JP4373538B2 - 金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体及びその接合方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料と材料とを接合した接合体及びその接合方法に関し、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、もう一方がセラミックスである接合体及びその接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
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は、軽量、高剛性を特徴として産業機械などに利用が進んでいる。その複合材料の接合については、複合材料が新規な材料であるため、報告例がほとんどない。
【0003】
それに比べて従来から接合の実績のあるセラミックスでは、セラミックスとセラミックス、あるいはセラミックスと金属とを接合した接合体が機械部品、電子部品等に以前から利用されている。このセラミックスの接合技術については、主としてセラミックス表面にメタライズを施した後、そのメタライズ面をろう材を介してろう付けする方法、あるいはメタライズしないでセラミックス表面同士を直接Tiなどの活性な金属を含むろう材を介してろう付けする方法で接合することが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法を用いて複合材料を接合してみても、セラミックスと同じように接合することは難しかった。それは、セラミックス表面にメタライズを施す方法では、ろう付けが800℃付近で行われるため、それより融点の低いAl合金をマトリックスとしている複合材料では変形してしまうという問題であるためである。
【0005】
一方の活性金属によるろう付けにおいても、ろう付け温度が通常800℃以上を必要とするので、これも同様それより融点の低いAl合金をマトリックスとしている複合材料では変形してしまうこととなる。
【0006】
また、セラミックスとAl合金とを高圧をかけて接合することも提案されているが、この方法では温度には問題ないもののさまざまな形態を有する製品に適応することが難しく、生産性に乏しい技術となっている。
【0007】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料の接合が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、金属−セラミックス複合材料とセラミックスとを強固にしかも圧力をかけることなく容易に接合することのできる接合体を提供し、その接合方法をも提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、ろう材中にMgを含ませれば、あるいは複合材料中のマトリックス中にMgを含ませれば、複合材料とセラミックスとをろう材を介して圧力をかけることなく強固に接合することができ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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとが、窒素雰囲気中で、Mgを含むAl合金からなるろう材を介して接合されていることを特徴とする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体(請求項1)とし、(2)前記ろう材中のMgの含有量が、0.1〜5%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とセラミックスとの接合体(請求項2)とし、(3)Mgを含む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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとが、窒素雰囲気中で、Mgを含むAl合金からなるろう材を介して接合されていることを特徴とする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体(請求項3)とし、(4)前記マトリックスであるAl合金中のMgの含有量が、0.3%以上であることを特徴とする請求項3記載の金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体(請求項4)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とセラミックスとの接合体としては、窒素雰囲気中で、Mgを含むAl合金からなるろう材を介して接合されていることとする金属−セラミックス複合材料と、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとの接合体とした(請求項1)。
【0011】
ろう材としてMgを含むAl合金を用いたのは、複合材料中の金属がAl合金であることと、ろう材中にMgを含ませれば、後述するように窒素雰囲気中で加熱処理すると、450℃付近からMgが蒸発してMg3N2が生成され、このMg3N2がセラミックス表面に付着し、これにろう材中の溶融したAl合金が接するとAlNが生成され、この反応を通じて溶融したAl合金がセラミックスに濡れることになり、その結果、複合材料とセラミックスとがろう材を介して強固に接合されるようになるからである。この反応はMg3N2の生成量が微量でも効果がある。
【0012】
その接合方法としては、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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとの間にMgを含むAl合金からなるろう材を装填し、それを窒素雰囲気中で加熱処理することとする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合方法とした。
【0013】
この方法は、窒素雰囲気中で加熱処理することが必須であり、窒素雰囲気中でないとMg3N2が生成せず、接合強度が大きく低下する。ろう材の装填は、どんな状態でもよく例えば箔状でもよいし粉末状でもよい。その接合温度は、マトリックスの融点以下であればよく、600℃以下の温度で非加圧で接合可能である。なお、この場合、ろう材中にMgを含ませたろう材を用いているので、複合材料中のマトリックス中にはMgを含ませなくてもよいが、含ませても勿論構わない。
【0014】
そのMgの含有量としては、0.1〜5%とした(請求項2、6)。0.1%より少ないとMgの効果が低下して接合強度が落ち、また逆に5%より多くてもろう材中の合金が硬くなって脆くなるので接合強度が落ちる。
【0015】
前記とは異なる別の接合体としては、Mgを含む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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとが、窒素雰囲気中で、Mgを含むAl合金からなるろう材を介して接合されていることとする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体とした(請求項3)。
【0016】
この接合体は、ろう材中及び複合材料中のマトリックス中にMgを含ませたものである。但し、ろう材中にMgを含ませなくとも、マトリックス中に含ませれば、そのMgが蒸発し、ろう材中にMgを含んだものと同じようになり、先記したと同様に強固に接合されるようになる。
【0017】
その接合方法としては、Mgを含む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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとの間にMgを含むAl合金からなるろう材を装填し、それを窒素雰囲気中で加熱処理することを特徴とする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合方法とした。
【0018】
この方法も先記したと同様、窒素雰囲気中で加熱処理することが必須であり、窒素雰囲気中でないとMg3N2が生成せず、接合強度が大きく低下する。ろう材の装填は、ろう材中にMgを含ませたものとは異なり、Mgの蒸気がセラミックス表面に達しやすいように粉末状のものが好ましい。その接合温度は、これもマトリックスの融点以下であればよく、600℃以下の温度で非加圧で接合可能である。なお、この場合、先記したと同様マトリックス中にMgを含ませているので、ろう材中にMgを含ませなくてもよいが、含ませても勿論構わない。
【0019】
そのMgの含有量としては、0.3%以上とした(請求項4、8)。マトリックス中に含ませる場合には、相手方のセラミックスと距離があるので0.3%より少ないとMgの効果が低下して接合強度が落ちる。多い分には接合には差し支えないが、10%より多くなるとMgのろう材への拡散が増え、ろう材が脆くなる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の接合方法を述べると、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セラミックスとを用意する。これとは別にMgを0.1〜5%含んだAl合金からなるろう材も用意する。
【0021】
この用意したろう材を同じく用意した金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの間の接合面に箔状あるいは粉末状などで装填する。これを窒素雰囲気中で所定温度で熱処理して接合する。
【0022】
複合材料中のマトリックス中にMgを含ませる場合には、0.3%以上のMgを含んだ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接合すべきセラミックス及びAl合金からなる粉末状のろう材を用意し、これらの用意した材料を用いて同様に接合する。
【0023】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料とセラミックスとを接合すれば、強固にしかも圧力をかけることなく容易に接合することのできる接合方法とすることができる。
【0024】
【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。
【0025】
(実施例1〜9)
(1)接合体の作製
金属−セラミックス複合材料(MMC)としてセランクス(株)社が製造した表1に示すMMCを、セラミックスとして(株)日本セラテックが製造した表1に示すセラミックスを用意し、それらからそれぞれ50×50×20mmの試料を切り出し、接合する面を研削加工して用いた。なお、MMCのPS170は、SiC粉末70vol%+AC8A(JIS R5202に規定するMgを約1%含むAl合金)30vol%であり、PS170*は、SiC粉末70vol%+AC4A(JIS R5202に規定するMgを約0.5%含むAl合金)30vol%であり、PAL60は、Al2O3粉末60vol%+(Al−2Mg)40vol%である。また、セラミックスのアルミナは純度が99.5%のものである。
【0026】
ろう材は表1の配合になるよう金属を混合し、黒鉛坩堝中で650℃で溶解し、これを金属製の回転2本ロールに流し出す方法で厚さ約200μmの箔を作製したもの(実施例1〜6、8、9)を、また、溶解した金属をアトマイズ処理して粉末に作製したもの(実施例7)をそれぞれ用意した。
【0027】
用意したろう材を接合する材料の50×50mmの接合面間に装填し、窒素雰囲気中で表1に示す温度で熱処理して接合し、接合体を作製した。なお、試料が移動しないように約30g/cm2の重しを載せて接合を行った。
【0028】
(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。
【0029】
(比較例1、2)
比較として比較例1では、マトリックス中にはMgを含んでいるが、ろう材中にはMgを含まない箔状のろう材を用いる他は、比較例2では、加熱雰囲気をアルゴン中にした他は実施例1と同様に接合体を作製し、評価した。それらの結果も表1に示す。
【0030】
表1から明らかなように、実施例では、全て100MPa以上の強固な接合強度を有する接合体が得られている。このことは、ろう材またはマトリクス中にMgを含ませれば、強固に接合された金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体が得られるということを示している。
【0031】
これに対して比較例1では、マトリックス中にMgを含んでいるものの、ろう材に箔状のMgを含まないろう材を用いているので、Mg蒸気がセラミック素面に到達するのが少なく、接合強度が100MPaを大きく下回った。また、比較例2では、加熱雰囲気をアルゴン中にしたため、これも接合強度が100MPaを大きく下回った。
【0032】
【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とセラミックスとの接合方法であれば、金属−セラミックス複合材料とセラミックスとがAl合金を介して強固に接合することのできる接合体が得られるようになった。このことにより、高温、高圧、真空を必要としなくとも安価で簡便に、しかも強固に接合することのできる接合体とその接合方法を提供することが可能となった。
【表1】
Claims (4)
- 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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとが、窒素雰囲気中で、Mgを含むAl合金からなるろう材を介して接合されていることを特徴とする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体。
- 前記ろう材中のMgの含有量が、0.1〜5%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とセラミックスとの接合体。
- Mgを含む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、アルミナ或いはSiCからなるセラミックスとが、窒素雰囲気中で、Mgを含むAl合金からなるろう材を介して接合されていることを特徴とする金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体。
- 前記マトリックスであるAl合金中のMgの含有量が、0.3%以上であることを特徴とする請求項3記載の金属−セラミックス複合材料とセラミックスとの接合体。
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