JPH06107473A - セラミック体の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミックの接合を簡便に行うことができる
ようにする。 【構成】 セラミック体と相手部材との接合面の間にろ
う材を介在させ、大気中においてろう材に対して直接あ
るいは間接的に加熱する。そして、昇温・降温の程度は
接合体に熱応力に伴う割れを生じない速度で行われる。
このように、接合体を緩速加熱することで極端な温度差
の発生が防がれ、接合体には良好な接合状況が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、セラミック体同士あ
るいはセラミック体と金属体との接合方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素等のセラミックは機械的強度、
耐熱性等に優れることから、従来より構造材としての利
用に期待がもたれてきた。しかしながら、現状では未だ
十分に活用されているとは言い難い。その一つの理由と
しては、接合の困難性が挙げられる。現状の接合方法と
しては、セラミック体同士の接合であれば、接合対象と
なるセラミック体と同成分のものをペースト状にして接
合面に塗布し、この後、塗布面をろう材を介して突き合
わせて電気炉等を用いて焼成する方法、あるいはセラミ
ックの助材あるいは粒界成分と反応するガラス質をペー
スト状にして塗布し、同様にして焼成する方法等が知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック同士の接合は真空中での作業が多く、真空状態の実
現のための装置を要する。また、ペーストの塗布といっ
た前処理が必要であり、さらには真空状態に移行するま
での時間が比較的長いことを考えると、接合作業全体が
きわめて煩雑であり、非効率的なものとなっている。

【０００４】簡便に接合を行うための手法としては、金
属体同士の場合のようなアーク溶接による方法も考えら
れないではないが、アーク溶接はセラミック同士あるい
はセラミックと金属体との接合には不適である。セラミ
ックの接合に際してアーク溶接を行ったのでは、サーマ
ルショックにより破損してしまうことがあるためであ
る。つまり、アーク溶接のように瞬時に高温の熱を加え
たのでは、その他の部分との間に急激な温度差が生じ、
熱応力が原因でほぼ確実に割れを生じる結果となる。

【０００５】本発明は上記した状況に鑑みて開発された
ものであり、その目的とするところはセラミック同士あ
るいはセラミックと金属とを簡便かつ良好な状態で接合
する方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の方法は、セラミック体と相手部材と
の接合面の間に、それぞれろう材を介在した状態で抵抗
発熱体を配し、この発熱体に対して通電加熱することに
より、前記セラミック体と相手部材とを大気に開放した
空間内で接合することを特徴とするものである。

【０００７】接合に際しては、まずセラミック体と相手
部材（セラミック体あるいは金属体）とを対向させると
ともに、両間にろう材と発熱体とを介在させる。この場
合のろう材としてはセラミック体と相手部材に対して活
性な金属が用いられる。そして、抵抗発熱体に対してセ
ラミックが割れないように昇温速度を制御しつつ通電が
行われ、この間にセラミック体と相手部材は共に加熱さ
れる。したがって、接合対象物は極端な温度差が生じる
ことなく、良好な温度分布状況が得られ、このためろう
材が溶融温度に達した後には熱応力による影響の少なく
かつ十分な接合強度をもった接合体が得られる。

【０００８】また、請求項２記載の方法はセラミック体
と相手部材との両者の接合すべき面を微小間隔をおいて
対向させ、かつ接合に先立ってセラミック体と相手部材
との双方の接合面の周辺部分を抵抗発熱体を用いて加熱
しておき、その後大気に開放した空間内において前記微
小間隔へ、前記セラミック体および相手部材に対して活
性な物質を溶融状態で供給して両者を融着させることを
特徴とするものである。

【０００９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、接合作業は従
来のような真空中で行われるのでなく、大気中において
行うものであるため、作業がきわめて簡単である。ま
た、発熱体に対して通電加熱を行ってろう材を溶融させ
るものであるため、アーク溶接のような瞬時の加熱方式
と異なり、比較的緩速で加熱されるため、熱応力による
割れ等の問題の解消に有効となる。

【００１０】また請求項２の発明によっても、接合面付
近を予熱しておいた状態で接合作業がなされるため、割
れ等を生じる事態が緩和される。

【００１１】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００１２】ー実施例１（図１参照）ー 本実施例ではセラミック体同士の接合を行ったものであ
る。セラミック体としては、共にＳｉＣよりなる試片が
使用された。接合にあたり、接合面を予め脱脂・洗浄し
ておき、その対向面間に抵抗加熱体としての同一組成の
セラミック体（発熱体）を介在させる。そして、この内
・外のセラミック試片の対向面相互間にろう材としての
Ｔｉ箔を介在させる。そして、全試片が密着状態を保つ
ようにして保持する。

【００１３】このまま、全試片を開放空間に設置して、
中間に配置したセラミック試片に対して通電加熱を行
う。通電中は全試片に対する被包ガスとしてアルゴンガ
ス（窒素ガスその他の不活性ガスであってもよい。）が
吹き付けられ、全試片の酸化を抑制しておく。これと同
時に、中間のセラミック試片に対して所定電圧にて通電
がなされると、ＳｉＣの抵抗発熱体としての特性によ
り、中間に配したセラミック試片は次第に発熱する。

【００１４】本実施例においては、接合温度は約１４０
０℃の設定としてある。この温度へ昇温させる速度とし
ては熱衝撃を与えないよう、ゆっくりと行う必要があ
り、本例の接合条件の場合、約５分程度をかけて当該接
合温度にまで昇温させるのが適当と思われる。このよう
に緩速加熱することで、中間のセラミック試片からの熱
伝導により外側に配された両セラミック試片も同様の速
度で加熱され、全試片に良好な温度分布が得られ、極端
な温度差を生じる箇所の発生を抑制できる。そして、約
１４００℃の接合温度に約５分間程度保持してＴｉを拡
散させ固相反応を行わせる。

【００１５】このように、接合は不活性の雰囲気中で行
われており、接合面での金属酸化物皮膜（ＳｉＯ2）の
発生が規制されているため、接合面における濡れ性が高
められている。このため、溶融されたＴｉは接合面に対
する流動性が高められ、接合面に対して均一に融着す
る。

【００１６】接合のための保持時間が経過したら、印加
電圧を徐々に低下させて全試片を徐冷する。但し、この
間も電圧低下開始直後の所定時間はアルゴンガスの吹き
付けが継続され、また降温速度もセラミック試片に割れ
を生じない程度に設定される必要がある。

【００１７】こうして、取り出されたセラミック接合体
は割れがなく、かつ良好な接合強度のものが得られる。
また、実施例１では真空雰囲気中のような閉鎖空間中で
なく、大気に開放された空間中で接合作業を行うことが
できるため、接合作業が安価に、容易かつ効率よく行う
ことができる効果が得られる。

【００１８】ー実施例２（図２参照）ー この実施例は接合すべき両セラミック試片の接合面寄り
部分を接合に先立って予熱しておき、このもとでＴＩＧ
溶接を行って接合を行うようにしたものである。セラミ
ック試片としてはＳｉＣが使用された。これらは接合す
べき相互の縁を２０mm以下の間隔にして向き合わせて保
持される。そして、両セラミック試片の接合縁寄りの位
置にそれぞれ電極を取り付け、所定電圧にて通電する。
これにより、両セラミック試片の接合縁寄りは共に所定
の幅範囲にわたって赤熱状態となる。そして、接合作業
時には少なくとも約８００℃程度に保持しておくことが
望ましい。

【００１９】ＴＩＧ溶接にあたっては、両セラミック試
片の隙間に充填金属が加えられ、充填金属としてはセラ
ミック試片に対して活性なものが選択される。例えば、
Ｔａ，Ａｌ，Ｔｉ等が有効と思われる。被包ガスはアル
ゴンガスが使用された。

【００２０】なお、接合の方式はＴＩＧ溶接に代えて次
のような方式も考えられる。例えば、溶射による方法も
有効と思われ、第３実施例と同様にセッティングされた
試片間に活性溶融金属を吹き付けることで接合が可能と
なる。この他、活性溶融金属を両試片間に流し込んで接
合することも可能である。しかし、いずれの方法もアル
ゴンガス等を用いた不活性ガス雰囲気中で実施しなけれ
ばならない。

【００２１】ー実施例３（図３参照）ー 実施例２を実施するためには、両試片がいずれも導電性
を有していることが前提となっていたが、この例によれ
ば少なくともいずれか一方にしか導電性がないものにつ
いても接合が可能となる。すなわち、セラミック試片と
しては例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が使用され、これら
を上記したのと同様な隙間（少なくとも２０mm以下）を
保有して向き合わせるとともに、この隙間の下面におい
て両試片に同幅ずつ重なるようにして発熱体をセットし
ておく。発熱体はＳｉＣよりなる板状に成形されたもの
が使用され、この両端に電極を取り付けて少なくとも約
８００℃に至るまで通電加熱を行う。これにより、発熱
体は赤熱されこれに接触する両セラミック試片が徐々に
加熱される。

【００２２】このようにして接合すべきセラミック試片
の接合縁寄りの部分を予熱しておいた後、前記したよう
なＴＩＧ溶接、溶射、溶湯の流し込みを不活性雰囲気中
で行うことにより、接合が完了する。このような方法に
よれば、セラミック試片の導電性の有無を問わず接合が
可能となる。

【００２３】ー実施例４（図４参照）ー 実施例４以降はセラミックー金属間の接合方法を示すも
のであり、この場合にはセラミックと金属との熱膨張率
の差に基づく熱応力を低減させる必要があるため、接合
時には緩衝材を介在させる等の手段が講じられる。

【００２４】すなわち、実施例４のものにおいてはセラ
ミック試片としてＳｉ3Ｎ4が、金属試片としてはＦｅ基
合金（例えば、コバール）が使用された。接合に際して
はこれら接合すべき試片の中間の熱膨張率を有するＭｏ
が、緩衝材として両間に配され、さらに緩衝材（Ｍｏ）
の両側には発熱体としてのＳｉＣがそれぞれ介在され
る。但し、この発熱体においてＳｉ3Ｎ4と対向する側に
配されたものの両面にはＴｉが、またＦｅ基合金と対向
する側に配されたものの両面にはＡｇーＣｕーＴｉ（融
点約７８０℃）がそれぞれろう材として蒸着されてい
る。そして、接合時には発熱体に対して電極が接続さ
れ、所定電圧にて通電加熱がなされる。これにより、ろ
う材が溶融して接合が完了する。 ー実施例５（図５参照）ー この実施例ではセラミック試片としてＳｉＣが、金属試
片としてはＮｉ基合金（例えば、インコネル７１３Ｃ）
によりそれぞれ板状に成形されたものが使用された。そ
して、緩衝材としてはＭｏよりなる板材が中間に配され
る。但し、Ｍｏ表面にはＣｕ成分がスパッタリングある
いは蒸着されている。

【００２５】接合にあたっては、緩衝材（Ｍｏ）とセラ
ミック試片の下面には発熱体（ＳｉＣ）が敷かれ、電極
が取り付けられる。そして通電加熱によって、発熱体を
赤熱しセラミック試片、金属試片のそれぞれの接合面付
近を約８００℃程度に予熱しておく。この後は、実施例
２で説明したようにしてＴＩＧ溶接、溶湯の流し込み等
によって接合がなされる。 ー実施例６（図６参照）ー この実施例においては、セラミック試片としてはＳｉ3
Ｎ4が、金属試片としてはＭｏがそれぞれ使用された。
接合に際しては、両間に抵抗加熱体としてのセラミック
体（ＳｉＣ）が介在され、ろう材にはチタンを表面に蒸
着した銀ろう箔（ＡｇーＣｕーＴｉ）が使用された。但
し、このろう材の融点は約７８０℃である。また、接合
は大気中において全体に照射されたアルゴンガスの雰囲
気中で行われる点は既述した実施例と同様である。な
お、実施例１のものにおいて、中間のセラミック試片の
両接合面を弗酸により化学エッチングを行い、このよう
な表面処理を施すことにより金属成分を優先的に溶融し
てこの部分の電気抵抗を高め、もって接合部近傍を集中
的に加熱させるようにすることも可能である。これによ
り、省電力化が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の接合方法を示す概念図

【図２】実施例２の接合方法を示す概念図

【図３】実施例３の接合方法を示す概念図

【図４】実施例４の接合方法を示す概念図

【図５】実施例５の接合方法を示す概念図

【図６】実施例６の接合方法を示す概念図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック体と相手部材との接合面の間
   に、それぞれろう材を介在した状態で抵抗発熱体を配
   し、この発熱体に対して通電加熱することにより、前記
   セラミック体と相手部材とを大気に開放した空間内で接
   合することを特徴とするセラミック体の接合方法。
2. 【請求項２】 セラミック体と相手部材との両者の接合
   すべき面を微小間隔をおいて対向させ、かつ接合に先立
   ってセラミック体と相手部材との双方の接合面の周辺部
   分を抵抗発熱体を用いて加熱しておき、その後大気に開
   放した空間内において前記微小間隔へ、前記セラミック
   体および相手部材に対して活性な物質を溶融状態で供給
   してセラミック体と相手部材とを融着させることを特徴
   とするセラミック体の接合方法。