JPH06345554A - 窒化ケイ素セラミックス接合体及びその製造方法 - Google Patents
窒化ケイ素セラミックス接合体及びその製造方法Info
- Publication number
- JPH06345554A JPH06345554A JP16413493A JP16413493A JPH06345554A JP H06345554 A JPH06345554 A JP H06345554A JP 16413493 A JP16413493 A JP 16413493A JP 16413493 A JP16413493 A JP 16413493A JP H06345554 A JPH06345554 A JP H06345554A
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- silicon nitride
- bending strength
- stress relaxation
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 接合部の曲げ強度が高負荷の機械部品として
も使用できる４００ＭＰａ以上である窒化ケイ素と金属
材料との接合体を提供する。 【構成】 曲げ強度１３００ＭＰａ以上のＳｉ3Ｎ4焼結
体と金属材料の間にＮｉ層等の応力緩和層を介在させ、
これらを互いにロウ材によりロウ付け接合した、接合部
の曲げ強度が４００ＭＰａ以上である窒化ケイ素セラミ
ックス接合体。
も使用できる４００ＭＰａ以上である窒化ケイ素と金属
材料との接合体を提供する。 【構成】 曲げ強度１３００ＭＰａ以上のＳｉ3Ｎ4焼結
体と金属材料の間にＮｉ層等の応力緩和層を介在させ、
これらを互いにロウ材によりロウ付け接合した、接合部
の曲げ強度が４００ＭＰａ以上である窒化ケイ素セラミ
ックス接合体。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、接合強度に優れた窒化
ケイ素焼結体と金属材料との接合体、及びその製造方法
に関する。
ケイ素焼結体と金属材料との接合体、及びその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックスは金属に比べて軽量で耐摩
耗性に富み、しかも金属の耐えられない高温でも使用可
能であるため、各種の機械構造部品等として利用されて
いる。特に窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）は、室温及び高温で
の強度及び靭性が高く、耐熱衝撃性は他のセラミックス
と比較して格段に優れているため、エンジン部品等とし
ての応用が検討されている。
耗性に富み、しかも金属の耐えられない高温でも使用可
能であるため、各種の機械構造部品等として利用されて
いる。特に窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）は、室温及び高温で
の強度及び靭性が高く、耐熱衝撃性は他のセラミックス
と比較して格段に優れているため、エンジン部品等とし
ての応用が検討されている。
【０００３】窒化ケイ素等のセラミックス部品を実用化
する場合、セラミックスのコスト及び信頼性を補うため
必要でない部分は金属材料で構成するのが現実的であ
り、又現行の機械の大部分が金属材料からなることか
ら、セラミックスと金属材料との接合が重要な問題とな
る。
する場合、セラミックスのコスト及び信頼性を補うため
必要でない部分は金属材料で構成するのが現実的であ
り、又現行の機械の大部分が金属材料からなることか
ら、セラミックスと金属材料との接合が重要な問題とな
る。
【０００４】従来のセラミックスと金属材料の接合は、
セラミックスの外周部を金属材料でくわえ込む焼きばめ
法が通常であったが、加工精度等の点で問題があった。
そこで、ＣＥＲＡＭＩＣ ＢＵＬＬＥＴＩＮ，Ｖｏｌ.７
１，Ｎｏ.６，ＰＰ.９４７〜９５４，（１９９２）に記
載されるように、活性金属、ガラス、メタライズ後のロ
ウ付け等の種々の方法が試みられている。
セラミックスの外周部を金属材料でくわえ込む焼きばめ
法が通常であったが、加工精度等の点で問題があった。
そこで、ＣＥＲＡＭＩＣ ＢＵＬＬＥＴＩＮ，Ｖｏｌ.７
１，Ｎｏ.６，ＰＰ.９４７〜９５４，（１９９２）に記
載されるように、活性金属、ガラス、メタライズ後のロ
ウ付け等の種々の方法が試みられている。
【０００５】なかでも、活性金属を用いることにより金
属材料と窒化ケイ素の反応層を形成して接合する方法が
有望とされているが、接合部の強度は充分なものではな
かった。その原因は、一般の鉄系金属材料と窒化ケイ素
等の構造用セラミックスとでは熱膨張係数の差が大きい
ため、この差により発生する大きな熱応力により接合部
の強度が低下するものと考えられている。
属材料と窒化ケイ素の反応層を形成して接合する方法が
有望とされているが、接合部の強度は充分なものではな
かった。その原因は、一般の鉄系金属材料と窒化ケイ素
等の構造用セラミックスとでは熱膨張係数の差が大きい
ため、この差により発生する大きな熱応力により接合部
の強度が低下するものと考えられている。
【０００６】そこで、金属材料と窒化ケイ素との間に軟
質金属を介在させて、熱応力を緩和することが行われて
きたが、接合部の強度は曲げ強度で３００ＭＰａ程度が
限界であり、その信頼性は高いとは言えなかった。特に
高負荷の機械部品として用いる場合には、接合部の曲げ
強度が４００ＭＰａ以下では強度不足であり、焼きばめ
等を併用する必要が生じるので実用的ではなかった。こ
のため、従来の窒化ケイ素と金属材料の接合体の用途は
限定されたものであった。
質金属を介在させて、熱応力を緩和することが行われて
きたが、接合部の強度は曲げ強度で３００ＭＰａ程度が
限界であり、その信頼性は高いとは言えなかった。特に
高負荷の機械部品として用いる場合には、接合部の曲げ
強度が４００ＭＰａ以下では強度不足であり、焼きばめ
等を併用する必要が生じるので実用的ではなかった。こ
のため、従来の窒化ケイ素と金属材料の接合体の用途は
限定されたものであった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の事情に鑑み、接合部の曲げ強度が高負荷の機械部品と
しても使用できる４００ＭＰａ以上である窒化ケイ素と
金属材料との接合体を提供することを目的とする。
の事情に鑑み、接合部の曲げ強度が高負荷の機械部品と
しても使用できる４００ＭＰａ以上である窒化ケイ素と
金属材料との接合体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する窒化ケイ素セラミックス接合体
は、曲げ強度が１３００ＭＰａ以上の窒化ケイ素焼結体
と金属材料の接合体であって、窒化ケイ素焼結体と金属
材料との間に応力緩和層を介在させ、ロウ付け接合によ
り形成した接合部を有し、接合部の曲げ強度が４００Ｍ
Ｐａ以上であることを特徴とする。
め、本発明が提供する窒化ケイ素セラミックス接合体
は、曲げ強度が１３００ＭＰａ以上の窒化ケイ素焼結体
と金属材料の接合体であって、窒化ケイ素焼結体と金属
材料との間に応力緩和層を介在させ、ロウ付け接合によ
り形成した接合部を有し、接合部の曲げ強度が４００Ｍ
Ｐａ以上であることを特徴とする。
【０００９】又、本発明の窒化ケイ素セラミックス接合
体の製造方法は、曲げ強度が１３００ＭＰａ以上の窒化
ケイ素焼結体と金属材料の間に応力緩和層を介在させ、
窒化ケイ素焼結体と応力緩和層及び応力緩和層と金属材
の間を互いにロウ材によりロウ付け接合することを特徴
とする。
体の製造方法は、曲げ強度が１３００ＭＰａ以上の窒化
ケイ素焼結体と金属材料の間に応力緩和層を介在させ、
窒化ケイ素焼結体と応力緩和層及び応力緩和層と金属材
の間を互いにロウ材によりロウ付け接合することを特徴
とする。
【００１０】
【作用】本発明の窒化ケイ素セラミックス接合体は、窒
化ケイ素焼結体とステンレスのような鉄系金属等の金属
材料とをロウ付け接合した接合体であり、接合部が曲げ
強度で４００ＭＰａ以上と非常に高い強度を達成し得
る。この高い接合強度によって、焼きばめ等の他の接合
法を併用することなく、そのまま高負荷の機械部品とし
て実用に供することが可能である。
化ケイ素焼結体とステンレスのような鉄系金属等の金属
材料とをロウ付け接合した接合体であり、接合部が曲げ
強度で４００ＭＰａ以上と非常に高い強度を達成し得
る。この高い接合強度によって、焼きばめ等の他の接合
法を併用することなく、そのまま高負荷の機械部品とし
て実用に供することが可能である。
【００１１】かかる高い接合強度を達成するためには、
窒化ケイ素焼結体自体が１３００ＭＰａ以上の曲げ強度
を有する材料であることが必要である。応力緩和層は、
例えばニッケル（Ｎｉ）等の軟質金属を用い、その厚さ
は０.０２〜０.４ｍｍの範囲であることが好ましい。
窒化ケイ素焼結体自体が１３００ＭＰａ以上の曲げ強度
を有する材料であることが必要である。応力緩和層は、
例えばニッケル（Ｎｉ）等の軟質金属を用い、その厚さ
は０.０２〜０.４ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００１２】又、タングステン（Ｗ）層と、その両側に
配置した上記厚さのニッケル層とを使用することが好ま
しい。ニッケル層のほかにタングステン層を介在させる
理由は、タングステンの熱膨張係数が窒化ケイ素焼結体
と金属材料の間にあるため、両者の熱膨張係数の大きな
差を緩和させる効果があるからである。タングステン層
の厚さは０.１ｍｍ以上でなければその効果がなく、又
その厚さが厚いほど効果は大きいが、厚いほどコストも
大きくなるので２ｍｍ以下の厚さとすることが好まし
い。又、
配置した上記厚さのニッケル層とを使用することが好ま
しい。ニッケル層のほかにタングステン層を介在させる
理由は、タングステンの熱膨張係数が窒化ケイ素焼結体
と金属材料の間にあるため、両者の熱膨張係数の大きな
差を緩和させる効果があるからである。タングステン層
の厚さは０.１ｍｍ以上でなければその効果がなく、又
その厚さが厚いほど効果は大きいが、厚いほどコストも
大きくなるので２ｍｍ以下の厚さとすることが好まし
い。又、
【００１３】従来から、応力緩和層としてニッケルや銅
等の軟質金属が使用されているが、その厚さが薄い場合
には窒化ケイ素焼結体と金属材料の熱膨張係数差による
熱応力を十分に緩和できないとの理由により、通常は少
なくとも０.５〜０.６ｍｍ以上の厚さのものを使用して
いた。
等の軟質金属が使用されているが、その厚さが薄い場合
には窒化ケイ素焼結体と金属材料の熱膨張係数差による
熱応力を十分に緩和できないとの理由により、通常は少
なくとも０.５〜０.６ｍｍ以上の厚さのものを使用して
いた。
【００１４】しかし、本発明によれば、ニッケル層等の
応力緩和層は薄い方が接合部の曲げ強度が向上し、特に
０.０２〜０.４ｍｍの範囲で高い曲げ強度が得られるこ
とが判った。応力緩和層の厚さが０.４ｍｍを越えると
接合部の強度が低下するが、これはニッケル等の応力緩
和層自体の強度が低いために接合部の強度に悪影響を与
えるものと考えられる。又、応力緩和層の厚さが０.０
２ｍｍ未満では窒化ケイ素焼結体に亀裂が発生し、良好
な接合が得られない。
応力緩和層は薄い方が接合部の曲げ強度が向上し、特に
０.０２〜０.４ｍｍの範囲で高い曲げ強度が得られるこ
とが判った。応力緩和層の厚さが０.４ｍｍを越えると
接合部の強度が低下するが、これはニッケル等の応力緩
和層自体の強度が低いために接合部の強度に悪影響を与
えるものと考えられる。又、応力緩和層の厚さが０.０
２ｍｍ未満では窒化ケイ素焼結体に亀裂が発生し、良好
な接合が得られない。
【００１５】又、窒化ケイ素焼結体が１３００ＭＰａ以
上の曲げ強度を有するものでなければ、応力緩和層の厚
さが０.４ｍｍ以下に薄くなると、接合部の曲げ強度が
急激に低下する。使用するロウ材はＡｕや低温オウ材で
もよいが、高温で活性が高く、金属はもちろん窒化ケイ
素に対しても容易に反応するチタンを含むロウ材、例え
ばチタンを含む銅−銀系のロウ材が好ましい。
上の曲げ強度を有するものでなければ、応力緩和層の厚
さが０.４ｍｍ以下に薄くなると、接合部の曲げ強度が
急激に低下する。使用するロウ材はＡｕや低温オウ材で
もよいが、高温で活性が高く、金属はもちろん窒化ケイ
素に対しても容易に反応するチタンを含むロウ材、例え
ばチタンを含む銅−銀系のロウ材が好ましい。
【００１６】
【実施例】直径８.０ｍｍ及び長さ１０ｍｍのＳＵＳ３
０４材と、このＳＵＳ３０４材に接合させる同一寸法の
Ｓｉ3Ｎ4焼結体で、曲げ強度が１５００ＭＰａ、１３０
０ＭＰａ、１０００ＭＰａ、及び７００ＭＰａの４種類
のＳｉ3Ｎ4焼結体を準備した。
０４材と、このＳＵＳ３０４材に接合させる同一寸法の
Ｓｉ3Ｎ4焼結体で、曲げ強度が１５００ＭＰａ、１３０
０ＭＰａ、１０００ＭＰａ、及び７００ＭＰａの４種類
のＳｉ3Ｎ4焼結体を準備した。
【００１７】各Ｓｉ3Ｎ4焼結体とＳＵＳ３０４材の接合
面の間に、厚さ１.５ｍｍのＷ層及びその両側に厚さを
変えたＮｉ層を配置し、Ｓｉ3Ｎ4焼結体とＮｉ層及びＮ
ｉ層とＳＵＳ３０４材の間をそれぞれ２重量％のＴｉを
含むＣｕ−Ａｇ共晶ロウ材を用いて、真空中にて８３０
℃でロウ付け接合した。
面の間に、厚さ１.５ｍｍのＷ層及びその両側に厚さを
変えたＮｉ層を配置し、Ｓｉ3Ｎ4焼結体とＮｉ層及びＮ
ｉ層とＳＵＳ３０４材の間をそれぞれ２重量％のＴｉを
含むＣｕ−Ａｇ共晶ロウ材を用いて、真空中にて８３０
℃でロウ付け接合した。
【００１８】得られた各接合体における接合部の曲げ強
度を測定したところ、図１の結果を得た。曲げ強度１３
００ＭＰａ以上のＳｉ3Ｎ4焼結体を用い且つ応力緩和層
として厚さ０.４ｍｍ以下のＮｉ層を用いることによっ
て、従来にない４００ＭＰａ以上の接合部の曲げ強度が
達成されることが判る。
度を測定したところ、図１の結果を得た。曲げ強度１３
００ＭＰａ以上のＳｉ3Ｎ4焼結体を用い且つ応力緩和層
として厚さ０.４ｍｍ以下のＮｉ層を用いることによっ
て、従来にない４００ＭＰａ以上の接合部の曲げ強度が
達成されることが判る。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、接合部の曲げ強度が４
００ＭＰａ以上である窒化ケイ素と金属材料との接合体
を提供することができ、従って本発明の窒化ケイ素と金
属材料の接合体は高負荷の機械部品としても使用するこ
とが可能である。
００ＭＰａ以上である窒化ケイ素と金属材料との接合体
を提供することができ、従って本発明の窒化ケイ素と金
属材料の接合体は高負荷の機械部品としても使用するこ
とが可能である。
【図１】窒化ケイ素焼結体とＳＵＳの金属材料の接合体
において、応力緩和層であるニッケル層の厚さと接合部
の曲げ強度の関係を、窒化ケイ素焼結体の曲げ強度毎に
示したグラフである。
において、応力緩和層であるニッケル層の厚さと接合部
の曲げ強度の関係を、窒化ケイ素焼結体の曲げ強度毎に
示したグラフである。
Claims (4)
- 【請求項１】 曲げ強度が１３００ＭＰａ以上の窒化ケ
イ素焼結体と金属材料との接合体であって、窒化ケイ素
焼結体と金属材料の間に応力緩和層を介在させ、ロウ付
け接合により形成した接合部を有し、接合部の曲げ強度
が４００ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化ケイ素
セラミックス接合体。 - 【請求項２】 曲げ強度が１３００ＭＰａ以上の窒化ケ
イ素焼結体と金属材料の間に応力緩和層を介在させ、窒
化ケイ素焼結体と応力緩和層及び応力緩和層と金属材の
間を互いにロウ材によりロウ付け接合することを特徴と
する窒化ケイ素セラミックス接合体の製造方法。 - 【請求項３】 応力緩和層が厚さ０.０２〜０.４ｍｍの
ニッケル層であることを特徴とする、請求項２に記載の
窒化ケイ素セラミックス接合体の製造方法。 - 【請求項４】 厚さが０.１〜２ｍｍのタングステン層
の両側に、応力緩和層としてニッケル層を配置すること
を特徴とする、請求項３に記載の窒化ケイ素セラミック
ス接合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16413493A JPH06345554A (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 窒化ケイ素セラミックス接合体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16413493A JPH06345554A (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 窒化ケイ素セラミックス接合体及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06345554A true JPH06345554A (ja) | 1994-12-20 |
Family
ID=15787395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16413493A Pending JPH06345554A (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 窒化ケイ素セラミックス接合体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06345554A (ja) |
-
1993
- 1993-06-08 JP JP16413493A patent/JPH06345554A/ja active Pending
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