JPH04349176A - Method for joining silicon nitride-sialon ceramics and metal - Google Patents
Method for joining silicon nitride-sialon ceramics and metalInfo
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Abstract
Description
【０００１】0001
【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素・サイアロン
系セラミックスと金属との接合体の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a bonded body of silicon nitride/sialon ceramics and metal.
【０００２】0002
【従来の技術】セラミックスは、金属に比べすぐれた耐
熱性・耐摩耗性・耐蝕性を有するが、低靭性・難加工性
という欠点も有する。このため、セラミックス単独で使
用されることは少なく、耐熱性・耐摩耗性・耐蝕性など
の必要特性を要求される部分にのみセラミックスを使用
し、靭性・加工性を要求される部分は金属とする、セラ
ミックス−金属接合体の形で使用されることがほとんど
である。セラミックス−金属接合体は、一般に拡散接合
法またはろう付け法により製造されるが、セラミックス
は金属との反応性に乏しいため、直接接合することは一
般に困難である。このため、セラミックスとの反応性に
富むチタン等の活性金属を添加した銀−銅−チタン系、
銅−チタン系等の母材金属より融点の低い合金をセラミ
ックス表面に液相または固相拡散で被覆し、セラミック
スとの密着性にすぐれたメタライズ層を形成し、該メタ
ライズ層を介してセラミックスと金属とを接合するか、
または活性金属層をセラミックスと金属との中間に挿入
し、セラミックスと金属とを接合する、活性金属法とよ
ばれる、セラミックス−金属接合体の製造方法が実用化
されている。2. Description of the Related Art Ceramics have superior heat resistance, wear resistance, and corrosion resistance compared to metals, but they also have the drawbacks of low toughness and difficulty in machining. For this reason, ceramics are rarely used alone; ceramics are used only in areas that require necessary properties such as heat resistance, wear resistance, and corrosion resistance, and metals are used in areas that require toughness and workability. It is mostly used in the form of a ceramic-metal bonded body. A ceramic-metal bonded body is generally manufactured by a diffusion bonding method or a brazing method, but since ceramics have poor reactivity with metals, it is generally difficult to bond them directly. For this reason, silver-copper-titanium systems containing active metals such as titanium, which are highly reactive with ceramics,
An alloy with a lower melting point than the base metal, such as copper-titanium, is coated on the ceramic surface by liquid phase or solid phase diffusion to form a metallized layer with excellent adhesion to the ceramic, and the metallized layer is bonded to the ceramic through the metallized layer. Join metal or
Alternatively, a method for manufacturing a ceramic-metal bonded body called the active metal method has been put into practical use, in which an active metal layer is inserted between the ceramic and the metal to bond the ceramic and the metal.
【０００３】セラミックスは、アルミナ系、ジルコニア
系、炭化珪素系、窒化珪素・サイアロン系に大別される
が、耐熱性・耐摩耗性・耐蝕性を要求される構造部材と
して使用されるのは、高温強さおよび破壊靭性にすぐれ
た窒化珪素・サイアロン系であることが多い。窒化珪素
・サイアロン系は、すぐれた特性を有しているが、金属
との反応性に乏しく酸化物系セラミックスに比べ、金属
との接合はより困難である。活性金属法は、窒化珪素・
サイアロン系でも金属と強固に接合できるすぐれた方法
であるが、活性金属層の融点が母材金属より低いため、
高温では接合体の接合強さは活性金属層自体の高温強さ
に支配されるようになる。[0003] Ceramics are broadly classified into alumina-based, zirconia-based, silicon carbide-based, and silicon nitride/sialon-based ceramics, but the ones used as structural members that require heat resistance, wear resistance, and corrosion resistance are: It is often made of silicon nitride/sialon, which has excellent high-temperature strength and fracture toughness. Although silicon nitride/sialon-based materials have excellent properties, they have poor reactivity with metals and are more difficult to bond with metals than oxide-based ceramics. The active metal method uses silicon nitride and
This is an excellent method for firmly bonding sialon-based metals, but since the melting point of the active metal layer is lower than that of the base metal,
At high temperatures, the bonding strength of the bonded body becomes dominated by the high temperature strength of the active metal layer itself.
【０００４】耐熱性を向上させるためには、より融点の
高い活性金属を用いればよいが、液相または固相拡散で
接合するためには、活性金属の融点または固相拡散温度
以上の高温での接合が必要となる。より高温でのセラミ
ックスと金属との接合は、両者の熱膨張係数差により生
じる接合後の冷却時に発生するセラミックスの内部残留
応力を大きくし、セラミックスに亀裂や割れが発生する
可能性が大きくなり、セラミックスと金属との中間に軟
質金属等の中間層を挿入したとしても、セラミックスの
残留応力を十分に緩和することはできなくなり、実用上
は限界がある。特に、窒化珪素・サイアロン系では熱膨
張係数が３〜４×１０−６／℃と、アルミナ系の８×１
０−６／℃の半分以下であり、健全な接合体の製作はよ
り一層困難となる。このため、活性金属法によるセラミ
ックス−金属接合体の耐熱性は、耐熱性を室温での強さ
を保ち得る温度と定義すると、銀−銅−チタン系では３
００℃、銅−チタン系では６００℃程度である。In order to improve heat resistance, an active metal with a higher melting point can be used, but in order to bond by liquid phase or solid phase diffusion, it is necessary to use a high temperature above the melting point or solid phase diffusion temperature of the active metal. It is necessary to join. Bonding ceramics and metals at higher temperatures increases the internal residual stress in the ceramics that occurs during cooling after bonding due to the difference in their thermal expansion coefficients, increasing the possibility that cracks and fractures will occur in the ceramics. Even if an intermediate layer such as a soft metal is inserted between the ceramic and the metal, the residual stress of the ceramic cannot be sufficiently alleviated, and there is a practical limit. In particular, silicon nitride/sialon type has a thermal expansion coefficient of 3 to 4 x 10-6/℃, and alumina type has a thermal expansion coefficient of 8 x 1
This is less than half of 0-6/°C, making it even more difficult to produce a healthy joined body. Therefore, if heat resistance is defined as the temperature at which the ceramic-metal bonded body produced by the active metal method can maintain its strength at room temperature, the heat resistance of the ceramic-metal bonded body made by the active metal method is 3.
00°C, and about 600°C for copper-titanium systems.
【０００５】活性金属法以外の接合法は種々提案されて
いるが、活性金属法と同等またはそれ以下の接合温度で
接合強さが大きくかつ耐熱性も有する接合法はまだ実用
化されていない。銀−銅−チタン系、銅−チタン等の活
性金属より融点の高い金属を、蒸着等によりセラミック
ス表面に被覆する方法も研究されているが、セラミック
スとの反応が十分でないため、十分な接合強さは得られ
ていない。セラミックス−金属接合技術において、強固
なメタライズ層を形成させる方法として、特開平０２−
１４５４８５号公報では、窒化アルミニウムの表面にチ
タンを蒸着しながら窒素イオンを注入し、ホットプレス
により窒化アルミニウム−モリブデン接合体を製作する
方法を提案し、特開平０２−１４５４８６号公報では、
アルミナの表面にニオブを蒸着しながら不活性ガスイオ
ンを注入し、ホットプレスによりアルミナ−ニオブ接合
体を製作する方法を提案している。Although various bonding methods other than the active metal method have been proposed, a bonding method that has high bonding strength and heat resistance at a bonding temperature equal to or lower than that of the active metal method has not yet been put into practical use. Research has also been conducted on coating ceramic surfaces with metals with higher melting points than active metals, such as silver-copper-titanium and copper-titanium, by vapor deposition, but the reaction with the ceramics is insufficient, so it is difficult to achieve sufficient bonding strength. Sa is not obtained. As a method for forming a strong metallized layer in ceramic-metal bonding technology, Japanese Patent Application Laid-open No. 2002-02-
145485 proposes a method of manufacturing an aluminum nitride-molybdenum bonded body by hot pressing, by implanting nitrogen ions while vapor depositing titanium on the surface of aluminum nitride, and in JP-A-02-145486,
We are proposing a method to fabricate an alumina-niobium bonded body by hot pressing, injecting inert gas ions while depositing niobium onto the surface of alumina.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】特開平０２−１４５４
８５号公報および特開平０２−１４５４８６号公報は、
主に電磁気材料として使用される窒化アルミニウムおよ
びアルミナのメタライズ方法に関するものであり、構造
部材としてのセラミックス、特に窒化珪素・サイアロン
系セラミックスと金属との耐熱接合技術に関する知見を
提供するものではない。[Problem to be solved by the invention] JP-A-02-1454
No. 85 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 02-145486,
This book mainly concerns methods for metallizing aluminum nitride and alumina, which are used as electromagnetic materials, and does not provide knowledge about heat-resistant bonding techniques for ceramics as structural members, especially silicon nitride/sialon ceramics, and metals.
【０００７】本発明者等は、構造部材としては最も耐熱
性・耐摩耗性・耐蝕性にすぐれている窒化珪素・サイア
ロン系を対象に、融点の高い金属をセラミックス表面に
強固に密着させるメタライズ方法および該メタライズ層
を介してセラミックスと金属とを接合し、常温から接合
温度に近い高温まで接合強さが低下しないセラミックス
−金属接合体を製造する技術を開発するため、広範な研
究をおこない、従来技術では不可能であった常温から接
合温度に近い高温まで接合強さが低下しない、セラミッ
クスと金属との接合方法を発明した。[0007] The present inventors have developed a metallization method for firmly adhering a metal with a high melting point to the ceramic surface, targeting silicon nitride/sialon, which has the highest heat resistance, wear resistance, and corrosion resistance as a structural member. In order to develop a technology for bonding ceramics and metals through the metallized layer and manufacturing a ceramic-metal bonded body whose bonding strength does not decrease from room temperature to high temperatures close to the bonding temperature, we conducted extensive research and We have invented a method for joining ceramics and metals that does not reduce the joining strength from room temperature to high temperatures close to the joining temperature, which was impossible with technology.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、窒化珪素・サ
イアロン系セラミックスと金属との接合体において、活
性金属法と同等または以下の温度での接合が可能であり
、かつ常温から接合温度に近い高温まで接合強さが低下
しないセラミックス−金属接合体を製造することを目的
としてなされたものであり、窒化珪素・サイアロン系セ
ラミックスの表面に、金属を蒸着しながら不活性ガスイ
オンを注入することによりメタライズ層を形成し、該メ
タライズ層を介してセラミックスと金属とを接合するこ
とを特徴とする窒化珪素・サイアロン系セラミックスと
金属との接合方法であり、上記蒸着金属としてチタン、
ジルコニウム、ハフニウム、ニッケルを用いることがで
きる。[Means for Solving the Problems] The present invention enables bonding of silicon nitride/Sialon ceramics and metals at a temperature equal to or lower than that of the active metal method, and which can reduce the temperature from room temperature to bonding temperature. This method was developed with the aim of producing a ceramic-metal bonded body whose bonding strength does not deteriorate even at near high temperatures, and involves injecting inert gas ions into the surface of silicon nitride/sialon ceramics while depositing metal. This is a method for joining silicon nitride/sialon ceramics and metal, which is characterized by forming a metallized layer and joining the ceramic and metal via the metallized layer, and the vapor-deposited metal is titanium,
Zirconium, hafnium, and nickel can be used.
【０００９】[0009]
【作用】本発明によるセラミックス−金属接合体を図１
に示す。図１（ａ）は、窒化珪素・サイアロン系セラミ
ックス１の表面にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、
ニッケルのいずれかを蒸着しながら不活性ガスイオンを
注入する、いわゆるイオンビームミキシング処理をほど
こすことにより、セラミックスと密着力の大きいメタラ
イズ層３を形成させ、該メタライズ層を介してセラミッ
クスと金属２とを拡散接合して製造したセラミックス−
金属接合体である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の接合体
において、セラミックスの内部残留応力を緩和するため
に、中間層４をセラミックスと金属との中間に挿入し拡
散接合して製造したセラミックス−金属接合体である。[Function] Fig. 1 shows the ceramic-metal bonded body according to the present invention.
Shown below. Figure 1(a) shows titanium, zirconium, hafnium, etc. on the surface of silicon nitride/sialon ceramics 1.
By performing a so-called ion beam mixing process in which inert gas ions are implanted while evaporating either nickel, a metallized layer 3 with strong adhesion to the ceramic is formed, and the ceramic and metal 2 are bonded through the metallized layer. Ceramics manufactured by diffusion bonding
It is a metal joint. FIG. 1(b) shows a ceramic-metal bonded body produced by inserting an intermediate layer 4 between the ceramic and metal and diffusion bonding the bonded body of FIG. 1(a) to relieve the internal residual stress of the ceramic. It is a zygote.
【００１０】本発明によるセラミックス−金属接合体は
、拡散接合法による製造方法について主として研究して
いるが、ろう材層を、図１（ａ）においては、メタライ
ズ層と金属との中間、図１（ｂ）においては、メタライ
ズ層と中間層、および中間層と金属との中間に挿入すれ
ば、ろう付け法により接合体を製造することは可能であ
る。また、図１（ｂ）において、残留応力を緩和するた
めに挿入する中間層は、単層のみならず複数層としたり
、メッシュ状とするなど、接合体の使用条件に応じた最
適な残留応力緩和法と組み合わせることができる。[0010] The ceramic-metal bonded body according to the present invention has been mainly researched on a manufacturing method using a diffusion bonding method. In (b), if it is inserted between the metallized layer and the intermediate layer, and between the intermediate layer and the metal, it is possible to manufacture a joined body by a brazing method. In addition, in Fig. 1(b), the intermediate layer inserted to alleviate residual stress may be not only a single layer but also multiple layers, or a mesh shape, etc., to optimize the residual stress depending on the usage conditions of the bonded body. Can be combined with relaxation method.
【００１１】以下に本発明によるセラミックス−金属接
合体の特徴を試験結果にもとづき述べる。常温から高温
までの接合強さを測定するために製造したセラミックス
−金属接合体を、図２（ａ）に示す。セラミックス１と
してはサイアロン、金属２としてはニッケル、メタライ
ズ金属３としては、活性が高いチタン、ジルコニウム、
ハフニウム、ニッケル、クロムを選定した。サイアロン
の大きさは２０ｍｍ×２０ｍｍ×長さ２５ｍｍ、ニッケ
ルは２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚み１ｍｍの箔である。サイ
アロンの接合面は、あらかじめ所定の金属の蒸着と不活
性ガスイオンの注入とを組み合わせたイオンビームミキ
シング処理をおこない種々のメタライズ層を形成させた
。また比較のため、蒸着処理のみ、およびイオンビーム
ミキシング後蒸着処理したメタライズ層も形成させた。
接合面にメタライズ層を形成させた１対のサイアロン間
にニッケル箔を挿入し真空中で加熱加圧することにより
、図２（ａ）に示す接合体を製造した。The characteristics of the ceramic-metal bonded body according to the present invention will be described below based on test results. A ceramic-metal bonded body manufactured to measure bonding strength from room temperature to high temperature is shown in FIG. 2(a). The ceramic 1 is SiAlON, the metal 2 is nickel, and the metallized metal 3 is titanium, zirconium,
We selected hafnium, nickel, and chromium. The size of Sialon is 20 mm x 20 mm x 25 mm in length, and the nickel is a foil of 20 mm x 20 mm x 1 mm thickness. Various metallized layers were formed on the bonding surface of Sialon by performing an ion beam mixing process that combines vapor deposition of a predetermined metal and implantation of inert gas ions in advance. For comparison, metallized layers were also formed using only vapor deposition treatment and after ion beam mixing and then vapor deposition treatment. The bonded body shown in FIG. 2(a) was manufactured by inserting a nickel foil between a pair of sialons having a metallized layer formed on their bonding surfaces and heating and pressurizing them in a vacuum.
【００１２】本研究に使用したイオンビームミキシング
装置の概略を図４に示す。試料ホルダー５にセラミック
ス試料６を取付け、真空ポンプ７で真空チャンバー８内
を１０−５Ｔｏｒｒ以下の高真空にした後、所定の金属
をいれた蒸発器９を蒸発器電源１０で加熱し金属蒸気１
１を発生させ、試料に蒸着させながら、イオン発生用電
源１２で通電されたイオン発生装置１３に、イオン化す
るガス１４をガスコントローラー１５で制御しながら供
給し、発生したイオンビーム１６を試料の表面に照射す
ることにより、試料表面に金属を蒸着させながら不活性
ガスイオンを注入したメタライズ層を形成させる。イオ
ンビームを照射しないことにより蒸着処理のみのメタラ
イズ層も形成できる。不活性ガスとしては、アルゴンガ
スを使用した。イオン注入の条件は、各種条件でメタラ
イズ層を形成し、それぞれの蒸着金属について最も安定
したメタライズ層が形成できる条件で処理をおこなった
。セラミックスの金属との接合試験の結果を表１に示す
。接合温度は、活性金属法と同等または以下の９００℃
を基準とした。加圧力は８ＭＰａ 、保持時間は３０分
である。FIG. 4 shows a schematic diagram of the ion beam mixing device used in this study. After attaching the ceramic sample 6 to the sample holder 5 and making the inside of the vacuum chamber 8 a high vacuum of 10-5 Torr or less with the vacuum pump 7, the evaporator 9 containing a predetermined metal is heated with the evaporator power supply 10 to produce metal vapor 1.
The ionizing gas 14 is supplied to the ion generator 13 energized by the ion generation power supply 12 while being controlled by the gas controller 15, and the generated ion beam 16 is directed onto the surface of the sample. By irradiating the surface of the sample, a metallized layer is formed by injecting inert gas ions while depositing metal on the surface of the sample. By not irradiating with an ion beam, a metallized layer can also be formed using only vapor deposition treatment. Argon gas was used as the inert gas. Regarding the ion implantation conditions, the metallized layer was formed under various conditions, and the treatment was performed under conditions that allowed the formation of the most stable metallized layer for each vapor-deposited metal. Table 1 shows the results of the ceramic-to-metal bonding test. The bonding temperature is 900℃, which is equal to or lower than the active metal method.
was the standard. The applied pressure was 8 MPa and the holding time was 30 minutes.
【００１３】[0013]
【表１】
接合できた接合体は、常温から高温までの接合強さを測
定するため、図２（ｂ）に示す断面が幅４ｍｍ×高さ２
ｍｍ×長さ５０ｍｍの曲げ試験片を切り出し加工し、真
空中で常温から高温までの４点曲げ試験をおこなった。
常温から８００℃までの曲げ試験の結果を図３に示す。
接合試験および曲げ試験結果から以下の知見が得られた
。
（１）メタライズした金属のなかで最も活性の高いチタ
ンは、イオン注入の有無にかかわらず９００℃で接合す
るが、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケルは、蒸着の
みでイオン注入をしないと９００℃では接合しない。こ
れはイオン注入を併用することにより蒸着金属が活性化
し低い接合温度でも元素が拡散しやすくなるためである
と考えられる。ニッケルは、曲げ試験片製作中に破断し
たため、曲げ強さの測定はできなかったが、イオンビー
ムミキシング処理をしたメタライズ層の方が、より高温
の１，０５０℃で接合させた蒸着処理したメタライズ層
より明らかに接合状態は良好であった。クロムは、イオ
ン注入の有無にかかわらず接合しなかった。
（２）チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかを
、イオンビームミキシング処理して形成させたメタライ
ズ層を介して製造した接合体の接合強さは、常温から接
合温度の９００℃に近い８００℃までほぼ一定であり、
かつ１００ＭＰａ程度と実用上十分な接合強さを有する
。一方、チタンの蒸着処理のみ、ハフニウムのイオンミ
キシング後蒸着処理したメタライズ層では、高温では接
合強さが低下する。これは、イオンミキシング処理によ
り密着力の大きいメタライズ層が形成されているためで
あると考えられる。[Table 1] In order to measure the bonding strength from room temperature to high temperature, the cross section of the bonded body shown in Fig. 2(b) is 4 mm wide x 2 mm high.
A bending test piece measuring 50 mm x 50 mm was cut out and subjected to a 4-point bending test from room temperature to high temperature in vacuum. Figure 3 shows the results of the bending test from room temperature to 800°C. The following findings were obtained from the bonding test and bending test results. (1) Titanium, which has the highest activity among metallized metals, bonds at 900°C with or without ion implantation, but zirconium, hafnium, and nickel do not bond at 900°C unless ion implantation is performed by vapor deposition only. . This is thought to be because the combined use of ion implantation activates the deposited metal, making it easier for elements to diffuse even at low junction temperatures. The nickel fractured during the fabrication of the bending test piece, so it was not possible to measure the bending strength, but the metallized layer treated with ion beam mixing was better than the metalized layer bonded by vapor deposition, which was bonded at a higher temperature of 1,050°C. The bonding state was clearly better than the layers. Chromium did not bond with or without ion implantation. (2) The bonding strength of a bonded body manufactured using a metallized layer formed by ion beam mixing of titanium, zirconium, or hafnium is approximately from room temperature to 800℃, which is close to the bonding temperature of 900℃. constant,
It also has a bonding strength of about 100 MPa, which is sufficient for practical use. On the other hand, in a metallized layer that is subjected to titanium vapor deposition only and hafnium ion mixing followed by vapor deposition, the bonding strength decreases at high temperatures. This is considered to be because a metallized layer with high adhesion is formed by the ion mixing process.
【００１４】以上の知見から、本発明によれば、窒化珪
素・サイアロン系セラミックスと金属との接合体におい
て、活性金属法と同等または以下の温度で接合すること
が可能であり、かつ常温から接合温度に近い高温まで接
合強さが低下しないセラミックス−金属体を製造できる
ことが実験的に確認できた。From the above findings, according to the present invention, it is possible to bond silicon nitride/sialon ceramics and metal at a temperature equal to or lower than that of the active metal method, and it is possible to bond from room temperature. It has been experimentally confirmed that it is possible to produce a ceramic-metal body whose bonding strength does not decrease even at high temperatures close to that of the present invention.
【００１５】本試験では、金属としてニッケルを選定し
ているが、セラミックスのメタライズ層は金属と同等の
性質を有しており、かつ金属と金属との接合はセラミッ
クスと金属との接合に比べはるかに容易であることから
、金属をニッケルに限定する必要はなく、金属はメタラ
イズ層と接合できる材質であれば自由に選択できる。[0015] Although nickel was selected as the metal in this test, the metallized layer of ceramics has properties equivalent to those of metals, and the bonding between metals is far superior to the bonding between ceramics and metals. Therefore, there is no need to limit the metal to nickel, and the metal can be freely selected as long as it can be bonded to the metallized layer.
【００１６】[0016]
【発明の効果】本発明によれば、活性金属法と同等また
は以下の接合温度で窒化珪素・サイアロン系セラミック
スと金属とを接合することができるだけでなく、常温か
ら接合温度に近い高温までほぼ一定の十分な接合強さを
有するセラミックス−金属接合体を製造することができ
、工業的な効果はきわめて大きい。[Effects of the Invention] According to the present invention, it is possible not only to bond silicon nitride/sialon ceramics and metal at a bonding temperature equal to or lower than that of the active metal method, but also to maintain a constant temperature from room temperature to high temperatures close to the bonding temperature. A ceramic-metal bonded body having sufficient bonding strength can be manufactured, and the industrial effect is extremely large.
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明による接合体の構造
の断面図を示す。FIGS. 1(a) and 1(b) show cross-sectional views of the structure of a joined body according to the present invention.
【図２】（ａ）は、本発明により製作した接合体の形状
の側面図である。（ｂ）は、接合強さを測定するため（
ａ）の接合体から切出し加工した曲げ試験片の形状の説
明図である。FIG. 2(a) is a side view of the shape of a joined body manufactured according to the present invention. (b) is used to measure the bonding strength (
FIG. 3 is an explanatory diagram of the shape of a bending test piece cut out from the joined body of a).
【図３】曲げ試験による接合強さの試験結果を示す図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing test results of joint strength by bending test.
【図４】セラミックス表面にメタライズ層を形成させる
ために使用したイオンビームミキシング装置の構造を示
す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of an ion beam mixing device used to form a metallized layer on a ceramic surface.
１ 窒化珪素・サイアロン系セラミックス２
金属
３ 金属を蒸着しながら不活性ガスイオンを注入
したメタライズ層
４ 中間層
５ 試料ホルダー
６ セラミックス試料
７ 真空ポンプ
８ 真空チャンバー
９ 蒸発器
１０ 蒸発器電源
１１ 金属蒸気
１２ イオン発生用電源
１３ イオン発生装置
１４ ガス
１５ ガスコントローラー
１６ イオンビーム1 Silicon nitride/sialon ceramics 2
Metal 3 Metallized layer 4 in which inert gas ions are implanted while depositing metal Intermediate layer 5 Sample holder 6 Ceramic sample 7 Vacuum pump 8 Vacuum chamber 9 Evaporator 10 Evaporator power supply 11 Metal vapor 12 Ion generation power supply 13 Ion generator 14 Gas 15 Gas controller 16 Ion beam
Claims (2)
の表面に、金属を蒸着しながら不活性ガスイオンを注入
することによりメタライズ層を形成し、該メタライズ層
を介してセラミックスと金属とを接合することを特徴と
する窒化珪素・サイアロン系セラミックスと金属との接
合方法。Claim 1: Forming a metallized layer on the surface of silicon nitride/Sialon ceramics by injecting inert gas ions while vapor depositing metal, and bonding the ceramic and metal through the metallized layer. A method of bonding silicon nitride/sialon ceramics and metals.
フニウム、ニッケルであることを特徴とする請求項１の
窒化珪素・サイアロン系セラミックスと金属との接合方
法。2. The method of joining silicon nitride/sialon ceramics and metal according to claim 1, wherein the vapor-deposited metal is titanium, zirconium, hafnium, or nickel.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40143290A JPH04349176A (en) | 1990-12-11 | 1990-12-11 | Method for joining silicon nitride-sialon ceramics and metal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40143290A JPH04349176A (en) | 1990-12-11 | 1990-12-11 | Method for joining silicon nitride-sialon ceramics and metal |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04349176A true JPH04349176A (en) | 1992-12-03 |
Family
ID=18511259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP40143290A Pending JPH04349176A (en) | 1990-12-11 | 1990-12-11 | Method for joining silicon nitride-sialon ceramics and metal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04349176A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05117842A (en) * | 1991-10-25 | 1993-05-14 | Ulvac Japan Ltd | Method for joining of metal with ceramic |
| JP2008155245A (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Matsushita Electric Works Ltd | Joining method |
| CN114874024A (en) * | 2022-06-22 | 2022-08-09 | 衡阳凯新特种材料科技有限公司 | Composite material, manufacturing method of composite material and piston |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60235773A (en) * | 1984-05-01 | 1985-11-22 | 株式会社豊田中央研究所 | Ceramic body bonding method |
| JPS61111981A (en) * | 1984-11-05 | 1986-05-30 | 株式会社豊田中央研究所 | Method of bonding ceramic part and metal part |
| JPH02184577A (en) * | 1989-01-11 | 1990-07-19 | Hitachi Ltd | Ceramics joined member |
-
1990
- 1990-12-11 JP JP40143290A patent/JPH04349176A/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60235773A (en) * | 1984-05-01 | 1985-11-22 | 株式会社豊田中央研究所 | Ceramic body bonding method |
| JPS61111981A (en) * | 1984-11-05 | 1986-05-30 | 株式会社豊田中央研究所 | Method of bonding ceramic part and metal part |
| JPH02184577A (en) * | 1989-01-11 | 1990-07-19 | Hitachi Ltd | Ceramics joined member |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05117842A (en) * | 1991-10-25 | 1993-05-14 | Ulvac Japan Ltd | Method for joining of metal with ceramic |
| JP2008155245A (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Matsushita Electric Works Ltd | Joining method |
| CN114874024A (en) * | 2022-06-22 | 2022-08-09 | 衡阳凯新特种材料科技有限公司 | Composite material, manufacturing method of composite material and piston |
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