JPH0130791B2 - - Google Patents
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- JPH0130791B2 JPH0130791B2 JP59219162A JP21916284A JPH0130791B2 JP H0130791 B2 JPH0130791 B2 JP H0130791B2 JP 59219162 A JP59219162 A JP 59219162A JP 21916284 A JP21916284 A JP 21916284A JP H0130791 B2 JPH0130791 B2 JP H0130791B2
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- metal
- layer
- group
- oxide
- oxide ceramic
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Description
＜産業上の利用分野＞
この発明は窒化珪素などの非酸化物セラミツク
スと金属の接合体並びにその接合法に関するもの
である。 ＜従来の技術＞ 窒化珪素、炭化珪素などの非酸化物セラミツク
スは、金属に比べて高温強度、耐摩耗性、耐食性
などの面ですぐれた特性を有しているため、この
特性を生かした用途の開発が進められている。 窒化珪素セラミツクスや炭化珪素セラミツクス
を自動車用エンジンならびにそのターボチヤージ
ヤーなどに使用しようとするのはその一例である
が、このようにセラミツクスを構造材料として使
用する際には、金属部材との接合が必要となる場
合が多い。 ＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、窒素珪素や炭化珪素などの非酸
化物セラミツクスは、金属との反応性が低く、安
定という性質を有しており、金属との接合が難し
い上に非酸化物セラミツクスと金属の熱膨張係数
の差に起因して接合界面に大きな熱応力が残留
し、接合体が破壊するなどの問題が起つている。 例えば、窒素珪素セラミツクスと鋼の熱膨張係
数は、それぞれ、３×10-6／℃、15×10-6／℃で
あり、1300℃で接合した場合を想定すると、接合
後室温まで冷却してくる間に窒素珪素と鋼の接合
界面の両端の窒化珪素側に約100Kg／mm2の熱応力
が発生することが計算によつて求められている。 このため、従来非酸化物セラミツクス部材と金
属部材との接合については、焼きばめやネジ止め
などによる機械的な接合が行なわれてきた。 ところが、これらの接合方法は複雑な形状の機
械部品の接合には不向きであり、熱サイクルに対
しての信頼性に欠けるという問題点が指摘されて
いる。 ＜問題点を解決するための手段＞ この発明は上記した従来の非酸化物セラミツク
スと金属の接合法における問題点を解消すべく検
討の結果見出されたものである。 即ち、この発明は大量の非酸化物セラミツクス
部材と金属部材を接合するのに適した接合体の構
造とその接合方法を提供するものであり、詳しく
のべると、非酸化物セラミツクス部材と金属部材
との接合において、両部材間にａ族金属とAl
ならびに被接合金属部材を構成する金属よりなる
複数層を設けた非酸化物セラミツクスと金属の接
合体とその接合方法である。 ＜作用＞ この発明の特徴は非酸化物セラミツクス部材の
金属部材との接合面にａ族金属層を形成した後
にAlを鑞材としてａ族金属層に被接合金属部
材に鑞付けするところにある。 ここでａ族金属とはTi、Zr、Hfをいい、非
酸化物セラミツクス部材の接合面上にはTi、Zr、
Hfを単体であるいは２種以上を組合わせて合金
として薄層を形成する。薄層を形成する方法とし
ては、蒸着、スパツタリング、イオンプレーテイ
ングなどの物理蒸着法、即ちPVD（Physical
Vapor Deposition）を用いる。 ａ族金属を非酸化物セラミツクス表面に積層
する直前に、真空下で不活性ガスによるスパツタ
リングあるいはイオン銃によるイオンエツチング
を行ない、非酸化物セラミツクス表面層の除去、
清浄化を行なつてセラミツクス表面を活性化する
ことによつてａ族金属層と非酸化物セラミツク
スの密着性を高めることが好ましい。 非酸化物セラミツクスとａ族金属層の接合の
機構については、未だ明らかになつていない部分
が多いが、PVD法ではａ族金属層形成中の非
酸化物セラミツクス基材の温度は、現在のところ
基材を加熱しても500℃が精一杯であり、500℃ま
での温度域では非酸化物セラミツクスとａ族金
属層の間にはミクロンメーター（μｍ）オーダー
の反応層は認められなかつた。このため主には非
酸化物セラミツクスａ族金属の機械的な絡み合
いによつて接合が起つているものと考えられる。 しかしながら、ａ族金属は非常に活性の高い
金属であるため、不活性ガススパツタリングやイ
オンエツチングによつて表面層を除去された高活
性な非酸化物セラミツクス表面とａ族金属原子
あるいはクラスターが接触した場合、ミリメート
ル（mm）オーダーでの反応層が生成している可能
性は大きいが、確認できていない。 非酸化物セラミツクスと金属を接合する際のも
う一つの大きな問題である熱応力の発生について
は、非酸化物セラミツクス部材と被接合金属部材
の間にAlの層を介在させることにより解消でき
る。Alは弾性率が小さく、展延性にすぐれてい
るため、非酸化物セラミツクス部材と被接合金属
部材を非酸化性の雰囲気中でAl鑞付けしたのち、
室温まで冷却していく途中で塑性変形を起し、非
酸化物セラミツクスと被接合金属の熱膨張係数の
差によつて生じる熱応力を緩和するためである。 さらに、このAl層が適当な量の空隙を含むこ
とによりこの熱応力緩和の効果が顕著になるので
ある。 Al層内の空隙率が大きくなれば、当然Al層自
身の強度は低下するが、それ以上に残留熱応力除
去の効果が大きく、接合体全体としての強度が向
上する範囲がある。 Al層としては３〜30％の空隙率を有している
ものが強度的には好ましい。これは空〓率が３％
未満では鑞付け時の残留応力が充分には除去され
ず、また30％を越えると、Al鑞材の強度が低下
するので望ましくない。そして該Al層には純Al
ばかりでなく、Alに数％のCuやMgなどを添加し
たAl合金も使用することができる。 上記の如く非酸化物セラミツクス部材の金属部
材との接合面にPVD法によつてａ族金属層を
形成したのち、Al合金を用いて鑞付けを行なう
と、ａ族金属とAlが反応して非酸化物セラミ
ツクスに隣接してａ族金属とAlよりなる反応
層が生成する。 また、Alと被接合金属部材の反応によつても
化合物層が生成することが多い。このため接合体
全体の構造は非酸化物セラミツクス部材−ａ族
金属とAlよりなる層−主としてAlよりなる層−
Alと被接合金属部材を構成する金属よりなる層
−被接合金属部材となる。 この発明の別の特徴は、加圧しながら鑞付けす
る点にある。特に一度鑞材が固化しはじめた時点
で加圧することによつて鑞材に塑性変形を起こさ
しめ、空〓率を制御すると特にその効果は大き
い。 ＜実施例＞ 以下実施例によつてこの発明を詳細に説明す
る。 実施例 １ 窒化珪素セラミツクス部材の接合面を１×
10torrの真空中でArガススパツタリングした後、
該接合面にスパツタリングにて10μｍのTi層を形
成した。 このTi層と炭素鋼（S45C）の間に100μｍのAl
箔をサンドイツチしてAr気流中700℃でAl鑞付け
し、鑞材が固化しはじめた時点で10Kg／cm2の力で
加圧を行ない、窒化珪素セラミツクス−炭素鋼の
接合体を得た。この接合体の引張り強度は10.3
Kg／mm2であつた。そしてこの接合体の接合界面近
傍の金属組織は図面、即ち200倍拡大の顕微鏡写
真に示す通りであり、EPMA（Electron Probe
Micro Analysis）によつてそれぞれの層の組成
を固定した結果、左より１ 窒化珪素セラミツク
ス、２ TiとAlよりなる相、３ Al相、４ Al
とFeよりなる相、５ 炭素鋼であることがわか
つた。 図面から明らかなようにAl相は多数の気孔を
含む組織になつており、この部分で熱応力が緩和
されている。 実施例 ２ 窒化珪素セラミツクス部材の接合面に実施例１
と同様にして10μｍのTi層を形成した。 このTi層と炭素鋼（S45C）との間に100μｍの
Al箔をサンドイツチして接合圧力を種々に変化
させ、Ar気流中700℃でAl鑞付けを行ない、種々
の空隙率のAl層を持つた窒化珪素セラミツクス
−炭素鋼の接合体を得た。これらの接合体の引張
り強度は第１表に示した。
スと金属の接合体並びにその接合法に関するもの
である。 ＜従来の技術＞ 窒化珪素、炭化珪素などの非酸化物セラミツク
スは、金属に比べて高温強度、耐摩耗性、耐食性
などの面ですぐれた特性を有しているため、この
特性を生かした用途の開発が進められている。 窒化珪素セラミツクスや炭化珪素セラミツクス
を自動車用エンジンならびにそのターボチヤージ
ヤーなどに使用しようとするのはその一例である
が、このようにセラミツクスを構造材料として使
用する際には、金属部材との接合が必要となる場
合が多い。 ＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、窒素珪素や炭化珪素などの非酸
化物セラミツクスは、金属との反応性が低く、安
定という性質を有しており、金属との接合が難し
い上に非酸化物セラミツクスと金属の熱膨張係数
の差に起因して接合界面に大きな熱応力が残留
し、接合体が破壊するなどの問題が起つている。 例えば、窒素珪素セラミツクスと鋼の熱膨張係
数は、それぞれ、３×10-6／℃、15×10-6／℃で
あり、1300℃で接合した場合を想定すると、接合
後室温まで冷却してくる間に窒素珪素と鋼の接合
界面の両端の窒化珪素側に約100Kg／mm2の熱応力
が発生することが計算によつて求められている。 このため、従来非酸化物セラミツクス部材と金
属部材との接合については、焼きばめやネジ止め
などによる機械的な接合が行なわれてきた。 ところが、これらの接合方法は複雑な形状の機
械部品の接合には不向きであり、熱サイクルに対
しての信頼性に欠けるという問題点が指摘されて
いる。 ＜問題点を解決するための手段＞ この発明は上記した従来の非酸化物セラミツク
スと金属の接合法における問題点を解消すべく検
討の結果見出されたものである。 即ち、この発明は大量の非酸化物セラミツクス
部材と金属部材を接合するのに適した接合体の構
造とその接合方法を提供するものであり、詳しく
のべると、非酸化物セラミツクス部材と金属部材
との接合において、両部材間にａ族金属とAl
ならびに被接合金属部材を構成する金属よりなる
複数層を設けた非酸化物セラミツクスと金属の接
合体とその接合方法である。 ＜作用＞ この発明の特徴は非酸化物セラミツクス部材の
金属部材との接合面にａ族金属層を形成した後
にAlを鑞材としてａ族金属層に被接合金属部
材に鑞付けするところにある。 ここでａ族金属とはTi、Zr、Hfをいい、非
酸化物セラミツクス部材の接合面上にはTi、Zr、
Hfを単体であるいは２種以上を組合わせて合金
として薄層を形成する。薄層を形成する方法とし
ては、蒸着、スパツタリング、イオンプレーテイ
ングなどの物理蒸着法、即ちPVD（Physical
Vapor Deposition）を用いる。 ａ族金属を非酸化物セラミツクス表面に積層
する直前に、真空下で不活性ガスによるスパツタ
リングあるいはイオン銃によるイオンエツチング
を行ない、非酸化物セラミツクス表面層の除去、
清浄化を行なつてセラミツクス表面を活性化する
ことによつてａ族金属層と非酸化物セラミツク
スの密着性を高めることが好ましい。 非酸化物セラミツクスとａ族金属層の接合の
機構については、未だ明らかになつていない部分
が多いが、PVD法ではａ族金属層形成中の非
酸化物セラミツクス基材の温度は、現在のところ
基材を加熱しても500℃が精一杯であり、500℃ま
での温度域では非酸化物セラミツクスとａ族金
属層の間にはミクロンメーター（μｍ）オーダー
の反応層は認められなかつた。このため主には非
酸化物セラミツクスａ族金属の機械的な絡み合
いによつて接合が起つているものと考えられる。 しかしながら、ａ族金属は非常に活性の高い
金属であるため、不活性ガススパツタリングやイ
オンエツチングによつて表面層を除去された高活
性な非酸化物セラミツクス表面とａ族金属原子
あるいはクラスターが接触した場合、ミリメート
ル（mm）オーダーでの反応層が生成している可能
性は大きいが、確認できていない。 非酸化物セラミツクスと金属を接合する際のも
う一つの大きな問題である熱応力の発生について
は、非酸化物セラミツクス部材と被接合金属部材
の間にAlの層を介在させることにより解消でき
る。Alは弾性率が小さく、展延性にすぐれてい
るため、非酸化物セラミツクス部材と被接合金属
部材を非酸化性の雰囲気中でAl鑞付けしたのち、
室温まで冷却していく途中で塑性変形を起し、非
酸化物セラミツクスと被接合金属の熱膨張係数の
差によつて生じる熱応力を緩和するためである。 さらに、このAl層が適当な量の空隙を含むこ
とによりこの熱応力緩和の効果が顕著になるので
ある。 Al層内の空隙率が大きくなれば、当然Al層自
身の強度は低下するが、それ以上に残留熱応力除
去の効果が大きく、接合体全体としての強度が向
上する範囲がある。 Al層としては３〜30％の空隙率を有している
ものが強度的には好ましい。これは空〓率が３％
未満では鑞付け時の残留応力が充分には除去され
ず、また30％を越えると、Al鑞材の強度が低下
するので望ましくない。そして該Al層には純Al
ばかりでなく、Alに数％のCuやMgなどを添加し
たAl合金も使用することができる。 上記の如く非酸化物セラミツクス部材の金属部
材との接合面にPVD法によつてａ族金属層を
形成したのち、Al合金を用いて鑞付けを行なう
と、ａ族金属とAlが反応して非酸化物セラミ
ツクスに隣接してａ族金属とAlよりなる反応
層が生成する。 また、Alと被接合金属部材の反応によつても
化合物層が生成することが多い。このため接合体
全体の構造は非酸化物セラミツクス部材−ａ族
金属とAlよりなる層−主としてAlよりなる層−
Alと被接合金属部材を構成する金属よりなる層
−被接合金属部材となる。 この発明の別の特徴は、加圧しながら鑞付けす
る点にある。特に一度鑞材が固化しはじめた時点
で加圧することによつて鑞材に塑性変形を起こさ
しめ、空〓率を制御すると特にその効果は大き
い。 ＜実施例＞ 以下実施例によつてこの発明を詳細に説明す
る。 実施例 １ 窒化珪素セラミツクス部材の接合面を１×
10torrの真空中でArガススパツタリングした後、
該接合面にスパツタリングにて10μｍのTi層を形
成した。 このTi層と炭素鋼（S45C）の間に100μｍのAl
箔をサンドイツチしてAr気流中700℃でAl鑞付け
し、鑞材が固化しはじめた時点で10Kg／cm2の力で
加圧を行ない、窒化珪素セラミツクス−炭素鋼の
接合体を得た。この接合体の引張り強度は10.3
Kg／mm2であつた。そしてこの接合体の接合界面近
傍の金属組織は図面、即ち200倍拡大の顕微鏡写
真に示す通りであり、EPMA（Electron Probe
Micro Analysis）によつてそれぞれの層の組成
を固定した結果、左より１ 窒化珪素セラミツク
ス、２ TiとAlよりなる相、３ Al相、４ Al
とFeよりなる相、５ 炭素鋼であることがわか
つた。 図面から明らかなようにAl相は多数の気孔を
含む組織になつており、この部分で熱応力が緩和
されている。 実施例 ２ 窒化珪素セラミツクス部材の接合面に実施例１
と同様にして10μｍのTi層を形成した。 このTi層と炭素鋼（S45C）との間に100μｍの
Al箔をサンドイツチして接合圧力を種々に変化
させ、Ar気流中700℃でAl鑞付けを行ない、種々
の空隙率のAl層を持つた窒化珪素セラミツクス
−炭素鋼の接合体を得た。これらの接合体の引張
り強度は第１表に示した。
【表】
上表からAl層に適当な空隙率を持たせること
により、接合強度を向上させることができた。 試料No.１、２ではAl層の空隙率が小さいこと
により、熱応力の解放が十分に行なわれず、この
ため引張り強度が窒化珪素セラミツクスと隣接す
るTi−Al層の真の接着強度よりも小さい値にな
つているものと考えられる。 これに対してNo.３、４の試料では残留熱応力の
解放が十分に行なわれ、引張り強度が窒化珪素セ
ラミツクスと隣接するTi−Al層の接着強度によ
つて律速されていることを示している。 No.５の試料ではAl層中の空隙率が大きすぎる
ためAl層中で破断が起つた。 実施例 ３ 炭化珪素セラミツクス部材の接合面を、真空中
でXeイオン銃を用いて500V、300ｍＡでイオン
エツチングを施した後、Zrをイオンプレーテイ
ングして20μｍのZr層を形成した。このZr層とイ
ンコネル700（46％Ni−28％Co−15％Cr−他）と
の間に300μｍのAl−Mg合金（AA記号5052）箔
をサンドイツチしてAr気流中700℃で圧力20Kg／
cm2をかけて鑞付けを行ない、炭化珪素セラミツク
ス−炭素鋼の接合体を得た。 この接合体の引張り強度は9.7Kg／mm2であつた。 この接合体の接合界面近傍の組織をEPMAで
同定した結果、炭化珪素セラミツクス、TiとAl
よりなる相、Al−Mg相、AlとNi、Co、Crより
なる相、インコネル700の順であることがわかつ
た。 ＜発明の効果＞ 以上、この発明は非酸化物セラミツクス部材と
金属部材とを適当な空隙率を有するAl合金を介
在させて接合したので、接合部に熱サイクルが加
わつても発生する熱応力を緩和することができ、
熱疲労破壊を起しにくい接合体を得ることができ
た。
により、接合強度を向上させることができた。 試料No.１、２ではAl層の空隙率が小さいこと
により、熱応力の解放が十分に行なわれず、この
ため引張り強度が窒化珪素セラミツクスと隣接す
るTi−Al層の真の接着強度よりも小さい値にな
つているものと考えられる。 これに対してNo.３、４の試料では残留熱応力の
解放が十分に行なわれ、引張り強度が窒化珪素セ
ラミツクスと隣接するTi−Al層の接着強度によ
つて律速されていることを示している。 No.５の試料ではAl層中の空隙率が大きすぎる
ためAl層中で破断が起つた。 実施例 ３ 炭化珪素セラミツクス部材の接合面を、真空中
でXeイオン銃を用いて500V、300ｍＡでイオン
エツチングを施した後、Zrをイオンプレーテイ
ングして20μｍのZr層を形成した。このZr層とイ
ンコネル700（46％Ni−28％Co−15％Cr−他）と
の間に300μｍのAl−Mg合金（AA記号5052）箔
をサンドイツチしてAr気流中700℃で圧力20Kg／
cm2をかけて鑞付けを行ない、炭化珪素セラミツク
ス−炭素鋼の接合体を得た。 この接合体の引張り強度は9.7Kg／mm2であつた。 この接合体の接合界面近傍の組織をEPMAで
同定した結果、炭化珪素セラミツクス、TiとAl
よりなる相、Al−Mg相、AlとNi、Co、Crより
なる相、インコネル700の順であることがわかつ
た。 ＜発明の効果＞ 以上、この発明は非酸化物セラミツクス部材と
金属部材とを適当な空隙率を有するAl合金を介
在させて接合したので、接合部に熱サイクルが加
わつても発生する熱応力を緩和することができ、
熱疲労破壊を起しにくい接合体を得ることができ
た。
図面はこの発明の実施例によつて作製した窒化
珪素セラミツクス−炭素鋼接合体の接合面近傍の
金属組織を示す200倍拡大の顕微鏡写真である。 １……窒素珪素セラミツクス、２……TiとAl
よりなる相、３……Al相、４……AlとFeよりな
る相、５……炭素鋼（S45C）。
珪素セラミツクス−炭素鋼接合体の接合面近傍の
金属組織を示す200倍拡大の顕微鏡写真である。 １……窒素珪素セラミツクス、２……TiとAl
よりなる相、３……Al相、４……AlとFeよりな
る相、５……炭素鋼（S45C）。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 非酸化物セラミツクス部材と金属部材との接
合において、ａ族金属とAlよりなる層、３〜
30％の空〓率を有する主としてAlよりなる層、
Alと被接合金属部材を構成する金属よりなる層
を非酸化物セラミツクス部材側より順に設けたこ
とを特徴とする非酸化物セラミツクスと金属の接
合体。 ２ 非酸化物セラミツクス部材と金属部材との接
合において、非酸化物セラミツクスの表面を真空
下で不活性ガススパツタリング、イオンエツチン
グなどの物理的エツチング法にて清浄化したの
ち、直ちにａ族金属層を蒸着、スパツタリング
あるいはイオンプレーテイングにて形成せしめた
後、Al合金を鑞材として該ａ族金属層に被接
合金属部材を加圧して鑞付けすることを特徴とす
る非酸化物セラミツクスと金属の接合法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21916284A JPS6197175A (ja) | 1984-10-17 | 1984-10-17 | 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21916284A JPS6197175A (ja) | 1984-10-17 | 1984-10-17 | 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6197175A JPS6197175A (ja) | 1986-05-15 |
| JPH0130791B2 true JPH0130791B2 (ja) | 1989-06-21 |
Family
ID=16731170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21916284A Granted JPS6197175A (ja) | 1984-10-17 | 1984-10-17 | 非酸化物セラミツクスと金属の接合体およびその接合法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6197175A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6340775A (ja) * | 1986-08-07 | 1988-02-22 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 接合部材 |
| JPS63190770A (ja) * | 1987-02-02 | 1988-08-08 | 住友電気工業株式会社 | 高温特性の優れたセラミツクスと金属の接合体 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59164679A (ja) * | 1983-03-10 | 1984-09-17 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミツクと金属との接合体 |
| JPS6065773A (ja) * | 1983-09-16 | 1985-04-15 | 株式会社荏原製作所 | 窒化物系セラミツクスを接合してなる金属製品並びにその製造方法 |
-
1984
- 1984-10-17 JP JP21916284A patent/JPS6197175A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6197175A (ja) | 1986-05-15 |
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