JPS61287732A - 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？で、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する。

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、本
発明者は先に中間層を使って部材を接合する際に、中間
層として周囲を金属の連続体の層でくるんだ構造のもの
を用いると、接合時の破壊を防止できることを見出だし
、これはすでに出願中であるが、このとき更に、接合部
材の一方が金属の場合、この金属の連続体の層の一部あ
るいは全てをこの金属側の接合部材の接合部の金属部分
で構成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、中間層は金属の連続体によってく
るまれて、前後、左右、上下の面を拘束されているため
に、金属側が中間層に作用する収縮力は、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、
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。

本発明の中間層の構造は、セラミ・ツク、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、隣の層と同じ材
料、あるいは同質の線膨張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。

中間層の材質は、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等ノサーメット。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ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、この部分は全面が金属部材側
の接合部の金属部分であってもよいし、また底面あるい
は側面をこの金属部分にして、他の部分は他の金属材料
を使うこともできる。

いずれにしても、これは適宜変えることが出来るが、こ
れらは互いに連続していることが必要である。

〈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〜ホは本発明の代表的な形態を示したものであ
る。

（１）、（２）が接合部材で、（１）が金属側の部材で
あり、（２）がセラミックあるいは金属からなる部材で
ある。

（３）が中間層であり、周囲は連続した金属の層ａ−ｂ
−ｃ−ｄ−ａによって、くるまれており、イ〜ホの図は
この中間層をくるむ時のいくつかの方策を示したもので
ある。

（イ）の場合は、中間層（３）の側面、底面ををくるむ
金属の層は、金属側の接合部の金属部分ａ−ｄ−ｃ−ｂ
から構成され、中間層（３）ともう一方の部材（２）の
接合は、別の金属の層ａ−すによってなされ、このａ−
ｂはａ−ｄ、ｂ−ｃと接合されている場合のものである
。

（ロ）の場合は、中間層の底面ａ−ｄが金属側の接合部
と接し、ａ−ｂ−ｃ−ｄは別の金属の層からなるばあい
ばあいである。

（ハ）の場合は、中間層をくるんだ金属の層が全て金属
側の接合部の金属部分からなる場合であり、これは例え
ば、中間層を（１）の金属で鋳包んだ場合に得られる。

（ニ）の場合は、中間層の底面が（１）の接合面ａ−ｄ
と接し、側面と上面は他の金属の層ａ　−ｂ−ｃ−、ｄ
を被覆され、ａ−ｂ、ｃ−、ｄとａ−ｄが接合されてい
る場合のものである。

（ホ）の場合は、部材（１）、（２）に予め別の中間層
（４）、（５）が接合された時のもので、（４）の中間
層が金属からなるときのものである。本発明め接合部材
はこのように別の中間層を予め接合されたものも対象と
する。

以上イ〜ホが代表的なものであるが、本発明がこれのみ
に限定されるものでないことは、言うまでもないことで
ある。

尚本発明で、（３）の中間層と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。

単に当接された状態のものでも構わないが、接合部の強
度が問題になる場合、接合面積をできるだけ広くするこ
とが必要になる。

また、本図では、説明を簡単にするために、（３）の中
間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４０×長さ５０Ｍの８４５Ｃ鋼材の丸棒 セラミック部材；直径２０Ｘ長さ５ＮＲの炭化ケイ素の
円板 中間層；直径２０×長さ１０ＩＲＩＩＩの炭化ケイ素板
セラミック部材の接合面、および中間層のセラミック部
材と接合する表面をＳ　１−５０ＦｅＮｂ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中間層をはめこむための溝（直径２
ｏＩＲＩＲ×深さ９　ｍ　＞を設け、この中に中間層を
圧入し、メタライズされてない底面を金属部材の溝の底
に当接させる。次に、中間層の上面に１００Ｐの鋼のシ
ートを載せ、更にこの上にセラミック部材のメタライズ
面を重ねて載せる。これを減圧下で１２００℃に数秒加
熱した。

中間層は、側面のメタライズした面が金属部材と、上面
がセラミック部材と完全に接合されており、亀裂や剥離
は認められなかった。

本例では、溶融鋼の層がａ−ｂ−ｃ−ｄの層の役割をし
ており、ａ−ｄが当接面である。

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効があ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（ニ）の形態。

セラミック部材：　２０＄Ｘ１０ｍの窒化ケイ素接合面
をＳ　１−５０ＦｅＮｂでメタライズ金属部材：５０φ
×５０Ｍの普通鋼 中間層＝２０≠Ｘ　１０ｍの窒化ケイ素セラミック部材
と接合する上面、および側面を５ｉ−５０ＦｅＮｂ合金
でメタライズする。

中間層のメタライズされてない底面を金属部材に当接さ
せると共に、上面に１００％の鋼のシートをのせ、更に
、これにセラミック部材の接合面を重ねて載せ、１２０
０℃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、溶融錫の層がａ−ｂ−ｃ−ｄの役割をして
おり、ａ−ｄが当接面である。

実施例３（超硬合金と鋼の接合） 接合形態は（ハ）の形態。

接合部材；５０ψ×３０＃の超硬合金 中間層は５０≠×３０＃の超硬合金を使用。

金属部材として、８０φＸ１００ｍ＋の鋳鉄を使用。

中間層は鋳包みによって金属部材に埋没される溶融鋳鉄
の中に中間層を浸せきして、そのまま固めること、によ
って、中間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１０００℃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。

本例の場合、ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａの鋳鉄の層が金属の連
続体の層となっている。

以上、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なり、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
組合せにも適用出来る。

相手材側の材料としては、上例のセラミックの他、他の
窒化物、炭化物、酸化物、ホー化物、あるいは炭素材料
、サーメットあるいは金属材料等々に至るまで、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。

中間層の材料も金属、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〜ホは、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
）・・・中間層 ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ａ・・・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 中１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一方が金属材料から成る二つの部材が中間層を介して接
   合された接合体であつて、該中間層は周囲を金属の連続
   体の層でくるまれた形で該部材の間に挟まれると共に、
   該連続体の層の一部あるいは全部が該金属部材の接合部
   の金属部分で構成されてなることを特徴とする部材の接
   合体。