JPS61136968A - セラミツク部材の接合体 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明はセラミック部材の接合体に関するものである。

〈従来の技術〉 セラミックと金属の接合では、両者の線膨張係数の違い
の問題をいかに解消するかが最も重要なテーマである。

鉄鋼等の実用的な金属材料のほとんどは、通常の炭化物
、窒化物、酸化物セラミックの２倍以上、特にシリコン
炭化物、窒化物に至っては３〜５倍の膨張率を有してい
る。

したがって、このようなセラミックと金属は、たとえ接
合がうまく行っても、接合後の冷却過程で大きな熱応力
が発生する。

セラミックは本来引張の力に弱いために、セラミック側
に特に引張の応力が生起される場合、以外に低い応力で
も破壊に至る。

従来接合部の残留応力を緩和するために、鋼のような軟
質金属や、あるいはセラミックと線膨張係数の近い金属
を中間層として挿入することが試みられてはいるが、い
ずれも、この残留応力、特に、引張の残留応力の問題を
完全には解消していない。

〈発明が解決し、ようとする問題点〉 本発明は以上の様な問題点に鑑みてなされたものであり
、接合境界部の残留応力を軽減することができると共に
圧縮の残留応力に転化させることもできる新規な接合構
造を提供せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明者は上記問題点にかんして鋭意研究をおこなった
結果、次のような新しい知見をうるに至った。即ら、 セラミック部材と相手材の間に、金属、セラミックの単
体の層あるいは積層された層から構成される中心となる
材料層の外面に、この層をくるむ形で、金属の連続体の
層を被覆、接合した構造の中間層を設けて接合してやる
と、接合過程の熱応力が軽減でき、セラミックの破壊を
防止できることを見出だした。

本発明は、この新しい知見をもとに為されたものである
。

〈作用〉 線膨張係数のことなる材料の仮を高温ではりあわせると
、冷却過程で曲げの応力が発生する。

線膨張係数の差が小さくなれば、この応力も小さくなる
が、この応力の発生そのものを防止することはできない
。

したがって接合すべき二つの材料の間に、中間的な線膨
張係数を有する中間層をインサートしても曲げの応力の
発生は回避できない。

この曲げ応力は接合端面での引張り応力に転化される。

引張力には特に弱いセラミックでは、この接合部での引
張り応力は極力抑止する必要がある。

しかして本発明では、中間層は、セラミック、金属の単
層あるいは積層された構造からなる中心となる材料の層
の外面を、金属の連続体でくるまれた構造になっており
、しかもこの中心材料の層は、この連続体によって前後
、左右、上下全面から圧縮、拘束されているために、相
手材との線膨張係数の差にもとづく一方向の曲げ力は、
この反対側の圧縮、拘束力によってキャンセルされ、軽
減される。

中心材料の層の構造は、セラミック単層、金属単層、セ
ラミック積層体、金属積層体あるいはセラミックと金属
の混ざった積層体からなるが、セラミック側との応力を
軽減するためには、いずれにせよ、セラミック側に最近
接した部分はその線膨張係数をセラミックと近似あるい
は同じにすることが好ましい。

中心材料の層の少なくともセラミック部材に対面する部
分の材料は、セラミック部材と同じセラミック材料、あ
るいは同じ線膨張係数をもつ材料が好ましい。この組合
わせにすると、セラミック部材と、対面する中心材料の
部分の接合応力を最少にすることが出来る。

異種材料の層を何層も積層するばあい、要は、セラミッ
ク部材との接合部分の応力を極小にすることが目的であ
るので、相手側の収縮力がこの部分に波及しないように
組合わせ条件を考える。

例えば、線膨張係数がすこしづつ徐々に変化するように
配置したり、あるいは各層を本発明の趣旨とする金属の
連続体でくるんで積層させ、各層間で本発明の趣旨とす
るキャンセル応力が作用するようにする。

中心材料の層の外側の金属の連続体の層の厚さは、必ず
しも均等な厚さでなくてもよいが、少なくともセラミッ
ク部材との接合面になる部分の厚さは極力薄くする。厚
くなると、セラミック部材との接合端面に作用する、こ
の金属の収縮による引張り力が無視できなくなる。

もう一方の相手材側との接合部分は、相手材が金属の場
合、厚さ、形状の制約はないが、セラミックの場合、上
記した理由と同じ理由で、厚さ、およびこれに対面する
部分の中心材料の層の材料の種類に配慮が必要になって
くる。

中心材料の層の材料は、接合すべき部材の種類によって
も変化するが、セラミック材料から金属材料まで広く使
用できる。

セラミック材料にあっては、接合すべき材料と同じある
いは同種のものから、その他、炭化物、窒化物、ホー化
物、酸化物等々までひろい範囲で使用できる。

金属材料にあっては、Ｗ、Ｍｏ等の低膨張材料からＷＣ
−ｃｏ、　Ｔ　ｉ　Ｃ−Ｎ　ｉ等ノサーメット。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＦｅ、Ｎｉ、Ｃ。

系の合金等々に至るまでひろく使用できる。

要は、中間層としての特性を備えておれば、全て使用す
ることが出来る。

金属連続体の層の材料は、この部分は全面がｊム１じ材
料でなくても良いが、連続体である必要がある。セラミ
ック部材と接合される部分の材料は、この部分は、セラ
ミック部材と中心材料の層の間に挟まれれる部分である
ので、応力緩衝効果を考え、あるいは応力そのものがで
きるだけ生起しないように、比較的低剛性の材料か、線
膨張係数の近い材料、あるいは剛性の高い材料では厚さ
を薄゛＜シて用いる。

〈実施例〉 本発明の接合体の構造を図面によって説明する第１図イ
ル二は本発明中間層の代表的な形態を例示したものであ
る。

（１）はセラミック部材、（２）は相手、材料、（３）
は中心となる材料の層、（４）は（３）の層をくるむ様
に被覆され、接合された金属の連続体の層である。

セラミック部材（１）と相手材料（２）は共に（４）の
連続体の層と拡散をともなう接合あるいは貴金属を使用
した接合に見られる様な拡散をともむねない接合の形態
にＪ、−）（接合され（いる。

（１）のセラミック部材と（４）の連続体の接合は、（
１）の接合面を予めメタライズして（４）と接合、ある
いは（４）の金属として、（１）に直接接合できる金属
を使って、接合される。

（２）の材料と（４）の接合は、（２）が・金属の場合
は問題はないが、（２）がセラミック材料の場合、１記
（１）の時と同じ要領で行なう。

（３）の中心材料の層と（４）の金属の接合は、（３）
が金属の場合は問題はないが、セラミックの場合は、全
面を予めメタライズして、あるいは、（３）のセラミッ
クに直接接合できる金属を（４）の材料として使用して
、直接接合する。

第１図の（イ）の形態は、中間層が相手材（２）にうめ
こまれ、接合面のみが表面に現われ、この部分でセラミ
ック（１）と接合される哨のものである。

（ロ）〜（ニ）の形態は、中間層が図のような形で配置
され、（ロ）は中心材料の層が単層、（ハ）は中心材料
層が積層されたもの、（ニ）も積層されたものであるが
、それぞれの層の間も金属でくるまれたものである。

いずれにしても、これらの形態は、目的、用途等をそれ
ぞれ勘案して、選択すれば白い。

〈実施例〉 実施例１（炭化ケイ素と鋼の接合体） 接合形態は第１図（イ）の形態。

セラミック部材： １０Ｘ、１１０Ｘ５＋の炭化ケイ素 接合面（片面）をＳ　ｉ　−５０（Ｆｅ−Ｎｂ）合金で
メタライズする。

メタライズの条件は、減圧化１４００℃で５分加熱。

中心材料の層： １Ｑｘ１０Ｘ５＃＋の炭化ケイ素 全面を上記Ｓ　ｉ　−５０（Ｆｅ−Ｎｂ＞合金テメタラ
イズする。

相手材料： ５０Ｘ５０Ｘ２０．ＩｌｌのＳＳ４１の鉄板５Ｓ４１の
板に中心材料の層を嵌めこむための溝（多少余裕を持た
せて）を設け、この中に銅の粉末と一緒に中心材料の層
となる炭化ケイ素の板をうめこむ。

次にこの炭化ケイ素の板の上に５０７’の鋼のシートを
戴せ、更にセラミック部材のメタライズ面をこの上に合
わせて載せる。

これを減圧化で１２００’Ｃに数秒加熱した。

炭化ケイ素の中間材料の層は溶融した銅によって全面を
くるまれメタライズ層を介して接合され、この銅層とセ
ラミック部材のメタライズ面および５Ｓ４１の扱が融着
していた。

本例では、溶融鋼の層が金属の連続体の層の役割をして
おり、いずれの接合面にも亀裂や剥離は認められなかっ
た。

炭化ケイ素と鋼は線膨張係数に大きな差が有るために、
通常の方法では、接合が困難で、はとんど例外なく、剥
離、亀裂が発生しているが、本発明では、皆無である。

本発明は接合応力の緩和に著効を有することを確認する
ことができた。

実施例２（炭化ケイ素と鋼の接合体） 接合形態は（イ）の形態。

セラミック部材； １０Ｘ１０Ｘ５＃ｌ＃Ｉの炭化ケイ素 接合面メタライズなし。

中心材料の層： Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５＃Ｉ＃ｌの炭化ケイ素メタライズな
し。

相手材ＦＡ： 実施例１と同じ。

Ｓ　Ｓ　４．１の仮にもうりた溝の中に、Ｓ　ｉ　−５
０ＦｅＮｂの扮末と一緒に炭化ケイ素の板をうめこむ。

次にこの土に、更に接合すべき炭化ケイ素の板を載せる
。

これを減圧化で、１３００℃に５分加熱した。

炭（ヒケイ素の中間材料の層は、溶融した３ｉ−５０Ｆ
ｅＮｂ合今によって全面を濡らされ、全面くるまれて、
接合され、更に上にのせた炭化ケイ素、Ｓ　Ｓ　４．１
の板も一緒に融着されていた。

中間材料の層をくるんだＳ　１−５０ＦｅＮｂ合金の層
の厚さは、約１００！であった。

本例の場合は、３１−５０ＦｅＮｂの層が金属の連続体
の層の役割をする。

本例の場合も接合面に亀裂、剥離は認められなかった。

実施例３ 接合形態はく口）の形態。

実施例１と同じ炭化ケイ素の板の全面を９ｉ−５０Ｆｅ
Ｎｂ合金でメタライズ、し、これを５０７’の銅箔でく
るみ５Ｓ４１の平扱の上に載せる。

次にこの銅箔の上に片面をメタライズ（Ｓｉ−５０Ｆｅ
Ｎｂ）した実施例１と同じ炭化ケイ素の仮をメタライズ
面を合わけて載せる。

これを減圧下で１２００℃に数秒加熱。

＃ｉ！箔をくるまれた真中の炭化ケイ素の板は溶融した
銅によって全面を濡らさ礼、くるまれて接合されていた
。一方、上にのせたセラミックの板、５Ｓ４１の板もこ
の溶融鋼の層と融着していた。

接合部は全く健全で剥離、亀裂は認められなかつ　ノご
　。

以上、上記実施例は、セラミック部材として炭化ケイ素
を、中間層の中心になる層の４４斜もセラミックを使用
したものであるが、本発明がこれのみに限定されるもの
でないことは、勿論である。

廿ラミック部材としては、他のセラミック、例えば、窒
化ケイ素等の窒化物、他の炭化物７、酸化物、ホー化物
、あるいは炭素材料等の材料も適宜必要に応じて使用で
きる。

中間層の中心となる層の材料も、金属材料、他のセラミ
ックが適宜使用できる。

また金属の連続体の層の形成は、上例では、接合一体化
する時に同時に形成する場合について示したが、これも
、これのみに限定されるものではなく、予めこれを別の
行程で、表面を金属の層でくるんで被覆、接合しておい
て、セラミック部材、相手材と接合することも適宜採用
することが出来る。

この金属の被覆、接合操作は、上例の様に、溶かして接
合を行なう他に、固相で接合あるいは、この種の接合に
通常一般的に使用される被覆、接合操作が全て採用でき
る。

（発明の効果〉 １）接合応力の緩和に著効を有する。

炭化ケイ素のような低膨張セラミックと鋼のような高膨
張、高剛性の材料の接合が出来る。

２）接合強度が高い。

３）簡便な操作で安価に施工できる。

４）広い範囲のセラミック材料に対して適用できる。

５〉相手材料もセラミックと金属両方が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）〜（ニ）は、本発明中間層の代表的な形態
を例示したものである。 （１）・・・セラミック部材　　（２）・・・相手材料
（３）・・・中心となる材料の層 （４）・・・金属の連続体の層 特許出願人　有限会社　宮田技研 代表者　宮田征一部 才１図 手続補ＬＥ占 昭和６０年　６月１６日 昭和５９年特許願第２５６６３６＠　　　。 ２、発明の名称 セラミック部材の接合体 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　特許出願人 角Ｄ７　？１　ビイ　ネジ７４ 住所　山口県下関市長府中土居本町９−１０　−４、補
正命令の日付　自発 ５、補正の対象 明細書の［発明の詳細な説明の欄」 ６、補正の内容 別紙の通り １、明Ｉ’ｌｌ宙第８頁第１１行目に［りの場合は、全
面を予めメタライズして、」とあるを「りの場合は、例
えば接合部の強度が問題になる場合は、全面を予めメタ
ライズして、全面を接合、」と補正する。 ２、明ｍ書第８頁第１３行目に「直接接合する。 」とあるを「直接接合する。また接合部の強度゛　を問
題にしない場合、必ずしも全面が接合されている必要は
ない。」と補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 相手材との間に中間層をインサートされて接合されてな
   るセラミック部材の接合体であって、該中間層の構造が
   、中心となる材料の層と、該中心材料の層をくるむ形で
   被覆、接合された金属の連続体の層から構成されてなる
   ことを特徴とするセラミック部材の接合体。