JPH0251477A - 金属・セラミックス接合法 - 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〕 本発明は金属・セラミックス接合法に係り、特に、金属
とセラミックスとをろう付、拡散接合、活性金属等によ
り接合し、セラミックスの耐熱性、絶縁性、耐摩耗性等
と、金属の靭性、電気伝導性、熱伝導性等の特性を併せ
有し、高温エンジン、海洋開発等の分野に使用するのに
好適な接合体を得るための金属・セラミックス接合法に
関するものである。

〔従来の技術〕

金属とセラミックスとの接合体は、金属の有する特性と
セラミックスの有する特性とを併せ有しており、種々の
分野への通用がなされ、また研究が進められている。

金属とセラミックスとの高強度接合体を得るには、第１
には両者の接合面での反応層が界面で結晶接合性、機械
的性質に優れていること、第２には両者の接合操作時、
接合に要する温度に加熱された後に冷却する際、界面に
歪みが発生するため、その応力を緩和させることが重要
な要素である。

従来、上記した第２の要素を達成する方法、すなわち、
応力を緩和させる方法として、（１）　　金属とセラミ
ックスとの間に両者のそれぞれの熱膨張係数の中間の熱
膨張係数を有する材料（例えば、Ｔｉ合金、Ｉｎｖａｒ
等）を介在させて両者を接合する方法、 （２）　　金属とセラミックスとの間に両者の接合操作
時、塑性変形する材料（例えば、Ｃｕ、Ａｊ！、Ｎｉ、
Ｔｉ等）を介在させて両者を接合する方法、等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記した従来の方法では、いずれも金属
とセラミックスとの間に第３の金属を挿入するという工
程を要すると共に第３の金属材料とろう材、活性金属等
の結合材等の反応層を制御しなければならない困難を有
するという問題点がある。

本発明は、上記した従来の接合法の課題を解決し、金属
とセラミックスとの間に応力を緩和するための第３の金
属を挿入するという煩雑な工程を要することなく、金属
とセラミックスとを接合する際に両者の間に生じる応力
を著しく緩和でき、これによって、強度等の特性に優れ
た金属・セラミックス接合体を得ることができる金属・
セラミックス接合法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために本発明は、金属とセラミッ
クスとをろう付、拡散接合、活性金属等による接合を行
う金属・セラミックス接合法において、前記接合の方法
によって定まる温度まで前記金属を昇温させると共に前
記セラミックスに対しては金属の昇温温度よりも高くし
て金属とセラミックスを接合した後、セラミックスの温
度を金属の温度よりも高い状態に維持しながら冷却する
手段を採用したものである。

〔作用〕

本発明は前記の手段を採用したことにより、金属とセラ
ミックスの接合時、金属を昇温させる際にセラミックス
は金属の昇温温度よりも高くされる。この結果、セラミ
ックスの熱膨張量は、セラミックスの温崩を金属の昇温
温度と同一としたときよりも大きくなり、金属とセラミ
ックスとの間に生じる熱膨張量の差は小さくなる。

また、冷却操作時、セラミックスの温度は金属の温度よ
りも高い状態に維持しながら、冷却されるから、セラミ
ックスの熱膨張量は、セラミックスの温度を金属の冷却
温度と同一としたときよりも大きくなり、金属とセラミ
ックスとの間に生じる熱膨張量の差は小さくなる。

したがって、昇温操作時および冷却操作時における金属
とセラミックスとの間の熱膨張量の差がいずれも小さく
なり、応力の発生が大幅に低減される。

〔実施例〕

以下、凹面に示す本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の金属・セラミックス接合法を示す説明
図である。

第１図において、セラミックスｌと金属３との間にはろ
う材２が挿入されて介在しており、セラミックスｌと金
属２の接合部付近にはその接合面に平行して断熱材４が
配置され、この断熱材４を境にしてセラミックスｌの外
周囲には加熱ヒータ５が設置されている。

この装置において、セラミックス１としてＡ　ｊ！　ｚ
　Ｏｘ　　Ｃ熱膨張係数α：　８　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’／’
ｃ）金属３として５ＵＳ３０４　（熱膨張係数α：１７
ｘ　１０−’／℃）を使用し、それぞれ長さ１００ｍｍ
の直方体を用いた。

セラミックスｌと金属３との両者の接合面にろう材（Ａ
ｕＣｕ）２を介在させ、ろう材２が反応する温度（１０
００℃）まで加熱した。

このとき、金属３　（ＳＵＳ３０４＞は第２図のＡ点ま
で膨張する。

一方、セラミックス１は、セラミックスｌと金属３との
両者を同時に加熱する手段（図示せず）の他に加熱ヒー
タ５を介して加熱され、金属３よりも高い温度、例えば
、１５００℃まで昇温する。

このとき、セラミックスｌは第２図の０点まで膨張する
。

したがって、セラミックスｌと金属３との熱膨張量の差
は、第２図から明らかなように０．５ｍｍと小さく、両
者の界面での歪みが減少でき、その応力を緩和すること
ができる。

なお、従来は、セラミックス１と金属３とを共にろう材
２が反応する温度、例えば、ｉｏｏ。

℃に昇温している。

したがって、第２図から明らかなようにセラミックス１
はＤ点までし力〕膨張しないのに対し、金属３はＡ点ま
で膨張し、その熱膨張量の差は０．９ｍｍとなり、冷却
時の残留応力の要因となる。

本実施例において、冷却工程時、セラミックスｌの温度
が金属３の温度よりも常時、高い状態に維持しながら冷
却する。

例えば、セラミックス１を７００℃とすると、第２図か
ら明らかなようにＣ点からＥ点まで膨張量が減少する。

一方、このとき金属３を５ｏｏ℃とし、セラミックスｌ
との温度差を２００Ｙ：とする。

前記金属３は、第２図から明らかなようにＡ点からＢ点
まで膨張量が減少する。

したがって、セラミックスｌと金属３との熱膨張量の差
が小さくなる。

このような冷却工程では、セラミックス１と金属３とは
、除々に冷却されるものであるが、金属３が常温に至る
まではセラミックス１は、金属３の温度よりも高い状態
となるように加熱制御される。

そして、前記セラミックスｌと金属３との間に所望の温
度差に維持するため、両者の温度を熱電対（図示せず）
等で計測し、加熱ヒータ５によるセラミックスｌ側の温
度を制御することによって達成される。

この際、断熱材４によって加熱ヒータ５がらの放射伝熱
による金属３の昇温が防止されることとなる。

上記した方法によって得られる金属・セラミックス接合
体は、加熱工程・冷却工程時に両者の熱膨張量の差が小
さくなり、界面での歪み等が減少し、強度等に優れ、従
来の方法による接合体に比較して室温強度が３　ｋ　ｇ
　／　ｍ　ｍ　’向上した接合体を得ることができた。

上記した実施例は、本発明の一例を示すものであり、金
属およびセラミックスの種類、その接合法により任意に
変更される。

接合操作時、金属を昇温させる場合、ろう付、拡散接合
法、活性金属による接合法によりそれぞれに特有の温度
が要求されるので、接合法によりそれぞれに特有の温度
まで金属が昇温される。

そして、そのとき、セラミックスは上記のそれぞれの特
有の温度よりも高い温度にまで昇温される。

また、同様に冷却工程においても、それぞれの接合法に
よる特有の温度から冷却する際、セラミックスの温度を
金属の温度よりも高い温度に維持しながら冷却される。

〔発明の効果〕

本発明は前記のように構成したことにより、金属とセラ
ミックスとの加熱による接合操作時および冷却操作時の
いずれも場合にもセラミックスの温度は金属の温度より
も高い状態に維持されるため、金属とセラミックスとの
熱膨張量の差が小さくなり、両者の界面での歪みが減少
し、応力を緩和でき、このため、強度等にすぐれた金属
・セラミックス接合体を得ることができるなどのすぐれ
た効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の上記・セラミックス接合法を示す説明
図、第２図は上記（ＳＵＳ３０４）とセラミックス（Ａ
ｎｔ’ｓ）の温度と膨張量との関係を示すグラフである
。 １・・・・・・セラミックス ２・・・・・・ろう材 ３・・・・・・金属 ４・・・・・・断熱材 ５・・・・・・加熱ヒータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属とセラミックスとをろう付、拡散接合、活性
   金属等による接合を行う金属・セラミックス接合法にお
   いて、前記接合の方法によって定まる温度まで前記金属
   を昇温させると共に前記セラミックスに対しては金属の
   昇温温度よりも高くして金属とセラミックスを接合した
   後、セラミックスの温度を金属の温度よりも高い状態に
   維持しながら冷却することを特徴とする金属・セラミッ
   クス接合法。