JPH02263774A - セラミックスと金属の接合方法 - 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スと金属の接合方法に係わり、特に
複数のセラミックス片を金属にろう１寸げによって接合
するに好適な方法に関する。

（従来の技術） 耐摩耗性や熱間での優れた強度特性を持つセラミックス
を金属材の必要面に被覆させたセラミックスと金属の接
合体が工業的に用いられることが多くなっている。

第３図は前記接合体の一例を示す斜視図であり、金属材
２０の表面に複数のセラミックス片１が接合され、接合
体１０を構成している。セラミックス片ｌとしては、そ
の製造コストが安くでき、種々の形状の金属材２０への
接合互換性を高めることが可能な１０ｍ＋ＩＩＸ　Ｉ　
Ｏｏｍ　〜５０ｓＸ５０ｗｍ程度の比較的小さい大きさ
のものが主に用いられる。

このようなセラミックス片ｌの金属材２０への接合は、
有機あるいは無機系の接着剤で接着固定する方法が知ら
れており、またこの接着強度を高めるためにセラミック
ス片の表面をメタライズ処理する方法も例えば特開昭５
８−２９９２１号公報、特開昭５９−２１７６８４号公
報等で数多く提案されている。

ところがこのような接着剤で接着固定する方法では接着
剤の耐熱温度が低く、熱環境雰囲気下で使用される接合
体１０には適用でき難いと言う問題があった。

一方、前記熱環境雰囲気下でも強固な接合強度を発揮す
るものとしてろう付は法が広く知られており、このろう
付けの改良技術として例えば特開昭６０−１６６１６５
号公報に開示されるようにＡｇ、Ｃｕに活性金属を添加
したろう材を用いてろう付けする方法、あるいは特開昭
６３−１３９０８６号公報に開示されるようにセラミッ
クス片表面のメタライズ面にＴｉ粉末、Ｚｒ粉末を塗布
したのち、該塗布面にろう材を介在させて加熱し、ろう
付けする方法等も提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 前述したろう付けは、接合強度が高く、しかも接着剤に
比較し２で耐熱性も高いことから近年積極的に活用され
ている。このろう付けは前記第３図に示すように金属材
２０とセラミックス片ｌの間にろう材２１を配して、ま
た必要に応しては第４図に示すように金属材２０とセラ
ミックス片１の間に銅板などの熱応力ｙｉ衡材２２とろ
う材２１をサンドウィッチ状に配したのち、全体を炉中
あるいは大気中で加熱して行われる７ ところでセラミックス片１と金属材２０との間に介装さ
れた前記ろう材２１は液相線温度以上に加熱されると溶
融し、液状の薄膜層を形成する。

この液状薄膜層が形成されるとそれが潤滑機能を発揮し
、セラミックス片ｌは金属材２０上を滑り易くなる。こ
の結果セラミックス片同士が局所的に接触したり、相隣
接するセラミックス片の間隔が金属材２０の膨張に追従
して生じる間隔より小さくなる事態等がしばしば発生し
ていた。

このような状態で冷却が始まり、ろう材の固相線温度以
下になると、金属材２０上のセラミックス片Ｉの位置関
係はそのままの状態で固定される。

さらに接合体１０が室温まで冷却されると、すでに接触
しているセラミックス片はより強く接触し、また、相隣
接するセラミックス片の間隔が金属材２０の膨張に追従
して生じる間隔より狭かった部分でもセラミックス片同
士が完全に接触するようになり、大きな圧縮力が作用す
るようになる。

このように通常の接触圧より高い圧力でセラミ、クス片
同士が接触すると、この接触点を起点にクラックが発生
したり、セラミックス片が破壊、あるいは剥離する等の
問題が生じ、実用に耐える接合体を製造することができ
ない。

本発明は前述したろう付けの際に生じるセラミックス片
の自由な移動を防止し、本来のろう付は接合強度を発揮
させることを課題とするものであり、耐用性に優れたセ
ラミックス片と金属との接合を可能ならしめる方法の提
供をイ・の目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するための本発明は、金属製基盤、Ｅに
複数のセラミックス片をろ・う付けするセラミックスと
金属との接合方法において、前記基盤の一端を拘束し、
他端を耐熱性ばね体で伸縮可能に保持するとともに、該
基盤上にろう材を介在せしめてセラミックス片を配列し
、更に前記配列された個々のセラミックス片上に耐熱性
ばね体を載置した後、前記基盤と同材質でかつほぼ同じ
大きざの押え仮を前記ばね体を介してセラミックス片上
に昇降並びに伸縮可能に接着し、しかる後全体を加熱し
てろう付けしセラミックスと金属の接合することを特徴
とするものである。

（作用） 本発明の具体的構成と作用を実施例を示す図に基づき説
明する。

第１図は本発明に基づく接合方法を説明するための断面
構造図であり、第２回は平面Ｖである。

図において１は前述したセラミックス片、２は金属製の
基盤であり、この金属製の基盤（以下単に基盤と言う）
２の上面にセラミックス片ｌを接合せしめるものである
。５は固定枠であり、前記基盤２と後述する押え扱４を
伸縮可能に保持する機能を果たす８即ぢ基盤２は、その
辺２ａ、２ｂが固定枠５と当接し、それと相対するｉｎ
　２Ｃ１２ｄと固定枠５との間にばね体６を介挿して固
定枠５に挿入載置されている。

而してばね体６の弾発力で基！ｌ１１２は固定枠５で一
端が拘束され、他端が伸縮可能に保持されている。この
ように配置された基盤２上にはろう材２１を介在せしめ
てセラミックス片ｌが配列される。尚、基盤２とセラミ
ックス片１の間には前記第４図に示すように熱応力緩衝
材２２を介在させることも可能であり、必要に応じて適
宜採用すればよい。

基盤２上に配列された各セラミ・ンクス片１の上にはバ
ネ体３が載置され、このバネ体３を介してセラミックス
片ｌの上方に押え板４が装着されている。この押え仮４
は前記基盤２と同材質で、かつほぼ同じ大きさに構成さ
れており、固定枠５に前記基盤２と同様にばね体７によ
ってその辺４ｃ。

４ｄの方向への伸縮が可能なように保持されている。

以上のように固定枠５に挿入配置された基盤２にろう材
２１を介在せしめてセラミックス片１を配列し、さらに
このセラミックス片１の上方にばね体３を介して押え板
４を装着した第１図の状態で、雰囲気調整された加熱用
炉に装入するかあるいは大気中でその全体を加熱してろ
う付けする。

この加熱操作によりろう材２１は溶融して前述した液状
薄膜層を形成し、また基盤２も膨張する。

本発明においてはセラミックス片１がばね体３を介して
押え板４で押え付けられているため基盤２上を自由に移
動するが抑制されている。

一方、基盤２はその辺２Ｃ１２ｄの方向のみへの膨張し
、この基盤２の膨張に同期して押え板４も膨張する。

このためセラミックス片１も基盤２の膨張に追従して移
動する。この結果相隣接するセラミックス片１の間に生
じる間隙も全体的に均一で、基盤２の膨張量に追従した
ものとなる。

このため加熱操作を終了し大気温度まで冷却した際には
、相隣接するセラミックス片同士は当初配列した適性な
隙間に復帰し、従来法で経験した異常接触圧に起因する
セラミックス片１のクラックや破壊、あるいは剥離等を
効果的に防止することだできるようになった。

さらにセラミックス片ｌにはばね体３を介して昇降可能
に装着された押え板４０重量が作用しており、この押え
板４の重量を適切に調整することにより溶融したろう材
２１を基盤２とセラミックス片１の間に均等に拡散させ
ることができ、ろう付は接合強度を著しく高めることが
可能になった。

而して本発明においてセラミックス片１はアルミナ系、
炭化珪素系、窒化珪素系、サイアロン等のセラミックス
総てに適用でき、またセラミックス片ｌの基盤２との接
合面は予めメタライジングを施しておくことがより好ま
しい。また基盤２としてもろう付けが可能な全ての金属
を用いることができる。

ばね体３．６および７はろう付けの際の高熱に曝される
から耐熱性を存する必要があり、特にばね体３は基盤２
と押え板４の熱膨張に伴う変位量をセラミックス片１に
正確に伝達し、且つ、ろう材２１が溶融しセラミックス
片ｌ及び押え板４が垂直方向に移動しても、基盤２と押
え板４の変位量を正確にセラミックス片１に伝達する機
能を有するもので、耐熱性を有するもの、例えばセラミ
ックス、超合金、ステンレス、セラミックスと金属の複
合焼結体等で構成されたものが適している。

本発明者らの経験ではばね体６．７は前記耐熱性を存す
るコイル状のものが、またばね体３は皿状のものが好ま
しかった。

（実施例） 本実施例では個々°の大きさが２０ｍｍ×２０１１１１
１×４ｒｍのアルミナ系セラミックス片１を、−膜構造
用圧延鋼材（ＳＳ４１　）の１００ｓＸ３００ｍｍＸ　
１０隠の基盤２に７５枚ろう付けした。セラミックス片
１はその接合面に銅メタライジング法によりメタライズ
層を設けた。

ばね体３としては外径８＠ｍ、板厚０．５ｍｍ、高さ２
ａｍの半円形の板ばね２枚を中央部で表裏に接合しであ
る超合金（Ｉｎｃｏｎｅｌ　６００）を用いた。またば
ね体６．７は外径１０鯨、線径０．５ｍｉ、長さ５鵬の
ステンレス（５ｔｌＳ３０４）のコイル状ばねを用いた
。

押え板４は前記基盤２と同じＳＳ４］で構成し、その大
きさも基盤２と同じｌ　ＯＯｓＸ　３００ｍｍｘ１０Ｉ
ＩＩＩ１１とし、固定枠５ば比較的安価で製造し易く、
繰り返し使用に耐えるステンレス（ＳｔｌＳ３０４）で
構成した。

而してステンレス製の固定枠５に基盤２をばね体６によ
って辺２ｃ、２ｄ方向への伸縮が可能なように固定し、
次いでこの基盤２上にろう材（６４ｇ−８）を介在せし
めて前記セラミックス片１を蜜に配列した。

この基盤２上に配列された個々のセラミックス片１には
前記ばね体３を載置し、その上方に押え板４を装置した
。押え板４はばね体７によって辺４ｃ、４ｄ方向へ伸縮
可能に、またばね体３によって昇降可能に固定枠５に装
着されている。次いでこの状態のまま炉中に入れアルゴ
ン雰囲気中で８４０　”Ｃ１３０分間の加熱条件でろう
付は接合した。

基盤２と押え仮４は同一材質５Ｓ４１であり、常温より
８４０°Ｃに昇温するに従い、その温度の熱膨張率に見
合っただけ同−量膨彊する。これに伴い、ばね体３を介
して基盤２と押え板４に連結されている相隣接するセラ
ミックス片同士の間隔は基盤２の熱膨張によって延びた
分だけ正確に開くことになる。

このため、ろう付は時にはセラミックス片と相隣接する
セラミックス片１の間隔はろう付は温度に見合った分だ
け開いてろう付けされるため、冷却過程に入ってろう材
の面相線温度でもこの位置関係が維持される。その結果
、基盤２が常温まで冷えてもセラミックス片同士は接触
することはない。

なお、ろう材２１が液相線以上に加熱され、ろう材２１
が溶けてセラミックス片１が沈下し押え板４との間隔が
開く事態が生じてもばね体３がその沈下に追随して加圧
するので、常に正しいセラミックスの位置関係が保証さ
れる。

以上の実施例で接合された７５枚のセラミックス片ｌに
は亀裂や破を員、剥離等の異常は全く認められず、耐摩
耗用複合体として十分使用できるセラミックスと金属の
接合体が得られた。

また前記実施例と同じ方法で、２００ｍｍＸ２００ｍｍ
Ｘ　９Ｍ、　Ｓ　Ｓ　４１製の基盤２に、活性金属メタ
ライジングを施した窒化珪素系セラミックス片（２０刷
×２０値×４圓）を１００枚接合せしめた。セラミック
ス片１と基盤２の間には、２０叩Ｘ２０ｍｍｘＯ，５ｍ
ｍの銅板からなる熱応力緩衝材２２と、この熱応力緩衝
材２２の上下面に積層されたムう材（ＢＡｇ−８）から
なる接着層を配した。

その他の条件は前記実施例と同様にしてアルゴン雰囲気
の炉に装入し、８４０　’Ｃ１３０分間の加熱条件でろ
う付は接合した。

この窒化珪素系セラミックス片１に接合においてもセラ
ミックス片１に亀裂や破を員、剥離等の異常は全く認め
られず実用に耐える接合強度が得られた。

（発明の効果） 本発明によって、基盤上に接合されたセラミックス片は
、隣接された他のセラミックス片と接触することがなく
、従って相接するセラミックス片の接触点を起点にクラ
ックが発生したり、セラミックス片が破壊、剥離するこ
とがなく、健全な接合体を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく接合方法を説明するだめの断面
構造図、第２図は第１図の平面圓、第３図は周知のセラ
ミックスと金属の接合体の一例を示す斜視図、第４図は
前記周知の接合体における接合構造を示す断面図である
。 １：セラミックス片、　２；金属製基盤、３．６．７：
ばね体、　　４：押え板 ５：固定枠、　　　　　　ｌＯ：接合体、２０：金属材
、　　　　２１：ろう材、２２：熱応力緩衝材。 代理人　弁理士　茶　野　木　立　夫 第１図 第２図 第３図 ！ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　金属製基盤上に複数のセラミックス片をろう付けする
   セラミックスと金属との接合方法において、前記基盤の
   一端を拘束し、他端を耐熱性ばね体で伸縮可能に保持す
   るとともに該基盤上にろう材を介在せしめてセラミック
   ス片を配列し、更に前記配列された個々のセラミックス
   片上に耐熱性ばね体を載置した後、前記基盤と同材質で
   かつほぼ同じ大きさの押え板を、前記ばね体を介してセ
   ラミックス片上に昇降並びに伸縮可能に装着し、しかる
   後全体を加熱してろう付けすることを特徴とするセラミ
   ックスと金属の接合方法。