JPH0242797B2

JPH0242797B2 -

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Publication number: JPH0242797B2
Application number: JP59082712A
Authority: JP
Priority date: 1984-04-23
Filing date: 1984-04-23
Publication date: 1990-09-26
Also published as: JPS60226463A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は、非酸化物セラミツクス用接着剤及び
その接着方法に関する。本発明は、非酸化物セラ
ミツクス用の接着剤及び接着方法として有用であ
る。従来技術窒化ケイ素や炭化ケイ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、耐熱衝撃性、耐
摩耗性等に優れているので、高温用部材として脚
光を浴び、ガスタービン、自動車エンジン、熱交
換機などへの応用開発が進められている。しかし、上記各種用途に、非酸化物セラミツク
スを利用して、その機能を十分に発揮させるため
には、製造工程で、これ等非酸化物セラミツクス
相互を接着させることが必要となつてくる。特に
非酸化物セラミツクス成形体は、成形、及び加工
上の制約により、単純な形状の部材から複雑な形
状に組み立てる必要があり、非酸化物セラミツク
スの接着技術の開発が不可欠となる。しかしながら、非酸化物セラミツクスは、一般
に溶融物に対する緩和性、いわゆる濡れ性が、極
めて悪く、しかもアルミナ、マグネシアなどの酸
化物セラミツクスとは異なり、共有結合性が強
く、また各種物質に対する反応性も非常に低いた
めに、その接着は極めて困難である。従来、非酸化物セラミツクスの接着は、接着剤
を被接着体間に介在させ、あるいは何も介在させ
ずに、高温、高圧下でホツトプレスする方法がと
られていた。しかしながら、該ホツトプレス法で
は、高温高圧下で処理せねばならないので、複雑
なあるいは大型の部材の接着は至難である。ま
た、最近検討されている熱間等方加圧法いわゆる
HIP法でも同じことが言える。したがつて、大型で複雑な形状の材料を接着す
るには、圧力を要せず、加熱するだけで容易に接
着できる接着剤の開発が、望されている。これま
で非酸化物セラミツクス用接着剤としては−Ａ
族酸化物単独、アルミナ−シリカ−アルカリ土類
金属酸化物系、およびフツ化カルシウム−カオリ
ン系、あるいはこれに希土類酸化物を少量添加し
たものが使用されている。しかながら、これら
は、いずれも酸化物系ガラスによる接着剤であ
り、非酸化物セラミツクスとの熱膨脹係数の違い
などにより、一般に接着強度が低く、非酸化物セ
ラミツクス成形体の特性を十分に生かしきれてい
ない。発明の目的及び構成本発明者は、このような現状に鑑みて、従来技
術の欠点を改善し、非酸化物セラミツクス成形体
を機械部材として用いる際に、必要な強度を持ち
得る非酸化物セラミツクスの接着技術の開発を目
的として研究を行い、非酸化物セラミツクスに好
適な接着剤及び接着方法を完成するに至つた。すなわち、本発明は、下記の非酸化物セラミツ
クス用接着剤および非酸化物セラミツクスの接着
方法を提供するものである：窒化ケイ素40〜55モル％、酸化イツトリウム
15〜30モル％および残部が他の希土類酸化物の
少なくとも一種からなる混合物100重量部と酸
化マグネシウム10〜80重量部とを有効成分とす
る非酸化物セラミツクス用接着剤。窒化ケイ素40〜55モル％、酸化イツトリウム
15〜30モル％および残部が他の希土類酸化物の
少なくとも一種からなる混合物100重量部と酸
化マグネシウム10〜80重量部とを有効成分とす
る接着剤を非酸化物セラミツクス間に介在さ
せ、非酸化性雰囲気中1400〜1700℃の温度で加
熱することを特徴とする非酸化物セラミツクス
の接着方法。本発明の接着剤は、これを単に非酸化物セラミ
ツクス相互間に介在させ、非酸化性雰囲気下、
1400〜1700℃の温度で加熱するのみで、何ら加圧
することなく、容易に非酸化物セラミツクスを接
着することができる。その接着強度は、従来の方
法に比べて非常に高く、現在市販されている非酸
化物セラミツクス常圧焼結品の強度（例えば、窒
化ケイ素で約53Kg／mm²、炭化ケイ素で約50Kg／
mm²）に近く、しかも、その強度を900℃まで維持
できる。さらに本発明接着方法は、従来の方法で
は接着困難な、大型複雑異形の非酸化物セラミツ
クス部材の接着にも、容易に適用でき、これら部
材をも強度に接着させることができる。加えて本
発明接着剤は、その接着後形成される接着層が、
化学的に安定で、900℃までは十分な耐熱性を有
する。本発明接着剤の適用される非酸化物セラミツク
スは、例えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイア
ロン、窒化アルミニウムなどであり、ホツトプレ
ス品、常圧焼結品、あるいは反応焼結品のいずれ
でもよく、特にその形状や大きさに限定はなく、
しかも接着すべき部材は同一形状でも、異形状で
もよい。本発明接着剤において有効成分である窒化ケイ
素としては、市販のものをいずれも使用でき、特
にその製法、粒度、純度などは限定されない。ま
た、粉末状態のものだけでなく、ウイスカー状態
のものも用いることができる。接着強度を高める
ためには、純度の高にものの方が望ましい。また、本発明接着剤において、有効成分である
酸化マグネシウムとしては、通常市販されている
ものをいずれも使用できその純度及び粒度は特に
限定されないが、接着強度を高めるためには、で
きるだけ高純度で粒度の小さいものが望ましい。また、本発明接着剤のもう一つの有効成分であ
る希土類酸化物としては、酸化イツトリウムとそ
の他の希土類酸化物の少なくとも１種の２種以上
の希土類酸化物を用いることが必要である。この
場合、希土類酸化物を１種だけ用いると、非酸化
物セラミツクスに対する充分な濡れ性が得られな
いために、満足のいく接着強度を得ることができ
ない。希土類酸化物の組み合せとしては、特に限
定されないが、希土類酸化物の１種を酸化イツト
リウム（Y₂O₃）とし、これにLa₂O₃、Pr₇O₁₁、
CeO₂、Dy₂O₃などから選ばれた少なくとも１種
の希土類酸化物を組み合せたものが好ましく、な
かでもY₂O₃とLa₂O₃の組み合せが最適である。
使用する希土類酸化物の純度及び粒度は特に限定
されないが、接着強度を高めるには、できるだけ
高純度で、粒度の小さいものが望ましい。本発明においては、接着剤の有効成分中の窒化
ケイ素と希土類酸化物との割合を窒化ケイ素40〜
55モル％、酸化イツトリウム15〜30モル％および
残部を他の希土類酸化物の少なくとも１種とする
ことにより、非常に強い接着強度が得られる。また、酸化マグネシウムの添加量は、上記の窒
化ケイ素と希土類酸化物の混合物に対して外掛け
で10〜80wt％添加するのが最適である。10wt％
以下及び80wt％以上では該接着剤の非酸化物セ
ラミツクスに対する濡れがみられず、十分な接着
作用は得られない。本発明に於いて有効な組成範囲を上記範囲とし
た理由は、この範囲では該接着剤が溶融して、良
好な濡れが得られると同時に、窒化ケイ素を適量
含むので、該接着剤の熱膨脹係数が被接着体の非
酸化物セラミツクス成形体の熱膨脹係数に近くな
り、接着後の接着剤層内の残留ひずみがほとんど
ないためである。本発明接着剤は、上記窒化ケイ素、酸化マグネ
シウム及び２種以上の希土類酸化物を単に粉体混
合した混合粉末状態で使用でき、あるいはこれら
をペレツト状にした状態でも使用できる。またこ
れらに適量のバインダー（バルサム、スクリーン
オイルなどの有機粘結剤または、これと有機溶
剤）を配合してペースト状にした状態で用いるこ
ともできる。かくして得られた本発明接着剤の非酸化物セラ
ミツクス成形体間への介在方法としては、接着剤
の形態に応じて、例えば、粉末形態のものでは、
被接着面に散布すればよく、ペレツト状のもので
は、被接着面間にはさみ込めばよく、またペース
ト状のものでは、通常の接着剤と同様に塗布すれ
ばよい。その使用量は、用いる接着剤の組成、該
接着剤適用後の加熱条件、被接着体とするセラミ
ツクスの形状、特に厚さに応じて適宜決定でき、
特に限定されないが、通常本発明接着剤有効成分
重量換算で被接着面積１cm²当り0.01〜１ｇ、好ま
しくは0.05〜0.3ｇ程度である。本発明接着方法において、該接着剤を非酸化物
セラミツクス成形体間に介在させて熱処理する温
度としては、1400〜1700℃の範囲が必要である。
これは、1400℃以下では、該接着剤が溶融しない
ため接着作用が発揮されず、また1700℃以上では
被接着体である非酸化物セラミツクス成形体の変
形、変質が問題となり、また該接着剤の有効成分
の蒸発も進み、更に、熱効率の面からも好ましく
ないなどの理由による。また、熱処理雰囲気としては、真空中、不活性
ガス、窒化ガスなどの非酸化性雰囲気が使用さ
れ、なかでも真空中あるいは、窒素雰囲気下で熱
処理することが望ましい。本発明接着剤を用いることにより、卓越した接
着効果が発揮される理由は、現在なお明確ではな
いが、以下の如く推定される。即ち、本発明接着剤はおよそ1400〜1700℃の融
点を有し、該接着剤を介在させた非酸化物セラミ
ツクス成形体を1400℃以上に熱処理すると、該接
着剤は溶融し、非酸化物セラミツクス成形体表面
を充分に濡らすことができ、また非酸化物セラミ
ツクス成形体と何らかの反応が起こり、非酸化物
セラミツクス成形体相互を強固に接着すると考え
られる。この場合接着剤の有効成分が酸化マグネ
シウムと２種以上の希土類酸化物の組み合せだけ
の場合は、同様な機構により、接着が可能である
が充分な強度は得られない。このことより、接着
剤有効成分として窒化ケイ素を含むことにより、
接着剤の熱膨脹係数が非酸化物セラミツクス成形
体の熱膨脹係数に近くなるため、接着後の接着層
内の残留ひずみが小さく、その結果高い接着強度
を得られると考えられる。発明の効果本発明の接着剤及び接着方法によれば、従来方
法では接着困難であつた大型、複雑、異形の非酸
化物セラミツクス部材相互を容易に、しかも強力
に接着できる。加えて本発明接着剤は、接着後形
成される接着層が化学的に安定であり、900℃ま
では十分な耐熱性を有する。したがつて本発明に
より、非酸化物セラミツクスはその機能を充分に
発揮できるものであり、その応用、開発はさらに
発展するものである。実施例以下、本発明を実施例にもとづき、更に詳細に
説明する。実施例１窒化ケイ素45mol％、酸化イツトリウム
27.5mol％、及び酸化ランタン27.5mol％の混合
粉末に外掛けで酸化マグネシウムを40wt％添加
したものを、ペレツト状にし、これを15mm×10mm
×10mmの窒化ケイ素成形体間に、はさみ込み、窒
素中、1600℃で１時間加熱処理した。この際上記
接着剤量は接着面積１cm²当り0.1ｇとした。この
接着体試料から３mm×３mm×30mmの角棒を切り出
し、スパン20mm、荷重速度0.5mm／minの条件下
で三点曲げ試験を、室温、800℃、及び900℃の温
度条件下で行い、４本の平均値でその接着強度を
求めたところ、室温で53Kg／mm²、800℃で52Kg／
mm²、900℃で35Kg／mm²であつた。また、空気中で
800℃15時間保持した後も同程度の強度が得られ
た。更に、上記接着体試料を30％水酸化ナトリウム
水溶液及び30％硫酸中に50℃、100時間浸漬して
耐食性を調べた結果、接着部には何の異常も認め
られなかつた。実施例２、３及び比較例１、２窒化ケイ素、酸化イツトリウム及び酸化ランタ
ン混合粉末の配合比以外は実施例１と同様にして
窒化ケイ素成形体相互間の接着強度を調べた結果
を第１表に示す。酸化マグネシウムは外掛けで
40wt％添加した。接着条件及び接着強度測定法
は実施例１と同様にして行つた。

【表】実施例４、５及び比較例３、４実施例１と同じ窒化ケイ素、酸化イツトリウム
及び酸化ランタンの配合比の混合粉末に酸化マグ
ネシウムを外掛けで５、15、75及び85wt％添加
して窒化ケイ素成形体相互間の接着強度を調べた
結果を第２表に示す。接着条件及び接着強度測定
法は実施例１と同様にして行なつた。

【表】実施例６窒化ケイ素45mol％、酸化イツトリウム16mol
％、及び酸化ランタン39mol％の混合粉末に酸化
マグネシウムを外掛けで30wt％添加したものを、
15mm×10mm×10mmの窒化ケイ素成形体間に１cm²当
り0.15ｇとなる量で散布介在させ、これを真空
中、1500℃で１時間加熱して、接着体を得た。得
られた接着体試料の接着強度を、実施例１と同様
にして測定した結果、室温で40Kg／mm²、800℃で
37Kg／mm²、900℃で35Kg／mm²であつた。実施例７窒化ケイ素55mol％、酸化イツトリウム
22.5mol％及び酸化プラセオジウム22.5mol％に
酸化マグネシウムを外掛けで50wt％添加したも
のを適量のバルサムと混合してペースト状にし、
これを15mm×10mm×10mmサイアロン成形体表面に
１cm²当り接着剤有効成分として0.07ｇの量で塗布
して、該成形体相互間の接着を実施例１と同様の
条件で行つた。その結果、30Kg／mm²の接着強度が
得られた。実施例８実施例１の接着剤を適量のスクリーンオイルと
混合してペースト状にし、15mm×10mm×10mmの窒
化アルミニウム成形体表面に１cm²当り接着剤有効
成分として0.1ｇ塗布して、実施例１と同様な条
件で該成形体相互間の接着を行つた結果、接着強
度として33Kg／mm²が得られた。実施例９窒化ケイ素55mol％、酸化イツトリウム
22.5mol％及び酸化ランタン22.5mol％の混合粉
末に、外掛けで酸化マグネシウムを40wt％添加
したものを15mm×10mm×10mmの炭化ケイ素成形体
間に１cm²当り接着剤有効成分として0.15ｇ散布介
在させ、これを真空中、1650℃で30分間加熱して
接着を行つた。その結果、室温から900℃まで25
Kg／mm²の接着強度が得られた。

Claims

【特許請求の範囲】１窒化ケイ素40〜55モル％、酸化イツトリウム
15〜30モル％および残部が他の希土類酸化物の少
なくとも一種からなる混合物100重量部と酸化マ
グネシウム10〜80重量部とを有効成分とする非酸
化物セラミツクス用接着剤。２窒化ケイ素40〜55モル％、酸化イツトリウム
15〜30モル％および残部が他の希土類酸化物の少
なくとも一種からなる混合物100重量部と酸化マ
グネシウム10〜80重量部とを有効成分とする接着
剤を非酸化物セラミツクス間に介在させ、非酸化
性雰囲気中1400〜1700℃の温度で加熱することを
特徴とする非酸化物セラミツクスの接着方法。