JPS61141679A - 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Ｐ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づ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、酸化物ヒラミックの２倍以上、１−１にシリ
コン炭化物、窒化物に至っては３〜５倍の膨服率を右し
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。

く問題点を解決するだめの手段〉 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。即ち、 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■て・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
。

く作用〉 線膨張係数のことなる材料の扱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。

１ｍ膨張係数の差が小さくなれば、この応ツノも小さく
なるが、この応力の発生でのものを防什することはでき
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ｐ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、
この及対側の圧縮、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ｂセラミ・ツク部材じ対面する
部分の材料は、セラミック部材と同じセラミック８利、
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。

安種４４ｒＪの層を何層も積層づるばあい、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
うに組合わけ条件を考える。

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ゼ、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剥くする
。。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ＨＦｌ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、接合ザベき材料と同じある
いは同種のものから、その他、炭化物。

窒化物、ホー化物、ａ！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等のサーメツ１−９Ｔｉ
、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＦｅ、Ｎ　ｉ、Ｃ０系の合金
等々に至るまでひろく使用で、：ｙ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。

金属連続体の層の祠１１は、この部分は全面が同じ材料
でなくても自い（Ｉことえば場所によって材料を変えた
り、多層ＭＩＪｌ＆にしたりして）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【ノ生起しないように、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簿＜シて、あるいは他の金属の層
を更にこの部分に被覆したりして用いる。

〈実施例〉 本発明の接合体の＃Ｉ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なわない接合の形態
によって接合されている。

、（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（重層あるいは必要に
応じて多層の金属の層を被覆）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、上記（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４この部分でセラ
ミック（１）と接合される時のものである。

（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ちのぐある。

いずれにしでも、これらの形態は、目的、用途等をそれ
ぞれ勘案しＣ，選択ずれば貝い。

〈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： Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５＃Ｍｌの炭化ケイ素接合面（片面）
をＳ　ｉ　−５０（Ｆｅ−Ｎ　ｂ）合金でメタライズ層
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； ＩＱｘ１０Ｘ５ｍの炭化ケイ素 全面を上記Ｓ　ｉ　−５０（Ｆｅ−Ｎｂ＞合金でメタラ
イズする。

相手材料； ５０Ｘ５０Ｘ２０ａｅ＋の５Ｓ４１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５０ｐ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℃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の仮が融着
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、本発明ぐは、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； Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５＃Ｍｌの炭化ケイ素接合面メタライ
ズなし。

中心材料の層： ＩＱｘ１０Ｘ５ａｗの炭化ケイ素 メタライズなし。

相手材料： 実施例１と同じ。

ＳＳ４１の仮にもうけた溝の中に、Ｓ　ｉ　−５０Ｆｅ
Ｎｂの粉末と一緒に炭化ケイ素の板をうめこむ。

次にこの上に、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。

炭化ケイ素の中間材料の層は、溶融した５ｉ−５０Ｆｅ
Ｎｂ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、ＳＳ４１の板も一
緒に融着されていた。

中間材料の層をくるんだ５ｉ−５０ＦｅＮｂ含金の層の
厚さは、約１００Ｐであった。

本例の場合は、Ｓ　１−５０ＦｅＮｂ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μ態は（ロ）の形態。

実施例１と同じ炭化ケイ素の板の全面を３ｉ−５０Ｆｅ
Ｎｂ合金でメタライズし、これを５０μの鋼箔でくるみ
５Ｓ４１の平板切上に載ゼる。

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板をメタライズ
面を合わせて載せる。

これを減圧下で１２００℃に数秒加熱。

銅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れ、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根、５Ｓ４１の根もこの溶
＃！銅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った。

実施例４（窒化ケイ素と鋼の接合体） 接合形態は（ニ）の形態。

セラミック部材； Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５ａｍの窒化ケイ素 接合面メタライズなし。

中心材料の層： 窒化ノノイ累の仮と炭化ケイ素の板の積層体窒化ケイ素
（１？ラミック接合側） Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５．Ｍ 炭化ケイ素（１４接合側） Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５ａ＊ 相手材料： ５０Ｘ５０Ｘ２０ｍ＋のＳＳ４１の鉄機接合前に予め、
接合部分の線膨張係数を調整する意味で、接合面にＴｉ
扱（１１ＩＩ！Ｒ厚さ）を問に挟んで１１ＩＩｒＩ厚さ
のＭＯの根を接合する。

ＳＳ４１−Ｔ　ｉ−Ｍｏの３層クラッドにしておく。

接合操作は、中心材料の層となる窒化ケイ素。

炭化ケイ素の各々の扱の全面に、５ｉ−５０ＦｅＮｂの
粉末を塗付し、これを重ね合わせ、炭化ケイ素側を５Ｓ
４１の上に合ね且て載ゼる。次に。

この上に接合すべき窒化り゛イ素の板を載せる。

これを減圧化１４００℃に加熱。

中間材料の層となる窒化ケイ素、炭化なイ索の板は共に
Ｓ　１−５０ＦｅＮｂ合金によって、全面濡らされ、く
るまれＣ接合されており、同時に接合すべき窒化ケイ素
の扱は中心材料の窒化ケイ素側と、ＳＳ４１のＭＯの層
は炭化ケイ素の部分と融着されていた。

接合部は全く健全で剥離、亀裂は全く認められなかった
。

以上、上記実施例は、セラミック部材とし−Ｃ炭化ケイ
素、窒化ケイ素を、中聞層の中心になる層の材料もレラ
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。

セラミック部Ｈとしては、他のセラミック、例えば、他
の窒化物、炭化物、酸化物、ホー化物、あるいはｒ：Ａ
素材料等の材料も適宜必要に応じて使用でさる。

中間層の中心となる層の材料も、金属材Ｉｔ、他のセラ
ミック及び複合材料が適宜使用できる。

ま１．：金属の連続体の層の形成は、上例Ｃは、接合一
体化する時に同時に形成する場合についＣ示したが、こ
れも、これのみに限定されるものではなく、予めされを
別の行程で、表面を金属の層でくるんで被覆、接合しで
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、１例の様に、溶かして接
合を行なう他に、同相で接合あるいは、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。

また相手材としては、実施例４に示した様に、接合面の
線膨張係数や材料特性を調整する意味で、予め他の材料
で被覆したものも必要に応じて適宜採用できる。本発明
の相手材料とは、直接接合を目的とする材料の伯に、接
合面の緒特性を改質する意味で、接合面に他の材料を被
覆あるいはクラッドしたものも、その範囲に包含するも
のである。

〈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服セラミックと鋼のような高膨
服、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１利の層 （４）・・・金属の連続体の層 特許出願人　有限会社　富山技研 代表者　宮甲征一部

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。