JPH042671A - セラミックスと金属との接合体及びその製造法 - 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］ 本発明はロッカーアーム、タペット、ターボチャージャ
ロータ等のエンジン部品、バイト等の工具、更には電子
部品など、セラミックスを用いてなる構造材料から機能
材料まで幅広く利用できるセラミックスと金属との接合
体に関する。

［従来技術及び課題］ セラミックスと金属との接合法の一つにろう材を用いて
なるろう付は法がある。しかし、セラミックスは金属に
比べて熱膨張係数が小さく、近年構造材料として注目を
集めている窒化けい素。

炭化けい素等はセラミックスの中でも特に熱膨張係数が
小さい。そのため、単純なろう付は法では、その熱膨張
差によりろう付は処理後の冷却過程においてセラミック
スが割れ易い。

従って、ろう付は法について種々の改善策が提案されて
おり１本出願人も先に例えば銅、銀、アルミニウム、コ
バール、モリブデン、タングステン等の緩衝層を介在さ
せて上記熱膨張差を緩和させる接合（実開昭５９−　９
１４０４）　、更には低膨張金属（Ｗ、Ｎｏを主成分と
する金属）と低ヤング率金属（例えばＣｕ、　Ａｇ、　
Ｎｉ）を緩衝層として介在させてなる接合（特開昭Ｂｌ
−１２７６７４）について出願した。一方、ろう材とし
ては、　Ｔｌを含む活性ろうがセラミックスとの反応性
が良＜、Ｔｉに加えてｌｎを含む活性ろうは反応性良く
、かつ低温接合可能である。従って２例えばＡｇ−Ｃｕ
−ｌｎ　　Ｔｉ系ろう材が好適なものとして知られてい
る。

しかし、上記の緩衝層を介在させて少なくともＴｉ及び
ｌｎを含む活性ろう材を用いてセラミックスと金属とを
接合すると、セラミックスと活性ろう材との反応性（濡
れ性）が悪くなり十分な接合強度が得られないという問
題を生じた。

［課題の解決手段及び作用コ 本発明者は、上記課題に鑑みその原因を調べたところ、
　Ｃｕ、　Ｎｉ等を介在させた場合かえって活性ろう材
のＴｉとセラミックスとの化学的な反応が不足してくる
ことが判った。その原因は定かでないが、おそらく、セ
ラミックスと反応すべきＴｉの多くが緩衝材との反応に
消費されたからであると考えられる。そこで、他の各種
金属材料を用いると共に種々のろう材を用いて金属とセ
ラミックスとの接合性について更に鋭意検討を重ねた結
果、特定の鉄系緩衝材を介在させ、かつ接合部材として
少なくともｌｎ及びＴｉを含むもの特にＡｇ−Ｃｕ−ｌ
ｎＴｊ系ろう材を用いた場合、加熱接合後の冷却中にセ
ラミックスが割れないことは勿論、得られた接合体が極
めて高い接合強度を発現できることを見い出し１本発明
を完成するに至ったものである。

即ち１本発明の接合体は、少なくともｌｎ及びＴｉが接
合部材に含まれるセラミックスと金属との接合体におい
て、セラミックスと金属との間に、鉄を主成分とし接合
後におけるビッカース硬さ（Ｈｖ）が１７０以下である
緩衝材を介在させて成ることを特徴とする。

又１本発明の接合体の製造法は、セラミックスと金属と
の間に、鉄を主成分とし接合後におけるビッカース硬さ
（Ｉｌｖ）が１７０以下となる緩衝材を介在させて、少
なくともｌｎ及びＴｉを含む接合部材を用いて加熱接合
することを特徴とする。

従来、緩衝材として鉄を主成分としたもの。

特にこれを単独に用いることは全く知られておらず１本
発明ではこの鉄系緩衝材を用いることにより、セラミッ
クスと接合部材との反応を阻害することなく、セラミッ
クスと金属との熱膨張差による残留応力を緩和して冷却
時におけるセラミックスの割れを防止すると共に高い接
合強度を維持するものである。

この鉄系緩衝材としては不純物が少ない方が軟らかく応
力緩衝作用を効果的に発揮する。従って、純鉄が好まし
い。この場合、純鉄でも圧延等によって加工硬化したも
のもあるが１通常接合時の加熱処理によって焼なましさ
れて軟化するので使用には差支えない。しかし、一般の
鉄鋼材料である炭素鋼や合金鋼であっても、少なくとも
接合時の加熱処理後においてビッカース硬さ（Ｈｖ）　
１７０以下のものであれば有効である。

即ち、接合時の加熱処理前からＨｖ　１７０以下のもの
は勿論、接合時の加熱処理前はＩＩｖ１７０以上であっ
ても接合時の加熱処理によって軟化してＨｖ１７０以下
になるものも使用できる。更に、場合によっては、接合
時の加熱処理後別途焼なまし処理をすることによってＨ
ｖ　１７０以下になる鉄鋼材料も使用できる。従って、
炭素鋼としては低炭素鋼（炭素含有ｆＥｔ　０　、１５
％以下）や中炭素鋼（同０．１５％〜０．４０％）を好
ましく使用できる。具体的には一般構造用圧延鋼（ＪＩ
Ｓ　Ｇ　３１０１　　“ＳＳ”系）１機械構造用炭素ｗ
４（ＪＩＳ　Ｇ　４０５１　　”　Ｓ　”　系）　ナト
ヲ使用できる。この場合、少量のけい素、マンガン。

りん、硫黄などを含有してもよいことは勿論である。

一方、接合時の加熱処理において焼入効果を増大させる
元素１例えばＣｒ、　Ｍｎ、旧、　Ｎｏを含有するもの
は好ましくない。従って、焼入性が高く接合時の加熱処
理によっても焼入れされ易い合金鋼１例えばクロム量の
多いクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ　ＳＣＭ）　、ニッケ
ルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳＳＮＣＭ）は接合時の加
熱処理により焼入れ硬化するため応力緩衝作用を期待で
きない。尚、こうした鉄系緩衝材は異なる組成のものを
組合せて使用しても良く、又所定の鉄系緩衝材が存在す
る限り。

Ｗ、Ｍｏ系緩衝材を別途に併用することは差支えない。

鉄系緩衝材の厚さは、金属とセラミックスとの接合面の
最大幅（径）の０．４％程度以上、１０％以下が好まし
い。その範囲内にある限り、複数枚存在させてもよいこ
とは勿論である。

又１本発明で使用する接合部材はＴｉ　−ｌｎ系であり
、特にＡｇ　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系、即ちＡｇ、　
Ｃｕ、　　ｌｎ、　Ｔｉを必須成分とし、これらの合計
量が全体の９９重量％以上のものが好ましい。この八ｇ
　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系活性ろう材はセラミックス
との反応性が充分にあり接合強度の高いものが得られ、
しかもＴｉ成分を含有するにも拘らず比較的融点が低い
ためエネルギーコストが安い等の利点を有する。本発明
では、前述した通り緩衝材として所定の鉄系材料を用い
たので、従来のＣｕ等の緩衝材を用いた場合と異なり、
このＡｇ　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系活性ろう材の利点
特にセラミックスとの高い反応性を有効に発揮できる。

このＡｇ　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系ろう材としては各
元素の割合が血量７／、で Ａｇ　　　９０〜５０％ Ｃｕ　　５０〜ｌＯ％ ｌｎ　　　２０〜３　％ Ｔｉ　１０〜１　％ のちのを好ましく使用できる。

又、　Ａｇ−Ｃｕ−ｌｎ−Ｔｉ系以外であっても、セラ
ミックスとの反応性に優れ、かつ鉄系緩衝材による熱膨
張差緩和作用を有効に発揮できる限りにおいて、他のＴ
ｉ−ｌｎ系活性ろう材を使用することも、用途・目的に
応じて可能である。そして、この場合、鉄系緩衝材がろ
う付は処理によって受ける影響、即ち焼入れ硬化や、軟
化（焼なまし、焼ならし等）に鑑み、Ｔｌ−ｌｎ系ろう
材の融点と鉄系緩衝材の組成とを調整することが前記所
定の硬さの緩衝材として熱膨張差緩和作用を有効に発揮
するために必要となる。従って、Ｔｌ−ｌｎ系ろう材と
しては融点６００〜８００℃、より好ましくは７００〜
７８０℃程度のものを使用できる。

こうしたＴｉ　−ｌｎ系活性ろう材の形状としては箔、
ペースト、或いは箔とペーストとの組合せ例えばＴｉ箔
とＡｇＣｕｌｎ合金箔、　ＴｉＡｇＣｕｌｎペ一スト等
任意のものを使用できる。

接合時の加熱処理条件については、接合部材としてのろ
う材が溶ける温度以上で加熱すればよく、ろう材の組成
の違いによって変化する。−方、その加熱温度の上限は
鉄系緩衝材の軟化等も考慮して設定される。通常７００
〜９００℃でｌＯ分〜２時間の範囲に設定するとよい。

雰囲気はろう材成分のＴｉをセラミックスとの反応を十
分に行うためニ真空、不活性ガス（アルゴンなど）等非
酸化性雰囲気が好ましい。冷却方法は炉冷、空冷が良く
、油冷、水冷はセラミックスが熱衝撃に弱いため好まし
くない。

セラミック材料は窒化けい素、炭化けい素。

サイアロン、アルミナ、ムライト等、Ｔｌ−ｌｎ系特に
Ａｇ　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系活性ろう材にて接合で
きるものであればよい。

金属材料は、構造用合金鋼、ニッケルクロムモリブデン
鋼、コバール、ニッケル等セラミックスより熱膨張係数
の大きいものであればよい。この場合、接合すべき金属
、セラミックスの種類に応じて鉄系緩衝材の厚さを調整
するとよい。

［実施例］ 実施例１ 直径１２ｍｍ長さ２０關の窒化けい素 （９０重量％Ｓｉ３Ｎ、残部焼結助剤）。

直径１２ｍｍ長さ２０ｍｍの金属（ＪＩＳ　ＳＮＣＭＩ
３３０）。

直径１２ｍｍ厚さ０．２５＋ａｍの各種緩衝材（ｒｅ、
　Ｎｌ、　Ｃｕは純度９９％以上、他はＪＩＳ規格材）
、及び 直径１２＋＋ｍ厚さ０　、０５　ｍｍの活性ろう箔（Ａ
ｇ６０重量％、　　Ｃｕ２７．　　ｌｎ１２．５．　　
Ｔｉ１．５）。

を図１の様にセットし真空中にて７８０℃、３０分保持
して各３本ずつ加熱接合した。尚加熱後の冷却はＮ２ガ
スを封入して２０℃／■ｌｎのスピードで行った。

そして２図２に示した様に、金属を保持して。

片持ち曲げ強度を測定し、下記式１により曲げ強度を求
め、３本の平均値を表１に示す。尚、　　ｊ２−１０關
とした。緩衝材の硬さは、接合部を切断し。

切断面を研摩後にビ・ソカース硬度計にて１０ｇ荷重に
て測定した。

（式１）： ％式％） でニスパン　（關〉 ｄ：接合径（ｍ＋ｅ） π：円周率 （以下余白） 表　　１ 純鉄以外でもろう付は処理（こで硬化しない５Ｓ３４．
５１５Ｃ，５４０Ｃ（Ｈｖ　１７０以下）、は応力緩衝
効果があることが判った。一方１１ｖ　２３０以上の材
料は応力緩衝効果がないことが判った。

実施例２ 純鉄の厚さを変えた以外は実施例１と同じ条件にて接合
し強度を測定した結果を表２に示す。

表　　２ 表　　３ 純鉄の厚さを接合径の０．４２％まで減らしても緩衝効
果は認められた。純鉄の厚さを接合径の１６．７％まで
増やすと１５ｋｇ／−の応力で目視にて曲りが認められ
た。

実施例３ 活性ろう材の組成を変えた以外は実施例１と同じ条件に
て接合し強度を測定した結果を表３に示す。活性ろう材
の組成は（Ａｇ５９重量％、Ｃｕ２Ｂ、　ｌｎ１２．５
．　Ｔｉ２．５）である。

Ａｇ　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系活性ろう祠のＴｉ量を
増やしても旧、　Ｃｕ緩衝材に比べてＦｃ系緩衝材を使
用した方が接合強度が大きく本発明の効果が確認された
。

［発明の効果］ 本発明によれば、Ｔｉ−ｌｎ系活性ろう祠を用いて簡便
に得ることができる極めて強固なセラミックスと金属と
の接合体を提供できる。

鉄系緩衝材については純鉄以外にも一般の鉄鋼材料を使
用することができ、接合金属・セラミックスに応じて適
切な材料を選択することにより。

幅広い接合体に適用可能である。

Ｔｌ−ｌｎ系、特にＡｇ　−Ｃｕ　−ｌｎ　−Ｔｉ系ろ
う材の利点を十分に活用できる。即ち、セラミックスと
の反応性が十分にあり接合強度を高くでき、一方でそれ
程高融点でもないためエネルギーコスト的に有利である
。

本発明の接合体を次の接合体及び接合方法に適用すれば
、大型部品への応用、接合部の信頼性向上が可能となる
。即ち、その接合体とは２セラミック体と金属体とをロ
ー材層を介して接合する。セラミック体と金属体の接合
体であって。

上記ロー材層は固相点が７００℃以下のロー材料からな
り、上記金属体は、パーライト変態（通常のパーライト
変態（Ａｒ１　）　、及びオーステナイトが過冷却され
た後に通常のパーライト変態（Ａｒｔ　）点よりも低温
度で生じる過冷却パーライト変態（Ａｒ’　）を含む。

）が上記ロー材料の固相点以下で生じる材料又は上記パ
ーライト変態が阻止される材料からなり、接合後の金属
組織は、狭義のパーライトを除く過冷却組織及びマルテ
ンサイト組織のうちの少なくとも１つの組織からなるこ
とを特徴とするセラミック体と金属体の接合体をいう。

又、その接合方法とは、セラミック体と、上記金属材料
からなる金属体と、の所望の接合面間に、固相点が７０
０℃以下のロー材料を配置し、これらを上記固相点以上
でかつオーステナイト変態を起こさせ、その後冷却速度
が、少なくともＡＩ（上記Ａｒｌ及びＡｒ’　を含む。

）点付近において０．１〜ｂ 冷却して、上記パーライト変態を上記固相点以下で生じ
させ若しくは該パーライト変態を阻止させて、上記セラ
ミック体と上記金属体の各膨張収縮の変位差を低減させ
ることを特徴とするセラミック体と金属体の接合方法を
いう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の接合体を接合前の状態をも
って示す模式図、及び 第２図は接合強度（曲げ強度）を調べるための試験方法
を説明するための模式図、を夫々表わす。 １・・・接合部材（ろう材） ２・・・緩衝材 第１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともｌｎ及びＴｉが接合部材に含まれるセ
   ラミックスと金属との接合体において、セラミックスと
   金属との間に、鉄を主成分とし接合後におけるビッカー
   ス硬さ（Ｈｖ）が１７０以下である緩衝材を介在させて
   成ることを特徴とする接合体。
2. （２）緩衝材が純鉄又は炭素鋼である請求項１に記載の
   接合体。
3. （３）緩衝材の厚さが、セラミックスと金属との接合面
   の最大対角長さまたは最大径の０．４％〜１０％の範囲
   内にある請求項１に記載の接合体。
4. （４）セラミックスと金属との間に、鉄を主成分とし接
   合後におけるビッカース硬さ（Ｈｖ）が１７０以下とな
   る緩衝材を介在させて、少なくともｌｎ及びＴｉを含む
   接合部材を用いて加熱接合することを特徴とするセラミ
   ックスと金属との接合体の製造法。