JP2541837B2 - セラミックスと金属との接合体の製造方法 - Google Patents

セラミックスと金属との接合体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ろう材を用いて接合を行なうセラミックス
と金属との接合体の製造方法に関する。
[従来の技術] 従来より、アルミナやジルコニア等の酸化物系セラミ
ックスと金属との接合方法としては、高融点金属法が行
われていた。この高融点金属法は、Mo−Mnを有機バイン
ダに含ませたペーストを、セラミックスの表面に塗布
し、水素雰囲気中で焼成してメタライズ層を設け、更に
その表面にNiメッキを行った後にシンター処理し、Agろ
う材を用いてセラミックスと金属との接合を行うもので
ある。
また、窒化珪素や炭化珪素等の比酸化物系セラミック
スと金属の接合方法としては、活性金属法が行われてい
た。この活性金属法は、Tiなどの活性金属を含む活性ろ
う材を用いてセラミックスと金属の接合を行うものであ
る。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、前者の高融点金属法を、酸化物系セラ
ミックス、特に高純度のアルミナセラミックスやジルコ
ニアセラミックスと金属との接合に適用した場合には、
十分な接合強度は得られるが、多くの接合作業の工程が
必要であり、更に、焼成時の雰囲気及び温度の管理を厳
密に行う必要があり、その操作が複雑であるという問題
点があった。
一方、後者の活性金属法は、接合工程が少なく簡単な
方法であるが、酸化物系セラミックスと金属との接合に
適用した場合には、セラミックス、特に高純度のアルミ
ナセラミックスやジルコニアセラミックスとろう材との
濡れ性が不十分で信頼性の高い接合が得られないという
問題点があった。
本発明は、セラミックス、特に酸化物系セラミックス
である高純度のアルミナセラミックスやジルコニアセラ
ミックスと金属との接合の作業が容易で、かつ信頼性の
高い接合が得られるセラミックスと金属との接合体の製
造方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] かかる問題点を解決するための本発明の構成は、 セラミックスと金属との接合体の製造方法において、
セラミックスの表面にMn,Cr又はTiのうち1種又は2種
以上の金属,或はそれらの合金を蒸着させた後に、酸素
を含んだ雰囲気にて加熱し、その後、Ag−Cu−Ti系の活
性ろう材を用いて、セラミックスと金属とを接合するこ
とを特徴とするセラミックスと金属との接合体の製造方
法を要旨とする。
ここで、セラミックスとは、酸化物系セラミックスや
非酸化物系セラミックスであり、酸化物系セラミックス
とは、例えばアルミナセラミックス,ジルコニアセラミ
ックス,チタニアセラミックス等である。また、非酸化
物系セラミックススとは、例えば窒化珪素,サイアロ
ン,炭化珪素等である。
また、金属とは、例えばニッケル,銅,炭素鋼などの
鉄等の通常の金属である。更に、接合に用いるろう材と
しては、Ag−Cu−Ti系の活性ろう材を使用するが、その
成分比として、Ag:Cu:Ti=25〜98:20〜40:0.1〜5の範
囲を用いることができる。このうち、Ag:Cu:Ti=64〜7
2:25〜30:1.5〜3の範囲の活性ろう材が、溶融温度,Ti
による濡れ性,及びAgやCuと接合する金属とのろう付性
の上からも好適である。
[作用] 本発明のセラミックスと金属との接合体の製造方法で
は、セラミックスの表面にMn,Cr又はTi,或はそれらを含
有する合金を蒸着させることにより、セラミックスの表
面としっかり結び付いたMn,Cr又はTi,或はそれらを含有
する合金の薄い被膜を容易に形成することができる。次
に、上記蒸着によって形成した被膜を、例えば空気等の
酸素を含んだ雰囲気にて加熱するので、蒸着した金属
(Mn,Cr又はTi)が酸化する。この金属の酸化物は、活
性ろう材中の活性金属であるTiと結合しやすいので、ろ
う材の濡れ性が向上する。従って、その後、Ag−Cu−Ti
系の活性ろう材をセラミックスと金属との間に置いて加
熱し、活性ろう材を溶融して接合する際に、通常のろう
材として接合力に加えて、上記濡れ性の向上という点
で、セラミックスと金属との接合をより強固にする。
[実施例] 以下本発明の一実施例を図面に従って説明する。
第1図は本実施例のセラミックスと金属との接合体の
製造方法の工程を示し、第2図は接合によって形成され
たセラミックスと金属との接合体1の断面を示してい
る。
第2図に示す様に、この接合体1は図の下から、アル
ミナ部材2,Mn層3,活性ろう材4,ニッケル板5,第1のろう
材6,タングステン板7,第2のろう材8,ニッケル棒9の順
で積層されている。
次に、これらの部材及びその接合体の製造方法につい
て詳細に説明する。尚、本実施例のアルミナ部材2が上
記セラミックスに該当し、ニッケル棒9が上記金属に該
当するものであり、このアルミナ部材2とニッケル棒9
とを強固に接合するセラミックスと金属との接合体の製
造方法である。
まず、アルミナ部材2として、高純度のアルミナセラ
ミックス(純度99.9%)の円柱状の部材用い、10-4Torr
以下の真空中で図示しないMnの粉末又は板を、1500℃〜
200℃で1分〜2分間加熱する。この加熱によって、ア
ルミナ部材2の表面にMnを蒸着させて、厚さ約1μm以
下の薄いMn層3を形成する(蒸着工程…I)。
次に、Mnを蒸着したアルミナ部材2を、空気中で1650
℃に保って15分間加熱し、酸化反応拡散処理を行う。こ
の酸化反応拡散処理は、Mnを酸化させることにより、活
性ろう材4との濡れ性を向上させるための処理である
(酸化反応拡散工程…II)。
次に、Mn層3の表面に厚さ0.1mmの活性ろう材4を置
く。この活性ろう材4は、Ag,Ti,Cuの重量比がAg:Ti:Cu
=71:27:2のAg−Ti−Cu系の活性ろう材4である。更
に、この活性ろう材4の上に、上述したように、順次、
各部材を積層する。即ち、活性ろう材4と直接に接する
厚さ0.8〜1.2mmのニッケル板5,厚さ0.1mmの第1のAg−C
u系のろう材(JIS規格BAg8)6,厚さ2mmのタングステン
板7,厚さ0.1mmの第2のAg−Cu系のろう材(JIS規格BAg
8)8,ニッケル棒9の順で積層する。ここで、上記ニッ
ケル板6とタングステン板8は、接合するアルミナ部材
2とニッケル棒9との間の熱膨張差による残留応力の緩
和のために用いられるものである。また、第1及び第2
のAg−Cu系のろう材6,8は、ニッケル板5とタングステ
ン板7,タングステン板7とニッケル棒9等の金属同志を
接合するために用いられるろう材である(積層工程…II
I)。
そしてこの積層して固定した状態で、10-5Torrの真空
中で850℃に保って約30分間加熱することにより、Ag−C
u−Ti系の活性ろう材4と第1及び第2のAg−Cu系のろ
う材7,9を溶融させて、アルミナ部材2とニッケル棒3
とのろう付を行う。
即ち、この加熱によって、上記酸化反応拡散処理によ
って酸化されたMn層5の表面で、Ag−Ti−Cu系の活性ろ
う材4を溶融させることにより、酸化活性を有するTiと
酸化マンガンの酸素が結び付いて、活性ろう材4がなじ
みやすくなり、ろう付の際の濡れ性が向上する。それに
よって、アルミナ部材2とニッケル板6が強固に接合す
る。また、活性ろう材4が溶融するとともに、第1及び
第2のろう材7,9も溶融し、ニッケル板6,タングステン
板8,及びニッケル棒3を接合する。その結果、高純度の
セラミックスであるアルミナ部材2と金属であるニッケ
ル棒3とを強固に接合することができる。(加熱工程…
IV) 次に、この様にして接合したアルミナ部材2と、ニッ
ケル棒3との接合の強度を確認するために行った実験例
について説明する。
(実験例) まず、この実施例のアルミナ部材2とニッケル棒3と
の接合体1を、直径10mmの円柱状に成形する。そしてこ
の接合体1について、下方から2点で支え、上方から2
点で押圧する周知の4点まげ試験を行った。その試験の
実験条件は、クロスヘッドスピード0.5mm/分,上部スパ
ン18mm,下部スパン40mmとし、大気中でかつ室温で実験
を行った。この実験結果を表に示す。尚、実験例1〜4
は実施例のニッケル板5の厚さを変えたものであり、比
較例は、Mn蒸着を行わずに接合したものである。
この表から明らかなように、Mn蒸着を行った後に、活
性ろう材4で接合した実験例No.1〜No.4の接合体1は、
破断強度が21.3kg/mm2以上と大きく、その破断も接合部
分ではなくセラミックスであるアルミナ部材2で生じて
いる。即ち、本実施例では十分大きな接合強度が得られ
る。尚、接合の際に用いるニッケル板5の厚さが0.9mm
〜1.2mmの範囲であれば、破断強度が23.4kg/mm2以上と
一層好適である。一方、Mn蒸着を行わずに活性ろう材4
で接合した比較例は、破断強度も18.8kg/mm2と小さく、
破断も接合面で生じてしまい十分な強度が得られない。
即ち、アルミナ部材2の表面にMnを蒸着した後に、酸
化反応拡散処理を行い、Ag−Cu−Ti系の活性ろう材4及
び上述した各種の接合のための部材を介して、アルミナ
部材2とニッケル棒3とをろう付することにより、アル
ミナ部材2とニッケル棒4とを、非常に簡単な工程で強
固に接合することができる。
尚、上記実施例で、蒸着する金属としてMnについて述
べたが、Cr又はTiを蒸着しても同様な強度が得られるの
で好適である。また酸化物系セラミックスとして、アル
ミナセラミックスを例示したが、アルミナセラミックス
以外の酸化物系セラミックス、例えばジルコニアセラミ
ックス等に適用できることはもちろんであり、更に酸化
物系セラミックス以外にも、窒化珪素,サイアロン等の
非酸化物系セラミックスにも適用できる。その上、金属
に関してもニッケル以外に各種の金属に適応できること
はもちろんである。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、セラミックス
の表面にMn,Cr又はTi,或はそれらを含有する合金を蒸着
させた後に、Ag−Cu−Ti系の活性ろう材を用いて、セラ
ミックスと金属とを接合するので、セラミックスと金属
との接合作業の工程が少なくかつ容易である。特に本発
明では、活性ろう材を用いてろう付けする際に、予め酸
素を含んだ雰囲気にて加熱することにより、蒸着した金
属が酸化するので、活性ろう材との濡れ性が向上し、そ
れによって接合力が大きくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本実施例の接合の工程を示す説明図、第2図は
接合体の断面図である。 2……アルミナ部材(アルミナセラミックス) 3……ニッケル棒 4……活性ろう材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 成田 敏夫 北海道札幌市北区新琴似1条9丁目7― 8 (56)参考文献 特開 昭60−81069(JP,A) 特開 昭62−72472(JP,A) 特公 昭33−9285(JP,B1) 高塩治男外2名編「実用セラミック接 合とハイテクろう付」美巧社(昭62−6 −21)P.65

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミックスと金属との接合体の製造方法
    において、セラミックスの表面にMn,Cr又はTiのうち1
    種又は2種以上の金属,或はこれらの金属を含む合金を
    蒸着させた後に、酸素を含んだ雰囲気にて加熱し、その
    後、Ag−Cu−Ti系の活性ろう材を用いて、セラミックス
    と金属とを接合することを特徴とするセラミックスと金
    属との接合体の製造方法。
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