JP3062767B2 - セラミック接合体およびその製造方法 - Google Patents
セラミック接合体およびその製造方法Info
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- ceramic sintered
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- sintered layer
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセラミック接合体、特
に、Si3 N4 よりなる二つのセラミック焼結材を、反
応焼結法の適用下で生成されたSi3 N4 よりなるセラ
ミック焼結層を介して接合したセラミック接合体および
その製造方法に関する。
に、Si3 N4 よりなる二つのセラミック焼結材を、反
応焼結法の適用下で生成されたSi3 N4 よりなるセラ
ミック焼結層を介して接合したセラミック接合体および
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種セラミック接合体として、
特開昭58−79880号公報に開示されたものが知ら
れており、この接合体においては、そのセラミック焼結
層の厚さが約1mmに設定されている。
特開昭58−79880号公報に開示されたものが知ら
れており、この接合体においては、そのセラミック焼結
層の厚さが約1mmに設定されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】反応焼結法により得ら
れるセラミック焼結層は、その気孔率が比較的高いのが
普通である。そのため、従来のようにセラミック焼結層
の厚さを約1mmといったように厚く設定すると、その厚
さに応じて気孔の存在確立が高くなり易く、高強度なセ
ラミック焼結層を定常的に生成させることが難しい、と
いった問題がある。
れるセラミック焼結層は、その気孔率が比較的高いのが
普通である。そのため、従来のようにセラミック焼結層
の厚さを約1mmといったように厚く設定すると、その厚
さに応じて気孔の存在確立が高くなり易く、高強度なセ
ラミック焼結層を定常的に生成させることが難しい、と
いった問題がある。
【0004】本発明は前記に鑑み、セラミック焼結層の
厚さを減少させることによって、その層の高強度化を定
常的に達成し得るようにした接合強度の高い前記接合体
およびその製造方法を提供することを目的とする。
厚さを減少させることによって、その層の高強度化を定
常的に達成し得るようにした接合強度の高い前記接合体
およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、Si3 N4 よ
りなる二つのセラミック焼結材を、反応焼結法の適用下
で生成されたSi3 N4 よりなるセラミック焼結層を介
して接合したセラミック接合体において、前記セラミッ
ク焼結層の厚さTを50μm≦T≦270μmに設定し
たことを特徴とする。
りなる二つのセラミック焼結材を、反応焼結法の適用下
で生成されたSi3 N4 よりなるセラミック焼結層を介
して接合したセラミック接合体において、前記セラミッ
ク焼結層の厚さTを50μm≦T≦270μmに設定し
たことを特徴とする。
【0006】本発明に係るセラミック接合体の製造方法
は、平均粒径Mdが4μm≦Md≦7μmの金属Si粉
末および溶媒を含み、且つ粘度Vが700ポアズ≦V≦
10000ポアズのスラリを、Si3 N4 よりなる二つ
のセラミック焼結材の両接合面間に介在させ、次いで前
記スラリを乾燥して固化層を形成し、その後前記固化層
に窒素雰囲気中で反応焼結処理を施して、Si3 N4 よ
りなり、且つ両セラミック焼結材を接合するセラミック
焼結層を生成させることを特徴とする。
は、平均粒径Mdが4μm≦Md≦7μmの金属Si粉
末および溶媒を含み、且つ粘度Vが700ポアズ≦V≦
10000ポアズのスラリを、Si3 N4 よりなる二つ
のセラミック焼結材の両接合面間に介在させ、次いで前
記スラリを乾燥して固化層を形成し、その後前記固化層
に窒素雰囲気中で反応焼結処理を施して、Si3 N4 よ
りなり、且つ両セラミック焼結材を接合するセラミック
焼結層を生成させることを特徴とする。
【0007】
【実施例】図1,図2において、セラミック接合体A
は、Si3 N4 よりなる二つのセラミック焼結材2,3
を、反応焼結法の適用下で生成されたSi3 N4 よりな
るセラミック焼結層4を介して接合したものである。両
セラミック焼結材2,3は同一の寸法を有し、縦aが3
mm、横bが20mm、長さcが20mmであり、セラミック
焼結層4の厚さTは50μm≦T≦270μmに設定さ
れている。
は、Si3 N4 よりなる二つのセラミック焼結材2,3
を、反応焼結法の適用下で生成されたSi3 N4 よりな
るセラミック焼結層4を介して接合したものである。両
セラミック焼結材2,3は同一の寸法を有し、縦aが3
mm、横bが20mm、長さcが20mmであり、セラミック
焼結層4の厚さTは50μm≦T≦270μmに設定さ
れている。
【0008】次に、セラミック接合体の製造方法につい
て説明する。
て説明する。
【0009】その製造には、金属Si粉末を調製する、
金属Si粉末等を用いてスラリを調製する、スラリを両
セラミック焼結材2,3の接合面5,6間に介在させ
る、スラリを乾燥して固化層を形成する、固化層に窒素
雰囲気中で反応焼結処理を施してSi3 N4 よりなり、
且つ両セラミック焼結材2,,3を接合するセラミック
焼結層4を生成させる、といった各工程が順次実施され
た。このような反応焼結処理においては、セラミック焼
結層4の厚さはスラリの厚さと略同じである。
金属Si粉末等を用いてスラリを調製する、スラリを両
セラミック焼結材2,3の接合面5,6間に介在させ
る、スラリを乾燥して固化層を形成する、固化層に窒素
雰囲気中で反応焼結処理を施してSi3 N4 よりなり、
且つ両セラミック焼結材2,,3を接合するセラミック
焼結層4を生成させる、といった各工程が順次実施され
た。このような反応焼結処理においては、セラミック焼
結層4の厚さはスラリの厚さと略同じである。
【0010】金属Si粉末の調製に当っては、ボールミ
ルのアルミナポット(2リットル)内に直径10mmのS
i3 N4 ボール1kgと粗金属Si粉末(金生興業社製、
商品名#600)300gとを投入して、50時間粉砕
を行った。これにより平均粒径4.3μmの金属Si粉
末を得た。
ルのアルミナポット(2リットル)内に直径10mmのS
i3 N4 ボール1kgと粗金属Si粉末(金生興業社製、
商品名#600)300gとを投入して、50時間粉砕
を行った。これにより平均粒径4.3μmの金属Si粉
末を得た。
【0011】スラリとしては4種類用意した。第1〜第
4スラリの組成は表1,表2の通りである。各表におい
て、PVAはポリビニルアルコール(和光純薬社製、重
合度約1500)であってバインダに該当し、また水お
よびエタノールは溶媒に該当する。各スラリの調製に当
っては、各配合物を自動乳鉢に入れて5分間の混練を行
った。
4スラリの組成は表1,表2の通りである。各表におい
て、PVAはポリビニルアルコール(和光純薬社製、重
合度約1500)であってバインダに該当し、また水お
よびエタノールは溶媒に該当する。各スラリの調製に当
っては、各配合物を自動乳鉢に入れて5分間の混練を行
った。
【0012】
【表1】
【0013】
【表2】
【0014】先ず、各スラリを一方のセラミック焼結材
2の接合面5にハケ等により塗布し、その接合面5に他
方のセラミック焼結材3の接合面6を合せた。
2の接合面5にハケ等により塗布し、その接合面5に他
方のセラミック焼結材3の接合面6を合せた。
【0015】次いで、セラミック焼結材2,3を室温下
に24時間放置することによりスラリを乾燥して、固化
層を形成した。
に24時間放置することによりスラリを乾燥して、固化
層を形成した。
【0016】その後、セラミック焼結材2,3を焼結炉
内に設置して窒素雰囲気中で反応焼結を行い、セラミッ
ク接合体A1 〜A5 を得た。
内に設置して窒素雰囲気中で反応焼結を行い、セラミッ
ク接合体A1 〜A5 を得た。
【0017】この反応焼結には次のような各工程が順次
実施された。即ち、図3に示すように、室温から100
0℃まで20℃/min で昇温する工程(点d1 〜点
d2 )、1000℃〜1380℃まで6℃/min で昇温
する工程(点d2 〜点d3 )、1380℃を5時間に亘
って維持する1次焼結工程(点d3 〜点d4 )、138
0℃から1450℃まで2℃/min で昇温する工程(点
d4 〜点d5 )、1450℃を5時間に亘って維持する
2次焼結工程(点d5 〜点d6 )、1450℃から12
00℃まで6℃/min で降温する工程(点d6 〜点
d7 )および1200℃から室温まで炉冷する工程(点
d7 〜点d8)である。
実施された。即ち、図3に示すように、室温から100
0℃まで20℃/min で昇温する工程(点d1 〜点
d2 )、1000℃〜1380℃まで6℃/min で昇温
する工程(点d2 〜点d3 )、1380℃を5時間に亘
って維持する1次焼結工程(点d3 〜点d4 )、138
0℃から1450℃まで2℃/min で昇温する工程(点
d4 〜点d5 )、1450℃を5時間に亘って維持する
2次焼結工程(点d5 〜点d6 )、1450℃から12
00℃まで6℃/min で降温する工程(点d6 〜点
d7 )および1200℃から室温まで炉冷する工程(点
d7 〜点d8)である。
【0018】表3は、各セラミック接合体A1 〜A5 に
おけるセラミック焼結層の厚さと、4点曲げ強さとの関
係を示す。その曲げ試験はJIS R1601に則って
行われた。
おけるセラミック焼結層の厚さと、4点曲げ強さとの関
係を示す。その曲げ試験はJIS R1601に則って
行われた。
【0019】
【表3】
【0020】図4は、各セラミック接合体A1 〜A5 に
おけるセラミック焼結層4の厚さと4点曲げ強さとの関
係をグラフで示したものである。図中、点A1 〜A5 は
セラミック接合体A1 〜A5 にそれぞれ対応する。一般
に機械部品として要求される4点曲げ強さは約18kgf
/mm2 以上であり、したがってセラミック焼結層4の厚
さTは、セラミック接合体A3 ,A4のように50μm
≦T≦270μmに設定される。
おけるセラミック焼結層4の厚さと4点曲げ強さとの関
係をグラフで示したものである。図中、点A1 〜A5 は
セラミック接合体A1 〜A5 にそれぞれ対応する。一般
に機械部品として要求される4点曲げ強さは約18kgf
/mm2 以上であり、したがってセラミック焼結層4の厚
さTは、セラミック接合体A3 ,A4のように50μm
≦T≦270μmに設定される。
【0021】このようなセラミック焼結層4は、両焼結
材2,3を確実に接合するに足る厚さを有し、また窒化
も十分に行われると共に気孔率も低いので高強度であ
り、これにより前記要求が定常的に満たされるものであ
る。
材2,3を確実に接合するに足る厚さを有し、また窒化
も十分に行われると共に気孔率も低いので高強度であ
り、これにより前記要求が定常的に満たされるものであ
る。
【0022】セラミック焼結層4の厚さTがT<50μ
mでは、その層4が薄過ぎるため、両接合面5,6間
に、それらの凹、凸部に起因してSi3 N4 の無い箇所
が発生したり、また両セラミック焼結材2,3間におけ
る固化層の露出面積が狭いためその層へ窒素が十分に進
入しないことに起因して窒化が不完全になる、といった
不具合があり、その結果、セラミック焼結層4の強度が
低くなってセラミック接合体A1 ,A2 のように4点曲
げ強さが低下する。一方、セラミック焼結層4の厚さT
がT>270μmでは気孔の存在確立が高くなって、セ
ラミック接合体A 5 のように4点曲げ強さが低下する。
またスラリを270μmを超えるように塗布するために
はスラリの粘度を10000ポアズを上回るように高め
なければならないが、このような高粘度下ではスラリの
流動性が悪くなるため、空気の巻込みが発生し易く、そ
の結果セラミック焼結層4の気孔率が高くなる。
mでは、その層4が薄過ぎるため、両接合面5,6間
に、それらの凹、凸部に起因してSi3 N4 の無い箇所
が発生したり、また両セラミック焼結材2,3間におけ
る固化層の露出面積が狭いためその層へ窒素が十分に進
入しないことに起因して窒化が不完全になる、といった
不具合があり、その結果、セラミック焼結層4の強度が
低くなってセラミック接合体A1 ,A2 のように4点曲
げ強さが低下する。一方、セラミック焼結層4の厚さT
がT>270μmでは気孔の存在確立が高くなって、セ
ラミック接合体A 5 のように4点曲げ強さが低下する。
またスラリを270μmを超えるように塗布するために
はスラリの粘度を10000ポアズを上回るように高め
なければならないが、このような高粘度下ではスラリの
流動性が悪くなるため、空気の巻込みが発生し易く、そ
の結果セラミック焼結層4の気孔率が高くなる。
【0023】次に、金属Si粉末の平均粒径とセラミッ
ク焼結層4の強度との関係について述べる。
ク焼結層4の強度との関係について述べる。
【0024】前記同様の粗金属Si粉末およびボールミ
ルを用いて金属Si粉末を調製した。その際、粉砕時間
を変えることによって金属Si粉末の平均粒径を調節し
た。
ルを用いて金属Si粉末を調製した。その際、粉砕時間
を変えることによって金属Si粉末の平均粒径を調節し
た。
【0025】表4は粉砕時間と金属Si粉末の平均粒径
との関係を示す。
との関係を示す。
【0026】
【表4】
【0027】各金属Si粉末50gとエチレングリコー
ル(溶媒)5.75gとを自動乳鉢に入れて10分間混
練し、比較的高粘度のスラリを調製した。次いで、その
スラリを金型に注入して、加圧力1t/cm2 の条件下で
成形を行い、縦5mm、横5mm、長さ50mmの成形体を成
形した。さらに成形体を真空下で昇温速度10℃/hに
て500℃に加熱した後、その温度に1時間保持して乾
燥および脱ガス処理を行った。
ル(溶媒)5.75gとを自動乳鉢に入れて10分間混
練し、比較的高粘度のスラリを調製した。次いで、その
スラリを金型に注入して、加圧力1t/cm2 の条件下で
成形を行い、縦5mm、横5mm、長さ50mmの成形体を成
形した。さらに成形体を真空下で昇温速度10℃/hに
て500℃に加熱した後、その温度に1時間保持して乾
燥および脱ガス処理を行った。
【0028】その後、成形体を焼結炉内に設置して窒素
雰囲気中で反応焼結を行い、セラミック焼結層4に対応
する焼結体を得た。
雰囲気中で反応焼結を行い、セラミック焼結層4に対応
する焼結体を得た。
【0029】この反応焼結には次のような各工程が順次
実施された。即ち、図5に示すように、室温から120
0℃まで6℃/min で昇温する工程(点e1 〜点
e2 )、1200℃から1450℃まで2℃/min で昇
温する工程(点e2 〜点e3 )、1450℃を4時間に
亘って維持する焼結工程(点e3 〜点e4 )、1450
℃から1200℃まで6℃/min で降温する工程(点e
4 〜点e5 )および1200℃から室温まで炉冷する工
程(点e5 〜点e6 )である。
実施された。即ち、図5に示すように、室温から120
0℃まで6℃/min で昇温する工程(点e1 〜点
e2 )、1200℃から1450℃まで2℃/min で昇
温する工程(点e2 〜点e3 )、1450℃を4時間に
亘って維持する焼結工程(点e3 〜点e4 )、1450
℃から1200℃まで6℃/min で降温する工程(点e
4 〜点e5 )および1200℃から室温まで炉冷する工
程(点e5 〜点e6 )である。
【0030】図6は各種焼結体における金属Si粉末の
平均粒径と4点曲げ強さとの関係を示す。図6より、焼
結体、したがってセラミック焼結層4の強度向上の観点
から金属Si粉末の平均粒径Mdは4μm≦Md≦7μ
mに設定されることが判る。
平均粒径と4点曲げ強さとの関係を示す。図6より、焼
結体、したがってセラミック焼結層4の強度向上の観点
から金属Si粉末の平均粒径Mdは4μm≦Md≦7μ
mに設定されることが判る。
【0031】スラリの粘度Vは、セラミック焼結層4の
厚さとの関係から700ポアズ≦V≦10000ポアズ
に設定される。この場合、スラリの粘度VがV<700
ポアズではスラリの流動性が大きくなってセラミック焼
結層4の厚さTがT<50μmとなり易く、十分な接合
強度が得られない。一方、V>10000ポアズでは前
記のようにスラリの流動性が悪くなるため、空気の巻込
みが発生し易くなって強度が低下する。
厚さとの関係から700ポアズ≦V≦10000ポアズ
に設定される。この場合、スラリの粘度VがV<700
ポアズではスラリの流動性が大きくなってセラミック焼
結層4の厚さTがT<50μmとなり易く、十分な接合
強度が得られない。一方、V>10000ポアズでは前
記のようにスラリの流動性が悪くなるため、空気の巻込
みが発生し易くなって強度が低下する。
【0032】セラミック焼結層4の密度Dは2.0g/
cm3 <D<2.7g/cm3 に設定される。その理由は、
D≦2.0g/cm3 ではセラミック焼結層4の気孔率が
高く低強度であり、一方、D≧2.7g/cm3 となるよ
うに固化層の密度を高めると、窒化が不十分となってセ
ラミック焼結層4の強度が上がらないからである。
cm3 <D<2.7g/cm3 に設定される。その理由は、
D≦2.0g/cm3 ではセラミック焼結層4の気孔率が
高く低強度であり、一方、D≧2.7g/cm3 となるよ
うに固化層の密度を高めると、窒化が不十分となってセ
ラミック焼結層4の強度が上がらないからである。
【0033】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、反応焼結
法により生成されるセラミック焼結層の厚さを前記のよ
うに特定したので、その層の高強度化を定常的に達成す
ることが可能であり、これにより二つのセラミック焼結
材を強固に接合したセラミック接合体を安定して提供す
ることができる。
法により生成されるセラミック焼結層の厚さを前記のよ
うに特定したので、その層の高強度化を定常的に達成す
ることが可能であり、これにより二つのセラミック焼結
材を強固に接合したセラミック接合体を安定して提供す
ることができる。
【0034】請求項2記載の発明によれば、前記セラミ
ック接合体を容易に量産することができる。
ック接合体を容易に量産することができる。
【図1】セラミック接合体の斜視図である。
【図2】図1の2−2線断面図である。
【図3】セラミック焼結層生成時における時間と温度と
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図4】セラミック接合体におけるセラミック焼結層の
厚さと4点曲げ強さとの関係を示すグラフである。
厚さと4点曲げ強さとの関係を示すグラフである。
【図5】セラミック焼結層に対応する焼結体成形時の時
間と温度との関係を示すグラフである。
間と温度との関係を示すグラフである。
【図6】焼結体における金属Si粉末の平均粒径と4点
曲げ強さとの関係を示すグラフである。
曲げ強さとの関係を示すグラフである。
A セラミック接合体 2,3 セラミック焼結材 4 セラミック焼結層 5,6 接合面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 直樹 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平2−263769(JP,A) 特開 昭63−162584(JP,A) 特開 昭63−129078(JP,A) 特開 昭53−79880(JP,A) 特開 昭60−171273(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 37/00
Claims (2)
- 【請求項1】 Si3 N4 よりなる二つのセラミック焼
結材(2,3)を、反応焼結法の適用下で生成されたS
i3 N4 よりなるセラミック焼結層(4)を介して接合
したセラミック接合体において、前記セラミック焼結層
(4)の厚さTを50μm≦T≦270μmに設定した
ことを特徴とするセラミック接合体。 - 【請求項2】 平均粒径Mdが4μm≦Md≦7μmの
金属Si粉末および溶媒を含み、且つ粘度Vが700ポ
アズ≦V≦10000ポアズのスラリを、Si3 N4 よ
りなる二つのセラミック焼結材(2,3)の両接合面
(5,6)間に介在させ、次いで前記スラリを乾燥して
固化層を形成し、その後前記固化層に窒素雰囲気中で反
応焼結処理を施して、Si3 N4 よりなり、且つ両セラ
ミック焼結材(2,3)を接合するセラミック焼結層
(4)を生成させることを特徴とするセラミック接合体
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3068625A JP3062767B2 (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | セラミック接合体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3068625A JP3062767B2 (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | セラミック接合体およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04305070A JPH04305070A (ja) | 1992-10-28 |
JP3062767B2 true JP3062767B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=13379124
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3068625A Expired - Lifetime JP3062767B2 (ja) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | セラミック接合体およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3062767B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002068852A (ja) * | 2000-08-28 | 2002-03-08 | Techno Quartz Kk | シリコン部材の接合方法およびその接合体 |
-
1991
- 1991-04-01 JP JP3068625A patent/JP3062767B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04305070A (ja) | 1992-10-28 |
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