JPH04182365A - セラミックスと金属の接合方法 - 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〉 本発明は金属とセラミックスの接合方法に係わるもので
ある。

〈従来の技術〉 金属とセラミックスの接合で最も難しいのは、両者の熱
膨張係数の違いに起因する熱応力の問題を如何に解決す
るかである。特に、鉄鋼等の実用的な金属材料と、窒化
珪素及び炭化珪素の様なセラミックスでは、熱膨張係数
が３〜４倍違うので、このような組合せは、たとえ接合
がうまくいっても、接合後の冷却の過程で大きな熱応力
が発生し、セラミックス部材に割れや破壊が起こる。従
来接合部の熱応力を緩和するため、色々な形の中間層、
例えば接合するセラミックスと金属の中間的な熱膨張係
数を持つ金属や、銅のような軟質金属或はセラミックス
に熱膨張係数の近い金属やサーメット等の中間層を挿入
して、接合することが行われているが、何れもこの問題
を完全に解決していない。また、特開昭６１−１３６９
６８号公報、６１−１．４１８７９号公報、６１−１５
１０７０号公報及び８２−２６５１８６号公報には、内
層部を構成する中心となる材料の層をくるむ形で被覆す
る金属の連続体の層からなる中間層を、セラミックスと
金属の間に挿入する方式の接合方法が開示されている。

この方法は、セラミックスが圧縮応力に強いことを利用
し、接合後の冷却に伴う金属側からの引っ張り応力を、
くるまれた材料への圧縮応力に転嫁し、接合セラミック
スへの引っ張り応力の作用を防ごうとするものである。

しかし、金属の冷却に伴う引っ張り応力が、必ずしも中
間層の材料への圧縮応力に完全に転嫁されず、中間層に
引っ張り応力として作用する。そのため、この方法で接
合した場合、中間層の破壊が生じ、接合部材の強度が十
分てない或は大型部祠の接合が不可能になる場合がある
。

く本発明が解決しようとする問題点〉 本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされた物で、
高強度でかつ大型のセラミックスと金属の接合を可能に
する技術を提供せんとするものである。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記問題点に関して鋭意研究を行った結果、
次のような新しい知見を得るに至った。すなはち、接合
セラミックスと同じセラミックス或は熱膨張係数の近似
した材料を、金属の中に埋め込む際、金属の内側面及び
内底面と埋め込む材料の側面及び底面を接合し、埋め込
んだ相別の上面とセラミックスを蝋付けする形でくるむ
と、くるんだ金属層の厚さ及び接合面積が均一でないた
め、埋め込んだ材料にかかる応力が一様でなく、埋め込
んだ材料の上面近傍に引っ張り応力がかかる。そのため
、接合試片の強度の低下或は大型部拐の接合が困ＨＥに
なる。そこで、 １、金属材料のなかに埋め込む材料と接合金属の内側面
を接合する。

２、金属の中に埋められた材料と接合セラミックスの間
に、１０μｍ以上１０００μｍ以下の金属の箔を挟む。

３、埋め込んだ金属材料の底面に穴を開ける。

４、埋め込んだ材料の底面と金属の間に１０μｍ〜１０
００μｍの金属の箔を挟み、箔と材料を接合して金属の
中の材料をくるむ。このことにより、埋め込んだ材料に
かかる引っ張り応力が低減でき、接合体の強度が増加す
ることを見いだすに至った。

本発明は、この新しい知見を基になされたものである。

く作用〉 図２に従来の埋め込んだ材料と金属の内側面及び内底面
を接合した試片の構造を示した。この構造では、図３に
示す用に、金属の中に埋め込んだ材料の（イ）の部分に
（ロ）及び（ハ）の部分の収縮による引っ張り応力が作
用し、セラミックスの割れ或は接合体の強度の低下があ
る。そのため、せん断試験後の試片は、破断が、図３に
示す様に、埋め込んだセラミックス材料の中を通って進
行する。これを避ける方法は、図１に示す様に、１）埋
め込んだ金属と埋め込む材料の底面を接合しないこと、
２）接合セラミックスと埋め込んだ材料の間に１０〜１
０００μｍの金属箔を挿入すること、３）金属材料の底
部に穴を開けること、４）埋め込んだセラミックスの底
面は金属箔と接合し金属箔と接合金属の内底面は、接合
しないことであった。

ここで、埋め込む材料は、接合する材料と同じ熱膨張係
数のもの、ナなはち同じセラミックスが最も好ましいが
、接合するセラミックスとｐ４Ｈ膨張係数の差が２×１
叶６以下であれば、異なった材料も使うことが出来る。

セラミックスと埋め込む祠利の間に挟む金属箔は、如何
なる金属をも用いることが出来るが、接合セラミックス
とできるだけ熱膨張係数が近似したもの、かつ機械的強
度の高いものが好ましい。

金属箔の厚さが１０μｍ未満だと、周辺の金属の収縮を
止めることができず、埋め込んだセラミックスに引っ張
り応力が掛かる。金属箔の厚さが１０００μｍ以上だと
、セラミックスと金属の直接接合になり、接合セラミッ
クスに別れが生じる。セラミックスを埋め込む金属も、
埋め込み用セラミックスとできるだけ熱膨張係数が近似
したもの、かつ機械的強度の高いものが好ましい。上記
］）、２）、３）及び４）の効果は、単独でも認められ
るが、好ましくは、Ｉ）＋２）、］）＋２）＋３）或は
Ｉ）＋２）＋３）＋４）の形で複合すると最も効果を発
揮する。金属材料の底部の穴は、上述の効果の他に、更
に他の金属と接合する時に、接合金属の収縮による影響
を低減して、接合しつる効果もをする。

例えば、　Ｓ　ｉｓ　Ｎ４に接合するにＪｏの容器を用
い、更に凸型に端面を研削した鋼をｌｔｏの底部に差込
み接合するようである。尚、金属材料に開ける穴の径は
、金属材料の内径に等しい或は内径より犬ぎ（でもかま
わない。

以下実施例によってその効果を実証する。

〈実施例１〉 直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの５ｉＪ４を、内径１０ｍｍ
、外径１２ｍｍ、深さ５ｍｍ、長さ２０ｍｍのｔｌｍｌ
　（３４５Ｇ）容器の中に埋め込み、１０μｍの銀ろう
と３μｍのＴｉ箔で、直径１０１１ｍ、厚さ５ｍｍの５
ｉ３Ｎａと接合した。接合５ｉ３Ｎａと埋め込んだ５ｉ
ｓＬの間に、２０μｍのＭＯ箔或は、１００μｍの銅を
挾み、埋め込んだＳ　ｉ３Ｎ４と３４５Ｇは銀ろう−Ｔ
ｉを用い側面を接合した。接合条件は、真空中、１００
０°Ｃ，１０分である。

比較のため、接合Ｓ　ｉ３　Ｎｔと埋め込んだ５ｉ３Ｎ
ｚとの間に、金属箔を挿入せず埋め込んだＳ　ｉ３　Ｎ
４の全面を５４５Ｃと接合した接合体を作製し、各々の
試片のせん断強度を測定した。表１にその結果を示す。

〈実施例１〉及びく２〉は、両省とも接合５ｉ３１Ｌと
埋め込んだＳｉ３Ｎ、の間を通って破断が進行したが、
比較例は、８４５Ｇに埋め込んだＳｉ３Ｎ４をえぐって
破断が進行した。

〈実施例２〉 直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの５ｉａＮａを内径１０ｍｍ
、外径１２ｍｍ、深さ５ｍ１Ｎ、長さ８ｍｍのＭｏ容器
の中に埋め込み（ｈ１０容器との接合は側面を接合）、
５０μｍのＭｏの箔を接合Ｓ　ｉ３Ｎ４との間に挟み、
１０μｍの銀ろうと３μｍのＴ１箔で、直径１０１ＩＩ
ＩＮ、厚さ５１ＩｌｌＩｌの５ｉ３１臂、と接合し、そ
のせん断強度を測定した。接合条件は、〈実施例１〉と
同じである。表２にその結果を示す。接合体の強度は、
約３４ｋｇ／ｍｍ２と極めて高い値であった。

〈実施例３〉 直径１０１１１ｍ、厚さ５ＩＩＩＩｌの５ｉ３Ｎａを内
径１０ｍｍ、外径１２ｍｍ、深さ５ｍｍ、長さ８ｍ１１
１、底面に直径６ｍｍの穴を持つＭＯ及び５４５Ｇ容器
中に埋め込み、そのほかは、〈実施例２〉と同じ条件で
、５ｉ３ＬとＭｏ及びＳｉ３Ｎ、と５４５Ｃを接合し、
そのせん断強度を測定した。接合条件は、〈実施例１ン
と同じである。表３にその結果を示す。なお、この接合
体は、更にｆｌｕ　（Ｓ４５Ｇ）と接合したが、同等問
題は無かった。

〈発明の効果〉 １）セラミックスと金属の接合時の応力の緩和に著しい
効果がある。

２）熱膨張係数の差の大きな大型部材の接合も可能であ
る。

３）接合強度が高い。

４）あらゆる種類の金属、セラミックス、サーメットに
適用出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の説明図。 第２〜３図は、従来方法の説明図。 第１図において、 （］）接合セラミックス、（２）銀蝋、（３）チタン箔
、（４）埋め込み用材料、（５）接合金属、（６）　１
ｆｆｌ祠（銀−銅−チタン） 第２図において、 ｑ− （イ）破断試験後の亀裂、（ロ）接合金属（側面）、（
ハ）接合金属（底面） 第３図において、 （１）接合セラミックス、（２）金属箔、（３）埋め込
みセラミックス、（４）［材（銀−銅一チタン）、（５
）金属箔（６）接合金属

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　セラミックスと金属の部材を接合するに際し、該セ
   ラミックス部材の接合面に、該セラミックスと線膨張特
   性の同じ、あるいは、近似した材料から成る中間層を接
   合し、該中間層を金属部材の接合部に形成した凹部にか
   ん入し、該凹部側面と、中間層側面を接合することを特
   徴とするセラミックスと金属の接合方法。 ２　上記セラミックス部材と中間層の間に、１０μｍ以
   上、１０００μｍ以下の金属の箔をインサートし、セラ
   ミックス及び中間層の各々と蝋付けすることを特徴とす
   るセラミックスと金属の接合方法。 ３　上記中間層の凹部底面に対向する非接合面に、金属
   の箔を接合することを特徴とするセラミックスと金属の
   接合方法。 ４　上記金属部材の凹部底面に穴を開けることを特徴と
   するセラミックスと金属の接合方法。 ５　上記中間層が、セラミックス部材と同材質のセラミ
   ックスである請求項１〜４に記載の接合方法。