JPS63103873A - Joint structure of ceramic and metal - Google Patents
Joint structure of ceramic and metalInfo
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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。(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
［発明の目的コ
（産業上の利用分野）
この発明は、セラミックスと金属とを強固にそして高い
信頼性のもとで接合するのに利用されるセラミックスと
金属との接合構造に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Purpose of the Invention (Industrial Application Field) The present invention is directed to the bonding of ceramics and metals, which is used to bond ceramics and metals firmly and with high reliability. It is related to the joint structure.
（従来の技術）
従来のセラミックスと金属との接合構造としては、例え
ば第５図に示すようなものがあった。(Prior Art) A conventional bonding structure between ceramics and metal is shown in FIG. 5, for example.
すなわち、第５図に示す接合構造は、セラミックスがわ
の軸部５１の端部に、先端に平坦面５１ａを有する嵌合
用軸部５１ｂを形成しておくと共に、金属がわの軸部５
２の端部に、底面５２ａが平坦な閉塞孔５２ｂを有しか
つ該閉塞孔５２ｂの底部に余剰のろう材５３を外部に流
し出すための貫通孔５２ｃを一つ以上（図示例では６個
）有したスリーブ５２ｄを形成しておき、前記セラミッ
クスがわの軸部５１に形成した嵌合用軸部５１ｂと前記
金属がわの軸部５２に形成したスリーブ５２とを嵌合し
、前記嵌合用軸部５１ｂのほぼ全面に形成された活性金
属法による反応層５４およびろう付法により形成された
ろう材５３を介して接合させた構造をなすものである。That is, in the joining structure shown in FIG. 5, a fitting shaft portion 51b having a flat surface 51a at the tip is formed at the end of the shaft portion 51 on the ceramic side, and a shaft portion 51 on the metal side is formed on the end portion of the shaft portion 51 on the metal side.
2 has a closing hole 52b with a flat bottom surface 52a, and one or more through holes 52c (six in the illustrated example) at the bottom of the closing hole 52b for draining excess brazing material 53 to the outside. ) is formed, and the fitting shaft part 51b formed on the shaft part 51 of the ceramic side is fitted with the sleeve 52 formed on the shaft part 52 of the metal side. The shaft portion 51b has a structure in which it is joined via a reaction layer 54 formed by an active metal method and a brazing material 53 formed by a brazing method.
（発明が解決しようとする問題点）
しかしながら、このような従来のセラミックと金属との
接合構造にあっては、セラミックスがわの軸部５１に形
成した嵌合用軸部５１ｂと金属がわの軸部５２に形成し
たスリーブ５２ｄとは、ろう材５３（および反応Ｍ５４
）を介して接合されている構造をなすものであるが、前
記嵌合用軸部５１ｂの外周面とスリーブ５２ｄの内周面
との間のクリアランス（例えば、第５図のｄｔ、ｄ２）
を一定に制御することができない構成となっていたため
、セラミックスがわの軸部５１に形成した嵌合用軸部５
１ｂの外周面と金属がわの軸部５２に形成したスリーブ
５２ｄの内周面とがろう付工程において直接接触するこ
とがあり、このように直接接触したときには、前記セラ
ミックスがわの嵌合用軸部５１ｂは、金属がわのスリー
ブ５２ｄの内周面から局所的な焼ばめ圧力を受けるよう
になり、このため、セラミックスがわの嵌合用軸部５１
ｂの外周部に残留応力が発生し、当該嵌合用軸部５１ｂ
の強度、すなわち、接合部分の強度を所望の大きさにす
ることができなかったり、通常使用条件以上の極めて過
酷な使用条件下では破損したりすることがありうるとい
う問題点があった。(Problems to be Solved by the Invention) However, in such a conventional ceramic-to-metal joining structure, the fitting shaft portion 51b formed on the shaft portion 51 on the ceramic side and the shaft on the metal side are The sleeve 52d formed in the portion 52 is the brazing material 53 (and the reaction M54).
), but the clearance between the outer circumferential surface of the fitting shaft portion 51b and the inner circumferential surface of the sleeve 52d (for example, dt and d2 in FIG. 5)
Since the configuration was such that it was not possible to control the fitting to a constant value, the fitting shaft portion 5 formed on the shaft portion 51 of the ceramic side was
The outer circumferential surface of 1b and the inner circumferential surface of the sleeve 52d formed on the shaft portion 52 of the metal side may come into direct contact during the brazing process, and when they come into direct contact in this way, the fitting shaft of the ceramic side The portion 51b receives local shrink-fitting pressure from the inner circumferential surface of the metal-lined sleeve 52d, and therefore the ceramic-lined fitting shaft portion 51
Residual stress is generated on the outer periphery of the fitting shaft 51b.
There have been problems in that the strength of the bonded portion, that is, the strength of the joint portion, cannot be made to a desired level, or that it may break under extremely severe usage conditions that exceed normal usage conditions.
（発明の目的）
この発明は、このような従来の問題点に刃口してなされ
たもので、セラミックスがわの軸部と金属がわのスリー
ブを嵌合し、前記軸部とスリーブとの間にろう材を介在
させて接合する構造において、前記軸部の外周面とスリ
ーブの内周面とがろう付工程の際に直接接触するのを防
止し、セラミックスがわの軸部が金属がわのスリーブか
ら局所的な焼ばめ圧力を受けないようにして、セラミッ
クスがわの軸部に多大な残留応力が発生するのを阻止す
ることにより、ろう付後の接合部における強度を増大さ
せかつ接合の信頼性をより高いものにすることを目的と
している。(Object of the Invention) The present invention has been made to address these conventional problems, and involves fitting a shaft made of ceramic with a sleeve made of metal, and connecting the shaft and the sleeve. In a structure in which the outer circumferential surface of the shaft portion and the inner circumferential surface of the sleeve are prevented from coming into direct contact during the brazing process, the shaft portion between the ceramics and the metal is This increases the strength of the joint after brazing by preventing local shrink-fit pressure from the sleeve and preventing significant residual stress from forming in the shaft of the ceramic sleeve. The purpose is to further improve the reliability of the bond.
［発明の構成］
（問題点を解決するための手段）
この発明は、セラミックスがわの軸部と金属がわのスリ
ーブとを嵌合し、前記軸部とスリーブとの間にろう材を
介在させて接合してなるセラミックスと金属との接合構
造において、前記セラミックスがわの軸部の外周面と前
記金属がわのスリーブの内周面との間に、当該軸部の外
周面とスリーブの内周面との間のクリアランスを保持す
るスペース部材を配設した構造をなすことを特徴として
いるものである。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) This invention involves fitting a shaft made of ceramic with a sleeve made of metal, and interposing a brazing material between the shaft and the sleeve. In the ceramic-metal bonding structure formed by joining the ceramic and the metal, there is a gap between the outer circumferential surface of the shaft of the ceramic and the inner circumferential surface of the sleeve of the metal. It is characterized by having a structure in which a space member is provided to maintain a clearance between the inner peripheral surface and the inner circumferential surface.
この発明によるセラミックスと金属との接合構造が適用
されるセラミックスの形状は、その全体が輪状をなすも
のに限定されないことは当然であり、セラミックスより
なる部材の一部に軸部を有するものであっても構わない
、そして、セラミックスの材質においても特に限定され
ず、窒化物系、炭化物系、酸化物系、複合系等々のもの
や、強化用繊維を複合化させたものなどにも適用するこ
とが可能である。It goes without saying that the shape of the ceramic to which the ceramic-metal bonding structure of the present invention is applied is not limited to having a ring shape as a whole, and it is not limited to a ceramic member having a shaft portion as a part of the ceramic member. There is no particular limitation on the ceramic material, and it can also be applied to nitride-based, carbide-based, oxide-based, composite-based materials, etc., as well as those composited with reinforcing fibers. is possible.
また、金属においてもその全体が軸状をなすものに限定
されないことは当然であり、金属よりなる部材の一部に
前記セラミックスがわの軸部と嵌合するスリーブを有す
るものであっても構わない、そして、金属の材質におい
ても特に限定されないものであり、例えば炭素鋼９合金
鋼、ステンレス鋼等の鋼材やその他の金属および強化繊
維を含んだ金属にも適用することが可能である。Furthermore, it goes without saying that metal is not limited to having a shaft-like shape as a whole, and a part of the metal member may have a sleeve that fits into the shaft of the ceramic material. There is no particular limitation on the material of the metal. For example, it can be applied to steel materials such as carbon steel 9 alloy steel, stainless steel, other metals, and metals containing reinforcing fibers.
この発明によるセラミックスと金属との接合構造におい
ては、嵌合状態にある前記セラミックスがわの軸部の外
周面と前記金属がわのスリーブの内周面との間に、当該
軸部の外周面とスリーブの内周面との間のクリアランス
を保持するスペース部材を配設するようにしているが、
このスペース部材としては例えばリングを用いることが
可能である。この場合、リングが１本に限定されないこ
とはいうまでもないところであり、また、スペーサとし
て機能するところが全周に連続せず、例えば１円周上の
複数個所に点在していてその間にろう材が入るような構
造のものであってもよい、また、このスペース部材の素
材としては、銅あるいは銅合金などの低弾性材料を用い
、セラミックスがわに対して大きな圧力を加えることが
ないようにすることが望ましい、また、セラミックスに
近い熱膨張係数の材料（Ｍｏ、Ｗ、二バール、インバー
など）もしくはセラミックスのリングを用いて、金属ス
リーブからの締め付は力がセラミックス側に伝わりにく
くすることも望ましく、その他、セラミックスおよび金
属の材質、使用温度、ろう材およびろう付条件等を考慮
して選択することが望ましい。In the ceramic-metal joining structure according to the present invention, the outer circumferential surface of the shaft is located between the outer circumferential surface of the shaft of the ceramic and the inner circumferential surface of the sleeve of the metal that are in a fitted state. A space member is provided to maintain the clearance between the sleeve and the inner circumferential surface of the sleeve.
For example, a ring can be used as this space member. In this case, it goes without saying that the number of rings is not limited to one, and that the parts that function as spacers are not continuous all around the circumference, but are scattered at multiple places on one circumference, and there are gaps between them. In addition, this space member may be made of a low elasticity material such as copper or copper alloy, so as not to apply large pressure to the ceramic side. It is desirable to use a material with a coefficient of thermal expansion close to that of ceramics (Mo, W, Nivar, Invar, etc.) or a ceramic ring to make it difficult for the force to be transmitted to the ceramic side when tightening from a metal sleeve. In addition, it is desirable to select the material in consideration of the ceramic and metal materials, operating temperature, brazing material and brazing conditions, etc.
また、ろう材としては、例えば、ニッケルろう、銀ろう
、パラジウムろう、金ろう等が用いられるが、特に限定
されない。Further, as the brazing material, for example, nickel brazing, silver brazing, palladium brazing, gold brazing, etc. can be used, but there is no particular limitation.
さらに、この発明の実施態様においては、セラミックス
がわの軸部の先端面と、金属がわの一端閉塞スリーブの
底面との接合部分でのみ、化学的な結合を伴なっている
ようにすることがより望ましく、このために、活性金属
（Ｔｉ、Ｚｒ等）をセラミックスがわの軸部の先端面部
にのみ用いることも望ましい、そして、軸部の外周面と
スリーブの内周面とにおいて、化学的な結合を生じてい
ないことが望まれる場合には、当該軸部の外周面にあら
かじめ不活性化処理を施しておくことも望ましい、そし
て、活性金属による化学的な接合を得る場合には、セラ
ミックスとしては、前記活性金属を用いたときに反応生
成物の形成が可能であ゛る窒化物系（Ｓｉ３Ｎ、等）、
炭化物系（ＳｉＣ等）および酸化物系（Ａ４２０３ 、
Ｚ ｒ０２等）を用いる。Further, in an embodiment of the present invention, chemical bonding is provided only at the joint between the tip surface of the shaft portion of the ceramic arm and the bottom surface of the one-end closing sleeve of the metal arm. For this reason, it is also desirable to use active metals (Ti, Zr, etc.) only on the tip end surface of the shaft part of the ceramic. If it is desired that no physical bonding occurs, it is also desirable to inactivate the outer circumferential surface of the shaft in advance, and when obtaining chemical bonding using active metals, Ceramics include nitride-based materials (Si3N, etc.) that can form reaction products when the active metal is used;
Carbide-based (SiC, etc.) and oxide-based (A4203,
Z r02 etc.) is used.
また、前記軸部の先端面と一端閉塞スリーブの底面との
間に、低弾性材料もしくは低熱膨張材料を少なくとも一
層以上介在させるようにすることが望ましい、この場合
、低弾性材料としては、例えば、ＡＪＩ、Ｃｕ、Ｎｉ等
の単体もしくは合金が使用され、低熱膨張材料としては
、例えばＭＯ。Further, it is desirable that at least one layer of a low elasticity material or a low thermal expansion material is interposed between the distal end surface of the shaft portion and the bottom surface of the one-end closed sleeve. In this case, the low elasticity material may include, for example, Single substances or alloys of AJI, Cu, Ni, etc. are used, and examples of low thermal expansion materials include MO.
Ｗ、コバール、インバー等が使用される。W, Kovar, Invar, etc. are used.
（実施例１）
第１図はこの発明の第１実施例によるセラミラ・クスと
金属との接合構造を示すものである。(Embodiment 1) FIG. 1 shows a bonding structure between Ceramirax and metal according to a first embodiment of the present invention.
第１図に示す接合構造は、セラミックスがわの軸部１の
端部に、先端に平坦な端面１ａを有する細径の嵌合用軸
部１ｂをそなえたものを用いると共に、金属がわり軸部
２の端部に、底面２ａが平坦である閉塞孔２ｂを有しか
つ該閉塞孔２ｂの底部に余剰のろう材３を外部に流し出
すための貫通孔２Ｃを等間隔で６個有したスリーブ２ｄ
をそなえたものを用いているものである。The joining structure shown in FIG. 1 uses a shaft part 1 made of ceramic and provided with a small-diameter fitting shaft part 1b having a flat end face 1a at the tip, and a shaft part 2 made of metal. A sleeve 2d has a closing hole 2b with a flat bottom surface 2a at the end thereof, and six through holes 2C at equal intervals at the bottom of the closing hole 2b for draining excess brazing material 3 to the outside.
It uses something that has the following features.
そして、前記セラミックスがわの軸部１に形成した細径
の嵌合用軸部１ｂと前記金属がわの軸部２に形成したス
リーブ２ｄとを当該嵌合用軸部１ｂの外周面とスリーブ
２ｄの内周面との間にスペース部材４を配設した状態で
嵌合し、セラミックスがわのとくに端面１ａで形成され
た活性金属法による反応層５．８よびろう打法により嵌
合部分のほぼ全体に形成されたろう材３を介して接合さ
せた構造をなすものである。Then, the small-diameter fitting shaft 1b formed on the ceramic shaft 1 and the sleeve 2d formed on the metal shaft 2 are connected to the outer peripheral surface of the fitting shaft 1b and the sleeve 2d. They are fitted with the space member 4 disposed between them, and the reaction layer 5.8 formed by the active metal method on the end face 1a of the ceramic and the brazing process are applied to almost the fitted part. It has a structure in which it is joined via a brazing filler metal 3 formed throughout.
この場合、上記スペース部材４は、ろう付工程において
セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面と金属がわ
のスリーブ２ｄの内周面とが直接接触して当該嵌合用軸
部１ｂが局所的な焼ばめ圧力を受けるのを阻止する役割
を有するものである。また、活性金属法による反応層５
は、セラミックスがわの軸部１の端面と金属がわのスリ
ーブ２ｄの底面２ａとの間でろう材３を介して化学的な
結合を生じさせるはたらきを有するものである。さらに
、スリーブ２ｄの底部に設けた貫通孔２ｃは、ろう材３
が閉塞孔２ｂの開口部分より流出せず、スペース部材４
のところでちょうど停止すると共に、余剰のろう材３が
流出しうるようにする役割をもつものである。In this case, in the space member 4, the outer peripheral surface of the fitting shaft portion 1b made of ceramic material and the inner peripheral surface of the sleeve 2d made of metal material directly contact each other in the brazing process, and the fitting shaft portion 1b is locally This has the role of preventing the material from being subjected to excessive shrink-fitting pressure. In addition, the reaction layer 5 by the active metal method
has the function of creating a chemical bond via the brazing filler metal 3 between the end face of the shaft portion 1 made of ceramic material and the bottom surface 2a of the sleeve 2d made of metal material. Further, the through hole 2c provided at the bottom of the sleeve 2d is formed by the brazing material 3.
does not flow out from the opening of the blocking hole 2b, and the space member 4
It has the role of stopping exactly at , and allowing the excess brazing material 3 to flow out.
次に、第１図に示したセラミックスと金属との接合構造
を得る具体的手順について第２図を含めて説明する。Next, a specific procedure for obtaining the ceramic-metal bonding structure shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. 2.
まず、セラミックスとしては常圧焼結窒化珪素質焼結体
（Ｓｉ３Ｎ４）を用い、軸部１の外径が１７ 、０ ｍ
ｍ 、細径の嵌合用軸部１ｂの外径が１２．０ｍｍ、
嵌合長さが７．１５ｍｍであるものを用いた。First, a pressureless sintered silicon nitride sintered body (Si3N4) is used as the ceramic, and the outer diameter of the shaft portion 1 is 17.0 m.
m, the outer diameter of the small diameter fitting shaft portion 1b is 12.0 mm,
The fitting length was 7.15 mm.
また、金属としてはニッケル・クロム・モリブデン鋼（
ＳＮ０Ｍ４３９）を用い、軸部２の外径が１７．０ｍｍ
、スリーブ２ｄの内径が１２．４ｍｍ（すなわち、嵌合
用軸部１ｂの外周面との間で２００〜３００ ｐｍのク
リアランスが得られる内径）、閉塞孔２ｂの深さが７．
２ｍｍ、貫通孔２Ｃの直径（６個とも）が１．０ｍｍで
あるものを用いた。In addition, metals such as nickel, chromium, and molybdenum steel (
SN0M439), and the outer diameter of the shaft part 2 is 17.0 mm.
, the inner diameter of the sleeve 2d is 12.4 mm (that is, the inner diameter that provides a clearance of 200 to 300 pm between the sleeve 2d and the outer peripheral surface of the fitting shaft portion 1b), and the depth of the blocking hole 2b is 7.4 mm.
2 mm, and the diameter of the through holes 2C (all 6 holes) was 1.0 mm.
次に、金属がわのスリーブ２ｄの底部にろう材（ＢＡｇ
−８，７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ）３を入れ（ただし、第
２図は反転後の状態を示す、）、その上部に活性金属と
してＴｉ箔５′を置いた状態とした。Next, filler metal (BAg) is attached to the bottom of the metal sleeve 2d.
-8.72%Ag-28%Cu) 3 (however, FIG. 2 shows the state after inversion), and a Ti foil 5' was placed on top of it as an active metal.
また、セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面（す
なわち、端面１ａを除く面）にはあらかじめ不活性化処
理を施しておくとともに、当該外周部分に厚さ０．２ｍ
ｍの銅製リングからなるスペース部材４を挿入する。In addition, the outer circumferential surface (that is, the surface excluding the end surface 1a) of the fitting shaft portion 1b of the ceramics is inactivated in advance, and the outer circumferential portion is made with a thickness of 0.2 m.
Insert the space member 4 consisting of a copper ring of m.
次いで、前記セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂと金属
がわのスリーブ２ｄとを嵌合し、セラミックスがわが下
方となるように第２図に示す状態でろう付治具にセット
する。続いて、真空もしくは脱酸素雰囲気中で荷重を加
えながらろう付熱処理を行う、このろう付熱処理におい
て、温度が上昇し、ろう材３の融点を超える温度に達す
ると、Ｔｉ箔５’ と接するセラミックスがわの端面１
ａでは、上肥ろう材３が溶融すると共にＴｉが窒化珪素
と反応して第１図に示した反応層５が形成され、窒化珪
素よりなる軸部１とろう材３と金属よりなる軸部２とが
互いに化学的に結合される。Next, the fitting shaft portion 1b of the ceramic side and the sleeve 2d of the metal side are fitted, and set in a brazing jig in the state shown in FIG. 2 with the ceramic side facing downward. Next, brazing heat treatment is performed while applying a load in a vacuum or oxygen-free atmosphere. During this brazing heat treatment, when the temperature rises and reaches a temperature exceeding the melting point of the brazing filler metal 3, the ceramic in contact with the Ti foil 5' Gawa end face 1
In a, the top brazing filler metal 3 melts and Ti reacts with silicon nitride to form the reaction layer 5 shown in FIG. 2 are chemically bonded to each other.
一方、セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面と金
属がわのスリーブ２ｄの内周面とにおいては、窒化珪素
の方が金属よりも小さな熱膨張係数を有するため、ろう
付セット時、つまり常温におけるクリアランスに比べ、
ろう材溶融時におけるクリアランスの方がさらに広がる
ので、溶融したろう材３が前記拡大したクリアランスに
充填された状態となる。このとき、金属とろう材とは化
学的に結合されるが、ろう材とセラミックスとは、Ｔｉ
が存在しないため、あるいは万−Ｔｉが存在したとして
もセラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面を不活性
化処理しているため、直接反応せず、化学的に結合しな
い、また、セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面
と金属がわのスリーブ２ａの内周面との間に低弾性金属
である銅製のリングからなるスペース部材４を挿入させ
ているため、冷却によりスリーブ２ｄの径が元に戻った
ときでも、前記嵌合用軸部１ｂとスリーブ２ｄとは一定
のクリアランスを保ったままとなり、直接接触すること
はない、さらに、セラミックス嵌合用軸部１ｂの外周面
とスリーブ２ｄの内周面との間に充填された過剰のろう
材３によって、怪力法の締付は力が常温状態で維持され
る。On the other hand, since silicon nitride has a smaller coefficient of thermal expansion than metal in the outer circumferential surface of the fitting shaft portion 1b made of ceramic and the inner circumferential surface of the sleeve 2d made of metal, when set by brazing, In other words, compared to the clearance at room temperature,
Since the clearance when the brazing material is melted is further expanded, the expanded clearance is filled with the molten brazing material 3. At this time, the metal and the brazing filler metal are chemically bonded, but the brazing filler metal and the ceramics are bonded with Ti.
Because Ti is not present, or even if Ti is present, the outer circumferential surface of the mating shaft portion 1b between the ceramics is inactivated, so it does not react directly or chemically bond with the ceramics. Since a space member 4 made of a ring made of copper, which is a low-elasticity metal, is inserted between the outer peripheral surface of the mating shaft part 1b and the inner peripheral surface of the metal sleeve 2a, the sleeve 2d is cooled. Even when the diameter of the ceramic fitting shaft 1b and the sleeve 2d return to their original diameter, a certain clearance is maintained between the fitting shaft 1b and the sleeve 2d, and they do not come into direct contact. Due to the excess brazing filler metal 3 filled between the inner circumferential surface of 2d and the inner circumferential surface of 2d, the tightening force using the brute force method is maintained at room temperature.
次に、このようにして得られたセラミックスと金属との
接合体の継手部分における強度を調べるために、金属が
わの軸部２をチャックにより固定すると共に、セラミッ
クスがわの軸部１に対して３０Ｋｇｆの曲げ荷重を加え
る保証試験を行なったところ、保証試験のクリア率は第
１表に示すように８／１０であった。Next, in order to examine the strength of the joint part of the ceramic-metal bonded body obtained in this way, the shaft part 2 of the metal joint was fixed with a chuck, and the shaft part 1 of the ceramic joint was fixed with a chuck. When a guarantee test was conducted in which a bending load of 30 kgf was applied, the pass rate of the guarantee test was 8/10 as shown in Table 1.
（実施例２）
第３図はこの発明の第２実施例によるセラミックスと金
属との接合構造を示すものである。(Example 2) FIG. 3 shows a ceramic-metal bonding structure according to a second example of the present invention.
第３図に示す接合構造は、セラミックスがわの軸部１の
端部に、先端に平坦な端面１ａを有する細径の嵌合用軸
部１ｂをそなえたものを用いると共に、金属がわの軸部
２の端部に、底面２ａが平坦である閉塞孔２ｂを有しか
つ該閉塞孔２ｂの底部に余剰のろう材３を外部に流し出
すための貫通孔２Ｃを等間隔で形成したスリーブ２ｄを
そなえたものを用いているものである。The joining structure shown in FIG. 3 uses a shaft 1 between ceramics and a shaft 1b with a small diameter fitting shaft 1b having a flat end surface 1a at the tip, and a shaft between metal. A sleeve 2d has a closed hole 2b with a flat bottom surface 2a at the end of the portion 2, and has through holes 2C formed at equal intervals at the bottom of the closed hole 2b for draining excess brazing material 3 to the outside. It uses something that has the following features.
そして、前記セラミックスがわの軸部１に形成した細径
の嵌合用軸部１ｂと前記金属がわの軸部２に形成したス
リーブ２ｄとを当該嵌合用軸部１ｂの外周面とスリーブ
２ｄの内周面との間にスペース部材４を配設した状態で
嵌合し、セラミックスがわのとくに端面１ａで形成され
た活性金属法による反応層５．低弾性率の材料からなる
板材６、セラミックスと金属の熱膨張係数の中間の値を
もつ低熱膨張係数の材料からなる板材７およびろう打法
により嵌合部分のほぼ全体に形成されたろう材３を介し
て接合させた構造をなすものである。Then, the small-diameter fitting shaft 1b formed on the ceramic shaft 1 and the sleeve 2d formed on the metal shaft 2 are connected to the outer peripheral surface of the fitting shaft 1b and the sleeve 2d. A reaction layer 5 formed by the active metal method is formed on the end face 1a of the ceramic material, which is fitted with the space member 4 disposed between it and the inner circumferential surface. A plate material 6 made of a material with a low modulus of elasticity, a plate material 7 made of a material with a low coefficient of thermal expansion that has an intermediate value between the coefficients of thermal expansion of ceramics and metal, and a brazing material 3 formed on almost the entire fitting part by a brazing method. It has a structure in which it is joined through the wire.
この場合、上記スペース部材４は、ろう付工程において
セラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面と金属がわ
のスリーブ２ｄの内周面とが直接接触して当該嵌合用軸
部１ｂが局所的な焼ばめ圧力を受けるのを阻止する役割
を有するものである。また、活性金属法による反応層５
は、セラミックスがわの軸部１の端面と金属がわのスリ
ーブ２ｄの底面２ａとの間でろう材３を介して化学的な
結合を生じさせるはたらきを有するものである。さらに
、前記中間材としての低りｉ性率の材料からなる板材６
および低熱膨張係数の材料からなる板材７は、セラミッ
クスと金属との熱膨張差によって発生する熱応力を緩和
させるはたらきを有するものであり、前記板材６．７の
いずれか一方だけ、もしくは両方を組み合わせた多層の
状態として介在させることができる。この場合、低弾性
率の材料からなる板材６としては、例えば、Ａ文、Ｃｕ
、Ｎｔおよびそれらの合金等が用いられ、低熱膨張係数
の材料からなる板材７としてはＭｏ、Ｗ、、コバール、
インバー等が用いられる。In this case, in the space member 4, the outer peripheral surface of the fitting shaft portion 1b made of ceramic material and the inner peripheral surface of the sleeve 2d made of metal material directly contact each other in the brazing process, and the fitting shaft portion 1b is locally This has the role of preventing the material from being subjected to excessive shrink-fitting pressure. In addition, the reaction layer 5 by the active metal method
has the function of creating a chemical bond via the brazing filler metal 3 between the end face of the shaft portion 1 made of ceramic material and the bottom surface 2a of the sleeve 2d made of metal material. Furthermore, a plate material 6 made of a material with a low i property as the intermediate material
The plate material 7 made of a material with a low coefficient of thermal expansion has the function of relieving the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between ceramics and metal. It can be interposed in a multilayered state. In this case, the plate material 6 made of a material with a low elastic modulus may be, for example, A pattern, Cu
, Nt and their alloys, etc., and the plate material 7 made of a material with a low coefficient of thermal expansion includes Mo, W, Kovar,
Invar etc. are used.
次に、第３図に示したセラミックスと金属との接合構造
を得る具体的手順について説明すれば、例えば、実施例
１と同じ材質９寸法の軸部１，２を各々有するセラミッ
クスおよび金属を使用し、金属がわのスリーブ２ｄの底
部に、ろう材（ＢＡｇ−８）３を置いたのち、低熱膨張
係数の材料からなる板材７および低弾性率の材料からな
る板材６のうちの少なくともいずれか一方を単相でもし
くは両方を必要に応じて多層で置き、次いでその上部に
活性金属としてＴｉ箔５を置いた状態とする。他方、セ
ラミックスがわの嵌合用軸部１ｂの外周面に不活性化処
理を施しておくとともに厚さ０．２ｍｍの銅製リングか
らなるスペース部材４を挿入した状態とし、次いで前記
嵌合用軸部１ｂとスリーブ２ｄとを嵌合してセラミック
スがわが下方となるようにろう付治具にセットして非酸
化性雰囲気中でろう付熱処理を行なう、このろう付熱処
理後においては、セラミックス１と、中間材６，７と、
金属２とは反応層５およびろう材３を介して化学的に結
合している。また、嵌合用軸部１ｂの外周面とスリーブ
２ｄの内周面とは実施例１と同様に化学的に結合してい
ない、さらに、スペース部材４を用いているため、実施
例１のときと同様の効果が得られる。Next, we will explain the specific procedure for obtaining the ceramic-metal bonding structure shown in FIG. After placing the brazing filler metal (BAg-8) 3 on the bottom of the metal sleeve 2d, at least one of the plate material 7 made of a material with a low coefficient of thermal expansion and the plate material 6 made of a material with a low modulus of elasticity is placed. One is placed in a single phase or both are placed in a multilayer structure as required, and then a Ti foil 5 is placed on top of it as an active metal. On the other hand, the outer circumferential surface of the fitting shaft part 1b of the ceramics is inactivated and a space member 4 made of a copper ring with a thickness of 0.2 mm is inserted. and sleeve 2d are fitted together, set in a brazing jig so that the ceramic is facing downward, and brazing heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere.After this brazing heat treatment, the ceramic 1 and the intermediate Materials 6 and 7,
It is chemically bonded to the metal 2 via the reaction layer 5 and the brazing material 3. Further, the outer circumferential surface of the fitting shaft portion 1b and the inner circumferential surface of the sleeve 2d are not chemically bonded as in the first embodiment, and furthermore, since the space member 4 is used, it is different from the case in the first embodiment. A similar effect can be obtained.
このようにして得られたセラミックスと金属との接合体
の継手部分の強度を実施例１の場合と同様にして調べた
ところ、保証試験のクリア率は第１表に示すように１３
／１５であり、中間材６．７を用いることによって信頼
性がさらに向上した継手を得ることができた。When the strength of the joint part of the thus obtained ceramic-metal bonded body was examined in the same manner as in Example 1, the guarantee test pass rate was 13 as shown in Table 1.
/15, and by using the intermediate material 6.7, a joint with further improved reliability could be obtained.
そして、上記実施例１，２においては、嵌合用軸部１ｂ
の外周面とスリーブ２ｄの内周面とは化学的に結合して
おらず、端面１ａおよび氏面２ａの部分でのみ化学的な
結合を生じさせるようにしているため、従来の第５図に
示したごとく嵌合用軸部５１ｂの外周面とスリーブ５２
ｄの内周面とを化学的に結合させている場合のように嵌
合用軸部５１ｂに引張の残留応力を発生させるという不
具合を防止でき、破壊強度の高い嵌合用軸部１ｂとする
ことが可能となる。In the above embodiments 1 and 2, the fitting shaft portion 1b
The outer circumferential surface of the sleeve 2d and the inner circumferential surface of the sleeve 2d are not chemically bonded, and chemical bonding occurs only at the end surface 1a and the vertical surface 2a, so that the conventional structure shown in FIG. As shown, the outer peripheral surface of the fitting shaft portion 51b and the sleeve 52
It is possible to prevent the problem of generating tensile residual stress in the mating shaft portion 51b as in the case where the mating shaft portion 51b is chemically bonded to the inner circumferential surface of the mating shaft portion 1b with high breaking strength. It becomes possible.
（比較例）
比較のために、第５図に示した従来のセラミックスと金
属との接合構造において、セラミックスおよび金属の材
質９寸法は実施例１と同じにし。(Comparative Example) For comparison, in the conventional ceramic-metal bonding structure shown in FIG. 5, the dimensions of the ceramic and metal materials were the same as in Example 1.
銅製リングからなるスペース部材４を用いずにそれ以外
は実施例１と同様の手順でセラミックスと金属との接合
体を製作した。A ceramic-metal bonded body was manufactured in the same manner as in Example 1 except for using the space member 4 made of a copper ring.
次いで、このようにして得られた接合体の岩手部分の強
度を実施例１の場合と同様にして調べたところ、保証試
験のクリア率は５Ｓ１表に示すように１３７２７であっ
た。Next, the strength of the Iwate portion of the thus obtained bonded body was examined in the same manner as in Example 1, and the guarantee test pass rate was 13,727 as shown in Table 5S1.
（適用例）
第４図はこの発明によるセラミックスと金属との接合構
造を適用した例を示すものであり、図に示す符号１０は
窒化珪素質焼結体製のタービン、２０は構造用合金鋼か
らなる軸体である。この接合構造は第１図に示したもの
と同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。(Application example) Fig. 4 shows an example in which the ceramic-metal bonding structure according to the present invention is applied, and the reference numeral 10 shown in the figure is a turbine made of silicon nitride sintered body, and 20 is a structural alloy steel. It is a shaft body consisting of. Since this joining structure is the same as that shown in FIG. 1, the same reference numerals are given and the explanation will be omitted.
なお、この場合にも、第３図に示したと同じように、低
弾性率の材料からなる板材６および／または低熱膨張係
数よりなる板材７を単層ないしは多層とした中間材を設
けても良いことはいうまでもない。In this case as well, as shown in FIG. 3, an intermediate material may be provided in which the plate material 6 made of a material with a low elastic modulus and/or the plate material 7 made with a low coefficient of thermal expansion is made of a single layer or multiple layers. Needless to say.
［発明の効果］
以上説明してきたように、この発明によれば、セラミッ
クスがわの軸部と金属がわのスリーブとを嵌合し、前記
軸部とスリーブとの間にろう材を介在させて接合してな
るセラミックスと金属との接合構造において、前記セラ
ミックスがわの軸部の外周面と前記金属がわのスリーブ
の内周面との間に、当該軸部の外周面とスリーブの内周
面との間のクリアランスを保持するスペース部材を配設
した接続構造としたから、前記セラミックスがわの軸部
の外周面と前記金属がわのスリーブの内周面とがろう付
工程の際に直接接触するのを防止することが可能であり
、それゆえ前記軸部がスリーブから局所的な焼ばめ圧力
を受けることがないようにすることができることから、
セラミックがわの軸部に残留応力が発生するのを阻止す
ることができ、接合強度が非常に大きく、シかも過酷な
条件下でも信頼性の高いセラミックスと金属との接合継
手を得ることができるという非常にすぐれた効果がもた
らされる。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, a shaft made of ceramic and a sleeve made of metal are fitted, and a brazing material is interposed between the shaft and the sleeve. In the ceramic-to-metal bonding structure, there is a gap between the outer circumferential surface of the shaft of the ceramic and the inner circumferential surface of the sleeve of the metal. Since the connection structure is provided with a space member that maintains a clearance between the ceramic sleeve and the peripheral surface, the outer peripheral surface of the shaft portion of the ceramic joint and the inner peripheral surface of the sleeve of the metal joint are securely connected during the brazing process. Since it is possible to prevent the shaft from coming into direct contact with the sleeve, and therefore the shaft can be prevented from receiving local shrink fit pressure from the sleeve,
It is possible to prevent residual stress from occurring in the shaft of the ceramic joint, and the joint strength is extremely high, making it possible to obtain a highly reliable ceramic-to-metal joint even under harsh conditions. This brings about an extremely excellent effect.
第１図（ａ）（ｂ）はこの発明の第１実施例によるセラ
ミックスと金属との接合構造を示す各々断面説明図およ
び右側面説明図、第２図は第１図の接合構造を得る途中
の状態を示す断面説明図、第３図はこの発明の第２実施
例によるセラミックスと金属との接合構造を示す断面説
明図、第４図はこの発明による接合構造の適用例を示す
断面説明図、第５図（ａ）（ｂ）は従来のセラミックス
と金属との接合構造を示す各々断面説明図および右側面
説明図である。
１・・・セラミックスがわの軸部、１ａ・・・端面、１
ｂ・・・嵌合用軸部、２・・・金属がわの軸部、２ａ・
・・底面、２ｂ・・・閉塞孔、２Ｃ・・・貫通孔、２ｄ
・・・スリーブ、３・・・ろう材、４・・・スペース部
材、５・・・反応層、６・・・低弾性率の材料からなる
板材（中間材）、７・・・低熱膨張係数の材料からなる
板材（中間材）。FIGS. 1(a) and 1(b) are a cross-sectional explanatory view and a right side explanatory view showing a bonding structure between ceramics and metal according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an intermediate view of the bonding structure shown in FIG. 1. FIG. 3 is a cross-sectional explanatory diagram showing a bonding structure between ceramics and metal according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram showing an application example of the bonding structure according to the present invention. , FIGS. 5(a) and 5(b) are a cross-sectional explanatory view and a right side explanatory view, respectively, showing a conventional ceramic-metal bonding structure. 1... Shaft of ceramics, 1a... End surface, 1
b... Fitting shaft part, 2... Metal glue shaft part, 2a.
...Bottom surface, 2b...Closing hole, 2C...Through hole, 2d
... Sleeve, 3... Brazing material, 4... Space member, 5... Reaction layer, 6... Plate material (intermediate material) made of material with low elastic modulus, 7... Low coefficient of thermal expansion Board material (intermediate material) made of materials.
Claims (1)
を嵌合し、前記軸部とスリーブとの間にろう材を介在さ
せて接合してなるセラミックスと金属との接合構造にお
いて、前記セラミックスがわの軸部の外周面と前記金属
がわのスリーブの内周面との間に、当該軸部の外周面と
スリーブの内周面との間のクリアランスを保持するスペ
ース部材を配設したことを特徴とするセラミックスと金
属との接合構造。(1) A ceramic-to-metal bonding structure in which a shaft portion made of ceramic and a sleeve made of metal are fitted and bonded with a brazing material interposed between the shaft portion and the sleeve. A space member is provided between the outer circumferential surface of the ceramic shaft and the inner circumferential surface of the metal sleeve to maintain a clearance between the outer circumferential surface of the shaft and the inner circumferential surface of the sleeve. A bonded structure between ceramics and metal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61247424A JPH07115959B2 (en) | 1986-10-20 | 1986-10-20 | Bonding structure of ceramics and metal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61247424A JPH07115959B2 (en) | 1986-10-20 | 1986-10-20 | Bonding structure of ceramics and metal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63103873A true JPS63103873A (en) | 1988-05-09 |
| JPH07115959B2 JPH07115959B2 (en) | 1995-12-13 |
Family
ID=17163229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61247424A Expired - Lifetime JPH07115959B2 (en) | 1986-10-20 | 1986-10-20 | Bonding structure of ceramics and metal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07115959B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0512672U (en) * | 1991-07-30 | 1993-02-19 | 京セラ株式会社 | Joint of ceramic shaft and metal cylinder |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6077180A (en) * | 1983-09-30 | 1985-05-01 | 株式会社東芝 | Bonded body |
| JPS61186272A (en) * | 1985-02-14 | 1986-08-19 | 日本特殊陶業株式会社 | Method of bonding ceramic shaft and metal sleeve |
-
1986
- 1986-10-20 JP JP61247424A patent/JPH07115959B2/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
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| JPH0512672U (en) * | 1991-07-30 | 1993-02-19 | 京セラ株式会社 | Joint of ceramic shaft and metal cylinder |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07115959B2 (en) | 1995-12-13 |
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