JPH0222026B2 - - Google Patents

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JPH0222026B2
JPH0222026B2 JP58107648A JP10764883A JPH0222026B2 JP H0222026 B2 JPH0222026 B2 JP H0222026B2 JP 58107648 A JP58107648 A JP 58107648A JP 10764883 A JP10764883 A JP 10764883A JP H0222026 B2 JPH0222026 B2 JP H0222026B2
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Description

【発明の詳細な説明】
この発明はセラミツクとアルミニウム合金の複
合体にしてその層間の接合強度を向上した複合体
に関するものである。 アルミニウム合金は一般に軽量で、強度が強
く、加工性に富み、電気的性質や熱電導性等諸特
性に優れているので、比較的低温度での使用はそ
の用途も広いが、高温での使用は耐熱性や断熱性
が悪いという欠点のために用途も制限されている
のが現状である。 一方セラミツクは一般に耐熱性や断熱性が優れ
ているので、これをアルミニウム合金に接合した
複合体が前記アルミニウム合金単独の場合の欠点
を補い得るところから種々の試みがなされている
が、現在のところ満足すべき接合技術が生み出さ
れておらず、強いて挙げれば、焼み嵌め、鋳ぐる
み法があるが、アルミニウムとセラミツクの熱膨
張差、アルミニウムのへたり等によつて熱的信頼
性の低いものしか得られていないのが現状であ
る。 即ちアルミニウムの熱膨張率は24×10-6/℃
(室温〜500℃)で、セラミツクの熱膨張率は代表
的なものはSi3N4では2×10-6/℃、ZrO2では10
×10-6/℃(いづれも室温〜500℃)であり、セ
ラミツクとアルミニウムが直接接合できたとして
もその残留応力によるセラミツクの破壊、ひび割
れは必至である。 本発明は上述のような欠点のないセラミツクと
アルミニウム合金の複合体を得ることに成功した
ものである。 即ち、本発明はセラミツクの表面に蒸着法、高
融点金属法又は活性化金属法等によつて金属薄層
によるメタライズ層を設け、その上にクラツド材
層を設け、更にこれに接してアルミニウム合金溶
湯の注湯凝固によるアルミニウム合金層(鋳ぐる
み型)を設けることにより、各層間の接合を強固
なものとし一体化したセラミツク・アルミニウム
合金複合体を提供するものである。 ところでセラミツク材料にはSi3N4、SiC、
Al2O3、ZrO2、マイカ、LAS(リシア系セラミツ
クス窯業協会編セラミツクス辞典参照)、結晶化
ガラス等アルミニウム合金の溶融温度で影響を受
けない材料が用いられる。金属薄層のメタライズ
層の生成手段及びこれに用いられる金属には特に
限定はないが、例えば次のような方法で実施する
ことができる。 蒸着法 (1) セラミツク成形体の表面に周期表A族
(Ti、Zr、Hf)を物理蒸着し、その上にA族
(Cr、Mo、W)を物理蒸着し、更にその上に
B族(Cu、Ag、Au)を化学メツキして金属
薄層(メタライズ層)を形成する。 (2) セラミツク成形体の表面に周期表のA族
(Ti、Zr、Hf)を物理蒸着し、その上にB族
(Cu、Ag、Au)を物理蒸着又は化学メツキし
て金属薄層(メタライズ層)を形成する。 (3) セラミツク成形体の表面に周期表のA族
(Ti、Zr、Hf)又はA族(Cr、Mo、W)を
物理蒸着し、その上にB族(Cu、Ag、Au)
を物理蒸着又は化学メツキして金属薄層(メタ
ライズ層)を形成する。 高融点金属法 Mo、Wのうち一種以上と、TiH2、Mn、SiO2
のうち一種以上とからなる混合物を粉砕混合し、
メタライズペーストとする。主剤は前者である。 このメタライズペーストを自動印刷機等でセラ
ミツク表面に印刷してH2炉中にて1400〜1600℃
で焼成した後、ろう材等との濡れ性を良くするた
めに、Niメツキを数μかけて、H2炉中で800〜
1000℃にて熱処理を行ないメタライズ層を形成す
る。 活性化金属法 (1) セラミツク成形体の表面にTi又はZrとAg−
Cu合金箔を載せて、非酸化性雰囲気中にて800
℃〜1200℃に加熱し、Ti又はZrとAg、Cuの共
晶の薄層(メタライズ層)を形成する。 (2) セラミツク成形体の表面にTi箔又はZr箔と
Ag−Cu共晶ろう箔を載せて非酸化性雰囲気中
にて800〜1200℃に加熱し、Ti又はZrとAg、
Cuの共晶の薄層(メタライズ層)を形成する。 本発明は上記の例のようにしていづれかの手段
でセラミツク表面に金属薄層(メタライズ層)が
設けられ、この上に金属のクラツド部材を接合し
これを介してアルミニウム合金を鋳込みにより接
合することにより、セラミツクとアルミニウム合
金の複合体を得るものである。ところで前記のメ
タライズ層の外部には通常の金属部材を設けるこ
とが考えられ、これによつてもセラミツクとアル
ミニウム合金の接合体が得られるやに思われる。
そして、この金属部材として銅(Cu)、マグネシ
ウム(Mg)、けい素(Si)等のアルミニウム
(Al)と固溶する金属か或はアルミニウム(Al)
の場合には接合が容易で特にこれらのうち銅やア
ルミニウムは固溶特性上一番好ましいものと考え
られる。 しかしながらこのような手段をとる場合、銅が
溶融アルミニウム合金と反応性に富む結果、金属
部材として銅板を用いたのではこの銅板のくわれ
等の問題が起き、アルミニウム合金を鋳ぐるむ際
にこの銅のくわれ現象を少なくするような温度条
件の制御はかなり難しく、満足すべきセラミツク
−アルミニウム合金複合体を得ることが困難であ
つた。 又、前記の銅に代えて、コーバル、モリブデン
等の低膨張率の金属をメタライズ層の上に介在さ
せることが考えられるが、いまだ膨張率はセラミ
ツクのそれとは大きな差があるため残留応力を充
分緩和することができず、セラミツク層に割れ等
を発生するのでその信頼性は薄いものであつた。 本発明は上記のような欠点の生じないセラミツ
クとアルミニウム合金の接合について種々検討の
結果、セラミツクのメタライズ層とアルミニウム
合金層の間に用いられる金属部材をCu、Ag又は
Al/金属/Cu、Ag又はAlからなる3層構成のク
ラツド材層とすることにより、従来の難点を解決
し優れたセラミツク−アルミニウム合金接合体を
得ることに成功した。 前述のクラツド材層の左右両端の金属を同じく
し、例えばCu/金属/Cuの如きクラツド材とし
てもよいし、左右両端の金属を異ならしめ例えば
Ag/金属/Cuの如きクラツド材としてもよい。 そしてクラツド材の中間に使用される金属は左
右両端の金属とは異なるものを使用するが、ほと
んどの金属がアルミニウム合金とセラミツクの中
間の熱膨張率を持つており、その選択使用に当つ
ては例えばセラミツクをSi3N4とした場合には、
クラツド材の中央の金属はモリブデン、インバ
ー、コバール等が低膨張率であり比較的適当な材
料と言える。 しかし、クラツド材の一方の面もしくは両面に
銅を使用するような場合でも、その厚みを変えて
比較的薄く構成し、中心の金属にニツケルや鉄を
用いた場合でも、セラミツク割れ等は生じ難く、
信頼性の高い複合体を得ることができる。 次に本発明による試料と比較例の試硫とを作成
しそのせん断強度を測定した。 以下各試料の製造について述べる。 本発明の実施例 1 メタライズ層を高融点金属法で形成した場合
1−1.アルミナ含有率90%のアルミナグリーン
シートにW:9、TiH2:1、SiO2:1の割合
で調合し、エチルセルロースを3%添加したペ
ーストを塗布し、H2炉中にて1500℃×1hr焼成
した後、Niメツキを2μmの厚さに施してメタ
ライズ層を形成し、Ag−Cu共晶ろうを用いて
表に示すような各種クラツド材による金属板を
850℃にH2炉中でろう付けして、メタライズ層
に接合し、次に図示の如き装置を用いてこの中
に上記の如き試料を配設し、10-4Torrの真空
にするか、アルゴン(Ar)、又は窒素気流中で
上側より加圧しながら約750℃に加熱し、前記
圧力によつてアルミニウム合金(AC4A)の溶
湯をセラミツクのメタライズ層の上のクラツド
材層上に注ぎ込み、セラミツクとアルミニウム
合金を接合した。 1−2 ジルコニア含有率90%のイツトリア−ジ
ルコニアグリーンシートを用いた外は1−1
と同様にしてセラミツク上のメタライズ層の
上に表に示すようなクラツド材を接合し、更
に1−1と同様にしてアルミニウム合金を接
合した。 2 メタライズ層を蒸着法で形成した場合 2−1 気孔率3%、アルミナ含有率90%、密度
3.60g/cm3の焼結Al2O3の表面を平研し、ア
セトンで洗滌し、ついでこの洗滌したセラミ
ツクを基板として真空蒸着機を用い、内部を
10-6Torrに減圧し、200℃に加熱して、その
表面にアルミニウムを電子ビームによつて溶
融し、約5μm厚に蒸着してメタライズ層を
形成した。 このメタライズ層上に表に示すようなクラ
ツド材をそのアルミニウム面がメタライズ層
のアルミニウム面と接するように載置し、以
下1−1と同様な手法でアルミニウム合金を
接合した。 2−2 気孔率1%、窒化硅素含有率90%密度
3.25g/cm3の焼結Si3N4の表面を平研し、ア
セトン等で洗滌し、ついでかくしたセラミツ
クを基板として2−1と同様な手法によつて
アルミニウムのメタライズ層を設け表示のよ
うなクラツド材を用いてアルミニウム合金を
接合した。 2−3 気孔率3%アルミナ含有率90%、密度
3.60g/cm3の焼結Al2O3の表面を平研し、ア
セトン等で洗滌し、ついでこの洗滌したセラ
ミツクを基板とし、真空蒸着機で内部を
10-6Torrに減圧し、200℃に加熱し、その表
面にZr0.2μm、Cu5μmの順に順次蒸着した
後表3に示すようなクラツド材を850℃のH2
炉中にてAg−Cu共晶ろうを用いてろう付け
した後、大気中に加圧鋳込みしてアルミニウ
ム合金AC4Aを鋳込んでセラミツクにアルミ
ニウム合金を接合した。 2−4 気孔率1%、窒化硅素含有率90%、密度
3.25g/cm3の焼結Si3N4の表面を平研してア
セトン等で洗滌し、ついでこの洗滌したセラ
ミツクを基板として真空蒸着材により、内部
を10-6Torrに減圧し200℃に加熱し、その表
面に電子ビームで蒸着金属を溶融しZr0.2μ
m、Cr0.2μmCu5μmを順次蒸着した後、表
に示すクラツド材を850℃のH2炉中にてAg
−Cu共晶ろうを用いてろう付けした後、大
気中で加圧鋳込みしてアルミニウム合金
AC4Aを鋳込んでセラミツクにアルミニウム
合金を接合した。 なお比較試験用の試料は下記のようにして作つ
た。 比較例 1 前述の1−1に於けるクラツド材を代えてCu
を用いた外は1−1と全く同様にして試料を作成
して比較例とした。 比較例 2 前述の1−2に於けるクラツド材を代えてCu
を用いた外は1−2と全く同様にして試料を作成
して比較例とした。なお本発明及び比較例でアル
ミニウム合金を鋳込む場合の概略を図面により説
明すれば次のとおりである。 図は真空装置で内部にはU字型のアルミナ製の
下部治具1を置いて、その中に表面にメタライズ
層bを設け更にクラツド材もしくはCu板等の金
属層cを接合したセラミツク成形体aを、金属層
cを上側にして載置し、前記下部治具1の上に下
面中央に約1mmφの溶融アルミニウムノズル3を
有する上部治具2を重ねて載置し、この中にアル
ミニウム合金の溶湯dを充満せしめ、その上部よ
り押圧手段4によつて加圧し、アルミニウム合金
を下部にノズル3より注加して金属層cとアルミ
ニウム合金を接合し、結局セラミツクとアルミニ
ウム合金の接合体を得るものである。そしてこの
装置の内部は例えば10-4Torr位に減圧し、加熱
はボツクスの両側面に設けたヒーター5によつて
行なうものである。 次に前述の実施例及び比較例の各試料について
せん断試験を行なつた結果をまとめて表示すれば
次表のとおりである。
【表】
【表】 なお各試料ともセラミツクの寸法は10mm×10mm
×5mmでせん断強度は島津製作所製オートグラフ
にて0.5mm/mの荷重速度で行なつた。 これによれば本発明のセラミツクとアルミニウ
ム合金の接合体はいづれも満足すべき強度がある
が比較例はせん断強度が低く実用的でないことが
理解される。
【図面の簡単な説明】
図はアルミニウム合金をセラミツクに注湯して
接合するための真空装置の一例を示す縦断面図で
ある。 1:下部治具、2:上部治具、3:ノズル、
4:押圧手段、a:セラミツク成形体、b:メタ
ライズ層、c:金属層、d:アルミニウム合金の
溶湯。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 セラミツクの表面にメタライズ層とクラツド
    材層を順次設け、これに接してアルミニウム合金
    の注湯凝固によるアルミニウム合金層を設け、各
    層間が一体化していることを特徴とするセラミツ
    クとアルミニウム合金の複合体。 2 セラミツクの表面のメタライズ層は、金属蒸
    着法、高融点金属法又は活性化金属法により生成
    された金属薄層である特許請求の範囲第1項記載
    のセラミツクとアルミニウム合金の複合体。 3 クラツド材層がCu、Ag又はAl/金属/Cu、
    Ag又はAlにて構成される3層構成のクラツド材
    (ただし中央金属は両側の金属と異なる)からな
    る特許請求の範囲第1項記載のセラミツクとアル
    ミニウム合金の複合体。 4 セラミツクがSi3N4、SiC、Al2O3、ZrO2
    マイカ、LAS、結晶化ガラスである特許請求の
    範囲第1項記載のセラミツクとアルミニウム合金
    の複合体。
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