JPS62171969A

JPS62171969A - セラミツクスと金属の接合方法

Info

Publication number: JPS62171969A
Application number: JP1386786A
Authority: JP
Inventors: 白兼　誠; 中橋　昌子; 山崎　達雄; 博光竹田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1986-01-27
Publication date: 1987-07-28

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】〔発明の技術分野〕この発明はセラミックスと金属の接合方法に関し、更に
詳しくは、接合強度が高くかつセラミックスにクラック
を発生させることのない、セラミックスと金属の接合方
法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

熱膨張係数の異なる部材の接合は、各種分野で度々必要
とされる。その代表例は、セラミックスと金属の接合で
ある。近年、セラミックス材料は、その優れた物理的、
化学的特性から、構造部材。

機能部材等、広い分野に利用されはじめている。

セラミックスの特性を生かし、より多くの分野で利用す
るためには、金属との接合が必要とされる。

しかしながら、セラミックスと金属は、その特性が大き
く異なるため、接合に際し種々の問題がある。

重要な問題の１つに、接合に伴う熱応力の発生によるセ
ラミックス母材のクラック発生と、接合強さの低下があ
る。熱応力は、セラミックスと金属の熱膨張差に起因す
るものである。すなわち。

セラミックスと金属は、熱膨張係数の異なるものが多く
、たとえば窒化珪素（約２．５　Ｘ　１０’″＠／Ｘ）
あるいは窒化アルミニウム（約４　Ｘ　１０−”　／Ｋ
）のようなセラミックスと比較して、鉄鋼（約１２　Ｘ
　１０″″＠７Ｋ）やＮｉ　（約１４　Ｘ　１０−’／
Ｋ）のような金属の熱膨張係数は、大きく両者の差が大
きい。そのため接合時の温度の上昇、下降に伴い接合部
に熱応力が発生しセラミックス母材のクランク発生を引
き起こし易い。

さらに、セラミックス母材にクラック発生を引き起こさ
ない場合でも、接合部には、大きな残留応力が生ずる。

この残留応力は、セラミックス母材に引張応力として存
在することが多い。一般的にセラミックスの引張強さは
、圧縮強さに比べかなり低い。従って、引張の残留応力
が存在するセラミックスと金属の接合部材は、外部から
の応力、つまり破壊強さが低くなる。そのため接合部に
は、種々の応力緩和方法が考えられている。しかしなが
ら、発生する熱応力を完全に吸収することは困難であり
、相当量の応力が、室温に冷却された時点で接合部に残
留する。そのため、接合材の使用時に温度変化が生じる
と、残留応力との相乗効果があった。

〔発明の目的〕

本発明は、セラミックスと金属の熱膨張差から生ずる、
セラミックス母材のクラック発生および接合強さの低下
を防止し、高い接合強さを有するセラミックスと金属の
接合方法の提供を目的とする。

［発明の概要〕本発明者らは、セラミックスと金属の接合面に応力緩衝
層を介在せしめて、接合する方法に関し鋭意研究を重ね
た結果、後述の応力緩衝層を用い接合した後、該応力緩
衝層に、せん断あるいは圧縮の塑性変形を加えることで
、上記目的を達成し得るとの事実を見出し、本発明を開
発するに到った。

まず、本発明部材を適用し得るセラミックスとしては、
例えば、Ａ　Ｑ　、Ｑ、　、ＺｒＯ，のような酸化物系
セラミックス、ＳｉＣ，Ｔｉｅのような炭化物系セラミ
ックス、Ｓｉ、Ｎ、、Ａ　！Ｉ　Ｎのような窒化物系セ
ラミックスをあげることができる。また金属としては、
　Ｆｅ。

Ｎｉ、Ｇｏ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｃｕ
、Ａ　Ｑ　　のような金属、若しくは、これら金属の適
宜な合金をあげることができる。

３一本発明の熱応力緩衝層は、空孔を有する金属層または、
空孔を有する粒子分散強化型合金層であり、それぞれ粉
末冶金法または、内部酸化法等により得ることが出来る
。空孔を有する金属層としては、Ｎｉ、Ｇｏ、Ｆｅ、Ｔ
ｉなどが好ましい。

また空孔を有する粒子分散強化型合金層は、マトリック
ス金属として、Ａ　Ｑ　、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属が好ま
しく１分散粒子はＺｒ０ｔ　ｔ　ＣｅＯ，ｔ　Ｔｉｅ２
．５ｉｎ２．　Ｔｈｅ、　。

ＡＱ２０．などがあり、その粒径は１０庫以下が好まし
く、小さいほど効果的である。粒子はその粒子間距離が
小さくなると耐力が上がり、特に高温での機械的特性が
、きわめて優れているのが特徴である。粒子分散量は２
〜１２体積％の範囲が好ましい。

粒子分散量が２体積％未溝の場合、高温での機械的特性
の向上は望めず、また１２体積％を越えると粒子分散強
化型合金層は硬くなり過ぎ、熱応力の緩和に不利となる
。また、これら金属層または粒子分散強化型合金層の空
孔率は１〜５０体積％の範囲が好ましい。空孔率が１体
積％未濃の場合、接合時の熱応力の緩和が十分に出来な
い可能性があり、さらに、接合後の熱応力緩衝層への塑
性変形の附与による接合強さの向上が期待出来なくなる
。

また、空孔率５０体積％以上の場合、接合後の熱応力緩
衝層への塑性変形の附与が均一に出来なくなる場合があ
る。これら熱応力緩衝層の厚さは０．３ｍ以上を必要と
する。熱応力緩衝層の厚さが０．３閣より薄い場合、接
合時セラミックスと金属との間に発生する熱応力を有効
に緩和することができず、セラミックスにクラックが発
生するかあるいは接合強さが著しく低下することになる
。これら熱応力績ｉＩＭにおいて、熱応力の緩和に大き
く寄与するものは、■熱応力緩衝層中に無数に分布する
微細な空孔の存在である。つまりセラミックスと金属と
の熱膨張差から生ずる熱ひずみを空孔部にて緩和するも
のと。■熱応力緩衝層自身の塑性変形または弾性変形に
より、熱ひずみを緩和するものである。特に、前記■の
金属焼結層中の空孔が大きく寄与しており、接合時の室
温付近で生じる最大の熱歪みを該空孔部で吸収して、セ
ラミクス発生を防止する。一方、接合部材の高温接合強
度は、熱応力緩衝層自体の強さに存在する。従がって熱
応力緩衝層の空孔率は、前記範囲（１〜５０体積％）で
、せん断あるいは、圧縮の塑性変形を加えたときの熱応
力の緩和と高温接合強さとの兼合いで決められる。

」ユ記、熱応力緩衝層に附与する圧縮またはせん断の塑
性変形は、セラミックス−金属接合材に介在されている
熱応力緩衝層に附与するものである。

つまり、所定の空孔率、および粒子分散量を持つ熱応力
緩衝層を、セラミックスと金属の接合面に介在させ接合
することにより、熱応力が緩衝された接合材が得られる
。次に接合材部より負荷を加え、熱応力緩衝層に主応力
方向が圧縮またはせん断となる応力を加え、熱応力緩衝
層に塑性変形を附与する。この際の塑性変形量は、熱応
力緩衝層に、１体積％以上の空孔率が残る範囲とする。

、塑性変形は圧縮またはせん断が主体となるものが好ま
しく、例えば引張塑性変形では、空孔を有する熱応力緩
衝層において、塑性変形量は小さく、また、塑性変形を
加えてもセラミックス−金属接合材の接合強さを増す効
果は少ない。

このように５セラミックス−金属接合材に介在させた熱
応力緩衝層に１体積％以」二の空孔が残る範囲で塑性変
形を加えることにより、セラミックス−金属接合材の接
合強さ、特に構造用部材として、重要な弾性変形内での
変形強さが大幅に向上する。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の詳細な説明する。

実施例コ８まず、直径１３画、厚さ５■の窒化ケイ素円柱体。

直径１３ｔ＋＋、厚さ５ＩＩＩ］ｌの構造用炭素鋼（Ｊ
ＩＳ、８４５Ｃ）間に前記Ｎｉ焼結体を介在させ、該窒
化ケイ素円柱体とＮｉ焼結体の間及びＮｉ焼結体と炭素
鋼円板の間に夫々厚さ５１ＪＭのＴ３箔とＣｕ箔を挟ん
で重ね合せた後＋　１０ｋｇ／ｃｄの圧力を加えながら
５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、９５０’１ｃＸ４分間の条
件に保持し、ひきつづきアルゴンガス中で冷却して、窒
化ケイ素−炭素鋼接合部材を得た。得られた接合部材に
ついて、接合面にせん断路力を加え、０．５ｎｍのせん
断塑性変形を加えた後、室温から６００℃までの、０．
２％せん断耐力を測定した。また比較例１として、せん
断塑性変形を加えていない、窒化ケイ素−炭素鋼接合材
を実施例と同様に、せん断強さを測定した。これらの結
果を図１に示した。なお、図中のＡ、Ｂは夫々本実施例
１、比較例１の接合部材の特性線を示す。

図から明らかな如く５本実施例１における接合部材は、
０．２％せん断耐力が室温から６００℃においていずれ
も１１　）ｃｇ　／　ｍａ　”以上であって、窒化ケイ
素と炭素鋼との間の熱応力が緩和されていることが判か
る。これに対し、比較例１の場合は室温から６００℃に
おいていずれも６　ｋｇ　／　ｍｍ　２程度であって、
窒化ケイ素と炭素鋼との間の熱応力は、充分に緩和して
いることが推定される。しかし、実施例１に比べ０．２
％せん断耐力は、約５５％程度の低い値となっている。

８一実施例２重量％、１２０３の粒子分散強化型合金層（Ａ　Ｑ　２
０．粒径０．０５ｇ＋＋）を夫々介在させ、該窒化ケイ
素円柱体とＣｕ−Ａ　Ｑ　２０．合金層の間及びＣｕ−
Ａ　Ｑ　１１０３合金層と炭素鋼円板の間に厚さ１０μ
恒のＡｇ箔、３−のＴ１箔を挟んで重ね合せた後、１　
ｋｇ／ｄの圧力を加えながら、５Ｘ１０−”Ｔｏｒｒ、
８５０”ＣＸ６分間の条件で保持し。

ひきつづきアルゴンガス中で冷却して、窒化ケイ素−炭
素鋼接合材を得た。次に接合面に０．５ｍｅ＋のせん断
塑性変形を加え、室温から６００℃までの０．２％せん
断耐力を測定した。また比較例２として。

せん断塑性変形を加えていない、窒化ケイ素−炭素鋼接
合材を実施例と同様にせん断強さを測定した。これらの
結果を図２に示した。なお１図中のＣＤは夫々本実施例
２．比較例２の接合部材の特性線を示す。

図から明らかな如く、本実施例２における接合部材は０
．２％せん断耐力が室温で、２６．４）ｃｇ／ｍ”、３
００℃で１３．２ｍ／ｍ”　、　６００℃で８．２ｋｇ
／ｍ＋”であった、これに対し、比較例２では、室温で
１８．２ｋｇ／ｍｍ”ｔ３００℃で８．９ｋｇ／ｍ”、
　６００℃で７　、７　ｋｇ　／　ｍ　”であり、実施
例の方が高強度となっていた。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く１本発明によれば、セラミックスと金
属の熱膨張差から生ずるセラミックス母材のクラック発
生を防止し、かつ、高い接合強さが得られる。構造用部
材として有用な高信頼性のセラミックス−金属接合部材
を提供できる。

２及び比較例２の夫々窒化ケイ−素−炭素鋼接合部材の
接合面に温度を加えて０．２％せん断耐力を測定するこ
とにより得た特性図。

代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　竹　花　喜久男、Ｌｌｌ　１４１／名〉″″ｔ１１ｔ１１−レｐ−７，
ｌ’０シｐ

Claims

【特許請求の範囲】１、セラミックスと金属の接合面に空孔を有する金属層
を介在させ、該セラミックスと金属および空孔を有する
金属層を接合した後、空孔を有する金属層に、せん断ま
たは圧縮の塑性変形を加えたことを特徴とするセラミッ
クスと金属の接合方法。２、空孔を有する金属層が粒子分散強化型合金であるこ
とを特徴とした、特許請求範囲第１項記載のセラミック
スと金属の接合方法。