JPH01133987A - セラミックスと金属の接合構造 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックスと金属の接合構造に係り、特に熱
遮蔽用部材に好適なセラミックスと金属の接合構造に関
する。

［従来の技術］ 従来、金属にセラミックスを接合する方法としては、第
２図に示す如く、金属１１の表面に、大型のセラミック
ス板１２をろう付け、固相接合、あるいは接着剤により
接合する方法がある。

また、第３図に示す如く、セラミックス１２と金属１１
どの間に適当な応力緩和用のインサートメタル１３を介
在させると同時にセラミックス板を小片に分割する場合
もある。インサートメタル１３としては、線膨張係数が
セラミックスに近い材質のもの、あるいは軟質金属等が
用いられている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、第２図に示す方法では、使用時における
セラミックス板１２内部の温度勾配により発生する熱応
力やセラミックス板１２と金属１１との熱膨張係数の差
に起因する熱応力によりセラミックス板１２に亀裂が入
ったり、著しい場合にはセラミックス板１２が破損した
りするという問題があった。

第３図に示すインサートメタル１３を用いる方法では、
このような問題はある程度軽減されるものの、使用時に
おける表面と裏面の温度差に起因するセラミックス１２
の自由変形を依然として拘束しているため、接合部分や
セラミックス内部に多大な応力がかかり、やはり、セラ
ミックスの亀裂発生や剥離等の問題が生じていた。

なお、第４図に示す如く、熱膨張係数の異なる材質のも
の１３ａ、１３ｂからなる２層構造のインサートメタル
１３を介在させた接合構造等も考えられているが、この
構造によっても十分な応力緩和効果が得られていない。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のセラミックスと金属の接合構造は、インサート
メタルを介してセラミックスを金属に接合したセラミッ
クスと金属の接合構造であって、金属とインサートメタ
ル、インサートメタルとセラミックスはそれぞれろう付
してある接合構造において、該インサートメタルのうち
セラミックスの周縁側でかつ金属と接する側はインサー
トメタルの他の部分よりも線膨張係数が大きいことを特
徴とする。

［作用］ 第５図に模式的に示す如く、セラミックスを金属に接合
しない場合においては、セラミックス１は、矢印の方向
からの加熱により、その加熱方向に凸に湾曲する方向に
変形する。即ち、セラミックス１の加熱面側１ａは温度
が高くなり、非加熱面側１ｂは温度が低いため、加熱面
側１ａが非加熱面側１ｂよりも大きく膨張して湾曲する
。これを、従来の方法で金属と接合した場合と同程度に
平板に保とうとした場合、セラミックス１内部の加熱面
側１ａには圧縮応力が、非加熱面側１ｂには引張応力が
発生する。これを模式的に示すと第６図の如くである。

図中ｅは圧縮応力、■は引張応力を示す。

本発明は、次の如く、このような応力を打ち消すような
残留応力を接合後の冷態時に発生させておくものである
。本発明のセラミックスと金属の接合構造は、インサー
トメタルのセラミックス周縁側でかつ金属と接する側が
他の部分よりも線膨張係数が大きいため、インサートメ
タルは、使用時の温度（一般には４００℃以下）におい
ては、ろう付は温度（通常、７００〜８００℃程度）よ
りも低い温度に冷却されることとなり、熱収縮により、
第７図に示す如（、セラミックスとの接合面側に凸湾曲
する。即ち、インサートメタル２のセラミックス周縁側
で金属と接する側２ａは、冷却に際し、他の部分２ｂよ
りも線膨張係数が大きいため、冷却により大きく収縮し
、インサートメタル２は第７図の如く中央が盛り上るよ
うな湾曲形状となる。

しかして、インサートメタル２がこのような収縮による
変形をすると、これと接するセラミックス１に対しては
、第８図に模式的に示すように、インサートメタル側（
非過熱面側１ｂ）に圧縮応力ｅを、非インサートメタル
側（加熱面側１ａ）には引張応力のを発生するようにな
る。このようなインサートメタル２の変形がセラミック
スに付与する応力は、第６図に示すようなセラミックス
内部の温度勾配によフて生ずる熱応力を相殺ないし軽減
するようになる。

このため、本発明のセラミックスと金属との接合構造に
おいては、セラミックスに生ずる熱応力を緩和し、熱応
力によるセラミックスの亀裂や破損、剥離を防止するこ
とができる。

本発明の接合構造では、セラミックスの底面全体を接合
することができるので、本発明構造は強固な接着力を必
要とする場合の熱応力緩和に特に好適である。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

第１図は本発明のセラミックスと金属の接合構造の一実
施例を示す断面図である。

本実施例のセラミックスと金属の接合構造は、インサー
トメタル２を介してセラミックス１を相手方部材の金属
３に、各部材間をろう付けにより接合した構造であって
、インサートメタル２の、セラミックス１の周縁側でか
つ金属と接する側２ａは、インサートメタルの他の部分
２ｂよりも線膨張係数が大きいもので構成されている。

第１図の実施例においては、特に線膨張係数の大きい部
分２ａは、セラミックス１の縁部から遠ざかるにつれて
肉薄となるように、断面三角形状とされている。

このような構造とすることにより、前述の如くインサー
トメタル２は、線膨張係数の大きい部分２ａが、他の部
分、即ち線膨張係数の小さい部分２ｂよりも、使用時に
より大きく収縮することとなり、第８図に示すような応
力をセラミックス１に付与し、第６図に示すような加熱
によりセラミックス１内に生じる熱応力を緩和すること
ができる。

本発明において、線膨張係数の大きい部分２ａはセラミ
ックスの周縁側でかつ金属と接する側に設けられていれ
ば良く、第１図に示すものに特に限定されるものではな
い。例えば、第９図（ａ）に示す如く、線膨張係数の大
きい部分２ａが断面四角形状とされているもの、第９図
（ｂ）に示す如く、線膨張係数の大きい部分２ａと小さ
い部分２ｂとの境界が断面円弧形状とされているもの、
また、第９図（Ｃ）、（ｄ）やこれに類似した形状とし
ても良い。

このようなインサートメタル２の材質のうち、線膨張係
数の小さい部分２ｂには、接合により発生するセラミッ
クス内部（特に接合界面近傍）の応力緩和のため、セラ
ミックスの熱膨張係数にできるだけ近い熱膨張係数を有
するもので、なおかつ変形能の大きな材料が好ましく、
通常の場合には、一般にセラミックスと金属との接合用
インサートメタルとして用いられているもの、例えば、
セラミックスが一般に熱遮蔽用セラミックスとして広く
用いられているジルコニアである場合には、チタンなど
を用いることができる。

一方、線膨張係数の大きい部分２ａには、銅又は５ＵＳ
３０４合金等の線膨張係数の大きいもめを使用するのが
好ましい。

なお、インサートメタル２の厚さは十分な応力緩和効果
が得られるように、各部材の材質、大きさ等に応じて適
宜決定される。

このような本発明の接合構造は、それぞれ所定形状に成
形した前記各部分２ａ、２ｂ間にろう材を配してインサ
ート材とし、このインサート材と金属３、インサート材
とセラミックス１との間にもろう材を配し、所定温度に
加熱してろう付接合することにより、容易に形成するこ
とができる。

このような本発明において、セラミックスの種類は何ら
限定されるものではなく、Ｚ　ｒ０２系以外に、Ａｊ！
２０３系など各種の酸化物セラミックス、Ｓｉ３Ｎ＋等
の窒化物セラミックス、ＳｉＣ等の炭化物セラミックス
、その化サイアロン、はう化物、珪化物などのセラミッ
クスに対しても適切な線膨張係数を持ったインサートメ
タルを選定することにより適用可能である。

また、セラミックス１の大きさについても特に制限はな
く、接合構造の全体構造や使用目的、接合する部材材質
等に応じて決定される。

このようなセラミックスと接合される相手方部材の金属
としても特に制限はなく、本発明によればセラミックス
１どの熱膨張係数の差が大きい金属母材にも十分に適用
することができる。

本発明において、セラミックス１同志の間隙ｄは、セラ
ミックス１の熱膨張代を確保できる範囲においてなるべ
く小さくするのが好適である。

以上の説明では、平面状の金属表面にセラミックスを接
合した構造について説明したが、本発明の接合構造は曲
面状構造にも十分に適用することができる。

以下、本発明の効果の一例を、有限要素法を用いた熱応
力解析結果により説明する。

計算を行った接合構造は、第１０図（ａ）（ｂ）（ｃ）
に示すように、第１図に示した本発明の接合構造を通用
したもの（ケース１）、第３図に示した従来の接合構造
であってインサートメタルを使用したもの（ケース２）
、第２図に示した従来の接合構造であってインサートメ
タルを使用せず、尚かつセラミックスの大きさをケース
１、ケース２と同じにしたもの（ケース３）の３種の場
合である。ここでは計算簡略化のため、１個の接合片を
取り出して計算モデルとした。

計算では、表１に示した各材料の物性値を用いた。

表１　計算に用いた物性値 また、加熱、冷却の条件は、 加熱側：周囲温度　Ｔｌ−９００℃ 熱伝達率　α＋−０，０２６５ ｃ　ａ　ｆＬ　／　ｃ　ｒｒ？　／　ｓ　ｅ　ｃ側　面
：断熱 冷却側：周囲温度　Ｔ　２　＝　１５０℃熱伝達率　α
２＝０．０６９４ ｃａ　λ／　ｃ　ｍ”　／　ｓ　　ｅ　　ｃとし、セラ
ミックス、インサートメタル、母材金属の接合ｉ温度は
７００℃とした。

表２は、以上の計算条件のもと、有限要素法により弾性
計算を行フた結果であり、第１０図に示したＰ、Ｑ、Ｒ
，Ｓ点の各種応力値を示す。ここに、σ丁Ｒはトレス力
の等価応力、σ１はミーゼスの等価応力、σ１、σ２、
σ３は主応力であり、正の値は引張応力、負の値は圧縮
応力を示す。

表２計算結果　　　　（単位ｋ　ｇ　／　ｍ　ｒｄ　）
表２より、ケース１の各点の応力は、Ｒ点の０２、σ３
を除き、他のケースと比較して明らかに応力が低いこと
が分かる。

特に、ケース１のＲ点の０２、σ３だけについては、ケ
ース３のσ２、σ３より大となるが、それらの絶対値は
、ケース３の最大主応力（０重）に比べ小さいので、通
常の破壊法則からは無視して差し支えない。

以上の結果から、本発明の接合構造であれば、熱応力を
緩和し、セラミックスの亀裂発生や剥離を効果的に防止
することができることが明らかである。

［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明のセラミックスと金属の接合
構造は、セラミックスの内部に発生する熱応力を有効に
緩和し、熱応力によるセラミックスの亀裂、破損、剥離
の問題を解消することができる。

このような本発明のセラミックスと金属の接合構造は、
熱遮蔽板や、その他高温構造部材等の高温度環境で使用
される高強度部材に適用することにより、熱応力による
セラミックスの破損、剥離等を防止して、耐久性、安全
性、信頼性の高い部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックスと金属の接合構造の一実
施例を示す断面図、第２図、第３図及び第４図は従来の
接合構造を示す断面図、第５図はセラミックスの変形を
示す断面図、第６図はセラミックス内に発生する熱応力
を説明する模式図、第７図は本発明におけるインサート
メタルの収縮を示す断面図、第８図は本発明のインサー
トメタルによる応力緩和効果を説明する模式図、第９図
（ａ）〜（ｄ）は、各々、本発明の異なる実施例を示す
インサートメタルの断面図、第１０図（ａ）〜（Ｃ）は
本発明の効果の一例を説明するために用いた接合構造を
示す断面図である。 １・・・セラミックス、　　２・・・インサートメタル
、３・・・金属。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）インサートメタルを介してセラミックスを金属に
   接合した構造であって、金属とインサートメタル、イン
   サートメタルとセラミックスはそれぞれろう付してある
   接合構造において、該インサートメタルのうちセラミッ
   クスの周縁側でかつ金属と接する側はインサートメタル
   の他の部分よりも線膨張係数が大きいことを特徴とする
   セラミックスと金属の接合構造。
2. （２）線膨張係数の大きい部分は、セラミックスの周縁
   部から遠ざかるにつれて肉薄となることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のセラミックスと金属の接合
   構造。