JPS63190770A - 高温特性の優れた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】 皮呈上皇肌里立国 本発明はセラミックスと金属の接合体、特に高温特性に
優れた接合体に関するものである。

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、この金属化面にロウ材を介して金属部材を接合
することによって構成される高温特性の優れたセラミッ
クスと金属の接合体に関する。

堡米■伎歪 セラミックスは耐熱性、耐摩耗性等に優れているが、金
属との接合が一般に困難である。また、その接合部の耐
熱性が低いので高温部材としての用途が限定されている
。

セラミックスと金属との接合法としてモリブデン−マン
ガン法、活性金属法および酸化物ソルダー法がある。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、仮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（ＮＩにＫＥＩ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ
）１９８６．１．１３には活性金属ロウ材は法が記載さ
れている。この活性金属ロウ材は法は、ロウ材と活性金
属を使用する方法であって、ロウ材の箔を活性金属と共
に使用するか、ロウ材に活性金属を混入して使用する。

また、Ｓ　ｉ　３　Ｎ　ａ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。

さらに、セラミックス部材を金属部材に接合する方法と
して、鋳ぐるみ法或いは焼き嵌め、嵌合、ボルト締め等
による機械的接合法が従来より採用されている。

１１友邂決しようとする問題点 しかしながら、これら鋳ぐるみ法や焼き嵌め、嵌合、ボ
ルト締め等の方法は設計及び施工が複雑で、またセラミ
ックスに鋭角の凹凸が発生したり、接合工程中に熱応力
でセラミックスが破壊することがある（工業材料第３１
巻１２号ｐ５１参照）。さらにこれらの方法は、熱衝撃
等に対する信頼性が乏しい等の問題があり実際には広く
採用がなされていなかった。

また、活性金属ロウ材は法としてＴｉ　−Ｃｕ−Ａｇ合
金ろう材を用いた従来例があるが、接合界面の高温強度
が低く、′４００″Ｃ以上の温度で強度低下が発生して
いた（材料技術Ｖｏｌ　４　、　Ｎ［Ｌ　２　、１９８
５参照）。

さらにセラミックスの表面に金属化膜を形成して接合す
る方法でも５００°Ｃ以上の高温でも良好な特性（特に
高温強度）を示す金属化膜を生成する方法は確立されて
いなかった。活性金属を用い金属化膜を生成する方法は
、ロウ材中にＴｉを含有させ、金属化面を生成し接合す
る方法として考えられ室温強度〜４００℃域においてま
ずまずの強度を示したが、高温域でロウ材が軟化し５０
０″Ｃ以上の温度域での強度低下が著しく高温では使用
できなかった。

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、高温特性に優れた接合部を有するセラミックスと
金属の接合体を提供することにある。

間　点を町するための　・ 本発明者等は上記した本発明の目的を達成するため、セ
ラミックスと金属の接合について種々の実験、検討を繰
り返した結果、本発明を完成したものである。

すなわち、本発明に従うと、セラミックス部材と金属部
材との接合体であって、該セラミックス部材と金属部材
とは、接合されるセラミックス部材の表面に物理蒸着法
によって形成された活性金属を含む１種以上の金属の蒸
着層と、該金属部材側に融点が９００°Ｃ以上の高融点
のロウ材の層とを介在して接合され、該蒸着された金属
は該セラミックス部材および高融点ロウ材層中に拡散し
ていることを特徴とする特許 スと金属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の接合すべき表
面にイオンプレーティング法またはスパッタリング法等
の物理的蒸着法により活性金属、例えばＴｉＳＮｉ，　
Ｚｒ，　ＴＩ，　Ｍｏ，　Ｗ，　Ｆｅ，八ｌまたはＮｂ
を含む１種以上の金属が蒸着されて蒸着層、すなわち金
属化面２が形成されている。一方、蒸着層２と金属部材
４の表面には高融点ロウ材層３が介在している。ここで
、図中に矢印で示すように、蒸着層２の活性金属はロウ
接待の高温度により高融点ロウ材Ｎ３中に拡散している
。

一方、高融点ロウ材層３は、蒸着層２および金属部材４
と結合している。このような高融点ロウ材Ｎ３をなすロ
ウ材としてはＡｕロウ材、Ｎｉロウ材またはＰｄロウ材
が好ましい。

さらに本発明の好ましいＢ様に従うと、蒸着層２の膜厚
は０．０１〜２０μｍの範囲が好ましい。

さらに本発明の態様に従うと、セラミックス部材工は、
酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物及びこれらの複合物
等のセラミックスである。

甘 本発明のセラミックスと金属の接合体の特徴をさらに詳
細に説明する。

まず、本発明のセラミックス部材と金属部材の接合体を
作製するには、イオンブレーティング法又はスパッタリ
ング法の如き物理的蒸着法により活性金属を含む１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、物理的蒸着法では高真空で高純度気化
金属が蒸着するため、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）で接触させることができるためである。このよ
うにして本発明では、活性金属の反応性を高めてセラミ
ックスと活性金属とを十分に反応せしめ、同時にセラミ
ックス部材と蒸着層との界面に悪影響を及ぼす酸化物等
の発生を抑制する。例えば、Ｔｉを活性金属として使用
する場合、Ｔｉｅ、Ｔｉ０ｚの生成は界面の強度低下の
大きな原因となるが、物理的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、物理蒸着法によると非常に薄い蒸着膜を形成す
ることができる。すなわち、蒸着層中の活性金属はセラ
ミックス部材内に拡散して強固に接合すると同時に、ロ
ウ接待の高温度によって高融点ロウ材内に拡散する。従
って、活性金属単体の接合界面の如く高温強度、が低く
なることがない。

すなわち、活性金属は活性が高いため高温雰囲気では酸
素と反応しやすい。従って接合界面に活性金属が単体と
して存在すると、高温時に強度低下の原因となる。従っ
て本発明では、接合界面に熱的に問題のあるこれら活性
金属をロウ接待に高融点ロウ材中に拡散せしめ、接合界
面に活性金属を単体として残存させないようにする。ま
た、活性金属は、高融点ロウ材中に拡散することにより
高融点ロウ材の高温特性を低下させるが、このような高
温特性を劣化が少ないように、活性金属の蒸着量を制限
する。

すなわち、本発明においては、セラミックス表面に非常
にうすい金属膜を作り、高融点ロウ材を用いてロウ接す
ることにより、ロウ接待に熱的に弱いこれら金属膜を高
融点ロウ材中へ拡散吸収し、接合界面、接合部（ロウ材
）共に高温特性に優れた特性とすることにより全体とし
て高温特性に優れたセラミックス／金属接合体とした。

かくして本発明では、物理蒸着法により得られた金属膜
が、できるだけ薄い方が高融点ロウ材への影響も少なく
、接合界面の高温特性が高いとの知見に基づき、物理蒸
着により形成される金属層はセラミックス中に拡散する
ことによって消費され、その残余分が高融点ロウ材中に
拡散するに充分な量として蒸着層の膜厚を決定した。

従って蒸着層の膜厚が２０μｍを超えると接合界面の高
温強度が著しく低下し、一方０．０１μｍ未満ではセラ
ミックスと強固な界面を生成するのに必要な金属量が不
足するとして、本発明の蒸着層の膜厚を０．０１〜２０
μｍとした。

さらに本発明に従うと、ロウ接は真空下で行い蒸着層内
の活性金属を保護するのが好ましい。これは、活性金属
により生成されたセラミックスとの界面が雰囲気により
腐食される恐れが少なくなるからであり、これにより一
段と高強度な接合が得られることとなる。

さらに本発明では、高温特性に優れた高融点ロウ材（融
点９００°Ｃ以上）を用いることによりさらにセラミッ
クスと金属の接合体の高温特性を改善している。

さらにロウ材によるセラミックスと金属の接合は簡便で
あり、本発明の接合体の製造が容易となる。

以上説明の如く、高反応性を有した金属層とセラミック
スとは強固に接合し、また金属とも熱応力の影響をほと
んど受けずに接合できるので、接合プロセスも容易で大
きな接合強度を有した接合体が得られる。

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。

尖旌拠土 Ｂ、Ｃを添加したＳｉＣセラミックスを１０　Ｘ　１０
　Ｘ２０龍に加工し、純度９９．９９％のＮｉを用いて
イオンブレーティング装置によりＮｉを１．０μｍの厚
さで蒸着した。蒸着条件は、真空度が５　Ｘ　１０−’
Ｔｏｒｒ、基板温度４００°Ｃであった。

得られた金属化層を有するＳｉＣセラミックスに対しＮ
ｉロウ材（Ｎｉ−４Ｓｉ　　１６．５Ｃｒ−４Ｆｅ　−
３，８Ｂ）を用いて１１００’Ｃに加熱して真空下で３
４５Ｃｍ材に接合させた。接合体より３　Ｘ　４　Ｘ４
０ｍｍの試験片を切り出し加工し、室温〜８００°Ｃま
での温度域について４点曲げ強度試験を行った。結果を
第１表に示す。

比較例として活性金属ロウ材（Ｔｉ　−Ｃｕ−Ａｇロウ
材）を用いてＳｉＣセラミックスと３４５Ｃ鋼材とを接
合したものについても同様の４点曲げ強度試験を行った
。

第１表 第１表に示す如く、本発明の接合体は４００°Ｃを超え
る温度でも曲げ強度が低下せず、優れた高温特性を示す
が、比較例の接合体は４００″Ｃを超えると曲げ強度が
著しく低下する。特に、８００°Ｃでは比較例の接合体
はロウ材が融解しているのに対して、本発明の接合体は
依然高強度を保持している。

ス１１１影 純度９９％のα−八へ２０．セラミックスを１０　Ｘ　
１０　Ｘ２０龍に加工し、純度９９％のＺｒを用いてス
パッタリングによりｏ、ｏｏｉ〜５０μｍの範囲の各種
膜厚で蒸着を行った。得られた試片をＡｕロウ材（Ａｕ
−Ｃｕ）を用いてコバール金属に接合した。また、比較
例としてＡｇロウ材（Ａｇ−Ｃｕ）を用いて同様の接合
を行った。

得られた各々の接合体より３　Ｘ　４　Ｘ４０Ｍの試験
片を切断加工し、４点曲げ強度について室温〜８００°
Ｃの範囲で評価を行った。結果を第２表に示す。

員１表 第２表に示す如く、本発明の接合体は８００°Ｃまでの
高温度域で優れた強度を保持している。これに対してへ
ｇロウ材を用いた場合は６００″Ｃで著しく強度が低下
していることがわかる。

さらに、蒸着層の膜厚が０．０１〜２０μｍの範囲で室
温強度および高温強度ともに優れた接合体が得られるこ
とがわかる。

尖旌貫主 エンジン用排気パルプのフェース部をＳ　ｉ　ｓ　Ｎ　
４で作製し、オーステナイト鋼製のステム部につぎのよ
うにして接合を行った。

まず、Ｓ　ｉ　ｚ　Ｎ　ａ製のフェース部の接合すべき
面に対してイオンブレーティング装置を用いて一層目に
Ｔ１を、二層目にＣｕを蒸着し、Ｐｄロウ材（Ａｇ−Ｐ
ｄ−Ｍｎ）を用いて１１５０°Ｃでステム部に接合した
。

得られた５ｉｚＮｎ／鋼製排気パルプを自動車用エンジ
ンに取り付け２０００〜７０００ｒｐｍの範囲で各１０
０時間作動させたところ全くトラブルは発生せず、作動
後も排気バルブの接合部は若干の変色があるだけで全く
異常は認められなかった。

光貝皇須来 以上説明したように本発明はセラミックスと金属の接合
体の高温強度を改善したものであり、従来のセラミック
ス−金属の接合体の使用限界であった５００’Ｃ前後の
使用可能温度域を高融点ロウ材の限界である８００°Ｃ
前後までの温度域まで飛躍的に向上させることができた
。

従って、従来技術においてセラミックス単体では靭性等
の問題で使用できなかった分野、セラミックス単体では
複雑形状がであり、製作が困難なもの、さらに従来の接
合法では使用できなかった高温域での使用を要する分野
にセラミックスを応用することが可能となった。このよ
うな本発明のセラミックス−金属接合体の使用可能分野
としては、エンジン関係部品（ピストンヘッド、エンジ
ンシリンダー、ターボチャージャー等）を中心とし、高
温用炉、宇宙航空分野での耐熱、断熱材の接合等高温域
でセラミックスを使用する広い分野の利用が考えられる
。

【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・・・蒸着金属層、 ３・・・高融点ロウ材、 ４・・・金属部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材と金属部材との接合体であって
   、該セラミックス部材と金属部材とは、接合されるセラ
   ミックス部材の表面に物理蒸着法によって形成された活
   性金属を含む１種以上の金属の蒸着層と、該金属部材側
   に融点が９００℃以上の高融点ロウ材の層とを介在して
   接合され、該蒸着された金属は該セラミックス部材およ
   び高融点ロウ材層中に拡散していることを特徴とする高
   温特性に優れたセラミックスと金属の接合体。
2. （２）上記高融点ロウ材がＡｕロウ材、Ｎｉロウ材、Ｐ
   ｄロウ材であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の高温特性に優れたセラミックスと金属の接合体
   。