JPH085727B2 - セラミックスと金属との接合方法 - Google Patents

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
をろう材により接合させるセラミックスと金属との接合
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは、金属に比べすぐれた耐
熱性・耐磨耗性・耐蝕性を有するが、低靭性・難加工性
という欠点も有する。このため、セラミックス単独で使
用されることは少なく、耐熱性・耐磨耗性・耐蝕性など
の必要特性を要求される部分にのみセラミックスを使用
し、靭性・加工性を要求される部分は金属とする、セラ
ミックス−金属接合体の形で使用されることがほとんど
である。セラミックス−金属接合体は、施工性、信頼
性、コストの観点から一般にはろう付け法により製作さ
れる。しかし、ろう付け法によるセラミックス−金属の
直接接合では、高温の炉内で接合後冷却するため、冷却
過程において、セラミックスと金属の熱膨張係数の差に
より、セラミックス内部に大きな残留応力が発生し、セ
ラミックスの内部残留応力が最も高くなる接合界面付近
より亀裂が発生し健全な接合体を製作することは困難で
ある場合が多い。

【０００３】セラミックスは、アルミナ系、ジルコニア
系、炭化珪素系、窒化珪素・サイアロン系に大別される
が、耐熱性・耐磨耗性・耐蝕性を要求される構造部材と
して使用されるのは、高温強さ・破壊靭性の観点からア
ルミナ系および窒化珪素・サイアロン系である。特に窒
化珪素・サイアロン系は、アルミナ系よりはるかにすぐ
れた特性を有するが、熱膨張係数がアルミナ系の８×１
０^-6／℃に対し、窒化珪素・サイアロン系では３〜４×
１０^-6／℃とアルミナ系の半分以下であり、健全な接合
体の製作はより一層困難である。

【０００４】セラミックス−金属接合体における、セラ
ミックスの内部残留応力を緩和する方法としては、
（１）セラミックスと金属の間に中間層として軟質金属
を介装する方法、（２）セラミックスと金属の間に中間
層として軟質金属と硬質金属の複数層を介装する方法、
（３）セラミックスと金属の間に、部分的に中間層を介
装し接合面積を低減させる方法、（４）中間層または金
属にスリットなどをもうけ冷却過程における変形を吸収
する方法、などが提案されている。これらは一部実用化
されている技術であり、セラミックスの内部残留応力を
低減する効果はあるものの、内部残留応力を大幅に低減
することは困難である。このため、小型のセラミックス
−金属接合体は製作可能ではあるが、大型の接合体を製
作することは困難であり、特に低熱膨張係数の窒化珪素
・サイアロン系では、セラミックスの大きさがＬ２０mm
×Ｗ２０mm程度の接合体が実用レベルとしては製作の限
界とされている。セラミックスの内部残留応力を大幅に
低減する方法として、本発明者等は、特願平２−１６５
８００号で、図２に示すような、セラミックスと金属と
が、メッシュ状の伸縮性を有する緩衝金属層を介してろ
う材により接合したセラミックス−金属接合体を提案し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記特願平２−１６５
８００号は、セラミックス内部の残留応力を大幅に低減
しようとしたものであり、大型セラミックス、特に窒化
珪素・サイアロン系セラミックスと金属の健全な接合体
を製作することを可能とし、セラミックス−金属接合体
の大きさは、実機での使用形状およびセラミックスの製
造可能範囲に合わせ、例えば２００×２００×厚み２０
mmのサイアロン４枚を４００×４００×厚み６mmのステ
ンレス鋼と接合し、４００×４００mmのセラミックス−
金属接合体を製作することなどが可能となった。

【０００６】しかし、大型セラミックス−金属接合体を
製作する場合は、製造上から種々の制約が生じてくる。
セラミックスと金属をろう付けにより接合する場合は、
ろう材の酸化を防止するために、１０^-3〜１０^-5Torr程
度の真空中でろう付けすることが一般的であるが、真空
炉は大気圧に耐える構造とするため、炉内寸法は大気炉
に比べるとかなり小さく、接合体の大きさが炉寸法から
制約を受け、一回で処理できる個数も限られるため、大
型接合体を短期間で大量に製作することは困難である。

【０００７】また、接合面の密着性を確保するために、
図３に示すように、接合体の上下を一体または任意の幅
に分割された平板９ではさみ、ボルト１０およびナット
１１で接合体をクランプする方法が一般に行なわれてい
るが、炉内寸法の制約からクランプ治具の大きさも制約
され、接合体の大型化に応じた適切なクランプ力を接合
面に均等に加えることが困難となる場合が多い。特に、
特願平２−１６５８００号におけるメッシュ状の伸縮性
を有する緩衝金属層を介して接合した接合体では、接合
面で点接触させることが健全かつ十分な接合強さを有す
る接合体を製作するためには必須であるが、接合面に均
等にクランプ力が加わっていないと、部分的に接合不良
が発生することを実験的に確認している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、大型セラミッ
クス−金属接合体を製作する場合に生ずる種々の制約を
解消し、信頼性の高い大型セラミックス−金属接合体を
低コストで製作することを目的としてなされたものであ
り、セラミックス金属とをろう材により接合させるセラ
ミックスと金属との接合方法において、接合材料を密封
容器内に格納し、該密封容器内を真空に保持したまま、
大気炉中で該密封容器ごとろう付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である。

【０００９】

【作用】本発明によるセラミックスと金属との接合方法
を図１に示す。図１（ａ）は平面図、（ｂ）から（ｄ）
は側面図である。セラミックス１と金属５を、緩衝金属
層３を介して、ろう材２，４により接合する。緩衝金属
層３は、セラミックス１と金属５の熱膨張係数差が小さ
ければ不要であるが、低熱膨張係数の窒化珪素・サイア
ロン系セラミックスとステンレス鋼との接合では不可欠
であり、かつ大型の接合体を製作する場合は、メッシュ
状の伸縮性を有する材料等を選定する必要がある。これ
らの接合材料を組み立てた後、密封容器６内に格納す
る。密封容器は、種々の製作法が可能であり、図１
（ｂ）は、接合材料全体を容器内にいれた後、所定の部
位をシール溶接し、密封容器としたものであり、図１
（ｃ）は、あらかじめ製作した容器を接合材料にかぶ
せ、容器と金属とをシール溶接し、密封容器６としたも
のであり、図１（ｄ）は、接合する金属と密封容器の一
部を一体化し、上蓋をシール溶接し、密封容器６とした
ものである。

【００１０】密封容器６の材料は、ろう付け温度で溶融
および酸化しないステンレス鋼などを用い、接合面に平
行なセラミックス側の上面の板厚は大気圧で変形する厚
みとする。密封容器６の形状は、接合体の大きさに合わ
せ、できるだけ隙間が小さくなるように製作する。密封
容器６には排気管７および吸気管８を取り付ける。

【００１１】接合材料を密封容器６ごと大気炉中に入
れ、排気管７および吸気管８は炉外に取り出し、排気管
７は真空ポンプと接続し、吸気管８は不活性ガスボンベ
等と接続する。吸気管８から微量の不活性ガスを入れな
がら排気管７から真空排気すると、密封容器６内は真空
となり、密封容器は接合体の形状に沿って変形し、外部
から均一に大気圧が加わり、接合面が均一に加圧された
状態となる。この状態を保持しつつ、所定の温度まで加
熱、一定時間保持後、冷却しろう付けする。

【００１２】ろう付け中には、接合品質上有害なガスが
発生するため、吸気管８で微量のアルゴン等の不活性ガ
スを送り、有害な発生ガスと強制的に置換させながら真
空排気する。ろう付け中に有害なガスの発生が少なけれ
ば、吸気管８は不要であるが、接合材料等を加熱してガ
スが発生しない程度まで清浄にするためには、多大の手
間と労力を要するので、実用上は、ろう付け中に微量の
不活性ガスを送りつつ真空排気する方法の方がすぐれて
いる。本方法では接合面は、均一に大気圧で加圧された
状態でろう付けが完了する。

【００１３】加圧力を上げたい場合は、大気圧以上に加
圧のできる炉を用いればよいが、本発明者等の実験で
は、接合面を平坦に研削仕上げしておけば大気圧でも十
分な均一加圧ができ、逆に、メッシュ状の伸縮性のある
緩衝金属層３では、加圧しすぎるとメッシュが大きく変
形し高温では重なり部が一体化してしまい、本来の残留
応力緩和機能を果たさなくなるため、加圧力には上限が
あることを実験的に確認している。ろう付け完了後、大
気炉中より取り出し、密封容器６を除去すれば、接合体
が得られる。使用上支障が無ければ、密封容器６から吸
気管８、排気管７等の障害物を除去した状態でそのまま
使用することも可能である。

【００１４】

【実施例】図１において、セラミックス１は接合面をメ
タライズした２００×２００×厚み２０mmのサイアロ
ン、金属５は４０１×４０１×厚み６mmのステンレス鋼
（ＳＵＳ４１０）、緩衝金属層３は、８メッシュの銅メ
ッシュ網であり、緩衝金属層３の上下に銀ろう箔２，４
を挿入し、板厚１mmのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で
図１（ｂ）に示す密封容器６を製作した。

【００１５】サイアロン同士が接触していると、接合後
の冷却時における金属の収縮にともない、サイアロン間
に過大な接触圧力がかかりサイアロンが割れてしまうた
め、隣接するサイアロン間の隙間は１mmとした。大気炉
中で、微量のアルゴンガスを送りつつ、真空ポンプで排
気し２〜３Torrの真空度を保持するように排気しなが
ら、８００℃で４０分保持した後、冷却し接合した。密
封容器ごと炉外に取り出し、密封容器６を除去し接合体
を製作した。製作した接合体の接合状況を破壊検査によ
り調べた結果、ろう材は銅メッシュの接合面との点接触
部に均一に分布しており、ろう付け状態は真空炉中ろう
付けと同等であり、接合状態は極めて良好であった。

【００１６】

【発明の効果】本方法によれば、大型接合体でも均一な
接合面が容易に得られ、かつ大気炉中で、真空炉中ろう
付けと同等の接合体が製作できる。また、大型の大気炉
は一般に存在するため、大型接合体を１回に大量に製作
することが可能であり、接合体製作のコストが大幅に低
減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるセラミックスと金属との接合方法
を示したもので、（ａ）は平面図（ｂ），（ｃ），
（ｄ）は側面図である。

【図２】本発明のセラミックス−金属接合体の断面図で
ある。

【図３】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１ セラミックス ２，４ ろう材 ３ 緩衝金属層 ５ 金属 ６ 密封容器 ７ 排気管 ８ 吸気管 ９ 平板 １０ ボルト １１ ナット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックスと金属とをろう材により接
   合させるセラミックスと金属との接合方法において、接
   合材料を密封容器内に格納し、該密封容器内を真空に保
   持したまま、大気炉中で該密封容器ごとろう付すること
   を特徴とするセラミックスと金属との接合方法。