JP2018012116A - セラミック−金属構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却の際にロー付けが剥がれたり、セラミック基体にクラックが生じることを抑制したセラミック−金属構造体を提供する。
【解決手段】パイプ状又はロッド状をなす金属体２が、セラミック基体４の貫通孔４ｈの内側に挿入される、または、貫通孔の直上に配置されてなるセラミック−金属構造体であって、セラミック基体の貫通孔の周囲に配置される環状をなす金属製のパッド層６と、パッド層に対して第１ロー部１０を介して接合されると共に、金属体よりも熱膨張係数が小さい、環状をなすリング部材８と、リング部材と金属体との間に介在する第２ロー部１２と、パッド層の外表面のうち、第１ロー部に面する上面の中央領域６ｃを露出させるようにしてパッド層の外表面を被覆するロー流れ防止層７ａ、７ｂと、を含み、第１ロー部は、ロー流れ防止層の径方向内側及び径方向外側にはみ出ることなく、中央領域とリング部材とを接合してなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックと金属とがロー付けされたセラミック−金属構造体に関する。

従来から、例えばセラミックにコバールからなるフランジをロー付けしておき、このフランジ２内に金属製のパイプ部品を銀ローで接続する技術が知られている（特許文献１）。
この技術によれば、パイプ部品の端部に周状に溝を設け、溶融ロー材をこの溝で堰き止めることで、不要な部分にロー材が流れ込まず、ロー材をロー付け箇所に集中させて強固にロー付けすることができる。

特開平5-277721号公報

ところで、セラミックにロー材が直接接してロー付けされると、両者の熱膨張率の差により、冷却された際にロー付け部に応力が集中し、ロー付けが剥がれたり、セラミックにロー材が直接接していなくてもセラミックとメタライズの界面付近に応力が集中してセラミックにクラックが生じるおそれがある。
そこで、本発明は、冷却の際にロー付けが剥がれたり、セラミック基体にクラックが生じることを抑制し、ロー付けを確実にすることができるセラミック−金属構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセラミック−金属構造体は、パイプ状又はロッド状をなす金属体が、セラミック基体の表面から当該セラミック基体の厚み方向に貫通した貫通孔の内側に挿入される、または、前記貫通孔の直上に同軸状に配置されてなるセラミック−金属構造体であって、前記セラミック基体の前記表面のうち前記貫通孔の周囲に配置されると共に、環状をなす金属製のパッド層と、前記パッド層に対して第１ロー部を介して接合されると共に、前記金属体よりも熱膨張係数が小さい、環状をなすリング部材と、前記リング部材と前記金属体との間に介在し、前記リング部材と前記金属体とを接合する第２ロー部と、前記パッド層の外表面のうち、第１ロー部に面する上面の中央領域を露出させるようにして前記パッド層の外表面を被覆するロー流れ防止層と、を含み、前記第１ロー部は、前記ロー流れ防止層の径方向内側及び径方向外側にはみ出ることなく、前記中央領域と前記リング部材とを接合してなることを特徴とする。

このセラミック−金属構造体によれば、第１ロー部がロー流れ防止層の径方向内側及び径方向外側にはみ出ることがないので、セラミック基体に第１ロー部が直接接することを防止できる。その結果、両者の熱膨張率の差により、冷却された際に第１ロー部に応力が集中し、第１ロー部が剥がれることを抑制できる。
又、ロー流れ防止層が、第１ロー部に面する上面の中央領域を露出させるよういしてパッド層の外表面を覆うことで、このロー流れ防止層は、セラミック基体の表面上に配置されるパッド層の内周面及び外周面を覆うようにしてセラミック基体の表面に接するよう形成される。これにより、最も応力の掛かるセラミック基体と金属製のパッド層の界面上にロー流れ防止層が配置されて強度が向上し、さらに第１ロー部の端部が上記界面よりも内側に配置されることで、当該界面に掛かる応力が緩和される。その結果、セラミック基体にクラックが生じることを抑制し、ロー付けを確実にすることができる。

本発明のセラミック−金属構造体であって、前記リング部材の外径は、前記パッド層の外径よりも小さくなっており、前記第１ロー部は、前記リング部材の外周面に対して接するフィレット形状をなす部位を有してもよい。
第１ロー部がフィレット形状（凹状）をなす部位を有する場合は、リング部材とパッド層との間に溶融ローが十分な濡れ性を持って浸透したことを示し、ロー付け強度が向上する。

本発明のセラミック−金属構造体であって、前記第１ロー部は、前記リング部材の径方向内側に向けて延び、フィレット形状をなす部位を有してもよい。
この部位も、フィレット形状であることでロー付け強度が向上する。

本発明のセラミック−金属構造体であって、前記セラミック基体と前記ロー材流れ防止層とは、主成分が同材質であってもよい。
このセラミック−金属構造体によれば、セラミック基体とロー材流れ防止層の主成分が同材質であるので、両者の密着性に優れる。

本発明のセラミック−金属構造体であって、前記セラミック基体の内部に、前記貫通孔に接続されると共にガスが流れる流路が形成されており、前記金属体はパイプ状であり、前記金属体の内部を介して前記流路と前記セラミック基体の外部とのガスの交換が可能であってもよい。
このセラミック−金属構造体によれば、セラミック基体の内部の流路にパイプ状の金属体を介してガスを導入、導出する際、セラミック基体と金属体とが確実にロー付けされているので、ロー付け部からのガスの漏れ等を抑制でき、安定してガスの交換が行える。

この発明によれば、冷却の際にロー付け（第１ロー部）が剥がれたり、セラミック基体にクラックが生じることを抑制し、ロー付けを確実にすることができるセラミック−金属構造体が得られる。

本発明の実施形態に係るセラミック−金属構造体の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係るセラミック−金属構造体の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るセラミック−金属構造体の別の変形例を示す断面図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態におけるセラミック−金属構造体１００の分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１において、セラミック−金属構造体１００は、パイプ状の金属体２と、貫通孔４ｈを有する略矩形のセラミック基体４と、セラミック基体４の表面のうち貫通孔４ｈの周囲に配置されるパッド層６と、詳しくは後述するロー流れ防止層７ａ、７ｂと、環状をなすリング部材８と、パッド層６とリング部材８とを接合する第１ロー部１０と、リング部材８と金属体２とを接合する第２ロー部１２と、を備える。

セラミック基体４はアルミナを主体とするセラミック焼結体であり、金属体２はステンレスで形成されている。パッド層６は金属製で環状をなし、セラミック基体４と第１ロー部１０との密着性を高めると共に、第１ロー部１０がセラミック基体４に直接接してロー付けされることを防止する。パッド層６は、例えばタングステン及びモリブデンの少なくとも一方を主成分とするペーストをセラミック基体４の未焼成体の表面に印刷後、焼成し、さらに表面にＮｉめっきして形成することができる。

ロー流れ防止層７ａ、７ｂは、例えばセラミック基体４と主成分が同材質である（本例ではアルミナ）材料のペーストをセラミック基体４とパッド層６の両未焼成体の間を跨ぐようにそれぞれ環状に印刷後、セラミック基体４及びパッド層６と同時焼成して形成することができる。
リング部材８は、金属体２よりも熱膨張係数が小さい、例えばコバールで形成されている。
第１ロー部１０及び第２ロー部１２となるロウ材としては、例えばＡｕ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金や、種々の導体材料（例えば、Ｃｕ（銅）やＡｇ（銀））を採用可能である。

セラミック基体４の内部空間には、貫通孔４ｈに連通する流路４ｃ（図２参照）が形成されており、金属体２の内部を介して流路４ｃとセラミック基体４の外部とのガスＧの交換が可能になっている。なお、セラミック基体４の内部では、ガスＧに所定の処理（例えば加熱）を施したり、ガスＧの濃度を検出することができる。

図２に示すように、金属体２は、セラミック基体４の厚み方向に貫通した貫通孔４ｈの内側に挿入され、貫通孔４ｈの軸心ＡＸと同軸状に配置されている。
又、ロー流れ防止層７ａ、７ｂは、パッド層６の外表面のうち、第１ロー部１０に面する上面の中央領域６ｃを露出させるようにしてパッド層６の外表面を被覆している。具体的には、パッド層６の径方向内側の周縁とセラミック基体４との間を跨ぐようにして、環状の内側ロー流れ防止層７ａがパッド層６の上面６ｆよりも隆起して形成されている。又、内側ロー流れ防止層７ａは、パッド層６の内周面を覆いながら、セラミック基体４の表面に接するように形成されている。
同様に、パッド層６の径方向外側の周縁とセラミック基体４との間を跨ぐようにして、環状の外側ロー流れ防止層７ｂがパッド層６の上面６ｆよりも隆起して形成されている。又、外側ロー流れ防止層７ｂは、パッド層６の外周面を覆いながら、セラミック基体４の表面に接するように形成されている。

そして、第１ロー部１０は、内側ロー流れ防止層７ａの径方向内側及び外側ロー流れ防止層７ｂの径方向外側にはみ出ることなく、パッド層６の中央領域６ｃとリング部材８との間に介在して両者をロー付け接合している。
一方、第２ロー部１２は、リング部材８と金属体２との間に介在して両者をロー付け接合している。

このように、第１ロー部１０がロー流れ防止層７ａ、７ｂの径方向内側及び径方向外側にはみ出ることがないので、セラミック基体４に第１ロー部１０が直接接することを防止できる。又、最も応力の掛かるセラミック基体４と金属製のパッド層６との界面上にロー流れ防止層７ａ、７ｂを設けることにより強度が向上し、さらに第１ロー部１０の端部が上記界面よりも内側に配置されることで、当該界面に掛かる応力が緩和される。その結果、両者の熱膨張率の差により、冷却された際に第１ロー部１０に応力が集中し、第１ロー部１０が剥がれたり、セラミック基体４にクラックが生じることを抑制し、ロー付けを確実にすることができる。

又、本実施形態では、リング部材８の外径Ｄ１は、パッド層６の外径Ｄ２よりも小さくなっており、第１ロー部１０は、リング部材８の外周面に対して接するフィレット形状をなす部位１０ａを有する。このように、第１ロー部１０がフィレット形状（凹状）をなす部位１０ａを有する場合は、リング部材８とパッド層６との間に溶融ローが十分な濡れ性を持って浸透したことを示し、ロー付け強度が向上する。
同様に、本実施形態では、第１ロー部１０は、リング部材８の径方向内側に向けて延び、フィレット形状をなす部位１０ｂを有する。この部位１０ｂも、フィレット形状であることでロー付け強度が向上する。
又、本実施形態では、セラミック基体４とロー材流れ防止層７ａ、７ｂとは、主成分が同材質であるので、両者の密着性に優れる。

本実施形態のセラミック−金属構造体１００は例えば次のようにして製造することができる。
まず、セラミック基体４のパッド層６の上に第１ロー部１０となる第１ロー材を配置し、第１ロー材の上にリング部材８を配置する。次に、リング部材８及びセラミック基体４の貫通孔４ｈの内側に金属体２を挿入した状態で、金属体２を治具等で保持する。さらに、金属体２とリング部材８の間に第２ロー部１２となる第２ロー材を配置する。
そして、全体を加熱して第１ロー材及び第２ロー材を一度に溶融させ、ロー付けする。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、図３に示すように、金属体２の先端２ｆが、貫通孔４ｈの周囲のセラミック基体４の表面に突き当たるようにして貫通孔４ｈと同軸状に配置されてもよい。又、図３の例では、第１ロー部１０と第２ロー部１２とは、リング部材８の径方向内側の部位Ｒで一体となっている。この場合、パッド層６とリング部材８とを接合する部位を「第１ロー部１０」とし、リング部材８と金属体２とを接合する部位を「第２ロー部１２」とするが、第１ロー部１０と第２ロー部１２が同材質の場合、両者の境界は明確でなくてもよい。
又、図４に示すように、金属体２の外径Ｄ３が、貫通孔４ｈの径Ｄ４よりも大きく、この金属体２が貫通孔４ｈの直上に軸心ＡＸと同軸状に配置されてもよい。

なお、上記実施形態においては、金属体２がパイプ状であったがロッド状であってもよい。

２ 金属体
４ セラミック基体
４ｃ 流路
４ｈ 貫通孔
６ パッド層
６ｃ パッド層の中央領域
７ａ、７ｂ ロー流れ防止層
８ リング部材
１０ 第１ロー部
１０ａ、１０ｂ フィレット形状をなす部位
１２ 第２ロー部
１００ セラミック−金属構造体
ＡＸ 貫通孔の軸心
Ｄ１ リング部材の外径
Ｄ２ パッド層の外径
Ｇ ガス

Claims (5)

1. パイプ状又はロッド状をなす金属体が、セラミック基体の表面から当該セラミック基体の厚み方向に貫通した貫通孔の内側に挿入される、または、前記貫通孔の直上に同軸状に配置されてなるセラミック−金属構造体であって、
   前記セラミック基体の前記表面のうち前記貫通孔の周囲に配置されると共に、環状をなす金属製のパッド層と、
   前記パッド層に対して第１ロー部を介して接合されると共に、前記金属体よりも熱膨張係数が小さい、環状をなすリング部材と、
   前記リング部材と前記金属体との間に介在し、前記リング部材と前記金属体とを接合する第２ロー部と、
   前記パッド層の外表面のうち、第１ロー部に面する上面の中央領域を露出させるようにして前記パッド層の外表面を被覆するロー流れ防止層と、を含み、
   前記第１ロー部は、前記ロー流れ防止層の径方向内側及び径方向外側にはみ出ることなく、前記中央領域と前記リング部材とを接合してなる
   ことを特徴とするセラミック−金属構造体。
2. 請求項１に記載のセラミック−金属構造体であって、
   前記リング部材の外径は、前記パッド層の外径よりも小さくなっており、前記第１ロー部は、前記リング部材の外周面に対して接するフィレット形状をなす部位を有する、セラミック−金属構造体。
3. 請求項１又は請求項２に記載のセラミック−金属構造体であって、
   前記第１ロー部は、前記リング部材の径方向内側に向けて延び、フィレット形状をなす部位を有する、セラミック−金属構造体。
4. 請求項１〜請求項３に記載のセラミック−金属構造体であって、
   前記セラミック基体と前記ロー流れ防止層とは、主成分が同材質である、セラミック−金属構造体。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のセラミック−金属構造体であって、
   前記セラミック基体の内部に、前記貫通孔に接続されると共にガスが流れる流路が形成されており、前記金属体はパイプ状であり、前記金属体の内部を介して前記流路と前記セラミック基体の外部とのガスの交換が可能なセラミック−金属構造体。

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