JPH01115879A - セラミックスと金属との接合体 - Google Patents
セラミックスと金属との接合体Info
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- JPH01115879A JPH01115879A JP27153987A JP27153987A JPH01115879A JP H01115879 A JPH01115879 A JP H01115879A JP 27153987 A JP27153987 A JP 27153987A JP 27153987 A JP27153987 A JP 27153987A JP H01115879 A JPH01115879 A JP H01115879A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔技術分野〕
本発明はセラミックスと金属との新規な接合体に関する
ものである。
ものである。
セラミックスは耐熱、耐蝕、耐摩耗性などの多くの点で
優れた性質を持っているにも拘らず、脆いことが最大の
欠点である。この欠点を補い高温構造部材として利用す
るためには金属との接合が不可欠である。ところで、こ
れまでアルミナ（ＡｆＩ Ｏ）、ジルニーニア（Ｚ ｒ
Ｏ２）等の酸化物系セラミックスと金属との接合、あ
るいは窒化硅素（Ｓｉ３Ｎ４）や炭化硅素（Ｓ ｉ Ｃ
）等の非酸化物系セラミックスと金属との接合が試みら
れている。これらセラミックスは金属結合でないため、
金属と比較して物理及び化学的諸性質が著しく異なり、
金属との接合が一般的に困難である。
優れた性質を持っているにも拘らず、脆いことが最大の
欠点である。この欠点を補い高温構造部材として利用す
るためには金属との接合が不可欠である。ところで、こ
れまでアルミナ（ＡｆＩ Ｏ）、ジルニーニア（Ｚ ｒ
Ｏ２）等の酸化物系セラミックスと金属との接合、あ
るいは窒化硅素（Ｓｉ３Ｎ４）や炭化硅素（Ｓ ｉ Ｃ
）等の非酸化物系セラミックスと金属との接合が試みら
れている。これらセラミックスは金属結合でないため、
金属と比較して物理及び化学的諸性質が著しく異なり、
金属との接合が一般的に困難である。
特に、セラミックスと金属の熱膨張係数の差が非常に大
きいため、拡散接合やロウ付は後降温時に残留熱応力が
生じ、そのため接合強度が低下し、極端な場合にはセラ
ミックスが破壊する。
きいため、拡散接合やロウ付は後降温時に残留熱応力が
生じ、そのため接合強度が低下し、極端な場合にはセラ
ミックスが破壊する。
これまで、熱膨張係数の大きな差違により生ずる残留応
力に関連する困難を避けて、中間層を間に介在させて上
記セラミックスと金属を接合するため次のような技術が
提案されている。
力に関連する困難を避けて、中間層を間に介在させて上
記セラミックスと金属を接合するため次のような技術が
提案されている。
（１） 応力緩衝層として中間層に軟質金属である銅を
用い、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ロウによりＳｉ３Ｎ４と５４
５Ｃとを接合する。（例えば、日本金属学会春期大会、
一般講演概要、１９８７年４月、２７３頁）） （２） 軟質金属（Ｃｕ又はＮｉ）とコバール（Ｋｏｖ
ａｒ ） （Ｎｉ −Ｃｏ −Ｆｅ合金）または高融
点金属（Ｍｏ又はＷ）等の低熱膨張金属を組み合せて、
これを中間層としてセラミックスと非接合金属間に介在
させ、セラミックス内での残留応力を小さくすることに
よりＳｉ３Ｎ４とＮ１膳ｏｎｉｃ８０Ａを接合する。（
日本鋼管技報、Ｎα１１３．１９８８年） （１）、 （２）においては応力緩衝層として銅など
の軟質金属を中間層として用いるため、熱応力の緩和に
は有効であるが、高温強度を小さくする原因になる。事
実（１）、（２）の方法で得られる接合体の曲げ強さや
引張り強さは４００”Ｃ以上で急激に減少することが知
られている。
用い、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ロウによりＳｉ３Ｎ４と５４
５Ｃとを接合する。（例えば、日本金属学会春期大会、
一般講演概要、１９８７年４月、２７３頁）） （２） 軟質金属（Ｃｕ又はＮｉ）とコバール（Ｋｏｖ
ａｒ ） （Ｎｉ −Ｃｏ −Ｆｅ合金）または高融
点金属（Ｍｏ又はＷ）等の低熱膨張金属を組み合せて、
これを中間層としてセラミックスと非接合金属間に介在
させ、セラミックス内での残留応力を小さくすることに
よりＳｉ３Ｎ４とＮ１膳ｏｎｉｃ８０Ａを接合する。（
日本鋼管技報、Ｎα１１３．１９８８年） （１）、 （２）においては応力緩衝層として銅など
の軟質金属を中間層として用いるため、熱応力の緩和に
は有効であるが、高温強度を小さくする原因になる。事
実（１）、（２）の方法で得られる接合体の曲げ強さや
引張り強さは４００”Ｃ以上で急激に減少することが知
られている。
また、（２）においてはＭｏ、Ｗなどの耐酸化性のない
高融点金属を併用するため、接合体の製造工程ならびに
使用時にもこれらの金属が酸化性の雰囲気に曝されない
ようにする工夫が必要である。
高融点金属を併用するため、接合体の製造工程ならびに
使用時にもこれらの金属が酸化性の雰囲気に曝されない
ようにする工夫が必要である。
かくして、本発明は軟質金属を中間層として用いる場合
と同様な残留応力の緩和を可能にするとともに高温でも
十分な強度を維持し得るようなセラミックスと金属との
接合体を提供することを目的とするものである。
と同様な残留応力の緩和を可能にするとともに高温でも
十分な強度を維持し得るようなセラミックスと金属との
接合体を提供することを目的とするものである。
本発明者の研究、実験によれば、かかる目的は、セラミ
ックスと金属との間に介在する中間層として、温度の上
昇と共に降伏強度が増大する合金を用いることによって
達成されることが見出された。
ックスと金属との間に介在する中間層として、温度の上
昇と共に降伏強度が増大する合金を用いることによって
達成されることが見出された。
本発明を以下に詳細に説明する。
通常の金属又は合金の降伏強度は温度が上昇するにつれ
て低下する。しかし、降伏強度の温度依存性が通常の金
属又は合金とは逆で、低温よりも高温の方が降伏強度が
大きいという特異な塑性挙動を示す合金があり本発明で
はかかる特異な性質を示す合金を中間層として用いる。
て低下する。しかし、降伏強度の温度依存性が通常の金
属又は合金とは逆で、低温よりも高温の方が降伏強度が
大きいという特異な塑性挙動を示す合金があり本発明で
はかかる特異な性質を示す合金を中間層として用いる。
したがって、上記通常の金属、合金を中間層として用い
る場合は、高温で接合体を作製し降温する場合に生ずる
熱応力の緩和は温度低下と共に起こりにくくなるが、本
発明による方法では逆に低温程大きな熱応力の緩和が起
こることになる。
る場合は、高温で接合体を作製し降温する場合に生ずる
熱応力の緩和は温度低下と共に起こりにくくなるが、本
発明による方法では逆に低温程大きな熱応力の緩和が起
こることになる。
本発明において上記中間層として適用される合金として
は、温度の上昇と共に降伏強度が増大する合金であれば
すべて適用可能であり、例えばＮｔ−８Ｌ、Ｎ１−Ａｊ
２、Ｎｉ−Ｇａ、Ｎｉ−Ｇｅ５Ｐｔ−５ｂ、Ｐｔ−Ｇａ
、Ｐｔ−５ｎ％Ｐｔ −Ｔｉ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｄ−Ｔｉ
、Ｐｄ−Ｐｂ。
は、温度の上昇と共に降伏強度が増大する合金であれば
すべて適用可能であり、例えばＮｔ−８Ｌ、Ｎ１−Ａｊ
２、Ｎｉ−Ｇａ、Ｎｉ−Ｇｅ５Ｐｔ−５ｂ、Ｐｔ−Ｇａ
、Ｐｔ−５ｎ％Ｐｔ −Ｔｉ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｄ−Ｔｉ
、Ｐｄ−Ｐｂ。
Ｃｏ−Ｔｉ５Ｆｅ−Ｇａ系に属するＬ１２型の金属間化
合物又は規則合金、Ｔ ｉ Ａｌに代表されるＬｌｏ型
の金属間化合物又は規則合金、及びＴｉ３Ｓｎ、Ｔｉ３
ｋ１等のＤＯ１９型の金属間化合物又は規則合金が適用
し得る。因みに、７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ａ１合金
（Ｌ１２型金型金化合物Ｎ ｉｓ Ａｌｌ ）では、室
温で約１０ｋｇ／−の降伏強度を有するにすぎないが、
６００℃では約６０）ｃｇ／−もの降伏強度を有してい
る。
合物又は規則合金、Ｔ ｉ Ａｌに代表されるＬｌｏ型
の金属間化合物又は規則合金、及びＴｉ３Ｓｎ、Ｔｉ３
ｋ１等のＤＯ１９型の金属間化合物又は規則合金が適用
し得る。因みに、７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ａ１合金
（Ｌ１２型金型金化合物Ｎ ｉｓ Ａｌｌ ）では、室
温で約１０ｋｇ／−の降伏強度を有するにすぎないが、
６００℃では約６０）ｃｇ／−もの降伏強度を有してい
る。
これらの合金は上記の二成分系でも本発明における中間
層として良好に用いることができるが、金属とセラミッ
クスとを高温で接合した後、降温した場合に生じる残留
応力を更に有効に緩和するため、中間層用合金の低温で
の延性をより向上させることが望ましく、上記二成分系
の組成範囲を夫々ずらせるか又は上記二成分系に更に他
の一成分乃至数成分を添加することが望ましい。例えば
上記７５ａ ｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ａｆ１合金において
、Ｍｎを添加する場合はＡｌの一部をＭｎで置き代えて
、Ｍｎ３ａｔ％〜２０ａｔ％、残部Ｎｉの如き組成とし
、Ｂを添加する場合は、Ｂを０．１ａｔ％〜０．５ａｔ
％、ＡＮを２２ａｔ％〜２５ａｔ％、残部Ｎ１を７５ａ
ｔ％〜７８ａｔ％として延性を向上することができる
。なお、本発明においては、残留熱応力の緩和を中間層
として用いる合金の塑性変形により行うことを意図して
いるため、中間層用合金としては、その低温での降伏強
度が接合すべきセラミックスの引張破壊強度より小さく
なるように適宜選択することが肝要である。
層として良好に用いることができるが、金属とセラミッ
クスとを高温で接合した後、降温した場合に生じる残留
応力を更に有効に緩和するため、中間層用合金の低温で
の延性をより向上させることが望ましく、上記二成分系
の組成範囲を夫々ずらせるか又は上記二成分系に更に他
の一成分乃至数成分を添加することが望ましい。例えば
上記７５ａ ｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ａｆ１合金において
、Ｍｎを添加する場合はＡｌの一部をＭｎで置き代えて
、Ｍｎ３ａｔ％〜２０ａｔ％、残部Ｎｉの如き組成とし
、Ｂを添加する場合は、Ｂを０．１ａｔ％〜０．５ａｔ
％、ＡＮを２２ａｔ％〜２５ａｔ％、残部Ｎ１を７５ａ
ｔ％〜７８ａｔ％として延性を向上することができる
。なお、本発明においては、残留熱応力の緩和を中間層
として用いる合金の塑性変形により行うことを意図して
いるため、中間層用合金としては、その低温での降伏強
度が接合すべきセラミックスの引張破壊強度より小さく
なるように適宜選択することが肝要である。
この中間層の厚さとしては例えば約０．２〜約１ｍｍ程
度の厚さをもつことが好ましく、中間層を十分な厚みに
すれば熱応力緩和も十分おこりほぼ健全な接合体かえら
れる。又この中間層とセラミックスとの間に更にニッケ
ル、チタン、アルミニウム等の活性金属箔を介在させ、
セラミックスと中間層の接合反応性を高めることができ
る。又、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉのようなロウ材を介在させて
もよい。
度の厚さをもつことが好ましく、中間層を十分な厚みに
すれば熱応力緩和も十分おこりほぼ健全な接合体かえら
れる。又この中間層とセラミックスとの間に更にニッケ
ル、チタン、アルミニウム等の活性金属箔を介在させ、
セラミックスと中間層の接合反応性を高めることができ
る。又、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉのようなロウ材を介在させて
もよい。
本発明において、セラミックスと金属とを中間層を介し
て接合する場合、接合温度としては、中間層用合金およ
び被接合金属の融点以下の温度もしくは接合により生じ
る反応生成物の融点以下の温度が適宜採用される。
て接合する場合、接合温度としては、中間層用合金およ
び被接合金属の融点以下の温度もしくは接合により生じ
る反応生成物の融点以下の温度が適宜採用される。
接合されるべきセラミックスとしては、Ｓ ｉａ Ｎ
４、Ｓ ｉＣ５ＡｆＩ Ｎ等の非酸化物系セラミックス
あるいはＡｇ Ｏｚ「０２、ＭｇＯ２３ゝ 等の酸化物系セラミックス等を挙げることができる。
４、Ｓ ｉＣ５ＡｆＩ Ｎ等の非酸化物系セラミックス
あるいはＡｇ Ｏｚ「０２、ＭｇＯ２３ゝ 等の酸化物系セラミックス等を挙げることができる。
又、接合されるべき金属、合金としては任意のものが用
いられる。例えばステンレス鋼等の各種鉄鋼類、ニッケ
ル基超合金を含むニッケルークロム合金、Ｔｉ−６ｗｔ
％Ａｌ −４ｗｔ％Ｖ合金を含むチタン合金等各種の金
属乃至合金を良好に用いることができる。
いられる。例えばステンレス鋼等の各種鉄鋼類、ニッケ
ル基超合金を含むニッケルークロム合金、Ｔｉ−６ｗｔ
％Ａｌ −４ｗｔ％Ｖ合金を含むチタン合金等各種の金
属乃至合金を良好に用いることができる。
直径、厚みが夫々８龍φ、３■のＳｉ３Ｎ４の円柱状常
圧焼結体と、これと同径で１０１厚のステンレス鋼５Ｕ
Ｓ３０４を用意した。そして中間層用合金として直径８
１１φ、厚みｌｌｌｌ１１の７７ａ ｔ％Ｎｉ−２３ａ
ｔ％ＡＪ７合金及び７５ａ ｔ％Ｎｉ−２４，５ａｔ％
Ａｊ？−０，５ａｔ％Ｂ合金を用いて夫々の接合素材を
つくった。次いで上記接合素材をステンレス鋼、中間層
用合金、 ５１３Ｎ４、中間層用合金、ステンレス鋼の順に重ね合
わせ、軸方向から０．５ｋｇ／−の圧力を加え、真空炉
で１３００℃、１時間加熱し夫々の接合体を得た。
圧焼結体と、これと同径で１０１厚のステンレス鋼５Ｕ
Ｓ３０４を用意した。そして中間層用合金として直径８
１１φ、厚みｌｌｌｌ１１の７７ａ ｔ％Ｎｉ−２３ａ
ｔ％ＡＪ７合金及び７５ａ ｔ％Ｎｉ−２４，５ａｔ％
Ａｊ？−０，５ａｔ％Ｂ合金を用いて夫々の接合素材を
つくった。次いで上記接合素材をステンレス鋼、中間層
用合金、 ５１３Ｎ４、中間層用合金、ステンレス鋼の順に重ね合
わせ、軸方向から０．５ｋｇ／−の圧力を加え、真空炉
で１３００℃、１時間加熱し夫々の接合体を得た。
上記接合体のセラミックス、中間層、金属の夫々の界面
を光学顕微鏡で観察した結果、夫々の界面には同等クラ
ックがなく健全な接合体が得られていることが判った。
を光学顕微鏡で観察した結果、夫々の界面には同等クラ
ックがなく健全な接合体が得られていることが判った。
第１図に一例として、中間層用合金として７５ａｔ％Ｎ
ｉ−２４．５ａｔ％Ａｊ！−０，５ａｔ％Ｂ合金を用い
てつくった接合体の中間層用合金と、Ｓｉ３Ｎ４セラミ
ックスの界面近傍におけるＥＰＭＡによる元素分析結果
のプロファイルを示す。
ｉ−２４．５ａｔ％Ａｊ！−０，５ａｔ％Ｂ合金を用い
てつくった接合体の中間層用合金と、Ｓｉ３Ｎ４セラミ
ックスの界面近傍におけるＥＰＭＡによる元素分析結果
のプロファイルを示す。
第１図から明らかな様に、セラミックスと中間層用合金
の界面を横切って夫々の構成元素が互いに拡散し合って
おり、健全な接合体が得られていることが判る。
の界面を横切って夫々の構成元素が互いに拡散し合って
おり、健全な接合体が得られていることが判る。
尚、中間層を設けていない接合体では、上記セラミック
スと金属の界面は分離したり、界面で接合している場合
でもセラミックス側に割れが生じ健全な接合体は得られ
なかった。
スと金属の界面は分離したり、界面で接合している場合
でもセラミックス側に割れが生じ健全な接合体は得られ
なかった。
かくて本発明によれば、セラミックスと金属を接合する
に当り、中間層として温度の上昇と共に降伏強度が増大
する合金を用いることによって、高温下で接合体を作成
後、室温にもちきたした時に生じる残留応力を緩和して
健全な接合体を得ることができる。さらに該接合体は高
温での使用においても十分な強度を保持し得る。
に当り、中間層として温度の上昇と共に降伏強度が増大
する合金を用いることによって、高温下で接合体を作成
後、室温にもちきたした時に生じる残留応力を緩和して
健全な接合体を得ることができる。さらに該接合体は高
温での使用においても十分な強度を保持し得る。
図面第１図は実施例でえられた接合体の界面近傍におけ
るＥＰＭＡによる元素分析結果のプロファイルを示す図
である。 出願人代理人 佐 藤 −雄
るＥＰＭＡによる元素分析結果のプロファイルを示す図
である。 出願人代理人 佐 藤 −雄
Claims (1)
- セラミックスと金属とを中間層を介在させて接合せしめ
てなる接合体において、前記中間層として温度の上昇と
共に降伏強度が増大する合金を用いることを特徴とする
、セラミックスと金属との接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62271539A JP2769567B2 (ja) | 1987-10-27 | 1987-10-27 | セラミックスと金属との接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62271539A JP2769567B2 (ja) | 1987-10-27 | 1987-10-27 | セラミックスと金属との接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01115879A true JPH01115879A (ja) | 1989-05-09 |
| JP2769567B2 JP2769567B2 (ja) | 1998-06-25 |
Family
ID=17501473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62271539A Expired - Fee Related JP2769567B2 (ja) | 1987-10-27 | 1987-10-27 | セラミックスと金属との接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2769567B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06107472A (ja) * | 1992-09-25 | 1994-04-19 | Nippon Cement Co Ltd | 窒化珪素系セラミックスと金属との接合方法 |
| JP2012183585A (ja) * | 2011-02-22 | 2012-09-27 | General Electric Co <Ge> | 固定金属フランジおよびその金属フランジを作製する方法 |
| CN105628275A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-01 | 温州大学 | 一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法 |
| CN113182514A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-30 | 北京科技大学 | TiAl合金陶瓷焊接制件及其一体成形制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62187183A (ja) * | 1986-02-13 | 1987-08-15 | 日本鋼管株式会社 | セラミツクと金属の接合方法 |
-
1987
- 1987-10-27 JP JP62271539A patent/JP2769567B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62187183A (ja) * | 1986-02-13 | 1987-08-15 | 日本鋼管株式会社 | セラミツクと金属の接合方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06107472A (ja) * | 1992-09-25 | 1994-04-19 | Nippon Cement Co Ltd | 窒化珪素系セラミックスと金属との接合方法 |
| JP2012183585A (ja) * | 2011-02-22 | 2012-09-27 | General Electric Co <Ge> | 固定金属フランジおよびその金属フランジを作製する方法 |
| CN105628275A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-01 | 温州大学 | 一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法 |
| CN105628275B (zh) * | 2015-12-24 | 2018-07-27 | 温州大学 | 一种抗冲击的敏感元件、制备方法及冲击应力的测试方法 |
| CN113182514A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-30 | 北京科技大学 | TiAl合金陶瓷焊接制件及其一体成形制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2769567B2 (ja) | 1998-06-25 |
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|---|---|---|---|
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