JPH01286972A - 金属・セラミックス接合体 - 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） 本発明はセラミック部材と金属部材とをろう材を介して
一体的に結合してなる金属・セラミックス接合体に関す
るものである。

（従来の技術） ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスは、
機械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐれているため、ガ
スタービンエンジン部品、エンジン部品等の高温構造材
料あるいは耐摩耗材料として実用化が図られている。し
かし、セラミックスは一般に硬くて脆いため、金属材料
に比較して成形加工性が劣る。また、靭性が乏しいため
、衝撃力に対する抵抗が弱い。このため、セラミック材
料のみでエンジン部品のような機械部品を形成すること
は難しく、一般には金属部材とセラミック部材を接合し
た複合構造体としての形で使用されることが多い。

従来、セラミック部材の凸部と金属部材の凹部をろう材
により接合した形状において、接合部にろう材厚さ変化
部を形成してセラミック部材と金属部材との間の引抜き
強度を向上させた構造が、実開昭６１−５０７３９号公
報において知られている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来技術の接合構造とすることで、セラミック
部材と金属部材との間の引抜き強度を向上できるものの
、接合端および金属部材の凹部底面における応力集中を
除去するためには不十分であった。すなわち、セラミッ
ク部材の凸部先端表面と金属部材の凹部底面との間の接
合底部に十分な空間を設けないために、ろう付は接合の
際のろうの凝固点から室温までの降温時に、金属部材と
セラミック部材との熱膨張差による収縮量の違いにより
セラミック部材と金属部材とが当たり、セラミック部材
の方が熱膨張が小さいため金属部材が十分に収縮できな
（なりセラミック部材に無理な引張応力が発生し、特に
接合端に応力集中が増大するため結合体の曲げやねじり
に対する強度が低下する欠点があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、室温ならびに
高温のいずれにおいても接合強度が高く、信転性の高い
金属・セラミックス接合体を提供しようとするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明の金属・セラミックス接合体は、セラミック部材
に設けた凸部が金属部材に設けた凹部に挿入されて、し
かも前記凸部の外周面と前記凹部の内周面との間にろう
材を介在させて一体的に接合されている構造の金属・セ
ラミックス接合体において、少なくとも接合端部付近で
開口部に向かってろう材の厚さが徐々に厚くなるように
するとともに、前記凸部先端表面と凹部底面との間に空
間またはろうと非接合性物質からなる低弾性中間体を介
在させることを特徴とするものである。

（作　用） 上述した構成において、少なくとも接合端部付近で開口
部に向かってろう材の厚さが徐々に厚くなるようにする
ことにより、ろう付は温度からの金属部材とセラミック
部材との熱膨張差による影響が少なくなり、その結果接
合端部に発生する応力集中が低減できるとともに、金属
・セラミックス接合体の実使用時に衝撃力が作用した場
合の接合端部の応力集中がろう材の緩衝作用で減少でき
るため、曲げやねじりや衝撃力に対し破壊しにくく、信
顛性の高い金属・セラミックス接合体を得ることができ
る。

さらに、セラミック部材の凸部先端と金属部材凹部底面
との間に空間またはろうと非接合性物質からなる低弾性
中間体を介在させているため、セラミック部材の凸部先
端表面と金属部材の凹部底面とのろう材を介在させる接
合を阻止できるだけでなく、接合温度からの冷却に際し
セラミック部材と金属部材の収縮量の差により生ずる上
記凸部先端と上記凹部底面の間の相互干渉を防止し、接
合部に過大な残留応力が発生することを阻止でき、セラ
ミック部材の凸部先端および接合端部での残留応力によ
る応力集中が緩和され、曲げやねじりに対し破壊しにく
く信軌性が高い金属・セラミックス接合体を得ることが
できる。

そして、上記凸部先端表面と凹部底面との間に設ける空
間またはろうと非接合性物質からなる低弾性中間体の厚
さＧは、以下の関係を満足するとより好ましい。

Ｃ＞（接合端部から金属部材の凹部底面までの距離）×
（金属部材の熱膨張係数−セラミック部材の熱膨張係数
）×（ろうの凝固温度−室温）該厚さＧは１＋ｕｉ以下
とすることが好ましく、０．７ｍｕｍ以下とすることが
より好ましい。また、該空間または中間体の厚さＧがＩ
ＩＩＩＩｌより大きくなると、前記凸部の外周面と凹部
の内周面との間のろう材を介在させて接合する接合面積
が減少し、接合強度が低下するので好ましくない。

ここで、接合端部とは、上記凹部開口部側に位置するセ
ラミック部材とろう材との接合部の端部を意味している
。

また、上記凸部外周面と金属部材凹部内周面との接触部
のみでろう付けすると、接合端部に発生する在留応力を
緩和でき、さらにろうとセラミック部材ならびに金属部
材が反応し、両部材の間に強固な接合部が形成されるた
めに室温から高温までの接合強度が強くなるばかりでな
く、接合温度からの冷却に際して焼嵌め効果が付加され
るので、安定して高強度が得られ好ましい。

前記凸部先端表面と凹部底面との間に空間またはろうと
非接合性物質からなる低弾性中間体を設ける方法として
は、ろうと接合性を持たない物質からなる薄い膜をセラ
ミック部材に設けた凸部先端表面へ形成させることや、
該物質からなる中間体または空間を金属部材に設けた凹
部底面とセラミック部材に設けた凸部先端表面との間に
配置すること、およびそれらを組合せて行う。

ろうと接合性を持たない物質の一例としては、黒鉛があ
る。前記凸部先端表面への黒鉛膜の形成は、黒鉛粒子懸
濁液を刷毛またはスプレーによる塗布、あるいは浸漬な
どで容易に行うことができる。また、前記中間体として
は、例えば黒鉛繊維からなるスライバー、フェルト、ウ
ェブ、ウェブ焼結体、織布のような低弾性体を単独でま
たは組合わせて使用すると好ましい。

さらに、前記中間体を前記凸部先端表面と前記凹部底面
との間に介在させると、接合部位の限定を容易にしかも
確実に行なえるので、接合後にセラミック部材の接合端
部に生じる残留応力の低減と管理が可能となり、接合強
度の増大とばらつきの減少が達成される。

低弾性体からなる中間体の介在は、ろうと前記凹部底面
との接合を阻止する効果だけでなく、接合温度からの冷
却に際しセラミック部材と金属部材との収縮量の差によ
り生じる前記凸部先端と前記凹部底面の相互干渉を防止
し、接合部に過大な残留応力が発生することを阻止する
効果が空間を設ける場合よりも確実になるとともに、溶
融したろうを凸部外周面と凹部内周面の間の隙間に効率
良く浸透させる効果も有している。

セラミック部材と金属部材との接合部を構成するろうは
、セラミック部材と化学的接合が可能な活性金属元素を
含有するろうであるのが好ましい。

該接合部の形成は、活性金属元素を含む合余ろう、活性
金属の箔と通常のろうとの積層あるいは金属基材の上に
活性金属元素を被覆した構造のろう材の使用で行うこと
ができる。ろう材に対する活性金属の添加量の調整、取
り扱いの容易さあるいは製造の容易さを考慮すると、金
属基材の上に活性金属元素を被覆した構造のろう材の使
用が好ましく、金属基材の上に活性金属元素を蒸着した
構造のろう材の使用がより好ましい。このような活性金
属元素としては、被接合セラミック部材が少なくとも窒
化物および／または炭化物を含むセラミックスの場合に
は、Ｚｒ、　Ｔｉ、　Ｔａｒ　Ｈｆ＋　Ｖ、　Ｃｒ。

Ｌａ、　Ｓｃ、　ＹおよびＭｏからなる群から選ばれた
少なくとも一種の金属元素が好ましく、被接合セラミッ
ク部材が酸化物セラミックスの場合には、Ｂｅ。

ＺｒおよびＴｉよりなる群から選ばれる少なくとも一種
の金属元素が好ましい。

上記活性金属ろうは、セラミックスとの濡れ性が良いの
で、セラミック部材に対してメタライズ処理のような特
別な前処理をする必要はない。また、金属部材に対して
はＮｉめっきをすればろうに対しての濡れが良くなる。

従って、該ろうを使用すれば所定の接合位置へ毛細管現
象を利用して溶融ろうを浸透させることができるので、
接合予定位置にろう材を位置させずとも被接合部に形成
する隙間の管理を行うだけで、気泡やひけなどの欠陥の
少ないろう付けを行うことができる。

活性金属を含有しないろうでろう付けを行う場合は、セ
ラミック部材の凸部外周面の接合予定位置にメタライズ
層を設けて該メタライズ層にＮｉめっきを施し、より好
ましくは金属部材の凹部内周面の接合予定位置にＮｉめ
っきを施すことにより、上述の活性金属を含むろうの場
合と同様の効果が得られる。この場合、メタライズ層を
設けていない凸部先端では、ろうとセラミックが反応し
ないので接合されず、凸部先端表面と凹部底面との間に
隙間が形成される。

さらにまた、セラミック部材の凸部外周面と金属部材の
凹部内周面の接合予定位置に、活性金属の箔を配置し、
金属部材の凹部底面には、活性金属を含まないろう材を
配置してろう付けを行うことにより、活性金属ろうを使
用したと同様の効果を得ることも出来る。

本発明の金属・セラミックス接合体を形成するセラミッ
ク材料としては、上記活性金属ろうと高強度の接合部が
得られるセラミック材料であればいずれの材料でもよい
が、実用性を考慮すると、窒化珪素、炭化珪素、サイア
ロン、ジルコニア、アルミナ、ムライト、チタン酸アル
ミニウムおよびコージェライトよりなる群から選ばれた
少な（とも一種のセラミック材料とするのが好ましい。

これらのセラミック材料のいずれを使用するかは、本発
明の金属・セラミックス接合体の使用目的と接合すべき
金属材料の種類に応じて決定すればよい。なお、金属材
料としては、セラミック材料に近い熱膨張を有する低熱
膨張金属が好ましい。

さらに、上述した開口端へ向かって厚くなるようなろう
材の形状に加えて金属部材の凹部の底部において、ろう
材の厚さが底部に向かって厚くなる形状とすると、セラ
ミック部材の凹部の先端部の残留応力による応力集中の
低減および衝撃吸収の効果が大きくなり、曲げやねじり
に対し破壊しにくく信頼性が高い金属・セラミックス接
合体が得られるため、より好ましい。

（実施例） 第１図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の金属・セラミ
ックス接合体の一例を示す部分断面図である。

各実施例において、セラミック部材工の凸部２と金属部
材３の凹部４とを活性金属ろう５を使用してろう付けに
より接合するとともに、少なくとも接合端部ｌＯ付近で
開口部６に向かって厚さが徐々に厚くなるようろう材を
設け、さらに凸部２の先端と凹部４の底部との間に空間
またはろうと非接合性物質からなる低弾性中間体を設け
た例を示している。

第１図（ａ）に示した実施例では、接合予定位置の凹部
４の内周面に開口部６に向かって広くなるテーパを設け
、このテーパ状の内周面にＮｉメツキを施し、凸部２の
先端表面に黒鉛を塗布した後、活性金属ろう５を使用し
てろう付けにより接合して凹部４の底面と凸部２の先端
表面との間に空間７を設けるとともに、接合部全体のろ
う５が開口部６に向かって厚さが徐々に厚くなるよう構
成している。なお、通常のＡｇろうを使用するときは、
上述した凹部４の内周面へのＮｉメツキ後、接合予定位
置の凸部２の外周面にメタライズ層を設けるかあるいは
活性金属の箔を配置することにより、同様な接合を達成
することができる。

第１図（ｂ）に示した実施例では、接合予定位置の凹部
４の内周面のうち開口部６近傍に開口部６に向かって広
（なるテーパを設け、このテーパ状の内周面にＮｉメツ
キを施し、凹部４の底面であって凸部２の先端表面に接
触する位置にろうと非接合性物質からなる低弾性中間体
である黒鉛フェルト８を配設した後、活性金属ろう５を
使用してろう付けにより接合して凹部４の底面と凸部２
の先端表面とが接合しないよう構成するとともに、少な
くとも接合端部付近で開口部６に向かって厚さが徐々に
厚くなるようにろう材を介在させている。

第１図（ｃ）に示した実施例では、接合予定位置の凹部
４の内周面のうち開口部６近傍および底部９近傍にそれ
ぞれ開口部６および底部９に向かって広くなるようなテ
ーパを設け、このテーパ状の内周面にＮｉメツキを施し
、凸部２の先端表面に黒鉛を塗布した後、活性金属ろう
５を使用してろう付けにより接合して凹部４の底面と凸
部２の先端表面との間に空間７を設けるとともに、接合
部のろう５が開口部６に向かってさらに底部９に向かっ
て厚さが徐々に厚くなるようにろう材を介在させて構成
した例を示している。

また、第１図（ｄ）は凸部２の先端エツジ部にテーパー
加工を施し、接合部のろう５が底部に向かって厚さが徐
々に厚くなるようにろう材を介在させて構成した例を示
している。

以下、実際の例について説明する。

１塁班 第２図（ａ）　、　（ｂ）に示す本発明の金属・セラミ
ックス接合体を作製した。

直径：　１８ｍｍの溶体化処理済インコロイ９０３丸棒
の一端に底部内径ｄ　ｂ：　１１．０５＋ａ＋　、開口
部付近の接合端部１０の位置での内径ｄ　−：　１２．
５ｍｎ＋、深さ８Ｉｌｌｌ＋で内径が底部から開口部に
向かって徐々に大きくなる凹部４と直径１２ｍｍの細軸
部を設けた金属部材３と、常圧焼結法による窒化珪素焼
結体の一端に直径ｄ　ｃ：　１１．Ｏｍｍ、長さ：　１
０ｍｍの凸部２を設けたセラミック部材１を作製した。

なお、上記凹部４の底部隅部にはＣ０，２の面取りが、
また開放端隅部にはテーパー加工がそれぞれ施しである
。同じく、上記凸部２の先端エツジ部はＣ００５のテー
パー加工が、根本部にはＲ２の曲面加工がそれぞれ施し
である。

これらの金属部材とセラミック部材について、上述した
第１図（ａ）、（ｂ）に示す方法で厚さ０．１ａｍの銀
ろう板表面上に厚さ２μｍのＴｉを蒸着した活性金属ろ
うを使用して本発明の金属・セラミックス接合体を得た
。このとき接合端部１０と凹部底面との距離りは７ＩＩ
Ｉ１１、空間および黒鉛フェルト等の中間体の厚さＧは
０．４ｒａｍ　ｓ凹部内周面に施したＮｉメツキの厚さ
は１０μＩであった。なお本実施例の場合、金属部材の
熱膨張率は１３．０Ｘ１０−ｂ１／”Ｃ、セラミック部
材の熱膨張率は３．５ｘｌＯ−’１／”ｃ、ろうの凝固
温度は７８０°Ｃである。

一方、第３図に示す部分断面の金属・セラミックス接合
体を比較例として準備した。第３図の各接合体は、凹部
４の接合位置に対応する部分の内径ｄを１１．０５ｍｍ
　、凹部４の内径以外の金属とセラミック部材の形状を
上記本発明の接合体の金属部材とセラミック部材と同様
の形状とし、凹部４の底面と凸部２の先端表面との間に
上記中間体を設けた接合体第３図（ｂ）と上記中間体を
設けずに凹部４の内表面と凸部２の外表面との接触面を
実質的に全面ろう付けした接合体第３図（ａ）である。

準備した本発明および比較例の接合体に対し、第４図に
示す曲げ試験装置により金属部材３を固定してセラミッ
ク部材１に荷重を付加することにより、セラミック部材
１の凸部２が接合端部近傍より破壊するときの曲げ荷重
を測定して、破壊曲げ荷重とした。なお、第４図におい
て、Ｌ＝４０１”ｍ％　Ｊ！　ｚ＝　５　ｍｎ＋とじた
。結果を第１表に示す。

第１表 第１表より、本発明の金属・セラミックス接合体が比較
例よりもより高い破壊曲げ荷重を示した。

また、黒鉛フェルト８を凹部４の底面と凸部２の先端表
面との間に設けた金属・セラミックス接合体の方が、空
間７を凹部４の底面と凸部２の先端表面との間に設けた
金属・セラミックス接合体よりも破壊曲げ荷重のバラツ
キが小さく、金属・セラミックス接合体の均質性が優れ
ていることがわかった。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変診、変更が可能である。例えば、上述した実
施例では凹部底部と凸部先端表面との間に空間または中
間体を設けたが、空間部と中間体の両者を混在させても
同様な効果が得られることは明らかである。

（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の金属・セラミックス接合体によれば、少なくとも接合
端部付近で開口部に向かってその厚さが徐々に厚くなる
ようろう材を設けるとともに、凸部先端表面と凹部底面
との間に空間またはろうと非接合性物質からなる低弾性
中間体を介在させることにより、セラミック部材の接合
端部に発生する応力集中を低減でき、さらにろう材の厚
みの作用による衝撃の吸収の効果を大きくできるととも
に、凸部先端表面と凹部底面とのろう材を介しての接合
を阻止し、接合温度からの冷却に際し凸部先端と凹部底
面の間の相互干渉を防止でき、そ゛の結果曲げやねじり
に対し破壊しにくく信頼性の高い金属・セラミックス接
合体を得ることができる。

また、本発明の金属・セラミックス接合体で、タービン
翼車およびタービン軸の一部が窒化珪素セラミックス、
その他の部分が高強度を有する金属からなるターボチャ
ージャロータを構成すれば残留応力の低減、ろう材の緩
衝作用、接合界面への高温の排気ガス等の腐食性ガスの
侵入が防止でき、耐久性にすぐれ、さらに応答性にすぐ
れた高効率のターボチャージャロータを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の金属・セラミ
ックス接合体の一例を示す部分断面図、第２図（ａ）　
、　（ｂ）はそれぞれ本発明の金属・セラミックス接合
体を示す部分断面図、 第３図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ比較例の金属・セ
ラミックス接合体を示す部分断面図、 第４図は試験に使用した曲げ試験装置を示す図である。 １・・・セラミック部材　　２・・・凸部３・・・金属
部材　　　　　４・・・凹部５・・・活性金属ろう　　
　６・・・開口部７・・・空間　　　　　　　８・・・
黒鉛フェルト９・・・底部　　　　　　　１０・・・接
合端部特許出願人　　日本碍子株式会社 第１図 第２図 （ａ） （ｂ） 第３図 （ａ） （ｂ） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
   部に挿入されて、しかも前記凸部の外周面と前記凹部の
   内周面との間にろう材を介在させて一体的に接合されて
   いる構造の金属・セラミックス接合体において、 少なくとも接合端部付近で開口部に向かっ てろう材の厚さが徐々に厚くなるようにするとともに、
   前記凸部先端表面と凹部底面との間に空間またはろうと
   非接合性物質からなる低弾性中間体を介在させることを
   特徴とする金属・セラミックス接合体。 ２、前記凹部の底部付近において、ろう材の厚さが底部
   に向かって厚くなる形状である請求項１記載の金属・セ
   ラミックス接合体。