JP4131809B2 - 金属−セラミックス複合材料の接合体およびその製造方法 - Google Patents

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材で接合された接合体に関し、特に少なくとも一方の材料がＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料である接合体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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れた金属−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。この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体としては、Ａｌ合金ろう材を接合材として接合する技術が提案されている（特開２０００−２４７７６）。
一方、ＳｉまたはＳｉ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は、軽量、高剛性に加えて、Ａｌ合金をマトリックスとする複合材料より耐熱性があるという特徴を有しており、その特徴を活かして接合する技術として、Ａｕ合金ろう材を接合材として接合する方法が提案されている（特願２００１−０９６１６０）。このＡｕ合金ろう材ならば、特開２０００−２４７７６で開示されているＡｌ合金ろう材を用いて接合した場合と比較して、耐熱性を有する接合体の作製が可能であるという特徴がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のろう材は、ＳｉまたはＳｉ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比較して熱膨張係数が大きいため、接合後に生じる残留応力により接合面が剥離するなどの課題があり、したがって、大面積の接合ができないという課題があった。
【０００４】
本発明は、上記した従来の接合材が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は大面積の接合であっても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技術を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、ＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料と、該金属−セラミックス複合材料と同種または異種の材料とが、Ｓｉを１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合層で接合してなることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体によって達成される。
【０００６】
また、本発明の目的は、ＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料と、該金属−セラミックス複合材料と同種または異種の材料との間にＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合材を充填し、該接合材の融点以上の温度で、かつ該金属−セラミックス複合材料中のマトリックス金属の融点以下の温度で熱処理して接合することを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体の製造方法によっても達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、ＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金を接合材として用いて金属−セラミックス複合材料を接合すれば、大面積での接合であっても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できるのではないかとの着想の基に本発明を完成するに至った。
【０００８】
以下に本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明では、ＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料と、該金属−セラミックス複合材料と同種または異種の材料とが、Ｓｉを１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合層で接合してなることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体を提案している（請求項１）。
【００１０】
ここで異種の材料とは、金属材料、セラミックス材料などである。
次に、Ａｌ−Ｓｉ合金からなる接合層で接合してなる接合体とすることにより、大面積の接合が可能となる。その理由は、Ａｌ−Ｓｉ合金は共晶合金で互いに固溶せず、金属Ａｌと金属Ｓｉに分離した縞状構造をとるので、その分離Ｓｉと金属−セラミックス複合材料のマトリックスであるＳｉが一体化して強固な接合が可能となること、およびその分離Ｓｉが分離Ａｌの熱膨張を効果的に抑え、大面積の接合であっても接合後の残留応力が問題にならないためである。
【００１１】
次に、本発明の接合層は、Ｓｉを１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金に限定した。その理由は、接合層のＳｉの含有量が１０体積％より少ないと、分離Ｓｉ量が少ないので、十分な強度、及び残留応力低減効果が得られないためである。なお、上述した接合の仕組みから明らかなようにＡｌ−Ｓｉ合金のＳｉ含有量には上限はない。また、接合体の耐熱性の点からも、Ｓｉ含有量が多いほど好ましい。
【００１２】
また、本発明では接合体の製造方法としては、ＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料と、該金属−セラミックス複合材料と同種または異種の材料との間にＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合材を充填し、該接合材の融点以上の温度で、かつ該金属−セラミックス複合材料中のマトリックス金属の融点以下の温度で熱処理して接合することを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体の製造方法を提案している（請求項２）。
【００１３】
上記のように、被接合材料間にＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合材を充填し、該接合材の融点以上の温度で、かつ該金属−セラミックス複合材料中のマトリックス金属の融点以下の温度で熱処理することで、接合層を介して強固に接合された接合体とすることができる。
なお、あらかじめ被接合材料間に充填する接合材はＳｉを１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金である必要はなく、Ｓｉ以外の元素を含むＡｌ合金であっても良いし、純Ａｌでも良い。
その理由は、例えば純Ａｌを用いた場合であっても、熱処理することにより、金属−セラミックス複合材料のマトリックスであるＳｉと相互に拡散すれば、最終的な接合層の組成をＳｉが１０体積％以上含まれるＡｌ−Ｓｉ合金とすることができるからである。
【００１４】
したがって、最終的な接合層のＡｌ−Ｓｉ合金組成をＳｉが１０体積％以上含まれるようにするため、適宜に被接合材料間に充填するＡｌ合金組成、その厚さ、接合温度、その保持時間等の接合条件を選ぶ必要がある。
要は、最終的な接合層を、Ｓｉが１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金とすることができれば、大面積の接合であっても強固に接合された接合体が得られる。
【００１５】
その被接合材料間に充填する接合材のＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金の形態は、気密性を考慮すれば、板状体または箔がより好ましい。粉末の形態で用いた場合は、粉末の空隙が欠陥として残る可能性があり、信頼性の点で好ましくない。その他の形態としては、被接合部材のいずれか一方の接合面にＡｌ合金の溶射を施し、Ａｌ合金溶射層を平面研削して、準備する方法であってもよい。
【００１６】
また、箔の形態で用いる場合は、純Ａｌ箔がより好ましい。Ａｌの純度が高いほうが、箔のくり抜き加工性が良好で、接合面の形状が複雑であっても、形状に沿った複雑な加工ができること、及び純Ａｌ箔は工業用製品として一般に流通している材料で、入手が比較的容易なためである。
また、接合温度を接合材の融点温度以上としたのは、接合材を溶融することで複合材料のマトリックスであるＳｉとの相互拡散を促進し、最終的な接合層を、Ｓｉが１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金とすることができるからである。さらに、接合温度を複合材料中のマトリックス金属が融ける融点温度以下としたのは、複合材料の金属が融けて外部に染み出し、複合材料自体がポーラスな組織となってしまうからである。したがって、接合材は、複合材料中のマトリックス金属より融点が低い必要があり、接合材としてＳｉを用いることはできず、ＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金を用いる必要がある。
【００１７】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ずＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−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Ａｌ箔またはＡｌ-Ｓｉ合金箔を用意する。Ａｌ箔またＡｌ-Ｓｉ合金箔は被接合面の形状に、あらかじめ加工しておく。
【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に用意したＡｌ箔またはＡｌ-Ｓｉ合金箔を充填する。これを非酸化雰囲気中で該ＡｌまたはＡｌ-Ｓｉ合金の融点以上の温度で、かつ複合材料中のマトリックス金属が融ける融点以下の温度で熱処理して、金属−セラミックス複合材料の接合体を作製する。
なお、雰囲気については、真空、Ｎ₂、Ａｒ、Ｎ₂＋Ｈ₂、Ａｒ＋Ｈ₂など非酸化雰囲気ガス中であれば何でもよいが、Ａｌ箔またはＡｌ-Ｓｉ合金箔と金属−セラミックス複合材料の空隙中のガスが、接合後に欠陥となる可能性を防止するため、真空中で加熱処理することが好ましい。
【００１９】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料を接合すれば、大面積の接合であっても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。
【００２０】
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。
（実施例１〜３）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
金属−セラミックス複合材料としては、セランクス社製のＰＳＳ５０（商品名）（マトリックスＳｉ金属：５０体積％、強化材ＳｉＣ粉末：５０体積％）を用いた。また被接合材料としては、同種のＰＳＳ５０または異種のセラミックス材料として市販のＳｉＣ焼結体を用いた。次に、これらから直径２００ｍｍ×厚み２０ｍｍの円板試料を切り出して用いた。
【００２１】
次に、純度９９．３％、厚さ１００μｍのＡｌ箔を接合材として、接合する材料の円板試料面間に充填し、その材料の上部に２０ｇ／ｃｍ²の荷重がかかる重しを載せた後、これを真空中１０００℃で１時間加熱して接合体を作製した。
【００２２】
（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。その結果を表１に示す。また、接合層の化学組成分析を行うため、接合体を研削加工により、接合層のみからなる大きさ５０ｍｍ角×厚さ５０μｍの試料を作製した。これを硝酸・アルカリ溶解した後、ろ液中のＡｌ、Ｓｉ量をＩＣＰ発光分光分析法で定量した。その結果も表１にあわせて示す。
【００２３】
（比較例）
比較例１では、ろう材としてＡｕ−５０Ａｇ合金箔を用いた。比較例２では接合材としてＳｉを３体積％含むＡｌ−Ｓｉ合金箔を用いて６００℃で接合した。それ以外は、実施例と同様に接合体を作製し、評価を行った。その結果も表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１から明らかなように、実施例１〜３では、接合層のＡｌ−Ｓｉ合金に含まれるＳｉ量が本発明の範囲内にあり、いずれも接合強度１５０ＭＰａ以上の強固な接合強度を有する接合体となっていた。
【００２６】
これに対して比較例１〜２では、接合後の残留応力により、複合材料中に微小な亀裂が生じたため、接合強度は評価しなかった。
これらの結果は、比較例１ではＡｕ合金ろう材を用いたためであり、比較例２では、接合温度が低いため、複合材料中のＳｉとの相互拡散が促進されず、最終的な接合層のＡｌ−Ｓｉ合金組成が本発明の範囲から外れたためと考察される。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明で開示した金属−セラミックス複合材料の接合体であれば、大面積の接合であっても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製造することができた。

Claims (2)

1. ＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料と、該金属−セラミックス複合材料と同種または異種の材料とが、Ｓｉを１０体積％以上含むＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合層で接合してなることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の接合体。
2. ＳｉまたはＳｉ合金をマトリックスとし、セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とする金属−セラミックス複合材料と、該金属−セラミックス複合材料と同種または異種の材料との間にＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ合金からなる接合材を充填し、該接合材の融点以上の温度で、かつ該金属−セラミックス複合材料中のマトリックス金属の融点以下の温度で熱処理して接合することを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合材料の接合体の製造方法。