JPS61146424A - セラミツクスと金属との接合方法 - 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） この発明は、例えば、耐熱性、耐食性、ＩＴＩｔ薬品性
、電気絶縁性等に優れたセラミックスと、導電性１強度
、熱伝導度等に優れた金属との間での接合に利用される
セラミックスと金属との接合方法に関するものである。

（従来の技術） セラミックスと金属との接合は、エンジン部品や電気部
品等をはじめとして、各種の機械構造用部品に適用され
、あるいは適用されつつある。従来、このようなセラミ
ックスと金属との接合方法としては、例えば、特開昭５
９−７８９８３号公報に記載の第５図に示すようなもの
があった。すなわち、第５図において、１は軸状セラミ
ックス、２は軸状金属であって、軸状金属ｚ側にはスリ
ーブ２ａが形成してあり、前記軸状金属２に形成したス
リーブ２ａ内に軸状セラミックス１が圧入ないしは焼き
ばめで固定されているものであるしかしながら、このよ
うな従来のセラミックス１と金属２との接合方法にあっ
ては、セラミックス１と金属２との間で適切な接合力を
持たせるためには、軸状セラミックス１および軸状金属
２に形成したスリーブ２ａに厳しい寸法精度が要求され
るので、加工コストがかなり高くつくという問題点があ
った。

（発明の目的） この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、セラミックスと金属とを接合するにあたり、
比較的簡単な構成で加工コストが低廉で済み、しかも十
分な接合力を得ることが可能であるセラミックスと金属
との接合方法を提供することを目的としている。

（発明の構成） この発明によるセラミックスと金属との接合方法は、セ
ラミックスと金属とを接合するにあたり、前記セラミッ
クスと金属との間に、前記セラミックスまたは金属と化
学的に結合しない中間材を設け、前記セラミックス、中
間材および金属のうち少なくとも二者間における熱膨張
率の差により焼きばめ接合するようにしたことを特徴と
している。

第１図はこの発明の実施態様を示し、軸状セラミックス
１１と軸状金属１２どの接合部分の断面図である。この
実施態様においては、前記軸状セラミックス１１と軸状
金属１２に設けたスリーブ１２ａとの間に、前記軸状セ
ラミックス１１および／または軸状金属１２（スリーブ
１２ａ）とは化学的に結合しない中間材１３を溶融状態
で前記軸状セラミックス１１と軸状金属１２のスリーブ
１２ａとの間のすきまを埋めるように充てんし、冷却過
程において、前記軸状セラミックス１１と軸状金属１２
と中間材１３とのうちの少なくとも二者間における熱膨
張率の差により、輪状セラミックス１，１と軸状金属１
２とを焼きばめ接合するようにしたものである。

この場合、輪状セラミックス１１および軸状金属１２の
スリーブ１２ａの寸法精度はあまり厳しく要求されず、
例えば室温で前記スリーブ１２ａ内に軸状セラミックス
１１が簡単に挿入できる程度であればよい。

この理由は、中間材１３として金属（純金属または合金
）を用いる場合にこの金属を一度溶融させ、軸状セラミ
ックス１１と軸状金属１２のスリーブ１２ａとの間のす
きま部分に上記溶融金属を介在させるようにするため、
前記軸状セラミクス１１および／または軸状金属１２の
スリーブ１２ａの内面における各々の粗度あるいは内外
径等の寸法精度があまり良くなくとも、中間材１３とし
て用いた金属が上記嵌合表面の凹凸を埋め、かつ、はぼ
均質的にすきま部分に入り込み、焼きばめ前のプラスク
リアランスを埋めるからである。　また、前記中間材１
３は、軸状セラミックス１１および／または輪状金属１
２（スリーブ１２ａ）と化学的に結合しないことが必要
である。

この理由は、化学的に結合した場合、熱膨張率の差によ
って特に軸状金属１２のスリーブ１２ａと軸状セラミッ
クス１１との間に軸方向の応力が残留する結果、軸状セ
ラミックス１１にクラックが入りやすくなる等の不具合
を生じ、その結果接合強度が低下することがありうるか
らである。

このように、中間材１３としては、適当な温度で溶融し
、例えば、軸状セラミックス１１と軸状金属１２よりも
低温度で溶融し、かつ、それがセラミックス１１および
／または軸状金属１２（スリーブ１２ａ）と化学的に結
合しないことが必要であるが、このΦ間材１３の例とし
ては、前記セラミックス１１に対する物質として金、銀
、銅。

アルミニウム、スズ等の純金属はもちろんのこと、金ろ
う、銀ろう、銅ろう、アルミニウムろう、ニッケルろう
、はんだ等に用いられる合金などがあげられる。

また、セラミックス１１には、酸化物、窒化物、炭化物
等の比較的熱膨張率の小さいものが適用可能であり、さ
らに金属１２としては一般に中間材１３よりも融点の高
いすべての鉄系合金を適用することが可能であり、それ
以外の非鉄合金であっても前記中間材１３の材料選択を
適宜行えば適用可能であることはいうまでもないン第２
図はこの発明の他の実施態様を示し、軸状セラミックス
１１の先端にテーパ凸部１１ｂを形成する共に、輪状金
属１２の先端にテーパ凹部１２ｂを形成し、テーパ凹部
１２ｂの先端寄り部分に浅溝部１２ｃを形成したものを
使用した場合を示している。そして、軸状セラミックス
１１と軸状金属１２とを嵌合し、前記テーパ凸部１１ｂ
と、テーパ凹部１２ｂに形成した浅溝部１２ｃとの間で
形成されたすき間部分に、前記セラミックス１１および
／または金属１２とは化学的に結合しない中間材１３を
溶融状態で前記すき間部分を埋めるように充填し、冷却
過程において、前記セラミックス１１と金属１２と中間
材１３のうち少なくとも二者間における熱膨張率の差に
より、セラミックス１１と金属１２とを焼きばめ接合す
るようにしたものである。

このような接合方法とした場合にも、セラミックス１１
と金属１２との接合を強力に行うことが可能であり、し
かも両方にテーパ部１１ｂ。

１２ｂを形成しているため両者の中心合わせを著しく高
精度に行うことができるようになる。

（実施例） まず、第３図に示すような輪状のセラミックス１１と、
スリーブ１２ａを有する軸状の金属１２を用意した。こ
こで使用したセラミックス１１と金属１２の材質は、第
１表に示すものである０次に、前記金属１２に形成した
スリーブ（深さ１５■、直径８．１ｍｍ）１２ａの中に
、同じく第１表に示す材質の中間材１３を入れ１次に、
前記スリーブ１２ａの中に、軸状セラミックス（直径８
■層）１１を挿入した後、軸合わせをした状態でこれら
を非酸化性雰囲気中で、第１表に示した各中間材１３の
融点以上でかつ各金属１２の融点以下の温度に加熱し、
それぞれ完成接合体の断面が第４図に示す形状となるよ
うに溶融焼きばめを行った。

（比較例） この比較例では、通常の焼きばめ接合を、第２表に示す
ように窒化珪素よりなる直径８■厘の軸状セラミックス
と、ニッケルクロムモリブデン鋼よりなる軸状金属とに
対して行った。

一般に、セラミックスと金属との焼きばめ接合において
、焼きばめしろが少なすぎると、セラミックスにかかる
金属の締め付は力が小さすぎ、その結果として接合強度
が低くなる。一方、焼きばめしろが大きすぎると、セラ
ミックスにかかる金属の締め付は力が過大となり、セラ
ミックスが割れやすい状態となって、その結果として接
合強度の低下をもたらす、この比較例の場合、最適焼き
ばめしろは４０ｇｍであった（第２表の陥、５）がさら
に、比較のため、焼きばめしろが２０　ｐ−ｒａのもの
（第２表の勤、６）も作製した。

（試験例） 上記のように作製した溶融焼きばめ接合体（Ｎｏ、１〜
４）および通常の焼きばめ接合体（Ｎｏ、５．６）に対
して、室温において同一の条件で捩り試験を行った。こ
れらの結果を同じく第１表および第２表に示す、さらに
、これら各接合体の接合強度の上限値を知るために、直
径８層■のセラミックス単体の捩り試験をも同一条件で
行った。この結果を第３表に示す。

第　　　　　３　　　　　表 これらの表かられかるように、この発明による溶融焼き
ばめ接合体は、捩り試験の結果すべてセラミックス破壊
であり、接合部の焼きばめ力が不十分で、捩り試験の時
にセラミックスが空回りするいわゆる“ゆるみ”という
現象は全く起こらなかった。また、それらの破壊捩りト
ルク（すなわち接合強度）は、第３表に示したセラミッ
クス単体の破壊捩りトルク（すなわち母材強度）の８０
％以上であり、はぼ同等と考えられ、接合工程によるセ
ラミックスの強度低下はあまり認められなかった。

一方、第２表に示す比較例における通常の焼きばめ接合
体を見ると、焼きばめしろが２０ルーのものは捩りトル
りが３．３ｋｇｆ・膳であって、いわゆる“ゆるみ”現
象を起こし、焼きばめしろが４０鉢履のものはセラミッ
クスの母材の破壊捩りトルクとほぼ同程度の捩りトルク
４．５ｋｇｆ＠ｍでセラミックス破壊した。このことか
ら、通常の焼きばめにより、接合部にセラミックスの母
材強度とほぼ同等の強度を持たせることができるが、そ
のためには非常に高い精度が必要である。

これに対し、この発明による溶融焼きばめ接合では、中
間材１３を用いることにより、通常の焼きばめ接合はど
の精度がなくとも、最適条件で行われた通常の焼きばめ
接合と、接合強度において全く同じレベルを持たせるこ
とができ、かつ、その接合強度はセラミックスの母材強
度とほぼ同等である。

また、通常の焼きばめ接合では必要となるセラミックス
の圧入装置等も、この発明による溶融焼きばめ接合では
必要ないため、コストの低減をはかることができ、さら
に、通常の焼きばめ接合では、セラミックスの圧入時に
セラミックスに無理な応力がかかり、セラミックスが破
壊する恐れがあったが、この発明による溶融焼きばめ接
合ではそのような心配が全く無い。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によるセラミックス
と金属との接合方法では、セラミックスと金属とを接合
するにあたり、前記セラミックスまたは金属と化学的に
結合しない中間材を設け、前記セラミックス、中間材お
よび金属のうち少なくとも二者間における熱膨張率の差
により焼きばめ接合するようにしたから、セラミックス
と金属との接合を十分な接合力で著しく良好に行うこと
が可能であり、接合に際してセラミックスおよび金属の
接合部分における寸法精度を従来の焼きばめ接合はど厳
しく要求されず、しかも接合部分の強度を母材強度にか
なり接近させることができ、さらには高精度の加工装置
や圧入装置などを必要としないためコストの低減をはか
ることができ、かつまた従来のように圧入の際にセラミ
ックスを破壊するおそれがないなどの非常に優れた効果
がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の各実施態様におけるセ
ラミックスと金属との接合体を示す部分破断説明図、第
３図および第４図はこの発明の一実施例におけるセラミ
ックスと金属との接合前後の様子を示す部分破断説明図
、第５図は従来の焼きばめによるセラミックスと金属と
の接合体を示す部分破断説明図である。 １１・・・セラミックス、 １２・・・金属、 １３・・・中間体。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　　小　　塩　　　　金 弟３図 第４図 第５図 ジ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスと金属とを接合するにあたり、前記
   セラミックスと金属との間に、前記セラミックスまたは
   金属と化学的に結合しない中間材を設け、前記セラミッ
   クス、中間材および金属のうち少なくとも二者間におけ
   る熱膨張率の差により焼きばめ接合することを特徴とす
   るセラミックスと金属との接合方法。
2. （２）中間材が、セラミックスおよび金属よりも低い温
   度で溶融する金属である特許請求の範囲第（１）項記載
   のセラミックスと金属との接合方法。