JPS61151070A - 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、セラミック同士・あるいはセラミックと金
属部材の接合体に関するものである。

〈従来の技術〉 金属、セラミックを問わず、これらの部材の接合で、最
も勤しいことは、両者の線膨張係数の違いの問題をいか
に解潤するかである。

特に鉄鋼等の実用的な金属材料のほとんどは、超硬合金
の様なサーメットや炭化物、窒化物、酸化物セラミック
等の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、特にこのようなセラミックと金属の組合せ
では、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ずる。

特にセラミック材料は本来引張の力に弱いＬこめに、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。

セラミック材料では、これは致命的な問題になってくる
。

従来接合部の熱応力を緩和するために、色々な形の中間
層、たとえば、中間的な線膨張係数をもつ金属や、鋼の
ような軟質金属、あるいはセラミックと線膨張係数の近
い金属の中間層を挿入して接合することが行われている
が、いずれし、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Ｃいないのが現状である。

〈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、ピラミ
ック部材の接合境界部および中間層間の応力を軽減する
ことができる新規な接合体を提供ゼ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／υ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争った。即ら、 セラミック部材と相手材の間に単数あるいは複数の中間
層を挿入すると共に、このセラミック部材と中間層の間
、あるいは／およびこの中間層と中１ｍ層の間、あるい
は／およびこの中間層と相手材の間に、次のような構造
の応力緩衝層、即ち、（イ）内層部分に、金属あるいは
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の層を配し、 （ロ）この中心となる材料の層の外面を、金属の連続体
の層でくるんだ形で被覆、接合した構造からなる応力緩
衝層を挿入して互いに接合したものは、接合過程の熱応
力が著しく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１．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、セラミック部材と中間層あるいは
中間層と中間層あるいは中間層と相手材の間に応力緩衝
層が挟まれており、この応力緩衝層は、セラミックある
いは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、金属の速続体の層でくるまれた
形で被覆され、接合された構造になっており、しかもこ
の中心となる材料の層は、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、たとえ
、この層（応力緩衝層）に片側への曲げ力が作用しても
、反対側の面に作用しているこの金属の連続体の層の圧
縮、拘束力は、この曲げ力を打消す方向に作用し、応力
の解消あるいは軽減に寄与する。

本発明の応力緩衝層の、中心となる材料の層の構造は、
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、隣の層との応力を軽減するためには、特に隣の層
が熱応力の影響が最ら敏感に表われ易い材料の場合（例
えばセラミックの場合）は、この隣の層に対面する部分
の材料は、隣の層と同じ材料、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、この部
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
ク部材の接合部分の応力を極小にすることが目的である
ので、全体の収縮力がこの部分に波及しないように組合
わせ条件を考慮する。

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：少なく隣の層が引張
り力に弱い脆弱な材料の場合、接合面の部分の厚さは極
力薄くする。厚くなると、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。したがっ
て、隣の層がセラミック材料の場合、接合面は極力薄く
する。

一方隣の層が延性のある金属の場合、あえて厚さ、形状
を制約づる必要はない。

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、炭化物、窒化物、ホー化物
、酸化物等々から炭素材料まで、広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等のサーメット。

Ｔ　ｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、丁ａ１１３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、この部分は全面が同“じ材料
でなくても良い（たとえば場所によって材料を変えたり
、多層ｍ造にしたりして）が、連続体である必要がある
。使用される材料は、この部分は、隣の層との間に挟ま
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λリクシて、あるいは他の金属の層
を更にこの部分に被覆したりしで用いる。

〈実施例〉 本発明の実施の形態を図面によって説明する。

第１図イ〜ホは本発明の応力緩衝層の配置の１１方につ
いて、その代表的な形態を示したものである。

第２図イ〜ハは応力緩衝層と隣の層（セラミック部材、
中間層、相手材）との接合の仕方について、その代表的
な形態を示したものである。

第３図イ〜ハは応力緩衝層の中の中心となる材料の層の
代表的な形態について例示したものである。

第１図において、（１）は接合すべき部材、（２）は応
力緩衝層、（３〉は中間層、（４）は接合すべき相手材
（セラミックあるいは金属）である。

（３）の中間層は、図では、説明を簡単にするために単
一層として表示したが、これは必要に応じて、適宜複数
の層にすることができる。

（イ）の場合は、セラミック部材と中間層との間に応力
緩衝層が挿入された場合であり、（ロ）は中間層を間に
挟んで、セラミック部材と応力緩衝層が接合された場合
、（ハ）、（ニ）は中間層と中間層の間に緩衝層が挿入
された場合であり、（ニ）は更に中間層とセラミック部
材の間にも緩衝層が挿入された場合、（ホ）は二つの緩
衝層の間に中間層がもうけられた場合のものである。

以上が代表的な組合わせであるが、これらは状況に応じ
て、これ以外の種々の形態に自在に変化させることが出
来る。

これらの組合わせ、配置はセラミック部材の材質、相手
材の材質、中間層の選択条件、使用条件、接合条件等々
を種々勘案の上決定される。

第２図において、（１）は応力緩衝層、（２）、（３）
は隣の層（セラミック部材、中間層、相手材）である。

（イ）の場合は、最も一般的に用いられる場合であり、
（１）の応力縁ｔ！ＴＩｉ層は左右両側を隣の層で接合
されている。

（ロ）は隣の層に半分うめこまれて接合されたときであ
り、この場合は、うめこまれた層が延性にとむ金属材料
の場合、有効であり、この金属の収縮力（圧縮力）が（
１）の緩衝層に作用するので、応力的に右利になる。

（ハ）は（イ）、（ロ）の中間的なものである。

以上、本例は代表的なものを示したに過ぎないもので、
（１）の緩衝層の形状が変化してくれば、当然この形態
も変わってくることは言うまでもないことであり、本例
のみに限られるものではない。

第３図において、（１）は応力緩衝層、（２）は中心と
なる材料の層、（３）は（２）の中心となる材料の層を
くるむ様に被覆し、この層に接合された金属の連続体の
層である。

（イ）の場合は、中心となる材料の層が単層の場合であ
り、（ロ）はこの中心となる材料の層が積層されたもの
、（ハ）も積層された乙のであるが、それぞれの層の間
も金属の層でくるまれたものＣある。

（２）の中心材料の層の材料は、セラミック材積、金属
材料、いずれの材料も使用できる。

中心材料の層とこれをくるむ金属の連続体の層の接合は
、中心材料が金属の場合、問題はないがセラミックの場
合、全面を予めメタライズして通常のロー接や拡散接合
等の冶金的接合を行なう。

あるいは、外側をくるむ金属として、ヒラミックと直接
接合できる金属を使って、接合ザる。

尚、本発明のセラミック部材と中間層あるいは応力緩衝
層の接合も上記した方法に準じて行う。

つまり、接合する面がセラミックの場合、予めこの面を
メタライズしで、あるいは、これと直接接合できる金属
を隣の層の材料として使用して、接合を行なう。

本発明の接合は、同相接合、液相接合、ロー接、ハンダ
付は等の拡散や濡れをともなう接合および、貴金属を使
用した接合にみられるような拡散をともなわない一部の
接合を意味するものであるまた、本発明のセラミック部
材には、たとえば、酸化物、窒化物、炭化物、ホー化物
等々から、これらの混合されたもの、あるいは成分の一
つとしてこれらを含むもの、あるいは炭素材料、サーメ
ットまで、全ての種類のセラミック材料がｊβ用ｅきる
。

〈実施例〉 実施例１（炭化ケイ素と鋼の接合） 接合形態は、第１図（ロ）、第２図（ロ）。

第３図（イ）の形態。

〈セラミック部材〉 Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ５＃ｌ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、減圧下１４００℃で５分加熱。

〈中間層〉 １１０Ｘ１０Ｘ２のＭＯの根。

〈応力緩衝層〉 中心となる材料の層 １Ｑｘ１０Ｘ５ｍのＭＯのチップ （相手材料〉 ５０Ｘ５０Ｘ２０ｓｗの５Ｓ４１の鉄板Ｓ　Ｓ　４．１
の鉄板に中心材料の層となるＭｏのチップを嵌めこむた
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ＭＯのチップをうめこむ
。

次にこの銅粉末の上に銅のシート（５０μ）をｆｉヒ、
更にこの上にＭＯ中間層を、ＭＯの中間層の上には、間
に銅の薄いシートを挟んで、セラミック部材のメタライ
ズ面をこの上にあわせて載せる。

これを減圧下で１２００℃に数秒加熱。

ＭＯチップの中間材料の層は溶融した鋼によって全面を
くるまれて５Ｓ４１の扱にうめこまれて接合されており
、ＭＯの中間層はこの銅の層と接合され、炭化ケイ素の
メタライズ面は間に銅を挟んで、ＭＯの中間層と接合さ
れていた。

本例では、溶融鋼の層がＭｏチップをくるむ金属の連続
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。

尚、本例では、セラミック部材、中間層、応力緩衝層の
各層の接合を一回の行程で行なったが、これをそれぞれ
別々の行程で行っても何等差支えはない。

炭化ケイ素と鋼は線膨張係数に大きな差があるために、
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（窒化ケイ素と鋼の接合） 接合形態は実施例１と同じ。

〈セラミック部材〉 ＩＱｘ１０Ｘ５ｍの窒化ケイ素 接合面メタライズなし。

〈中間層〉 １１０Ｘ１０Ｘ２の炭化ケイ素の扱 メタライズなし。

く応力緩ｔＪｉ層〉 中心材料の層 １０１０Ｘ１０Ｘ５の炭化ケイ素のチッゾメタライズな
し。

く相手材料〉 実施例１と同じ。

ＳＳ４１の板にもうけた溝の中に、Ｓ　ｌ　−５０Ｆ　
ｅ　Ｎ　ｂの粉末と一緒に炭化ケイ木のチップをうめこ
む。

次にこの上に、中間層となる炭化ケイ素の根を・戊ぜ、
更に、この炭化ケイ素の扱の上面に３ｉ−５０ＦｅＮｂ
の粉末を塗付して、この士に接合すべき窒化ケイ素の扱
をあわせて械せる。

これを減圧化で、１３００℃に５分加熱した。

うめこまれた炭化ケイ素チップの中間材料の層は、溶融
した５ｉ−５０ＦｅＮｂ合金によって全　′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
イ素中間層、ＳＳ４１の扱および、炭化ケイ素中間層と
窒化ケイ素部材も共に融着されていた。

炭化ケイ素の層をくるんだＳ　１−５０ＦｅＮｂ合金の
層の厚さは、約１００μ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（窒化ケイ素と鋼の接合） 接合形態は第１図（ロ）、第２図（イ）、第３図（イ）
の形態である。

実施例１と同じＭＯチップの全面を５０μの銅箔でくる
み５Ｓ４１の平板の上に械ｌる。

次にこの銅箔の上に両面をメタライズ（Ｓｌ−５０Ｆｅ
Ｎｂ）した実施例２と同じ炭化ケイ素の中間層の一方の
メタライズ面を合わせて載せる。

更にこの上に片面をメタライズ（Ｓｉ−５０ＦｅＮｂ）
Ｌ、た実施例２とおなし窒化ケイ素部材のメタライズ面
をあわせ、間に銅の薄いシートをはさんで載せる。

これを減圧下で１２００℃に数秒加熱。

鋼箔をくるまれた真中のＭＯのチップは溶融した鋼によ
って全面を濡らされ、くるまれて接合されていた。一方
、上にのせた炭化ケイ素の中間層、ＳＳ４．１の板もこ
の溶融鋼の層と融着し、窒化ケイ素部材も炭化ケイ素の
中間層と、問にはさんだ銅のシートを介して融着されＣ
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） 接合形態は第１図（イ）、第２図（イ）、第３図（ハ）
の形ｆ汰である。

〈セラミック部材〉 １０Ｘ　１０Ｘ５ａｍの窒化ケイ素 接合面メタライズなし。

〈中間層〉 ＭＯとＴｉ（厚さはそれぞれ１１１１＃ｌ）〈応力緩衝
層〉 中心材料の層 窒化ケイ素の仮と炭化ケイ素の仮の積層体窒化ケイ素（
セラミック接合側） １０Ｘ１０Ｘ５Ｍ 炭化ケイ素（鋼接金側） １０Ｘ１０Ｘ５ｍｍ 〈相手材料〉 ５０ｘ５０ｘ２０祠のＳＳ４１の鉄板 接合前に予め、５Ｓ４１の接合部分の線膨張係数を調整
する意味で、接合面にＴ１とＭＯの中間層を接合する。

ＳＳ４１−Ｔ　ｉ−Ｍｏの３層クラッドにしでおく。

接合操作は、中心材料の層となる窒化ケイ素、炭化ケイ
素の各々の板の全面に、５ｉ＝５０ＦｅＮｂの粉末を塗
付し、これを重ね合わせ、炭化ケイ素側を５Ｓ４１の上
に合わけて戎せる。次に、この上に接０合すべき窒化ケ
イ素の根を載せる。

これを減圧化１４００℃に加熱。

中間材料の層となる窒化ケイ素、炭化ケイ素の板は共に
Ｓ　１−５０ＦｅＮｂ合金によって、全面濡らされ、く
るまれて接合されており、同時に接合すべき窒化ケイ素
の板は中心材料の窒化ケイ素側と、５Ｓ４１のＭＯの層
は炭化ケイ素の部分と融着されていた。

接合部は全く背金て剥離、亀裂は全く認められなかった
。

以上、上記実施例は、レラミツク部伺としＣｆｇ化ケイ
素、窒化ケイ素を、相手材としＵ！ＩＩＩの組合。

わけについて示した乙のであるが、本例はピラミック部
材と相手材の線膨張係数の差が著しく大きく、接合時の
応力が署しく苛酷になる組合わせについて例示したもの
であり、本発明は土間のみに限定される乙のではなく、
これ以外のいかなる絹合わせにも適用することが可能で
ある。

廿ラミック部材としては、前記した様に、土間のセラミ
ックの他、他の窒化物、炭化物、酸化物、ホー化物、あ
るいは炭素材料、サーメット等々に至るまで、他のあら
ゆるセラミック材料を適用することが出来る。

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

また金属の連続体の層の形成は、土間では、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Ｃ被蹟、接合してａ”
；ｂ）Ｃ，ヒノミック部材、中間層、相手材と接合りる
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、土間の様に、溶かして接
合を行なう池に、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。

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ピ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ｅある。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ホは、本発明の応力緩衝層の配置の仕方につ
いて、その代表的な形態を示したものである。 第２図イ〜ハは応力緩ｔ！ｉｉ層と隣の層との接合の仕
方について、その代表例を示したものである。 第３図イ〜ハは応力緩衝層の中の中心となる材料の層の
代表的な形態について例示したものである。 第１図で、（１）は接合すべき部材、（２）は応力緩衝
層、（３）は中間層、（４〉は相手材である。 第２図で（１）は応力緩衝層、（２）、（３）は隣の層
である。 第３図で、（１）は応力緩衝層、（２）は中心となる材
料の層、（３）は金属の連続体の層である。 ｂ許出願人　有限会社　宮田技研 代表者　宮田征一部 米１回 矛２　回 才３図 フ 手続補正書 昭和６０年　６月１６日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 セラミック部材と相手材の間に単数あるいは複数の中間
   層を挿入されると共に、該セラミック部材と該中間層の
   間、あるいは／および該中間層と中間層の間、あるいは
   ／および該中間層と相手材の間に、次の（イ）、（ロ）
   の層、即ち、 （イ）内層部を構成する中心となる材料の層と、（ロ）
   該中心となる材料の層（内層部）をくるむ形で被覆し、
   該層と接合されている金属の連続体の層から構成される
   応力緩衝層が挿入されて互いに接合されてなることを特
   徴とするセラミック部材の接合体。