JPH01153576A - セラミック材料と金属材料との接合方法 - Google Patents

セラミック材料と金属材料との接合方法

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JPH01153576A
JPH01153576A JP63268357A JP26835788A JPH01153576A JP H01153576 A JPH01153576 A JP H01153576A JP 63268357 A JP63268357 A JP 63268357A JP 26835788 A JP26835788 A JP 26835788A JP H01153576 A JPH01153576 A JP H01153576A
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ceramic
bonding
coating
insulating ring
metal
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Guenther Steinleitner
ギュンター・シュタインライトナー
Philipp Roze
フィリップ・ロゼ
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
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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】 この発明は、特許請求の範囲における請求項1の前提部
分に規定されたようなセラミック材料と金属材料との接
合方法に関する。
金属及びセラミック材料、及びこれらの材料からつくら
れた部材は、工学において広い適用分野を有している。
しかしながら、これらの材料は互いに別々に使用される
ばかりではない。それどころか、両方の材料又は両方の
材料を含んだ部材を不変的に互いに接合する必要性が頻
繁に生じる。
この例として、セラミックの固体電解質を有する畜電池
がある。金属部材に対する固体電解質の絶縁を達成する
ために、固体電解質は畜電池をシールするために次に金
属部材に接合されるべきセラミックの絶縁リングに接合
される。
このような電気化学的畜電池は、ドイツ公開公報3,0
33,438により知られている。この場合に、固体電
解質の絶縁リング(これはα−酸化アルミニウムでつく
られる)は、熱圧縮によりアルミニウムリングを介して
畜電池の金属封止素子に接合される。この場合に、金属
部材又は金属合金部材が金又は白金でつくられていなけ
れば、酸素に曝された際にその上に酸化物層が形成され
、それは酸素量が少なくても十分であるという不都合が
生じる。このような酸化物層の形成は・特にアルミニウ
ム及び鉛のような特にセラミックの構造部材の接合のた
めに用いられる軟質金属、の場合に著しい。この酸化物
層は、セラミック構造部材及び金属構造部材、又は他の
材料でつくられた構造部材を塗布した対応する層を接合
する間に、加圧及び加熱下で引き離されるが、それにも
かかわらず酸化物層がセラミック材料と金属材料との間
の界面にそのまま残存する。その結果、酸化物層がその
まま残存した領域において、金属材料とセラミック材料
との間で反応が生じないので、互いに接合されるべき表
面の間の密着接合が阻害される。このような接合は、そ
れに課された強度、不浸透性及び耐食性に関する要求を
完全に満たすことができない。
この発明は、それゆえに、セラミック材料及び金属材料
、又はこれら材料の部材が、上記全ての要求を満たす状
態で接合されることができる方法を開示するという目的
に基いている。
この目的は、この発明において、特許請求の範囲の請求
項1の特徴によって達成される。
電気化学的畜電池の製造におけるこの方法の使用は、特
許請求の範囲の請求項7に開示されている。
規定された厚み、及びセラミック材料の熱膨張係数と僅
かに異なる熱膨張係数を有するガラスのコーティングが
塗布される結果、セラミック材料と金属材料との間、又
はこれら材料でつくられた部材の間において、従来の接
合と比較される5乃至10のファクターによって改良さ
れた接合を得ることができる。この接合は、特に、金属
の表面又は金属合金の表面に形成される金属酸化物が加
圧及び加熱下で部材を接合するガラス中に溶解されるこ
とによって達成される。従来セラミック表面と金属表面
との完全な接合を妨げていた介在した酸化物層がこの結
果除去される。この発明に係る方法は、望ましい機械的
強度、ガスに対する望ましい不浸透性、及び必要な化学
的耐性を有する□接合を形成するために用いることがで
きる〇この発明によれば、この発明を、ナトリウム/イ
オウ畜電池内の反応体のスペースが分離するように配設
された固体電解質の絶縁リングを畜電池の不変的な封止
がその全有効寿命に互って保証されるような状態で金属
封止素子に対し接合することに用いることが可能である
。
使用されるガラスコーティングは、0.1乃至100μ
m1好ましくは1乃至10μmの厚みを存している。こ
のガラスの転移温度は、金属部材とセラミック部材とが
接合される際の温度よりも低くなければならない。この
ガラスは、最終のコーティングがセラミック部材の熱膨
張係数と最大で±20%、好ましくは最大で±10%異
なる熱膨張係数を宜するように選択される。ガラスコー
ティングは、ゾル溶液からセラミック表面に塗布される
ことが好ましい。これは、例えば浸漬又は噴霧によって
行なうことができる。コーティングを形成するために、
5乃至20重量%の酸化ナトリウム、30乃至60重量
%の酸化ホウ素、及び20乃至60重量%の酸化珪素を
含むガラスを使用することが好ましい。好ましいガラス
の組成は、塗布されたガラスの1 cm”当りの重量に
基いて、12重量%の酸化ナトリウム、48重量%の酸
化ホウ素、及び40重量%の酸化珪素を含んでいる。
ゾル溶液を形成するために、ナトリウム、ホウ素、及び
珪素を含有する有機配合物が水又はアルコール、例えば
プロパツールに溶解される。溶剤は熱処理により除去さ
れ、望ましいガラス配合物が大気中の酸素に曝されるこ
とにより確立される。セラミック表面と金属表面とは、
加熱及び加圧処理の間に接合される。この目的のために
、金属又は金属合金の融点を絶対温度にでTmと表わし
た場合に、少なくとも0.8Tn+の温度が選択される
。
圧力は少なくとも10 M P aでなければならない
。
前記温度及び圧力は、数秒乃至数分維持されなければな
らない。
この発明に重要な更なる特徴は、サブクレームに記述さ
れている。
第1図に示された構造部材1は、互いに接合された二つ
の部材2,3により形成されている@部材2はセラミッ
クでつくられており、部材3は金属又は金属合金でつ(
られている。ここに示す実施例においては、部材3はア
ルミニウムでつくられている。この発明に従って2つの
部材2,3を接合することができるようにするために、
部材3の表面3Fに不変的に接合されるべき部材2の表
面2Fにガラスコーティング4が塗布される。ガラスは
、必須の成分として12重量%の酸化ナトリウム、48
重量%の酸化ホウ素、及び40重量%の酸化珪素を含ん
でいる。部材2のコーティングは、最初にゾル溶液によ
って形成される。この目的のために、ナトリウム、ホウ
素、及び珪素の有機配合物が水又はアルコール中に溶解
される。
好ましくは、ナトリウムメチラート、ボロンメチラート
、及びシリコンメチラートがゾルを形成するために用い
られる。溶剤としては、好ましくはプロパツールが用い
られる。アルコレートと溶剤との割合は、コーティング
4がその後望ましい組成を有するように選択される。部
材2の接合されるべき表面2Fは、0.1乃至100μ
m5好ましくは1乃至10μmの厚みを有するコーティ
ング4がその後に得られるように、浸漬又は噴霧によっ
てゾルでコートされる。ここに示す実施例においては、
コーティング4は10μmの厚みを有している。部材2
の表面をゾルでコーティングした後、溶剤を蒸発させる
と共にゾルの有機成分を熱分解させるために、部材は5
00乃至1000℃の温度で熱処理される。これと同時
に、形成されるガラスはセラミック材料の表面に焼付け
られる。熱処理の後、望ましいガラスコーティング4が
部材2の表面2F上に残存し、それは望ましい厚み及び
組成を有している。次いで、部材3はコーティング4の
上に載せられる。2つの部材2.3を接合するために、
これらは指定された温度及び圧力に曝される。温度は5
00℃以上、及び圧力は10MPa以上である。この加
圧及び加熱処理は、数秒乃至数分の間維持される。その
問、2つの部材は、互いに接合されるべき表面2F及び
3Fの全体に亘って不変的に接合される。
部材3の表面3Fの上に形成されたいかなる酸化物層も
ガラスコーティング4に溶解され、互いの上部に位置さ
れた表面2F、3Fの完全な接合が可能になる。加圧及
び加熱処理の後、構造部材1ができ上がる。以上アルミ
ニウムとセラミックとの接合を説明したが、この接合は
他の金属合金又は金属とセラミック材料とで実施するこ
ともできる。コーティング4のガラス組成は、常に5乃
至20重量%の酸化ナトリウム、30乃至60重置火の
酸化ホウ素、及び20乃至60重置火の酸化珪素を含ま
なければならない。接合のために、温度は少なくとも0
.8・T+nてなければならない。
ここで、Tmは絶対温度にで表わした金属の接合表面3
Fの巖点である。接合の間の圧力は少なくともlQMP
aでなければならず、この圧力は上記温度の下で数秒乃
至数分の間維持されなければならない。
この発明に係る方法の特有の適用は、第2図に示される
電気化学的畜電池11を参照して説明される。蓄電池1
1は、その外側がビーカー形状の筺体12で囲まれてい
る。この筺体12の中には、これもまたビーカー形状の
固体電解質13が設けられている。固体電解質13の大
きさは、連続間隙14がその外側表面と筺体12の内側
表面との間に存在し、かつこれがカソード空間として振
舞うように選択される。固体電解質13の内側は、アノ
ード空間15として用いられる。ナトリウムを収容する
カートリッジ16が固体電解質13の中に挿入されてい
る。ナトリウムは、カートリッジ16の底に設けられた
開口部(図示せず)から、カートリッジ16と固体電解
質13の内側表面との間の隙間17に流れる。固体電解
質13の上部間口端上には、外側に向けてフランジとし
ての絶縁リング18が焼付けられる(glazed)。
蓄電池11のここで示す実施例においては、絶縁リング
18はα−酸化アルミニウムでつくられている。
絶縁リング18の上側及び下側には各々ガラスコーティ
ング19が塗布される。ガラスは、12重量%の酸化ナ
トリウム、48重量%の酸化ホウ素、及び40重量%の
酸化珪素の組成を有している。
コーティング19は絶縁リング18に塗布されると共に
、第1図に示した構造部材1のだめのものと同様に形成
される。絶縁リング18の固体電解質への焼付け(gl
azing )の後、筺体12は不変的に絶縁リング1
8に接合される。
ここで示す実施例において、ハウジング12はアルミニ
ウムでつくられており、その上端に内側に向かうフラン
ジ12Fを有している。その上に固体電解質13の絶縁
リング18が載せられている。固体電解質13内に設け
られたカートリッジ16は、外側に向かうフランジ16
Fを有している。このフランジ16Fの長さは、固体電
解質13の上方に向かう縁部を超えて外側に突出するよ
うな長さであり、絶縁リング18の内側と外側との中間
部近傍まで連続している。カートリッジ16のフランジ
16Fは、導電性が良好で、更にナトリウムの腐蝕作用
に対して耐性がある金属でつくられている。隙間17は
その外側がフランジ16によって気密的な状態で密封さ
れているので、特にこのことが必要である。
筺体12のフランジ12F及びフランジ16Fは、熱圧
縮によって、固体電解質の絶縁リング18に不変的に接
合されている。絶縁リング18の上側及び下側にコーテ
ィング1つを形成した結果、フランジ12F及び16F
の上側及び下側に形成された金属酸化物が、絶縁リング
18の接合の間にコーティング19に溶解される。その
結果、絶縁リング18とフランジ12F及び16Fとの
不変的な接合が達成される。
【図面の簡単な説明】
第1図はセラミック部材と金属部材とを接合して形成さ
れる構造部材を示す図、第2図は電気化学的畜電池を示
す図である。 1;構造部材、2;セラミック部材、3;金属部材、4
;ガラスコーティング、11;蓄電池、12;筺体、1
3;固体電解質、14;カソード空間、15;アノード
空間、18;絶縁リング、19;ガラスコーティング。 4     z    1

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)セラミックの接合表面の少なくともある領域が、
    金属の接合表面と接合される前にガラスコーティングで
    被覆され、続いて前記2つの接合表面の接合が加圧及び
    加熱処理の間に実施されることを特徴とするセラミック
    材料と金属材料との接合方法。
  2. (2)その熱膨張係数がセラミックの接合表面の熱膨張
    係数と最大で±20%、好ましくは最大で±10%異な
    るガラスコーティングが、セラミックの接合表面に塗布
    されることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
  3. (3)接合の間に適用される温度よりも転移温度が低い
    ガラスコーティングが、セラミックの接合表面に塗布さ
    れることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合方法
    。
  4. (4)0.1乃至100μm、好ましくは1乃至10μ
    mの厚みを有するガラスコーティングが、セラミックの
    接合表面に塗布されることを特徴とする請求項1乃至3
    いずれか1項に記載の接合方法。
  5. (5)5乃至10重量%の酸化ナトリウムと、30乃至
    60重量%の酸化ホウ素と、20乃至60重量%の酸化
    珪素とを含有するガラスコーティングが、接合前にセラ
    ミックの接合表面に塗布されることを特徴とする請求項
    1乃至4いずれか1項に記載の接合方法。
  6. (6)セラミックの接合表面の金属の接合表面への接合
    は、温度が少なくとも0.8・Tm(Tmは絶対温度で
    示した金属の接合表面の融点である)、圧力が少なくと
    も10MPaであり、前記温度及び圧力は少なくとも数
    秒乃至数分間維持されることを特徴とする請求項1乃至
    5いずれか1項に記載の接合方法。
  7. (7)ナトリウムとイオウとを基材とした電気化学的畜
    電池であって、ビーカー形状の固体電解質により互いに
    隔てられているアノードスペース及びカソードスペース
    を有し、外側が筺体で囲まれており、前記固体電解質は
    、その上部間口端に、外側に向かうと共に封止素子に不
    変的に接合される絶縁リングを有し、ナトリウムとイオ
    ウとを基材とした電気化学的畜電池において、前記絶縁
    リングは、α−酸化アルミニウムでつくられると共に、
    封止素子に接合される前にその接合表面の少なくとも1
    方の上にガラスコーティングを供給され、前記封止素子
    はコーティングの直上で絶縁リングに接合されることを
    特徴とする電気化学的畜電池。
  8. (8)前記コーティングは、水又はアルコールに溶解さ
    れる有機のナトリウム、ホウ素及び珪素組成物を含むゾ
    ル溶液から得られ、このゾル溶液は、絶縁リングにおけ
    るセラミックの接合表面に浸漬又はスプレィにより塗布
    され、コーティングを形成するために前記溶液を500
    乃至1000℃の温度で蒸発させ、前記コーティングを
    絶縁リングに接合させることを特徴とする請求項1乃至
    7いずれか1項に記載の接合方法。
JP63268357A 1987-10-30 1988-10-26 セラミック材料と金属材料との接合方法 Pending JPH01153576A (ja)

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EP (1) EP0314030A1 (ja)
JP (1) JPH01153576A (ja)
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