JPH0597530A - セラミツクス焼結体の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数個のセラミックス焼結体を接合する接合
方法を提供する。 【構成】 複数のセラミックス焼結体同士を固相拡散接
合する方法であって、前記セラミックス焼結体の接合面
の周縁部をＹＡＧレーザ光により溶接して、ガスシール
した後、前記セラミックス焼結体を熱間等方加圧法で固
相拡散接合する。 【効果】 ＹＡＧレーザ光を用いることにより、セラミ
ックス焼結体に割れが生じる程の応力を発生させること
なく接合面を溶接してガスシールできるので、従来の熱
間等方加圧法を用いてセラミックス焼結体同士を固相拡
散接合できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間等方加圧（ＨＩ
Ｐ）法で、複数個のセラミックス焼結体を固相拡散接合
する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】セラミ
ックスは、非常に硬く、耐熱性、耐食性に優れていると
いう特徴から、この特徴を活かした機能的部品への適用
が期待されている。しかし、セラミックスは融点が高
く、金属に比べて溶接が困難なため、セラミックス製品
の製造は成形、焼結により行われており、かかる方法で
は、大きな製品あるいは複雑な形状の製品を製造できな
い。かかる事情から、セラミックスの用途拡大のため
に、セラミックス焼結体同士を強固に接合する方法の出
現が待ち望まれている。

【０００３】近年、金属同士、又は金属とセラミックス
とを強固に接合する方法として有用なホットプレス（Ｈ
Ｐ）法又は熱間等方加圧（ＨＩＰ）法を、セラミックス
同士の接合に適用する研究が進められている。ＨＰ法と
は、図７に示すように、２つの板状部材１，１を黒鉛な
どの耐熱性材料でできたパンチ２，２で挟持し、該パン
チ２と同様に耐熱性材料でできた型３の中にセットし
て、高温に加熱しつつパンチ２で一軸加圧することによ
り前記板状部材１，１を接合する方法である。このよう
なＨＰ法は、板状部材１，１が比較的小さい場合には、
１０００ｋｇｆ／ｃｍ² 程度で加圧することが可能であ
るが、直径３０ｃｍより大きくなると、加圧圧力は２０
０〜４００ｋｇｆ／ｃｍ² 程度にまで低下する。また、
一方向のみの加圧であるため、板状部材を重ねて接合す
る場合以外の接合は困難であった。なお、図７中、４は
高温を得るための誘導加熱用コイルであり、５及び６は
各々鏡及び２色温度計である。

【０００４】一方、ＨＩＰ法とは、加圧媒体としてガス
を使用する方法で、図８に示すように、高圧円筒７、上
蓋８、及び下蓋９で構成される高圧容器１０内部に設置
されたヒータ１１で加熱しつつ、接合しようとする部材
１２を圧縮する方法である。ＨＩＰ法は、ガス圧で圧縮
するため、あらゆる方向からの加圧が可能である上に、
圧力媒体たるガスはガス導入口１３を通じてコンプレッ
サ等により供給されるので、パスカルの原理に基づいて
加圧できる。よって、２０００ｋｇｆ／ｃｍ² という高
圧も日常的に用いられている。図８中、１４は断熱層で
ある。

【０００５】このように、ＨＩＰ法はＨＰ法に比べて、
等方加圧しかも高圧で接合できるという利点があるが、
圧力媒体であるガスが接合しようとする面に侵入する
と、十分加圧できないばかりか、接合面を汚染すること
もある。よって、ＨＩＰ法による拡散接合を行う場合に
は、接合面をガスから遮蔽すること、接合面を清浄に保
つことが重要となる。

【０００６】接合面にガスが侵入しないようにしてＨＩ
Ｐ法による拡散接合を行う方法として、図９（MCIC-Rep
ort MCIC-77-34,MCIC Center,Columbus,Ohio,1977 ）に
示すように、被接合部材１６全体を気密な材料でできた
容器、すなわちカプセル１７中に真空封入する方法や、
図１０（特開昭５４−３５１５１号公報）に示すよう
に、被接合部材１９の接合面２０の周縁部を溶接して、
ガスシールする方法が知られている。図１０中、２１は
溶接部である。

【０００７】セラミックス部材のＨＩＰ処理による拡散
接合を実現するにあたり、図９に示すようなカプセルを
用いた方法、及び図１０に示すような溶接により接合面
をシールする方法を適用することが考えられる。しか
し、図９に示す方法では、接合の度毎にカプセル１７を
準備する必要があり、しかもカプセル１７の製造は煩雑
であることから、当該方法は工業的生産性、経済面にお
いて適当でない。

【０００８】また、図１０に示す方法をセラミックス焼
結体の接合に適用する場合、接合面の周囲を溶接する方
法が問題となる。すなわち、被接合部材１９が金属の場
合、アーク溶接を行っているが、セラミックスは高融点
であるため、アーク溶接できない。アーク溶接に代え
て、エレクトロンビーム溶接を行うことも考えられる
が、エレクトロンビーム溶接は電気伝導性かつ昇華性の
あるセラミックス焼結体にしか適用できない。

【０００９】本発明者らは、このような現状を踏まえて
鋭意検討した結果、ＹＡＧレーザ光を利用すれば、セラ
ミックス焼結体に割れが生じる程の応力を発生させるこ
となく溶接できることを見出し、セラミックス焼結体同
士を固相拡散接合できる本発明の完成に到った。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明のセラ
ミックス焼結体の接合方法は、複数のセラミックス焼結
体同士を固相拡散接合する方法であって、前記セラミッ
クス焼結体の接合面の周縁部をＹＡＧレーザ光により溶
接して、ガスシールした後、前記セラミックス焼結体を
熱間等方加圧法で固相拡散接合する。

【００１１】

【作用】接合しようとするセラミックス焼結体の接合面
の周縁部をＹＡＧレーザ光により溶接する。セラミック
ス焼結体をアーク溶接などで溶接すると、高温によりセ
ラミックス焼結体の溶接部分が溶融して結晶粒が粗大化
するため、セラミックス焼結体が割れやすくなるが、Ｙ
ＡＧレーザ光はレーザビームがかなり細く絞れてエネル
ギー密度を高くできる。このことを利用してセラミック
ス焼結体の接合面の周縁部を局所的に加熱して溶接す
る。

【００１２】接合面の周縁部の溶接により接合面を外気
からガスシールした後、ガスシールされたセラミックス
焼結体を熱間等方加圧法で処理して、セラミックス焼結
体同士を拡散接合する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を図面に基づい
て説明する。図１は、接合しようとするセラミックス焼
結体として、有底円筒部材２３及び円柱部材２４を用い
た場合の接合方法の概要を示した工程図である。すなわ
ち、有底円筒部材２３中に円柱部材２４を嵌合し（図５
（ａ））、円筒部材２３の底面部２５と円柱部材２４の
上面部２６とをクランプ材２７で挟持する。クランプ材
２７で挟持した円筒部材２３及び円柱部材２４を、光フ
ァイバー２８が連結されているトーチ２９からＹＡＧレ
ーザ光を照射できるようにした図示省略の真空チャンバ
内に配置する。チャンバ内を真空脱気した後、円筒部材
２３と円柱部材２４との接合面の周縁部に相当する円筒
部材２３の開口内壁部分を、トーチ２９から照射したＹ
ＡＧレーザ光で溶接する（図５（ｂ））。図５中、溶接
された部分は３０で示されている。

【００１４】次に、接合面の周縁部を溶接したことによ
り接合面がガスシールされたセラミックス焼結体の組合
わせ（以下、単に被処理材という）、本実施例では円筒
部材２３と円柱部材２４との組合せである被処理材３１
をＨＩＰ装置内に配置して、被処理材３１の再結晶温度
以上の高温下でＨＩＰ処理を行う（図５（ｃ））。ＨＩ
Ｐ処理により、円筒部材２３と円柱部材２４とが固相拡
散接合した拡散接合部材３１’が得られる。得られた拡
散接合部材３１’は、図５（ｄ）に示されている。円筒
部材２３及び円柱部材２４が同種のセラミックスからな
る場合、得られた拡散接合部材３１’は、境界面がわか
らない程に一体化されていた。

【００１５】本実施例の接合方法は、円筒部材２３及び
円柱部材２４を構成するセラミックスの種類に拘らず適
用できるが、特に、融点が明確で、高温下で溶融し、溶
融時の蒸気圧もそれ程大きくないアルミナ、部分安定化
ジルコニア等の酸化物系セラミックスの接合に適してい
る。なお、円筒部材２３及び円柱部材２４を構成するセ
ラミックスの種類は同じでなくてもよい。

【００１６】なお、上記実施例において、溶接のために
結晶粒の粗大化した部分が最終的に得られる拡散接合部
材に残存するのが好ましくない場合、図２に示すよう
に、接合面に相当する部分に余肉部３３を設け、この余
肉部３３を溶接すればよい。溶接された部分は３４で示
されている。溶接により結晶粒が粗大化した余肉部３３
は、ＨＩＰ処理後、切削加工等により除去すればよい。

【００１７】また、上記実施例では円筒部材２３及び円
柱部材２４をクランプした状態で真空チャンバ内に配置
し、真空脱気した後、レーザ溶接を行ったが、溶接に際
して、レーザ光がクランプ材２７を横切る場合がある。
本発明は真空脱気とレーザ溶接の順番は限定しない。レ
ーザ溶接により接合面が完全に密封されるまでに、接合
面及び真空チャンバ内の真空脱気が行われればよい。例
えば、まず大気中で、接合面の周縁部のうち、クランプ
材２７で覆われる部分以外をレーザ溶接する。クランプ
材２７を外すと、接合面の周縁部のうち、クランプ材で
覆われていた部分３６が未溶接のまま残っている（図
３）。溶接された部分は３７で示されている。次いで、
図３に示す状態の円筒部材２３及び円柱部材２４を真空
チャンバ内に配置して、真空脱気後、未溶接部分３６を
溶接する。このように大気中で接合面の大部分を溶接し
た後、真空脱気して残りの部分を溶接してガスシールす
る方法は、接合しようとする両セラミックス焼結体が酸
化物系セラミックスの場合に特に適している。その理由
は、酸化物系セラミックスの場合、真空状態で溶接を行
うとセラミックスを構成している酸素成分が除去されて
黒色化することがあるが、大気中ではこのような問題は
なく、セラミックス組成に影響を及ぼす心配がないため
である。

【００１８】さらに、本発明の接合方法を適用できるセ
ラミック焼結体は、上記実施例のような円柱部材と円筒
部材の組合わせに限らず、セラミックシートやセラミッ
ク基板のような板状部材の拡散接合にも適用できる。図
４は、接合しようとするセラミックス焼結体として、厚
さ０．５ｍｍ以下のセラミックスシート３９とセラミッ
クス基板４０とを用い、大気中でクランプ部分以外をレ
ーザ溶接した状態を示している（図４中、溶接された部
分は４１、未溶接部分は４２で示されている）。これを
を真空チャンバ内に配置し、真空脱気した後、未溶接部
分４２を溶接してガスシールする。ガスシールした被処
理材をＨＩＰ装置にセットしてＨＩＰ処理すると、セラ
ミックスシート３９とセラミックス基板４０とからなる
拡散接合部材が得られる。得られた拡散接合部材のう
ち、溶接部から外縁部に相当する不要部分をダイヤモン
ドブレード等で除去すればよい。

【００１９】さらにまた、本発明の接合方法によれば、
３個以上のセラミック焼結体を接合することもできる。
図５は、有底円筒部材４４、蓋材４５、及び有底円筒部
材４４に嵌合された円柱部材４６を接合してなるセラミ
ック複合体である。接合面をガスシールするための溶接
部は４７で示されている。円筒部材４４及び蓋材４５
は、結晶粒径が５μｍ程度のアルミナ焼結体からなり、
円柱部材４６は、結晶粒径１５０μｍ程度で相対密度
（理論密度に対する見掛けの密度）９０％のアルミナ焼
結体からなる。このような複合体の製造において、ＨＩ
Ｐ処理条件は、１２５０℃、１０００ｋｇｆ／ｃｍ² と
した。

【００２０】以上の実施例に用いられたセラミックス焼
結体は、いずれも接合すべき部分に隙間がない部材の組
合わせであったが、本発明は接合部分に隙間が生じるよ
うなセラミックス焼結体の組合わせにも適用できる。例
えば、接合しようとするセラミックス焼結体として、ア
ルミナのように非常に硬いセラミックス焼結体を用いる
場合、ハメアイ構造にしようとすると、ハメアイ公差を
満足するように両セラミックス焼結体をダイヤモンド砥
石で切削加工しなければならず、手間がかかる上に大変
なコストアップにつながる。従って、このような硬いセ
ラミックス焼結体を接合する場合、予め隙間ができる程
度のサイズに製造したものを接合する方が一般的であ
る。

【００２１】次に、接合部分に隙間が生じるようなセラ
ミックス焼結体の組合わせを接合する方法について説明
する。かかる組合わせのセラミックス焼結体の接合に際
しては、まず、セラミックス焼結体と同種のセラミック
ス粉末を溶剤に分散させてなるセメントを隙間に塗布
し、セメント塗布部分を溶接してガスシールした後、Ｈ
ＩＰ処理する。セメントに用いられる溶剤は、揮発ある
いは熱分解後に残留物が残らないもので、セラミック粉
末の種類により適宜選択されるが、一般に水、又はアセ
トン、アルコール等の有機溶剤が用いられる。セメント
の塗布量は、接合しようとするセラミックス焼結体間の
隙間の大きさによって選定すればよいが、一般に塗膜の
厚みが０．３〜１ｍｍ程度となる量が好ましい。隙間が
１ｍｍ以上あるときは、隙間にセメントが少し入り込む
ように塗布することが好ましい。また、ＹＡＧレーザに
よる１度の溶接だけで接合面をガスシールすることがで
きない場合には、セメントの重ね塗り及びレーザ溶接を
繰り返し行えばよい。また、溶接時にレーザ光の熱エネ
ルギーにより、セメントに使用されている溶剤が揮発あ
るいは熱分解してガスを発生するので、発生するガスを
除去しつつ溶接するように、溶接工程を真空チャンバ内
で行うことが好ましい。

【００２２】隙間ができるセラミックス焼結体の組合わ
せを接合する方法の具体的実施例を図６に基づいて説明
する。図６において、接合しようとするセラミックス焼
結体として、純度９９％以上、相対密度９７％以上のア
ルミナ製の有底円筒部材４９と、同材質で前記有底円筒
部材４９の直径よりもやや小さめの直径を有する円柱部
材５０を用いた。円筒部材４９に円柱部材５０を装入
し、これらをクランプした後、円筒部材４９と円柱部材
５０との間の隙間５１に、高純度のアルミナ粉末をイソ
プロピルアルコールに分散させたセメントを塗布した
（図６（ａ））。塗布されたセメントは５２で示されて
いる。これを真空チャンバ内に配置し、真空脱気しなが
らセメント塗布部分５２をレーザ光で溶接して、接合部
分をガスシールした（図６（ｂ））。溶接された部分は
５３で示されている。ガスシールされた被処理材を、１
３００〜１４００℃、１０００ｋｇｆ／ｃｍ² の接合条
件で、１時間ＨＩＰ処理した。得られた拡散接合部材に
おいて、円筒部材４９と円柱部材５０との隙間は、ＨＩ
Ｐ処理時にアルミナがクリープ変形したことにより完全
に消失していた。

【００２３】

【発明の効果】本発明の方法によれば、従来の方法では
実施が困難であったセラミックス焼結体同士の固相拡散
接合が行える。特に、セラミックス焼結体の接合方法に
おいて、ＹＡＧレーザ光を用いることにより、セラミッ
クス焼結体に割れが生じる程の応力を発生させることな
く接合面を溶接できるので、セラミックスの優れた特性
を損なうことなく、セラミックス焼結体の固相拡散接合
部材を製造することができる。

【００２４】また、本発明の接合方法は、同種のセラミ
ックス焼結体同士の接合に限らず、異なった組織のセラ
ミックス焼結体を接合することもできるので、摩耗性と
気密性の両方を兼ね備えたセラミックス製品の供給が実
現できる。さらに、２種以上のシート状のセラミックス
焼結体を、セラミックスの組成比が順に変化するように
積層して、本発明の方法により各層を固層拡散接合すれ
ば、特性が傾斜的に変化する、いわゆる傾斜的機能をも
ったセラミックス複合体を製造することもできる。

【００２５】以上のように、本発明の接合方法の利用に
よりセラミックス製品の用途が拡大して、今後の先端技
術の発展に大きな役割を果たすものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例の接合方法の概要を示す工程図
である。

【図２】本発明の接合方法の他の実施例を示す図であ
る。

【図３】本発明の接合方法の他の実施例を示す図であ
る。

【図４】本発明の接合方法を用いた拡散接合部材の一実
施例を示す図である。

【図５】本発明の接合方法を用いた拡散接合部材の他の
実施例を示す図である。

【図６】本発明の他の接合方法の概要を示す工程図であ
る。

【図７】ホットプレス法を説明するための図である。

【図８】熱間等方加圧法を説明するための図である。

【図９】カプセルを用いた熱間等方加圧法を説明するた
めの図である。

【図１０】溶接を利用した熱間等方加圧法を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

２３ 有底円筒部材 ２４ 円柱部材 ３０ 溶接部 ３１’ 拡散接合部材 ４９ 有底円筒部材 ５０ 円柱部材 ５２ セメント塗布部 ５３ 溶接部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のセラミックス焼結体同士を固相拡
   散接合する方法であって、 前記セラミックス焼結体の接合面の周縁部をＹＡＧレー
   ザ光により溶接して、ガスシールした後、 前記セラミックス焼結体を熱間等方加圧法で固相拡散接
   合することを特徴とするセラミックス焼結体の接合方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセラミックス焼結体の
   接合方法において、 前記接合面の周囲に、セラミックス焼結体を構成するセ
   ラミックスと同種のセラミックス粉末を溶剤に分散させ
   てなるセメントを塗布した後、前記セメントが塗布され
   た部分をＹＡＧレーザ光で溶接することを特徴とするセ
   ラミックス焼結体の接合方法。
3. 【請求項３】 複数のセラミックス焼結体の接合しよう
   とする面の周縁部の一部だけ残してＹＡＧレーザ光によ
   り溶接し、 前記一部を除いて接合面の周縁部が溶接された前記セラ
   ミックス焼結体を、真空チャンバ中に保持して真空脱気
   し、 次いで、残っている前記接合面の周縁部の一部を、ＹＡ
   Ｇレーザ光により溶接して、ガスシールした後、 前記セラミックス焼結体を熱間等方加圧法で固相拡散接
   合することを特徴とするセラミックス焼結体の接合方
   法。