JPH01183477A - 固形金属とセラミックスの接合方法 - Google Patents
固形金属とセラミックスの接合方法Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
１０発明の目的
（１）産業上の利用分野
本発明は、金属（合金を含む）とセラミックスが真空蒸
着した密着性の良い金属（合金を含む）薄膜を介して均
一に接触し、且つ濡れ易く改善した拡散接合方法に関す
る。
着した密着性の良い金属（合金を含む）薄膜を介して均
一に接触し、且つ濡れ易く改善した拡散接合方法に関す
る。
（２）従来の技術
従来、金属とセラミックスの接合としては次のような方
法でなされている。
法でなされている。
（ア）ろう材として銀ろうを基調とした酸化物系（非酸
化物系もあり）ろう材を塗布して、両材料を加圧するな
どの拡散接合方法。
化物系もあり）ろう材を塗布して、両材料を加圧するな
どの拡散接合方法。
（イ）機械的な方法として、ボルト、圧入、焼ばめ、溶
接、鋳ぐるみ等の手段を利用したり、化学的な方法とし
て接着剤を使用したりするなどの方法が考えられていた
が１機械的な接合部分で亀裂が発生してり、接合強度が
十分でなかったりするなどの問題を有していた。
接、鋳ぐるみ等の手段を利用したり、化学的な方法とし
て接着剤を使用したりするなどの方法が考えられていた
が１機械的な接合部分で亀裂が発生してり、接合強度が
十分でなかったりするなどの問題を有していた。
（つ）セラミックスが非常に脆いため、金属との精密溶
接に最近レーザー等を使用する研究が進められているが
、加工コストが嵩む等′の問題がある。
接に最近レーザー等を使用する研究が進められているが
、加工コストが嵩む等′の問題がある。
（３）発明が解決しようとする問題点
本発明は上述した従来の問題点に着目してなされたもの
で、高価な銀ろう材等を必要とせず精密部品に対する接
合も容易であり、材料を溶解したり、接着剤を塗布した
りすることなく金属とセラミックスとの接合を行なうこ
とができる方法を提供することを目的とする。
で、高価な銀ろう材等を必要とせず精密部品に対する接
合も容易であり、材料を溶解したり、接着剤を塗布した
りすることなく金属とセラミックスとの接合を行なうこ
とができる方法を提供することを目的とする。
■１発明の構成
（１）問題点を解決するための手段
上記目的を達成するために１本発明は、金属とセラミッ
クスの接合界面が強固であることと熱応力の緩和とは互
いに矛盾する性格が強い因子ではあるが、界面に接合構
造が形成されれば１両者を兼備させることは可能であり
、相互拡散、物理化学の難易、熱膨張の相違、濡れ広が
りの難易を考慮して材料どうしが均一に接触するため、
セラミックス基材表面に金属（合金を含む）の薄膜を蒸
着する。
クスの接合界面が強固であることと熱応力の緩和とは互
いに矛盾する性格が強い因子ではあるが、界面に接合構
造が形成されれば１両者を兼備させることは可能であり
、相互拡散、物理化学の難易、熱膨張の相違、濡れ広が
りの難易を考慮して材料どうしが均一に接触するため、
セラミックス基材表面に金属（合金を含む）の薄膜を蒸
着する。
この場合、蒸着膜自体を学術上は接合と呼ぶが固着薄膜
は、接合しようとする金属（合金を含む）とセラミック
ス基材の接触角（濡れ性）を改善する役目がある。さら
に、接合金属（アルミニウム。
は、接合しようとする金属（合金を含む）とセラミック
ス基材の接触角（濡れ性）を改善する役目がある。さら
に、接合金属（アルミニウム。
ステンレス等）を重ねて、両材料を当接し、真空度が１
０−５ｔｏｒｒ以下の状態で、接合金属の融点以上で拡
散接合されることを特徴とする。
０−５ｔｏｒｒ以下の状態で、接合金属の融点以上で拡
散接合されることを特徴とする。
（２）作用
イオンプレーティングに際しては、セラミ・ノクス基材
を前処理として鏡面仕上研磨し、アセトンで超音波洗浄
する。１００ｍＡ、０．８ｋｖ、４ＸＩＯ−２ｔｏｒｒ
でのアルゴン雰囲気でスパッタクリーニング（物理洗浄
）をする、蒸着材料としては、別添第２図、第３図より
金属−セラミックス接合体の応力分布は、接合界面近く
のセラミツ磨基材の金属蒸着に与える基板加熱の影響は
蒸着粒子形状および表面組織に変化がみられるので適宜
選択する必要がある。
を前処理として鏡面仕上研磨し、アセトンで超音波洗浄
する。１００ｍＡ、０．８ｋｖ、４ＸＩＯ−２ｔｏｒｒ
でのアルゴン雰囲気でスパッタクリーニング（物理洗浄
）をする、蒸着材料としては、別添第２図、第３図より
金属−セラミックス接合体の応力分布は、接合界面近く
のセラミツ磨基材の金属蒸着に与える基板加熱の影響は
蒸着粒子形状および表面組織に変化がみられるので適宜
選択する必要がある。
電子ビーム蒸発源を用いると高融点材の蒸発が可能であ
るという利点の他に蒸発粒子のイオン化が高まるので電
子ビーム出力に応じ蒸着時間を設定する。よって、イオ
ンを作用させながら基板上に金属蒸発物質を堆積させ密
着性の良い皮膜を形成する。接合しようとする金属を蒸
着薄膜上に重ね両材料を当接し、１０ ５ｔｏｒｒ、接
合金属材の融点以上に加熱することにより金属蒸着膜が
、ろう材（接着材）の役目をなすと同時に両材料の接触
面積を均一に拡大し、濡れ性を大巾に改善する。
るという利点の他に蒸発粒子のイオン化が高まるので電
子ビーム出力に応じ蒸着時間を設定する。よって、イオ
ンを作用させながら基板上に金属蒸発物質を堆積させ密
着性の良い皮膜を形成する。接合しようとする金属を蒸
着薄膜上に重ね両材料を当接し、１０ ５ｔｏｒｒ、接
合金属材の融点以上に加熱することにより金属蒸着膜が
、ろう材（接着材）の役目をなすと同時に両材料の接触
面積を均一に拡大し、濡れ性を大巾に改善する。
（詳細は以下の作用による）
つまり、セラミックスと金属表面の凸の部分が接触する
と蒸着膜が接触面積を増加し、この状態で温度が上昇し
、当接による接触圧力も増すことにより金属側の表面が
降伏やクリープにより塑性変形し、接触面積が倍加する
。（第１段階）次に塑性変形よりも蒸着膜による表面拡
散が主になり薄膜金属と接合金属、セラミックスとＷｌ
ｌ金金属反応により空洞の消滅と接触面積の拡大が進む
、（第２段階） 最後に体積拡散が主になるが１反応層（蒸着膜）を用い
ている事により界面の移動、空洞の消滅の進度が従来の
同相拡散接合法（別添第４図）より速く接合が完了する
。又、局部加熱でないので接合温度からの冷却が緩和さ
れ、セラミックスの応力集中をも緩和され割れを生じ難
い。
と蒸着膜が接触面積を増加し、この状態で温度が上昇し
、当接による接触圧力も増すことにより金属側の表面が
降伏やクリープにより塑性変形し、接触面積が倍加する
。（第１段階）次に塑性変形よりも蒸着膜による表面拡
散が主になり薄膜金属と接合金属、セラミックスとＷｌ
ｌ金金属反応により空洞の消滅と接触面積の拡大が進む
、（第２段階） 最後に体積拡散が主になるが１反応層（蒸着膜）を用い
ている事により界面の移動、空洞の消滅の進度が従来の
同相拡散接合法（別添第４図）より速く接合が完了する
。又、局部加熱でないので接合温度からの冷却が緩和さ
れ、セラミックスの応力集中をも緩和され割れを生じ難
い。
（３）実施例
本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
幅５■、厚さ３ｍ、長さ２５ｍの接合材を第１図に示す
ように突き合せる。セラミックス■には膜厚２ミクロン
の金属をイオンプレーティングにより蒸着しており接合
金属■との当接には当接片■を使用する。しかるのち、
真空炉■にて１Ｏ−ｓｔｏｒｒ、接合金属の溶融点以上
に加熱設定して実験した。また曲げ強度は３点曲げ試験
を行って測定した。その結果を表−１に記した。なお、
セラミックス−金属蒸着膜−接合金属との接触角（濡れ
性）の測定結果は第５図、第６図、第７図。
ように突き合せる。セラミックス■には膜厚２ミクロン
の金属をイオンプレーティングにより蒸着しており接合
金属■との当接には当接片■を使用する。しかるのち、
真空炉■にて１Ｏ−ｓｔｏｒｒ、接合金属の溶融点以上
に加熱設定して実験した。また曲げ強度は３点曲げ試験
を行って測定した。その結果を表−１に記した。なお、
セラミックス−金属蒸着膜−接合金属との接触角（濡れ
性）の測定結果は第５図、第６図、第７図。
第８図に示す、第５図はチタンを蒸着したアルミナ基板
上のアルミニウムの接触角、第６図はアルミニウムを蒸
着したアルミナ基板上のアルミニウムの接触角、第７図
はニッケルを蒸着したアルミナ基板上のステンレス（Ｊ
ＩＳ規格ＳＵＳ ３１０相当品）の接触角及び第８図は
ニッケルを蒸着したジルコニア基板上のステンレス（Ｊ
Ｉ ＳＭ格５ＵＳ３１０相当品）の接触角の実験であ
り、両材料を無拘束の状態で重ね合せた条件での測定結
果を示す。
上のアルミニウムの接触角、第６図はアルミニウムを蒸
着したアルミナ基板上のアルミニウムの接触角、第７図
はニッケルを蒸着したアルミナ基板上のステンレス（Ｊ
ＩＳ規格ＳＵＳ ３１０相当品）の接触角及び第８図は
ニッケルを蒸着したジルコニア基板上のステンレス（Ｊ
Ｉ ＳＭ格５ＵＳ３１０相当品）の接触角の実験であ
り、両材料を無拘束の状態で重ね合せた条件での測定結
果を示す。
なお、第５図、第６図の測定試験片の作成条件を表−２
１表−３に示し、第７図、第８図の測定試験片の作成条
件を表−４、表−５に示す、。
１表−３に示し、第７図、第８図の測定試験片の作成条
件を表−４、表−５に示す、。
表−１に関係する実験としてチタン及びアルミニウムを
蒸着したアルミナ基板上のアルミニウムの接触角を測定
した結果を別添第５図、第６図に示すが、その試料作成
条件を表−２、表−３に示す。
蒸着したアルミナ基板上のアルミニウムの接触角を測定
した結果を別添第５図、第６図に示すが、その試料作成
条件を表−２、表−３に示す。
表−２
第５図よりチタンを蒸着したアルミナ基板上のアルミニ
ウムの接触角は９００℃〜９５０℃にて特に小さくなる
。第６図よりアルミニウムを蒸着したアルミナ基板上の
アルミニウムの接触角は、７００℃〜９３０℃にて小さ
く、濡れ性は良い。
ウムの接触角は９００℃〜９５０℃にて特に小さくなる
。第６図よりアルミニウムを蒸着したアルミナ基板上の
アルミニウムの接触角は、７００℃〜９３０℃にて小さ
く、濡れ性は良い。
表１に従い、ニッケルを蒸着したアルミナ基板及びジル
コニア基板上のステンレス（ＳＵＳ３１０）の接触角測
定結果を別添第７図、第８図に示すが、その試料作成条
件を表−４、表−５に示す。
コニア基板上のステンレス（ＳＵＳ３１０）の接触角測
定結果を別添第７図、第８図に示すが、その試料作成条
件を表−４、表−５に示す。
表−４
以上、第７図よりニッケルを蒸着したアルミナ基板上の
ステンレス（ＳＵＳ３１０）の接触角は１５００℃〜１
５７０℃にて小さく濡れ性は良い。
ステンレス（ＳＵＳ３１０）の接触角は１５００℃〜１
５７０℃にて小さく濡れ性は良い。
第８図よりニッケルを蒸着したジルコニア基板上のステ
ンレス（ＳＵＳ ３１０）の接触角は１４７０℃以上に
て小さく濡れ性は良い。
ンレス（ＳＵＳ ３１０）の接触角は１４７０℃以上に
て小さく濡れ性は良い。
■１発明の詳細
な説明したように、本発明によれば、金属とセラミック
スが真空蒸着した密着性の良い金属薄膜を介して均一に
接触し、従来のろう材等の介装材にみられる加熱昇温時
に見られるダレ及びモレ現象がなく且つ接触面積を拡大
するので濡れ易く改善される。従って高価な銀ろう材等
を必要とせず精密部品に対する接合も容易であり、材料
を溶解したり、接着剤を塗布することもなく作業環境が
改善される。
スが真空蒸着した密着性の良い金属薄膜を介して均一に
接触し、従来のろう材等の介装材にみられる加熱昇温時
に見られるダレ及びモレ現象がなく且つ接触面積を拡大
するので濡れ易く改善される。従って高価な銀ろう材等
を必要とせず精密部品に対する接合も容易であり、材料
を溶解したり、接着剤を塗布することもなく作業環境が
改善される。
又１局部加熱でないので接合温度からの冷却が緩和され
、セラミックスの応力集中をも緩和され割れを生じ難く
、加工コストが比較的安価ある等のすぐれた効果を有す
る。
、セラミックスの応力集中をも緩和され割れを生じ難く
、加工コストが比較的安価ある等のすぐれた効果を有す
る。
第１図はセラミックスに金属蒸着膜を作成した片に金属
を突き合せて当接し真空炉に設定した状況図。 第２図、第３図、第４図は本発明に係る接合理由（理論
）に関するものである。 第２図は代表的なセラミックスと金属の熱膨張係数比較
図。 第３図はセラミックス−金属接合体を接合温度より冷却
した時に発生する最大引張応力の発生位置と方向図（破
線は破壊の生じる面を示すが■は接合金属、■はセラミ
ックス材） 第４図は同相拡散接合の３段階過程を示す図（■は接合
金属、■はセラミックス材、■は接触面の空洞図、） 第５図はチタンを蒸着したアルミナ基板上のアルミニウ
ムの接触角を測定した結果を示す図。 第６図はアルミニウムを蒸着したアルミナ基板上のアル
ミニウムの接触角を測定した結果を示す図。 第７図はニッケルを蒸着したアルミナ基板上のステンレ
ス（ＳＵＳ３１０相当品）の接触角を測定した結果を示
す図。 第８図はニッケルを蒸着したジルコニア基板上のステン
レス（ＳＵＳ３１０相当品）の接触角を測定した結果を
示す図。 表−２及び表−３は上記の第４図、第６図に示す接触角
測定用試験片の材質と作成条件を示す表。 表−４及び表−５は上記の第７図、第８図に示す接触角
測定用試験片の材質と作成条件を示す表。
を突き合せて当接し真空炉に設定した状況図。 第２図、第３図、第４図は本発明に係る接合理由（理論
）に関するものである。 第２図は代表的なセラミックスと金属の熱膨張係数比較
図。 第３図はセラミックス−金属接合体を接合温度より冷却
した時に発生する最大引張応力の発生位置と方向図（破
線は破壊の生じる面を示すが■は接合金属、■はセラミ
ックス材） 第４図は同相拡散接合の３段階過程を示す図（■は接合
金属、■はセラミックス材、■は接触面の空洞図、） 第５図はチタンを蒸着したアルミナ基板上のアルミニウ
ムの接触角を測定した結果を示す図。 第６図はアルミニウムを蒸着したアルミナ基板上のアル
ミニウムの接触角を測定した結果を示す図。 第７図はニッケルを蒸着したアルミナ基板上のステンレ
ス（ＳＵＳ３１０相当品）の接触角を測定した結果を示
す図。 第８図はニッケルを蒸着したジルコニア基板上のステン
レス（ＳＵＳ３１０相当品）の接触角を測定した結果を
示す図。 表−２及び表−３は上記の第４図、第６図に示す接触角
測定用試験片の材質と作成条件を示す表。 表−４及び表−５は上記の第７図、第８図に示す接触角
測定用試験片の材質と作成条件を示す表。
Claims (1)
- ＡＩ＿２Ｏ＿３等の焼結体の接合面にイオンプレーティ
ングにてアルミニウム、チタン、ニッケル等の金属を真
空蒸着して金属薄膜を作成し、アルミニウム、ステンレ
ス等の接合金属を重ねて両材料を当接し、１０＾−＾５
ｔｏｒｒ以下の真空下で接合金属の融点以上に加熱し拡
散接合して金属とセラミックスを接合する事を特徴とす
る金属とセラミックスの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63006248A JPH0686340B2 (ja) | 1988-01-16 | 1988-01-16 | 固形金属とセラミックスの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63006248A JPH0686340B2 (ja) | 1988-01-16 | 1988-01-16 | 固形金属とセラミックスの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01183477A true JPH01183477A (ja) | 1989-07-21 |
| JPH0686340B2 JPH0686340B2 (ja) | 1994-11-02 |
Family
ID=11633190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63006248A Expired - Lifetime JPH0686340B2 (ja) | 1988-01-16 | 1988-01-16 | 固形金属とセラミックスの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0686340B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05117842A (ja) * | 1991-10-25 | 1993-05-14 | Ulvac Japan Ltd | 金属とセラミツクスの接合法 |
| US6616032B1 (en) | 1998-12-23 | 2003-09-09 | Commissariat A L'energie Atomique | Brazing composition and method for brazing parts made of alumina-based materials with said composition |
| EP1404517B1 (en) * | 2001-06-18 | 2017-11-15 | Alfred E. Mann Foundation for Scientific Research | Application and manufacturing method for a zirconia ceramic to titanium alloy metal seal |
| US10103410B2 (en) | 2014-05-23 | 2018-10-16 | General Electric Company | Method for joining ceramic to metal, and sealing structure thereof |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5918184A (ja) * | 1982-07-19 | 1984-01-30 | 住友電気工業株式会社 | セラミツクスのメタライズ方法 |
| JPS59227783A (ja) * | 1983-06-07 | 1984-12-21 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツクスとアルミニウム合金との接合体 |
| JPS61168577A (ja) * | 1985-01-21 | 1986-07-30 | 住友電気工業株式会社 | セラミツクス複合部材 |
-
1988
- 1988-01-16 JP JP63006248A patent/JPH0686340B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5918184A (ja) * | 1982-07-19 | 1984-01-30 | 住友電気工業株式会社 | セラミツクスのメタライズ方法 |
| JPS59227783A (ja) * | 1983-06-07 | 1984-12-21 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツクスとアルミニウム合金との接合体 |
| JPS61168577A (ja) * | 1985-01-21 | 1986-07-30 | 住友電気工業株式会社 | セラミツクス複合部材 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05117842A (ja) * | 1991-10-25 | 1993-05-14 | Ulvac Japan Ltd | 金属とセラミツクスの接合法 |
| US6616032B1 (en) | 1998-12-23 | 2003-09-09 | Commissariat A L'energie Atomique | Brazing composition and method for brazing parts made of alumina-based materials with said composition |
| EP1404517B1 (en) * | 2001-06-18 | 2017-11-15 | Alfred E. Mann Foundation for Scientific Research | Application and manufacturing method for a zirconia ceramic to titanium alloy metal seal |
| US10103410B2 (en) | 2014-05-23 | 2018-10-16 | General Electric Company | Method for joining ceramic to metal, and sealing structure thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0686340B2 (ja) | 1994-11-02 |
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