JPH01179770A - 金属とセラミックスとの接合方法 - Google Patents

金属とセラミックスとの接合方法

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JPH01179770A
JPH01179770A JP313788A JP313788A JPH01179770A JP H01179770 A JPH01179770 A JP H01179770A JP 313788 A JP313788 A JP 313788A JP 313788 A JP313788 A JP 313788A JP H01179770 A JPH01179770 A JP H01179770A
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ceramic
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Kazunori Sasaki
笹木 一憲
Takeshi Miura
毅 三浦
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HIROSHIMA DENKI GAKUEN
Japan Steel Works Ltd
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HIROSHIMA DENKI GAKUEN
Japan Steel Works Ltd
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/021Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]

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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】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、金属とセラミックスとの接合方法に関するも
のである。
(ロ)従来の技霜 セラミックスを金属に接合する従来の方法として特開昭
59−174582号公報に示されるものがある。これ
に示される接合方法は、金属とセラミックスとを重ね、
その間に金属の酸化層をおいて、真空又は不活性ガス雰
囲気中で金属の融点以下の温度に保持して一定圧力で加
圧することを特徴としている。
(ハ)発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のような従来の金属とセラミックス
との接合方法には、接合強度が十分でないという問題点
がある。すなわち、セラミックスと金属とを接合した後
の冷却過程において、セラミックスと金属との熱膨張係
数差によって大きい熱応力が発生する。このため、接合
部の強度が低下する。また、一定圧力でセラミックスと
金属との接合部を加圧しているたけであるのて、接合部
の拡散が不十分であり、十分な接合強度を得ることかで
きない。本発明は、このような問題点を解決することを
目的としている。
(ニ)問題点を解決するための手段 本発明は、金属とセラミックスとの接合面に変動圧力を
作用させることにより、上記問題点を解決する。すなわ
ち、本発明による金属とセラミックスとの接合方法は、
金属とセラミックスとを重ね合わせたものを金属の融点
よりも低く再結晶温度よりも高い温度に加熱すると共に
金属とセラミックスとの接触面にこれと直交する方向の
変動圧力を作用させ、次いで冷却3−る際に金属の再結
晶温度以下まで温度が低下するまでは変動圧力の作用を
保持させる。
(ホ)作用 金属とセラミックスとを重ね合わせ、金属の融点以下の
温度に加熱し、接合面に直交する向きの変動圧力を作用
させることにより、接合部の拡散作用を促進することが
できる。これは変動圧力によって転位や原子空孔なとの
格子欠陥か増殖され拡散しやすくなるからである。この
ように拡散作用が促進されることによって、接合面の接
合力が増大する。次いで、変動圧力を加えた状態で冷却
することにより、金属とセラミックスとの熱膨張係数差
によって生ずる熱応力を軽減することがてきる。これは
、繰り返し作用する変動圧力によって、疲労に基つく局
所的な塑性変形か発生する力)らである。このようにし
て残留熱応力を低下することがてきるので、接合強度か
増大する。
(へ)実施例 第1図に金属とセラミックスとを接合するための装置を
示す。支柱10に連結されたクロスヘツド12にロード
セル14を介して上アンヒル16か連結されている。上
アンヒル16と同軸に1アンビル18が設けられている
。下アンビル18はこれの下側に配置されたアクチュエ
ータピストン20から加圧力を受けるように構成されて
しAる。
アクチュエータピストン20は図示してなし)油圧源の
油圧により変動荷重を発生する。上アンビル16と下ア
ンビル18との対面する端部間に、後述の互いに接合さ
れるべき金属22及びセラミックス24かはさみ込まれ
る。」下アンヒル16及び下アンヒル18の外周を包囲
するようにシリコンカラス管26が設置されている。シ
リコンカラス管26の上端側が部材28の穴内に挿入さ
れ、またシリコンガラス管26の下端側が部材30の穴
内に挿入される。なお、シリコンガラス管26と、部材
28及び部材30との挿入部はそれぞれシール部材32
及び34によって密封される。部材30は固定されてい
る台36に取付けられている。シリコンガラス管26の
内部には部材28に設けられた送気管38から所定のガ
スを供給可能であり、また部材30に設けられた排気管
40から排気可能である。また、シリコンガラス管26
の内部の金属22及びセラミックス24に隣接する位置
に熱電対42が配置されている。シリコンガラス管26
の外周にこれを包囲するように赤外線イメージ加熱炉4
4が設けられている。赤外線イメージ加熱炉44は台3
6に固定された台46上に支持されている。赤外線イメ
ージ加熱炉44は冷却水管47から供給される冷却水に
よって冷却することも可能である。下アンビル18の下
端側のフランジ状部と部材30との間には、ベローズ4
8か設けられており、これによりシリコンカラス管26
内部の気密状態を保持すると共に部材30と下アンヒル
18との相対移動を可能としている。なお、上アンビル
16は冷却水管50から冷却水を流すことにより冷却可
能としてあり、また同様に下アンビル18も冷却水管5
2から冷却水を流すことにより冷却可能としである。
次にこの第1図に示す装置を用いて金属22とセラミッ
クス24とを接合した具体例につしAで説明する。金属
22としては純度99.98%の無酸素銅を使用し、ま
たセラミックス24としては純度95.4%のアルミナ
を用いた。金属22及びセラミックス240寸法は共に
直径が10mm及び長さが10mmのものである。シリ
コンカラス管26の内部のふん囲気はアルゴンガス、空
気及び真空の3つの条件を設定した。上記のような条件
で第2図に示すようなパターンに従って赤外線イメージ
加熱炉44によって室温TAから加熱を開始し、温度が
TBを越えた後、アクチュエータピストン20によって
金属22とセラミックス24との接合面に変動圧力を作
用させる。なお、変動圧力を作用させるまでは一定圧力
POを作用させておく。また、上記温度TBは金属22
の再結晶温度T。よりも低い温度である。変動圧力とし
てはP。の基準値に対して±P1の変動値を加算する。
ずなわち、Po±P1の変動圧力が作用することになる
。変動圧力の振動数は10〜100Hzである(振動数
を変えた場合の試験結果については後述する)。この状
態て金属22及びセラミックス24の温度を所定値Tc
まで上昇させ所定時間t。の間保持する。なお、温度T
cは金属22の融点よりも低く再結晶温度よりも高い温
度である。所定時間t。経過後、冷却を開始し、金属2
2の再結晶温度T。以下まて温度が低下した時点で変動
圧力の付加を停止にさせる。これにより金属22とセラ
ミックス24とが接合される。なお、図中t1は変動圧
力を作用させた全時間を示す。また、温度TBとなった
時点から変動圧力を作用させるようにしたが、変動圧力
の作用開始はこれより早くてもよく(例えば最初から)
、また遅くてもよい(例えば加熱温度Tcに達してから
)。
上述のようにして金属22とセラミックス24とを接合
する試験を、加熱温度Tc、変動圧力po +p、、変
動圧力の振動数、加熱温度Tcの保持時間t。、及びふ
ん囲気を変えて行い、接合部の強度の比較を行った。
加熱温度及び振動数の影響 加熱温度Tc及び振動数を変えた場合の結果を第3図に
示す。図中の横軸は変動圧力の振動数を取ってあり、ま
た縦軸はアルミナ曲げ強度σ6に対する接合体の曲げ強
度σ、の比を取っである。
なお、作用させた変動圧力は15±2.5MPa(メカ
パスカル)であり、加熱温度Tcの保持時間t。は15
分である。曲げ強度は、接合体の両端を支持しくスパン
15mm)、中央部の接合部に荷重を作用させる3点曲
げ試験により求めた。
この第3図に示す結果から、例えば、振動数25Hzに
おける曲げ強度は振動数0、すなわち一定荷重を作用さ
せた場合と比較して大幅に向上していることがわかる。
例えば、600℃では一定荷重の場合曲げ強度比σt/
σ。が約0.03であったものが、変動圧力を作用させ
ると0.15となり、約5倍となっている。同様に70
0℃では0.11が0.16となり、また800℃では
0.19が0.25に向上している。また、第3図から
れかるように変動荷重の振動数としては、15〜35H
zが最も好ましい。たたし、10〜100Hzであって
も接合強度を向上することができる。また、加熱温度の
影響については、加熱温度の上昇に伴なって接合強度が
向上していることがわかる。ただし、加熱温度の上昇に
供なう強度の増大は約800℃付近で飽和する。このこ
とは加熱温度を変えて引張強度の試験を行った結果を示
す第4図からも理解される。
加熱温度の保持時間及びふん囲気の影響加熱温度Tcの
保持時間t。を変えて引張強度試験を行フた結果を第5
図に示す。この第5図かられかるように、加熱温度Tc
の保持時間t。は15分前後が好ましく、長くなりすぎ
ると接合強度が次第に低下していく。また、第5図に示
す試験では、シリコンガラス管26内のふん囲気を空気
、アルゴンガス及び真空の3つの場合に変えて行ってみ
た。アルゴンカスの場合が強度が多少高い傾向にあるか
、それほど大きい差は生じない。
変動圧力の影響 変動圧力の基準値P。の大きさを変えた場合の試験結果
を第6図に示す。この試験はP、 −2゜5MPaを一
定とし、Poを変えて曲げ強度を比較したものである。
これから変動圧力の基準値Poか大きいほど接合強度が
犬きくなる傾向にあることがわかる。
(ト)発明の詳細 な説明してきたように、本発明によると、金属及びセラ
ミックスを加熱すると供に両者間に変動圧力を作用させ
るようにしたので、金属がセラミックス中へ効果的に拡
散され、十分な接合強度を得ることができる。また、変
動圧力を作用させつつ冷却することにより、残留熱応力
を軽減することができ、この点からも接合部の強度を向
上することかできる。
4、図面の簡単な説明     □ 第1図は金属とセラミックスとを接合するための装置を
示す図、第2図は変動圧力の作用及び温度の時間変化を
示す図、第3図は温度及び変動圧力の振動数を変えた場
合の曲げ強度の変化を示す図、第4図は接合温度と引張
強度との関係を示す図、第5図は加熱温度の保持時間及
びふん囲気と引張強度との関係を示す図、第6図は変動
圧力の振動数と曲げ強度との関係を示す図である。
22・・・金属、24・・・セラミックス。
特許出願人 株式会社日木製鋼所 学校法人 広島電機学園

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.金属とセラミックスとを重ね合わせたものを金属の
    融点よりも低く再結晶温度よりも高い温度に加熱すると
    共に金属とセラミックスとの接触面にこれと直交する方
    向の変動圧力を作用させ、次いで冷却する際に金属の再
    結晶温度以下まで温度が低下するまでは変動圧力の作用
    を保持させる金属とセラミックスとの接合方法。
  2. 2.変動圧力の振動数が毎秒10〜100回である特許
    請求の範囲第1項記載の金属とセラミックスとの接合方
    法。
JP313788A 1988-01-12 1988-01-12 金属とセラミックスとの接合方法 Granted JPH01179770A (ja)

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