JPH0649621B2 - 金属とセラミックスとの接合方法 - Google Patents
金属とセラミックスとの接合方法Info
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- JPH0649621B2 JPH0649621B2 JP61160864A JP16086486A JPH0649621B2 JP H0649621 B2 JPH0649621 B2 JP H0649621B2 JP 61160864 A JP61160864 A JP 61160864A JP 16086486 A JP16086486 A JP 16086486A JP H0649621 B2 JPH0649621 B2 JP H0649621B2
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
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方法に関
するものである。
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。
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リブデン法とチタン
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。
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リブデン法とチタン
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。
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。このため
本発明としては作業が簡単で、製造がしやすい大気中で
の接合方法を得ようとするものである。
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。このため
本発明としては作業が簡単で、製造がしやすい大気中で
の接合方法を得ようとするものである。
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。
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
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。
ックスを接合する接合体において、その金属を選定する
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、セラミッ
クスの接合面に銅板を接合材としてあてがって大気中で
加熱した後冷却し、次ぎにその接合材の表面を研摩した
後その研摩した面に、ニッケル５〜50重量％を含む鋳鉄
を重合して、加圧しながら加熱することによって金属と
セラミックスとを接合する。
クスの接合面に銅板を接合材としてあてがって大気中で
加熱した後冷却し、次ぎにその接合材の表面を研摩した
後その研摩した面に、ニッケル５〜50重量％を含む鋳鉄
を重合して、加圧しながら加熱することによって金属と
セラミックスとを接合する。
（作用） 上述のように鋳鉄にニッケルを５〜50重量％含有させる
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、その接合強度が著しく増大する。
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、そ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。
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。
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。
作ると共に、セラミックスの熱膨張率を調査した。
その熱膨張率試験には、静岡県工業技術センターの熱膨
張計を使用した。試験片５φ×20mmとし、両端は約１μ
に研摩した。又、試験温度は常温から1,000℃までを測
定し、昇温温度は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。
張計を使用した。試験片５φ×20mmとし、両端は約１μ
に研摩した。又、試験温度は常温から1,000℃までを測
定し、昇温温度は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。
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
膨張率は低かった。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。
膨張率は低かった。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Ni38％DCIは
6.5、Ni 35％DCIは7.4であり、Ni29％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
低く、Ni 44％DCIのものは、次に低かった。Ni 29％DCI
のものは、18.0で最も高かった。
6.5、Ni 35％DCIは7.4であり、Ni29％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
低く、Ni 44％DCIのものは、次に低かった。Ni 29％DCI
のものは、18.0で最も高かった。
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、70
0℃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。
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、70
0℃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
ZrO2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
Al2O3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。
較的熱膨張率が小さく、セラミックスの熱膨張率の高い
ZrO2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
Al2O3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、ニッケルを５〜
50重量％含む鋳鉄とセラミックスとを接合するようにす
る。
50重量％含む鋳鉄とセラミックスとを接合するようにす
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。
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と接合材
３を介してニッケル５〜50％含む鋳鉄６とを接合する。
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と接合材
３を介してニッケル５〜50％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、銅図(b)で示す熱処理を経て、銅図(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。
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、銅図(b)で示す熱処理を経て、銅図(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％含む鋳鉄に
限定した。
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％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。
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
0 kgf/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本発明による接合体の
接合強度は約2.4倍の530 kgf/cm2であった。
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
0 kgf/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本発明による接合体の
接合強度は約2.4倍の530 kgf/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。
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。この場合緩和
材の厚さは約６mm以上であればよいことがわかる。
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。この場合緩和
材の厚さは約６mm以上であればよいことがわかる。
なお、本発明においては、セラミックスと接合する金属
をニッケル５〜50重量％含む鋳鉄としたが、この鋳鉄と
しては鋳鉄の性質上、球状黒鉛鋳鉄、すなわちニッケル
を含有するニレジストダクタイル鋳鉄が実用上好適であ
る。
をニッケル５〜50重量％含む鋳鉄としたが、この鋳鉄と
しては鋳鉄の性質上、球状黒鉛鋳鉄、すなわちニッケル
を含有するニレジストダクタイル鋳鉄が実用上好適であ
る。
（発明の効果） 上述のように鋳鉄にニッケルを５〜50重量％含有させる
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、これらを接合した本発明による接合体は、
その残留応力が減少すると共に、その接合強度が著しく
増大するというすぐれた効果が得られる。
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、これらを接合した本発明による接合体は、
その残留応力が減少すると共に、その接合強度が著しく
増大するというすぐれた効果が得られる。
第１図(a)〜(d)は本発明による接合体の製造過程を示す
説明図、 第２図(a)〜(d)は本発明による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図は本発明による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、６……ニッケル含有鋳鉄 ７……チタン酸銅、８……鋼材
説明図、 第２図(a)〜(d)は本発明による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図は本発明による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、６……ニッケル含有鋳鉄 ７……チタン酸銅、８……鋼材
Claims (1)
- 【請求項１】セラミックスの接合面に銅板を接合材とし
てあてがって大気中で加熱した後冷却し、次ぎにその接
合材の表面を研摩した後その研摩した面に、ニッケル５
〜50重量％を含む鋳鉄を重合して、加圧しながら加熱す
ることを特徴とする金属とセラミックスとの接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61160864A JPH0649621B2 (ja) | 1986-07-10 | 1986-07-10 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP61160864A JPH0649621B2 (ja) | 1986-07-10 | 1986-07-10 | 金属とセラミックスとの接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6317270A JPS6317270A (ja) | 1988-01-25 |
| JPH0649621B2 true JPH0649621B2 (ja) | 1994-06-29 |
Family
ID=15724024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61160864A Expired - Lifetime JPH0649621B2 (ja) | 1986-07-10 | 1986-07-10 | 金属とセラミックスとの接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0649621B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5328019A (en) * | 1976-08-27 | 1978-03-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Manufacture of fe-ni group sealing alloy |
-
1986
- 1986-07-10 JP JP61160864A patent/JPH0649621B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6317270A (ja) | 1988-01-25 |
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