JPS6114112B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、セラミツクス特に非酸化物である窒
化珪素（Si₃N₄）同士、炭化珪素（SiC）同士或は
Si₃N₄とSiCを接着するのに好適な接着用組成物及
びその接着方法に関するものである。 近年エンジニアリングセラミツクスとして
Si₃N₄，SiCを主組成とするものが注目され数多く
の研究、開発がなされている。 しかしながら、これらエンジニアリングセラミ
ツクスとしての用途は、例えばガスタービンのロ
ーター、ステーター、内燃機関、ヂイーゼルエン
ジンのシリンダー、ピストン或は燃料噴射弁など
であるため、その形状、寸法精度などに対する要
求が厳しく、予め一体成形で製作することが困難
なことが多い。従つて、単純形状の部品を接着し
て複雑形状の部品に仕上げることが考えられ、そ
の具体的な方法もいくつは提案されている。 例えば従来の典型的な方法は、接着組成物を被
接着セラミツクス間に介在させあるいは何も介在
させずに加圧しつつ加熱することが望ましいいわ
ゆるホツトプレス処理が必要であつた。 しかしながらこの方法は、複雑なあるいは寸法
の大きい形状であるセラミツクスを対象とする場
合には均一な処理が困難なことも多く特別な加圧
を必要とせず熱処理することが望まれている。 一方、この問題点を解決すべく、通常法により
接着処理することのできる提案もいくつかなさ
れ、そのための接着用組成物についても提案され
ている。 例えば、特公昭49−20370号公報には接着剤成
分として−Ａ族酸化物を単独に又は特開昭47−
34410号公報には酸化アルミニウム・酸化シリコ
ン及びアルカリ土類金属酸化物成分のみからなる
ガラスの使用が示されているが、これらの方法に
より得られる接着強度は一般に低く十分でなく、
その接着処理も高温で行わねばならず、さらに接
着層が均一になりにくいなどの欠点があつた。 本発明は、これらの観点から従来の欠点を改良
すべく種々研究された結果として見い出されたも
のであつて、酸化物成分として少くとも４種の成
分これらを大別して少くとも２成分を所定の割合
で含有してなるセラミツクス粉末を主成分とする
接着用組成物及びその接着方法を要旨とするもの
である。 まず本発明の利点を列挙すると主として次の通
りである。 １ 通常の接着方法であつても、高い接着強度が
得られる。（室温、高温とも） ２ 低温での接着処理が可能（例えばSi₃N₄で
1300〜1600℃、SiCで1300〜1800℃） これは、(1)被接着セラミツクスの焼結温度
（例えばSi₃N₄で1650〜1800℃、SiCで1900〜
2200℃）より低温処理が可能となり、焼結体の
変形、変質の恐れがない。(2)熱経剤的或は設備
的にも有利、なことを示している。 ３ 接着面の平滑性が多少悪くても、接着層が多
少厚くても容易に接着できる。 本発明を以下被接着セラミツクスとして、
Si₃N₄及びSiCからなる焼結体を対象として説明す
るが、AlNなどの他の非酸化物の接着さらには酸
化物の接着にも使用可能であるし、焼結体でなく
仮焼品或は生成形品を対象としたものであつても
勿論可能である。 また、本発明接着用組成物は、被セラミツクス
焼結体間に介在させて熱処理するものであり、通
常適量の水や液状樹脂などを加えたペースト状或
はエマルジヨンなどとして、塗布、吹付けに供す
るものであり、また粉末のまま介在せしめること
もできるものであるが、以下の接着用組成物とし
ての説明は、接着成分としてのセラミツクス粉末
のみを対象としたものである。 さらに、セラミツクス粉末としての成分を酸化
物として説明するが、場合によつては接着の熱処
理により酸化物となる化合物などとして配合して
もよいものであり、いずれの場合でも配合割合は
酸化物を基準として示したものである。 本発明接着用組成物は、説明し易いようにまと
めて分類すると、基本的に２つの成分からなつて
いる。 第１成分は、酸化アルミニウム（Al₂O₃）、酸
化シリコン（SiO₂）及びアルカリ土類金属酸化物
（RO）として分類されるものであつて、これら３
つの成分は第１成分構成成分としていずれも必須
のものである。 ここで第１成分としてのROとしては、酸化マ
グネシウム（MgO）、酸化カルシウム（CaO）、
酸化ストロンチウム（SrO）、酸化バリウム
（BaO）、及び酸化ベリリウム（BeO）から選ばれ
る１種以上が使用できるが、なかでもMgOが最
適である。 このような第１成分を構成する少くとも３つの
成分は、それぞれ別々の単一の酸化物として使用
することもできるが、好ましい形態としては３つ
の成分或は２つの成分を同時に含む結晶として或
は鉱物などの形態として使用することであり、そ
の最も望ましいものはコージエライト（2MgO・
2Al₂O₃・5SiO₂）組成のものとして使用すること
である。コージエライトは後述する第１成分とし
ての必要条件を具備すると同時に結晶組成として
低膨脹であり、効果をより助長するものと考えら
れる。 つぎに第２成分は、Ａ族酸化物より選ばれる
１種以上であり、具体的には酸化イツトリウム
（Y₂O₃）、酸化ランタン（La₂O₃）、酸化セリウム
（CeO₂）、酸化ジイスプロシウム（Dy₂O₃）、酸化
イツテルビウム（Yb₂O₃）、酸化アクチニウム
（Ac₂O₃）及び酸化トリウム（ThO₂）などであり、
なかでもY₂O₃が最適である。 尚、これらの第１及び第２成分として使用しう
る酸化物について後述する実施例としては望まし
い実施例としての一部しか示していないが、その
他の成分についても、配合や組合せなどによつて
も異なるので一概にはいえないが、大略実施例に
示したものと比較してあまり遜色なく使用しうる
ことが認められている。 これらの第１成分と第２成分の配合割合につい
て説明すると重量％（以下本明細書では同じ）
で、前者30〜95％、後者５〜70％である。 これらの主な制限理由は、第１成分が95％以上
又は第２成分が５％以下では、目的とする接着強
度が十分でなく特に高温強度が低いものとなつて
しまうし、一方第１成分が30％以下又は第２成分
が70％以上だと、低温で接着できず、組成物の融
点も上昇するし、接着強度も十分でないことが多
くなり特に室温での強度が十分でないことが多い
からである。 特に低い熱処理温度（例えば1300〜1500℃）が
必要なときには、第１成分55〜95％、第２成分５
〜45％とすることが好ましい。 尚、第１成分のなかで３つの成分の好ましい割
合について説明すると、SiO₂が40〜80％、RO
（MgO）が５〜40％で残りをAl₂O₃とすることで
あり、特にはSiO₂40〜60％、RO5〜20％残部
Al₂O₃とすることである。 この理由は、これらの範囲をはずれると、組成
物としての融点が大体1700℃以下となるからで、
これらの範囲をはずれると融点が高くなり低温処
理が困難となることが多くなるからである。 また本発明組成物としては、これらの第１及び
第２成分のみからなるものが望ましく使用できる
わけであるが、目的を損わない範囲で特別な弊害
をもたらすことのない他の成分が含まれていても
差支えない。 例えば、被接着セラミツクスがSi₃N₄又はSiCで
あればSi₃N₄やSiCは少量含まれていても支障ない
し、またFe₂O₃，TiO₂，Cr₂O₃なども少量含まれ
ていてもよいが、一般にはこれらは５％以下にと
どめておくのが望ましい。 つぎに、接着用組成物を焼結体間に介在させ熱
処理する温度について説明すると、1300〜1800℃
例えばSi₃N₄で1300〜1600℃、SiCで1300〜1800℃
の範囲が必要である。 これは、1300℃以下では組成物が溶融せず接着
面が濡れず接着強度が十分発揮されないし、1800
℃以上では、被接着セラミツクスの変形：変質が
問題となり、また接着組成物の分解も進むし、熱
経済的にも好ましくないなどの理由による。 尚、被接着セラミツクスがSi₃N₄の場合1350〜
1500℃、SiCの場合1350〜1750℃がより望ましい
範囲である。 また、熱処理雰囲気としては、窒素、アルゴ
ン：ヘリウム、水素、一酸化炭素などの非酸化性
雰囲気が使用され、なかでも窒素、アルゴン雰囲
気下で行うようにするのがよい。 ここで本発明による効果を接着機構の面からみ
てみるとおおよそ次のようなことが考えられる。 本発明の接着用組成物は大体1300〜1700℃の融
点を有し、接着用組成物を介在させた被接着体を
この温度以上に熱処理すると接着用粉末組成物は
溶融し、被接着体表面を充分に濡らし、さらに被
接着体と何らかの反応が起こり被接着体同志を強
固に接着する、と考えられる。これは第１成分の
みの組成物の場合にも同様な機械により接着が可
能となるが強度が小さい。しかし、第１成分に第
２成分を加えると、第１成分のみ、あるいは第２
成分のみの場合より低温で接着用組成物が溶融
し、第２成分の−Ａ族酸化物と被接着体の窒化
珪素、あるいは炭化珪素との反応が、第１成分の
みの場合の反応に加えて、あるいはより複雑な形
で起こり被接着体と接着層の結合力及び接着層自
体の強度を高め接着強度を増大させるのではない
かと考えられる。室温強度のみではなく1000℃で
の強度が大きくなるのは、−Ａ族酸化物が加わ
ることにより接着層のガラスの高温での粘性が増
大するためと考えられる。 また第２成分のみの組成物の場合には低温では
組成物が溶融せず、接着できず、1700℃以上の高
温処理を行つても接着面を均一に濡らすことが難
しく、従つて良好に接着しがたい。すなわち本発
明による接着用組成物の第１成分は低温にて接着
面を良く濡らし、第２成分は接着強度を高める効
果を主として有し、これらの組み合わせによりこ
れらが相乗効果的に働き良好な接着用組成物とな
ることがわかつた。 なお、高い接着強度を得るためには接着層をで
きるだけ薄く、また均一にすることが必要であ
る。このためにはできるだけ被接着体の接着面を
平滑にし、鏡面化しできるだけ少量の接着用組成
物を接着面に薄く均一にセツトすることが好まし
い。接着層の厚さは20μｍ以下が好ましいが、
100μｍ程度でもかなりの接着強度が本発明の場
合には得られる。従つて本発明の場合には接着面
が充分平滑でなくても一応の接着が可能であるこ
とも確かめられている。 本発明をさらに実施例にて説明する。 実施例 平均粒径約２μｍの第１成分と平均粒径約２μ
ｍの第２成分を表に配した調合により秤り取り、
これに適当量の水と酢酸ビニルエマルジヨンを加
え、ボールミルにて充分に混合した。この接着用
泥漿を２個の20×15×10mmの窒化珪素あるいは炭
化珪素焼結体の20×10mmの面に毛筆にて塗布し、
塗布面を合わせて圧着した。この接着品を乾燥し
た後、抵抗加熱炉に入れ、N₂1気圧中、表に記し
た所定温度にて0.5時間熱処理した。この接着焼
結体から３×３×30mmの角棒を切り出し、接着部
分に荷重をかける３点曲げ試験を室温と1000℃と
で行い、３個の平均値をその接着強度とした。こ
の結果を表に示した。なお被接着体である窒化珪
素及び炭化珪素の曲げ強度はそれぞれ65.1Kg／
mm²、54.5Kg／mm²であつた。 また接着層の厚みは約20μｍであつた。

【表】

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化アルミニウム、酸化シリコン、アルカリ
   土類金属酸化物よりなる第１成分30〜95重量％と
   Ａ族酸化物より選ばれる１種以上の第２成分５
   〜70重量％の割合で含む酸化物粉末を主成分とす
   ることを特徴とするセラミツクス接着用組成物。 ２ 第１成分と第２成分の含量が接着用組成物の
   セラミツクス成分中95重量％以上である特許請求
   の範囲第１項記載の組成物。 ３ 第１成分が、重量％で、酸化シリコン40〜80
   ％、アルカリ土類金属酸化物５〜40％残部酸化ア
   ルミニウムよりなる特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の組成物。 ４ 第１成分のアルカリ土類金属酸化物は酸化マ
   グネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウ
   ム、酸化バリウム及び酸化ベリリウムから選ばれ
   る１種以上である特許請求の範囲第１項乃至第３
   項いずれか記載の組成物。 ５ アルカリ土類金属酸化物が酸化マグネシウム
   である特許請求の範囲第４項記載の組成物。 ６ 第１成分がコージエライト（2MgO・
   2Al₂O₃・5SiO₂）である特許請求の範囲第１項記
   載の組成物。 ７ 第２成分が、酸化イツトリウム、酸化ランタ
   ン、酸化セリウム、酸化ジスプロシウム、酸化イ
   ツテルビウム、酸化アクチニウム及び酸化トリウ
   ムから選ばれる１種以上である特許請求の範囲第
   １項記載の組成物。 ８ 第２成分が酸化イツトリウムである特許請求
   の範囲第７項記載の組成物。 ９ 接着されるセラミツクスが窒化珪素及び又は
   炭化珪素質からなる焼結体である特許請求の範囲
   第１項乃至第８項いずれか記載の組成物。 １０ 酸化シリコン、酸化アルミニウム、アルカ
   リ土類金属酸化物及びＡ族酸化物を含み、これ
   らの割合が前３者30〜95重量％、Ａ族酸化物５
   〜70重量％の配合からなるセラミツクス粉末を主
   成分とする接着用組成物を、被接着セラミツクス
   間に介在させ、1300〜1800℃の温度で熱処理する
   ことを特徴とするセラミツクスの接着方法。 １１ コージエライト粉末30〜95重量％、Y₂O₃
   粉末５〜70重量％、これらの含量95重量％以上か
   らなるセラミツクス粉末を主成分とする接着用組
   成物を使用する特許請求の範囲第１０項記載の接
   着方法。 １２ 接着用組成物を窒化珪素及び又は炭化珪素
   成形体間に介在させ、非酸化性雰囲気下で熱処理
   する特許請求の範囲第１０項又は第１１項記載の
   接着方法。