JPH01305871A - 金属・セラミックス接合体 - Google Patents

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） 本発明はセラミック部材と金属部材とをろう材を介して
一体的に接合してなる金属・セラミックス接合体に関す
るものである。

（従来の技術） ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックスは、
機械的強度、耐熱性、耐摩耗性にすぐれているため、ガ
スタービンエンジン部品、エンジン部品等の高温構造材
料あるいは耐摩耗材料として実用化が図られている。し
かし、セラミックスは一般に硬くて脆いため、金属材料
に比較して成形加工性が劣る。また、靭性が乏しいため
、衝撃力に対する抵抗が弱い。このため、セラミック材
料のみでエンジン部品のような機械部品を形成すること
は難しく、一般には金属部材とセラミック部材を接合し
た複合構造体としての形で使用されることが多い。

詑来、セラミック部材の凸部と金属部材の凹部をろう材
により接合した形状において、セラミック部材と金属部
材又はろう材との熱膨張差により接合端部に発生する応
力集中を緩和するために、開口端側に隙間を形成しその
残りの部分をろう材にて接合した構造が実開昭６１−１
６４２３４号公報において、また金属部材の凹部開口部
に設けた外拡がり部にまでろう材を介在させた構造が実
開昭６０−１８０１３７号公報においてそれぞれ知られ
ている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来技術の接合構造とすることである程度接合
端部の応力集中は緩和できるものの、これだけでは不十
分であった。すなわち、セラミック部材の凸部先端表面
と金属部材の凹部底面との間の接合底部に十分な空間を
設けないために、ろう付は接合の際のろうの凝固点から
室温までの降温時に、金属部材とセラミック部材との熱
膨張差による収縮量の違いによりセラミック部材と金属
部材とが当り、セラミック部材の方が熱膨張が小さいた
め金属部材が十分に収縮できなくなりセラミック部材に
無理な引張応力が発生し、特に接合端部に応力集中が増
大するため接合体の曲げやねじりに対する強度が低下す
る欠点があった。

本発明の目的は上述した不具合を解消して、室温ならび
に高温のいずれにおいても接合強度の高く、信頼性の高
い金属・セラミックス接合体を提供しようとするもので
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明の金属・セラミックス接合体は、セラミック部材
に設けた凸部が金属部材に設けた凹部に挿入されて、し
かも前記凸部の外周面と前記凹部の内周面との間にろう
材を介在させて一体的に接合されている構造の金属・セ
ラミックス接合体において、 前記凸部の外周面と凹部の内周面との間に介在させたろ
う材の厚みが該凹部の外拡がり開始部より外側で開口部
に向かって薄（なるようろう材を設けるとともに、前記
凸部先端表面と凹部底面との間に空間またはろうと非接
合性物質からなる低弾性中間体を介在させることを特徴
とするものである。

（作　用） 上述した構成において、金属部材凹部の開口部の外拡が
り開始部より外側までろう材を設けることにより、接合
温度からの冷却に際しろう材の熱収縮による影響が小さ
くなり、セラミック部材中に発生する応力集中は小さく
抑えられるとともに、該凹部の外拡がり開始部より外側
で開口部に向かって徐々に薄くなるようろう材を設ける
ことにより、セラミック部材中に発生するセラミック部
材と金属部材又はろう材の熱膨張差の影響による応力集
中を小さくすることができる。

さらに、セラミック部材の凸部先端と金属部材凹部底面
との間に空間またはろうと非接合性物質からなる低弾性
中間体を介在させているため、凸部先端表面と凹部底面
との接合を阻止できるだけでなく、接合温度からの冷却
に際しセラミック部材と金属部材の収縮量の差により生
ずる前記凸部先端と前記凹部底面の間の相互緩衝を防止
し、接合部に過大な残留応力が発生することを阻止でき
、ラミック部材の凸部先端および接合端部における残留
応力による応力集中が緩和される。そして、上述の効果
が組み合わさることで、得られた金属・セラミックス接
合体の接合部における残留応力による応力集中が大幅に
緩和され、曲げやねじりに対し破壊しにくく、信願性の
高い金属・セラミ・スクス接合体を得ることができる。

上記凸部先端表面と凹部底面との間に設ける空間または
ろうと非接合性物質からなる低弾性中間体の厚さＧは、
以下の関係を満足するとより好ましい。

Ｇ＞（接合端部から金属部材の凹部底面までの距離）×
（金属部材の熱膨張係数−セラミック部材の熱膨張係数
）×（ろうの凝固温度−室温） 該厚さＧは１ｍｍ以下とすることが好ましく、０．７ｍ
ｍ以下とすることがより好ましい。また、該空間または
中間体の厚さＧが１ｍｎ＋より大きくなると、前記凸部
の外周面と凹部の内周面との間のろう材、を介在させて
接合する接合面積が減少し、接合強度が低下するので好
ましくない。

ここで、接合端部とは、上記凹部開口部側に位置するセ
ラミック部材とろう材との接合部の端部を意味している
。

前記凹部の外拡がり開始部より外側で開口部に向かって
薄くなるようにろう材を凹部の内周面上に設けた場合の
ほうが、前記凸部の外周面上にろう材を設けた場合より
もセラミック部材の接合端部の残留応力による応力集中
が小さくなるためより好ましい。

また、上記凸部外周面と金属部材凹部内周面との接触部
のみでろう付けすると、接合端部に発生する残留応力を
緩和でき、さらにろうとセラミック部材ならびに金属部
材が反応し、両部材の間に強固な接合部が形成されるた
めに室温から高温までの接合強度が強くなるばかりでな
く、接合温度からの冷却に際して坑底め効果が付加され
るので、安定して高強度が得られ好ましい。

前記凸部先端表面と凹部底面との間に空間またはろうと
非接合性物質からなる低弾性中間体を設ける方法として
は、ろうと接合性を持たない物質からなる薄い膜をセラ
ミック部材に設けた凸部先端表面へ形成させることや、
該物質からなる中間体または空間を金属部材に設けた凹
部底面とセラミック部材に設けた凸部先端表面との間に
配置すること、およびそれらを組み合わせて行う。

−ろうと接合性を持たない物質の一例としては、黒鉛が
ある。前記凸部先端表面への黒鉛膜の形成は、黒鉛粒子
懸濁液を刷毛またはスプレーによる塗布、あるいは浸漬
などで容易に行うことができる。また、前記中間体とし
ては、例えば黒鉛繊維からなるスライバー、フェルト、
ウェブ、ウェブ焼結体、織布のような低弾性体を単独で
または組み合わせて使用すると好ましい。

さらに、前記中間体を前記凸部先端表面と前記凹部底面
との間に介在させると、接合部位の限定を容易にしかも
確実に行なえるので、接合後にセラミック部材の接合端
部に生じる残留応力の低減と管理が可能となり、接合強
度の増大とばらつきの減少が達成される。

低弾性体からなる中間体の介在は、ろうと前記凹部底面
との接合を阻止する効果だけでな（、接合温度からの冷
却に際しセラミック部材と金属部材との収縮量の差によ
り生じる前記凸部先端と前記凹部底面の相互干渉を防止
し、接合部に過大な残留応力が発生することを阻止する
効果が空間を設ける場合よりもより確実になるとともに
、溶融したろうを凸部外周面と凹部内周面の間の隙間に
効率良く浸透させる効果も有している。

セラミック部材と金属部材との接合部を構成するろうは
、セラミック部材と化学的接合が可能な活性金属元素を
含有するろうであるのが好ましい。

該接合部の形成は活性金属元素を含む合金ろう、活性金
属の箔と通常のろうとの積層体あるいは金属基材の上に
活性金属元素を被覆した構造のろう材の使用で行うこと
ができる。ろう材に対する活性金属の添加量の調整、取
り扱いの容易さあるいは製造の容易さを考慮すると、金
属基材の上に活性金属元素を被覆した構造のろう材の使
用が好ましく、金属基材の上に活性金属元素を蒸着した
構造のろう材の使用がより好ましい。このような活性金
属元素としては、被接合セラミック部材が少なくとも窒
化および／または炭化物を含むセラミックスの場合には
、Ｚｒ＋　Ｔｉ＋　Ｔａ、　Ｈｆ＋　Ｌ　Ｃｒ、　Ｌａ
＋Ｓｃ、　ＹおよびＭｏからなる群から選ばれた少なく
とも一種の金属元素が好ましく、被接合セラミック部材
が酸化物セラミックスの場合には、Ｂｅ、　Ｚｒおよび
Ｔｉからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素
が好ましい。

上記活性金属ろうは、セラミックスとの濡れ性が良いの
で、セラミック部材に対してメタライズ処理のような特
別な前処理をする必要はない。また、金属部材に対して
はＮｉめっきをすればろうに対しての濡れが良くなる。

従って、該ろうを使用すれば所定の接合位置へ毛細管現
象を利用して溶融ろうを浸透させることができるので、
接合予定位置にろう材を配置させずとも被接合部に形成
する隙間の管理を行うだけで、気泡やひけなどの欠陥の
少ないろう付けを行うことができる。

・古性金属を含有しないろうでろう付けを行う場合は、
セラミック部材の凸部外周面の接合予定位置にメタライ
ズ層を設けて該メタライズ層にＮｉめっきを施し、より
好ましくは金属部材の凹部内周面の接合予定位置にＮｉ
めっきを施すことにより、上述の活性金属を含むろうの
場合と同様の効果が得られる。この場合、メタライズ層
を設けていない凸部先端では、ろうとセラミックが反応
しないので接合されず、凸部先端表面と凹部底面との間
に隙間が形成される。さらにまた、セラミック部材の凸
部外周面と金属部材の凹部内周面の接合予定位置に、活
性金属の箔を配置し、金属部材の凹部底面には、活性金
属を含まないろう材を配置してろう付けを行うことによ
り、活性金属ろうを使用したと同様の効果を得ることも
出来る。

本発明の金属・セラミックス接合体を形成するセラミッ
ク材料としては、上記活性金属ろうと高強度の接合部が
得られるセラミック材料であればいずれの材料でもよい
が、実用性を考慮すると、窒化珪素、炭化珪素、サイア
ロン、ジルコニア、アルミナ、ムライト、チタン酸アル
ミニウムおよびコージェライトよりなる群から選ばれた
少なくとも一種のセラミック材料とするのが好ましい。

これらのセラミック材料のいずれを使用するかは、本発
明の金属・セラミックス接合体の使用目的と接合すべき
金属材料の種類に応じて決定すればよい。

、なお、本発明の金属・セラミックス接合体を形成する
金属材料としては、セラミック材料の熱膨張に近い熱膨
張を有する金属材料を選定することが好ましい。特に、
高温強度に優れた窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等の
セラミック材料と接合するための金属材料としては、耐
熱性に優れ、熱膨張が通常の金属よりも小さい、例えば
インコロイ９０３（商品名）、インコロイ９０９（商品
名）、コバール（商品名）等を選択することが好ましい
。

さらにターボチャージャロータのように高温で高速回転
する回転軸に本発明の金属・セラミックス接合体を適用
する場合には、金属材料としては、−コバールよりも強
度が高いインコロイ９０３、インコロイ９０９を選択す
ることが好ましい。なお、第１表に通常の金属として炭
素鋼、ＳＮＣＭ　４３９　（ＪＩＳ）の熱膨張率とイン
コロイ９０３、インコロイ９０９、コバールの熱膨張率
と引張強度を示す。

第　　１　　表 （実施例） 第１図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の金属・セラミ
ックス接合体の一例を示す部分断面図である。

各実施例において、セラミック部材１の凸部２と金属部
材３の凹部４とを活性金属ろうまたは活性金属を含有し
ない通常のろう５を使用してろう付けにより接合すると
ともに、該凹部４の外域がり開始部６より外側で開口部
に向かって徐々に薄くなるようろう材を設け、さらに凸
部２の先端と凹部４の底面との間に空間またはろうと非
接合物質からなる低弾性中間体を設けた例を示している
。

第１図（ａ）に示した実施例では、接合予定位置の凹部
４の内周面にＮｉメツキを施し、外域がり開始部６より
外側の凹部４の内周面にも所定長さのＮｉメツキを施し
、凸部２の先端表面には黒鉛を塗布した後、活性金属ろ
う５を使用してろう付けにより接合して凹部４の底面と
凸部２の先端表面との間に空間７を設けるとともに、外
域がり開始部６より外側で開口部に向かって凹部４の内
周面上で徐々に薄くなるようにろうを設けている。なお
、活性金属を含有しない通常のＡｇろうを使用するとき
は、上述した凹部４の内周面へのＮｉメツキ後、接合予
定位置の凸部２の外周面全面にメタライズ層を設けるか
あるいは活性金属の箔を配置することにより、同様な接
合を達成することができる。

第１図（ｂ）に示した実施例では、接合予定位置の凹部
４の内周面にＮｉメツキを施し、外域がり開始部６より
外側に位置する凸部２の外周面に所定長さのメタライズ
層を設けるとともに該メタライズ層にＮｉメツキを施し
、凹部４の底面であって凸部２の先端表面に接触する位
置にろうと非接合性物質からなる低弾性中間体である黒
鉛フェルト８を配設した後、活性金属ろう５を使用して
ろう付けにより接合して凹部４の底面と凸部２の先端表
面とが接合しないよう構成するとともに、外拡がり開始
部６から先端に向かって凸部２の外周面上で徐々に薄く
なるようにろうを設けている。

第１図（ｃ）に示した実施例では、接合予定位置の凹部
４の内周面にＮｉメツキを施し、外拡がり開始部６より
外側の凹部４の内周面にも所定長さのＮｉメツキを施す
とともに、凸部２の先端表面には黒鉛を塗布し、凹部４
の底面であって凸部２の先端表面に接触する位置にろう
と非接合性物質からなる低弾性中間体である黒鉛フェル
ト８を配設した後、活性金属ろう５を使用してろう付け
により接合して凹部４の底面と凸部２の先端表面とが接
合しないよう構成するとともに、外拡がり開始部６より
外側で開口部に向かって凹部４の内周面上で徐々に薄く
なるようにろうを設けている。

第２図（ａ）、　（ｂ）はそれぞれ外拡がり開始部６近
傍を拡大して示す断面図である。第２図（ａ）に示す実
施例では、凹部４の外拡がり開始部６より外側で開口部
に向かって凹部４の内周面上で徐々に薄くなるようにろ
う５を設けて構成した例を示している。

第２図（ｂ）に示す実施例では、凹部４の外拡がり開始
部６より外側で開口部に向かって凸部２の外周面上で徐
々に薄くなるようにろう５を設けて構成した例を示して
いる。

以下、実際の例について説明する。

実音■土 第１図（ａ）〜（ｃ）に示す本発明の金属・セラミック
ス接合体を作製した。直径７１８ｍｍの溶体化処理済イ
ンコロイ９０３丸棒の一端に内径：　１１．０５ｍｍ、
深さ：８１の凹部４と直径１２ｍｍの細軸部を設けた金
属部材３と、常圧焼結法による窒化珪素焼結体の一端に
直径：　１１．Ｏｍｍ、長さ：　１０ｍｍの凸部２を設
けたセラミック部材１を作製した。

なお、上記凹部４の底部隅部にはＣ０，２の面取りが、
また開放端隅部にはＲ１，５の曲面加工がそれぞれ施し
である。同じく、上記凸部２の先端エツジ部はＣ０１５
のテーパー加工が、根本部にはＲ２の曲面加工がそれぞ
れ施しである。

これらの金属部材とセラミック部材について、上述した
第１図（ａ）〜（ｃ）に示す方法で厚さ０．１ｍｍの限
ろう仮の表面上に厚さ２μｍのＴｉを蒸着した活性金属
ろうを使用して本発明の金属・セラミックス接合体を得
た。このとき接合端部９と凹部底面との距離は約７ｍｍ
、空間またはろうと非接合物質からなる低弾性中間体の
厚さＧは０．４ｍｍ　、凹部４の内周面に施したＮｉメ
ツキの厚さは１０μｍであった。なお、本実施例の場合
、金属部材の熱膨張率は１３．０Ｘ１０−’　１／”Ｃ
（２０〜８００’Ｃ）　、セラミック部材の熱膨張率は
３．５Ｘ１０−６１／”Ｃ（４０〜１０００°Ｃ）、ろ
うの凝固温度は７８０°Ｃである。

一方、第３図に示す部分断面の金属・セラミックス接合
体を比較例として準備した。第３図に示す各接合体の金
属部材とセラミック部材の形状と寸法は、上記本発明の
接合体において用いた金属部材やセラミック部材と同じ
である。第３図（ａ）は凹部４の底面と凸部２の先端表
面との間に空間あるいは中間体を設けずに、凹部４の内
表面と凸部２の外表面との接触面を実質的に全面ろう付
けするとともに、ろう材が凹部４の外拡がり開始部より
外側には存在しないように作製した接合体である。第３
図（ｂ）は凹部４の底面と凸部２の先端表面との間に空
間あるいは中間体を設けずに、凹部４の内表面と凸部２
の外表面との接触面を実質的に全面ろう付けするととも
に、ろう材が凹部４の外拡がり開始部より外側で開口部
に向がって徐々に薄くなるように作製した接合体である
。

準備した本発明および比較例の接合体に対し、第４図に
示す曲げ試験装置により金属部材３を固定−シてセラミ
ック部材１に荷重を付加することにより、セラミック部
材１の凸部２が接合端部近傍より、破壊するときの曲げ
荷重を測定して、破壊曲げ荷重とした。なお、第４図に
おいて２μｍ４抛ｍ、ｊ＃＝５ｍｍとした。結果を第２
表に示す。

第２表 第２表より、本発明の金属・セラミックス接合体が比較
例の接合体よりもより高い破壊曲げ荷重を示した。また
、黒鉛フェルト８を凹部４の底面と凸部２の先端表面と
の間に設けた金属・セラミックス接合体の方が、空間７
を凹部４の底面と凸部２の先端表面との間に設けた金属
・セラミックス接合体よりも破壊曲げ荷重のバラツキが
小さく、金属・セラミックス接合体の均質性が優れてい
る。

さらに、外域がり開始部より外側で開口部にむかで徐々
に薄くなるようにろう材を凹部４の内周面上に設けた場
合のほうが、凸部２の外周面上に設けた場合よりも破壊
曲げ荷重が大きくなり優れている。なお、第３図（ｂ）
の接合体は第３図（ａ）゛よりも高い破壊曲げ荷重を示
すが、充分な曲げ強度を持たない。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実
施例では凹部底面と凸部先端表面との間に空間または中
間体を設けたが、空間部と中間体の両者を混在させても
同様な効果が得られることは明らかである。

（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の金属・セラミックス接合体によれば、金属部材に設け
た凹部の外域がり開始部より外側で開口部に向かって薄
くなるようにろう材を設けるとともに、凸部先端表面と
凹部底面との間に空間またはろうと非接合性物質からな
る低弾性中間体を介在させることにより、セラミック部
材中に発生するセラミック部材と金属部材又はろう材と
の熱膨張差の影響による応力集中を小さくすることがで
きるとともに、凸部先端表面と凹部底面とのろう材を介
しての接合を阻止し、接合温度からの冷却に際し凸部先
端と凹部底面の間の相互干渉を防止でき、その結果曲げ
やねじりに対し破壊しにくく信転性の高い金属・セラミ
ックス接合体を得ることができる。

また、本発明の金属・セラミックス接合体で、タービン
翼車およびタービン軸の一部が窒化珪素セラミックス、
その他の部分が高強度を有する金属からなるターボチャ
ージャロータを構成すれば、残留応力の低減、ろう材の
緩衝作用、接合界面への高温の廃棄ガス等の腐食性ガス
の侵入が防止でき、耐久性にすぐれ、さらに応答性にす
ぐれた高効率のターボチャージャロータを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の金属・セラミ
ックス接合体の一例を示す部分断面図、第２図（ａ）　
、　（ｂ）はそれぞれ外域がり開始部近傍を拡大して示
す断面図 第３図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ比較例の金属・セ
ラミックス接合体を示す部分断面図、 部４図は試験に使用した曲げ試験装置を示す図である。 １・・・セラミック部材　　２・・・凸部３・・・金属
部材　　　　　４・・・凹部５・・・活性金属ろう　　
　６・・・外域がり開始部７・・・空間　　　　　　　
８・・・黒鉛フェルト９・・・接合端部 特許出願人　　日本碍子株式会社 第１図 第２図 第３図（ａ−） （ｂ） 第４図 手続補正書 平成　元年　７月５　日 特許庁長官　　吉　　　１）　　文　　毅　　殿１、事
件の表示 昭和６３年特許願第１３５７２１号 ２、発明の名称 ３、補正をする者 事件との関係、　特許出願人 ４、代理人 （１）明細書第５頁第６行の「ろう材の」を「ろう材と
の」と訂正する。 （２）同第５頁第１６行の「ラミンク部材」を「セラミ
ック部材」と訂正する。 （３）同第９頁第１８行の「窒化」を「窒化物」と訂正
する。 （４）同第１５頁第２行の「活性金属ろう５ノを「通常
の活性金属ろうを含まないＡｇ−Ｃｕろう５」と訂正す
る。 （５）同第１７頁第８〜９行の「非接合物質」を「非接
合性物質」と訂正する。 〈６）同第２１頁第１１行の「廃棄ガスｊを「排気ガス
Ｊと訂正する。 （７）図面中、第１図を別紙の通り訂正する、第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック部材に設けた凸部が金属部材に設けた凹
   部に挿入されて、しかも前記凸部の外周面と前記凹部の
   内周面との間にろう材を介在させて一体的に接合されて
   いる構造の金属セラミックス・接合体において、 前記凸部の外周面と凹部の内周面との間に 介在させたろう材の厚みが該凹部の外拡がり開始部より
   外側で開口部に向かって薄くなるようろう材を設けると
   ともに、前記凸部先端表面と凹部底面との間に空間また
   はろうと非接合性物質からなる低弾性中間体を介在させ
   ることを特徴とする金属・セラミックス接合体。