JPH04325470A - 金属箔クラッドセラミックス製品およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間静水圧プレス法（
以下ＨＩＰ法という）を利用した金属箔でクラッドされ
たセラミックス製品およびその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】セラミック材料には、耐熱性、耐摩耗性
、耐薬品性、電気絶縁性などの特性において、金属材料
を凌ぐものが多く、その機能を利用した種々の製品が製
造され実用に供されている。しかし、セラミックスに共
通した欠点、すなわち、基本的に脆性材料であることか
ら、実用に際しては、常に次の２つの問題についての配
慮が必要なことが、利用分野の進展を阻害してきた。 ここで、２つの問題とは、■　　脆性材料であるため、
小さな傷やクラック（亀裂）が発生するとこの伝播速度
が速いために瞬時にして破壊に至る。

【０００３】■　　金属材料との結合が困難である。で
ある。通常、これらの問題を解決する方法としては、セ
ラミック部品の形状を簡素化して応力集中の発生を避け
、金属との結合には、焼嵌め、ボルト締め、あるいは表
面にメタライズ法や蒸着などの方法により金属被膜を形
成した後ロー付け、ハンダ付けする方法が用いられてい
る。

【０００４】ところで、多くの場合、セラミック部材の
本来の機能を利用している部位は局所的であることが多
いので、この部分を除いて表面を靭性に富んだ金属材料
でクラッドしてやることにより、このような問題点を回
避することが可能である。しかし、残念ながら、これま
で安価にかつ確実に、セラミックス材料の表面を金属で
クラッドする方法がなく、実用化されているものがほと
んどないのが現状である。

【０００５】ＨＩＰ法は、高温下で高圧ガスの圧力によ
り、被処理材を圧縮加工する技術であり、粉末材料の加
圧焼結、鋳造欠陥の圧潰、加圧拡散接合の方法として近
年急速に普及したものである。このＨＩＰ技術を用いる
ことにより、セラミックスの表面に金属をクラッドする
ことが可能であり、たとえば、特公平１−３７２３８　
号公報には、ＨＩＰ技術による金属クラッドセラミック
パイプの製造方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】叙上の如く、特公平１
−３７２３８　号公報に示された技術を除けば、セラミ
ックスの表面を金属で強固にクラッドした製品はほとん
どないのが実状である。セラミックスの表面にメタライ
ズ法や蒸着法を用いて金属被膜を形成した後、クラッド
材をロー付けやハンダ付けした製品では、必ずしも冶金
学的に十分接合されている訳ではなく、また、ロー材や
ハンダの耐熱性も低いことから、高温下で使用するには
不適当である。

【０００７】また、特公平１−３７２３８　号公報に示
された技術は、円筒上のセラミックスの外表面にのみク
ラッドするものであり、クラッド時にその幾何学的な特
徴を利用しているから、必ずしも一般性のある技術では
ない。 本発明は、前述の如き、セラミックス材の脆性とくに引
張応力に起因するクラックの伝播に対する敏感さと、金
属材料との結合　（接合）　の困難さを、低減もしくは
改善した金属クラッドセラミックス製品と、その製造方
法を提供する目的でなされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ための本発明は次の技術的手段を講じている。すなわち
、請求項１に係る本発明では、セラミックス焼結体の外
表面を厚さ３０〜３００　μｍ　の金属箔でクラッドし
かつＨＩＰ接合して成り、ＨＩＰにより発生した金属箔
中の引張り応力が前記金属箔に残留していることを特徴
とするものである。

【０００９】また、請求項２に係る本発明では、セラミ
ックス材を、厚さ３０〜３００　μｍ　の金属箔で形成
した容器中に配置し、該容器中を外部に対して気密に封
着した後、前記金属箔の再結晶温度以上の温度でＨＩＰ
処理することでセラミックス材の表面に金属箔をクラッ
ドした状態でＨＩＰ接合し、ＨＩＰ処理により発生した
金属箔中の引張り応力が前記金属箔に残留していること
を特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１に係る本発明では、セラミックス材１
　の表面は３０〜３００　μｍ　の金属箔２，３　でク
ラッドされ、かつＨＩＰ接合されているのでその接合力
は十分である。 また、セラミックス材１　の残留応力は金属箔２，３　
で保持されているので、本来的に脆性材料であるセラミ
ックス材１　の瞬時破壊などを防止する。

【００１１】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を説明す
ると、図２〜図５は請求項１に係る本発明の実施例を示
しており、図２は、セラミックス焼結体又はセラミック
ス成形体等の板状とされたセラミックス材１の上下両表
面がクラッド材である金属箔２，３　で被覆され、ＨＩ
Ｐ接合してなり、金属箔２，３は厚さ３０〜３００　μ
ｍ　とされていて、該金属箔２，３　はＨＩＰ処理後に
おいて残留引張応力をもっている。

【００１２】図３はレザー等の工具関係に適用した例で
あり、セラミックス材１　とともに金属材４　が厚み３
０〜３００　μｍ　の金属箔２，３　でクラッドされ、
かつＨＩＰ接合されていて、取付孔５　が形成してある
。図４および図５は軸受部材で例示した本発明実施例で
あり、軸受孔６　を有するセラミックス材１　の上下両
面および外周面が厚み３０〜３００　μｍ　の金属箔２
，３　でクラッドされ、かつＨＩＰ接合されており、金
属箔２，３　は取付孔５　を有する周辺部７　として形
成されている。

【００１３】上述した図２〜５のいずれの実施例におい
ても、ＨＩＰ処理後において金属箔２，３　は残留引張
応力をもっており、セラミックス材１　の材質としては
、アルミナ、部分安定化ジルコニア、ムライト、窒化ケ
イ素、炭化ケイ素などのいわゆるファインセラミックス
のほか、ガラスなども適用が可能である。また、金属箔
２，３としては、ステンレス、銅、アルミニウム、チタ
ン、タンタル、モリブデンなどが代表的な例としてあげ
られる。

【００１４】図１を参照すると、図２に例示した製品の
製造方法が例示されている。図１において、母材となる
セラミックス材１　を、厚さ３０〜３００　μｍ　好ま
しくは５０〜１５０　μｍ　の金属箔２，３　からなる
袋状の容器８　の中に収納する。この容器８　は、基本
的に金属箔２，３　を２枚重ねて、もしくは１枚の箔を
折り曲げて、一方だけ開口するように、溶接により形成
したものである。

【００１５】溶接法としては、ＹＡＧなどのレーザ溶接
、シーム溶接、ＴＩＧ溶接、あるいはエレクトロンビー
ム溶接が適している。図の例では、重ね溶接構造を示し
ており、破線部分が溶接線８Ａであって完全に気密に溶
接されていることが必須要件である。次の工程で内部を
外部に対し気密に封着するが、この封着の際に内部を真
空引きしない場合には、内部の残存空気や湿気がクラッ
ド時の接合状態を不完全にするので、内部にセラミック
ス材１　および金属箔２，３　と反応しないゲッター材
９　を入れておくことが推奨される。この時、このゲッ
ター材９　は、容器内でＨＩＰ処理後、切断して除去す
るような部位に入れておくことは言うまでもない。

【００１６】ゲッター材９　としては、Ｚｒ，Ｔｉなど
形態としては、箔を用いることが容器形状の観点および
効率から好ましい。セラミックス材１および必要に応じ
ゲッター材９　を容器８　内にセットした後、開口部を
他の部分と同様の方法で溶接により封着する。この溶接
は、真空中で行なうことが最善であるが、ＴＩＧ溶接の
ように真空中での溶接が困難な場合には、容器内部のみ
を真空引きするための脱気管を付与して脱気するか、ゲ
ッター材９　の使用が好ましい。

【００１７】封着後、全体をＨＩＰ装置中に入れて、加
圧、加熱して金属箔２，３　を母材であるセラミックス
材１　に密着せしめると同時にＨＩＰ接合される。ここ
で、図１の符号ＦがＨＩＰ処理中の等方圧を示し、金属
箔２，３　は厚みが３０〜３００　μｍ　であるので、
セラミックス材１　の外表面になじみ易くＨＩＰ接合を
十分に確保する。又、金属箔２，３　は通常、圧延にて
製作したものを用いるが厚み３０μｍ　以上であると圧
延中に生じるピンホール等もなく有利となる。

【００１８】所定のＨＩＰ処理後において、温度、圧力
を下げて、ＨＩＰ装置が取り出せば、セラミックス板１
　は金属箔２，３　でクラッドされ、かつ、この金属箔
２，３　は残留引張応力を保持しており、逆に内部のセ
ラミックス材１　には残留圧縮応力が保持されている。 ＨＩＰ処理温度・圧力のパターンは非常に重要で、元の
金属箔が室温近傍で十分な延性をもっている場合には、
圧力をある程度先に上げてから昇温するパターンで操業
することが好ましい。

【００１９】すなわち、室温近傍での加圧時点で、金属
箔２，３　は塑性変形して、細部を除いて密着し、外部
から圧力が加わっているため、次の加熱過程でセラミッ
クス材１などに吸着していたガス・水分が気化して内圧
を発生しても、ほとんど密着状態が損れない。また降温
、降圧工程では、とくに降温速度を余り速くしないこと
が重要で、金属箔２，３　の再結晶温度以下になるまで
は、２００　℃／ｈｒ以下とすることが好ましい。この
ように降温速度を抑えることにより、高温時に発生した
温度の残留応力は、クリープ現象によりその量が減少し
、適度な残留応力のみが残るようにすることが可能であ
る。

【００２０】ＨＩＰ処理後、金属箔２，３　の不要部分
を切断除去し、また必要に応じ、表面を研磨加工などし
て製品を得る。金属箔２，３　の厚みが３００　μｍ　
以下であるのでハサミ等で切断除去することも容易であ
る。また、図２に示す製品の製造はセラミックス材１　
とともに、最初に金属部材４　をセットしておいて、複
合化することも、製品の形状によって採択することがで
きる。この場合、最後に穴などの加工を加えて最終製品
ができあがる。

【００２１】ここで３０〜３００　μｍ　の金属箔でク
ラッドする理由は下記の通りである。ＨＩＰ後のセラミ
ックスと金属箔の間の熱応力に起因する残留応力があま
り大きくなると、セラミックスは壊れてしまうので金属
箔はある程度の応力以上になったら塑性変形してこの応
力を緩和してくれることが必要でこのためには、あまり
厚いものは平均的な応力が小さくなって塑性変形してく
れないため好ましくないと言えるからである。

【００２２】実際には、本発明による製品の製造には、
製品の寸法、箔の厚さ、セラミックス材の材質、箔の材
質が大きく関与する。これらの組合せによっては、箔の
残留応力が大きくなりすぎて、裂けたり、内部のセラミ
ックスが割れることも生じる。このような場合には、セ
ラミックスと箔の間に、金属製のインサート材を挿入す
ることも必要である。この場合、インサート材は、厚さ
が箔と同等以下で、熱膨張係数がセラミックス板の材料
に近いものを選定することが好ましい。

【００２３】本発明による製品の材料の組合せとＨＩＰ
条件を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【発明の効果】本発明により、従来セラミックス単独で
は、衝撃力による割れの問題や、金属部材との結合が困
難であった部材の製造の問題が解消され、従来以上にセ
ラミックスの工業的な利用が推進されるなど産業上大き
な寄与が期待される。具体的には下記の通りである。

【００２５】１）従来の方法では被覆が困難な合金のク
ラッドが可能である。代表的な例として、ステンレスや
Ｔｉ−６Ａｌ−４ｖ　合金があげられる。 ２）残留応力は、クラッド材料（金属箔）に引張応力、
母材のセラミックスに圧縮応力として残留しており、セ
ラミックスの引張りに弱く圧縮に強いという特徴を活か
した構造となる。

【００２６】３）無電解メッキ（Ｎｉなど）　では付与
できるクラッド材料が限定され、かつピンホールなどの
欠陥を含み易く、かつ接合強度が低いのに対し、本発明
は、これら全ての欠点が解消される。 ４）スパッタリング、蒸着などで３０〜３００　μｍ　
のクラッドを付与するには数日以上の時間を要し現実に
はこのような厚いクラッドをこれらの方法で行う事は希
であり、生産性がよくない。また、接合強度もあまり高
くないのに対し、本発明では、これらの欠点が解消され
る。

【００２７】５）メタライズ法では付与しうるクラッド
材料が限定される（Ｃｕ，Ｍｎ　ｅｔｃ）　。 ６）溶射では基本的にポーラスなクラッド層しか付与し
えず、本発明のような良質なクラッド層は得られない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造工程を示す図である。

【図２】本発明製品の第１実施例を示す斜視図である。

【図３】本発明製品の第２実施例を示す斜視図である。

【図４】本発明製品の第３実施例を示す斜視図である。

【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１　　セラミックス材 ２　　金属箔 ３　　金属箔 ８　　容器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　セラミックス焼結体の外表面を厚さ３
   ０〜３００　μｍ　の金属箔でクラッドしかつＨＩＰ接
   合して成り、ＨＩＰ処理により発生した金属箔中の引張
   り応力が前記金属箔に残留していることを特徴とする金
   属箔クラッドセラミックス製品。
2. 【請求項２】　　セラミックス材を、厚さ３０〜３００
   　μｍ　の金属箔で形成した容器中に配置し、該容器中
   を外部に対して気密に封着した後、前記金属箔の再結晶
   温度以上の温度でＨＩＰ処理することでセラミックス材
   の表面に金属箔をクラッドした状態でＨＩＰ接合し、Ｈ
   ＩＰ処理により発生した金属箔中の引張り応力が前記金
   属箔に残留していることを特徴とする金属箔クラッドセ
   ラミックス製品の製造方法。