JPS63265874A - セラミツクス接合方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明はセラミックスと金属との接合方法に関する。

〔従来の技術〕

セラミックスと金属とを接合した複合材はセラミックス
がもつもろさを補って、耐熱性、耐摩耗性、耐蝕性の外
、圧電性、光、電気特性を最大限に生かすものである。

又はＡノによりＡｒ中で接合、５ｉ３ＮａとＦｅ−２６
０ｒの間に４層のインサートを設置してＨｅ中で接合、
Ａ、ｉ’ｚｏ３と金属とをＣｕ−Ｔｉ及びＮｉ−Ｔｉろ
うで接合、Ｓｉ　ａ　Ｈ４と５４５Ｃとを非晶質Ｑｕ　
−７ｉ　、Ｎｉ−Ｔｉでろう付けしたもの等がある。固
相接合に於てはＺｒＯ３とＡノーＭｉｌ１合金と、Ｚｒ
　Ｏｚとステンレス鋼の接合では、インサート材にＴｉ
を用いた高圧接合が行なわれ、ＡＪ！ｚｏ３と鋼材の接
合ではＣＬ１２０とＣｕをインサート材とする固相接合
、ＦｅとＹ２０３　、ＦｅとＦｅ　０８インサート材と
してホットプレスする方法、Ａノ２０３とＴ１との固相
接合も行なわれ、非酸化物系セラミックスでは、ＡノＮ
、ＴｉＮ外を用いて、ステンレス鋼に焼結接合してコー
ティングする方法が提案され、Ｓ！　３　Ｈ４と５ＵＳ
３０４の接合でＭｎ、Ｏｒを予備被覆した後、ろう付け
する方法やＳｉ　３Ｎａ　Ｓｉ　Ｃと鋼の接合で、ＷＣ
−Ｃｏ合金等を挿入し、これをセラミックス間にＡノや
パノ−１０％Ｓ１をインサートし、真空ホットプレスす
る方法が提案された。

このようにセラミックスと金属との接合に当って固相−
気相反応による方法は、真空蒸着、ＰｖＤ　（Ｐｈｙｓ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　　［）ｅｐｏｓｉｔｏｉｎ　）
　、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｒｅ　　［）ｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ　）による薄膜作成、乃至はイオンイ
ンブランティジョンによる表面改質法を接合に応用した
ものである。技術的には異相界面で均一な化学結合界面
の形成、乃至は物理的浸透により濃度勾配を持った半拡
散界面が形成されることで接合体を作りあげる。

固相一液相反応を利用した接合法は固体−液体界面での
濡れ性及び化学反応性が接合に於ける重要なパラメータ
となる。そこで酸素に対して活性な比較的高融点のＴｉ
、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ等がセラミックスに対する溶融金属
の濡れ性を改善することから、比較的低融点の合金を作
るＣｕ、Ａｇ、Ｎｉ等と合金系と真空中若しくはＡｒガ
ス雰囲気で加熱接合が行なわれる。この方法は酸化物、
窒化物、炭化物と共に接合体が得られる。

固相接合は拡散接合と呼ばれるもので、イオン導電性セ
ラミックスの接合に用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

セラミックスと金属とを接合する場合に問題になる点は
、先づ、セラミックス、特に非酸化性セラミックスに対
して金属の方が熱膨張係数が極めて大きいことであり、
弾性係数はセラミックスの方が大であるが、セラミック
スは圧縮に強いが引張には弱いことから、接合温度から
の冷却過程で界面に残留応力が生じることである。

次に両者の原子結合様式の差である。セラミックスは共
有結合、イオン結合で安定しているのに対して金属は金
属結合であるから、両者は直接接合することが困難であ
る。

又、金属は高温に於て酸化しやすく、その結果強度が劣
化する。そして接合界面に於ては、金属間化合物等の脆
弱層形成による接合後の界面剥離等が問題である。

しかして、本発明はこれ等の問題点を解決するために接
合後、界面剥離等が起きない程強力な接合力を得ること
ができるセラミックスと金属との接合を提供することを
目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

セラミックスと金属とを接合するとき、Ｔｉ、Ｆｅ，Ａ
ｌ，Ｎｂ等の固相接合材を単体若しくは合金として接合
する金属にマイクロ溶接等を利用してｐｅｐｏ　　（堆
積）した後にセラミックスをのせて加熱し、拡散接合を
するようにしたセラミックスの接合方法である。そのと
き固相接合材は棒状にしてマイクロ溶接をする電極を兼
ねるようにした。

そして、その固相接合材にＳｌ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｔｂ
。

Ｎｂ等の希土類を０．０１〜１％を含ませるようにした
ものである。

〔作用〕

セラミックスと金属との接合は従来多く提案されている
。しかし何れも高温を必要とするものであった。例えば
、Ａノ２０３とステンレスＳＵＳの接合に於て、Ｔ１等
を介在させて１１００℃〜１３００℃に加熱し、１００
〜３００に９　／　ｃｍ　２の圧力で１５〜３０分程度
加圧することが必要であって、且つ漏れを防止するため
には注意深く作業を行なう必要があった。それに対して
本発明は被接合体の表面に、始めに接合材をＤＯｐＯ（
堆積）して於て、接合作業を行なうものであるから、１
０００℃で３分間程度で極めて容易に接合することがで
きた。

〔実施例〕

本発明を例示した図に基づいて説明する。第１図に於て
Ｔｉ、Ｆｅ，Ａｌ，Ｎｂ、Ｐｄ等の固相の接合材１を単
体又は合金とし、例えばＴ１の接合材１とＰｄの接合材
１′とをスピンドル２に着脱可能に取付け、図示してい
ない回転装置によって回転するようにして、第２図に示
す振動片３に連結する。振動片３の一部分をねじ等で取
付けたヘッド４には振動片３を振動さらる電磁石５を取
付け、励磁コイル６で励磁をする。ヘッド４に取付けた
ガイド軸７には水平なアーム８にスライドボールベアリ
ング９によって摺動可能に支持し、同じヘッド４に取付
けたスクリュ１０はアーム８に軸受け１１で支持したナ
ツト１２に螺合し、このナツト１２の回動はナツト１２
に固着したウオームホイール１３に噛合う図示していな
いウオームをアーム８に取付けたサーボモータ１４で回
動することによってなされ、ヘッド４をＺ軸方向に移動
する。接合材１に対向する位置にある金属１５は支持台
１６に支持し、この支持台１６は手動、若しくはサーボ
モータ１７でサドル１８の上をＸ軸方向に移動し、サド
ル１８は手動、若しくはモータ１９でテーブル２０上を
Ｙ軸方向に移動するようにし、本発明では、そのＸ　、
Ｙ軸方向の移動が金Ｂ１５に接合材１を堆積（Ｄｅｌ）
０）するとき１つ１つの堆積に応じて、接合材１と金属
１５とを相対的に移動することもできるように制御する
ようにしたものである。しかして、テーブル２０を固定
したベット２１には水平アーム８を取付けたコラム２２
を固定するが、図示していないが、このコラム２２はベ
ット２１の上を移動するようにして接合材１を移動する
ようにしてもよい。更に接合材１と金属１５とをスパー
２３で覆い、その中にボンベ２４よりアルゴンガスのよ
うな不活性ガス等をホース２５により供給する。これは
接合材１を振動若しくは振動回転させて、接触開離して
Ｏｅｐｏする周囲にアルゴン等の不活性ガスを供給する
ようにしたものである。ＮＣ装置２６はサーボモータ１
４．１７を制御駆動したり、励磁コイル６を励磁する励
磁電源２７を制御すると共に接合材１と金属１５との間
に放電電圧を印加する加工電源２７を制御する。

このＮＣ装置２６により金属１５の接合面に一様に接合
材１を堆積したり、第３図（ａ　）　　（ｂ　）に示す
外に、同図（ｃ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）及び（ｈ）に示す
ように点状、帯状、又は円形のものが任意に選ばれて堆
積される。

例えば、ステンレスＳＵＳの金属１５の面上の接合部分
にｐｄ、ｌ”ｉ接合材１，１′　を合せて電極とし、電
流値Ｉｐ　６０Ａ、　ｒｏｎ　６０　μｓ　、　ｒｏｆ
ｆ　６０ｕｓのパルス電流を用いてＤｅｐｏＬ、その上
にＡＪ！ｚＯ３のセラミックス３０を於て５０ｋｓ　／
　ｃ＋＋　２の圧力で行なった接合部分のへリュームの
リークテストの結果は１ｏ４０Ｃ／ｍｉｎで極めて良好
な結果となった。

又、接合材１．１’　ｋ：ハＴｉ、Ｔｉ　Ｎ　　、Ｔａ
、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ合金、更にはＣｔｌ　Ｔｉ、
Ａ１１ｌ　Ｃｕ　Ｔｉ、Ａｐ　、　Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、
Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ　、ｗｃ等が用いられるが、これにＳｍ
、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｔｂ、Ｎｄ等の希土類を０．０１〜
１％を含ませると、接合の効果が一段と上昇する。例え
ば、ステンレス５ＵＳ３０４の金属１５にＡｕ２ｏ３の
セラミックス３０を接合する接合材１．１′　にＡノ、
Ｔｉを選んで堆積し、１０００℃〜１４５０℃程度に加
熱し、加圧力５ｋｓ／ｍｍ２で３０分間保ったとき、接
合部分の引張り強さは３．５　ｋｔ／ｌｌ１ｍ２であっ
たのに対して、接合材１．１’　　１％含ませたものを
用い、厚さ０，０４ｕ＋ｉに堆積して真空中で６００℃
に加熱し、５ｋｓ／ｍ…２の圧力を加えて３０分間保っ
た後、接着部分の引張り強度を測定したところ３７ｋＧ
／Ｉｎ１１１２となって、従来の約２倍の高い張力とな
った。又セラミックス３０にＳｉ　３Ｎｍを選び、金属
１５に炭素鋼を選んで、両者を接合する接合材１．１′
　にはＡノ、ＷＣを用い、これにＳｍ　　０．０３％を
加えて厚さ０．０６　ｍｍに堆積し、６３０℃に加熱し
、５に９ｌｍｍ２の圧力を加えて３０分間保ったところ
２５ｋｔ／ｍｍ２の強度となった。この外セラミックス
３０にジルコニアＺｒＯ２と金属１５にステンレス５ｔ
ＪＳ４０５を選んで、接合材１に７ｉにＹ　０００４％
又はＹ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅを混合したちの０．０４％を
加えて厚さ０．０６ｆｆｌＩＩｌに堆積して１０００℃
に加熱り、、５ｋｔ／ｍｍ２の圧力を加えて１５分間保
った結果、引張り強度は２５ｋｙ／ｍｍ２となった。

〔発明の効果〕

セラミックスと金属との接合方法は従来多く提案されて
いる。しかし、何れも高温、高圧を必要とする。例えば
Ａノ２０３とＳＵＳとの接合に於て、Ｔｉ等を介在させ
て１１００℃〜１３００℃の高温に加熱し、１００〜３
００ｋｉ／ｍｍ２の圧力で１ｓ　〜３０　ｍｉｎ程度加
圧することを必要とし、且つ接合部分の漏れを防止する
ためには注意深く行なう必要があった。それに対して本
発明は被接合体の金属材の表面に、始めにマイクロ溶接
装置等を利用して接合材を堆積（Ｄｅｐｏ　）　Ｌ／て
置いて行なうものであるから、１０００℃で３ＩＩｌｉ
ｎ程度比較的低い圧力で加圧するだけで極めて容易に接
合できたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の説明図、第２図は本発明の実施に用い
る堆積装置の図、第３図は本発明の堆積状態を示す図、
第４図は接合状態を示す図である。 １・・・・・・・・・接合材 １５・・・・・・・・・金属゛ ３０・・・・・・・・・セラミックス 特　　許　　出　　願　　人 株式会社井上ジャパックス研究所 代表者　井　上　　　潔 ｆ　１　圓 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスと金属とを接合するとき、Ｔｉ，Ｆ
   ｅ，Ａｌ，Ｎｂ等の固相接合材を単体若しくは合金とし
   て接合する金属に堆積した後加熱拡散接合するようにし
   たセラミックス接合方法。
2. （２）固相接合材にＳｍ，Ｌａ，Ｙ，Ｔｂ，Ｎｂ等の希
   土類を０．０１〜１％を含ませた特許請求の範囲第１項
   に記載のセラミックス接合方法。
3. （３）堆積がマイクロ溶接による特許請求の範囲第１項
   に記載のセラミックス接合方法。