JPS63215575A - セラミツクス−金属接合体 - 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】 ［発明の１］的コ （産業上の利用分野） 本発明はセラミックス部材と金属部材とを応力緩衝層を
介して接合一体化したセラミックス−金属接合体に関す
る。

（従来の技術） 従来からセラミックス部材の長所を生かし、かつ欠点を
補うために、セラミックス部材に金属部材を接合して複
合部材として利用するということがよく行われている。

このようなセラミックス−金属間の接合方法としては種
々の方法が知られており、例えばセラミックス部材表面
にモリブデンペーストでメタライズ処理した後、ニッケ
ルメッキを行なって金属部材をろう付けする方法や接合
すべき両者の間にチタンやジルコニウム等の活性金属を
添加して濡れ性を改善したろう材を挿入し加熱して接合
する方法等が知られている。

ところで、このようなセラミックス−金属接合方法にお
いて、金属部材として鋼材のようなセラミックス部材と
熱膨張係数の差が大きいものを使用する場合には、加熱
接合後の冷却過程で接合界面にセラミックス部材と金属
部材との熱膨張差に起因する熱応力が発生する。この応
力は接合部近傍のセラミックスに圧縮と引張の残留応力
分布として存在するが、このうち引張成分としての最大
応力値がセラミックスの引張強度を超える時にセラミッ
クス部材側に亀裂を生じさせ、接合体破壊の原因となっ
ている。また、破壊に至らなくともこの引張応力は、接
合強度を低下させるという悪影響を及ぼす。

このような熱膨張係数の差によりセラミックス部材側に
生じる＠裂等の不良の発生を防止する方法としては、セ
ラミックス部材と金属部材との間に銅やニッケルのよう
な延性金属を応力緩衝層として介在させ、接合後の冷却
過程での熱応力発生時にこの延性金属を塑性変形させる
ことにより、この応力を吸収させ、低減または再分布さ
せる方法が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前述しなような延性金属を用いて熱膨張
係数の差により生じる応力をＮ和する方法において、被
接合物間に介在させる延性金属の厚さによって、その応
力緩和という効果に差が生じるという問題があった。

本発明者らの実験によれば、セラミックス部材として窒
化ケイ素部材、金属部材として鋼材（８４５Ｃ）　、応
力緩衝層として銅を用いて、窒化ケイ素部材、銅、鋼材
、銅、窒化ケイ素部材の順に′Ｖｔ層し、それぞれの接
合界面をへｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材で接合して、応力緩
衝層としての銅の厚さを変化させた数種のセラミックス
−金属接合体をそれぞれ作製し、これらのセラミックス
−金属接合体について４点曲げ強度を測定したところ、
第３図に示すような結果を得た。

同図からも明らかなように、応力ｕｉ屑の厚さが４点曲
げ強度の最大値を示した厚さ０．２Ｉｌより厚くなるほ
ど４点曲げ強度が低下している。これは、接合後の応力
緩衝層内番ご弾性域および塑性変形の不十分な領域が残
存しており、この弾性域および塑性変形の不十分な領域
によってセラミックス部材側にまだ残留応力が作用して
、十分な強度が得られないものと考えられる。

このように応力緩衝層の厚さによって得られるセラミッ
クス−金Ｒ接合体の強度が大きく変化してしまい、最大
強度を得るための応力緩衝層の厚さは、その接合面積に
大きく依存している。

このため、従来はこの応力Ｍｆｌ１層の厚さをその接合
面積による最適な値、すなわち十分に熱応力を緩和解放
し、かつ接合後に弾性域をできるだけ残存させないよう
な厚さを選択して接合していた。

しかし、この接合面積による応力緩衝層の厚さの最適値
も、被接合物および応力Ｍ街屑の材質や接合時の条件に
よって必ずしも一定していないという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するなめになされたも
ので、接合面積やその接合条件によらず熱膨張係数の差
により生じる応力が十分に緩和されており、優れた強度
を有するセラミックス−金属接合体を提供することを目
的とする。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明のセラミックス−金属接合体は、セラミックス部
材と金属部材とが延性金属からなる応力ＩＪ［層を介し
て加熱接合されてなるセラミックス−金属接合体におい
て、 前記応力Ｍｆｌ１層が、接合後に残存している前記応力
緩衝層内の弾性域および塑性変形の不十分な領域を塑性
変形させることにより、ほぼ均一な塑性域からなること
を特徴としている。

すなわち本発明は、セラミックス部材と金属部材とを延
性金属、例えば銅やニッケル等からなる応力緩衝層を介
して加熱接合した後に、接合後の応力緩衝層内に残存し
ている残留応力を、その要因となっている弾性域および
塑性変形の不十分な領域を塑性変形させ、強制的に塑性
域を増加させることにより、熱膨張係数の差による残留
応力が低減および再分布されたほぼ均一な塑性域からな
る応力緩衝層を有し、破壊強度が上昇したセラミックス
−金属接合体である。

本発明における接合後の応力緩衝一層内の残留応力を低
減、再分布させる方法としては、残存する弾性域および
塑性変形の不十分な領域を塑性変形させること、例えば
接合後にセラミックス部材、応力［１層および金属部材
の積層面に直角に加圧することにより強制的に塑性変形
させる方法があり、また接合後の応力［衝層近傍を局所
的に加熱する、例えばレーザーアニールする方法等によ
っても応力！１層の低応力変形が可能となるなめ、残留
応力の再分布ができる。

また、この場合の接合体の強度上昇には、他に緩衝金属
の加工硬化による成分も含まれている。

接合後の応力緩衝層に残存する弾性域を塑性変形させる
方法のうち、前者の加圧方法を用いる場合の加圧力とし
ては、加圧力を大きくするほど残存する弾性域を均一に
塑性変形させることができるが、金属部材が塑性変形を
おこすほどの圧力を加えるとある程度の圧力までは強度
の上昇につながるが、圧力をあまり高くしすぎると逆に
強度の低下を生じる可能性があり、また接合体の全体形
状が変形してしまう等の不都合が生じるので、接合体の
全体形状が変形しないような圧力範囲内で適宜選択する
。また、加圧繰作を副数回繰返して行なうと強度が低下
する場合があるので、１回の操作である程度の圧力を加
えることが好ましい。

また、応力緩衝層近傍を局所的に加熱する場合には、使
用したろう材の軟化温度以下で、例えば３００℃程度に
加熱することにより塑性変形させる。

本発明のセラミックスー−１ｔＲ接合体は、例えば次の
ようにして製造される。

すなわちまずセラミックス部材、応力緩衝層および金属
部材のそれぞれの接合すべき面の間に適当なろう材を介
在させて積層し、加熱して接合した後、前述した加圧方
法や局所加熱方法により応力緩衝層内の残存する弾性域
および塑性変形の不十分な領域を塑性変形させることに
より完成する。

（作　用） 本発明のセラミックス−金属接合体において、接合後に
接合体の８１ｔａ面への゛直角加圧や応力緩衝層近傍へ
の局所的な加熱により応力ｍｔＲｓ内に残存する弾性域
および塑性変形の不十分な領域を強制的に塑性変形させ
、残留応力が十分に緩和、低減、再分布されているほぼ
均一な塑性域からなる応力Ｉｌ！街層を有し、残留応力
をさらに低減しているので、従来、応力ｌ！街層の厚さ
を最適化しなければ得られなかった最大の破壊強度が、
応力ｗ！衝屑の厚さによらず得られる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１ まず、窒化ケイ素を主成分とする１２ｎＩｌｘ　１２ｍ
ＩＩＸ２０ｍｌの２個のセラミックス部材１の間に、鋼
材（３４５Ｃ）からなる１２ｎｉＸ　１２１ＰＸ　３ｉ
１１の金属部材２を介在させ、さらにセラミックス部材
１と金属部材２とのそれぞれの間に延性金属として銅か
らなる１２ＩＯｎ＋ｘ　１２ｎｎｘ　　１１ｎの応力績
ＷＩＪ１３を介在させ、それぞれの接合すべき而の間に
６０μｍのＡｇ−Ｃｕ箔と　３μｍのＴｉ箔とをろう材
４として挿入し、この積層物を真空中、約８３０℃、６
分間の条件で加熱接合した。次いで、室温まで冷却した
後、このセラミックス−金属接合体を第１図に示すよう
に、３ｍｌ′ｌｘ　４ｎ＋＋ａ　Ｘ　４０ｎ＋１１に加
工した。その後、同図における矢印の方向より、６００
ＭＰａの条件で６０秒間加圧を行ないセラミ・ｙクスー
金属接合体を作製した。

このようにして得たセラミックス−金属接合体の応力！
１眉３の塑性域を腐食しエッチ・ビット試験により確認
したところ、ほぼ全域に均一に塑性変形で導入された転
位端に相当するエッチ・ピットが分布していた。

次に、この加圧変形させたセラミックス−金属接合体の
４点曲げ強度を測定した。その結果を第１表に示す。

なわない以外は実施例１と同一条件で作製したセラミッ
クス−金属接合体（比教例１）と、第３図における加熱
接合のみのセラミックス−金属接合体において、最大の
４点曲げ強度が得られた応力１ｆｔ？層の厚さがｏ、２
ｎ＋ｎのもの（比較例２）である。

第　　１　　表 また、第２図は実施例１と同様にセラミックス−金属接
合体を作製し、その製造過程における加圧繰作の加圧力
を５０ＭＰａから６００ＨＰａまで変化させたものの４
点曲げ強度を示したものである。

実施例２ 実施例１と同一素材および同一条件で、引張試験用の直
径６ｎ＋ｎ＋のセラミックス−金属接合体を作製し、引
張強さを測定した。その結果を第２表に示す。

なお、表中の比較例３は、加熱接合後の加圧繰作を行な
わなかったものである。

第　　２　　表 実施例３ 実施例１と同一素材および同一形状のセラミックス部材
、金属部材および応力緩衝層を実施例１と同一条件で加
熱接合し３ｉｉｘ　４ｎＩｌｘ　４０１Ｉｌに加工した
。次いでビーム径１０μｌの炭酸ガスレーザにより接合
界面に近い応力Ｍ衝層近傍を約４００℃に加熱した。

このようにして得た接合体の４点曲げ強度を測定しな。

その結果を第３表に示す。

なお、表中の比敦例４は、接合後に加熱操作を行なわな
い以外は実施例３と同一条件で作製したセラミックス−
金属接合体である。

第　　３　　表 ［発明の効果１ 以上説明したように本発明のセラミックス−金属接合体
によれば、接合後に応力緩衝層内に残存する弾性域およ
び塑性変形の不十分な領域を強制的に塑性変形させるこ
とにより、残留応力が十分に緩和されたほぼ均一な塑性
域からなる応力緩衝層を有しているので、応力緩衝層の
厚さに関係なく破壊強度に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミックス−金ｒＩ！Ｊ
接合体を示す断面図、第２図は接合体の加圧により接合
強度が上昇することを示したグラフ、第３図はセラミッ
クス−金属接合体の応力緩衝層の厚さと　４点曲げ強度
の関係を示したグラフである。 １・・・・・・・・・セラミックス部材２・・・・・・
・・・金属部材 ３・・・・・・・・・応力緩衝層 ４・・・・・・・・・ろう材 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 力Ｏ圧力（ＭＰａ） Ｃｕ応力緩衝層厚さ　（ｍｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス部材と金属部材とが延性金属からな
   る応力緩衝層を介して加熱接合されてなるセラミックス
   −金属接合体において、 前記応力緩衝層が、接合後に残存している前記応力緩衝
   層内の弾性域および塑性変形の不十分な領域を塑性変形
   させることにより、ほぼ均一な塑性域からなることを特
   徴とするセラミックス−金属接合体。