JPH01205053A

JPH01205053A - セラミックと金属との接合応力緩衝合金、およびその緩衝合金を用いたセラミックと金属との接合体

Info

Publication number: JPH01205053A
Application number: JP3142888A
Authority: JP
Inventors: Masaya Ito; 正也伊藤; Noboru Ishida; 昇石田; Mitsuyoshi Kawamura; 川村　光義
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-08-17

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、高温度で使用されるセラミックと金属との接
合体の接合強度の向」−に関する。

［従来の技術］エンジンのバルブ、バルブリフタ、ロッカアーム、ター
ビンロータなどに使用され、高温度に晒されるセラミッ
クと金属とをろう付けした接合体は、セラミックと金属
との熱膨張係数が大きく異なるため、加熱冷却の熱応力
による熱履歴によって接合面に大きな歪みが生じ、もろ
いセラミックが破壊されたり、接合面が剥離したりし易
い。

これを防止するため、セラミック面と金属面との間に、
熱膨張係数がセラミックの熱膨張係数に近いタングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（ＭＯ）等の低膨脹金属をｗｉ衝
層として介在させたり、これら低膨脹金属を銅（Ｃｕ）
で挟んでなるクラツド材をＩＩ街層として介在させてい
る。

また、この特許出願人は特願昭５９−２４７３７９号に
おいて、低１５５張合金層と、低ヤング率合金層を介在
させるとともにその厚さを最適に限定したセラミックと
金属とのろう付は接合構造を提案している。

［発明が解決しようとする課題］しかるに、前者は、Ｍ部層とろう材とのぬれ性が悪かっ
たり、クラツド材を形成し得る金属の組み合わせが限ら
れるほか、クラツド材そのものの接合強度の不足により
、使用条件が限定されるという欠点を有していた。

また、後者では、加熱してろう付は後、室温に冷却され
る時に発生する応力に対しては十分な強度を有するが、
温度差２５０℃程度以十の加熱冷却による繰返す応力に
ついては十分な耐久性を有しなかった。

本発明の目的は、上記大きな加熱冷却の温度差によって
生じる熱応力が長期間作用しても、実用上十分な接合強
度を維持できるセラミックと金属との接合応力緩衝合金
の提供にある。

本発明のもう一つの目的は、上記接合応力１ｆｆｌｆｉ
合金を用い、温度差２５０’Ｃ程度以」、の熱履歴に対
し優れた耐久性を備える、セラミックと金属との接合体
の提供にある。

［課題を解決するための手段］上記目的達成のため、本発明は、１）タングステン６０重量％以上と、焼結助剤として、
微量以上の鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅、クロム
（Ｃｒ）の内一種以上の残余とからなるセラミックと金
属との接合応力緩衝合金、を開発し、２）セラミック面と金属面との間に、上記接合応力緩衝
合金層と、ニッケル、鉄、ニオブ（Ｎｂ）、コバール（
５４％Ｆｅ−２９％Ｎ　ｉ　・−１７％Ｃｏ）、銅、ま
たはタングステン合金（タングステンが９０重重量以上
のもの）からなる金属層と、を介在させて、ろう付けし
てなるセラミックと金属との接合体を発明した。

［作用および発明の効果１本発明は、上記構成により次の作用を有する。

■タングステン６０重量％以上に、焼結助剤として、微
量以上の鉄、ニッケル、銅、クロムの内一種以上を添加
した接合応力緩衝合金は、タングステンの特徴とする低
熱膨脂特性を具有してセラミックと近似した膨張をする
。またタングステン粒子を結着するようタングステン粒
子間に介在する焼結助剤として添加金属は、この焼結合
金に高縦弾性を付与する。

よって本発明の接合応力緩衝合金は、セラミックと近似
した膨脹特性と軟らかさとを具有し、これにより大きい
熱応力ｔａ衝効果が生じる。この合金は、とくにセラミ
ック面に隣接する側に配置するＷｄＲ層として好適な特
性を備える。

■ニッケル、鉄、ニオブ、コバール、銅、またはタング
ステン合金（タングステンが９０重量％以上のもの）は
、主成分の金属より大きい熱膨張係数と、幾分低い縦弾
性特性を具有する。この金属は、被接合金属と近似した
膨脹特性と、縦弾性（ヤング率）を示し、これにより熱
応力緩衝効果が生じる。この金属は、とくに金属面に隣
接する側に配置するＭ部層として好適な特性を備える。

本発明のセラミックと金属との接合応力緩衝合金を用い
た接合体は、セラミック面と金属面との間に、前記■の
合金層と、■の一種以北の金属層とを組み合わせ、接合
応力緩衝金層として、介在させてろう付けしている。こ
れにより、３００°Ｃ以上の温度差を伴なう加熱冷却に
よって接合面に発生する熱応力の履歴に対し”ζ実用上
十分な耐久性を有する。

［実施例］次に本発明を第１図、および第２図の第１表・〜第４表
に示す一実施例に基づき説明する。

いずれも直径１２ｍｍの円柱形状を呈するセラミック１
０の端面（セラミック面）１１と、金属２０の端面（金
属面）２１との間に、熱応力緩衝金属層を配設しろう材
で接合している。

本発明の接合応力Ｍ’ｆＲ合金１を用いたセラミックと
金属との接合体Ａは、第２図の第１表の特性を持つ、セ
ラミック１０と、金属２０と、第３表の組成の接合応力
緩衝合金１層および前記金属層２．３．４とを頂層して
配設し、第２表に示す王、■の組成のろう材により各端
面１１、ｌａ、ｌｂ。

２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、２１をろう材５
．６．７．８．９によりろう付けしている。

ここで、接合する金属２０はＪＩＳ規格５ＵＨ６１６の
マルサンサイト系の耐熱鋼、セラミック１０は窒化珪素
（Ｓｉ３Ｎ４）とサイアロン（Ｓｉ−ＡＪ−０−Ｎ系化
合物固溶体）を使用している。

セラミック１０と隣接する端面１１および１ａをろう付
けするろう材５は、第２表の工を用い、他の端面１ｂ、
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ。

４ｂをろう付けするろう材６．７．８．９は第２表の■
を用いている。

セラミック１０と隣接する側の緩衝層には重量比が７０
％〜９０％のタングステンに、焼結助剤として鉄、ニッ
ケル内一種以上を添加してなる接合応力緩衝合金１を使
用している。

また、他の金属層２．３．４として、重量％が９５％・
〜９９．５％のニッケル、鉄、ニオブ、コバールの各金
属、またはタングステンが９０重量％以上のタングステ
ン合金を使用している。

上記配置後、１０“５Ｔｏｒｒの真空中にて、温度８５
０°Ｃにてろう付けした。

セラミック１０側の緩衝層に使用される接合応力緩衝合
金１（８膨脹係数：４．６〜４．８Ｘ１０−６／’Ｃ）
はタングステン（熱膨張係数：４．６ｘ　１０−６／’
Ｃ）の特徴とする低熱膨張特性を具有してセラミック１
０（熱膨張係数：２．８〜・３゜２Ｘ　１０−’／℃）
と近似した膨脂特性する。またタングステン粒子を結着
するようタングステン粒子間に介在する焼結助剤として
添加金属（鉄、ニッケル）は、この焼結合金に高縦弾性
（縦弾性率：８．８〜９×１１０４１（７ｍ２）を付与
する。よってこの接合応力緩衝合金１は、セラミック１
０と近似した膨脂特性でセラミック１０の膨張、収縮を
緩衝し、Ｄつ、軟らかさによりセラミック１０に追従し
て合金１が膨張、収縮するので、接合部に生じる歪みを
減勢し、もろいセラミック１０に応力がかかりに＜＜シ
ている。第２図、第３表のＡ〜Ｅに示す緩衝合金は、と
くにセラミックの端面１１に隣接する側に配置する緩衝
層として好適な特性を備える。

また金属屑２．３．４に使用される合金は、主成分の金
属にニッケル、鉄、ニオブ、コバール、タングステン）
より大きい熱膨張係数（４，８〜１６　Ｘ　１０−６／
’Ｃ）と、幾分低い縦弾性特性（縦弾性率：　１．２〜
８．９Ｘ１０’　ｋｇ／ｍ２）を具有する。このため波
接合金属２０と近似した膨脂特性（熱膨張係数：　１１
　、５Ｘ　１０−”／’Ｃ）と、縦弾性を示し、熱応力
によって起こる接合金属２０の膨張、収縮を吸収する。

また接合金属２０に近似した縦弾性特性により追動して
膨張、収縮する。

なお接合応力緩衝合金１および金属層２．３．４は、５
μｍ〜５０μｎｌのタングステン粒子に、焼結助剤の微
粒子を分散させて焼結助剤の溶融温度に加熱して液層焼
結して製造されるが、焼結助剤が余り少ないとこの液相
焼結が不可能になり、タングステン粒子が生溶融して互
いに融着する固相焼結まで焼結温度を上げることが必要
になる。

この接合体Ａに熱履歴として、２０℃の状態を３０分、
３２０°Ｃの状態を３０分、おのおのの昇温、冷却所要
時間を３０分行った。この熱履歴サイクルを１００回反
復した後、接合部に２０　ｋ　ｇ／　ｍ　ｍ　”の曲げ
応力を片持ち曲げにて付加した。

本発明を施したセラミック１０と金属２０との接合体Ａ
は、全て、履歴する温度差３００℃以上の熱疲労に耐え
る効果を奏した。

なお、本発明の請求項１のセラミック１０と金属２０と
の接合応力１１ｉ合金１はセラミック端面１１に隣接す
る＋１１１１に配置する緩衝合金としての使用が望まし
い。

本発明は上記実施例以外に次の実施ｉ様を含む。

（ア）接合応力緩衝合金１のタングステン含有率は、６
０重重量以上、焼結助剤としての鉄、ニッケル、銅、ク
ロムの内一種以十、の添加金属は４０重１％以下微量以
上であれば良いが、望ましくはタングステン含有率は７
０重重量以上９０重量％以下で、添加金属は３０重量％
以下１０重量％以」、の範囲が良い。これはタングステ
ン含有率が６０重量％以下であると、タングステンの特
徴とするセラミック１０と近似した低熱膨張特性が損な
われるとともに、タングステン粒子を結着する添加金属
がおおすぎ、焼結合金の高縦弾性が大きくなり過ぎるこ
とによる。またタングステン含有率が９０重量％以上で
あると、前記焼結温度が高くなるとともに、焼結合金の
縦弾性が低くなるので、製造の容易さおよび、熱履歴に
対する耐久性の向上の観点からは、タングステン含有率
が９０重量％以下であることが望ましいが、９０重１％
以上であっても相当の効果を具有するので、この発明の
技術的範囲において接合応力緩衝合金１は、タングステ
ン含有率は６０重１％以上、焼結助剤は微量以上とした
。

（イ）接合応力緩衝合金１の材質、各材料の含有率、合
金層の数、厚さを変えることにより、セラミックｌＯと
して、窒化珪素以外に、窒化アルミニウムなどの窒化物
セラミック、アルミナなどの酸化物セラミック、炭化珪
素、炭化アルミニウムなど他のすべてのセラミックが使
用できる。また金属２０として、鉄、鉄合金、銅、銅合
金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッ
ケル合金など、用途に応じて所望の金属２０が使用でき
る。

（つ）接合応力緩衝合金１および金属層２．３．４の厚
さは、本実施例では０．５ｍｍ〜１ｍｍであるが適時変
えても良い。

（工〉本実施例では接合応力ｖＪ、衝合金合金および金
属層２．３．４に使う金属が請求項に示したクロムおよ
び銅が使用されていないが、使用してももらろん良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るセラミック焼結体と金
属との接合構造の模式図、第２図の第１表は、セラミッ
クと金属の特性表、第２表は、ろう材の組成表、第３表
は、接合応力緩衝合金、金属層に含まれる添加物の組成
表、第４表は、接合体における各Ｉｌ街部層配置表であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１）タングステン６０重量％以上と、焼結助剤として、
微量以上の鉄、ニッケル、銅、クロムの内一種以上の残
余とからなるセラミックと金属との接合応力緩衝合金。２）セラミック面と金属面との間に、タングステン６０重量％以上と、焼結助剤として、微量
以上の鉄、ニッケル、銅、クロムの内一種以上の残余と
からなるセラミックと金属との接合応力緩衝合金層と、ニッケル、鉄、ニオブ、コバール、銅、またはタングス
テン合金からなる金属層と、を介在させてろう付けしてなるセラミックと金属との接
合体。