JPS61242965A - 窒化ケイ素体と金属体との接合体 - 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、例えば窒化ケイ素質焼結体からなるχ車と金
属製軸体とを接合してなるターボチャージャのような、
窒化ケイ素体と金属体との接合体に関する。

「従来の技術」 窒化ケイ素体、すなわち窒化ケイ素質焼結体は、金属体
に比べて高耐熱性、高耐食性、高硬度性、高温高強度性
、高伝熱性、低比重性などの優れた特性を有し、ターボ
チャージャをはじめとする各種エンジン部材、機械部品
などへの応用が期待されている。

しかし窒化ケイ素体は加工性、靭性５強度的な信頼性な
どの点ではいまだ金属に及ばず、したがって、例えば耐
熱性、高温高強度性を要求される部位のみを窒化ケイ素
体でＪ＃＃ＥＬ、これと金属体とを接合して使用するこ
とが考えられている。

窒化ケイ素体と金属体とをボルドーナツト、ねじ＋ｈめ
、ビン止めなどの機械的手段により結合するのは、セラ
ミックスである窒化ケイ素体の加重が難しく、あるいは
応力集中などにより破損しやすいので好ましくない。

このため、窒化ケイ素体と金属体とをろう材を用いて接
合する試みがいろいろなされてぃる、この場合、金属質
のろう材とセラミックスである窒化ケイ素体とが充分に
ぬれあわないので、窒化ケイ素体の表面をいかに好適な
金属化面とするかが、この分野における主要な技術的課
題となっている。

従来より、アルミナ体と金属体とを、ろう材を用いて高
強度をもって接合する方法はいくつか知られている。現
在多用されているＮｏ−Ｎｎ法は）Ｉｏ−Ｍｎ、Ｎｏ、
Ｗなどの高融点金属でアルミナ体表面を金属化したのち
金属体とろう付けするものであり、活性金属法はＴｉま
たはＺｒ系の活性金属をアルミナ体と金属体との接着剤
とするものであるが、ともに高温還元雰囲気処理を必要
とし、またアルミナ体に代えて窒化ケイ素体に対して適
用しようとしても充分な接合強度が得られない。

特開昭５８−９５８７１および特開昭５８−９５８７２
にはチタン鍛鋼などの被膜を形成した窒化ケイ素体と金
属体とのろう付は接合法が提案されているが、この方法
では特殊な被膜形成用試薬を必要とし、さらには被膜形
成のために高温熱処理を必要とする。同じく窒化ケイ素
体と金属体とのろう付は接合に関し、特開昭５８−９５
８８３にはモリブデン酸系の焼付金属層を、特開昭５８
−１４０３８１には特殊な金属からなる一層の物理蒸着
層を。

それぞれ窒化ケイ素体に形成することが提案されている
が、どちらも高温還元雰囲気処理や真空蒸着処理といっ
た複雑な工程を必要とする。

一方、セラミックスと金属体とを接合するにあたり、セ
ラミックス表面に無電解メッキ層、ついで電解メッキ層
を形成することも知られている。特開昭５９−１０２８
７７には窒化ケイ素体に銅の無電解メッキを施し、つい
でクロムの電解メッキを施すことが紹介されているが、
この方法は庁擦圧接法による接合に適したものであって
、１〜数館層もの厚さのクロム電解メッキ層を必要とし
、電解メッキ所要時間も長く、ろう付は接合には実用的
でない。

また特開昭５９−１８１８４には窒化ケイ素体をイオン
エツチングしたのち、高周波プラズマ中で鉄蒸気をイオ
ン化して鉄屑をイオンブレーティングにより形成するこ
とが提案されているが、かかる表面層を有する窒化ケイ
素体をろう付けするためには、さらにこの玉に金、銀、
銅、ニッケルなどの無電解メッキを行なうことによる金
属被覆層の形成が必要な旨、述べられており。

またこうしたイオンエツチングやイオンブレーティング
にはきわめて特殊な装置を必要とし、かつ、被接合面が
非平面状である窒化ケイ素体に対しては、均一な表面層
厚を得ることはきわめて困難である。

［発明の解決しようとする問題点］ 本発明は、従来技術が有していた前述の欠点を解消しよ
うとするものであり、すなわち、特殊な試薬や装置を必
要とせず、簡便かつ安価な手法によって得られ、高強度
をもって接合された窒化ケイ素体と金属体との接合体を
提供しようとするものである・ ［問題点を解決するための手段］ 本発明は、無電解メッキ層とその上に鉄もしくは鉄合金
の電解メッキ層とを形成されてなる窒化ケイ素体が、ろ
う材を介して金属体と接合されてなることを特徴とする
窒化ケイ素体と金属体との接合体を要旨とするものであ
る。

本発明において、窒化ケイ素体は無電解メッキ層とその
上に鉄もしくは鉄合金の電解メッキ層とが形成されてな
る。こうした無電解メッキ層、電解メッキ層を形成する
ためには１周知の常温で使われるメッキ装置があればよ
く、高温還元雰囲気処理、真空蒸着処理、プラズマ発生
などのための特殊な装置を必要とせず、また特殊な試薬
等も必要としない。

また本発明におて、窒化ケイ素体の被接合面にはノー２
キ法によって金属化層が形成されているので、被接合面
の形状によって金属化層の厚さが不均一・になることも
ほとんどなく、したがって被接合面は４１面状、非平面
状、あるいは両者の混在したもののいずれであってもさ
しつかえない。また本発明の接合体は、ろう材を介して
、すなわち、ろう付は法によって接合されているので、
摩擦圧接法による如き、窒化ケイ素体または金属体が回
転体であることを要しない。このように１本発明の接合
体にあっては窒化ケイ素体、金属体とも任意の形状を採
用しうろことも利点である。

さらに、後述する実施例からもわかるように、ニッケル
その他の電解メッキ層ではろう付は処理にも耐えて高強
度を有する接合体が得られないのに対し、本発明では、
電解メッキ層が鉄もしくは鉄合金で形成されているので
、充分な接合強度をもった接合体が得られる。

本発明において、窒化ケイ素体としては、高密度高強度
の窒化ケイ素質焼結体が好ましく採用され、ベリリア、
マグネシア、アルミナ、イツトリア、ランタニア、セリ
ア、ドリア、チタニア、ジルコニア、ハフニア、ムライ
ト、スピネルなどの各種酸化物、あるいはｍＡ属、■Ａ
属、ＩＶＡ属、ＶＡ属、ＶＩＡ属元素などの単体。

炭化物、窒化物を焼結助剤９粒成艮調節剤などとして含
有していてもよく、含有していなくてもよい。

窒化ケイ素体は常圧焼結法、金型を用いない加圧ガスド
での焼結法、熱間等方圧加圧焼結（ＨＩＰ）法などによ
って得られるものが、ターボチャージャ川などの複雑形
状体が形成でき、かつ高密度高強度でもあって好適であ
る。しかし、単純形状の窒化ケイ素体であってもよい場
合には金型を用いて焼結するホットプレス法によってず
！）られたものも採用でき２形状２寸法精度１強度など
の要請によっては反応焼結法によって（；ｌられたもの
でもよい。

また末完Ｉ１１でいう窒化ケイ素体にはいわゆるサイア
ロン質焼結体も包含される。

無電解メッキ層を形成される窒化ケイ票体の表面粗度は
必すしも限定されるものでかないが、山頂の平均間隔が
０．５〜５．０ル■の表面粗度であることが好ましい、
山頂の平均間隔が０゜５牌−より小さいと、アンカリン
グ効果が小さいためにメッキ層と窒化ケイ素体との密着
力が低下する傾向を示し、５．０７ｉ鵬より大きいと。

無電解メッキ工程時に無電解メッキ液が四部に残留し、
ろう付は時の加熱により、残留液が気化し、メッキ層が
窒化ケイ素体からａｌｌｌし、ふくらむ傾向を示す、な
お、かかる表面粗度は、例えばスエーデン規格５Ｍ５Ｅ
ｉ？１−１９７５　、同６７３−１９７５、ソ連規格Ｇ
ＯＳＴ２？８９−７３−１９７４などに規定される方法
によって測定できる。

窒化ケイ素体の表面粗度をこのような０．５〜５、Ｏｐ
−ｔａとするためには、フッ化物系気体、フッ素イオン
含有溶液などを用いる化学的エツチング、あるいは適宜
の粒径の砥粒を用いるサンドブラストなどの物理的粗面
化なども採用しうるが、〜・つの好ましいＬ段は焼成肌
を利用するものである。

すなわち、未焼成の窒化ケイ素質成形体を例えば１６０
０〜１９００℃で焼成して得られる窒化ケイ素体はその
ままで０．５〜５．０ｐ−の表面粗度を備えていること
を見出したことに基〈ものである。さらに、焼成肌がか
る表面粗度を備えている点は未焼成の窒化ケイ素ｖＩｒ
＆形体を焼成してイ！ｌられる窒化ケイ素体に限られず
、すでに焼成すなわち焼結された窒化ケイ素体の表面を
研削加１：または研磨加工した後に、再び１８００〜１
９００℃で焼成してイラＩられる窒化ケイ素体にあって
も同様であることをも見出した。

したがって未焼結成形体を焼結して得られる焼成肌を利
用する場合には、化学的エツチング、物理的粗面化など
の工程を省略できるとともに焼結と粗面化とを単一　１
程で同時になしうる利点がある。一方、未焼結体の焼結
にあたって焼結収縮が大きい、または焼結収縮が不均一
であるなどの場合には既焼結体の所要部位を研削加工、
研磨加工などして所望の寸法精度の焼結体とし、ついで
これを前述の如く再焼成することにより、窒化ケイ素体
の表面粗度を好適なものにできるとともに、窒化ケイ素
体のより一層の高密度高強度化もあわせて達成できる。

本発明において、窒化ケイ素体、好ましくは０．５〜５
．０　ＪＬｔｒｒの表面粗度を備える窒化ケイ素体の被
接合面には無電解メッキ層が形成されてなる。窒化ケイ
素体はろう材などに対するぬれ性が悪く、したがってそ
の表面に基体と強固に結合した金属化層を形成すること
が必要となる。こうした金属化層を物理蒸着法などによ
って形成することも考えられるが、かかる方法では一般
に均一性において充分でない。したがって電解メッキに
よって金属化層を形成するのが簡便かつ確実であるが、
窒化ケイ素体は電気伝導性がなく、このままでは電解メ
ッキを均一に施しがたい。そのために、窒化ケイ素体に
はまず無電解メッキ層を形成する。

無電解メッキ層の材質の選択にあたっては、窒化ケイ素
体に電解メッキを施すのに充分な電気伝導性を付与する
とともに、得られる接合体の接合部位が使用時に曝され
る温度域において溶融したり軟化したりすることのない
材質であることが考慮される。

一般にかかる接合体は窒化ケイ素体の耐熱性、高温高強
度性を利用して高温下で使用されることが多い。例えば
、窒化ケイ素体からなる％ａ　’ｌ’と金属製シャフト
を接合してなるターボチャージャにあっては、接合部を
タービン側軸受部に設定すると、接合部の温度は３００
℃に達する。したがってかかる川・途に対しては無電解
メッキ層の材質としては、融点が３００℃以下であるス
ズは不適当である。同様に亜鉛もその融点が４００℃程
度と低く、好適ではない、接合体の！Ｓｌ製の容易さ、
得られる接合強度などを勘案すると、無電解メッキ層は
コバルト、ニッケル。

銅および銀から選ばれる一種または二種以北を含有する
金属、特にはコバルトからなり、またはコンールトを主
成分とする金属からなることが望ましい。なお、Ｓ電解
メッキ層を形成するにさきだって、窒化ケイ素体を塩化
第一スズ溶液などで鋭敏化処理し、あるいはさらに塩化
パラジウム溶液などで活性化処理するとよいことはいう
までもない。

本発明の接合体にあっては、窒化ケイ素体には直接に重
連のような無電解メッキ層が形成されている。そしてこ
の無電解メッキ層の上には直接に鉄もしくは鉄合金から
なる電解メッキ層が形成されているのが望ましいが、必
要に応じて無電解メッキ層のしに鋏もしくは鉄合金以外
の材質からなる電解メッキ層が形成され、その上に鉄も
しくは鉄合金からなる電解メッキ層が形成されていても
よい。

金属化層の厚みを被接合面全域にわたってほぼ均一とし
、かつ逗みを所望の値とすることは接合体の接合強度を
高めるために重要な要件であり、これを複雑形状の窒化
ケイ素体にあっても筒便に実現できる点で、電解メッキ
層の採用が有利である。

ところで電解メッキ層の厚みが薄すぎると、接合時にろ
う材によって侵食されて金属化層としての機能を果しが
たくなる。したがって電解メッキ層の厚みはｌＱｐｍよ
り厚くされるのが好ましいのであるが、その場合には電
解メッキ層と窒化ケイ素体との熱膨張差が無視できなく
なる。しかして銀ろうなどのろう材によって侵食されに
くく、かつ、接合体の使用時に溶融、軟化しにくい高融
点の材質としてニッケル、コバルト、クロムなども考え
られるが、ニッケル。

コバルトにあっては硬くて熱膨張差を吸収しに〈〈、窒
化ケイ素体を加熱すると、電解メッキ層が割れたり、２
１１ｇ１したりしやすい。クロムにあっては、銀ろうな
どに対するぬれ性が悪い。

種々検討の結果、電解メッキ層の材質としては鉄または
鉄合金が、適度に柔らかくて熱膨張差を吸収することが
でき、かつ、ろう材にもさほど侵食されず、かつ、ろう
材に対するぬれ性も良く、結果として充分な接合強度が
得られて好ましいことを見出した。鉄合金としては少な
くとも５０重量％の鉄分を含有するもの、なかでも鉄−
ニッケル系のものが望ましく、例えば鉄−３６％ニッケ
ル合金、鉄−４２％ニッケル合金が挙げられる。

本発明の接合体において、ろう材としては公知のろう材
が採用でき、純銅ろう、黄銅ろう。

銀パラジウムろう、銀ろうが、特には純銅ろうが高融点
であって好ましく採用される。

また金属体の材質としては窒化ケイ素体の熱度＆係数と
近い熟膨眼係数を有するとともに、加工性にも比較的す
ぐれるコバール、インコロイなどが好ましいが、接合体
の使用温度条件や環境の腐食性条件に応じて、超硬合金
、不銹鋼、一般鋼なども採用できる。

本発明の接合体は、自動車用ターボチャージャなどの高
速回転体として好ましく適用できるものであるが、さら
にタペット、弁に代表されるエンジン動弁機構部品など
の高速非回転連動体としても、あるいは熱交換器などの
静止体としても適宜適用可能である。

本発明を、実施例等により、さらに詳細に説明する。

Ｅ実施例１］ 縮径された頭頚部を有する円柱状の窒化ケイ素質常圧焼
結体に対して１寸法精度を出すために精密加工を施した
のち、この焼結体を１７００℃で１時間、再度焼成した
。

再焼成で得られた第１図に示す形状の窒化ケイ素体１の
表面粗度は、山頂の平均間隔が０．５〜５．０　ＪＬ膳
の範囲にあった。

この′窒化ケイ素体を塩化第一スズ溶液に浸漬して鋭敏
化処理し、４化パラジウム溶液に浸漬して活性化処理し
たのち、塩化コバルトを主成分とするコバルト無電解メ
ッキ液に浸漬して、窒化ケイ素体の表面に厚み１．５　
ｐ、、ｍのコバルト無電解メッキ層を形成した。ついで
このコバルト無電解メッキ層のＬに厚み２０路層の純鉄
の電解メッキ層を形成した。

第２図に示すように、内周が第１図の窒化ケイ素体の頭
頚部に係合し、外周にフランジ部を有するスリーブ状の
金属体２をインコロイ９０３合金により製作し、前記メ
ッキ層を形成された窒化ケイ素体の頭頚部と金属体とを
純銅ろうを用いてろう付けした。なお、インコロイ９０
３合金のろうに対するぬれ性が充分でないので、この金
属体の表面には、あらかじめ厚み１０ｐ腸のニッケルメ
ッキ層を形成させた後、ろう付けに供した。

こうして得られた窒化ケイ素体ｌとインコロイ９０３合
金製の金属体２の接合体は第３図に示す接合強度試験装
置によってその接合強度を評価された。ｉ３図かられか
るように、ヒータ５により５００℃に加熱された雰囲気
中で金属体２のフランジ部は金属体支持用治具４に支持
され、荷重印加用治Ａ３により、窒化ケイ素体１の頭部
に２．０ｔｏｎの荷重が印加されたが、窒化ケイ素体ｌ
は抜けなかった。

［実施例２］ 厚み１．５島層のコバルト無電解メッキ層に代えて、厚
み０．５−朧のコバルト無電解メッキ層とそのＬにさら
に厚み１μ朧のコバルト電解メッキ層とを形成した他は
実施例１と同様にして、最外層に厚み２０ＩＬｔｘの純
鉄電解メジ＋層を有する窒化ケイ素体を調製した。この
方法によればコバルト無電解メッキ時間が実施例１に比
べて１／３になり、全体の工程に要する時間も大幅に短
縮された。

こうして得られたメッキ層を有する窒化ケイ素体を実施
例１と同様にインコロイ９０３合金製の金属体と接合し
、同時に５００℃で接合強度を評価したところ、　２．
０ｔｏｎの荷重に対して窒化ケイ素体は抜けなかった。

［実施例３１ 精密加工を施したのちの１７００℃での再焼成を行なわ
なかった他は実施例１と同様にして接合体を７４）た。

この接合体の実施例１と同様の接合強度試験において、
荷重を増加して１．５ｔｏｎとしたとき、窒化ケイ素体
はスリーブ状の金属体から抜けた。なお、精密加工後の
窒化ケイ素体の表面粗度は約０．Ｉ　ＩＬ■であった・
［比較例］ 厚み２０ｐｍの純鉄電解メッキ層に代えて厚み２０μ層
のニッケル電解メッキ層を形成した他は実施例１と同様
にして接合体を得た。この接合体の実施例１と同様の接
合強度試験において、荷重を増加して０．８ｔｏｎとし
たとき、窒化ケイ素体はスリーブ状の金属体から抜けた
。

試験後の試料を切断して接合面を観察したところ、メッ
キ層には多数のひび割れが発生し。

ひび割れの部分にはろうが入らずに空洞が生じており、
そのために接合強度が低かったことがわかった。メッキ
層は硬くて柔軟性に乏しく、加熱時に生じる窒化ケイ素
体との熱膨張差を吸収できなかったためと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は試験に供した窒化ケイ素体の形状を示す断面図
である。第２図は試験に供した金属体の形状を示す断面
図である。第３図は接合体の接合強度試験装置を示す説
明図である。 ｌ：窒化ケイ素体 ２二金属体 ３：荷重印加用治具 ４：金属体支持用治具 ５：ヒータ 不１図　　　　第２図 第３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無電解メッキ層とその上に鉄もしくは鉄合金の電解
   メッキ層とを形成されてなる窒化ケイ素体が、ろう材を
   介して金属体と接合されてなることを特徴とする窒化ケ
   イ素体と金属体との接合体。 ２、前記無電解メッキ層は、コバルト、ニッケル、銅お
   よび銀から選ばれる一種または二種以上を含有する金属
   の無電解メッキ層である特許請求の範囲第１項の接合体
   。