JPH0329028B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、窒化ケイ素セラミツクスと金属の接
合方法に関し、より詳しくは、ろう材選択の自由
度が高い、窒化ケイ素セラミツクスと金属の接合
方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 最近、セラミツクス材料がその優れた諸特性か
ら構造材料、機能材料等の広い分野で利用されて
いる。その多くの場合は、セラミツクス単体で部
品を構成しているが、より多くの分野でセラミツ
クスを利用するためには、金属と接合、複合材化
が可能であることが必要である。この場合、接合
体を構造部品として利用するには十分な接合強度
が要求され、一方、機能部品として利用するには
接合界面での連続性等が要求される。

しかしながら、セラミツクスと金属はそれぞれ
異なる原子結合状態を有するため、金属とセラミ
ツクスを接合する場合、それらの反応性等の化学
的性質、熱膨張率、電気伝導度などの物理的性質
は大きく異なる。したがつて、両部材を良好に濡
らし、信頼性の高い冶金的な接合を行なうことは
困難である。

特に、セラミツクスの中でも化学的安定性の高
い窒化ケイ素セラミツクスは、金属との濡れが不
良であることから金属との接合が困難なものであ
つた。

このような状況の中で、窒化ケイ素セラミツク
スと金属の接合方法として、Ti、Zr等の活性金
属を用いて界面での反応を利用する方法が開発さ
れている。この方法は、通常、銀−銅合金のよう
に、共晶がかなり低融点の金属を組合せた合金を
用いて行なう方法で、良好な接合強度を得てい
る。

しかしながら、上記した活性金属を用いる方法
においては、用いる金属の組成が低融点のものに
限定されてしまうため、窒化ケイ素セラミツクス
の適用される用途までも限定されてしまい、幅広
い用途に使用できる窒化ケイ素セラミツクスの長
所が生かされなくなる。

［発明の目的］ 本発明は、上記した問題点を解消し、ろう材選
択の自由度が高い窒化ケイ素セラミツクスと金属
の接合方法の提供を目的とする。

［発明の概要］ 本発明者らは、上記目的を達成すべく、種々の
用途に応じた接合に共通する要因を検討した結
果、接合すべき窒化ケイ素セラミツクス表面に適
切なメタライズ層が存在すると、ろう材選択の自
由度が最も高くなるので、適切なろう材を用いる
ことにより種々の用途に応じた窒化ケイ素セラミ
ツクスと金属の接合が可能となるとの着想を得
て、上記目的に適合する窒化ケイ素セラミツクス
表面のメタライジング方法の研究を重ねた。

その結果、窒化ケイ素セラミツクス表面の窒化
ケイ素が、高温真空中においては、ケイ素と窒素
とに解離するという知見を得た。そして、この知
見をもとに種々の実験を重ねたところ、該解離し
たケイ素がケイ素との反応性の富む金属と反応し
て、形成された反応生成物が溶融状態となつて窒
化ケイ素セラミツクス表面をぬらし、該セラミツ
クス表面にはメタライズ層が形成されて、ろう材
選択の自由度が高い表面形成が可能になるとの事
実を見出し本発明を完成した。

すなわち、本発明の窒化ケイ素セラミツクスと
金属の接合方法は、窒化ケイ素セラミツクスの表
面にケイ素との反応性に富む金属もしくは合金を
配し、該窒化ケイ素セラミツクスと該金属もしく
は合金の全体を圧力10^-3Torr以下の真空下で加
熱し、該窒化ケイ素セラミツクス表面を窒素とケ
イ素とに解離せしめ、かつ解離により生じたケイ
素と該金属もしくは合金との反応生成物を形成す
ることにより、該窒化ケイ素セラミツクス表面に
メタライズ層を形成する工程と、該メタライズ層
を介して接合すべき金属もしくは合金と該窒化ケ
イ素セラミツクスとをろう接もしくは溶接する工
程とからなることを特徴とする。

まず、本発明においてメタライズされるべき窒
化ケイ素セラミツクスは、格別限定されるもので
はなく、セラミツクス中に窒化ケイ素以外の焼結
助剤等を含有しているものであつてもよい。尚、
本発明は焼結助剤等を含有していない高純度の窒
化ケイ素セラミツクスに対しても十分にその効果
を発揮するものである。

次に、ケイ素との反応性に富む金属もしくは合
金としては、遷移元素であつて、融点がケイ素と
反応して形成される反応生成物のうち少なくとも
１種の融点より高い金属が好ましく、より好まし
くは、ケイ素と共晶を形成する金属である。

このような金属もしくは合金な、後述の加熱処
理の際、該金属もしくは合金自体は溶融すること
はないが、表面で解離生成したケイ素との反応生
成物は溶融状態となつて、これが窒化ケイ素セラ
ミツクス表面をぬらすので該表面と強固に付着す
る。

用いる金属もしくは合金が上記の如き融点特性
を示さない場合、例えば、上記反応生成物が溶融
状態になる温度で該金属もしくは合金自体が溶融
状態となる場合、該溶融金属が窒化ケイ素セラミ
ツクス表面を覆うので、窒化ケイ素表面の解離が
阻害されてケイ素と該金属との合金化が進まず、
その結果、該セラミツクス表面とのぬれ現象も生
じなくなる。

本発明に適用して好ましい金属としては、Fe、
Co、Ni、Ptなどの金属、及びこれらの合金、例
えば、Fe、Co、Ni、Ptのうちの少なくとも１種
が50重量％以上含有されている合金であり、具体
的なものとしては、ケイ素鋼、炭素鋼、合金鋼、
特殊鋼、ニツケルクロム合金、ニツケルアルミ合
金、ニツケルチタン合金などがあげられる。

上記したような金属もしくは合金は、粉末、
箔、線のいずれの形態で使用してもよく、また、
これらの形態を組合せて使用してもよい。

接合すべき金属もしくは合金は格別限定される
ものではなく、ろう接もしくは溶接が可能なもの
であればよい。

また、ろう材も格別限定されるものではなく、
通常の硬ろう及び軟ろうの他、例えば、液相拡散
結合法を適用する場合は、融点低下元素（Ｂ、
Ｐ、Si等）を含有した合金などを用いてもよい。
また、ろう材を用いることなく、溶接する場合に
は、接合すべき金属と同一の材料を選定すればよ
い。

次に、本発明方法について説明する。まず、上
記した窒化ケイ素セラミツクス表面に上記した金
属を載置する。このとき、用いる金属の形態が粉
末のときは適宜な溶媒を用いてペースト状にし、
これをセラミツクス表面に塗布するとよい。

次に、表面に金属を配した該セラミツクスを真
空炉に入れる。そして、炉内を減圧して真空状態
にしてから該セラミツクス全体を加熱するか、も
しくは炉内を減圧しながら該セラミツクス全体を
加熱処理する。

このときに適用する真空度は、圧力10^-3Torr
以下の高・超高真空の範囲であり、好ましくは
10^-3〜10^-7Torrの高真空である。

ここで、真空度と後述の加熱温度は相関関係に
ある。すなわち、通常の場合、真空度を上昇（炉
内圧力を低下）させれば加熱温度を低く設定する
ことができる。これは、窒化ケイ素セラミツクス
表面の窒化ケイ素がケイ素と窒素とに解離する温
度（解離温度）は加熱温度だけではなく炉内圧力
にも左右されることに基づく。それ故、圧力が
10^-3Torr以下になるまで真空度を上げることは、
上記の解離反応にきわめて有効である。

加熱処理操作は、まず、所定の真空下で、窒化
ケイ素セラミツクス表面の窒化ケイ素が窒素とケ
イ素とに解離するように、上記した解離温度以下
の温度から加熱を開始することが好ましく、所定
の昇温速度でセラミツクス全体を後述の最大加熱
温度まで昇温させてこの温度で所定時間の加熱保
持を行なう。

最大加熱温度は、上記した反応生成物の融点以
上の温度でかつ該金属もしくは合金自体の融点未
満の温度に設定される。

最大加熱温度が、反応生成物の融点未満の場合
には、反応生成物が溶融状態にならないので該セ
ラミツクス表面をぬらすことがなく、更に温度が
低い場合は、ケイ素と金属との反応が起らない。
逆に、加熱温度が該金属もしくは合金の融点以上
の場合は、該金属それ自体が溶融状態になつて窒
化ケイ素セラミツクス表面での解離を阻害する。

上記した反応生成物の融点、セラミツクス表面
の解離温度、最大加熱温度の具体的な値や範囲
は、用いる金属や適用する真空度に左右されるの
で一概には定まらないが、最大加熱温度は1200℃
以上であることが好ましい。

上記方法により形成されたメタライズ層は、該
金属と該金属のケイ化物からなる均一な合金層で
あつて、窒化ケイ素セラミツクス表面とは化学的
に結合し強固に付着している。

次に、該メタライズ層を介して窒化ケイ素セラ
ミツクスと接合すべき金属とを、通常のろう接法
（液相拡散接合法を含む）もしくは溶接法を適用
して接合する。接合の際には、必要に応じてフラ
ツクスを用いたり、また、所定の雰囲気下もしく
は真空下で行なつてもよいし、必要に応じて圧力
を負荷してもよい。

ろう接の際の加熱処理は、ろう材の融点以上で
かつ接合すべき材料の融点未満の温度で所定時間
行なう。

［発明の実施例］ 実施例 １ 窒化ケイ素セラミツクス平板の表面に、325メ
ツシユ（タイラー篩）下のNi粉末をエチルアル
コールを媒体として30μの厚さに塗布し、この平
板を真空炉中に設置した。

真空炉内を１×10^-6Torrに設定した後、900
℃／hrの昇温速度でセラミツクス平板全体を1250
℃まで加熱し、この温度で10分間保持した。

冷却後、該セラミツクス平板の表面を観察した
ところNi粉末等がなく一面が連続的な金属層
（メタライズ層）となつていた。

該メタライズ層をＸ線回折分析したところ、メ
タライズ層はNi（α）とNi₅Si₂の混晶になつてい
ることが確認された。

これは次の反応によつて生じたものと考えられ
る。

Si₃N₄→3Si＋2N₂ Si＋Ni→Ni（α）＋Ni₅Si₂ 反応生成物（Ni（α）＋Ni₅Si₂）の融点は1152
℃で加熱保持温度（1250℃）より低いため、この
反応生成物は窒化ケイ素セラミツクス表面で液状
となり、該表面をぬらしているものと考えられ
る。

ここで、セラミツクスとメタライズ層の付着強
度を調べるため、エポキシ樹脂系接着剤を用いた
接合強さ試験を行なつたところ、エポキシ樹脂層
で破壊を生じた。したがつて、セラミツクスとメ
タライズ層の付着強度は、樹脂層とメタライズ層
との付着強度より高いこと、すなわち、３Kg／mm²
以上であることが確認された。

次に、組成が72Ag−28Cuの銀ろうを用いて、
該セラミツクスのメタライズ層とS45C炭素鋼と
を通常のろう付け法により接合した。窒化ケイ素
セラミツクス表面のメタライズ層に対する銀ろう
のまわりは良好であつた。

実施例 ２ 窒化ケイ素セラミツクス平板の表面に、325メ
ツシユ（タイラー篩）下のCo粉末をアセトンを
媒体として30μの厚さに塗布し、この平板を真空
炉中に設置した。

真空炉内を５×10^-4Torrに設定した後、900
℃／hrの昇温速度でセラミツクス平板全体を1300
℃まで加熱し、保持時間なしで冷却した。

冷却後、該セラミツクス平板の表面を観察した
ところ、原粉末がなく、一面が連続的な金属層
（メタライズ層）となつていた。

該メタライズ層をＸ線回折分析したところ、メ
タライズ層は（Co＋Co₂Si）の混晶になつている
ことが確認された。

反応生成物（Co＋Co₂Si）の融点は1195℃で加
熱保持温度（1300℃）より低いため、この反応生
成物は、窒化ケイ素セラミツクス表面で液状とな
り、該表面をぬらしているものと考えられる。

セラミツクスとメタライズ層の付着強度を調べ
るため、エポキシ樹脂系接着剤を用いた接合強さ
試験を行なつたところ、エポキシ樹脂層で破壊を
生じた。したがつて、セラミツクスとメタライズ
層の付着強度は、樹脂層とメタライズ層との付着
強度より高いこと、すなわち、３Kg／mm²以上であ
ることが確認された。

次に、該メタライズ層表面に厚みが30μでNi−
15Cr−4Bなる組成のろうの平板を配し、その上
にハステロイＸの平板を載せたのち、炉に入れて
Ar雰囲気中で1200℃に加熱してろう接（液相拡
散接合）を行なつた。冷却後炉内より取り出し、
種々の評価を行なつたところ、接合部でのろうの
まわりは良好であつた。接合部の強度も750℃に
おいて100Kg／cm²以上であつた。また、この接合
部は高温下でかつ長時間酸化性雰囲気にさらして
も劣化しないことが確認された。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明方法にお
いては、窒化ケイ素セラミツクスに対してメタラ
イズ層が強固に付着しており、したがつて、ろう
接の際の相手材は必ずメタライズ層であるため選
定するろう材に関しては、ろう材選択の自由度が
高い。

したがつて、本発明は、広範囲の用途に適用で
きて、その工業的価値は大きい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化ケイ素セラミツクスの表面にケイ素との
   反応性に富む金属もしくは合金を配し、該窒化ケ
   イ素セラミツクスと該金属もしくは合金の全体を
   圧力10^-3Torr以下の真空下で加熱し、該窒化ケ
   イ素セラミツクス表面を窒素とケイ素とに解離せ
   しめ、かつ解離により生じたケイ素と該金属もし
   くは合金との反応生成物を形成することにより、
   該窒化ケイ素セラミツクス表面にメタライズ層を
   形成する工程と、 該メタライズ層を介して接合すべき金属もしく
   は合金と該窒化ケイ素セラミツクスとをろう接も
   しくは溶接する工程、 とからなることを特徴とする窒化ケイ素セラミツ
   クスと金属の接合方法。