JPS62166087A - セラミツクスと金属との接合方法 - 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、窒化物、炭化物を主成分とする非酸化物系セ
ラミックスあるいはジルコニア、アルミナ、シリカ、マ
グネシア等の酸化物を主成分とする酸化物系セラミック
スと鉄、銅、ニッケル、ステンレス等の金属、合金（本
明細書中では合金も含め金属と記す）との接合方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

セラミックスは優れた耐熱、耐食、耐ｊＪＷ耗性を有し
ているが、これを有効に利用しようとするとセラミック
スのＩＮ性、すなわち衝撃に弱いことが難点であり、構
造材として使用する時は靭性の優れている金属と接合し
て使用する方が都合の良い場合が多い。逆にこれにより
、この用途も拡大されるものである。

セラミックスと金属との接合に関しては、種々研究が行
なわれている。すなわち、有機、無機などの接着剤によ
るもの、焼きばめなどの機械的な接合の併用などもあり
、優れた接着剤も開発され。

それなりの評価がなされている。しかしながら、耐熱性
などの点で化学反応、拡散浸透効果による接合、セラミ
ックスの表面に金属を形成させるいわゆるメタライズ法
が注目されている。

このメタライズ法は以下のように大別されている。

（Ｄ　高融点金属法とも言われるもので、Ｍｏ、　Ｍ。

−Ｍｎ、Ｗ、Ｗ−Ｍｏまたはこれらにカオリン等を添加
し、バインダーと混合し、加湿水素中で１６００℃ｖｆ
後に加熱しＭｏ、Ｗを浸透させ、これにＮｉメッキ等を
行なって、さらに接合金属とロウ付する方法。

接合機構はＭｎはＭｎＯとなりセラミックス中に溶は込
み、またＭｏは若干酸化されてセラミックス相のガラス
相およびＮｉメッキ層に浸透し接合するものである。

■　セラミックスと金属との間に容易に反応する中間イ
ンサート材を介在させ、これを介して接合する方法、該
インサート材としては、一般し；硫化銅等の銅系化合物
とカオリン等の混合物が知られている。接合に際しては
、上記インサート材をセラミックスと接合する金属との
間に挿入し、インサート材の融点以上の温度に加熱する
。機構的には■の方法では工数がかかるため、■の方法
が注目されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

インサート材を使用する方法において、アルミナ系、マ
グネシア系、シリカ系などの酸化物系セラミックスにつ
いては、接合に成功している例は種々報告されている。

しかしＺｒＯ２を９０％以上含むジルコニア系のセラミ
ックスに関しては接合は不可能かまたは極めて脆弱なも
ので実用には到っていない。

また、非酸化物系セラミックスに関しても十分な接合強
度が得られていない。

本発明は、アルミナ系、マグネシア系、シリカ系などの
酸化物系セラミックスはもとより、ＺｒＯ２を９０％以
上含むジルコニア系のセラミックスさらに非酸化物系セ
ラミックスと金属とを強固に接合することが可能な接合
方法を提案しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者はジルコニア系セラミックス、非酸化物系セラ
ミックスの安定性に着目し、強制還元による生成相を考
慮した結果、セラミックスの接合予定面に重量％で、Ｃ
ａ　１５−８０％、残部Ｓｉ、Ａｌの１種又は２種およ
び不可避的不純物からなるインサート材、あるいは重量
％で、Ｃａ　１５〜８０％、Ｔｉ１５％以下、残部Ｓｉ
、Ａｌの１種又は２種および不可避的不純物からなるイ
ンサート材を載置し、非酸化性雰囲気中１１５０℃以上
で加熱処理し、その後前記接合予定面に接合しようとす
る金属を接しせしめ、非酸化性雰囲気中９００℃以上前
記接合すべき金属の融点以下の温度にて加熱処理するこ
とにより従来強固な接合が難しかったジルコニア系セラ
ミックスおよび非酸化物系セラミックスと金属とを強固
に接合することに成功したものである。

〔作用〕

本発明においては強力な還元剤であるカルシウムにより
セラミックス表面を還元し、該セラミックスの表面にセ
ラミックスの成分元素である所の金属ないしこれに近い
組織を生じさせ、これとインサート材との化合物により
金属との接合がされるものと予想される。

セラミックス表面を有効に還元しうるちのとしては、Ｃ
ａ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｙ、希土類元素などが考えられるが、
Ｃａ以外は取扱いに難点がある。

次に、加熱処理条件について説明する。

セラミックス表面を還元し、該表面をセラミックスの構
成元素であるところの金属ないしこれに近い組織とし、
同時にこの相とインサート材とを十分反応結合させるた
めには、　１１５０℃以上、好ましくはインサート材の
融点より２００℃以上高い温度が望ましい、また第２回
加熱では、このインサート材と当該金属との拡散接合の
ためには、９００℃以上の加熱処理が必要であり、この
ときの上限は、接合すべき金属の融点以下とした。

加熱雰囲気は、乾燥水素雰囲気、不活性ガス雰囲気、真
空中などインサート材中のＣａが酸化されない雰囲気す
なわち非酸化性雰囲気である事が大切である。

つぎに、本発明に使用するインサート材について説明す
る。

上述した加熱処理温度の関係から、インサート材の融点
は９００℃以上の必要がある。Ｃａの融点は約８０（Ｉ
Ｃであるが、これを合金化し、９００℃以上の融点をも
たせる事が必要であり、適当な合金成分として還元性能
を考慮してＣａにＳｉあるいはＡ１を適宜添加したもの
が考えられる。Ｃａ含有量が１５％未満では十分な還元
反応が得られず、また８０％を越えると融点が９００℃
未満になり、良好な接合が出来なくなるので、Ｃａの含
有量は１５〜８０％とした。

更にインサート材の濡れ性を考慮し、かつインサート材
の融点を極端に高くしない重量％で１５％以下の範囲で
のＴｉの添加も考えられる。

尚、本発明においては、上記Ｃａ、Ｓｉ、Ｔｉ以外の元
素が含まれていても、Ｃａの強力な還元力と融点が９０
０℃以上であれば、その他の元素の存在は特に問題にな
らないと考えられる。

また本発明において加熱処理時、わずかな圧力を接合体
に加えるとは、接合強度向上に寄与する。

〔実施例〕

本発明を以下実施例に基づき説明する。

実施例１ 第１表の試料Ｎｏ、１．２１コ示す組成＋７）Ｃ８−Ｓ
ｉ合金を１５０メツシユ以下に粉砕した後、イソプロピ
ルアルコールでペース１〜状にし、サイアロンの板に５
０ｍｇ／　ａｌの割合で塗布した。これを水素雰囲気中
１３００℃で１０分間加熱しサイアロンをメタライズし
た。ついで、メタライズされた面にＣｕ板（厚さ０　、
５　ｍｍ　）を乗せ、１０５０℃、乾燥水素雰囲気中で
１５分保持し接合せしめた。この接合体のＣｕ板表面に
鋼製のφ１０の棒材を銀ロウ付し、引張試験を行なった
ところ、第１表に示すように試料Ｎｏ、１．２ともに強
固に接合しており、９．４にと／圃２．９．５ｋｇ／圃
２の接合強度を得た。

また第１表に示す試料Ｎｏ、３　（５０Ｃａ−３０Ｓｉ
−１５Ｔｉ）を用いて上記と同様にサイアロンとＣｕの
接合を行なったところ、１１ｋｇ／ｍｍ２の接合強度を
得た。

比較例として、第１表の試料Ｎ　ｏ　、　４に示す、１
０％のＣａを含むＣａ−Ｓｉ合金を用いて上記と同じ条
件にて接合を試みたが、接合体は得られなかった。

またインサー１−材としてこれまでに知られているＣｕ
ｂ（試料Ｎｏ、５）、ＣｕＳ　（試料Ｎｏ、６）の１５
０メツシユ以下の粉末とを混合し、サイアロンの板の表
面に塗布後、大気中１２５０℃で３０分保持し、次に該
塗布面にＣｕ板（厚さ５　＋ａ　）を重ね水素雰囲気中
で１０００℃、２０分保持したが、接合体は得られなか
った。

第１表 第１表の試料Ｎ　ｏ　、　７のＣａを５は含むＣａ−Ｓ
ｉ合金を１５０メツシユ以下に粉砕し、イソプロピルア
ルコールでペース１−状にした後、サイアロン板に３０
ｍｇ／ＩＩｆｎ２の割合で塗布し、水素雰囲気「１月１
８０℃で１３分加熱処理した。ついで該塗布面にＮｉ１
２（厚さ１ｍｌを乗せ、水素雰囲気中、１２００’ｃで
１５分保持し接合体を得た。この接合体は強固に接合さ
れており、前述と同様に引張試験を行なった結果、接合
強度はｌＯ，５ｋｇ／ｎ１ｎ２を示シタ。

また、第１表の試料Ｎ　ｏ　、　９に示すようにＣａを
５０％含むＣａ−５ｉ合金の粉末（１５０メツシユ以下
）をイソプロピルアルコールでペースト状とした後、こ
れをサイアロン板に５０ｍｇ／■２の割合で塗布乾燥後
、水素雰囲気中１３００℃で１０分加熱した。ついでこ
のうえに５ＵＳ３０４の丸棒（８φ）を乗せ水素雰囲気
中１３００℃で１０分加熱したところ、接合強度１２　
ｋｇ　／　ｍｍ　”を得た。

本発明において接合時にわずかな圧力を加えることによ
り、良好な接合体を得ることが可能であろう、以下にそ
の例を示す。

第１表の試料Ｎｏ、８のＣａを４０％含むＣａ−、Ｓ　
ｉ合金を１５０メツシユ以下に粉砕し、イソプロピルア
ルコールでペースト状にした後、サイアロン板に３０ｍ
ｇ／＋ｍ＋”の割合で塗布し、水素雰囲気中１１８０℃
で１３分加熱処理した。ついで該塗布面にＮｉ板（厚さ
１ｍ）を乗せ、２０ｇ１ａ＆の圧力をかけ、アルゴン雰
囲気中１０５０℃で１０分保持した。得られた接合体に
ついて実施例１と同様に引張試験を行なった結果、第１
表に示すように１０．５ｋｇ／ｍｎ＋”の接合強度を獲
得した。

実施例２ 第２表の試料Ｎｏ、１０．１１ニ示す組成（７）Ｃａ−
３Ｌ合金を１５０メツシユ以下に粉砕した後、イソプロ
ピルアルコールでペースト状にし、ＺｒＯ２が９０％以
上のジルコニアセラミックスの表面にに５０ｍｇ／ｄの
割合で塗布した。これを水素雰囲気中１１５０’Ｃで１
０分間加熱しサイアロンをメタライズした。ついで、メ
タライズされた面にＣｕ板（厚さ０　、４　ｍｍ　）を
乗せ、１０５０℃、水素雰囲気中で１０分保持し接合せ
しめた。この接合体のＣｕ板表面にｎ！ｌ′ｇ５のφ１
ｏの棒材を銀ロウ付し、引張試験を行なったところ。

第２表に示すように試料Ｎｏ、１０．１１ともに強固に
接合シテオリ、９．５ｋｇ／ｎｎ＋２．１０．０ｋｇ／
ａｎ２ノ接合強度を得た。

比較例として、第２表の試料Ｎｏ、Ｌ２に示す、１０Ｘ
のＣａを含むＣａ−３ｉ合金を用いて上記と同じ条件に
て接合を試みたが、接合体は得られなかった。

またインサー１〜材としてこれまでに知られているＣｕ
ｂ（試料Ｎｏ、１３）、ＣｕＳ　（試料Ｎｏ、　１４）
　（７）１５０メツシユ以下の粉末とアルミナ粉末とを
混合し、ＺｒＯ，が９０％以上のジルコニアセラミック
スの表面にに５０■／ｃＩＩｔの割合で塗布後、大気中
１２５０”Ｃで３０分保持し１次に該塗布面にＣｕ板（
厚さ４　ｎｙｎ　）を重ね水素雰囲気中で１０００’Ｃ
ｌ２Ｏ分保持したが、接合体は得られなかった。

第２表の試料Ｎｏ、１５の１５０メツシユ以下に粉砕し
たインサート材をイソプロピルアルコールでペースト状
にした後、アルミナセラミックス板に７０ｍｇ／ｌｆｆ
１１２ノ割合で塗布し、水素雰囲気中１２００’Ｃテｉ
。

分前熱処理した。ついで該塗布面にＮｉ板（厚さ４ｎＲ
）を乗せ、水素雰囲気中、１２００’Ｃで１０分保持し
接合体を得た。この接合体は強固に接合されており、実
施例１と同様に引張試験を行なった結果。

接合強度は１０．５ｋｇ／ｎｏ２を示した。

第２表 第２表の試料Ｎｏ、１６．１７に示す組成の合金を１５
０メツシユ以下に粉砕した後、イソプロピルアルコール
でペース１−状にし、Ｚｒ０２５０％、Ａｌ□０３５０
％のジルコニアアルミナ系セラミックスの表面に５０Ｂ
／ｃｉの割合で塗布した。これを水素雰囲気中１１５０
°Ｃで１０分間加熱しサイアロンをメタライズした。つ
いで、メタライズされた面にＣｕ板（厚さ０゜４　ｎｎ
　）を乗せ、１０５０℃、水素雰囲気中で１０分保持し
接合せしめた。この接合体のＣｕ板表面に鋼製のφ１０
の棒材を銀ロウ付し、引張試験を行なったところ、第２
表に示すように試料Ｎｏ、１６．１７ともに強固に接合
しており、１０．５ｋｇ／ｍｍ２，１０．０ｋｇ／＋ｎ
ｍ”の接合強度を得た。

また、第２表の試料Ｎｏ、１８に示すＣａを５０％含む
Ｃａ−３ｉ合金の粉末（１５０メツシユ以下）をイソプ
ロピルアルコールでペースト状とした後、これをサイア
ロン板に５０ｍｇ／ａｎ”の割合で塗布乾燥後、水素雰
囲気中１３００°Ｃで１０分加熱した。ついでこのうえ
に５ＵＳ３０４の丸棒（８φ）を乗せ水素雰囲気中１３
００℃で１０分加熱したところ、接合強度１２ｋｇ／閣
２を得た。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、従来インサート
材を用いた接合が困難であったセラミックスと金属との
接合が強固に行なえ、セラミックスの用途を拡大させる
ものである。

手続補正書（自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　セラミックスの接合予定面に重量％で、Ｃａ１５〜
   ８０％、残部Ｓｉ、Ａｌの１種又は２種および不可避的
   不純物からなるインサート材を載置し、非酸化性雰囲気
   中１１５０℃以上で加熱処理し、その後前記接合予定面
   に接合しようとする金属を接しせしめ、非酸化性雰囲気
   中９００℃以上前記接合すべき金属の融点以下の温度に
   て加熱処理することを特徴とするセラミックスと金属と
   の接合方法。 ２　セラミックスの接合予定面に重量％で、Ｃａ１５〜
   ８０％、Ｔｉ１５％以下、残部Ｓｉ、Ａｌの１種又は２
   種および不可避的不純物からなるインサート材を載置し
   、非酸化性雰囲気中１１５０℃以上で加熱処理し、その
   後前記接合予定面に接合しようとする金属を接しせしめ
   、非酸化性雰囲気中９００℃以上前記接合すべき金属の
   融点以下の温度にて加熱処理することを特徴とするセラ
   ミックスと金属との接合方法。