JPS63319274A - 金属とセラミックスとの接合体 - Google Patents

金属とセラミックスとの接合体

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JPS63319274A
JPS63319274A JP15324187A JP15324187A JPS63319274A JP S63319274 A JPS63319274 A JP S63319274A JP 15324187 A JP15324187 A JP 15324187A JP 15324187 A JP15324187 A JP 15324187A JP S63319274 A JPS63319274 A JP S63319274A
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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） 本発明は、新規な金属とセラミックスとの接合体に関す
るものである。
（従来の技術） この種の従来技術としては、例えば特開昭５５−９０４
７８号公報、特開昭５６−５９６８２号公報、および特
開昭５８−２２７６号公報に公開されたものがある。
この他現在、よく用いられている代表的な接合方法とし
ては、モリブデンをセラミックス表面に焼きつけ、メタ
ライズして金属接合するいわゆるモリブデン法とチタン
のような活性金属を用いてメタライズする活性金属法の
二つがある。
（発明が解決しようとする問題点） セラミックスは、耐摩耗性、耐熱性、耐食性にすぐれて
いるため、最近、軽量化及び省エネルギーを目的として
、耐熱性セラミックスがエンジン部品を中心に研究され
てきている。しかし、構造部材を何もかもセラミックス
で作ることは、不適当であり、コストが高くなる。又、
セラミックスは先に述べた優れた性質がある反面、破壊
しやすい欠点がある。したがって、必要な部分はセラミ
ックスでそれ以外のところは金属で構成し、各々の特徴
を生かす事が合理的であり、経済的である。
このため、セラミックスと金属との接合が必要となって
くる。
しかしながら前述した従来の接合方法であるモリブデン
法および活性金属法はいずれも真空中又は、水素気流中
で被接合物を加熱処理する必要があるため、作業に困難
な点が多く、しかも高温の技術が必要であるという問題
点がある。
ところで大気中における接合方法として、第６図に示す
ようにセラミックス１とダクタイル鋳鉄２との間に銅板
を接合材３として挿入し、これを、第７図に示すように
、接合温度１．１１０°Ｃ以上で接合処理すると、引張
強さは約２１０　ｋｇｆ／ｃｍ”が得られた。そしてこ
の場合、セラミックスと銅および銅と銀ろうを介するダ
クタイル鋳鉄との密着性は非常に良好であった。しかし
ながらこれを第６図に示すような試験片（寸法単位−ｍ
ｍ）として引張試験を行ったところ、その破断個所４は
第６図に示すように大部分がセラミックス１の接合近傍
部に発生した。これはセラミックス１と接合材３及び相
手金属２との熱膨張の差により、冷却過程でセラミック
ス接合近傍部に大きな応力が働き、この為にセラミック
スｌ内で破断が発生したものと思われる。したがってこ
の残留応力を緩和することができれば、さらに接合強度
が向上するものと思われる。
本発明は上述の観点からなされたもので、金属とセラミ
ックスを接合する接合体において、その金属を選定する
と共に、その厚さを限定することによって、接合部の残
留応力を緩和し、それに基いて接合強度の大きな金属と
セラミックスとの接合体を得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） 上述の目的を達成するため本発明においては、金属とセ
ラミックスとの間に、ニッケルを５〜５０重景％重量鋳
鉄を介在させた金属とセラミックスとの接合体において
、その鋳鉄の厚さを１　ｍｍから２０ｍｍとする。
（作　用） 上述のように金属とセラミックスとの間に介在させる鋳
鉄にニッケルを５〜５０重量％含有させると共に、その
厚さを１〜２０ｍｍにすると、その鋳鉄の熱膨張率がセ
ラミックスの熱膨張率と近くなる結果、これらを接合し
た接合体の残留応力が減少すると共に、緩和材としての
機能が有効に働いて接合体の接合強度が著しく増大する
。
（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。
金属とセラミックスとが、効果的に接合されるためには
、セラミックスと接合材及び金属とに無理な残留応力が
かからないような奪合材料を選択することが必要である
。
又、金属とセラミックスとの接合強度は、それぞれの熱
膨張率に大きく左右される。一般には、セラミックスで
はその圧縮強度は、引張強度の約１０倍である。したが
って、接合後セラミックスにわずかの圧縮応力が加わっ
ている状態にすることがよいので、セラミックスの熱膨
張よりも、被接合材料のそれが僅か大きい方が好ましい
。
このため、金属の組成を変えて熱膨張率の異なるものを
作ると共に、セラミックスの熱膨張率を調査した。
その熱膨張率試験には、静岡系工業技術センターの熱膨
張計を使用した。試験片５φＸ２０ｍｍとし両端は約１
μに研摩した。又、試験温度は常温から１　、０００°
Ｃまでを測定し、昇温速度は５°Ｃ／ｍｉｎテ行った。
第１表はそのセラミックス試験片め熱膨張率（１０−６
／”Ｃ）と温度との関係を示すものである。
づ− 第１表 國 Ｉ ｔ ｚｒ また第２表は金属材料のＮｉ成分と熱膨張率（１０−６
／°Ｃ）との関係を示す表である。
Ａ、、、、−６一 第２表 試験結果として、低温においては、Ｎｉ　３Ｂ％ＤＣＩ
が最も熱膨張率は低かった。次にＮｉ４１％ＤＣＩであ
った。さらにＮｉ　３５％ＤＣＩ　、　Ｎｉ　４４％Ｄ
ＣＩ、およびＮｉ　Ｏ％ＤＣＩの順であった。
この第２表かられかるように、３００　’ＣまではＮｉ
３８％ＤＣＩは６．５　、Ｎｉ　３５％ＤＣＩは７．４
であり、Ｎｉ２９％ＤＣＩは１４．２であった。温度が
３００°Ｃ以上になると熱膨張率は大きく増加した。し
かし、７００°Ｃまででは、Ｎｉ　４１％ＤＣＩは１２
．１で最も低く、Ｎｉ　４４％ＤＣＩのものは、次に低
かった。Ｎｉ　２９％ＤＣＩのものは、１８．０で最も
高かった。
第１表かられかるように、セラミックスの場合は、低温
から高温における熱膨張率が余り変化していない。熱膨
張率の最も小さいのは、ＳｉＣであり、次にＡｌ２Ｏ，
そしてＺｒＯ２の順である。すなわち、ＺｒＯ，は３０
０″Ｃまででは、熱膨張率が１０．０と金属材料のＮｉ
　３５〜４４％ＤＣＩより大きく　、７００　’Ｃまで
では１３．５でＮｉ　４４％ＤＣＩ　　の１４．４の熱
膨張率より僅か小さい。
以上のことから金属としてＮｉ　３５％ＤＣＩ＝Ｎｉ　
４４％ＤＣＩが比較的熱膨張率が小さく、セラミックス
の熱膨張率の高いＺｒＯ□との間の熱膨張率の差が小さ
いことから、熱膨張率から見た接合条件としては適して
いると思われる。次にＡ１□０３　とＮｉ　３５〜４４
％ＤＣＩとの熱膨張率が比較的近い。ＳｉＣの場合は、
熱膨張率が小さく、先に述べた金属との熱膨張率との差
が大きく接合には適していないと思われる。
上述の理由によって本発明においては、金属とセラミッ
クスとの間に、ニッケルを５〜５０重量％含む鋳鉄を介
在させた金属とセラミックスとの接合体において、その
鋳鉄の厚さを１　ｍｍから２０ｍｍとする。
セラミックスとニッケル５〜５０％を含む鋳鉄とを接合
するには、第１図（ａ）に示すようにセラミックス１の
接合面に厚さ２ｍｍ程度の銅板を接合材３としてあてが
い、同図（ｂ）に示すように１１１０°Ｃで１０分間加
熱した後、炉冷して５００°Ｃで保持してから炉外に取
り出す。
このようにしてセラミックス１に接合した接合材３の表
面を第１図（ｃ）に示すように１〜３μに研摩した後、
同図（ｄ）に示すように銀ろう（銀はく）５を介してニ
ッケル５〜５０％を含む鋳鉄６を厚さ１〜２０ｍとして
重合し、加圧しながら７００　’Ｃで１０分間加熱する
ことにより、セラミックス１を接合材３を介してニッケ
ル５〜５０％含む鋳鉄６とを接合する。
なお、前述したように、セラミックス１に接合材３であ
る銅板を接合するには、第２図（ａ）に示すようにチタ
ン酸銅をアルコールで溶かしたものを、その接合面に塗
布し、同図（ｂ）で示す熱処理を経て、同図（Ｃ）に示
すように、セラミックス１と接合材３とをチタン酸銅７
を介して接合するようにしてもよい。これに第２図（ｄ
）に示すように、ニッケル５〜５０％を含む鋳鉄６を接
合するのは第１図（ｄ）と同様である。
第３図は上述のようにして接合した接合体の鋳鉄に含ま
れるニッケル量（重量％）と引張強さく　ｋｇｆ／ｃｍ
２）との関係を示す線図である。この第３図かられかる
ように接合体である鋳鉄にニッケルを５〜５０重量％含
有させたものは、その引張強度が増大することがわかる
。したがって本発明においてはニッケルを５〜５０重量
％含む鋳鉄に限定した。
なお、ニッケルを５〜５０重量％としたのは、５％未満
ではセラミックスの引張強度が低下し、また５０％を越
えると熱膨張率が上昇して、引張強度が低下するからで
ある。
また第３図かられかるように、ニッケル含有量が３０〜
４５重量％のものは、特に引張強度の増大に対して顕著
な効果がある。ちなみにセラミックスに接合材を介して
ニッケルを含有しないものを接合したものの接合強度が
約２２０　ｋｇｆ／ｃｍ２であるのに対して、ニッケル
４１重量％のニレジストダクタイル鋳鉄を使用した接合
体の接合強度は約２．４倍の５３０　ｋｇｆ／ｃｍ２で
あった。
またセラミックスと他の金属、例えば鋼材であるＳＳ　
４１を接合するには、従来のようにセラミックスとＳＳ
　４１とを接合材を介して接合するより、第１図（ｄ）
および第２図（ｄ）に示した接合体のニッケルを含む鋳
鉄６に、第４図に示すように銀ろう５を介してＳＳ　４
１等の鋼材８を重合し、加圧しながら７００°Ｃで１０
分間加熱して接合すると、接合体全体の強度を低下させ
ることなく、鋼材等の他の金属とセラミックスとの接合
体を得ることができる。すなわち、この場合接合体中の
ニレジストダクタイル鋳鉄６はセラミックスｌと鋼材８
との間における熱膨張率の緩和材としての作用をするも
のであるから、ある程度の厚さを必要とする。
第５図は前述した第６図の試験片と同一の条件テ緩和材
としてニレジストダクタイル鋳鉄にッケル３８重量％含
有）の厚さを０〜２０ｍｍの範囲において数種類作製し
て引張強さに与える影響を調べたものである。
この第・５図からみて緩和材としての鋳鉄の厚さは１〜
２０髄の範囲が有効であることがわかる。すなわち厚さ
が１鴫以下であると十分な接合強度が得られず、２０ｍ
ｍ以上になると緩和材としての効果が一定となる。した
がって本発明においては緩和材としての鋳鉄の厚さを１
〜２０ｍｍの範囲に限定した。
また第８図は本発明の他の実施例を示すものである。図
中１はセラミックス（Ａ１２０３）で、このセラミック
ス１の上に厚さ３５μｍのチタン（Ｔｉ）箔９を載せ、
その上に厚さ１５０μｍのニッケル入り限ろう（Ａｇ５
０重量％、Ｚｎ１５重量％、Ｃｄ１５重量％、Ｃｕ１５
重量％、Ｎｉ５重量％）１０を重ね、またその上に軟金
属である厚さＩＭの銅板３を載せ、さらに銀ろう５を介
して、厚さ６ｍｍの緩和材にッケルを４１重量％含有す
る球状黒鉛鋳鉄）６を載せ、その上に銀ろう５を介して
接合金属として例えば球状黒鉛鋳鉄１１を載せ、これを
無酸化炉（アルゴンガス雰囲気の電気炉）内において８
００〜１０００°Ｃに保持した後取り出したものである
。
（発明の効果） 上述のように本発明においては、金属とセラミックスと
の間に、ニッケルを５〜５０重量％含む鋳鉄を介在させ
た金属とセラミックスとの接合体において、その鋳鉄の
厚さを１　ｍｍから２０ｍｍとした。
このように、金属とセラミックスとの間に介在させる鋳
鉄にニッケルを５〜５０重量％含有させると共に、その
厚さを１〜２０ｍｍにすると、その鋳鉄の熱膨張率がセ
ラミックスの熱膨張率と近くなる結果、これらを接合し
た接合体の残留応力が減少すると共に、緩和材としての
機能が有効に働いて接合体の接合強度が著しく増大する
。
したがって本発明によれば、この種接合体の強度を増大
できるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明接合体の製造過程を−１
２＝ 示す説明図、 第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明接合体の他の製造過程を
示す説明図、 第３図はニッケル量と引張強さとの関係図、第４図は本
発明接合体の他の実施例図、第５図は緩和材の厚さと引
張強さとの関係図、第６図は従来の接合体の試験片の説
明図、第７図はそのメタライズ温度と引張強さとの関係
図、 第８図は本発明接合体の他の実施例図である。 １・・・セラミックス　　　２・・・ダクタイル鋳鉄３
・・・接合材　　　　　　４・・・破断個所５・・・銀
ろう　　　　　　６・・・ニッケル含有鋳鉄７・・・チ
タン酸銅　　　　８・・・鋼材９・・・チタン箔　　　
　　１０・・・ニッケル入り限ろう１１・・・接合金属 第１図 暑 第２図 ］３図 第５図 第６図　　　　　第７図 第８図 手　　　続　　　補　　　正　　　書 １、事件の表示 昭和６２年特許願第１５３２４１号 ２、発明の名称 金属とセラミックスとの接合体 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 静　　　　岡　　　　県 旭可鍛鉄株式会社 ４、代理人 ■、明細書第５頁第１４〜１６行を次の通り訂正する。 −その熱膨張率試験は、熱膨張計を使用した。 χ駒片は５φ×２０Ｍとし、両端を約１μに研摩した。 又、試験温度は常温か」 ２、同第７頁第１２行中の「低かった。」を「小さい値
を示した。」に訂正する。 ３、同頁第１９行中の「最も低く、」を「最も小さく、
」に訂正する。 ４、同頁第２０行中の「次に低かった。」を「次に小さ
な値を示した。」に訂正する。 ５、同第８頁第１行中の「最も高かった。」を「最も大
きな値を示した。」に訂正する。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １、金属とセラミックスとの間に、ニッケルを５〜５０
    重量％含む鋳鉄を介在させた金属とセラミックスとの接
    合体において、その鋳鉄の厚さが１ｍｍから２０ｍｍで
    あることを特徴とする金属とセラミックスとの接合体。
JP15324187A 1987-06-22 1987-06-22 金属とセラミックスとの接合体 Expired - Lifetime JPH0639348B2 (ja)

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