JPH0471865B2 - - Google Patents
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- JPH0471865B2 JPH0471865B2 JP313788A JP313788A JPH0471865B2 JP H0471865 B2 JPH0471865 B2 JP H0471865B2 JP 313788 A JP313788 A JP 313788A JP 313788 A JP313788 A JP 313788A JP H0471865 B2 JPH0471865 B2 JP H0471865B2
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- Japan
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- metal
- ceramics
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- fluctuating pressure
- pressure
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
- C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
- C04B37/021—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Ceramic Engineering (AREA)
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- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(イ) 産業上の利用分野
本発明は、金属とセラミツクスとの接合方法に
関するものである。
関するものである。
(ロ) 従来の技術
セラミツクスを金属に接合する従来の方法とし
て特開昭59−174582号公報に示されるものがあ
る。これに示される接合方法は、金属とセラミツ
クスとを重ね、その間に金属の酸化層をおいて、
真空又は不活性ガス雰囲気中で金属の融点以下の
温度に保持して一定圧力で加圧することを特徴と
している。
て特開昭59−174582号公報に示されるものがあ
る。これに示される接合方法は、金属とセラミツ
クスとを重ね、その間に金属の酸化層をおいて、
真空又は不活性ガス雰囲気中で金属の融点以下の
温度に保持して一定圧力で加圧することを特徴と
している。
(ハ) 発明が解決しようとする問題点
しかしながら、上記のような従来の金属とセラ
ミツクスとの接合方法には、接合強度が十分でな
いという問題点がある。すなわち、セラミツクス
と金属とを接合した後の冷却過程において、セラ
ミツクスと金属との熱膨張係数差によつて大きい
熱応力が発生する。このため、接合部の強度が低
下する。また、一定圧力でセラミツクスと金属と
の接合部を加圧しているだけであるので、接合部
の拡散が不十分であり、十分な接合強度を得るこ
とができない。本発明は、このような問題点を解
決することを目的としている。
ミツクスとの接合方法には、接合強度が十分でな
いという問題点がある。すなわち、セラミツクス
と金属とを接合した後の冷却過程において、セラ
ミツクスと金属との熱膨張係数差によつて大きい
熱応力が発生する。このため、接合部の強度が低
下する。また、一定圧力でセラミツクスと金属と
の接合部を加圧しているだけであるので、接合部
の拡散が不十分であり、十分な接合強度を得るこ
とができない。本発明は、このような問題点を解
決することを目的としている。
(ニ) 問題点を解決するための手段
本発明は、金属とセラミツクスとの接合面に変
動圧力を作用させることにより、上記問題点を解
決する。すなわち、本発明による金属とセラミツ
クスとの接合方法は、金属とセラミツクスとを重
ね合わせたものを金属の融点よりも低く再結晶温
度よりも高い温度に加熱すると共に金属とセラミ
ツクスとの接触面にこれと直交する方向の変動圧
力を作用させ、次いで冷却する際に金属の再結晶
温度以下まで温度が低下するまでは変動圧力の作
用を保持させる。
動圧力を作用させることにより、上記問題点を解
決する。すなわち、本発明による金属とセラミツ
クスとの接合方法は、金属とセラミツクスとを重
ね合わせたものを金属の融点よりも低く再結晶温
度よりも高い温度に加熱すると共に金属とセラミ
ツクスとの接触面にこれと直交する方向の変動圧
力を作用させ、次いで冷却する際に金属の再結晶
温度以下まで温度が低下するまでは変動圧力の作
用を保持させる。
(ホ) 作用
金属とセラミツクスとを重ね合わせ、金属の融
点以下の温度に加熱し、接合面に直交する向きの
変動圧力を作用させることにより、接合部の拡散
作用を促進することができる。これは変動圧力に
よつて転位や原子空孔などの格子欠陥が増殖され
拡散しやすくなるからである。このように拡散作
用が促進されることによつて、接合面の接合力が
増大する。次いで、変動圧力を加えた状態で冷却
することにより、金属とセラミツクスとの熱膨張
係数差によつて生ずる熱応力を軽減することがで
きる。これは、繰り返し作用する変動圧力によつ
て、疲労に基づく局所的な塑性変形が発生するか
らである。このようにして残留熱応力を低下する
ことができるので、接合強度が増大する。
点以下の温度に加熱し、接合面に直交する向きの
変動圧力を作用させることにより、接合部の拡散
作用を促進することができる。これは変動圧力に
よつて転位や原子空孔などの格子欠陥が増殖され
拡散しやすくなるからである。このように拡散作
用が促進されることによつて、接合面の接合力が
増大する。次いで、変動圧力を加えた状態で冷却
することにより、金属とセラミツクスとの熱膨張
係数差によつて生ずる熱応力を軽減することがで
きる。これは、繰り返し作用する変動圧力によつ
て、疲労に基づく局所的な塑性変形が発生するか
らである。このようにして残留熱応力を低下する
ことができるので、接合強度が増大する。
(ヘ) 実施例
第１図に金属とセラミツクスとを接合するため
の装置を示す。支柱１０に連結されたクロスヘツ
ド１２にロードセル１４を介して上アンビル１６
が連結されている。上アンビル１６と同軸に下ア
ンビル１８が設けられている。下アンビル１８は
これの下側に配置されたアクチユエータピストン
２０から加圧力を受けるように構成されている。
アクチユエータピストン２０は図示してない油圧
源の油圧により変動荷重を発生する。上アンビル
１６と下アンビル１８との対面する端部間に、後
述の互いに接合されるべき金属２２及びセラミツ
クス２４がはさみ込まれる。上アンビル１６及び
下アンビル１８の外周を包囲するようにシリコン
ガラス管２６が設置されている。シリコンガラス
管２６の上端側が部材２８の穴内に挿入され、ま
たシリコンガラス管２６の下端側が部材３０の穴
内に挿入される。なお、シリコンガラス管２６
と、部材２８及び部材３０との挿入部はそれぞれ
シール部材３２及び３４によつて密封される。部
材３０は固定されている台３６に取付けられてい
る。シリコンガラス管２６の内部には部材２８に
設けられた送気管３８から所定のガスを供給可能
であり、また部材３０に設けられた排気管４０か
ら排気可能である。また、シリコンガラス管２６
の内部の金属２２及びセラミツクス２４に隣接す
る位置に熱電対４２が配置されている。シリコン
ガラス管２６の外周にこれを包囲するように赤外
線イメージ加熱炉４４が設けられている。赤外線
イメージ加熱炉４４は台３６に固定された台４６
上に支持されている。赤外線イメージ加熱炉４４
は冷却水管４７から供給される冷却水によつて冷
却することも可能である。下アンビル１８の下端
側のフランジ状部と部材３０との間には、ベロー
ズ４８が設けられており、これによりシリコンガ
ラス管２６内部の気密状態を保持すると共に部材
３０と下アンビル１８との相対移動を可能として
いる。なお、上アンビル１６は冷却水管５０から
冷却水を流すことにより冷却可能としてあり、ま
た同様に下アンビル１８も冷却水管５２から冷却
水を流すことにより冷却可能としてある。
の装置を示す。支柱１０に連結されたクロスヘツ
ド１２にロードセル１４を介して上アンビル１６
が連結されている。上アンビル１６と同軸に下ア
ンビル１８が設けられている。下アンビル１８は
これの下側に配置されたアクチユエータピストン
２０から加圧力を受けるように構成されている。
アクチユエータピストン２０は図示してない油圧
源の油圧により変動荷重を発生する。上アンビル
１６と下アンビル１８との対面する端部間に、後
述の互いに接合されるべき金属２２及びセラミツ
クス２４がはさみ込まれる。上アンビル１６及び
下アンビル１８の外周を包囲するようにシリコン
ガラス管２６が設置されている。シリコンガラス
管２６の上端側が部材２８の穴内に挿入され、ま
たシリコンガラス管２６の下端側が部材３０の穴
内に挿入される。なお、シリコンガラス管２６
と、部材２８及び部材３０との挿入部はそれぞれ
シール部材３２及び３４によつて密封される。部
材３０は固定されている台３６に取付けられてい
る。シリコンガラス管２６の内部には部材２８に
設けられた送気管３８から所定のガスを供給可能
であり、また部材３０に設けられた排気管４０か
ら排気可能である。また、シリコンガラス管２６
の内部の金属２２及びセラミツクス２４に隣接す
る位置に熱電対４２が配置されている。シリコン
ガラス管２６の外周にこれを包囲するように赤外
線イメージ加熱炉４４が設けられている。赤外線
イメージ加熱炉４４は台３６に固定された台４６
上に支持されている。赤外線イメージ加熱炉４４
は冷却水管４７から供給される冷却水によつて冷
却することも可能である。下アンビル１８の下端
側のフランジ状部と部材３０との間には、ベロー
ズ４８が設けられており、これによりシリコンガ
ラス管２６内部の気密状態を保持すると共に部材
３０と下アンビル１８との相対移動を可能として
いる。なお、上アンビル１６は冷却水管５０から
冷却水を流すことにより冷却可能としてあり、ま
た同様に下アンビル１８も冷却水管５２から冷却
水を流すことにより冷却可能としてある。
次にこの第１図に示す装置を用いて金属２２と
セラミツクス２４とを接合した具体例について説
明する。金属２２としては純度99.98％の無酸素
銅を使用し、またセラミツクス２４としては純度
95.4％のアルミナを用いた。金属２２及びセラミ
ツクス２４の寸法は共に直径が10mm及び長さが10
mmのものである。シリコンガラス管２６の内部の
ふん囲気はアルゴンガス、空気及び真空の３つの
条件を設定した。上記のような条件で第２図に示
すようなパターンに従つて赤外線イメージ加熱炉
４４によつて室温TAから加熱を開始し、温度が
TBを越えた後、アクチユエータピストン２０に
よつて金属２２とセラミツクス２４との接合面に
変動圧力を作用させる。なお、変動圧力を作用さ
せるまでは一定圧力P0を作用させておく。また、
上記温度TBは金属２２の再結晶温度T0よりも低
い温度である。変動圧力としてはP0の基準値に
対して±P1の変動値を加算する。すなわち、P0
±P1の変動圧力が作用することになる。変動圧
力の振動数は10〜100Hzである（振動数を変えた
場合の試験結果については後述する）。この状態
で金属２２及びセラミツクス２４の温度を所定値
TCまで上昇させ所定時間t0の間保持する。なお、
温度TCは金属２２の融点よりも低く再結晶温度
よりも高い温度である。所定時間t0経過後、冷却
を開始し、金属２２の再結晶温度T0以下まで温
度が低下した時点で変動圧力の付加を停止させ
る。これにより金属２２とセラミツクス２４とが
接合される。なお、図中t1は変動圧力を作用させ
た全時間を示す。また、温度TBとなつた時点か
ら変動圧力を作用させるようにしたが、変動圧力
の作用開始はこれより早くてもよく（例えば最初
から）、また遅くてもよい（例えば加熱温度TCに
達してから）。
セラミツクス２４とを接合した具体例について説
明する。金属２２としては純度99.98％の無酸素
銅を使用し、またセラミツクス２４としては純度
95.4％のアルミナを用いた。金属２２及びセラミ
ツクス２４の寸法は共に直径が10mm及び長さが10
mmのものである。シリコンガラス管２６の内部の
ふん囲気はアルゴンガス、空気及び真空の３つの
条件を設定した。上記のような条件で第２図に示
すようなパターンに従つて赤外線イメージ加熱炉
４４によつて室温TAから加熱を開始し、温度が
TBを越えた後、アクチユエータピストン２０に
よつて金属２２とセラミツクス２４との接合面に
変動圧力を作用させる。なお、変動圧力を作用さ
せるまでは一定圧力P0を作用させておく。また、
上記温度TBは金属２２の再結晶温度T0よりも低
い温度である。変動圧力としてはP0の基準値に
対して±P1の変動値を加算する。すなわち、P0
±P1の変動圧力が作用することになる。変動圧
力の振動数は10〜100Hzである（振動数を変えた
場合の試験結果については後述する）。この状態
で金属２２及びセラミツクス２４の温度を所定値
TCまで上昇させ所定時間t0の間保持する。なお、
温度TCは金属２２の融点よりも低く再結晶温度
よりも高い温度である。所定時間t0経過後、冷却
を開始し、金属２２の再結晶温度T0以下まで温
度が低下した時点で変動圧力の付加を停止させ
る。これにより金属２２とセラミツクス２４とが
接合される。なお、図中t1は変動圧力を作用させ
た全時間を示す。また、温度TBとなつた時点か
ら変動圧力を作用させるようにしたが、変動圧力
の作用開始はこれより早くてもよく（例えば最初
から）、また遅くてもよい（例えば加熱温度TCに
達してから）。
上述のようにして金属２２とセラミツクス２４
とを接合する試験を、加熱温度TC、変動圧力P0
±P1、変動圧力の振動数、加熱温度TCの保持時
間t0、及びふん囲気を変えて行い、接合部の強度
の比較を行つた。
とを接合する試験を、加熱温度TC、変動圧力P0
±P1、変動圧力の振動数、加熱温度TCの保持時
間t0、及びふん囲気を変えて行い、接合部の強度
の比較を行つた。
加熱温度及び振動数の影響
加熱温度TC及び振動数を変えた場合の結果を
第３図に示す。図中の横軸は変動圧力の振動数を
取つてあり、また縦軸はアルミナ曲げ強度σcに対
する接合体の曲げ強度σtの比を取つてある。な
お、作用させた変動圧力は15±2.5MPa（メガパス
カル）であり、加熱温度TCの保持時間t0は15分で
ある。曲げ強度は、接合体の両端を支持し（スパ
ン15mm）、中央部の接合部に荷重を作用させる３
点曲げ試験により求めた。この第３図に示す結果
から、例えば、振動数２５Hzにおける曲げ強度は
振動数０、すなわち一定荷重を作用させた場合と
比較して大幅に向上していることがわかる。例え
ば、600℃では一定荷重の場合曲げ強度比σt／σc
が約0.03であつたものが、変動圧力を作用させる
と0.15となり、約５倍となつている。同様に700
℃では0.11が0.16となり、また800℃では0.19が
0.25に向上している。また、第３図からわかるよ
うに変動荷重の振動数としては、15〜35Hzが最も
好ましい。ただし、10〜100Hzであつても接合強
度を向上することができる。また、加熱温度の影
響については、加熱温度の上昇に伴なつて接合強
度が向上していることがわかる。ただし、加熱温
度の上昇に供なう強度の増大は約800℃付近で飽
和する。このことは加熱温度を変えて引張強度の
試験を行つた結果を示す第４図からも理解され
る。
第３図に示す。図中の横軸は変動圧力の振動数を
取つてあり、また縦軸はアルミナ曲げ強度σcに対
する接合体の曲げ強度σtの比を取つてある。な
お、作用させた変動圧力は15±2.5MPa（メガパス
カル）であり、加熱温度TCの保持時間t0は15分で
ある。曲げ強度は、接合体の両端を支持し（スパ
ン15mm）、中央部の接合部に荷重を作用させる３
点曲げ試験により求めた。この第３図に示す結果
から、例えば、振動数２５Hzにおける曲げ強度は
振動数０、すなわち一定荷重を作用させた場合と
比較して大幅に向上していることがわかる。例え
ば、600℃では一定荷重の場合曲げ強度比σt／σc
が約0.03であつたものが、変動圧力を作用させる
と0.15となり、約５倍となつている。同様に700
℃では0.11が0.16となり、また800℃では0.19が
0.25に向上している。また、第３図からわかるよ
うに変動荷重の振動数としては、15〜35Hzが最も
好ましい。ただし、10〜100Hzであつても接合強
度を向上することができる。また、加熱温度の影
響については、加熱温度の上昇に伴なつて接合強
度が向上していることがわかる。ただし、加熱温
度の上昇に供なう強度の増大は約800℃付近で飽
和する。このことは加熱温度を変えて引張強度の
試験を行つた結果を示す第４図からも理解され
る。
加熱温度の保持時間及びふん囲気の影響
加熱温度TCの保持時間t0を変えて引張強度試験
を行つた結果を第５図に示す。この第５図からわ
かるように、加熱温度TCの保持時間t0は15分前後
が好ましく、長くなりすぎると接合強度が次第に
低下していく。また、第５図に示す試験では、シ
リコンガラス管２６内のふん囲気を空気、アルゴ
ンガス及び真空の３つの場合に変えて行つてみ
た。アルゴンガスの場合が強度が多少高い傾向に
あるが、それほど大きい差は生じない。
を行つた結果を第５図に示す。この第５図からわ
かるように、加熱温度TCの保持時間t0は15分前後
が好ましく、長くなりすぎると接合強度が次第に
低下していく。また、第５図に示す試験では、シ
リコンガラス管２６内のふん囲気を空気、アルゴ
ンガス及び真空の３つの場合に変えて行つてみ
た。アルゴンガスの場合が強度が多少高い傾向に
あるが、それほど大きい差は生じない。
変動圧力の影響
変動圧力の基準値P0の大きさを変えた場合の
試験結果を第６図に示す。この試験はP1＝
2.5MPaを一定とし、P0を変えて曲げ強度を比較
したものである。これから変動圧力の基準値P0
が大きいほど接合強度が大きくなる傾向にあるこ
とがわかる。
試験結果を第６図に示す。この試験はP1＝
2.5MPaを一定とし、P0を変えて曲げ強度を比較
したものである。これから変動圧力の基準値P0
が大きいほど接合強度が大きくなる傾向にあるこ
とがわかる。
（ト） 発明の効果
以上説明してきたように、本発明によると、金
属及びセラミツクスを加熱すると供に両者間に変
動圧力を作用させるようにしたので、金属がセラ
ミツクス中へ効果的に拡散され、十分な接合強度
を得ることができる。また、変動圧力を作用させ
つつ冷却することにより、残留熱応力を軽減する
ことができ、この点からも接合部の強度を向上す
ることができる。
属及びセラミツクスを加熱すると供に両者間に変
動圧力を作用させるようにしたので、金属がセラ
ミツクス中へ効果的に拡散され、十分な接合強度
を得ることができる。また、変動圧力を作用させ
つつ冷却することにより、残留熱応力を軽減する
ことができ、この点からも接合部の強度を向上す
ることができる。
第１図は金属とセラミツクスとを接合するため
の装置を示す図、第２図は変動圧力の作用及び温
度の時間変化を示す図、第３図は温度及び変動圧
力の振動数を変えた場合の曲げ強度の変化を示す
図、第４図は接合温度と引張強度との関係を示す
図、第５図は加熱温度の保持時間及びふん囲気と
引張強度との関係を示す図、第６図は変動圧力の
振動数と曲げ強度との関係を示す図である。 ２２……金属、２４……セラミツクス。
の装置を示す図、第２図は変動圧力の作用及び温
度の時間変化を示す図、第３図は温度及び変動圧
力の振動数を変えた場合の曲げ強度の変化を示す
図、第４図は接合温度と引張強度との関係を示す
図、第５図は加熱温度の保持時間及びふん囲気と
引張強度との関係を示す図、第６図は変動圧力の
振動数と曲げ強度との関係を示す図である。 ２２……金属、２４……セラミツクス。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 金属とセラミツクスとを重ね合わせたものを
金属の融点よりも低く再結晶温度よりも高い温度
に加熱すると共に金属とセラミツクスとの接触面
にこれと直交する方向の変動圧力を作用させ、次
いで冷却する際に金属の再結晶温度以下まで温度
が低下するまでは変動圧力の作用を保持させる金
属とセラミツクスとの接合方法。 ２ 変動圧力の振動数が毎秒10〜100回である特
許請求の範囲第１項記載の金属とセラミツクスと
の接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP313788A JPH01179770A (ja) | 1988-01-12 | 1988-01-12 | 金属とセラミックスとの接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP313788A JPH01179770A (ja) | 1988-01-12 | 1988-01-12 | 金属とセラミックスとの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01179770A JPH01179770A (ja) | 1989-07-17 |
| JPH0471865B2 true JPH0471865B2 (ja) | 1992-11-16 |
Family
ID=11548964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP313788A Granted JPH01179770A (ja) | 1988-01-12 | 1988-01-12 | 金属とセラミックスとの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01179770A (ja) |
Families Citing this family (30)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1988
- 1988-01-12 JP JP313788A patent/JPH01179770A/ja active Granted
Also Published As
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|---|---|
| JPH01179770A (ja) | 1989-07-17 |
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