JPS62265186A - 部材接合用中間層 - 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】 〈産業上の利用分立〉 本発明は、金属、セラミックあるいはサーメットから成
る部材の接合部に挿入する中間層に係わるものである。

〈従来の技術〉 金属、セラミック、サーメットを問わず、これらの部材
の接合で最も難しいことは、両者の線膨張係数の違いの
問題をいかに解消するかである。

特に鉄鋼等の実用的な金属材料のほとんどは、超硬合金
の様なサーメットや炭化物、窒化物、酸化物セラミック
等の２倍以上、特にシリコン炭化物、窒化物に至っては
３〜６倍の膨張率を有している。

したがって、特にこのようなセラミックと金属の組合゛
Ｕでは、たとえ接合がうまく行っても、接合後の冷却過
程で大きな熱応力が発生する。

特にセラミック材料は本来引張の力に弱いために、セラ
ミック側に引張の応力が生起される場合、以外に低い応
力でも破壊に至る。

セラミック材料では、これは致命的な問題になってくる
。

従来接合部の熱応力を緩和するために、色々な形の中間
層、たとえば、中間的な線膨張係数をもつ金處や、銅の
ような軟質金属の中間層を挿入°することが行われてい
るが、いずれも、この残留応力、特に、引張の残留応力
の問題を完全には解消していないのが現状である。

〈発明が解決しようとすφ問題点〉 本発明は以上の様な問題点に鑑みてなされたもので、部
材接合部の残留応力を軽減して大形部材や線膨張係数差
の大きな部材の接合を可能なら−しめる新規な中間層を
提供せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明者は上記問題点にかんしてＳＲ意研究をおこなっ
た結果、次のような新しい知見をうるに至った。即ら、 １、接合部に挿入する中間層の構造を、内層部分に、金
属、セラミックあるいはサーメットから成る単体、積層
体あるいは複合体の層から構成される中心となる材料の
層を配し、この中心となる材料の層の外面を、金属の連
続体の層でくる／υだ形で被覆した構造にすると、接合
過程の熱応力が著しく軽減でき、変形、破壊を防止でき
ること、および、 ２、上記中心材お１の層の、少なくとも脆弱あるいは低
膨張性の接合部材に面する側の材料は、該対向する担手
接合面の材料と同一材料あるいは近似した線膨張特性を
もつ材料が最も好ましい材料であることを見出すにいた
った。

本発明は、この新しい知見をもとに為されたものである
。

〈作用〉 線膨張係数のことなる材料の坂を高温ではりあわせると
、冷却過程で曲げの応力が発生ずる。

線膨張係数の差が小さくなれば、この応力も小さくなる
が、この応力の発生そのものを防止することはできない
。

したがって接合ずべき二つの材料の間に、中間的な線膨
張係数を有する中間層をインサートしても曲げの応力の
発生は回避できない。

この曲げ応力は接合端面での引張り応力に転化される。

引張力には特に弱いセラミックでは、この接合部での引
張り応力は極力抑止する必要がある。

しかして本発明では、接合部に上記した構造の中間層が
挟まれており、この層は、セラミック、金属、サーメッ
トの単層、積層あるいは複合された構造からなる中心と
なる材料の層の外面を、金属の連続体の層でくるまれた
形で被覆された構造になっており、しかも、脆弱あるい
は低膨張性の接合部材に面する側の中心材料の層の材料
は、この部材の接合面の材料と同じかあるいは線膨張特
性の近似した材料に成っているために、この両者の接合
部には、はとんど応力が発生せず、この部分での破壊は
防止できる。

一方、もう一方の部材と中心材料の層との間の膨張差に
もとづく応力は、この中心材料の層を・くるんだ金属の
連続層に作用するが、中心材料の層は周囲全面をこの金
属層でくるまれ、上下、左右、前接全面をこの金属層に
よって圧縮拘束されているために、この圧縮拘束する力
が応力をキャンセルする方向に作用し、応力の解消ある
いは軽減が計れる。

本発明の中１ｎ層の、中心となる材料の層の構造は、上
記した様に、少なくとも、脆弱あるいは低ｉ雁牲部材に
対向する側の材料は、この対向する接合部材の接合面の
材料と同じ材料、あるいは近似の線膨張特性をもつ材料
が好ましい。この組合せにすると、この部・分の接合応
力を最少にすることが出来る。

中心材料の層は、異種材料の積層体あるいは複合材寥３
１も使用できるが、この場合も、要は、接合部での応力
を最少にすることが目的であるので、応力がこの部分に
波及しないように組合わせ条件を考ｐ、する必要がある
。

中心材料の層の外側の金属の連続層の厚さは、必ずしも
均等な厚さでなくてもよいが、隣の層が脆弱な材料の場
合、接合面の部分の厚さは極力λ９い方が好ましい。

中心材料の層の材質は、接合すべき部材の種類によって
も変化するが、セラミック材料から金属材料まで広く使
用でき、セラミック材料にあっては、炭化物、窒化物、
ホー化物、酸化物等々から炭素材料まで、広い範囲で使
用できる。

金属材料にあっては、Ｗ、Ｍｏ等の低膨張材料からＴｉ
、ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＦｅ、Ｎｉ。

Ｃｏ系の合金等々に至るまでひろく使用でき、また、必
要に応じてサーメット材料も使用できる。

要は、中間層としての特性を備えておれば、全て使用す
ることが出来る。

金属の連続層の材料は、全面が同じ材料でなくてもよい
が、連続していることが必要である。

材質は、比較的低剛性の材料（Ｃｕ、ＡＩ。

ＡＯ，Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、−・・等）か、
線膨張係数の近い材料、あるいは、剛性の高い材料では
厚さを薄くして、あるいは他の金属層を更にこの部分に
被覆したりして用いる。

また接合部材の接合面の金属材料そのものを、この連続
層の一部として使用してもよい。

なお、この連続層は、上記した様に、全体が連続してい
る必要はあるが、中心材料の層と全面接合されている必
要はない。つまり、局部的に接合されてない箇所があっ
てもかまわない。

また、この金属の連続層は、相手材の接合面と全面接合
されでなくても本発明の目的は達成′ｄることが出来る
。目的、用途によっては、非接合部を形成Ｖることもで
きる。

〈実施例〉 本発明の実施の形態を図面によって説明する。

第１図イ〜ハは本発明の中間層の構造の説明図である。

第２図イ〜ハは中間層と接合部材との接合の形態を例示
したものである。

第３図イル口は、第２図イの形態で、もう一方の接合部
材と中間層の接合の仕方を示したものである。

第１図イ〜ハにおいて、１が中心となる材料の層であり
、２が１をくるむ様に被覆する金属の連続体の層である
。

イの場合は、１が単層から成り、口は、積層体から成り
、ハは積層体で、かっ、それぞれの層が、金属の連続体
の層でくるまれた構造のものである。

実際の使用に際して、これらの中間層は、部材の間に単
独でインサートされたり、あるいは、従来から使用され
ている通常の中間層と組合わされて用いられる。

第２図は、接合部材と中間層の結合の形態を例示したも
のであり、イは、中間層１が相手材２にうめこまれ、接
合面のみが表面にあられれたものであり、ハの場合は１
の中間層の左右両側に接合部材２を配置されたものであ
り、口の場合は、隣の層に半分うめこまれて接合された
ものである。

尚本図では、説明を簡単にするために、中間層は単層で
しめしたが、これは必要に応じて適宜、第１図で説明し
た構造にされる。

また更に、第２図のイの形態では、第３図に示ず様に、
もう一方の相手材とイ、口、２種類の形で接合される。

イは、部材２が中間層よりも広く、はみでた場合であり
１口は、部材２が中間層の接合面の中で接合さ札たもの
である。

イの場合、２は、中間層１をはみでた部分ではもう一方
の部材の周辺とも接合されている。

以上、本例は、代表的なものを示したに過ぎないもので
あり、中間層の形状が変化してくれば、当然この形態も
変わってくることであり、本例のみに限られるものでは
ない。

尚、本発明の中心材料の層と、これをくるむ金属の接合
は、中心材料が金属の場合問題はないがζセラミックの
場合、接合面を予めメタライズして、あるいは、このセ
ラミックと外側のくるむ金属の両方に同時に接合できる
ロー材をつかって、あるいは直接接合できるものでは、
直接接合によって、接合する。

あるいは、セラミックのメタライズ金属を、このくるむ
金属そのものとして、用いることらできる。

あるいは接合部材の材料そのもので、中心材料を直接接
合できる場合、接合部材の接合面の金属が、中心材料の
表面をくるむ金属として代用されることができる。

（実例） 実例１（ｔ？ラミックと鋼の接合） 接合形態は、第１図イ、第２図イ、第３図口の形態。

セラミック部材： １Ｑｘ１０Ｘ５ｍの炭化ケイ素 接合面をＳ　１−５０ＦｅＮｂ合金でメタライズする。

メタライズの条件は、減圧下、１４００℃で５分加熱。

中心材料の層： １Ｑｘ１０Ｘ５ａｍの炭化ケイ素。

全面を上記Ｓ　１−５０ＦｅＮｂ合金でメタライズする
。

相手材料： ５０Ｘ５０Ｘ２０＃Ｉ＃＋の５Ｓ４１の鉄板５Ｓ４１の
板に、中心材料の層をはめこむための溝を；２け、この
中に銅の粉末と一緒に中心材料の層となる炭化ケイ素の
板をうめこむ。

次に、この炭化ケイ素の板の上に５０ミクロンの鋼のシ
ートを載せ、更にセラミック部材のメタライズ面を、こ
の上に合わせて載せる。゛これを減圧下で１２００℃に
数秒加熱した。

炭化り”イ素の中心材料の層は、溶融した銅によって、
全面をくるまれ、メタライズ層を介して、接合され、こ
の銅層とセラミック部材のメタライズ面および５Ｓ４１
の坂が融着していた。

本例では、溶融ｊｉｉｌおよびメタライズ層が金属の連
続体の層の役割をしており、いずイの接合面にも、亀裂
や剥離は認められなかった。

炭化ケイ素と鋼はＪ！膨張係数に大きな差が有るために
、通常の方法では、接合が困難で、はとんど例外なく亀
裂が発生するが、本発明では皆無である。

本発明は接合応力の緩和に著効を有することを確認でき
た。

実例２（セラミックと鋼の接合） 接合形信は、第１図イ、第２図ハ。

セラミック部材： ５０中Ｘ　１０ｔｎｔａのサイアロンの円盤接合面メタ
ライズなし。

中心材料の層： ５０中Ｘ　１０ｔｍのサイアロン円盤 相手材料： ５ＵＳ３０４　（１８−８ステンＬｚス）中間層： ６０ψＸ　１５＃ｌのＩ！銅の円盤に、上記サイアロン
の円盤を埋めこむための溝（直径５０＃、深さ１０ｍ）
を彫り、底にＡＱ−Ｃｕ−Ｔｉのロー材のシートを敷き
、この上にサイアロンの円盤を押し込み、更に、円盤の
上には、同じロー材をのせ、更に、このロー材の上に、
１００ミクロンの純銅の箱を伐ぜて、上から圧力を加え
ながらこれを真空中で８５０℃に加熱してセラミック、
純銅の円盤、純銅の箔を一体融着した。

セラミックはＩＩｒ！銅の円盤および箔にくるまれて融
着された。

本例の場合、純銅の円盤および箔およびヒラミックに融
着したロー材が金属の連続体の層を形成ザる。

次に、この中間層の銅の箔の側の上面に同じロー材のシ
ートを靭セ、更に、この上に接合すべきサイアロンの円
盤を殺せる。

中間層の下には、間に銀ローを挟んで、もう一方の接合
材の５ＵＳ３０４部暑Ａを起き、これを真空炉で８５０
℃に加熱して、セラミックー中間層−金属部材をそれぞ
れ接合した。

接合面には、クラックや剥離等の欠陥は全くなかった。

実例３（セラミックと鋼の接合） 接合形態は実施例２と同じ。

セラミック部材： １０Ｘ１０Ｘ７ａ＋ａの窒化ケイ素 金属部材： ２０×２０×１０，１ｌｌＩ１１の炭素鋼の板中心材料
の層： １ｏ×１０×７／ＩＩＩＲの窒化ケイ素接合操作 金属部材の上にＡＱ−ＣＬＩ−Ｔｉのロー材、更に、こ
の上に窒化ケイ素の中心材料の層を載せ、更にこの上に
同じロー材を・成せ、更に、この上にセラミック接合部
材を載せて、真空炉で８５０℃に加熱して接合した。

中心材料の層のセラミックの板はロー材によってきれい
に濡らされ、全面くるまれて炭素鋼に融着しており、も
う一方のセラミック部材も、この中心材料の層に融着し
ていた。

接合部には、亀裂等の欠陥は全くなかった。

本例の場合、金属の連続体の層は、中心材料のセラミッ
クに、−くるむ状態でａ着したロー材の層がこの役割を
している。

実例４（セラミックと鋼の接合） 接合形態は第１図ハ、第２図口。

セラミック部材： １ＱｘｌＯＸ５ｍの炭化ケイ素。

接合面をＳ　１−５０ＦｅＮｔ）合金でメタライズする
。

中門層： １０×１０×５Ｍの２枚のＭＯの板を夫々鋼でくるみク
ラッドさせたもの。

相手材： ５０Ｘ５０Ｘ２０ｍの炭素鋼の板。

接合操作 炭素鋼の接合面に上記ＭＯを埋めこむための溝（１枚分
の深さの）を彫り、この中に銅の粉末といっしょにＭＯ
をうめこむ。

次に、この銅粉末の上に銅のシート（５０ミクロン）を
載せ、更にこの上にもう一枚のＭＯを載せ、更にこのＭ
ｏの上には銅の薄いシートを載せ、この銅の上にセラミ
ック部材のメタライズ面を合わせてのせる。

これを減圧下で１２００’Ｃに数秒加熱。

２枚のＭＯの板は溶融した銅によって全面くるまれ、一
枚は炭素鋼にうめこまれて接合され、炭化ケイ素のメタ
ライズ面は問に鋼を挟んでＭＯと接合されていた。

本例では溶融鋼の層が中心材料の２枚のＭＯをくるむ金
属の連続体の層の役割をしており、いずれの接合部にも
亀裂等の欠陥はなかった。

実例５（セラミックと鋼の接合） 接合形態： 第１図イ、第２図ハ。

セラミック部材： １　Ｑｘ１０Ｘ５ａａの窒化ケイ素 相手材料： ５ｏ×５ｏ×２ｏ＃ｌＩの１８−８ステンレス板の接合
面に、線膨張係数を調整するために、予め、５０Ｘ５０
Ｘ５耗の炭素鋼の板と、更に、この上に同じサイズのチ
タン板、およびこのチタンの上に２ｍの厚さのＭＯの板
をクラッドしたもの。

中心材料の層： １１０Ｘ１０Ｘ５の炭化ケイ素 接合操作： 中心材料の層となる炭化ケイ素の全面に３ｉ−５０Ｆｅ
Ｎｂ合金を塗付し、これを相手材の上に合わせてのせ、
更に、この中心材の上に接合すべき窒化り゛イ素の根を
載せる。

これを減圧下で１４００℃に加熱。

中心材料となる炭化ケイ素の板はＳ　１−５０ＦｅＮｂ
合金によって全面濡らされ、くるまれて接合されており
、同時に窒化ケイ素、ステンレス板と融着されていた。

接合部は健全で欠陥はなかった。

実例６（ｔ？ラミックと銅の接合） 接合形態は第１図イ、第２図、第３図イ。

セラミック部材： 状 ３０φＸ　１０ｍの円ａ＋のアルミナ 中心材料の層： ２６φＸ１０＃ｌの円盤状のアルミナ 相手材料： ３０ψＸ５０＃ｌ１１長さの純銅の棒。

接合操作： 純銅の棒の接合面に、中心材料となるアルミナの円盤を
埋めこむための２６ψＸ　１０ｔｔｍ深さの溝を彫り、
この溝の底にＡａ−ＣＬＪ−Ｔｉのロー材のシートを敷
き、アルミナの円盤を挿入する。

アルミナの円盤の上に更にＡＧ−Ｃｕ−Ｔｉのシートを
敷き、更に、この上に１００ミクロンの銅のシートをの
せて上から加圧しながら、これを減圧下で８５０℃に加
熱した。

アルミナの円盤は、ロー材でくるまれて融着され、溝の
周面および上面を鋼のシートに接合されていた。

次に、この上面の同シートの上に、再び、ＡＯ−Ｃｕ−
Ｔｉのロー材のシートを置き、この上に接合すべきアル
ミナの円盤を、位置を合わせて重ねておいた。

上から軽く圧力を加えて減圧下で８５０℃に加熱した。

アルミナの円盤と銅棒は端面まで完全に溶着しており、
接合部には、欠陥は全くなかった。

本例の場合、金属の連続体の層は、ロー材の層および問
に挟んだ銅のシートおよび接合部材の純銅棒の溝の周辺
、溝の先端部分の金属がこの役割をしている。

実例７（サーメットとステンレス鋼の接合）す−メット
： ５０＄Ｘ１０＃ｌｌ厚さのＷＣ−Ｃｏ（７）超硬合金。

ステンレス鋼： ６０φＸ５０Ａｌｌの棒。

中心材料の層： ５０９’Ｘ１０／ＩｖＲ厚さのＷＣ−Ｃｏの超硬合金。

接合操作ニ ステンレスの接合面に、中心材料の層を埋めこむための
溝を、多少余裕をもたけた寸法で形成しこの中に、銀ロ
ーの粉末といっしょに超硬の板をうめこみ、更に、この
上に銀ローのシート、銀ローのシートの上には接合すべ
き超硬の板を、それぞれ位置を合わせて重ね合わせる。

これを、無酸化雰囲気、８００℃で加熱。

溝の中の超硬合金の板は溶融した銀ローにくるまれて接
合されており、上に載せた超硬合金の板および猫の周面
と接合されていた。

接合部は全く健全であった。

本例では、銀ローの層が金属の連続層である。

実例８　（ＭＯと銅の接合） 接合形態は、第１図イ、第２図イ、第３図口。

ＭＯ：　５０φＸ　１０ｔｍ厚さの円盤。

中心材料の層：５０５６Ｘ１０＃Ｉ＃ｌの円盤。

相手材：鋳造によって形成する。

この鋳造時に、中心材料の層の埋めこみ、接合を同時に
行なう。

鋳造および一接合操作： 内径７０Ｍのルツボの中で！１１！、ｔＭを溶解し、こ
の中に中心材料となるＭＯの板を浸せきして沈め、その
まま固めて、ＭＯの板を包みこんだ純銅の鋳物を作成し
た。

次に、このＭＯをつつんだ側の面にアモルファスのロー
付用のＮ１−Ｐ箔を置き、箔の上に接合すべきＭＯの板
を、位置を合わせて、かさねあわせ、無酸化雰囲気で、
９８０℃に加熱した。

ＭＯの板は純銅の鋳造棒に融着された。

接合部に欠陥は認められなかった。

本例の場合、中心材料のＭＯの板をつつみこんだ鋳造金
属そのもの、つまり接合部材の接合面の金属その乙のが
、金属の連続体の層の役割をしている。

以上、上記実例１〜８は、発明の効果をより明晴にする
ために、接合部材として、主に、線膨張係数の極端にこ
となるらのの組合せについて示したが、本発明が上例の
みに限定されるものでないことはいうまでもないことで
ある。

これ以外のいかなる組合せについても可能である。

また、接合操作ら、溶かして接合する融着を用いたが、
必要に応じて固相接合を適用できることはもらろんであ
る。

〈発明の効果〉 １）接合応力の緩和に著効がある。

２）線膨張係数の差の大きな大形部材の接合ら可能であ
る。

３）接合強度が高い。

４）全ゆる種類の金属、セラミック、サーメットに適用
できる。

５）安価に接合できる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ハは、本発明の中間層の構造の説明図である
。 第２図イ〜ハは、中間層と接合部材の結合の形態を例示
したものである。 第３図イル口は、第２図イの形態で、もう一方の接合部
材と中間層の接合の仕方を示したものである。 第１図において、 １・・・中心となる材料の層 ２・・・金属の連続体の層 第２図において、 １・・・中門層 ２・・・接合部材 第３図において、 １・・・中間層 ２．２・・・接合部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接合部材の接合部に挿入される中間層であって、該
   中間層は、 内層部を構成する中心となる材料の層と、 この中心となる材料の層（内層部）をくるむ形で被覆す
   る金属の連続体の層 から構成される構造にされてなることを特徴とする部材
   接合用中間層。 ２、上記接合部材が、セラミック、金属およびサーメッ
   トである特許請求の範囲第１項に記載の中間層。 ３、上記中間層の中心材料の層の、少なくとも脆弱ある
   いは低膨張性の接合部材に面している側の材料が、該対
   向する担手接合面の材料と同一材料、あるいは近似した
   線膨張特性をもつ材料である特許請求の範囲第１、２項
   に記載の中間層。