JP2822200B2 - Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding - Google Patents

Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding

Info

Publication number
JP2822200B2
JP2822200B2 JP1085122A JP8512289A JP2822200B2 JP 2822200 B2 JP2822200 B2 JP 2822200B2 JP 1085122 A JP1085122 A JP 1085122A JP 8512289 A JP8512289 A JP 8512289A JP 2822200 B2 JP2822200 B2 JP 2822200B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceramics
aluminum alloy
mol
silicon nitride
bonding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP1085122A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH02263770A (en
Inventor
康 福沢
紘一 田中
和之 橋本
Original Assignee
スカイアルミニウム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by スカイアルミニウム株式会社 filed Critical スカイアルミニウム株式会社
Priority to JP1085122A priority Critical patent/JP2822200B2/en
Publication of JPH02263770A publication Critical patent/JPH02263770A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2822200B2 publication Critical patent/JP2822200B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明はアルミニウム合金と接合して用いられる窒
化珪素系のセラミックスに関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride ceramic used in connection with an aluminum alloy.

従来の技術 近年、セラミックスの利用分野がますます拡大しつつ
あり、その一方では、セラミックスの有する優れた特
性、例えば断熱性や耐熱性等と、金属の有する特性、例
えば高靱性や高熱伝導性、導電性等との両者を同時に活
用するべく、セラミックスと金属とを接合した複合部
材、複合部品が種々の分野で使用されるようになってい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, the fields of application of ceramics are expanding more and more, while, on the other hand, the excellent properties of ceramics, such as heat insulation and heat resistance, and the properties of metals, such as high toughness and high thermal conductivity, In order to simultaneously utilize both conductivity and the like, composite members and composite parts in which ceramic and metal are joined have been used in various fields.

ところで、セラミックスと金属との接合には、従来か
ら接着剤を用いることが行なわれているが、接着剤を用
いた場合は充分な接合強度を得ることが困難であり、特
にセラミックスと金属との熱膨張率の差によって接合面
で剥離し易い問題がある。
By the way, adhesives have conventionally been used for joining ceramics and metals. However, it is difficult to obtain sufficient joining strength when an adhesive is used. There is a problem that peeling easily occurs at the joint surface due to a difference in thermal expansion coefficient.

セラミックスと金属とを強固に接合するためには、接
合界面で原子レベルでの接合がなされること、すなわち
いわゆる金属接合がなされることが望ましいが、セラミ
ックスは非金属であるため、両者間を直接金属接合する
ことは困難とされていた。
In order to bond ceramics and metal firmly, it is desirable that bonding at the atomic level be performed at the bonding interface, that is, so-called metal bonding is performed. However, since ceramics are nonmetallic, direct bonding between them is required. It has been difficult to perform metal bonding.

そこで最近では、比較的高い接合強度を得る方法とし
て、セラミックスと金属とを拡散接合させることが考え
られており、その一つとしては、窒化珪素(Si3N4)系
セラミックスとアルミニウム合金とを拡散接合すること
が考えられている。
Therefore, recently, diffusion bonding of ceramics and metal has been considered as a method of obtaining relatively high bonding strength. One of the methods is to use a silicon nitride (Si 3 N 4 ) -based ceramic and an aluminum alloy. Diffusion bonding is considered.

発明が解決しようとする課題 窒化珪素系セラミックスには主成分の窒化珪素のほ
か、一般に種々の焼結助剤が含まれているのが通常であ
るが、従来は前述のように窒化珪素系セラミックスとア
ルミニウム合金とを拡散接合する場合における接合強度
に及ぼす焼結助剤の種類や量についてまで充分に考慮さ
れていないのが実情である。すなわち、本発明者等の実
験・研究によれば、窒化珪素系セラミックスとアルミニ
ウム合金とを拡散接合する場合における接合強度は、セ
ラミックスに含まれる焼結助剤の種類や量によって大き
く異なることが明らかになっており、また必要以上に接
合強度を高くした場合、窒化珪素系セラミックスの機械
的特性(破壊靱性値、ヤング率、硬度等)が劣ることが
あることも判明しているが、従来は、これらの点につい
て充分に検討されていなかったため、セラミックス自体
の機械的特性が充分に優れると同時にアルミニウム合金
と充分に高い接合強度で拡散接合することができる窒化
珪素系セラミックスは実用化されていなかったのであ
る。
Problems to be Solved by the Invention Silicon nitride-based ceramics generally contain various sintering aids in addition to silicon nitride as a main component, but conventionally, as described above, silicon nitride-based ceramics The fact is that the type and amount of the sintering aid that affects the bonding strength in the case of diffusion bonding of aluminum and an aluminum alloy are not sufficiently considered. That is, according to experiments and studies by the present inventors, it is clear that the bonding strength when diffusion bonding silicon nitride-based ceramics and an aluminum alloy greatly differs depending on the type and amount of a sintering aid contained in the ceramics. It has been found that mechanical properties (fracture toughness, Young's modulus, hardness, etc.) of silicon nitride ceramics may be inferior if bonding strength is increased more than necessary. However, since these points have not been sufficiently studied, silicon nitride ceramics that have sufficiently excellent mechanical properties at the same time as being capable of being diffusion bonded with an aluminum alloy with sufficiently high bonding strength have not been put to practical use. It was.

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、
機械的特性を低下させることなく、アルミニウム合金と
高い接合強度で拡散接合することができるようにした窒
化珪素系セラミックスを提供することを目的とするもの
である。
The present invention has been made in view of the above circumstances,
It is an object of the present invention to provide a silicon nitride-based ceramic which can be diffusion-bonded to an aluminum alloy with high bonding strength without deteriorating mechanical properties.

課題を解決するための手段 本発明者等が、前述のように機械的特性を低下させる
ことなくアルミニウム合金との拡散接合における接合強
度を高め得るような焼結助剤の配合を見出すべく、鋭意
実験・検討を進めた結果、焼結助剤として特定量のイッ
トリア(Y2O3)、アルミナ(Al2O3)、およびジルコニ
ア(ZrO2)を同時に用いることが有効であることを見出
し、この発明をなすに至った。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have been eager to find a compounding of a sintering aid that can increase the bonding strength in diffusion bonding with an aluminum alloy without lowering the mechanical properties as described above. As a result of experiments and studies, it was found that it is effective to simultaneously use specific amounts of yttria (Y 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), and zirconia (ZrO 2 ) as sintering aids. The present invention has been made.

具体的には、この発明のアルミニウム合金拡散接合用
セラミックスは、窒化珪素を主成分とし、焼結助剤とし
て、0.5mol%以上のイットリアと、0.5mol%以上のアル
ミナと、1.0mol%以上のジルコニアとが、それらの合計
量で6mol%以上、30mol%以下含有されていることを特
徴とするものである。
Specifically, the ceramics for aluminum alloy diffusion bonding of the present invention contain silicon nitride as a main component, and as sintering aids, 0.5 mol% or more of yttria, 0.5 mol% or more of alumina, and 1.0 mol% or more of It is characterized in that zirconia is contained in a total amount of 6 mol% or more and 30 mol% or less.

作用 この発明のアルミニウム合金拡散接合用セラミックス
においては、窒化珪素(Si3N4)を主成分とし、焼結助
剤として特定量のイットリア、アルミナおよびジルコニ
アを用いているが、先ずこれらの焼結助剤の成分限定理
由について説明する。
Effect In the ceramics for aluminum alloy diffusion bonding of the present invention, a specific amount of yttria, alumina and zirconia is used as a sintering aid mainly with silicon nitride (Si 3 N 4 ). The reasons for limiting the components of the assistant will be described.

イットリア(Y2O3): イットリアは、窒化珪素粉末と混合して加圧焼結する
ことによって窒化珪素系セラミックスの密度を増し、焼
結性の向上を図るとともに、アルミニウム合金との接合
強度を高めるに有効な焼結助剤である。イットリアが0.
5mol%未満ではこれらの効果が少なく、したがってイッ
トリアの添加量(単独量)は0.5mol%以上とした。
Yttria (Y 2 O 3 ): Yttria is mixed with silicon nitride powder and sintered under pressure to increase the density of silicon nitride ceramics, improve sinterability, and improve the bonding strength with aluminum alloys. It is a sintering aid that is effective for increasing. Yttria is 0.
If the amount is less than 5 mol%, these effects are small. Therefore, the amount of yttria (single amount) is set to 0.5 mol% or more.

アルミナ(Al2O3): アルミナもイトリアと併せて窒化珪素粉末と混合して
加圧焼結することによって、焼結後の密度焼結性、耐熱
性を向上させるとともに、アルミニウム合金との接合強
度を高めるに有効な焼結助剤である。アルミナが0.5mol
%未満ではこれらの効果が少なく、したがってアルミナ
の添加量は0.5mol%以上とした。
Alumina (Al 2 O 3 ): Alumina is mixed with silicon nitride powder in combination with itria and sintered under pressure to improve the density sinterability and heat resistance after sintering, and join with aluminum alloy It is an effective sintering aid for increasing the strength. 0.5 mol of alumina
%, The effect is small. Therefore, the added amount of alumina is set to 0.5 mol% or more.

ジルコニア(ZrO2): ジルコニアは1.0mol%以上添加することによって、破
壊靱性値、粒界強度を向上させ、しかもアルミニウム合
金と拡散接合した場合の接合強度を高める。またジルコ
ニアはアルミナ、イットリアと焼結することにより、よ
り靱性のある分散相が得られ、耐熱性、靱性の向上に寄
与する。
Zirconia (ZrO 2 ): By adding 1.0 mol% or more of zirconia, the fracture toughness value and the grain boundary strength are improved, and the bonding strength when diffusion bonding is performed with an aluminum alloy. By sintering zirconia with alumina and yttria, a tougher dispersed phase is obtained, which contributes to improvement in heat resistance and toughness.

さらにこれらの焼結助剤の添加量が合計で6mol%未満
では、焼結性が低下し、またアルミニウム合金と拡散接
合する場合の接合強度も低下する。一方合計で30mol%
を越えれば、窒化珪素系セラミックス自体の本来の特
性、すなわち高温での強度や硬度が低下する。したがっ
て焼結助剤としてのイットリア、アルミナ、ジルコニア
の合計添加量は6mol%以上、30mol%以下とする。
Further, when the total amount of these sintering aids is less than 6 mol%, the sinterability is reduced, and the bonding strength when diffusion bonding with an aluminum alloy is also reduced. 30 mol% in total
If the ratio exceeds 1, the inherent properties of the silicon nitride-based ceramic itself, that is, the strength and hardness at a high temperature, decrease. Therefore, the total addition amount of yttria, alumina, and zirconia as sintering aids is set to 6 mol% or more and 30 mol% or less.

以上のように、特定量のイットリア、アルミナ、およ
びジルコニアを焼結助剤として配合した窒化珪素系セラ
ミックスは、アルミニウム合金と拡散接合した場合の接
合強度が優れると同時に、セラミックス自体の機械的特
性も優れる。
As described above, silicon nitride-based ceramics containing a specific amount of yttria, alumina, and zirconia as a sintering aid have excellent bonding strength when diffusion-bonded to an aluminum alloy, and at the same time, the mechanical properties of the ceramics themselves are also high. Excellent.

なおこのようなセラミックスをアルミニウム合金と接
合するにあたっては、両者の接合すべき面を平滑に仕上
げた後、重ね合せて真空雰囲気中にて加圧、加熱すれば
良い。この接合時の加熱温度は300〜650℃程度が好まし
い。
In joining such ceramics to an aluminum alloy, the surfaces to be joined to each other may be smoothed, then superposed, and pressurized and heated in a vacuum atmosphere. The heating temperature during this bonding is preferably about 300 to 650 ° C.

なお接合対象となるアルミニウム合金としては、特に
限定されるものではないが、Al-Si系、Al-Mn-(Si)
系、Al-Cu系、Al-Li系、Al-Ti系合金等を用いることが
できる。
The aluminum alloy to be joined is not particularly limited, but may be an Al-Si type, Al-Mn- (Si)
System, Al-Cu system, Al-Li system, Al-Ti system alloy and the like can be used.

実施例 第1表のNo.1〜No.12に示すような成分の各セラミッ
クスを、ホットプレスによって焼結した。ホットプレス
の条件は、焼結温度1650〜1750℃、プレス圧力最大20MP
a、加圧保持時間1時間、雰囲気は1MPaの窒素雰囲気と
した。詳細なホットプレスの温度−圧力(荷重)−時間
パターンを第1図に示す。なお得られたセラミックス焼
結体の相対密度は0.98以上である。焼結後、セラミック
スの寸法を28mm×13mm×20mmに加工した後、接合すべき
面をラッピングにより鏡面に仕上げ、供試材とした。
Example Ceramics having the components shown in No. 1 to No. 12 in Table 1 were sintered by hot pressing. The conditions for hot pressing are as follows: sintering temperature 1650 ~ 1750 ℃, press pressure up to 20MP
a, The pressure holding time was 1 hour, and the atmosphere was a nitrogen atmosphere of 1 MPa. FIG. 1 shows a detailed hot press temperature-pressure (load) -time pattern. The relative density of the obtained ceramic sintered body is 0.98 or more. After sintering, the dimensions of the ceramic were processed to 28 mm x 13 mm x 20 mm, and the surface to be joined was finished to a mirror surface by lapping to obtain a test material.

各供試材について、次のようにしてアルミニウム合金
との接合強度を調べた。すなわち、接合相手材のアルミ
ニウム合金としては、JIS 2219合金(Al-6tw%Cu)を用
い、その寸法は28mm×13mm×3mmとし、セラミックスと
接合すべき面を予めラッピングにより鏡面に仕上げた。
そして2枚のセラミックスの間にアルミニウム合金をサ
ンドイッチ状に挟み、真空度7×10-5Torrの雰囲気で、
温度620℃、荷重(接合圧力)4 MPaの条件で加熱・加圧
して接合した。その接合時の詳細な温度−圧力−時間パ
ターンを第2図に示す。
About each test material, the joining strength with the aluminum alloy was examined as follows. That is, a JIS 2219 alloy (Al-6tw% Cu) was used as an aluminum alloy to be joined, its dimensions were 28 mm × 13 mm × 3 mm, and the surface to be joined with the ceramic was mirror-finished in advance by lapping.
Then, an aluminum alloy is sandwiched between the two ceramics, and in an atmosphere having a degree of vacuum of 7 × 10 −5 Torr,
Heating and pressurizing were performed under the conditions of a temperature of 620 ° C. and a load (joining pressure) of 4 MPa to perform joining. FIG. 2 shows a detailed temperature-pressure-time pattern at the time of the joining.

以上のようにして得られたサンドイッチ状の接合部材
から第3図に示すような形状、寸法の接合強度試験片1
を切出した。なお第3図において2,3はセラミックス、
4はアルミニウム合金である。
From the sandwich-like joining member obtained as described above, a joining strength test piece 1 having a shape and dimensions as shown in FIG.
Was cut out. In Fig. 3, 2 and 3 are ceramics,
4 is an aluminum alloy.

この試験片1について、第4図に示すような4点曲げ
試験用治具を用いて4点曲げ試験を行ない、接合強度と
して曲げ強度を調べた。なお第4図において、5は上部
治具、6は下部治具、7は曲げ支点としての丸棒であ
る。このようにして曲げ試験を行なった結果を第2表に
示す。
The test piece 1 was subjected to a four-point bending test using a four-point bending test jig as shown in FIG. 4, and the bending strength was examined as the bonding strength. In FIG. 4, 5 is an upper jig, 6 is a lower jig, and 7 is a round bar as a bending fulcrum. Table 2 shows the results of the bending test.

第2表に示すように、この発明のセラミックスを用い
た接合部材(本発明例)ではいずれも著しく高い曲げ強
度が得られた。この4点曲げ試験においては、いずれの
接合部材でも曲げ強度を越えた時の割れはセラミックス
とアルミニウム合金との接合面を起点として発生してお
り、したがってこの曲げ試験による曲げ強度の値はセラ
ミックスとアルミニウム合金との接合強度に相関してい
る。したがって第2表の結果から、この発明のセラミッ
クスにおいてはアルミニウム合金との接合強度が著しく
優れていることが明らかである。なお本発明例の各セラ
ミックス自体の機械的特性は、いずれも従来の通常の窒
化珪素系セラミックスと同等以上の優れた特性を有する
ことが確認されている。
As shown in Table 2, each of the joining members using the ceramics of the present invention (Examples of the present invention) exhibited extremely high bending strength. In this four-point bending test, cracking when exceeding the bending strength of any of the joining members occurred starting from the joint surface between the ceramic and the aluminum alloy. Therefore, the value of the bending strength in this bending test was the same as that of the ceramic. It is related to the bonding strength with the aluminum alloy. Therefore, from the results shown in Table 2, it is clear that the ceramics of the present invention have remarkably excellent bonding strength with the aluminum alloy. It has been confirmed that each of the ceramics itself of the present invention has excellent mechanical properties equal to or higher than those of conventional ordinary silicon nitride ceramics.

発明の効果 この発明のアルミニウム合金拡散接合用セラミックス
によれば、アルミニウム合金と拡散接合して用いられる
窒化珪素系セラミックスとして、焼結助剤の配合を適切
に調整することにより、機械的特性を損なうことなく、
アルミニウム合金との高い接合強度を得ることが可能と
なった。したがってこの発明のセラミックスはアルミニ
ウム合金と接合した複合部材に最適である。
Effects of the Invention According to the ceramics for aluminum alloy diffusion bonding of the present invention, mechanical properties are impaired by appropriately adjusting the blending of a sintering aid as a silicon nitride ceramic used by diffusion bonding with an aluminum alloy. Without
It has become possible to obtain high bonding strength with an aluminum alloy. Therefore, the ceramic of the present invention is most suitable for a composite member joined with an aluminum alloy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は実施例におけるセラミックスのホットプレス時
の温度−圧力−時間曲線を示す線図、第2図は実施例に
おける接合時の温度−圧力−時間曲線を示す線図、第3
図は実施例における4点曲げ試験用の試験片を示す斜視
図、第4図は実施例における4点曲げ試験用治具を示す
正面図である。
FIG. 1 is a diagram showing a temperature-pressure-time curve at the time of hot pressing of the ceramics in the embodiment, FIG. 2 is a diagram showing a temperature-pressure-time curve at the time of joining in the embodiment, and FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a test piece for a four-point bending test in the example, and FIG. 4 is a front view showing a jig for the four-point bending test in the example.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−51378(JP,A) 特開 昭64−5975(JP,A) 特開 昭63−162574(JP,A) 特開 昭63−60163(JP,A) 特開 昭59−26975(JP,A) 特開 昭58−95655(JP,A) 特開 昭55−116670(JP,A) 特開 昭55−113674(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 37/02 C04B 35/58 102Continuation of front page (56) References JP-A-64-51378 (JP, A) JP-A-64-5975 (JP, A) JP-A-63-162574 (JP, A) JP-A-63-60163 (JP) JP-A-59-26975 (JP, A) JP-A-58-95655 (JP, A) JP-A-55-116670 (JP, A) JP-A-55-113674 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 37/02 C04B 35/58 102

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】窒化珪素を主成分とし、焼結助剤として、
0.5mol%以上のイットリアと、0.5mol%以上のアルミナ
と、1.0mol%以上のジルコニアとが、それらの合計量で
6mol%以上、30mol%以下含有されていることを特徴と
するアルミニウム合金拡散接合用セラミックス。
1. A method according to claim 1, which comprises silicon nitride as a main component and a sintering aid.
0.5 mol% or more of yttria, 0.5 mol% or more of alumina, and 1.0 mol% or more of zirconia, in their total amount
A ceramic for aluminum alloy diffusion bonding, characterized in that the content is 6 mol% or more and 30 mol% or less.
JP1085122A 1989-04-04 1989-04-04 Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding Expired - Fee Related JP2822200B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1085122A JP2822200B2 (en) 1989-04-04 1989-04-04 Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1085122A JP2822200B2 (en) 1989-04-04 1989-04-04 Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH02263770A JPH02263770A (en) 1990-10-26
JP2822200B2 true JP2822200B2 (en) 1998-11-11

Family

ID=13849830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1085122A Expired - Fee Related JP2822200B2 (en) 1989-04-04 1989-04-04 Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2822200B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0891951A (en) * 1994-09-22 1996-04-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Aluminum-silicon nitride conjugate and its production

Also Published As

Publication number Publication date
JPH02263770A (en) 1990-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPS59232693A (en) Clad brazing filler metal for joining ceramics and metal or the like and composite body composed of ceramics and metal or the like using said brazing filler metal
JP3095490B2 (en) Ceramic-metal joint
JP2822200B2 (en) Ceramics for aluminum alloy diffusion bonding
JPH0788262B2 (en) Method for joining silicon nitride and metal
JPS62289396A (en) Joining method for ceramics
JP3504716B2 (en) Ceramic bonded body with stress buffer metal layer
JPH05163078A (en) Joint form made up of ceramic and metal
JP3302714B2 (en) Ceramic-metal joint
JP2651847B2 (en) Aluminum alloy for ceramic joining
JPH0930870A (en) Bonded material of ceramic metal and accelerating duct
JP3370060B2 (en) Ceramic-metal joint
JP3081256B2 (en) Alloy for metallizing ceramics and metallizing method
JP2729751B2 (en) Joining method of alumina ceramics and aluminum
JP3289860B2 (en) Joining method of ceramics and silicon
JPH05163075A (en) Brazing filler metal for nonoxide ceramic jointing and jointing method
JP2512495B2 (en) Bonded body of silicon nitride ceramics and metal
JP3153872B2 (en) Metal-nitride ceramic bonding structure
JP3290258B2 (en) Manufacturing method of bonded body of ceramics and metal
JP3335701B2 (en) Joining method of ceramics and metal
JPH05246769A (en) Ceramic-metal joining composition and ceramic-metal joined body using the same
JPH07172944A (en) Adhesive composition, bonded product, and bonding process
JP3255379B2 (en) Joining method of alumina ceramics and metal
JPS6065774A (en) Ceramic-metal bonded body and manufacture
JP4597468B2 (en) Method for joining metal-ceramic composite materials
JPS63206365A (en) Joined body of ceramic and metal

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees