JPH07110795B2 - 接合強度の優れたセラミツクスと金属の接合体 - Google Patents
接合強度の優れたセラミツクスと金属の接合体Info
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- JPH07110795B2 JPH07110795B2 JP2205787A JP2205787A JPH07110795B2 JP H07110795 B2 JPH07110795 B2 JP H07110795B2 JP 2205787 A JP2205787 A JP 2205787A JP 2205787 A JP2205787 A JP 2205787A JP H07110795 B2 JPH07110795 B2 JP H07110795B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はセラミックスと金属の接合体、特に接合強度に
優れた接合体に関するものである。
優れた接合体に関するものである。
従来の技術 セラミックスは機械的強度、耐熱性、耐摩耗性等の優れ
た特性を有しているが、金属との接合が一般に困難であ
る。特に接合部の強度が低いのでセラミックス自体の特
性を十分に発揮できずその応用分野が制限されている。
た特性を有しているが、金属との接合が一般に困難であ
る。特に接合部の強度が低いのでセラミックス自体の特
性を十分に発揮できずその応用分野が制限されている。
セラミックスと金属との接合法、特に接合前のセラミッ
クスの表面処理方法として高融点金属法、活性金属法お
よび酸化物ソルダー法等が開発されている。
クスの表面処理方法として高融点金属法、活性金属法お
よび酸化物ソルダー法等が開発されている。
高融点金属法とは、Mo、Mo−Mn、Ｗ、Ｗ−Mn等を添加し
た微粉末を有機バインダに混合してペイント状にしてこ
れをセラミックスの表面に塗布し、加湿水素または加湿
フォーミングガス中において1300〜1700℃の温度で金属
化処理し、Niメッキを施した後、ロウ材を用いて金属と
接合する方法である。これは金属化層中のMnが加湿フォ
ーミングガスの水分と反応してMnOとなり、セラミック
ス中のガラス層に溶け込み、セラミックスと金属化層を
接合させる。次いで金属化層の表面に形成されたNiメッ
キはその後の加熱処理またはロウ接時に金属化層に侵入
し、Mn、Moと相互拡散して接合がなされる機構となって
いる。
た微粉末を有機バインダに混合してペイント状にしてこ
れをセラミックスの表面に塗布し、加湿水素または加湿
フォーミングガス中において1300〜1700℃の温度で金属
化処理し、Niメッキを施した後、ロウ材を用いて金属と
接合する方法である。これは金属化層中のMnが加湿フォ
ーミングガスの水分と反応してMnOとなり、セラミック
ス中のガラス層に溶け込み、セラミックスと金属化層を
接合させる。次いで金属化層の表面に形成されたNiメッ
キはその後の加熱処理またはロウ接時に金属化層に侵入
し、Mn、Moと相互拡散して接合がなされる機構となって
いる。
活性金属法は、Ti、Zrの如き高温で活性となり、セラミ
ックスと反応しやすくなる活性金属を利用する方法一般
をいい、板または箔状の活性金属をセラミックスと接合
する金属の間に挿入し、真空或いは不活性ガス中で加熱
処理して接合する方法等がある。
ックスと反応しやすくなる活性金属を利用する方法一般
をいい、板または箔状の活性金属をセラミックスと接合
する金属の間に挿入し、真空或いは不活性ガス中で加熱
処理して接合する方法等がある。
さらに、日経メカニカル（NIKKEI MECHANICAL）1986.1.
13には活性金属ロウ付け法が記載されている。この活性
金属ロウ付け法は、ロウ材と活性金属を使用する方法で
あって、ロウ材の箔を活性金属と共に使用するか、ロウ
材に活性金属を混入して使用する。また、Si3N4のよう
なセラミックスの表面にTi等の活性金属の粉末を散布
し、真空下で加熱して金属化する方法も開示されてい
る。
13には活性金属ロウ付け法が記載されている。この活性
金属ロウ付け法は、ロウ材と活性金属を使用する方法で
あって、ロウ材の箔を活性金属と共に使用するか、ロウ
材に活性金属を混入して使用する。また、Si3N4のよう
なセラミックスの表面にTi等の活性金属の粉末を散布
し、真空下で加熱して金属化する方法も開示されてい
る。
上記したこれらの方法はセラミックスの表面を金属化し
てロウ接し易くする前処理方法であり、このような金属
化法を採用するだけでは十分な接合強度を達成すること
ができなかった。
てロウ接し易くする前処理方法であり、このような金属
化法を採用するだけでは十分な接合強度を達成すること
ができなかった。
セラミックスと金属との具体的な接合法として菅沼等に
よるCommunication Amer.Ceram.Soc.,（1983）,c−117
には、窒化物系セラミックスとMoあるいはFeを3GPaの圧
力で1300〜1400℃以上の温度で加圧、加熱して接合した
例が報告されている。また、Moの場合にはMoとSi3N4と
の混合粉末を中間層として設け残留応力を緩和する方法
も開示されている。
よるCommunication Amer.Ceram.Soc.,（1983）,c−117
には、窒化物系セラミックスとMoあるいはFeを3GPaの圧
力で1300〜1400℃以上の温度で加圧、加熱して接合した
例が報告されている。また、Moの場合にはMoとSi3N4と
の混合粉末を中間層として設け残留応力を緩和する方法
も開示されている。
また、NicholasなどによるJ.Mater.Sci.,13（1978）,71
2には、残留応力が接合強度に及ぼす影響を調べるためA
lをインサート材として用い各種の金属をAl2O3に接合し
た例が報告されている。
2には、残留応力が接合強度に及ぼす影響を調べるためA
lをインサート材として用い各種の金属をAl2O3に接合し
た例が報告されている。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、これらの従来技術の接合方法ではセラミ
ックスと金属との十分に高い接合強度は得られなかっ
た。すなわち、従来検討されてきたセラミックスと金属
の接合技術は、接合強度として15〜20Kg/mm2止まりの接
合体を提供するにすぎないものであり、機械部品等へ応
用されるに必要な30Kg/mm2のレベルに達していず、セラ
ミックス−金属の複合体の応用化が進んでいなかった。
ックスと金属との十分に高い接合強度は得られなかっ
た。すなわち、従来検討されてきたセラミックスと金属
の接合技術は、接合強度として15〜20Kg/mm2止まりの接
合体を提供するにすぎないものであり、機械部品等へ応
用されるに必要な30Kg/mm2のレベルに達していず、セラ
ミックス−金属の複合体の応用化が進んでいなかった。
まずセラミックスの接合界面を形成する金属化処理法に
ついてその問題点を説明すると、前述した従来方法のう
ち、特に活性金属法が強固な接合界面を形成する点で優
れている。しかしながら、従来の活性金属によるセラミ
ックスの金属化法として、活性金属を混入した合金ろう
材による方法、また、箔、板状にして接合する方法等が
提案されているが、これらの方法では、純度の高い活性
金属を使用できず、不純物混入による活性度の低下がみ
られる。他方、活性金属は、その高活性のため、酸化等
の化学変化を受けやすいためせっかくの高活性が生かさ
れない問題点があった。又、イオンプレーティング法に
よって高純度のTiをセラミックス表面に蒸着する方法が
提案されているが、この方法で蒸着されたTi層は、固相
状態で接合されているためセラミックスに対し漏れ性が
悪く、セラミックスとの反応が進行せず界面強度が低
い。従って、セラミックスの接合界面強度も従来の技術
では20Kg/mm2までであり、高強度な界面強度を有する界
面形成技術が確立されていなかった。
ついてその問題点を説明すると、前述した従来方法のう
ち、特に活性金属法が強固な接合界面を形成する点で優
れている。しかしながら、従来の活性金属によるセラミ
ックスの金属化法として、活性金属を混入した合金ろう
材による方法、また、箔、板状にして接合する方法等が
提案されているが、これらの方法では、純度の高い活性
金属を使用できず、不純物混入による活性度の低下がみ
られる。他方、活性金属は、その高活性のため、酸化等
の化学変化を受けやすいためせっかくの高活性が生かさ
れない問題点があった。又、イオンプレーティング法に
よって高純度のTiをセラミックス表面に蒸着する方法が
提案されているが、この方法で蒸着されたTi層は、固相
状態で接合されているためセラミックスに対し漏れ性が
悪く、セラミックスとの反応が進行せず界面強度が低
い。従って、セラミックスの接合界面強度も従来の技術
では20Kg/mm2までであり、高強度な界面強度を有する界
面形成技術が確立されていなかった。
金属化処理後のセラミックスと金属の接合については、
次のような問題があった。セラミックスと金属の接合に
おいて高い接合強度が得られない根本的な理由の１つ
は、セラミックスの熱膨張係数と金属の熱膨張係数とが
著しく相違するため接合時の熱応力が大きく、接合不可
能或いは接合強度が著しく低下することである。
次のような問題があった。セラミックスと金属の接合に
おいて高い接合強度が得られない根本的な理由の１つ
は、セラミックスの熱膨張係数と金属の熱膨張係数とが
著しく相違するため接合時の熱応力が大きく、接合不可
能或いは接合強度が著しく低下することである。
セラミックスの熱膨張係数αは通常、3.8〜8.0×10-6/
℃の範囲であるが、金属の熱膨張係数αは10〜20×10-6
/℃である。これらの熱膨張係数の差が接合時或いは使
用時の昇温、冷却の際にセラミックスと金属との間に大
きな熱応力を発生する。この問題は上記したいずれの従
来技術でも解決されていなかった。
℃の範囲であるが、金属の熱膨張係数αは10〜20×10-6
/℃である。これらの熱膨張係数の差が接合時或いは使
用時の昇温、冷却の際にセラミックスと金属との間に大
きな熱応力を発生する。この問題は上記したいずれの従
来技術でも解決されていなかった。
従って、本発明の目的は、上述した従来技術の問題を解
決することにあり、特に強固な接合界面の形成の問題と
セラミックスと金属との熱膨張係数の差を原因とする接
合強度の低下の問題とを根本的に解決して高強度の接合
部を有するセラミックスと金属の接合体を提供すること
にある。
決することにあり、特に強固な接合界面の形成の問題と
セラミックスと金属との熱膨張係数の差を原因とする接
合強度の低下の問題とを根本的に解決して高強度の接合
部を有するセラミックスと金属の接合体を提供すること
にある。
問題点を解決するための手段 本発明者等は上記した本発明の目的を達成するため、セ
ラミックスと金属の接合について種々の実験、検討を繰
り返した結果、物理的蒸着法によりTi、CuおよびAgを蒸
着することによって活性金属の活性度を最大限に発揮さ
せることができると同時にセラミックスと金属の熱膨張
係数の差による熱応力の発生を、接合部に超硬合金を介
在させることによって緩和できることを見出し、本発明
を完成したものである。
ラミックスと金属の接合について種々の実験、検討を繰
り返した結果、物理的蒸着法によりTi、CuおよびAgを蒸
着することによって活性金属の活性度を最大限に発揮さ
せることができると同時にセラミックスと金属の熱膨張
係数の差による熱応力の発生を、接合部に超硬合金を介
在させることによって緩和できることを見出し、本発明
を完成したものである。
すなわち、本発明に従うと、セラミックス部材と金属部
材との接合体であって、該セラミックス部材の表面は物
理蒸着法によってTi、CuおよびAgが全膜厚0.1〜5.0μｍ
で積層蒸着または複合蒸着され、該セラミックス部材と
該蒸着金属間との間および各蒸着金属層間で相互拡散を
生じて金属化処理されており、このように金属化処理さ
れたセラミックス部材と該金属部材とは、WCを60重量％
以上含有する少なくとも１層の超硬合金の層を有し且つ
該超硬合金層の両側にAg−ロウ材をはさんで構成された
複合接合部を介在させて接合されていることを特徴とす
るセラミックスと金属の接合体が提供される。
材との接合体であって、該セラミックス部材の表面は物
理蒸着法によってTi、CuおよびAgが全膜厚0.1〜5.0μｍ
で積層蒸着または複合蒸着され、該セラミックス部材と
該蒸着金属間との間および各蒸着金属層間で相互拡散を
生じて金属化処理されており、このように金属化処理さ
れたセラミックス部材と該金属部材とは、WCを60重量％
以上含有する少なくとも１層の超硬合金の層を有し且つ
該超硬合金層の両側にAg−ロウ材をはさんで構成された
複合接合部を介在させて接合されていることを特徴とす
るセラミックスと金属の接合体が提供される。
さらに本発明の好ましい態様に従うと、Ti、CuおよびAg
の蒸着層が、加熱されて液相状態となり該セラミック部
材と該蒸着金属層との間および各蒸着金属層間で相互拡
散を生じるように、それらの蒸着層全体の融点以上の温
度で熱処理されている。
の蒸着層が、加熱されて液相状態となり該セラミック部
材と該蒸着金属層との間および各蒸着金属層間で相互拡
散を生じるように、それらの蒸着層全体の融点以上の温
度で熱処理されている。
複合接合部の超硬合金層は１層でもよいが、２層以上を
設け、各々の超硬合金層の両側をロウ材の層でサンドイ
ッチ状に挟む構造とするのが好ましい。
設け、各々の超硬合金層の両側をロウ材の層でサンドイ
ッチ状に挟む構造とするのが好ましい。
さらに本発明の好ましい態様に従うと、Ti、CuおよびAg
の蒸着層は、それぞれの金属を順次積層蒸着してもよく
或いはそれらの合金の状態で複合蒸着してもよい。
の蒸着層は、それぞれの金属を順次積層蒸着してもよく
或いはそれらの合金の状態で複合蒸着してもよい。
本発明の金属化法で採用する物理蒸着方としては、イオ
ンプレーティング法又はスパッタリング法が好ましい。
ンプレーティング法又はスパッタリング法が好ましい。
本発明の好ましい態様に従うと、蒸着された金属層は真
空下で加熱して拡散処理されている。
空下で加熱して拡散処理されている。
また、本発明の接合体のセラミックスの例として、酸化
物、炭化物、ホウ化物、窒化物及びこれらの複合物、こ
れらを用いた複合材料等のセラミックスを挙げることが
できる。
物、炭化物、ホウ化物、窒化物及びこれらの複合物、こ
れらを用いた複合材料等のセラミックスを挙げることが
できる。
以下、添付の図面を参照して本発明のセラミックスと金
属の接合体の構成を説明する。
属の接合体の構成を説明する。
第１図は本発明に従うセラミックスと金属の接合体の断
面概略図である。図示の如くこの接合体では、セラミッ
クス部材１と、金属部材６とが接合されている。セラミ
ックス部材１の表面には物理的蒸着によるTi、Cuおよび
Agの蒸着層２が形成されている。蒸着層２の全膜厚は0.
1〜5.0μｍの範囲に形成される。この蒸着層２を有する
セラミックス部材１は、図示の例では１層の超硬合金層
４の両側にAgロウ材層３、５を配置して構成されている
複合接合部７を介して金属部材６と接合されている。
面概略図である。図示の如くこの接合体では、セラミッ
クス部材１と、金属部材６とが接合されている。セラミ
ックス部材１の表面には物理的蒸着によるTi、Cuおよび
Agの蒸着層２が形成されている。蒸着層２の全膜厚は0.
1〜5.0μｍの範囲に形成される。この蒸着層２を有する
セラミックス部材１は、図示の例では１層の超硬合金層
４の両側にAgロウ材層３、５を配置して構成されている
複合接合部７を介して金属部材６と接合されている。
このように本発明のセラミックスの金属の接合体では、
セラミックス部材１の表面が物理的蒸着によりTi、Cuお
よびAgを蒸着されており、Tiの高活性度が保持された状
態で接合されている。この蒸着層２はその融点以上の温
度で加熱処理することによってセラミックス部材１と蒸
着層２との間および蒸着層２を形成する各金属層の間で
拡散が生じてセラミックス部材１と蒸着層２との間に強
固な接合界面が形成されている。
セラミックス部材１の表面が物理的蒸着によりTi、Cuお
よびAgを蒸着されており、Tiの高活性度が保持された状
態で接合されている。この蒸着層２はその融点以上の温
度で加熱処理することによってセラミックス部材１と蒸
着層２との間および蒸着層２を形成する各金属層の間で
拡散が生じてセラミックス部材１と蒸着層２との間に強
固な接合界面が形成されている。
さらに、セラミックス部材１と熱膨張係数が近似する超
硬合金層４を間に挟んだロウ材３、５からなる複合接合
部７を介して接合されているので熱応力がこの超硬合金
層４で緩和、吸収される。また、Ag−ロウ材層２は柔ら
かく塑性変形能が高いので超硬合金と金属との間のクッ
ションとして作用して著しく残留応力が低減する。
硬合金層４を間に挟んだロウ材３、５からなる複合接合
部７を介して接合されているので熱応力がこの超硬合金
層４で緩和、吸収される。また、Ag−ロウ材層２は柔ら
かく塑性変形能が高いので超硬合金と金属との間のクッ
ションとして作用して著しく残留応力が低減する。
作用 上述したように本発明の接合体は、セラミックスの表面
が高活性度を有するTiを含む３種の金属で金属化処理さ
れ、さらに少なくとも１層の超硬合金層を備え、各々の
超硬合金層を中心としてその両側にロウ材を挟んで構成
される複合接合部を介在させて接合されていることを特
徴とする。
が高活性度を有するTiを含む３種の金属で金属化処理さ
れ、さらに少なくとも１層の超硬合金層を備え、各々の
超硬合金層を中心としてその両側にロウ材を挟んで構成
される複合接合部を介在させて接合されていることを特
徴とする。
まず、本発明のセラミックス部材と金属部材の接合体を
作製するには、イオンプレーティング法又はスパッタリ
ング法の如き物理的蒸着法によりTi、CuおよびAgをセラ
ミックス部材の表面に蒸着することによって活性度の高
い状態でセラミックスにTiを接触させる。これは、物理
的蒸着法では高真空で高純度気化金属が蒸着するため、
セラミックスに対しTiを純粋な状態（すなわち、高純度
であり、酸化等の腐食のない状態）で接触させることが
できるためである。このようにして本発明では、Tiを反
応性を高めてセラミックスとTiとを十分に反応せしめ、
同時にセラミック部材と蒸着層との界面に悪影響を及ぼ
す酸化物等の発生を抑制する。これは、Tiによる金属化
処理の場合、TiO、TiO2の生成は界面の強度低下の大き
な原因となるが、物理的蒸着法によるとそれらの発生が
抑制され、高活性の状態で清浄かつ均質な状態でTiが蒸
着される。
作製するには、イオンプレーティング法又はスパッタリ
ング法の如き物理的蒸着法によりTi、CuおよびAgをセラ
ミックス部材の表面に蒸着することによって活性度の高
い状態でセラミックスにTiを接触させる。これは、物理
的蒸着法では高真空で高純度気化金属が蒸着するため、
セラミックスに対しTiを純粋な状態（すなわち、高純度
であり、酸化等の腐食のない状態）で接触させることが
できるためである。このようにして本発明では、Tiを反
応性を高めてセラミックスとTiとを十分に反応せしめ、
同時にセラミック部材と蒸着層との界面に悪影響を及ぼ
す酸化物等の発生を抑制する。これは、Tiによる金属化
処理の場合、TiO、TiO2の生成は界面の強度低下の大き
な原因となるが、物理的蒸着法によるとそれらの発生が
抑制され、高活性の状態で清浄かつ均質な状態でTiが蒸
着される。
さらに、本発明では、TiをCuおよびAgと組み合わせて蒸
着する。Ti単体の場合は融点が1720℃と高いが、Ti、Cu
およびAgが組合わさると、加熱時に共晶合金状となり、
融点が約800℃と低くなる。従って、蒸着金属層を比較
的低温度で加熱しても溶融することができ、融液状態で
セラミックスと反応させることができる。これは、金属
層を融液状態でセラミックスに接触させることにより濡
れ性が向上し、セラミックスと活性金属との接触面積が
増大し、Tiの活性度を最大限に活用することができ、セ
ラミックスに対し強固な反応層を形成することがでるき
るからである。
着する。Ti単体の場合は融点が1720℃と高いが、Ti、Cu
およびAgが組合わさると、加熱時に共晶合金状となり、
融点が約800℃と低くなる。従って、蒸着金属層を比較
的低温度で加熱しても溶融することができ、融液状態で
セラミックスと反応させることができる。これは、金属
層を融液状態でセラミックスに接触させることにより濡
れ性が向上し、セラミックスと活性金属との接触面積が
増大し、Tiの活性度を最大限に活用することができ、セ
ラミックスに対し強固な反応層を形成することがでるき
るからである。
本発明の場合蒸着金属層を溶融状態に加熱するので、従
来技術のように固装状態で反応させるよりもセラミック
スに対し濡れ性が向上し、物理蒸着法により金属層を形
成することとの相乗効果によりTiの反応性を最大限に引
き出すことができる。また、蒸着された金属は溶融加熱
されるため融液状態をなし、均一にセラミックスと反応
し、バラツキのない安定化した界面強度を得ることがで
きる。
来技術のように固装状態で反応させるよりもセラミック
スに対し濡れ性が向上し、物理蒸着法により金属層を形
成することとの相乗効果によりTiの反応性を最大限に引
き出すことができる。また、蒸着された金属は溶融加熱
されるため融液状態をなし、均一にセラミックスと反応
し、バラツキのない安定化した界面強度を得ることがで
きる。
蒸着層中のCuおよびAgはTiのセラミックスとの反応を促
進する作用を有し、界面強度向上に極めて有効である。
さらに、CuおよびAgは、蒸着後活性の高いTiのバリヤー
層となり、蒸着装置の系外に出したときにTiが雰囲気と
反応するのを防止してその活性を維持する作用がある。
進する作用を有し、界面強度向上に極めて有効である。
さらに、CuおよびAgは、蒸着後活性の高いTiのバリヤー
層となり、蒸着装置の系外に出したときにTiが雰囲気と
反応するのを防止してその活性を維持する作用がある。
さらに加熱溶融処理を真空下で行うと、活性金属の活性
度が損なわれず、さらに高強度な接合界面が得られるの
で好ましい。
度が損なわれず、さらに高強度な接合界面が得られるの
で好ましい。
このようにして蒸着され、加熱処理された金属層はセラ
ミックスと金属層の間および各金属間で相互拡散して強
固な整合界面を形成する。このようにして本発明に従い
Ti、CuおよびAgを物理的蒸着することにより形成した金
属化層はセラミックスと20〜60Kg/mm2のレベルの接合強
度を発揮する。
ミックスと金属層の間および各金属間で相互拡散して強
固な整合界面を形成する。このようにして本発明に従い
Ti、CuおよびAgを物理的蒸着することにより形成した金
属化層はセラミックスと20〜60Kg/mm2のレベルの接合強
度を発揮する。
金属蒸着層の全膜厚が0.1μｍ未満のときには活性金属
による金属化処理の効果が得られない。一方、5.0μｍ
を超えると、金属化処理の効果が飽和するとともに、熱
膨張係数がセラミックスよりも遥かに大きい金属蒸着層
の熱応力発生に及ぼす影響が大きくなり十分な接合強度
が得られない。
による金属化処理の効果が得られない。一方、5.0μｍ
を超えると、金属化処理の効果が飽和するとともに、熱
膨張係数がセラミックスよりも遥かに大きい金属蒸着層
の熱応力発生に及ぼす影響が大きくなり十分な接合強度
が得られない。
次に本発明において１層以上の超硬合金層を中心に、各
々の超硬合金層の両側をロウ材で挟んだ構造の複合接合
部を介在せしめる理由を説明する。
々の超硬合金層の両側をロウ材で挟んだ構造の複合接合
部を介在せしめる理由を説明する。
本発明において超硬合金を使用するのは、超硬合金の熱
膨張係数αが４〜８×10-6/℃の範囲であり、結合材で
あるCo、Ni等の鉄系金属の量を調整することによって熱
膨張係数を接合すべきセラミックスの熱膨張係数と整合
または近似させることが可能であることによる。従っ
て、塑性変形が著しく小さいセラミックスの熱膨張係数
と整合させることにより、接合時のセラミックスと金属
との間に生ずる熱応力を著しく緩和、低減させることが
できる。
膨張係数αが４〜８×10-6/℃の範囲であり、結合材で
あるCo、Ni等の鉄系金属の量を調整することによって熱
膨張係数を接合すべきセラミックスの熱膨張係数と整合
または近似させることが可能であることによる。従っ
て、塑性変形が著しく小さいセラミックスの熱膨張係数
と整合させることにより、接合時のセラミックスと金属
との間に生ずる熱応力を著しく緩和、低減させることが
できる。
さらに、超硬合金WCには結合材としてCo、Ni等の鉄系金
属が混入されているので、塑性変形能を有し、さらに熱
応力を低減させるのに効果がある。また、これらの鉄系
金属を含有するのでロウ材との濡れ性も良好である。
属が混入されているので、塑性変形能を有し、さらに熱
応力を低減させるのに効果がある。また、これらの鉄系
金属を含有するのでロウ材との濡れ性も良好である。
一方、柔らかく塑性変形能の高いAg−ロウ材を超硬合金
の両側にサンドイッチ状に配することにより、セラミッ
クス−超硬合金間、超硬合金−金属間の熱応力に対する
クッションとして作用し、著しく熱応力を低減化させ
る。さらに、Ag−ロウ材は超硬合金との濡れ性が高く、
また金属とも高い接合強度を有し、セラミックス−金属
間の接合強度を向上させる。
の両側にサンドイッチ状に配することにより、セラミッ
クス−超硬合金間、超硬合金−金属間の熱応力に対する
クッションとして作用し、著しく熱応力を低減化させ
る。さらに、Ag−ロウ材は超硬合金との濡れ性が高く、
また金属とも高い接合強度を有し、セラミックス−金属
間の接合強度を向上させる。
さらに、本発明の接合体は、ロウ材による接合体である
ため接合強度等の信頼性が高く、接合プロセスも簡便で
ある。さらに、同一のロウ材を使用する場合には、超硬
合金層とロウ材とからなる複合接合部を形成およびこの
複合接合部とセラミックスおよび金属との接合を一度の
プロセスで行うことができる。また、セラミックスと金
属との複合接合部を介しての加熱接合は真空下で行い、
Tiを保護することが好ましい。
ため接合強度等の信頼性が高く、接合プロセスも簡便で
ある。さらに、同一のロウ材を使用する場合には、超硬
合金層とロウ材とからなる複合接合部を形成およびこの
複合接合部とセラミックスおよび金属との接合を一度の
プロセスで行うことができる。また、セラミックスと金
属との複合接合部を介しての加熱接合は真空下で行い、
Tiを保護することが好ましい。
しかしながら、超硬合金のWCの含有量が60重量％未満で
あれば、超硬合金の熱膨張係数が大きくなり、接合する
セラミックスとの間の熱応力が大きくなり、接合強度が
低下する。従ってWCの含有量が60重量％以上の超硬合金
を用いることとした。
あれば、超硬合金の熱膨張係数が大きくなり、接合する
セラミックスとの間の熱応力が大きくなり、接合強度が
低下する。従ってWCの含有量が60重量％以上の超硬合金
を用いることとした。
また、Agロウ材はWC超硬合金との濡れ性は非常に良く、
さらにAgロウ材は柔らかいため、熱応力も低減すること
ができる。
さらにAgロウ材は柔らかいため、熱応力も低減すること
ができる。
以上に説明の如く、本発明の接合体においては、セラミ
ックスの界面強度が高く且つセラミックスと金属間に作
用する熱応力が著しく低減されている。すなわち、本発
明に従い、Ti、CuおよびAgを物理的蒸着法により蒸着し
て形成する高強度界面形成技術と熱応力緩和技術との相
乗効果によって機械部品等に適用可能な高強度セラミッ
クス−金属複合体が提供される。
ックスの界面強度が高く且つセラミックスと金属間に作
用する熱応力が著しく低減されている。すなわち、本発
明に従い、Ti、CuおよびAgを物理的蒸着法により蒸着し
て形成する高強度界面形成技術と熱応力緩和技術との相
乗効果によって機械部品等に適用可能な高強度セラミッ
クス−金属複合体が提供される。
以下、本発明を実施例により説明するが、これらの実施
例は本発明の単なる例示であり、本発明の技術的範囲を
何ら限定するものではないことは勿論である。
例は本発明の単なる例示であり、本発明の技術的範囲を
何ら限定するものではないことは勿論である。
実施例１ β−Si3N4のセラミックスをそれぞれ次の〜の方法
により金属化処理をした。
により金属化処理をした。
イオンプレーティング法により0.5μｍのTi、1.0μｍ
のCu、1.0μｍのAgを蒸着した。
のCu、1.0μｍのAgを蒸着した。
Cu2Sを用いて硫化銅法により熱処理を行い、Cu層を形
成した。
成した。
Ti−Cu−Agロウ材を用いて活性金属ロウ材法により真
空下で850℃で熱処理を行い金属化層を形成した。
空下で850℃で熱処理を行い金属化層を形成した。
金属化処理後、超硬合金を中央層とし、Ag−ロウ材にて
サンドイッチ構造とした複合接合部を介在させ830℃で
構造用炭素鋼と接合した。得られた各々の接合体より試
験片を切り出し、４点曲げ強度試験を行い接合強度を評
価した。結果を第１表に示す。
サンドイッチ構造とした複合接合部を介在させ830℃で
構造用炭素鋼と接合した。得られた各々の接合体より試
験片を切り出し、４点曲げ強度試験を行い接合強度を評
価した。結果を第１表に示す。
第１表に示す結果から、本発明による接合体は、硫化銅
法または活性金属ロウ材法によって金属化処理の後接合
したものより遥かに優れた接合強度を示すことがわか
る。
法または活性金属ロウ材法によって金属化処理の後接合
したものより遥かに優れた接合強度を示すことがわか
る。
実施例２ イオンプレーティング装置を用いてSiCセミックスにTi
−Cu−Ag合金を蒸着し、次いで、600〜1000℃の範囲の
種々の温度で熱加算処理を行った。その後、実施例１で
使用のものと同様の超硬合金とAgロウ材の複合接合部を
介在させて真空下でSUS304に830℃で接合した。
−Cu−Ag合金を蒸着し、次いで、600〜1000℃の範囲の
種々の温度で熱加算処理を行った。その後、実施例１で
使用のものと同様の超硬合金とAgロウ材の複合接合部を
介在させて真空下でSUS304に830℃で接合した。
得られて各々の接合体より試験片を切り出し、４点曲げ
強度試験を行い接合強度を評価した。結果を第２表に示
す。
強度試験を行い接合強度を評価した。結果を第２表に示
す。
第２表の結果より蒸着層の熱拡散処理は、蒸着層の融点
（約800℃）以上の温度で実施すると蒸着金属が溶解す
ることによってセラミックとの濡れ性が向上して拡散反
応が促進されることがわかる。この結果、800℃以上の
温度で熱拡散拡散をした接合体の強度は著しく向上して
いる。
（約800℃）以上の温度で実施すると蒸着金属が溶解す
ることによってセラミックとの濡れ性が向上して拡散反
応が促進されることがわかる。この結果、800℃以上の
温度で熱拡散拡散をした接合体の強度は著しく向上して
いる。
実施例３ ZrO2セラミックスチップの表面にスパッタリング法によ
りTi、Cu、Agを各々0.4μｍの膜厚で蒸着した。実施例
１と同様の複合接合部を介在させて850℃で乾式プレス
機の上パンチ下面に接合した。
りTi、Cu、Agを各々0.4μｍの膜厚で蒸着した。実施例
１と同様の複合接合部を介在させて850℃で乾式プレス
機の上パンチ下面に接合した。
金属粉末のプレスに１回/10秒の割合で10時間用いた
が、テスト後、接合部の剥離金属等の異常もなく、機械
的負荷に対し良好な接合性を示した。
が、テスト後、接合部の剥離金属等の異常もなく、機械
的負荷に対し良好な接合性を示した。
発明の効果 以上説明の如く本発明の接合体は、セラミックスを物理
的蒸着でTi、CuおよびAgにより金属化処理し、少なくと
も１層の超硬合金層を両側からロウ材で挟持して構成さ
れる複合接合部を介して接合されていることを特徴とす
る。この本発明の接合体は従来の接合体に比べセラミッ
クスの接合界面および接合部ともに著しく強度が高い。
的蒸着でTi、CuおよびAgにより金属化処理し、少なくと
も１層の超硬合金層を両側からロウ材で挟持して構成さ
れる複合接合部を介して接合されていることを特徴とす
る。この本発明の接合体は従来の接合体に比べセラミッ
クスの接合界面および接合部ともに著しく強度が高い。
従って、本発明のセラミックス−金属接合体は従来のセ
ラミックス−金属の接合体では強度が低すぎて使用でき
なかった構造部品、エンジン部品等として使用できる。
特に、ターボチャージャー、エンジンピストンヘッド、
ロッカーアーム、エンジンシリンダー等に好適に使用す
ることができる。
ラミックス−金属の接合体では強度が低すぎて使用でき
なかった構造部品、エンジン部品等として使用できる。
特に、ターボチャージャー、エンジンピストンヘッド、
ロッカーアーム、エンジンシリンダー等に好適に使用す
ることができる。
第１図は本発明の１態様に従うセラミックスと金属の接
合体の断面模式図である。 （主な参照番号） １……セラミックス部材、 ２……蒸着層、 ３、５……Ag−ロウ材、 ４……超硬合金、 ６……金属部材
合体の断面模式図である。 （主な参照番号） １……セラミックス部材、 ２……蒸着層、 ３、５……Ag−ロウ材、 ４……超硬合金、 ６……金属部材
フロントページの続き (72)発明者 本吉 健也 兵庫県伊丹市昆陽北１丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭60−239373（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】セラミックス部材と金属部材との接合体で
あって、該セラミックス部材の表面は物理蒸着法によっ
てTi、CuおよびAgが全膜厚0.1〜5.0μｍで積層蒸着また
は複合蒸着され、該セラミックス部材と該蒸着金属間と
の間および各蒸着金属層間で相互拡散を生じて金属化処
理されており、このように金属化処理されたセラミック
ス部材と該金属部材とは、WCを60重量％以上含有する少
なくとも１層の超硬合金の層を有し且つ該超硬合金層の
両側にAg−ロウ材をはさんで構成された複合接合部を介
在させて接合されていることを特徴とするセラミックス
と金属の接合体。 - 【請求項２】上記した金属蒸着層が、それらの金属蒸着
層全体の融点以上の温度で熱処理されて液相状態で該セ
ラミックス部材と反応し、該セラミックス部材と該蒸着
金属層との間および各蒸着金属層間で相互拡散を生じて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセ
ラミックスと金属の接合体。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2205787A JPH07110795B2 (ja) | 1987-02-02 | 1987-02-02 | 接合強度の優れたセラミツクスと金属の接合体 |
| EP88101502A EP0277645A1 (en) | 1987-02-02 | 1988-02-02 | Ceramics-metal jointed body |
| US07/387,430 US5023147A (en) | 1987-02-02 | 1989-07-31 | Ceramics-metal jointed body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2205787A JPH07110795B2 (ja) | 1987-02-02 | 1987-02-02 | 接合強度の優れたセラミツクスと金属の接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63190773A JPS63190773A (ja) | 1988-08-08 |
| JPH07110795B2 true JPH07110795B2 (ja) | 1995-11-29 |
Family
ID=12072283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2205787A Expired - Fee Related JPH07110795B2 (ja) | 1987-02-02 | 1987-02-02 | 接合強度の優れたセラミツクスと金属の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07110795B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS649878A (en) * | 1987-07-02 | 1989-01-13 | Agency Ind Science Techn | Bonding between silicon nitride ceramics and metal |
| JPH02145776A (ja) * | 1988-11-28 | 1990-06-05 | Eagle Ind Co Ltd | 炭化珪素の金属層接合方法 |
| JP3495052B2 (ja) * | 1992-07-15 | 2004-02-09 | 株式会社東芝 | メタライズ体およびその製造方法 |
| CN114571128B (zh) * | 2022-04-15 | 2023-05-16 | 华北水利水电大学 | 一种陶瓷/高氮钢热电构件钎焊用复合钎料及其钎焊方法和应用 |
| KR102631693B1 (ko) * | 2023-10-31 | 2024-01-31 | 주식회사 이선테크 | 세라믹 플런저 제조 시스템 |
-
1987
- 1987-02-02 JP JP2205787A patent/JPH07110795B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63190773A (ja) | 1988-08-08 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |