JPS61183178A - Method of joining silicon nitride ceramic to metal - Google Patents
Method of joining silicon nitride ceramic to metalInfo
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- JPS61183178A JPS61183178A JP2007085A JP2007085A JPS61183178A JP S61183178 A JPS61183178 A JP S61183178A JP 2007085 A JP2007085 A JP 2007085A JP 2007085 A JP2007085 A JP 2007085A JP S61183178 A JPS61183178 A JP S61183178A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の技術分野]
本発明は、窒化ケイ素セラミックスと金属の接合方法に
関し、更に詳しくは、高温においても大きな接合強度が
得られる窒化ケイ素セラミックスと金属の接合方法に関
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a method for joining silicon nitride ceramics and a metal, and more particularly, to a method for joining silicon nitride ceramics and a metal that provides high joint strength even at high temperatures.
[発明の技術的背景とその問題点]
最近、セラミックス材料がその優れた諸特性から構造材
料1機能材料等の広い分野で利用されている。その多ぐ
の場合は、セラミックス単体で部品を構成しているが、
より多くの分野でセラミックスを利用するためには、金
属と接合、複合材化が可能であることが必要である。こ
の場合、接合体を構造部品として利用するには十分な接
合強度が要求され、一方、機能部品として利用するには
接合界面での連続性等が要求される。[Technical background of the invention and its problems] Ceramic materials have recently been used in a wide range of fields such as structural materials and functional materials due to their excellent properties. In many cases, the parts are made of ceramic alone, but
In order to use ceramics in more fields, it is necessary that they can be bonded with metals and made into composite materials. In this case, sufficient bonding strength is required to use the bonded body as a structural component, while continuity at the bonding interface is required to use it as a functional component.
しかしながら、セラミックスと金属はそれぞれ異なる原
子結合状態を有するため、金属とセラミックスを接合す
る場合、それらの反応性等の化学的性質、熱膨張率、電
気伝導度などの物理的性質は大きく異なる。したがって
、両部材を良好に濡らし、信頼性の高い冶金的な接合を
行なうことは困難である。However, since ceramics and metals have different atomic bonding states, when joining metals and ceramics, their chemical properties such as reactivity, and physical properties such as thermal expansion coefficient and electrical conductivity are significantly different. Therefore, it is difficult to properly wet both members and perform a reliable metallurgical bond.
特に、セラミックスの中でも化学的安定性の高い窒化ケ
イ素セラミックスは、金属との濡れが不良であることか
らして金属との接合が困難である。In particular, silicon nitride ceramics, which have high chemical stability among ceramics, are difficult to bond with metals because they have poor wettability with metals.
このような状況の中で、窒化ケイ素セラミックスと金属
との接合方法として、Ti、 Zr等の活性金属を用い
て両者の界面における反応を利用する方法が開発されて
いる。この方法は、通常、銀−銅合金のように、共晶が
かなり低融点の金属を組合せた合金を用いて行なう方法
で、良好な接合強度を得ている。Under these circumstances, a method of bonding silicon nitride ceramics and metal using active metals such as Ti and Zr and utilizing a reaction at the interface between the two has been developed. This method is usually carried out using an alloy in which metals whose eutectic melting point is considerably low, such as a silver-copper alloy, is used to obtain good bonding strength.
しかしながら、上記した活性金属を用いる方法において
は、用いる金属の組成が低融点のものに限定されてしま
うため、得られた接合体にあっては窒化ケイ素セラミッ
クスのすぐれた特性の一つである大きな高温強度という
特性が生かされないことになってしまう、すなわち、窒
化ケイ素セラミックスの有用特性が減殺されてしまうの
である。However, in the method using the active metal described above, the composition of the metal used is limited to one with a low melting point, so the resulting joined body has a large The property of high-temperature strength will not be utilized, that is, the useful properties of silicon nitride ceramics will be diminished.
[発明の目的]
本発明は、上記した問題点を解消し、高温においても大
きな接合強度が得られる窒化ケイ素セラミックスと金属
の接合方法の提供を目的とする。[Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a method for bonding silicon nitride ceramics and metal, which solves the above-mentioned problems and provides high bonding strength even at high temperatures.
[発明の概要]
本発明者らは、上記した目的を達成すべく、それぞれの
物性が犬きく異なる窒化ケイ素セラミックスと金属とを
接合したものが高温においても信頼性の高い高接合状態
になる条件に関し検討したところ、以下の要件、すなわ
ち、
(1)窒化ケイ素セラミックスと接合すべき金属が化学
的に結合していること、
(2)接合部には高温下で大きく影響を受けるろう材を
使用しないこと、
(3)接合面積が大きい場合には接合部では熱応力の発
生しないような構成であること、
を充足することが重要であることの知見を得るに到った
。[Summary of the Invention] In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have developed conditions for bonding silicon nitride ceramics and metals, each of which has significantly different physical properties, to achieve a highly reliable bonded state even at high temperatures. After considering the following requirements, we found that: (1) the silicon nitride ceramic and the metal to be joined must be chemically bonded; (2) the joint should use a brazing filler metal that is significantly affected by high temperatures. (3) If the joint area is large, the structure must be such that thermal stress does not occur at the joint.
そこで1本発明者らは、まず、(1)、(2)の条件の
充足に関しては、高温下でも安定性の高い金属を用いて
窒化ケイ素セラミックス表面上に該セラミックスと化学
的に結合したメタライズ層を形成せしめ、該メタライズ
層を介して接合すべき金属と窒化ケイ素セラミックスを
化学的に接合せしめればよく、(3)に関しては、該セ
ラミックスと接合すべき金属との間に熱応力抑制層を介
在せしめればよいとの着想を得、その着想に基づき種々
の検討を加えたところ、所定の条件下で窒化ケイ素セラ
ミックスは、その表面部分がケイ素と窒素に解離すると
の事実を見出した。Therefore, in order to satisfy the conditions (1) and (2), the present inventors first determined that metallization chemically bonded to the silicon nitride ceramic surface using a metal that is highly stable even under high temperatures. The metal to be bonded may be chemically bonded to the silicon nitride ceramic via the metallized layer. Regarding (3), a thermal stress suppressing layer may be formed between the ceramic and the metal to be bonded. After conducting various studies based on this idea, we discovered that under certain conditions, the surface of silicon nitride ceramics dissociates into silicon and nitrogen.
したがって、本発明者らはこの事実から、窒化ケイ素セ
ラミックス表面にメタライズすべき金属を載せて、これ
ら全体に真空下で加熱処理を施したところ、想定したと
おり窒化ケイ素セラミックス表面の窒化ケイ素がケイ素
と窒素に解離して、解離生成したケイ素がメタライズす
べき金属と反応して、ある種の溶融状態の反応生成物が
形成され、該反応生成物が窒化ケイ素セラミックス表面
をぬらし、その結果、窒化ケイ素セラミックス表面に化
学的に結合したメタライズ層が形成されることを見出し
た。したがって、そのメタライズ層と接合すべき金属と
を当接し所定の条件下で拡散接合を行なえば、該メタラ
イズ層と接合金属の接合は容易に進行する。更に、接合
すべき金属とセラミックス間の熱応力の発生に対しては
熱応力抑制層として該メタライズ層の利用、セラミック
スと接合すべき金属との熱膨張係数差を緩和させる材料
を介在させることが好適であるとの知見を得1本発明を
完成するに到った。Therefore, based on this fact, the present inventors placed the metal to be metallized on the surface of silicon nitride ceramics and heat-treated the entire surface under vacuum, and as expected, the silicon nitride on the surface of the silicon nitride ceramics became silicon The dissociated silicon reacts with the metal to be metallized to form a certain molten reaction product, which wets the surface of the silicon nitride ceramic, resulting in the formation of silicon nitride. We have discovered that a chemically bonded metallized layer is formed on the ceramic surface. Therefore, if the metallized layer and the metal to be bonded are brought into contact and diffusion bonding is performed under predetermined conditions, the metallized layer and the bonding metal will be easily bonded. Furthermore, in order to prevent the occurrence of thermal stress between the metal to be joined and the ceramic, it is possible to use the metallized layer as a thermal stress suppressing layer or to interpose a material that alleviates the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic and the metal to be joined. The present invention was completed based on the knowledge that the method was suitable.
すなわち、本発明の窒化ケイ素セラミックと金属の接合
方法は、窒化ケイ素セラミックス表面にケイ素との反応
性に富む金属又は合金を配し、該セラミックスと該金属
もしくは合金の全体を真空下で加熱し、窒化ケイ素セラ
ミックス表面を窒素とケイ素とに解離せしめかつ解離に
より生じたケイ素と該金属又は合金との反応生成物を形
成することにより、該窒化ケイ素セラミックス表面上に
メタライズ層を形成する工程と、該メタライズ層上に接
合すべき金属を配し、全体を加圧しながら加熱する工程
、とからなることを特徴とする。That is, the method for joining silicon nitride ceramic and metal of the present invention includes disposing a metal or alloy highly reactive with silicon on the surface of silicon nitride ceramic, heating the entire ceramic and the metal or alloy under vacuum, forming a metallized layer on the silicon nitride ceramic surface by dissociating the silicon nitride ceramic surface into nitrogen and silicon and forming a reaction product between the silicon generated by the dissociation and the metal or alloy; It is characterized by the steps of placing the metal to be bonded on the metallized layer and heating the whole while applying pressure.
まず、本発明においてメタライズされるべき窒化ケイ素
セラミックスは、格別限定されるものではなく、セラミ
ックス中に窒化ケイ素以外の焼結助剤等を含有している
ものであってもよい、尚。First, the silicon nitride ceramic to be metalized in the present invention is not particularly limited, and may contain a sintering aid other than silicon nitride.
本発明は焼結助剤等を含有していない高純度の窒化ケイ
素セラミックスに対しても十分にその効果を発揮するも
のである。The present invention is fully effective even on high-purity silicon nitride ceramics that do not contain sintering aids or the like.
次に、ケイ素との反応性に富む金属もしくは合金として
は、遷移元素からなり、その融点がケイ素との反応生成
物のうちの少なくとも1種の融点より高い融点を有する
金属もしくは合金であることが好ましく、より好ましく
は、ケイ素と共晶を形成する金属であり、接合すべき金
属と同系統の金属である。Next, the metal or alloy that is highly reactive with silicon is a metal or alloy that is made of a transition element and has a melting point higher than the melting point of at least one of the reaction products with silicon. Preferably, it is a metal that forms a eutectic with silicon and is a metal of the same type as the metal to be bonded.
このような金属もしくは合金は、後述の加熱処理の際、
該金属もしくは合金自体は溶融することはないが、表面
で解離生成したケイ素との反応生成物は溶融状態となっ
て、これが窒化ケイ素セラミックス表面をぬらすので該
表面と強固に付着する。Such metals or alloys are heated during the heat treatment described below.
Although the metal or alloy itself does not melt, the reaction product with silicon that is dissociated on the surface becomes molten and wets the surface of the silicon nitride ceramic, so that it firmly adheres to the surface.
用いる金属もしくは合金が上記の如き融点特性を示さな
い場合、例えば、上記反応生成物が溶融状態になる温度
で該金属もしくは合金自体が溶融状態となる場合、該溶
融金属もしくは合金が窒化ケイ素セラミックス表面を覆
うので、ケイ素の金属もしくは合金中への拡散が阻害さ
れてケイ素と該金属との合金化が進まず、その結果、該
セラミックス表面とのぬれ現象も生じなくなる。If the metal or alloy used does not exhibit the above-mentioned melting point characteristics, for example, if the metal or alloy itself becomes molten at the temperature at which the reaction product becomes molten, the molten metal or alloy will not melt on the silicon nitride ceramic surface. Since silicon covers the metal or alloy, diffusion of silicon into the metal or alloy is inhibited, and alloying between silicon and the metal does not proceed, and as a result, wetting phenomenon with the ceramic surface does not occur.
本発明に適用して好ましい金属としては、 Fe。A preferred metal applicable to the present invention is Fe.
Go、 Ni、 Pt、などの金属、及びこれらの合金
1例えば、Fe、 Go、 Ni、 Ptのうちの少な
くとも1種が50重量%以上含有されている合金であり
、具体的なものとしては、ケイ素鋼、炭素鋼9合金鋼。Metals such as Go, Ni, Pt, and alloys thereof 1 For example, alloys containing at least 50% by weight of at least one of Fe, Go, Ni, and Pt, specific examples include: Silicon steel, carbon steel 9 alloy steel.
特殊鋼、ニッケルクロム合金、ニッケルアルミ合金、ニ
ッケルチタン合金などがあげられる。Examples include special steel, nickel-chromium alloy, nickel-aluminum alloy, nickel-titanium alloy.
上記したような金属もしくは合金は、粉末。The metals or alloys mentioned above are powders.
箔、線のいずれの形態で使用してもよく、また、これら
の形態を組合せて使用してもよい。It may be used in either a foil or wire form, or a combination of these forms may be used.
接合すべき金属又は合金は、特に限定されないが、好ま
しくはメタライズされるべき金属もしくは合金と同系統
の金属である。なお、モリブデンと窒化ケイ素は熱膨張
係数が近似しているため、この金属を接合すべき金属と
して適用する場合には、接合面積の大小にかかわらず、
後述する熱応力抑制層を設ける必要は省かれる。The metal or alloy to be joined is not particularly limited, but is preferably a metal of the same type as the metal or alloy to be metalized. Furthermore, since molybdenum and silicon nitride have similar coefficients of thermal expansion, when this metal is used as a metal to be bonded, regardless of the size of the bonding area,
There is no need to provide a thermal stress suppression layer, which will be described later.
次に、本発明方法について説明する。まず、接合すべき
面積が小さい場合に適用する方法について述べる。最初
に、上記した窒化ケイ素セラミックス表面に上記した金
属もしくは合金を載置する。このとき、用いる金属の形
態が粉末のときは適宜な溶媒を用いてペースト状にし、
これをセラミックス表面に塗布するとよい。Next, the method of the present invention will be explained. First, a method applied when the area to be bonded is small will be described. First, the metal or alloy described above is placed on the surface of the silicon nitride ceramic. At this time, if the metal used is in the form of powder, it is made into a paste using an appropriate solvent.
It is best to apply this to the ceramic surface.
次に、表面に金属を配した該セラミックスを真空炉に入
れる。そして、炉内を減圧して真空状態にしてから該セ
ラミックス全体を加熱するか、もしくは炉内を減圧しな
がら該セラミックス全体を加熱処理する。Next, the ceramic with metal arranged on its surface is placed in a vacuum furnace. Then, the entire ceramic is heated after the pressure inside the furnace is reduced to a vacuum state, or the entire ceramic is heat-treated while the pressure inside the furnace is reduced.
このときに適用する真空度は、常圧〜10−”Torr
の低・中真空、 10−3丁orr以下の高・超高真空
のいずれかの範囲であるが、好ましくは1O−3〜1o
ニアTorrの高真空である。The degree of vacuum applied at this time is from normal pressure to 10-” Torr.
Low/medium vacuum of 10-3 orr or less, high/ultra-high vacuum of 10-3 orr or less, but preferably 1O-3 to 1o
It is a high vacuum of near Torr.
ここで、真空度と後述の加熱温度は相関関係にある。す
なわち、通常の場合、真空度を上昇(炉内圧力を低下)
させれば加熱温度を低く設定することができる、これは
、窒化ケイ素セラミックス表面の窒化ケイ素がケイ素と
窒素とに解離する温度(解離温度)は加熱温度だけでは
なく炉内圧力にも左右されることに基づく。Here, there is a correlation between the degree of vacuum and the heating temperature described below. In other words, in normal cases, the degree of vacuum is increased (the pressure inside the furnace is decreased)
The temperature at which silicon nitride on the surface of silicon nitride ceramics dissociates into silicon and nitrogen (dissociation temperature) depends not only on the heating temperature but also on the pressure inside the furnace. Based on that.
加熱処理操作は、まず、所定の真空下で窒化ケイ素セラ
ミックス表面の窒化ケイ素が窒素とケイ素とに解離する
ように、上記した解離温度以下の温度から加熱を開始す
ることが好ましく、所定の昇温温度でセラミックス全体
を後述の最大加熱温度まで昇温させてこの温度で所定時
間の加熱保持を行なう。In the heat treatment operation, first, it is preferable to start heating at a temperature equal to or lower than the above-mentioned dissociation temperature so that silicon nitride on the surface of the silicon nitride ceramic dissociates into nitrogen and silicon under a predetermined vacuum. The entire ceramic is heated to a maximum heating temperature, which will be described later, and maintained at this temperature for a predetermined period of time.
最大加熱温度は、上記した反応生成物の融点以北の温度
でかつ該金属もしくは合金自体の融点未満の温度に設定
される。The maximum heating temperature is set to a temperature north of the melting point of the above-mentioned reaction product and below the melting point of the metal or alloy itself.
最大加熱温度が1反応生成物の融点未満の場合には、反
応生成物が溶融状態にならないので該セラミックス表面
をぬらすことがなく、更に温度が低い場合は、ケイ素と
金属との反応が起こらない、逆に、加熱温度が該金属の
融点以上の場合は、該金属それ自体が溶融状態になって
窒化ケイ素セラミックス表面の解離を阻害する。If the maximum heating temperature is less than the melting point of one reaction product, the reaction product will not become molten and will not wet the ceramic surface, and if the temperature is even lower, no reaction between silicon and metal will occur. Conversely, if the heating temperature is higher than the melting point of the metal, the metal itself becomes molten and inhibits dissociation of the silicon nitride ceramic surface.
上記した反応生成物の融点、セラミックス表面の解離温
度、最大加熱温度の具体的な値や範囲は、用いる金属や
適用する真空度に左右されるので一概には定まらないが
、最大加熱温度は1200℃以上であることが好ましい
。The specific values and ranges of the melting point of the above-mentioned reaction products, the dissociation temperature of the ceramic surface, and the maximum heating temperature cannot be determined unconditionally because they depend on the metal used and the degree of vacuum applied, but the maximum heating temperature is 1200 It is preferable that the temperature is at least ℃.
このようにして窒化ケイ素セラミックスの表面にはメタ
ライズ層が形成される。メタライズ層は、該金属と該金
属のケイ化物からなる均一な合金層であって、窒化ケイ
素セラミックス表面とは化学的に結合し強固に付着して
いる。In this way, a metallized layer is formed on the surface of the silicon nitride ceramic. The metallized layer is a uniform alloy layer made of the metal and the silicide of the metal, and is chemically bonded and firmly attached to the silicon nitride ceramic surface.
次に、形成されたメタライズ層の上に接合すべき金属を
載せて、これら、セラミックス、メタライズ層、接合す
べき金属の全体を1例えばホットプレス中に装填して、
所定時間加熱・加圧処理を施して、メタライズ層と接合
すべき金属とを拡散接合させる。Next, the metal to be bonded is placed on the formed metallized layer, and these, the ceramic, the metallized layer, and the metal to be bonded are all loaded into a hot press, for example, and
Heat and pressure treatment is performed for a predetermined period of time to diffusion bond the metallized layer and the metal to be bonded.
このとき適用する雰囲気は1例えば、アルゴン、水素、
窒素、ヘリウムなどの不活性ガスまたは還元性ガスが好
適である。なお、真空であってもよい。The atmosphere to be applied at this time is 1, for example, argon, hydrogen,
Inert or reducing gases such as nitrogen and helium are preferred. Note that a vacuum may be used.
拡散接合処理時の加熱温度は、接合すべき金属の融点よ
りも低い温度に設定する。好ましくは、前記したケイ素
との反応性に富む金属又は合金の融点より低く設定する
。適用する圧力は、1〜5000kg/cm好ましくは
10〜1000kg/ dである。The heating temperature during the diffusion bonding process is set to a temperature lower than the melting point of the metals to be bonded. Preferably, the temperature is set lower than the melting point of the metal or alloy that is highly reactive with silicon. The applied pressure is between 1 and 5000 kg/cm, preferably between 10 and 1000 kg/d.
E記加熱・加圧処理によりメタライズ層と接合すべき金
属との接触界面では該メタライズ層中の原子と該接合す
べき金属中の原子とが相互拡散を起こし、結果として、
窒化ケイ素セラミックスと接合すべき金属とがメタライ
ズ層を介して接合されてその接合部は高強度になる。At the contact interface between the metallized layer and the metal to be bonded by the heating/pressure treatment described in E, atoms in the metallized layer and atoms in the metal to be bonded undergo interdiffusion, and as a result,
The silicon nitride ceramic and the metal to be bonded are bonded via the metallized layer, and the bonded portion has high strength.
一方、接合すべき面積が大きい場合には、上記した方法
に更に熱応力抑制層を設(する工程が付加される。On the other hand, when the area to be bonded is large, a step of providing a thermal stress suppressing layer is added to the above method.
熱応力抑制層を設ける方法としては、メタライズ層を利
用する方法、メタライズ層と接合すべき金属との間に他
の材料を介在させる方法がある。Methods for providing the thermal stress suppression layer include a method using a metallized layer and a method in which another material is interposed between the metallized layer and the metal to be bonded.
メタライズ層を利用する場合には、該セラミックスの表
面全体に該メタライズ層を形成するのではなく、それを
部分的に形成するとよい0例えば、セラミックス表面に
網目状、縞状、渦巻状。When using a metallized layer, it is preferable not to form the metallized layer on the entire surface of the ceramic, but to form it partially.
斑点状にメタライズ層を形成するとよい。It is preferable to form the metallized layer in spots.
他の材料を介在させる場合としては、熱膨張係数が厚さ
方向に沿って徐々に変化するような層を熱応力抑制層と
してセラミックスと接合すべき金属との間に形成する方
法と、熱膨張係数が該セラミックスと該金属との中間に
位置する材料や熱膨張係数の相異なる2種以上の物質か
らなる複合材料を熱応力抑制層としてセラミックスと接
合すべき金属との間に介在させる方法がある。When interposing other materials, there are two methods: forming a layer whose coefficient of thermal expansion gradually changes along the thickness direction as a thermal stress suppression layer between the ceramic and the metal to be bonded; There is a method in which a material whose coefficient is between that of the ceramic and the metal or a composite material made of two or more substances with different thermal expansion coefficients is interposed between the ceramic and the metal to be bonded as a thermal stress suppression layer. be.
前者の層を形成する場合には1例えばメタライズ層の上
に熱膨張係数が窒化ケイ素に近い材料を用いて例えば蒸
着法により薄層を形成し、順次熱膨張係数が接合すべき
金属に近づくように材料を変えて、熱膨張係数が変化す
る多層構造の層を形成する方法が採用される。In the case of forming the former layer, 1. For example, a thin layer is formed on the metallized layer using a material whose thermal expansion coefficient is close to that of silicon nitride, for example, by a vapor deposition method, and then the thermal expansion coefficient approaches that of the metal to be bonded. A method is adopted in which layers of a multilayer structure with varying coefficients of thermal expansion are formed by changing materials.
また、後者の場合としては、熱膨張係数の低い金属や、
非金属と金属とからなる複合材料、例えばサーメットな
どを介在せしめる方法があげられる。In the latter case, metals with a low coefficient of thermal expansion,
One example is a method in which a composite material consisting of a nonmetal and a metal, such as cermet, is used.
上記したような熱応力抑制層が窒化ケイ素セラミックス
と接合すべき金属との間に介在していると、接合処理が
終了したのち、接合部が接合温度から冷却する過程で生
ずやセラミックスと接合金属との熱膨張差に基づく残留
応力を小さくすることができ、接合部における亀裂等の
発生を防止することができる。If the above-mentioned thermal stress suppression layer is interposed between the silicon nitride ceramic and the metal to be bonded, after the bonding process is completed, the bonding part will be bonded to the ceramics during the process of cooling from the bonding temperature. Residual stress due to the difference in thermal expansion with metal can be reduced, and cracks and the like can be prevented from occurring at the joint.
[発明の実施例]
実施例
窒化ケイ素セラミックス平板(25smX 25+s■
)の表面に、325メツシユ (タイラー篩)下のNi
粉末をエチルアルコールを媒体として30ルの厚さで斑
点模様に塗布し、この平板を真空炉中に設置した。[Embodiments of the invention] Example silicon nitride ceramic flat plate (25sm×25+s■
) on the surface of the Ni under 325 mesh (Tyler sieve)
The powder was applied in a spotted pattern to a thickness of 30 l using ethyl alcohol as a medium and the plate was placed in a vacuum oven.
真空炉内をI X 104Tarrに設定した後、90
0’O/hrの昇温速度でセラミックス平板、全体を1
250℃まで加熱し、この温度で10分間保持した。After setting the inside of the vacuum furnace to I x 104 Tarr, 90
Ceramic flat plate as a whole at a heating rate of 0'O/hr.
It was heated to 250°C and held at this temperature for 10 minutes.
冷却後、該セラミックス平板の表面を観察したところ1
斑点模様のメタライズ層が形成されていた。After cooling, the surface of the ceramic plate was observed.1
A metallized layer with a spotted pattern was formed.
該メタライズ層をX線回折分析したところ、メタライズ
層はNi(α)とNi3S2の混晶になっていることが
確認された。When the metallized layer was analyzed by X-ray diffraction, it was confirmed that the metallized layer was a mixed crystal of Ni(α) and Ni3S2.
これは次の反応によって生じたものと考えられる。This is thought to be caused by the following reaction.
Si3N4 → 3Si+2N2
Si+旧→Ni(α) + Ni5Si2反応生成物(
Ni(α) + N15Si2)の融点は1152℃で
加熱保持温度(1250℃)より低いため、この反応生
成物は窒化ケイ素セラミックス表面で液状となり、該表
面をぬらしているものと考えられる。Si3N4 → 3Si+2N2 Si+old → Ni(α) + Ni5Si2 reaction product (
Since the melting point of Ni(α) + N15Si2) is 1152° C., which is lower than the heating holding temperature (1250° C.), it is thought that this reaction product becomes liquid on the surface of the silicon nitride ceramic and wets the surface.
次に、該メタライズ層の上にXi金合金あるインコネ′
ルア38 (25m+wX 25m厘)の板を載せて
、全体をホットプレス中に装填した。雰囲気をアルゴン
ガスとし、1200℃まで加熱したのち、200kg/
dの圧力を加え、その状態で30分間保持した。Next, on the metallized layer there is a Xi gold alloy
A board of Lua 38 (25 m + w x 25 m) was placed on top and the whole was loaded into a hot press. After heating to 1200℃ with argon gas atmosphere, 200kg/
A pressure of d was applied and held in that state for 30 minutes.
冷却後、窒化ケイ素セラミックスとインコネルフコ8合
金との接合部の断面を分析器つき走査型電子顕微鏡で詳
細に調べたところ、窒化ケイ素セラミックスとメタライ
ズ層との界面では反応層の存在が認められ両者間では化
学的な接合が確認された。また、インコネルフコ8合金
とメタライズ層との界面では両者の境界が不明確であり
両者の各原子が相互によく拡散していることが確認され
た。After cooling, the cross section of the joint between the silicon nitride ceramic and the Inconel Fuco 8 alloy was examined in detail using a scanning electron microscope equipped with an analyzer, and the presence of a reaction layer was observed at the interface between the silicon nitride ceramic and the metallized layer. A chemical bond was confirmed between them. Furthermore, it was confirmed that at the interface between the Inconel Fuco 8 alloy and the metallized layer, the boundary between the two was unclear and the atoms of both were well diffused into each other.
なお、窒化ケイ素セラミックスとインコネルフコ8合金
との接合は1斑点状のメタライズ層を介してのみ行なわ
れており全面での接合ではなか1だので、該接合部に大
きな熱変化を与えたにもかかわらずクラック等の組織欠
陥は認められず良好な接合状態が保持されていた。Note that the bonding between silicon nitride ceramics and Inconel Fuco 8 alloy is achieved only through one dotted metallized layer, and it is difficult to bond the entire surface, so even if a large thermal change is caused to the bonded area, However, no structural defects such as cracks were observed, and a good bonding state was maintained.
窒化ケイ素セラミックスとインコネルフコ8合金との接
合強度は、850℃で150kg/−以上であり実用上
は十分な強度であった。The bonding strength between the silicon nitride ceramic and the Inconel Fuco 8 alloy was 150 kg/- or more at 850°C, which was sufficient for practical use.
[発明の効果] 以上の説明で明らかなように、本発明方法は。[Effect of the invention] As is clear from the above description, the method of the present invention.
窒化ケイ素セラミックスと金属とを高温においても高い
接合強度が得られるように接合することができる。また
、熱応力抑制層を窒化ケイ素セラミックスと接合すべき
金属との間に設けた場合には、接合面積の大小にかかわ
らず、熱応力の発生を抑制することができ、大型の窒化
ケイ素セラミックス材とであっても目的に応じた金属を
接合することができるのでその工業的価値は大である。Silicon nitride ceramics and metal can be bonded with high bonding strength even at high temperatures. In addition, if a thermal stress suppression layer is provided between silicon nitride ceramics and the metal to be bonded, it is possible to suppress the occurrence of thermal stress regardless of the size of the bonding area. However, it has great industrial value because metals can be joined depending on the purpose.
Claims (1)
富む金属又は合金を配し、該セラミックと該金属もしく
は合金の全体を真空下で加熱し、窒化ケイ素セラミック
ス表面を窒素とケイ素とに解離せしめかつ解離により生
じたケイ素と該金属又は合金との反応生成物を形成する
ことにより、該窒化ケイ素セラミックス表面上にメタラ
イズ層を形成する工程と、 該メタライズ層上に接合すべき金属を配し、全体を加圧
しながら、加熱する工程、 とからなることを特徴とする窒化ケイ素セラミックスと
金属の接合方法。 2、該メタライズ層が該セラミックスの表面に部分的に
形成されている特許請求の範囲第1項記載の方法。 3、該メタライズ層と該接合すべき金属との間に、該メ
タライズ層から該接合すべき金属の方向に沿って、該窒
化ケイ素セラミックスの熱膨張係数に近似した熱膨張係
数から該接合すべき金属の熱膨張係数に近似した熱膨張
係数へと変化する材料の層が介在されている特許請求の
範囲第1項記載の方法。 4、該メタライズ層と該接合すべき金属との間に、全体
として熱膨張係数が該窒化ケイ素セラミックスと該接合
すべき金属との中間に位置する複合材料もしくは金属を
介在させる特許請求の範囲第1項記載の方法。[Claims] 1. A metal or alloy that is highly reactive with silicon is placed on the surface of silicon nitride ceramics, and the entire ceramic and metal or alloy are heated under vacuum, and the surface of the silicon nitride ceramics is heated with nitrogen. a step of forming a metallized layer on the surface of the silicon nitride ceramic by dissociating it with silicon and forming a reaction product between silicon and the metal or alloy produced by the dissociation; and a step of forming a metallized layer on the surface of the silicon nitride ceramic; A method for joining silicon nitride ceramics and metal, characterized by the following steps: placing metal and heating the entire body while applying pressure. 2. The method according to claim 1, wherein the metallized layer is partially formed on the surface of the ceramic. 3. Between the metallized layer and the metal to be bonded, from the metallized layer to the metal to be bonded, the thermal expansion coefficient approximates the thermal expansion coefficient of the silicon nitride ceramic. 2. The method of claim 1, wherein there is interposed a layer of material whose coefficient of thermal expansion approximates that of the metal. 4. A composite material or a metal whose thermal expansion coefficient as a whole is intermediate between the silicon nitride ceramic and the metal to be bonded is interposed between the metallized layer and the metal to be bonded. The method described in Section 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60020070A JPH0662342B2 (en) | 1985-02-06 | 1985-02-06 | Method for joining silicon nitride ceramics and metal |
Applications Claiming Priority (1)
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JP60020070A JPH0662342B2 (en) | 1985-02-06 | 1985-02-06 | Method for joining silicon nitride ceramics and metal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61183178A true JPS61183178A (en) | 1986-08-15 |
JPH0662342B2 JPH0662342B2 (en) | 1994-08-17 |
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ID=12016833
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JP60020070A Expired - Lifetime JPH0662342B2 (en) | 1985-02-06 | 1985-02-06 | Method for joining silicon nitride ceramics and metal |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH0662342B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS6360170A (en) * | 1986-08-29 | 1988-03-16 | 株式会社東芝 | Ceramic-metal joined body |
JPH0891970A (en) * | 1994-09-16 | 1996-04-09 | Nippon Steel Corp | Method for forming copper alloy layer on surface of ceramic |
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Citations (1)
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JPS6090878A (en) * | 1983-10-26 | 1985-05-22 | 三菱重工業株式会社 | Ceramic and matal bonding method |
-
1985
- 1985-02-06 JP JP60020070A patent/JPH0662342B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH0662342B2 (en) | 1994-08-17 |
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