JPH0348153A - セラミツクス接合部の強度判定方法 - Google Patents

セラミツクス接合部の強度判定方法

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JPH0348153A
JPH0348153A JP2071853A JP7185390A JPH0348153A JP H0348153 A JPH0348153 A JP H0348153A JP 2071853 A JP2071853 A JP 2071853A JP 7185390 A JP7185390 A JP 7185390A JP H0348153 A JPH0348153 A JP H0348153A
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敏夫 成田
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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、セラミックスと他の材料とが接合された接合
体において、接合部分のセラミックスの強度を判定する
セラミックス接合部の強度判定方法に関する。
[従来の技術] セラミックスは、硬度、耐摩耗性、耐食性などの点で極
めて優れた材料特性を有し、今後、主要機器材料として
多くの分野で使用されることが予想される。これらの分
野のうちには、セラミックスを単体として用いる分野も
あるが、単体ではなく他の部材と接合して使用する分野
も多く、特に、機械構造部品の分野においては、はとん
どが金属との接合体として用いられることになる。
ところで、セラミックスと金属とは、熱膨張係数や弾性
率が異なるので、両者を接合したとき、セラミックスに
残留応力が生じ、この残留応力により接合体の強度が左
右される。したがって、良好な接合体を作るためには、
残留応力の小さな接合を行なわねばならず、このため、
種々の接合方法が試みられている。第5図はその1例を
示すセラミックス接合体の側面図である。図で、1はセ
ラミックス、2はセラミックスlと接合されるコバール
(Kovar)、3はニッケル中間材である。このよう
に、中間材3を用いてセラミックスlとコバール2とを
接合すると、接合部におけるセラミックス1の強度が直
接接合に比較して増大し、又、その強度はニッケル3の
厚さにより変化することが発表されている。
上記セラミックスと他部材との接合方法については、残
留応力の測定によりその良否が判断されることになるが
、測定方法として、有限要素法を用いて計算する方法や
、周知のX線回折法、IF(インデンテーション・フラ
クチュアー)法、レーザスペックル法等が用いられてい
る。
[発明が解決しようとする課題] ところで、上記有限要素法を用いたセラミックスの残留
応力の計算は複雑、かつ、膨大であり。
現実の製品のばらつき等の検査に利用することができな
い。又、X線回折法、IF法、レーザスペックル法には
次のような問題点がある。これを以下に述べる。
セラミックスと他の部材との接合部分で発生する残留応
力は、セラミックスが焼結物質であるため、セラミック
ス以外の部材どうしの接合において発生する残留応力に
比較して応力分布が複雑であり、かつ、残留応力が接合
部外面に集中する度合いが大きいので、残留応力の変化
が急激である。
このようなセラミックスに生じる応力分布の一例を図に
より説明する。
第6図はニッケル中間材を用いたセラミックスと金属の
接合体の応力分布図である。この図で、セラミックスは
Si、N、、金属は(W/N i )/ F e−30
Crが用いられている。図で、横軸にはセラミックス側
における接合面からの距離(n−)、縦軸には応力(M
Pa)がとっである。又、A。
B、Cはそれぞれニッケル中間材の厚さが2.0’mm
1.25m、0.5mの接合体を示す0図から1次ノコ
とが判る。接合体Cでは、セラミックス全体に弓張応力
が存在し、特に、セラミックスと金属の界面付近では6
00 M P aになっている。一方、接合体Aでは、
セラミックス・金属界面では引張応力となっているが、
界面より離れるにつれてこの引張応力が減少し、−旦、
圧縮応力になった後、再び引張応力となり、極大値を取
った後徐々に低下する。一方、接合体Bでは、応力の分
布形態は接合体Aのそれに類似しているが、応力値は2
00M P a以下の値となっている。
上記応力分布図に示されるように、接合体Cは距離に対
する応力の変化が比較的なだらかであるが、接合体A、
Bは応力の変化が複雑かつ急激である。このため、正確
な応力分布を得るためには、μmオーダの微小領域の応
力測定が不可欠となるのは明らかである。
ここで、従来の測定方法であるX線回折法、IF法、レ
ーザスペックル法によると、これら測定方法では、上記
のような微小領域の測定は不可能であり、この結果、そ
れら方法による測定は相当広い領域の測定となり、測定
結果はそのような広い領域における残留応力の平均の値
となる。したがって、正確な応力分布図を得ることは到
底望み得ない、しかも、セラミックスの破損は残留応力
の最大の個所から一挙に生じるものであり、上記のよう
な平均の値では残留応力の最大値を見逃すこととなり、
実用上極めて不都合であるという問題もある。
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
セラミックスの微小領域における応力を測定することが
でき、ひいては、その強度の判定を正確に行なうことが
できるセラミックス接合部の強度判定方法を提供するに
ある。
[課題を解決するための手段] 上記の目的を達成するため、本発明は、まず、セラミッ
クスと他の材料とで接合体を構成した場合にセラミック
スに生じる残留応力は接合部外面に集中するという現象
、およびある物質において圧縮又は引張応力の存在下で
はそれら応力が存在しない場合と比較して物質内の音速
が変化するという現象に着目し、これら2つの現象を重
ね合わせることによりセラミックス接合部の強度判定を
行なうものである。即ち、本発明は、セラミックスの接
合部外面に超音波を作用させてその音速を検出して強度
判定を行なうものである。そして。
接合部外面へ超音波を作用させる手段として、本発明は
、物体表層の傷の有無等を検査する超音波顕微鏡の技術
を利用するものである。即ち、超音波顕微鏡は、物体表
層に集束超音波ビームを放射した場合、その反射波は物
体からの反射波と、当該集束超音波ビームのうち臨界角
で入射する超音波ビームにより物体表層に生起する弾性
表面波の放射波との干渉波であり、この干渉波の強度は
、集束超音波ビームの音源と物体との相対的位置の変化
に応じてその物体に個有の周期をもって変化し、さらに
、当該周期は前記表面波の速度と一定関係にあるという
事象を利用する技術を利用するものであり、本発明は、
このような超音波顕微鏡を用いて前記弾性表面波をセラ
ミックス接合部近傍に発生させ、この弾性表面波の音速
を前記周期として捉えるものである。
このため、第1の発明は、試料に対して集束超音波ビー
ムを放射するとともに、前記試料との相対的距離を変化
させ、当該集束超音波ビームの反射波と当該集束超音波
ビームにより試料表面に生じる弾性表面波の放射波との
干渉波の前記相対的距離の変化毎の強度のデータを受信
してそれらのデータを出力する超音波顕微鏡を用い、セ
ラミックスと他の材料との接合体の接合部から所定間隔
離れた前記セラミックス表面上の点に対して前記集束超
音波ビームを放射し、前記干渉波の前記相対的距離の変
化毎の強度のデータを採取し、これらデータにより得ら
れる前記相対距離の変化に対する当該干渉波のエコー強
度の周期に基づいて前記点における残留応力を演算し、
この残留応力により前記セラミックスの接合部の強度を
判定することを特徴とする。
又、第2の発明は、第1の発明における超音波顕微鏡を
用い、セラミックスと他の材料との接合体の接合部から
微小間隔を置いて前記セラミックス表面上に設定した複
数の点に対して順次前記集束超音波ビームを放射して前
記干渉波の前記相対的距離の変化毎の強度のデータを採
取してゆき、各点における当該干渉波の周期を隣接する
点の周期と比較することにより前記セラミックスの接合
部の強度を判定することを特徴とする特さらに第3の発
明は、第1の発明における超音波顕微鏡を用い、セラミ
ックスと他の材料との接合体の接合部から充分に離れて
いて接合による残留応力がないと判断される前記セラミ
ックス上の設定点に対して前記集束超音波ビームを放射
し、前記干渉波の前記相対的電離の変化毎の強度のデー
タを採取し、これらデータにより得られる当該干渉波の
周期に基づいて前記設定点における弾性表面波の音速を
演算してこの音速を設定値とし、次いで、前記セラミッ
クス上の接合部近辺の点に前記集束超音波ビームを放射
して前記設定点での手段と同じ手段で当該点の弾性表面
波の音速を演算し、この音速と前記設定値とが許容値の
範囲内にあるか否かを判断することを特徴とする。
[作用] 第1の発明では、超音波顕微鏡と接合体との相対的距離
を変化させながら、接合体の接合部から所定間隔離れた
セラミックス表面上の点に、超音波顕微鏡から集束超音
波ビームを放射すると、この集束超音波ビームのセラミ
ックスからの反射波と、臨界角で入射した超音波ビーム
によりセラミックス表面に生じる弾性表面波からの放射
波との干渉波が発生する。この干渉波は前記相対的距離
の変化に応じて個有の周期をもって変化する。このよう
な干渉波は超音波顕微鏡で受信され、そのデータが出力
される。この出力されたデータから、当該干渉波の周期
を測定する。この周期は、上記弾性表面波の伝播速度と
所定の関係を有し、又、当該伝播速度は応力と所定の関
係にあるので、結局、上記周期により上記の点の強度を
判定することができる。
又、第2の発明では、集束超音波ビームを放射すべき点
を複数設定しておき、各点について順次上記周期を測定
して隣接する点の周期と比較する。
これにより、残留応力の分布が明瞭となる。
さらに、第3の発明では、接合体のセラミックス部分に
おいて、接合による残留応力が存在しない点における上
記周期を開定して伝播速度を求め。
この伝播速度と、接合部近傍の任意の点において同様に
求めた伝播速度との比を演算し、この比が定められた許
容範囲にあるか否かを判断して、接合体の良否を判定す
る。
[実施例] 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。
第1図は本発明の実施例に係るセラミックス接合部の強
度判定方法を説明する概略図である。図で判定対象とな
る接合体は、第5図に示す接合体と同じであり、各部に
は同一符号が付しである。
5は圧電薄膜5aおよび音響レンズ5bより成るプロー
ブ、6は圧電薄膜5aを励振するパルスを出力するパル
ス送信器、7は圧電薄膜5aからの信号を受信する受信
器、8は受信1187で受信された信号を処理するデー
タ処理装置である。プローブ5、パルス送信器6、受信
器7、およびデータ処理装置8により超音波顕微鏡が構
成される。Bは音響レンズ5bで集束される超音波ビー
ムである。ここで、音響レンズ5bは超音波ビームBに
、臨界角で放射される超音波ビームが含まれるように形
成されている。Pはセラミックス1の表面上の測定点を
示す。x、y、zは座標軸であり、Y軸は紙面に垂直な
方向である。なお、プローブ5と接合体は、それら両者
又は一方が図示しない翻動機構によりZ軸方向に廃動さ
れる構成となっている。さらに、これら両者間には適宜
の媒質、例えば水が介在せしめられる。
次に、本実施例の強度判定方法について説明する。まず
、接合体におけるセラミックス1の表面上で、接合部か
ら所定間隔にある点Pを選定する。
なお、図で点Pの大きさは誇張して描かれている。
次いで、選定された点Pに対して集束超音波ビームBを
放射する。即ち、圧電薄[5aにパルス送信器6からの
パルスを印加すると圧電薄膜5aに励振を生じて超音波
が発生する。この超音波は音響レンズ5bで集束されて
集束超音波ビームBとなり点Pに放射される。この集束
超音波ビームBはセラミックス1の反射波となって放射
時の経路をたどり圧電薄膜5aに戻るが、同時に、集束
超音波ビームBのうち臨界角で入射する超音波ビームに
より、セラミックス1の点Pの表面にはこの表面に沿っ
て進行する弾性表面波が生じ、この弾性表面波によって
生じた点Pの表面から放射する超音波の一部もセラミッ
クス1からの反射波と同様に圧電薄膜5aに戻る。した
がって、圧電′a膜5aに戻る超音波は、前記反射波の
振動波形と前記弾性表面波の放射波の振動波形とが重畳
される干渉波となる。この干渉波の音圧により圧電薄膜
5aは当該音圧の大きさC=比例した電気信号(反射信
号)を出力し、この反射信号は受信器7を経てデータ処
理装置8により処理される。
ここで、プローブ5を、集束超音波ビームBの焦点が点
Pと一致するように調節した後セラミックス1に対して
Z軸方向に沿って近付けながら上記動作を実施すると、
圧電薄膜5aから出力される反射信号は第2図に示す波
形となる。第2図で。
横軸にはプローブ5とセラミックス1間のZ軸方向の距
離が、又、縦軸には反射波信号レベルがとっである。横
軸上における数字Oは集束超音波ビームBの焦点がセラ
ミックス表面に一致したときのプローブ5の位置を示す
今、プローブ5の位置を前記O位置から2軸方向に沿っ
てセラミックス1に近付けると、臨界角で入射する超音
波ビームのセラミックス1の面上における入射点と、そ
の超音波ビームの入射により生じる弾性表面波の放射波
の放射点(前記入射点に対し集束超音波ビーム中心に関
して対称位置にある)との間の距離は大きくなる。即ち
、弾性表面波の走行距離が長くなる。これにより前記放
射点から放射される超音波ビームが圧電薄膜5aに到達
する時間も長くなり、他の反射波との干渉の度合に変化
が生じる。即ち、弾性表面波の放射波の振動波形とセラ
ミックスからの反射波の振動波形との重畳の態様が変化
する。そして、プローブ5をセラミックス1の表面に近
付けてゆくにしたがい、それら2つの波の振動波形の最
大値と最小値の重なりが変−化してゆき、干渉波は図示
のように一定の周期Δ2をもつ波形となる。このように
して得られた波形はV (Z)曲線と称される。
このV (Z)曲線はデータ処理装置8における図示さ
れていない表示部に表示される。
ところで、上記V (Z)曲線における周期Δ2は、集
束超音波ビームの放射を受ける物体の表層の状態により
異なる。今、当該周期をΔ2、弾性表面波の物体表層の
伝播速度をVRとすると、両者の間には次式の関係が成
立する。
Vm=Vw (A Z/ 1w) ’ ”−・・・”・
−(1)ただし、Vvはプローブ5とセラミックス1と
の間に介在する媒質(水)の音速、λ1は当該媒質内の
音波の波長である。上記(1)式において、音U v 
vおよび波長λ、は既知であるから、周期ΔZが判れば
音速■8も判る。
そこで、第1図に示すセラミックス1の点Pについて得
られたV (Z)曲線をデータ処理装置8の表示部に表
示して周期ΔZを実測すれば、点Pにおける弾性表面波
の音速を得ることができる。
そして、前述のように、音速と応力との間には一定の関
係があるので、結局、周期Δ2を検出することにより点
Pの残留応力を上記(1)式の演算により得ることがで
きる。
上記の周期Δ2を正確に検出するために周期ΔZより遥
かに小さな微小周期の参照波形を利用する等、種々の手
段が提案されている。その−例として、微小周期の参照
波を干渉させて得られたV(Z)曲fi(参照波との干
渉波形となっている)を第3図に示す、なお、このよう
な参照波は、圧電薄膜5aからの超音波ビームが、音響
レンズ1bのレンズ面で反射した反射波が使用され、こ
の反射波が、試料からの反射波および弾性表面波の放射
波に重畳されて第3図に示す干渉波形となる。
第3図で、横軸および縦軸にはそれぞれ第2図と同じく
z軸方向の距離および反射信号レベルがとっである。こ
のような干渉波形を得ることにより周期ΔZを高精度で
検出することができる。実際には、弾性表面波の音速の
応力による変化分は極めて微小であり、この弾性表面波
の音速を直接測定できたとしてもその変化分の測定はほ
とんど不可能であるが、上記のように周期Δ2を正確に
検出することにより表面波の音速の変化分も正確に検出
することができ、結局、本実施例では点Pの残留応力を
高い分解能をもって測定することができる。
上述の方法は、点Pの残留応力を求める方法であるが、
点Pの強度を判定するには、必ずしも残留応力を求める
必要はない。即ち、予めセラミックス1又はこれと類似
のセラミックスについて、残留応力が0である部分の周
期ΔZ0を検出しておけば、点Pにおける周期ΔZを検
出して周期ΔZ0と比較するのみで1点Pにおける残留
応力、即ち強度の相対的な大きさを判断することができ
、残留応力算出のための演算は不要となる。
以上、接合境界面から所定距離にある点Pの残留応力の
測定(強度判定)について述べた。そして、残留応力の
分布を知るには、セラミックス1の表面の所定個所につ
いて順次上記の処理を行なえばよいのは明らかである。
このようにして得られる各個所の周期が一定値を示して
変化しなくなる部分は残留応力がない部分と判断される
。セラミックス強度の相対的な大きさの分布を得ようと
する場合には、上記と同様に単に周期ΔZを検出し、隣
接する個所の検出周期どうしの差又は比を算出すること
により明確な強度分布を得ることができ、又、残留応力
がない部分までの検出を行なえば、セラミックス1の接
合部分のより確実な強度の判断が可能となる。
さらに、次のような手段によってもセラミックスの強度
の判断ができる。まず、接合体のセラミックス部分にお
いて、接合による残留応力が全く存在しないと確信でき
る点、即ち接合部から充分に離れた点の周期Δ2を測定
し、その音速を演算してこれを設定値v0とする。そし
て、この設定値V、と、他の点で測定された周期Δ2に
基づく音速の演算値との比の許容値を、この接合体の使
用態様等を勘案して定めておく。次いで、接合部近辺の
所定点における周期ΔZを測定してその音速を演算し、
さらにこの音速と設定値v0との比を演算する。この比
により、当該所定点の相対的強度を判断することができ
る。次いで、当該比の値が前記許容値の範囲内にあるか
否かを判断し、範囲内であればさらに他の所定点につい
て同様の処理を行ない、又、範囲外であればこの接合体
は使用不可と判断する。これにより、この接合体の相対
的強度判定と同時に、その使用可否の判定も行なうこと
ができる。
このように、本実施例では、超音波顕rJIIfltを
用いて接合体におけるセラミックスの所定の点に集束超
音波ビームを放射し、その反射波と弾性表面波の放射波
と、の干渉波の周期を検出するようにし゛たので、集束
超音波ビームの焦点の大きさより僅かに大きい微小な領
域での周期の検出が可能となり、したがって、微小領域
の残留応力の測定又は強度の判定を容易に行なうことが
できる。又、残留応力は、正確な測定が可能である干渉
波周期に基づいて演算されるので、高い分解能を得るこ
とができる。以下、本実施例の方法を用いた実験結果の
一例を第4図に示す。
第4図は測定された干渉波周期に基づいて(1)式にし
たがって演算した伝播速度の分布図である。
横軸には接合部からの距離が、又、縦軸には伝播速度が
とっである。図で、実線で示す波形Aはコバールとセラ
ミックスとを直接接合した接合体の波形、破線で示す波
形Bはコバールとセラミックスとを、中間材にニッケル
を用いて接合した接合体の波形である。コバールとセラ
ミックスとの直接接合の場合には、接合部に近接した部
分で大きな音速がkR察され、この部分の残留応力が大
であり(強度が弱く)、接合部から離れるにしたがって
音速が急激に減少して一定となることが判る。
又、ニッケル中間材を用いた接合の場合、接合部に近接
した部分では比較的小さい音速が観察され、−旦、若干
増大した後低下して一定となる。いずれの場合も、接合
部から充分能れた部分の音速はそのセラミックス自体の
音速(残留応力が存在しない音速)に一致する。上記の
分布図から、中間材としてニッケルを用いた場合の効果
が大であることも明瞭に読みとることができる。
[発明の効果] 以上述べたように、第1の発明では、セラミックスと他
の材料との接合体におけるセラミックス上の所定点に超
音波顕微鏡から集束超音波ビームを放射し、かつ、生じ
る弾性表面波の放射波と試料からの反射波との干渉波の
周期を測定するようにしたので、微小領域の強度の判定
を容易に行なうことができ、これにより、強度の判定を
正確に行なうことができろ。又、第2の発明では、上記
周期の測定を複数個所で行ない隣接する個所の周期を比
較するようにしたので、強度分布の判定を容易かつ正確
に行なうと札ができる。さらに第3の発明では、接合に
よ:L残留応力がない点の音速と他の点の音速との比が
許容範囲にあるか否かを判断するよ・)にしたので、接
合体の使用の可否を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係るセラミックス接合部の強
度判定方法を説明する概略図、第2図は第1図に示すプ
ローブで受信される干渉波の波形図、第3図は参照波を
干渉させたときプローブで受信される干渉波の波形図、
第4図は表面波の伝播速度の分布図、第5図はセラミッ
クス接合体の側面図、第6図はセラミックス接合体の応
力の分布図である。 1・・・・・・セラミックス、5・・・・・・プローブ
、5a・・・圧電薄膜、5b・・・・・・音響レンズ、
B・・・・〜集束超音波ビーム。 第17 令 第 3 図 Φ 第4図 第2図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)試料に対して集束超音波ビームを放射するととも
    に、前記試料との相対的距離を変化させ、当該集束超音
    波ビームの反射波と当該集束超音波ビームにより試料表
    面に生じる弾性表面波の放射波との干渉波の前記相対的
    距離の変化毎の強度のデータを受信してそれらのデータ
    を出力する超音波顕微鏡を用い、セラミックスと他の材
    料との接合体の接合部から所定間隔離れた前記セラミッ
    クス表面上の点に対して前記集束超音波ビームを放射し
    、前記干渉波の前記相対的距離の変化毎の強度のデータ
    を採取し、これらデータにより得られる前記相対距離の
    変化に対する当該干渉波のエコー強度の周期に基づいて
    前記点における残留応力を演算し、この残留応力により
    前記セラミックスの接合部の強度を判定することを特徴
    とするセラミックス接合部の強度判定方法。
  2. (2)試料に対して集束超音波ビームを放射するととも
    に、前記試料との相対的距離を変化させ、当該集束超音
    波ビームの反射波と当該集束超音波ビームにより試料表
    面に生じる弾性表面波の放射波との干渉波の前記相対的
    距離の変化毎の強度のデータを受信してそれらのデータ
    を出力する超音波顕微鏡を用い、セラミックスと他の材
    料との接合体の接合部から微小間隔を置いて前記セラミ
    ックス表面上に設定した複数の点に対して順次前記集束
    超音波ビームを放射して前記干渉波の前記相対的距離の
    変化毎の強度のデータを採取してゆき、各点における当
    該干渉波の周期を隣接する点の周期と比較することによ
    り前記セラミックスの接合部の強度を判定することを特
    徴とするセラミックス接合部の強度判定方法。
  3. (3)試料に対して集束超音波ビームを放射するととも
    に、前記試料との相対的距離を変化させ、当該集束超音
    波ビームの反射波と当該集束超音波ビームにより試料表
    面に生じる弾性表面波の放射波との干渉波の前記相対的
    距離の変化毎の強度のデータを受信してそれらのデータ
    を出力する超音波顕微鏡を用い、セラミックスと他の材
    料との接合体の接合部から充分に離れていて接合による
    残留応力がないと判断される前記セラミックス上の設定
    点に対して前記集束超音波ビームを放射し、前記干渉波
    の前記相対的距離の変化毎の強度データを採取し、これ
    らデータにより得られる当該干渉波の周期に基づいて前
    記設定点における弾性表面波の音速を演算してこの音速
    を設定値とし、次いで、前記セラミックス上の接合部近
    辺の点に前記集束超音波ビームを放射して前記設定点で
    の手段と同じ手段で当該点の弾性表面波の音速を演算し
    、この音速と前記設定値とが許容値の範囲内にあるか否
    かを判断することを特徴とするセラミックス接合部の強
    度判定方法。
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