JPS5891087A - セラミツクス部材と金属部材の接合体 - 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】 本発明はセラミックス部材と金属部材の接合体、特には
粉末冶金成形体の焼成収縮全利用してセラミックス部材
を金属部材で把持して接合した接合体に関する。

一般にセラミックス材料は耐熱性、高温強朋および耐摩
耗性などに穿れていることから、近年ガスタービン、デ
ィーゼルエンジン、１ｉ１１１′熱性機械装ｊｔ　７＞
どの用途にいわゆるエンジニアリングセラミックスとし
て注目されている。一方、金属材料は加工性に優れ、成
形も容易であり、またセラミックス材料に比して靭性に
も優れている。したがって両者の特性？複合して、たと
えば高温にさらされる部分をセラミックス部材で構成し
、靭性や高い寸法精度などを要求される部分を金属部材
で構成し、両者を接合して使用することが考えられてい
る。

このようなセラミックス部材と金属部材の接合に関して
は、たとえば両部材の熱膨張率の差を利用して焼きばめ
または冷やしばめする方法が知られているが、この方法
では適切な接合強度ケ得るには両部材の熱膨張特性を正
確に把握し、かつ筒い寸法精度で両部材を製作しておく
心安があり、しばしば応力集中により接合後のセラミッ
クス部材にクラックが発生する他、使用温度が高くある
いは低くなると接合強度が不足し、特に熱ザイクル貝荷
のかかる環境にはきわめて弱いという欠点があった。ま
たホットプレス法による接合では、複雑なまたは大型の
形状の対象物には均一な処理が困難であり、−マた接合
時の高荷重により薄利に変形、損協全与えやすいし、ボ
ルト締めによる接合では加工性に乏シイセラミックス部
材全複雑に加工する必要があったり、小型の対象物には
応用しがたい。

さらに葦た、粉末冶金法で成形した金属部祠の焼成収縮
性を利用して、セラミックス部材葡直接に、または接合
部ケガラス質で施釉したセラミックス部材全金属部材で
焼結収縮はめすることも知られている。しかしかかる方
法でも、必要な接合強度を確保しながら応力集中による
損傷を防止できる高信頼性の接合体を得るのは容易でな
く、なたは高温ではガラス質の軟化により充分な接合強
度が得られないなどの難点があった。

本発ゆ」はこれらの既存技術の欠点を改良すべく狸々検
討された結果として見い出されたものであって、セラミ
ックス部材を、金属粉末を成形してなる焼成収縮率のよ
り大きい金属部材で把持して接合するにあたり、粉末状
、繊維状。

清秋の少くとも一つからなる金属を接合面間に介在させ
て焼結したことを％徴とするセラミックス部材と金属部
材の接合体を提供するものである。

しかして本発明接合体の利点を列挙すると、主として次
の通りである。

１　室温のみならず高温においても萬い接合強度が得ら
れる。

２　室温から高温にわたる熱ザイクル負荷に対しても充
分な接合強度を保持しうる。

３　熱衝撃に強い接合体が得られる。

４、広い範囲の接合条件に適用しえて、かつ、特にセラ
ミックス部材に応力集中による損傷を与えにくい。

５　信頼性の高い接合体が得られる。

本発明に使用されるセラミックス部材の材質としては璧
化ケイ累質、炭化ケイ素質などの非酸化物系セラミック
スが高温強度が高い、耐熱衝撃性が太きい女どの点で特
に好適であるが、アルミナ質、ジルコニア質、チタニア
質、シリカ質などの酸化ｗ糸であっても適宜使用しうる
もっであり、さらに窒化ケイ素・炭化ケイ素混合買、ア
ルミナ・ジルコニア混合質、サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ　
−０−Ｎ　）質などの混合系などであっても適用可能で
ある。−力、金属部材の材質としては粉末冶金法で成形
・焼結しうるものであれば特に限定されないが、ニッケ
ル、銅、モリブデン、アルミニウム、鉄、チタン、ステ
ンレス鋼、ニクロム、各種コバルト合金などの金属や合
金が採用でき、特にＣｏ−Ｃｒ−Ｎｉ系、Ｎｊ、−Ｃｒ
−Ｆｅ糸、　Ｎ１−Ｃｒ−Ｃｏ−Ｗ糸、　Ｍｏ−Ｔｉ−
Ｚｒ−Ｃ系などの超合金は、その高い耐熱性ゆえに、得
られる接合体の金属部材部分會扁温環境下において使用
することが可能となり、このことはセラミックス部材部
分ケよりＡ温の環境下において便用することを可能なら
しめ、セラミックス部材の耐熱性をよシ顕著に発揮でき
て好適である。

かかる材質の金属粉ホ全加圧法もしくは常圧法により成
形したのち、セラミックス部材を把持すべき孔部または
カラ一部を機械加工などによって設けることは、この孔
部などを高い寸法精度で工作できて好ましく、一方、あ
らかじめ孔部などを有する形状に粉末から直接に成形す
ることは工程が簡略化できるなどの利点がある。

こうして得た金属部材は接合前に全く焼結してなくても
、半焼結などの如く中間程度に焼結してあっても支障な
いが、充分に焼結しであることは、接合時の収縮しるが
不充分となって好ましくない。同僚にセラミックス部拐
ＶＣついても把持されるべき凸部などを成形と同時に、
または成形後に、または焼結後のいずれの工程で設けて
もよい。セラミックス部材はホットプレス法、常圧焼結
法２反応焼結法などの手段によって接合前に成形ととも
に充分に焼結されているか、もしくは仮焼などによりあ
る程度焼結されていることが、接合時のセラミックス部
材の収縮が少ないあるいは接合体の使用中の収縮が少な
いなどの点で好ましいが、未焼成のいわゆるグリーン体
であっても、焼成収縮率が金属部材のそれより小さけれ
ば、接合条件の選択によつて採用可能である。

接合直前の金属部材の焼成収縮率は接合は前のセラミッ
クス部材のそれより大きいことが必要である。すなわち
この差が接合力の発現につながるからであり、基本的に
はこの差と接合面間のクリアランスとの相対関係により
、接合力ｆ：調節しうるものである。しかして両部材の
焼成収縮率の差Ｃ：、両部材Ｕ）材質１粒度、成形圧力
、接合前の焼結の有無とその程度、接合時の焼結条件な
どによって適宜に選択することが可能である。

接合部分の形状はセラミックス部材が金属部材により杷
持されるものであることが必要である。なおセラミック
ス部材、金属部材ともその全体が把持され、把持する必
要はなく、接合にあす力・る部分のみがかかる構造にな
っていればよいことはいうまでも々い。たとえばセラミ
ックス部材の一端を円筒状にし、金属部材の一端にそれ
と相似にして少こし大きい円筒状凹孔部を設りるのは好
適な例であシ、両部材の少くとも一方が肯状であっても
よい。また円形断面である必要はなく、たとえばセラミ
ックスロッドの一端を角棒状とし、ロッド状の金属部祠
側にこれに相応する角柱状凹孔部を設けて接合する場付
には、接合体ケ回転軸などとして使用する場合には、ね
じり応力に対して接合部が強いなどの利点がある。また
接合部が相似のオス形。

メス彰である必要もなく、たとえば円筒状接合部を有す
るセラミックス部材を、四本の脚部全接合部として有す
る金属部材で挾持する如く構成して接合することにより
、過朋の応力負荷を逃けられるようにしてもよい。

さらに、金属部材の両端に接合部を設け、そのそれぞれ
にセラミックス部材を接合することにより、金属部材を
介して二つのセラミックス部材の接合体が得られる。こ
のようにして得たセラミックス部材同士の接合体は、た
とえば焼成収縮率の襟のあるセラミックス部材同士を焼
成収縮ばめして得た接合体では把持するセラミックス部
材に引張り応力が加わって欠陥が生じや丁い難点がろる
のを回避できて好適である。

しかして本兜明接合体においては、粉末状。

繊維状、扇状の少くとも一つからなる金属を接合面間に
介在させて焼結することが必須である。

かかる焼結によって、介在させた金属自身が焼結して接
合面間に金属層が形成されるとともに、金属部材の収縮
による応力党生下で高温高圧の場が提供され、この条件
下でセラミックス部材と金属、金属と金属部材の両界面
において拡散と反応が進行して、当初存在していたセラ
ミックス部材、金属、金属部材のいずれとも異々る新し
い界面１曽が生成するものである。この金島層はその延
性、滑り性、靭性ゆえにセラミックス部材と金属部材と
の間にあって、収縮応力。

熱応力などの存在下に適宜に塑性変形・流動変形して特
定の１１７Ｉｌ所に応力が集中するのを防市して応力緩
和物質として作用するものと考えら扛、さらに界面層は
一般にはセラミックス薄利ぼたは金属部材を構成する物
質と金属とが相互拡散した固溶相で、両省の中間の物性
ヲ有して強固（９１ な接合作用を示すと共に、界面層がない場合には物性の
斧が顕著な二物員が相接するの盆、この界面層の存在に
より物性が相対的に連続的に変化して、これ萱だ応カケ
緩和する効果を生じるものと考えられる。

ヤしてこのようにしＣ１接合部にセラミックス部材−界
面層一金鵡層一界面栖一金属部材といった応力緩和層を
含む層構造を有し、かつ焼成収縮力により緊密に杷持さ
れた接合体が構成されることにより、広いＩＭ朋域にお
いて高い接合強度を有するのみならず、熱サイクル負荷
や熱衝撃に強く、クラックや欠陥などの発生しにくい筒
信幀性の接合体が提供されるものと推定している。

介在させる金属の１ｆｆｌＴｈは、焼結時に気化などに
より容易に消失することがなければ特には限定されない
が、タンタル、ジルコニウム、チタン、モリフテンなど
は、高融点、高靭性、劇取化性などをあわせ備えて将に
好適である。

これらの金属は、焼結時の介在金属層生成。

（１０） 界面層生成ｋ　ｕ易ならしめ、かつ接合面ｊｒ４Ｊのク
リアランスに介在せしめうるように、粉末状。

繊維状、画状の少くとも一つからなる形状であることが
必須であり、特に粉末状ｌたは箔状でりることが好適で
ある。

粉末状である場合には、介在物質として採用する金鵬棟
を広範に選択でき、かつ異なる柚カ１の金属粉末を混合
併用してたとえば合金層として介在せしめることも可能
であり、さらに焼結による介在金鵜層、界面層の生成も
容易である。

金属粉末をそのまま接合面間に介在せしめてもよいが、
スラリー状もしくはペースト状として接合部に塗付した
り流し込んだりして用いることも可能である。かかるス
ラリー状もしくはペースト状とすることは、接合■間に
介在せしめる工程が簡便であるなどの利点がめる。！！
りこの揚台には水、有機物質などの溶媒などが焼結工程
で脱離して気孔を残すことが多い。め１り多くの気孔が
介在Ｉ胃に残ると接８強度が不光分となる場合が治りつ
るが、これはスラリーやぺ（１１） 一ストの讃度全尚くしたり、温オｌ］な条件下で長時間
焼結するなどにより回避できる。

繊維状金属である場合には、繊維長にもよるが、粉末の
場合と同様にこれを分散させたスラリー状なととして接
合部に塗付などして用いることもできる。％に繊維を適
宜配回させて介在せしめた上で焼結した場合にはその配
向方向の強度が犬きくできるなどの利点がある。

箔状金属である場＠には、たとえｔｊ：セラミックス部
材の接合部表１ｆｒｆＫ箔’に一ノ曽もしくは多層に巻
きつけた士で金属部材に把持させるなどの方法で使用す
ることができる。箔状である場合には一般に、水、有機
溶媒など′？ｆ：用いずに金属のみで介在せしめること
が容易であり、さらに焼結後に気孔紮残しにくく、かつ
、接合面に平行な方向の結合はすでに形成されているの
で、焼結時には接合面に垂直な方向の結合のみを形成す
ればよいなどの長所ヲセする。

なお粉末の粒径、繊維の住、箔の厚さは接合■間に介在
せしめつる範囲であればよいが、−（１２） 般には粉末、繊維にあってはクリアランスの１１５００
〜１１５程度、箔にあっては１／２０〜１／２程度が好
適である。

セラミックス部材と金属部材のＷ８面…ｊのクリアラン
スの大きさは、介在物質の焼成収縮率。

使用量にもよるが、介在物質使用前が少ない場合には両
部材の焼成収縮率の差の３０〜１００％程度、好ましく
は５０％程度が好適である。

さらに１だ焼結温度、焼結時間などの焼結条件は適宜選
択しうるが、金属部材が光分に焼結して必安な接合強度
ケ示すとともに、相互拡散による固溶相である界■層の
厚いか１〜数μ程度となるように設足するのが好適であ
る。また焼結雰囲気は、一般に非酸化性雰囲気が望まし
いが、必すしも限冗されず、′１だ真空もしくは減圧雰
囲気下であることも必須ではない、１本元明をさらに実
施例にて説明する。

実施例１ 平均粒径２〜３　ｐｍ　＜Ｄ　ｃｏ金合金ＣＯ５Ｑ％。

Ｃｒ３２％、Ｎｉ１１３％）（重敞係、他の実施１タリ
におい（１３） ても同１′−）の粉末を常温、”　ｔ／ｃｒｉの圧力下
でラバープレスにより３０朋φ×４ＱｍｘＬのサイズに
成形したのち、３００℃で１時間仮焼した。仮焼によっ
てははとんと収縮しなかった。ついで仮焼１不の中央部
７貫通するように内径２３　ｍｍの円筒状加工ケ施して
円管状ＣＯ付金仮焼体全得た。

常圧焼結法で充分に焼結して侍たＳｉＣ焼結体（２０，
藺φＸ　５０１１１１７１１ＴＪ　）の側面に０．２　
ｎｍ厚のＺｒ箔葡−重に巻いて被覆し、これｆｃｏ合金
板焼体に仲人したのち、１１００℃において３０分間、
１０芥槓楚のＨ２全含むＮ２カス昇囲気中で本焼梢した
ところ、仮焼体の収縮とＺｒの相互拡散により完全に接
合した。この接合体を長さ５喘の円盤状に切断し、周囲
の金属部分を保持し、中央のセラミックス部分に荷重を
かける方法で、接合強度（引抜き強度）を測定したとこ
ろ８２ｋｙ／−であった。また接合界■を切シ出して拡
散して固溶相を形成していることが観察され（１４） た。この接合体に、室温と８００℃の乗件−トに父互に
置く熱ザイクル負荷を１０回反俊してかけたのち、同様
に接合強度を測定したところ、５ｆｌｔ［の低下はほと
んど認められなかった。

実施例２ 平均粒径約２μｍの２５−２０ステンレス鋼（Ｆｅ５５
％、Ｃｒ２５％、ｌ１ｉ２０％）の粉末を実施１りｌ］
１と同４求に成形、仮焼２機械加工して、外径３　Ｑ　
＃ｎ、内径２２．８　ｍｙｎ　１長さ４０ｎｕｎの円管
状ステンレス鋼板焼体ヲ侍た。反応焼結法で充分に焼結
して侍たＳｉＣ焼結体（２０門φＸ　５０　ｍｍ　Ｌ　
）の側面にＱ、　］　ｔｎｍ厚のＭｏ箔を一亜に巻いて
被擦し、これ勿ステンレス鋼板焼体に押入したのち、１
３５０℃において１時間、１０芥積嘱のＮ２を含むＮ２
ガス雰囲気中で本焼結したところ、６１ｉＣ体とステン
レス鋼体は完全に接合した。

実施ｖ１１１と同様にして、接合強度は７０ｋｑ／ｍ４
と測定され、嵌合界面にはＭｏがＳｊ、Ｃ佃およびステ
ンレス鋼側のいず扛にも拡散浸透して固溶相を形ノ戎し
ていることが観察された。実施例１（１５） と同様の熱ザイクル負荷によっても接合強度の低下はほ
とんど認められなかった。

実施例３ 平均粒径２〜３　ｐｍのＮ１合金（Ｎｉ５Ｑ％。

ｃｒ３０％、ＦｅｌＱ％）の粉末を実施？１１１と同様
に成形、仮焼２機械加工して、外径３　［）　ｍｍ　、
内径２２．５　ｒｎｍ　、長さ４０　＃Ｉ／Ｉ＋の円肯
状Ｎ１合金板焼体全得た。内官内に、Ｔ］粉末のペース
トを満たし、常圧焼結法で光分に焼結して得た８　１３
　Ｎ４焼結体（２０１）ｒｍφ×５ＱＩｙａＬ）を挿入
した。溢れ出たＴ１粉木のペーストに除去したのち、１
２００℃において３０分間、１０容積襲のＮ２　ｋ含む
Ｎ２１ノス雰囲気中で本焼結したところ、ｆ９ｉ３Ｎ４
体とＮｊ合金体は完全に接合した゛。実施例１と同様に
して、接合強度は７８　ｋｇ／−と測だされ、接合界間
にはＴ１が５１３Ｎ４側およびＮｉ合金側のそれぞれに
拡散していることが観察σ′！″した。実施例１と同様
の熱サイクル負荷によっても接合強度の歓「はほとんど
認められなかった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　セラミックス部材ケ、金属粉末を成形ｌ−て々る焼
   成収縮率のより大きい金属部材で把持して接合するにあ
   たり、粉末状、繊維状、箔状の少くとも一つからなる金
   属全接合面間に介在させて焼結したことｆｆｉ％徴とす
   るセラミックス部拐と金属部材の接合体。