JPH0639348B2 - 金属とセラミックスとの接合体 - Google Patents

金属とセラミックスとの接合体

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JPH0639348B2 JP15324187A JP15324187A JPH0639348B2 JP H0639348 B2 JPH0639348 B2 JP H0639348B2 JP 15324187 A JP15324187 A JP 15324187A JP 15324187 A JP15324187 A JP 15324187A JP H0639348 B2 JPH0639348 B2 JP H0639348B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、新規な金属とセラミックスとの接合体に関す
るものである。
（従来の技術） この種の従来技術としては、例えば特開昭55-90478号公
報、特開昭56-59682号公報、および特開昭58-2276号公
報に公開されたものがある。
この他現在、よく用いられている代表的な接合方法とし
ては、モリブデンをセラミックス表面に焼きつけ、メタ
ライズして金属接合するいわゆるモルブデン法とチタン
のような活性金属を用いてメタライズする活性金属法の
二つがある。
（発明が解決しようとする問題点） セラミックスは、耐摩耗性、耐熱性、耐食性にすぐれて
いるため、最近、軽量化及び省エネルギーを目的とし
て、耐熱性セラミックスがエンジン部品を中心に研究さ
れてきている。しかし、構造部材を何もかもセラミック
スで作ることは、不適当であり、コストが高くなる。
又、セラミックスは先に述べた優れた性質がある反面、
破壊しやすい欠点がある。したがって、必要な部分はセ
ラミックスでそれ以外のところは金属で構成し、各々の
特徴を生かす事が合理的であり、経済的である。このた
め、セラミックスと金属との接合が必要となってくる。
しかしながら前述した従来の接合方法であるモリブデン
法および活性金属法はいずれも真空中又は、水素気流中
で被接合物を加熱処理する必要があるため、作業に困難
な点が多く、しかも高温の技術が必要であるという問題
点がある。
ところで大気中における接合方法として、第６図に示す
ようにセラミックス１とダクタイル鋳鉄２との間に銅板
を接合材３として挿入し、これを、第７図に示すよう
に、接合温度1,110℃以上で接合処理すると、引張強さ
は約210kgf/cm2が得られた。そしてこの場合、セラミッ
クスと銅および銅と銀ろうを介するダクタイル鋳鉄との
密着性は非常に良好であった。しかしながらこれを第６
図に示すような試験片（寸法単位＝mm）として引張試験
を行ったところ、その破断個所４は第６図に示すように
大部分がセラミックス１の接合近傍部に発生した。これ
はセラミックス１と接合材３及び相手金属２との熱膨張
の差により、冷却過程でセラミックス接合近傍部に大き
な応力が働き、この為にセラミックス１内で破断が発生
したものと思われる。したがってこの残留応力を緩和す
ることができれば、さらに接合強度が向上するものと思
われる。
本発明は上述の観点からなされたもので、金属とセラミ
ックスを接合する接合体において、その金属を選定する
と共に、その厚さを限定することによって、接合部の残
留応力を緩和し、それに基いて接合強度の大きな金属と
セラミックスとの接合体を得ることを目的とするもので
ある。
（問題点を解決するための手段） 上述の目的を達成するため本発明においては、金属とセ
ラミックスとの間に、ニッケルを５〜50重量％含む鋳鉄
を介在させた金属とセラミックスとの接合体において、
その鋳鉄の厚さを１mmから20mmとする。
（作用） 上述のように金属とセラミックスとの間に介在させる鋳
鉄にニッケルを５〜50重量％含有させると共に、その厚
さを１〜20mmにすると、その鋳鉄の熱膨張率がセラミッ
クスの熱膨張率と近くなる結果、これらを接合した接合
体の残留応力が減少すると共に、緩和材としての機能が
有効に働いて接合体の接合強度が著しく増大する。
（実施例） 以下、本発明の実施例を説明する。
金属とセラミックスとが、効果的に接合されるために
は、セラミックスと接合材及び金属とに無理な残留応力
がかからないような接合材料を選択することが必要であ
る。
又、金属とセラミックスとの接合強度は、それぞれの熱
膨張率に大きく左右される。一般には、セラミックスで
はその圧縮強度は、引張強度の約10倍である。したがっ
て、接合後セラミックスにわずかの圧縮応力が加わって
いる状態にすることがよいので、セラミックスの熱膨張
よりも、被接合材料のそれが僅か大きい方が好ましい。
このため、金属の組成を変えて熱膨張率の異なるものを
作ると共に、セラミックスの熱膨張率を調査した。
その熱膨張率試験は、熱膨張計を使用した。試験片は５
φ×20mmとし、両端を約１μに研摩した。又、試験温度
は常温から1,000℃までを測定し、昇温速度は５℃／min
で行った。第１表はそのセラミックス試験片の熱膨張率
（10-6／℃）と温度との関係を示すものである。
また第２表は金属材料のNi成分と熱膨張率（10-6／℃）
との関係を示す表である。
試験結果として、低温においては、Ni 38%DCIが最も熱
膨張率は小さい値を示した。次にNi41%DCIであった。さ
らにNi 35%DCI,Ni 44%DCI、およびNi 0%DCIの順であっ
た。
この第２表からわかるように、300℃まではNi 38%DCIは
6.5、Ni 35%DCIは7.4であり、Ni 29%DCIは14.2であっ
た。温度が300℃以上になると熱膨張率は大きく増加し
た。しかし、700℃まででは、Ni 41%DCIは12.1で最も小
さく、Ni 44%DCIのものは、次に小さな値を示した。Ni
29%DCIのものは、18.0で最も大きな値を示した。
第１表からわかるように、セラミックスの場合は、低温
から高温における熱膨張率が余り変化していない。熱膨
張率の最も小さいのは、SiCであり、次にAl2O3そしてZr
O2の順である。すなわち、ZrO2は300℃まででは、熱膨
張率が10.0と金属材料のNi 35〜44%DCIより大きく、700
℃まででは13.5でNi 44%DCIの14.4の熱膨張率より僅か
小さい。
以上のことから金属としてNi 35%DCI〜Ni 44%DCIが比較
的熱膨張率が小さく、セラミックスの熱膨張率の高いZr
O2との間の熱膨張率の差が小さいことから、熱膨張率か
ら見た接合条件としては適していると思われる。次にAl
2O3とNi 35〜44%DCIとの熱膨張率が比較的近い。SiCの
場合は、熱膨張率が小さく、先に述べた金属との熱膨張
率との差が大きく接合には適していないと思われる。
上述の理由によって本発明においては、金属とセラミッ
クスとの間に、ニッケルを５〜50重量％含む鋳鉄を介在
させた金属とセラミックスとの接合体において、その鋳
鉄の厚さを１mmから20mmとする。
セラミックスとニッケル５〜50％を含む鋳鉄とを接合す
るには、第１図(a)に示すようにセラミックス１の接合
面に厚さ２mm程度の銅板を接合材３としてあてがい、同
図(b)に示すように1110℃で10分間加熱した後、炉冷し
て500℃で保持してから炉外に取り出す。
このようにしてセラミックス１に接合した接合材３の表
面を第１図(c)に示すように１〜３μに研摩した後、同
図(d)に示すように銀ろう（銀はく）５を介してニッケ
ル５〜50％を含む鋳鉄６を厚さ１〜20mmとして重合し、
加圧しながら700℃で10分間加熱することにより、セラ
ミックス１を接合材３を介してニッケル５〜50％を含む
鋳鉄６とを接合する。
なお、前述したように、セラミックス１に接合材３であ
る銅板を接合するには、第２図(a)に示すようにチタン
酸銅をアルコールで溶かしたものを、その接合面に塗布
し、同図(b)で示す熱処理を経て、同図(c)に示すよう
に、セラミックス１と接合材３とをチタン酸銅７を介し
て接合するようにしてもよい。これに第２図(d)に示す
ように、ニッケル５〜50％を含む鋳鉄６を接合するのは
第１図(d)と同様である。
第３図は上述のようにして接合した接合体の鋳鉄に含ま
れるニッケル量（重量％）と引張強さ（kgf/cm2）との
関係を示す線図である。この第３図からわかるように接
合体である鋳鉄にニッケルを５〜50重量％含有させたも
のは、その引張強度が増大することがわかる。したがっ
て本発明においてはニッケルを５〜50重量％を含む鋳鉄
に限定した。
なお、ニッケルを５〜50重量％としたのは、５％未満で
はセラミックスの引張強度が低下し、また50％を越える
と熱膨張率が上昇して、引張強度が低下するからであ
る。
また第３図からわかるように、ニッケル含有量が30〜45
重量％のものは、特に引張強度の増大に対して顕著な効
果がある。ちなみにセラミックスに接合材を介してニッ
ケルを含有しないものを接合したものの接合強度が約22
0kgf/cm2であるのに対して、ニッケル41重量％のニレジ
ストダクタイル鋳鉄を使用した接合体の接合強度は約2.
4倍の530kgf/cm2であった。
またセラミックスと他の金属、例えば鋼材であるSS 41
を接合するには、従来のようにセラミックスとSS 41と
を接合材を介して接合するより、第１図(d)および第２
図(d)に示した接合体のニッケルを含む鋳鉄６に、第４
図に示すように銀ろう５を介してSS 41等の鋼材８を重
合し、加圧しながら700℃で10分間加熱して接合する
と、接合体全体の強度を低下させることなく、鋼材等の
他の金属とセラミックスとの接合体を得ることができ
る。すなわち、この場合接合体中のニレジストダクタイ
ル鋳鉄６はセラミックス１と鋼材８との間における熱膨
張率の緩和材としての作用をするものであるから、ある
程度の厚さを必要とする。
第５図は前述した第６図の試験片と同一の条件で緩和材
としてニレジストダクタイル鋳鉄（ニッケル38重量％含
有）の厚さを０〜20mmの範囲において数種類作製して引
張強さに与える影響を調べたものである。
この第５図からみて緩和材としての鋳鉄の厚さは１〜20
mmの範囲が有効であることがわかる。すなわち厚さが１
mm以下であると十分な接合強度が得られず、20mm以上に
なると緩和材としての効果が一定となる。したがって本
発明においては緩和材としての鋳鉄の厚さを１〜20mmの
範囲に限定した。
また第８図は本発明の他の実施例を示すものである。図
中１はセラミックス(Al2O3)で、このセラミックス１の
上に厚さ35μｍのチタン(Ti)箔９を載せ、その上に厚さ
150μｍのニッケル入り銀ろう（Ag50重量％、Zn15重量
％、Cd15重量％、Cu15重量％、Ni５重量％）10を重ね、
またその上に軟金属である厚さ１mmの銅板３を載せ、さ
らに銀ろう５を介して、厚さ６mmの緩和材（ニッケルを
41重量％含有する球状黒鉛鋳鉄）６を載せ、その上に銀
ろう５を介して接合金属として例えば球状黒鉛鋳鉄11を
載せ、これを無酸化炉（アルゴンガス雰囲気の電気炉）
内において800〜1000℃に保持した後取り出したもので
ある。
（発明の効果） 上述のように本発明においては、金属とセラミックスと
の間に、ニッケルを５〜50重量％含む鋳鉄を介在させた
金属とセラミックスとの接合体において、その鋳鉄の厚
さを１mmから20mmとした。このように、金属とセラミッ
クスとの間に介在させる鋳鉄にニッケルを５〜50重量％
含有させると共に、その厚さを１〜20mmにすると、その
鋳鉄の熱膨張率がセラミックスの熱膨張率と近くなる結
果、これらを接合した接合体の残留応力が減少すると共
に、緩和材としての機能が有効に働いて接合体の接合強
度が著しく増大する。
したがって本発明によれば、この種接合体の強度を増大
できるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図(a)〜(d)は本発明接合体の製造過程を示す説明
図、 第２図(a)〜(d)は本発明接合体の他の製造過程を示す説
明図、 第３図はニッケル量と引張強さとの関係図、 第４図は本発明接合体の他の実施例図、 第５図は緩和材の厚さと引張強さとの関係図、 第６図は従来の接合体の試験片の説明図、 第７図はそのメタライズ温度と引張強さとの関係図、 第８図は本発明接合体の他の実施例図である。 １……セラミックス、２……ダクタイル鋳鉄 ３……接合材、４……破断個所 ５……銀ろう、７……ニッケル含有鋳鉄 ７……チタン酸銅、８……鋼材 ９……チタン箔、10……ニッケル入り銀ろう 11……接合金属

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属とセラミックスとの間に、ニッケルを
    ５〜50重量％含む鋳鉄を介在させた金属とセラミックス
    との接合体において、その鋳鉄の厚さが１mmから20mmで
    あることを特徴とする金属とセラミックスとの接合体。
JP15324187A 1987-06-22 1987-06-22 金属とセラミックスとの接合体 Expired - Lifetime JPH0639348B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP15324187A JPH0639348B2 (ja) 1987-06-22 1987-06-22 金属とセラミックスとの接合体

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP15324187A JPH0639348B2 (ja) 1987-06-22 1987-06-22 金属とセラミックスとの接合体

Publications (2)

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JPS63319274A JPS63319274A (ja) 1988-12-27
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