JPS62223071A - セラミツクスと金属，同種セラミツクス同志または異種セラミツクス間の接合方法 - 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〕 この発明は、セラミックスと金属、同種セラミックス同
志または異種セラミックス間の接合方法。

ならびに、金属構造部材の表面上に溶射により形成する
セラミックス層と該金属構造部材との接合方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

一般に、セラミックスは金属に較べて耐摩耗性。

耐熱性、耐腐食性、絶縁性などにすぐれた特性を有する
材料であるが、機械的な衝撃に脆い、導電性に劣る。加
工性に劣るなどの欠点がある。一方。

金属はこのようなセラミックスの欠点とされる面には逆
にすぐれていることが多い。

そこで、セラミックスを金属との接合体として使用した
場合には、それぞれの持つ欠点を相互に補うことが可能
となり、セラミックスと金属との有用性を共に生かして
利用することができ、セラミックス−金属接合体として
の用途範囲が広いものとなる。

また、同種セラミックス同志の接合による場合はセラミ
ックスの成形方法を簡略化でき、小型で構成できること
から価格が安くなり、セラミックスの用途範囲が極めて
広いものとなる。

さらに、異種セラミックス間の接合による場合。

それぞれのセラミックスのもつ特性、たとえば電気絶縁
性、熱伝導性、耐摩耗性などの特性を相互に補うことが
でき、セラミックスの用途範囲は極めて広いものとなる
。

しかるに、このようなセラミックスと金属との接合体は
、通常過酷な条件下で使用されることが多く、特にセラ
ミックスと金属との熱膨張率の差に起因して両者の接合
部では高い熱応力が発生しやすいという問題がある。ま
た、同種セラミックス同志の接合においては、セラミッ
クスの特性を生かす必要があるところから、耐熱性ある
いは気密性のある接合を必要とする問題がある。さらに
、異種セラミックス間の接合においても同様の技術的な
問題がある。

このため、セラミックスと金属、同種セラミックス同志
または異種セラミックス間は強力に接合されていること
が要求されるが、このような接合を金属ろう材を用いて
一回の加熱により行う方法は極めて利用価値の高いもの
である。

従来、セラミックスと金属との接合体を得る方法として
、酸化物型セラミックスと銅とを酸化性雰囲気中で加熱
して両者を接合させる方法が知られている（特公昭５８
−３９９９号公報、特開昭５９−２１７６８９号公報）
。この方法は一回の加熱により良好な接合強度を得るす
ぐれた方法ではあるが、酸化性雰囲気による加熱によっ
て銅表面にこの表面性状を著しく阻害する酸化銅被膜が
形成され、かつ高温による加熱のため銅自体が変形し、
このため後加工が必要となるなどの難点がある。

また、焼結セラミックスの金属化法として、マンガンの
融点より低い温度でマンガンと珪素との反応を起こし得
る珪素化合物を含有する焼結セラミックス表面に、マン
ガン含有金属層を形成し。

この金属層をマンガンの融点より低い温度に加熱してマ
ンガンと珪素との結合反応を行わせる方法であって、上
記マンガン含有金属層を上記結合反応に先立って上記セ
ラミックス表面に緊密に密着させ、上記珪素化合物とマ
ンガンとをマンガンの融点より低い温度で反応させる方
法が提案されている（特開昭５８−２０４８８５号公報
）。

しかるに、この方法はマンガン含有金属層とセラミック
スとを加熱中に緊密は密着させる必要があり、また被接
合セラミックスにはマンガン含有金属層と反応を起こし
得る珪素化合物すなわちＳｉＯ２およびＳｉ、Ｎ４を必
ず含有させておかわばならず、被接合セラミックスの種
類が限定されるという難点がある。

また、特に酸化物型のセラミックスの金属化法として、
たとえばＭ　ｏ　−Ｍ　ｎ粉末を主体にＳｉＯ、、Ｃａ
Ｏなどを添加してなるメタライズペーストを塗布し、加
熱還元雰囲気中で焼結して金属化層を形成し、しかるの
ちＮｉメッキを施してろう付けする方法が一般的に行わ
れている。この方法は焼結とろう付けの二度の加熱を必
要とし、またその間にＮｉメッキを行わねばならないの
で、生産性が悪く、煩雑な工程管理を必要とするなどの
難点がある。

また、酸素に対して活性な金Ｊｉ５１Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ
などとセラミックスとの界面における反応を利用して接
合する活性金属法が知られている。たとえばアルミナに
対してはＴｉ−２５％ｖ−２５％Ｃｒ合金が用いられ、
その接合温度は１，５５０〜１，６５０℃で真空、Ａｒ
などの不活性雰囲気中で行われている。この方法は接合
温度が高く、設何面から制約を受は生産性の低いもので
あった。

さらに、従来、酸化物型セラミックス、窒化物型セラミ
ックス、炭化物型セラミックスにおいてセラミックス同
志を接合する接着剤として、フッ化ナトリウムおよびフ
ッ化カルシウムの少なくとも１種、またはこれとカリオ
ンとの混合物を有効成分とする接着剤が提案されている
（特開昭５８−９５６６８号公報）、シかるにこの方法
は接着後の接合強度は大きいが、接合加熱中に接合面は
半溶融状態となり、接合後のセラミックスの相互寸法精
度の維持が難しいという欠点があった。

また、従来の金属構造部材の表面−ヒに耐食性。

耐食性、耐熱性の向上のために行うセラミックス溶射に
あっては、先づ金属構造部材の表面をグリッドブラスト
などで粗面化しモリブデン全屈あるいはＮ　ｉ　−５％
Ａｌなどのボンド金属の溶射により下地処理を行い１次
いでセラミックス溶射を行って金属構造部材の表面上に
セラミックス溶射層を形成している。この場合の接合部
は、金属表面の粗面化とモリブデン金属の酸化物被膜が
比較的低温度で昇華し結合力を増大させる機構、あるい
はＮｉ−５％ＡＩ合金の合金化に際しての発熱反応によ
り結合力を増大させる機構を利用しているが、何れもア
ンカー効果による機械的接合でありるため、金属構造部
材とセラミックス溶射層との接合強度は最大２００〜２
５０ｋｇ／ｃｄ以下であり、使用時の熱負荷や作用応力
によりセラミックス溶射層が剥はする場合がある開運が
あった。

〔発明が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あるいはセラミックス
同志の接合方法としては、今日まで種々の方法が提案さ
れているが、それぞれ固有の問題点がある。この問題点
の一部はすでに記述したとおりであるが、この点も含め
てさらに検討整理すれば以下の通りである。

まず、上記従来の酸化銅法では、前記問題点のほか、こ
の方法でｔｊ）られた金属化面を利用して引き続き金属
構造体に接合する場合、セラミックスと銅層との熱膨張
率の差に起因して、約８００℃付近の硬ろう付を行うと
セラミックス側にクラックが生じるため、強度の低い約
３００　’Ｃ以下で施工する軟ろう付により金属構造体
に接合せざるを得ない。その結果、最終的な接合強度は
総合して弱いものとなり、また折角のセラミックスの耐
熱性も軟ろう付の耐熱性が低いことにより、この性能を
充分に発揮されないという重大な問題がある。

また、上記従来のマンガン含有金属による接合法は加熱
と同時に加圧する必要があり、それだけ複雑な治具ある
いは装置を必要とする問題があり。

またマンガン含有金ＩＸ層と反応を起こし得る珪素化合
物をセラミックス側に含有させておく必要があって、セ
ラミックスの特性を劣化させる場合があると同時に、そ
のセラミックスの種類が限定されるという問題がある。

　　゛ また、上記従来のＭ　ｏ　−Ｍ　ｎ法は焼結−メツキー
ろう付という複雑な工程が必要であると同時に、ＳｉＯ
□とＣａ　Ｏなとの比較的融点の低い脆弱なガラス質の
中にＭｏ、Ｗなどの粉末が混在してなる異質層が残って
いるという問題がある。

また、上記従来の活性金属法は接合に用いるろう材の融
点が高いため、設備面からの制約が大きく、生産性の低
いものであると同時に接合温度が高いことにより、セラ
ミックスと金属化面の熱膨張差が大きく影響し、総合的
な接合強度は低いものとならざるをえなかった。

さらに、上記従来のフッ化ナトリウムおよびフン化カル
シウムの少なくとも１種またはこれとカオリンとの混合
物を用いるセラミックス用接着剤は、被接着セラミック
スへはげしく拡散し、半溶融ガラス層がセラミックス接
合境面に生じ、セラミックス相互の寸法精度の維持が難
しくなると同時に接合面全体にわたり均一な境界層を得
ることが困難であるという問題がある。

さらに上記従来の金属構造部材の表面上に行うセラミッ
クス溶射にあっては、金属構造部材とセラミックス溶射
層との結合機端がアンカー効果による機械的接合である
ところから、その接合強度は低く金属構造部材とセラミ
ックス溶射層の熱膨張率の違いに起因して接合境界部に
生ずる剪断応力により剥離を生ずるため使用時の温度範
囲に限定を受け、寿命が短いという問題があった。

したがって、この第一の発明は、上記従来の諸方法の問
題点をすべて解決して、加熱接合時の温度制御が容易で
、−回の加熱により安定して大きな接合強度を得ること
ができ、被接合体相互の寸法精度維持が容易である工業
的に有用なセラミックスと金属、同種セラミックス同志
または異種セラミックス間を接合する方法を提供するこ
とを１１的としている。

また第二の発明は、上記従来のセラミックス溶射法の施
工に伴う問題点をすべて解決して金属構造部材とセラミ
ックス溶射層の化学的結合を図ってより安定して大きな
接合強度を得ることができ、金属構造体の耐熱性と寿命
を向上することができる工業的に有用なセラミックス溶
射に伴う金ノー（とセラミックスとの接合方法を提供す
ることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

第一の発明について、上記目的を達成するために鋭意検
討した結果、セラミックスと金属などとの接合部にチタ
ニウム粉末粒子の分散メッキを施し、このメッキに際し
てメッキ基材にはチタニウムと合金を形成しつるチタニ
ウムより低融点の金属または合金を用い１次いで不活性
雰囲気中たとえば真空中で上記メッキ基材の融点以上の
温度でかつチタニウムが固形状態を保つ温度に加熱する
ことにより、チタニウムの一部をメッキ基材を構成する
金属または、合金中へ拡散させる接合方法をとった場合
には、上記従来の問題をことごとく解消でき、特にセラ
ミックスと金属などとの接合強度の大きい接合体が得ら
れるといったことを知得した。

一般に、チタニウムはその溶融状態でセラミックスに対
して良好なぬれ性を示し、かつセラミックス中へ拡散す
る性質を有していることから、この特性を利用した金属
ろう材が種々開発されてきた。

しかしながら、これらチタニウムを多量に含むろう材は
ろう付後脆く延性が低いものとなる。

一方、チタニウムを少量含有する銀ろう材、銅ろう材、
ニッケルろう材も考えられ、これらは比較的低融点で延
性のある特性を付与することができるが、セラミックス
へのぬれ性が悪く、やはり充分な接合特性が得られない
。

これに対し、この第一の発明では、前述のように被接合
物の接合箇所にチタニウム粉末粒子を分散メッキを施す
ようにし、このメッキに際しそのメッキ基材にはチタニ
ウムと合金を形成しうるチタニウムより低融点の金属ま
たは合金を用い１次いでこの状態で低融点のメッキ基材
は溶融するが、メッキ基材に分散して包含されているチ
タニウム粉末粒子は固形状態を保つような温度に加熱す
るようにしたものである。この方法をとることにより、
メッキ基材とその中に分散含有しているチタニウム粉末
粒子が一部合金化することによってメッキ層が接合ろう
材として有効に作用する。

この場合、加熱初期においては、溶融した低融点の金属
メッキ基材が被接合物であるセラミックスあるいは金属
と固形状態を保つチタニウム粉末粒子との間を液密に充
填して、かつこのチタニウム粉末粒子に対してぬれ性良
好に接触する。ここで、チタニウム粉末粒子とメッキ基
材とは互いに合金化しうる性質を有しているため、引き
続き加えられる加熱温度によりチタニウム粉末粒子が部
分的にメッキ基材の中へ溶解拡散する現象がおこり、こ
の拡散によってメッキ基材自体がセラミックスに対し充
分なぬれ性を発揮するようになる。

そして、上記の拡散したチタニウム粉末粒子は、これが
さらにセラミックス中に拡散していくことにより、セラ
ミックスの接合強度の増大に大きく寄与する。一方、上
記セラミックスへの拡散によりメッキ基材中のチタニウ
ム粉末粒子量は減少す−るが、これはメッキ基材の中に
ぬれ性良好に接触する固体状態のチタニウム粉末粒子か
ら逐次的に補給されるため、溶融状態のメッキ基材中の
チタニウム含有量は一定量に保たれ、この量は加熱温度
と加熱時間を制御することによって必要最小限に設定で
きる。

このため、加熱処理後のメッキ基材中にチタニウムが過
剰に存在するという弊害もなく、メッキ基材自体は延性
を保ち、またチタニウム自体比較的熱膨張率が低いうえ
に加熱温度も低いため、残留応力からくる接合特性の低
下への影響は少ない。

さらに、固体状態のチタニウム粉末粒子は加熱処理中メ
ッキ基材中へ溶解拡散していくことによって減少するた
め、その初期の量と加熱処理の温度。

時間を適当に定めることによって、加熱処理後にこれが
メッキ基材中にほとんど残存しない状態とすることも可
能である。しかし、これが残存していてもセラミックス
の接合特性には特に悪影響をおよぼさないものであり、
この残存をあえてさける必要はない。

また、この発明においては、上記の加熱接合を不活性雰
囲気すなわち、真空中で行っていることにより、加熱初
期におけるメッキ基材のチタニウム粉末粒子に対するぬ
れ性を良好にでき、またメツキ基材中へのチタニウム粉
末粒子の溶解拡散によるメッキ基材自体のセラミックス
へのぬれ性を−Ｓ良好とすることができるのである。

このように、前記この発明の接合方法によれば、チタニ
ウムの有するセラミックスへの良好なぬれ性と拡散性を
充分に利用できるうえに、接合時の加熱温度を低く設定
できるから、セラミックスと金属などとの接合強度を大
幅に向上できるとともに接合作業性の改善をも図りうる
。

また、接合部分のみにチタニウム粉末粒子を含有する分
散メッキを所要厚さだけ施すことにより余分なろう材を
不安定に置く必要がなく、この分散メッキは金属構造部
材あるいはセラミックスの何れに対してもその接合部分
に限定して施工できるところから極めて合理的に生産性
の向上を図りうる。

この第一の発明は以上の知見をもとになされたもであり
、その要旨とすることろは、セラミックスと金属、同種
セラミックス同志または、異種セラミックス間を接合す
る方法において、各接合部にチタニウムを含む粉末粒子
の分散メッキを施し。

この際のメッキ基材にはチタニウムを含む粉末粒子と合
金を形成し、且つ、このチタニウムを含む粉末粒子より
低融点の金属または合金とし、不活性雰囲気、すなわち
、真空中で上記メッキ基材の融点以上の温度でかつチタ
ニウムを含む粉末粒子が固形状態を保つ温度に加熱する
ことにより、少なくともチタニウムを含む粉末粒子をメ
ッキ基材を構成する金属または合金中へ拡散させ、メッ
キ基材自身を接合用ろう材として有効に作用させること
を特徴とするセラミックスと全屈、同種セラミックス同
志または異種セラミックス間の接合法にある。

また、第二の発明について、上記目的を達成するために
鋭意検討した結果、金属構造部材の表面上に、チタニウ
ムを含む粉末粒子の分散メッキを施し、この際のメッキ
基材にはチタニウムを含む粉末粒子と合金を形成しうる
チタニウムを含む金属より低融点の金属または合金を用
い、引き続き金属構造部材の分散メッキを施した表面上
にセラミックス溶射を行ない、次いで不活性雰囲気、す
なわち、真空中で上記メッキ基材の融点以上の温度でか
つチタニウムを含む粉末粒子が固形状態を保つ温度に加
熱することにより、少なくともチタニウムを含む粉末粒
子をメッキ基材を構成する金属または合金中へ拡散させ
、このような分散メッキ層を介在させることによってセ
ラミックス溶射層と金属構造部材とを化学的に強固に接
合させ。

特にセラミックス溶射層被膜と金属構造体との接合強度
の大きいセラミックス溶射層被膜を形成して上記の如き
問題点をことごとく解消できることを知得した。

一般に金属構造部材に対するセラミックス溶射法は前記
の通り機械的接合に過ぎないためセラミックス溶射層被
膜と金属構造体との接合強度は低く、使用時の熱負荷や
作用応力によりセラミックス溶射層が剥離する問題があ
る。

この第二の発明においては、金属構造部材のセラミック
ス溶射を施工しようとする部分のみ予めチタニウムを含
む粉末粒子を含有する分散メッキを所要の厚さだけ行っ
ておき、その上にセラミックス溶射層被膜を施工し、次
いで不活性雰囲気たとえば真空中で金属構造部材と共に
セラミックス溶射層を加熱するようにした。この場合の
加熱手段は任意であって全体加熱でもよく、局部加熱を
走査することにより逐次メッキ基材を溶融していく方法
でもよく、また熱間静水圧加圧法を利用してもよい、こ
のセラミックス溶射層被膜と金属構造体との化学的結合
の作用原理は、第一の発明におけるセラミックスと金属
との接合原理と同様であって、分散メッキ中のチタニウ
ムを含む粉末粒子、メッキ基材の構成、加熱温度２時間
などの操作も同じように行えばよい。

ただセラミックス溶射層と金属構造体との中間のメッキ
基材は加熱中に一時溶融状態となるので。

セラミックス溶融被覆面積が大きい場合には、加熱時に
加圧しておく必要がある。この点から熱間静水圧加圧法
を利用するのは好ましい手段である。

このように、この第二の発明のセラミックス溶射を伴う
接合法によれば、チタニウムの有するセラミックスへの
良好なぬれ性と拡散性を充分に利用できるうえに、金属
構造体の溶射部分のみにチタニウムを含む粉末粒子を含
有する分散メッキを所要厚さだけ施し２次いで加熱処理
を行なうことにより、セラミックス溶射層被膜と金属構
造体を化学的結合とすることができ、被膜結合強度を向
上できると共にセラミックス溶射の作業性の改善をも図
りうる。

この第二の発明は以上の知見をもとになされたものであ
り、その要旨とするところは、金属構造部材の表面上に
チタニウムを含む粉末粒子の分散メッキを施し、このメ
ッキをするに際してはそのメッキ基材にチタニウムを含
む粉末粒子と合金を形成し、且つ、チタニウムを含む粉
末粒子より低融点の金属または合金を用い、引き続き金
属構造部材の分散メッキを施した表面上にセラミックス
溶射を行なってセラミックス層を形成し１次いで真空中
で上記メッキ基材の融点以上の温度でかつチタニウムを
含む粉末粒子が固形状態を保つ温度に加熱することによ
り、チタニウムを含む粉末粒子をメッキ基材を構成する
金属または合金中へ拡散させ、このメッキ基材を介在さ
すことによりセラミックス溶射層と金属構造部材とを化
学的に接合することにある。

〔発明の構成・作用〕

この第一の発明の接合方法には、セラミックスと金属、
同種セラミックス同志および異種セラミックス間の接合
方法が包含される。上記のセラミックスには、酸化物型
セラミックス、窒化物型セラミックス炭化物型セラミッ
クスなどの従来公知のセラミックスがいずれも含まれ、
また、これと接合させる金属としてはメッキ基材の融点
より高い金属であれば特に制限はなく、たとえばＴｉ。

Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉなどの金属ないし合金あるいはこれら
金属と他種金属との合金などが挙げられる。

同種セラミックス同志の接合とは、たとえば酸化型セラ
ミックス同志の接合、窒化物型セラミックス同志の接合
炭化物型セラミックス同志の接合などをいい、また異種
セラミックス間の接合とは。

たとえば酸化物型セラミックスと窒化物型セラミックス
との接合酸化物セラミックスと炭化物型セラミックスと
の接合などをいう。

この発明において接合に用いるメッキ基材は、チタニウ
ムと合金化が可能でかつチタニウムより低融点のもので
あればよく、このものは一般に真空中での加熱において
チタニウムと良好なぬれ性を示す。具体的には、Ａｇ、
Ｃｕ、ＮｉまたはＡｇとＣｕの合金メッキｔ　Ａ　ｕと
Ｃｕの合金メッキ。

ＡｇとＣｕの積層メッキ、ＮｉとＣｒの積層メッキなど
から適宜選択使用できる。

この合金メッキ、積層メッキにおいては、たとえば（Ａ
ｇ７２％、Ｃｕ２８％）、（Ａ　ｕ　３８％、Ｃｕ６２
％）となるように液組成、メッキ条件を選定すればよい
。またこのように分散メッキを接合部に施工するにって
いは電気メッキによる方法によってもあるいは無電解メ
ッキによる方法によってもよく、またセラミックス同志
の接合部に実施するについては最初極く薄く（１μｍ程
度）無電解メッキにより電導性を付与した後、その上に
積層して所要量の厚さだけ電気メッキを行うこともでき
その選択は自由である。

またその接合部に施工する分散メッキは被接合体の両面
に行ってもよく、片面だけ所要量行ってもよい。

なお、分散メッキ中の成分としてチタニウム粉末粒子に
加えてマンガンおよびモリブデン粉末粒子を含ませるよ
うにするか、あるいはクロムおよびモリブデン粉末粒子
を含ませるようにすると、これが加熱時にセラミックス
表面の解難反応を促進する機能を有しており、セラミッ
クス界面から極く微量解離した譜々の元素（たとえばＡ
ｔ、Ｏ。

Ｓｉ、Ｎ）との相互溶解あるいは結合力が強いことによ
って接合特性に好結果を与える。したがって、このよう
な分散メッキの配合は、この発明において、特に好まし
いものである。

なお、分散メッキ中の成分としてチタニウム。

マンガン、モリブデン粉末粒子を含む組合せ配合か、あ
るいはチタニウム、クロム、モリブデン粉末粒子を含む
組合せ配合に加えて、ニッケル、コバルト、鉄の中から
選ばれた少くとも一種または二種以上の粉末粒子を配合
することによって、炭化物型セラミックス界面から極く
微量解離した諸々の元素と（たとえばＳｉ、Ｃ）との相
互溶解あるいは結合力を強化でき、従って、炭化物型セ
ラミックスの接合特性に特に好ましい結果を与える。

また、前記の各々のメッキにおける粉末粒子の組合せ配
合に加え、更にチタニウムもしくはジルコニウムの窒化
物、炭化物またはほう物の中から選ばれた少なくとも一
種または二種以上の粉末粒子を加えた分散メッキをする
ことにより、メッキ基材のセラミックスへのぬれ性を一
層向上させることができ、また、メッキ基材を凝固後の
延性と同時に高強度とすることができ、さらにこれらの
化合物はいずれも高融点であるところからメッキ基材の
加熱融時において形状保持機能を発揮させることができ
る。

これらの化合物の物理特性とその主要特性は、次の第１
表に示されるとおりである。この表から判るように、こ
れらの化合物はいずれもその熱膨張率が小さく、そのう
ちの一種あるいは二種以上を選定組み合わせることによ
り、メッキ基材の熱膨張率を接合するべきセラミックス
の熱膨張率へ近づけることができるから、熱応力の緩和
にも有効である。

この発明において金属粉末粒子の形状９粒子の大きさは
任意であり、メッキ基材中にほぼ均一に分散しうるもの
であればよく１通常０．５μｍから１０μｍである。

また、これらのメッキ基材中へ分散包含される金属粉末
粒子は最終的にメッキ基材に相互溶解する金属元素とあ
らかじめ合金化された粒子であってもよい。

また、分散メッキ層中に含有される各々の金属粉末粒子
の含有量としては各金属元素共、引き続く加熱処理の際
の温度によりメッキ基材中への溶解拡散量が決まるもの
であって、その全量がメッキ基材中へ溶解拡散してもよ
く、一部残存してもよいところからその含有量は任意で
ある。またチタニウムおよびジルコニウムの窒化物、炭
化物およびほう化物の含有量はメッキ基材の凝固後の機
械的性質あるいは熱膨張係数から決めればよいので、そ
の含有量は適宜選定すればよく任意である。

これらの要因を配慮してメッキ基材中に分散される各々
の粉末粒子の好ましい含有量を第二人に示した。

このような分散メッキ層をもった接合部を相互に接触さ
せ不活性雰囲気すなわち真空中での加熱処理に供される
。この際の加熱温度はメッキ基材の融点以上の温度でか
つチタニウムを含む金属粉末粒子が固形状態を保つ温度
、一般的にはメッキ基材の融点、つまり液相点温度より
５０℃ないし１５０℃高い温度に保持すればよい。

保持時間は、溶融したメッキ基材中へ溶解拡散させるべ
きチタニウムおよび他の金属元素の量、つまり各接合態
様に応じて決められる上記チタニウムおよび他の金属元
素の量は各接合態様に応じて選択でき、この溶解量は温
度と時間の関数で定まるものであるが１通常は２〜３０
分間で充分である。このような温度２時間は通常の金属
同志のろう付作業条件と大差なく、生産性の向上に大き
く寄与するものである。

この加熱処理における真空度は、例えば分散される粒子
がチタニウムのときチタニウムの温度酸化を防止しかつ
メッキ基材のぬれ性をよくするため、　Ｉ　Ｘ　１０−
３ｎｎ＋Ｈｇ以上の高真空度とするのが好ましく、さら
に好ましくはＩ　Ｘ　１０−’ｎａＨｇ以上とするのが
よい。

上記の加熱処理により、加熱初期においてまずメッキ基
材が溶融してチタニウム表面にぬれ性良好になじみ、つ
いでこの溶融メッキ基材中へチタニウムが徐々に溶解拡
散することにより、メッキ自体がセラミックスによくぬ
れ、メッキ基材中へ拡散したチタニウムはさらにセラミ
ックス中へ拡散していく。この拡散によって消費された
チタニウムは溶融メッキ基材に接触しているチタニウム
よりさらに平衡量に達するまで適宜補充される。

そして、上記の平ｉ量は加熱温度などの設定によって必
要最小限に調整できるから、加熱処理後のメッキ基材は
良好な延性を保ち、これと上記溶融メッキ基材のセラミ
ックスへの良好なぬれ性およびチタニウムのセラミック
スへの拡散作用とにより、接合特性の良好なつまりセラ
ミックスと金属などとの接合強度の非常に大きい接合体
が得られる。

つぎに、この発明者は、上記の接合方法において、接合
部に予め前記メッキ基材およびチタニウムとともに、チ
タニウムもしくはジルコニウムの窒化物、炭化物または
ほう化物の中から選ばれた少なくとも一種または二種以
上を介在させておくことにより、メッキ基材のセラミッ
クスへのぬれ性を一層向上させることができ、またメッ
キ基材の凝固後の延性と同時に高強度とすることができ
。

さらにこれらの化合物はいずれも高融点であるところか
らメッキ基材の加熱溶融時において形状保持機能を発揮
させることができることを知得した。

これらの化合物は一般に０．５μＩＩＩ〜１０μｍの粉
末状として用いられ、その使用量としては分散メッキ基
材１００重量部に対して０．１〜２０重量部、さらに好
ましくは０．５〜１０重量部程間部会のがよい。

また、この第二の発明におけるセラミックスの溶射には
、溶射材料としてアルミナ系、ジルコニウム系、チタニ
ア系、ムライト系、窒化珪素系。

炭化珪素系などの従来公知の溶射材料が何れも含まれ、
また溶射装置としてはアーク溶射、火焔溶射、プラズマ
溶射などの方法が適宜選定できる。

また、溶射を行う下地金属すなわち金属構造体としては
メッキ基材の融点より高い金属であれば特に制限はなく
、たとえばＴｉ、Ｃｕ、Ｆａ、Ｎｉなどの金属ないし合
金あるいはこれら金属と他種金属との合金などが挙げら
れる。

金属構造部材のセラミックス溶射を施工しようとする部
分にのみ予め所要の粉末粒子を含む分散メッキを所要の
厚さだけ行ってお（。この分散メッキの粉末粒子の配合
量２組合せ、メッキ基材の組成などは第一の発明と同一
の手順、方法で行えばよい６ 次いで、真空中で金属構造部材と共にセラミックス溶射
層を加熱する。この加熱手段は任意であって全体加熱で
もよく局部加熱を順次行っていく方法あるいは熱間静水
加圧法を利用してもよい。

セラミックス溶射被膜と金属構造体との化学的結合の原
理は、第一の発明におけるセラミックスと金属との接合
原理と同一であるので、加熱温度。

時間、真空度などの諸条件は第一の発明と同様でよい。

セラミックス溶射波ｒＪ！！４層の厚さは通常０゜１〜
２　、５　ｍｍ好ましくは０　、２〜１　、５　ｍｍ程
度とするのがよい。

また、このセラミックス溶射被膜層は薄いので上記加熱
処理に際し、セラミツミス側から金属構造体側に対し均
一に加圧して両者の密着化を図るようにしておくのがよ
い。

さらに第一の発明における接合体金属あるいは第二発明
における金属構造体がチタニウムあるいはその合金であ
る場合には、第二表に示す各々の分散メッキ層に包含さ
れるチタニウム粉末粒子は必要はなくい。これはメッキ
基材の加熱溶融時にチタニウ１１あるいはその合金の界
面からチタニウム元素が加熱温度と時間に応じた量だけ
溶融メッキ基材中へ溶出するからである。したがって、
このような実施態様の場合には１分散メッキ層中にチタ
ニウム粉末粒子を除いた残りの金属元素および化合物の
粉末粒子を含有させることにより、この第一発明および
第二発明と全く同様の作用効果を示すので、このような
構成はいずれもこの第一第二発明の実施態様の一つとし
て包含される。

〔発明の効果〕

以上のように、この第一発明においては、接合部にチタ
ニウムを含む粉末粒子およびこのチタニウムを含む粉末
粒子にぬれ性を有する低融点でかつチタニウムと合金化
しうるメッキ基材を用いて分散メッキを施し、次いで、
真空中において上記メッキ基材が融液となる温度に加熱
することによって、メッキ基材の中へチタニウムを含む
粉末粒子の拡散をはかり、ついで、溶融メッキＪ！材を
介してセラミックス中へのチタニウムを含む粉末粒子の
拡散を行わせ、必要に応じこの散拡と同時に、所要の金
属元素と化合物との粉末粒子を添付することにより接合
部界面におけるセラミックスの解離反応を促進し、これ
ら解離元素との結合力を向上させるようにすることによ
って、セラミックスと金属、同種セラミックス同志また
は異種セラミックス間を接合するようにしたことにより
、従来の接合法における問題点が悉く解消され、特にセ
ラミックスや金属の種類、形状にかかわりなく一回の加
熱により安定した大きな接合強度を得ることができると
ともに、接合にあたって接合体相互の寸法精度をよく確
保でき、また加熱接合時の温度制御が容易で大量生産が
可能となるなど、工業的に有利な接合方法を提供するこ
とができる。

また、第二の発明においては、金属構造体へのセラミッ
クスを溶射して形成する場合において。

第一の発明におけるセラミックスと金属との接合原理と
接合手段をそのまま用い、セラミックス溶射層と金ｇ！
、ｔ１！！造体との化学的結合をはかることにより、セ
ラミックス溶射層被膜と金属構造体との結合強度の向上
をはかることができる。従って、セラミックス溶射によ
る金属構造体の耐熱性および寿命の増大をはかろうとす
るセラミックス容射における金属とセラミックスの接合
が工業的に有利な状態に実現できるセラミックス溶射法
に太きく寄与することができる。

〔実施例〕

以下に、この発明の実施例を記載してより具体的に説明
する。なお、以下において％および部とあるはそれぞれ
重量％および重量部を意味するものとする。

実施例１ 第一図はこの第一の発明に係るセラミックスと金との接
合構造を適用した電子管の一部分を示す断面図である。

１はアルミナセラミックス円筒で、金属製Ｃｕの入力部
２と入力部基体２′が積層され接合部３において分散メ
ッキ層の加熱処理により接合されている。

第２図は第１図の入力部２の接合部の部分拡大図であっ
て分散メッキ後、加熱処理前の状態を示す。入力部端面
接金側に分散メッキ層３を１５０μｍ施しである。分散
メッキ層３中にはＴｉ粉末粒子５％ＺｒＢ２粉末粒子３
部（金属粉末粒子を含むメッキ基材を１００として重量
部を示す、以下同じ）を含んでいる、この両者の粉末粒
子を４で表示しである。メッキ基材５は１０８μｍのＡ
ｇメッキ層と４２μｍのＣｕメッキ層からなり何れの層
にも前記ＴｉとＺｒＢ、粉末粒子を含有している。

このように接合面側に分散メッキを行った入力部２、入
力部基体２′とアルミナセラミックス円筒１を順次に積
層し、５　Ｘ　１０−’ｍ１ｅＨｇの真空度において、
８６０”Ｘ１５ｍ１ｎの加熱処理を行ない冷却後炉より
取り出し、第１図に示す気密性良好なセラミックスと金
属との接合体を得た。

実施例２ 第３図はこの第２の発明に係るセラミックス溶射層と金
属構造体とを化学的に結合した軸を示す断面図である。

４ｉ＋６７はＣｒ　Ｍ　ｏ鋼製でリップ摺動部に耐Ｊ’
７耗性を向上さすためにセラミックス溶射層６を全周に
施しである。

金ＩＪｉ構造体としての軸７にはあらかじめセラミック
ス溶射層６の厚さに相当する溝８を加工しておき、溝８
の部分のみに分散メッキ層３を厚さ１００μｍｎで全周
に施しである。

分散メッキ層３の中にはＴｉ粉粉末粒子３％問粉末粒子
６部を含有させである。

メッキ基材はＣｕからなり、その上に積層して溶射用白
色アルミナ粉末をプラズマ溶射法により０、５ｍｍ厚さ
だけ全周に施した。

セラミックス溶射施工後の金属構造体としてのＩＦＩＩ
Ｉ７をＩ　Ｘ　１　０−’ｎｍＨ　ｇの真空度において
１１４０℃Ｘ１５ｉｉｎの加熱処理を行い，冷却後炉よ
り取出し密着性の良好なセラミックス溶射層と金属構造
体とを化学的に結合した軸を得た。

セラミックス溶射部分の外径は上記の化学的結合の後、
研削仕上げした。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一の発明に係るセラミックスと金属との接合
構造を適用した電子管の一部を示す断面図、第２図は第
１図の入力部の接合部の部分拡大図であって分散メッキ
後加熱処理前の状態を示す断面図，第３図は第二の発明
に係るセラミックス溶射層と金属構造体とを化学的に結
合した軸を示す断面図である。 １・・・セラミックス、２・・・入力部（Ｃｕ）、２’
・・・入力部基体（Ｃｕ）、３・・・分散メッキ層（接
合部）、４・・・金属あるいは化合物粉末粒子、５・・
・メッキ基体、６・・・セラミックス溶射層、７・・・
金属構造体としての軸、８・・溝 代理人　　小　　泉　　良　　邦 同　　　　樋　　　口　　　盛　之　助第１図 手続補正書 昭和６１年５月１６０ 特許庁長官　宇　賀　道　部　　殿 １、事件の表示 昭和６１年　特許願　第６３０５２号 ２、発明の名称 セラミックスと金属、同種セラミックス同志または異種
セラミックス間の接合方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 東京都港区南青山３丁目１番３０号 日本総合技術開発　株式会社 代表者　坂　　井　　隆　　明 ４、代理人 郵便番号　１０５ ６、補正の内容 （１）明細書第３２頁の「第２表」を添付した「第２表
」の通り補正する。 （２）同じく、第３４頁第１８行の［０，５〜１０重量
部」を、 ０．１〜１０重量部 に補正する。 、（３）同じく、第３８頁第１８行の「容射」を、溶射 に補正する。 （４）同じく、第３９頁第１８行の「粒子５％」を、粒
子７％ に補正する。 （５）同じく、第４０頁第１行の「１００μｍ」を、１
０２μｍ に補正する。 （６）同じく、第４０頁第２行の「４２μｍ」を。 ４８μｍ に補正する。 （７）同じく、第４１頁第１行の「３％」を、６％ に補正する。 （８）同じく、第４１頁第３行の「６部」を、１部 に補正する。 （９）同じく、第４１頁第４行の記載を。 メッキ基材はＡ　ｇ　、　Ｃｕ積層メッキからなり、そ
の厚さの比は６８μｍと３２μＩで、その上に積層して に補正する。 （ｌＯ）同じく、第４１頁第８行のｒｌ１４」を、に補
正する。 （１１）同じく、第４１頁第１３行の「研削仕上げした
。」の後に、行を変えて下記の字句を加入する。 記 実施例３ アルミナ含有率８０％のセラミックス円板上にセンシタ
イザ−およびアクチベータにより活性化し、無電解Ｃｕ
メッキを極く薄く施した後、接合面のみに無電解Ｃｕメ
ッキを残し、更にその上にＴｉを含む粉末粒子を第３表
に示す成分量だけ含有さすように、Ａｇ及びＣｕの電解
による分散メッキを行った。 このＡｇ分散メッキとＣｕ分散メッキの厚さの比は１０
２μｍと４８μ履の厚さからなり、何れもＴｉを含む粉
末粒子を含有させた。これら分散メッキしたアルミナ円
板の接合面に８０％アルミナパイプを置き、１×１０″
″４閣１１ｇの真空度において８６０℃あるいわ８７０
℃でそれぞれ１０分間の加熱処理を行ったのち、炉内で
冷却し取り出して接合体を得た。 各接合体の接合特性は下記の第３表に示されるとおりで
あった。 第３表 （注１）　　Ａ・・・８０％アルミナ円板と８０％アル
ミナ円筒（注２）×１・・・分散メッキ部から破断×２
・・・分散メッキ部からの破断はなくいずれもセラミッ
クスの破損による破断 実施例４ 実施手順は、実施例３と全く同様の方法で第４表に示す
配合により８８０℃あるいは９００℃でそれぞれ１０分
間の加熱処理を行ったのち、炉内で冷却し接合体を得た
。 各接合体の接合特性は第４表に示されるとおりであった
。 第４表 （注１）　　Ａ・・・８０％アルミナ円板と８０％アル
ミナ円筒（注２）×２・・・分散メッキ部からの破断は
なくいずれもセラミックスの破損による破断 実施例５ 実施手順は実施例３と全く同様の方法で第５表に示す配
合により８６０℃、８８０℃あるし１１よ８９０”Ｃで
それぞれ１０分間の加熱処理を行ったのち、炉内で冷却
し接合体を得た。 各接合体の接合特性は第５表に示されるとおりであった
。 第５表 （注１）　　Ａ・・・８０％アルミナ円板と８０％アル
ミナ円筒（注２）×１・・・分散メッキ部から破断×２
・・・分散メッキ部からの破断はなくいずれもセラミッ
クスの破損による破断 実施例６ タングステンカーバイド超硬合金（５ｎｍＸ１１ｍ×１
４国の直方体）の５ａ＋＋Ｘ１１＋＋ｏの面を接合面と
し、この接合面にＴｉを含む粉末粒子を第６表に示す成
分量だけ含有させるようにＡｇ及びＣＵの電解によるメ
ッキを行った。このＡｇ分散メッキとＣｕ分散メッキ厚
さの比は１０２μｍと４８μｍの厚さからなり、何れも
Ｔｉを含む粉末粒子を含有させた。この分散メッキした
接合面を弁室化珪素及び炭化珪素円板（直径３２■×３
Ｉ厚さ）上に置き、ｌ　Ｘ　１０−’ｍＨｇの真空度に
おいて、８６０℃乃至８８０℃でそれぞれ１０分間の加
熱処理を行ったのち、炉内で冷却し取り出して接合体を
得た。 各接合体の接合特性は下記の第６表に示されるとおりで
あった。 第６表 （注１）　　Ｂ・・・タングステンカーバイド超硬合金
と窒化珪素円板Ｃ・・・タングステンカーバイド超硬合
金と炭化珪素円板（注２）×１・・・分散メッキ部から
破断×２・・・分散メッキ部からの破断はなくいずれも
セラミックスの破損による破断 実施例７ 直径１０Ｉ×長さ３０ｍｍの第７表に示す各種金属とア
ルミナの一端を接合面とし、この接合面をアルミナセラ
ミックス円筒上に置き、実施例３及び６と全く同様の実
施手順で８７０℃で１ｏ分間の加熱処理を行ったのち、
炉内で冷却し接合体を得た。各接合体の接合特性は第７
表に示されるとおりであった。 第７表 （注１）　　Ｄ・・・８０％アルミナと純銅Ｅ・　８０
％アルミナとコバール合金（２９Ｎｉ、　１６Ｃｏ、Ｆ
６）会）Ｆ・・・８０％アルミナと９３％アルミナ（注
２）×２・・・分散メッキ部からの破断はなくいずれも
セラミックスの破損による破断

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　セラミックスと金属、同種セラミックス同志または
   異種セラミックス間を接合する方法において、各接合部
   に、チタニウムを含む粉末粒子と合金を形成しうるチタ
   ニウムを含む粉末粒子より低融点の金属または合金をメ
   ッキ基材として少なくともチタニウムをメッキ基材中に
   分散させる分散メッキを施し、真空中で上記メッキ基材
   の融点以上の温度でかつチタニウムを含む粉末粒子が固
   形状態を保つ温度に加熱することにより、少なくともチ
   タニウムをメッキ基材を構成する金属または合金中へ拡
   散させることを特徴とするセラミックスと金属、同種セ
   ラミックス同志または異種セラミックス間の接合方法。 ２　各接合部に施す分散メッキは、チタニウム粉末粒子
   と共にモリブデン粉末粒子およびマンガン粉末粒子の分
   散メッキである特許請求の範囲第１項記載のセラミック
   スと金属、同種セラミックス同志または異種セラミック
   ス間の接合方法。 ３　各接合部に施す分散メッキは、チタニウム粉末粒子
   と共にモリブデン粉末粒子およびクロム粉末粒子の分散
   メッキである特許請求の範囲第１項記載のセラミックス
   と金属、同種セラミックス同志または異種セラミックス
   間の接合方法。 ４　各接合部に施す分散メッキは、チタニウム、モリブ
   デン、マンガンの粉末粒子、又は、チタニウム、モリブ
   デン、クロムの粉末粒子に加えてニッケル、コバルト、
   鉄の中から選ばれた少なくとも一種または二種以上の粉
   末粒子の分散メッキである特許請求の範囲第２項、又は
   、第３項記載のセラミックスと金属、同種セラミックス
   同志ならびに異種セラミックス間の接合方法。 ５　各接合部に施す分散メッキは、チタニウム粉末粒子
   、又は、チタニウム、モリブデン、マンガンの粉末粒子
   、又は、チタニウム、モリブデン、クロムの粉末粒子、
   又は、チタニウム、モリブデン、マンガンの粉末粒子ニ
   ッケル、コバルト、鉄の中から選ばれた少なくとも一種
   または二種以上の粉末粒子、又は、チタニウム、モリブ
   デン、クロムの粉末粒子とニッケル、コバルト、鉄の中
   から選ばれた少なくとも一種または二種以上の粉末粒子
   であってこれらのいずれかに加えてチタニウムもしくは
   ジルコニウムの窒化物、炭化物またはほう化物の中から
   選ばれた少なくとも一種または二種以上の粉末粒子の分
   散メッキである特許請求の範囲第１項から第４項に記載
   したいずれかのセラミックスと金属、同種セラミックス
   同志または異種セラミックス間の接合方法。 ６　セラミックスと金属を接合する方法に於て、金属の
   表面にチタニウムを含む粉末粒子と合金を形成すること
   ができ、且つ、この粉末粒子より低融点の金属又は合金
   をメッキ基材としてこの基材中に上記チタニウムを含む
   粉末粒子を分散させる分散メッキを施し、このメッキ層
   の表面上に溶射によりセラミックス層を形成した後、真
   空中において上記メッキ基材の融点以上の温度で且つチ
   タニウムを含む粉末粒子が固形状態を保つ温度に加熱す
   ることにより、少なくともチタニウムを含む粉末粒子を
   メッキ基材を構成する金属又は合金中へ拡散させること
   を特徴とするセラミックスと金属の接合方法。 ７　金属の表面上に施す分散メッキは、チタニウム粉末
   粒子と共にモリブデン粉末粒子およびマンガン粉末粒子
   の分散メッキである特許請求の範囲第６項記載のセラミ
   ックスと金属の接合方法。 ８　金属の表面上に施す分散メッキは、チタニウム粉末
   粒子と共にモリブデン粉末粒子およびクロム粉末粒子の
   分散メッキである特許請求の範囲第６項記載のセラミッ
   クスと金属の接合方法。 ９　金属構造部材の表面上に施す分散メッキは、チタニ
   ウム、モリブデン、マンガンの粉末粒子、又は、チタニ
   ウム、モリブデン、クロムの粉末粒子に加えてニッケル
   、コバルト、鉄の中から選ばれた少なくとも一種または
   二種以上の粉末粒子の分散メッキである特許請求の範囲
   第７項、又は、第８項のセラミックスと金属の接合方法
   。 １０　金属の表面上に施す分散メッキは、チタニウム粉
   末粒子、又は、チタニウム、モリブデン、マンガンの粉
   末粒子、又はチタニウム、モリブデン、クロムの粉末粒
   子、又は、チタニウム、モリブデン、マンガン及びニッ
   ケル、コバルト、鉄の中から選ばれた少なくとも一種ま
   たは二種以上の粉末粒子、又はチタニウム、モリブデン
   、クロムの粉末粒子に加えニッケル、コバルト、鉄の中
   から選ばれた少なくとも一種または二種以上の粉末粒子
   に加えてチタニウムおよびジルコニウムの窒化物、炭化
   物およびほう化物の中から選ばれた少なくとも一種また
   は二種以上の粉末粒子の分散メッキである特許請求の範
   囲第６項から第９項に記載したいずれかのセラミックス
   と金属との接合方法。