JPH01249288A - 金属とセラミックスの接合体 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、金属とセラミックスの接合体に関する。

（従来の技術） 近年、耐熱性に優れた材料として、窒化ケイ素（Ｓｉ３
Ｎ４）、炭化ケイ素（Ｓｉ　Ｃ）などのセラミックス材
料が注目されている。これらのセラミックス材料は、単
独で使用される場合と、セラミックス以外の材料、例え
ば金属と組合わせて使用される場合とがある。中でも、
セラミックスと金属とを組合わせた部材は両者の相異な
る特長を兼ね備えさせることが可能であるため、より広
い分野での応用が期待されている。

上述したセラミックスと金属とを組合わせた部材を得る
ためには、両者を接合して金属−セラミックス接合体と
することが必要であり、その接合法としてはろう接法、
メタライジング法などが知られているが、金属とセラミ
ックスとの接合に際しては、以下に述べるように留意す
べき大きな問題がある。即ち、一般に金属とセラミック
スとは熱膨張係数が大きく異なるため、温度変化に伴い
両者の接合部に大きな熱応力が発生し、その結果セラミ
ックスにクラックが発生する等の不都合があった。

このような不都合を解消するために、以下に述べる方法
が提案されている。即ち、異種部材の接合部に発生する
熱応力は両部材の熱膨張係数の差に比例して増大するこ
とから、両者の接合界面にセラミックスとの熱膨張係数
が近似した材料よりなる中間層を介在せしめるか、金属
部材そのものをセラミックスとの熱膨張係数が近似した
材料より形成する方法がある。かかる方法によれば、中
間層又は金属部材そのもので熱応力を緩和できるため、
前述したクラック発生等を防止することが可能となる。

具体的には、５１３Ｎ４及びＳＩＣの熱膨張係数は夫々
３．４　Ｘ　ｔｏ”　／”Ｃ及び４．８ＸＩＱ−６／℃
であり、これらの値に近い熱膨張係数を存する材料、つ
まり中間層等となりうる材料としてはＳｔ　　（〜４　
ｘｌＯ’／”Ｃ）　、Ｍｏ　　（５，Ｉ　ＸＩＯ″６／
”Ｃ）　、Ｗ　（４，５ｘｌＯ″６／’Ｃ）　、Ｎｂ　
　（７，Ｉ　ＸＩＯ″６／”Ｃ）　、Ｚｒ　　（５，Ｏ
Ｘｌ０−／”Ｃ）等を挙げることができる。これらの中
で、特に８１以外の耐火金属は高温でも高強度を有し、
かつ靭性、加工性に優れているために極めて実用的であ
る。

しかしながら、耐火金属は高温で酸化され易い性質を有
するため、耐火金属からなる中間層を介在させたセラミ
ックス−金属接合体を高温酸化性雰囲気中に保持すると
、耐火金属表面に耐火金属酸化物層が形成される。かか
る酸化物層は、融点が１０００℃以下と低く、その上の
解し易いために、高温下では耐火金属層表面が変質し、
その結果セラミックスと耐火金属中間層の界面で剥離す
るという問題があった。なお、金属部材そのものを耐火
金属で形成してセラミックス−金属接合体とした場合に
も同様な問題が生じる。従って、耐火金属を中間層又は
金属部材に用いたセラミックス−金属接合体を高温下で
使用する場合には、周囲の雰囲気を不活性雰囲気もしく
は還元性雰囲気としなければならず、その用途範囲が著
しく制限される問題があった。

そこで、上記問題を解決するために耐火金属中間層の表
面に耐火金属より耐食性、耐酸化性の優れた材料を蒸着
法やスパッタリング法により被覆することが考えられる
。しかしながら、これらの方法で厚い層を形成するには
長時間かかり、量産性の点で問題がある。

一方、耐食性、耐酸化性の優れた材料の粉末を用いて耐
火金属の中間層等に塗布法、粉末冶金法或いは溶射法で
形成することが考えられる。これらの方法は、比較的短
時間で所定の厚さの層を形成することが可能である。し
かしながら、形成された層は充分に緻密化されず、耐火
金属中間層の耐酸化性の防止の点で問題がある。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、高温酸化性雰囲気下での使用においても耐火金属
の酸化及び接合界面での剥離を防止し、かつ加熱・冷却
の繰返しを行なった時の熱応力によるセラミックスのク
ラック発生を防止し、更に量産的な製造が可能な金属と
セラミックスの接合体を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、耐火金属とセラミックスとの接合体において
、前記耐火金属の表面に該耐火金属より耐食性、耐酸化
性の優れた金属粉末層を形成し、高エネルギービームの
照射で溶融、固化した緻密金属層で被覆したことを特徴
とする金属とセラミックスの接合体である。

上記耐火金属は、中間層として用いてもよいし、金属部
材そのものとして用いてもよい。かかる耐火金属として
は、例えばＭ　ｏ　、、Ｗ　−Ｎ　ｂ　１Ｔ　ａ　ｓＺ
「等の高温強度に優れかつ熱膨張係数がセラミックスに
近似したものを挙げることができる。

上記セラミックスは、特に制限されるものでなく、例え
ばＳ　ｉ　３　Ｎ　４　、Ｓ　Ｉ　Ｃ、、Ａ　Ｉ　Ｎ　
ｓ　Ｚ　ｒ　０２、ＡＩ。Ｏ５等を挙げることができる
。

上記耐食性、耐酸化性に優れた金属としては、例えばＡ
Ｉ、Ｃ「、希土類元素を含有するＮ１、Ｃｏ５Ｆθを主
成分とする合金、又はアルミ化合物、珪化物等を挙げる
ことができるが、特に限定されるものではない。また、
予め合金化している必要はなく、高エネルギービームの
照射での溶融により合金化する金属組成物でも差し支え
ない。

上記金属粉末層の形成手段としては、特に制限されない
が、例えば粉末冶金法による加熱、加圧により形成する
方法、溶射法により形成する方法等を挙げることができ
る。

上記高エネルギービームとしては、例えば炭酸ガスレー
ザ、ＹＡＧレーザなどの高出力レーザから放出されたレ
ーザ光等を挙げることができる。

上記金属粉末層への高エネルギービームの照射により形
成された緻密金属層は、必ずしも全体が緻密化されてい
る必要がない。通常、高エネルギービームの照射により
層厚の１０〜１００％を溶融して緻密化すればよい。ま
た、金属層の厚さは０．ＯＩＵから数ｌ１ｌＩＩ程度と
すればよい。

本発明に係わる金属とセラミックスの接合体を製造する
には、■耐火金属表面に前述した緻密金属層を被覆した
後、セラミックスと接合する方法、■たいかきんぞくと
セラミックスの接合体を一作製した後、前述した緻密金
属層を耐火金属表面に被覆する方法を採用し得る。こう
した金属とセラミックスの接合方法は、通常の活性金属
法、固相接合法、機械的接合法等を適用できる。

（作用） 本発明によれば、耐火金属表面に該耐火金属より耐食性
、耐酸化性の優れた金属粉末層を形成し、高エネルギー
ビームの照射で溶融、固化した緻密金属層で被覆するこ
とによって、高温酸化性雰囲気下での使用においても耐
火金属の酸化及び接合界面での剥離を防止できるため、
耐食性に優れかつ接合強度の高い金属−セラミックス接
合体を得ることができる。しかも、耐火金属はセラミッ
クスの熱膨張係数に近似しているため、繰返しの加熱・
冷却に伴って接合部に発生する熱応力を軽減でき、セラ
ミックスのクラック発生を抑制した接合体を得ることが
できる。更に、緻密金属層は従来のような長時間の成膜
を必要とする蒸着法やスパッタリングによらずに形成で
きるため、量産性に優れている。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ 接合部材として直径１５ａｍ、厚さ５０！ＩＩのＳｉ３
Ｎ４円柱体と同形状のタングステン円柱体を用意した。

つづいて、タングステン円柱体の表面にプラズマ溶射法
により厚さ０．２　ＭのＣｒ−ＡＩ−Ｙ−Ｎ１合金（１
６％Ｃｒ、６％ＡＩ！、０．４％Ｙ及び残部Ｎ１）層を
形成した。この層は、多孔質であった。ひきつづき、出
力１．ＯｋＷの炭酸ガスレーザを用いてレーザ光を前記
Ｃｒ−ＡＩ−Ｙ−Ｎ１合金層の表面に照射して鏡層の深
さ０　、０５ｒｔｘｘに亙って溶融、固化して緻密化し
た。

次いで、前記緻密金属層で被覆されたタングステン円柱
体に前記Ｓｉ３Ｎ４円柱体を厚さ３０μｍの８０％Ｃｕ
−Ｔｌ系活性金属を介して圧着し、１１ｏ　ｏ　’ｃで
加熱して接合した。

得られたＷ−Ｓｉ３Ｎ４接合体は、大気中で１０００℃
に加熱しても何等変化が生じることなく、優れた耐酸化
性を有することが確認された。これに対し、緻密金属層
を被覆されていないタングステン円柱体とＳｉ３Ｎ４円
柱体の接合体を大気中で数１００℃に加熱したところ、
タングステン円柱体が直ちに酸化した。

実施例２ 接合部材として２０１１ｕｌ角、厚さ５題のＡｉＮ板と
同形状のモリブデン板を用意した。つづいて、モリブデ
ン板の表面に有機バインダを含む珪化モリブデン粉末を
塗布し、ｌ　ｔｏｎのプレスで加圧成形して厚さ０．５
　ｍの珪化モリブデン粉末層を形成した。ひきつづき、
出力ｉ、ｏｋｗの炭酸ガスレーザを用いてレーザビーム
を前記珪化モリブデン粉末層の表面に照射して鏡層の深
さ０．５ｉ＋ｗに亙って溶融、固化して緻密化した。

次いで、前記緻密金属層で被覆されたモリブデン板に前
記ＡｉＮ板を厚さ４０μｍの２０％Ｔｌ−１０％Ａｌ−
Ｃｕ系金属を介して１０５０℃で加熱して接合した。

得られたＭｏ−ＡｉＮ接合体は、大気中で７００℃に加
熱しても何等変化が生じることなく、優れた耐酸化性を
有することが確認された。これに対し、緻密金属層を被
覆されていないモリブデン板とＡＩ！Ｎ板の接合体を大
気中で数１００℃に加熱したところ、モリブデン板が直
ちに酸化した。

［発明の効果］ 以」二詳述した如く、本発明の金属とセラミックスの接
合体は熱応力緩和機能を有すると同時に、高温における
耐酸化性に優れた耐火金属中間層又は耐火金属部材を備
え、ひいては使用環境に制約を受けることなく多様の分
野での使用が可能となる等顕著な効果を奏する。

出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 耐火金属とセラミックスの接合体において、前記耐火金
   属の表面に該耐火金属より耐食性、耐酸化性の優れた金
   属粉末層を形成し、高エネルギービームの照射で溶融、
   固化した緻密金属層で被覆したことを特徴とする金属と
   セラミックスの接合体。