JPS62265183A

JPS62265183A - 窒化物セラミツクスの接合剤

Info

Publication number: JPS62265183A
Application number: JP10683086A
Authority: JP
Inventors: 生原　幸雄; 学山田; 岩本　信也; 梅咲　則正
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1986-05-12
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1987-11-18
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPH0753618B2

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〕本発明は金属酸化物溶融体により構成される接合剤に係
り、特に窒化ケイ素（Ｓｉ３　Ｎ４）や窒化アルミニウ
ム（Ａ！ＬＮ）などの窒化物セラミックスの接合に好適
な接合剤に関する。

〔技術の背景〕

一般に、セラミックスは優れた耐久性、耐食性、耐薬品
性、耐摩耗性、および絶縁性等の特性を有する高硬度材
料であって、これらの特性を利用した構造用部品や電子
材料の研究開発が活発に進められている。中でも窒化ケ
イ素よりなるセラミックスは、ガスタービンロータやフ
ァンブレードライナなと高温下において、高強度および
耐摩耗性が要求される部材などに好適な素材として脚光
をあびている。

しかしながら、セラミックスの様々な成形法。

焼結技術の開発が進められている現在においても、複雑
な形状からなるセラミックス製品の一体成形や機械加工
は未だ難かしく、これら素材の用途開発の問題点の１つ
となっていた。この為、現状では複数の単純形状からな
るセラミックス部品相互を接合して複雑形状の製品に組
立てる技術や、金属との接合による複合材としての技術
が活発に進められている。

ところで、セラミックスを接合する場合に最も重要とな
る点は、セラミックスと他部材間の接合強度の確保およ
び接合面での残留応力の除去である。この点で窒化ケイ
素に代表される窒化物セラミックスの多くは、その結晶
を構成する基本単位が共有結合性であり、一般的に各種
化学物質との反応性や溶融物に対する濡れ性が低いため
に、簡易な手段でセラミックス同士あるいはセラミック
スと金属との接合を強力に行なうことは困難とされてい
た。

そこで本件出願人は、セラミックス表面の濡れ性を良好
にし、セラミックス同士又はセラミックスと金属との間
で大きな接合強度をもつセラミックスの接合剤および接
合方法について先に提案した（特願昭６０−２１４８６
４号）。

この出願に係る発明は、Ｃａｂ、　（３０〜６０重量％
）−Ｓｉ０２（１５〜４５重量％）　−Ｔｉ０２　（１
０〜４０重量％）の３成分系からなる金属酸化物溶融体
の接合剤を特徴としており、化学反応によって生ずるＴ
ｉＮをセラミックス界面に高い濃度で析出し、緻密な中
間層を形成することによりセラミックス同士又はセラミ
ックスと金属とを強固に接合できるようにしたものであ
る。

同出願において、　ＴｉＯ２の組成範囲は１０〜４０重
量％であったが１本件出願の発明者は更に実験を重ねた
結果、ＴｉＯ２が３〜１２重量％の組成範囲で高い接合
強度が得られることを見出すと共に、上記３成分系（Ｃ
ａ０−Ｓ　ｉ０２−Ｔ　ｉ０２　）の接合剤に比べてＣ
ａＯ−９ｉ０２−　　Ａ１２０３−ＴｉＯ３の４成分系
からなる接合剤の方がより強固に接合し得ることを見出
した。

そこで、本願発明の技術的課題は、より高い接合強度の
得られる窒化物セラミックスの接合剤を提供することに
ある。

〔発明の技術的手段〕

木発萌は、上記課題解決のために、２０〜５０重量％の
酸化カルシウムと、３０〜５５重量％の二酸化ケイ素と
、５〜２０重量％の酸化アルミニウムと、３〜１２重量
％の酸化チタンとの金属酸化物溶融体により構成されて
なる窒化物セラミックスの接合剤を手段としている。

即ち１本発明は、接合溶融時に窒化物セラミックスの接
合界面に高い濃度で析出するＴｉＮの接合効果に加えて
、酸化アルミニウム（ＡＪＬｚ　０３）を加えた４成分
系とすることによって接合剤の融点を下げ、粘性低下等
の物理的な意味での濡れ性を向上させると共に、アルミ
ニウムイオンが、窒化物セラミックスの接合界面に固溶
し、化学的な意味にお・ける濡れ性を向上させて接着効
果を増すものである。

また、一般にアルミニウムを含むサイアロン（Ｓｉ−Ａ
文−０−Ｎ）は、５ｉ−Ｎ系の窒化ケイ素に比べて熱膨
張係数が低く、また熱伝達係数が高いことから、耐熱衝
撃性に優れる等の長所が加わるからと考えられる。

本発明に係る接合剤の組成は、Ｃａｂ（２０〜５０重量
％）、５ｉ（ｈ　、（３，０〜５５重量％）、ＡＪ１２
０３（５〜２０重量％）およびＴｉＯ２（３〜１２重量
％）であり、接合界面での化学反応から起きる発泡や焼
むら等窒化物セラミックスの接合を阻害する現象を防止
する。即ち、上記組成か・らなる接合剤は、粘性が低く
良好な濡れ性を与えると共に、下記の一化学反応の過程
で生ずる反応ガスを接合層外部に放出、発散すると共に
、副生ずる５ｉ０２を溶融体成分とじて吸収する。

また、焼成温度において、溶融状態にある接合剤中のＴ
ｉＯ２成分は次の様に解離する。

ＴｉＯ２→Ｔｉ”＋　２０　”− この場合、Ｔｉ４＋は窒化ケイ素セラミックスの接合界
面の分解により生ずる発生期の窒素と界面で反応し、次
式に示すように、ＴｉＮの析出を伴なう。

３Ｓｉ３　Ｈａ　　＋４Ｔｉ　−＋　　３Ｓｉ＋４７ｉ
Ｎ　−１２８，８ｋｃａｌ／ｍｏｌそして、このように
して析出したＴｉＮは、窒化ケイ素（β−５ｉ３８４　
）と結晶化学的に高い整合性をもつエピタキシャル界面
を構成しているため、高い接合強度が得られるものであ
る。

上記Ｔｉとの反応にあずかる窒素成分は、主に被接合部
材である窒化ケイ素セラミックスの界面での分解によっ
て得られるものであるが、更に接合剤に添加したＳｉ３
　Ｈａ粒粉末、接合加熱を窒素雰囲気下で行うことによ
り、その窒素ガス成分も反応にあずかる窒素源となりう
る。しかし、窒化珪素の界面に形成される上記ＴｉＮの
層は必要にして充分な結晶厚を持てばよく、或限度以上
のＴｉＭが接合強度に対して必ずしも有効に働くとは限
らない、また、前述のように他の３成分、即ちＧａＯ。

５ｉ０２．　ＡＪ１２０３　との共同作用による融点の
降下や粘性低下等による濡れ性の効果、接合界面の固溶
に伴う効果、更にはサイアロンの生成による熱膨張係数
低下の効果等があり、これらとの総合的な効果が界面の
接合強度や耐熱衝撃性の向上等に寄与するものと考えら
れる。諸実験の結果から、スＴｉＯ２がその効果をあられすのは、下限は金属酸化物
溶融体の３重量％以上からであるが、上記の観点を併せ
その上限は１２重量％で、これが本発明におけるＴ　ｉ
０２の範囲である。

酸化アルミニウムは塩基性と酸性の両方の性質を有する
両性成分であり、接合剤の溶融温度を低下させると共に
ガラス形成領域を広げる作用をもつ助剤である。また、
前述のようにサイアロン（Ｓｉ　−ＡｆＬ−０−Ｎ）的
な性状が加わることにより熱膨張係数が低く、熱伝達係
数が高いことから耐熱衝撃性が向上する等の利点も加わ
る。酸化アルミニウムは４成分系にあって、５％位から
上記の作用を持ち、上限は他の３成分との組成的バラン
スから２０％位迄５適当である。

本発明における被接合部材は、少なくとも一方が窒化物
セラミックスであることが必要であり、窒化物セラミ９
クス同士、又は窒化物セラミックスと他のセラミックス
、あるいは窒化物セラミックスと金属との接合に適用さ
れる。窒化物セラミックスとしては、例えば窒化ケイ素
や窒化アルミニウムの他、サイアロン、窒化ホウ素、窒
化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムなど周期
表のｍ族および■族元素の窒化物セラミックスが適用さ
れる。

次に接合手段について説明する。まず接合剤の調製に際
しては上記４成分原料を所定の量比に秤量した後、混合
・粉砕し、ｇ素雰囲気下で１５００〜１７００℃で溶融
した後急冷して溶融体を得、これを粉砕して均一組成の
溶融体微粉末からなる接合剤を調製するか、又は溶融工
程を省いて所定量比に混合・粉砕した原料粉末を接合剤
とする。この接合剤はセラミックス表面で均一な反応相
を形成させるために、粒径が４４ｐｍ以下の微粉末であ
ることが望ましい。

調製後の接合剤は、使用するに際し市販のスクリーンオ
イル若しくはメチルセルロースを用いてペースト化され
、被接合部材の表面に所定の厚さで塗布又は厚膜印刷さ
れる。被門合部材がいずれもセラミックスである場合に
は、接合剤を１００〜２００℃で十分に乾燥させた後、
接合面を合わせて窒素雰囲気中で１４００〜１６５０℃
で５〜４０分間加熱溶融することによりセラミックス同
士を接合することができる。

セラミックスと金属とを接合する場合には、接合剤層の
他にメッキ層および／又はメタライズ□層を設け、さら
にろう材層を介して接合することで実用可能な接合強度
を得ることができる。この場合、接合剤ペーストを作成
する時に、Ｗ　、Ｎｏ　、Ｃｒ。

Ｔｉ、Ｍｎなど比較的高い融点の金属粉末もしくはこれ
らの合金粉末を混合することにより、ろう接強度（ろう
材層との接合強度）をより高めることが可イ近である。

この場合の接合工程においては、本発明の接合剤粉末と
前記高融点の金属粉末を混合して単に１層としメタライ
ズ層を形成して接合する場合と、セラミックス表面に接
合剤ペーストのみを塗布し、さらにその上に高融点の金
属粉末を加えた混合ペーストを塗布し上下２層を一体と
してメタライズ層を形、成し接合する場合とがある。

〔実施例〕

以下本発明の実施例について説明する。

（実施例１）セラミックス（Ｓｉ３　Ｎ４　）同士の接合の場合炭酸
カルシウム（Ｃａ（０３）　、二酸化ケイ素（Ｓｉ０２
）、二酸化チタン（Ｔｉ０２）および水酸化アルミニウ
ム（Ａ文（ＯＨ）３　）を所定量比に秤量し、乳ばちを
用いて混合粉砕した。そして、この粉末を窒素雰囲気下
において白金ルツボ中で１６００℃、３０分間溶融した
後、急冷して再び乳ばちで粉砕した。得られた微粉末を
市販のスクリーンオイルと混合してペースト化し、１５
（幅）×５（厚さ）×３０（長さ）　ｍｓの窒化ケイ素
セラミックスの表面に約１００ｇｍの厚さに塗布した。

１００℃で約１時間乾燥し、ＣａＯ−３ｉＯ２−Ｔｉ０
２−Ａｎ　２（ｈの混合組成よりなる接合剤層を形成し
た０次いで、接合剤層を向かい合わせて窒化ケイ素セラ
ミックス同士を重ね合わせ、常圧の窒素雰囲気中で１４
５０℃で３０分間加熱した。加熱により接合剤が溶融状
態となった後に冷却し、被接合部材を接合した０次にこ
の接合試料から４（幅）×３（厚さ）Ｘ６０　（長さ）
　ａｍの試験片を数本切り出し、常温および高温（７０
０℃）における４点曲げ強度試験（クロスヘッド速度０
．５層諺／ｓｉｎ、スパン長３０層層及び１０＋ｍ）を
行なった。この実施例１の結果を、ＣａＯ−９１ｏ２−
Ｔ　１０２（７）　３次分組成からなる接合剤を用いて
、同様の接合手段で行なった表−１表−１の結果からもわかるように、セラミックス同士の
接合では４点曲げ強度試験において、良好な結果を得る
ことができた。

（実施例２）セラミックス（Ｓｉ３　Ｎ４）と金属との接合上記実施
例１において調製した接合剤（表−１の試料Ｎｏ３）を
窒化ケイ素セラミックスの表面に塗布し、これを２００
℃で３時間乾燥した後、更にその上面に接合剤微粉末と
Ｗ、Ｎｏ、Ｃｒ又はＴｉ等の金属粉末あるいはＷ−Ｍｎ
、Ｎｏ−Ｎｎ又はＮｏ−Ｃｒ等の合金粉末との混合ペー
スト（表−２に示す）を塗布して２層となし、屹燥させ
たものを常圧、窒素雰囲気中で１５００℃、３０分間焼
成しメタライズ層を形成した０次に、こうして得られた
メタライズ層の上面に約２終１の厚さに無電解Ｎｉメッ
キ層を形成し、更にその上に銀ろう（ＢＡｇ）を２Ｉ厚
の銅板からなる緩衝材の上下面に設け、その上に鋼板の
金属被接合部材を重ねてから７９０℃において１０分間
加熱ろう付けした。得られた接合す。

表−２〔効果〕以上説明したように本発明に係る窒化物セラミックスの
接合剤によれば、接合界面にＴｉＮを高濃度に集積させ
て緻密な中間層を形成すると共に、アルミニウム酸化物
の添加による濡れ性の向てセラミックス同士又はセラミ
ックスと金属とを強固に接合できるものであり、実用的
な複合材を形成することができるに至った。

Claims

【特許請求の範囲】

２０〜５０重量％の酸化カルシウムと、３０〜５５重量
％の二酸化ケイ素と、５〜２０重量％の酸化アルミニウ
ムと、３〜１２重量％の酸化チタンとの金属酸化物溶融
体により構成されてなる窒化物セラミックスの接合剤。