JPS63182267A - セラミツクス−金属接合部材 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、セラミックスと金属の接合部材に関し、更
に詳しくは、接合強さが高くかつセラミックスにクラッ
クを発生させることのないセラミックスと金属の接合部
材に関する。

（従来の技術） セラミックスと金属の接合部材は、セラミックスと金属
の特性が大きく異なるため、接合に際し種々の問題があ
る。

重要な問題の１つに、接合に伴う熱応力の発生によるセ
ラミックス母材のクラック発生と、接合強さの低下があ
る。熱応力は、セラミックスと金属の熱膨張差に起因す
るものである。すなわち、セラミックスと金属は、熱膨
張係数の異なるものが多く、たとえば窒化珪素（約２．
５　Ｘ　１０−６／Ｋ　）あるいは窒化アルミニウム（
約４Ｘ１０　／Ｋ）のようなセラミックスと比較して、
鉄鋼（約１２Ｘ１０−６／Ｋ）やＮｉ　（約１４ＸｌＯ
／Ｋ）のような金属の熱膨張係数は、大きく両者の差が
大きい。そのため接合時の温度の上昇、下降に伴い接合
部に熱応力が発生しセラミックス母材のクラック発生を
引き起こし易い。さらに、セラミックス母材にクラック
発生を引き起こさない場合でも、接合部には、大きな残
留応力が生ずる。この残留応力は、セラミックス母材に
引張応力として存在することが多い。一般的にセラミッ
クスの引張強さは、圧縮強さに比べかなシ低い。従って
、引張の残留応力が存在するセラミックスと金属の接合
部材は、外部からの応力、つまり破壊強さが低くなる。

そのため接合部には５種々の応力緩和方法が考えられて
いる。しかしながら、発生する熱応力を完全に吸収する
ことは困難であシ、相当量の応力が、室温に冷却された
時点で接合部に残留する。そのため、接合材の使用時に
温度変化が生じると、残留応力との相乗効果によシ、大
きな熱応力が発生し、セラミックスにクラックが発生す
るか、あるいは接合強さが低下する問題があった。

こうしたセラミックスと金属の接合時に生ずる熱応力を
緩和する方法としては、■セラミックスと金属の間に軟
質金属層を介在させ、その塑性変形及び弾性変形によっ
て熱応力を緩和する方法（特開昭５６−４１８７９号）
、■セラミツクスと金属の間に線膨張率が両者の中間の
値を有する材料の層を介在させる方法（特開昭５５−１
１３６７８号）。

■セラミックスから金属にかけて線膨張率が小から大へ
と変化する複数の層を順次積層して介在させる方法（特
開昭５５−７５４４号）などが開示されている。

しかしながら、■の場合セラミックスの持つ優れた特性
の一つである高強度を活用しようとした場合、接合体の
強度が前記軟質金属の特性に支配されて十分にセラミッ
クスの特性を活かすことができなかった。特に、高温に
おいては軟質金属の特性低下が著しく、接合体の活用を
図ることが不可能であった。

また■■の場合はある程度の熱応力の緩和および接合強
さが期待されるが、熱応力の緩和には限界がある。さら
に、これらの熱応力緩和層の選定および作製には、困難
が伴なう。

（発明が解決しよりとする問題点） 本発明はセラミックスと金属の接合部材に生ずる熱応力
に起因するセラミックスへのクラックの発生あるいは接
合強さ熱疲労等の低下を解決するための、新規の熱応力
緩衝層を具備した、セラミックス−金属接合部材の提供
を目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、セラミックスと金属の接合面に熱応力緩
衝層を介せしめた接合部材に関し、鋭意研究を重ねた結
果、後述の熱応力緩衝層を用いた接合部材が、前記問題
点の解決を達成し得るとの事実を見出し本発明を開発す
るに到った。

すなわち本発明は、セラミックスと金属との接合面に、
同心円状に結晶粒が生成された金属層を介在させて接合
したことを特徴とするセラミックス−金属接合部材にあ
る。

まず、本発明部材を適用し得るセラミックスとしては、
例えば、Ａ！！２０３．Ｚｒ０ｚのような酸化物系セラ
ミックス、ＳｉＣ，Ｔｉｃのような炭化物系セラミック
ス、Ｓ　ｉ　３Ｎ４　＋　ｋｌ！Ｎのような窒化物系セ
ラミックスをあげることができる。また金属としては、
Ｆｅ。

Ｎ１　、Ｃｏ　、Ｔ１　、Ｍｏ　、Ｖ、Ｎｂ　、Ｔａ　
、Ｚｒ　、Ｃｕ　、ＡＩのような金属、若しくけ、これ
ら金属の適宜な合金をあげることができる。

本発明の熱応力緩衝層は、同心円状に結晶粒が生成され
た金属層である。同心円状に結晶粒が形成された金属層
とは、例えば電着法で得られる柱体の横断面層、あるい
は球体の任意の断面層などがある。これらの電解析出材
は中心部から、結晶粒が析出成長することにより、任意
の形状、寸法を得ている。従がって柱体の横断面あるい
は球体の断面は、同心円状に結晶粒が生成された形態を
示す。よってこれらの電解析出材の断面は、通常電着条
件、たとえばｐＨ１沿温度、電流密度の変化あるいは電
解中に入りこむ不純物、さらに、この不純物による内部
ひずみ等によシ、同心円状に、不均一な結晶粒の析出、
あるいは物性を示すことになる。

上記のような同心円状に結晶粒が生成された、金属層と
しては、　Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの高純度金属が
熱応力の緩和効果を高めることから好ましい・さらにこ
れらの金属層の厚さは０．２朋から２．０朋の範囲が好
ましい。厚さが０．２１１１未満の場合、熱応力の緩和
効果が小さく、また２、０１１をこえると、熱応力の緩
和効果は、十分であるが接合強さが低下する。

本発明のセラミックス−金属接合部材は、以上のように
セラミックスと金属の接合部に、同心円（作　用） 本発明のセラミックス−金属接合部材は、セラミックス
と金属の接合面に、同心円状に結晶粒が生成された金属
を介在させることで、セラミックスと金属の熱膨張係数
の差から生ずる熱ひずみが緩和される。この熱応力の緩
和によシ、セラミックスへのクラックの発生あるいは、
接合強さ。

熱疲労等に優れたセラミックス−金属接合部材となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図を用いて説明すると、まず、直径１３朋、厚さ５
關の窒化ケイ素置栓体１、直径１３ＩｉＩ、厚さ５朋の
構造用炭素鋼（ＪＩＳ、８４５Ｃ）の円栓体２とを用意
した。熱応力緩和層は、直径１５龍の球状電解Ｎｉを厚
さ０．８Ｉｌｌｌに切出した円板３を用いた第２図に球
状電解Ｎｉ　５からのＮ１円板３の切出概念図を示す。

前記窒化ケイ素置栓体１と炭素鋼口栓体２との接合面間
に、Ｎ１円板３を介在させ、該窒化ケイ素置栓体１とＮ
１円板３の間及びＮｉ１検体３と炭素鋼口栓体２の間に
夫々厚さ５μｍのＴｉ箔とＣｕ箔のろう材４を挾んで重
ね合せた後１ｋｇ／ｃ！Ｉｔの圧力を加えながら５　Ｘ
　１０−５Ｔｏｒｒ　、　９５０’ＯＸ　４分間の条件
に保持し、ひきつづきアルゴンガス中で冷却して。

窒化ケイ素−炭素鋼接合部材を得た。

得られた接合部材について接合面にせん断応力を加え、
室温でのせん断強さを測定した。その結果せん断強さは
、　　１４．２ｋｌｌｉｌ／−であった、また比較例と
して、熱応力緩衝層に外径１５脂、厚さ９．９　ｍｍの
Ｎｉ圧延材を用い、窒化ケイ素、炭素鋼、ろう材接合条
件を上記例と同一として、窒化ケイ素−炭素鋼接合部材
を得、室温でのせん断試験を行なった。その結果、せん
断強さは、ｌ乃至２　＃／−と低い値であった。

実施例２ 実施例１と同様の窒化ケイ素置栓体と、構造用炭素鋼内
栓体を用意した。熱応力緩衝層は直径１５ｍｍの柱状電
解Ｎｉを横断面ｉｃ０．８朋の厚さに切断したものを用
意した。これらの部材を、実施例１と同様の接合条件下
で接合し、窒化ケイ素−炭素鋼接合部材を得た後、さら
に、接合部のせん断強さを求めたところ１４．６ｋｇ／
−の値が得られた。

〔発明の効果〕

セラミックスと金属の接合面に同心円状に結晶粒が生成
された金属層を介在させて接合することで、セラミック
スと金属の熱膨張係数の差から生じる熱ひずみが緩和さ
れ、セラミックスへのり２ツクの発生あるいは接合強さ
、熱疲労等に優れたセラミックス−金属接合部材が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例における接合部材の模擬図、
第２図は、この発明の構成要素の１つである熱応力緩衝
層の素材からの切出概略図である。 ｌ・・・窒化ケイ素円柱体、２・・・炭素鋼円柱体、３
・・・Ｎｉ円板、　　　　　　４・・・ろう材、５・・
・球状電解Ｎ１゜ 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　喜久男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１、）セラミックスと金属との接合面に、同心円状に
   結晶粒が生成された金属層を介在させて、接合したこと
   を特徴とする、セラミックス−金属接合部材。 （２、）金属層が、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのいずれか
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセ
   ラミックス−金属接合部材。 （３、）金属層が、電解析出材からなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項のいずれかに記載のセ
   ラミックス−金属接合部材。 （４、）金属層の厚さが０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲
   であること特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、
   第３項のいずれかに記載のセラミックス−金属接合部材
   。