JP3318720B2 - セラミックス・金属接合体とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばエンジン用タペ
ット，バルブリフタ−，ロッカ−ア−ム，タービンロー
ター等に使用される窒化珪素と金属との接合体やセラミ
ック基板と外部リ−ドとが接合された電子部品用パッケ
−ジの様に、ロ−材を用いて接合されたセラミックスと
金属との接合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックスは、耐熱性，熱衝
撃強度，高温時の機械的強度，耐摩耗性，或は高絶縁性
などの優れた特性を有することから、近年種々の分野に
利用されつつある。ところがセラミックスはあまり単独
で用いられることはなく、通常、機械部品などにおい
て、他の材料の例えば金属とともに用いられ、その機能
を発揮する様にされている。この場合、金属との接合体
が小さい部品であったり、接合面積が限られるものであ
るときは、セラミックスと金属とを接合する手段とし
て、ロ−付が、適している。セラミックスと金属をロ−
付する手法としては、セラミックス側を予めスパッタ，
蒸着等の手法でメタライズしておき、ロ−材を用い接着
するものがあるが、近年は、ＴｉやＺｒ等活性金属をロ
−材に合金化あるいは箔状として用い、メタライズなし
で接着する手法が盛んとなっている。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】しかし、ロ−付に於て
は内部のブロ−ホ−ルや不純物を押し出し、信頼性の高
いロ−付体を得るようにするため、必要量よりやや多目
のロ−材を挿てんする。従って、一般にセット時のロ−
材が、接合時に過剰となって外にはみ出してしまう。こ
のはみ出したロ−材が、全て金属側にぬれれば問題ない
が、金属の材質や、雰囲気、表面の酸化状態によっては
セラミックス側にぬれ、場合によっては、セラミックス
側に玉状に付着する。セラミックスに玉状に付着する
と、その部分にロー材とセラミックスとの熱収縮差に起
因して応力集中が生じ、カケ、ワレ、クラック等に到る
場合があった。

【０００４】これを改善するため、接合部外周側に、セ
ラミックスの外周部より内側に凹むロ−材たまり部を形
成して、ロ−材のはみ出し分をこの部分に収める技術が
提案されているが（特開昭５９−１１１９８４号公
報）、金属に対するよりもセラミックスに対する濡れ性
のよいロ−材を用いている以上、玉状の付着を完全に防
止することはできない。上記現象は、特に活性ロ−材の
ように金属に対するよりもセラミックスに対する濡れ性
のよいロ−材を用いた場合に顕著に発生する。本発明の
目的は、ロ−材にて、セラミックスと金属とを接合する
ものにおける上記課題を解決し、セラミックスへの玉状
付着に起因するカケ、ワレ等を未然に防止し、接合状態
の良好な接合体を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】その第１の手段は、セラ
ミックス部材と金属部材とを、突き合わせてロー材にて
接合したセラミックス・金属接合体において、前記金属
部材のうちで、前記セラミックス部材と接合される接合
端面に連なると共に、該接合端面とは異なる面をなす外
周に、前記外周の周方向とは異なる方向に加工痕を形成
したセラミックス・金属接合体である。同じくその手段
の製造方法は、セラミックス部材と金属部材とを、突き
合わせてロー材にて接合するセラミックス・金属接合体
の製造方法において、前記金属部材のうちで、前記セラ
ミックス部材と接合される接合端面に連なると共に、該
接合端面とは異なる面をなす外周に、前記外周の周方向
とは異なる方向に加工痕を予め形成しておくセラミック
ス・金属接合体の製造方法である。その第２の手段は、
セラミックス部材と金属部材とを、突き合わせてロー材
にて接合したセラミックス・金属接合体において、前記
金属部材のうちで、前記セラミックス部材と接合される
接合端面に連なると共に、該接合端面とは異なる面をな
す面取り部に、前記面取り部の周方向とは異なる方向に
加工痕を形成したセラミックス・金属接合体である。同
じくその手段の製造方法は、セラミックス部材と金属部
材とを、突き合わせてロー材にて接合するセラミックス
・金属接合体の製造方法において、前記金属部材のうち
で、前記セラミックス部材と接合される接合端面に連な
ると共に、該接合端面とは異なる面をなす面取り部に、
前記面取り部の周方向とは異なる方向に加工痕を予め形
成しておくセラミックス・金属接合体の製造方法であ
る。

【０００６】ここで、加工痕とは例えば、ロ−レット又
はセレ−ションのように毛細管現象を発揮できる表面性
状である。このような加工痕は、例えば、（１）ロ−レ
ット形状又はセレ−ション形状の金型を金属部材の接合
端部外周に当接して接合端部外周を塑性変形させたり、
（２）金属部材を低速で回転させておいて、その接合端
部外周に高速で回転する砥石を当接した状態で、砥石を
金属部材の軸方向に往復動させたりすることによって、
形成することができる。加工痕は、接合端面から略直角
方向（周方向と異なる方向）に形成しておくのが望まし
い。また、セラミックスとは、イットリアーアルミナ系
を焼結助剤とする窒化珪素焼結体、サイアロン、炭化珪
素焼結体、窒化アルミニウム焼結体などである。ここ
で、面取り部の「面取り」とは、Ｃ面取り、Ｒ面取り、
これらを併せたもの等をいう。周方向と異なる方向に加
工痕を形成されていると、ロ−材が毛細管現象により接
合面から金属側に濡れやすくなる。ここで用いるロ−材
は、活性ロ−が望ましい。

【０００７】

【作用】はみ出した余剰のロ−材が、毛細管現象により
加工痕方向にぬれが進むため、その接合部でロ−だまり
にならず、又、万一セラミックス側に流れても小量であ
るから応力集中を生じない。この作用は、ロー材が、活
性ローのように、金属に対するよりもセラミックスに対
する濡れ性のよい場合に顕著である。すなわち、活性ロ
ーの場合、加工痕がなければ、セラミックス側にぬれが
進む場合があるからである。また、接合端面に連なる金
属部材の面取り部に加工痕を形成するとロ−材の濡れ性
が、金属側へ更によくなる。

【０００８】

【実施例】−実施例１− 本願発明のセラミックス・金属接合体１を図１に示す。
セラミックス・金属接合体１は、セラミック部材２と金
属部材３をロー材４を介して接合されている。セラミッ
ク部材２は、Ｓｉ３Ｎ４焼結体よりなり、両端面を研削
し、直径３０×２ｍｍの円板である。金属部材３は、Ｊ
ＩＳ ＳＮＣＭ６３０よりなる金属部材を切削で直径３
０×長さ１２０ｍｍに加工したものであり、セラミック
部材２と接合される接合端面に連なると共に、該接合端
面とは異なる面をなす金属部材外周３ａに、周方向と異
なる方向に加工痕Ｋを形成してある。ロー材４は、Ｔｉ
−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系活性ロー材である。 −製造方法− 金属部材外周に表１の如き加工方法で加工痕を形成す
る。次に、上記両部材間にＴｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系活
性ロー材を介し、真空中８００℃で３０分保持し、Ｎ２
ガス置換冷却して接合体を得た。

【０００９】

【表１】 接合体Ｎｏ．１〜３は、本発明範囲内品である。接合体
Ｎｏ．４〜６は、比較のために製造したセラミックス・
金属接合体１’（図２）であり、Ｎｏ．４の旋削条件
は、３０００ｒｐｍで、送り０．１ｍｍ、表面粗さＲａ
１．１μｍであり、Ｎｏ．５の研削条件は、ＧＣ砥石を
用い、表面粗さＲａ０．５μｍとなるものとした。各接
合体について、セラミックス部材へのローだまり数及び
セラミックス部材のクラック数を観察した結果を表２に
示す。セラミックス部材のクラック数は、ローだまりが
生じていたものをのロ−材を研磨して落とし、目視で判
断した。

【００１０】

【表２】 表２から判るように、本発明接合体においては、周方向
と異なる方向に加工痕Ｋを形成しただけでセラミックス
部材へのローだまり及びそれに起因するクラックを皆無
とすることができた。これに対し、加工痕を形成してい
ない接合体Ｎｏ．６のほか、加工痕を形成したけれども
その方向が周方向の接合体Ｎｏ．４とＮｏ．５において
もセラミックス部材へのローだまりが生じ、それに起因
するクラックを生じていた。

【００１１】−実施例２− 本願発明のセラミックス・金属接合体１１であるエンジ
ン部品のタペットを図３に示す。タペット１１は、セラ
ミック部材２２と金属部材３３をロー材４４を介して接
合されている。セラミック部材２２は、Ｓｉ３Ｎ４焼結
体よりなり、両端面を研削し、直径３０×厚さ２ｍｍの
円板である。金属部材３３は、ＪＩＳ ＳＮＣＭ６３０
よりなる金属部材を切削で直径３０×長さ１２０ｍｍに
加工したものであり、セラミック部材２２と接合される
接合端面に連なると共に、該接合端面とは異なる面をな
したＣ面取り部３３ａがある。そしてその面取り部３３
ａに、周方向と異なる方向の加工痕Ｋを形成してある。
セラミック部材２２には、金属部材３３と接合される接
合端面に連なる面取り２２ａがある。ロー材４４は、Ｔ
ｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系活性ロー材である。

【００１２】−製造方法− 図５に示す様にタペットの金属本体部材３３の底面のＣ
面取り部にカップ状砥石７をあてて、加工痕Ｋを形成し
た。次に、上記両部材間にＴｉ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ系活
性ロ−材４４を介し、真空中８００℃で３０分保持し、
Ｎ₂ ガス置換冷却して接合体１１を得た。比較例とし
て、接合端面に連なる金属部材のＣ面取り部３３ａ’に
加工痕Ｋを形成していない以外は、本願発明のセラミッ
クス・金属接合体１１と同じセラミックス・金属接合体
１１’を用意した（図４）。セラミックス・金属接合体
１１’には、余剰のロ−材がセラミックスに玉状に付着
していた。上記２つのセラミックス・金属接合体を、７
０００ＣＣの６気筒エンジンに組み込み、モ−タリング
で４５００ｒｐｍで運転した。結果は、比較例のセラミ
ックス・金属接合体１１’は、２時間でセラミックに割
れを生じた。割れはロ−だまりの部分より発生した。本
願発明のセラミックス・金属接合体１１は、１００時間
してもセラミックに割れを生じなかった。

【００１３】−実施例３− 本願発明のセラミックス・金属接合体１１１であるエン
ジン部品のタペットを図６に示す。タペット１１１は、
セラミック部材２２２と金属部材３３３をロー材４４４
を介して接合されている。セラミック部材２２２は、Ｓ
ｉ３Ｎ４焼結体よりなり、両端面を研削し、直径３０×
厚さ２ｍｍの円板である。金属部材３３３は、ＪＩＳ
ＳＮＣＭ６３０よりなる金属部材を切削で直径３０×長
さ１２０ｍｍに加工したものであり、セラミック部材２
２２と接合される接合端面に連なると共に、該接合端面
とは異なる面をなしたＲ面取り部がある。そしてそのＲ
面取り部及び接合端面に連なる金属部材外周３３３ａ
に、周方向と異なる方向の加工痕Ｋを形成してある。セ
ラミック部材２２２には、金属部材３３３と接合される
接合端面に連なる面取り２２２ａがある。ロー材４４４
は、Ａｇ−Ｃｕ系ロー材である。

【００１４】−製造方法− 図７に示す様にタペットの金属本体部材３３３の底面の
Ｃ面取り部及び接合端面に連なる金属部材外周３３３ａ
に、回転ペ−パ−８をあてて、Ｃ面取り部と接合端面に
連なる金属部材外周とを連続的に連ねるＲ面取り状と
し、併せて加工痕Ｋを形成した。次に、セラミック部材
２２２の接合面になる面にＴｉ，Ｍｏ，Ｃｕという順に
スパッリングによるメタライズ層を形成し、両部材間に
Ａｇ−Ｃｕ系ロ−材４４４を介し、水素雰囲気中で、８
５０℃で接合し、接合体１１１を得た。比較例として、
金属本体部材３３３の底面のＣ面取り部及び接合端面に
連なる金属部材外周３３３ａに加工痕Ｋを形成していな
い以外は、本願発明のセラミックス・金属接合体１１１
と同じセラミックス・金属接合体を用意した（図示せ
ず）。その比較性のセラミックス・金属接合体には、余
剰のロ−材がセラミックスの面取り部分に玉状に付着し
ていた。上記２つのセラミックス・金属接合体を、７０
００ＣＣの６気筒エンジンに組み込み、モ−タリングで
４５００ｒｐｍで運転した。結果は、比較例のセラミッ
クス・金属接合体は、５時間でセラミックに割れを生じ
た。割れはロ−だまりの部分より発生した。本願発明の
セラミックス・金属接合体１１１は、１００時間しても
セラミックに割れを生じなかった。本願実施例では、接
合面が円形の部材を接合したが、図８のように接合面が
矩形の部材同士でも同様の効果がえられるのは明らかで
あり、本願発明は、実施例に限定されない。

【００１５】

【発明の効果】本発明は、前記の構成を備えるので、以
下の多大の効果を発揮する。 （１）ロ−付歩留りが向上する。 （２）これまでは、ロ−付後吹き出したロ−を除去する
ため、セラミックス及び／又は金属母材の一部を含めて
ロ−付後の研磨を実施していたが、これが廃止でき、コ
ストダウンが図られる。 （３）比較的ぬれ性の悪い金属体のロ−付けも歩留り良
く、接着が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明（実施例１）に係わるセラミックス・
金属結合体の斜視図である。

【図２】比較例に係わるセラミックス・金属結合体の斜
視図である。

【図３】本願発明（実施例２）に係わるセラミックス・
金属結合体及び要部の正面図である。

【図４】比較例に係わるセラミックス・金属結合体及び
要部の正面図である。

【図５】本願発明（実施例２）に係わるセラミックス・
金属結合体の製造工程の一部を示す正面図である。

【図６】本願発明（実施例３）に係わるセラミックス・
金属結合体及び要部の正面図である。

【図７】本願発明（実施例３）に係わるセラミックス・
金属結合体の製造工程の一部を示す正面図である。

【図８】本願発明に係わるセラミックス・金属結合体の
斜視図である。

【符号の説明】

１、１１、１’，１１’，１１１ セラミックス・金属
結合体（タペット） ２、２２、２’，２２’，２２２ セラミックス部材 ３、３３、３’，３３’，３３３ 金属部材 ４、４４、４’，４４’，４４４ ロ−材 ７ カップ状砥石 ８ 回転ペ−パ− ３ａ 接合端面に連なる金
属部材外周 ３３ａ 面取り部 ３３３ａ 面取り部及び接合端
面に連なる金属部材外周 Ｋ 加工痕

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス部材と金属部材とを、突き
   合わせてロー材にて接合したセラミックス・金属接合体
   において、前記金属部材のうちで、前記セラミックス部
   材と接合される接合端面に連なると共に、該接合端面と
   は異なる面をなす外周に、前記外周の周方向とは異なる
   方向に加工痕を形成したことを特徴とするセラミックス
   ・金属接合体。
2. 【請求項２】 ロー材に活性ロー材を使用している請求
   項１記載のセラミックス・金属接合体。
3. 【請求項３】 加工痕が、ローレット又はセレーション
   である請求項１記載のセラミックス・金属接合体。
4. 【請求項４】 セラミックス部材と金属部材とを、突き
   合わせてロー材にて接合するセラミックス・金属接合体
   の製造方法において、前記金属部材のうちで、前記セラ
   ミックス部材と接合される接合端面に連なると共に、該
   接合端面とは異なる面をなす外周に、前記外周の周方向
   とは異なる方向に加工痕を予め形成しておくことを特徴
   とするセラミックス・金属接合体の製造方法。
5. 【請求項５】 セラミックス部材と金属部材とを、突き
   合わせてロー材にて接合したセラミックス・金属接合体
   において、前記金属部材のうちで、前記セラミックス部
   材と接合される接合端面に連なると共に、該接合端面と
   は異なる面をなす面取り部に、前記面取り部の周方向と
   は異なる方向に加工痕を形成したことを特徴とするセラ
   ミックス・金属接合体。
6. 【請求項６】 ロー材に活性ローを使用している請求項
   ５記載のセラミックス・金属接合体。
7. 【請求項７】 加工痕が、ローレット又はセレーション
   である請求項５記載のセラミックス・金属接合体。
8. 【請求項８】 セラミックス部材と金属部材とを、突き
   合わせてロー材にて接合するセラミックス・金属接合体
   の製造方法において、前記金属部材のうちで、前記セラ
   ミックス部材と接合される接合端面に連なると共に、該
   接合端面とは異なる面をなす面取り部に、前記面取り部
   の周方向とは異なる方向に加工痕を予め形成しておくこ
   とを特徴とするセラミックス・金属接合体の製造方法。