JP2016088771A - 接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】金属とセラミックスとの界面の数を減らして接合信頼性の高い金属とセラミックスとの接合体を提供する。【解決手段】セラミック体と金属体との接合体１０は、接合層４０は、ロウ材層４２よりなり、ハニカム体２０（セラミック体）は、シリコン含浸ＳｉＣよりなる。【選択図】図３

Description

本発明は、セラミックと金属と接合した接合体に関する。

セラミックは、耐熱性および耐蝕性に優れ、高強度であることから、ターボチャージャー、熱交換器、核融合炉第１壁など、様々な過酷な用途で使用が検討されている。
しかしながら、セラミックは、硬度が高く欠けやすい、液相が得られにくく溶接しにくい、展性・延性を有していないなどの点で、目的の形状が得られにくい素材である。このため、展性・延性に優れ、溶接が可能で、容易に加工できる金属材料と接合し用いることによって様々な用途に展開しやすくなる。このため、各種用途のためにセラミックと金属と接合する技術は、重要な技術の１つである。

特許文献１には、セラミックスと金属との熱膨張係数差によって生じる接合の課題を解決するための接合体および接合方法が記載されている。具体的な接合体は、セラミックス基材と、金属基材との間にこれらとそれぞれ同材質で熱膨張係数が同一または近似したセラミックス中間層と、金属中間層を介挿したものよりなり、セラミックス中間層は、金属中間層相互又は金属中間層と金属基材との間に挟まれるように配置して接合されている接合体である。

また、具体的な接合方法は、セラミックス基材と金属基材との間に中間層を少なくとも２層又は２層以上挿入して接合する方法である。そして、少なくとも材質と熱膨張係数とが接合すべきセラミックス基材と金属基材とにそれぞれ同一又は近似したセラミックス中間層と金属中間層とを、セラミック基材と金属基材との間に介挿する。前記セラミックス中間層の両接合界面は前記金属中間層相互あるいは金属中間層と金属基材とにより挟まれており、前記金属中間層の両接合界面は、セラミック中間層相互あるいはセラミック中間層とセラミックス基材との間に挟まれるよう配置して接合するセラミックスと金属との接合法が記載されている。

このような接合体又は接合方法によれば、中間層の選択が容易になり、接合しようとする物質と異なる２種以上の異なった中間層を用いる場合に接合条件を各界面ごとに変える必要がなく、さらにＭｏ、Ｔｉのような耐酸化性に劣るものが使えない場合にも接合が可能となり、接合部の特性は損なわれなくて済む大きな効果があることが記載されている。

特開昭６３−２２５５８５号公報

しかしながら、上記記載された発明は、接合層が平坦な接合体およびその接合方法に関する発明が記載されているのみである。接合面が曲折している接合体に上記発明を適用すると、曲折部に生じる応力集中、曲折した接合層に対応する接合の形状など解決しなければならない課題に対して明確な示唆が無く適用は困難である。このため、曲折部を有する接合層の耐熱性、耐蝕性、および高い接合強度を高めることは上記記載された発明では解決されていない。

本発明では、上記課題を鑑み、耐熱性、耐蝕性、および高い接合強度を有する曲折した接合層で接合された接合体を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の接合体は、曲折した接合層で接合されたセラミック体と金属体との接合体であって、前記接合層は、ロウ材層よりなり、前記セラミック体は、シリコン含浸ＳｉＣよりなる。

セラミック体は、シリコンが含浸されたＳｉＣ（シリコン含浸ＳｉＣ）よりなり、骨格部分を構成するＳｉＣは、高強度で耐熱性を有しているので金属体と接合し金属体では対応できない部分で高い性能を発揮することができる。ＳｉＣにシリコンを含浸することにより、耐熱性、耐蝕性を維持しながら、熱伝導性を高めることができ、発生する熱応力を低減することができる。また、シリコンは、金属的な性質を持ち合わせているのでロウ材との接合力が強く、曲折した部分においても、強い接合力が得られると考えられる。また、ＳｉＣは、金属的な性質を有しているので、ロウ材との接合力を強くできると考えられる。
このため、曲折した部分を有していても、耐熱性、耐蝕性、および高い接合強度を発揮することができると考えられる。

さらに、本発明の接合体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記ロウ材層は、活性金属ロウ材よりなる。
活性金属ロウ材はセラミック体との接合界面を活性化させ、セラミック体とロウ材との濡れ性が向上するので、接合強度を高めることができる。

（２）前記活性金属ロウ材は、Ｔｉ系ロウ材である。
これにより、活性金属ロウ材はＴｉを含有するのでセラミック体の表面を活性化させ、セラミック体との接合界面にセラミック体材料特有の反応物が生成されるため、セラミックに対する接合能力を有する。例えば、セラミック体が窒化物ではＴｉＮ、セラミック体が酸化物ではＴｉＯ_２、セラミック体が炭化物ではＴｉＣがセラミック体との接合界面に生成される。このため、セラミックと金属の接合する部分に適用することにより、接合層全体の接合強度を高めることができる。例えば、ロウ材としてはＡｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系やＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ａｇ系のロウ材が適用できる。

（３）前記金属体は、ステンレスである。
ステンレスは、金属の中でも耐蝕性、耐熱性を備えた素材であるので、セラミック体と組み合わせることにより、様々な用途で利用することができる。

（４）前記セラミック体はハニカム体であり、前記金属体は、前記ハニカム体の外側面を周回するケースであり、前記接合層は、前記ハニカム体の外側面を周回するとともに、前記ハニカム体の前記ケースとの間の空隙部を封止する。
セラミック体であるハニカム体は、ハニカム体の外側面を周回する金属体であるケースに収容される。ハニカム体の外側面には接合層が周回して設けられており、ケースに収容されると、ハニカム体とケースとの間の空隙部を封止する。このため、ケースに流入した流体は、確実にハニカム体の内部を通過することになる。

（５）前記接合体は、前記ハニカム体の外側面を周回する前記接合層を、間隔をあけて複数有する。
ハニカム体の外側面を周回する接合層を複数有するので、ハニカム体とケースとの間の空隙部を複数箇所で封止する。このため、両端の接合層に挟まれた空隙部Ｓは、ハニカム体の両端と隔離された空間を形成することができる。さらに、この空間を利用し、ハニカム体の側面に新たな開口を形成することにより、ハニカム体に異なる流体を導入することができ、例えば熱交換器として利用することができる。

本発明の接合体によれば、セラミック体と金属体とを曲折した接合層で接合した接合体において、接合層はロウ材層よりなり、前記セラミック体はシリコン含浸ＳｉＣよりなる。
セラミック体は、シリコンが含浸されたＳｉＣ（シリコン含浸ＳｉＣ）よりなり、骨格部分を構成するＳｉＣは、高強度で耐熱性を有しているので金属体と接合し金属体では対応できない部分で高い性能を発揮することができる。ＳｉＣにシリコンを含浸することにより、耐熱性、耐蝕性を維持しながら、熱伝導性を高めることができ、発生する熱応力を低減することができる。また、シリコンは、金属的な性質を持ち合わせているのでロウ材との接合力が強く、曲折した部分においても、強い接合力が得られると考えられる。
このため、曲折した部分を有していても、耐熱性、耐蝕性、および高い接合強度を発揮することができると考えられる。

本発明に係る実施形態の接合体の分解斜視図であり、ハニカム体と金属製パイプとを接続層によりに接合するものである。 本発明に係る実施形態の接合体に用いられるハニカム体および接合層の全体斜視図である。 接合層の構成を示す断面図である。

本発明の接合体について説明する。
本発明の接合体は、曲折した接合層で接合されたセラミック体と金属体との接合体であって、前記接合層は、ロウ材層よりなり、前記セラミック体は、シリコン含浸ＳｉＣよりなる。

本発明の接合体によれば、セラミック体と金属体とを曲折した接合層で接合した接合体において、接合層にロウ材層よりなり、前記セラミック体は、シリコン含浸ＳｉＣよりなる。

セラミック体は、シリコンが含浸されたＳｉＣ（シリコン含浸ＳｉＣ）よりなり、骨格部分を構成するＳｉＣは、高強度で耐熱性を有しているので金属体と接合し金属体では対応できない部分で高い性能を発揮することができる。ＳｉＣにシリコンを含浸することにより、耐熱性、耐蝕性を維持しながら、熱伝導性を高めることができ、発生する熱応力を低減することができる。また、シリコンは、金属的な性質を持ち合わせているのでロウ材との接合力が強く、曲折した部分においても、強い接合力が得られると考えられる。

さらに、シリコンが含浸されたＳｉＣであるのでロウ付けの際にロウ材のセラミック体への必要以上の侵入を防ぐことができる。ロウ付けで溶融したロウ材が必要以上にセラミック体に吸収されにくいので、十分な厚さのロウ材層を形成することができ、セラミック体と金属体との間に強い結合力を得ることができる。

また、含浸させる材料はロウ材との組合せで適宜決定すればよいが、シリコンのほかにアルミ、マグネシウム、銅などの金属合金も可能で、金属であるロウ材と強い結合力を高くでき、パワーデバイスなどへの転用も可能である。他に、ポリカルボシランなどのポリマーを含浸することも可能であり、セラミック体の強度が弱いときに補強材として作用する。そして、ロウ材との結合力や、セラミック体の補強などの効果を向上させるために、前記含浸させる材料を組合せて使用してもよい。
このため、曲折した部分を有していても、耐熱性、耐蝕性、および高い接合強度を発揮することができると考えられる。

さらに、本発明の接合体は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記ロウ材層は、活性金属ロウ材よりなる。
活性金属ロウ材はセラミック体との接合界面を活性化させ、セラミック体とロウ材との濡れ性が向上するので、接合強度を高めることができる。

（２）前記活性金属ロウ材は、Ｔｉ系ロウ材である。
これにより、活性金属ロウ材はＴｉを含有するのでセラミック体の表面を活性化させ、セラミック体との接合界面にセラミック体材料特有の反応物が生成されるため、セラミックに対する接合能力を有する。例えば、セラミック体が窒化物ではＴｉＮ、セラミック体が酸化物ではＴｉＯ_２、セラミック体が炭化物ではＴｉＣがセラミック体との接合界面に生成される。このため、セラミックと金属の接合する部分に適用することにより、接合層全体の接合強度を高めることができる。例えば、ロウ材としてはＡｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系やＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ａｇ系のロウ材が適用できる。

（３）前記金属体は、ステンレスである。
ステンレスは、金属の中でも耐蝕性、耐熱性を備えた素材であるので、セラミック体と組み合わせることにより、様々な用途で利用することができる。また、ステンレスは、金属の中でも、融点が高く、硫化水素や硝酸などの耐薬品性が高いため、ロウ付けの際に受ける金属体へのダメージが小さくすみ、信頼性が高い。

（４）前記セラミック体はハニカム体であり、前記金属体は、前記ハニカム体の外側面を周回するケースであり、前記接合層は、前記ハニカム体の外側面を周回するとともに、前記ハニカム体の前記ケースとの間の空隙部を封止する。
セラミック体であるハニカム体は、ハニカム体の外側面を周回する金属体であるケースに収容される。ハニカム体の外側面には接合層が周回して設けられており、ケースに収容されると、ハニカム体とケースとの間の空隙部を封止する。このため、ケースに流入した流体は、確実にハニカム体の内部を通過することになる。

（５）前記接合体は、前記ハニカム体の外側面を周回する前記接合層を、間隔をあけて複数有する。
ハニカム体の外側面を周回する接合層を複数有するので、ハニカム体とケースとの間の空隙部を複数箇所で封止する。このため、両端の接合層に挟まれた空隙部Ｓは、ハニカム体の両端と隔離された空間を形成することができる。さらに、この空間を利用し、ハニカム体の側面に新たな開口を形成することにより、ハニカム体に異なる流体を導入することができ、例えば熱交換器として利用することができる。

図１に示すように、本発明に係る実施形態の接合体１０は、セラミック製のハニカム体（セラミック体）２０と、このハニカム体２０を収容する容器である金属製パイプ（金属体）３０とを接合層４０で接合したものである。
すなわち、ハニカム体２０は、外周面に接合層４０を巻回して、金属製パイプ３０の内部に収容される。このため、接合層４０は、曲折している。

図１および図２に示すように、ハニカム体２０は、多孔質焼成体（セラミック）により筒状に形成されており、シリコン含浸ＳｉＣで構成されている。なお、ここでは、ハニカム体２０が四角筒形状の場合を例示するが、円筒形状や、多角形筒形状とすることも可能である。
ハニカム体２０は、四角筒形状の外壁２１を有する。外壁２１で囲まれた内部空間２２は、内壁２５によって格子状に区画され、長手方向の一方の端面である第１端面２３から他方の端面である第２端面２４に延びる矩形断面の流路２６を複数有する。

ここで、四角筒形状を含む多角形筒形状の場合、角部はＲ形状となっていても良い。また、多角形筒形状の外周にある角部のなす角度は４５〜１３５°が好ましく、６０〜１２０°がより好ましく、８０〜１１０°がより望ましい。角度が４５°以下の場合、角部のロウ材がロウ付けの際に流動してしまい、ロウ材層が均一な厚さを保てない可能性がある。角度が１３５°以上の場合、角部を含む周辺にのみロウ付けを行う際、ロウ材が表面張力によって集まる可能性がある。

ハニカム体２０の外壁２１の外側面２１１には、ハニカム体２０の長手方向両端部付近に、ベルト状の接合層４０が各々設けられている。接合層４０は、外側面２１１と、ハニカム体２０の長手方向に対して直交する面とが交差する交差線上に設けられている。すなわち、ハニカム体２０が直方体または立方体の場合には、接合層４０は、第１端面２３および第２端面２４と平行に、ハニカム体２０の全周にわたって曲折して設けられる。

図１に示すように、ハニカム体２０を収容する容器、例えばステンレス製の排気管である金属製パイプ３０は、ハニカム体２０を収容する本体部３１を有する。
本体部３１の一方の端部には、本体部３１に流体を供給する流入路３２が、漏斗状の接続部３３を介して接続されている。
また、本体部３１の他方の端部には、本体部３１からの流体を排出する流出路３４が、漏斗状の接続部３５を介して接続されている。
本体部３１には、高さ方向中央付近で分割される蓋部材３６が、設けられている。このため、蓋部材３６を外すことにより、ハニカム体２０を金属製パイプ３０内に収納することができる。蓋部材３６は、金属製パイプ３０の本体部３１にハニカム体２０を収容した後に、ハニカム体２０を覆うように本体部３１に取り付けられ、ハニカム体２０の外側面２１１を周回して覆う。

本体部３１の内面３１１および蓋部材３６の内面３６１には、ハニカム体２０の外周に設けられている接合層４０を係止する係止部３７が、本体部３１および蓋部材３６の長手方向両端部に各々設けられている。各係止部３７は、本体部３１側の係止部３７１と、蓋部材３６側の係止部３７２により構成される。なお、本体部３１および蓋部材３６に係止部３７を設けずに接合層４０を接合しても良い。
係止部３７は、ベルト状の金属製部材であり、蓋部材３６を本体部３１に取り付けることにより、金属製パイプ３０の内面の全周にわたって設けられる。すなわち、一対の係止部３７の長手方向内側端面３７３、３７３間の間隔を、ハニカム体２０に設けられている一対の接合層４０の長手方向外側端面４０１、４０１の間隔に等しいか若干大きめに設定して、一対の接合層４０を外側から係止する。

ハニカム体２０の外形は、金属製パイプ３０の内面よりも小さく形成されている。また、接合層４０の外形は、金属製パイプ３０の内面よりも小さくなく、ハニカム体２０を金属製パイプ３０に収容すると接合層４０の外側面が、金属製パイプ３０の内面に当接する。このため、ハニカム体２０と金属製パイプ３０との間には、接合層４０が設けられていない位置では、空隙部Ｓが生じる。

なお、係止部３７を、ハニカム体２０を係止できる複数の突起等で構成することもできる。また、係止部３７を、一対の係止部３７の長手方向外側端面３７４、３７４間の間隔が、ハニカム体２０に設けられている一対の接合層４０の長手方向内側端面４０２、４０２の間隔に等しいか若干小さめに設定して、一対の接合層４０を内側から係止することも可能である。

図３に示すように、セラミック製のハニカム体２０と金属製パイプ３０とを接合する接合層４０は、ロウ材層４２よりなる。
セラミック製のハニカム体２０は、多孔質のＳｉＣにシリコンが含浸されている。
また、ロウ材層４２は、活性金属ロウ材層よりなる。活性金属ロウ材層としては、Ｔｉ系ロウ材を用いることができる。

次に、接合体１０を製造する手順について説明する。
まず、準備工程として、ハニカム体２０の外側面２１１に全周にわたって、ロウ材層４２を巻回して接合層４０を形成する。
そして、ハニカム体２０の一対の接合層４０を、金属製パイプ３０の本体部３１の一対の係止部３７（３７１）で係止して位置決めする。
次いで、蓋部材３６を本体部３１に取り付けて固定した後に、接合層４０を水素雰囲気内で金属体の融点以下の温度にて加熱し、ロウ材層４２を溶融してロウ付け工程を行う。ロウ付け工程は水素雰囲気中にて加熱することで、各接合面に付着する不動態膜を除去することができるため、接合強度が強くなる。
これにより、ハニカム体２０と金属製パイプ３０との間の空隙部を封止して接合し、接合体１０を製造する。

次に、本実施形態の接合体１０の作用、効果について説明する。

本実施形態の接合体１０によれば、多孔質のＳｉＣにシリコンが含浸されてなるハニカム体２０と金属製パイプ３０とを曲折した接合層４０で接合した接合体１０において、接合層４０としてロウ材層４２を用いた。
ハニカム体２０(セラミック体)は、シリコンが含浸されたＳｉＣ（シリコン含浸ＳｉＣ）よりなり、骨格部分を構成するＳｉＣは、高強度で耐熱性を有しているので金属体と接合し金属体では対応できない部分で高い性能を発揮することができる。ＳｉＣにシリコンを含浸することにより、耐熱性、耐蝕性を維持しながら熱伝導性を高めることができ、発生する熱応力を低減することができる。また、シリコンは、金属的な性質を持ち合わせているのでロウ材との接合力が強く、曲折した部分においても、強い接合力が得られると考えられる。
このため、曲折した部分を有していても、耐熱性、耐蝕性、および高い接合強度を発揮することができると考えられる。

本実施形態の接合体１０によれば、ロウ材層４２は、活性金属ロウ材よりなる。
活性金属ロウ材はハニカム体２０との接合界面を活性化させ、ハニカム体２０とロウ材との濡れ性が向上するので、接合強度を高めることができる。

本実施形態の接合体１０によれば、活性金属ロウ材は、Ｔｉ系ロウ材である。
これにより、活性金属ロウ材はＴｉを含有するのでセラミック体であるハニカム体２０の表面を活性化させ、ハニカム体２０との接合界面にハニカム体２０の材料特有の反応物が生成されるため、ハニカム体２０に対する接合能力を有する。例えば、ハニカム体２０が窒化物ではＴｉＮ、ハニカム体２０が酸化物ではＴｉＯ_２、ハニカム体２０が炭化物ではＴｉＣがハニカム体２０との接合界面に生成される。このため、ハニカム体２０と金属の接合する部分に適用することにより、接合層４０全体の接合強度を高めることができる。例えば、ロウ材としてはＡｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系やＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ａｇ系のロウ材が適用できる。

本実施形態の接合体１０によれば、金属製パイプ３０は、ステンレスである。
ステンレスは、金属の中でも耐蝕性、耐熱性を備えた素材であるので、ハニカム体２０と組み合わせることにより、様々な用途で利用することができる。

本実施形態の接合体１０によれば、ハニカム体２０は、ハニカム体２０の外側面２１１を周回する金属製パイプ３０に収容される。ハニカム体２０の外側面２１１には接合層４０が周回して設けられており、金属製パイプ３０に収容されると、ハニカム体２０と金属製パイプ３０との間の空隙部Ｓを封止する。このため、金属製パイプ３０に流入した流体は、確実にハニカム体２０の内部を通過することになる。

本実施形態の接合体１０によれば、ハニカム体２０の外側面２１１を周回する接合層４０を複数有するので、ハニカム体２０と金属製パイプ３０との間の空隙部Ｓを複数箇所で封止する。このため、両端の接合層に挟まれた空隙部Ｓは、ハニカム体２０の両端と隔離された空間を形成することができる。さらに、この空間を利用し、ハニカム体２０の側面に新たな開口を形成することにより、ハニカム体２０に異なる流体を導入することができ、例えば熱交換器として利用することができる。

本発明の接合体は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。

本発明の接合体は、セラミック体と金属体とを接合層で接合した接合体に用いることができる。

１０ 接合体
２０ ハニカム体（セラミック体）
３０ 金属製パイプ（金属体）
４０ 接合層
４２ ロウ材層
Ｓ 空隙部

Claims (6)

1. 曲折した接合層で接合されたセラミック体と金属体との接合体であって、
   前記接合層は、ロウ材層よりなり、
   前記セラミック体は、シリコン含浸ＳｉＣよりなることを特徴とする接合体。
2. 前記ロウ材層は、活性金属ロウ材よりなることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
3. 前記活性金属ロウ材は、Ｔｉ系ロウ材であることを特徴とする請求項２に記載の接合体。
4. 前記金属体は、ステンレスであることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の接合体。
5. 前記セラミック体はハニカム体であり、
   前記金属体は、前記ハニカム体の外側面を周回するケースであり、
   前記接合層は、前記ハニカム体の外側面を周回するとともに、前記ハニカム体の前記ケースとの間の空隙部を封止することを特徴とする請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の接合体。
6. 前記接合体は、前記ハニカム体の外側面を周回する前記接合層を間隔をあけて複数有することを特徴とする請求項５に記載の接合体。

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