JPH0234908B2 - Hisankabutsuseramitsukusutokinzokunosetsugotai - Google Patents
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- JPH0234908B2 JPH0234908B2 JP17393085A JP17393085A JPH0234908B2 JP H0234908 B2 JPH0234908 B2 JP H0234908B2 JP 17393085 A JP17393085 A JP 17393085A JP 17393085 A JP17393085 A JP 17393085A JP H0234908 B2 JPH0234908 B2 JP H0234908B2
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Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
〈産業上の利用分野〉
この発明は窒化けい素などの非酸化物セラミツ
クスと金属の接合体に関するものである。 〈従来の技術〉 窒化けい素、炭化けい素などの非酸化物セラミ
ツクスは、金属に比べて高温強度、耐摩耗性、耐
食性などの面ですぐれた特性を有しているため、
この特性を生かした用途の開発が進められてい
る。 窒化けい素セラミツクスや炭化けい素セラミツ
クスを自動車用エンジンならびにそのターボチヤ
ージヤーなどに使用しようとするのはその一例で
あるが、このようにセラミツクスを構造材料とし
て使用する際には、金属部材との接合が必要とな
る場合が多い。 〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、窒化けい素や炭化けい素などの
非酸化物セラミツクスは、金属との反応性が低
く、安定な性質を有しており、金属との接合が難
しいうえに非酸化物セラミツクスと金属の熱膨脹
係数の差に起因して接合界面に大きな熱応力が残
留し、接合体が破壊するなどの問題が起つてい
る。 例えば、窒化けい素セラミツクスと鋼の熱膨脹
係数は、それぞれ３×10-6／℃、15×10-6／℃で
あり、1300℃で接合した場合を想定すると、接合
後室温まで冷却してくる間に、窒化けい素と鋼の
接合界面の両端の窒化けい素側に約100Kg／mm2の
熱応力が発生することが計算によつて求められて
いる。 このため、従来非酸化物セラミツクス部材と金
属部材との接合については、焼きばめやネジ止め
などによる機械的な接合が行なわれてきた。 ところが、これらの接合方法は複雑な形状の機
械部品の接合には不向きであり、熱サイクルに対
しての信頼性に欠けるという問題が指摘されてい
る。 〈問題点を解決するための手段〉 この発明は、上記した従来の非酸化物セラミツ
クスと金属の接合法における問題点を解消すべく
検討の結果、見出されたものである。 即ち、この発明は大量の非酸化物セラミツクス
部材と金属部材を接合するのに適した接合体の構
造を提供するものであり、詳しく述べると、非酸
化物セラミツクス部材と金属部材との接合に際し
て、両部材間に低弾性率金属および／または展延
性を有する金属よりなる層、脆性材料よりなる
層、低熱膨脹率物質よりなる層を非酸化物セラミ
ツクス部材側より順に設けた非酸化物セラミツク
スと金属の接合体である。 〈作 用〉 この発明は非酸化物セラミツクス部材と金属部
材との接合面に、非酸化物セラミツクス側から順
に低弾性率金属および／または展延性を有する金
属よりなる層、脆性材料よりなる層、低熱膨脹率
物質よりなる層を介在させたことが特徴である。 この構造は図面に示す通りであり、１が非酸化
物セラミツクス部材、５が金属部材であつて、こ
の両者の間に低弾性率金属および／または展延性
を有する金属よりなる層２、脆性材料よりなる層
３、低熱膨脹率物質よりなる層４が介在してい
る。そして６は脆性材料よりなる層３に発生する
亀裂である。この亀裂は接合面に対して直角方向
に発生させるのが望ましい。 上述した構造のこの発明の接合体において、脆
性材料よりなる層３の役割は、非酸化物セラミツ
クス部材と金属部材の熱膨脹率の差に起因して接
合時の冷却途中で接合界面に発生する熱応力を緩
和せしめることである。熱応力の緩和の機構とし
ては、接合冷却時に発生する熱応力によつて脆性
材料よりなる層の中に亀裂が発生し、残留応力を
解放していることが考えられる。 この時発生した亀裂は、低弾性率金属および／
または展延性を有する金属よりなる層によつて止
められ、非酸化物セラミツクス部材には到達しな
い。また低熱膨脹率物質よりなる層も亀裂の進展
を食い止める働きがあるため、亀裂は脆材料より
なる層の中に限定して発生するのである。 低熱膨脹率物質よりなる層４の本来の役割は、
非酸化物セラミツクス部材に近い熱膨脹率を有す
ることによつて、接合時の冷却過程でセラミツク
ス側の接合界面に発生する熱応力を低減すること
である。このような役割の低熱膨脹率物質よりな
る層をセラミツクス部材と金属部材の間に介在さ
せることにより、接合時の冷却過程で発生する熱
応力を接合界面のセラミツクス側と金属側に分散
させることができるのである。 しかして、セラミツクス部材と低熱膨脹率物質
とは熱膨脹率の差が小さいため、セラミツクス部
材と低熱膨脹率物質との間で発生する熱応力は減
少する。 一方、低熱膨脹率物質と金属部材の間には熱膨
脹率の差に起因した熱応力が発生するが、金属部
材の塑性変形により、発生した熱応力が緩和され
るため、低熱膨脹率物質と金属部材の間で破壊が
生じることはない。 この発明で使用する低弾性率金属および／また
は展延性を有する金属としては、Ag、Al、Au、
Cu、Fe、Hf、Mg、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、
Sn、Ta、Ti、Ｖ、Zn、Zrの群より選ばれた単体
金属またはこれら金属の２種以上の合金からなる
単層または多層構造のものがある。 これらの金属は一般に軟金属と呼ばれており、
接合時の冷却過程で発生する熱応力を塑性変形に
よつて緩和する働きがある。 また隣接する脆性材料よりなる層中に発生した
亀裂が非酸化物セラミツクス部材へ伝播するのを
防ぐ役割も果すのである。 脆性材料よりなる層としては、セラミツクスお
よび／または金属間化合物を用いる。 この脆性材料よりなる層は接合を行なう際に積
極的にセラミツクスおよび／または金属間化合物
を介在させる場合と、接合過程で拡散などの反応
によつてセラミツクスおよび／または金属間化合
物が自然発生的に生成する場合とがある。 何れの場合にもその働きは同一である。 低熱膨脹率物質としては、室温での熱膨脹率が
６×10-6／℃以下の金属単体および／またはそれ
らの合金、サーメツトが使用される。具体的には
Ｗ、Moなどの金属単体、コバール、インバーな
どの合金、超硬合金、サーメツトなどのセラミツ
クス―金属複合材料がある。 上記した３種類の層を非酸化物セラミツクス部
材と金属部材の間に介在させることにより引張強
度で10MPaをこえる接合体を得ることができる
のである。 〈実施例〉 以下、実施例によりこの発明を詳細に説明す
る。 実施例 １ 直径７mm、高さ10mmのSi3N4焼結体と直径７
mm、高さ10mmの炭素鋼との間にSi3N4側から順に
10μｍ高さのNb箔、下記第１表に示す厚さの
Al2O3焼結体、10μｍ厚さのNb箔、１mm厚さのＷ
板を介在させて、100MPaの加圧下で1400℃、30
分間保持して加圧拡散接合を行つた。 本接合体の引張強度を測定したところ第１表の
結果が得られた。 この引張強度測定の際にAl2O3焼結体の中には
接合面に直角方向に亀裂が発生した。脆性材料よ
りなる層の厚みには最適値が存在する。この場
合、脆性材料よりなる層は具体的にはAl2O3焼結
体であるが、第１表から明らかなように、100μ
ｍ以下の厚みでは残留熱応力緩和の効果はなく、
また500μｍ以上でも若干強度が低下する。この
接合体では300μｍ厚さのAl2O3焼結体、を用いた
場合に最も高い接合強度が得られた。
クスと金属の接合体に関するものである。 〈従来の技術〉 窒化けい素、炭化けい素などの非酸化物セラミ
ツクスは、金属に比べて高温強度、耐摩耗性、耐
食性などの面ですぐれた特性を有しているため、
この特性を生かした用途の開発が進められてい
る。 窒化けい素セラミツクスや炭化けい素セラミツ
クスを自動車用エンジンならびにそのターボチヤ
ージヤーなどに使用しようとするのはその一例で
あるが、このようにセラミツクスを構造材料とし
て使用する際には、金属部材との接合が必要とな
る場合が多い。 〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、窒化けい素や炭化けい素などの
非酸化物セラミツクスは、金属との反応性が低
く、安定な性質を有しており、金属との接合が難
しいうえに非酸化物セラミツクスと金属の熱膨脹
係数の差に起因して接合界面に大きな熱応力が残
留し、接合体が破壊するなどの問題が起つてい
る。 例えば、窒化けい素セラミツクスと鋼の熱膨脹
係数は、それぞれ３×10-6／℃、15×10-6／℃で
あり、1300℃で接合した場合を想定すると、接合
後室温まで冷却してくる間に、窒化けい素と鋼の
接合界面の両端の窒化けい素側に約100Kg／mm2の
熱応力が発生することが計算によつて求められて
いる。 このため、従来非酸化物セラミツクス部材と金
属部材との接合については、焼きばめやネジ止め
などによる機械的な接合が行なわれてきた。 ところが、これらの接合方法は複雑な形状の機
械部品の接合には不向きであり、熱サイクルに対
しての信頼性に欠けるという問題が指摘されてい
る。 〈問題点を解決するための手段〉 この発明は、上記した従来の非酸化物セラミツ
クスと金属の接合法における問題点を解消すべく
検討の結果、見出されたものである。 即ち、この発明は大量の非酸化物セラミツクス
部材と金属部材を接合するのに適した接合体の構
造を提供するものであり、詳しく述べると、非酸
化物セラミツクス部材と金属部材との接合に際し
て、両部材間に低弾性率金属および／または展延
性を有する金属よりなる層、脆性材料よりなる
層、低熱膨脹率物質よりなる層を非酸化物セラミ
ツクス部材側より順に設けた非酸化物セラミツク
スと金属の接合体である。 〈作 用〉 この発明は非酸化物セラミツクス部材と金属部
材との接合面に、非酸化物セラミツクス側から順
に低弾性率金属および／または展延性を有する金
属よりなる層、脆性材料よりなる層、低熱膨脹率
物質よりなる層を介在させたことが特徴である。 この構造は図面に示す通りであり、１が非酸化
物セラミツクス部材、５が金属部材であつて、こ
の両者の間に低弾性率金属および／または展延性
を有する金属よりなる層２、脆性材料よりなる層
３、低熱膨脹率物質よりなる層４が介在してい
る。そして６は脆性材料よりなる層３に発生する
亀裂である。この亀裂は接合面に対して直角方向
に発生させるのが望ましい。 上述した構造のこの発明の接合体において、脆
性材料よりなる層３の役割は、非酸化物セラミツ
クス部材と金属部材の熱膨脹率の差に起因して接
合時の冷却途中で接合界面に発生する熱応力を緩
和せしめることである。熱応力の緩和の機構とし
ては、接合冷却時に発生する熱応力によつて脆性
材料よりなる層の中に亀裂が発生し、残留応力を
解放していることが考えられる。 この時発生した亀裂は、低弾性率金属および／
または展延性を有する金属よりなる層によつて止
められ、非酸化物セラミツクス部材には到達しな
い。また低熱膨脹率物質よりなる層も亀裂の進展
を食い止める働きがあるため、亀裂は脆材料より
なる層の中に限定して発生するのである。 低熱膨脹率物質よりなる層４の本来の役割は、
非酸化物セラミツクス部材に近い熱膨脹率を有す
ることによつて、接合時の冷却過程でセラミツク
ス側の接合界面に発生する熱応力を低減すること
である。このような役割の低熱膨脹率物質よりな
る層をセラミツクス部材と金属部材の間に介在さ
せることにより、接合時の冷却過程で発生する熱
応力を接合界面のセラミツクス側と金属側に分散
させることができるのである。 しかして、セラミツクス部材と低熱膨脹率物質
とは熱膨脹率の差が小さいため、セラミツクス部
材と低熱膨脹率物質との間で発生する熱応力は減
少する。 一方、低熱膨脹率物質と金属部材の間には熱膨
脹率の差に起因した熱応力が発生するが、金属部
材の塑性変形により、発生した熱応力が緩和され
るため、低熱膨脹率物質と金属部材の間で破壊が
生じることはない。 この発明で使用する低弾性率金属および／また
は展延性を有する金属としては、Ag、Al、Au、
Cu、Fe、Hf、Mg、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、
Sn、Ta、Ti、Ｖ、Zn、Zrの群より選ばれた単体
金属またはこれら金属の２種以上の合金からなる
単層または多層構造のものがある。 これらの金属は一般に軟金属と呼ばれており、
接合時の冷却過程で発生する熱応力を塑性変形に
よつて緩和する働きがある。 また隣接する脆性材料よりなる層中に発生した
亀裂が非酸化物セラミツクス部材へ伝播するのを
防ぐ役割も果すのである。 脆性材料よりなる層としては、セラミツクスお
よび／または金属間化合物を用いる。 この脆性材料よりなる層は接合を行なう際に積
極的にセラミツクスおよび／または金属間化合物
を介在させる場合と、接合過程で拡散などの反応
によつてセラミツクスおよび／または金属間化合
物が自然発生的に生成する場合とがある。 何れの場合にもその働きは同一である。 低熱膨脹率物質としては、室温での熱膨脹率が
６×10-6／℃以下の金属単体および／またはそれ
らの合金、サーメツトが使用される。具体的には
Ｗ、Moなどの金属単体、コバール、インバーな
どの合金、超硬合金、サーメツトなどのセラミツ
クス―金属複合材料がある。 上記した３種類の層を非酸化物セラミツクス部
材と金属部材の間に介在させることにより引張強
度で10MPaをこえる接合体を得ることができる
のである。 〈実施例〉 以下、実施例によりこの発明を詳細に説明す
る。 実施例 １ 直径７mm、高さ10mmのSi3N4焼結体と直径７
mm、高さ10mmの炭素鋼との間にSi3N4側から順に
10μｍ高さのNb箔、下記第１表に示す厚さの
Al2O3焼結体、10μｍ厚さのNb箔、１mm厚さのＷ
板を介在させて、100MPaの加圧下で1400℃、30
分間保持して加圧拡散接合を行つた。 本接合体の引張強度を測定したところ第１表の
結果が得られた。 この引張強度測定の際にAl2O3焼結体の中には
接合面に直角方向に亀裂が発生した。脆性材料よ
りなる層の厚みには最適値が存在する。この場
合、脆性材料よりなる層は具体的にはAl2O3焼結
体であるが、第１表から明らかなように、100μ
ｍ以下の厚みでは残留熱応力緩和の効果はなく、
また500μｍ以上でも若干強度が低下する。この
接合体では300μｍ厚さのAl2O3焼結体、を用いた
場合に最も高い接合強度が得られた。
【表】
実施例 ２
実施例１で用いたと同寸法のSi3N4焼結体と炭
素鋼の間にSi3N4側から順に500μｍ厚さのNb箔、
300μｍ厚さのAl2O3焼結体、10μｍ厚さのNb箔、
５mm厚さのMo板を介在させて、100MPaの加圧
下で1400℃に30分間保持して加圧拡散接合を行つ
た。この時の接合強度は引張りで23.7MPaであつ
た。この接合強度測定の際にAl2O3焼結体の中に
は接合面に直角方向に亀裂が発生した。 実施例 ３ 直径７mm、高さ10mmのSiC焼結体と直径７mm、
高さ10mmの炭素鋼との間にSiC側から順に500μｍ
厚さのFe箔、500μｍ厚さのNb箔、１mm厚さのＷ
板を介在させ、80MPaの加圧下で1200℃に１時
間保持して加圧拡散接合を行つた。この時の接合
強度は引張りで40MPaであつた。この接合の際
にFe層とNb層の接合界面に400μｍ厚さで反応層
が生成していた。そしてこの反応層はFe―Nbの
金属間化合物と考えられる。また、接合強度測定
の際反応層中には接合面に直角方向に亀裂が発生
していた。
素鋼の間にSi3N4側から順に500μｍ厚さのNb箔、
300μｍ厚さのAl2O3焼結体、10μｍ厚さのNb箔、
５mm厚さのMo板を介在させて、100MPaの加圧
下で1400℃に30分間保持して加圧拡散接合を行つ
た。この時の接合強度は引張りで23.7MPaであつ
た。この接合強度測定の際にAl2O3焼結体の中に
は接合面に直角方向に亀裂が発生した。 実施例 ３ 直径７mm、高さ10mmのSiC焼結体と直径７mm、
高さ10mmの炭素鋼との間にSiC側から順に500μｍ
厚さのFe箔、500μｍ厚さのNb箔、１mm厚さのＷ
板を介在させ、80MPaの加圧下で1200℃に１時
間保持して加圧拡散接合を行つた。この時の接合
強度は引張りで40MPaであつた。この接合の際
にFe層とNb層の接合界面に400μｍ厚さで反応層
が生成していた。そしてこの反応層はFe―Nbの
金属間化合物と考えられる。また、接合強度測定
の際反応層中には接合面に直角方向に亀裂が発生
していた。
図面はこの発明になる非酸化物セラミツクスと
金属の接合体の構造を示す説明図である。 １…非酸化物セラミツクス部材、２…低弾性率
金属および／または展延性を有する金属よりなる
層、３…脆性材料よりなる層、４…低熱膨脹率物
質よりなる層、５…金属部材、６…亀裂。
金属の接合体の構造を示す説明図である。 １…非酸化物セラミツクス部材、２…低弾性率
金属および／または展延性を有する金属よりなる
層、３…脆性材料よりなる層、４…低熱膨脹率物
質よりなる層、５…金属部材、６…亀裂。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 非酸化物セラミツクス部材と金属部材との接
合に際して、両部材間に低弾性率金属および／ま
たは展延性を有する金属よりなる層、脆性材料よ
りなる層、低熱膨脹率物質よりなる層を非酸化物
セラミツクス部材側より順に介在せしめて接合し
たことを特徴とする非酸化物セラミツクスと金属
の接合体。 ２ 低弾性率金属および／または展延性を有する
金属がAg、Al、Au、Cu、Fe、Hf、Mg、Nb、
Ni、Pb、Pt、Sn、Ta、Ti、Ｖ、Zn、Zrの群か
ら選ばれる単体金属またはこれらの金属の２種以
上の合金からなる単層または多層構造であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の非酸化
物セラミツクスと金属の接合体。 ３ 脆性材料がセラミツクスまたは金属間化合物
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の非酸化物セラミツクスと金属の接合体。 ４ 低熱膨脹率物質が室温で６×10-6／℃以下の
熱膨脹率を有する金属単体または合金および／ま
たはサーメツトであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の非酸化物セラミツクスと金属
の接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17393085A JPH0234908B2 (ja) | 1985-08-06 | 1985-08-06 | Hisankabutsuseramitsukusutokinzokunosetsugotai |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17393085A JPH0234908B2 (ja) | 1985-08-06 | 1985-08-06 | Hisankabutsuseramitsukusutokinzokunosetsugotai |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6236079A JPS6236079A (ja) | 1987-02-17 |
| JPH0234908B2 true JPH0234908B2 (ja) | 1990-08-07 |
Family
ID=15969704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17393085A Expired - Lifetime JPH0234908B2 (ja) | 1985-08-06 | 1985-08-06 | Hisankabutsuseramitsukusutokinzokunosetsugotai |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0234908B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1985
- 1985-08-06 JP JP17393085A patent/JPH0234908B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6236079A (ja) | 1987-02-17 |
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