JPH0312372A - セラミックスと金属の接合構造 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明はセラミックスと金属の接合構造に係り、特に熱
遮蔽用部材に好適なセラミックスと金属の接合構造に関
する。

［従来の技術］ 従来、金属にセラミックスを接合する方法としては、第
３図に示す如く、母材金属１１の表面に、大型のセラミ
ックス板１２をろう付け、固相接合、あるいは接着剤に
より接合する方法がある。

また、第４図に示す如く、セラミックス１２と母材金属
１１との間に適当な応力緩和用のインサートメタル１３
を介在させると同時にセラミックス板を小片に分割する
場合もある。インサートメタル１３としては、線膨張係
数がセラミックスに近い材質のもの、あるいは軟質金属
等が用いられている。

しかしながら、第３図に示す方法では、使用時における
セラミックス板１２内部の温度勾配により発生する熱応
力やセラミックス板１２と母材金属１１との熱膨張係数
の差に起因する熱応力によりセラミックス板１２に亀裂
が入ったり、著しい場合にはセラミックス板１２が破損
したりするという問題があった。

第４図に示すインサートメタル１３を用いる方法では、
このような問題はある程度軽減されるものの、使用時に
おける表面と裏面の温度差に起因するセラミックス１２
の自由変形を依然として拘束しているため、接合部分や
セラミックス内部に多大な応力がかかり、やはり、セラ
ミックスの亀裂発生や剥離等の問題が生じていた。

このような問題を解決するものとして、本出願人は、第
５図に示す如く、縁部がセラミックス１２側から母材金
属１１側へ向けてセラミックス１２の縁部よりも徐々に
後退しているインサートメタル１３Ａを介してセラミッ
クス１２と母材金属１１とを接合した構造を先に提案し
た（特開昭６４−６５０７８号、以下「先願Ｉ」という
。）。

また、本出願人は、上記先願Ｉよりも更に熱応力の発生
を抑えた接合構造として第６図に示す如く、セラミック
ス１２の周縁側でかつ母材金属１１と接する側の部分１
３Ｂ°はインサートメタルの他の部分１３Ｂよりも線膨
張係数が大きい材質で構成されたインサートメタル１３
を介してセラミックス１２と母材金属１１とを接合した
構造を提案した（特願昭６２−２９３００９号。以下「
先願ＩＩ　Ｊという。）。

［発明が解決しようとする課題］ 先願ＩＩの構造によれば、優れた効果が達成されるが、
前述の如く、熱遮蔽を目的として母材金属に接合したセ
ラミックスでは、表面が高温、接合面（裏面）が低温で
あるため、いかなる接合構造をとろうとも、程度の差は
あるがその温度差等に起因する熱応力が発生することは
避けられないものである。従って、セラミックスを熱遮
蔽用部材として用いる場合、こうした熱応力の発生を極
力抑え、また、母材金属とセラミックスの接合時に発生
する接合残留応力をより一層低減させることが部品の信
頼性を向上させる上で必要である。

本発明は上記実情に鑑みなされたものであって、加熱時
のセラミックスの熱変形による熱応力の発生をより一層
低減させると共に、接合残留応力もより一層低下させた
セラミックスと金属との接合構造を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段コ 本発明のセラミックスと金属との接合構造は、インサー
トメタルを介してセラミックス板を金属に接合した構造
であって、金属とインサートメタル、インサートメタル
とセラミックス板はそれぞれろう付けしてある接合構造
において、該インサートメタルは、線膨張係数の異なる
２種の金属で構成され、セラミックス板と接する側に設
けられた薄板の第１の層と、金属と接する側でかつセラ
ミックス板の周縁部分に沿って設けられた中央部を空洞
とした第２の層と、で構成されることを特徴とする。

［作用］ 本発明の接合構造では、インサートメタルは、線膨張係
数の異なる２種の金属で構成され、セラミックス板と接
する側に設けられた薄板の第１の層と、金属と接する側
でかつセラミックス板の周縁部分に沿って設けられた中
央部を空洞とした第２の層とで構成される。

このように、２種の材質よりなるインサートメタルを用
いることにより、セラミックスと母材金属との線膨張係
数の差に起因する接合残留応力を大幅に低下させること
ができる。

また、インサートメタルの第２の層は、セラミックス板
の周縁部分に沿って設けられており、中央部は空洞とさ
れているため、加熱時のセラミックス板の熱変形が効果
的に許容され、熱応力の発生が低減される。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

第１図は本発明のセラミックスと金属の接合構造の一実
施例を示す断面図であって、本発明の接合構造を採用し
た排気弁の一部断面斜視図である第２図の１部の拡大図
に相当する。

本実施例のセラミックスと金属の接合構造は、インサー
トメタル２を介してセラミックス板１を相手方部材の母
材金属３に、各部材間をろう付けにより接合した構造で
ある。このインサートメタル２は、セラミックス板１と
接する側に設けられた該セラミックスよりも線膨張係数
の大きい材質よりなる薄い第１の層２Ａと、金属と接す
る側でかつセラミックス板の周縁部分に沿って設けられ
た該セラミックスよりも線膨張係数の小さい材質よりな
る第２の層２Ｂとで構成されている。

本発明において、セラミックスが一般に熱遮蔽用セラミ
ックスとして広く用いられているジルコニアである場合
には、第１の層２Ａを構成する材料としては、母材金属
と同一材質のもの、例えば５ＵＨ３合金等を使用するの
が好ましい。

また、第２の層２Ｂを構成する材料としては、セラミッ
クス板１の熱膨張係数にできるだけ近い熱膨張係数を有
するもので、なおかつヤング率が小さく変形能の大きな
材料が好ましく、チタンなどを用いることができる。

このような材料で構成されるインサートメタル２の厚さ
は、十分な熱応力緩和効果、残留応力低減効果が得られ
るように、各部材の材質、大きさ等に応じて適宜決定さ
れる。

例えば、第１図及び第２図に示すような構造において、
セラミックス板１の平面形状が１０．４ｍｍＸ　１２ｍ
ｍの六角形状であり、厚ざＴが６．５ｍｍである場合に
おいて、インサートメタル２の第１の層２Ａの厚さ１＋
は０．２〜０．３ｍｍ程度、第２の層２Ｂの厚さｔ２は
２〜３ｍｍ程度とするのが好ましい。また、第２の層２
Ｂを形成する周縁部分の幅Ｗ＋は１，５〜２．５ｍｍ程
度であることが好ましく、結果的に幅Ｗ２が７〜８ｍｍ
程度の空洞４が形成されることが好ましい。しかし、中
央部の空洞の形状を外縁に合わせ六角形状とする必要は
必ずしもなく、加工の容易な直径７〜８ｍｍ程度の円形
でも充分その効果は達せられる。

本発明の接合構造は、それぞれ所定形状に成形した前記
各層２Ａ、２Ｂ間にろう材を配してインサート材２とし
、このインサート材２と母材金属３、インサート材２と
セラミックス板１との間にもろう材を配し、所定温度に
加熱してろう付接合することにより形成することができ
る。

本発明において、セラミックスの種類は何ら限定される
ものではなく、ＺｒＯ２系以外に、ＡＪ２２０３系など
各種の酸化物セラミックス、Ｓｉ３Ｎ＋等の窒化物セラ
ミックス、ＳｉＣ等の炭化物セラミックス、その他サイ
アロン、はう化物、珪化物などのセラミックスに対して
も適切な線膨張係数を持ったインサートメタルを選定す
ることにより適用可能である。

また、セラミックス１の大きさについても特に制限はな
く、接合構造の全体構造や使用目的、接合する部材材質
等に応じて決定される。

このようなセラミックスと接合される相手方部材の金属
としても特に制限はなく、本発明によればセラミックス
板１との熱膨張係数の差が大きい金属母材にも十分に通
用することができる。

本発明において、セラミックス板１同志の間隙ｄは、セ
ラミックス板１の熱膨張代を確保できる範囲においてな
るべく小さくするのが好適である。

以上の説明では、平面状の金属表面にセラミックスを接
合した構造について説明したが、本発明の接合構造は曲
面状構造にも十分に適用すること５ができる。

なお、第２図に示す排気弁において、下記仕様にて本発
明の接合構造を実施し、大型試験機関による運転試験を
実施したところ、セラミックスの破損、剥離等の問題も
なく、断熱性、耐久性、安全性、信頼性の高い排気弁が
提供されることが確認された。

セラミックス板： 材　買＝ジルコニア（多孔質体） 大きさ＝平面形状１０．４ｍｍＸ１２ｍｍの六角形状、
厚さ６．５ｍｍ セラミックス板同志の間隙ｄ：０．２ｍｍ母材金属：　
５ＵＨ３ インサートメタル： 第１の層−５ＵＨ３，厚さｔ＋　０．３ｍｍ第２の層雪
チタン、厚さｔ２２．５ｍｍ中央部の空洞−Ｗ２φ７．
５ｍｍ 以下、本発明の効果の一例を、有限要素法を用いた熱応
力解析結果により説明する。

計算を行なった接合構造は、次のケースＡ−Ｇである。

［ケースＡ］ 第３図に示す従来の接合構造であってインサートメタル
を使用しない大型セラミックス貼付は型。

［ケースＢ］ 第５図に示す先願Ｉの接合構造であって、縁部が後退し
ているチタン製インサートメタル１３Ａを用いた小型セ
ラミックス貼付は型。

［ケースＣコ 第７図に示す接合構造であって、チタン製インサートメ
タル１３Ｃを用いた埋め込み型。

［ケースＤ］ 第８図に示す接合構造であって、チタン製インサートメ
タル１３Ｄを用いた半埋め込み型。

［ケースＥ］ 第９図に示す接合構造であって、チタン１３ｅと５ＵＨ
３１３ｅ’　　との複合インサートメタル１３Ｅを用い
た半埋め込み型。

［ケースＦ］ 第１０図に示す接合構造であって、チタン製インサート
メタル１３Ｆの空洞部に黒鉛１４を充填した半埋め込み
型。

［ケースＧ］ 第１１図に示す本発明の接合構造であって、チタン１３
ｇとＳυＨ３１３ｅ’　との複合インサートメタル１３
Ｇを用いた中央空洞型。

なお、第７図〜第１１図において、１１は母材金属を、
１２はセラミックスを示す。ケースＡ〜Ｇのいずれにお
いても、セラミックスとしては多孔質ジルコニアを用い
、母材金属としては５ＵＨ３を用いた場合である。

ここでは計算簡略化のため、後述の１個の接合片を取り
出して計算モデルとした。

計算では、第１表に示した各材料の物性値を用いた。

第１表　計算に用いた物性値 また、加熱、冷却の条件は、 加熱側：周囲温度　Ｔｌ−９５０℃ 熱伝達率　α重−０．０２６５ ｃ　ａ　１１　／　ｃ　ｍ”　／　ｓ　ｅ　ｃ　／　”
Ｃ側　面：断熱 冷却側二周囲温度　Ｔ　２　＝　２５０℃熱伝達率　α
２＝０．０６９４ ｃ　ａ　１１　／　ｃ　ｒｎ”　／　ｓ　ｅ　ｃ　／　
’Ｃとし、セラミックス、インサートメタル、母材金属
の接合温度は７００℃とした。

第１８図（ａ）、（ｂ）は以上の計算条件のもとに、有
限要素法によりセラミックス内に発生する最大圧縮応力
及び最大引張応力を算出した結果を示すグラフである。

なお、ケースＡについては外周付近を除けばほぼ無限の
大きさの解析結果に等しくなる直径１００ｍｍの円柱で
計算を行ない、ケースＢＮＧについては、それぞれ第１
２図〜第１７図に示す計算モデルを採用した。第１８図
（ａ）、（ｂ）には、接合時に発生する応力と運転時に
発生する加熱時応力を合わせて示しである。また、図中
ｂ−ｃ、ａ等で示した記号はその応力の発生場所を示す
ものであり、第１２図〜第１７図に示した位置と対応す
る。またｂ−ｃは点すと点Ｃの間でその応力が発生する
ことを示す。

第１８図（ａ）、（ｂ）より次のことが明らかである。

即ち、ケースＡの「大型セラミックス貼付は接合構造」
ではセラミックスの破壊に大きな影響を及ぼす引張り応
力は小さいが、セラミックス表面部の圧縮応力が他の接
合構造に比べ極端に大きく、これが表面の剥離をもたら
すため、実用部品としては不適切である。

これに対し、他の接合構造では、主として接合界面に最
大の引張・圧縮応力が発生するが、その値はいずれの接
合構造においても小さなものとなっており、実用部品と
してほぼ適当であると考えられる。

しかし、ジルコニアは高温になるに従い強度が低下する
特性があるので、接合構造の選定条件としては加熱時の
引張応力が小さいこと、多孔質セラミックスの圧縮強度
は、これまでの試験結果から経験的に、引張強度の３倍
程度と見積もってよいことなどを勘案するとケースＦの
「黒鉛充填生埋め込み型接合構造」又はケースＧの「中
央空洞型複合インサートメタル接合構造ｊなどが実用部
品の接合構造として最も適当であると考えられ、特に、
引張応力の小さい本発明に係るケースＧが最適である。

以上の結果から、本発明の接合構造であれば、熱応力に
よる、セラミックスの亀裂発生や剥離を効果的に防止す
ることができることが明らかである。

［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明のセラミックスと金属の接合
構造は、２種の材質よりなるインサートメタルを用いる
ことによりセラミックスと金属との線膨張係数の差に起
因する接合残留応力の発生を大幅に低下させると共に、
インサートメタル中央の空洞により、加熱時のセラミッ
クスの熱変形を許容し、セラミックスの内部に発生する
熱応力を有効に緩和する。このため、熱応力によるセラ
ミックスの亀裂、破損、剥離の問題を解消することがで
きる。

本発明のセラミックスと金属の接合構造は、熱遮蔽板や
、その他高温構造部材等の高温度環境で使用される高強
度部材に通用することにより、熱応力によるセラミック
スの破損、剥離等を防止して、耐久性、安全性、信頼性
の高い部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミックスと金属の接合構造の一実
施例を示す断面図、第２図は本発明の接合構造を採用し
た排気弁の一部断面斜視図、第３図、第４図、第５図及
び第６図は従来の接合構造を示す断面図、第７図、第８
図、第９図及び第１０図は他の接合構造を示す断面図、
第１１図は本発明の接合構造を示す断面図、第１２図、
第１３図、第１４図、第１５図、第１６図及び第１７図
はそれぞれケースＢ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの計算モデル
を示す断面図、第１８図（ａ）（ｂ）は応力計算結果を
示すグラフである。 １・・・セラミックス板、２・・・インサートメタル、
３・・・母材金属。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）インサートメタルを介してセラミックス板を金属
   に接合した構造であって、金属とインサートメタル、イ
   ンサートメタルとセラミックス板はそれぞれろう付けし
   てある接合構造において、該インサートメタルは、線膨
   張係数の異なる２種の金属で構成され、セラミックス板
   と接する側に設けられた薄板の第１の層と、 金属と接する側でかつセラミックス板の周縁部分に沿っ
   て設けられた中央部を空洞とした第２の層と、 で構成されることを特徴とするセラミックスと金属の接
   合構造。