JPH0280381A

JPH0280381A - 酸化ジルコニウム系セラミックと金属の接合方法

Info

Publication number: JPH0280381A
Application number: JP23012388A
Authority: JP
Inventors: Toshio Narita; 敏夫成田; Toshihiko Kashiwai; 柏井　俊彦; Masaharu Nakamori; 正治中森; Shozo Hirai; 章三平井; Kenji Muta; 牟田　健次; Hiroyuki Sato; 裕之佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1990-03-20
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0776140B2

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】Ｈ・業１−の利用分野］本発明は、酸化ジルコニウム系セラミックと金属の接合
方法に関し、例えば水蒸気電気分解プラントに使用され
る水蒸気電解セル、あるいは高温センサー、同体電解質
型燃料電池等を製作する際等に適用されるＬ記の接合方
法に関するものである。

［従来の技術１従来、セラミックと金属の接合方法としては、はめ合い
ゃ焼きばめ等の機械的方法、イ丁槻・無機１着材を用い
る方法、メタライズ法（セラミックの表面にロウ材との
濡れ性の良い金属の薄い層を設けた後、ロウ付けする方
法）、活性金属法（ロウ材に予め活性金属を加えておく
方法）、フリット法（１）ｂＯを多［ｔに含むガラスを
ロウ材として用いる方法）、固相接合法（Ｂｒ材同士を
同相のままで高温で圧接する方法）等種々のものが知ら
れている（″機械の研究″Ｖｏ１．３９．　Ｎｏ、　３
９．　Ｐ２９〜３４の井関孝と著［セラミックの接合技
術１参照）。

［発明が解決しようとする課題１ところで、酸化ジルコニウム系セラミックを金属部品に
取り付けて、水蒸気電解セル、高温型センサー、固体電
解質型燃料電池等として使用する場合、金属部品との接
合部は気密性や耐熱性とともに信頼性のある製品とする
ためには大きい接合強度を必要とする。

しかし、従来の接合方法では第１表に示すように、それ
ぞれ一長一短があり、気密性、耐熱性、接合強度の全て
を満たすものはない。

第１表　酸化ジルコニウム系セラミックと金属の接合法
とその特徴なお、第１表において、機械的接合、接着材
接合、ロウ付の相手材は低合金鋼、ステンレス鋼、Ｎｉ
又はＮｉ基合金等、固相接合の相手材は、ｉ′ｚ金属金
属線＾ｕ、　Ｉ’Ｌ、ソフトメタル法では＾１１Ｃｕ、
　Ｎ＋、超硬サンド法ではＡＩ／　Ｋｏｖａｒ／　ｆで
ある。

また、第１表のロウ付の場合、酸化ジルコニラノー系セ
ラミックは濡れ性が悪いため、特別の注意が必要である
。

以１−の点より、本発明は、気密性、耐熱性、接合強度
の全てを満たす酸化ジルコニウム系セラミックと金属の
接合方法を提案することを目的としてなされたものであ
る。

［課題を解決するための手段１本発明は、」−記［１的を解決するために、酸化ジルコ
ニウム系セラミックと金属を接合するに際し、（１）酸
化ジルコニウム系セラミック側より厚さ１〜５ＨノＴｉ
、厚さ５０〜１５０ｕｓの銀ロウ、厚さ０．５〜２．０
１のニッケル又はニッケル基合金、厚さ２０〜３０μｍ
の銀ロウを積層し、この−トにｌ−記の金属としてコバ
ール合金又はタングステンを積層して、真空炉又は不活
性ガス雰囲気中で８５０〜９００℃に加熱することを特
徴とするものである。また、（２）上記の厚さ５０〜１
５０μ階の銀ロウと厚さ２０〜３０μｍの銀ロウに代え
て厚さ５０〜１５０μ面のＮｉロウと厚さ２０〜３０μ
ｍのＮｉロウをそれぞれ使用し、真空炉又は不活性ガス
雰囲気中で９５０〜１１５０℃に加熱してもよい。更に
、（３）酸化ジルコニウム系セラミック側より厚さ１〜Ｉ
″、にに記の金属であるクロムを積層して、真空炉又は
不ｔ、−性ガス雰囲気中で８５０〜９００’Ｃに加熱す
ることを特徴とするものでもよい。

１作用本発明において、銀ロウとＮｉロウは、それぞれｇｏｏ
℃以４−１９００℃以しに耐え、接合体へ耐熱性を付す
する作用をなす。

また、銀ロウ、Ｎｉロウ、Ｔｉ、腎ｉ、　Ｎｉ基合金は
、強度が高く、接合体へ接合強度を付与する作用をなす
。

この場合、第５図に示すように、Ｔｉインサート材では
１〜５μ私ロウ材（銀ロウ、Ｎｉロウ共）では５０〜１
５０μｍ、Ｎｉ又はＸｉ基合金インサート材テハ０．５
〜２．０１の厚さの範囲において、酸化シルコニウド系
セラミック自体の曲げ強度の２／３の強度を得ることが
でき、この範囲を外れると著しく接合強度が低ドする。

なお、第５図はＪＩ３の４点曲げ破断法により得られた
破断強度を示すもので、横軸は酸化ジルコ％として表示
し、約１００％を合格としたものである。

そして、銀ロウ、Ｎｉロウはいずれも、接合対象のコバ
ール合金、クロム合金、タングステン、クロムと、また
インサート材のＴｉやＮｉ、　Ｎｉ基合金と繻れ性が良
（、これらを高気密性（リークゼロ）で接合する。

ただし、銀ロウ、Ｎｉロウはいずれも、酸化ジルコニウ
ム系セラミックとの成れ性は余り良（すいが、上記の接
合強度を付与する作用をなすＴｉインサート材が酸化ジ
ルコニウム系セラミックと反応し、セラミック表面にＴ
ｉに富む層を形成する。このＴｉに富む層が上記ロウ材
となじみ易いため、本発明ではＴｉインサート材を酸化
ジルコニウム系セラミックに接して積層するのである。

また、インサート材のＮｉ＋　Ｎｉ基合金は、ロウ付（
加熱）後の冷却時にセラミックに発生する応力を緩和さ
せる作用をなす。

更に、本発明において、銀ロウの代わりに旧ロウを使用
する場合は、真空炉又は不活性ガス雰囲気中での加熱は
、Ｎｉロウの融点を考慮して、９５０〜１１５０℃とす
るものである。

また、本発明において、酸化ジルコニウム系セラミック
とクロムを接合する場合、Ｔｉインサート材のみを使用
するだけで、上記のＮｉインサート材を使用しな（とも
、初期の接合強度を有する接合部を得ることができる。

［実施例］実施例１第１図に示すように、イツトリア安定化ジルコニア（Ｙ
ｙＯｓ　８ｍｏ１％、以下、ＹＳＺ）　Ｉとコノ〈−基
合金（Ｐｃ−２８Ｎｉ　１７ｃｏ−０，２Ｍｎ合金）２
を次のようにして接合した。

ＹＳＺ　Ｉの接合面より３μｍ厚さのＴｉ３ａ、　１０
０μｍ厚さの銀ロウ（ＢＡｇ−８）　４ａ、　１．０ｓ
ｓ厚さのＮ１５ａ、　３０μｍ厚さ鏝ロウ（ＢＡｇ８）
　４ｂを積層し、銀ロウ４ｂ面にコバール合金２を積層
して、真空炉中で８５０〜８６０℃に加熱し、冷却した
後、炉から取り出した。この時の加熱・冷却速度は、い
ずれも１００℃／ｈｒとした。

実施例２第２図に示すように、実施例１で使用したＹＳｚｌとタ
ングステン６を次のようにして接合した。

ＹＳＺＩ（７）接合面より１．５μｍ厚さのＴｉ３ｂＳ
１００ｕ−厚さの銀ロウ（１３八ｇ−８）　４ａ、　０
．８ｓｓ厚さのＮ１５Ｌ＋、　２０４ｍ厚さ銀ロウ（Ｈ
Ａｇ−８）　４ｃを積層し、銀ロウ４ｂ面に・タングス
テン６を積層して、真空炉中で８５０〜８６０℃に加熱
し、冷却した後、炉から取り出した。加熱・冷却速度は
実施例１と同一とした。

実施例３第３図に示すように、ＹＳＺ　１とコバー基合金２を次
のようにして接合した。

ＹＳＺ　Ｉの接合面より３μｍ厚さのＴｉ３ａ％１００
μｍ厚さのＮｉＯつ（スイス　ｐｌＢＩＢ　Ｔｅｃｈｎ
ｉｋ社製商品名＾ＭＤＲＹ＾１ｌｏｙ　７６０）　８ａ
、　０．８＠−厚さのＮ１５ｂ、　３０ｇ−厚さＮｉロ
ウ（上記８ａと同じもの）　８ｂを積層し、Ｎｉクロウ
ｂ面にコバール２を積層して、真空炉中で１１００〜１
１５０℃に加熱し、冷却した後、炉から取り出した。加
熱・冷却速度は実施例１と同一とした。

実施例４第４図に示すように、ＹＳＺ　Ｉとクロム９を次のよう
にして接合した。

ＹＳＺ　Ｉの接合面より１．５ｕｍ厚さのＴｉ３ｂＳＩ
００ｕ−厚さの銀ロウ４ａを積層し、銀ロウ４ａ而にク
ロム９を積層して、真空炉中で８５０〜８６０℃に加熱
し、冷却した後、炉から取り出した。加熱・冷却速度は
実施例１と同一とした。

なお、以上の実施例中１〜３については、真空炉に代え
てアルゴンガス等を使用する不活性ガス雰囲気炉を利用
してもよい。

実施例１．２におい°Ｃ，ＹＳＺとコバール合金又はタ
ングステンを接合した結果、その接合部の強度は従来法
（例えば、ｌｉｏ−Ｍｎメタライズ、ロウ付法）の２〜
３倍に達し、その使用許容温度も８２０°Ｃに達した。

また、実施例３でＹＳＺとコバール合金を接合した結果
、実施例４でＹＳＺとクロムを接合した結果、いずれも
接合強度は実施例１．２とほぼ同様で、その使用許容温
度を実施例３では９００℃に、実施例４では８２０℃に
することができた。

更に、実施例１〜４でＹＳＺ管とコバール管、タングス
テン管又はクロム管を接合し、ｌ（ｃリークテストを行
ったところ、いずれも接合部のリークは１０．９＾Ｌｏ
ｓ＋ｏｇｐｈｅｒｃ　ｃｃ／　ｓｅｃ　（２０℃の大気
圧下で１秒間に漏れる空気量をＣＣで表示）以下であり
、完全に気密であることが確認された。

（発明の効果１以−に詳述したように、本発明によれば、酸化ジルコニ
ウム系セラミックとコバール合金、クロム合金、タング
ステン、クロムとの接合を気密性、耐熱性、接合強度と
も良好にして行うことができる。

この結果、本発明法により作製した例えば酸化ジルコニ
ウム系セラミックを固体電解質とする水蒸気電解セルに
おいて、このセルによる電解は電解質の両面に取り付け
た１ｕ極（例えば白金ペーストコーティング）に電圧を
かけ電流を流して一極側゛にある水分を水素と酸素に分
解するものであるが、この時生じる高温に耐えることが
できると共に、このセルの強ＰＺを固体電解質自体の強
度の約２／：）倍以上とこの種接合では従来になく極め
て強固にすることができ、かつ気密性も完全であり」−
記の水素と酸素のリークを皆無とすることができる。

４、図面のＩ！？Ｉ　’１１な説明第１〜４図は本発明の実施例における接合態様を説明す
るための図、第５図は本発明で使用するロウ材及びイン
サート材の厚さと接合強度との関係を示すグラフである
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化ジルコニウム系セラミックと金属を接合する
に際し、酸化ジルコニウム系セラミック側より厚さ１〜
５μｍのＴｉ、厚さ５０〜１５０μｍの銀ロウ、厚さ０
．５〜２．０ｍｍのニッケル又はニッケル基合金、厚さ
２０〜３０μｍの銀ロウを積層し、この上に前記の金属
としてコバール合金又はタングステンを積層して、真空
炉又は不活性ガス雰囲気中で８５０〜９００℃に加熱す
ることを特徴とする酸化ジルコニウム系セラミックと金
属の接合方法。
（２）第１請求項の厚さ５０〜１５０μｍの銀ロウと厚
さ２０〜３０μｍの銀ロウに代えて厚さ５０〜１５０μ
ｍのＮｉロウと厚さ２０〜３０μｍのＮｉロウをそれぞ
れ使用し、真空炉又は不活性ガス雰囲気中で９５０〜１
１５０℃に加熱することを特徴とする酸化ジルコニウム
系セラミックと金属の接合方法。
（３）酸化ジルコニウム系セラミックと金属を接合する
に際し、酸化ジルコニウム系セラミック側より厚さ１〜
３μｍのＴｉ、厚さ５０〜１５０μｍの銀ロウを積層し
、この上に前記の金属としてクロムを積層して、真空炉
又は不活性ガス雰囲気中で８５０〜９００℃に加熱する
ことを特徴とする酸化ジルコニウム系セラミックと金属
の接合方法。