KR20140071279A - Bonded ceramic and process for producing same - Google Patents
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Abstract
질화 규소 세라믹스 피접합재끼리가 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위를 통해서 접합되어 이루어지는 세라믹스 접합체이다. 접합부위는 그 미세구조조직에 있어서 질화 규소입자와 산질화 규소 유리가 관찰된다. 관찰 시야에서의 질화 규소입자와 산질화 규소 유리의 합계량에 대한 산질화 규소 유리의 이차원 단면 관찰에 의한 비율이 97:3~60:40이다. 접합부위에 포함되는 질화 규소입자가 주상이다. And the bonding material to be bonded to the silicon nitride ceramics is bonded to each other through a bonding site including the silicon nitride particles and the silicon oxynitride glass. Silicon nitride particles and silicon oxynitride glass are observed in the microstructure of the bonding site. The ratio of the silicon oxynitride glass to the total amount of the silicon nitride grains and the silicon oxynitride glass in the observation field by observation of the two-dimensional cross section is 97: 3 to 60:40. The silicon nitride particles contained on the joint are the main phases.
Description
본 발명은 세라믹스 접합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a ceramics bonded body and a method of manufacturing the same.
질화 규소계 세라믹스로 이루어지는 피접합재끼리를 접합하는 방법이 다양하게 제안되고 있다. 예를 들면 (1) 수종류의 산화물 유리 조성인 저융점 접합재를 이용하는 방법, (2) 같은 질화 규소 조성 접합재를 이용할 경우에는 핫프레스 등의 물리적 압착을 병용하는 방법, (3) 실리콘 금속을 직접 질화하여 모재(母材)와 일체화시키거나, 또는 저융점 금속을 브레이징재로 한 방법이 제안되고 있다. Various methods have been proposed for joining the materials to be bonded made of silicon nitride-based ceramics. For example, (1) a method using a low-melting-point bonding material which is a composition of several kinds of oxide glass, (2) a method in which physical compression bonding such as hot pressing is used when using the same silicon nitride composition bonding material, (3) There has been proposed a method in which the metal is integrated with the base material or a low melting point metal is used as the brazing material.
구체적으로 특허문헌 1에는 소결 조제로서 Y2O3 및 Yb2O3을 함유하는 질화 규소 세라믹스를 Y2O3, Al2O3, SiO2 및 Si3N4로 이루어지는 옥시나이트라이드 유리에 의해 접합하는 것이 기재되어 있다. Specifically, in Patent Document 1, silicon nitride ceramics containing Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 as sintering aids are made of oxynitride glass composed of Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 and Si 3 N 4 And the like.
특허문헌 2에는 원반형상의 질화 규소 공판(孔板)의 구멍부분에 질화 규소봉을 삽입하고, 양자가 이루는 원형상의 접합부에 CeO2, SrCO3, MgO, Al2O3, SiO2 및 Si3N4로 이루어지는 접합제를 도포한 후, 1500℃에서 1시간 가열하여 처리하는 것이 기재되어 있다. In
특허문헌 3에는 (a) 실리콘 입자를 포함하는 제1 원료를 조제하는 스텝과, (b) 제1 원료로 성형체를 형성하는 스텝과, (c) 상기 성형체중의 실리콘 입자를 반응 소결 처리하는 스텝과, (d) 제1 원료와 같은 제2 원료를 조제하는 스텝과, (e) 제2 원료로 슬러리를 조제하는 스텝과, (f) 후에 접합재가 형성되는 피접합 부재끼리의 틈에 상기 슬러리를 주입하여 접합재를 형성시키는 스텝과, (g) 스텝 (c)와 마찬가지 반응 소결 처리에 의해 상기 접합재중의 실리콘 입자를 반응 소결 처리하는 스텝을 가지는 접합방법이 기재되어 있다.
특허문헌 4에는 루테튬을 포함하는 질화 규소질 소결체로 이루어지는 한 쌍의 판형상의 기체(基體)의 한쪽 또는 양쪽의 주면(主面)에 알루미늄, 실리콘, 이트륨을 포함하는 유리를 주성분으로 하는 접합제를 도포하는 공정과, 한 쌍의 상기 기체의 주면을 겹쳐서 비산화성 분위기에서 열처리하여 접합하는 공정을 포함하는 세라믹스 접합체의 제조방법이 기재되어 있다. Patent Document 4 discloses a bonding agent mainly composed of glass containing aluminum, silicon, and yttrium on one or both main surfaces of a pair of plate-shaped substrates composed of a silicon nitride sintered body containing lutetium And a step of bonding the main surfaces of the pair of substrates to each other by heat treatment in a non-oxidizing atmosphere by overlapping the main surfaces of the pair of substrates.
이상과 같이 다양한 접합방법이 제안되고 있지만, 저융점 접합재를 이용하면 접합부위의 내열성이나 내화학반응성이 떨어지기 쉬운 경향이 있다. 핫프레스 등의 물리적 압착을 이용할 경우, 긴 관상부재를 제조하는 데는 특수한 대형 제조 장치가 필요하게 된다. 실리콘 금속을 직접 질화하는 접합재를 이용하면 질화 부족으로 내열성이 떨어지는 실리콘 금속이 접합재중에 잔류하기 쉽다. As described above, various bonding methods have been proposed. However, when a low melting point bonding material is used, the heat resistance and chemical reactivity of the bonding portion tends to be lowered. When physical compression such as a hot press is used, a special large-sized manufacturing apparatus is required to manufacture a long tubular member. When a bonding material for directly nitriding a silicon metal is used, a silicon metal which is inferior in heat resistance due to lack of nitriding tends to remain in the bonding material.
따라서 본 발명의 과제는 전술한 종래 기술이 가지는 다양한 결점을 해소할 수 있는 세라믹스 접합체 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a ceramics bonded body capable of overcoming various drawbacks of the above-described prior arts and a method of manufacturing the same.
본 발명은 질화 규소 세라믹스 피접합재끼리가 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위를 통해서 접합되어 이루어지는 세라믹스 접합체로서, The present invention relates to a ceramics bonded body formed by bonding silicon nitride ceramics bonded materials to each other via a bonding site including silicon nitride particles and silicon oxynitride glass,
상기 접합부위는 그 미세구조조직의 이차원 단면(斷面) 관찰에 있어서 질화 규소입자와 산질화 규소 유리의 비율이 97:3~60:40이며, The ratio of the silicon nitride particles to the silicon oxynitride glass is 97: 3 to 60:40 in the cross-sectional view of the microstructure of the bonding site,
또한 상기 접합부위에 포함되는 질화 규소입자가 주상(柱狀)인 세라믹스 접합체를 제공하는 것이다. And the silicon nitride particles contained in the bonding portion are columnar.
또 본 발명은 상기의 세라믹스 접합체의 적합한 제조방법으로서 질화 규소 세라믹스 피접합재끼리가 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위를 통해서 접합되어 이루어지는 세라믹스 접합체의 제조방법으로서, Further, the present invention provides a method for producing a ceramics bonded body in which a bonded material of silicon nitride ceramics is bonded to each other through a bonding site including silicon nitride particles and silicon oxynitride glass,
상기 피접합재의 사이에, 가열후에 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위의 형성이 가능한 조성을 가지는 혼합 분말을 포함하는 접합재를 개재시켜서,A bonding material containing a mixed powder having a composition capable of forming a bonding site including silicon nitride and silicon oxynitride glass after heating is interposed between the materials to be bonded,
상기 피접합재끼리의 접합부위를 가압한 상태하에 상기 접합부위를 가열하는 세라믹스 접합체의 제조방법을 제공하는 것이다. And a method for manufacturing a ceramics bonded body in which the bonded portion is heated while the bonded portion between the bonded materials is pressurized.
본 발명의 세라믹스 접합체는 접합부위가 피접합재의 강도에 가까운 고접합 강도를 가지는 것이다. 또 본 발명의 세라믹스 접합체는 이를 고온의 산화성 분위기하에 노출한 후여도 접합 강도를 유지할 수 있는 것이다. The ceramics bonded body of the present invention has a high bonding strength where the bonding site is close to the strength of the material to be bonded. Further, the ceramics bonded body of the present invention can maintain the bonding strength even after it is exposed in a high-temperature oxidizing atmosphere.
도 1은 그린 시트로 이루어지는 접합재를 이용하여 피접합재를 접합하는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2(a) 및 (b)는 감합구조를 가지는 피접합재끼리를 접합하는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3은 인너슬리브를 이용하여 피접합재를 접합하는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4(a) 내지 (d)는 본 발명의 제조방법의 실시에 적합하게 이용되는 장치에 의해서 세라믹스 접합체를 제조하는 공정을 순차적으로 나타내는 모식도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic view showing a state in which a material to be bonded is bonded using a bonding material made of a green sheet. Fig.
Figs. 2 (a) and 2 (b) are schematic views showing a state in which the materials to be bonded having the fitting structure are bonded to each other.
3 is a schematic view showing a state in which a material to be bonded is bonded using an inner sleeve.
4 (a) to 4 (d) are schematic views sequentially showing steps of manufacturing a ceramics bonded body by an apparatus suitably used in the production method of the present invention.
이하, 본 발명을 그 바람직한 실시형태에 기초하여 설명한다. 본 발명의 세라믹스 접합체는 질화 규소 세라믹스 피접합재끼리가 접합부위를 통해서 접합되어 이루어지는 것이다. 접합부위를 통해서 접합되는 2개의 피접합재는, 목적으로 하는 세라믹스 접합체의 용도에 따라서 다양한 형상을 취할 수 있다. 예를 들면 직방체나 입방체 등의 육면체, 평활한 단면(端面)을 가지는 봉상체(棒狀體)나 관상체(管狀體) 등의 형상을 취할 수 있다. 또 피접합재는 중실체(中實體) 및 중공체(中空體) 중 어느 것이어도 된다. 단, 접합해야 할 2개의 피접합재는 서로 면접촉하는 부위를 가지고 있는 것이 바람직하다. 상기 부위를 가지고 있음으로써 접합부위에서의 세라믹스 접합체의 강도를 충분히 높일 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described based on its preferred embodiments. The ceramics bonded body of the present invention is formed by bonding silicon nitride ceramics bonded materials to each other via a bonding site. The two bonded materials to be bonded to each other through the bonding site can take various shapes depending on the intended use of the ceramics bonded object. For example, a hexahedron such as a rectangular parallelepiped or a cuboid, a rod-like body having a smooth end face, a tubular body, or the like. The material to be bonded may be either a solid body or a hollow body. However, it is preferable that the two bonding materials to be bonded have portions that are in surface contact with each other. By having the region, the strength of the ceramics bonded body on the bonded portion can be sufficiently increased.
접합부위를 통해서 접합되는 2개의 피접합재는 그 형상이 동일해도 되고, 혹은 달라도 된다. 동일한 형상의 피접합재로는 예를 들면 봉상이나 관상 등의 형상을 들 수 있다. 다른 형상의 피접합재로는 예를 들면 배경기술의 항에서 기술한 대로 중앙에 구멍부분을 가지는 원반상의 형상과, 상기 구멍부분에 삽입 가능한 단면형상을 가지는 봉상의 형상의 것을 들 수 있다. The two bonding materials bonded through the bonding site may have the same shape or different. Examples of the material to be bonded having the same shape include a shape such as a bar shape or a tubular shape. Examples of the material to be bonded having a different shape include a disk-like shape having a hole portion at the center and a rod-like shape having a cross-sectional shape insertable into the hole portion, as described in the Background Art section.
접합부위를 통해서 접합되는 2개의 피접합재는 주재료가 질화 규소 세라믹스인 한에 있어서 같은 조성의 것이어도 되고, 혹은 소량의 제3성분, 예를 들면 소결 조제 등을 포함함으로써 조성이 다른 것이어도 된다. The two bonded materials bonded to each other through the bonding site may have the same composition insofar as the main material is silicon nitride ceramics or may contain a small amount of a third component such as a sintering auxiliary agent.
본 발명의 세라믹스 접합체는 그 구체적인 용도에 따라서 3개 이상의 피접합재가 접합된 것이어도 된다. 그 경우에 세라믹스 접합체에는 2군데 이상의 접합부위가 존재해도 된다. The ceramics bonded body of the present invention may be a bonded body of three or more bonded materials depending on its specific use. In this case, two or more bonding sites may exist in the ceramics bonded body.
상기의 세라믹스 접합체는 그 접합부위가 모재인 피접합재로부터 연속한 화학조성 및 미세구조조직을 가지고 있는 것이 바람직하다. 또 접합부위와 접합부위 주위의 피접합재의 조성 차이가 적은 것이 바람직하다. 이들의 관점에서 접합부위는 피접합재의 주재료인 질화 규소를 결정상의 주재료로 하고 있는 것이 유리하다. 접합부위에 포함되는 질화 규소에는 결정 구조가 다른 2종의 화합물인 α-질화 규소 및 β-질화 규소 중 적어도 1종이 존재하는 것이 알려져 있다. 또 접합부위에는 결정상으로서 β-질화 규소 중의 Si의 일부가 Al로, O의 일부가 N으로 치환된 물질인 β-사이알론이 존재하는 경우도 있다. 요약하면, 접합부위에는 결정상으로서 α-질화 규소, β-질화 규소 및 β-사이알론 중 1종 이상이 존재하고 있다. 이하에 말하는 접합부위의 설명에 관하여 특별히 예고하지 않는 한 「질화 규소」란 α-질화 규소, β-질화 규소 및 β-사이알론 중 1종 이상을 의미한다. It is preferable that the ceramics bonded body has a continuous chemical composition and microstructure from the bonding material of which the bonding site is the base material. It is also preferable that the difference in the composition of the material to be bonded on the joining portion and around the joining portion is small. From these points of view, it is advantageous that the bonding site is made of silicon nitride, which is the main material of the bonding material, as the main phase of the crystal phase. It is known that at least one of? -Nitriding silicon and? -Nitriding silicon, which are two kinds of compounds having different crystal structures, exists in the silicon nitride contained on the junction. In addition, there may be a β-sialon which is a material in which a part of Si in β-silicon nitride is substituted with Al and a part of O is substituted with N as a crystal phase on the junction. In summary, at least one of? -Nitrided silicon,? -Nitrided silicon and? -Sialon is present as a crystalline phase on the junction. "Silicon nitride" means at least one of α-silicon nitride, β-silicon nitride and β-sialon, unless otherwise specifically stated in connection with the description of the joints mentioned below.
접합부위에는 적어도 β-사이알론의 결정상이 포함되어 있는 것이 접합부위의 강도를 높이는 관점에서 바람직하다. 일반적으로 접합부위에 존재하는 β-사이알론의 비율은 상기 부위에 존재하는 질화 규소의 비율보다도 낮게 되어 있다. 단, 접합부위에 존재하는 β-사이알론의 비율이나 질화 규소의 비율은 본 발명의 목적을 달성하는 데에 있어서 그다지 중요한 사항이 아니다. 또한 접합부위는 소량의 제3성분, 예를 들면 소결 조제 등을 포함하고 있어도 된다. It is preferable that at least the? -Sialon crystal phase is contained on the joint from the viewpoint of enhancing the strength of the joint. Generally, the ratio of? -Sialon present on the joint is lower than the ratio of silicon nitride present in the region. However, the ratio of? -Sialon or the ratio of silicon nitride present on the joint is not very important in achieving the object of the present invention. The bonding site may also contain a small amount of a third component, for example, a sintering auxiliary agent.
접합부위가 α-질화 규소, β-질화 규소 또는 β-사이알론을 포함하고 있는지 여부는, 예를 들면 엑스선 회절에 의해 접합부위에 포함되는 결정상을 동정(同定)함으로써 판단할 수 있다. Whether or not the bonding site includes? -Nitriding silicon,? -Nitriding silicon or? -Sialon can be determined by, for example, identifying the crystal phase contained on the bonding portion by x-ray diffraction.
접합부위에 포함되는 질화 규소는 난(難)소결재이기 때문에 유리 등의 산화물을 상기 접합부위에 첨가하여 질화 규소 결정의 입자 사이를 유리가 메우는 구조를 가지도록 하는 것이 유리하다. 질화 규소 결정의 입자 사이에 존재하는 유리는 SiO2유리중의 O의 일부가 질화 규소 결정의 안에 들어간 산질화 규소 유리이다. It is advantageous to add an oxide such as glass on the bonding portion so that the glass between the particles of the silicon nitride crystal is filled up because the silicon nitride contained on the bonding portion is a hard sintered material. The glass present between the particles of the silicon nitride crystal is a silicon oxynitride glass in which a part of O in the SiO 2 glass is contained in the silicon nitride crystal.
접합부위는 피접합재의 주재료인 질화 규소를 결정상의 주재료로 하고, 그 결정의 입자 사이를 산질화 규소 유리가 메우는 구조를 가지고 있는 것이 바람직하다. 질화 규소 결정상으로는 상술한 대로 α-질화 규소, β-질화 규소 및 β-사이알론 중 어느 1개, 또는 복수가 존재해도 된다. 산질화 규소 유리중에는 이외에, Al, Y, Mg, Zr, Yb 등 질화 규소의 소결 조제로서 일반적으로 이용되는 금속 원소가 동시에 1종 또는 복수종 포함되어도 된다. 질화 규소입자와 산질화 규소 유리의 비율은 97:3~60:40인 것이 바람직하고, 95:5~65:35인 것이 더욱 바람직하다. 양자의 비율을 이 범위 내로 설정함으로써 치밀한 접합부위가 얻어지기 쉽고, 또 접합부위의 열화, 예를 들면 고온산화 분위기에서 소정 시간 유지한 후의 강도가 열화되기 어려워진다. 질화 규소입자와 산질화 규소 유리의 비율은, 예를 들면 접합부위를 500~5000배정도로 확대한 주사형 전자현미경(SEM)에 의한 이차원 단면의 조직 관찰상을 화상해석함으로써 구할 수 있다. 화상해석에 예를 들면 시판의 각종 컴퓨터 소프트웨어를 이용하면 간편하게 이 비율을 구할 수 있다. 접합부위를 조직 관찰하면 질화 규소 결정상과 산질화 규소 유리의 차이는 명확하게 구별할 수 있다. It is preferable that the bonding site has a structure in which silicon nitride, which is the main material of the material to be bonded, is used as the main material of the crystal phase, and silicon nitride glass is filled between the crystal grains. As described above, any one or more of? -Nitrided silicon,? -Nitrided silicon and? -Sialon may be present in the silicon nitride crystal. In addition to the silicon oxynitride glass, one or more metal elements commonly used as a sintering aid for silicon nitride such as Al, Y, Mg, Zr, and Yb may be included at the same time. The ratio of the silicon nitride particles to the silicon oxynitride glass is preferably 97: 3 to 60:40, and more preferably 95: 5 to 65:35. By setting the ratio of both of them within this range, a dense joint site tends to be obtained, and the deterioration of the joint site, for example, the strength after holding in the high temperature oxidizing atmosphere for a predetermined time, is hardly deteriorated. The ratio of the silicon nitride grains to the silicon oxynitride glass can be determined, for example, by image analysis of a tissue observation image of a two-dimensional cross-section by a scanning electron microscope (SEM) in which the bonding site is enlarged by about 500 to 5000 times. This ratio can be easily obtained by using, for example, various commercially available computer software for image analysis. By observing the structure of the joints, the difference between the silicon nitride crystal phase and the silicon oxynitride glass can be clearly distinguished.
상기의 세라믹스 접합체는 그 접합부위의 미세구조조직에도 특징 중 하나를 가진다. 상세하게는, 이 접합부위에는 상기 접합부위를 현미경 관찰했을 때에 결정입으로서 주상입자와 구상입자가 관찰된다. 먼저 말한대로 접합부위는 질화 규소나 β-사이알론을 포함해서 구성되어 있는바, 이 주상입자 및 구상입자는 결정상으로서 질화 규소나 β-사이알론을 포함하여 구성되어 있다. 상세하게는, 주상입자에는 결정상으로서 주로 β-질화 규소와 β-사이알론이 포함되어 있다. 한편, 구상입자에는 결정상으로서 주로 α-질화 규소가 포함되어 있다. 주상입자 및 구상입자에 대해서 본 발명자들이 검토한 결과, β-질화 규소와 β-사이알론을 주로 포함하는 주상입자는 접합부위의 강도향상에 크게 기여하고 있는 것이 판명되었다. 본 발명자들이 또한 검토를 진행한 결과, 접합부위에서의 주상입자와 구상입자의 존재의 밸런스가 상기 접합부위의 접합 강도에 크게 영향을 주는 것이 판명되었다. 상세하게는 접합부위가 주상입자 및 구상입자를 소정의 밸런스로 포함할 경우에는 접합부위가 피접합재의 강도에 가까운 고접합 강도를 가지는 것이 된다. 접합부위에 포함되는 주상입자란, 접합부위의 단면의 조직 관찰에 있어서 애스펙트비(장축/단축)가 2 이상인 입자를 의미한다. The ceramics bonded body has one of the characteristics in the microstructure of the bonding site. Specifically, on the junction, columnar particles and spherical particles are observed as crystal grains when the junction is observed under a microscope. As mentioned earlier, the bonding sites are composed of silicon nitride or? -Sialon. These columnar particles and spherical particles are composed of silicon nitride or? -Sialon as a crystal phase. Specifically, the columnar particles mainly contain? -Silicon nitride and? -Sialon as crystalline phases. On the other hand, spherical particles mainly contain? -Silicon nitride as a crystal phase. As a result of studies by the present inventors on the columnar particles and spherical particles, it has been found that the columnar particles mainly comprising? -Nitrided silicon and? -Sialon contribute greatly to the improvement of the strength of the joints. As a result of further studies by the present inventors, it has been found that the balance between the presence of the columnar particles and the spherical particles on the joint greatly affects the bonding strength of the above-mentioned bonding site. Specifically, when the joint portion includes the columnar particles and the spherical particles in a predetermined balance, the joint portion has a high bond strength close to the strength of the material to be bonded. The columnar particles contained on the joint portion mean particles having an aspect ratio (major axis / minor axis) of 2 or more in the structure observation of the cross section of the junction.
접합부위에 존재하는 β-질화 규소 및 β-사이알론은 주로 주상입자에 포함되는바, 주상입자의 애스펙트비(장축/단축) 평균은 바람직하게는 2~30이며, 더욱 바람직하게는 2.7~20이며, 한층 더 바람직하게는 2.7~15이다. 이러한 애스펙트비를 가지는 주상입자를 접합부위에 존재시킴으로써 상기 접합부위의 접합 강도나 파괴 인성(靭性)을 용이하게 높일 수 있다. 주상입자의 장축이란, 접합부위를 현미경 관찰하여 얻어지는 주상입자의 이차원상에 있어서 상기 주상입자를 가로지르는 선분이 가장 길어지는 해당 선분을 말한다. 단축이란, 장축에 직교하며, 또한 주상입자를 가로지르는 선분이 가장 짧아지는 해당 선분을 말한다. 주상입자의 애스펙트비는, 예를 들면 접합부위를 500~5000배정도로 확대한 주사형 전자현미경(SEM)에 의한 이차원 단면의 조직 관찰을 실시하고, 관찰 시야 내의 입자를 임의로 선택하여 그 애스펙트비를 측정한다. 측정된 입자 중, 애스펙트비가 2 이상인 입자 1000개 이상에 대해서 애스펙트비의 산술평균을 구한다. The average aspect ratio (long axis / short axis) of the columnar particles is preferably from 2 to 30, more preferably from 2.7 to 20, and most preferably from 2 to 10. The? -Sialon and? -Sialon present on the joint are mainly contained in the columnar particles. , Still more preferably 2.7 to 15. By presenting the columnar particles having such an aspect ratio on the joint, the joint strength and fracture toughness of the joint can be easily increased. The long axis of the columnar particles refers to a line segment having the longest line segment crossing the columnar particles on a two-dimensional image of the columnar particles obtained by microscopic observation of the junction. The short axis means a line segment perpendicular to the major axis and having the shortest line segment crossing the columnar particles. The aspect ratio of the columnar particles can be determined by, for example, performing a tissue observation of a two-dimensional cross section by a scanning electron microscope (SEM) in which the joint portion is enlarged by about 500 to 5,000 times and arbitrarily selecting particles in the observation field, . An arithmetic average of the aspect ratios is obtained for 1000 or more particles having an aspect ratio of 2 or more among the measured particles.
접합부위에 존재하는 구상입자는 접합부위를 현미경 관찰하여 얻어지는 상기 구상입자의 이차원상이 진원(眞圓)인 것을 필요로 하지 않고, 진원이라고 간주되는 정도의 원형이어도 된다. 구상입자가 진원이 아닐 경우, 상기 구상입자의 애스펙트비(장축/단축)는 2 미만이면 된다. The spherical particles existing on the joint do not need to be a true two-dimensional image of the spherical particles obtained by microscopic observation of the joint site, but may be round enough to be regarded as a source. When the spherical particles are not circular, the aspect ratio (long axis / short axis) of the spherical particles may be less than 2.
접합부위에서의 주상입자와 구상입자의 밸런스는, 관찰 시야에서의 주상입자와 구상입자의 합계량에 대한 주상입자의 비율을 바람직하게는 10~30%, 더욱 바람직하게는 15~30%로 설정하는 것이 유리한 것이 본 발명자들의 검토 결과 판명되었다. 이 비율은 접합부위를 500~5000배정도로 확대한 현미경 관찰에서 측정되는 주상입자의 이차원상의 면적 및 구상입자의 이차원상의 면적의 합계 면적을 산출하고, 주상입자의 면적을 상기 합계 면적으로 나누고 100을 곱하여 산출된다. 이 비율의 산출은 예를 들면 접합부위의 현미경 관찰상을 화상해석함으로써 실시할 수 있다. The balance between the columnar particles and the spherical particles on the joint is set so that the ratio of the columnar particles to the total amount of the columnar particles and spherical particles in the observation field is preferably 10 to 30%, more preferably 15 to 30% And it was found to be advantageous as a result of examination by the inventors of the present invention. This ratio is calculated by calculating the total area of the two-dimensional area of the spherical particles and the area of the two-dimensional phase of the columnar particles measured by microscopic observation of the junction area enlarged by 500 to 5000 times, dividing the area of the columnar particles by the total area, Respectively. The calculation of this ratio can be carried out, for example, by image analysis of a microscopic observation image of the joint site.
접합부위에 존재하는 질화 규소입자의 크기는 후술하는 접합재를 구성하는 혼합 분말의 입경에 의존하고, 일반적으로는 상기 혼합 분말을 구성하는 입자의 입경과 동등하거나 그 이상이 되지만, 특히 입경 0.7㎛ 이상의 것이 체적기준으로 15% 이상 존재하는 것이 바람직하다. The size of the silicon nitride particles present on the joint depends on the particle size of the mixed powder constituting the bonding material to be described later and is generally equal to or larger than the particle size of the particles constituting the mixed powder. It is preferred that at least 15% by volume is present.
접합부위의 두께, 즉 접합해야 할 2개의 피접합재 사이의 거리는 50~500㎛, 특히 50~300㎛, 그 중에서도 50~100㎛으로 하는 것이 균일하며 동시에 고접합 강도의 접합부위를 형성할 수 있는 관점에서 바람직하다. The thickness of the bonding site, that is, the distance between the two bonding materials to be bonded is 50 to 500 μm, particularly 50 to 300 μm, preferably 50 to 100 μm, and at the same time, a bonding region of high bonding strength can be formed .
이상의 미세구조조직을 가지는 접합부위를 형성하기 위해서는, 예를 들면 이하에 기술하는 방법에 의해 본 발명의 세라믹스 접합체를 제조하면 된다. In order to form the bonding site having the above-described microstructure, for example, the ceramics bonded body of the present invention may be produced by the method described below.
본 발명의 제조방법을 실시하기 위해서는 피접합재인 2개의 질화 규소 세라믹스를, 그들의 접합면끼리가 대향하도록 배치한다. 또 2개의 피접합재 사이에, 가열후에 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위의 형성이 가능한 조성을 가지는 접합재를 개재 배치한다. 2개의 피접합재에 의해 낀 접합재를 가열함으로써 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위를 형성시켜서 피접합재를 접합한다. In order to implement the manufacturing method of the present invention, the two silicon nitride ceramics to be bonded are arranged so that their bonding surfaces are opposed to each other. Further, a bonding material having a composition capable of forming a bonding site including silicon nitride particles and silicon oxynitride glass after heating is interposed between the two bonding materials. The bonding material bonded by the two bonding materials is heated to form a bonding site including the silicon nitride grains and the silicon oxynitride glass to bond the materials to be bonded.
상술한 혼합 분말은 질화 규소의 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 또 산질화 규소 유리의 생성의 관점에서 이산화규소(SiO2)의 입자를 포함하는 것도 바람직하다. 또 사이알론의 생성의 관점에서 알루미나(Al2O3)의 입자를 포함하는 것도 바람직하다. 혼합 분말중에 포함되는 질화 규소의 비율은 일반적으로 20~35질량%인 것이 바람직하다. 이산화규소의 비율은 일반적으로 10~20질량%인 것이 바람직하다. 알루미나의 비율은 일반적으로 5~15질량%인 것이 바람직하다. 상술한 혼합 분말은 이들에 더하여 소결 조제로서 알려져 있는 각종 산화물, 예를 들면 Y2O3, CaO, MgO, ZrO2, Yb2O3 등의 분말을 포함하고 있어도 된다. 특히 Y는 질화 규소 결정입을 주상으로 신장시키는 효과가 높은 원소이다. 이들의 각종 산화물은 그 합계량으로서 혼합 분말중에 일반적으로 35~55질량% 포함되는 것이 바람직하다. It is preferable that the above-mentioned mixed powder includes particles of silicon nitride. It is also preferable to include particles of silicon dioxide (SiO 2 ) in view of production of silicon oxynitride glass. It is also preferable to include particles of alumina (Al 2 O 3 ) from the viewpoint of production of sialon. The ratio of the silicon nitride contained in the mixed powder is generally preferably from 20 to 35% by mass. The proportion of silicon dioxide is generally preferably from 10 to 20% by mass. The ratio of alumina is preferably 5 to 15% by mass. The mixed powder may contain various oxides known as sintering aids such as Y 2 O 3 , CaO, MgO, ZrO 2 and Yb 2 O 3 . In particular, Y is an element having a high effect of elongating the silicon nitride crystal grain to the main phase. The various oxides thereof are preferably contained in the mixed powder in an amount of generally 35 to 55 mass%.
상기의 접합재는 접합을 실시하는 고온가열하에서의 산질화 규소 유리 형성량에 대하여 질화 규소입자가 과잉으로 함유되어서 질화 규소입자의 일부가 산질화 규소 유리에 고상입자로서 잔존하는 배합으로하는 것이 바람직하다. 산질화 규소 유리중에 다 용해되지 않고 잔존한 질화 규소입자는 접합시의 가열 유지중에 유리중에서 주상입자로 변화한다. 후술하는 대로 질화 규소입자로서 α-질화 규소를 이용할 경우, 거의 모두가 β-질화 규소 또는 β-사이알론으로 전화하지만, 온도가 낮고 유지시간이 짧을 경우에는 α-질화 규소로서 일부가 잔존하는 경우가 있다. α-질화 규소가 잔존해도 지장없지만 α-질화 규소는 등축형상의 입자형상을 가지고 결합 부위의 강도를 얻기 위해서는 유리하다고 할 수 없다. It is preferable that the bonding material is such that the silicon nitride particles are excessively contained in the amount of forming the silicon oxynitride glass under the high temperature heating to which the bonding is performed so that a part of the silicon nitride particles remain as solid phase particles in the silicon oxynitride glass. The silicon nitride particles which are not sufficiently dissolved in the silicon oxynitride glass are changed into the columnar particles in the glass during the heating and holding at the time of bonding. When α-silicon nitride is used as the silicon nitride particles as described later, almost all of them are called β-silicon nitride or β-sialon, but when the temperature is low and the holding time is short, a part of α-silicon nitride remains . Although? -silicon nitride remains, the? -silicon nitride has an equiaxed particle shape and is not advantageous for obtaining the strength of the bonding site.
특히 산질화 규소 유리의 생성 관점 및 주상의 질화 규소입자의 생성 관점에서 질소가 혼합 분말중에 25당량% 이상, 특히 25~60당량%, 그 중에서도 35~55당량% 함유되어 있는 것이 바람직하다. 「당량%」란, 유리중의 이온의 가수를 고려한 표기 방법으로서 산질화 규소 유리의 조성을 나타내는 경우에 자주 이용된다. 유리중의 양이온 및 음이온의 각각에 대해서 원자수와 가수의 적의 합계가 100%가 되도록 표기되고, 합계로 200%가 된다. It is preferable that nitrogen is contained in the mixed powder in an amount of 25 equivalent% or more, particularly 25 to 60 equivalent%, more preferably 35 to 55 equivalent%, from the viewpoint of production of the silicon oxynitride glass and from the viewpoint of producing the main phase silicon nitride particles. "Equivalent%" is frequently used when the composition of silicon oxynitride glass is indicated as a notation method considering the valence of ions in glass. The total number of atoms and the number of adducts of the positive and negative ions in the glass is 100%, and the total is 200%.
특히 본 제조방법에 있어서는 질화 규소로서 α-질화 규소를 이용하는 것이 유리하다. 먼저 말한 대로, 질화 규소에는 결정 구조가 다른 2종의 화합물인 α-질화 규소와 β-질화 규소가 존재하는 것이 알려져 있는바, 이 2종류의 질화 규소 중 본 발명에 있어서는 α-질화 규소를 이용하는 것이, 먼저 말한 주상입자 및 구상입자의 쌍방을 포함하는 미세구조조직으로 이루어지는 접합부위를 용이하게 형성할 수 있는 점에서 유리하다. 이 이유는 질화 규소로서 α-질화 규소를 이용하면, β-질화 규소를 이용했을 경우와 비교하여 치밀한 구조의 접합부위를 형성할 수 있다는 본 발명자들의 지견에 기초하고 있다. 또 질화 규소로서 α-질화 규소를 이용하면, β-질화 규소를 이용했을 경우와 비교하여 저온으로 가열해도 고접합 강도의 접합부위를 형성할 수 있다는 본 발명자들의 지견에도 기초하고 있다. 단, 본 발명에 있어서 질화 규소로서 β-질화 규소를 이용하는 것은 지장을 받지 않는다. Particularly, in the present manufacturing method, it is advantageous to use? -Nitriding silicon as the silicon nitride. As mentioned above, it is known that silicon nitride has two kinds of compounds of different crystal structures, i.e.,? -Nitriding and? -Nitriding, and among these two types of silicon nitride,? -Nitriding Is advantageous in that it is possible to easily form a bonding site composed of a microstructure structure including both the aforementioned columnar particles and spherical particles. The reason for this is based on the knowledge of the present inventors that the use of? -Nitriding silicon as silicon nitride can form a junction of dense structure as compared with the case of using? -Nitriding silicon. The use of? -Nitriding silicon as silicon nitride is also based on the knowledge of the inventors of the present invention that even when heated to a low temperature, bonding sites of high bonding strength can be formed as compared with the case of using? -Nitriding silicon. However, in the present invention, the use of? -Nitriding silicon as silicon nitride does not interfere.
본 제조방법에서는 접합부위를 형성하기 위해서 이용되는 혼합 분말로서, 평균 입경이 바람직하게는 0.4~5.0㎛, 더욱 바람직하게는 0.4~3.0㎛, 한층 더 바람직하게는 0.4~2.0㎛의 것을 이용하는 것도 유리하다. 평균 입경이 이 범위의 혼합 분말을 이용하면, 가열에 의해 접합부위를 형성할 때에 상기 혼합 분말의 유동성이 적당하게 높아져서 양호한 젖음성을 나타내게 되므로, 유동 상태의 상기 혼합 분말이 2개의 피접합재 사이에 충분히 고루 퍼져서 틈의 발생이 저감되는 것이 본 발명자들의 검토 결과 판명되었다. 이 평균 입경의 범위보다도 소입경인 혼합 분말을 이용하면 상기 혼합 분말의 유동성이 충분히 높아지지 않아서 젖음성이 낮은 것이 되는 경우가 있다. 또 이 평균 입경의 범위보다도 대입경인 혼합 분말을 이용하면 접합부위의 치밀화가 충분하지 않아서 강도가 얻어지지 않을 경우가 있다. In the present manufacturing method, as the mixed powder used for forming the bonding site, those having an average particle size of preferably 0.4 to 5.0 탆, more preferably 0.4 to 3.0 탆, still more preferably 0.4 to 2.0 탆, Do. When the mixed powder having an average particle diameter within this range is used, the fluidity of the mixed powder is appropriately increased when the bonded portion is formed by heating to exhibit good wettability, so that the mixed powder in the flowing state is sufficiently It has been found out that the occurrence of gaps is reduced by spreading evenly. When the mixed powder having a particle diameter smaller than the range of the average particle diameter is used, the fluidity of the mixed powder is not sufficiently increased and the wettability may be low. If the mixed powder having a larger diameter than the average particle diameter is used, densification of the joint portion is not sufficient and the strength may not be obtained.
상기의 혼합 분말의 평균 입경은, 예를 들면 레이저 회절식에 의한 입도 분포 측정기를 이용해서 측정된다. 상기의 혼합 분말의 평균 입경을 상술한 범위로 설정하기 위해서는 상기 혼합 분말에 대하여 세라믹스 볼 등을 매체로 하여 밀 등에 의한 분쇄 등의 처리를 실시하면 된다. The average particle size of the mixed powder is measured using, for example, a particle size distribution measuring device by laser diffraction. In order to set the average particle size of the mixed powder to the above-mentioned range, the mixed powder may be subjected to a treatment such as grinding with a mill or the like using a ceramic ball or the like as a medium.
접합을 실시하는 고온가열하에 있어서 접합부위에 함유되는 여분의 산질화 규소 유리가 피접합재중에 확산된다. 또 고온가열에 의해 접합부위에 생긴 β-질화 규소 또는 β-사이알론의 결정상은 접합시의 고온하에서의 가열 유지에 의해 신장하고 입성장함으로써 주상입자가 되는 것이 접합부위의 강도를 얻는 관점에서 바람직하다. 접합부위와 접합부위 주위의 피접합재의 조성 차이를 감소시켜서 접합부위중의 β-질화 규소 또는 β-사이알론의 주상입자를 신장·입성장시키기 위해서는 가열 온도를 높게 하는 것이나 유지시간을 길게 하는 것이 유효하다. 한편, 질화 규소나 산질화 규소 유리는 고온에 있어서 분해 증발이 생기고, 이는 대기압 질소 분위기중에서는 1750℃를 초과하면 현저하게 일어난다. 또 접합을 실시할 때에 접합 불량이 생기기 어렵게 하고, 더하여 단시간에 접합을 완료시키기 위해서는 피접합재끼리의 접합면과 직교하는 방향으로 기계적으로 압력을 가하여 피접합재와 접합재를 밀착시키는 것이 유효하다. The excess silicon oxynitride glass contained on the joint is diffused into the material to be bonded under high-temperature heating for joining. Further, the crystal phase of? -Nitrided silicon or? -Sialon formed on the junction by high-temperature heating is preferable from the viewpoint of obtaining the strength of the bonding site by forming the columnar particles by stretching and ingrowing by heating and holding at high temperature at the time of bonding. It is effective to increase the heating temperature or to increase the holding time in order to reduce the difference in the composition of the material to be bonded on the joining portion and around the joining portion and to cause the growth of the 棺 -syphonitride or 棺 -sialon columnar particles . On the other hand, silicon nitride or silicon oxynitride glass is decomposed and evaporated at a high temperature, which occurs remarkably when it exceeds 1750 DEG C in an atmospheric nitrogen atmosphere. In addition, in order to make the bonding failure difficult to occur at the time of joining, and to complete the joining in a short time, it is effective to apply pressure mechanically in a direction perpendicular to the joining surfaces of the joining materials so that the joining material and the joining material are in close contact with each other.
접합부위를 형성하기 위해서 이용되는 혼합 분말은, 예를 들면 이를 물이나 유기용매 등의 액체와 혼합하여 소정 농도의 슬러리를 조제하고, 상기 슬러리를 피접합재의 접합면에 도포할 수 있다. 혹은, 상기 슬러리로부터 그린 시트를 형성하고, 상기 그린 시트를 피접합재의 접합면에 배치할 수도 있다. 작업의 용이함이나 배치의 확실성 등의 관점, 및 균일한 두께의 접합부위의 형성의 관점에서는 그린 시트를 이용하는 것이 유리하다. 예를 들면, 도 1에 도시하는 바와 같이 동일 형상의 관상체로 이루어지는 피접합재(1a, 1b)의 단면끼리 대향시켜서 단면 사이에 혼합 분말로 이루어지는 접합재(2)를 개재시킬 경우에는 접합재(2)로서 원환상의 그린 시트를 이용할 수 있다. The mixed powder used for forming the bonding site can be mixed with a liquid such as water or an organic solvent to prepare a slurry having a predetermined concentration and the slurry can be applied to the bonding surface of the material to be bonded. Alternatively, a green sheet may be formed from the slurry, and the green sheet may be disposed on the bonding surface of the material to be bonded. It is advantageous to use a green sheet from the viewpoints of easiness of work, certainty of arrangement, and the like, and from the viewpoint of forming a joint portion of uniform thickness. For example, as shown in Fig. 1, when the joining
또 도 2(a) 및 (b)에 도시하는 대로 관상체나 봉상체 등의 한 방향으로 긴 형상을 가지는 2개의 피접합재(1a, 1b)를 접합할 경우, 피접합재(1a, 1b)의 단면이, 상기 단면끼리 접촉시켰을 때에 감합하여 피접합재(1a, lb)의 축심의 위치가 맞도록 되어 있으면 양 피접합재(1a, lb)의 축심 맞춤을 용이하게 할 수 있으므로 바람직하다. 구체적으로는, 도 2(a)에 도시하는 대로 한쪽의 피접합재(1a)의 단면(11a)을 테이퍼형상으로 함과 아울러, 다른쪽의 피접합재(1b)의 단면(1lb)을 상기 테이퍼형상의 경사각에 대응한 경사를 가지는 막자사발형상으로 할 수 있다. 또 도 2(b)에 도시하는 대로 한쪽의 피접합재(1a)의 단면(11a)을 볼록한 부분을 가지는 단차형상으로 함과 아울러, 다른쪽의 피접합재(1b)의 단면(1lb)을 상기 볼록한 부분의 형상에 대응한 오목한 부분을 가지는 형상으로 할 수 있다. 또한 도 2(a) 및 (b)에 있어서는 접합재의 도시는 생략되어 있다. 2 (a) and 2 (b), when the two bonded
또한 피접합재가 관상체나 봉상체 등의 한 방향으로 긴 형상을 가질 경우에는 상기 피접합재의 축심의 위치 맞춤을 실시하기 위한 인너슬리브를 접합부위에 개재시킬 수도 있다. 이렇게 해도 2개의 피접합재의 축심 맞춤을 용이하게 할 수 있으므로 바람직하다. 또 인너슬리브에는 접합부위의 보강재로서의 역할도 있다. 예를 들면 도 3에 도시하는 바와 같이 2개의 피접합재(1a, lb)가 관상체일 경우에는 상기 피접합재(1a, lb)에 삽입가능한 인너슬리브(3)를 양 피접합재(1a, lb)의 접합부위에 개재시킨다. 인너슬리브(3)는 관상 또는 봉상이며 긴 길이방향을 따른 대략 중앙영역의 측면에 돌기부(3a)를 가지고 있다. 돌기부(3a)는 인너슬리브(3)의 주(周)방향의 전역에 걸쳐서 연속하여 형성되어 있다. 한편, 각 피접합재(1a, lb)의 단면은 그 외주측에 위치하는 제1 단면(12)과, 내주측에 위치하며, 또한 제1 단면(12)보다도 낮은 위치에 있는 제2 단면(13)을 가지는 단차구조로 되어 있다. 그리고 양 피접합재(1a, lb)의 제1 단면(12)끼리 접촉시키면 제1 단면(12)과 제2 단면(13)의 단차에 기인하여 피접합재(1a, lb)의 내벽에 박육부가 형성된다. 그 박육부에 인너슬리브(3)의 돌기부(3a)가 감합함으로써 2개의 피접합재(1a, lb)의 축심 맞춤이 용이하게 이루어진다. 또한 도 3에 있어서도 접합재의 도시는 생략되어 있다. Further, when the material to be bonded has a long shape in one direction such as a tubular body or a rod body, an inner sleeve for positioning the axial center of the material to be bonded may be interposed on the joint portion. This is preferable because it is easy to align the center of the two bonded materials. The inner sleeve also serves as a stiffener for the joint. For example, when the two bonded
인너슬리브(3)의 재질은 모재인 피접합재의 재질과 같아도 되고, 혹은 달라도 된다. 또 인너슬리브(3)는 가열에 의해 접합부위를 형성한 후에도 잔존하고 있는 재질이어도 되고, 혹은 가열에 의해 소실하는 재질이어도 된다. The material of the
또한 도 2(a) 또는 (b)에 도시하는 감합구조와, 도 3에 도시하는 인너슬리브(3)는 이들을 조합시켜서 이용할 수도 있다. The fitting structure shown in Fig. 2 (a) or (b) and the
2개의 피접합재(1a, lb) 사이에 배치된 접합재의 가열은 1500~1750℃, 특히 1550~1730℃, 그 중에서도 1600~1700℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 이 범위의 온도로 가열함으로써 치밀한 구조를 가지는 접합부위를 생기게 할 수 있다. 가열 분위기는 질소분위기로 하는 것이 바람직하다. The bonding material disposed between the two
가열 시간은 가열 온도가 상술한 범위 내일 경우에는 0.5~12시간, 그 중에서도 1~6시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 시간에 걸쳐 가열함으로써 산질화 규소 유리의 확산에 의해 접합부위와 접합부위 주위의 피접합재의 조성 차이가 감소되고, 접합부위중의 β-질화 규소 또는 β-사이알론의 주상입자의 밸런스가 소망의 것이 되어서 피접합재에 보다 가까운 조성과 조직을 가지는 접합부위를 순조롭게 형성할 수 있다. The heating time is preferably 0.5 to 12 hours, more preferably 1 to 6 hours, when the heating temperature is within the above-mentioned range. During this time, the difference in the composition of the material to be bonded around the joint portion and the joint portion due to the diffusion of the silicon oxynitride glass is reduced by heating over the period of time, and the balance of the? -Nitride or? So that a bonding site having a composition and structure closer to the material to be bonded can be smoothly formed.
가열중은 접촉한 상태에 있는 2개의 피접합재를 서로 마주 향하는 방향으로 가압해 두는 것이 유리하다. 이렇게 함으로써 치밀한 구조를 가지는 접합부위를 순조롭게 형성할 수 있다. 이 관점에서 가압의 압력은 0.01~5MPa, 특히 0.1~5MPa, 그 중에서도 1~5MPa로 설정하는 것이 바람직하다. During heating, it is advantageous to press the two bonded materials in contact with each other in the direction in which they face each other. By doing so, a junction having a dense structure can be smoothly formed. From this point of view, the pressure of the pressurizing is preferably set to 0.01 to 5 MPa, particularly 0.1 to 5 MPa, and more preferably 1 to 5 MPa.
또 가열중은 접촉한 상태에 있는 2개의 피접합재를 상기 피접합재끼리의 접합면에 직교하는 축 둘레와 같은 방향으로 2개의 접합재를 같은 속도로 연동시켜서 회전시켜 두는 것이 바람직하다. 이 조작은 한 방향으로 긴 피접합재를, 그 긴 길이방향으로 직렬로 접합할 경우에 유효하다. 이 회전에 의해 가열중의 고온하에서의 접합재의 중력에 의한 아래쪽에 대한 늘어짐 억제되어서 접합체의 구부러짐을 막을 수 있다. 더하여 접합재가 접합부위의 하부측에 흘러나가는 것을 억제할 수 있다. 이 효과를 한층 더 현저한 것으로 하는 관점에서 회전수는 1~5rpm, 그 중에서도 3~5rpm이라는 저속으로 하는 것이 바람직하다. 회전을 시행하지 않을 경우, 접합재가 흘러나가고, 거기에 기인하여 접합재의 부족에 의해 강도 부족이라는 불량을 발생시키는 경우가 있다. It is also preferable to rotate the two bonding materials in contact with each other at the same speed in the same direction as the circumference of the axis perpendicular to the bonding surfaces of the materials to be bonded while heating. This operation is effective when joining elongated bonded materials in one direction in series in the longitudinal direction thereof. By this rotation, sagging of the bonding material under the high temperature under heating due to gravity can be suppressed, so that bending of the bonding body can be prevented. In addition, it is possible to prevent the bonding material from flowing to the lower side of the bonding portion. From the viewpoint of making this effect more conspicuous, the rotation speed is preferably 1 to 5 rpm, particularly 3 to 5 rpm. When the rotation is not performed, the bonding material flows out, and due to the shortage of the bonding material, there is a case that a deficiency of the strength is caused due to lack thereof.
접합재의 가열에 의한 접합부위의 형성은 1회의 가열만으로 완료시켜도 되고, 혹은 필요에 따라 2회 이상 복수회의 가열을 실시해도 된다. 일반적으로는 1회의 가열만으로 만족할 미세구조조직을 가지는 접합부위를 형성할 수 있다. Formation of the joint portion by heating of the bonding material may be completed only by one heating, or may be performed twice or more times as necessary. In general, it is possible to form a bonding site having a satisfactory microstructure by heating only once.
본 발명의 제조방법에 의해 얻어진 세라믹스 접합체에서는 접합부위의 강도가 모재인 피접합재의 강도에 가까운 것이 된다. 상세하게는, 본 발명의 제조방법에 의해 얻어진 세라믹스 접합체에서는 피접합재의 4점 굽힘강도(JIS-R1601)에 대해서 접합부위의 4점 굽힘강도가 바람직하게는 50% 이상, 더욱 바람직하게는 60% 이상, 한층 더 바람직하게는 70% 이상으로 되어 있다. In the ceramics bonded body obtained by the manufacturing method of the present invention, the strength of the bonded portion is close to the strength of the bonded material as the base material. Specifically, in the ceramics bonded body obtained by the manufacturing method of the present invention, the four-point bending strength of the joint portion is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, more preferably 50% or more, Or more, and still more preferably 70% or more.
또한 본 발명의 제조방법에 의해 얻어진 세라믹스 접합체에서는 이를 900℃의 대기 분위기하에서 1시간 노출을 복수회 반복한 후에도 접합부위에 있어서 노출전과 동등한 접합 강도가 유지된다. 상세하게는, 노출후의 4점 굽힘강도는 노출전의 4점 굽힘강도(JIS R1601)에 대해서 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 한층 더 바람직하게는 85% 이상으로 되어 있다. Further, in the ceramics bonded body obtained by the manufacturing method of the present invention, the bonding strength equivalent to that before exposure on the bonding portion is maintained even after the substrate is repeatedly exposed for several hours under the atmosphere of 900 캜 for one hour. Specifically, the four-point bending strength after exposure is preferably not less than 70%, more preferably not less than 80%, still more preferably not less than 85% with respect to the four-point bending strength before exposure (JIS R1601).
도 4(a) 내지 (d)에는 본 발명의 제조방법의 실시에 적합하게 이용되는 장치에 의해서 세라믹스 접합체를 제조하는 공정이 순차 모식적으로 도시되어 있다. 이 도면에 나타내는 장치는 관상 또는 봉상의 피접합재의 접합에 특히 적합하게 이용되는 것이다. Figs. 4 (a) to 4 (d) sequentially show schematically the steps of manufacturing a ceramics bonded body by a device suitably used in the production method of the present invention. The apparatus shown in this drawing is particularly suitably used for joining tubular or rod-shaped materials to be bonded.
먼저, 도 4(a)에 도시하는 대로 접합해야 할 2개의 피접합재(1a, lb)를 각각 척(20)에 의해 쥔다. 척(20)에 의한 쥠은 2개의 피접합재(1a, lb)가 수평으로 유지되도록 실시한다. 각 척(20)은 대좌(21) 위를 접동(摺動)자유롭게 상기 대좌(21)에 설치되어 있다. 피접합재(1a, lb)의 단면끼리 소정 거리를 두고 대향시켜서 단면 사이에 접합재(2)를 배치했으면, 한쪽의 척(20)을 도 4(a), 화살표로 나타내는 방향에 이동시켜서 2개의 피접합재(1a, lb)에 의해 접합재(2)를 협지한다. First, as shown in Fig. 4 (a), the two bonded
피접합재(1a, lb)가 예를 들어 둥근관이나 둥근봉 등의 형상일 경우, 그 외부 직경은 5~60㎜, 특히 10~45㎜, 그 중에서도 10~30㎜인 것이, 양 피접합재(1a, lb)의 확실한 접합의 점에서 바람직하다. 또 피접합재(1a, lb)가 예를 들어 환관(丸管)이나 환봉 등의 형상일 경우 그 길이의 상한값이 2000㎜이라는 장척물이어도 접합할 수 있다. 길이의 하한값에 제한은 없고, 짧을수록 용이하게 접합할 수 있다. When the materials to be bonded 1a and 1b are in the form of, for example, a round tube or a round bar, the outer diameter is preferably 5 to 60 mm, particularly 10 to 45 mm, and more preferably 10 to 30 mm, 1a, 1b). When the materials to be bonded 1a and 1b are in the shape of, for example, round tubes or round bars, they can be bonded even if the upper limit of the length is 2000 mm. There is no limitation on the lower limit of the length, and the shorter the length, the easier the joining.
이어서 도 4(b)에 도시하는 대로 척(20)에 구비되어 있는 회전 기구(미도시)에 의해 피접합재(1a, lb)를 그 축 둘레로 회전시킨다. 이 회전과 함께 2개의 척(20)을 이 도면 중, 화살표로 나타내는 방향으로 이동시켜서 2개의 피접합재(1a, lb)의 접촉 부위를 가열로(22) 내에 도입한다. 이때, 접합재(2)의 탈락이 생기지 않도록 하기 위해서 피접합재(1a, lb)를 그 축선 방향에 있어서 서로 마주 향하는 방향으로 가압해 두는 것이 유리하다. Then, the material to be bonded (1a, 1b) is rotated around its axis by a rotation mechanism (not shown) provided in the
2개의 피접합재(1a, lb)의 접촉 부위가 가열로(22) 내에 도입되면, 도 4(c)에 도시하는 대로 피접합재(1a, lb)의 회전을 계속하면서 가열로(22)의 가열을 개시하여 접촉 부위에 위치하고 있는 접합재(2)를 가열한다. 가열중은 피접합재(1a, lb)의 회전을 계속해서 시행한다. 또 가열중은 피접합재(1a, lb)를 그 축선 방향에 있어서 서로 마주 향하는 방향으로 가압해 둔다. 피접합재(1a, lb)를 수평으로 유지하고, 그 축 둘레로 회전시키면서 가열함으로써 소망의 미세구조조직을 가지는 접합부위를 형성할 수 있다. When the contact portions of the two
소망의 온도 및 시간으로 가열하여 목적으로 하는 접합부위가 형성되면 가열로(22)에 의한 가열을 정지한다. 그러나 가열 정지 후도 피접합재(1a, lb)의 회전은 계속해 둔다. 가열로(22)가 실온까지 냉각되면 피접합재(1a, lb)의 회전을 정지하고, 척(20)을 이동시켜서 접합부위를 가열로(22) 밖으로 꺼낸다. 이렇게 하여 세라믹스 접합체가 얻어진다. 이 세라믹스 접합체의 길이를 늘리고 싶은 경우에는 도 4(d)에 도시하는 바와 같이 피접합재(1c)를 준비하고 피접합재(1c)의 단면과 피접합재(1b)의 단면을 소정 거리를 두고 대향시켜서 양 단면 사이에 접합재(2)를 배치한다. 그 후는 상술한 조작과 마찬가지 조작을 실시하고 3개의 피접합재(1a, lb, 1c)가 그들의 긴 길이방향을 따라 직렬로 접속된 긴 세라믹스 접합체가 얻어진다. 이상의 조작을 반복적으로 실시함으로써 소망의 길이의 긴 세라믹스 접합체가 얻어진다. When heating is performed at a desired temperature and time to form a desired bonding site, heating by the
이상과 같이 도 4에 도시하는 방법에 따르면 관상이나 봉상 등의 한 방향으로 연장되는 긴 형상을 가지는 피접합재를 콤팩트한 설비에 의해 용이하게 제조할 수 있다. As described above, according to the method shown in Fig. 4, the material to be bonded having a long shape extending in one direction such as a tubular shape or a bar shape can be easily manufactured by a compact facility.
이렇게 하여 얻어진 세라믹스 접합체는, 예를 들면 히터 튜브나 열전기쌍용 보호관, 로터리 킬른용 노심관(爐芯管), 롤러 허스 킬른(roller hearth kiln)용 롤러 등의 소성로 부재나, 내장재(內張材), 라이너, 교반 날개재, 강판의 반송용 롤러 등의 내마모성 기계 장치 부재, 약품이나 슬러리 등 반송용 파이프 부재 등의 많은 용도로 유용하다. The ceramics bonded body thus obtained can be used as a sintering furnace member such as a heater tube, a protective tube for a thermoelectric pair, a core tube for a rotary kiln, a roller for a roller hearth kiln, Abrasion-resistant mechanical parts such as liners, stirring wing materials, and rollers for conveying steel plates, pipe members for conveying chemicals such as slurries, and the like.
이상, 본 발명을 그 바람직한 실시형태에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 제한되지 않는다. 예를 들면 도 4에 도시하는 장치에 있어서는 피접합재(1a, lb)끼리의 접합면에 직교하는 축 둘레로 상기 피접합재(1a, lb)를 회전시키면서 가열하는 것이 목적으로 하는 세라믹스 접합체를 순조롭게 형성하는 관점에서 유리하지만 그 이외의 방향으로 회전시키면서 가열해도 된다. While the present invention has been described based on the preferred embodiments thereof, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the apparatus shown in Fig. 4, a ceramics bonded body intended to be heated while rotating the bonded
또, 도 4에 도시하는 장치에 있어서는 피접합재(1a, lb)의 축이 수평면 내에 위치하도록 상기 피접합재(1a, lb)를 회전시켰지만, 이에 대신해서 예를 들면 피접합재(1a, lb)의 축이 연직면 내에 위치하도록 회전해도 된다. In the apparatus shown in Fig. 4, the bonded
실시예Example
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 범위는 이러한 실시예에 제한되지 않는다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited to these embodiments.
〔실시예 1〕 [Example 1]
피접합재로서 외부 직경 28㎜, 내부 직경 22㎜, 길이 1000㎜의 질화 규소제 파이프를 2개 준비했다. 이 2개의 파이프들은 도 2(b)에 도시하는 감합구조를 가지는 것이었다. 또 도 3에 도시하는 인너슬리브도 이용했다. 인너슬리브는 파이프와 같은 재질인 질화 규소제였다. 접합재로서 이하의 표 1에 나타내는 조성 및 평균 입경을 가지는 혼합 분말을 이용했다. 이 혼합 분말을 에탄올과 혼합하여 슬러리를 조제하고, 그 슬러리로부터 그린 시트를 상법에 의해 제작했다. 그린 시트는 원환상이며 외부 직경 30㎜, 내부 직경 20㎜, 두께 80㎛이었다. 이들을 이용하여 도 4(a) 내지 (d)에 도시하는 장치 및 공정에 따라서 세라믹스 접합체를 제조했다. 제조 조건은 이하의 표 2에 나타내는 대로이다. 그리고 얻어진 세라믹스 접합체에 대해서 이하의 표 3에 나타내는 평가를 실시했다. Two pipes made of silicon nitride having an outer diameter of 28 mm, an inner diameter of 22 mm and a length of 1000 mm were prepared as materials to be bonded. These two pipes have the fitting structure shown in Fig. 2 (b). The inner sleeve shown in Fig. 3 was also used. The inner sleeve was made of silicon nitride, which is a pipe-like material. As the bonding material, a mixed powder having the composition and average particle diameter shown in Table 1 below was used. The mixed powder was mixed with ethanol to prepare a slurry, and a green sheet was prepared from the slurry by a conventional method. The green sheet was an annular shape having an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 20 mm, and a thickness of 80 占 퐉. Using these, ceramics bonded bodies were produced according to the apparatuses and processes shown in Figs. 4 (a) to 4 (d). The production conditions are as shown in Table 2 below. The obtained ceramics bonded body was subjected to the evaluations shown in Table 3 below.
〔실시예 2 내지 실시예 12〕 [Examples 2 to 12]
표 2에 나타내는 조건을 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 해서 세라믹스 접합체를 얻었다. 얻어진 세라믹스 접합체에 대해서 실시예 1과 마찬가지 평가를 실시했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. A ceramics bonded body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in Table 2 were used. The obtained ceramics bonded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
〔실시예 13 및 14〕 [Examples 13 and 14]
피접합재로서 세로 30㎜, 가로 20㎜, 높이 20㎜의 질화 규소제 블록을 이용했다. 이 블록에서의 30㎜×20㎜의 면끼리 대향시켜서 그 면의 사이에 접합재를 개재시킨 상태하에 가열하여 세라믹스 접합체를 얻었다. 제조 조건의 상세한 내용은 표 2에 나타내는 대로이다. 얻어진 세라믹스 접합체에 대해서 실시예 1과 마찬가지 평가를 실시했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. A silicon nitride block having a length of 30 mm, a width of 20 mm and a height of 20 mm was used as the material to be bonded. A 30 mm x 20 mm face in this block was faced to each other and heated under the state where the bonding material was interposed between the faces to obtain a ceramics bonded body. Details of the manufacturing conditions are as shown in Table 2. The obtained ceramics bonded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
〔비교예 1 내지 4〕 [Comparative Examples 1 to 4]
표 2 및 표 3에 나타내는 조건을 이용하는 것 이외는 상기의 실시예와 마찬가지로 하여 세라믹스 접합체를 얻었다. 얻어진 세라믹스 접합체에 대해서 실시예 1과 마찬가지 평가를 실시했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. A ceramics bonded body was obtained in the same manner as in the above example except that the conditions shown in Table 2 and Table 3 were used. The obtained ceramics bonded body was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
이상의 표에 나타내는 결과로 명백하듯이 각 실시예에서 얻어진 세라믹스 접합체는 접합부위가 피접합재의 강도에 가까운 고접합 강도를 가지는 것이라는 것을 알 수 있다. 각 실시예에서 얻어진 세라믹스 접합체는 이를 고온의 산화성 분위기하에 노출한 후여도 접합 강도를 유지할 수 있는 것이라는 것을 알 수 있다.As is apparent from the results shown in the above table, it can be seen that the ceramics bonded body obtained in each example has a high bonding strength that is close to the strength of the material to be bonded. It can be seen that the ceramics bonded body obtained in each example can maintain the bonding strength even after it is exposed in a high temperature oxidizing atmosphere.
Claims (9)
상기 접합부위는 그 미세구조조직의 이차원 단면(斷面) 관찰에 있어서 질화 규소입자와 산질화 규소 유리의 비율이 97:3~60:40이며,
또한 상기 접합부위에 포함되는 질화 규소입자가 주상(柱狀)인 것을 특징으로 하는 세라믹스 접합체. A ceramic ceramics bonded body formed by bonding silicon nitride ceramics bonded materials to each other through a bonding site including silicon nitride particles and silicon oxynitride glass,
The ratio of the silicon nitride particles to the silicon oxynitride glass is 97: 3 to 60:40 in the cross-sectional view of the microstructure of the bonding site,
And the silicon nitride particles contained in the bonding portion are columnar.
상기 접합부위에서의 상기 주상입자의 애스펙트비(장축/단축)가 2~30인 것을 특징으로 하는 세라믹스 접합체. The method according to claim 1,
Wherein the aspect ratio (major axis / minor axis) of the columnar particles on the joint is 2 to 30.
상기 피접합재의 사이에, 가열 후에 질화 규소입자와 산질화 규소 유리를 포함하는 접합부위의 형성이 가능한 조성을 가지는 혼합 분말을 포함하는 접합재를 개재시키고,
상기 피접합재끼리의 접합부위를 가압한 상태하에 상기 접합부위를 가열하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 접합체의 제조방법. A method of manufacturing a ceramics bonded body in which silicon nitride ceramics bonded materials are bonded to each other through a bonding site including silicon nitride particles and silicon oxynitride glass,
A bonding material containing a mixed powder having a composition capable of forming a bonding site including silicon nitride and silicon oxynitride glass after heating is interposed between the materials to be bonded,
Wherein the bonding portion is heated while the bonding portion between the materials to be bonded is pressurized.
상기 혼합 분말로서 평균 입경 0.4~5.0㎛인 질화 규소입자를 포함하는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 접합체의 제조방법. The method of claim 3,
Wherein the mixed powder contains silicon nitride particles having an average particle diameter of 0.4 to 5.0 占 퐉.
상기 피접합재끼리의 접합면에 직교하는 축 둘레로 상기 피접합재를 회전시키면서 가열하고,
또한 상기 축이 수평면 내에 위치하도록 상기 피접합재를 회전시키는 것을 특징으로 하는 제조방법. The method according to claim 3 or 4,
The bonding material is heated while rotating the bonding material around an axis orthogonal to the bonding surface of the materials to be bonded,
And rotating the member to be bonded such that the shaft is positioned within a horizontal plane.
상기 접합재로서 상기 혼합 분말을 포함하여 형성된 그린 시트를 이용하는 것을 특징으로 하는 제조방법. 6. The method according to any one of claims 3 to 5,
Wherein a green sheet formed using the mixed powder as the bonding material is used.
상기 피접합재가 관상 또는 봉상이며, 상기 피접합재의 단면(端面) 사이에 상기 접합재를 개재시켜서, 상기 피접합재의 축 둘레로 상기 피접합재를 회전시키면서 가열하는 것을 특징으로 하는 제조방법. 7. The method according to any one of claims 3 to 6,
Wherein the material to be bonded is tubular or rod-like, and the bonding material is heated while rotating the material to be bonded around the axis of the material to be bonded, with the bonding material interposed between the end faces of the material to be bonded.
상기 피접합재의 단면이 상기 단면끼리 접촉시켰을 때에 감합하여 상기 피접합재의 축심의 위치가 맞는 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법. 8. The method of claim 7,
Wherein the end faces of the material to be bonded are in contact with each other when the end faces are brought into contact with each other, so that the positions of the central axes of the materials to be bonded are conformed.
상기 피접합재의 축심의 위치 맞춤을 실시하기 위한 인너슬리브를 상기 접합부위에 개재시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.8. The method of claim 7,
And an inner sleeve for positioning the shaft center of the material to be bonded is interposed on the joining portion.
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