JPH0468264B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、金属とセラミツクスとが接合され
てなる金属−セラミツクス接合部材に関するもの
である。

〔従来の技術〕

周知のように、摩耗や熱作用を頻繁に受ける金
属部品（金属母材）に対しては、一部にセラミツ
クスを用いて部品の耐摩耗性耐熱性の向上を図る
手段がとられている。

従来、上記のような金属−セラミツクス接合部
材は、第５図に示すように、金属母材１とセラミ
ツクス２とを金属中間層３を介して接合一体化し
たものであつた。この接合部材の接合方法として
は、主に次の３つの方法が用いられている。ま
ず、第１の方法は、セラミツクス２の接合面に予
め30〜60μm程度の厚みの金属薄層（メタライジ
ング層）を形成しておき、このセラミツクス２に
前記金属中間層３をロウ付するとともに、この金
属中間層３を金属母材１にロウ付する方法であ
る。また、第２の方法は、金属母材１の接合面に
は金属用のロウ材を塗布するとともに、セラミツ
クス２にはメタライズ用のロウ材を塗布し、これ
らの間に金属中間層３を介装し、これらを加熱す
ることによつてロウ付、一体化する方法である。
そして、第３の方法は、金属母材１とセラミツク
ス２との間に金属中間層３を介装し、これら３者
を加圧下で加熱し、金属中間層３をそれぞれ金属
母材１およびセラミツクス２中に拡散させ、接合
する方法である。

上記金属中間層３としては、Cu，Al，Niや、
またはAg等の貴金属、そして、これら単体金属
を含んでなる軟質合金、また、Fe・Ni・Co合
金、Fe・Ni合金、Ｗ，Mo等の合金あるいは単体
の低熱膨張金属が使用されている。

上記接合構造において、接合強度はセラミツク
ス２と金属中間層３との接合面積に比例すること
が知られている。また、金属母材１とセラミツク
ス２との間にかかる応力を緩和するためには、金
属中間層３としてはある程度以上の厚みが必要で
あるが、金属中間層３自体の伸縮に伴なう変形力
のセラミツクス２への影響を考える場合、この金
属中間層３の厚みは薄い方が好ましいことにな
る。従つて、現状において、セラミツクス２に直
接接合しているメタライジング層などは上記した
ように30〜60μm程度の薄さに形成されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記従来の金属−セラミツクス接合
部材には、下記のような問題点があり、その解決
が望まれている。

すなわち、上記接合部材においては、第６図に
示すように、通常は接合強度を上げるためにセラ
ミツクス２の接合側の面２ａにおける接合面のほ
ぼ全域を覆うように金属中間層３を形成し、接合
している。ところが、このような構造において
は、例えば熱膨張率の大きい金属母材１の冷却収
縮に伴つて金属中間層３にかかる引張り応力は、
図中矢印のように各辺の中央ないし接合面中央に
向つて働くことになり、その結果、金属中間層３
の角部Ｃ…に最も大きな引張り応力が働く。その
ため、引張り応力に対して弱いセラミツクス２
は、上記角部Ｃに相当する部分に応力集中が生じ
てクラツクが発生し、剥離してしまうことがしば
しば発生している。

これに対し、第７図に示すように、応力集中を
避けるために接合部分４に角部をつくらないよう
に金属中間層３の形状を円板状とする構造が考え
られる。しかし、例えば、Al₂O₃の熱膨張率は7.8
×10^-6，SiN₄のそれは４×10^-6であり、鋼材のそ
れは14〜17×10^-6というように、金属母材の熱膨
張率はセラミツクスの２〜４倍もあるため、角部
のない接合面の採用によつて接合面積をある程度
減少して、換言すれば接合強度をある程度犠牲に
して行なう上記改良構造においても、第８図に示
すように、経時的に接合部分の外周に沿つてセラ
ミツクス２にクラツクが発生し、終には剥離して
しまうという劣化現象を避けることができない。
特に、金属母材が外部からの熱や機械的外力を受
け、大きな変形を伴う場合は、一層セラミツクス
に力が加わり、クラツクが発生しやすい。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
その目的は金属母材の熱的伸縮や外力に伴う変形
力がセラミツクスにかかるのを減少させ、それに
よりセラミツクスのクラツクを減少させ、製品の
信頼性の向上および高寿命化を図ることのできる
金属−セラミツクス接合部材を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

この発明に係る金属−セラミツクス接合部材
は、金属中間層の中間またはこの金属中間層と金
属母材との間に金属母材の熱的伸縮あるいは外力
による変形力を吸収する緩衝金属層を介装し、一
体化されていることを特徴とするものである。

上記緩衝金属層としては、金属をメツシユ状、
くし歯状、束線状などの伸縮形状にしたものが採
用される。なお、束線状とは、ワイヤ状部材を間
欠的または連続的に間隔を置いて配列した構造体
を示すものである。

上記構成の本発明接合部材によれば、金属母材
に生じる強い伸縮に伴う変形力は、金属母材に直
接または金属中間層を介して一体化されている緩
衝金属層により吸収もしくは軽減され、セラミツ
クスへの負荷を軽減するので、接合されたセラミ
ツクスにおけるクラツクなどの劣化を減少させ
る。

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明
する。

〔実施例 １〜３〕 実施例１は、第１図に示すように、くし歯を有
する板状金属を緩衝金属層５としたもので、この
緩衝金属層５が金属母材１に接合されている金属
中間層３ａと、セラミツクス２に接合されている
金属中間層３ｂとにロウ付されてなるものであ
る。

実施例２は、第２図に示すように、上記実施例
１のくし歯状の緩衝金属層５のかわりにワイヤを
所定間隔を置いた束線状部材を緩衝金属層６とし
たものであり、上記実施例１同様にこの緩衝金属
層６は金属中間層３ａ，３ｂにロウ付されてなる
ものである。

実施例３は、第３図に示すように、上記各緩衝
金属層５または６のかわりに金属製のメツシユを
緩衝金属層７としたものであり、この緩衝金属層
７は金属中間層３ａ，３ｂにロウ付されている。

上記各実施例構造によれば、各緩衝金属層５，
６，７は伸縮変形に富んだ形状を有しているの
で、接合後の温度変化に伴つて金属母材に大きな
伸縮力が働いても上記伸縮形状化した緩衝金属層
５，６，７の変形によりその力が吸収されてしま
い、セラミツクス２に影響を及ぼすことがなくな
る。

なお、上記各実施例構造においては、各緩衝金
属層を金属中間層間に介装する構造としたが、金
属母材−緩衝金属層間には少々の応力が発生して
も材質上支障ないので、金属中間層を介さずに直
接ロウ付してもよい。

次に、この発明の作用効果を定量的に確認する
ために行なつた実施例を示す。

〔実験例 １〕 実施例３の構造において、30mm×60mm、厚み５
mmの鋼板を金属母材１とし、15mm×30mm、厚み５
mmのアルミナ焼結体をセラミツクス２とし、金属
中間層３ａ，３ｂとして15mm×30mm、厚み１mmの
銅板を使い、緩衝金属層７として銅製の30mm×15
mm、厚み１mm、メツシユが200の多孔板（メツシ
ユ状部材）を使用して接合一体化した製品（本発
明品）を作製した。

この製品に対し、上記同様の金属母材および被
覆セラミツクスを使い、金属中間層として30mm×
15mm、厚み２mmの銅板を使い、従来の接合構造と
なるように接合一体化し、比較品とした。

そして、20℃から100℃／分で500℃まで昇温
し、その後500℃で30分間保持、つづいて100℃／
分で20℃まで降温し、20℃で30分間保持の一続き
を１サイクルとする熱サイクルテストに上記本発
明品および比較品をかけて各々の常温における引
張り剪断強度変化を測定した。その結果、第４図
に示すように本発明品は150回の熱サイクルにか
けた後も強度低下が少なく、本発明の信頼性の高
さを確認することができた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、金属
母材の熱的伸縮や外力に伴う変形力がセラミツク
スにかかるのを減少させ、それによりセラミツク
スにおけるクラツクの発生を減少させ、製品の信
頼性の向上および高寿命化を図つた金属とセラミ
ツクスとの接合製品を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、順次この発明の第１な
いし第３の実施例を示すもので、各々この発明の
接合部材を示す断面図、第４図は本発明品と比較
品とを熱サイクルにかけて接合強度変化を測定し
た結果を示すグラフ、第５図は従来の接合部材を
示す断面図、第６図は第５図−線視図、第７
図および第８図は従来の他の接合部材を示すもの
で、それぞれ要部の底面図および要部側面図であ
る。 １……金属母材、２……セラミツクス、３ａ，
３ｂ……金属中間層、５，６，７……緩衝金属
層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属とセラミツクスとが金属中間層を介して
   接合一体化されている金属−セラミツクス接合部
   材において、 金属中間層の中間または金属中間層と金属との
   間に緩衝金属層が介装一体化されていることを特
   徴とする金属−セラミツクス接合部材。 ２ 緩衝金属層がメツシユ状、くし歯状、束線状
   などの伸縮形状化金属部材からなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の金属−セラミ
   ツクス接合部材。