JPS5891083A - セラミツクス接着用組成物およびセラミツクス接着方法 - Google Patents

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】 不発明はセラミックスの接着、肋・には非酸化物である
炭化ケイ素（ＳｉＣ）質セラミックス同士、窒化ケイ素
（Ｓ’３Ｎ４　）　’１１セラミックス同士、またばＥ
ｌｉＣｇセラミックスと６１ｉ３Ｎ４質セラミツクスの
接着に好適な接着用組成物およびその接層方法に関する
ものである。

近年エンジニアリングセラミックスとしてＳｉＣ、５ｉ
３Ｎ４ｆ主組成とするものが注目され数多くの研究、開
発がなされている。

しかしかから、これらエンジニアリングセラミックスと
しての用途は、例えはガスタービンのローター、スフ一
一ター、ガソリンエンジン。

ディーゼルエンジンのシリンダー、ピストン筐たは燃料
噴射弁などであるたの、その形状１寸法梢度などに対す
る要求が蔽しく、予め一捧成形で製作することが困難な
ことが多い。従って、単純形状の部品を接層して複雑形
状の部品に仕上けることが考えられ、その具体的な方法
もいくつか提案されている。

例えは従来の典型的な方法は、接着用組成物を被接着セ
ラミックス間に介在させ、または何も介在させずに加圧
しつつ加熱することが望ましい、いわゆるホットプレス
処理が必要であった。

しかしながらこの方法は、複雑な筐たは寸法の大きい形
状であるセラミックスを対象とする場合には均一な処理
が困難なことも多く、特別な加圧を必賛とせず熱処理す
ることが望まれている。

一方、この問題点を解決すべく、通常法により接着処理
することのできる提案もいくつかなされ、そのための接
着用組成物についても提案されている。

例えは、特公昭４９−２０３７０号公報には接ＮＭ’ｌ
成分としてｌ１ｌ−Ａ族酸化物単独の使用が、筐だ特開
昭４７−３４４１０号公報にはｔソ化アルミニウム、酸
化ケイ素およびアルカリ土類金属歌化物成分のみからな
るガラスの使用が示されているが、これらの方法により
得られる接着強度は一般に低く十分ですく、その接着処
理も高温で行わねばならず、さらに接漸層が均一になり
にくいなどの欠点があった。

本発明は、これらの叙勲から従来の欠点を改良すべく柚
々研究された結果として見い出されたものであって、酸
化物成分として少くとも３錘の特定の酸化物成分および
非酢化物成分として炭化ケイ素成分を所定の割合で含イ
」してなるセラミックス粉末ケ主成分とする接着用組成
物及びその接着方法ヲ安旨とするものである。

寸ず、本発明の利点を列挙すると、主として次の通りで
ある。

１　通常の接層方法であっても、高い接着強度が得られ
る。（室温から１２００℃の高温に１でわたって） ２　制久住にすぐれ、長時間にわたって高い高温接着強
度全維持できる。

３　低温での接着処理が可能（例えばＳｉＣで１３００
〜１８００℃１Ｓ１３Ｎ４で１３００〜１６００℃） 己れは、（］）被被接上ラミックスの焼結温度（例えば
ＳｉＣで１９００〜２２００℃。

Ｓｉ３Ｎ４で１６５０〜１８００℃）より低温処理が可
能となり、焼結体の変彩、変質の恐れかない。（２）熱
経済的或は設備的にも有利、なことを示している。

４　接看面の平滑性、が多少悪くても、接着層が多少厚
くても容易に接層できる。

５　密封性にすぐれ、接着部分でのガス流通性が実質的
にない。

本発明を、以下被接着セラミックスとしてＳｉＣおよび
／″１．たは５１３Ｎ４質からなる焼結体を対象々して
説明するが、Ａｌｎなどの他の非酸化物系セラミックス
の接着、さらには酸化物系セラミックスの接層にも使用
可能であるし、焼結体でなく仮焼品或は生成形品を対象
としたものであっても勿論可能である。またＳｉＣおよ
び／または５１３Ｎ４質には、実質的にＳｉＣおよび／
またはＳｉ３Ｎ４のみからなるものはもとより、ＳｉＣ
および／′またｌｌ′１Ｓｉ３Ｎ４　ｋ主成分とし、た
とえば８１０２　、　　Ｓ１＋　Ｃ、オキシ窒化シリコ
ン、またはＹ２Ｏ３，Ａ］、２０３．　Ｂなどの成分を
助剤、不純物などとして含有しているものをも指すもの
である。

また、本発明接着用組成物は、これを被接着セラミック
ス焼結体間に介在させて熱処理することなどにより使用
するものであり、通常適量の水や液状樹脂などを加えた
ペースト状、懸濁状貰たはエマルジョンなどとして、塗
布、吹１１けなどに供するものであり、葦だ粉末の寸ま
介在せしめることもできるものであるが、以下の接着用
組成物としての説明は、接層成分としてのセラミックス
粉末のみを対象としたものである。

さらに、セラミックス粉末としての成分ｋｍ化物および
炭化物として説明ずつが、場合によっては接着の熱処理
などによりば化物および炭化物となる化合物などとして
配合してもよいものであり、いずれの場合でも配合割合
は酸化物および炭化物を基準として示したものである。

本発明接着用組成物は、説明し易いようにまとめて分類
すると、基本的に３つの成分を含有してなっている。

第１成分は酸化アルミニウム（Ａ１２０３）分および欧
化ケイ素（Ｅ＋１０２）分よりなる成分であって、この
２者は第１ｈｙ、分構成成分としていずれも必須のもの
である。かかる第１成分は、接着用組成物全浴融捷たは
半融せしめて被接着セラミックスの接着表面とのぬれ性
を向上させるとともに、高い接着強度全発理させるのに
効果があるものと推足している。

第２成分は酸化イツトリウム（Ｙ２Ｏ３）分および／ま
たは酸化ジルコニウム（Ｚｒ０３）分よりなる成分でり
って、この２者は第２成分構成成分としていずれか一方
のみであってもよい。かかる第２成分は、後述する第３
成分であるＦ３１Ｇ、。

およびＳｉＣおよび／またはＳｉ３Ｎ４質セラミックス
に代表されを被接着セラミックスと第１成分などとの反
応性を高め、あわせて高温時に粘りのある液相としての
ガラス相の形成にあすか堆 って、結果的には商い接着強匣の光〜などの効（９） 朱につながるものと考えている。

第３成分は非ば化物である炭化ケイ素（ＳｉＣ）分よシ
なる成分である。かかる第３成分は接着用組成物におい
て骨材として機能するとともに、ＳｉＣおよび／または
Ｓｉ３Ｎ４質セラミックスに代表される被接着セラミッ
クスとのなじみを良くするなどの効果を有すると考えて
いる。さらに第３成分を欠くと接着用組成物の高温時の
粘度が低くなりすぎなととも確認している。

第１成分を構成する２つの成分は、たとえばＡｌ２Ｏ３
粉末、Ｓ１０□粉末などのそれぞれ別々の単一の酸化物
またはそ°の前駆物質の配合により含んでいてもよいし
、Ａ１゜０３分１たはｓｉ、ｏ２分のいずれか一方また
は双方を含む結晶または鉱物などの配合により含んでい
てもよいし、葦だこれらを併用してもよい。一方金含む
結晶または鉱物としては、Ａｌ２Ｏ３分またはＳｉＯ□
分を含有していれば特には限駕されないが、たとえばタ
ルク（代表的な組成式として３Ｍｇ０・４ＳｉＯ，、、
Ｈ２Ｏ、以下同じ）、スピネル（ＭｇＯ−Ａ１２０３）
などかあ（１０） げられ、葦だジルコン（Ｚｒ０２・５１０２）ハ第２成
分源ケも兼ねて使用でき、好適な例である。

双方を含む結晶または鉱物としてはＡｌ２Ｏ３分および
ＳｉＯ３分ケ含有していれば特には限定されないが、好
適なものとしてはムライト（Ｘ　Ａ１２　ｏ３・５１０
２、Ｘ−１５〜２）、コージェライト（２Ｍｇ０・２Ａ
１２０３．５Ｓ１０２）、スボジュメン（Ｌｉ□Ｏ、Ａ
、１２０３・４ＳｉＯ２）などがあげられる。なお、こ
れらの結晶筐たは鉱物は必すしもこれらの組成式に限定
される必要はなく、谷結晶せたは鉱物の代表的特性？満
たす範囲で適宜の組成比を有していてもよいし、不純分
成分を含んでいてもさしつかえない。

壕だ発明者の検討によれは、第１成分として選択しうる
各種のＡｌ２Ｏ３源、５ｉｎ２源により、接着強度およ
び熱処理温度を適宜調整しうることか見出されている。

すなわち第１成分としてそれぞれＡｌ２Ｏ３粉末とＳｉ
Ｏ□紛木、粉本イト、コージェライト、スボジュメンを
用いることにより、この順で熱処理温度を低下きせられ
るもの（１１） でりり、捷たこの逆の順に接着強度を簡められるもので
ある。凍たかかる効果は、上記第１成分源が第１成分の
実質的にすべてである場合のみならず、第１成分の８０
％（重量％、以下本明卸１書において同じ）以上、荷に
は９０％以」二である場合にも認められる。

第２成分ヲ構成する成分についても、たとえばＹ２Ｏ３
粉末、　ＺｒＯ２粉末などのそれぞれ別々の単一の酸化
物またはその前駆物質の配合により含んでいてもよいし
、第２成分の一部またけすべて全ジルコンの如く、Ｙ２
Ｏ３筐たはＺｒ　Ｏ２を構成穴、分として含む、結晶ま
たは鉱物で代用してもよい。

こ扛らの各成分の配合割合は、第１成分が２５〜７５％
Ｉ第２成分が１０〜４０％、第３成分が１０〜６０％で
あり、これを満たさぬ配合割合では接着強反が充分でな
り、特に高温強度が低いものとなったり、あるいは組成
物の融点が上昇し、好筐しいガラス相が形成されないた
めに接着できない、または高温での接着強度（１２） 全長時間維持できないなどのことが多い。さらに第１成
分が４０〜６５％、第２成分が１３〜３５％、第３成分
が１５〜４０％であることがより好適であり、この場合
本発明の利点がより顕著に発揮されるとともに、その信
頼性も同上する。

Ａｌ２Ｏ３分または８１０２分はいずれも第１成分の２
５％以上であることが、両者の共存相乗作乱 用により発穆されると推定される前述した第成分の効果
ケより実効あらしめて好筐しい。

第１成分、第２成分および第３成分の合量が接層用組成
物のセラミックス成分中７０％以上、特には８５％以上
であることが好ましい。第１〜第３成分以外の成分とし
て、コージェライトなどに由来するＭｇ０分、スボジュ
メンなどに由来するＬ１□Ｏ分などのアルカリ金属、ア
ルカリ土類金属の敵化物成分をはじめとして、ＳｉＣ分
に不純物などとして含逢れうるＳｉ　、　Ｃ、Ｓｉ３Ｎ
４など、あるいは一般に第１成分源や第２成分源の不純
物などとして＠瞥れうるＦｅ２Ｏ３，ＴｉＯ２，Ｃｒ２
０３（１３） などが、目的を損わずまたは特別な弊害をもたらすこと
のない範囲で少量含寸れていてもよい。

つぎに、接着用組成物を焼結体間に介在させ熱処理する
温度について説明すると、１３００〜１８００　℃、例
えは５ＩＣ）ｆｉＬセラミックス同士の接着で１３００
〜１８００℃、５１３Ｎ４質セラミックス同士の接着で
１３００〜１６００℃の範囲が必要である。

これは、１３００℃以下では組成物が溶融せず、接着面
が濡れず接着強度が十分元押されないし、１８００℃以
上では、被接着セラミックスの変形または変質が問題と
なり、筐だ接着用組成物の分解も進むし、熱経済的にも
好捷しくないなどの理由による。

尚、被接着セラミックスがＳｉＣ質の場合１３５０〜１
７５０℃、５１３Ｎ４質の場合１３５０〜１５５０℃が
より望ましい範囲である。

寸だ、熱処理雰囲気としては、被接着セラミックスの特
性ケ損わないようにするだめ、留素。

アルゴン、ヘリウム、水素、−酸化炭素などの（１４） 非敵化性雰囲気が使用され、なかでも屋累、アルゴン算
囲気下で行うようにするのがよい。

なお、尚い接層強度を侍るためには、一般には接着層を
比戦的薄く、膚だ均一にすることが必要である１、この
ためにはできるだけ被接着体の接層層全平滑にし、継面
化し少量の接着用組成物を接着層に薄く均一に十ノドす
ることが好ましい。接着層の厚さは約１００／ｉｍ以下
が好ましいが、１５（）μ７ｎ程度でもかなりの接着強
度が本発明の場合には得られる。従って本発明の場合に
は、接層層が充分平滑でガくても一応の接着が可Ｎ＝で
あることも確かめられている。

本光明ケさらに実施ｖ１］にて説明する。

実施例 いずれも平均粒径約２ｐｍのＡｌ２Ｏ３，５ｉｎ２゜ム
ライト（Ａ１２０３分７１．８％、　５ｉｎ２分２８２
％）。

コージェライト（Ａ１２０３分３４．９％、　５ｉｎ２
分５１４％。

Ｍｇ０分１３７％）、スボジュメン（Ａ１２（４分２７
４％。

５１０２分６４５％、　Ｌｉ、、０分８１％）、　Ｙ２
Ｏ３、ＺｒＯ２およびｓｉｃの粉本を表に示した調合比
により秤取し、（１５） こｎ−Ｋ　洲当量の水紮力ａえ、ボールミルにて充分に
混合した。この接着用泥漿を２個の２０Ｘ１５Ｘ　１０
　ｍｍのＳｉＣ−ｇたは５１３Ｎ４焼結体の２０Ｘ１０
ｓ＋＋の而に毛単にて塗布し、塗布面を合わせて圧着し
た。この接着層を乾燥後、抵抗力１］熱炉に入れ、アル
ゴンガス１気圧の井囲気中で衣に示した温度で１時間熱
処理した。この接着焼結体から３　Ｘ　３　Ｘ　３０　
ｍｍの角棒を切り出し、接層部分に荷重をかける３点曲
げ試験を室温、１０００℃および１２００℃とで行い、
３個の平均値をその接着強度とした。この結果ケ懺に示
した。なお被接着体であるＥｌｉＣおよび５１３Ｎ４焼
結体の曲げ強度Ｕ−すれぞれ５４　ｋｆ／　ｍｍ　＋　
６５　＠／ｍｑ４であった。

捷だ、候Ｍ層の厚今に約１００μｍであった。

さらに、ＮＩＬ　１およびＮα７の接着焼結体１１１０
０℃に加熱された太気纒囲気下に長時間放置したのち１
１００℃における接層強度を測足したところ、Ｎａ　］
の試料については　１００時間後で１９、８　ｋｇ／ｍ
ｌ　＋　　８００時間後で１９．０　Ｈ／　ｍＡ、Ｎα
７の試料については５００時間後でｌ　］、　３　ｋｇ
　／　ｍａ（１６） であった。

葦た尚１の接着焼結体から、１０　Ｘ　２０　ｎｖｎの
而の中央部に接層層が位置するように、３×１０×２０
市の板葡切り出した。６×１６ＩｎＩｎの窓を有する気
密箱体の窓部に内側よりこの板金気密性シーラン）ｋ用
いて接層し、箱体内金１気圧（ケージ圧）に加圧して１
時間放置して＆＝盾層の気笛性を調べたところ、箱体内
の圧力−８実質的に変わらなかった。

ｌだ塗布前ケ加減して接着層厚を変えた他はＮα１と同
様にして得だ接Ｎ畑１紹体の接層強度音測定した。接看
層厚約７０μｍでは１６４（室温）、１３．３　（１０
００℃）、接層層厚約１３０μｍでは１１５（室温）、
１１．０（１０００℃）、接着層厚約１５０μｍでは１
０．７　（Ｗ温）、１０．３（１０００℃）（単位はい
ずれも＠　／　ｍａ　）であった。

（１７）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １゜　酸化アルミニウム分および酸化ケイ素分よりなる
   第１成分を２５〜７５重量％、酸化イツトリウム分およ
   び／−１：たはｌＶｌ化ジルコニウム分よりなる第２成
   分を１０〜４０重量％、および炭化ケイ累分よりなる第
   ３成分（ｉ−２０〜６０重量％の割合で含む粉末を主成
   分とすることを特徴とするセラミックス接着用組成９勿
   。 ２、　　第１Ｈ分、第２成分および第３成分の合量が接
   着用組成物のセラミックス成分中８５軍量楚以上である
   特許請求の範囲第１項記載の組成物。 ３　第１成分の９０重重敞以上が酸化アルミニウム粉末
   および酸化ケイ素粉末よりなる特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の組成物。 ４　第１成分の９０Ｍ重饅以上がムライト、コージェラ
   イトおよびスポジュメンより選ばれる１棟以−ヒよりな
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の組成物。 ５　第１成分を４０〜６５重量％、第２成分を１３〜３
   ５重量％、および第３成分を１５〜４０重量褒の重敞で
   含む粉末を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項
   のいずれか記載の組成物。 ６　被接着セラミックスが炭化ケイ素および／捷たは屋
   化ケイ素員からなる焼結体である特許請求の範囲第１項
   乃至第５項のいずれか記載の組成物。 ７　酸化アルミニウム分および歌化ケイ素分よりなる第
   １成分を２５〜７５重量％、酸化イツトリウム分および
   ／または酸化ジルコニウム分よりなる第２成分ｉ１０〜
   ４０１Ｆ前襲、および炭化ケイ素よりなるｔ６３成分を
   １０〜６０　Ｍ−’、係の割合で含む粉床を主成分とす
   る接着用組成ｖｌヲ、被接層セラミックス間に介在させ
   、１３００〜１８００℃の温度で熱処理することｒ特徴
   とするセラミックス接層方法。 ８　第１成分、第２成分および第３成分の合量が接着用
   組成物のセラミックス成分中８５重−１＠：％以−にで
   のり、第１成分の９０皿重％以上が酸化アルミニウム粉
   末および酸化ケイ素粉末よりなる接着用ポｌ成物を使用
   する特ａ’ｆ　Ｍ青水の範囲第７項記載の接層方法。 ９　第］成分、第２成分および第３成分の合量が接層用
   組成物のセラミックス成分中８５車量係以上であり、第
   １成分の９０ｉ量係以上がムライト、コージエライ］・
   およびスボジュメンより選ばれる１棟以上よりなる接着
   用組成物を使用する％許ａ）１求の範囲第７項記載の接
   層方法。 １０　　被接着セラミックスが炭化ケイ素および／また
   ｉｄ屋化ケイ素質からなる焼結体であり、非酸化性雰囲
   気下で熱処理する％許請求の範囲第７項乃至第９項のい
   ずれか記載の接層方法。