JP2803111B2 - セラミックスの接合方法 - Google Patents

セラミックスの接合方法

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JP2803111B2 JP29170088A JP29170088A JP2803111B2 JP 2803111 B2 JP2803111 B2 JP 2803111B2 JP 29170088 A JP29170088 A JP 29170088A JP 29170088 A JP29170088 A JP 29170088A JP 2803111 B2 JP2803111 B2 JP 2803111B2
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Description

【発明の詳細な説明】 a. 産業上の利用分野 本発明はアルミナを含む複合セラミックスの接合方法
に関する。
b. 従来の技術と解決しようとする課題 アルミナ(Al2O3)は、その電気絶縁性のため点火プ
ラグ,IC基板等に数多く使用されている。そのため大量
生産されておりコストが安いというメリットがあるが、
靭性が低く構造材料としての応用範囲はかなり限定され
ている。近年,ジルコニア(ZrO2)添加によるアルミナ
の高強度,高靭性化が盛んに行われているが、コストの
上昇を招来するという問題点がある。また、セラミック
ス同志の拡散による接合は従来から行われているが、セ
ラミックスがある温度域で容易に塑性変形することを利
用した例はない。従来の技術では接合面における接触面
積を大きくするため、平滑な接合面と大きな圧力を必要
とし、迅速な接合が行えなかった。
また、熱間静水圧プレス(HIP)、あるいは熱間プレ
ス(HP)により焼結されたアルミナ/ジルコニア複合セ
ラミックスは高強度セラミックスとして注目されている
が、これらの焼結法は高温で高圧を必要とするため、大
きなものを焼結する場合には、装置および技術面におい
て困難な点が多い。
また、近年、アルミナにSicウイスカー等を分散させ
ることにより、高強度,高靭性化がはかられている。と
ころが、Sicウイスカー,ファイバーは高価であるた
め、これらで分散強化をおこなうと、コストが大幅に上
昇するとともに、焼結性が著しく低下し、大きな焼結体
を得ることが困難であった。
c. 課題を解決するための手段 本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記課題
を解決してなるセラミックスの接合方法を提供しようと
するものである。
すなわち、本発明においてはアルミナ/ジルコニア複
合セラミックスとアルミナとの接合、HIPあるいはHPに
より焼結されたアルミナ/ジルコニア複合セラミックス
同志、あるいは、この複合セラミックスと常圧焼結され
たアルミナ/ジルコニア複合セラミックスとの接合、層
状に重ねた組成の異なるアルミナ/ジルコニア複合セラ
ミックスと、この層状複合セラミックスを介設しておこ
なうアルミナとジルコニアの接合、アルミナと、アルミ
ナ/ウイスカーあるいはファイバー複合セラミックスと
の接合について本発明の方法を適用するものである。
本発明はアルミナを含む複合セラミックスの接合条件
を温度1000〜1600℃,加圧応力15kg/mm2以下,歪速度10
-3/sec以下,結晶粒径アルミナ3μm以下として、拡散
により接合することによって前記課題を解消した。
さらに互いに組成の近似したアルミナ/ジルコニア複
合セラミックスを複数層に重ね、これをアルミナとジル
コニアの間に介設して、前記接合条件により一体に接合
することによって前記課題を解消した。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳
細に説明する。
本発明の方法を適用する第1の対象としてアルミナ/
ジルコニア複合セラミックスとアルミナの接合について
述べる。
本発明ではアルミナの複合セラミックスとして、アル
ミナ/ジルコニア複合セラミックスを用いる。このアル
ミナ/ジルコニア複合セラミックスは、そのなかにSic
粒子あるいはSicファイバー、ウイスカー等を含むもの
でもよい。結晶粒の粒径は、アルミナ,ジルコニアとも
に3μm以下であることがよく、2μm以下であること
がより好ましい。結晶粒が3μmを越える場合は、容易
に塑性変形せず、加圧中にクラックが生ずるおそれがあ
る。
一方、接合されるアルミナとして、大気中で例えば約
1600℃で焼結されたアルミナ焼結品を用いる。
アルミナ/ジルコニア複合セラミックスと、これと接
合するアルミナとは1000〜1600℃の接合温度範囲をもっ
て接合する。1000℃未満の接合温度では容易に塑性変形
しないため不可である。また1600℃を超える接合温度に
なると結晶粒の成長が著しく弱くなり、完全な接合がで
きない。
加圧条件は、変形応力が15kg/mm2以下であって、その
加圧時の変形速度は1×10-3/sec以下とする。変形応力
が15kg/mm2以上となると、加圧中にクロックが発生す
る。また変形速度を1×10-3/sec以上とすると結晶粒界
にキャビティの生成と成長が著しくなり、強度が低下す
る。
次に本発明の方法を適用する第2の対象としてアルミ
ナ/ジルコニア複合セラミックス同志の接合に用いる。
すなわち、HIPもしくはHPにより焼結される高強度,高
靭性アルミナ/ジルコニア複合セラミックス同志、もし
くはこの複合セラミックスと常圧焼結されたアルミナ/
ジルコニア複合セラミックスを接合するものである。
この接合対象の接合方法は前記第1の対象の場合と同
一の条件によっておこなえばよい。
また、本発明の方法を適用する第3の対象は、組成の
近似した複数のアルミナ/ジルコニア複合セラミックス
を層状に重ね、これを介してアルミナとジルコニアとを
接合するものである。
すなわち、アルミナ/ジルコニア複合セラミックス
は、アルミナと直接々合する側において、アルミナの組
成の多い複合セラミックスとし、ジルコニアと直接々合
する側においてジルコニアの組成の多い複合セラミック
スとして、このいくつかの組成の異なる複数のアルミナ
/ジルコニア複合セラミックスを重ねて、層状のアルミ
ナ/ジルコニア複合セラミックスとして、この複合セラ
ミックスを介設してアルミナとジルコニアとを接合する
ものである。
この接合対象の接合要領は前記第1の対象における接
合条件と同様である。
さらに、本発明の方法における第4の対象は、アルミ
ナと、Sicウイスカー、ファイバー等を分散したアルミ
ナ複合セラミックスとを接合するものである。
その接合条件は前記第1の対象の場合と同じに処理す
ればよい。
d. 実施例 実施例1 第1図に示すように冷間静水圧プレスにより
成形され大気中1600℃で焼結されたアルミナ(材寸25×
20×15mm)1aと、冷間静水圧プレスにより大気中1600℃
で焼結されたイットリアを3モル%固溶したジルコニア
を15体積%含んだアルミナ/ジルコニア複合セラミック
ス(材寸25×20×15mm)2aとを第1図に示す要領で当接
し接合した。接合条件は大気中1450℃,圧縮速度0.05mm
/min,変形量1mm(加圧方向)とした。
また、接合前の曲げ強度はアルミナが40kg/mm2,アル
ミナ/ジルコニア複合セラミックスが70kg/mm2である。
接合強度を求めるため接合体から3×4×40mmの曲げ試
験片に加工し、JISR1601に従って4点曲げ試験を行っ
た。求められた接合強度は約30kg/mm2であり、これはア
ルミナ単味の約80%という高い値を示した。
実施例2 アルゴンガス中1500℃,100MPaで熱間静水圧
プレスにより焼結されたアルミナを20重量%含んだイッ
トリア3モル%固溶ジルコニア/アルミナ複合セラミッ
クス(材寸25×20×15mm)同志1b,2bを、第1図に示す
容量で当接し接合した。また、接合条件は大気中1450
℃,圧縮速度0.05mm/min,変形量2mm(加圧方向)とし
た。
接合前の曲げ強度は約180kg/mm2である。接合強度を
求めるため接合体から3×4×40mmの曲げ試験片に加工
し、JISR1601に従って4点曲げ試験を行った。求められ
た接合強度は約80kg/mm2と高い強度を示した。
実施例3 アルゴンガス中1550℃,100MPaで熱間静水圧
プレスにより焼結されたアルミナを80重量%含んだイッ
トリア3モル%固溶ジルコニア/アルミナ複合セラミッ
クスと、冷間静水圧プレスにより成形され、大気中1600
℃で常圧焼結されたアルミナを80重量%含んだイットリ
ア3モル%固溶ジルコニア/アルミナ複合セラミックス
とを接合した。
材寸および接合条件は実施例2と同様である。
接合前の曲げ強度は熱間静水圧プレスしたものが約10
0kg/mm2,常圧焼結したものが約70kg/mm2である。接合強
度を求めるため実施例2と同様に曲げ試験を行った。求
められた接合強度は約50kg/mm2と高い強度を示した。
実施例4 第2図に示すようにアルミナ(材寸20×25×
15mm)3とイットリア3モル%固溶した部分安定化ジル
コニア(材寸20×25×15mm)7との間に、組成を変えた
イットリア3モル%固溶ジルコニア/アルミナ複合セラ
ミックス(材寸20×25×3mm)を3層インサートし接合
した。すなわち、イットリア3モル%固溶ジルコニア25
%vol%/アルミナ75vol%複合セラミックス4と、イッ
トリア3モル%固溶ジルコニア50vol%/アルミナ50vol
%複合セラミックス5と、イットリア3モル%固溶ジル
コニア75vol%/アルミナ25vol%複合セラミックス6と
を重ねて接合した。接合条件は大気中1500℃,圧縮速度
0.05mm/min,全体の変形量2mm(加圧方向)とした。
また、接合前の曲げ強度はアルミナが40kg/mm2、イッ
トリア3モル%固溶ジルコニア25vol%/アルミナ75vol
%が約70kg/mm2,イットリア3モル%固溶ジルコニア50v
ol%/アルミナ50vol%が約100kg/mm2,イットリア3モ
ル%固溶ジルコニア75vol%/アルミナ25vol%/が約12
0kg/mm2,イットリア3モル%固溶部分安定化ジルコニア
が約100kg/mm2であった。
接合強度を求めるため接合体を加工して3×4×40mm
の曲げ試験片を作り、JISR1601に定める方法に従って4
点曲げ試験を行ったところ約30kg/mm2と高い接合強度が
得られた。
実施例5 冷間静水圧プレスにより成形され、大気中16
00℃で焼結されたアルミナ(材寸25×20×15mm)1cと、
アルゴンガス中1800℃,30MPaで熱間プレスにより焼結さ
せたSicウイスカーを20vol%含んだアルミナ/Sicウイス
カー複合セラミックス(材寸25×20×15mm)2cとを第1
図に示す要領で当接し、接合した。
接合条件は大気中1500℃,圧縮速度0.05mm/min,変形
量1mm(加圧方向)とした。
また、接合前の曲げ強度はアルミナが約40kg/mm2,ア
ルミナ/Sicウイスカー複合セラミックスが約60kg/mm2
あった。
接合強度を求めるため接合体を加工して3×4×40mm
の曲げ試験片を作りJISR1601に定める方法に従って4点
曲げ試験を行った。求められた接合強度は約30kg/mm2
アルミナ単味の約80%という高い値を示した。
e. 発明の効果 以上、本発明の方法により次のような効果がえられ
る。
第1,第3,第4の各適用対象によって低コストであり
ながら強度と靭性が低いため適用範囲が限られていたア
ルミナの応用範囲を大幅に広げることができ、工業的価
値は極めて大である。
また第2の適用対象によってHIPもしくはHPにより
焼結される高強度,高靭性の複合セラミックスを容易に
大型化することができ、上記と同様な効果がえられる。
いずれの適用対象においても、塑性変形により接触
面積が急速に増加するため従来の拡散接合に比べ、すば
やく接合でき接合面の表面粗さの影響も少ない。しかも
低い応力で容易に変形するため加圧する圧力も小さくて
良い。
第1,第2,第3の適用対象において、必要な部分のみ
高強度,高靭性化することが可能となり、全体をジルコ
ニアで強化することに比べて大幅なコストダウンにつな
がる。また第4の適用対象においても、Sicウイスカー
等で強化することに比べて大幅なコストダウンにつなが
る。
第3の適用対象において、ジルコニアは熱膨張係数
が大きいため、金属との嵌合に適しており、ジルコニア
を介してアルミナと金属との接合も可能となる。
【図面の簡単な説明】 第1図及び第2図は、本発明に係るセラミックスの接合
方法の接合要領を説明する説明図である。 1a・1c……アルミナ、 1b……ジルコニア/アルミナ複合セラミックス、 2a・2b……アルミナ/ジルコニア複合セラミックス、 2c……アルミナ/Sicウイスカー複合セラミックス、 3……アルミナ、 4,5,6……アルミナ/ジルコニア複合セラミックス、 7……ジルコニア。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミナを含む複合セラミックスの接合条
    件を、 温度 1000〜1600℃ 加圧応力 15kg/mm2以下, 歪速度 10-3/sec以下, 結晶粒径 アルミナ3μm以下 として、拡散により接合することを特徴とするセラミッ
    クスの接合方法。
  2. 【請求項2】接合するセラミックスが、アルミナ/ジル
    コニア複合セラミックス同志、またはその一方または両
    方が高強度の複合セラミックス、またはアルミナ/ジル
    コニア複合セラミックスとアルミナ、またはアルミナ/
    ジルコニア複合セラミックスとジルコニア、またはアル
    ミナとウイスカーあるいはファイバーを含む複合セラミ
    ックスであることを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載のセラミックスの接合方法。
  3. 【請求項3】互いに組成の近似したアルミナ/ジルコニ
    ア複合セラミックスを複数層に重ね、これをアルミナと
    ジルコニアの間に介設して前記接合条件により一体に接
    合することを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
    セラミックスの接合方法。
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