JPS6197175A - 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 - Google Patents
非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法Info
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- JPS6197175A JPS6197175A JP21916284A JP21916284A JPS6197175A JP S6197175 A JPS6197175 A JP S6197175A JP 21916284 A JP21916284 A JP 21916284A JP 21916284 A JP21916284 A JP 21916284A JP S6197175 A JPS6197175 A JP S6197175A
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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。
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〉
この発明は窒化珪素などの非酸化物セラミックスと金属
の接合体並びにその接合法に関するものである。
の接合体並びにその接合法に関するものである。
〈従来の技術〉
窒化珪素、炭化珪素などの非酸化物セラミックスは、金
属に比べて高温強度、耐摩耗性、耐食性などの面ですぐ
れた特性を有しているため、この特性を生かした用途の
開発が進められている。
属に比べて高温強度、耐摩耗性、耐食性などの面ですぐ
れた特性を有しているため、この特性を生かした用途の
開発が進められている。
窒化珪素セラミックスや炭化珪素セラミックスを自動車
用エンジンならびにそのターボチャージ。
用エンジンならびにそのターボチャージ。
ヤーなどに使用しようとするのはその一例であるが、こ
のようにセラミックスを構造材料として使用する際には
、金属部材との接合が必要となる場合が多い。
のようにセラミックスを構造材料として使用する際には
、金属部材との接合が必要となる場合が多い。
〈発明が解決しようとする問題点〉
しかしながら、窒化珪素や炭化珪素などの非酸、化物セ
ラミックスは、金属との反応性が低く、安定という性質
を有しており、金属どの接合が難しい上に非酸化物セラ
ミックスと金属の熱膨張係数の差に起因して接合界面に
大きな熱応力が残留し、接合体が破壊するなどの問題が
起っている。
ラミックスは、金属との反応性が低く、安定という性質
を有しており、金属どの接合が難しい上に非酸化物セラ
ミックスと金属の熱膨張係数の差に起因して接合界面に
大きな熱応力が残留し、接合体が破壊するなどの問題が
起っている。
例えば、窒化珪素セラミックスと鋼の熱膨張係数は、そ
れぞれ、３ｘ １０／ ’Ｃ１１５Ｘ１０／”Ｃであり
、１３００℃で接合した場合を想定すると、接合後室温
まで冷却してくる間に窒素珪素と鋼の接合界面の両端の
窒化珪素側に約１００ｋＩｉ４ｊの熱応力が発生するこ
とが計算によって求められている。
れぞれ、３ｘ １０／ ’Ｃ１１５Ｘ１０／”Ｃであり
、１３００℃で接合した場合を想定すると、接合後室温
まで冷却してくる間に窒素珪素と鋼の接合界面の両端の
窒化珪素側に約１００ｋＩｉ４ｊの熱応力が発生するこ
とが計算によって求められている。
このため、従来非酸化物セラミックス部材と金属部材と
の接合については、焼きばめやネジ止めなどによる機械
的な接合が行なわれてきた。
の接合については、焼きばめやネジ止めなどによる機械
的な接合が行なわれてきた。
ところが、これらの接合方法は複雑な形状の機械部品の
接合には不向きであり、熱サイクルに対しての信頼性に
欠けるという問題点が指摘されている。
接合には不向きであり、熱サイクルに対しての信頼性に
欠けるという問題点が指摘されている。
〈問題点を解決するための手段〉
この発明は上記した従来の非酸化物セラミックスと金属
の接合法における問題点を解消すべく検討の結果見出さ
れたものである。
の接合法における問題点を解消すべく検討の結果見出さ
れたものである。
即ち、この発明は大量の非酸化物セラミックス部材と金
属部材を接合するのに適した接合体の構造とその接合方
法を提供するものであり、詳しくのべると、非酸化物セ
ラミックス部材と金属部材との接合において、両部材間
にｆｑａ族金属とＡｌならびに被接合金属部材を構成す
る金属よりなる複数層を設けた非酸化物セラミックスと
金属の接合体とその接合方法である。
属部材を接合するのに適した接合体の構造とその接合方
法を提供するものであり、詳しくのべると、非酸化物セ
ラミックス部材と金属部材との接合において、両部材間
にｆｑａ族金属とＡｌならびに被接合金属部材を構成す
る金属よりなる複数層を設けた非酸化物セラミックスと
金属の接合体とその接合方法である。
〈作 用〉
この発明の特徴は非酸化物セラミックス部材の金属部材
との接合面にｒＶａ族金属層を形成した後にＭを鑞材と
してＩＶａ族金属層に被接合金属部材を鑞付けするとこ
ろにある。
との接合面にｒＶａ族金属層を形成した後にＭを鑞材と
してＩＶａ族金属層に被接合金属部材を鑞付けするとこ
ろにある。
ここでＩＶａ族金属とはＴ５．７．ｒ、Ｈｆをいい、非
酸化物セラミックス部材の接合面上には王１、Ｚｒ１ｋ
ｇを単体であるいは２種以上を組合わせて合金として薄
層を形成する。薄層を形成する方法としては、蒸着、ス
パッタリング、イオンプレーティングなどの物理蒸着法
、即ちＰ Ｖ Ｄ （Ｐ ｈｙｓｉｃａｌ Ｖ ａｐｏ
ｒ［） ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）を用いる。
酸化物セラミックス部材の接合面上には王１、Ｚｒ１ｋ
ｇを単体であるいは２種以上を組合わせて合金として薄
層を形成する。薄層を形成する方法としては、蒸着、ス
パッタリング、イオンプレーティングなどの物理蒸着法
、即ちＰ Ｖ Ｄ （Ｐ ｈｙｓｉｃａｌ Ｖ ａｐｏ
ｒ［） ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）を用いる。
ＩＶａ族金属を非酸化物セラミックス表面に積層する直
前に、真空下で不活性ガスによるスパッタリングあるい
はイオン銃によるイオンエツチングを行ない、非酸化物
セラミックス表面層の除去、清浄化を行なってセラミッ
クス表面を活性化することによってＩＶａ族金属層と非
酸化物セラミックスの密着性を高めることが好ましい。
前に、真空下で不活性ガスによるスパッタリングあるい
はイオン銃によるイオンエツチングを行ない、非酸化物
セラミックス表面層の除去、清浄化を行なってセラミッ
クス表面を活性化することによってＩＶａ族金属層と非
酸化物セラミックスの密着性を高めることが好ましい。
非酸化物セラミックスとＩＶａ族金属層の接合の機構に
ついては、未だ明らかになっていない部分が多いが、Ｐ
ＶＤ法では■族金属層形成中の非酸化物セラミックス基
材の温度は、現在の仁ころ基材を加熱しても５００℃が
精一杯であり、５００℃までの温度域では非酸化物セラ
ミックスとＩＶａ族金属層の間にはミクロンメーター（
μｍ）オーダーの反応層は認められなかった。このため
主には非酸化物セラミックスとＩＶａ族金属の機械的な
絡み合いによって接合が起っているものと考えられる。
ついては、未だ明らかになっていない部分が多いが、Ｐ
ＶＤ法では■族金属層形成中の非酸化物セラミックス基
材の温度は、現在の仁ころ基材を加熱しても５００℃が
精一杯であり、５００℃までの温度域では非酸化物セラ
ミックスとＩＶａ族金属層の間にはミクロンメーター（
μｍ）オーダーの反応層は認められなかった。このため
主には非酸化物セラミックスとＩＶａ族金属の機械的な
絡み合いによって接合が起っているものと考えられる。
しかしながら、ＩＶａ族金属は非常に活性の高い金属で
あるため、不活性ガススパッタリングやイオンエツチン
グによって表面層を除去された高活性な非酸化物セラミ
ックス表面とＩＶａ族金属原子あるいはクラスターが接
触した場合、ミリメートル（叩）オーダーでの反応層が
生成している可能性は大きいが、確認できていない。
あるため、不活性ガススパッタリングやイオンエツチン
グによって表面層を除去された高活性な非酸化物セラミ
ックス表面とＩＶａ族金属原子あるいはクラスターが接
触した場合、ミリメートル（叩）オーダーでの反応層が
生成している可能性は大きいが、確認できていない。
非酸化物セラミックスと金属を接合する際のもう一つの
大きな問題である熱応力の発生については、非酸化物セ
ラミックス部材と被接合金属部材の間にＮの層を介在さ
せることにより解消できる。
大きな問題である熱応力の発生については、非酸化物セ
ラミックス部材と被接合金属部材の間にＮの層を介在さ
せることにより解消できる。
Ｎは弾性率が小さく、展延性（すぐれているため、非酸
化物セラミックス部材と被接合金属部材を非酸化性の雰
囲気中でＮ鑞付けしたのち、Ｖ温まで冷却していく途中
で塑性変形を起し、非酸化物セラミックスと被接合金属
の熱膨張係数の差によって生じる熱応力を緩和するため
である。
化物セラミックス部材と被接合金属部材を非酸化性の雰
囲気中でＮ鑞付けしたのち、Ｖ温まで冷却していく途中
で塑性変形を起し、非酸化物セラミックスと被接合金属
の熱膨張係数の差によって生じる熱応力を緩和するため
である。
さらに、このＮ層が適当な量の空隙を含むことによりこ
の熱応力緩和の効果が顕著になるのである。
の熱応力緩和の効果が顕著になるのである。
Ｎ層内の空隙率が大きくなれば、当然＃ｌｉ！ｉ自身の
強度は低下するが、それ以上に残留熱応力除去の効果が
大きく、接合体全体としての強度が向上する範囲がある
。
強度は低下するが、それ以上に残留熱応力除去の効果が
大きく、接合体全体としての強度が向上する範囲がある
。
Ｎ層としては３〜３０％の空隙率を有しているものが強
度的には好ましい。そして該Ｎ層にはｌｉ！ＩＭばかり
でなく、Ｍに数％のへや１などを添加したＮ合金も使用
することができる。
度的には好ましい。そして該Ｎ層にはｌｉ！ＩＭばかり
でなく、Ｍに数％のへや１などを添加したＮ合金も使用
することができる。
上記の如く非酸化物セラミックス部材の金属部材との接
合面にＰＶＤ法によってＩＶａ族金ＷＡ層を形成したの
ら、Ｎ合金を用いて鑞付けを行なうと、１？ａ族金属と
Ｍが反応して非酸化物セラミックスに隣接してＩＶａ族
金属とＡｌよりなる反応層が生成する。
合面にＰＶＤ法によってＩＶａ族金ＷＡ層を形成したの
ら、Ｎ合金を用いて鑞付けを行なうと、１？ａ族金属と
Ｍが反応して非酸化物セラミックスに隣接してＩＶａ族
金属とＡｌよりなる反応層が生成する。
また、Ａｌと被接合金属部材の反応によっても化合物層
が生成することが多い。このため接合体全体の構造は非
酸化物セラミックス部材−ＩＶａ族金属とＡｌよりなる
層−生としてＡｌよりなる層−Ａｌと被接合金属部材を
構成する金属よりなる層−被接合金属部材となる。
が生成することが多い。このため接合体全体の構造は非
酸化物セラミックス部材−ＩＶａ族金属とＡｌよりなる
層−生としてＡｌよりなる層−Ａｌと被接合金属部材を
構成する金属よりなる層−被接合金属部材となる。
く実 施 例〉
以下実施例によって、この発明の詳細な説明する。
実施例１
窒化珪素セラミックス部材の接合面を１×１０ｔｏｒｒ
の真空中でにガススパッタリングした後、該接合面にス
パッタリングにて１０μｍのＴＬ層を形成した。
の真空中でにガススパッタリングした後、該接合面にス
パッタリングにて１０μｍのＴＬ層を形成した。
このｌＨと炭素鋼（８４５Ｇ＞の間に １００μｍのＭ
箔をサンドイッチしてＡｒ気流中７００℃でＮ鑞付けを
行ない、窒化珪素セラミックスー炭素鋼の接合体を得た
。この接合体の引張り強度は１０．３ｋｌｌＪであった
。そしてこの接合体の接合界面近傍の組織は図面、即ち
２００倍拡大の顕微鏡写真に示す通りであり、Ｅ ＰＭ
Ａ （Ｅ Ｉｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍ ｉｃｒ
。
箔をサンドイッチしてＡｒ気流中７００℃でＮ鑞付けを
行ない、窒化珪素セラミックスー炭素鋼の接合体を得た
。この接合体の引張り強度は１０．３ｋｌｌＪであった
。そしてこの接合体の接合界面近傍の組織は図面、即ち
２００倍拡大の顕微鏡写真に示す通りであり、Ｅ ＰＭ
Ａ （Ｅ Ｉｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍ ｉｃｒ
。
Ａｎａｌｙｓｉｓ ）によってそれぞれの層の組成を同
定した結果、左より■ 窒化珪素セラミックス、■ Ｔ
、とＡｌよりなる相、■ 〜相、■ ＡｌとＦｅよりな
る相、■ 炭素鋼であることがわかった。
定した結果、左より■ 窒化珪素セラミックス、■ Ｔ
、とＡｌよりなる相、■ 〜相、■ ＡｌとＦｅよりな
る相、■ 炭素鋼であることがわかった。
′図面から明らかなようにＮ相は多数の気孔を含む組
織になっており、この部分で熱応力が緩和されている。
織になっており、この部分で熱応力が緩和されている。
実施例２
窒化珪素セラミックス部材の接合面に実施例１と同様に
して１０μｍのＴＬ層を形成した。
して１０μｍのＴＬ層を形成した。
このＴＬ層と炭素鋼（８４５Ｇ）との間に１００μｍの
Ｎ箔をサンドイッチして接合圧力を種々に変化させ、Ａ
ｒ気流中７００℃で＃ｌｉ付けを行ない、種々の空隙率
のＮ層を持った窒化珪素セラミックス−炭素鋼の接合体
を（ｑた。これらの接合体の引張り強度は第１表に示し
た。
Ｎ箔をサンドイッチして接合圧力を種々に変化させ、Ａ
ｒ気流中７００℃で＃ｌｉ付けを行ない、種々の空隙率
のＮ層を持った窒化珪素セラミックス−炭素鋼の接合体
を（ｑた。これらの接合体の引張り強度は第１表に示し
た。
第 １ 表
、、−
上表から／Ｖ層に適当な空隙率を持たせることにより、
接合強度を向上させることが、処゛きた。
接合強度を向上させることが、処゛きた。
試料１’Ｊ０．１．２ではＮ層の空隙率が小さいことに
より、熱応力の解放・が十分に行なわれず、このため引
張り強度が窒化珪素セラミックスと隣接するＴＬ −＃
層の真の接着強度よりも小さい値になっているものと考
えられる。
より、熱応力の解放・が十分に行なわれず、このため引
張り強度が窒化珪素セラミックスと隣接するＴＬ −＃
層の真の接着強度よりも小さい値になっているものと考
えられる。
これに対してＮ ｏ、３．４の試料では残留熱応力の解
放が十分に行なわれ、引張り強度が窒化珪素セラミック
スと隣接するＴＬ −＃層の接着強度によつて律速され
でいることを示している。
放が十分に行なわれ、引張り強度が窒化珪素セラミック
スと隣接するＴＬ −＃層の接着強度によつて律速され
でいることを示している。
Ｎ０１５の試料ではＭ層中の空隙率が大きすぎるためＭ
層中で破断が起った。
層中で破断が起った。
実施例３
炭化珪素セラミックス部材の接合面を、真空中でｘｅイ
オン銃を用いて５００Ｖ、３０１ＩＡでイオンエツチン
グを施した後、Ｚｙをイオンプレーティングして２０μ
ｍのＺｒ Ｊｉを形成した。このＺｒ層とインコネル７
００（４６％Ｎｉ−２８％ｃｏ−１５％Ｃｒ−他）との
間に３００μｍのＮ−−合金＜ＡＡ記号５０５２）箔を
サンドイッチして＾ｒ気流中７００℃で鑞付けを行ない
、炭化珪素セラミックス−炭素鋼の接合体を得た。
オン銃を用いて５００Ｖ、３０１ＩＡでイオンエツチン
グを施した後、Ｚｙをイオンプレーティングして２０μ
ｍのＺｒ Ｊｉを形成した。このＺｒ層とインコネル７
００（４６％Ｎｉ−２８％ｃｏ−１５％Ｃｒ−他）との
間に３００μｍのＮ−−合金＜ＡＡ記号５０５２）箔を
サンドイッチして＾ｒ気流中７００℃で鑞付けを行ない
、炭化珪素セラミックス−炭素鋼の接合体を得た。
この接合体の引張り強度は９．７ｋｇＪであった。
この接合体の接合界面近傍の組織をＥＰＭＡで同定した
結果、炭化珪素セラミックス、Ｔ、とＡｌよりなる相、
Ｎ−−相、ＡｌとＮ＝ 、 Ｃｏ 、 Ｃｒよりなる相
、インコネル７００の順であることがわかった。
結果、炭化珪素セラミックス、Ｔ、とＡｌよりなる相、
Ｎ−−相、ＡｌとＮ＝ 、 Ｃｏ 、 Ｃｒよりなる相
、インコネル７００の順であることがわかった。
〈発明の効果〉
以上、この発明は非酸化物セラミックス部材と金属部材
とを゛適当な空隙率を有するＮ合金を介在させて接合し
たので、接合部に熱サイクルが加わっても発生す、る熱
応力を緩和することができ、熱疲労破壊を起しにくい接
合体を得ることができた。
とを゛適当な空隙率を有するＮ合金を介在させて接合し
たので、接合部に熱サイクルが加わっても発生す、る熱
応力を緩和することができ、熱疲労破壊を起しにくい接
合体を得ることができた。
図面はこの発明の実施例によって作製した窒化珪素セラ
ミックス−炭素鋼接合体の接合面近傍の２００倍拡大の
顕微鏡写真である。 ■・・・窒化珪素セラミックス ■・・・ＴｉとＡｌよりなる相 ■・・・Ｎ相■・・
・ＡｌとＦ・よりなる相 ■・・・炭素鋼（Ｓ４５Ｃ） 特許出願人 住友電気工業株式会社 代 理 人 弁理士 和 １） 昭手続
ネ市正側コ （方式） ％式％
ミックス−炭素鋼接合体の接合面近傍の２００倍拡大の
顕微鏡写真である。 ■・・・窒化珪素セラミックス ■・・・ＴｉとＡｌよりなる相 ■・・・Ｎ相■・・
・ＡｌとＦ・よりなる相 ■・・・炭素鋼（Ｓ４５Ｃ） 特許出願人 住友電気工業株式会社 代 理 人 弁理士 和 １） 昭手続
ネ市正側コ （方式） ％式％
Claims (5)
- （１）非酸化物セラミックス部材と金属部材との接合に
おいて、両部材間にIVａ族金属とＡｌならびに被接合金
属部材を構成する金属よりなる複数層を設けたことを特
徴とする非酸化物セラミックスと金属の接合体。 - （２）非酸化物セラミックス部材と金属部材との接合に
おいて、IVａ族金属とＡｌよりなる層、主としてＡｌよ
りなる層、Ａｌと被接合金属部材を構成する金属よりな
る層を非酸化物セラミックス部材側より順に設けたこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の非酸化物セラ
ミックスと金属の接合体。 - （３）主としてＡｌよりなる層が３〜３０％の空隙率を
有することを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
２項記載の非酸化物セラミックスと金属の接合体。 - （４）非酸化物セラミックス部材と金属部材との接合に
おいて、前記非酸化物セラミックス側にIVａ族金属層を
形成せしめたのち、Ａｌ合金を鑞材として該IVａ族金属
層に被接合金属部材を鑞付けすることを特徴とする非酸
化物セラミックスと金属の接合法。 - （５）IVａ族金属層の形成に際して、非酸化物セラミッ
クスの表面を真空下で不活性ガススパッタリング、イオ
ンエッチングなどの物理的エッチング法にて清浄化した
のち、直ちにIVａ族金属層を蒸着、スパッタリングある
いはイオンプレーティングにて形成することを特徴とす
る特許請求の範囲第４項記載の非酸化物セラミックスと
金属の接合法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21916284A JPS6197175A (ja) | 1984-10-17 | 1984-10-17 | 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21916284A JPS6197175A (ja) | 1984-10-17 | 1984-10-17 | 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6197175A true JPS6197175A (ja) | 1986-05-15 |
| JPH0130791B2 JPH0130791B2 (ja) | 1989-06-21 |
Family
ID=16731170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21916284A Granted JPS6197175A (ja) | 1984-10-17 | 1984-10-17 | 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6197175A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6340775A (ja) * | 1986-08-07 | 1988-02-22 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 接合部材 |
| JPS63190770A (ja) * | 1987-02-02 | 1988-08-08 | 住友電気工業株式会社 | 高温特性の優れたセラミツクスと金属の接合体 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59164679A (ja) * | 1983-03-10 | 1984-09-17 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツクと金属との接合体 |
| JPS6065773A (ja) * | 1983-09-16 | 1985-04-15 | 株式会社荏原製作所 | 窒化物系セラミツクスを接合してなる金属製品並びにその製造方法 |
-
1984
- 1984-10-17 JP JP21916284A patent/JPS6197175A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59164679A (ja) * | 1983-03-10 | 1984-09-17 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツクと金属との接合体 |
| JPS6065773A (ja) * | 1983-09-16 | 1985-04-15 | 株式会社荏原製作所 | 窒化物系セラミツクスを接合してなる金属製品並びにその製造方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6340775A (ja) * | 1986-08-07 | 1988-02-22 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 接合部材 |
| JPS63190770A (ja) * | 1987-02-02 | 1988-08-08 | 住友電気工業株式会社 | 高温特性の優れたセラミツクスと金属の接合体 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0130791B2 (ja) | 1989-06-21 |
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