JP2941382B2 - セラミックス―金属接合体及びその製造方法 - Google Patents
セラミックス―金属接合体及びその製造方法Info
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- JP2941382B2 JP2941382B2 JP2209032A JP20903290A JP2941382B2 JP 2941382 B2 JP2941382 B2 JP 2941382B2 JP 2209032 A JP2209032 A JP 2209032A JP 20903290 A JP20903290 A JP 20903290A JP 2941382 B2 JP2941382 B2 JP 2941382B2
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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、良好な接合強度をもつセラミックス−金属
接合体及びその製造方法に関する。
接合体及びその製造方法に関する。
［従来の技術］ セラミックスは、高温強度，耐食性，耐摩耗性等に優
れた性質を呈することを利用して、内燃機関等の高温で
使用される各種部品としての用途が検討されている。反
面、セラミックスのもつ脆性が、各種用途にセラミック
ス製品を使用する上で大きな欠点となる。そこで、実用
化に際しては、過酷な使用雰囲気にさらされる部分のみ
をセラミックスで構成し、他の成分を構成する金属材料
と接合して使用する方法が採用されている。
れた性質を呈することを利用して、内燃機関等の高温で
使用される各種部品としての用途が検討されている。反
面、セラミックスのもつ脆性が、各種用途にセラミック
ス製品を使用する上で大きな欠点となる。そこで、実用
化に際しては、過酷な使用雰囲気にさらされる部分のみ
をセラミックスで構成し、他の成分を構成する金属材料
と接合して使用する方法が採用されている。
セラミックスを金属に接合する方法としては、有機接
着剤を使用した接着，メタライジング−ロウ付け，固相
拡散接合等が知られている。
着剤を使用した接着，メタライジング−ロウ付け，固相
拡散接合等が知られている。
たとえば、特開昭63−190773号公報においては、セラ
ミックス部材の表面にTi,Cu及びAgを物理蒸着によって
積層蒸着又は複合蒸着した後、金属化処理し、Ag−Cu系
ロウ材を挟んで接合することが開示されている。
ミックス部材の表面にTi,Cu及びAgを物理蒸着によって
積層蒸着又は複合蒸着した後、金属化処理し、Ag−Cu系
ロウ材を挟んで接合することが開示されている。
また、特開昭62−176966号公報では、金属母材の表面
部にCu層，次いでNi層を設けて、これらの層を介し金属
母材とセラミックス材料とを固相拡散接合する方法が開
示されている。
部にCu層，次いでNi層を設けて、これらの層を介し金属
母材とセラミックス材料とを固相拡散接合する方法が開
示されている。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、有機接着剤を使用した接合方法では、接合部
の高温強度が有機接着剤の耐用温度に支配される。そし
て、有機接着剤の耐用温度は一般的に200℃前後である
ことから、この温度以上の高温雰囲気で接合体を使用す
ることができない。
の高温強度が有機接着剤の耐用温度に支配される。そし
て、有機接着剤の耐用温度は一般的に200℃前後である
ことから、この温度以上の高温雰囲気で接合体を使用す
ることができない。
また、メタライジング−ロウ付けによる場合には、多
数の工程を経て接合体が製造されるため、接合体の製造
コストが上昇することは勿論、メタライジング用の蒸着
装置等が必要となる。なお、セラミックス用に開発され
た活性金属ロウを使用したロウ付けや液相拡散接合の場
合には、ロウ材としてAu,Ag等の貴金属を含有するもの
を使用するため、製造コストが高くなる。
数の工程を経て接合体が製造されるため、接合体の製造
コストが上昇することは勿論、メタライジング用の蒸着
装置等が必要となる。なお、セラミックス用に開発され
た活性金属ロウを使用したロウ付けや液相拡散接合の場
合には、ロウ材としてAu,Ag等の貴金属を含有するもの
を使用するため、製造コストが高くなる。
他方、固相拡散接合によってセラミックス−金属接合
体を製造する方法は、比較的少ない工数で接合体が得ら
れる利点を有する。しかし、この方法によるとき、セラ
ミックス材料と金属母材との間に介在されるインサート
如何によって接合体の特性が大きく変わる。
体を製造する方法は、比較的少ない工数で接合体が得ら
れる利点を有する。しかし、この方法によるとき、セラ
ミックス材料と金属母材との間に介在されるインサート
如何によって接合体の特性が大きく変わる。
この点、前掲の特開昭62−176966号公報では、Cu及び
Niをインサートとして使用している。しかし、Niをセラ
ミックス側に配置した場合、Niとセラミックスとの親和
性が低いことから、接合強度の小さな接合体となる。そ
の結果、得られたセラミックス−金属接合体を実用に供
する場合、用途に著しい制約を受ける。
Niをインサートとして使用している。しかし、Niをセラ
ミックス側に配置した場合、Niとセラミックスとの親和
性が低いことから、接合強度の小さな接合体となる。そ
の結果、得られたセラミックス−金属接合体を実用に供
する場合、用途に著しい制約を受ける。
そこで、本発明は、これらの問題を解消すべく案出さ
れたものであり、Ti箔,Cu箔及びFeNi合金箔を組合せて
インサートとして使用することにより、簡単な方法で製
造され、しかも優れた接合強度をもったセラミックス−
金属接合体を提供することを目的とする。
れたものであり、Ti箔,Cu箔及びFeNi合金箔を組合せて
インサートとして使用することにより、簡単な方法で製
造され、しかも優れた接合強度をもったセラミックス−
金属接合体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］ 本発明のセラミックス−金属接合体は、その目的を達
成するために、セラミックス材料と金属材料との接合界
面にセラミックス側表面からTi層，次いでCu層及びFeNi
合金層があり、これら各層の間が固相拡散接合されてい
ることを特徴とする。
成するために、セラミックス材料と金属材料との接合界
面にセラミックス側表面からTi層，次いでCu層及びFeNi
合金層があり、これら各層の間が固相拡散接合されてい
ることを特徴とする。
また、このセラミックス−金属接合体は、金属材料と
セラミックス材料との間に、セラミックス側表面からTi
箔,Cu箔及びFeNi合金箔を挟み、全体に圧力を加えた状
態で真空中で固相拡散接合することによって製造され
る。
セラミックス材料との間に、セラミックス側表面からTi
箔,Cu箔及びFeNi合金箔を挟み、全体に圧力を加えた状
態で真空中で固相拡散接合することによって製造され
る。
［作 用］ 本発明の接合体においては、セラミックス側表面にTi
層が形成される。このTi層は、セラミックスとの親和性
が高く、且つセラミックス表面を接合に適した活性状態
にするものである。しかも、Ti層は、固相拡散接合時に
セラミックスを構成する原子との間で拡散し、セラミッ
クスに対して強化に接着する。
層が形成される。このTi層は、セラミックスとの親和性
が高く、且つセラミックス表面を接合に適した活性状態
にするものである。しかも、Ti層は、固相拡散接合時に
セラミックスを構成する原子との間で拡散し、セラミッ
クスに対して強化に接着する。
他方、FeNi合金は、セラミックスと同等又はそれより
も小さい熱膨張係数をもつ材料であって、固相拡散接合
時に金属材料の変形をブロックする作用を呈する。その
結果、接合界面に発生する熱応力が緩和され、熱応力に
起因した亀裂，割れ，疲労等の欠陥がない接合体が得ら
れる。このようなFeNi合金としては、インバー，パーマ
ロイ等がある。
も小さい熱膨張係数をもつ材料であって、固相拡散接合
時に金属材料の変形をブロックする作用を呈する。その
結果、接合界面に発生する熱応力が緩和され、熱応力に
起因した亀裂，割れ，疲労等の欠陥がない接合体が得ら
れる。このようなFeNi合金としては、インバー，パーマ
ロイ等がある。
また、これらTi及びFeNi合金は、高温強度の優れた材
料であり、しかもこの性質は固相拡散接合によっても実
質的な変化を受けない。そのため、接合部の高温強度
は、インサートの耐用温度まで保証される。
料であり、しかもこの性質は固相拡散接合によっても実
質的な変化を受けない。そのため、接合部の高温強度
は、インサートの耐用温度まで保証される。
更に、Ti層とFeNi合金層との間に、Cu層を介在させ
る。このCu層は、固相拡散接合時及び接合時が高温雰囲
気に長時間晒された際、Ti層とFeNi合金層との間で有害
な金属間化合物が生成されることを防止するインヒビタ
ーとして働く。この点、Cu層は、少なくとも100μｍ程
度の厚みをもつことが必要である。しかし、Cu層の厚み
が大きくなり過ぎると、接合体の高温強度がCuの強度に
支配されることになり、高温雰囲気での使用に制約を受
ける。
る。このCu層は、固相拡散接合時及び接合時が高温雰囲
気に長時間晒された際、Ti層とFeNi合金層との間で有害
な金属間化合物が生成されることを防止するインヒビタ
ーとして働く。この点、Cu層は、少なくとも100μｍ程
度の厚みをもつことが必要である。しかし、Cu層の厚み
が大きくなり過ぎると、接合体の高温強度がCuの強度に
支配されることになり、高温雰囲気での使用に制約を受
ける。
固相拡散接合は、セラミックス材料と金属材料との間
にTi箔,Cu箔及びFeNi合金箔を挟んだ積層体を加圧しな
がら、10-3〜10-4トールの真空雰囲気中で800〜860℃に
15〜60分間加熱することによって行われる。
にTi箔,Cu箔及びFeNi合金箔を挟んだ積層体を加圧しな
がら、10-3〜10-4トールの真空雰囲気中で800〜860℃に
15〜60分間加熱することによって行われる。
このとき、積層体に加える圧力は、0.5〜2kgf/mm2の
範囲に維持される。この圧力が0.5kgf/mm2未満では、接
合面の密着性が十分でなく、良好な接合強度が得られな
い。また、圧力が2kgf/mm2を超えると、拡散接合時に金
属側に塑性変形が生じる虞れがある。
範囲に維持される。この圧力が0.5kgf/mm2未満では、接
合面の密着性が十分でなく、良好な接合強度が得られな
い。また、圧力が2kgf/mm2を超えると、拡散接合時に金
属側に塑性変形が生じる虞れがある。
固相拡散接合は、温度が高いほど拡散反応が迅速に進
行する。そこで、加熱温度を上昇させるとき、加熱時間
の短縮を図ることができる。しかしながら、加熱温度が
高過ぎると、インサート或いは金属母材の一部が溶融
し、インサート金属層の流失が生じる。その結果、ボイ
ド，亀裂等の欠陥がある接合部となる場合がある。
行する。そこで、加熱温度を上昇させるとき、加熱時間
の短縮を図ることができる。しかしながら、加熱温度が
高過ぎると、インサート或いは金属母材の一部が溶融
し、インサート金属層の流失が生じる。その結果、ボイ
ド，亀裂等の欠陥がある接合部となる場合がある。
そこで、接合温度としてインサートや金属材料が溶融
しない温度範囲、具体的にはインバーをインサートとし
て使用するとき800〜860℃に維持し、加熱時間を拡散状
態に応じて15〜60分間に設定する。
しない温度範囲、具体的にはインバーをインサートとし
て使用するとき800〜860℃に維持し、加熱時間を拡散状
態に応じて15〜60分間に設定する。
この方法で接合される金属材料は、特に種類が限定さ
れるものではないが、一般構造用鋼，高張力鋼，ステン
レス鋼,Ni基合金鋼等がある。他方、金属材料に接合さ
れるセラミックス材料としては、アルミナ，ジルコニ
ア，窒化珪素，炭化珪素等が具体的に掲げられる。
れるものではないが、一般構造用鋼，高張力鋼，ステン
レス鋼,Ni基合金鋼等がある。他方、金属材料に接合さ
れるセラミックス材料としては、アルミナ，ジルコニ
ア，窒化珪素，炭化珪素等が具体的に掲げられる。
［実施例］ 以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。
セラミックス材料と金属材料とを、第１図に示すよう
に積層して固相拡散接合した。セラミックス材料１とし
ては、厚さ3mmのアルミナセラミックスを使用した。そ
して、セラミックス材料１の両面に、金属材料２として
構造用鋼SM50を配置した。また、セラミックス材料１と
金属材料２との間には、セラミックス材料１側に厚さ１
μｍのTi箔３を、金属材料２側に厚さ1mmのFeNi合金箔
４を配置した。そして、チタン箔３とFeNi合金箔４との
間に、厚さ100μｍのCu箔５を挟み込んだ。
に積層して固相拡散接合した。セラミックス材料１とし
ては、厚さ3mmのアルミナセラミックスを使用した。そ
して、セラミックス材料１の両面に、金属材料２として
構造用鋼SM50を配置した。また、セラミックス材料１と
金属材料２との間には、セラミックス材料１側に厚さ１
μｍのTi箔３を、金属材料２側に厚さ1mmのFeNi合金箔
４を配置した。そして、チタン箔３とFeNi合金箔４との
間に、厚さ100μｍのCu箔５を挟み込んだ。
この積層体を真空チャンバー内に装入し、積層体全体
にラム６で1kgf/mm2の圧力を加えながら、真空度４×10
4トールの真空雰囲気中で高周波加熱コイル７によって8
60℃に30分間加熱した。
にラム６で1kgf/mm2の圧力を加えながら、真空度４×10
4トールの真空雰囲気中で高周波加熱コイル７によって8
60℃に30分間加熱した。
この加熱によって各層の間で拡散が十分に行われ、金
属材料２に対してセラミックス材料１が強固に接合した
接合体が得られた。
属材料２に対してセラミックス材料１が強固に接合した
接合体が得られた。
この接合体から厚さ3mm,幅4mm,長さ40mmの試験片を切
り出し、高温４点曲げ試験によって接合強度を測定し
た。その結果、曲げ強度は、200℃及び400℃でそれぞれ
120MPa及び110MPaであった。
り出し、高温４点曲げ試験によって接合強度を測定し
た。その結果、曲げ強度は、200℃及び400℃でそれぞれ
120MPa及び110MPaであった。
なお、比較のため、厚さ2mmのCu箔をインサートとし
て使用する外は同様な接合条件下で、セラミックス材料
と金属材料とを固相拡散接合した。このとき得られた接
合体の接合強度は、室温で110MPaであった。また、アル
ミナセラミックス側から1mm厚のTi箔及び2mm厚のCu箔を
介して接合した接合体の強度は、室温で100MPaであっ
た。
て使用する外は同様な接合条件下で、セラミックス材料
と金属材料とを固相拡散接合した。このとき得られた接
合体の接合強度は、室温で110MPaであった。また、アル
ミナセラミックス側から1mm厚のTi箔及び2mm厚のCu箔を
介して接合した接合体の強度は、室温で100MPaであっ
た。
この対比から明らかなように、Ti/Cu/FeNiをインサー
トとして使用した本実施例の接合体は、Cu又はTi/Cuを
インサートとしたものに比較して、接合強度が優れてい
ることが判かる。直に、接合強度が高温で劣化すること
がないため、高温雰囲気の使用に耐える接合体が得られ
た。
トとして使用した本実施例の接合体は、Cu又はTi/Cuを
インサートとしたものに比較して、接合強度が優れてい
ることが判かる。直に、接合強度が高温で劣化すること
がないため、高温雰囲気の使用に耐える接合体が得られ
た。
［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明においては、Ti,Cu及
びFeNi合金を組合せてインサートとし、セラミックス材
料と金属材料とを固相拡散接合している。そのため、イ
ンサート又は金属材料の耐用限界までの高温使用環境に
耐える接合体が得られる。また、FeNi合金がセラミック
スと同等或いは小さな熱膨張係数をもつ材料であること
から、セラミックス及び金属との熱膨張差に起因した熱
応力も緩和される。しかも、メタライジング−ロウ付け
法に比較して、接合工程が加圧・加熱という一つの工程
ですむため、製造コストの低減も図られる。
びFeNi合金を組合せてインサートとし、セラミックス材
料と金属材料とを固相拡散接合している。そのため、イ
ンサート又は金属材料の耐用限界までの高温使用環境に
耐える接合体が得られる。また、FeNi合金がセラミック
スと同等或いは小さな熱膨張係数をもつ材料であること
から、セラミックス及び金属との熱膨張差に起因した熱
応力も緩和される。しかも、メタライジング−ロウ付け
法に比較して、接合工程が加圧・加熱という一つの工程
ですむため、製造コストの低減も図られる。
第１図は、本発明に従ってセラミックス材料と金属材料
とを固相拡散接合している状態を示す。 1:セラミックス材料、2:金属材料 3:Ti箔、4:FeNi合金箔 5:Cu箔、6:ラム 7:高周波加熱コイル
とを固相拡散接合している状態を示す。 1:セラミックス材料、2:金属材料 3:Ti箔、4:FeNi合金箔 5:Cu箔、6:ラム 7:高周波加熱コイル
フロントページの続き (72)発明者 迎 静雄 福岡県北九州市小倉南区杤網西５―43― ７ (56)参考文献 特開 昭60−204678（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252376（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−32343（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−33269（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C04B 37/02
Claims (2)
- 【請求項１】セラミックス材料と金属材料との接合界面
にセラミックス側表面からTi層，次いでCu層及びFeNi合
金層があり、これら各層の間が固相拡散接合されている
ことを特徴とするセラミックス−金属接合体。 - 【請求項２】金属材料とセラミックス材料との間に、セ
ラミックス側表面からTi箔,Cu箔及びFeNi合金箔を挟
み、全体に圧力を加えた状態で真空中で固相拡散接合す
ることを特徴とするセラミックス−金属接合体の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2209032A JP2941382B2 (ja) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | セラミックス―金属接合体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2209032A JP2941382B2 (ja) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | セラミックス―金属接合体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0492871A JPH0492871A (ja) | 1992-03-25 |
| JP2941382B2 true JP2941382B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=16566129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2209032A Expired - Lifetime JP2941382B2 (ja) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | セラミックス―金属接合体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2941382B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004079762A2 (en) * | 2003-03-03 | 2004-09-16 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | X-ray tube cathode assembly and interface reaction joining process |
| CN103183520B (zh) * | 2013-03-01 | 2014-04-02 | 西北工业大学 | 碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法 |
| US9735085B2 (en) | 2014-03-20 | 2017-08-15 | Mitsubishi Materials Corporation | Bonded body, power module substrate, power module and method for producing bonded body |
| CN106270882B (zh) * | 2016-08-19 | 2020-03-24 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种人造视网膜中镀钛Al2O3陶瓷和钛环的连接方法 |
| CN114211076B (zh) * | 2022-01-06 | 2022-09-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅陶瓷/镍基高温合金的连接方法 |
| CN115319263B (zh) * | 2022-10-13 | 2023-01-17 | 中山大学 | 基于Cu-C/Ti瞬时液相原位反应的碳基材料/金属连接方法 |
-
1990
- 1990-08-07 JP JP2209032A patent/JP2941382B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0492871A (ja) | 1992-03-25 |
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