JP3504716B2

JP3504716B2 - 応力緩衝金属層を有するセラミックス接合体

Info

Publication number: JP3504716B2
Application number: JP06998694A
Authority: JP
Inventors: 智雄田中; 克己見山; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 2004-03-08
Anticipated expiration: 2019-03-08
Also published as: JPH07247177A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス接合体に
関し、特に互いに接合されたセラミックス体と被接合体
の間に、応力緩衝金属層を有するセラミックス接合体に
関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスはその耐熱性、耐摩耗性、
電気絶縁性等の優れた特性を活かし、自動車用部品をは
じめ様々な産業分野に適用されるが、材料の脆さに起因
する信頼性の問題や、難加工材であるため加工コストが
高くつくなどの点から、従来よりセラミックスは、金属
部材等と組み合わせて用いられることが多い。

【０００３】ところで、セラミックス体と金属体の熱膨
張係数は一般に大きく異り、また、セラミックス体側は
そのヤング率が大きいこともあって、接合後の冷却時に
これがセラミックス体に引張応力として作用し、引張に
弱いセラミックスが破壊されやすい問題がある。

【０００４】そこで、上記のような熱応力による接合体
の破壊を防止する一つの方法として、セラミックス体と
金属体の間に軟質金属であるＮｉやＣｕを応力緩衝板と
して挿入する方法が提案されている。一般に、接合体に
発生する熱応力は、セラミックス体と金属体の自由な収
縮（冷却時）又は膨張（昇温時）を拘束している接合界
面付近で特に大きいが、上記のように接合部付近に軟質
金属を挿入すると、発生する応力のためにそれが塑性変
形する。その結果、熱応力によるひずみエネルギーはそ
の塑性変形により消費されるので、接合体の応力は解放
され、接合体の破壊が防止される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来このような目的に
使用されてきたＮｉやＣｕなどの金属は延性が高く、セ
ラミックス体と金属体の寸法変化量の差が大きい場合で
も、それを十分許容できるだけの塑性変形が可能であ
る。ところが、これらの金属は耐力（あるいは降伏応
力）が低いため、接合体に大きな外力がかかると接合面
における剥離やクラックよりも、挿入した応力緩衝金属
板の塑性変形の方が先に起こりやすく、実際の接合面強
度よりも低い応力（外力）で接合体が変形する問題があ
った。

【０００６】本発明の課題は、応力緩衝金属層における
構造上の強度を高めつつ、適度な応力緩衝機能をその金
属層にもたせてバランスさせることにより、より高強度
で信頼性の優れたセラミックス接合体を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、図１に概念
的に示すように互いに接合されたセラミックス体（１）
と被接合体（２）の間に形成された応力緩衝金属層
（３）について、互いに接合されたセラミックス体と被
接合体との間に、応力緩衝金属層が形成されたセラミッ
クス接合体であって、その応力緩衝金属層がＮｉを主成
分とするＮｉ合金層であって、その応力緩衝金属層のビ
ッカース硬さが１５０〜２００であることを特徴とす
る。好ましくはＮｉ合金層は、Ｍｏ、Ｃｏ及びＡｌのう
ちの少なくとも一種以上を、その合計が１〜２５重量％
以下の範囲内で含むようにすることができる。

【０００８】ビッカース硬さを上記範囲内とすることに
より、強度及び熱応力に対する耐性のいずれにも優れた
セラミックス接合体を得ることができる。

【０００９】接合体における応力緩衝金属層のビッカー
ス硬さを１５０〜２００とした理由は以下の通りであ
る。そのビッカース硬さが１５０未満になると、金属層
の延性は増大するが、耐力が低下するので、接合体の強
度が減少し望ましくない。一方、ビッカース硬さが２０
０を越えると、金属層の耐力が高くなり過ぎ塑性変形を
起こしにくくなるため、接合体に温度変化が加わったと
きに発生する熱応力を緩和しきれなくなって、接合強度
の低下を招く。従って、応力緩衝金属層のビッカース硬
さは１５０〜２００とすることが、耐力を高めかつ熱残
留応力を軽減する上で必要である。とくにそのビッカー
ス硬さを１６０〜１９０とすること、更には１７０〜１
８０とすることが、耐力向上と熱応力軽減を高レベルで
両立させるために最も好ましい。ビッカース硬さを上述
のような範囲内に設定することにより、金属層の延性は
それほど低下しないので熱応力の緩和能力が維持され、
しかも降伏応力ないしは耐力が良好な範囲に保たれるの
で、接合体の強度も優れたものとなる。

【００１０】応力緩衝金属層は接合処理後のビッカース
硬さが前記範囲内に収まるように選定する必要がある。
すなわち上記硬さ範囲内であれば、公知の金属材料を使
用することが可能となるが、硬さを上記範囲内のものと
するためには、その緩衝金属層を、Ｎｉを主成分としか
つＭｏ、Ｃｏ及びＡｌのうちの少なくとも一種以上を、
その合計が１〜２５重量％の範囲内で含むＮｉ合金層に
よって構成することが有効である。

【００１１】緩衝金属層をＮｉ単体で構成した場合、そ
のビッカース硬さが小さく、そのままでは耐力が低すぎ
るために接合体の強度が不十分となる場合がある。しか
しながら、合金元素としてＭｏ、Ｃｏ及びＡｌの一種以
上を上記範囲内で添加することにより、固溶硬化あるい
は析出硬化により金属層の耐力が増大し、上記望ましい
硬さ範囲のものとできる。合計添加量が１重量％未満で
あると、これら成分添加による金属層強化の効果が充分
には得られず、逆に２５重量％を越えると降伏強度が大
きくなり過ぎて応力緩和機能に支障をきたすようにな
る。したがって、上記合計添加量は１〜２５重量％とす
るのがよく、中でも４〜２０重量％程度が好ましい。

【００１２】セラミックス体と応力緩衝金属層の接合形
態には、中間の接合合金層を介して間接的に接合された
ものと、金属層が直接セラミックス体に接合されたもの
の２種類がある。中間に接合合金層を介する構造として
は、ロー付け法により作られた接合体が代表的である。
ロー付け法には例えば、メタライズロー付け法や直接ロ
ー付け法等がある。メタライズロー付け法は、セラミッ
クス体の接合面に金属層を気相からの析出、蒸着、スパ
ッタリングなどの方法や、金属間化合物の分解などの手
法により形成し、金属材料とのロー付けを行う方法で、
Ｍｏ−Ｍｎ法などが知られている。一方、直接ロー付け
法としては、活性金属法が代表的である。これは、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの活性金属を含むロー材を金属体と
セラミックス体の間に挿入して、加熱等の接合処理を施
すことにより、ロー材中の活性金属がセラミックス体と
化学反応を起こして接合部を形成するものである。この
方法は、セラミックス体にメタライズ処理を施す必要が
なく、１回の接合処理により接合体を得ることができる
ので、生産性に優れている。

【００１３】本発明の接合体をロー付け法により作製す
る場合、使用するロー材の種類は特に限定されず、例え
ば活性金属法により作製する場合は、Ｔｉ系のものでは
銀ローをベースにしたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系、Ａｇ−Ｃｕ
−Ｎｉ−Ｔｉ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系などのロー
材、あるいは高温用のものとしては、例えばＮｉ−Ｔｉ
系、Ｃｕ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｔｉ系などをベースに
したロー材が使用できる。また、Ｔｉ以外の活性金属を
用いるロー材としては、Ｚｒ−Ｎｉ系、Ｚｒ−Ｆｅ系、
Ｂｅ−Ｃｕ系、Ｂｅ−Ｎｉ系、ＴｉＨ₂−Ｎｉ系、Ｔｉ
Ｈ₂−Ｃｕ系、ＺｒＨ₂−Ｎｉ系、ＺｒＨ₂−Ｆｅ系等、
各種のロー材が使用可能である。

【００１４】接合処理によって、中間材たるロー材の成
分は、金属層ならびにセラミックス体の成分と相互拡散
ないしは化学反応を起こし、金属層とセラミックス体の
間に接合合金層が形成されることとなる。

【００１５】例えばＮｉ等の軟質金属をベースとするロ
ー材を使用した場合、接合後に形成される接合合金層は
非常に延性に富んだものとなり、優れた熱応力緩和特性
が期待できる。しかしながら、このようなロー材を用い
たときに形成される接合合金層は降伏応力が低いことが
多く、この層があまり厚く形成されすぎると接合体の強
度が低下する恐れがある。そのため接合合金層の厚み
は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなど軟質金属をベースとするロー
材を用いる場合、150μｍ以下とすることが望ましい。

【００１６】ロー材は、全体を均一な組成を有する合金
板としてもよいが、各成分の配合比率に対応してその厚
みを調節した、単体金属箔又は合金箔を積層したもの
（積層箔）として構成してもよい。これら積層箔は接合
処理時に互いに溶融しあって液相を発生する。これら積
層箔の積層順序は特に限定されない。

【００１７】一方、直接接合を行う場合は、セラミック
ス体と所定の被接合体（例えば金属体又はセラミックス
体等）の間に応力緩衝層となる金属材を挟み込み、適当
な雰囲気中で例えば拡散接合、ホットプレス法、HIP
法、電圧印加法、摩擦圧接法、爆発圧接法、等によって
接合処理を行う。また、電子ビームやレーザーを用い、
金属材とセラミックス体の一部を溶融させて接合する方
法もある。

【００１８】上記のような各種方法により接合可能なセ
ラミックス体としては、公知の接合体とほぼ同じ種類の
セラミックス体であって、例えばＳｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、Ｂ
₄Ｃ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｍｇ
Ｏ、ＢｅＯ、ＺｒＯ₂、ＴｈＯ₂、ＴｉＯ₂、又はそれら
の一種又はそれ以上のセラミックス成分を含む複合セラ
ミックス体などがある。

【００１９】本発明の接合体において、セラミックス体
に応力緩衝金属層を介して接合された被接合体は種々存
在する。これらは、接合体の使用用途に応じて適宜選択
されるものであり、例えば炭素鋼、合金鋼、ステンレス
鋼、さらにはコバール、インバー、エリンバー、Ｆｅ−
４２％Ｎｉ合金（４２合金）などの鉄基低膨張係数合
金、インコロイ、ディスカロイなどの鉄基耐熱合金、イ
ンコネルなどのＮｉ基耐熱合金、タングステン、モリブ
デン、及びそれらの合金、超硬合金、サーメットなど各
種材料で構成することが可能である。また、このような
金属体にさらに第二、第三の金属体を接合することも可
能である。これら複数の金属体を接合することにより、
個々の金属体の特質が相乗的に作用して、より強度の優
れた接合体を得ることができる。

【００２０】例えば、応力緩衝金属層を例えばＮｉ基合
金等で相当厚く形成する必要がある場合、その厚みの増
大が構造上の強度低下を招きやすいが、その応力緩衝層
を分断するように、例えばタングステン（Ｗ）板等の線
膨張係数が小さく、しかも強度の高い金属を介在させる
ことにより、一定の応力緩衝機能を保ちつつ構造上の強
度を確保することができる。

【００２１】なお、応力緩衝金属層を挟んで、セラミッ
クス体と被接合体としての金属体が一体化された構造に
限らず、被接合体もまたセラミックス体とされる構造、
すなわちセラミックス体同志が応力緩衝金属層を介して
接合されたものも、本発明の範囲に含まれる。

【００２２】

【実施例】以下実施例により、本発明をさらに詳しく説
明する。（実施例１）図２に示す位置関係で、２本の円柱状のＳ
ｉ₃Ｎ₄焼結体（直径10 mm、長さ20mm）の間に、活性ロ
ー材箔（Ａｇ−２７重量％Ｃｕ−２重量％Ｔｉ、直径10
mm、厚さ0.01 mm）と応力緩衝金属層としての金属板
（直径10 mm、厚さ0.25 mm）を積層し、図示しない治具
を用いてこの積層体を固定した。上記金属板はＮｉをベ
ースとし、これに合金元素としてのＣｏ、Ａｌ及びＭｏ
を単独で又は複合して、その総量が０〜３０重量％の範
囲内で各種比率添加したものを用いた。このような積層
体を真空加熱炉中で1×10^-5 torrの真空雰囲気のもと
で、900℃に加熱し接合処理を行った。

【００２３】得られた接合体から幅4 mm、厚さ3 mm、長
さ40 mmの角柱状の抗折試験片を切り出し、JISR1601
（セラミックスの曲げ強度試験方法）に記載された方法
に基づいて、試験片の４点曲げ強度を室温で測定した。
結果を図５〜１１に示す。これらの図では縦軸は接合強
度（単位ＭＰａ）、横軸は応力緩衝金属層のビッカース
硬さを表しており、横軸の下側には対応するその金属層
の合金元素添加総量を示している。

【００２４】なお、接合後の金属層のビッカース硬さ
は、接合部を切断した後切断面を鏡面研磨し、その研磨
面上で試験荷重50 gfでマイクロビッカース硬度計を用
いて測定した。本実施例で用いた合金元素については、
応力緩衝金属層のビッカース硬さが１５０〜２００の範
囲にある接合体はいずれも優れた曲げ強度を示してい
る。これに対し、ビッカース硬さが１５０未満のものは
強度が低くなっており、試験中に上記金属層が曲げ変形
を起こした。一方、その金属層のビッカース硬さが２０
０を超えるものについては、接合体の強度が、上述のビ
ッカース硬さ１５０未満の場合と同じようなレベルまで
小さくなっていることがわかる。また、接合体の強度は
金属層のビッカース硬さが１６０〜１９０の場合にはさ
らに大きくなっており、１７０〜１８０の範囲でいずれ
の合金元素の場合も、接合体はほぼ最高の曲げ強度を示
していることもわかる。

【００２５】（実施例２）図３に示す位置関係で、２本
の円柱状のＳｉ₃Ｎ₄焼結体（直径10 mm、長さ20mm）の
間に、応力緩衝金属層を形成する金属板（直径10 mm、
厚さ0.25 mm）を配置した。金属板は、Ｎｉをベースと
し、これにＭｏを０〜３０重量％の範囲内で添加したも
のを用いた。これを1×10^-5 torrの真空雰囲気のもとで
1150℃に保持し、さらに20 MPaの圧力を印加してホット
プレスによる拡散接合処理を行った。

【００２６】得られた接合体から抗折試験片を切り出
し、実施例１と同様の方法により試験片の４点曲げ強度
を室温で測定した。また、接合後の金属板（応力緩衝金
属層）のビッカース硬さを実施例１と同様の方法にて測
定した。結果を図１２に示す。

【００２７】その金属層の硬さが１５０〜２００の範囲
にある接合体はいずれも３５０ MPa以上の曲げ強度を示
しており、１６０〜１９０の場合は強度はさらに大き
く、１７０〜１８０の範囲で、接合体はほぼ最高の曲げ
強度を示している。金属層のビッカース硬さを上記範囲
内に調節することによって、活性ロー材を用いない拡散
接合法でも、比較的良好な強度を示す接合体が容易に作
製できることがわかる。

【００２８】（実施例３）図４に示す位置関係で、円柱
状のＳｉ₃Ｎ₄焼結体（直径10 mm、長さ20 mm）と、これ
と同寸法のステンレス鋼円柱体（ＳＵＳ４０３）の間
に、応力緩衝金属層としての金属板（直径10 mm、厚さ
0.25 mm）、活性ロー材箔（Ａｇ−２７重量％Ｃｕ−
２重量％Ｔｉ、直径10 mm、厚さ0.05 mm）、Ｔｉ箔（直
径10 mm、厚さ0.005 mm）、活性ロー材箔（Ａｇ−２
７重量％Ｃｕ−２重量％Ｔｉ、直径10 mm、厚さ0.1 m
m）、タングステン（Ｗ）板（直径10 mm、厚さ2.0 m
m）、Ｎｉ板（直径10 mm、厚さ0.5 mm）を積層し、図示
しない治具を用いてこの積層体を固定した。金属板は、
Ｎｉをベースとし、これにＭｏを０〜３０重量％の範囲
内で添加したものを用いた。このような積層体を真空加
熱炉中で1×10^-5 torrの真空雰囲気のもとで、900℃に
加熱し接合処理を行った。

【００２９】得られた接合体から抗折試験片を切り出
し、実施例１と同様の方法により試験片の４点曲げ強度
を室温で測定した。また、接合後の金属板（応力緩衝金
属層）のビッカース硬さを実施例１と同様の方法にて測
定した。結果を図１３に示す。

【００３０】金属板の硬さが１５０〜２００の範囲にあ
る接合体はいずれも３５０ MPa以上の曲げ強度を示して
おり、１６０〜１９０の場合は強度はさらに大きく、１
７０〜１８０の範囲で、接合体はほぼ最高の曲げ強度を
示している。

【００３１】

【発明の作用ならびに効果】本発明のセラミックス接合
体は、応力緩衝金属層のビッカース硬さを１５０〜２０
０とすることにより、その緩衝金属層の延性がそれほど
低下しないので熱応力の緩衝能力が維持され、しかも降
伏応力ないしは耐力が良好な範囲に保たれるので、強度
及び熱応力に対する耐性のいずれにも優れたセラミック
ス接合体を得ることができる。

【００３２】また、応力緩衝金属層を、Ｎｉを主成分と
し、Ｍｏ、Ｃｏ及びＡｌのうちの少なくとも一種以上
を、その合計が１〜２５重量％の範囲内で含有するＮｉ
合金で構成することにより、延性に優れたＮｉが上記合
金元素の添加によって固溶硬化あるいは析出硬化し、上
記望ましい硬さ範囲のものとできる。

【００３３】応力緩衝金属層とセラミックス体の間に接
合合金層が形成される発明では、接合後に形成される接
合合金層は非常に延性に富んだものとなり、優れた熱応
力緩衝特性が発揮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を概念的に示す図。

【図２】実施例１に用いた接合体の、接合前の各部の配
置を示す模式図。

【図３】実施例２に用いた接合体の、接合前の各部の配
置を示す模式図。

【図４】実施例３に用いた接合体の、接合前の各部の配
置を示す模式図。

【図５】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層と
なる金属板としてＮｉ−Ｍｏ合金板を用いた場合の応力
緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度の関係
を示す図。

【図６】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層と
なる金属板としてＮｉ−Ｃｏ合金板を用いた場合の応力
緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度の関係
を示す図。

【図７】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層と
なる金属板としてＮｉ−Ａｌ合金板を用いた場合の応力
緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度の関係
を示す図。

【図８】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層と
なる金属板としてＮｉ−Ｍｏ−Ｃｏ合金板を用いた場合
の応力緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度
の関係を示す図。

【図９】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層と
なる金属板としてＮｉ−Ｍｏ−Ａｌ合金板を用いた場合
の応力緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度
の関係を示す図。

【図１０】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層
となる金属板としてＮｉ−Ｃｏ−Ａｌ合金板を用いた場
合の応力緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強
度の関係を示す図。

【図１１】実施例１の接合体において、応力緩衝金属層
となる金属板としてＮｉ−Ｍｏ−Ｃｏ−Ａｌ合金板を用
いた場合の応力緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の
曲げ強度の関係を示す図。

【図１２】実施例２の接合体において、応力緩衝金属層
となる金属板としてＮｉ−Ｍｏ合金板を用いた場合の応
力緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度の関
係を示す図。

【図１３】実施例３の接合体において、応力緩衝金属層
となる金属板としてＮｉ−Ｍｏ合金板を用いた場合の応
力緩衝金属層のビッカース硬さと接合体の曲げ強度の関
係を示す図。

【符号の説明】

１セラミックス体２被接合体３応力緩衝金属層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−2671（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 37/00 - 37/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに接合されたセラミックス体と被接
合体との間に、応力緩衝金属層が形成されたセラミック
ス接合体であって、その応力緩衝金属層がＮｉを主成分
とするＮｉ合金層であって、その応力緩衝金属層のビッ
カース硬さが１５０〜２００であることを特徴とする応
力緩衝金属層を有するセラミックス接合体。
【請求項２】前記応力緩衝金属層がＮｉを主成分とす
るＮｉ合金層であって、Ｍｏ、Ｃｏ及びＡｌのうちの少
なくとも一種以上を、その合計が１〜２５重量％以下の
範囲内で含む請求項１に記載の応力緩衝金属層を有する
セラミックス接合体。
【請求項３】前記応力緩衝金属層と前記セラミックス
体との間に接合合金層が形成された請求項１又は２に記
載のセラミックス接合体。