JPS6111912B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は耐高温、高強度材料、耐摩材料等の用
途に使用される炭化物系セラミツク体を金属化す
るための方法に関するものである。 セラミツク体、特にアルミナ（Al₂O₃）セラミ
ツク体への金属化方法は古くからセラミツクコン
デンサーの電極付けや真空管、気密端子などの金
属封着技術として用いられ、更に、真空管がトラ
ンジスタ、集積回路に移行するにつれ配線用導体
としての利用が急速に進み、最近ではセラミツク
多層配線基板の導体部形成のためには欠くことの
できない重要な技術となつている。 このようなセラミツク体上への金属化法として
は厚膜や薄膜による方法、無電解メツキ法による
ほか、高温処理による耐熱金属化粉末焼結法、活
性金属法などが知られている。 アルミナセラミツク体の金属化方法としては、
一般的に蒸着法を用いて金属を高真空中で活性な
超微粒子状にしてセラミツク体表面に物理的に被
着させる方法、あるいは例えばモリブデン
（Mo）粉末とマンガン（Mn）粉末を含む金属化
用組成物を適当な粘結剤と溶剤から成るバインダ
ーを用いてペースト状となし、これをセラミツク
体上に塗布した後、水蒸気を含む弱酸性の水素雰
囲気あるいは水素と窒素の混合雰囲気中で焼成し
て金属化層を形成する方法が採用されている。 後着の方法においては、水蒸気を含む水素もし
くは更に窒素を含有する雰囲気中での焼成過程
で、MnがMnOに酸化され、セラミツク体中の
Al₂O₃，SiO₂と反応してMnO−Al₂O₃−SiO₂の流
動性ガラスが形成され、これがAl₂O₃粒子間に浸
透してマトリツクスを形成するため、金属化層と
Al₂O₃焼結体との強固な接着が得られる。このた
め、ガラス形成を促進しより強固な接着を得るた
め前記金属化組成物にAl₂O₃，SiO₂，CaO等のガ
ラス成分を添加することが一般的に行なわれてい
る。 上記の方法で形成された金属化層は、その上に
Niメツキが施された後、半田付けやロウ付けを
行うことができる。 このように従来から一般に広く用いられている
アルミナ、ベリリリア等の酸化物系セラミツク体
上への金属化方法は数多く開発され、基本的には
上記のように高活性化された蒸着金属微粒子によ
る方法と酸化物系セラミツクとなじみの良いガラ
スを介して金属成分を装着する方法とが技術的に
は確立している。 しかるに、近年セラミツクの新規材料の開発に
伴い、従来の酸化物系セラミツクにはない優れた
性質、例えば高温高強度、高耐熱衝撃性、耐薬品
性をもち、物理的、化学的にも安定な炭化珪素等
の炭化物系セラミツク材料が使用されるに至り、
その用途も電子部品材料に留どまらず、ガスター
ビンやシーリング等の産業機械用材料へと広がつ
ている。 炭化物系セラミツクをこれら産業機械部品とし
て使用する場合、セラミツク体同士接合したり、
セラミツク体と金属部材とを接合することは必要
不可欠であり、その方法の一つとしてセラミツク
体の接合部分に金属化層を施した後、金属を接着
することは有効な手段である。 しかしながら、炭化物系セラミツク体は従来の
アルミナセラミツク体等に用いていた金属化組成
物及びそれを用いた方法によつては、セラミツク
体と金属化層との強固な接着が得られなかつた。 例えば、蒸着法によれば工程の特殊性とともに
基本的に物理的な接着であるために接着強度が弱
く、かりに強度を向上すべく加熱すると反応性が
高いために炭化物を生成し、脆弱な反応相を形成
し、更に接着強度が低下する。またガラスを介し
て接着する方法では、ガラスが炭化物系セラミツ
クとは濡れ性が悪く、高温焼成するとガラス中の
SiO₂が炭化物により還元されて強度が低下する
ために強固な接着強度が得られず、優れた金属化
層を形成することは困難であり、炭化物系セラミ
ツクに有効な金属化方法が待望されていた。 従つて、本発明の目的は、炭化物系セラミツク
体の表面に強固に接着された金属化層を形成する
ための方法を提供することにある。 本発明によれば、Mo，Ｗから選ばれる金属粉
末の少なくとも一種80〜30重量部とCo，Niから
選ばれる金属粉末の少なくとも一種20〜70重量部
と更にバインダーとを含有せしめた金属化用ペー
ストを、炭化物系セラミツク体の所要箇所に塗布
した後、非酸化性雰囲気中で1000〜1800℃の範囲
内の温度で焼成することを特徴とする炭化物系セ
ラミツク体の金属化方法が提供される。 炭化物系セラミツクは一般に熱膨張係数が小さ
く、焼結法により多少異なるが常温から約400℃
の温度範囲で下記の熱膨張係数を有している。 炭化珪素（SiC）セラミツク：3.5〜5.5（×
10^-6／℃） 炭化タンタル（TaC）セラミツク：6.6〜8.4 炭化チタン（TiC）セラミツク：7.4 炭化ほう素（B₄C）セラミツク：4.5 炭化タングステン（WC）セラミツク：４〜6.2 従つて、これら炭化物系セラミツクの金属化方
法においては、金属化用組成物とセラミツクの熱
膨張係数の差を小さくする必要上、少なくとも一
種の金属化用金属粉末として低熱膨張係数の高融
点金属を用い、更に炭化物系セラミツクと金属化
層との強固な接着を得るために、炭化物系セラミ
ツクと濡れ性の良い金属を混合することが重要な
因子であることを本発明者等は見い出した。 本発明においては、前記熱膨張係数の高融点金
属（以下、第１成分という）として、熱膨張係数
が常温で3.5×10^-6／℃〜９×10^-5／℃の範囲で
あるNo，Ｗの単独もしくはそれらの組合めせが
用いられる。 また炭化物系セラミツクと濡れ性の良い金属
（以下、第２成分という）としては、鉄族金属の
うちのCo，Niの単独もしくはそれらの組合わせ
が用いられる。 上記第１成分と第２成分とは、第１成分を80重
量部〜30重量部と、第２成分を20重量部〜70重量
部との配合比で、それらの金属粉末が混合され
る。 なお、上記の配合比は第１成分と第２成分の選
択組合わせに応じて、金属化される炭化物系セラ
ミツクの熱膨張係数を配慮しながら、上記範囲内
で適宜設定すればよい。 次に、上述した金属化用組成物を用いて炭化珪
素質セラミツクの表面を金属化する方法の具体例
を挙げると、上述した第１成分と第２成分の金属
粉末にα−テルピノール、水等の周知の周知の溶
剤、エチルセルローズ、ポリビニルアルコール等
の周知の粘結剤から成るバインダーを添加して流
動性を備えたペースト状にし、これをスクリーン
印刷、羽毛塗り、ブラシユバンド、スプレー、あ
るいは浸漬等の手段でもつて炭化珪素質セラミツ
ク体の被金属化対象表面に塗布した後、減圧下、
窒素、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気中にて
1000℃〜1300℃、好ましくは1200〜1600℃の範囲
の適宜温度で焼成する。 上記の焼成温度に関して、1000℃以下では金属
と炭化物との濡れ性が不充分であり、一方1800℃
以上では金属を炭化物とが反応して多量の金属炭
化物を生成するため、いずれも良好な金属化は得
られない。 本発明方法によれば、後述する試験法による値
で６Kg／mm²以上の曲げ強度を有する金属化層が炭
化物系セラミツク体表面に生成する。 以下、本発明の実施例について説明する。 （実施例 １） 第１成分としてタングステン（Ｗ）粉末、第２
成分としてニツケル（Ni）粉末を選び、表１に
示した割合（重量％）で配合し、有機バインダー
を添加して金属化用組成物（メタライズペース
ト）を作り、炭化物系セラミツクの代表的なもの
である炭化珪素質セラミツク体上にスクリーン印
刷し、その後、窒化雰囲気の炉中において、1500
℃で焼成しメタライズペーストを塗布したセラミ
ツク体表面を金属化させた。 表１に掲げた金属化状態は金属化された表面を
目視観察した結果である。この結果は、金属化面
の表面に亀裂やボイドの発生状態に応じて優劣を
つけているため、表面状態の優劣の結果によつて
金属化面の接着性の良否が判断できる。

【表】

【表】 △……やや良 ×……不可
表１の結果から明らかなように、タングステン
80〜30％に対してニツケル20〜70％の割合のメタ
ライズペーストの場合に優れた金属化表面が得ら
れ、タングステン60〜40％に対してニツケル40〜
60％のメタライズペーストが最適であつた。ま
た、ニツケル100％の場合でもは炭化珪素セラミ
ツク体の表面に熱膨張係数の違いによる引つ張り
応力に原因すると思われる亀裂を生じた。 次に、表１の試料No.５のメタライズペーストを
二個の炭化珪素質セラミツク体の端面に塗布した
後、塗布面を当接した状態で上記の条件で焼成し
接合した試験片について、接合面に応力がかかる
ようにして曲げ強度を測定した結果、20Kg／mm²の
値が得られた。比較のために試料No.１のメタライ
ズペーストを用いて上記と同一の実験を行つたと
ころ、２Kg／mm²であつた。 なお、上記試験片の作製方法及び曲げ強度の測
定方法は次の通りである。 3.5mm×20mm×15mmの平板状の２個の炭化珪素
質セラミツク体の3.5mm×20mmの端面にメタライ
ズペーストを塗布した後、塗布面を付き合わせた
状態で焼成し、次いで、その接合されたセラミツ
ク体をダイアモンドカツターで切り出し、３mm×
３mm×30mmでその長さ方向の中央に接合部が存在
する試験片を作製した。 この試験片の曲げ強度の測定は接合部を上部荷
重点とし、下部の支点間距離を20mmとした３点曲
げ法により行つた。 なお、上記第１成分のタングステン（Ｗ）に代
え、モリブデン（Mo）を用い、窒素雰囲気中、
1350℃焼成で金属化したものにあつても、ほぼ同
様の結果が得られている。 （実施例 ２） タングステン粉末50重量％、ニツケル30重量
％、コバルト20重量％を配合し、実施例１と同様
にメタライズペーストを調整し、これを炭化珪素
質セラミツク体上にスクリーン印刷した後、アル
ゴン雰囲気の炉中において1300℃で焼成したセラ
ミツク体表面を金属化させた。 次いで、実施例１と同様の方法で試験片を作成
し金属化層の曲げ強度を測定した結果、20Kg／mm²
であつた。 更に、上記組成においてタングステン粉末の半
量（25重量％）をモリブデン粉末に代え、上記と
同様の実験を行つた結果、19Kg／mm²の曲げ強度を
有する金属化層が生成された。 （実施例 ３） 第１成分としてモリブデンを選択し、第２成分
としてニツケル、コバルトに、更に鉄を加えて各
種の配合比のメタライズペーストを調整し、実施
例１と同様の方法により２個の炭化珪素質セラミ
ツク体に塗布した後、塗布面を当接した状態で
1300℃の窒素雰囲気中で焼成し、接合されたセラ
ミツク体の曲げ強度を測定した。その結果、モリ
ブデン30％、鉄40％、ニツケル20％、コバルト10
％のメタライズペーストの場合に16Kg／mm²、モリ
ブデン55％、鉄10％、ニツケル20％、コバルト15
％のメタライズペーストの場合に19Kg／mm²であ
り、ともに良好な金属化層が形成された。 上述した実施例においては、代表例を記載した
が、実施例記載の炭化珪素質セラミツク体以外
に、TiC，B₄C，TaO，WC等の炭化物系セラミ
ツク体に対しても第１成分としてMo，Ｗの１種
又は２種を30〜30重量部と、第２成分として
Co，Niの１種又は２種を20〜70重量部と配合し
て得られたメタライズペーストを用いて強固な金
属化層が形成されることを確認している。 以上述べたように、本発明による金属化方法に
よれば、炭化物系セラミツク体、特に、炭化珪素
質セラミツク体に対して、アルミナ等の酸化物系
セラミツク体と同様、容易に強固な金属化層を形
成することが可能となり、しかる後に、該金属化
表面にニツケル、銅等のメツキを行つた後、金属
を半田、銀ロウ付け等の既存の技術により接合す
ることが可能となつた。 このように本発明による金属化技術を利用し、
従来のロウ付け等の技術を組合わせることによ
り、炭化物系セラミツク体を高温機構部材あるい
は、メカニカルシール等の耐摩耗部品として使用
する場合の複合化及び電気・電子部品の電極端子
等への利用が可能となり、その効果は絶大であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Mo，Ｗから選ばれる金属粉末の少なくとも
   一種80〜30重量部とCo，Niから選ばれる金属粉
   末の少なくとも一種20〜70重量部と更にバインダ
   ーとを含有せしめた金属化用ペーストを、炭化物
   系セラミツク体の所要箇所に塗布した後、非酸化
   性雰囲気中で1000〜1800℃の範囲内の温度で焼成
   することを特徴とする炭化物系セラミツク体の金
   属化方法。