JP3998847B2

JP3998847B2 - 金属−セラミックス複合材料の接合体

Info

Publication number: JP3998847B2
Application number: JP04740599A
Authority: JP
Inventors: 修一川南
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000247760A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料と材料とが接合された接合体に関し、特に一方の材料がＡｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料である金属−セラミックス複合材料の接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
Ａｌ合金は、軽量で耐食性に優れ、熱の伝導性、電気の電導性にも優れているため、様々な分野で利用が進んでいる。また近年、Ａｌ合金をマトリックスとし、セラミックスを強化材として複合させた金属−セラミックス複合材料がその軽量、高剛性を特徴として利用されるようになってきた。
【０００３】
この中でＡｌ合金の接合に関しては、ＪＩＳＨ０００１で規定されている展伸材Ａｌ合金については、ロウ材を介して接合する技術が知られており、そのロウ材については、６００℃前後の温度で接合するＡｌ合金ロウ、ブレージングシートなどのロウ材がＪＩＳＺ３２６３に規定されている。
【０００４】
別にＪＩＳＨ５２０２で規定されている鋳物材Ａｌ合金については、展伸材の場合のようなＪＩＳに規定されている接合用のロウ材がなく、また、この鋳物材Ａｌ合金の融点が展伸材Ａｌ合金よりかなり低いため、前記したロウ材をこの鋳物材Ａｌ合金に使用しても接合することが難しく、ＪＩＳＨ０００１の中で規定されている最も融点の低いＢＡ４１４５合金でさえ融点が５８５℃であるため、例えば融点が５７０℃であるＡＣ８Ａなどのキャスト合金の接合はできない。
【０００５】
そこで、低融点Ａｌ合金の接合用のロウ材として、Ａｌ−Ｚｎ−Ｓｉ−Ａｇ系合金（特開平５−３１８１７２）、Ａｌ−Ｇｅ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（溶接学会論文集ｖｏｌ１４（１９９６）６３）等が提案されている。しかし、これらのロウ材でも、その接合温度がＡＣ８Ａなどの合金の望ましい接合温度である５３０℃より高いため、強固な接合が難しいという問題があった。
【０００６】
一方、先に述べたＡｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料の接合については、ロウ材を介して接合したものはこれまで見当たらず、そのため、前記したロウ材を介して接合することを試みたが、この複合材料にはマトリックスであるＡｌ合金に融点の低い鋳物材Ａｌ合金が使われ、しかもセラミックス粉末が複合されているため、接合部でのロウ材と金属部分との接触が少なく、それがために強固に接合するのは先の鋳物材Ａｌ合金よりさらに難しくなり、強固に接合した金属−セラミックス複合材料の接合体が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料の接合体が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、ロウ材で強固に接合された金属−セラミックス複合材料の接合体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｓｎ系合金をロウ材として接合すれば、強固に接合された金属−セラミックス複合材料の接合体が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち本発明は、
（１）Ａｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料とが、Ｓｉを２〜１０重量％、Ｃｕを３〜１５重量％、Ｓｎを５〜５０重量％含み、残部がＡｌ及び不可避不純物から成るロウ材を介して接合されたことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体（請求項１）とし、また、
（２）前記ロウ材が、Ａｌを４０重量％以上含み、かつそのロウ材の硬さが、ロックウェル硬度でＨＲＢ４０以下のロウ材であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の接合体（請求項２）とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【００１０】
上記で述べたように本発明の金属−セラミックス複合材料の接合体としては、接合するロウ材を、Ｓｉを２〜１０重量％、Ｃｕを３〜１５重量％、Ｓｎを５〜５０重量％含み、残部がＡｌ及び不可避不純物から成るロウ材として接合した金属−セラミックス複合材料の接合体とした（請求項１）。
【００１１】
上述したロウ材で接合した接合体は、充分実用に耐える強固に接合された接合体である。その理由としては、このロウ材のＤＴＡ分析（示差熱分析）により５００℃付近での液相の生成が確認されたことから、５００℃以上になると液相の量が増え、その結果、接合する材料とロウ材間の成分相互の拡散が活発になり、５３０℃以下の接合温度でも強固に接合することのできる接合体を得ることが可能になったものと思われる。
【００１２】
そのロウ材の組成を述べると、先ずＳｉ及びＣｕについては、低融点化に有効であるので含有しているが、アルミニウムに多少固溶するため、ある程度以上の含有量が必要であり、その含有量としては、Ｓｉで２〜１０重量％、Ｃｕで３〜１５重量％が好ましく、含有量がこの範囲より少ないと、低融点化の効果が少なく、逆にこの範囲より多いと、ＳｉやＣｕＡｌ₂などの金属間化合物の析出が多くなって硬く脆いロウ材となり、接合体のロウ材部分での応力緩和ができず、接合強度が低下することがある。
【００１３】
一方、Ｓｎについては、低融点化と低硬度化に有効であるので含有しているが、その含有量としては、５〜５０重量％が好ましく、５重量％より少ないと、その効果が有効に発揮できず、逆に５０重量％より多いと、低融点化には顕著な効果があるものの逆に耐熱性が大きく低下するので、好ましくない。なお、Ｓｎを含むと、２２０℃付近から液相が生成するが、その量は少なく、ロウ材が流れるようなことはない。
【００１４】
このロウ材よりより好ましいロウ材を用いた接合体としては、用いるロウ材を、Ａｌを４０重量％以上含み、かつそのロウ材の硬さを、ロックウェル硬度でＨＲＢ４０以下のロウ材として接合した金属−セラミックス複合材料の接合体とした（請求項２）。
【００１５】
ロウ材中のＡｌ含有量については、先のロウ材では、Ａｌの含有量に関わらず接合強度の面からは十分な強度を有するため、限定してないが、Ａｌの含有量が少ないと、腐蝕しやすい環境下では、接合部の陽極腐蝕が起こりやすいこと、熱処理の場合または高温で用いる場合の温度上昇時に生じる接合部での不均一な拡散による欠陥が生じやすいなどの問題が生じて接合部の接続信頼性が劣るので、これをＡｌの含有量を４０重量％以上に限定することにより、先の問題を抑えることができ、より好ましい接合体となる。
【００１６】
また、ロウ材の硬さについては、これも先のロウ材では、ロウ材の硬さに関わらず強度の面からは十分な強度を有するため、同様限定してないが、硬度が高いと、接合部の熱膨張差による応力の緩和に劣り、接合強度が若干低下し、また、ロウ材を箔状で用いる場合には、箔の加工性、箔での作業性が劣るので、これをロックウエル硬度でＨＲＢ４０以下に限定することにより、先の問題を抑えることができ、より好ましい接合体となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法を述べると、先ずＡｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料とそれに接合すべき材料、例えばそれと同種の金属−セラミックス複合材料または異種の金属材料、セラミックス材料などを用意する。これとは別に本発明のロウ材を用意する。ロウ材は箔でもよいし、粉末または粉末にバインダーを加えたペーストでもよい。
【００１８】
用意した金属−セラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料間の接合面に用意したロウ材を箔、粉末またはペースト状にして挟み込む。これを非酸化雰囲気中（Ｎ₂中、Ａｒ中、真空中など）で適切な温度で加熱して接合し、金属−セラミックス複合材料の接合体を作製する。
【００１９】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料の接合体を作製すれば、ロウ材で強固に接合された金属−セラミックス複合材料の接合体を得ることができる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２１】
（実施例１〜８）
（１）接合体の作製
金属−セラミックス複合材料としてセランクス（株）社が製造したＰＳ１７０（ＳｉＣ粉末７０ｖｏｌ％）を、金属材料として市販のＡＣ８Ａを、セラミックス材料として市販の９９．５％アルミナを用意した。それらから５０×５０×２０ｍｍの試料を切り出し、複合材料とＡＣ８Ａはそのまま用い、アルミナは接合面にＡｌ膜を蒸着して用いた。
【００２２】
一方、ロウ材は、表１に示す組成となるよう所定金属を混合した後、黒鉛坩堝中で６５０℃の温度で加熱溶解し、それを金属製の回転２本ロールに流し出す方法で箔を作製した。箔の厚みは約２００μｍである。得られた箔を表１に示す接合する材料間の５０×５０ｍｍの接合面に挟み込み、これをＮ₂中で５２０℃の温度に加熱し、接合して接合体を作製した。
【００２３】
（２）評価
得られた接合体から接合部を中心とした試料を切り出し、その表面を研削加工して３×４×４０ｍｍの試料を作製した。この試料で下部スパン３０ｍｍ、上部スパン１０ｍｍの４点曲げ試験を行って接合強度を求めた。また、用意したロウ材を溶融し、それを煉瓦上に流し出し冷却後、１０ｍｍ□程度に切り出し、その硬度をロックウェル硬度計（松沢精機製ＭＲＫ−Ｍ型）でＨＲＢ硬度を測定した。ただし、ＨＲＢ硬度は、４０以下になると測定が困難であるので、ＨＲＦ硬度を併せて測定した（換算表によるとＨＲＢ硬度がＨＲＦ８０に相当する）。それらの結果を表１に示す。
【００２４】
（比較例１〜４）
比較例では、ロウ材として本発明の範囲外の組成を有するロウ材を用いた他は実施例と同様に接合体を作製し、評価した。その結果も表１に示す。
【００２５】
表１から明らかなように、実施例１〜８では、本発明のロウ材を用いて接合しているので、いずれも１００ＭＰａ以上の強固な接合強度を有する接合体となっている。また、用いたロウ材中のＡｌの含有量がいずれも４０重量％以上にあり、しかもそのロウ材の硬さも全てＨＲＢ硬度で４０以下にあった。これらのことは、ロウ材を介して接合した複合材料の接合体でも強固に接合された接合体が得られるということを、また、そのロウ材中のＡｌの含有量が４０重量％以上でかつその硬さがＨＲＢ硬度で４０以下にあるので、接合部の接続信頼性などにも良好な接合体が得られているということを示している。
【００２６】
これに対して、比較例１〜３とも、Ｓｎを含んでいないので、接合ができないか、あるいは接合できても極めて低い接合強度となっている。また、比較例４では、Ｓｎを含んでいるものの、その組成が本発明の範囲内にないので、接合強度が実施例より大幅に低下している。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の金属−セラミックス複合材料の接合体であれば、ロウ材を介して接合された接合体であっても、強固に接合された接合体が得られるようになった。このことにより、金属−セラミックス複合材料であっても、ロウ材を介して強固に接合された接合体を提供できるようになった。また、鋳物材Ａｌ合金のような低融点の金属材料であっても、本発明のロウ材を用いて接合すれば、ロウ材を介して強固に接合された金属材料の接合体も当然のことながら提供できるようになった。
整理番号ＴＫＳ２６０
化学式等を記載した書面
【表１】

［注］接合する材料のＭＭＣは、Ａｌをマトリックスとする複合材料であり、ＡＣ８Ａは、Ａｌ合金である。

Claims

Ａｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料とが、Ｓｉを２〜１０重量％、Ｃｕを３〜１５重量％、Ｓｎを５〜５０重量％含み、残部がＡｌ及び不可避不純物から成るロウ材を介して接合されたことを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体。
前記ロウ材が、Ａｌを４０重量％以上含み、かつそのロウ材の硬さが、ロックウェル硬度でＨＲＢ４０以下のロウ材であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料の接合体。