JP3059540B2 - Joint of fiber-impregnated composite ceramic and metal and method for producing the same - Google Patents
Joint of fiber-impregnated composite ceramic and metal and method for producing the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、繊維含浸複合セラミッ
クス−金属接合体及びその製造法に関し、詳細には、軽
量で、しかも、耐熱性に優れた構造材として利用でき、
あるいは、高温に晒される機械部品等に利用できる繊維
含浸複合セラミックスと金属との接合体（例えば繊維含
浸複合セラミックス−アルミニウム接合体）及びその製
造法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber-impregnated composite ceramic-metal joint and a method for producing the same, and more particularly, it can be used as a lightweight, heat-resistant structural material.
Alternatively, the present invention relates to a bonded body of a fiber-impregnated composite ceramic and a metal (for example, a fiber-impregnated composite ceramics-aluminum bonded body) that can be used for a machine part or the like exposed to a high temperature, and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、耐熱性に優れたセラミックス
と軽量なアルミニウムとを接合し、それぞれの長所を生
かし合うことを意図したセラミックス−アルミニウム接
合体が提案されている。そして、この種接合体におい
て、接合用セラミックスとしては、アルミナ、窒化珪素
又はサイアロン等であり、このようなセラミックスそれ
自体が使用されている。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed a ceramic-aluminum joined body which is intended to join ceramics excellent in heat resistance and lightweight aluminum and to make use of the advantages of each. In this type of joined body, the joining ceramic is alumina, silicon nitride, sialon, or the like, and such a ceramic itself is used.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化珪素又
はサイアロン等のセラミックスは、耐熱性に優れた材料
として知られているが、更に、高強度及び高靱性を付与
した繊維含浸複合セラミックスが近年着目されている。
しかしながら、セラミックス−金属接合体において、接
合用セラミックスとして、上記繊維含浸複合セラミック
ス（例えばカ−ボン繊維を含浸させた複合セラミック
ス）を用いたセラミックス−金属接合体が提案されてい
ない。By the way, ceramics such as silicon nitride or sialon are known as materials having excellent heat resistance. In recent years, however, fiber-impregnated composite ceramics having high strength and high toughness have attracted attention. Have been.
However, in the ceramic-metal bonded body, a ceramic-metal bonded body using the above fiber-impregnated composite ceramics (for example, a composite ceramic impregnated with carbon fibers) as a bonding ceramic has not been proposed.
【０００４】そこで、本発明は、このような繊維含浸複
合セラミックスと例えばアルミニウムの金属との新規な
接合体を提供することを目的とし、また、この両者を強
固に接合させる方法、つまり、繊維含浸複合セラミック
ス−金属接合体の製造方法を提供することを目的とす
る。Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel bonded body of such a fiber-impregnated composite ceramic and a metal such as aluminum, and a method of firmly bonding the two, namely, a fiber-impregnated composite ceramic. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a composite ceramic-metal joined body.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】そして、本発明は、接合
用セラミックスとして繊維含浸複合セラミックスを用
い、該セラミックスの接合側表面に活性金属を含むロウ
材で金属膜を形成し、次いで、アルミニウムロウを介し
て金属と接合してなることを特徴とする繊維含浸複合セ
ラミックスと金属との接合体である。また、本発明は、
繊維含浸複合セラミックスと金属とを接合するに当り、
繊維含浸複合セラミックスの接合側表面に、活性金属で
あるチタンを含む銀、銅、ニッケル又はアルミニウムか
らなるロウ材を用い、1×10-4以下の真空下又は不活性
雰囲気下で金属膜を形成し、次いで、アルミニウムロウ
を介してアルミニウムと接合することを特徴とする繊維
含浸複合セラミックスと金属との接合体の製造法であ
る。According to the present invention, a fiber-impregnated composite ceramic is used as a joining ceramic, and a metal film is formed on a joining surface of the ceramic by using a brazing material containing an active metal. A bonded body of a fiber-impregnated composite ceramic and a metal, wherein the bonded body is bonded to a metal via a metal. Also, the present invention
In joining fiber impregnated composite ceramics and metal,
Form a metal film on the bonding surface of the fiber-impregnated composite ceramics using a brazing material made of silver, copper, nickel or aluminum containing titanium, which is an active metal, under a vacuum of 1 × 10 -4 or under an inert atmosphere Then, the method is a method for producing a joined body of a fiber-impregnated composite ceramic and a metal, which is joined to aluminum through an aluminum brazing.
【０００６】即ち、本発明は、特に、繊維含浸複合セラ
ミックスと金属（例えばアルミニウム）とからなる接合
体構造材において、この繊維含浸複合セラミックスの接
合側表面に活性金属を含むロウ材で金属膜を形成し、次
いで、アルミニウムロウを介して金属と接合してなる新
規構造材であり、以下、本発明を詳細に説明する。That is, the present invention particularly relates to a bonded structural material comprising a fiber-impregnated composite ceramic and a metal (for example, aluminum). This is a novel structural material formed and then joined to a metal via an aluminum braze. The present invention will be described in detail below.
【０００７】（接合用セラミックスについて）本発明に
おいて、接合用セラミックスとして用いる繊維含浸複合
セラミックスは、例えばカ−ボン繊維をセラミックス
（炭化珪素、窒化珪素又はサイアロン等のセラミック
ス）のマトリックスに含浸させた複合セラミックスを使
用するのが好ましい。そして、セラミックスのマトリッ
クスにカ−ボン繊維を含浸させる方法としては、(1) ホ
ットプレス法を用いてカ−ボン繊維とセラミックスのマ
トリックスとを焼結させる方法、(2) カ−ボン繊維束に
ＣＶＤ法（化学的気相堆積法）によりセラミックスを含
浸させる方法等を採用することができる。In the present invention, a fiber-impregnated composite ceramic used as a bonding ceramic in the present invention is, for example, a composite obtained by impregnating carbon fibers into a matrix of ceramics (ceramics such as silicon carbide, silicon nitride or sialon). Preferably, ceramics are used. The method of impregnating the ceramic matrix with the carbon fiber includes (1) a method of sintering the carbon fiber and the ceramic matrix using a hot press method, and (2) a method of impregnating the carbon fiber bundle. A method of impregnating ceramics by a CVD method (chemical vapor deposition method) or the like can be employed.
【０００８】本発明者等は、このようなカ−ボン繊維の
含浸手段、製造法の相違によって、本発明により作製さ
れる接合体の接合性に差異がないことを確認している。
従って、本発明においては、接合用セラミックスとして
用いる繊維含浸複合セラミックスの製造方法の違いによ
り影響されるものではないので、どのような方法で製造
された繊維含浸複合セラミックスであっても、すべて使
用することができる。The present inventors have confirmed that there is no difference in the bondability of the bonded article produced by the present invention due to the difference in the carbon fiber impregnation means and the production method.
Therefore, in the present invention, the fiber-impregnated composite ceramics used as the joining ceramics is not affected by the difference in the method of manufacturing the same, so that any fiber-impregnated composite ceramics manufactured by any method is used. be able to.
【０００９】（接合用金属について）接合用金属として
は、任意の金属を用いることができるが、本発明におい
て特に好ましいのは、アルミニウムであり、このような
軽量金属を使用することにより、軽量で、しかも、耐熱
性に優れた接合体が得れ、例えば構造材として利用でき
る新素材を提供することができる。(Regarding Metal for Joining) As the metal for joining, any metal can be used. In the present invention, aluminum is particularly preferred. In addition, a joined body having excellent heat resistance can be obtained, and a new material that can be used as, for example, a structural material can be provided.
【００１０】（成膜について）繊維含浸複合セラミック
スの接合側表面に形成する金属膜としては、活性金属と
呼ばれるチタンを含む銀、銅、ニッケル又はアルミニウ
ムからなる合金ロウを用いるのが好ましい。このロウ材
を例示すると、銀−銅−チタン、銅−チタン、ニッケル
−チタン又はアルミニウム−チタンを挙げることがで
き、いずれも本発明において好ましい成膜用ロウ材であ
る。(Regarding Film Formation) As the metal film formed on the joint side surface of the fiber-impregnated composite ceramics, it is preferable to use an alloy brazing alloy made of silver, copper, nickel or aluminum containing titanium, which is called an active metal. Examples of this brazing material include silver-copper-titanium, copper-titanium, nickel-titanium and aluminum-titanium, all of which are preferred film forming brazing materials in the present invention.
【００１１】この成膜用ロウ材を繊維含浸複合セラミッ
クスの接合側表面に載置又は塗布し、真空中、あるい
は、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気中で加熱・溶
融し、成膜する。この成膜手段をより詳細に説明する
と、上記成膜用ロウ材を溶融させるために、1×10-4Tor
r以下の真空中又はアルゴン、窒素等の不活性雰囲気中
で、ロウの溶融温度以上の温度に加熱する。この時、真
空度が悪いと（1×10-4Torrを越えると）、該ロウが高
温酸化し、後の接合工程において、接合用アルミニウム
ロウが濡れず、使用できい。また、不活性雰囲気でな
く、大気中等の酸素を含む雰囲気中では、金属膜が高温
酸化し、使用に耐えないので、これも好ましくない。The brazing material for film formation is placed or coated on the joint side surface of the fiber-impregnated composite ceramics, and heated and melted in a vacuum or in an atmosphere of an inert gas such as argon or nitrogen to form a film. The film forming means will be described in more detail. In order to melt the brazing material for film formation, 1 × 10 -4 Tor
Heat to a temperature above the melting temperature of the wax in a vacuum below r or in an inert atmosphere such as argon or nitrogen. At this time, if the degree of vacuum is poor (exceeding 1 × 10 −4 Torr), the wax is oxidized at a high temperature, and in the subsequent bonding step, the aluminum solder for bonding is not wet and cannot be used. Further, in an atmosphere containing oxygen, such as air, instead of an inert atmosphere, the metal film is oxidized at a high temperature and cannot be used.
【００１２】（接合手段について）繊維含浸複合セラミ
ックス上に形成された上記チタンを含む銀、銅、ニッケ
ル又はアルミニウムからなる金属膜と例えばアルミニウ
ムとを接合するため、アルミニウムロウ材を使用するの
が好ましい。この接合用アルミニウムロウ材としては、
アルミニウムにシリコンを添加し、その溶融点を下げた
アルミニウムロウ材が特に好ましい。このアルミニウム
ロウ材を両者の間に挾み、10-5Torrの真空中で加熱し、
接合し、繊維含浸複合セラミックス−金属接合体を作製
する。(About joining means) In order to join the metal film made of silver, copper, nickel or aluminum containing titanium formed on the fiber-impregnated composite ceramics to, for example, aluminum, it is preferable to use an aluminum brazing material. . As this joining aluminum brazing material,
An aluminum brazing material obtained by adding silicon to aluminum and lowering its melting point is particularly preferable. This aluminum brazing material is sandwiched between the two and heated in a vacuum of 10 -5 Torr,
Joining to produce a fiber-impregnated composite ceramic-metal joint.
【００１３】[0013]
【実施例】次に、本発明の実施例を挙げ、本発明をより
詳細に説明する。 （金属膜の形成）10×10×（厚み）3ｍｍのカ−ボン繊
維含浸複合セラミックス上に、種々の真空度（これを表
２及び表３に示す。）で、各種の活性金属合金（これも
表２及び表３に示す。）をその溶融温度プラス50℃で溶
融し、成膜する。この時に用いる活性金属合金の組成及
びその融点並びに成膜作業温度を表１に示す。Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples of the present invention. (Formation of Metal Film) Various active metal alloys (which are shown in Tables 2 and 3) on carbon fiber impregnated composite ceramics of 10 × 10 × (thickness) 3 mm at various degrees of vacuum (this is shown in Tables 2 and 3). Are also shown in Tables 2 and 3) at the melting temperature plus 50 ° C. to form a film. Table 1 shows the composition of the active metal alloy used at this time, its melting point, and the film forming operation temperature.
【００１４】[0014]
【表１】 [Table 1]
【００１５】（接合体の作製）次に、上記成膜面と10×
10×（厚み）3ｍｍのJIS規格Ａ1050のアルミニウムと
を、アルミニウムにシリコンを添加して融点を580℃に
低下せしめたアルミニウムロウ（JIS規格Ａ4047：日本
軽金属社製）を用いて、5×10-5Torrの真空中で610℃に
加熱し、接合する。得られたカ−ボン繊維含浸複合セラ
ミックス−アルミニウム接合体の接合強度を測定した。
その結果を表２、表３に示す。(Preparation of bonded body) Next, the above-mentioned film-forming surface and 10 ×
And 10 × (thickness) 3 mm aluminum JIS standard A1050, the aluminum brazing which allowed lower the melting point to 580 ° C. by adding silicon to aluminum (JIS Standard A4047: Nippon Light Metal Co., Ltd.) using, 5 × 10 - Heat to 610 ° C in a vacuum of 5 Torr to join. The joining strength of the obtained carbon fiber-impregnated composite ceramic-aluminum joint was measured.
The results are shown in Tables 2 and 3.
【００１６】[0016]
【表２】 [Table 2]
【表３】 [Table 3]
【００１７】表２、表３から明らかなように、成膜金属
の種類が銀−銅−チタン、銅−チタン、ニッケル−チタ
ン及びアルミニウム−チタンの場合、成膜時の真空度が
1×10-4Torr以下であれば、炭化珪素、窒化珪素又はサ
イアロンの何れのセラミックスをマトリックスとするカ
−ボン繊維含浸複合セラミックスであっても、この複合
セラミックスとアルミニウムとを７Ｋｇ／ｍｍ2以上の
高い強度で接合させることができる。即ち、高接合強度
の接合体が得られることが理解できる。これに対して、
成膜時の真空度が1×10-4Torrより悪いと（1×10-3Torr
の場合）、接合強度は４Ｋｇ／ｍｍ2以下と低く、実用
に供しない。As is clear from Tables 2 and 3, when the type of the film-forming metal is silver-copper-titanium, copper-titanium, nickel-titanium and aluminum-titanium, the degree of vacuum at the time of film formation is low.
If the pressure is 1 × 10 −4 Torr or less, the composite ceramics and aluminum are not less than 7 kg / mm 2 , even in the case of carbon fiber impregnated composite ceramics containing any of silicon carbide, silicon nitride and sialon as a matrix. Can be joined with high strength. That is, it can be understood that a joined body having high joining strength can be obtained. On the contrary,
If the degree of vacuum during film formation is lower than 1 × 10 −4 Torr (1 × 10 −3 Torr
), The bonding strength is as low as 4 kg / mm 2 or less, which is not practical.
【００１８】また、カ−ボン繊維含浸複合セラミックス
上に各種活性金属合金を成膜する時の雰囲気を各種ガス
雰囲気で行なった。このガス雰囲気並びに得られた接合
体の接合強度を表４に示す。Further, various active metal alloys were formed on carbon fiber-impregnated composite ceramics in various gas atmospheres. Table 4 shows the gas atmosphere and the bonding strength of the obtained bonded body.
【００１９】[0019]
【表４】 [Table 4]
【００２０】表４から明らかなように、成膜雰囲気を真
空中でなく、アルゴン又は窒素に変更しても７Ｋｇ／ｍ
ｍ2以上の高強度の接合体が得られることが理解でき
る。これに対して、大気雰囲気中では、金属膜が形成せ
ず、接合体を得ることができなかった。As is clear from Table 4, even if the film formation atmosphere is not vacuum and the atmosphere is changed to argon or nitrogen, 7 kg / m
It can be understood that a joined body having a high strength of m 2 or more can be obtained. On the other hand, in the air atmosphere, no metal film was formed, and a bonded body could not be obtained.
【００２１】[0021]
【発明の効果】本発明は、以上詳記したとおり、軽量で
あり、しかも、高温時においても高強度を有する新規な
繊維含浸複合セラミックス−金属接合体が得られ、ま
た、この接合体を簡便な工程で製造することができる効
果が生ずる。そして、本発明により、高温に晒される機
械部品用として、あるいは、軽量で耐熱性に優れた構造
材等として利用できる新規な素材を提供することができ
る。According to the present invention, as described in detail above, a novel fiber-impregnated composite ceramic-metal joined body which is lightweight and has high strength even at high temperatures can be obtained. The effect that can be manufactured by a simple process arises. Further, according to the present invention, it is possible to provide a novel material that can be used for mechanical parts exposed to a high temperature or as a lightweight and heat-resistant structural material.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−182336（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−182337（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B32B 1/00 - 35/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-3-182336 (JP, A) JP-A-3-182337 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B32B 1/00-35/00
Claims (6)
セラミックスを用い、該セラミックスの接合側表面に活
性金属を含むロウ材で金属膜を形成し、次いで、アルミ
ニウムロウを介して金属と接合してなることを特徴とす
る繊維含浸複合セラミックスと金属との接合体。1. A method in which a fiber-impregnated composite ceramic is used as a bonding ceramic, a metal film is formed on a bonding side surface of the ceramic with a brazing material containing an active metal, and then a metal film is bonded through an aluminum braze. A bonded body of a fiber-impregnated composite ceramic and a metal, characterized in that:
繊維をセラミックス母材に含浸させたものからなり、こ
のセラミックス母材が炭化珪素、窒化珪素又はサイアロ
ンである請求項１に記載の繊維含浸複合セラミックスと
金属との接合体。2. The fiber-impregnated composite according to claim 1, wherein the fiber-impregnated composite ceramic is made of carbon fiber impregnated in a ceramic base material, and the ceramic base material is silicon carbide, silicon nitride or sialon. A joined body of ceramics and metal.
に形成する金属膜は、活性金属であるチタンを含む銀、
銅、ニッケル又はアルミニウムからなる金属膜である請
求項１に記載の繊維含浸複合セラミックスと金属との接
合体。3. A metal film formed on the bonding side surface of the fiber-impregnated composite ceramics includes silver containing titanium as an active metal,
The bonded body of a fiber-impregnated composite ceramic and a metal according to claim 1, which is a metal film made of copper, nickel or aluminum.
ックスと金属とを接合するアルミニウムロウは、アルミ
ニウムにシリコンを添加した組成からなるロウである請
求項１に記載の繊維含浸複合セラミックスと金属との接
合体。4. The fiber-impregnated composite ceramic according to claim 1, wherein the aluminum brazing joining the metal with the fiber-impregnated composite ceramic whose surface is metalized is a wax having a composition in which silicon is added to aluminum. Conjugate.
属は、アルミニウムである請求項１に記載の繊維含浸複
合セラミックスと金属との接合体。5. The bonded body of fiber-impregnated composite ceramics and metal according to claim 1, wherein the metal bonded to the fiber-impregnated composite ceramics is aluminum.
合するに当り、繊維含浸複合セラミックスの接合側表面
に、活性金属であるチタンを含む銀、銅、ニッケル又は
アルミニウムからなるロウ材を用い、1×10-4以下の真
空下又は不活性雰囲気下で金属膜を形成し、次いで、ア
ルミニウムロウを介してアルミニウムと接合することを
特徴とする繊維含浸複合セラミックスと金属との接合体
の製造法。6. When joining the fiber-impregnated composite ceramic and the metal, a brazing material made of silver, copper, nickel or aluminum containing titanium as an active metal is used on the joining surface of the fiber-impregnated composite ceramic. A method for producing a bonded body of a fiber-impregnated composite ceramic and a metal, wherein a metal film is formed under a vacuum of 10-4 or less or in an inert atmosphere, and then bonded to aluminum via an aluminum braze.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP3240508A JP3059540B2 (en) | 1991-08-27 | 1991-08-27 | Joint of fiber-impregnated composite ceramic and metal and method for producing the same |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0550551A JPH0550551A (en) | 1993-03-02 |
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