、可塑剤および溶剤を加え
攪拌機で混合してスリップを調製した後、このスリップ
をドクターブレード装置に流し出し、約３００μｍの厚
さのグリーンシートを成形した。次に、表２に記載の被
接合体の組合せに従い、両被接合材の５０×５０ｍｍの
接合面の間にグリーンシートを装填し、４００℃の温度
で５時間保持してバインダーを分解・除去後、その材の
接合面上部に５０ｇ／ｃｍ2の荷重がかかる重しを載
せ、窒素雰囲気下、５２０℃で熱処理して接合した。当
該接合体は３×４×４０ｍｍの大きさに切削した後、表
面を研削加工して試験体を作製した。この試験体を用い
て下部スパン３０ｍｍの３点曲げ試験により、３００℃
での試験体の曲げ強度を測定した。その結果を表２に示
す。
【００１６】
【表２】
【００１７】表１から明らかなように、本発明の接合体
（実施例１〜５）の３００℃における曲げ強度は、いず
れも、良好な接合強度の目安である１００ＭＰａを超え
ている。これらに比べ、Ｓｎを３質量％含むＡｌ合金を
ロウ材に用いた比較例１では、３００℃および室温のい
ずれにおいても曲げ強度が極めて低く、Ｓｎを６０質量
％含むＡｌ合金をロウ材に用いた比較例２では３００℃
における曲げ強度が低く、また、マトリックス中のＣｕ
およびＺｎ量が本発明の範囲外である比較例３および４
では３００℃における曲げ強度が低く、いずれも耐熱性
に劣ることが分かる。
（実施例１〜５）の３００℃における曲げ強度は、いず
れも、良好な接合強度の目安である１００ＭＰａを超え
ている。これらに比べ、Ｓｎを３質量％含むＡｌ合金を
ロウ材に用いた比較例１では、３００℃および室温のい
ずれにおいても曲げ強度が極めて低く、Ｓｎを６０質量
％含むＡｌ合金をロウ材に用いた比較例２では３００℃
における曲げ強度が低く、また、マトリックス中のＣｕ
およびＺｎ量が本発明の範囲外である比較例３および４
では３００℃における曲げ強度が低く、いずれも耐熱性
に劣ることが分かる。
【００１８】すなわち、比較例１ではＳｎの量が十分で
はないため強固に接合できなかった。また、比較例２で
はＳｎの量が多すぎるため高温強度が低下した。さら
に、比較例３ではマトリックス中のＣｕ、Ｚｎ含有量が
十分ではないため接合後もロウ材中にＳｎ成分が残留
し、高温下での強度が低下した。比較例４では、Ｃｕ、
Ｚｎ含有量が多すぎるため、複合材料としての耐熱性が
低下し、結果的に高温下での強度が低下した。
はないため強固に接合できなかった。また、比較例２で
はＳｎの量が多すぎるため高温強度が低下した。さら
に、比較例３ではマトリックス中のＣｕ、Ｚｎ含有量が
十分ではないため接合後もロウ材中にＳｎ成分が残留
し、高温下での強度が低下した。比較例４では、Ｃｕ、
Ｚｎ含有量が多すぎるため、複合材料としての耐熱性が
低下し、結果的に高温下での強度が低下した。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、Ｓｎを５〜５０質量％
含むＡｌ合金のロウ材を使用して接合した金属−セラミ
ックス複合材料の接合体であっても、３００℃付近まで
耐熱性を有する接合体を提供することができる。
含むＡｌ合金のロウ材を使用して接合した金属−セラミ
ックス複合材料の接合体であっても、３００℃付近まで
耐熱性を有する接合体を提供することができる。
【図１】Ｃｕ−Ｓｎ二元状態図である。
【図２】Ｚｎ−Ｓｎ二元状態図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武井 義文 千葉県佐倉市大作２−４−２ 太平洋セメ ント株式会社中央研究所内 Ｆターム(参考） 4G026 BA03 BB27 BF11 BF13 BF17 BF20 BF45 BG06 BG25 BH01
Claims (1)
- 【請求項１】 ＣｕまたはＺｎの１種または２種を１〜
１０質量％含む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
を、Ｓｎを５〜５０質量％含むＡｌ合金のロウ材により
接合してなることを特徴とする金属−セラミックス複合
材料の接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001073601A JP2002263881A (ja) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | 金属−セラミックス複合材料の接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001073601A JP2002263881A (ja) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | 金属−セラミックス複合材料の接合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002263881A true JP2002263881A (ja) | 2002-09-17 |
Family
ID=18930999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001073601A Pending JP2002263881A (ja) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | 金属−セラミックス複合材料の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002263881A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010110790A (ja) * | 2008-11-06 | 2010-05-20 | Miyachi Technos Corp | ヒュージング方法 |
-
2001
- 2001-03-15 JP JP2001073601A patent/JP2002263881A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010110790A (ja) * | 2008-11-06 | 2010-05-20 | Miyachi Technos Corp | ヒュージング方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| A977 | Report on retrieval |
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