JPH02196075A

JPH02196075A - 接合構造体

Info

Publication number: JPH02196075A
Application number: JP1598989A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ikuhara; 生原　幸雄; Masayuki Hashimoto; 昌幸橋本
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1990-08-02

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とを接合してなる接合構
造体に関するものである。

ｒ従来の技術および発明が解決しようとする課題」一般に、構造用セラミックスは、優れた耐熱性、耐食性
、耐薬品性、耐摩耗性および絶縁性などの特性を有する
高硬度材料であって、これらの特性を利用した構造用部
材や電子部材の研究開発が活発に進められている。特に
ＳｉＣや５ｔａＮａなどの非酸化物系のセラミックスで
は、断熱ディーゼル・エンジン部品用材、ガスタービン
部品用材、熱交換器など機械部品への応用が試みられ、
一部実用化されている。

しかしながら、セラミ−ツクスは機械的強度、特に靭性
の点で金属に劣り、また、高精度加工に際しては、コス
ト、精度の両面で限界があり、セラミックスのみで目的
の装置全体を構成することは、依然として困難な問題を
残している。従って、他の構造材料、特に金属と組み合
わせて使用することが、互いの長所を生かした使い方と
して、好適と考えられるようになった。したがって、セ
ラミックスと金属との接合に関連する問題は、きわめて
重要となってきている。

そこで、従来から、（ｉ）ガラスなどの酸化物や、金属
をろう材として、セラミックスと金属との間に挿入して
使用するろう付性、（１１）セラミックスと金属とを固
体状態で直接加圧、もしくは無加圧で接合する固体接合
法、（山）レーザービームによりセラミックスと金属と
を溶融状態で接合する融接法などが検討されている。

しかし、セラミックスと金属とを接合する場合に、最も
重要となる点は、接合強度の確保ならびに両者の熱膨張
係数差に伴って発生する残留応力の除去である。

特に、残留応力は、両者の熱膨張係数差の増加、接合時
の処理熱温度の増加、接合寸法の増加などによって、急
激増大し、結果的に接合体を破壊する原因となった。

このような問題点を解決するため、本発明者らは、セラ
ミックスと接合金属母材の中間に両者の残留熱応力を緩
和するための中間層（単に緩衝層という）を挿入して接
合を完成する手法を採用し、既にセラミックスと金属と
の接合製品の工業規模における製作に成功している。

しかしながら、緩衝層を挿入しても、実際にセラミック
スと金属とを破壊せずに良好な接合を実現できる面積は
、緩衝層の材質にもよるが、通常単純なセラミックス平
板と金属平板との場合でも、３０　Ｘ　３０　ｍｍ”程
度以下に限られていた。従って、従来、接合面積が３０
　Ｘ　３０１１１１’以上の大型金属母材へのセラミッ
クスの接合は、小分割された多数のセラミックスをタイ
ル状に金属母材に接合して、これにより見掛は上の（妥
協的な）大型接合部材を製作してきている。

一方、セラミックスをより大型の構造部材として使用し
たいとする要請は、例えば、核融合炉、炉体構造を始め
として、益々増加する傾向にある。

また、技術的に従来困難であった数１０ｃｍ角レベルし
上の大型なセラミックス製品も焼結可能となってきてい
る。

「課題を解決するための手段」そこで、本発明では、大型セラミックスと大型金属母材
とを接合破壊を生じさせずに接合できる構造を見出だす
ことによって、上記問題を解決したものである。

ちなみに、本発明者らが接合における従来の経験から大
型接合構造と位置付けているのは、接合断面積が２５０
０ｓａ＋’（正方形として、５０Ｘ５０ｍ＋ｍ）以上の
ものである。

セラミックスと金属との大型接合構造体の製作を困難に
している原因は、両者の熱膨張係数差に伴って接合界面
に発生する熱応力であることは明らかである。

これに対し、本発明者らは、従来からセラミックス部材
を小分割し、かつセラミックス／金属の接合中間部に緩
衝層を挿入することで、セラミックスと金属との界面に
発生する最大熱応力のレベルを低下させることで接合構
造物が得られ、これが常温と中温（〜６００℃）との繰
り返し熱サイクル使用においても十分な耐用を示す結果
を得てきた実験事実をふまえ、本発明に至ったものであ
る。

すなわち、本発明は、第１図および第２図に示すように
、セラミックス母材１と金属母材２とが、金属中間層を
介して接合されるセラミックスと金属との接合構造体に
おいて、上記金属中間層（緩衝層）が金属母材の１／２
以下の接合面積を有する複数の分割体３から構成されて
いることを特徴とするものであって、上記金属母材２が
Ａｌ１、Ｃｕ。

Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ５Ｔｉ、Ｚｒ％Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗおよび
／またはこれらを主成分とする合金から構成され、かつ
その接合断面積が２５００ｍ＋ａ”以上であることを特
徴とする接合構造体である。

この構造体を構成するための緩衝層（分割体）３は、（
イ）ＭｏＳＷ　　もしくは　Ｆｅ、Ｎｉを主成分とする
低膨張合金、あるいは（ロ）比較的弾性係数の小さいＣ
ＬＩ、Ａ１２、Ｎｉ、Ａｇおよび／またはこれらを主成
分とする合金からなり、同時にその面積が金属母材の１
７２以下の面積で、通常４００１ｍｍ”（正方形として
２０　Ｘ　２０　ｍ＋ｍ）以下に分割された状態である
ことを特徴とする。この緩衝層３は厚さ０．ｌｆｆ１ｍ
以上で、その形状は四角形、三角形、円形、等である。

形状については、特に大きな制約はないが、応力集中の
影響を考慮すると、円形形状が最良と考えられる。

上記大型セラミックス母材１と大型金属母材２との接合
は、通常、既に知られている方法を用いる。係る接合体
は、まずセラミックス１の表面をメタライズ処理した後
、小分割された上記緩衝層３を適当な接合用ろう材（例
えば、銀ろう、金ろう、Ｎｉろう、等）４を介して上記
大型金属母材とともに加熱炉中に設置して得ることがで
きる。

１作用」本発明によれば、従来困難とされていたメートルオーダ
ーの大型セラミックスの接合も可能となる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

「実施例　１」＃３００メツシュ以下に混合粉砕したＡ　ｇ　−Ｃｕ−
Ｔｉ系粉末に有機バインダーとして少量のスクリーンオ
イル（市販）を添加し、接合ペーストを作成した。この
ペーストを２５０　Ｘ　５００　ｘ　５　ｔ（ｉｓ）の
アルミナ（Ａ　ＬＯｓ）セラミック平板の２５０×５０
０の面にスクリーン印刷した。これを２０００Ｃ１６時
間乾燥後、２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの真空中で９００
℃、１５分間加熱し、メタライズ層を作成した。

このメタライズ層に、２５０Ｘ５００Ｘ０．０３　Ｌ（
ａ＋ｍ）のＢＡｇ−８ろう材を置き、その上に１５Ｘ　
１５　Ｘ　２ｔ（ｍ）のＣｕ板２８８枚を等間隔で設置
し、さらに、その上に２５０Ｘ５００Ｘ０．０３ｔ（ｍ
ｍ）のＢ　Ａ　ｇ、−８ろう材を載せ置き、３００Ｘ５
００　Ｘ　１０　ｔ（ｍｍ）の３４５Ｃとろう付けを行
った。

ろう付けは８７０°Ｃ１１５分間、Ｎ、雰囲気中で行っ
た。

一方、中間層に分割されたＣｕ板を用いずに２５０　Ｘ
　５００　Ｘ　２　ｔ（ａｍ）のＣｕ板を使用し、上記
と同様のろう付けを実施した。その結果を下表に示す。

１表１［実施例２１実施例１と同様の接合ペーストを３００Ｘ３００　Ｘ　
２０　ｔ（＋ｎｎ＋）の炭化珪素セラミック（ＳｉＣ）
平板の３００８３００　（ｍｍ）の面にスクリーン印刷
した。

これを２００’Ｃ，６時間乾燥後、この乾燥面に２０φ
ｘ　ｌ　ｔ（ｍｍ）のＡｇ板１９６枚を等間隔で設置し
、２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの真空中で９００００，１
５分、熱処理して、メタライズ層に中間金属を接合した
構造体を得た。

この構造体に３００Ｘ３００Ｘ０．０３ｔ（ｍｍ）のＢ
Ａｇ−８ろう材を積層した後、３００Ｘ３００Ｘ　５０
　ｔ（ｍｍ）のＮｉ板をろう付けした。ろう付けは８７
０℃、２０分間Ｎ、雰囲気中で行った。この接合体は良
好なものであった。

一方、中間金属としてＡｇ板３００Ｘ３００Ｘ２　ｔ（
ｍｓ＋）を接合しようとした構造体は、Ｎｉ板をろう付
けする前段階で既に破壊した。

「発明の効果」以上説明したように、本発明は、セラミックス母材と金
属母材とが金属中間層を介して接合されるセラミックス
と金属との接合構造体において、上記金属中間層（緩衝
層）が、金属母材の１７２以下の接合面積を有する複数
の分割体から構成されていることを特徴とするものであ
って、上記金属母材がＡ１２、ＣｕＳＡ　ｇｌＦ　ｅｓ
　Ｎ　ｒｓ　Ｔ　１％　Ｚ　ｒｌＮ　ＪＭＯ，ｗおよび
／またはこれらを主成分とする合金から構成され、かつ
その接合断面積が２５００１１以上であることを特徴と
する接合構造体である。

このような構成の本発明によれば、大型セラミックスと
大型金属母材とを接合破壊を生じさせずに接合すること
ができ、従来困難とされていたメートルオーダーの大型
セラミックスの接合も可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明を説明するためのもので、
第１図は本発明に係る接合構造体の側断面図、第２図は
第１図の■−■線に沿う平面構成図である。１・・・・・セラミック母材、２・・・・・金属母材、
３・・・・・分割体（分割金属中間層：緩衝層）４・・
・・・ろう材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミックス母材と金属母材とが金属中間層を介
して接合されるセラミックスと金属との接合構造体にお
いて、前記金属中間層が金属母材の１／２以下の接合面積を有
する複数の分割体で構成されていることを特徴とする接
合構造体。
（２）金属母材がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ
、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗまたは／およびこれらを主成分
とする合金から構成され、かつその接合面積が２５００
ｍｍ＾２以上であることを特徴とする請求項１記載の接
合構造体。
（３）金属中間層がＭｏ、ＷもしくはＦｅ、Ｎｉを主成
分とする低膨張合金もしくは比較的弾性係数の小さいＣ
ｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇまたは／およびこれらを主成分と
する合金から構成され、かつその各分割体の接合部分面
積が４００ｍｍ＾２以下とされていることを特徴とする
請求項１または２記載の接合構造体。
（４）セラミックス母材と金属母材と金属中間層との３
者を一体化するろう材が、金属母材および金属中間層の
融点よりも低温で溶融する接合用ろう材であることを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の接合構造
体。