JPS59164677A - Ceramic metal bonding method - Google Patents

Ceramic metal bonding method

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Publication number
JPS59164677A
JPS59164677A JP3866383A JP3866383A JPS59164677A JP S59164677 A JPS59164677 A JP S59164677A JP 3866383 A JP3866383 A JP 3866383A JP 3866383 A JP3866383 A JP 3866383A JP S59164677 A JPS59164677 A JP S59164677A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
joining
superplastic
ceramics
powder
Prior art date
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Pending
Application number
JP3866383A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
茅根 美治
市橋 豊紀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Mitsui Zosen KK
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Mitsui Zosen KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd, Mitsui Zosen KK filed Critical Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明はセラミックスと金属との接合方法に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field of the Invention) The present invention relates to a method of joining ceramics and metal.

C発明の技術的背景及びその問題点) セラミックスを種々の分野の材料に採用する場合、異種
材料の金属と接合して採用することが望ましい。その方
がセラミックスを単独で採用するよりも1強度等の面で
、はるかに用途が拡大されるからである。セラミックス
と金属との接合方法には従来種々のものがあった。即ち
5機械的接合によるもの、有機、無機接着剤によるもの
、ろう付けによるもの等の方法であるが、いずれも継手
の強度、気密性等に問題があった。これら従来の方法の
問題点の1つとしてセラミックスと接合すべき金属及び
ろう材との間に熱膨張率に大きな差が存し、接合後の冷
却時期において熱応力のために破壊が生じやすいことが
あげられる。さらにこの熱膨張率の差による問題は接合
時の加熱による場合だけではなく、セラミックスと金属
の接合体全加熱下において使用する場合にも生ずる。例
えば。
C) Technical background of the invention and its problems) When ceramics are used as materials in various fields, it is desirable to use them by joining them to metals that are dissimilar materials. This is because the range of uses is far greater in terms of strength, etc. than when ceramics are used alone. Conventionally, there have been various methods for joining ceramics and metals. Namely, there are five methods such as mechanical joining, organic or inorganic adhesives, brazing, etc., but all of them have problems with the strength, airtightness, etc. of the joint. One of the problems with these conventional methods is that there is a large difference in coefficient of thermal expansion between the ceramic, the metal to be joined, and the brazing filler metal, which tends to cause breakage due to thermal stress during the cooling period after joining. can be given. Furthermore, problems caused by this difference in thermal expansion coefficients occur not only when heating is applied during bonding, but also when a ceramic-metal bonded body is used under complete heating. for example.

セラミックスをエンジンのシリンダーライナー内面に接
合して使用する場合、セラミックスとライナーの間に存
在する温度差に基づく熱応力が問題となる。
When ceramics are bonded to the inner surface of an engine cylinder liner, thermal stress due to the temperature difference that exists between the ceramics and the liner becomes a problem.

尚、セラミックスと金属の熱膨張率の例を以下に掲げて
おく。
Examples of the thermal expansion coefficients of ceramics and metals are listed below.

At、0.セラミックスニア、8X10   KSi、
N4セラミックス;3.2X10   KSiCセラミ
ックス:4.8X]OK ZrO,セラミックス= 9 ×10  KFe金属 
    F12X10   KAt合金     :2
3X10   KCu合金     :17X10  
 K(発明の目的) 本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、セラ
ミックスと金属との熱膨張率に大きな差があるにもかか
わらず1両者の強固な接合を維持できる接合方法を提供
することを目的とする。
At, 0. Ceramic near, 8X10 KSi,
N4 ceramics; 3.2X10 KSiC ceramics: 4.8X] OK ZrO, ceramics = 9 ×10 KFe metal
F12X10 KAt alloy: 2
3X10 KCu alloy: 17X10
K (Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a bonding method that can maintain a strong bond between ceramics and metal, despite the large difference in coefficient of thermal expansion between the two. The purpose is to provide.

(発明の構成と作用) 本発明のセラミックスと金属の接合方法は、セラミック
ス側の接合面に化学蒸着又は物理蒸着によって金属被膜
を形成した後、この金属被膜と接合金属側の接合面の間
に超塑性金属を含む混合体全挿入し、押型の中において
この混合体を圧縮成形して接合を行なうことを特徴とす
るものであって接合面の間に超塑性金属層を設けること
により熱膨張率の差によって生ずる熱応力が吸収できる
ものである。
(Structure and operation of the invention) The method for joining ceramics and metal of the present invention is to form a metal coating on the bonding surface on the ceramic side by chemical vapor deposition or physical vapor deposition, and then between this metal coating and the bonding surface on the bonding metal side. The method is characterized in that a mixture containing a superplastic metal is fully inserted and the mixture is compression-molded in a mold to perform the bonding, and a superplastic metal layer is provided between the bonding surfaces to prevent thermal expansion. The thermal stress caused by the difference in rate can be absorbed.

■ 超塑性金属にはZn −At合金、Bi −Sn合
金。
■ Superplastic metals include Zn-At alloy and Bi-Sn alloy.

Cu−P合金、Pb−Sn合金、Cd−Z’n合金、M
g−At合金等の合金がある。一般に超塑性金属は1μ
m以下の非常に微細で等軸の結晶粒を有する組織から成
り1合金の絶対温度で示した融点のおよそl/2の温度
下で小さな外力に対して数百%にも遅する塑性変形音生
じる。この超塑性現象は、1μm程度以下の内部組織を
有する粉末もしくはファイバー全圧縮成形したときにも
現ね、る。本発明はこの超塑性金属粉末もしくはファイ
バーの圧縮成形体を利用した接合方法である。
Cu-P alloy, Pb-Sn alloy, Cd-Z'n alloy, M
There are alloys such as g-At alloy. In general, superplastic metals are 1μ
It consists of a structure with very fine equiaxed crystal grains of less than m in size, and the plastic deformation sound slows down by several hundred percent in response to small external forces at a temperature of approximately 1/2 of the absolute melting point of the alloy. arise. This superplastic phenomenon also appears when the entire powder or fiber having an internal structure of about 1 μm or less is compression molded. The present invention is a joining method using a compression molded body of superplastic metal powder or fiber.

■ 超塑性金属粉末と金属粉末の混合体は5重1%で超
塑性合金がlQwt%以上含壕れることが望ましい。金
属粉末は圧縮成形時のいわゆるなじみ性を良くシ、接合
をより強固にするものである。
(2) It is desirable that the mixture of superplastic metal powder and metal powder has a weight of 5:1 and contains 1Qwt% or more of superplastic alloy. The metal powder improves so-called conformability during compression molding and makes the bond stronger.

又、混合の割合によって混合体自体の熱膨張率全調整で
き、接合金属との熱膨張率の差及びセラミックスとの熱
膨張率の差をできるだけ少くできる。
In addition, the thermal expansion coefficient of the mixture itself can be fully adjusted by changing the mixing ratio, and the difference in thermal expansion coefficient with the joining metal and the difference in the thermal expansion coefficient with ceramics can be minimized.

さらに混合体に含まれる超塑性金属は圧縮成形時の圧縮
力が混合体に均等に加わる働きも有し、接合を容易にす
る。
Furthermore, the superplastic metal contained in the mixture also has the function of applying compressive force during compression molding evenly to the mixture, making joining easier.

■ 超塑性金属の粉体又はファイバーに金属膜のコーテ
ィング層を設けることもでき、この場合セラミックス上
の被覆金属との圧着性を超塑性金属粉体と金属粉体との
混合体の場合よりも、より一層円滑にすることができる
■ It is also possible to provide a coating layer of a metal film on the superplastic metal powder or fiber, and in this case, the adhesion to the coating metal on the ceramic can be improved compared to the case of a mixture of superplastic metal powder and metal powder. , it can be made even smoother.

■ セラミックス側表面に金属被膜を形成する手段であ
る化学蒸着は、被膜金属を析出する化学反応をおこして
いる気相中にセラミックスを嘔らしてセラミックス表面
に被膜金属を蒸着させるものである。又、物理蒸着は1
例えばスパッタリング蒸着と呼ばれる方法であり、 A
r気体等の雰囲気中においてグロー放電を起してAr 
kイオン化し、このArイオンが陰極に配されている被
膜金属材料に衝突することによシ、被膜金属原子を放出
させてセラミックス表面に蒸着式せるものである。超塑
性金属粉体に金属膜をコーティングする場合も前記と同
様に化学蒸着、もしくは物理蒸着により行われる。セラ
ミックス上の被膜金属、超塑性金属粉体に混合される金
属粉、及び超塑性合金粉体をコーティングするコーティ
ング金属は必ずしも接合金属と同一金属である必要はな
いが、超塑性合金と圧着性の良いものが望ましい。
(2) Chemical vapor deposition, which is a means of forming a metal coating on the ceramic surface, involves depositing the metal coating on the ceramic surface by evaporating the ceramic into a gas phase in which a chemical reaction is occurring to deposit the metal coating. Also, physical vapor deposition is 1
For example, there is a method called sputtering deposition,
Ar is caused by glow discharge in an atmosphere such as r gas.
When the Ar ions are ionized and collide with the coating metal material disposed on the cathode, coating metal atoms are released and deposited on the ceramic surface. When coating the superplastic metal powder with a metal film, chemical vapor deposition or physical vapor deposition is used in the same manner as described above. The coating metal on the ceramic, the metal powder mixed with the superplastic metal powder, and the coating metal coating the superplastic alloy powder do not necessarily have to be the same metal as the bonding metal, but the bonding properties of the superplastic alloy and the A good one is desirable.

(発明の実施例) 本発明の第一実施例全図1において説明する。(Example of the invention) A first embodiment of the present invention will be fully explained with reference to FIG.

本実施例において、セラミックス1はAttOs ’z
主成分とするアルミナセラミックスである。又、接合金
属2は金属銅である。使用される超塑性合金はZn −
At合金(22wt%At)であり、金属銅粉4の中に
60 wt%存在している。被膜金属5は金属銅で、被
膜の厚さはおよそ40μmである。被膜の形成方法は物
理蒸着によった。具体的にはスパッタリング蒸着法によ
り陽極に配した金属銅にArイオンを衝突させてアルミ
ナセラミックス上に金属銅を析出させたものである。次
に押型による圧縮成形は、Zn−At合金の内部組織が
およそ1μm、平均粉末粒径40μmから成る粉体と、
金属銅の1〜5μm微粒子から成る粉体との混合体を水
素雰囲気下にて温度380℃圧縮力30kz/−にて3
0分間保持した後、冷却した。この加熱圧縮によシ超塑
性金属粉体と金属銅粉体との混合体の厚さはおよそ10
0μmとなった。
In this example, the ceramic 1 is AttOs'z
The main component is alumina ceramics. Further, the bonding metal 2 is metallic copper. The superplastic alloy used is Zn −
It is an At alloy (22 wt% At), and 60 wt% is present in the metallic copper powder 4. The coating metal 5 is copper metal, and the thickness of the coating is approximately 40 μm. The coating was formed by physical vapor deposition. Specifically, metallic copper is deposited on alumina ceramics by colliding Ar ions with metallic copper disposed on the anode using a sputtering vapor deposition method. Next, compression molding using a press mold produces powder consisting of a Zn-At alloy with an internal structure of approximately 1 μm and an average powder particle size of 40 μm.
A mixture with a powder consisting of 1-5 μm fine particles of metallic copper was heated in a hydrogen atmosphere at a temperature of 380°C and a compressive force of 30 kHz/-.
After holding for 0 minutes, it was cooled. Through this heating and compression, the thickness of the mixture of superplastic metal powder and metallic copper powder is approximately 10 mm.
It became 0 μm.

この第一実施例により接合されたセラミックス1と金属
2の接合体は、セラミックスと金属とをろう材で接合し
たものよりはるかに接合状態が良く剥れ等の接合面の破
壊は全くみられなかった。
The bonded body of ceramic 1 and metal 2 bonded according to this first example had a much better bonding condition than that of ceramic and metal bonded using a brazing filler metal, and no damage to the bonded surfaces such as peeling was observed at all. Ta.

以上の第一実施例は、超塑性金属粉体と金属粉体との混
合体を使用した場合であるが、以下に説明する第二実施
例は、超塑性金属粉体のまわりに金属膜をコーティング
した粉体全使用したものであり、第2図において説明す
る。この第二実施例において超塑性金属粉体3は、第一
実施例と同じ< Zn −At合金(22wt%A7)
であり、そのまわりに金属銅8が被覆されている。具体
的には図3に示すスパッタリング蒸着装置によすZn 
−At 合金のまわりに約15μmの金属銅被膜をつけ
た。即ち、第3図に示すようにスパッタリング蒸着装置
11内において、ターゲラ)12側に超塑性金属粉体3
に被膜すべき金属銅を配し、基盤側に超塑性金属粉体3
を保持する粉末槽13を配し、この粉末槽13は開口部
をターゲット12側に向は内部に粉体攪拌手段ヲ有する
ものである。これにより、ターゲット12側の金属銅か
ら飛散した銅原子又は分子を超塑性金属粉体全体に均一
に添加できるものである。
The first example above uses a mixture of superplastic metal powder and metal powder, but the second example described below uses a metal film around the superplastic metal powder. The coated powder was used entirely, and is explained in FIG. In this second example, the superplastic metal powder 3 is the same as in the first example <Zn-At alloy (22wt%A7)
The metal copper 8 is coated around it. Specifically, Zn was deposited in a sputtering vapor deposition apparatus shown in FIG.
A metallic copper coating of approximately 15 μm was applied around the -At alloy. That is, as shown in FIG.
The metal copper to be coated is placed on the substrate, and the superplastic metal powder 3 is placed on the base side.
The powder tank 13 has an opening facing the target 12 and has a powder stirring means inside. Thereby, the copper atoms or molecules scattered from the metal copper on the target 12 side can be uniformly added to the entire superplastic metal powder.

そして、セラミックス上に金属銅を被覆する条件及び加
熱圧縮の条件は前記第一実施例と同一とした。
The conditions for coating metallic copper on the ceramic and the conditions for heating and compression were the same as in the first example.

この第二実施例により接合部nたセラミックスと金属の
接合体についても第一実施例の接合体と同様に接合面の
破壊は全くみられなかった。
Similarly to the bonded body of the first example, no destruction of the bonded surface was observed in the ceramic-metal bonded body of the second example.

(発明の効果) 本発明のセラミックスと金属の接合法によれば。(Effect of the invention) According to the ceramic-metal joining method of the present invention.

セラミックスと金属との熱膨張率に大きな差があるにも
かかわらず1両者の強固な接合全維持できるものである
Despite the large difference in coefficient of thermal expansion between ceramics and metals, a strong bond between the two can be maintained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の第一実施例に係る接合部の縦断面図、
第2図は第二実施例に係る接合部の縦断面図、第3図は
第2図の超塑性合金粉体に金属銅被膜を形成するための
スパッタリング蒸着装置の縦断面図である。 1・・・アルミナセラミックス、  2・・・金属銅。 3・・・超塑性金属粉体(Zn−At)、4・・・金属
銅粉体。 5・・・金属鋼被膜、   6・・・ヒーター7・・・
金型、     8・・・金属鋼被膜、11・・・スパ
ッタリング蒸着装置。 12゛°ターゲツト、  13・・・粉末槽。 代理人 鵜 沼 辰 之 (ほか2名) 第1図 ↓
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a joint according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a joint according to a second embodiment, and FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a sputtering vapor deposition apparatus for forming a metallic copper coating on the superplastic alloy powder of FIG. 2. 1... Alumina ceramics, 2... Metallic copper. 3... Superplastic metal powder (Zn-At), 4... Metallic copper powder. 5...Metal steel coating, 6...Heater 7...
Mold, 8... Metal steel coating, 11... Sputtering vapor deposition equipment. 12° target, 13...powder bath. Agent Tatsuyuki Unuma (and 2 others) Figure 1↓

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)  セラミックスとこれに接合すべき接合金属と
の接合方法において、セラミックス側の接合面に化学蒸
着又は物理蒸着によって金属被膜を形成した後、この金
属被膜と前記接合金属側の接合面の間に超塑性金属の粉
末又はファイバーと、金属粉末との混合体を挿入し、押
型の中においてこの混合体を圧縮成形して接合を行うこ
とを特徴とするセラミックスと金属の接合方法。 偉)特許請求の範囲第一項において、圧縮成形が加熱圧
縮によるものであるセラミックスと金属の接合方法。 (3)特許請求の範囲第一項において、混合体中に超塑
性金属粉末もしくはファイバーが10wt%以上含まれ
るセラミックスと金属の接合方法。 (4)%許請求の範囲第一項において、超塑性金属粉体
もしくはファイバーが被膜金属によりコーティングされ
たものであるセラミックスと金属の接合方法。
[Claims] (1) In a method for joining ceramics and a joining metal to be joined thereto, a metal coating is formed on the joining surface of the ceramic by chemical vapor deposition or physical vapor deposition, and then this metal coating and the joining metal are bonded together. A method of bonding ceramics and metals by inserting a mixture of superplastic metal powder or fibers and metal powder between the side joint surfaces, and compression-molding this mixture in a press mold. Joining method. C) The method of joining ceramics and metal according to claim 1, wherein the compression molding is performed by heating compression. (3) A method for joining ceramics and metal according to claim 1, wherein the mixture contains 10 wt% or more of superplastic metal powder or fibers. (4) % Permissible The method of joining ceramics and metal according to claim 1, wherein the superplastic metal powder or fiber is coated with a coating metal.
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