JPS62256777A - セラミツク−金属接合体の冷却方法 - Google Patents
セラミツク−金属接合体の冷却方法Info
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- JPS62256777A JPS62256777A JP9818686A JP9818686A JPS62256777A JP S62256777 A JPS62256777 A JP S62256777A JP 9818686 A JP9818686 A JP 9818686A JP 9818686 A JP9818686 A JP 9818686A JP S62256777 A JPS62256777 A JP S62256777A
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Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
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】
［Ｊｇ画業上利用分野］
本発明は高温処理によるセラミックと金属の接合体の冷
却方法に閏する。
却方法に閏する。
［従来の技術及びその問題点］
セラミックスは金属と較べて耐摩耗性、耐食性や高温強
度が優れＣいるため、化学ブラント部材や高温礪械部材
として注目されている。しかし、セラミックスは脆いた
めその実用化にあたっては金属ど接合させで使用するこ
とが考えられる。
度が優れＣいるため、化学ブラント部材や高温礪械部材
として注目されている。しかし、セラミックスは脆いた
めその実用化にあたっては金属ど接合させで使用するこ
とが考えられる。
セラミックスと金属の接合法は、原理的に■機械的接合
誌、■接着剤を用いる接合法、■メタライジングによる
接合法、■固相または溶融状態を利用した接合法に分類
される。この・うち高い接合強さをｖするには、■、■
の方法が有利であるが、この方法はいずれも、セラミッ
クスと金属の各椙成元索の拡散や化学反応を利用覆るた
め高温で処理またｔよ接合しなければならむい。しかし
、第１表に示すＪ：うに、セラミックスは金属と較べて
熱膨張率が著しく小さいため、接合後の冷ＪＪＩ中に接
合界面近傍のセラミックス側に大きな引張り熱応力が発
生し、セラミックス中や接合界面で破壊が第 １
表 一例として、１０００℃で接合したＳｉ：＋ Ｎ４−Ｎ
ｉｍＯｎｉＣ８０＾接合体を室温まで空冷した時に発生
ずる熱応力を弾塑性解析した結果を第４図に示すが、接
合界面近傍のセラミックス側自由表面には約５７に９ｆ
／１ｍ２もの最大引張り主応力が発生する。これはセラ
ミックスの引張り破壊応力以上であり、従って接合体は
セラミックス中で破壊する。
誌、■接着剤を用いる接合法、■メタライジングによる
接合法、■固相または溶融状態を利用した接合法に分類
される。この・うち高い接合強さをｖするには、■、■
の方法が有利であるが、この方法はいずれも、セラミッ
クスと金属の各椙成元索の拡散や化学反応を利用覆るた
め高温で処理またｔよ接合しなければならむい。しかし
、第１表に示すＪ：うに、セラミックスは金属と較べて
熱膨張率が著しく小さいため、接合後の冷ＪＪＩ中に接
合界面近傍のセラミックス側に大きな引張り熱応力が発
生し、セラミックス中や接合界面で破壊が第 １
表 一例として、１０００℃で接合したＳｉ：＋ Ｎ４−Ｎ
ｉｍＯｎｉＣ８０＾接合体を室温まで空冷した時に発生
ずる熱応力を弾塑性解析した結果を第４図に示すが、接
合界面近傍のセラミックス側自由表面には約５７に９ｆ
／１ｍ２もの最大引張り主応力が発生する。これはセラ
ミックスの引張り破壊応力以上であり、従って接合体は
セラミックス中で破壊する。
この熱応力を緩和する方法としては、セラミックスと金
属の間にタングステン、コバール等の低熱膨張率金属や
、銅、アルミニウム等の軟質金属を中層もしくは多層に
組合わせたインサー１〜メタルを介在させ接合づろ方法
が知られている。しかし、１部合体が大きく ’ｒＫる
と残留熱応力が大さくむろため、これだけで健全なセラ
ミックー金Ｊｉｌ接合体を得ることは国号である。また
、イン１ナートメタル法では多くの金属をイン１ノー−
１〜して熱応力を緩和するため、接合部付近に複雑な中
間相が形成され、これが強靭性を損うという問題があり
、加えて長時間使用中に中間相が変化しＣ脆化を／：１
．じることがあるという問題もある。
属の間にタングステン、コバール等の低熱膨張率金属や
、銅、アルミニウム等の軟質金属を中層もしくは多層に
組合わせたインサー１〜メタルを介在させ接合づろ方法
が知られている。しかし、１部合体が大きく ’ｒＫる
と残留熱応力が大さくむろため、これだけで健全なセラ
ミックー金Ｊｉｌ接合体を得ることは国号である。また
、イン１ナートメタル法では多くの金属をイン１ノー−
１〜して熱応力を緩和するため、接合部付近に複雑な中
間相が形成され、これが強靭性を損うという問題があり
、加えて長時間使用中に中間相が変化しＣ脆化を／：１
．じることがあるという問題もある。
本発明はこのような従来の問題に鑑みなされたもので、
インサートメタルを用いることなく、冷却中に生じる熱
応力を適切に軽減し、健全なヒラミツクー金属接合体を
得ることができる冷ｆｉｌ：／ｊ法を提供せｌυとする
ものである。
インサートメタルを用いることなく、冷却中に生じる熱
応力を適切に軽減し、健全なヒラミツクー金属接合体を
得ることができる冷ｆｉｌ：／ｊ法を提供せｌυとする
ものである。
［１７−１！ＩＩＵ点を解決するための手段）このため
本発明は、接合後、金属側を動的回復を生じ得る高温に
保ったままセラミック側を低温域まで冷ＩＪＩ Ｌ、、
しかる後金属側を冷却りるようにしたことをその基本的
特徴とする。
本発明は、接合後、金属側を動的回復を生じ得る高温に
保ったままセラミック側を低温域まで冷ＩＪＩ Ｌ、、
しかる後金属側を冷却りるようにしたことをその基本的
特徴とする。
以下、本発明の詳細な説明する。
第１図は本発明の原理を模式的に示すもので、（イ）は
セラミック１と金属２との接合構造を、（０）は本発明
法による冷却曲線をそれぞれ示している。
セラミック１と金属２との接合構造を、（０）は本発明
法による冷却曲線をそれぞれ示している。
第１図０）にＪ７いて、冷却曲線Ｃ−１は同図ωにおけ
る０部の冷ｒＪＩ曲線、また冷ｒＪ１曲１！１１Ｍ−１
，Ｍ−２は同じくＭ部の冷却曲線であり、木野明では、
金属２側を熱歪のＶＪ的四回ｍ可能高温（温度ＴＡ以上
）に保ったまま、セラミック１側を低温域（通常は室温
ＴＲまたはその近傍）まで冷却し、これにより金属中に
大きな熱歪を発生させ［１つこれを動的回復させる。こ
のようにセラミックの冷却により生じた熱歪量を金属側
で緩和した後、金属２側を冷却する。
る０部の冷ｒＪＩ曲線、また冷ｒＪ１曲１！１１Ｍ−１
，Ｍ−２は同じくＭ部の冷却曲線であり、木野明では、
金属２側を熱歪のＶＪ的四回ｍ可能高温（温度ＴＡ以上
）に保ったまま、セラミック１側を低温域（通常は室温
ＴＲまたはその近傍）まで冷却し、これにより金属中に
大きな熱歪を発生させ［１つこれを動的回復させる。こ
のようにセラミックの冷却により生じた熱歪量を金属側
で緩和した後、金属２側を冷却する。
特に冷ＩＪ１曲線Ｍ−１のように、セラミックが室温付
近まで冷却される時間ｔＡまで金属２側を接合温度Ｔ、
のまま保持することにより、セラミック１が冷ＩＪｌさ
れて生じる熱歪量のほとんどを緩和することができる。
近まで冷却される時間ｔＡまで金属２側を接合温度Ｔ、
のまま保持することにより、セラミック１が冷ＩＪｌさ
れて生じる熱歪量のほとんどを緩和することができる。
そして、時間ｔ、Ａ以降は、金属側を加熱しながら動的
再結晶（回復）が可能な温度ＴＡまで除冷することによ
り、セラミックにより拘束された熱歪をできるだけ多く
回復させる。
再結晶（回復）が可能な温度ＴＡまで除冷することによ
り、セラミックにより拘束された熱歪をできるだけ多く
回復させる。
従って、冷ＩＪｌ完了時に接合体中に残留する熱応力は
、動的回復が１しえない温度領域で生じた熱歪量だけと
なる。なお、接合後の冷ＩＪＩ Ｉｎには、接合体に圧
縮荷重をかけておくことが動的回復を促進するために好
ましい。
、動的回復が１しえない温度領域で生じた熱歪量だけと
なる。なお、接合後の冷ＩＪＩ Ｉｎには、接合体に圧
縮荷重をかけておくことが動的回復を促進するために好
ましい。
また、操作時間を短縮して製造コストを低減するために
は、冷却曲線Ｍ−２のように、動的再結樒 晶が可１１丁温度ＴＡまで除冷し、ＴＡＬＪ、陪は炉冷
とする方法も考えられる。この場合は時間Ｏ〜ｔ Ａ間
に回復する熱歪量が冷ｒＪＩ曲線Ｍ−１の場合に較べで
小さくなり、接合体に残留する熱応′力は若干大きくな
る。
は、冷却曲線Ｍ−２のように、動的再結樒 晶が可１１丁温度ＴＡまで除冷し、ＴＡＬＪ、陪は炉冷
とする方法も考えられる。この場合は時間Ｏ〜ｔ Ａ間
に回復する熱歪量が冷ｒＪＩ曲線Ｍ−１の場合に較べで
小さくなり、接合体に残留する熱応′力は若干大きくな
る。
なお、本発明法はインリートメタルを介在さけた１妄合
体の冷却にも適用できることは乙うまでもなく、大型部
品の接合では特に有効である。
体の冷却にも適用できることは乙うまでもなく、大型部
品の接合では特に有効である。
［実 施 例］
第２図は本発明法の一実施状況を示すしので、３は加熱
装置たる高周波誘導コイル、４は冷月１装置である。セ
ラミック１と金属２との接合は、同図（Ａ）に示すよう
に、真空または不活性ガス雰囲気中で被接合体を］イル
３により所定の温度に高周波誘導加熱し、被接合体に所
定の圧縮荷重をかけて行う。接合完了後、ＣＢ −１）
に示すＪ：うに高周波誘導加熱コイル３の位置を接合界
面から金属２側へ移動し、第１図に示す冷却条件が与え
られるように温度を制御しながら冷月１する。また、セ
ラミック１側において所定の冷ＩＩ曲線が１１１られな
い場合は、（Ｂ−２）に示すように、冷ｒＪＩ装置４に
よりセラミック側に冷７．１１ガス（不活性ガス等）を
吹き付けてもよい、。
装置たる高周波誘導コイル、４は冷月１装置である。セ
ラミック１と金属２との接合は、同図（Ａ）に示すよう
に、真空または不活性ガス雰囲気中で被接合体を］イル
３により所定の温度に高周波誘導加熱し、被接合体に所
定の圧縮荷重をかけて行う。接合完了後、ＣＢ −１）
に示すＪ：うに高周波誘導加熱コイル３の位置を接合界
面から金属２側へ移動し、第１図に示す冷却条件が与え
られるように温度を制御しながら冷月１する。また、セ
ラミック１側において所定の冷ＩＩ曲線が１１１られな
い場合は、（Ｂ−２）に示すように、冷ｒＪＩ装置４に
よりセラミック側に冷７．１１ガス（不活性ガス等）を
吹き付けてもよい、。
なお、加熱は図に示ず高周波誘導加熱のほかに、赤外線
加熱、電子ビーム加熱など公知の加熱方法を用いること
ができる。また加熱装置は、冷却中定置させることなく
、時間とともに移動させるようにすることができる。
加熱、電子ビーム加熱など公知の加熱方法を用いること
ができる。また加熱装置は、冷却中定置させることなく
、時間とともに移動させるようにすることができる。
次に、より具体的実施例を説明する。
・実施例（１）
ひ′
０被接合体材質及形状
セラミックス ＭＳ−Ｓｉ３ Ｎ ４
φｉｏｘ ２０ｍ
金 属 Ｎｉｍｏｎｉｃ ８（ｌ＾φ１２Ｘ
５０姻 ０接合条ｆ’ｌ 直接接合 接合湿度 １１００℃ ＩＪ 雰囲気 １０−”ｔｏｒｒ 圧縮荷重３に９ｆ／ｍｔｎ２ ０冷７ＪＩ条ｆｔ 第３図に示す。
５０姻 ０接合条ｆ’ｌ 直接接合 接合湿度 １１００℃ ＩＪ 雰囲気 １０−”ｔｏｒｒ 圧縮荷重３に９ｆ／ｍｔｎ２ ０冷７ＪＩ条ｆｔ 第３図に示す。
上記条件で接合した結果、健全な接合体が１すられた。
接合体の強度試験では６〜９Ｋｇｆ／ｍｍ２の引張強度
が得られ、破壊はしラミックス中で生じた。この接合体
はイン１ノートメタルを用いていないため高温で長時間
使用してら比較的安定である。
が得られ、破壊はしラミックス中で生じた。この接合体
はイン１ノートメタルを用いていないため高温で長時間
使用してら比較的安定である。
セラミックス ＭＳ−３ｉ３ Ｎ ４φＳＯｘ ２
０ｍ＋ イン１−トメタル ニッケル φ５０Ｘ ｏ、２１１１１ タングステン 金 属 Ｎｉｍｏｎｉｃ ８
０Ａφ５０×５０ｍ！Ｒ Ｏ接合条ｒト及び冷月１条件 実施例（Ｉ）と同じ 上記条件で接合した結果、良好な接合体が得られ、本接
合体の引張強度は５〜１１Ｋｇｆ／ＩｎｌＲ２であった
。また破壊はほとんどセラミックス中で生じた。このよ
うな形状の接合体は、従来のイン４ノートメタル法を用
いて接合してら、いくつかの亀裂がセラミックス側に発
生して健全な接合体を得ることができないが、本発明方
法を併用することにより健全な接合体を（することがで
きた。
０ｍ＋ イン１−トメタル ニッケル φ５０Ｘ ｏ、２１１１１ タングステン 金 属 Ｎｉｍｏｎｉｃ ８
０Ａφ５０×５０ｍ！Ｒ Ｏ接合条ｒト及び冷月１条件 実施例（Ｉ）と同じ 上記条件で接合した結果、良好な接合体が得られ、本接
合体の引張強度は５〜１１Ｋｇｆ／ＩｎｌＲ２であった
。また破壊はほとんどセラミックス中で生じた。このよ
うな形状の接合体は、従来のイン４ノートメタル法を用
いて接合してら、いくつかの亀裂がセラミックス側に発
生して健全な接合体を得ることができないが、本発明方
法を併用することにより健全な接合体を（することがで
きた。
なお、以上の実施例は、υ１気弁、シリンダヘッド、ピ
ストンヘッドなとのディーピルエンジン部品やガスター
ビン部品などに応用′Ｃさ゛る。
ストンヘッドなとのディーピルエンジン部品やガスター
ビン部品などに応用′Ｃさ゛る。
［発明の効果１
以上Ｊべた本発明法によれば、インサートメタルを用い
なくとも、接合体冷却時に牛じる熱応力を適切に緩和し
、健全なセラミックー金属接合体を得ることができ、Ｎ
ｉｍｏｎｉｃ ８０Ａ等のＨｉｌｔ超合今とＮ５−３ｉ
：＋Ｎ４という熱膨張係数に大きな差があるものどうし
の直接接合をｂ比較的容易に可能ならしめるものである
。また本発明の冷ＦＪＩ仏を採ることにＪ：す、通常の
場合インリートメタルが不東となるため、？！２雑な相
構成の反応層を生じさせず、このため長時間使用しても
組織的に安定な接合部を得ることができ、特にディーげ
ルエンジン、ガスタービン、ジェット・エンジン等の部
品に好適な接合体を提供できる。また本発明法を軟質金
にトル低熱膨朱金ｆｏｋを接合部にインリートするイン
１−トメタル方式の接合に適用することにより、熱応力
により適切に緩和した接合が可能どなり、従来不可能と
されていたφ５０ｍ以、［の接合体の製造も可能となる
。さらに、本発明の冷部法を用いた場合、従来の通常の
接合法では５ＯＮ９ｆ ／ ｍｔ＊ ２以上ある冷却中
の熱応力を２０Ｋｇｆ／１ｔｙｔ２以下にすることがで
き、このように残留熱応力が低減される結果、接合体の
引張強さが面上するという効果が得られる。
なくとも、接合体冷却時に牛じる熱応力を適切に緩和し
、健全なセラミックー金属接合体を得ることができ、Ｎ
ｉｍｏｎｉｃ ８０Ａ等のＨｉｌｔ超合今とＮ５−３ｉ
：＋Ｎ４という熱膨張係数に大きな差があるものどうし
の直接接合をｂ比較的容易に可能ならしめるものである
。また本発明の冷ＦＪＩ仏を採ることにＪ：す、通常の
場合インリートメタルが不東となるため、？！２雑な相
構成の反応層を生じさせず、このため長時間使用しても
組織的に安定な接合部を得ることができ、特にディーげ
ルエンジン、ガスタービン、ジェット・エンジン等の部
品に好適な接合体を提供できる。また本発明法を軟質金
にトル低熱膨朱金ｆｏｋを接合部にインリートするイン
１−トメタル方式の接合に適用することにより、熱応力
により適切に緩和した接合が可能どなり、従来不可能と
されていたφ５０ｍ以、［の接合体の製造も可能となる
。さらに、本発明の冷部法を用いた場合、従来の通常の
接合法では５ＯＮ９ｆ ／ ｍｔ＊ ２以上ある冷却中
の熱応力を２０Ｋｇｆ／１ｔｙｔ２以下にすることがで
き、このように残留熱応力が低減される結果、接合体の
引張強さが面上するという効果が得られる。
第１図（イ）及び（［１）は、本発明の原理を模式的に
示す説明図である。第２図（△）、 （［３−１ン、（
Ｂ−２）は、本発明の一実輪状況を示すπ２明図である
。第３図は本発明実施例における冷ｎ１曲線を示すもの
である。第４図は１０００℃で接合したＳｉ３Ｎ４−Ｎ
ｉｍｏｎｉｃ ８０＾接合体を室温まで空冷した時に発
生する熱応力を弾塑性解析した結果を示すものである。 第 ３ 図 時間（ｈ） 第４図 ＯＯ （〜 ＯＯ ヌ
示す説明図である。第２図（△）、 （［３−１ン、（
Ｂ−２）は、本発明の一実輪状況を示すπ２明図である
。第３図は本発明実施例における冷ｎ１曲線を示すもの
である。第４図は１０００℃で接合したＳｉ３Ｎ４−Ｎ
ｉｍｏｎｉｃ ８０＾接合体を室温まで空冷した時に発
生する熱応力を弾塑性解析した結果を示すものである。 第 ３ 図 時間（ｈ） 第４図 ＯＯ （〜 ＯＯ ヌ
Claims (1)
- セラミックと金属との接合後の冷却において、金属側を
動的回復を生じ得る高温に保ったままセラミック側を低
温域まで冷却し、しかる後金属側を冷却することを特徴
とするセラミック−金属接合体の冷却方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9818686A JPS62256777A (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | セラミツク−金属接合体の冷却方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9818686A JPS62256777A (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | セラミツク−金属接合体の冷却方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62256777A true JPS62256777A (ja) | 1987-11-09 |
Family
ID=14212984
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9818686A Pending JPS62256777A (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | セラミツク−金属接合体の冷却方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62256777A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63215575A (ja) * | 1987-02-28 | 1988-09-08 | 株式会社東芝 | セラミツクス−金属接合体 |
| JP2009299185A (ja) * | 2008-04-28 | 2009-12-24 | Boeing Co:The | 過酷な環境の応用のための傾斜分布熱膨張係数を有する積み重ね複合構造 |
-
1986
- 1986-04-30 JP JP9818686A patent/JPS62256777A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63215575A (ja) * | 1987-02-28 | 1988-09-08 | 株式会社東芝 | セラミツクス−金属接合体 |
| JP2009299185A (ja) * | 2008-04-28 | 2009-12-24 | Boeing Co:The | 過酷な環境の応用のための傾斜分布熱膨張係数を有する積み重ね複合構造 |
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