JPH0639563A - セラミックスと金属の接合体 - Google Patents
セラミックスと金属の接合体Info
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- JPH0639563A JPH0639563A JP5714591A JP5714591A JPH0639563A JP H0639563 A JPH0639563 A JP H0639563A JP 5714591 A JP5714591 A JP 5714591A JP 5714591 A JP5714591 A JP 5714591A JP H0639563 A JPH0639563 A JP H0639563A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は熱膨張係数の差により生じるセラミ
ックスの内部残留応力が大きくなるため、製作が困難で
あった大型セラミックス（特に、熱膨張係数の小さい窒
化珪素・サイアロン系セラミックス）と金属との健全な
接合体を製作する技術を提供する。 【構成】 セラミックス１と金属５を、金属球を平面上
に複数個配列して構成される緩衝金属層３を介し、ろう
材２およびろう材４により接合したセラミックス−金属
接合体。
ックスの内部残留応力が大きくなるため、製作が困難で
あった大型セラミックス（特に、熱膨張係数の小さい窒
化珪素・サイアロン系セラミックス）と金属との健全な
接合体を製作する技術を提供する。 【構成】 セラミックス１と金属５を、金属球を平面上
に複数個配列して構成される緩衝金属層３を介し、ろう
材２およびろう材４により接合したセラミックス−金属
接合体。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスと金属と
が、中間層または緩衝金属層を介して接合されるセラミ
ックスと金属の接合体に関する。
が、中間層または緩衝金属層を介して接合されるセラミ
ックスと金属の接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックスは、金属に比べすぐれた耐
熱性・耐磨耗性・耐蝕性を有するが、低靭性・難加工性
という欠点も有する。このため、セラミックス単独で使
用されることは少なく、耐熱性・耐磨耗性・耐蝕性など
の必要特性を要求される部分にのみセラミックスを使用
し、靭性・加工性を要求される部分は金属とする、セラ
ミックス−金属接合体の形で使用されることがほとんど
である。セラミックス−金属接合体は、施工性、信頼
性、コストの観点から一般にはろう付け法により製作さ
れる。しかし、ろう付け法によるセラミックス−金属の
直接接合では、高温の炉内で接合後冷却するため、冷却
過程において、セラミックスと金属の熱膨張係数の差に
より、セラミックス内部に大きな残留応力が発生し、セ
ラミックスの内部残留応力が最も高くなる接合界面付近
より亀裂が発生し健全な接合体を製作することは困難で
ある場合が多い。
熱性・耐磨耗性・耐蝕性を有するが、低靭性・難加工性
という欠点も有する。このため、セラミックス単独で使
用されることは少なく、耐熱性・耐磨耗性・耐蝕性など
の必要特性を要求される部分にのみセラミックスを使用
し、靭性・加工性を要求される部分は金属とする、セラ
ミックス−金属接合体の形で使用されることがほとんど
である。セラミックス−金属接合体は、施工性、信頼
性、コストの観点から一般にはろう付け法により製作さ
れる。しかし、ろう付け法によるセラミックス−金属の
直接接合では、高温の炉内で接合後冷却するため、冷却
過程において、セラミックスと金属の熱膨張係数の差に
より、セラミックス内部に大きな残留応力が発生し、セ
ラミックスの内部残留応力が最も高くなる接合界面付近
より亀裂が発生し健全な接合体を製作することは困難で
ある場合が多い。
【０００３】セラミックスは、アルミナ系、ジルコニア
系、炭化珪素系、窒化珪素・サイアロン系に大別される
が、耐熱性・耐磨耗性・耐蝕性を要求される構造部材と
して使用されるのは、高温強さ・破壊靭性の観点からア
ルミア系および窒化珪素・サイアロン系である。特に窒
化珪素・サイアロン系は、アルミナ系よりはるかにすぐ
れた特性を有するが、熱膨張係数がアルミナ系の８×１
０-6／℃に対し、窒化珪素・サイアロン系では、３〜４
×１０-6／℃とアルミナ系の半分以下であり、健全な接
合体の製作はより一層困難である。
系、炭化珪素系、窒化珪素・サイアロン系に大別される
が、耐熱性・耐磨耗性・耐蝕性を要求される構造部材と
して使用されるのは、高温強さ・破壊靭性の観点からア
ルミア系および窒化珪素・サイアロン系である。特に窒
化珪素・サイアロン系は、アルミナ系よりはるかにすぐ
れた特性を有するが、熱膨張係数がアルミナ系の８×１
０-6／℃に対し、窒化珪素・サイアロン系では、３〜４
×１０-6／℃とアルミナ系の半分以下であり、健全な接
合体の製作はより一層困難である。
【０００４】セラミックス−金属接合体における、セラ
ミックスの内部残留応力を緩和する方法としては、
（１）セラミックスと金属の間に中間層として軟質金属
を介装する方法、（２）セラミックスと金属の間に中間
層として軟質金属と硬質金属の複数層を介装する方法、
（３）セラミックスと金属の間に、部分的に中間層を介
装し接合面積を低減させる方法、（４）中間層または金
属にスリットなどを設け冷却過程における変形を吸収す
る方法、などが提案されている。これらは一部実用化さ
れている技術であり、セラミックスの内部残留応力を低
減する効果はあるものの、内部残留応力を大幅に低減す
ることは困難である。このため、小型のセラミックス−
金属接合体は製作可能であるが、大型の接合体を製作す
ることは困難であり、特に低熱膨張係数の窒化珪素・サ
イアロン系では、セラミックスの大きさがＬ２０mm×Ｗ
２０mm程度の接合体が実用レベルとしては製作の限界と
されている。セラミックスの内部残留応力を大幅に低減
する方法として、特開昭６２−１４８１２４号公報で
は、図３から図５に示すような、金属５とセラミックス
１が中間層を介して接合一体化されているセラミックス
−金属接合部材において、金属中間層６ａ，６ｂの中間
または金属中間層７，８，９を介装したセラミックス−
金属接合部材を提案している。
ミックスの内部残留応力を緩和する方法としては、
（１）セラミックスと金属の間に中間層として軟質金属
を介装する方法、（２）セラミックスと金属の間に中間
層として軟質金属と硬質金属の複数層を介装する方法、
（３）セラミックスと金属の間に、部分的に中間層を介
装し接合面積を低減させる方法、（４）中間層または金
属にスリットなどを設け冷却過程における変形を吸収す
る方法、などが提案されている。これらは一部実用化さ
れている技術であり、セラミックスの内部残留応力を低
減する効果はあるものの、内部残留応力を大幅に低減す
ることは困難である。このため、小型のセラミックス−
金属接合体は製作可能であるが、大型の接合体を製作す
ることは困難であり、特に低熱膨張係数の窒化珪素・サ
イアロン系では、セラミックスの大きさがＬ２０mm×Ｗ
２０mm程度の接合体が実用レベルとしては製作の限界と
されている。セラミックスの内部残留応力を大幅に低減
する方法として、特開昭６２−１４８１２４号公報で
は、図３から図５に示すような、金属５とセラミックス
１が中間層を介して接合一体化されているセラミックス
−金属接合部材において、金属中間層６ａ，６ｂの中間
または金属中間層７，８，９を介装したセラミックス−
金属接合部材を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６２−１４
８１２４号公報は、セラミックス内部の残留応力を大幅
に低減しようとしたものであるが、下記のような問題点
があり、大型セラミックス、特に窒化珪素・サイアロン
系セラミックスと金属の健全な接合体を製作することは
困難である。
８１２４号公報は、セラミックス内部の残留応力を大幅
に低減しようとしたものであるが、下記のような問題点
があり、大型セラミックス、特に窒化珪素・サイアロン
系セラミックスと金属の健全な接合体を製作することは
困難である。
【０００６】まず、上記発明では、セラミックスと緩衝
金属層間に中間層を介装することを提案しており、実施
例においてもアルミナと鋼板の接合に中間層として厚み
１mmの銅板を使用している。銅板は塑性変形能が高いた
め、中間層として広く使用されているが、銅の熱膨張係
数は１６×１０-6／℃と高くかつ完全な塑性体ではな
い。本発明者等は、サイアロンと銅の直接接合モデル
で、セラミックスの内部残留応力の論理的解析を行い、
セラミックスを大型化すると、銅板を薄くしても、セラ
ミックス内部に高い残留応力が発生することを解明し
た。この結果から、上記発明の構成要素であるセラミッ
クスと緩衝金属層の中間層は、健全な接合体を製作する
ためには逆に有害であるといえる。
金属層間に中間層を介装することを提案しており、実施
例においてもアルミナと鋼板の接合に中間層として厚み
１mmの銅板を使用している。銅板は塑性変形能が高いた
め、中間層として広く使用されているが、銅の熱膨張係
数は１６×１０-6／℃と高くかつ完全な塑性体ではな
い。本発明者等は、サイアロンと銅の直接接合モデル
で、セラミックスの内部残留応力の論理的解析を行い、
セラミックスを大型化すると、銅板を薄くしても、セラ
ミックス内部に高い残留応力が発生することを解明し
た。この結果から、上記発明の構成要素であるセラミッ
クスと緩衝金属層の中間層は、健全な接合体を製作する
ためには逆に有害であるといえる。
【０００７】次に、上記発明では、緩衝金属層としてメ
ッシュ状、くし歯状、束線状などの伸縮形状化金属部材
からなる緩衝金属層を提案しており、実施例において
は、２００メッシュの多孔板を使用している。本発明者
等は、サイアロンとステンレス鋼の緩衝金属層を介した
接合実験を行い、くし歯状、束線状などの接合面で線接
触する形状、およびメッシュ状でも多孔板のように部分
的に面接触する形状では、セラミックスの内部残留応力
低減効果は小さいことを確認した。
ッシュ状、くし歯状、束線状などの伸縮形状化金属部材
からなる緩衝金属層を提案しており、実施例において
は、２００メッシュの多孔板を使用している。本発明者
等は、サイアロンとステンレス鋼の緩衝金属層を介した
接合実験を行い、くし歯状、束線状などの接合面で線接
触する形状、およびメッシュ状でも多孔板のように部分
的に面接触する形状では、セラミックスの内部残留応力
低減効果は小さいことを確認した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来の改良技
術では困難である大型セラミックス、特に窒化珪素・サ
イアロン系セラミックスと金属との健全な接合体を製作
することを目的としてなされたものであり、セラミック
スと金属とが、金属球を平面上に複数個配列して構成さ
れる緩衝金属層を介してろう材により接合されているこ
とを特徴とするセラミックス−金属接合体である。
術では困難である大型セラミックス、特に窒化珪素・サ
イアロン系セラミックスと金属との健全な接合体を製作
することを目的としてなされたものであり、セラミック
スと金属とが、金属球を平面上に複数個配列して構成さ
れる緩衝金属層を介してろう材により接合されているこ
とを特徴とするセラミックス−金属接合体である。
【０００９】
【作用】本発明によるセラミックス−金属接合体の構造
を図１に示す。セラミックス１と金属５は金属球を平面
上に複数個配列して構成される緩衝金属層３を介しろう
材２およびろう材４により接合されている。セラミック
スと緩衝金属層間の中間層は、前述のようにセラミック
スの内部残留応力緩和の観点からは有害であることから
使用しない。セラミックス−金属のろう付けでは、ろう
付け性を改善するため、セラミックスの表面を活性金属
によりあらかじめメタライズすることが一般的である
が、本発明では、ろう材２に活性金属ろう材を用いるこ
とにより、セラミックスをメタライズしなくとも接合は
可能であり、セラミックスのメタライズは必ずしも必要
ではない。
を図１に示す。セラミックス１と金属５は金属球を平面
上に複数個配列して構成される緩衝金属層３を介しろう
材２およびろう材４により接合されている。セラミック
スと緩衝金属層間の中間層は、前述のようにセラミック
スの内部残留応力緩和の観点からは有害であることから
使用しない。セラミックス−金属のろう付けでは、ろう
付け性を改善するため、セラミックスの表面を活性金属
によりあらかじめメタライズすることが一般的である
が、本発明では、ろう材２に活性金属ろう材を用いるこ
とにより、セラミックスをメタライズしなくとも接合は
可能であり、セラミックスのメタライズは必ずしも必要
ではない。
【００１０】セラミックス−金属の接合面積を小さくす
ることにより、セラミックス内部の残留応力を低減でき
ることは周知であるが、線接触または局部的に面接触す
る方法では、局部的に高い残留応力が発生し、窒化珪素
・サイアロン系では、健全な大型セラミックス−金属接
合体を製作することは困難である。本発明では、セラミ
ックスおよび金属の接合面と点接触する金属球を平面上
に複数個配列して構成される緩衝金属層を用いており、
ろう付け時にろう材が溶融温度に達すると、ろう材は毛
細管現象により点接触している部分に集中し、溶融温度
以下に冷却すると接触点のごく狭い範囲で凝固するた
め、接合面積を均等に減少できるとともに、線接触また
は局部的に面接触する方法のように、セラミックス内部
に局部的に高い残留応力が発生せず、また冷却過程にお
ける変形は金属球それぞれの変位により大部分が吸収さ
れるため、セラミックス内部の残留応力は大幅に低減さ
れる。
ることにより、セラミックス内部の残留応力を低減でき
ることは周知であるが、線接触または局部的に面接触す
る方法では、局部的に高い残留応力が発生し、窒化珪素
・サイアロン系では、健全な大型セラミックス−金属接
合体を製作することは困難である。本発明では、セラミ
ックスおよび金属の接合面と点接触する金属球を平面上
に複数個配列して構成される緩衝金属層を用いており、
ろう付け時にろう材が溶融温度に達すると、ろう材は毛
細管現象により点接触している部分に集中し、溶融温度
以下に冷却すると接触点のごく狭い範囲で凝固するた
め、接合面積を均等に減少できるとともに、線接触また
は局部的に面接触する方法のように、セラミックス内部
に局部的に高い残留応力が発生せず、また冷却過程にお
ける変形は金属球それぞれの変位により大部分が吸収さ
れるため、セラミックス内部の残留応力は大幅に低減さ
れる。
【００１１】セラミックス−金属接合体の接合強さを任
意に制御することは、従来法では極めて困難であるが、
本発明によれば、金属球の大きさを変えることにより、
単位面積あたりの接合強さは容易に変えることができ
る。本発明による接合方法によれば、セラミックスの大
きさに応じて、健全なセラミックス−金属接合体を製作
するための最適な接合強さを理論的または実験的に求
め、最適な接合強さとなる金属球サイズを選択すればよ
い。
意に制御することは、従来法では極めて困難であるが、
本発明によれば、金属球の大きさを変えることにより、
単位面積あたりの接合強さは容易に変えることができ
る。本発明による接合方法によれば、セラミックスの大
きさに応じて、健全なセラミックス−金属接合体を製作
するための最適な接合強さを理論的または実験的に求
め、最適な接合強さとなる金属球サイズを選択すればよ
い。
【００１２】銅球からなる緩衝金属層を介してサイアロ
ナンとステンレス鋼を真空炉中ろう付けにより製作した
接合体で、せん断試験を行った結果、直径１mmの銅球を
用いた場合は８kg／mm2 、直径３mmの銅球を用いた場合
は３kg／mm2 のせん断強さを示した。金属球のサイズを
大きくすることにより、せん断強さは低下するがより大
型の健全なセラミックス−金属接合体の製作が可能とな
り、接合面全体での接合強さは、小型のセラミックス−
金属接合体にくらべはるかに大きくできるため、実用上
はまったく問題がない。さらに、セラミックスを大型化
することにより、同一面積あたりの製作コストは大幅に
低減でき、塊や粒体が衝突する耐摩耗部材としては、衝
撃エネルギーの吸収能が向上するため耐衝撃性が大幅に
向上するなどメリットはきわめて大きい。
ナンとステンレス鋼を真空炉中ろう付けにより製作した
接合体で、せん断試験を行った結果、直径１mmの銅球を
用いた場合は８kg／mm2 、直径３mmの銅球を用いた場合
は３kg／mm2 のせん断強さを示した。金属球のサイズを
大きくすることにより、せん断強さは低下するがより大
型の健全なセラミックス−金属接合体の製作が可能とな
り、接合面全体での接合強さは、小型のセラミックス−
金属接合体にくらべはるかに大きくできるため、実用上
はまったく問題がない。さらに、セラミックスを大型化
することにより、同一面積あたりの製作コストは大幅に
低減でき、塊や粒体が衝突する耐摩耗部材としては、衝
撃エネルギーの吸収能が向上するため耐衝撃性が大幅に
向上するなどメリットはきわめて大きい。
【００１３】
【実施例】図２において、セラミックス１は接合面を活
性金属メタライズしたＬ２００×Ｗ２００×Ｔ２００mm
のサイアロン、金属５は１２００×ｗ２００×ｔ６mmの
ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０）、緩衝金属層３は直径３
mmの銅球を平面上にすきまなく並べたものである。緩衝
金属層の上下に銀ろう箔を挿入し、８００℃×４０分の
ろう付け条件で真空中ろう付けし、接合体を製作した。
本接合体のセラミックスの内部残留応力低減効果を定量
的に評価するため、セラミックの端面の残留応力をＸ線
回折により、厚み方向５点×幅方向３点の計１５点で測
定した結果、残留応力の大きさは＋１０〜−１０kgｆ／
mm2 の範囲内にあり、接合冷却時にセラミックスに残留
応力はほとんど発生していないことが確認された。
性金属メタライズしたＬ２００×Ｗ２００×Ｔ２００mm
のサイアロン、金属５は１２００×ｗ２００×ｔ６mmの
ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０）、緩衝金属層３は直径３
mmの銅球を平面上にすきまなく並べたものである。緩衝
金属層の上下に銀ろう箔を挿入し、８００℃×４０分の
ろう付け条件で真空中ろう付けし、接合体を製作した。
本接合体のセラミックスの内部残留応力低減効果を定量
的に評価するため、セラミックの端面の残留応力をＸ線
回折により、厚み方向５点×幅方向３点の計１５点で測
定した結果、残留応力の大きさは＋１０〜−１０kgｆ／
mm2 の範囲内にあり、接合冷却時にセラミックスに残留
応力はほとんど発生していないことが確認された。
【００１４】上記の実施例は、構造用セラミックスでは
最も熱膨張係数の低いサイアロンと、９〜１５×１０-6
／℃と熱膨張係数の高いステンレス鋼の接合体であり、
サイアロンより熱膨張係数の大きいアルミナ系等のセラ
ミックスとの接合体製作は、本実施例よりはるかに容易
である。
最も熱膨張係数の低いサイアロンと、９〜１５×１０-6
／℃と熱膨張係数の高いステンレス鋼の接合体であり、
サイアロンより熱膨張係数の大きいアルミナ系等のセラ
ミックスとの接合体製作は、本実施例よりはるかに容易
である。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、接合時の冷却過程にお
いて発生するセラミックスの内部残留応力を大幅に低減
でき健全な接合体を製作できる。またセラミックスおよ
び金属のいずれも材質、大きさ、厚みの制約を受けず、
かつセラミックスと金属間に、金属球を平面上に複数個
配列して構成される緩衝金属以外の特殊な中間層を使用
することなく接合体が製作できる。
いて発生するセラミックスの内部残留応力を大幅に低減
でき健全な接合体を製作できる。またセラミックスおよ
び金属のいずれも材質、大きさ、厚みの制約を受けず、
かつセラミックスと金属間に、金属球を平面上に複数個
配列して構成される緩衝金属以外の特殊な中間層を使用
することなく接合体が製作できる。
【図１】本発明による接合体の構造の側面図である。
【図２】実施例のセラミックス−金属接合体の構造を示
したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】従来例の構造であり、くし歯の緩衝金属を使用
した構造図である。
した構造図である。
【図４】従来例の構造であり、束線状の緩衝金属を使用
した構造図である。
した構造図である。
【図５】従来例の構造であり、メッシュ状の緩衝金属を
使用した構造図である。
使用した構造図である。
１ セラミックス ２，４ ろう材 ３ 緩衝金属層 ５ 金属 ６ａ，ｂ 金属中間層 ７，８，９ 緩衝金属層
Claims (1)
- 【請求項１】 セラミックスと金属とが、金属球を平面
上に複数個配列して構成される緩衝金属層を介してろう
材により接合されていることを特徴とするセラミックス
と金属の接合体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5714591A JPH0639563A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | セラミックスと金属の接合体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5714591A JPH0639563A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | セラミックスと金属の接合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0639563A true JPH0639563A (ja) | 1994-02-15 |
Family
ID=13047406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5714591A Pending JPH0639563A (ja) | 1991-03-20 | 1991-03-20 | セラミックスと金属の接合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0639563A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5495978A (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-05 | Thermacore, Inc. | Bonding diverse thermal expansion materials |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01249296A (ja) * | 1988-03-30 | 1989-10-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ろう付けペースト |
-
1991
- 1991-03-20 JP JP5714591A patent/JPH0639563A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01249296A (ja) * | 1988-03-30 | 1989-10-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ろう付けペースト |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5495978A (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-05 | Thermacore, Inc. | Bonding diverse thermal expansion materials |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19960305 |