JPS62132779A - セラミツクスの接合構造 - 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、セラミックスと金属又はセラミックスとセラ
ミックスの接合構造に係り、殊にＡｌまたはＡｌ合金を
インサート材として使用した接合構造に関するものであ
る。

（従来の技術） Ａｌ又はＡｌ合金をインサート材としてセラミックスと
金属またはセラミックスとセラミックスを接合殊に拡散
接合する方法は強固な接合が経済的に得られることから
非常に有効な接合法である。

インサート材に要求される機能はセラミックス及び金属
に良く反応接合すること及び両者の熱膨張係数差によっ
て発生する熱応力を緩和することである。インサート材
として使用されるＡｌ及びＡｌ合金はセラミックスある
いは金属と良く反応接合するものであり、例えば純Ａｌ
をインサート材とした場合は５８０〜６５０℃で、Ａｌ
合金をインサート材とした場合は５００〜６００’Ｃで
良好な接合体が得られる。特に大きい接合強度を得るに
はＡｌ合金をインサート材とすることが望ましく、接合
温度も比較的低いため熱応力の発生を小さく抑制できる
が、Ａｌ合金は一般に伸びが小さく応力緩和能力が不足
する傾向かあｐ、Ａｌをインサート材にした場合におい
ても接合体が大形になるとこの傾向が避けられない。こ
のため大形の接合体になると接合後残留応力が若干なが
ら発生して接合界面で剥がれたり、セラミックスが割れ
るという問題があった。このような問題はセラミックス
と金属との間だけでなく、セラミックスとセラミックス
の接合についても起ることがある。

このため、インサート材はＡｌやＡｌ、合金単体だけと
するのではなく、これらの間にステンレス鋼製の線維布
などの可撓性金属を介在させて応力緩和をはかったセラ
ミックスと金属の拡散接合が、特開昭６０−１８６４８
３に開示されている。また、インサート材は、純Ａｌを
心材としてその両側にＡｌ−３ｉ合金で挾んだものとし
、それぞれ応力緩和と接合反応の機能を分担させるよう
にしたセラミックスと金属の拡散接合が、日経メカニカ
ル１９８５年９月号で明らかにされている。

また、接合を強固にするものとして、ＡｌまたはＡｌ合
金インサート材の間にＴｉやＺｒなどを介在させたセラ
ミックス同士の拡散接合が、特開昭５９−５７９７２に
開示されている。

（解決しようとする問題点） このように、セラミックスと金属又はセラミックスとセ
ラミックスの接合殊に拡散接合に関して強固でしかも大
形の接合体においてもセラミックスの割れや接合界面で
の剥離が起らない接合構造を得ることが、大きな課題と
なっている。本発明は、このような課題に対処するもの
で、接合反応をより低い温度で行い、インサート材の応
力緩和機能を損わないようにすることによって、より強
固で、より熱応力による損傷のない確実な、セラミック
スの接合構造を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、Ａｌ又はＡ４合金をインサート材として介在
させてなるセラミックスと金属又はセラミックスとセラ
ミックスの接合構造殊に拡散接合構造において、Ａｌの
融点より低い温度内で共晶点を有する金属元素からなる
純金、Ｍ＃春→又はどれらの金属元素を１種以上含有し
た合金をもインサート材として使用するものである。

このような金属元素として＊　Ｃｕ　＋　Ｚ　ｎ　＋　
Ａ　ｇ　＋Ｓ　ｎ　＋　Ｔ　ｅ　！　Ｓ　ｉ＋　Ｍ　ｇ
　＋　Ｐ　ｂがあり、２００℃〜５８５℃の温度範囲で
Ａｌと共晶点を有するものである。

（作　用） セラミックスと金属又はセラミックスとセラミックスの
接合は、これらの接合面におけるぬれ性に依存している
。これらの接合の際に使用するインサート材は、第１に
このぬれ性を向上させるためのものであり、良好な接合
を得るためには更にインサート材とセラミックス及びイ
ンサート材と金属とのぬれ性を向上させることが必要に
なる。

ところで、このぬれ性は、一般に加熱による接合材料の
軟化によって得られるものであり、インサート材を使用
する接合殊に拡散接合においてはインサート材の軟化に
よって得られる。本発明においてＡｌ又はＡｌ合金と共
に使用される金属（以下、共晶反応金属）は、２００℃
〜５８５℃の含有する合金であるから、接合反応を起さ
せるための加熱は、当然前記温度範囲で行われる。この
ため、ぬれ性は、単にＡｌやＡｌ合金だけをインサート
材とした場合の、６３０℃〜６６０℃より遥かに低い温
度で得られる。従ってＡｌやＡｌ合金の軟化は、Ａｌや
Ａｌ合金だけをインサート材とした場合に比べて遥かに
少ないので、加圧によるＡｌやＡｌ合金の変形は極く僅
かになる。また、低温で反応するため金属間化合物の生
成が少ないため、接合はより強固であり、熱による応力
の発生も少ない。

ところで、小形の接合体においては接合反応時の加熱に
よる応力発生は問題にならないが、大形の接合体ではこ
の応力発生に対処するため、適宜な厚みをもった応力緩
和層と接合を強固に行うための薄い接合反応層でもって
インサート材を形成することが行われている。

小形の接合体の場合、前述のように比較的低い温度で接
合を強固に行うと共に、応力発生の恐れは全くない。

大形の接合体の場合、接合反応層と応力緩和層の設は方
には、実施態様項に示すように幾つかの態様がある。

Ａｌ又はＡｌ合金で応力緩和層を形成し、共晶反応金属
で接合反応層を形成した場合、共晶反応金属の介在によ
りＡｌ又はＡｌ合金は、よくぬれ加圧により新たな拡散
層を形成し、強固に接合する。かつ、Ａｌ又はＡｌ合金
は著しい変形が、はとんどなく、応力緩和層がはみ出し
て薄くなってしまうといった従来のような現象は起きな
い。このためＡｌ又はＡｌ合金による応力緩和層は、機
能を損われることがない。また、ＡｌやＡｌ合金のはみ
出しがないので、これを除去するｔめの２次加工の必要
がなくなる。

低膨張係数の金属や低ヤング率の金属で応力緩和層を形
成する場合は、Ａｌ又はその合金と共晶反応金属で接合
反応層が形成される。この場合もまた、前述同様に新た
な拡散層ができ、強固な接合が得られると共に応力の発
生も少なく、応力緩和層に対する影響も少ない。

応力緩和層を形成する低膨張係数の金属又は低ヤング率
の金属が、前述共晶反応金属であるときは、接合反応層
はＡｌ又はＡｌ合金のみで形成することができ、この場
合も前述同様の接合が得られる。

このように、本発明では強固な接合が得られると共に接
合後の残留応力の発生は少なく、かつその緩和も充分に
行われるのでセラミックスの割れや接合界面での剥離が
起らない。

（実施例１） セラミックスとしてＳｉＣ焼結体（φ１０×５ｔｗ）１
、金属として５ｕＳ３０４Ｌ（φ２０Ｘ８　ｔ　ｗｓ　
）　２、インサート材の内応力緩和層として純Ａｌ（Ａ
１０５０，０．６■ｔ）ａ、共晶反応金属として純りｕ
箔（０，００５ｗｔ　）　４を用い、これらを第１図の
様に重ね合わせて、約１０−４Ｔｏｒｒの真空中で、温
度５５０℃、加圧１に４／−を作用させて２０分間拡散
接合した。炉冷後良好な接合体が得られた。これのせん
断強度は５．５０　ｋ’７　／　ｍｊ、Ａｌ材の残存厚
みは約０．５４ノ、Ｊ＋あ・た。せん断試験における破
壊様相はＡ　Ｌ　／　Ｓ　ｕ　Ｓの界面破壊であり、Ａ
ｌの表面層は軟化溶融した形跡かみられた。

共晶反応の金属を用いない純Ａｌのみをインサート材と
した場合、前記接合条件で接合したときのせん断強度は
１〜２　ｋｑ　／　ｍｊその破壊はＳｉＣ／Ａｌの界面
剥離であり、この実施例と同じせん断強度を得ようとす
れば、６５０℃の接合温度を必要とし、その結果インサ
ート材の残存厚みが約０゜３　ｔｔａａ　ｔになるのと
比べると大きな違いがあることがわかる。

（実施例２） セラミックスとしてＳ　ｉ３Ｎ４焼結体（φ１０×５ｔ
　掴）　ｔ、金属として５ｕＳａ０４Ｌ（φ２０×８　
ｔ　ｗ　）　２、インサート材の内応力緩和層として純
Ａ　Ｌ　（１０５０、０，６ｔａ　ｔ　）　８　、共晶
反応金属として純りｕ箔（０，００５ｗ　ｔ　）　’４
を用い、実施例（１）と同様条件で拡散接合しｆＣｏそ
の結果、良好な接合体が得られ、せん断強度は６．２４
　ｋｇ　／　＋Ｊ、Ａｌ材の残存厚みは約０．５２　ｗ
ｍ　ｔであつ几。また、せん断試験における破壊様相は
Ａｌ／ＳｕＳの界面破壊であった。

共晶反応の金属を用いないで純ｋｌのみをインサート材
とした場合、前記条件で接合するとせん断強度は約１ｋ
ｆ／−で、その破壊はＳｉ３Ｎ４／Ａｌの界面剥離であ
り、せん断強度を上げるため、Ａｌの融点近い６５０℃
で加熱接合したところ、せん断強度は３〜４　ｋｇ／　
＋ｊ、Ａｌの残存厚みはｙ旨５　ｒｒｍ　ｔとなるのと
比べると大きな違いがあることがわかる。

（他の実施例） セラミックスとしてはＳ　ｉ　０％　Ｓ　ｉ３Ｎ４以外
にＡｌ２０３、Ｚ　ｒ　０２２Ｍｇ　Ｏ、サイア　ｏ　
７．５ｉ０２−Ａｌ２０３等とすることができる。

金属もまたＳ　ｕ’　Ｓ　８０４　Ｌに限るものではな
く他のステンレス鋼、他の鉄系金属および非鉄系金属と
することができる。

Ａｌ材と共晶反応する金属としては、Ｃｕ以外にＺｎｓ
　Ａｇ％Ｓｕｍ　Ｐｂｓ　Ｍｇｔ　Ｓ　ｉｓ　Ｔｅがあ
り、Ｃｕを含めこれら金属を箔、粉末として用いること
が出来る。

当然のことながら前述の金属元素を主成分とした合金も
同様に用いることができる。

又、共晶反応金属の用い方としてはこれら以外に、Ａ／
、材の表面層又はＡｌ材と接触接合するセラミックス及
び金属の表面にコーテング（メッキ、化学的あるいは物
理的蒸着等）してもよい。

前述実施例では純Ａｌを使用したが、これをＡｌ合金と
することができる。また、Ａｌ又はＡｌ合金の層を薄く
し、応力緩和層とすることなく接合することもできる。

接合反応層は応力緩和層の片側にだけ設けることができ
、一方の接合反応層はＡ４と共晶反応金属との合金を使
用することもできる。

応力緩和層は、Ａｌ又はＡｌ合金とする以外に他の低膨
張係数の金属又は低ヤング率の金属とすることができ、
この場合接合反応層はＡｌ又はＡｌ合金と共晶反応金属
から形成される。この低膨張係数の金属又は低ヤング率
の金属がＣｕ、Ｔｉなど共晶反応金属であるときは、接
合反応層をＡｌ又はＡｌ合金で構成しても、接合反応時
にＡｌと共晶反応金属との新たな合金が形成されて接合
が行われる。

更にま之、応力緩和層は、熱膨張係数の異なる複数の合
金層とすることができ、その合金層は同種金属であって
もよく、異種金属であってもよい。

いずれにしても、共晶反応金属とＡｌとが共晶反応をお
こし、この接合層にあらたな合金層を形成し接合が良好
におこなわれる。

（効　果） 以上の通り本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金をインサート材
として用いたセラミックスと金属又はセラミックスの接
合殊にその拡散接合において、強固な接合が得られかつ
、接合後のセラミックスの割れや接合界面での剥離のな
い確実な接合構造が得られるという顕著な効果を有する
ものである。

そして、加熱装置が簡単になる、インサート材のはみ出
しを除去する友めの二次加工を削減できるなどの副次的
効果もある。

【図面の簡単な説明】

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスと金属又はセラミックスとセラミッ
   クスとの間に、Ａｌ又はＡｌ合金をインサート材として
   介在させてなるセラミックスの接合構造において、 前記インサート材は、少なくとも、Ａｌ若しくはＡｌ合
   金及びＡｌの融点より低い温度内でＡｌと共晶点を有す
   る金属元素からなる純金属 若しくはこれらの金属元素を１種以上含有した合金から
   なるセラミックスの接合構造。
2. （２）前記インサート材は、少なくとも応力緩和層を含
   み、この応力緩和層の両側又はいずれか片側に接合反応
   層を形成せしめて多層構成としてなる特許請求の範囲第
   １項記載のセラミックスの接合構造。
3. （３）前記応力緩和層はＡｌ又はＡｌ合金からなり、前
   記接合反応層はＡｌ又はＡｌ合金の融点より低い温度内
   でＡｌと共晶点を有する前記金属元素からなる純金属又
   はこれらの金属元素を１種 以上含有した合金からなる特許請求の範囲第２項記載の
   セラミックスの接合構造。
4. （４）前記応力緩和層は、低膨張係数又は低ヤング率の
   金属の純金属又は合金からなり、前記接合反応層はＡｌ
   若しくはＡｌ合金及びＡｌの融点より低い温度内でＡｌ
   と共晶点を有する前記金属元素からなる純金属若しくは
   これらの金属元素 を１種以上含有してなる合金からなる特許請求の範囲第
   ３項記載のセラミックスの接合構造。
5. （５）前記低膨張係数又は低ヤング率の金属は、Ａｌの
   融点より低い温度内でＡｌと共晶点を有する金属元素か
   らなる純金属又はこれらの金属 を１種以上含有した合金からなり、前記接合反応層は少
   なくともＡｌ又はＡｌ合金からなる特許請求の範囲第４
   項記載のセラミックスの接合構造。
6. （６）Ａｌの融点より低い温度内でＡｌと共晶点を有す
   る前記金属は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓｉ、
   ＭｇまたはＰｂである特許請求の範囲第１項、第３項及
   び第４項記載のセラミックスの接合構造。
7. （７）前記応力緩和層は、熱膨張係数が異なる複数の層
   で形成されてなる特許請求の範囲第２項、第３項、第４
   項及び第５項記載のセラミックスの接合構造。
8. （８）前記、セラミックスと金属又はセラミックスとセ
   ラミックスの接合は拡散接合である特許請求の範囲第１
   項記載のセラミックスの接合構造。