JPS6096584A - セラミツクと金属の接合方法 - Google Patents

セラミツクと金属の接合方法

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JPS6096584A
JPS6096584A JP20007383A JP20007383A JPS6096584A JP S6096584 A JPS6096584 A JP S6096584A JP 20007383 A JP20007383 A JP 20007383A JP 20007383 A JP20007383 A JP 20007383A JP S6096584 A JPS6096584 A JP S6096584A
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JP
Japan
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ceramic
metal
bonding
insert material
joining
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JP20007383A
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深谷 保博
章三 平井
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries 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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セラミックと金属の接合法に関し、特にセラ
ミックの割れを防止して金属と接合することのできる方
法に関する。
従来、セラミックと金属の接合方法として、(1)接着
剤法、(2)メタライジング法、(3)溶射法等が知ら
れているが、それぞれ次のような欠点がめった。
(1) 接着剤法は最も簡便な方法であるが、高温にお
ける接着強度が低い。
(2) メタライジング法はMo 、 Mo−Mn 等
の金属粉末をセラミック上にメタライジングし、その上
にN1 メッキを施した後、ろう付で金属と接合すると
いった方法であるが、セラミックの種類によって適用が
難しい欠点がある。
(3) 溶射法はセラミック粉末を溶融し、金属に吹き
つけて接着させるが、接合強度が低く、セラミックが多
孔質になるという欠点がおる。
この様に従来法では接合強度が低く、適用セラミック材
質に制約がめる等の欠点があった。
本発明は、斯る欠点を排除するためになされたもので、 (1) EIisN4. 81(3系セラミツクと金属
の接合方法において、インサート材として(U又は0u
5c50%以上含有する合金を用い、該インサート材の
融点の偽以上の温度に加熱することを特徴とするセラミ
ックと金属の接合方法、(21Sl、N4. sia系
セラミックと金属の一接合方法において、インサートu
としてOu又はOuケ50%以上含有する合金を用い、
該インサート材と前記金属との間に熱膨張係数が前記セ
ラミックとほぼ同じFe−Ni又はFe−N1−C。
合金全挿入し、前記インサート材の融点の偽以上の温度
に加熱することを特徴とするセラミックと金属の接合方
法、 に関するものである。
また、本発明においては、必要に応じて、上記のセラミ
ックと上記のインサート材とを上記の温度で加熱接合し
てサブアセンブリを作り、該サブアセンブリのインサー
ト月面と金属とをインサートlの融点よシ低融点の〕1
ンダ、Atろう、Cu ろう、Ag ろう、N1 ろう
等のろう材を用いてろう付けするξともできるし、ある
いはこのサブアセンブリのインサート材面と金属とをろ
う付する際に、この両者の間に上記のFa−Ni又はF
s−Ni−Oo 合金を挿入しておくこともできる。
以上のような本発明方法により、セラミックと金属を良
好に接合し、且つセラミックの接合で常に問題となるセ
ラミックの割れを防止する浴接を可能にする。
本発明はガスタービン部品、抄紙機、その他各種のもの
に適用できる。
第1図(4)〜(ロ)は本発明方法の実施態様例を示す
図である。図中、1Fiθ1sN4. 810系セラミ
ツク、2t′i0u又はOu f 50%以上含有する
Ou金合金 C!u−P 、Cu−Ag 、 0u−A
I−、0u−Zn 。
0u−8i 、0u−Ni等)のインサート材、3は接
合金属、4は熱膨張係数がE113N4. 8i0とは
ソ同じFe−Ni 、Fe−Ni−0o 合金の中間挿
入材(熱膨張係数81.N4 ・・・3X10−6i℃
、SiC・・・4x1o−6/l:、Pe−42%封1
・・・5X10−6/’C1Fe −29%fli −
17%Oo ”−4,5X 1 G−’/℃)である。
第1図(4)の方法IJ]、セラミック1と接合金43
の間にインサート材2を挿入し、インサート材の一点の
楯以上の温゛度(上限はセラミック1および接合金属6
の低い方の融点)lこ加熱し、JIS、空、不活性ガス
又は大気中で拡散溶接ケ行う。
この場合、インサート材2を浴融させる時は無加圧、イ
ンサート材2を溶改させない時は5〜0、01 kg/
lrm”の加圧全負荷する。接合時間け5u以内とする
第1図(B)の方法t1:、第1図(A)の方法におい
て、接合金属5のセラミックIK対向接合する面に熱膨
張係数がセラミック1とはソ同じFe−Ni 。
Fe−N1−Co 合金の中間挿入材4ft:あらかじ
めロール圧延、拡散溶接、爆着等でクラッドしておく場
合である。
第1図(0)の方法は、セラミック1にインサート材2
をインサート材の融点の14以上の温度(上限はセラミ
ックの融点)VC加熱し、真空、不活性ガス又G1大気
中で拡散溶接を行ったあと(加圧はインサート材を落融
させる時は無加圧、インサート材を溶融嘔せない時は5
〜o、 o 1kg/■2の加圧を負荷する。接合時間
け5u以内とする)、このサブアセンブリを接合金属5
とろう付(インサート材の融点より低融点のろう材、例
えばハンダ、Atろう、Luろう、Agろう、 Ni 
ろう等を用いる)で接合する。
第1図(ロ)の方法は、第1図(0)の方法において、
yIL1図(B)の方法と同様に接合金属5のセラミッ
クに対向接合する面にFe−Ni 、Fe−Ni−Co
 合金の中間挿入材4をクラッドしておく場合である。
尚、本発明方法において、インサート材2け箔、粉末で
使用することを原則とするが、溶射、蒸着、イオンブレ
ーティング等でセラミック1、又は接合金属3、又はF
e−Ni 、Fe−Ni−0o 合金の中間挿入材4に
接着せしめても良い。
また、本発明方法において、インサート材のOu金合金
、0ui50%以上含有するものに限定するのは、 O
u 含有量が50%以下になると、後述するOu の効
果がうすれるためでろる。
接合温度をインサート材の融点のμ以上とするのは、こ
れ以下の温度では拡散爵接時に溶接時間と加圧力を過大
なものとしなければならず、工業的に成り立たないため
である。
加圧力の上限k 5 kll/wm”とするのは、これ
以上の圧力を負荷すると一次元加圧のため、偏加圧が発
生しやすく、脆いセラミックに割れが発生しやすいため
である。下限i1接合温度が高い時は上側になる材料の
0暇で足シるため外力は零でよいが、接合温度が低い時
Fi0.01kp/■2程度の加圧は必要である。
接合時間を5H以内としたのけ、接合は当該時間内で完
了するので、これ以上では経済面をはじめとして工業的
に好ましくないためである。
なお、上記方法の第1図(A)、CB)においてインサ
ート材を浴融させる時、および第1図(Cり、 CD)
においてOu ろう付を行う場合で、相手側金属が鋼、
ステンレス鋼(接合金属6)、Fe−!J1゜re−N
t−co /?r & (中間挿入相4)の場合には、
該金属3.4にしんちゅう割れを発生しゃすいため、該
金属3,4にN1 メッキや拡散溶接又は爆着にてN1
 コーティングしておけば、仁れftm止することがで
きる。
以上詳述した本発明方法による作用効果をまとめると次
の通シでらる。
(1) 5isN4. SiOと金属は物質構造が異な
るため(81,N、、810は共有結合、金属は金属結
合)、その接合は極めて困難を伴う。
本発明はインサート材としてCu又はOu金合金用いる
ことにより、 Si、l+4. 1310 と本インサ
ート材がすぐれた冶金的接合性を示し、良好な継手を得
ることができる。
即ち、5tsn4. stcには遊離81 が存在する
が(81sN4では約1000℃以上の加熱で、一部分
解が始1!781t−生成するが、これも利用)、その
日1とOu、Ou 合金が高温加熱下で必要に応じ加圧
を加えることにより、互いに拡散すると共に、81 は
Ou、Ou金合金中固溶しく Cu中の81の固溶度は
常温において約s wt% 6る)、脆化層を生成せず
、良好な継手を生成する。一方、インサート材のOu又
はOu金合金接合金属もしくは中間挿入材はいずれも金
属であシ、その接合性は基本的に極めてすぐれてお勺、
良好な継手を形成する(接合金属もしくけ中間挿入材に
N1 メッキ、111 コーティングした時も同じ)。
(2) 第1図Cs)、 (D)の方法は、接合金属5
のセラミックに対向する面にFe−Ni 、Fe−Ni
−Co 合金の中間挿入材をクラッドするもので、これ
によシ延性の極めて低いセラミックに接合後発生する熱
応力(セラミックと接合金属の熱膨張係数差によシ、接
合後の冷却過桿で発生する熱応力)を低減せしめ、セラ
ミックの割れ防止により有効である。
即ち、813 N4の熱膨張係数は3X10−’/℃、
SiOのそれけ4 X 10−’ / ℃であり、主要
接合金属のうち、熱膨張係数の大きいものとして、鋼が
12 X 10−’ / C,オーステナイトステンレ
ス鋼が17×10−6/℃、Ouが17x1o−6/c
、N1 が15×10−6/℃、T1 がasxlo−
’/℃でsる。コレラを高温下で接合したあと冷却する
と大きな熱応力を発生する。
これに対し、熱膨張係数が4.5〜aOX1 G−’ 
/ ℃のFa−Ni 、 Fe−Ni−Co 合金を8
1m114. 810と接合金属間に挿入しておけば、
Si3N4. SiOに発生する熱応力はFe−Ni 
、 Fe−Ni−Co 合金との熱膨張係数差に依存し
、その差が極めて小さくなるため、応力値が減少し、f
li3N4. 810の割れ感受性を低下せしめうる。
(3) 第1図(0)、 @の方法は、813N4. 
810にインサート材のCu又けOu金合金接合して、
サブアセンブリを作り、金属との接合はインサート材よ
り低融点のろう材を用いたろう付によシ行うもので、金
属との接合温度が第1図(4)、(B)の方法よシ低く
なシ、 81.N4. 810に発生する前記熱応力が
減少し、811N4. 810の割れ感受性を低下せし
めうる。
なお、インサート材としてOu 合金を用いると、Ou
に比べ合金元素添加で融点がさがシ、接合温度を低下せ
しめうるが、これは上述した如くセラミックに発生する
熱応力を低下させ、セラミックの割れ防止によシ有効で
るる。
実施例1 厚さ2目のB i、N4と厚さ2簡の8841の接合に
おいて、インサート材として0u(50μ箔)を用い、
接合温1B“1050℃、加圧力3す〜冨、接合時間5
0分、接合雰囲気10 ’ Torr で拡散溶接した
その結果、Si3N4に割れ発生がなく、全面に亘って
非接合部のない良好な継手が得られた。
実施例2 厚さ2IIIIIのSiOと厚さ5IIWIの8841
の接合において、SS41に厚さ3輯のFe−29%[
−17%Co f予じめに−6常の拡散溶接で接合した
あと、ETloとFe−29%1ij−17%Coとの
間rcイy−t−ト材として0u(50p箔)全挿入し
、実施例1と同条件で拡散溶接した。
その結果、siaに割れ発生がなく、全面に亘つて非接
合部のない良好な継手が得られた。
実施例3 厚さ2mのSi3N4 と厚さ5■のiE+ 504の
接合において、SUB 504に厚さ3mmのFe−4
2%N1を予じめ通常の拡散浴接で接合したあと、Fe
−42チN1にN1メッキ(10μ)し、次いで5is
N4とNi メッキしたFe−42%Ni間にインサー
ト材としてペースト状の0u−40%zncm点900
℃)を塗布挿入したあと、接合温度950℃、接合時間
3分、雰囲気Ar で接合した。
その結果、813114 と5Ui9304 け5 X
 10−’/℃、17×10−6/℃と熱膨張係数が大
きく異なるため、813N4の割れ発生が大きく懸念さ
れたが、Fe−42%N1が緩衝となシ、割れの発生を
防止できたと共に全面に亘って非接合部のない良好な継
手が得られた。
実施例4 厚さ2mのSiOと厚さ2wのSUB 304の接合に
おいて、SiOにOu (50pfh) kWi、合温
度1050℃、加圧力2ゆ/■2、接合時間IH。
接合雰囲気Ar で拡散溶接したあと、cu 而とSU
B 504を対向きせ、その間にAg ろうをはさみ、
ろう付温1800℃、ろう何時間5分、雰囲気Ar で
ろう刊した。
その結果、ろう付温度が低いため、5iOK@生ずる熱
応力が減少し、SiOの割れ発生が防止できたと共に、
全面に亘って非接合部のない良 4好な継手が得られた
実施例5 厚さ2 ++II++ (D Si3N4 と厚す10
 m(D EIUS 304の接合において、Si3N
、に厚さ1w+の90%Ou−1゜チェ を接合温度1
000’C1加圧力4 Kg/■2、接合時間2H,接
合雰囲気10−’ Torr で拡散接合した。一方、
5Us304に通常の拡散溶接で厚’35 w++のF
e−29%Ni−17係co を接合したあと、このF
e−29%Ni−17%Co と上記の90%C!u−
10%N1 面を対向させ、その間にAg ろうをはさ
み、ろう付温度700℃、ろう何時間5分、d囲気Ar
 でろうイ」した。
その結果、全面に亘って非接合部のない良好な継手が得
られた。またS i3N4 と5Us504 は3 X
 I Q−@/H117X10−6/℃と熱膨張係数が
大きく異なり、加えてSUB 304が10簡と厚肉の
ため、5isN、の割れ発生が大きく懸念はれたが、F
e−29%Ni−17%Cjo が緩衝となシ、割れの
発生を防止できた。
【図面の簡単な説明】
第1図(4)〜@は本発明方法の実施態様例を示す図で
ある。 徨代理人 内 1) 明 復代理人 萩 原 亮 −

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) Si3N4. 810系セラミツクと金属の接
    合方法において、インサート材としてOu又は0u25
    0%以上含有する合金を用い、該インサート材の融点の
    偽以上の温度に加熱することを特徴とするセラミックと
    金属の接合方法。
  2. (2) 5isN4. 810系セラミツクと金属の接
    合方法において、インサート材としてOu又はCut−
    50%以上含有する合金を用い、該インサート材と前記
    金属との間に熱膨張係数が前記セラミックとはぽ同じF
    e −N i又はre−Ni−C。 合金を挿入し、前記インサート材の融点の偽以上の温度
    に加熱することを特徴とするセラミックと金属の接合方
    法。
JP20007383A 1983-10-27 1983-10-27 セラミツクと金属の接合方法 Pending JPS6096584A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6121983A (ja) * 1984-07-07 1986-01-30 工業技術院長 非酸化物系セラミックス―金属複合材料の製造方法
JPH01290567A (ja) * 1988-05-16 1989-11-22 Toru Yoshida 炭素材の接合方法、この方法で接合された接合体及びその応用部材

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