JPS5849672A - 金属層とセラミツク層とからなる接合体及びその製造方法 - Google Patents

金属層とセラミツク層とからなる接合体及びその製造方法

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JPS5849672A
JPS5849672A JP57136210A JP13621082A JPS5849672A JP S5849672 A JPS5849672 A JP S5849672A JP 57136210 A JP57136210 A JP 57136210A JP 13621082 A JP13621082 A JP 13621082A JP S5849672 A JPS5849672 A JP S5849672A
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    • Y10S228/903—Metal to nonmetal

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属層とセラミック層とを、それらの対向す
る面同士を、大気圧以」二の圧力と、金属及びセラミッ
クの溶融温度以下の温度とをもって、前記両層の面同士
の間の拡散、化学反応等により、互いに鍛接して得られ
る接合体及びその製造方法に関する。
さまざ才な技術分野において、金属からなる部材に、セ
ラミックから彦る部材を接合する必要が生じることがあ
る。そのよう々技術分野としては、例えば、ガスタービ
ン、太陽熱利用、人工歯、高温電気分解、或いはセラミ
ック装甲板の製造等が掲げられる。
とのような目的のために、従来からある鍛接技術を応用
して、２種の部材を互いに接合することができるが、経
験によれば、従来の技術に基づく接合方法では、充分な
接合強度を得ることができず、比較的僅かな９荷によシ
、接合体が破壊してしまうことがあった。
本発明は、上記したような接合体の強度が小さいのは、
金属とセラミックとの間の熱膨張係数の差が大きいこと
により、冷却に伴々い、境界面に太き力内部応力が発生
するためであるという認識に基づくものであり、その主
な目的とするところは、金属層とセラミック層との間の
接合強度を高めることにある。
本発明によれば、このような目的は、前記金属層を、室
温より高い温度下の相状態にある方が、室温下にあって
安定な相状態にあるよりも、小さな体積を占めるような
金属からなるものとし、かつ、鍛接温度を、前記金属の
相変化温度よりも高くすることにより、当該接合体を、
前記鍛接温度から室温捷で冷却した時に、前記金属層が
熱収縮するばかりで々く、相変化による膨張をもするよ
うにする方法を提供することにより達成さね、る。
このような相変化に伴なう体積の増加が、金属の熱収縮
を補償することとなり、金属層及びセラミック層が、冷
却するに際して、概ね同様な体積変化を行ない、発生す
る内部応力の大きさを、最小限に抑えることができる。
その結果、極めて大きい接合力を得ることができる。
接合体を、成る熱膨張係数を有するセラミックと、成る
熱膨張係数を有するとともに、相変化に伴なって体積変
化全行なうようガ金属とから彦るものとし、しかも、セ
ラミックと金属との間の熱膨張係数の差異が、相変化に
伴ガう金属の体積変化によって補償されるように、金属
及びセラミック材料を選択するとよい。
セラミック及び金属材別間の結晶格子構造、弾性係数等
の物性の差異により、接合体を鍛接（〜、それを冷却す
ることにより、非等方性の応力状態が発生する。
これは、計算により、或いは光弾性測定法等によシ、求
めることができる。この応力状態は、金属層の厚さ及び
鍛接温度の変化によって異なるものとなる。
実際、セラミック層との境界面からの金属層の厚さを増
すことにより、最大主応力方向の軌跡が、セラミック層
内に位置するようにすることができる。
金属層の厚さを、接合体が冷却するに伴がい発生する非
等方性応力状態における、最大主応力方向の軌跡が、セ
ラミック層内に位置するのに充分な大きさとすることに
より、本発明に基づく接合体の強度を、さらに高めるこ
とができる。このように、金属層の厚さを適切に定める
ことにより、接合体の接合強度を、セラミック材料自体
の強度に概ね等しくすることができる。
すなわち、接合体の最大負荷能力が、セラミックによっ
て定まるようにすることができる。このことに関して（
４，以下に詳しく説明する。
研究によれば、金属層とセラミック層とを鍛接してなる
接合体は、冷却に伴々い、接合面の近傍の内部応力を解
放するような微細なりラックが発生することがわかった
。
このような微細クラックは、冷却に伴々い相変化による
体積変化を行々う金属について、その厚さに関わりなく
、金属の内部から発し、セラミック層の面に達して終息
するように発生ずＺ。
最大主応力が、金属層内部に発生する場合には、これら
の微細なりラックは、外方の作用を受けたときに、最大
主応力の向きに直交し、破壊の原因となるようなマクロ
クラックの発生を誘発することがある。
金属層の厚さを変えることにより、最大主応力の位置を
、微細なりラックが何ら発生することのないセラミック
層内へと移動させ、微細なりラックを誘因とする破壊を
回避し、接合体が、セラミック材料と同様の破壊特性を
有するようにすることができる。
相変化を行なわない金属を用いた場合に１ｄ１最犬主応
力の位置を、セラミック層内へと移動させても、同じよ
うな強度の向上を達成することができない。この場合に
は、破壊の原因となり得る微細なりラックが、セラミッ
ク層内に存在するために、金属層の厚さを増しても、全
体的な強度の向上が期待でき々いからである。
本発明に基づく接合体の金属層として用いるのに好適な
金属の一つとして、ジルコニウムがある。
ジルコニウムは、冷却するに伴ない、８６２°Ｃを境界
として、体心立方格子構造のβ相から、六方格子構造の
α相へと変化し、それと同時に、その体積を増大する。
ジルコニウムを用いる場合には、鍛接温度を、１１５０
℃乃至１２００°Ｃとすることができる。
さらに、高温圧縮された窒化シリコンをセラミック材料
と１２で用いることができる。
このように、冷却するに伴々い、β相からα相へと変化
することのできるジルコニウムと、高温圧縮された窒化
シリコンとから、接合体を製造した場合には、最大主応
力がセラミック層内に発生するために必要な金属層の最
小の厚さは、約０．６ａｍである。
本発明の変形実施例によれば、２枚のセラミック層の間
に、金属層を鍛接して、接合体を製造する方法が提供さ
れる。
本発明の主々特徴は、室温と鍛接温度との間に相変化点
を有し、かつ、室温下で安定な相の方が、鍛接温度下で
安定々相よりも、大きな体積を占めるような金属を用い
る点にある。
以下、本発明の好適実施例を、添付の図面について説明
する。
第１図に示されている接合体は、金属層（１）とセラミ
ック層（２）とから々っている。これら両層は、互いに
強固に鍛接されており、鍛接温度下における拡散、化学
反応により形成され、両層を互いに強固に連結する中間
層（３）が、破線により図示されている。
金属層は、セラミック層よりも大きな熱膨張係数を有し
ているだめ、接合体が、鍛接温度から室温へと冷却され
るにつれて、第１図に誇張して示すように、金属層（１
）が、セラミック層（２）よりも激しく収縮することと
なる。
このようにして形成される内部応力は、接合体にクラッ
クを生じさせることがあるため、できるだけ小さいのが
好ましい。
そこで本発明に基づく接合体においては、室温と鍛接温
度との間に相変化点を有し、室温においては大きな体積
を占め、鍛接温度においては相対的に小さな体積を占め
るような金属が用いられている。
このようにして、金属層が、冷却されるに伴ない体積膨
張を行ない、金属層とセラミック層との間の熱膨張係数
の差異による影響が小さくされている。
この様子が、第１図における外向きの矢印により、概念
的に示されている。このよう々金属を、接合体に応用す
ることにより、内部応力の発生を軽減し、接合体の強度
の向上を図ることが可能であることは明らかである。
このような場合において、金属層（１）の熱膨張及び相
変化の合成効果としての寸法の変化量を、セラミック層
（２）の熱膨張による寸法の変化量と概ね等しくすれば
、極めて好適な特性を有する接合体が得られる。
次に、本発明に基づ〈実施例の具体的な内容について説
明する。
この実施例においては、ジルコニウムからなる金属層（
１）と、高温下で圧縮された窒化シリコンからなるセラ
ミック層（２）とが用いられている。
ジルコニウムは、８６２℃以下においては、六方格子構
造の相が安定であって、比較的大きな体積を占め、それ
以上の温度においては、体心立方格子構造の相が安定で
あって、比較的小さな体積を占める。
従って、これら両層を鍛接するには、例えば、１１５０
℃乃至１２００℃の温度をもって、又、１ＯＮ／＋ｕ！
　の圧力をもって、好ましくは真空下において、両層の
清浄化された面同士を、互いに圧接すればよい。
第２図は、鍛接された接合体内部において、微細なりラ
ック（４）が、金属層（１）の内部から、セラミック層
（２）に向けて、中間層（′５）友達するように発生し
た様子を示している。
このような微細なりラック（４）が形成されることによ
り、冷却に伴々い発生する内部応力が解放される。この
ようなりラック（４）は、金属層（１）の厚さにかかわ
らず、金属層（１）の内部に発生するのみである。
また、第２図には、接合体の冷却に伴ない発生する非等
方性の内部応力状態における、異なる金属層（１）の厚
さについての最大主応力方向の変化が、矢印（５ａＸ５
ｂＸ５ｃ）により示されている。
このような応力状態は、金属層の厚さに依存し、計算又
は実験により求めることができる。
これらの方向は、最大内部応力が発生する位置の軌跡を
示すもので、金属層（１）の厚さｄが増大するに伴ない
、金属層（矢印（５ａ）　）から、中間層（矢印（５ｂ
）　）を経て、セラミック層（矢印（５ｃ）　’）へと
、最大内部応力が発生する位置が移動する。
接合体が、例えば、金属層とセラミック層との境界面に
直交する向きの引張力を、破壊に至る寸で受けたときに
は、主応力方向に直交する向きのマクロクラックが発生
する。
最大主応力が発生する点が、セラミック層（２）内にあ
る場合、すなわち、最大主応力の方向が、矢印（５ａ）
　ＩＦ示すように、セラミック層（２）内に向けて延び
ている場合、微細なりラック（４）が、マクロクラック
の発生を誘発し、破壊が早期に起きる。
しかしながら、金属層とセラミック層との間の境界面に
沿って存在する金属層（１）の厚さを、成る大きさｄ以
上とすれば、それに応じて、最大主応力方向の軌跡が、
微細なりラックが存在しないセラミック層（２）内へと
移動させることができる。
この場合には、セラミック材料の高い強度を、そのま１
利用することができる。
第６図に示すように、層状に設けられた金属層（１ａ）
の両面に、そ冶、それセラミック層（２ａ）（２ｂ）を
鍛接し、境界面（６ａ）（６ｂ）に平行な力Ｐｌ＋Ｐ２
を、これら外側の層に一方向から加え、金属層（２）に
、他方から力Ｐ、を加えることにより、接合力の大きさ
を泪月定するととができる。
金属層（１ａ）の異なる厚さについて、このようにして
測定された接合力の大きさが、第４図のグラフに示され
ている。
第４図のグラフの曲線■は、ジルコニウムからなる層（
１ａ）の両側に窒化シリコンからなる層（２ａ）（２ｂ
）ｉ、ジルコニウムの相変化温度より高い温度で鍛接し
てなる接合体について得られた接合力を示している。
金属層（１ａ）の厚さが約Ｑ、６ｔｈｍ以下の範囲では
、接合力が、約Ｉ　ＤＯＪｏｕｌｅ／ｍ’のほぼ一定の
大きさであることがわかる。金属層（１ａ）の厚さが、
それ以上の大きさとなると、接合力が急速に増大し、金
属層（１ａ）の厚さがｉ　ａｍのときは、接合力の大き
さが約ろろ０Ｊｏｕｌｅ／ｍ’となる。
このように接合力が急速に増大するのは、最大主応力の
位置が、金属層からセラミック層へと移動するために、
主応力方向が、微細々クラック（４）からはずれるよう
になるためであると説明される。
それに対して、曲線■は、比較のために、ハフニウム等
の、鍛接温度と室温との間で相変化をし々い金属を用い
て製造された接合体１尾ついて得られた接合力を示すも
のであって、この場合、金属層の厚さを増しても、かろ
うじて１００　Ｊｏｕｌｅ／ｍに達するのみであること
がわかる。これは、微細なりラックが、セラミック層内
にも発生するためである。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は、金属層とセラミック層とからなる
接合体を示す概念的な側面図である。 第３図は、金属層とセラミック層との間の結合力の大き
さを求めるだめの測定法を示す概念的な側面図である。 第４図は、金属層の厚さに対する結合力の変化を示すグ
ラフである。 （ＩＸｌａ）金属層　　　　　（２Ｘ２ａＸ２ｂ）セラ
ミック層（３）中間層　　　　　　（４）クラック（５
ａＸ５ｂＸ５ｃ）矢印　　　（６ａ）（６ｂ）境界面金
属、屓の厚と（／ＦｒＬ勾 Ｆｔ’ｇ　４ 手続補正書（方式） ％式％ １　事件の表示 昭和５７年　生テ　　許　願第１６６２１０号３　補正
をする者 ニー、ファウ。 ４、代理人 ５　補正命令の日付昭和５７年１ｏ月７１」（発送日昭
和５７年１ｏ月２６日）６　補正により増加する発明の
数−ｍ−２Ｎ〜−７、補正の対象 願書の出願人の榴 委任状及びその訳文 明細書 ８　補正の内容 別紙の通り

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）　　金属層とセラミック層とを鍛接してなる接合
    体であって、 前記金属層が、室温と鍛接温度との間に相変化温度を有
    し、かつ、室温下の相にあっては、鍛接温度下の相より
    も大きな体積を占めるような金属からなる。ことを特徴
    とする接合体。 （２）　　金属層の、熱膨張係数と相変化とによる体積
    の変化が、セラミック層の、熱膨張係数による体積変化
    に概ね等ｌ〜いことを特徴とする特許請求の範囲（１）
    項に記載の接合体。 （６）　　金属層の厚さが、接合体の冷却に伴ない発生
    する非等方性の応力状態における最大主応力方向の軌跡
    が、セラミック層内に位置するのに充分な大きさである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項もしくは第
    （２）項に記載の接合体。 （４）　　金属層が、ジルコニウムからなることを特徴
    とする特許請求の範囲第（１）項乃至第（６）項のいず
    れかに記載の接合体。 （５）　　セラミック層が、高温で圧縮された窒化シリ
    コンからなることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
    項乃至第（４）項のいずれかに記載の接合体。 （６）　　接合体の金属層の厚さが、約０．６ｍｍ以上
    であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項乃至
    第（５）項のいずれかに記載の接合体。 （７）　　金属層を、層状に積層してなることを特徴と
    する特許請求の範囲第（１）項乃至第（６）項のいずれ
    かに記載の接合体。 （８）　　金属層とセラミック層とを、これら金属及び
    セラミックの溶融温度以下の鍛接温度下で、大気圧より
    も高い圧力をもって、それぞれの面同士を互いに圧接し
    、拡散、化学反応等により、前記両層の間の境界面に連
    結層を形成して接合体を製造する方法であって、 前記金属層を、室温より高い温度下の相状態にある方が
    、室温下によって安定な相状態にあるよりも小さな体積
    を占めるような金属からなるものとし、かつ、鍛接温度
    を、前記金属の相変化温度より高くすることにより、当
    該接合体を、前記鍛接温度から室温まで冷却したときに
    、前記金属層が熱収縮するばかりで々く、相変化による
    膨張をもするようにして々ることを特徴とする方法。 （９）　　セラミック材料の熱膨張係数と金属材料の熱
    膨張係数との間の差が、冷却の際の相変化に伴なう体積
    の増加の割合と概ね等しく々るようにすることにより、
    金属層の熱収縮と、相変化による膨張との合成効果が、
    セラミック層の熱収縮量に概ね等しくなるようにするこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第（８）項に記載の方法
    。 （１０）接合体の冷却に伴ない発生する応力状態におけ
    る最大主応力方向の軌跡がセラミック層内に位置するよ
    うに、金属層の厚さを充分大きくするととを特徴とする
    特許請求の範囲第（８）項もしくは第（９）項に記載の
    方法。 （１１）金属層が、ジルコニウムからなるものとするこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第（８）項乃至、　　第
    （１０）項のいずれかに記載の方法。 （１２）鍛接温度を、１１５０°Ｃ乃至１２００°Ｃと
    するこ・とを特徴とする特許請求の範囲第（１１）項に
    記載の方法。 （１３）セラミック層が、高温で圧縮された窒化シリコ
    ンからなるものとすることを特徴とする特許請求の範囲
    第（８）項乃至第（１２）項のいずれかに記載の方法。 （１４）金属層の厚さ’ｔ、０．６ｍｍ以−４二とする
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（８）項乃至第（１
    ３）項のいずれかに記載の方法。 （１５）接合体を、２つのセラミック層の間に、金属層
    を敵情して製造することを特徴とする特許請求の範囲第
    （８）項乃至第（１４）項のいずれかに記載の方法。
JP57136210A 1981-08-04 1982-08-04 金属層とセラミツク層とからなる接合体及びその製造方法 Pending JPS5849672A (ja)

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