JPH03247573A - セラミックスと金属材料との接合方法 - 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】

本発明は、セラミックスと金属材料とを強固に接合する
方法に関する。

【従来の技術】

セラミックスは、耐摩耗性、耐熱性等に優れているもの
の、靭性に劣る。そのため、セラミックス単体を製品と
して取り扱うとき、ｍれや欠損等が発生し易い。　そこ
で、この欠点を解消するため、たとえば靭性に優れた鯛
等の金属材料を補強材とし、これにセラミックスを接合
した複合材料として使用することが知られている。 ところで、鉄網等の金属材料にセラミックスを接合する
とき、セラミックスと金属材料との間の物質拡散が充分
に行われず、良好な接合強度で両者を接合することがで
きないのが現状である。また、両者の熱膨張率に相違が
あるため、接合界面に熱応力が発生し易い。そのため、
接合体の界面に亀裂が発生する。 接合時に亀裂が発生しないまでも、接合体を長期間保持
しておくと、熱応力に起因した亀裂、変形等が生じ、ま
た場合によっては接合界面に腐食開始点が形成されるこ
とになる。この傾向は、加熱冷却が繰り返し加えられる
雰囲気で接合体を使用するとき、特に顕著に現れる。

【発明が解決しようとする１１題） たとえば、金属材料とセラミックスとを接合する代表的
な方法として、アルミニウムやチタン等の活性金属箔を
インサートとして使用する方法、銀系合金等をろう材と
して使用する方法等が知られているが、これらインサー
ト、ろう材等で形成される中間層は金属材料やセラミッ
クスに比較して耐熱性に劣り、結果的に接合体の耐熱特
性を低下させる原因となる。また、接合界面に脆い化合
物層が形成され易く、耐熱性や接合強度の点で充分なも
のではなかった。 また、セラミックスと金属材料との間で拡散を行わせて
両者を直接接合する方法も知られている。 しかし、セラミックス中の原子はイオン結合或いは共有
結合によって相互に結合されているのに対し、金属材料
中の原子は金属結合によって結合されている。そのため
、界面における結合鎖を充分に成長させることができず
、大きな接合強度を得ることができない。しかも、高温
使用雰囲気で熱応力が接合界面に発生することを避ける
ことができず、接合界面に亀裂や剥離等が生じ、接合強
度が著しく低下する。 そこで、本発明は、接合しようとするセラミックスに対
して馴染み性が良好な化合物層を金属材料の接合面に予
め形成し、この化合物層を介してセラミックスと金属材
料とを接合することによって、耐熱性、接合強度等に優
れ、且つ接合界面における熱歪を極力低減したセラミッ
クス−金属材料接合体を得ることを目的とする。 ［１ｉ題を解決するための手段］ 本発明の接合方法は、この目的を達成するため、金属材
料の表面に酸化物、炭化物、窒化物等の化合物層を形成
し、該化合物層を介して前記金属材料をセラミックスと
拡散接合することを特徴とする。 【作　　　用１ 本発明においては、接合に先立ち、セラミックスと同種
又は異種の化合物層を金属材料の表面に分散させる。こ
の化合物層は、金属材料の接合端面から垂直な方向に延
び、一定の深さにわたって化合物と金属組織とが層状に
重なっている。このように表面改質された金属材料とセ
ラミックスとを接合するとき、接合強度及び耐熱性に優
れたセラミックス−金属材料接合体が得られる。 金属材料の表面に化合物層を形成する手段としては、た
とえばＣｒｙ　　Ｖ＋　　Ｔｉ、　　Ｎｂ等を含有する
鉄鋼材料をはじめ、各種金属材料に対する浸炭処理、Ｃ
ｒ、Ａｊ！等を含有する鉄鋼材料に対する内部窒化、Ａ
　Ｌ　　Ｃｒｔ　　Ｓ　ｘ等を含有する鉄鋼材料や各種
合金に対する内部酸化等の各種の方法が知られている。 これらの方法によって形成された化合物層は、マトリッ
クスに対して非常に強固に密着しており、また耐熱性も
優れている。 本発明では、この化合物層をセラミックスとの接合に利
用するものである。すなわち、金属材料の表面に、接合
しようとするセラミックスに対する馴染み性が良好な化
合物層を形成し、この化合物層とセラミックスとの間で
接合を行う。これによって、金属材料とセラミックスと
の密着性が向上する。なお、本件明細書では、化合物が
分散している層、化合物とマトリックスとが共析してい
る層等を総称して化合物層と称している。 馴染み性が良好なセラミックスと化合物層との組合せの
例としては、Ｆｅ−Ｔｉ合金に浸炭した場合に生じるＴ
ｉＣ化合物とＴｉＣ系セラミックス、Ｆｅ−ＡＪ！合金
を内部窒化した場合に生じるＡｉＮ化合物層とＡｊ！Ｎ
系セラミックス、Ｆｅ　−Ａ１合金を内部酸化した場合
に生じるＡ　ｊ！　２０３化合物層とＡｌ２Ｏ３系セラ
ミックス等が挙げられる。 また、化合物層の形成によって、金属材料の表面部分に
おける熱膨張率がセラミックスの熱膨張率に近くなり、
接合界面の熱膨張差が小さくなる。 その結果、接合界面に発生する熱応力も非常に小さく、
熱応力に起因した亀裂や剥離等の欠陥が接合界面に発生
することが防止される。 【実　施　例】 以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。 実施例１ 炭化物形成傾向の強い元素を含有する鉄鋼材料に浸炭処
理を施し、次いでこの鉄鋼材料をセラミックスと接合し
た。 本実施例で使用した供試材は、電解鉄、電解クロム、フ
ェロバナジウム、フェロチタン、フェロモリブデンを原
料として高周波炉により真空中で溶製したものを、熱間
鍛造した後、　１０００℃で１時間焼鈍し、８ｍｍ角に
切り出したものである。 この供試材を、活性炭及びＮａ２Ｃｏ３２０重量％を充
填した浸炭箱に埋め込み、電気炉中で加熱し、厚さ約２
　ｍ　ｍの浸炭層を形成した。この浸炭層は、供試材が
Ｆｅ−２０Ｖ合金の供試材Ｎｏ、１では炭化物分散相で
あり、他の供試材ではすべて炭化物とオーステナイト相
との共析組織であった。 浸炭処理された供試材に、セラミックスとしてＴｉＣを
拡散接合した。接合時に、加圧力を３０〜４０Ｋｇ／ｍ
ｒｎ２に維持した。また、接合温度は、供試材中の炭化
物の安定性を考慮して、浸炭温度よりも５０〜ｌｏｏ”
ｃ低い温度に設定した。なお、接合に際しては、供試材
をセラミックスに直接接合する方法、及びインサートと
してチタン箔を介在させて接合する方法の２通りを採用
した。 セラミックスが接合された供試材を室温で剪断試験し、
接合状態を調べた。 以上の接合条件及び試験結果を、第１表に示す。 なあ、第１表には、浸炭処理を施さずに、同様な供試材
をセラミックスに接合した場合を比較例として掲げてい
る。 １層１表から明らかなように、浸炭処理を施した供試材
にあっては、何れも９８　Ｍ　Ｐ　ａ以上の接合強度が
得られている。これに対し、浸炭処理を施さない比較例
にあっては、接合強度は５０ＭＰａ前後であり、浸炭処
理による表面改質効果が顕著に認められる。 また、本実施例で得られた接合体の場合、破断箇所はほ
とんどセラミックス部分となっており、接合部の結合力
がセラミックス強度を上回っていることを示している。 実施例２ ２％Ａｌ含有鋼を供試材とし、これを窒素雰囲気で１０
００℃に１０時間加熱して吸窒させ、表面に厚み約２ｍ
ｍのＡＩＮ層を形成させた。この窒化処理された供試材
とＡＩＮとを、実施例１と同様な条件下で拡散接合した
。 接合された試験片を剪断試験したところ、この場合も実
施例１と同様に破断箇所はセラミックス部分であった。 実施例３ ２％Ａ１含有鋼を供試材とし、これを酸素４０％十窒素
６０％雰囲気で１０００℃に１０時間加熱して酸化させ
、供試材の表面に厚み約２ｍｍのＡ　ｊ！　２０３層を
形成した。この酸化処理した供試材を、実施例１と同様
な条件下でアルミナに接合した。 接合された試験片を剪断試験したところ、破断箇所はセ
ラミックス部分であった。 なお、以上の実施例１〜３においては、供試材として鋼
を使用している。しかし、本発明はこれに拘束されるも
のではなく、合金鋼、ニッケル合金、クロム合金、銅合
金、チタン合金等の各種の金属材料に対しても同様に適
用することができる。 また、金属材料表面に形成される化合物層としても、接
合されるセラミックスと馴染みのよい酸化物、炭化物、
窒化物等の化合物層を選択することができる。これら化
合物層は、気相、固相、塩浴等の適宜の方法によって形
成される。他方、接合されるセラミックスとしては、Ｔ
ｉＮ、ＴｉＣ。 アルミナ、ジルコニア、窒化珪素等の種々のものが使用
可能であり、本発明はこれら材料の如何によって制約を
受けるものではない。

【発明の効果】

以上に説明したように、本発明においては、セラミック
スと接合しようとする金属材料の表面に予め浸炭、窒化
、酸化等の処理を施して化合物層を形成し、この化合物
層を介して金属材料とセラミックスを接合している。そ
のため、化合物層とセラミックスとの馴染みがよく、接
合時に両者の間で充分な拡散が行われ、強固な接合部を
得ることが可能となる。このようにして得られたセラミ
ックス−金属接合体は、耐熱性、耐摩耗性、耐久性等に
優れた部品、ライナー等として使用することができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属材料の表面に酸化物、炭化物、窒化物等の化合物層
   を形成し、該化合物層を介して前記金属材料をセラミッ
   クスと拡散接合することを特徴とするセラミックスと金
   属材料との接合方法。