JPH0367986B2 - - Google Patents

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JPH0367986B2
JPH0367986B2 JP58238818A JP23881883A JPH0367986B2 JP H0367986 B2 JPH0367986 B2 JP H0367986B2 JP 58238818 A JP58238818 A JP 58238818A JP 23881883 A JP23881883 A JP 23881883A JP H0367986 B2 JPH0367986 B2 JP H0367986B2
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oxide
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セラミツクと金属の接合方法に関す
る。
従来、セラミツクと金属の接合方法として、(1)
接着剤法、(2)メタライジング法、(3)溶射法等が知
られているが、それぞれ次のような欠点がある。
(1) 接着剤法は最も簡便な方法であるが、高温に
おける接着強度が低い。
(2) メタライジング法はMo、Mo−Mn等のMo
系金属粉末をセラミツク上に裁置し、加湿雰囲
気中で加熱してメタライジングし、その上に
Niメツキを施した後、ろう付で金属と接合す
る方法などがあるが、セラミツクの種類によつ
て適用がむづかしい欠点がある。また、メタラ
イジング温度が高いため、セラミツクに冷却時
大きな熱応力がかかり、割れが発生しやすい欠
点がある。
(3) 溶射法はセラミツク粉末を溶融し、金属に吹
きつけて接着させる方法であるが、接合強度が
低く、セラミツクが多孔質になるという欠点が
ある。
このように、従来法では、接合強度が十分でな
く、セラミツクに割れが発生しやすいことや、適
用セラミツク材質に制限がある等多くの欠点があ
る。
本発明は、斯る欠点を解消するためになされた
もので、Al2O3、ZrO2等酸化物系セラミツクと金
属の接合において、該セラミツクに、Cu2O、
NiO、SiO2、FeO、AgO、Al2O3、MoO、TiO2、
ZnO、AuO、Cr2O3、CoO、ZrO2、TaO、WO2、
NbO、MgO、CaO、Y2O3のいずれか１つと、
Cu、Ni、Si、Fe、Ag、Al、Mo、Ti、Zn、Au、
Cr、Co、Zr、Ta、Ｗ、Nb、Mgのいずれか１つ
を混合した複合インサートをイオンプレーテイン
グ又は溶射で密着固定した後、加熱反応促進処理
してセラミツクと複合インサートを冶金的結合さ
せ、次いで該インサート面と前記接合金属とを拡
散溶接又はろう付することを特徴とするセラミツ
クと金属の接合法に関するものである。
本発明方法によれば、イオンプレーテイングや
溶射法により複合インサート剤をセラミツクに密
着させ、また静水圧加熱処理（以下、HIP）等を
含む加熱反応促進処理を行うことにより、複雑な
継手形状の接合を容易に行うことができ、また接
合強度に優れ、かつセラミツクに割れを発生せ
ず、セラミツクと金属を接合することができる。
本発明方法は、抄紙機、射出成形機、その他各
種機器の製造に適用できる。
第１図は本発明方法の一実施例態様例を工程順
に示す図である。
図中、１はAl2O3、ZrO2等酸化物系セラミツ
ク、２は接合金属、３は酸化物＋金属の複合イン
サート剤（酸化物はCu2O、NiO、SiO2、FeO、
AgO、Al2O3、MoO、TiO2、ZnO、AuO、
Cr2O3、CoO、ZrO2、TaO、WO2、NbO、
MgO、CaO、Y2O3のいずれか１つ、金属はCu、
Ni、Si、Fe、Ag、Al、Mo、Ti、Zn、Au、Cr、
Co、Zr、Ta、Ｗ、Nb、Mgのいずれか１つで、
金属を５重量％以上含有する。）、４はインサート
材の融点より低融点のろう材（ハンダ、Alろう、
Agろう、Cuろう、Niろう等）である。
先ず、第１図Ａにおいてセラミツク１上に複合
インサート材３をイオンプレーテイグまたは溶射
等により固定する（工程Ａ）。次いでサブアセン
ブリを第１図Ｂにおいて加熱反応促進処理したあ
と（工程Ｂ）、接合金属２と拡散溶接する（工程
Ｃ）か、あるいは第１図Ｄのようにろう付４する
（工程Ｄ）。
工程Ａのイオンプレーテイングは、次のように
して行う。
(1) 酸化物が複合インサート材構成金属の酸化物
の場合（例えばCu2O＋Cu、Al2O3＋Al、SiO2
＋Si、MgO＋Mg、CaO＋Ca、Y2O3＋Ｙ…等） （第１の方法） るつぼに複合インサート構成金属（例えば
Cu、Al、Si、Mg、Ca、Ｙ…他）を挿入し、
溶解蒸発せしめて行うが、その際、雰囲気を高
真空雰囲気と酸素雰囲気を交番させて行う（原
則として初層は酸素雰囲気、最終層は真空雰囲
気）。即ち、真空雰囲気では金属が、酸素雰囲
気では金属が酸化された酸化物となり、セラミ
ツク上に酸化物＋金属（Cu2O＋Cu、Al2O3＋
Al、…）の積層構造の複合インサートが密着
固定される。
（第２の方法） るつぼに複合インサート構成金属（例えば
Cu、Al、Si、Mg、Ca、Ｙ…他）を挿入し、
溶解蒸発せしめて行うが、その際、真空排気
後、一定の酸素量を室内に流入し、加熱蒸発し
た金属の一部を酸化させ、所定量の比率をもつ
た酸化＋金属（Cu2O＋Cu、Al2O3＋Al…）の
複合インサート材がセラミツク上に密着固定さ
る。
(2) 酸化物が複合インサート材構成金属の酸化物
ではない場合（例えばCu2O＋Ni、Al2O3＋Ni、
Al2O＋Cu…等） るつぼ２個用い、一方に酸化物とする金属
（例えばCu、Al…他）、他方に複合インサート
構成金属（例えばNi、Cu…他）を入れ、溶解
蒸発せしてめ行う。その際、雰囲気を酸素雰囲
気と高真空雰囲気を交番させて行う（原則とし
ては初層は酸素雰囲気、最終層は真空雰囲気）。
即ち、真空雰意気で複合インサート構成金属
（例えばNi、Cu…他）を、酸素雰囲気で酸化物
とする金属（例えばCu、Al…他）を溶解蒸発
せしめると、前者で金属（例えばNi、Cu…
他）、後者で酸化物（例えばCu2O、Al2O3…
他）がイオンプレーテイングされ、セラミツク
上に酸化物＋金属（Cu2O＋Ni、Al2O3＋Ni、
Al2O3＋Cu…等）積層構造の複合インサート材
が密着固定される。
一方、溶射の場合は、プラズマ溶射等を採用す
るが、その際、酸化物粉末と金属粉末の混合粉末
を非酸化雰囲気中で溶射し、セラミツク上に上記
の酸化物＋金属の複合インサート材３が密着固定
される。
また、工程Ｂの加熱反応促進処理は、イオンプ
レーテイングまたは溶射された複合インサート材
３とセラミツク１の接合強度を上昇させるために
行うもので、複合インサート材の融点（インサー
ト材を構成する酸化物、金属、および両者の共晶
のうち、最も低い融点が複合インサート材の融点
となる）の1/3以上の温度（上限は複合インサー
ト材の融点）で、不活性ガスまたは真空中で５分
以上加熱するか、またはHIP処理を行つても良
く、その際は上記温度、時間でAr等のガス圧を
負荷する。
尚、温度をインサート材の融点の1/3以上とし
たのは、これ以下では複合インサート材とセラミ
ツクの接合反応が極めて緩やかで長時間の処理が
必要となり、工業的に好まくないためである。上
限はインサート材が溶融すると流出してしまうた
め、その防止の点より複合インサート材の融点未
満としている。処理時間を５分以上としたのは、
５分以下では複合インサート材とセラミツクの接
合が不十分であるためである。
次に、工程Ｃの拡散溶接であるが、複合インサ
ート材３と接合金属２と対向させて真空又は不活
性ガス雰囲気中で加熱加圧して両者を接合する。
接合温度は上述の複合インサート材の融点および
接合金属の融点のいずれか低い方の融点以下と
し、下限は複合インサート材の金属成分および接
合金属のいずれか融点の低い方の材料の再結晶温
度以上とする。又、加圧力は５Kg／mm2以下とし、
接合時間は５時間以内とする。加圧力の上限を５
Kg／mm2としたのは、これ以上の圧力を負荷する
と、一次元加圧のため偏加圧を発生しやすく、脆
いセラミツクに割れが発生しやすいためである。
接合時間を５時間以内としたのは接合は当該時間
内で完了するので、これ以上では経済面をはじと
して工業的に無駄であるためである。
又、工程Ｄのろう材４であるが、インサート材
３の融点より低融点のろう材を用い、インサート
材３と接合金属２をろう付する。低融点のろう材
を用いるのは、ろう材施工時にセラミツク１と接
合金属２間の熱膨脹係数差により発生する熱応力
を小さくし、セラミツクの割れを防止するためで
ある。
また、上述のように、複合インサート材におい
て金属成分を５重量％以上としたのは、これ以下
では金属成分が少なくなりすぎ、接合金属との接
合性が低下すると共に、インサート材自身の延性
がなくなりインサート材に割れが発生しやすくな
るためである。なお、酸化物の含有量が１重量％
以下になるとセラミツクへの接合性が劣化するた
め、金属の上限は99重量％とする。
セラミツク１と接合金属２が熱膨脹係数におい
て差が大きいときは、セラミツクの熱膨脹係数に
近いFe−Ni合金、Fe−Ni−Co合金を接合金属２
に予め拡散溶接や爆着等で接合しておき、セラミ
ツク１に発生する熱応力を低減せしめて、その割
れ発生を阻止することもできる。
さらに、上記の工程Ｄにおいて、Cuろう付４
を行う場合、相対側金属が鋼、ステンレス鋼（接
合金属）、Fe−Ni、Fe−Ni、Fe−Ni−Co合金
（中間挿入材）の場合には、これらの金属にしん
ちゆう割れが発生しやすいため、これらの金属に
Niメツキや、拡散溶接又は爆着にてNiコーテイ
ングして、これを阻止することもできる。
以上詳述した本発明方法による作用効果を以下
に説明する。
(1) Al2O3、ZrO2等の酸化物系セラミツクと金属
は物質構造が異なるため（Al2O3、ZrO2等酸化
物系セラミツクはイオン結合が主体、金属は金
属結合）、その結合は極めて困難を伴う。また、
もう一つの問題点はAl2O3、ZrO2等が靭性に乏
しいため、仮に接合しても発生する熱応力で
Al2O3、ZrO2に割れを発生しやすい点にある。
本発明は、インサート材として酸化物＋金属
のいわゆるサーメツトを用いることにより、複
合インサート中の酸化物成分がAl2O3、ZrO2等
の酸化物系セラミツクとすぐれた冶金的接合性
を示し、金属成分が接合金属と良好に接合す
る。
即ち、インサート材中の酸化物はセラミツク
と同様に酸化物であることにより、互いに酸化
物反応（例えば、セラミツクがAl2O3インサー
ト材中の酸化物がCu2Oの場合、Cu2O＋Al2O3
→2CuAlO2なるCuAlO2生成反応）をおこし、
強固に接合する。
そして、インサート材中の金属成分は接合金
属と同じ金属であることにより、基本的に拡散
接合又はろう付で良好な接合ができる。
一方、酸化物＋金属の複合インサートはサー
メツト状態となり、その熱膨系数は多くの場
合、複合インサート材の構成金属の熱膨脹係数
より小さくなり、小さな熱膨脹係数を有する
Al2O3、ZrO2等の熱膨脹係数に近づく。なお、
参考のために一部の材質の熱張脹係数を次に示
す。
Al2O3…７×10-6／℃ ZrO2…８×10-6／℃ Cu…17×10-6／℃ Ni…13×10-6／℃ Si…５×10-6／℃ Fe…12×10-6／℃ Ag…20×10-6／℃ Al…24×10-6／℃ Mo…６×10-6／℃ Ti…９×10-6／℃ 即ち、Al2O3、ZrO2等にイオンプレーテイン
グもしくは溶射したあと、次工程（工程Ｂ）で
加熱反応促進処理した時の冷却過程でAl2O3、
ZrO2とインサート材間に熱膨脹係数差が大き
いと、大きな熱応力を発生し、Al2O3、ZrO2の
割れ発生確立が非常に高いが、本発明に係る複
合インサートは上述の如くその構成金属の単に
インサート材とした時に比べ、熱膨脹係数が低
くなるため、Al2O3、ZrO2の上記割れ発生防止
に大きな効果がある。
また、本発明に係るインサート材は強度の高
いCu2O等の酸化物（Cu2O等の酸化物も一種の
セラミツク）と金属のサーメツトとなつている
ため、インサート材の強度が高くなり、継手強
度も上昇する。
(2) 本発明は、本複合インサート材を先ずイオン
プレーテイング又は溶射等によりセラミツクに
密着させるが、イオンプレーテイング、溶射等
を採用することにより、セラミツクの形状が如
何に複雑でもこれに本インサート材を密着固定
することができる（箔等では困難）。
(3) 本発明は、次いで加熱反応促進処理（前述し
た加熱処理又はHIP処理）を行うが、これによ
り、下記の作用効果がある。
作用効果(1)で述べた如く、Al2O3、ZrO2の
酸化物系セラミツクとインサート材中の
Cu2Oが高温加熱により酸化物反応が促進さ
れ、冶金的接合が成就する。
又、HIP処理を行う際は、圧力負荷により
インサート材のセラミツク界面での微少ボイ
ド（イオンプレーテイング又は溶射時に生成
する微少ボイド）をクリープ変形および塑性
変形で消滅させ、接合性をより高める。
セラミツクの形状が如何に複雑でも、本処
理が可能で本インサート材をセラミツクに冶
金的に強固に接合しうる。
HIP処理の場合においては、高温でガス圧
が３次元に均等にかかるため、セラミツク形
状が如何に複雑でも施工が可能で、良好な接
合を行いうる利点を持つ。また、加圧が３次
元にかゝるため、セラミツクの割れ発生の懸
念が全くないという長所もある。
(4) 次いで、加熱反応促進処理されたサブアセン
ブリのインサート材と接合金属を拡散溶接（工
程Ｃ）又はろう付（工程Ｄ）して接合を完了す
るが、この際の作用効果として以下の事項が挙
げられる。
インサート材中の金属成分と接合金属はい
ずれも金属であり、当然ながら金属間の溶接
は基本的に極めてすぐれており、拡散溶接、
ろう付で良好な継手を形成することができ
る。
一般に、セラミツク１と接合金属２は、両
者の熱膨脹係数差により、接合後の冷却過程
で発生する熱応力でセラミツクに割れを発生
しやすい。
そこで本発明ではセラミツク１と接合金属２
間の熱膨脹係数差が大きい時、熱膨脹係数がセ
ラミツク１に近いFe−Ni合金、Fe−Ni−Co合
金、Fe−Cr合金を予め接合金属２に接合して
おくことにより、セラミツク１に発生する熱応
力を減少させ、その割れ発生に対し極めて有効
に対処できる。
以上のように、本発明方法は、酸化物＋金属の
複合インサート材を用いること、該インサート材
と金属とセラミツクの接合前にイオンプレーテイ
ング又は溶射により密着させ、かつ加熱反応促進
処理で強固に固定した後、最終的にインサート材
と接合金属拡散溶接又はろう付で接合を完了せし
めることにより、セラミツクと金属の平面重ね継
手溶接はもとより、スリープ継手溶接、金属円筒
の内外面へのセラミツク溶接ほか複雑な接合を可
能とするものであり、継手性能は高接合強度とセ
ラミツクに割れを発生しないという効果を奏し得
るものである。
実施例 １ 板厚２mmのAl2O3にCu2O＋Cu（重量比で
Cu2O50％、Cu50％）を25μイオンプレーテイン
グしたあと、真空雰囲気で温度1000℃、時間１時
間の加熱反応処理を行つた。
次いで、接合金属である板厚３mmのSS41板を
Cu2O＋Cu面と対向させ、真空雰囲気中で、温度
900℃、加圧力0.5Kg／mm2、接合時間１時間で拡散
溶接した。
その結果、Al2O3に割れ発生がなく、全面に亘
つて非接合部のない良好な継手が得られた。
実施例 ２ 板厚２mmのZrO2にCu2＋Ni（重量比でCu2O60
％、Ni40％）を100μプラズマ容射したあと、Ar
雰囲気で温度1100℃、処理時間30分の加熱反応処
理を行つた。
次いで、接合金属である板厚５mmの13Cr鋼板
をCu2O＋Ni面と対向させ、真空雰囲気中で、温
度900℃、加圧力1.0Kg／mm2、接合時間１時間で拡
散溶接した。
その結果、ZrO2に割れ発生がなく、全面に亘
つて非接合部のない良好な継手が得られた。
実施例 ３ 10mmφ×20mm長さのAl2O3丸棒に、その外面に
Cu2O＋Cu（重量比でCu2O40％、Cu60％）を25μ
イオンプレーテイングしたあと、Ar雰囲気中で、
温度1000℃、Arガス圧15Kg／mm2、処理時間30分
でHIP処理による加熱反応処理を行つた。
次いで接合金属である内系10.26mmφ、外径
16.25mmφ、長さ20mmのSS41円筒にペースト状Ag
ろうを塗布した前記Al2O3丸棒を挿入し、ろう付
温度850℃、雰囲気Ar、ろう付時間５分でろう付
した。
その結果、Al2O3に割れ発生がなく、円筒継手
全面に亘つて非接合部のない良好な継手が得られ
た。
実施例 ４ 板厚３mmのAl2O3にCu2O＋Cu（重量比で
Cu2O50％、Cu50％）を30μイオンプレーテイン
グしたあと、Ar雰囲気中で、温度1000℃、Arガ
ス圧15Kg／mm2、処理時間30分でHIP処理による加
熱反応処理を行つた。
次いで、予め３mm厚のコバールを拡散溶接した
板厚５mmのSUS304をCu2O＋Cu面と対向させ、
Cu2O＋Cuとコバール間にAgろうを挿入し、Ar
雰囲気で、ろう付温度850℃、ろう付時間５分で
ろう付した。
その結果、Al2O3に割れ発生がなく、全面に亘
つて非接合部のない良好ない継手が得られた。
実施例 ５ 板厚３mmのZrO2にCu2O＋Al（重量比でCu2O50
％、Al50％）を25μイオンプレーテイングしたあ
と、Ar雰囲気中で、温度600℃、Arガス圧５
Kg／mm2、処理時間30分でHIP処理による加熱反応
処理を行つた。
次いで、接合金属である板厚５mmのAl板を
Cu2O＋Al面と対向させ、その間をAl−Siろうを
用い、ろう付温度600℃、ろう付時間５分、雰囲
気真空中で、ろう付した。
その結果、ZrO2に割れ発生がなく、全面に亘
つて非接合部のない良好な継手が得られた。
実施例 ６ 板厚２mmのAl2O3にAl2O3＋Ni（重量比で
Al2O330％、Ni70％）を10μイオンプレーテイン
グしたあと、真空雰囲気で1200℃、時間１時間の
加熱反応処理を行つた。
次いで、接合金属の板厚５mmのSS41板をAl2O3
＋Ni面と対向させ、真空雰囲気中で温度900℃、
加圧力１Kg／mm2、接合時間１時間で拡散溶接し
た。
その結果、Al2O3に割れ発生がなく、全面に亘
つて非接合部のない良好な継手が得られた。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明方法の一実施態様例を工程順に
示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ Al2O3、ZrO2等酸化物系セラミツクと金属の
    接合において、該セラミツクに、Cu2O、NiO、
    SiO2、FeO、AgO、Al2O3、MoO、TiO2、ZnO、
    AuO、Cr2O3、CoO、ZrO2、TaO、WO2、NbO、
    MgO、CaO、Y2O3のいずれか１つと、Cu、Ni、
    Si、Fe、Ag、Al、Mo、Ti、Zn、Au、Cr、Co、
    Zr、Ta、Ｗ、Nb、Mgのいずれか１つを混合し
    た複合インサートをイオンプレーテイング又は溶
    射で密着固定した後、加熱反応促進処理してセラ
    ミツクと複合インサートを冶金的結合させ、次い
    で該インサート面と前記接合金属とを拡散溶接又
    はろう付することを特徴とするセラミツクと金属
    の接合法。
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