JPH0653622B2 - 窒化珪素部材と金属部材との接合方法 - Google Patents
窒化珪素部材と金属部材との接合方法Info
- Publication number
- JPH0653622B2 JPH0653622B2 JP61040933A JP4093386A JPH0653622B2 JP H0653622 B2 JPH0653622 B2 JP H0653622B2 JP 61040933 A JP61040933 A JP 61040933A JP 4093386 A JP4093386 A JP 4093386A JP H0653622 B2 JPH0653622 B2 JP H0653622B2
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- Japan
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- silicon nitride
- metal member
- iron
- based metal
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- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、窒化珪素部材と金属部材との接合方法に関す
る。
る。
（従来の技術） 近年、従来の素材では対処できなくなった耐熱性、耐触
性等の問題を解決するため、多くの分野で窒化珪素部材
が使用されつつある。その場合、窒化珪素部材を単独で
用いることは少なく、金属部材と接合した複合部材とし
て使用することが多い。そのような複合部材の例として
は、内燃機関の燃焼室系、動弁系の部品が挙げられる。
窒化珪素部材と金属部材との接合方法としては、両者を
ロウ材でロウ付けする方法が公知である。しかしなが
ら、前記内燃機関の部品のように、高温にさらされる場
合は、窒化珪素部材と金属部材の熱膨張率の差が大きい
ため、歪が生じ、接合状態を保つことができない。
性等の問題を解決するため、多くの分野で窒化珪素部材
が使用されつつある。その場合、窒化珪素部材を単独で
用いることは少なく、金属部材と接合した複合部材とし
て使用することが多い。そのような複合部材の例として
は、内燃機関の燃焼室系、動弁系の部品が挙げられる。
窒化珪素部材と金属部材との接合方法としては、両者を
ロウ材でロウ付けする方法が公知である。しかしなが
ら、前記内燃機関の部品のように、高温にさらされる場
合は、窒化珪素部材と金属部材の熱膨張率の差が大きい
ため、歪が生じ、接合状態を保つことができない。
このような両部材の熱膨張率の差を緩和するため、両部
材の間にＡｌ２Ｏ３等の酸化物を介在させて拡散接合す
る方法も公知であるが、やはり高温時における両部材の
接合状態は良好と言えず、改善の余地を残していた。
材の間にＡｌ２Ｏ３等の酸化物を介在させて拡散接合す
る方法も公知であるが、やはり高温時における両部材の
接合状態は良好と言えず、改善の余地を残していた。
（発明の目的） 本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたもので、高
温下でも安定した接合強度が得られる窒化珪素部材と金
属部材との接合方法を提供することを目的とする。
温下でも安定した接合強度が得られる窒化珪素部材と金
属部材との接合方法を提供することを目的とする。
（発明の構成） 前記目的を達成するために、本発明による窒化珪素部材
と金属部材との接合方法は、窒化珪素部材と鉄系金属部
材との間に、ＴｉＮからなるＴｉＮ層と、ＮｉとＡｌ２
Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２等の酸化物との混合物からな
る混合物層とを層状に介在させ、前記両部材を圧着した
状態で加熱し、拡散接合させるようにしたものであっ
て、 上記窒化珪素部材側に上記ＴｉＮ層を配置し、上記鉄系
金属部材側に上記混合物層を配置し、且つ上記混合物層
における上記酸化物の割合を０．５〜５０重量％とする
ことを特徴としている。
と金属部材との接合方法は、窒化珪素部材と鉄系金属部
材との間に、ＴｉＮからなるＴｉＮ層と、ＮｉとＡｌ２
Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２等の酸化物との混合物からな
る混合物層とを層状に介在させ、前記両部材を圧着した
状態で加熱し、拡散接合させるようにしたものであっ
て、 上記窒化珪素部材側に上記ＴｉＮ層を配置し、上記鉄系
金属部材側に上記混合物層を配置し、且つ上記混合物層
における上記酸化物の割合を０．５〜５０重量％とする
ことを特徴としている。
このような手段を講じることによって、次のような作用
がもたらされる。
がもたらされる。
（Ｉ）ＴｉはＮと結合しやすい。したがって、ＴｉＮ層
と窒化珪素部材が圧着状態で加熱されることにより、Ｔ
ｉＮ層中のＴｉが窒化珪素のＮと結合して窒化珪素部材
中に拡散される。
と窒化珪素部材が圧着状態で加熱されることにより、Ｔ
ｉＮ層中のＴｉが窒化珪素のＮと結合して窒化珪素部材
中に拡散される。
（II）ＳｉはＮと結合しやすい。したがって、ＴｉＮ層
と窒化珪素部材が圧着状態で加熱されることにより、窒
化珪素部材中のＳｉがＴｉＮ層中のＮと結合してＴｉＮ
層中に拡散される。また、Ｓｉは混合物層中の酸化物の
Ｏとも結合しやすいから、このこともＳｉの上記ＴｉＮ
層中への拡散を促す。
と窒化珪素部材が圧着状態で加熱されることにより、窒
化珪素部材中のＳｉがＴｉＮ層中のＮと結合してＴｉＮ
層中に拡散される。また、Ｓｉは混合物層中の酸化物の
Ｏとも結合しやすいから、このこともＳｉの上記ＴｉＮ
層中への拡散を促す。
（III）ＮｉはＦｅと結合しやすい。したがって介在物
と鉄系金属部材が圧着状態で加熱されることにより、介
在物中のＮｉがＦｅと結合して鉄系金属部材中に拡散さ
れる。また、Ｎｉは鉄系金属部材表面の微細な凹部に浸
透して緩衝体の役目を果たし、高温下における熱応力の
発生を抑制する。
と鉄系金属部材が圧着状態で加熱されることにより、介
在物中のＮｉがＦｅと結合して鉄系金属部材中に拡散さ
れる。また、Ｎｉは鉄系金属部材表面の微細な凹部に浸
透して緩衝体の役目を果たし、高温下における熱応力の
発生を抑制する。
また、Ｎｉは融点が低いので、高温下では融着の作用を
もたらす。さらに、ＴｉＮ層と混合物層との界面ではＴ
ｉとＯとの親和性が高いからＴｉＯ２が生成する。
もたらす。さらに、ＴｉＮ層と混合物層との界面ではＴ
ｉとＯとの親和性が高いからＴｉＯ２が生成する。
ここに、上記ＴｉＮ層を窒化珪素部材側に配置し上記混
合物層を鉄系金属部材側に配置したのは、本発明とは逆
に、上記ＴｉＮ層を鉄系金属部材側に配置し上記混合物
層を窒化珪素部材側に配置すると上記（Ｉ）及び（II
I）の作用が得られないからである。
合物層を鉄系金属部材側に配置したのは、本発明とは逆
に、上記ＴｉＮ層を鉄系金属部材側に配置し上記混合物
層を窒化珪素部材側に配置すると上記（Ｉ）及び（II
I）の作用が得られないからである。
また、上記混合物層における上記酸化物の割合を０．５
〜５０重量％としたのは、酸化物の割合が０．５重量％
未満だと、前記（II）の作用を弱めるからであり、一
方、５０重量％を超えると、前記（III）の作用、とり
わけ、Ｎｉの緩衝体としての作用を弱めるからである。
〜５０重量％としたのは、酸化物の割合が０．５重量％
未満だと、前記（II）の作用を弱めるからであり、一
方、５０重量％を超えると、前記（III）の作用、とり
わけ、Ｎｉの緩衝体としての作用を弱めるからである。
この場合、ＴｉＮ層は、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等により、
窒化珪素部材の表面にＴｉＮをコーティングすることに
よって形成することができる。
窒化珪素部材の表面にＴｉＮをコーティングすることに
よって形成することができる。
また、混合物層は、ＮｉおよびＡｌ２Ｏ３等の酸化物の
固形成分を含むペースト状のものを、ＴｉＮ層の表面に
塗布することにより形成することができる。
固形成分を含むペースト状のものを、ＴｉＮ層の表面に
塗布することにより形成することができる。
本発明において用いる窒化珪素部材は、Ｙ２Ｏ３，Ａｌ
２Ｏ３，ＭｇＯ等の任意の焼結助剤を用いたものであっ
てよい。
２Ｏ３，ＭｇＯ等の任意の焼結助剤を用いたものであっ
てよい。
また、鉄系金属部材は、Ｎｉを含んだものであることが
好適であるが、必ずしも、Ｎｉを含んでいなくてもよ
い。焼結合金部材であってもよいし、鋼材であってもよ
い。
好適であるが、必ずしも、Ｎｉを含んでいなくてもよ
い。焼結合金部材であってもよいし、鋼材であってもよ
い。
窒化珪素部材と鉄系金属部材とを圧着させる手段として
は、焼結収縮、焼き嵌め等が挙げられる。
は、焼結収縮、焼き嵌め等が挙げられる。
これら両部材の加熱は、９００〜１４００℃の温度で、
不活性雰囲気下で行うのが好ましい。その理由は、加熱
温度が９００℃未満だと介在物（特にＮｉ）が流動化し
ないからであり、１４００℃を超えると鉄系金属部材が
溶けてしまうからである。また、不活性雰囲気が好まし
いのは、ＴｉＮの酸化防止のためである。
不活性雰囲気下で行うのが好ましい。その理由は、加熱
温度が９００℃未満だと介在物（特にＮｉ）が流動化し
ないからであり、１４００℃を超えると鉄系金属部材が
溶けてしまうからである。また、不活性雰囲気が好まし
いのは、ＴｉＮの酸化防止のためである。
（発明の効果） したがって、本発明によれば、窒化珪素部材とＴｉＮ層
との界面ではＴｉとＳｉとが互いに相手側に拡散し化合
物を生成することによって強固な結合が得られ、混合物
層と鉄系金属部材との界面ではＮｉの鉄系金属部材側へ
の拡散や融着作用によって強固な結合が得られるととも
に、該Ｎｉが緩衝体の役目を果たして高温下における熱
応力の発生を抑制することになり、高温下において、安
定した窒化珪素部材と鉄系金属部材の接合強度を得るこ
とができる。
との界面ではＴｉとＳｉとが互いに相手側に拡散し化合
物を生成することによって強固な結合が得られ、混合物
層と鉄系金属部材との界面ではＮｉの鉄系金属部材側へ
の拡散や融着作用によって強固な結合が得られるととも
に、該Ｎｉが緩衝体の役目を果たして高温下における熱
応力の発生を抑制することになり、高温下において、安
定した窒化珪素部材と鉄系金属部材の接合強度を得るこ
とができる。
よって、内燃機関の燃焼室系、動弁系等の部品として、
窒化珪素部材と鉄系金属部材の複合部材を用いた場合
の、これら部品の信頼性を向上させることができる。
窒化珪素部材と鉄系金属部材の複合部材を用いた場合
の、これら部品の信頼性を向上させることができる。
（実施例） 以下、具体的な実施例について説明する。
まず、直径21.0mm、長さ25.0mmのＳｉ３Ｎ４製の円柱で
ある窒化珪素部材の外周面に、ＣＶＤ法を用いて膜圧２
μｍの均一なＴｉＮコーティングを施してＴｉＮ層を形
成した。
ある窒化珪素部材の外周面に、ＣＶＤ法を用いて膜圧２
μｍの均一なＴｉＮコーティングを施してＴｉＮ層を形
成した。
次に、Ａｌ２Ｏ３粉末を１０重量％含むＮｉ粉末体をペ
ースト状にしたものを用意し、このペーストをＴｉＮ層
表面に均一に0.2mm程度塗布して混合物層を形成した。
ースト状にしたものを用意し、このペーストをＴｉＮ層
表面に均一に0.2mm程度塗布して混合物層を形成した。
窒化珪素部材に接合させる中空円筒状の鉄系金属部材
は、Ｎｉを３５重量％含有する鉄系粉末成形体とした。
は、Ｎｉを３５重量％含有する鉄系粉末成形体とした。
この鉄系金属部材を窒化珪素部材の外周に嵌合した状態
で雰囲気焼結炉内に入れ、窒素雰囲気下で、温度１２０
０℃で１時間ほど加熱して焼結させた。
で雰囲気焼結炉内に入れ、窒素雰囲気下で、温度１２０
０℃で１時間ほど加熱して焼結させた。
第１図はこのようにして得られた複合部材の接合部を模
式的に示したものであり、１は窒化珪素部材、２はＴｉ
Ｎ層、３は混合物層、４は鉄系金属部材である。
式的に示したものであり、１は窒化珪素部材、２はＴｉ
Ｎ層、３は混合物層、４は鉄系金属部材である。
該接合部について行ったＸ線回折の結果を下記第１表に
示す。
示す。
このように、窒化珪素部材１の界面に、Ｓｉ３Ｎ４焼成
時に加えた助剤（Ｙ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３）、ＳｉＯ２お
よびＴｉが存在することがわかった。一方、ＴｉＮ層２
と混合物層３との界面ではＴｉＯ２が検出された。ま
た、Ｎｉは鉄系金属部材４の界面に拡散層を形成し、こ
れらの部材１，４の良好な接合をもたらすことがわかっ
た。
時に加えた助剤（Ｙ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３）、ＳｉＯ２お
よびＴｉが存在することがわかった。一方、ＴｉＮ層２
と混合物層３との界面ではＴｉＯ２が検出された。ま
た、Ｎｉは鉄系金属部材４の界面に拡散層を形成し、こ
れらの部材１，４の良好な接合をもたらすことがわかっ
た。
次に、発明者の行った接合強度の測定試験について、第
２図を参照しつつ説明する。
２図を参照しつつ説明する。
発明者は、混合物層３におけるＡｌ２Ｏ３の割合だけを
変え、他の条件は上述の通りにして窒化珪素部材１と鉄
系金属部材４を接合させて４種類の試験片５を得た。そ
して、試験片５を高温の炉６内のダイ７に載置し、窒化
珪素部材１にのみ荷重を加えた場合に、窒化珪素部材１
が鉄系金属部材４から抜ける寸前の単位面積当りの荷重
をもって接合強度とし、該接合強度と炉６内の温度の関
係を各試験片５について測定した。
変え、他の条件は上述の通りにして窒化珪素部材１と鉄
系金属部材４を接合させて４種類の試験片５を得た。そ
して、試験片５を高温の炉６内のダイ７に載置し、窒化
珪素部材１にのみ荷重を加えた場合に、窒化珪素部材１
が鉄系金属部材４から抜ける寸前の単位面積当りの荷重
をもって接合強度とし、該接合強度と炉６内の温度の関
係を各試験片５について測定した。
試験結果は第３図の通りである。○，△，□，×は、そ
れぞれ、混合物層３におけるＡｌ２Ｏ３の重量％が０
％，１０％、２０％，５０％の試験片５について得られ
た結果であることを示している。
れぞれ、混合物層３におけるＡｌ２Ｏ３の重量％が０
％，１０％、２０％，５０％の試験片５について得られ
た結果であることを示している。
以上、本発明について具体的に説明したが、本発明の実
施に際しては、事情に応じてさらに幾つかの工程を加え
得ることは言うまでもない。例えば、ＴｉＮ層を形成し
た窒化珪素部材に７００〜１０００℃の熱処理を施す工
程を、混合物層の形成工程の前に加えてもよい。かかる
工程を加えることによって、Ｔｉ，Ｓｉの拡散を促し、
一層良好な接合状態を得ることができる。
施に際しては、事情に応じてさらに幾つかの工程を加え
得ることは言うまでもない。例えば、ＴｉＮ層を形成し
た窒化珪素部材に７００〜１０００℃の熱処理を施す工
程を、混合物層の形成工程の前に加えてもよい。かかる
工程を加えることによって、Ｔｉ，Ｓｉの拡散を促し、
一層良好な接合状態を得ることができる。
第１図は、窒化珪素部材と鉄系金属部材の接合部を模式
的に示す断面図、第２図は接合強度の測定試験の概要を
示す部分断面図、第３図は同試験の結果を示す温度対接
合強度の特性図である。 １……窒化珪素部材、２……ＴｉＮ層、３……混合物
層、４……鉄系金属部材。
的に示す断面図、第２図は接合強度の測定試験の概要を
示す部分断面図、第３図は同試験の結果を示す温度対接
合強度の特性図である。 １……窒化珪素部材、２……ＴｉＮ層、３……混合物
層、４……鉄系金属部材。
Claims (1)
- 【請求項１】窒化珪素部材と鉄系金属部材との間に、Ｔ
ｉＮからなるＴｉＮ層と、ＮｉとＡｌ２Ｏ３，Ｔｉ
Ｏ２，ＺｒＯ２等の酸化物との混合物からなる混合物層
とを層状に介在させ、前記両部材を圧着した状態で加熱
し、拡散接合させるようにした窒化珪素部材と金属部材
との接合方法であって、 上記窒化珪素部材側に上記ＴｉＮ層を配置し、上記鉄系
金属部材側に上記混合物層を配置し、且つ上記混合物層
における上記酸化物の割合を０．５〜５０重量％とする
ことを特徴とする窒化珪素部材と金属部材との接合方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61040933A JPH0653622B2 (ja) | 1986-02-25 | 1986-02-25 | 窒化珪素部材と金属部材との接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61040933A JPH0653622B2 (ja) | 1986-02-25 | 1986-02-25 | 窒化珪素部材と金属部材との接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62197363A JPS62197363A (ja) | 1987-09-01 |
| JPH0653622B2 true JPH0653622B2 (ja) | 1994-07-20 |
Family
ID=12594305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61040933A Expired - Fee Related JPH0653622B2 (ja) | 1986-02-25 | 1986-02-25 | 窒化珪素部材と金属部材との接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0653622B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60131874A (ja) * | 1983-12-19 | 1985-07-13 | 三菱重工業株式会社 | セラミツクと金属との接合方法 |
-
1986
- 1986-02-25 JP JP61040933A patent/JPH0653622B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62197363A (ja) | 1987-09-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |