JPH03103385A - セラミックスのメタライズ方法、ならびにセラミックスと金属の接合方法 - 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） 本発明はセラミックスのメタライズ方法に関し、特に活
性金属を利用する前記メタライズ方法の改良に関する。

（従来の技術） セラミックス材料の耐摩耗性、耐熱性等に優れた特性を
積極的に利用する試みが活発に行われるようになってき
た。しかしながらセラミックスは前記優れた特性を持つ
反面、靭性に乏しいという欠点を有している他、高価で
あるため前記セラミックスを構造材として使用する場合
、高い靭性を持つ金属材料と複合化させ、セラミックス
の特性を要求される部分のみにセラミックスを使用する
ことが多く行われている。

前記複合化の方法としては、セラミックスを金属材料に
接合して行うことが一般的であり、従来より種々の技術
が開発されている。たとえば、特開昭６０　−　１８８
１８５号公報や、特開昭８２　−　２１７５３３号公報
には、活性金属を含むＡｇ−Ｃｕろう材をセラミックス
と金属の間に介在させ直接加熱してセラミックスと金属
を接合し、接合体とする方法が開示されている。

また、セラミックスは金属と濡れ難い性質を有するため
、セラミックスと金属を接合するにあたり、メタライズ
とろう付けを同時に行うと接合界面に気泡状の非接合部
を形成したり、セラミックスのメタライズ反応が十分行
われていない部分を内包した状態がしばしば発生し、セ
ラミックスと金属接合体の接合強度が大きくばらつき、
接合体の信頼性の向上を阻害する要因になっていた。

こうした問題を解決する手段として予めセラミックスの
表面にＴｉ，　　Ｚｒの金属粉末あるいはその混合粉末
を塗布しその上に板ろう材を載置して真空中で加熱して
セラミックスの表面にメタライズ処理層を形或させ、メ
タライズが完全に施されていることを確認した後ろう付
けする方法が、例えば特開昭８３　−　１３９０８８号
公報に開示されている。

これら方法の他、予めＴ１等の活性金属を含むＡｇ−　
Ｃｕ系金属粉末を使用してメタライズする方法等も多く
提案されている。これらの従来方法でメタライズされた
セラミックスの、金属とのろう付け接合体は通常の常温
状態での使用には支障のない接合強度にまで達しつつあ
る。

しかしながら近年、セラミックスと金属の接合体を設計
する上で、より高い接合強度が要求される場合が多くな
ってきており、加えて、前記接合体を高温下で使用する
ケース、高温の使用状態と室温との間の熱サイクルを受
ける環境下で使用されるケースが多くなっており、前述
した従来方法でメタライズした接合体ではこうした過酷
な要求を十分満足させることができなかった。而して前
述した従来のセラミックスのメタライズ方法より更に熱
間接合強度や耐熱サイクル性に優れたメタライズ方法の
開発が望まれていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、活性金属、特にＴｉを含むＡｇ　−Ｃｕ系金
属粉、或いはその合金粉末でセラミックスをメタライズ
する方法において、前述した従来のメタライズ方法の問
題点の抜本的な解決を図り、常温接合強度だけでなく熱
間強度特性にも優れたセラミックスのメタライズ方法、
並びにこのようにメタライズされたセラミックスと金属
との接合方法を提供することをその課題とするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決する本発明は、 セラミックス表面にＡｇ−　Ｃｕ−　Ｔｉ系金属による
メタライズ処理を施し、メタライズ層を形成した後、前
記メタライズ層にＮｉ金属を接触せしめ、真空、或いは
不活性ガス雰囲気中、６５０〜９００℃の温度で加熱処
理し、前記メタライズ層内にＮｉを拡散させることを特
徴とするものである。

また、前記Ｎｉ金属がメタライズ層表面に施されたＮｉ
メッキであることを他の特徴とするものである。

さらにまた、セラミックス表面にＡｇ−　Ｃｕ−Ｔｉ系
金属によるメタライズ処理を施しメタライズ層を形或し
た後、該セラミックスを金属に接合するにあたり、前記
メタライズ層と金属間に、上下にろう材が貼着され、さ
らに前記メタライズ層と接する表面にＮｉメッキ層を有
する熱応力緩衝材を介在せしめ、しかる後真空、或いは
不活性ガス雰囲気中、６５０〜９００℃の温度で、ＩＯ
分以上加熱することにより前記セラミックスと金属とを
接合することを他の特徴とするものである。

以下、本発明の具体的な構成を詳細に説明する。

第１図は、本発明の基本構成を示す断面構造図である。

図において１はセラミックスであり、２は前記セラミッ
クス１の表面に形或されたメタライズ層、３はＮｉ金属
である。

本発明においては、まずセラミックス１の表面に、Ａｇ
−　Ｃｕ−Ｔｉ系金属、例えばＡｇ７１％、Ｃｕ２７％
、Ｔｉ　２％の配合組成の合金粉末を塗布し、８５０℃
の真空中で３０分間、加熱処理するなどしてメタライズ
処理を施し、メタライズ層２を形成する。このメタライ
ズ処理は活性金属メタライズ法として従来より知られて
いる方法であり、ＡＩ２　０３，Ｚｒ０２などの酸化物
系セラミックス、ｓｔ３Ｎ４，ＡｊｌＮ，ＢＮ等の窒化
物系セラミックス、ＳｉＣ等の炭化物系セラミックス等
に適用できる。

前記メタライズ層２が形成されたら、そのメタライズ層
２にＮＩ金属３を接触せしめ、真空、或いは不活性ガス
雰囲気中で、しかも６５０〜９００℃の温度範囲で、加
熱処理する。この加熱処理によって前記Ｎｉ金属３は、
前記メタライズ層２内に拡散・浸透する。この結果メタ
ライズ層２は接合強度や熱サイクル性等の熱間強度特性
に優れたものとなる。

本発明におけるＮｉ金属３は、後述する熱応力緩衝材と
して機能するのではなく、前述したメタライズ層２と接
して加熱処理され、メタライズ層２自体の接合強度を高
くし、しかも熱間特性に優れたメタライズ層組織に改質
することを目的とするものである。そのため熱応力緩衝
材のような厚い板である必要はなく、数坤の厚みでかつ
メタライズ層２の全面を必ずしも被覆する必要がない。

従って、本発明ではメタライズ層２に接触させるＮｉ金
属は種々の形状のもの、例えば、箔状、板状或いは粉末
状のＮｉ金属が使用でき、加熱処理方法に最も適した形
状のものを選択してメタライズ層２に接触させて加熱処
理すればよい。しかし、熱処理後のメタライズ層２に接
触させたＮｉ金属３が完全に密着していないと以後のろ
う付け工程で完全なろう付けが不可能となるので、メタ
ライズ層表面に、数一程度の厚みのＮｉメッキを施し、
しかる後、加熱処理する方法がメタライズの作業性やメ
タライズ層の改質反応の面から効果的である。

また、加熱処理は、前述したように真空中あるいは不活
性ガス中で８５０℃以上９００℃以下の温度範囲で行わ
れる。このように加熱処理条件に制約を設けている理由
は、真空あるいは不活性ガス雰囲気以外ではメタライズ
層２が酸化して以後のろう付け工程に支障をきたすため
であり、６５０℃以下の温度ではＮｉ金属の拡散があま
り進行せずメタライズ層２の前述した改質が進まないた
めである。逆に上限の９００℃を越えると予め施してあ
る活性金属によるメタライズ層２から金属成分が蒸発し
、メタライズ層２の組織が変化し、後工程での金属との
良好な接合体が得られなくなる。加熱処理時間は特に限
定するものではないが、あまり短いとＮｉ金属３の拡散
が進行せず、メタライズ層２の改質が進まない。本発明
者らの経験では約ｌＯ分程度の処理時間があれば充分で
あった。

Ｎｉ金属を接触させての加熱処理は、前述したようにＮ
ｉをメタライズ層２内に拡散させ、メタライズ層組織の
改質を図ることを目的とするものであり、この目的は金
属とのろう付けと並行して実施することでも違戊するこ
とが可能である。

即ち、メタライズ層を形威したセラミックスと金属を接
合するにあたり、例えば周知の炉中ろう付け時に、前記
金属とセラミックスのメタライズ面の間にＮｉ板、また
はＮＩ箔あるいはＮｉ粉末等のＮｆ金属を配してろう付
けを行うことにより、メタライズ層内にＮｉを拡散・浸
透させつつろう付け接合を同時に実施することが可能で
ある。

第２図は、本発明に基づいて製造されたセラミックスと
金属との接合体の一例を示す断面図である。

図において５が金属であり、この金属５とメタライズ層
２が形成されたセラミックス１との間には、例えば銀ろ
う等のろう材６　ａ．．　６　ｂにサンドイッチされた
熱応力緩衝材４が介在されている。

この熱応力緩衝材４は、０．５〜１．０＋ａｍ程度の厚
さの銅板等で構或されでおり、少なくとも前記メタライ
ズ層２に接する側の表面にＮｉメッキ層３ａが形成され
ている。而して第２図に示されるように金属５上に、ろ
う材６ｂ，Ｎｉメッキ層３ａが形成された熱応力緩衝材
４、ろう材６ａ，およびメタライズ層２を有するセラミ
ックス１が順次積層し、次いでこの状態で、真空、或い
は不活性ガス雰囲気の炉中等で、６５０〜９００℃の温
度で加熱することによってメタライズ層２内にＮｉを拡
散・浸透させつつろう付け接合を同時に実施することが
できる。

尚、前記第２図の例では、熱応力緩衝材４にＮｉ金属を
メッキ層として介在させたが、ろう材６ａにＮｉメッキ
層を形成すること、或いはメタライズ層２と熱応力緩衝
材４の間にＮｉ金属箔や、Ｎｉ金属板等を介在させるこ
とでも同様な効果が得られる。

本発明において活性金属によるメタライズ処理と、メタ
ライズ層表面にＮｉ金属を接触させての加熱処理とを２
段階に分けて実施するのは、予めＮｉ金属を活性金属を
含むＡｇ−Ｃｕ系金属と一緒にメタライズ処理を行った
場合に生じる問題、つまりＮｉがＴｉと選択的に合金相
を形成してセラミックスと接合能を発揮するに必要なＴ
ｉを消費しその結果接合強度を低下させることを防止す
るためである。

（作　　用） 前述したような問題を有する活性金属によるメタライズ
方法において、本発明は、予めセラミックス表面に、Ａ
ｇ−　Ｃｕ−　Ｔｉ系金属によるメタライズ処理を施し
、メタライズ層を形威した後、このメタライズ層にＮｉ
金属を接触させて加熱処理を行うだけの簡単な操作でメ
タライズ層中のＴｉの賦存状態を著しく変化させること
により常温接合強度だけでなく、熱間接合強度が高く、
耐熱サイクル性に優れたメタライズ層を形成させること
に成功したものである。

（実　施　例） 実施例　１ 純度９２％のＡｊｌ’２０ｉセラミックス（２０Ｘ２０
Ｘ４　＊ｔａ　ｔ　）の表面に、Ｔｉ５ｖｔ％を含むＢ
Ａｇ−８相当組成の混合金属粉末（−　３２５ａ＋ｅｓ
ｈ）をスクリーンオイルで混練して調製したペーストを
１００ａ＋ｅｓｈのスクリーンで、１［１０ｍｇ印刷塗
布し、真空乾燥した後、１０〜’Ｔｏｒｒ．　８４０℃
の真空炉中で３０分間、加熱処理してメタライズ処理を
施した。このメタライズ層表面に、スクリーンオイルで
混練して調製したＮｉ金属粉末ペースト２５ｍｇを、３
００ｓｅｓｈのスクリーンで印刷、塗布し、真空乾燥さ
せた後、８４０℃のＡｒガス雰囲気炉中で３０分間加熱
処理を行った。

塗布したＮｉ金属粉末がメタライズ層と一体化したこと
を確認した後、このセラミックスの前記メタライズ層と
ＳＳ４１ｊＭ片の間に、銅熱応力緩衝材（２０ｘ　２０
ｘ　Ｏ．５　ｔ　）の上下にＢＡｇ−８の板ろうを介し
て積層し８５０℃のＡｒガス雰囲気炉中で、３０分間、
加熱してろう付けした。このようにしてろう付けした接
合体と、前述したＮｉ金属粉末ペーストの塗布、および
その後の工程を行わない従来の活性金属法でメタライズ
したセラミックスを同一条件でろう付けした比較接合体
との熱間特性を調査した。

第３図は、その調査結果の一例であり、●が本発明によ
るセラミックスと金属との接合体の熱間接合強度を、Ｏ
が比較材の熱間接合強度を示すものである。この第３図
から明らかなように、本発明に基づく接合体の常温接合
強度は、比較材の常温接合強度９８ＭＰａよりも約１．
５倍高い１４８ＭＰａの接合強度が得られ、熱間でも著
しく高い接合強度を示している。更に、この接合体を室
温と４００℃の間で１００回熱サイクルテストを行った
後、接合強度を比較したところ本発明の接合体には接合
強度の低下はほとんど観察されなかったが、比較材では
テスト前の強度の１／２に低下し、本発明が常温接合強
度のみならず熱間接合強度や耐熱サイクル特性に優れた
メタライズ方法であることが確認できた。

実施例　２ 実施例１と同じ条件でメタライズ処理を施したセラミッ
クスを、前述した第２図に示すように予め３ｐの厚みの
Ｎｉメッキを施した銅熱応力緩衝材（２０Ｘ２０ｘＯ．
５ｔ）の上下間にＢＡｇ−８の板ろうを介して、ＳＳ４
１鋼片に積層し８４０℃のＡ『ガス気流の炉中に挿入し
て３０分間、加熱してろう付けした。並行して、同じ条
件で、Ｎｉメッキを施していないＣｕ緩衝材を使用して
製作した接合体を比較材として熱間特性を比較した。得
られた接合体の強度特性は、前記実施例１で製造した本
発明に基づく接合体の特性と殆ど同じであった。

実施例　３ Ｓｔ，Ｎ．セラミックス（２０ｘ２０ｘ４關ｔ）の表面
に、実施例１の仕様と同じＴ１５ｗｔ％を含むＢＡｇ−
８相当組戊の混合金属粉末ペーストをスクリーン印刷し
、真空乾燥した後、１０””Ｔｏｒｒ，８５０℃の真空
炉中で３０ｍＩｎ加熱処理してメタライズ処理した。冷
却後、炉外に取り出したＳｉ３Ｎ４セラミックスをＮｉ
無電解メッキ液に投入して、メタライズ層表面に約３坤
厚みのＮｉメッキを施し、再度８５０℃の真空炉中で３
０ｍｉｎ加熱処理した。

こうしてメタライズしたセラミックスを銅熱応力緩衝材
（２０Ｘ２０Ｘ０．５ｔ）の上下にＢＡｇ−１の板ろう
材を挿入しＳＳ４１鋼片上に積層させセラミックスの無
処理面より高周波加熱コイルを接近させ、大気中で約３
０秒加熱してろう付けを行った。

並行して同じ条件で製作したＮｉメッキなしメタライズ
セラミックスの接合体の接合強度を比較した。本発明の
接合体の常温接合強度は１２５ＭＰａであり、比較材の
接合強度は７２ＭＰａより著しく高かった。また、この
接合体を室温と４５０℃の間で５０回熱サイクルテスト
を行った後、その接合強度を比較したところ本発明の接
合体の接合強度は７５ＭＰａまで低下したが、比較材で
はテスト中にほとんどの接合体が破壊し強度測定ができ
ず、本発明の有用性が確認された。

（発明の効果） 本発明によれば、Ｔ１等の活性金属を用いてセラミック
スをメタライズする方法において、活性金属メタライズ
層にＮｉ金属を介在させて加熱処理するだけの簡単な工
程で常温接合強度や熱間強度が高く、かつ耐熱サイクル
性に優れたメタライズセラミックスならびにセラミック
ス金属接合体を得ることができ工業的に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本構或を示す断面構造図、第２図
は、本発明に基づいて製造されたセラミックスと金属と
の接合体の一例を示す断面図である。 第３図は、本発明に基づく接合体と比較材の熱間強度の
調査結果の一例を示す図表である。 １：セラミックス ３：Ｎｉ金属 ４：熱応力緩衝材 ６ａ，６ｂ：ろう材 ２：メタライズ層 ３ａ：Ｎｉメッキ層 ５：金属

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス表面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系金属によ
   るメタライズ処理を施し、メタライズ層を形成した後、
   前記メタライズ層にＮｉ金属を接触せしめ、真空、或い
   は不活性ガス雰囲気中、６５０〜９００℃の温度で加熱
   処理し、前記メタライズ層内にＮｉを拡散させることを
   特徴とするセラミックスのメタライズ方法。
2. （２）Ｎｉ金属がメタライズ層表面に施されたＮｉメッ
   キであることを特徴とする請求項第１項記載のメタライ
   ズ方法。
3. （３）セラミックス表面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系金属によ
   るメタライズ処理を施しメタライズ層を形成した後、該
   セラミックスを金属に接合するにあたり、前記メタライ
   ズ層と金属間に、上下にろう材が貼着され、さらに前記
   メタライズ層と接する表面にＮｉメッキ層を有する熱応
   力緩衝材を介在せしめ、しかる後真空、或いは不活性ガ
   ス雰囲気中、８５０〜９００℃の温度で、１０分以上加
   熱し接合することを特徴とするセラミックスと金属の接
   合方法。