JPH0834677A - セラミックスと金属との接合方法 - Google Patents

セラミックスと金属との接合方法

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JPH0834677A
JPH0834677A JP19224594A JP19224594A JPH0834677A JP H0834677 A JPH0834677 A JP H0834677A JP 19224594 A JP19224594 A JP 19224594A JP 19224594 A JP19224594 A JP 19224594A JP H0834677 A JPH0834677 A JP H0834677A
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JP
Japan
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metal
solder
ceramics
metal layer
joining
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JP19224594A
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English (en)
Inventor
Nobuyuki Minami
信之 南
Seiichi Tanji
清一 丹治
Shigeru Takahashi
繁 高橋
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Nihon Cement Co Ltd
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Nihon Cement Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 円筒金属の内側に円筒セラミックスを強固に
接合する方法を提供すること。 【構成】 円筒の非酸化物セラミックス表面に、銀と
銅、或いは金とニッケルから成るマトリックス中に、活
性金属としてチタンを含む金属層を、真空中、或いは中
性雰囲気中において金属層中の金属が溶融する温度より
高い温度で加熱処理して形成し、その面上に銀ロウ、金
ロウまたははんだを介して円筒金属の内側にはめ合わせ
加熱処理して接合する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
の接合方法に関し、特に円筒金属(金属スリーブ)の内
側に円筒セラミックスをはめ合わせる接合方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、金属スリーブの内側に円筒セラミ
ックスをはめ合わせて接合する方法としては、 1.金属の内側にセラミックスがはめ込めるように、外
側の金属を加熱して膨張させ、それにセラミックスをは
め込み、金属を冷却してかしめる方法。 2.金属の内面に銀ロウなどの軟らかい金属を接合して
形成し、その内側に1の方法でセラミックスをかしめる
方法。 3.金属の端面とセラミックスの端面とを活性金属を含
むロウなどで接合し、その外周面を金属スリーブで覆
い、覆った金属スリーブと内側の金属とを溶接して溶接
したスリーブで内側のセラミックスを支える方法。 などの方法が採られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら方法、
即ち1の方法では、金属スリーブの内径をセラミックス
の外径より小さくしなければならないが、その寸法が正
確でないとかしめる力が大きすぎたり、小さすぎたりし
てかしめに不具合が生ずるので、加工するのが難しく、
また生産効率も劣るし、また加熱されるとセラミックス
が抜けるため、特殊な用途にしか使われていなかった。
【0004】また、2の方法では、金属の内面に形成さ
れた軟らかい金属が緩衝作用をしているため、金属スリ
ーブの内径が正確でなくても、かしめる力が一定となる
改善した方法であるが、加熱されるとセラミックスとロ
ウとが接合されていないため、やはりセラミックスが抜
けてしまうという問題があった。
【0005】さらに、3の方法では、活性金属を含むロ
ウがセラミックスと反応するので、金属スリーブとセラ
ミックス外周面との隙間に溶融したロウが入り込まず、
そのため、金属スリーブはセラミックスの外周面と接合
できずにセラミックスを支えるだけなので、強固な接合
ができないという問題があった。
【0006】本発明は、上述した従来技術が有する課題
に鑑みなされたものであって、その目的は、円筒金属の
内側に円筒セラミックスを強固に接合する方法を提供す
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、円筒セラミックス外周面にあらかじめ金属
層を形成し、その面上にロウ等の接合材を介して外側の
金属スリーブと接合すれば強固に接合するとの知見が得
られたので、本発明を完成した。
【0008】このように、セラミックス表面にあらかじ
め金属層を形成することにより、その金属層及び外側の
金属スリーブとも介する接合材の濡れが良いため、金属
スリーブとセラミックス外周面との隙間に、溶融した接
合材が入り込み、その結果、金属スリーブとセラミック
スとが周部で接合するので、加熱してもセラミックスが
抜けることもなく、また強固に接合することになる。
【0009】上記金属層としては、活性金属を含む金ま
たは銀の金属層とし、また接合材としては、銀ロウ、金
ロウまたははんだとした(請求項1)。
【0010】また、上記円筒セラミックスとしては、窒
化珪素、炭化珪素、サイアロン等の非酸化物セラミック
スとした(請求項2)。
【0011】このように窒化珪素、炭化珪素、サイアロ
ン等の非酸化物にチタンを含む金属層を形成することと
したのは、活性金属であるチタンが窒化珪素、またはサ
イアロン中のN、あるいは炭化珪素中のCとセラミック
スの界面で安定なTiN、あるいはTiCを生成してセ
ラミックスに強固に結合するためである。
【0012】上記活性金属を含む金属層としては、銀と
銅から成るマトリックス中に、活性金属として1〜7w
t%のチタンを含む金属層とした(請求項3)。
【0013】チタンの含有量が1〜7wt%としたの
は、1wt%より少ないとセラミックスの界面で生成す
るTiN、あるいはTiCが少ないため、強固に結合し
なく、逆に7wt%より多いとTiが表面に露出して表
面が酸化してしまい、その上面に介するロウ、あるいは
はんだが濡れにくくなるためである。
【0014】また、上記活性金属を含む他の金属層とし
ては、金とニッケルから成るマトリックス中に、活性金
属として1〜5wt%のチタンを含む金属層とした(請
求項4)。
【0015】チタンの含有量が1〜5wt%としたの
は、1wt%より少ないと銀ロウと同様セラミックスの
界面で生成するTiN、あるいはTiCが少ないため、
強固に結合しなく、逆に5wt%より多いとTiを固溶
しきれないため、金属層の表面にTiを析出して表面が
酸化してしまい、その上面に介するロウ、あるいははん
だが濡れにくくなるためである。
【0016】上記セラミックスの外周面に金属層を形成
する方法としては、該セラミックスの面上にペーストな
どで塗布した金属層を、真空中または中性雰囲気中にお
いて、金属層の金属が溶融する温度より高い温度で加熱
処理することとした(請求項5)。
【0017】これを酸化雰囲気で加熱すると、活性金属
を含んだ金属層が酸化してしまう。また、還元雰囲気で
は活性金属であるTiが水素脆化を起こしてしまう。さ
らに、加熱処理温度が金属層の溶融温度より低くなる
と、金属層中に含まれているチタンとセラミックスとの
反応が悪くなるので、セラミックスと金属層とが十分に
結合することが出来なくなる。
【0018】また、内側のセラミックスと外側の金属と
の間に介するロウまたははんだとしては、銀と銅から成
る銀ロウ、金とニッケルから成る金ロウ、または鉛と錫
から成るはんだとした(請求項6)。これらロウまたは
はんだを溶融温度以上に加熱処理すれば、ロウまたはは
んだが形成された金属層及び外側の金属にも良く濡れる
ので、金属スリーブとセラミックスの外周面との隙間に
流れ込み接合する。
【0019】以上の方法を採ることにより、金属スリー
ブとその内側の円筒セラミックスとを強固に接合した接
合体が得られる。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、
本発明をより詳細に説明する。
【0021】(実施例1〜5)直径10mmで、長さ3
0mmの窒化珪素、炭化珪素及びサイアロン〔いずれも
(株)日本セラテック社製〕それぞれの端部から5mm
の範囲の外周面に、筆で調製したペーストを塗布し、乾
燥後、銀ペーストについては5×10-5Torrの真空
中にて溶融温度(790℃以下)より高い820℃の温
度で加熱処理し、金ペーストについては5×10-5To
rrの真空中にて溶融温度(965℃以下)より高い1
000℃の温度で加熱処理し、金属層を形成した。
【0022】塗布するペーストは、表1に示す組成にな
るように配合し、それに適切な粘度となるようにアクリ
ル系バインダーとα−テレピネオールを添加し、三本ロ
ールで混練して調製した。
【0023】はめ合わせる外側の金属スリーブは、直径
14mmで、長さ30mmのS45C鋼を用い、その片
側端部に内径10.5mmで、深さ5mmの穴を開け
た。その穴に金属層を形成したセラミックスを差し込
み、差し込む穴の入り口部にロウ、またははんだを載置
し、表2に示す温度で加熱処理して接合材を流し込んで
接合した。
【0024】使用した銀ロウは、72wt%Ag−28
wt%Cuを、金ロウは82wt%Au−18wt%N
iを、はんだは62wt%Sn−38wt%Pbを用い
た。また加熱処理した雰囲気は、銀ロウ、金ロウは真空
中で、はんだは窒素またはアルゴン雰囲気中で処理し
た。
【0025】得られた接合体を冷却後、外側の金属スリ
ーブを固定し、内側のセラミックスに2kg・mのトル
ク(ねじりモーメント)をかけ、そのトルクに耐えたも
の、即ちねじり強さが2kg・mより大きいものを良と
し、耐えられずにセラミックスと金属スリーブとの接合
部が剥離したものを不良とした。その結果を表1に示
す。
【0026】(比較例1〜4)なお、比較のため、実施
例と同一の材料を用い、表1に示す組成のペーストを作
製し、実施例と同じ温度と加熱雰囲気中で金属層を形成
した後、実施例と同様に接合した。得られた接合体に対
して、同じく実施例と同様にねじり強さをチェックし
た。その結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】表1から明らかなように、実施例1〜5に
おいては、いずれも2kg・mのトルクをかけてもセラ
ミックスと金属スリーブとが剥離せず、接合が良好であ
ることを示している。
【0030】これに対して比較例では、Tiの量が少な
いとセラミックスに金属層が形成され難いため、2kg
・mのトルクに耐えられず、セラミックスが金属スリー
ブから剥離してしまった(比較例1、3)。一方、Ti
の量が多すぎても、比較例2では金属層は十分形成され
るが、その表面に介するロウまたははんだが濡れ難く、
金属スリーブとセラミックスとの間に流れ込み難いた
め、2kg・mのトルクに耐えられなかった。また、比
較例4ではセラミックスに金属層が形成され難く、やは
り2kg・mのトルクに耐えられなかった。
【0031】
【発明の効果】以上、説明した本発明にかかる接合方法
を採れば、円筒セラミックスの外周面にセラミックスと
強く結合した金属層が形成でき、その金属層と外側の金
属スリーブとを周部で接合できるので、円筒金属の内側
に円筒セラミックスを強固に接合した接合体が得られる
ようになる。
【手続補正書】
【提出日】平成7年8月3日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】 上記金属層としては、活性金属としてチ
タンを含む金属層とし、また接合材としては、銀ロウ、
金ロウまたははんだとした(請求項1)。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0010
【補正方法】変更
【補正内容】
【0010】 また、上記円筒セラミックスとしては、
窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等の非酸化物セラミッ
クスとした(請求項3)。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】 このように窒化珪素、炭化珪素、サイア
ロン等の非酸化物セラミックスにチタンを含む金属層を
形成することとしたのは、活性金属であるチタンが窒化
珪素、またはサイアロン中のN、あるいは炭化珪素中の
Cとセラミックスの界面で安定なTiN、あるいはTi
Cを生成してセラミックスに強固に結合するためであ
る。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正内容】
【0012】 その活性金属としてチタンを含む金属層
としては、銀と銅から成るマトリックス中に1〜7wt
%のチタンを含む金属層とした(請求項1)。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0014
【補正方法】変更
【補正内容】
【0014】 また、チタンを含む他の金属層として
は、金とニッケルから成るマトリックス中に1〜5wt
%のチタンを含む金属層とした(請求項2)。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0016
【補正方法】変更
【補正内容】
【0016】 上記セラミックスの外周面に金属層を形
成する方法としては、該セラミックスの面上にペースト
などで塗布した金属層を、真空中または中性雰囲気中に
おいて、金属層の金属が溶融する温度より高い温度で加
熱処理することとした(請求項4)。
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0018
【補正方法】変更
【補正内容】
【0018】 また、内側のセラミックスと外側の金属
との間に介するロウまたははんだとしては、銀と銅から
成る銀ロウ、金とニッケルから成る金ロウ、または鉛と
錫から成るはんだとした(請求項5)。これらロウまた
ははんだを溶融温度以上に加熱処理すれば、ロウまたは
はんだが形成された金属層及び外側の金属にも良く濡れ
るので、金属スリーブとセラミックスの外周面との隙間
に流れ込み接合する。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒金属の内側に円筒セラミックスをは
    め合わせる接合方法において、該セラミックスの外周面
    に活性金属を含んだ金属層を形成した後、その面上に銀
    ロウ、金ロウ又ははんだを介して外側の金属と接合する
    ことを特徴とするセラミックスと金属との接合方法。
  2. 【請求項2】 円筒セラミックスが、窒化珪素、炭化珪
    素、サイアロン等の非酸化物セラミックスであることを
    特徴とする請求項1記載のセラミックスと金属との接合
    方法。
  3. 【請求項3】 活性金属を含んだ金属層が、銀と銅から
    成るマトリックス中に、活性金属として1〜7wt%の
    チタンを含む金属層であることを特徴とする請求項1又
    は2記載のセラミックスと金属との接合方法。
  4. 【請求項4】 活性金属を含んだ金属層が、金とニッケ
    ルから成るマトリックス中に、活性金属として1〜5w
    t%のチタンを含む金属層であることを特徴とする請求
    項1又は2記載のセラミックスと金属との接合方法。
  5. 【請求項5】 セラミックスの外周面に金属層を形成す
    る方法が、該セラミックスの面上に塗布した金属層を、
    真空中又は中性雰囲気中において、金属層の金属が溶融
    する温度より高い温度で加熱処理するものであることを
    特徴とする請求項1、2、3又は4記載のセラミックス
    と金属との接合方法。
  6. 【請求項6】 内側のセラミックスと外側の金属との間
    に介するロウ又ははんだが、銀と銅から成る銀ロウ、金
    とニッケルから成る金ロウ又は鉛と錫から成るはんだで
    あることを特徴とする請求項1、2、3、4又は5記載
    のセラミックスと金属との接合方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007254173A (ja) * 2006-03-20 2007-10-04 Nippon Steel Corp 複合構造体、複合構造体の製造方法、膜式酸素分離装置、及び膜型反応器
JP2012214363A (ja) * 2011-03-25 2012-11-08 Ngk Insulators Ltd セラミックス金属接合体、及びその製造方法

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