JPH01282166A - セラミクスと金属との接合体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミクス製部材と金属製部材とを接合してな
る接合体に関し、加熱炉の内壁、自動車・航空機用エン
ジン部品、ガスタービン用翼、ロケット・宇宙往還機の
機体等への適用が期待される。

〔従来の技術〕

セラミクスは耐摩耗性・耐熱性・耐食性等の面で優れた
特性を有しているものの低靭性・難加工性・高価である
ことから、単一で用いるよりも金属などの異種材料と組
み合わせて用いることが考えられている０例えば、金属
の使えない高温部のみをセラミクスとし、比較的温度の
低い部分に金属を接合して用いることなどが挙げられる
。従って信頼性の高い接合技術の開発がセラミクス等の
新材料の適用範囲を拡大するためにも不可欠の要素とな
っている。

セラミクスと金属との接合にあたっては、セラミクスは
金属材料に比べて熱膨張係数が小さいため、高温で接合
した場合は、冷却の過程で接合界面に大きな熱応力が生
じる。そのため、冷却過程でセラミクスに割れが生じた
り、また、割れないまでも接合界面近傍に大きな残留応
力が発生しているために接合体の信頼性を著しく低下さ
せる場合がある。

そこで、従来、接合界面での熱応力を緩和するために、
両部材間に、■　軟質金属材をインサートする、■　硬
質・低熱膨張金属をインサートする、■　軟質金属／硬
質・低熱膨張金属複層をインサートする・等の方法が提
案されており（例えば実開昭５９−１６０５３３号公報
参照）、一部では高強度接合に成功した例もある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記■および■の方法では耐熱部材としては限界がある
こと、並びに■の方法では接合面積が比較的小さいもの
に限られるなどの欠点があり、改良の余地が多い。この
ような従来方法は、インサート材の望性変形による応力
緩和やセラミクス、金属間の熱膨張量の調和を図るとい
った点に特徴を有するが、接合界面形状の影響や、弾性
係数の違いによって接合界面に生じる応力の特異性につ
いて考慮しているものは情無に近い状況である。

このため２．接合面積の大きなセラミクス／金属接合耐
熱部材の開発は困難を極めているのが現状である。

そこで本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたもの
で、特に接合面積が大きい場合にも残留応力の発生を抑
制して高強度接合が実現できるセラミクスと金属との接
合体を提供することを目的としている。

〔問題点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に、セラミクス
と金属との接合界面における応力の特異性を、接合する
材料の材料特性ならびに接合界面形状を考慮して数値解
析により求めることとした。

なお、この解析手法は、弾性輪を専門とする応用力学研
究者の一部で知られているだけで、セラミクスと金属の
接合における残留応力低減対策のような具体的問題に適
用されることはなかった。本発明者等は系統的に行った
上記数値解析ならびに多数の接合試験により以下の点を
見いだした。即ち、上記残留応力が最大になるのは、接
合界面近傍におけるセラミクスの表面であり、このセラ
ミクスの接合界面の少なくとも周縁部と接合体表面との
なす角度θ（以下構成角度と記す）が残留応力の大きさ
に大きく影響しており、従ってこの構成角度を所定範囲
に規制すれば上記残留応力を大幅に軽減できる。

そこで本発明は、セラミクス製部材と金属製部材との接
合体において、セラミクス部材の接合界面における周縁
部の少なくとも一部と該接合体表面とのなす角度が８０
度以下又は１００度以上であることを特徴としている。

ここで接合界面の少なくとも一部とは、例えば第１図に
示すように、円柱状のセラミクス製部材２と、金属製部
材１同士を応力緩和材７を介して接合する場合は、接合
面３のうちそのリング状の周縁部３ａをいい、また第２
図に示すように、角柱状のセラミクス製部材４．金属製
部材５を応力緩和材８を介して接合する場合は、その接
合面６のうち四隅の角部６ａをいい、これらの部分３ａ
。

６ａのみを、接合体表面とのなすセラミクス構成角θが
所定角度になるよう形成している場合も含むとの意味で
ある。なお、接合体が円柱、角柱等、表面が軸線りと平
行の場合は、上記構成角θは軸線りとなす角θと同一に
なる。

また、本発明が対象とする接合体は、高温雰囲気で母材
を溶融させることなく接合する方法、例えば拡散接合、
ロー付は等によって接合されたものであり、母材同士を
アーク熱等で溶融させて接合する、いわゆる溶接によっ
て接合されたものは含まない。

ここで、本発明では、上記接合面の角度θを上記範囲に
設定すると共に、接合界面での応力特異性を消失させ、
かつ、熱応力の一層の低減を図るために、Ｍｏ　、Ｗ、
ＷＣ合金等の低熱膨張率および高弾性率を存する材料か
らなるインサート材を接合界面間に介在させてもよい。

これらのインサート材の厚さはＱ、ｌ　ａｍから２鶴の
範囲にあるのが最適である。

また、本発明における傾斜した接合界面を有する部材同
士の接合には熱間静水圧加圧法（ＨＴ　Ｐ法）を採用す
るのが好ましい。

以下、本発明において上記限定条件を付した理由につい
て説明する。

上述のように、セラミクスと金属のように弾性係数の異
なる材料より構成される接合体では、接合界面に熱応力
の強い集中が生じる。この応力集中の強さは両材料の弾
性係数の比に依存し、また、線膨張係数の差に比例する
。そこで、この応力集中の度合を低下させるために接合
界面での両材料の構成角度を変え、応力解析を行った。

その結果を第３図ないし第５図に示す０図中ＥＭ、Ｅｃ
はそれぞれ金属、セラミクスの弾性係数、αイ、α、は
それぞれ金属、セラミクスの熱膨張率、△Ｔは接合温度
と室温との差、δ□８は最大応力である。

まず、セラミクスの最大応力に及ぼすセラミクス構成角
度θの影響を示す第２図から明らかなように、実用上重
要なＥ、ｌ／Ｅｃが１Ｏ−１から１０１の範囲では、セ
ラミクス構成角度θが８０度以下あるいは１００度以上
の場合に応力集中低減効果が期待できることがわかる。

従ってセラミクス構成角度θを本発明範囲に設定するこ
とにより、セラミクスと金属材料との接合界面での応力
特異性を消失させることができ、あるいは極度な熱応力
の集中を避けることができる。

また、セラミクス最大応力に及ぼす接合体寸法（直径）
の影響を示す第４図から明らかなように、セラミクス構
成角度θを上記の範囲（８０度以下、１００度以上）に
設定することにより、熱応力の寸法依存性をも無くすこ
とが可能となる。このことは第５図に示すＳｊ３Ｎｍと
Ｔｉ合金複合材の接合強度における直径−曲げ強度特性
図からも明らかである。

〔作用〕

このように本発明に係る接合体では、セラミクス構成角
度θを所定範囲に規制したので、接合界面での材料の機
械的性質の不連続性によって生じる応力の集中を大幅に
低減することが可能であり、かつ、接合時の熱応力の寸
法依存性をも無くすことができる。特に、従来方法では
接合そのものが困難であった大面積接合においても割れ
のない接合体が得られると共に、材料の組合わせによっ
ては実用上十分な高温強度を有することができる。

これにより、ガスタービンやエンジン部品などの高温強
度特性ならびに高温信幀性が要求される部分にセラミク
ス／金属接合体を用いることが可能となる。

また・Ｍｏ　、Ｗ、ＷＣ合金等の低熱膨張率および高弾
性率を有する材料は、ＳｉＣ，Ｓｉ＊Ｎｎなどのセラミ
クスとの接合界面で応力特異性を生じさせないと共に、
多くの金属に対しても接合界面での応力の特異性を有し
ない、また、低熱膨張率であるが故にセラミクスとの熱
歪面での適合性が良好であり、応力の特異性とは別に発
生する平均的な熱応力を低減させる効果をも有している
。従って、セラミクス構成角度θの制御と併せてこれら
のインサート材を用いた場合は、接合界面での残留応力
を一層低減することが可能となる。特に、その厚みがＱ
、１ｍｍから２ｆｌの範囲にあるときにその効果が顕著
である。この範囲が適当である理由は、第６図に示すＳ
ＩＣとＴｉ合金複合材の接合強度におけるＭｏの厚さ−
曲げ強度特性図からも明らかなように、０．１ｍ以下で
は熱応力の緩和が十分に行われないことならびに２．０
１以上にしてもそれ以上の効果が期待できないことによ
る。

さらに、ＨＩＰ法を採用した場合は、１軸加圧では接合
の困難な一部が傾斜した界面の接合が安定的に行えるよ
うになる。また、セラミクスと高温高強度材料との固相
接合の場合には一般に大加圧力が必要であるが、１軸加
圧法では金属材料が塑性変形することから、加圧力に大
きな制約が課せられるのに対して、ＨＩＰ法によれば等
方加圧を用いるため塑性変形による形状変化を懸念する
必要が無いと共に、大面積接合においても特に問題を生
じない。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例について説明する。

叉施炭工 Φ２０ｔｍＸ２０ｔｍ長さの、セラミクス製部材として
のＳｉＣ丸棒と、金属製部材としての５ＵＳ４３０丸棒
とを、５０ｕｍ厚さのＡｇ　−Ｃｕ　　Ｔｉインサート
材を用いて真空ホットプレスにより８３０℃Ｘ１５ｎｉ
ｎＸ５０に＋ｒｆ／ｃ１１”　　（加圧力）で接合した
。この際ににＳｉＣ丸棒の構成角度（θ）を第１表に示
すように変化させ、接合面における割れの有無を観察し
た。

接合試験結果は第１表に示すとおりであり、θが８０度
あるいは１００度、１２０度の場合（実施例３．５゜６
）は割れの無い健全な接合体が得られた。

災隻嘉１ Φ３ＱｗＸ２０３Ｑさの、ＳｉＣ丸棒とＴｉ合金基複合
材料製丸捧とを、５０μｍ厚さのＴｉをインサート材と
してＨＩＰにより９００℃・１０００気圧で３０分加圧
して接合した。この際にＳｉＣ丸棒の構成角度（θ）を
変化させ、接合面における割れの有無を観察するととも
に、剪断強度を測定した。接合試験結果は第２表に示す
とおりであり、θが７５度、１１０度及び６０度の場合
（実施例１０〜１２）は、割れが無（、かつ剪断強度１
４ｋｙ／頗”以上の高強度接合体が得られた。

五盗炎ｌ Ｓｔ、Ｎ、丸棒とＴｉ合合金基台合材製丸棒を、５０μ
醜厚さのＴｉをインサート材としてＨＩＰにより９００
℃・１０００気圧で３０分加圧して接合させた。

この際に丸棒の直径を各種変更するとともに、セラミク
ス構成角度θを９０度、又は１２０度とし、曲げ強度の
構成角度θ、及び寸法依存性を調べた。

第１表 第２表 その結果、第５図に示すようにθが９０度の場合には寸
法の増大と共に曲げ強度が低下したが、θを１２０度と
したものではほとんど強度の低下が認められなかった。

実Ｊｉｌ凹 Φ２０ｆｌＸ２０鶴厚さの、ＳｉＣ丸板とＴｉ基複合材
料丸板とを、セラミクス構成角度θを１２０度とし、０
．５　ｔｍ厚さのＷを応力緩和材に、５０μ閘厚さのＡ
ｇ　−Ｃｕ−′ｒｉをインサート材にして真空ホットプ
レスにより８３０℃・５Ｑ　ｋｇ　／　ｃｍ　’で３０
分加圧して接合した。その結果割れのない接合体が得ら
れ、その曲げ強度は３Ｑ　ｋｇ　／　ｆｌ”であった、
一方、応力緩和材を用いずに同一条件で接合した場合は
、曲げ強度２２　ｋｉｒ　／　Ｉｍ　”であった。

実施炭ヱ φ２０關×２０ｆｌ厚さの、ＳｉＣ丸板と、Ｔｉ基複合
材料製丸板とを、セラミクス構成角度θを１２０度とし
、Ｍｏを応力緩和材に、５０μ鋼厚さのＡｇ　−（、ｕ
−Ｔｉをインサート材にして真空ホットプレスにより８
３０℃−５Ｑｋｇ／ｃｓ”で３０分加圧して接合した。

この際に応力緩和材の厚さを０．０２〜５．０１に変化
させ、曲げ試験を行った。その結果を第６図に示す、応
力緩和材の厚さが０．１ｗ未満では曲げ強度の厚さに対
する依存性が大きいが、厚さが０．１　ｗｘ以上の場合
には曲げ強度の厚さに対する依存性は少なくなり、特に
厚さが２．０ｆ１以上ではほぼ一定となった。Ｍｏの代
わりにＷ、ＷＣ合金を用いた場合もほぼ同様の結果が得
られた。

実施例■ ５０５ｍ角×２０ｆｌ厚さの、５ｉｘＮ４角板とＴｉ合
金基複合材料製角板とを、セラミクス構成角度θを１２
０度とし、２０μ端厚さのＴｉをインサート材としてＨ
ＩＰにより９００℃・１０００気圧で３０分加圧して接
合させたところ、割れの無い健全な接合体が得られた。

これに、熱サイクルを加えた後に曲げ強度を調べたとこ
ろ２０ｋｇ／ｓｉｔ”であった、一方、加圧力を５０な
いし２００　ｋｇ／ｄ”とし、他の条件はＨＩＰと同一
にして真空ホットプレスで一軸加圧による接合を行った
ところ、いずれの加圧力でも接合界面コーナーの一部に
剥離が認められた。そこで、真空ボットプレス材の接合
断面を観察したところ、表面近傍だけでなく中央部でも
微小な未接合部が残留しているのが認められた。これに
対し、ＨＩＰ材の断面には未接合部は認められなかった
。

災施五亘 ５０１角Ｘ２０ｍｍ厚さの、ＳｉＣ角板とＴｉ合金基複
合材料製角板とを、セラミクス構成角度θを１２０度と
し、２０μｍ厚さのＴｉをインサートに、ｌｌｌ１１厚
さのＷを応力緩和材としてＨＩＰにより９００℃・１０
００気圧で３０分加圧して接合させたところ、割れの無
い健全な接合体が得られた。これに、熱サイクルを加え
た後に曲げ強度を調べたところ室温で３５ｋｇ／ｍｍ”
　、６００℃’？’３２ｋｇ／＋ｎ”　ト非常ニ高強度
が得られた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明に係るセラミクスと金属との接合体
によれば、セラミクス構成角度θを８０度以下又は１０
０度以上としたので、割れのない健全で、高強度の接合
体が得られ、ガスターピー翼等の高温強度、高信頼性が
要求される部分にセラミクス／金属接合体を適用できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の詳細な説明するための図で
あり、第１図は丸棒接合体の断面側面図、第２図（ａ）
は角棒接合体の斜視図、第２図（′ｂ）は第２図＋８＋
の■ｂ−ｎｂＮＩＡ断面図、第３図ないし第６図は本発
明の詳細な説明するための特性図である。 図において、１，５は金属製部材、２．４はセラミクス
製部材、３．６は接合界面、３ａ、６ａは接合界面の少
なくとも一部、Ｌは軸線、θはセラミクス構成角度であ
る。 特許出願人　　株式会社　神戸製鋼所 代理人　　　　弁理士　下　市　　間 第１図 トＬ ■ｂ−４′−し 第３図 ２ラミ７スの確峙か泊屓（θ） 第４図 挿合惨め直径（＋ｎｌＩＩ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミクス製部材と該部材より熱膨張率の大きい
   金属製部材とを高温で両部材を溶融させることなく接合
   してなる接合体において、上記セラミクス製部材の接合
   界面の周縁部における少なくとも一部と接合体表面との
   なすセラミクス構成角度を８０度以下又は１００度以上
   に設定したことを特徴とするセラミクスと金属との接合
   体。