JPH02145486A - セラミックス材料とニオブ金属との接合方法 - 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〕 この発明は、たとえばアルミナセラミックス材料などの
セラミックス材料とニオブ金属との接合方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

たとえば、アルミナ（ＡＩ２．０３）セラミックス材料
とニオブ（Ｎｂ）金属とは、その熱膨張率が近似してお
り、またニオブ金属が高い耐熱性を有しているために、
高い密着強度を有して接合することができた場合に以下
に例示する種々の応用が期待される。

■高圧Ｎａランプの容器（多結晶透光性アルミナ）にニ
オブ金属を接合してこのニオブ金属を電極とし、高圧Ｎ
ａランプの高出力化および信顛性の向上を図る。

■マイクロ波加熱用窓材（アルミナ、サファイア）にニ
オブ金属を接合して、このニオブ金属を周辺保持部材と
する。

■セラミックス製高温用材相互の接合に、ニオブ金属の
靭性を利用した接合材を用い、そのようにしてできる接
合物を用いて、構造用高温材料を製造する。

■ニオブ金属を利用してセラミックス材料を複数層接合
し、多層構造の高強度の材料を製造する。

アルミナセラミックス材料とニオブ金属材料との接合は
、従来ではいわゆる固相接合法によって行われている。

すなわち、両者を接触させて、真空中で１０ＭＰａ程度
に加圧しつつ１６００°Ｃ程度の加熱昇温状態を１時間
程度にわたって保持する方法である。ニオブ金属は前述
のように高い耐熱性を有しており、またアルミナセラミ
ックス材料中にほとんど拡散しないため、密着強度は１
０００℃まで変わらない。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記固相接合法では、アルミナセラミッ
クス材料とニオブ金属材料との密着強度は、アルミナセ
ラミックス母材の強度（３００〜４００ＭＰａ以上）よ
りも低く、その５０〜７０％の値が得られるにすぎない
。

ＨＩ　Ｐ　（Ｈｏｔ　ｌ５ｏｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓ
　）装置を用いて、前述の加熱・加圧接合を行う場合、
１００ＭＰａに加圧し、１４００°Ｃ程度の加熱昇温状
態を３０分程度にわたって保持するようにして行えば、
前記密着強度をほぼ母材強度程度とすることができるが
、接合温度が高く、また極めて高い圧力が必要とされる
ので、製造が容易でないという問題がある。

この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、界面で
の高い密着強度を得ることができるセラミックス材料と
ニオブ金属との接合方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のセラミックス材料とニオブ金属との接合方法
を第１図〜第３図に基づいて説明する。

セラミックス材料としてたとえばアルミナ（Ａ　１　ｚ
　Ｏ！＋　）セラミックス材料が選ばれ、このアルミナ
セラミックス材料とニオブ（Ｎｂ）金属材料との接合が
行われる。その接合方法は大略的に２つのプロセスを含
んで構成されている。第１のプロセスは、アルミナセラ
ミックス材料表面をニオブ金属化するプロセスであって
、アルミナセラミックス材料表面に対してニオブ蒸着と
不活性ガスイオン（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ
ｚなどのガスイオン）の照射とを併用するいわゆるＩ　
Ｖ　Ｄ　（Ｉｏｎ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
）法が用いられる。

この方法でニオブ金属化されたアルミナセラミックス材
料のニオブ金属化表面に必要に応じてニオブが堆積され
、そのようにして１〜数μｍのニオブ堆積層が形成され
る。

第２のプロセスは、表面をニオブ金属化した前記セラミ
ックス材料と、前記ニオブ金属材料とを、真空中で加熱
・加圧接合するプロセスである。

（ａ）　　第１のプロセス ニオブ金属化すべきアルミナセラミックス材料表面には
、ダイヤモンドペーストによる鏡面研磨の後、溶剤洗浄
、化学エツチング、水洗洗浄の一連の前処理が施される
。このアルミナセラミックス材料表面に、第１図に示す
薄膜形成装置によってニオブ金属化が施される。表面に
前述の前処理が施されたアルミナセラミックス材料１は
、真空チャンバ２内に設けた回転式試料ホルダ３に支持
される。この回転式試料ホルダ３に対向して、真空チャ
ンバ２の下方にはパケット型イオン源４が備えられ、ま
た中間には電子ビーム加熱式蒸発源５が備えられている
。前記パケット型イオン源４は、ガス導入口６からの不
活性ガスをフィラメント７およびプラズマ電極８を設け
たアークチャンバ９内でアーク放電により電離させてプ
ラズマを生成させ、このプラズマから抑制電極１０およ
び引出電極１１などによって上方側に向かって不活性ガ
スイオンを加速して引き出すようにしたものである。ま
た図において、１２はアルミナセラミックス材料１表面
に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚モニタであり、
１３は不活性ガスイオンの輸送量を監視するためのイオ
ン電流モニタである。

アルミナセラミックス材料１表面には、イオン源４から
の不活性ガスイオンと、蒸発源５からの蒸気化したニオ
ブとが飛来し、そのようにしてニオブ蒸着と不活性ガス
イオン照射とが同時に行われる。このニオブ蒸着と不活
性ガスイオン照射とは、交互に行うようにしてもよい。

加速された不活性ガスイオンとともに蒸気化したニオブ
はアルミナセラミックス材料１表面に押し込まれ、この
ようにしてアルミナセラミックス材料１表面ではアルミ
ナとニオブとの混合層が形成され、アルミナセラミック
ス材料１表面がニオブ金属化される。

たとえばこのニオブ金属化の後には、不活性ガスイオン
の照射を停止してニオブ蒸着のみが行われ、そのように
して前記ニオブ金属化表面にニオブ堆積層が形成されて
もよい。

前記ニオブ金属化が行われるときには、真空チャンバ２
内の真空度は２　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒ程度とされ、不
活性ガスイオンの加速エネルギーは１０ｅＶ〜２５Ｋｅ
Ｖとされる。この加速エネルギーの下限はイオン源４か
らの不活性ガスイオンの引出限界値であり、上限は主と
して装置のコストなどの観点から定められた値である。

不活性ガスイオンの電荷は正でも負でもよく、また両者
の混合であってもよく、さらにアルミナセラミックス材
料表面に同時に電子線が照射されてもよいが、第１図に
示された構成ではイオン源４からは正のイオンを主体と
するイオンビームが引き出される。また、不活性ガスイ
オンの照射量は、１×１０＋！〜１×１０”／ｃｈｉの
範囲とされる。この下限は不活性ガスイオンがアルミナ
セラミックス材料１とニオブ金属元素との界面に化学結
合層を形成する条件であり、上限は不活性ガス原子がア
ルミナセラミックス材料１内に過剰に存在して集合し、
キャビティーを形成する限界濃度により定められる値で
あ蒸発源５から任意の速度で蒸発したニオブは、１０ｅ
Ｖ〜２５ＫｅＶで加速された不活性ガスイオンによりア
ルミナセラミックス材料１表面近傍で混合される。この
際にニオブ原子は不活性ガスイオンによりスパッタされ
、またはアルミナセラミックス材料１内に押し込まれる
。このようにして前記アルミナセラミックス材料１表面
にアルミナとニオブとの混合層が形成されていく。この
混合層の厚さはたとえば不活性ガスイオンがニオブ金属
層を通過してアルミナセラミックス材料１内に到達する
範囲に留められ、この後にニオブ蒸着によって厚さ１〜
数μｍのニオブ堆積層が形成される。このニオブ堆積層
の厚さはアルミナセラミックス材料１に接合すべきニオ
ブ金属材料の接合面の表面粗さよりも厚く選ばれている
。

アルミナセラミックス材料１表面に前記混合層を形成し
た後にも不活性ガスイオン照射とニオブ蒸着とを同時に
または交互に行う（すなわち併用する）ようにしてニオ
ブメタライズ層を成長させるようにしてもよいが、終始
不活性ガスイオンの照射を行うと、この不活性ガスイオ
ンにより前記混合層上にさらに堆積されるニオブと不活
性ガス元素との混合物層がスパッタ作用を受け、成長が
阻害されるとともに、この混合物層と前記混合層とを含
んで構成されるメタライズ層の強度劣化を招く恐れがあ
る。

（ｂ）　　第２のプロセス 第２図は前記アルミナセラミックス材料１のニオブ金属
化表面に、ニオブ金属材料を加熱・加圧接合するための
真空ホットプレス装置の内部の構成を示す断面図である
。ニオブ金属材料２１を前記ニオブ金属化が施された一
対のアルミナセラミックス材料１の前記ニオブ金属化表
面間に挟み、真空槽２２内に配置したセラミックス荷台
２３上に設置する。

前記セラミックス荷台２３にはＭｏロッド２４が連結さ
れており、セラミックス荷台２３とは反対側のアルミナ
セラミックス材料１は、Ｍｏロッド２５に連結された加
圧部材２６に当接している。

Ｍｏロッド２５は、クロスヘツド２７に設けたロードセ
ル２８に連結されている。

真空槽２２内には、前記一対のアルミナセラミックス材
料１とニオブ金属材料２１とを加熱するタングステン電
熱ヒータ２９（以下「ヒータ２９Ｊという。）、および
真空槽２２内部の温度を測定する熱電対３０が設けられ
、この熱電対３０から得られる内部の温度情報に基づい
て前記ヒータ２９に電力を供給する電力コントローラ（
図示せず）の出力電力が制御される。

前記一対のアルミナセラミックス材料１とニオブ金属材
料２１との接合に当たっては、真空槽２２内が油拡散ポ
ンプ（図示せず）などによって高真空（Ｉ　Ｘ　１０−
’Ｔｏｒｒ以下）に排気され、ヒータ２９が通電されて
、試料（一対のアルミナセラミックス材料１間にニオブ
金属材料２１を挟んだもの）が加熱される。そしてこの
試料の温度が１５００〜１７００°Ｃに昇温されたとこ
ろで、この温度を維持しつつ、前記一対のＭｏロッド２
４．２５に万能試験機（図示せず）より圧縮力がかけら
れ、そのようにしてアルミナセラミックス材料１とニオ
ブ金属材料２１との界面にＯ，’　Ｉ　Ｍ　Ｐ　ａ〜１
００ＭＰａの圧縮荷重が加えられる。この加熱・加圧状
態で、アルミナセラミックス材料１に形成したニオブ堆
積層とニオブ金属材料２１の接合面との接合反応が進行
する。前記加熱・加圧状態は、３０分〜数時間にわたっ
て保持される。

このようにして、高温での接合処理の終了の後には、試
料は熱歪みや残留応力を残さないように徐冷される。異
種材料の接合で通常問題となるのは、熱膨張率の差に起
因する熱歪みおよび残留応力である。特に高温で接合が
行われた場合には、試料を室温にまで冷却したときに、
温度差が大きいためにこのような影響が顕著となる。し
かしながらアルミナセラミックスとニオブ金属とは、第
３図（代表的なセラミックスおよび金属の熱膨張率を示
す。）に示すように熱膨張率が相互に極めて接近してい
るため、冷却時に歪みや残留応力が生じる恐れがない。

このため、界面での結合状態を直接反映した密着強度や
破壊靭性値などが得られる。

前記接合時の上述の温度１５００〜１７００　’Ｃは、
アルミナセラミックス材料の軟化点（１０００°Ｃ）と
前記真空ホットプレス装置の耐熱性（２０００’Ｃ）と
を考慮して定めたものである。さらに上記接合時の圧縮
圧力は、アルミナセラミックス材料の温度２０００°Ｃ
における軟化応力（０，ＩＭＰａ）が下限とされており
、上限は従来のＨＩＰ装置でアルミナセラミックス母材
の強度にほぼ等しい密着強度が得られた値１００ＭＰａ
としている。

〔作用〕

以上のようにこの発明では、上記第１のプロセスでは、
ＩＶＤ法によりアルミナセラミックス材料１表面がニオ
ブ金属化され、このニオブ金属化されたアルミナセラミ
ックス材料１表面に、ニオブが蒸着により堆積されてニ
オブ堆積層が形成される。前記ニオブ金属化されるアル
ミナセラミックス材料１表面では、ニオブの蒸着ととも
にアルミナセラミックス材料１表面に照射される不活性
ガスイオンの働きによってアルミナとニオブとの混合層
が形成され、この混合層はアルミナセラミックス材料１
表面に対して強固に密着している。

このようにしてニオブ金属化されたアルミナセラミック
ス材料１表面にはニオブ堆積層を強固に密着させること
ができる。

そして上記第２のプロセスでは、前記アルミナセラミッ
クス材料１とニオブ金属材料２１とが真空ホットプレス
装置によって加熱・加圧接合される。このとき両者の接
合はニオブ−ニオブ接合によって達成されるので、この
界面の密着強度は極めて高くなる。このようにして、ア
ルミナセラミックス材料１とニオブ金属材料２１とが強
固に密着することになる。

上述の例では、セラミックス材料としてアルミナセラミ
ックス材料を例に採って説明したが、セラミックス材料
はたとえばステアタイトセラミックスや、サーメットセ
ラミックスなどであってもよい。

〔実施例〕

本件発明者は以下に示す条件で作成され、アルミナセラ
ミックス材料（９９，７賀ｔ％ＡＩＶ、、０３＋０．３
ｗｔ％（Ｍｇ−Ｃａｂ）　：　２０　（幅）ｘ１７（長
さ）Ｘ１６（厚さ）ｍ）とニオブ金属材料（２０ｘ１７
ｘ２閣）とを接合して作成した前述の試料と、従来の固
相接合法によるアルミナセラミックス材料とニオブ金属
材料との接合を行った同様な試料との密着強度の比較を
行っている。

（試料の作成条件） ■ニオブ金属化前のアルミナセラミックス材料表面の前
処理 研磨：ダイヤモンドペース）　　６，３．１　μｍ洗浄
：アセトン中で１５分間、超音波による洗浄 ■ニオブ金属化処理 ニオブ堆積層の層厚：　　１００人 不活性ガス：Ａｒ 加速エネルギー・・・　　２０ＫｅＶ 照射量　　　　・・・ｌＸｌ０”／ｃｄ■接合処理 加熱温度：　　　　　　　１５００°Ｃ圧カニ 保持時間： ６ＭＰａ ０ｍ１ｎ なお、従来の固相接合法による試料の作成は、加熱温度
を１３００°Ｃ，１７００°Ｃ１圧力を１０ＭＰａとし
た状態を１２０ｍ１ｎにわたって保持するようにして行
った。

密着強度は、作成した試料を２（幅）Ｘ３０（長さ）×
４（厚さ）ｍの大きさに切り出して、４点曲げ試験によ
り評価した。この実施例に従って作成された試料の前記
４点曲げ試験の結果は第４図に示されている。この第４
図においてシンボル“ム”はこの実施例に従って作成さ
れた試料の曲げ強度を示しており、シンボル“°Δ°゛
は従来の固相接合法に従って作成された試料（接合時の
加熱温度１３００°Ｃ，１７００°Ｃ）の曲げ強度を示
し、シンボル“Ｏ゛は接合時の加熱温度に対する破壊靭
性値（ＭＰａ／ｍ”　）変化を示している。この第４図
から従来の面相結合法では、１７００℃（１９７３Ｋ）
の接合温度で２６０ＭＰａと、はぼアルミナセラミック
スの母材強度となっているのに対し、この実施例に従っ
て作成した試料の曲げ強度は１５００’Ｃ（１７７３Ｋ
）の接合温度で同様な曲げ強度を達成している。

この実施例に従って作成された試料と、従来の固相接合
法によって作成された試料との各破断面の走査型電子顕
微鏡による観察において、この実施例に従って作成した
試料では、アルミナセラミックス材料側の結晶粒がニオ
ブ金属材料側に転写されているのに対し、従来の固相接
合法による試料ではニオブ金属材料側の破断面は平滑で
あることが確認された。このような現象から、アルミナ
セラミックス材料表面をＩＶＤ法によりニオブ金属化し
たときには、破壊がアルミナセラミックス材料側で生じ
ているものと考えられ、アルミナセラミックス材料とニ
オブ金属材料との間に明瞭な界面が存在しなくなったた
めに、応力集中破壊して２相に分離することが防がれ、
高い密着強度が実現されたものと考えられる。またアル
ミナセラミックス材料に形成された薄く均一な混合層の
ために、母材強度に近い密着強度が得られたものと推定
される。

〔発明の効果〕

この発明のセラミックス材料とニオブ金属との接合方法
によれば、セラミックス材料表面に照射される不活性ガ
スイオンの働きによってセラミックス材料表面では蒸着
されるニオブとセラミックス材料との混合層が形成され
て、このセラミックス材料表面がニオブ金属化される。

前記ニオブ金属化表面にニオブ金属材料の接合面を接触
させて加熱加圧することにより、セラミックス材料とニ
オブ金属とを強固に接合させることができる。すなわち
前記混合層はセラミックス材料表面に強固に密着し、ま
た、前記ニオブ金属化表面とニオブ金属材料との接合は
強固にすることができるので、結果としてセラミックス
材料とニオブ金属材料との密着強度が極めてで高くなる
。

また、この発明によれば、前述の実施例によって示され
たように、接合時の加熱温度を従来の固相接合法に比較
して低くすることができ、また接合時の圧力も小さくす
ることができるので、接合物の製造が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミックス材料表面をニオブ金属化するため
の基本的な構成を示す概念図、第２図はセラミックス材
料とニオブ金属材料とを加熱加圧接合するための基本的
な構成を示す断面図、第３図は代表的なセラミックス材
料と金属との熱膨張率を示す図、第４図はこの発明の一
実施例および従来の同相接合法にそれぞれ従ってセラミ
ックス材料とニオブ金属材料とを接合した試料に対する
４点曲げ試験の結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ニオブ蒸着と不活性ガスイオン照射とを併用してセラミ
   ックス材料表面をニオブ金属化し、このニオブ金属化表
   面にニオブ金属材料の接合面を接触させて加熱加圧する
   ことを特徴とするセラミックス材料とニオブ金属との接
   合方法。