JPS63190768A - セラミツクスと金属の接合体 - 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】 皮栗上皇科尻分互 本発明はセラミックスと金属の接合体に関する。

さらに詳細には本発明は、酸化物、炭化物、ホウ化物、
窒化物及びこれらの複合物等のセラミックスの表面を金
属化し、この金属化面に金属部材を接合して構成される
セラミックス部材と金属部材の接合体に関する。

従米葛技玉 セラミックスは耐熱、耐摩耗、軽量性等に優れているが
、金属との接合が困難であるのでその用途が限定されて
いる。一般にセラミックス部材と金属部材の接合体は、
セラミックスの表面を金属化し、この金属化面で他の金
属部材と接合して行われる。このようなセラミックス部
材と金属部材の接合が十分な強度で達成されると、電子
部品におけるセラミックス基板への金属素子や放熱フィ
ンの接合体、あるいは構造部品やエンジン部品における
セラミックス部材と金属部材の接合体等、セラミックス
の用途は拡大するはずである。

このようなセラミックス部材と金属部材の接合体を得る
ために行われるセラミックスの代表的な金属化法として
は、モリブデン−マンガン法、活性金属法および酸化物
ソルダ°−法がある。このうち、活性金属法は、Ｔｉ、
　Ｚｒの如き高温で活性となり、セラミックスと反応し
やすくなる活性金属を利用する方法である。すなわち、
板または箔状の活性金属をセラミックスと封着金属との
間に挿入し、真空或いは不活性ガス中で加熱処理して封
着する方法である。

、日経メカニカル（ＮＩＫＫＥＩ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ
Ｌ）　　１９Ｂ６．１．１３には活性金属ろう付は法が
記載されている。この活性金属ろう付は法は、ろう材と
活性金属を使用する方法であって、ろう材の箔を活性金
属と共に使用するか、ろう材に活性金属を混入して使用
する。また、Ｓｉ３Ｎ４のようなセラミックスの表面に
Ｎｉ等の活性金属の粉末を散布し、真空下で加熱して金
属化する方法も開示されている。

■が解決しようとする間　占 上述したようにセラミックス部材と金属部材のとを接合
するための、従来技術による活性金属によるセラミック
スの金属化法としては、活性金属を混入した合余ろう材
による方法、また、箔、板状にして接合する方法等が提
案されている。しかしながら、これらの方法では、純度
の高い活性金属を使用できず、さらに不純物混入による
活性度の低下がみられる。他方、活性金属は、その高活
性のため、酸化等の腐蝕しやすい性情を有するため活性
金属のせっかくの高活性が生かされない問題もあった。

また、これらの問題に対し、イオンブレーティング法に
よって高純度のＴｉをセラミックス表面に蒸着する方法
が提案されている。しかしながら、この方法で蒸着され
たてｉＮは、固相状態で接合されているためセラミック
スに対し濡れ性が悪く、セラミックスとの反応が進行せ
ず界面強度が低いという問題点があった。このためセラ
ミックスと金属との十分に高い接合強度を有し且つ均質
な接合体は未だに開発されていなかった。

従って、本発明の目的は上記した従来技術の問題を解決
して、清浄、均質かつ強固な接合面を有するセラミック
ス部材と金属部材の接合体を提供することにある。

Ａ　声を”°するための 本発明者等は、上記した従来技術のセラミックスと金属
との接合の問題に鑑み、種々の実験、検討を繰り返した
結果、本発明を完成したものである。

本発明に従うと、セラミックス部材と金属部材の接合体
であって、これらのセラミックス部材と金属部材との間
に該セラミックス部材側に、ＪＪ、該金属部材側にＢ層
を有し、 上記Ａ層は、物理蒸着法により活性金属を含む２種以上
の金属を蒸着し、該金属層がその融点温度以上に加熱さ
れ、該セラミックス部材に相互拡敗されている層であり
、 上記ＢＷＩは、該Ａ層および該金属部材と反応して結合
されている金属よりなる層であることを特徴とするセラ
ミックス部材と金属部材の接合体が提供される。

添付の第１図を参照して本発明のセラミックスと金属の
接合体を説明する。セラミックス部材１の１表面が金属
化され、ＡＪＩ！２を形成している。

一方、Ａ層２と金属部材４の表面にはＢ１）！３が介在
している。ここで、Ａ層２は、物理蒸着法により活性金
属を含む２種以上の金属を蒸着し、該金属層をその融点
温度以上に加熱して形成した金属化層であり、Ｂ［３は
、Ａ層２および金属部材４と反応して結合されている金
属よりなる層である。

上記Ａ層２の蒸着金属の融点は１６００℃以下であるこ
とが好ましく、このような低温度の融点とすることによ
って蒸着金属の熱処理およびセラミックス部材１を金属
部材４と接合する処理の際の加熱温度を低温度にできる
。従って、セラミックス部材１の損傷が防止でき、強固
な接合部材が得られる。

さらに本発明の好ましい態様に従うと、８層３を構成す
る金属の熱膨張係数αが、 α≦８．０／’ＣＸ　１０−” である。このような熱膨張係数の金属を選択することに
よって接合時の熱応力をこの金属部分で吸収できるので
好ましい、このようなりＮｉ３をなす金属の例としては
Ａｌ５Ｎｉ、　ＦｅまたはＣｕの如く塑性変形能を有す
る金属、或いはセラミックス部材１とほぼ同等の熱膨張
係数を有する金属が好ましい。

さらに本発明の態様に従うと、セラミックス部材１は、
酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物またはこれらの複合
物等のセラミックスであり、一方、活性金属は、Ｔｉ、
　Ｎｉｓ　Ｚｒ、　Ｆｅ、’Ｎｂ、　Ｗ、　Ｍｏ、　Ｔ
ＩまたはＡＩであることが好ましい。

さらにＡ層２をなす２種類の金属はイオンブレーティン
グ法又はスパッタリング法等の物理蒸着法で積層蒸着ま
たは複合蒸着によって形成され、その加熱処理は真空下
で行うのが好ましい。複合蒸着とは同時に異種の金属を
蒸着又は異種金属の合金を蒸着することをいう。

咋ユ 本発明のセラミックス部材と金属部材の接合体の特徴を
さらに詳細に説明する。

まず、本発明の方法では、イオンブレーティング法又は
スパッタリング法の如き物理蒸着法により活性金属を含
む２種以上の金属をセラミックス部材の表面に蒸着する
ことによって活性度の高い状態でセラミックスに活性金
属を接触させる。これは、セラミックスに対し活性金属
を純粋な状態（すなわち、高純度であり、酸化等の腐食
のない状態）で接触させることによりできるだけ反応性
を高め、同時にセラミックス部材とＡｌｇとの界面に悪
影響を及ぼす酸化物等の発生を抑制するためである。例
えば、Ｔｉを活性金属として使用する場合、Ｔｉｅ、Ｔ
ｉ０ｚの生成は界面の強度低下の大きな原因となるが、
物理蒸着法によるとそれらの発生が抑制され、高活性の
状態で清浄かつ均質な状態で活性金属が蒸着される。

さらに、本発明では、活性金属を含む２種以上の金属を
蒸着してＡ層を形成する。これは２種以上の金属の層を
形成し、加熱するとこれらの金属が共晶合金状となり、
融点が大巾に低下するからである。すなわち、従来技術
の如く、活性金属単体では融点は非常に高く、加熱溶融
するとき高温度となりセラミックスが損傷する恐れがあ
るが、本発明の方法の場合低温度でも加熱溶融できるの
でセラミックスのｔ員傷がみられない。このため、本発
明の好ましい態様ではＡ層をなす金属全体の融点を１６
００℃以下とする。２種以上の金属は順次積層してもよ
いが、同時に複合蒸着してもよい。

次いで蒸着した２種以上の金属からなるＡｌを融点以上
の温度で加熱処理し、融液状態でセラミックスと反応さ
せる。これは、金属層を融液状態でセラミックスに接触
させることにより金属の濡れ性が向上し、セラミックス
と活性金属との接触面積が増大し、活性金属の活性度を
最大限に活用することができ、セラミックスに対し強固
な反応層を形成することができるからである。このよう
にして、固相状態で反応させるよりもセラミックスに対
し濡れ性が向上し、物理蒸着法により金属層を形成する
ことの相乗効果により活性金属の反応性を最大限に引き
出すことができる。また、蒸着された金属は溶融加熱さ
れるため融液状態をなし、均一にセラミックスと反応し
２．バラツキのない安定化した界面強度を得ることがで
きる。

さらに加熱溶融処理を真空下で行うと、活性金属の活性
度が損なわれず、さらに高強度な接合界面が得られるの
で好ましい。

これら金属層の熱処理温度として、活性金属の過度の反
応を制御し、又セラミックス自体の変質を防止するため
に、１６００°Ｃ以下の温度とすることが好ましく、そ
のために蒸着する金属層の融点を１６００°Ｃ以下とな
るように蒸着すべき金属群を選択する。

次にＢ層をなす金属について説明すると、Ｂ層の金属は
、熱膨張係数がセラミックスに近いか、またはＡｌ、　
Ｎｉ、　ＦｅまたはＣｕの如き塑性変形形態を有した金
属が好ましい。このような金属をＢＮに使用することに
よって、セラミックス部材と金属部材とを接合したとき
の、セラミックスと金属との間の熱膨張係数差による熱
応力を緩和または吸収できるので熱応力によって破損す
ることなく、接合強度を著しく向上させることができる
。

本発明の好ましい態様に従うと、ＢＨの金属の熱膨張係
数αは、 α≦８．０／℃×ｌ０−６ であり、特にセラミックスとほぼ同じ熱膨張係数とする
のが好ましい。

以上のように、高反応性を有する金属からなるＡ層とセ
ラミックス部材とは強固に接合し、また金属部材側のＢ
層を適当な熱膨張係数の金属材料のものとすることによ
って、熱応力の影響が小さく、大きな接合強度を有した
セラミックスと金属の接合体が得られる。

以下、本発明を実施例により説明するが、これらの実施
例は本発明の単なる例示であり、本発明の技術的範囲を
何ら限定するものではないことは勿論である。

ス１）汁１ 純度９９％のα−Ａｉｚｏａセラミックス部材をアセト
ン及びトリクレンで超音波洗浄器にて洗浄して、油分お
よび水分を除去した。次いでこのセラミックス部材に対
し、イオンブレーティング装置を用いてＮｂ、　Ｎｉを
各１μｍの厚さで積層蒸着させた。

このときの蒸着条件は、真空度５　Ｘ　１０−　’Ｔｏ
ｒｒ、基板温度３８０°Ｃであった。また、これら積層
蒸着させた金属層の融点は１２８０°Ｃであった。

得られた試片について１０００〜１４００°Ｃの各種温
度で加熱処理を行い、金属化面（ＡＪりを形成した。

この金属化面に熱膨張係数の相違する種々の金属（ＢＪ
ｉ）を介在させ、３４５Ｃ鋼と加熱接合を行った。得ら
れた接合体について４点曲げ強度試験を行った。結果を
第１表に示す。

玉上糞 第１表に示す如く、Ａ層の融点１２８０℃未満で加熱処
理した場合の接合強度は著しく低い。これに対してＡ層
の融点１２８０°Ｃ以上の温度で加熱処理してＢ層とし
て適当な熱膨張係数の金属を選択したものは優れた接合
強度が得られることがわかる。

これに対して熱膨張係数が８．８Ｘ１０−’／”Ｃまた
は２０．９Ｘ１０−’／”Ｃと高いＴｉまたは黄銅をＢ
層とじて選択した場合は接合強度が著しく低いか或いは
熱応力により接合時にセラミックス部材が破損した。

裏旌炎主 Ｂ、Ｃを添加したＳｉＣセラミックスの表面を実施例１
と同様に洗浄し、スパンリング装置を用いてＭｏを０．
１μｍ、Ｓｉを２．０μｍそれぞれ積層蒸着した。これ
らの積層金属全体の融点は１４７０℃であった。得られ
た試片を１３００〜１５５０°Ｃの範囲の種々の温度で
真空下で加熱処理を行い金属化面Ａ層を形成した。

次いで、ＢＮとしてＡｌ、　Ｎｉ、　ＦｅまたはＣｕを
介在させ耐熱５ＵＳ３１０Ｓと加熱接合を行い、得られ
た接合体について４点曲げ強度試験を行った。結果につ
いて第２表に示す。

】じし表 本実施例においてもＡ層の融点１４７０°Ｃ未満の温度
で加熱処理した場合は、接合強度が著しく低い。

また、Ｂ層の金属を介在させずに接合した場合は熱応力
によってセラミックスが破損している。

これらに対して本発明に従い、Ａ層の融点１４７０°Ｃ
以上の温度で加熱処理を行い、Ａｌ、　Ｎｉ、　Ｆｅお
よびＣｕの如き適当な金属のＢ層を介在して接合して得
られた接合体の強度は著しく高いものであることが確認
された。

尖施■主 ＴｉＮセラミックス製切削用工具の表面をイオンブレー
ティング装置を用いて、Ｆｅ：Ｓｉ＝　１　：　１（重
量比）の合金により１．５μｍ複合蒸着した。

得られた工具を真空下で蒸着金属層の融点以上である１
３００°Ｃにて熱処理を行い、メタライズ後ＡＩ板を介
して鋼製治具に接合した。

得られた切削用工具を用いて切り込み深さを変えて切削
テストを行ったが接合部に強い機械的衝撃が加わったに
もかかわらず、全く剥離が生じなかった。

光訓Ｆと九果 以上説明したように、本発明のセラミックスと金属の接
合体は従来技術に比べ大巾に高い強度と均質な接合を示
すものである。

従って、本発明のセラミックスと金属の接合体は、耐熱
性、耐摩耗性に優れたセラミックス自体の特性と金属の
軽量性等に優れた特性を合わせ持つ優れた複合部材であ
って、その用途はセラミックス電子部品、構造部品、エ
ンジン部品（ターボチャージャー、エンジンピストンヘ
ッド、ロックアーム、エンジンシリンダー）等の広い分
野にまたがるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックスと金属の接合体の概略模
式図である。 （主な参照番号） １・・・セラミックス部材、 ２・・・Ａ層（金属化面）、 ３・・・Ｂ層、 ４・・・金属部材

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材と金属部材の接合体であって、
   これらのセラミックス部材と金属部材とは、該セラミッ
   クス部材側にＡ層、該金属部材側にＢ層を介して接合さ
   れ、 上記Ａ層は、物理蒸着法により活性金属を含む２種以上
   の金属を蒸着し、該蒸着された金属層をその融点以上の
   温度に加熱して形成され、該セラミックス部材と相互拡
   散されている層であり、上記Ｂ層は、該Ａ層および該金
   属部材と反応して結合されている金属よりなる層である
   ことを特徴とするセラミックス部材と金属部材の接合体
   。
2. （２）上記Ａ層の蒸着金属の融点が、１６００℃以下で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセ
   ラミックス部材と金属部材の接合体。
3. （３）上記Ｂ層の金属の熱膨張係数αが、 α≦８．０／℃×１０＾−＾６ であることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項に記載のセラミックス部材と金属部材の接合体。
4. （４）上記Ｂ層をなす金属がＡｌ、Ｎｉ、ＦｅおよびＣ
   ｕからなる群より選択された少なくとも１種の金属また
   はそれらの合金であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第３項のいずれか１項に記載のセラミックス
   部材と金属部材の接合体。
5. （５）上記Ａ層は、２種以上の金属を積層蒸着して形成
   されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６
   項のいずれか１項に記載のセラミックス部材と金属部材
   の接合体。
6. （６）上記Ａ層は、２種以上の金属を複合蒸着して形成
   されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６
   項のいずれか１項に記載のセラミックス部材と金属部材
   の接合体。