JPS61279547A - 二部材の接合体 - 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、金属あるいはセラミックなら成る部材の接合
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
も難しいことは、両者の線膨張係数の違いの問題をいか
に解消するかである。

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ザる。

特にセラミック材料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。

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、銅の
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
、部材の接合境界部の応力を軽減することができる新規
な接合体を提供せ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、 一方の部材が金属材料から成る二部材の接合体の、金属
材料側の接合面に、もう一方の部材と対面して、次の構
造の層つまり、金属あるいはセラミック（あるいはこれ
らの複合材料の）単層あるいは積層された構造であって
、すくなくとも、もう一方の部材に対面する部分の材料
が、該部材と同じ材料、あるいは熱膨張特性が同質ある
いは近徴した材料の層をうめこむと共に、該うめこんだ
層の表面が連続した金属の層にくるまれて被覆された構
造にして接合したものは、接合過程の熱応力が著しく軽
減でき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板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、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、接合部材の金属材料側の接合面に
、もう一方の部材と対面して、上記した構造の層がうめ
こまれているために、うめこんだ方の金属部材の収縮は
、この層によって拘束あるいは阻止され、収縮が抑制さ
れると共に、相手材との線膨張係数の差にもとずく片側
への曲げ力も、このうめこんだ層の表面の金属の連続体
の層の圧縮、拘束力によって、キャンセルされ、応力は
解消あるいは軽減される。

本発明の埋没された層の構造は、セラミック、金属ある
いはセラミック、金属の複合材料の単層、あるいはこれ
らの積層体あるいは複合体からなるが、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も
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、隣の層と商
じ材料、あるいは同質の線膨脹特性をもつ材料が好まし
い。この組合せにすると、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、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。

埋没された層の外側の、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
さは極力薄くすることが好ましい。

埋没する層の材料は、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、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。

Ｔｉ、　Ｚｒ、　Ｎｂ、　ＴＢおよび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、
多層構造にしたりして）が、連続体である必要がある。

うめこむ側の金属とうめこまれる層が直接接合できるも
のであれば、うめこむ側の金属がこの連続体の層の一部
を構成する様にしてもよい。あるいは、この埋めこんだ
層ともう一方の部材の接合に金属の中間体を使い、この
中間体の層をこの連続体の一部にすることもできる。

〈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〜ハは本発明の代表的な形態を示したものであ
る。

（１）、（２）が接合部材、（１）が金属材料から成り
、（２）がセラミックあるいは金属からなる部材である
。

（３）が本発明の特徴とする埋没層であり、（１）の金
属材料側の部材にうめこまれている。

（３）の埋没層の周囲は連続した金属の層（４）によっ
て、くるまれており、イ〜ハの図はこの埋没層をくるむ
時のいくつかの方策を示したものである。

（イ）は（１）の部材に（３）が直接埋め込まれたもの
であり、この時の金属の連続体の層は、（３）の埋没層
の周りの（１）の部材そのものである。これは例えば、
（３）を（１）の金属で鋳包んだ場合に得らｈる。

（ロ）は（３）が（１）の部材の溝にはめこまれた後、
別の金属で間を埋められた時のものである。これは例え
ば、（１）の溝に別の金属を溶かしてながしこんで充填
する場合に得られる。

（ハ）は（１）と（３）の間を別の金属でうめ、更に（
１）と（２）は別の金属の中間層で接合した時のもので
あり、（１）と（３）の間隙を埋めた金属と（１）と（
２）の間に挟まれた金属はそれぞれ異なるものであるが
、共に連続してつながっている。

以上イ〜ハが代表的なものであるが、本発明がこれのみ
に限定されないことは、言うまでもないことである。例
えば、これらが適宜折衷されて用いられる。

尚本発明で、（３）の埋没層と（４）の金属の連続体の
層は必ずしも接合されている必要はないが、接合部の強
度が問題になる場合、互いに接合されていることが必要
になる。

金属の連続体の層と（１）の部材の関係も同様である。

また、本図では、説明を簡単にするために、（３）の埋
没層は全て単層として示したが、これも適宜積層体、あ
るいは複合体にすることも出来る。

実施例１（炭化ケイ素と鋼の接合） 接合形態は第１図（ロ）の形態 金属部材；直径２０Ｘ長さ５０ｍＵ）Ｓ　４５　Ｃ１４
材 セラミック部材；直径２０Ｘ長さ５１ＩＩＲの炭化ケイ
素 埋没層；直径１６×長さ１０＃ｌの炭化ケイ素セラミッ
ク部材の接合面および埋没層の表面を５ｉ−５０ＦｅＮ
ｂ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。

金属部材の接合面に埋没層を埋め込むための溝（多少余
裕を持たせて）を設け、この中に鋼の粉末と一緒に埋没
層を埋め込む。

次にこの金属部材の接合面に５０声の銅のシートを載せ
、更にセラミック部材のメタライズ面をこの上に合せて
のせる。

これを減圧下で１２００℃に数秒加熱した。

セラミック部材は金属部材と全面で接合されており、亀
裂や剥離は認められなかった。

本例では、溶融鋼の層が金属の連続体の層の役割をして
いる。

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鋼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体） 接合形態は（ロ）の形態。

セラミック部材；２０φ×１０Ｍ１１１の窒化ケイ素接
合面をＳ　１−５０ＦｅＮｂでメタライズ金属部材；２
０φ×５０１ＩＩＲの普通鋼埋没層；１６φＸ　１５＃
ＭＩ＋の窒化ケイ素全面メタライズなし。

金属部材にもうけた溝の中に、Ｓ　ｉ　−５０ＦｅＮｂ
の粉末と一緒に窒化ケイ素の埋没層をうめこむ。

これを減圧下で、１４００℃に加熱した。

埋没層は溶融したＳ　１−５０ＦｅＮｂ合金によって全
面を濡らされ、全面くるまれて接合されていた。

次に埋没層をくるんで接合した金属部材の接合面に５０
μの銅のシートを載せ、更にこの上にセラミック部材の
接合面をあわせて載せ、１２００℃に数秒加熱して両者
を接合した。

接合部に欠陥は認められなかった。

本例の場合、５ｉ−５０ＦｅＮｂの層および鋼の層が金
属の連続体の層の役割をする。

実施例３（炭化ケイ素と鋼の接合） 埋没層の材料をＭＯに変え、他の条件は実施例１と同じ
。

本例の場合も問題なく接合することが出来た。

実施例４（超硬合金と鋼の接合） 接合形態は（イ）の形態。

接合部材：５０φ×３０Ｍの超硬合金 埋没層は４０φＸ３０ａｗの超硬合金を使用。

金属部材として５ｏφＸ１００ｍ＋の鋳鉄を使用金属部
材への埋没層の埋め込みは鋳包みによって形成する。

溶融鋳鉄の中に埋没層を浸せきして、そのまま固めるこ
とによって、埋没層を包み込んだ金属側の部材を作成し
た。

金属部材と超硬合金の接合面にアモルファスのロー付は
用の箔を挟み、減圧下で１ｏｏｏ℃に加熱して両者を接
合した。

接合部には何等欠陥が認められなかった。

以」二、上記実施例は、金属部材として鋼を、相手材と
して炭化ケイ素、窒化ケイ素セラミックおよび超硬合金
の場合について示したが、これは接合部材の線膨張係数
の差が著しく大きく、接合時の応力が著しく苛酷になる
組合わせについて例示したものであり、本発明は上例の
みに限定されるものではなく、これ以外のいかなる組合
わせにも適用出来ることは言うま、でもないことである
。

相手材のセラミックとしては、上例のセラミックの他、
他の窒化物、炭化物、酸化物、ボー化物、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。

金属部材の材料も、上例の鋼の他、他の金属材料も使用
できる。

埋没層の材料も金属、セラミックを問わず使用できる。

また金属の連続体の層の形成は、上例の場合だけに限定
されるものではない。

この金属の被覆、接合操作は、上例の様に、溶かして接
合を行なう他に、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。

〈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セ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および金属材料に対して適用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ハは、本発明実施例の代表的な形態を示した
ものである。 （１）・・・接合部材（金属） （２）・・・接合部材（セラミックあるいは金属）（３
）・・・埋没層、（４）・・・金属の連続体の層特許出
願人　有限会社　宮田技研 代表者　宮田征一部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一方の部材が金属材料から成る二部材の接合体の、金属
   部材側の接合面に、もう一方の部材と対面して、次の構
   造から成る層、即ち、 すくなくとも、もう一方の部材に対面する部分の材料が
   、該部材と同じ材料、あるいは線膨脹特性が同質あるい
   は近似した材料からなる層 が埋没された構造であって、かつ該埋没された層は表面
   を連続した金属の層によってくるまれて被覆された構造
   にされてなることを特徴とする二部材の接合体。