JPH0350167A - セラミック部品と金属部品との加圧接合方法 - 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、セラミ・ツク部品と金属部品の接合構造に
関するものである。

［従来の技術］ 一般に、セラミックスは金属に比べて熱膨張係数が小さ
いので、高温で使用したりあるいは熱サイクルを受ける
セラミック部品と金属部品の接合構造においては、両者
の接合界面に生じる熱応力を緩和することが必１となる
。このための手段としては、両者の間に中間の熱膨張係
数を有する材料を介在させたり、両者の接合界面に軟質
金属を介在させたり、金属部品をアルミニウムのような
軟質金属で構成したりすることが知られている。

また、かかるセラミック部品と金属部品の接合構造は、
エンジン部品やナトリウムを熱媒体とする熱交換器の７
リング部に利用される０例えば、このフランジ部におい
ては、第５図に示すようにアルミナ製のリング１により
アルミニウム製配管側金具３とアルミニウム製熱交換器
側金具５とが電気的に絶縁状態で結合され、前記アルミ
ナリング１と熱交換器側金具５及び配管側金具３とはＡ
ＪＩ製ろう材しての中間接合リング２．４を介して接合
される。この場合、前記配管側金具３の下側及び熱交換
器側金具５の上側には、熱応力緩衝を目的とした他部分
は接合されていなかった。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記従来のフランジ部の接合構造においては
、室温と例えば３５０℃の高温との間で繰り返し熱サイ
クルを受けると、前述したようにアルミナリング１と熱
交換器側金具５との熱膨張率の違いにより、両者の接合
界面付近に熱応力が発生し、この熱応力により接合界面
の局部的剥離が生じて、接合界面の気密性が低下し熱交
換器の耐久性が低下するという問題があった。

この発明の目的は、セラミック部品と金属部品との間の
接合界面に熱サイクルが作用した場合に、接合界面に発
生する熱応力を緩和し、接合界面の耐剥離強度を向上す
ることができるセラミック部品と金属部品の接合構造を
提供することにある。

［Ｉ原題を解決するための手段］ この発明は上記目的を達成するため、セラミ・ツク部品
と金属部品を接合し、該金属部品の前記セラミック部品
の少なくとも一つの反対側表面に該セラミック部品と同
材質の熱応力緩衝セラミック部品を接合するという手段
をとっている。

この場合に、前記熱応力緩衝セラミック部品の厚さを前
記金属部品の厚さと同じかそれ以上にするとよい。

［作用］ この発明は、金属部品のセラミック部品との接合面の反
対側表面に熱応力緩衝セラミック部品を接合して固定し
たので、これらの部品が繰り返し熱サイクルを受けた場
合に、熱膨張の大きい金属部品の熱膨張を、熱膨張の小
さい熱応力［衝セラミック部品で抑制する。このためセ
ラミック部品と金属部品との接合界面に発生する熱応力
が効果的に緩和され、セラミック部品と金属部品の接合
界面の接合強度ならびに接合界面の気密性が長期にわた
り安定して保持される。

［実施例］ 以下、この発明を具体化した一実施例を第１〜第４図に
基づいて説明する。

第１．２図に示すようにセラミック部品としてのα−ア
ルミナよりなるリング１の下端面１ａおよび上端面１ｂ
には、ろう材としてのＡｊ−３ｔ合金製の中間接合リン
グ２及び４を介して、金属部材としてのＡｊ製製管管側
金具３びＡ１製熱交換器側金具５のフランジ部３ａ及び
５ａが後に詳述する加圧ろう付は方法で固定されている
。前記配管側金具３のランジ部３ａ下面及び前記熱交換
器側金具５のフランジ部５ａ上部には、同じくろう材と
してのＡＪＩ合金製の中間接合リング６．８を介して前
記アルミナリング１を形成するα−アルミナと同材質の
熱応力緩衝セラミック部品としての熱応力［ｆｆセラミ
ックリング７．９が、後に詳述する加圧ろう付は方法で
固定されている。

この実施例では、アルミナリング１として純度９９．９
ｗｔ％以上のα−アルミナを使用し、熱交換器側金具５
及び配管側金具３として、表１記載の組成を有するＪＩ
Ｓ−Ａ３００３あるいはＪＩＳ−Ａ６０６１を使用して
いる。これらのＡｊ金合金は、微量の不可避な不純物が
含まれている。

また、熱応力緩衝セラミックリング７．９としては、前
記アルミナリング１と同材質のα−アルミナを使用した
。

（以下余白） 表１ さらに、前記中間接合リング２，４，６．８は、Ａｊを
主成分とし、Ｓ　ｉ　：　６〜ｌ　３ｗｔ％、Ｍｇ：３
．０ｗｔ％以下、その他不可避な不純物を含む合金によ
り形成されている。この中間接合リング２．４．６．８
の材料として、各種の市販アルミニウムろうが使用でき
るが、Ａｊ−３ｉ　−Ｍｇ系ろうであるＪ　Ｉ　５−Ｂ
Ａ４００４あるいはＢＡ４００４を皮材とし、Ａ３００
３を芯材とするプレージングシート（Ｊ　Ｉ　５−ＢＡ
Ｉ　８ＰＣ）の使用が好ましい。

次に、第３図及び第４図に基づいてアルミナリング１と
配管側金具３及び熱交換器側金具５、さらに熱応力［［
ｒセラミックリング７．９などの加圧ろう付は方法につ
いて説明する。

第３図に示すように、加熱装置（図示路）内において、
アルミナリング１の上下両端面にＡｊ−３ｌ−Ｍｇ系合
金からなる中間接合リング４．２を介して熱交換器側金
具５と配管側金具３を当接し、さらに配管側金具３の下
面にはＡｊ−３ｉ−Ｍｇ系合金からなる中間接合リング
６を介して熱応力緩衝セラミックリング７を当接し、熱
交換器側金具５の上面にはＡｊ−３１−Ｍｇ系合金から
なる中間接合リング８を介して熱応力緩衝セラミックリ
ング９を当接した状態で、該熱応力緩衝セラミックリン
グ７．９の表面を加圧治具１０゜１１により挾持する。

この状態で加熱装置内部を排気して真空状態にするとと
もに、第４図に示すように、６００℃まで加熱し、次に
６００℃で所定時間保持して被ろう付は郡全体の温度を
均一にしたのち、約２℃／ｍｉｎの降温速度で温度を低
下させ、温度が５８０℃に達した時点で０．５ｋｇｆ／
ＩＩＩ”の圧力を加圧治具１０．１１により加え、温度
が５２０℃に達するまで加圧状態をそのまま維持し、そ
の後温度が４００″Ｃまで低下したら、４００℃で所定
時間保持して焼きなましを行なったのち冷却させる。こ
の加圧は中間接合リングを構成する金属材料の液相線温
度と同相線温度の間の温度で開始し、同相線以下の温度
まで継続する。

この場合の加圧力は、０　、０５　ｋ（Ｉｆ／ｉ１１”
〜２．０ｋｏｆ／ｎｎ２であれば接合強度に差は生じな
い。

このようにしてアルミナリング１に加圧ろうｒｔけされ
た熱交換器側金具５及び配管側金具３には、それぞれ熱
応力緩衝セラミックリング９．７が接合されているため
、室温と高温（３５０℃）との間の熱サイクルを繰り返
し与えても、接合界面の剥離は起こらない。なお、セラ
ミック部品と金属部品の接合界面に発生する熱応力は、
前述の如く、両部品を構成するセラミック材料と金属材
料の熱膨張係数の違いに起因して、接合温度からの冷却
途中で発生するとともに、該熱応力の大きさは、金属部
品の形状によって大きく変化する。従って、上記熱応力
緩衝セラミックリングの接合は、セラミック部品と金属
部品の接合界面のうち、接合界面の特性を劣化させるよ
うな大きさの熱応力が発生ずる接合界面に対してのみ行
うだけでよい場合もある６例えば、第３図に示した接合
構造においては、第２図に示した要部の分解斜視図から
明らかな如く、熱交換器側金具５と配管ｎ１金具３とは
形状が異なり、熱交換Ｈ側合具５とアルミナリング１と
の接合界面に発生ずる熱応力の方が、配管側金具３とア
ルミナリング１との接合界面に発生する熱応力より大き
くなる。従って、第３図の接合構造においては、使用条
件または熱サイクル条件によっては、熱交換器側金具５
のアルミナリング１との接合界面の反対側表面にのみ熱
応力ｙｉ街セラミックリング９を接合し、配管側金具３
とアルミナリング１との接合界面の反対側表面に上記熱
応力緩衝セラミックリング７を接合しない構造としても
よい。

次に、この発明の別の実施例（実施例２）を説明する。

この実施例では、中間接合リング２．４，６゜８の材質
を純度９９．９ｗｔ％以上の純アルミニウムとするとと
もに、熱交換器側金具５及び配管側金具３をアルミニウ
ム合金（ＪＩＳ−Ａ３００３）で製造し、前記実施例と
同じ形状のｉｇ４逍木を構成したのち、前記実施例と同
じ加熱装置を使用して、６００℃まで加熱して所定時間
保持したのち、２　、　Ｏｋｇｆ／ｖｗ２の圧力を加圧
治具１０．１１により加え、その後温度を４００℃まで
低下させ、４００℃で所定の焼きなましを行ってから冷
却した。この実施例では、接合が中間接合リングである
純アルミニウムの融点（６６０℃）以下の温度で達成さ
れており、いわゆる固相接合により中間接合リングと各
部品の接合がなされていることになる。

次に、この発明のさらに別の実施例（実施例３）を説明
する。

この実施例では、中間接合リング２，４．６゜８の材質
を実施例１と同じアルミニウム合金とし、熱交換器側金
具５及び配管側金具３を炭素鋼で製造し、前記実施例１
と同じ形状の構造体を構成したのち、前記実施例１と同
じ方法で接合した。

一方、従来例として、上記実施例と同じ材料からなる部
品を組合せ、熱応力ｔｉｉｔｉセラミックリング７．９
がない接合体を生成した。

これらの各種実施例と従来例の接合体について、室温と
３５０℃の間の温度における熱サイクル試験を行い、接
合部の気密性の劣化の有無をヘリウムリーク試験で検査
した結果を表２に示″°じた；表２から明らかな如く、
本発明の実施例１では、熱サイクルの繰り返し数が３０
０回までは、ヘリウムリークの発生頻度は０であった。

また、本発明の実施例２では熱サイクルの繰り返し数４
００回までは、ヘリウムリークの発生頻度は０であった
。

さらにまた、本発明の実施例３でも、熱サイクルの繰り
返し数が３００回までは、ヘリウムリークの発生頻度は
０であった。これに対し、本発明の実施例と同じ材質の
部品を組合せ、該実施例と熱応力Ｍ衝セラミックリング
のない点だけが興なる従来例１〜３の内、従来例１と２
においては１００回熱サイクルで５細巾１個がヘリウム
リークを生じた。また、従来例３においては、５０回の
熱サイクルで５細巾１個がヘリウムリークを生じた。

表２ 表２の結果から明らかな如く、本発明の実施例の方が従
来例より耐熱サイクル性が優れていることが判る。

なお、この発明は、前述した熱交換器以外の例えば、電
子管部品、エンジン部品などにおいて、繰り返し熱サイ
クルを受けるセラミック部品と金属部品との接合構造に
具体化することもできる。

この発明を構成する金属部品は少なくとも炭素鋼、ステ
ンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅ならび
に調合°金よりなる群から選ばれた一種の金属材料で構
成することが好ましく、アルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金などの軟質金属とするのがより好ましい、さら
に、これらの金属材料に耐食性あるいは耐摩耗性を付与
するために、表面に被覆層が設けられている材料も本発
明に含まれるものとする。

また、この発明を構成するセラミック部品はアルミナ、
ジルコニア、窒化珪素ならびに炭化珪素よりなる群から
忍ばれた一種のセラミック材料とするのが好ましい。

さらにまた、本発明のセラミック部品と金属部品との接
合構造において、熱応力緩衝セラミックリング７．９を
必ずしも前記セラミック部品と同材質とする必要はなく
、材質が近似し、かつ熱膨張係数がほぼ等しいものであ
れば異なる材質のものもこの発明に含まれるものとする
。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明はセラミック部品と金属
部品との接合部の熱応力を熱応力［ｉｒセラミック部品
により抑制して、接合部の強度を保持し耐熱サイクル特
性を向上することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を熱交換器側金具及び配管側金具の接
合１ｉｎｔｓ具体化した一実施例を示す要部の断面図、
第２図は要部の分解斜視図、第３図は要部の構造を説明
するための要部の断面図、第４図は加圧ろう付は方法を
示すグラフ、第５図は従来例を示す断面図である。 １・・・セラミック部品としてのアルミナリング、２．
４．６．８・・・中間接合リング、３・・・金属部品と
しての熱交換器側金具、７．９・・・熱応力［ｒセラミ
ック部品としての熱応力緩衝セラミックリング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック部品と金属部品を接合し、該金属部品の
   前記セラミック部品の少なくとも一つの反対側表面に該
   セラミック部品とほぼ同材質の熱応力緩衝セラミック部
   品を接合したことを特徴とするセラミック部品と金属部
   品の接合構造。 ２、請求項１において、金属部品が炭素鋼、ステンレス
   鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅ならびに銅合
   金よりなる群から選ばれた少なくとも一種の金属で構成
   されているセラミック部品と金属部品の接合構造。 ３、請求項１において、金属部品がアルミニウムあるい
   はアルミニウム合金からなっているセラミック部品と金
   属部品の接合構造。 ４、請求項１において、前記熱応力緩衝セラミック部品
   の厚さを金属部品の厚さよりも大きくしたセラミック部
   品と金属部品の接合構造。