JPH0776138B2

JPH0776138B2 - セラミツクスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品

Info

Publication number: JPH0776138B2
Application number: JP30707486A
Authority: JP
Inventors: 陽一宮沢; 弘記杉山; 裕御代
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPS63159265A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、セラミックスと金属とを接合して耐熱衝撃
性の高い接合製品を得る接合方法および接合製品に関す
るものである。

「従来の技術」周知のように、摩耗や熱作用を頻繁に受ける金属部品
（金属母材）に対しては、一部にセラミックスを用いて
部品の耐摩耗性耐熱性の向上を図る手段が取られてい
る。

従来、上記のようなセラミックスと金属との接合製品
は、第４図に示すように、金属母材１とセラミックス母
材２とを中間金属層３を介して接合一体化したものであ
った。この接合製品の接合方法としては、主に次の３つ
の方法が用いられている。まず、第１の方法は、セラミ
ックス母材２の接合面に予め30〜60μｍ程度の厚みのメ
タライズ層を形成しておき、このセラミックス母材２に
前記中間金属層３をロウ付するとともに、この中間金属
層３を金属母材１にロウ付する方法である。また、第２
の方法は、金属母材１の接合面には金属用のロウ材を塗
布すると同時に、セラミックス母材２にはメタライズ用
のロウ材を塗布し、これらの間に中間金属層３を介装
し、これらを加熱することによって一時にロウ付し、一
体化する方法である。そして、第３の方法は、金属母材
１とセラミックス母材２との間に中間金属層３を介装
し、これら３者を加圧下で加熱し、中間金属層３をそれ
ぞれ金属母材１およびセラミックス母材２中に拡散さ
せ、接合する方法である。

上記中間金属層３としては、通常、Cu、Al、Niや、また
Ag等の貴金属、そして、これら単体金属を含んでなる高
展延性金属もしくはその合金が使用されている。

上記接合構造において、接合強度はセラミックス母材２
と中間金属層３との接合面積に比例することが知られて
いる。また、金属母材１とセラミックス母材２との間に
かかる応力を緩和するためには、中間金属層３としては
ある程度以上の厚みが必要であるが、中間金属層３自体
の伸縮に伴う変形力のセラミックス母材２への影響を考
える場合、この中間金属層３の厚みは薄い方が好ましい
ことになる。従って、現状において、セラミックス母材
２に直接接合しているメタライズ層などは上記したよう
に30〜60μｍ程度の薄さに形成されている。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、上記従来のセラミックスと金属との接合製品
には、下記のような問題点があり、その解決が望まれて
いる。

すなわち、上記接合製品においては、第５図に示すよう
に、通常は接合強度を上げるためにセラミックス母材２
の接合側の面2aのほぼ全域を覆うように中間金属層３を
形成し、接合している。そのため、このような構造にお
いては、例えば熱膨張率の大きい金属母材１の冷却収縮
に伴って中間金属層３にかかる引張り応力は、図中矢印
のように各辺の中央に向かって働くことになり、その結
果、中間金属層３の角部Ｃ…に最も大きな引張り応力が
働く。そのため、引張り応力に対して弱いセラミックス
母材２は、上記角部Ｃに相当する部分に応力集中が生じ
てクラックが発生し、剥離してしまうということがしば
しば発生している。

これに対し、第６図に示すように、応力集中を避けるた
めに接合部分４に角部をつくらないように中間金属層３
の形状を円板状にする構造が考えられる。しかし、例え
ば、Al₂O₃の熱膨張率は7.8×10^-6、Si₃N₄のそれは４×1
0^-6というように、金属の熱膨張率はセラミックスの２
〜４倍もあるため、角部のない接合面の採用によって接
合面積をある程度減少して、換言すれば接合強度をある
程度犠牲にして行なう上記改良構造においても、第７図
に示すように、経時的に接合部分の外周に沿ってセラミ
ックス母材２にクラックが発生し、終には剥離してしま
うという経時的劣化現象を避けることができない。特
に、金属母材が外部からの熱や機械的外力を受け、大き
な変形を伴う場合は、一層セラミックスに力が加わり、
クラックが発生しやすい。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
は特に金属母材の熱変動（熱衝撃）に伴う伸縮がセラミ
ックス母材にかかるのを減少させ、それによりセラミッ
クス母材のクラックを減少させ、製品の耐熱衝撃性、信
頼性の向上および高寿命化を図ることのできるセラミッ
クスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品を
提供することにある。

「問題点を解決するための手段」本発明者らは、上記問題点を解決するために、鋭意研究
を重ねたところ、下記のような知見を得るに至った。

（ｉ）前記したように、銅などの高展延性金属からな
る中間金属層は、金属母材とセラミックス母材とを直接
接合すると、各々の熱膨張の差により応力が発生してセ
ラミックス母材に割れが発生するので、これを防ぐため
に、応力緩和を目的にセラミックス母材と金属母材との
間に介装されているものである。この中間金属層によっ
て接合した製品は、常温およびその近辺で使用している
場合には、中間金属層の働きにより大過なく使用するこ
とができる。しかし、この製品に熱衝撃、例えば350℃
〜室温の温度差を繰り返し与えると、中間金属層は高展
延性金属であるために大きく伸縮を繰り返し、その応力
により終にはセラミックス母材に割れが発生してしま
う。

したがって、前記のような熱衝撃が接合製品に加えられ
る場合、中間金属層のセラミックス母材に対する接合面
積は少なければ少ない程、熱変動に伴う中間金属層の伸
縮量が少なくなることになる。この考えに基づいて、中
間金属層を多孔状または柱状に複数に分割し、この多孔
状金属材をセラミックス母材と金属母材との間に介装、
接合するか、または多数の柱状金属材を間隔を設けてセ
ラミックス母材と金属母材との間に介装、接合すれば少
なくとも中間金属自体に起因する応力を大幅に緩和する
ことができる。

（ii）しかし、前記多孔板構造の場合、全体的に連続
しているので、中間金属層の総計としての伸縮変形量は
それほど軽減されないし、また、分割柱状構造である
と、セラミックス母材に対して金属が接合面に平行に変
位する場合などに各柱状金属材の接合面に大きな応力が
かかってしまう。

そこで、まず一つには、第１図および第２図に示すよう
に、金属母材１とセラミックス母材２との間に介在させ
る多孔板状金属材５の各孔に柱状セラミックス材６…を
挿入し、これら柱状セラミックス材６と多孔金属板５と
からなる中間複合層をセラミックス母材２および金属母
材１に接合したところ、多孔板状金属材５に均等に柱状
の杭を打ち込んだ状態となり、この多孔板状金属材５の
熱伸縮変形量を押さえ、その結果、金属母材１および中
間複合層７（多孔板状金属５…＋柱状セラミックス材６
…）のセラミックス母材２へかかる応力を大幅に緩和す
ることができた。

次に、第３図に示すように、柱状金属材８…の場合は、
これら柱状金属材８…をセラミックス材で囲むことによ
って、つまり、実際的には多孔板状セラミックス材９の
各孔中に柱状金属材８…を挿入して得られた中間複合層
10をセラミックス母材２と金属母材１に介装、接合する
ことによって、接合面に平行な金属母材１および各柱状
金属材８の変位を確実に抑えることができ、しかも金属
母材１および中間複合層10のセラミックス母材２へかか
る応力を大幅に緩和することができた。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものである。

すなわち、この発明に係るセラミックスと金属との高耐
熱衝撃性接合方法は、セラミックス母材２の表面上にメタライズ層11を形成
し、多孔板状セラミックス材９または多孔板金属材５の
上下面に露出するようにして多数の柱状金属材８または
柱状セラミックス材６が挿入されてなる中間複合層７ま
たは10を前記メタライズ層11に接合し、この中間複合層
７または10上に金属母材１を接合することを特徴とする
ものである。

また、この発明に係るセラミックスと金属との高耐熱衝
撃性接合製品は、セラミックス母材２の表面上に多孔板状セラミックス材
９または多孔板状金属材５の上下面に露出するようにし
て多数の柱状金属材８または柱状セラミックス材６が挿
入されてなる中間複合層７または10がメタライズ層11を
介して接合され、この上に金属母材１が接合されている
ことを特徴とするものである。

なお、上記構成において、中間複合層７または10を構成
している多孔板状金属材５と柱状セラミックス６…、ま
たは多孔板状セラミックス材９と柱状金属材８…は、互
いに接合した方がより効果的であるが、単に挿入した状
態のままでも所期の効果は得られるので、特に互いに接
合しなくてもよい。

また、上記構成の中間複合層７（または10）の接合にお
いて、図に示すように、セラミックス母材２上にメタラ
イズ層11を形成した後にロウ材12により中間複合層７
（10）を接合することにより行なってもよいし、セラミ
ックス母材２上にロウ材を介して中間複合層７（10）を
重ね、これを加熱することによりメタライズ層形成と中
間複合層接合とを１回の加熱処理により行なってもよ
い。一度で行なうには、例えば、ロウ材としてAg−Cu−
Ti系の活性金属ロウ材などが使用される。また、メタラ
イズ層形成と接合とを別々に行なう場合は、Mo.Mn法に
よるメタライジング等の公知の方法が用いられる。な
お、各中間複合層７、10と金属母材１との接合はロウ材
13により行なわれる。

さらに、この発明において、ロウ付は、真空または不活
性ガス等の非酸化性雰囲気下、常圧で、700〜1250℃に
て行なわれる。また、メタライズ層単独形成の場合も、
非酸化性雰囲気下、700〜1400℃で行なわれる。

なお、本発明の接合製品においては、以下に示す実施例
から明らかなように、耐熱衝撃試験における強度低下率
は約20％以下という実測値を示す。これに対し、一般に
セラミックス、金属母材の種類によっても異なるが、通
常、初期の接合強度（主として剪断強度）に対して測定
誤差も含め30％程度の強度低下は、実用上許容される範
囲である。従って、本発明の接合製品は実用上高い性能
をもつものと判断される。

次に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

「実施例１〜２」第２図の構造において、すなわち、セラミックス母材２
上にメタライズ層11を形成し、この上にロウ材12によっ
て多孔板状金属材５および柱状セラミックス材６とから
なる中間複合層７を接合し、この上にさらにロウ材13に
よって金属母材１を接合した構造の接合品を各々下記材
質、寸法により作成した。

（実施例１） 15×15×5t（mm）のアルミナセラミックス母材上に銀、
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下で1000
℃、15分間加熱して30〜60μｍのメタライズ層を形成し
た。この上にロウ材としてBAg−８（JIS Z3261）を介し
て、15×10×2t（mm）の多孔板状銅材に直径２×高さ２
の多数の円柱状アルミナセラミックス材を嵌合してなる
中間複合層をのせ、真空下、860℃、15分間加熱して接
合した。さらに、前記中間複合層上にBAg−８粉を用い
て、この上に金属母材として30×60×6t（mm）のS45Cを
のせ、真空下、860℃、15分間加熱して接合した。

得られた接合品を次のような熱衝撃試験にかけた。すな
わち、室温から200℃/minで350℃まで昇温し、その後35
0℃で15分間保持した後、炉から外気中に取り出して室
温まで降温し、室温で15分間保持する一続きを１サイク
ルとする内容の試験である。

その結果、この実施例１の接合品は、当初の剪断強度が
10点の平均16.12kg/mm²（以下、強度値は、同様にすべ
て10点の平均値を示す）であったのが、100回のサイク
ルを加えた後は平均12.94kg/mm²となり、その耐熱強度
低下率は、約20％以下という高性能を示した。

（実施例２）上記実施例１において、中間複合層を構成する多孔板状
銅材および柱状アルミナセラミックス材の寸法を各々20
×20×3t（mm）および直径３×高さ３（mm）に替えて、
他の条件は同一にして接合品を作成した。

得られた接合品を上記同様の熱衝撃試験にかけた。

その結果、この実施例２の接合品は、当初の剪断強度が
平均14.30kg/mm²であったのが、100回のサイクルを加え
た後は平均11.45kg/mm²となり、その耐熱強度低下率
は、約20％以下という高性能を示した。

「実施例３」第３図の構造において、すなわち、セラミックス母材２
上にメタライズ層を形成し、この上にロウ材12によって
多孔板状セラミックス材９および柱状金属材８とからな
る中間複合層10を接合し、この上にさらにロウ材13によ
って金属母材１を接合した構造の接合品を各々下記材
質、寸法により作成した。

15×15×5t（mm）のアルミナセラミックス母材上に銀、
銅、チタン各粉の混合物を塗布し、これを真空下で1000
℃６、15分間加熱して50μｍのメタライズ層を形成し
た。この上にロウ材としてBAg−８（JIS Z3261）を介し
て、15×15×2t（mm）の多孔板状セラミックス材に直径
２×高さ２（mm）の多数の柱状銅材を組み合わせてなる
中間複合層をのせ、真空下、860℃、15分間加熱して接
合した。さらに、前記中間複合層上にBAg−８粉を介装
し、この上に金属母材として32×60×6t（mm）のS45Cを
のせ、真空下、860℃、15分間加熱して接合した。

得られた接合品を前記同様の熱衝撃試験にかけた。

その結果、この実施例３の接合品は、当初の剪断強度が
10点の平均14.85kg/mm²（以下、強度値は、同様のすべ
て10点の平均値を示す）であったのが、100回のサイク
ルを加えた後は平均12.53kg/mm²となり、その耐熱強度
低下率は、約20％以下という高性能を示した。

（比較例）熱衝撃試験の比較例として、30×15×5t（mm）のアルミ
ナセラミックス母材上に13×13×2t（mm）の四角形銅板
をロウ材（BAg−８）介して32×60×6t（mm）のS45Cを
金属母材として接合したものについて、前記実施例と全
く同様にして350℃の熱衝撃試験を行った。

その結果、当初剪断強度が平均4.46kg/mm²であったの
が、10回目のサイクルで既に平均2.58kg/mm²までと約42
％の強度低下を示し、50回目では0.30kg/mm²まで低下
し、実用範囲から外れる結果となった。

「発明の効果」以上説明したように、本発明によれば、耐熱衝撃性が高
く、信頼性に優れ、高寿命なセラミックスと金属との接
合製品を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、この発明を説明するためのもの
で、第１図はこの発明に係る高耐熱衝撃性接合製品の一
例を示す側断面図、第２図は第１図の要部である中間複
合層の斜視図、第３図はこの発明に係る高耐熱衝撃性接
合製品の他の例を示す側断面図、第４図は従来の接合製
品の一例を示す側面構成図、第５図は第４図Ａ−Ａ線に
沿う断面図、第６図は他の従来例の要部平面図、第７図
は同従来例の要部側面図である。１……金属母材、２……セラミックス母材、３……中間金属層、５……多孔板状金属材、６……柱状セラミックス材、７、10……中間複合層、８……柱状金属材、９……多孔板状セラミックス材、 11……メタライズ層、 12、13……ロウ材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス母材の表面上にメタライズ層
を形成し、板状セラミックス材または板状金属材の上下
面に露出するようにして多数の柱状金属材または柱状セ
ラミックス材が挿入されてなる中間複合層を前記メタラ
イズ層上に接合し、この中間複合層上に金属母材を接合
することを特徴とするセラミックスと金属との高耐熱衝
撃性接合方法。
【請求項２】セラミックス母材の表面上に板状セラミッ
クス材または板状金属材の上下面に露出するようにして
多数の柱状金属材または柱状セラミックス材が挿入され
てなる中間複合層がメタライズ層を介して接合され、こ
の上に金属母材が接合されていることを特徴とするセラ
ミックスと金属との高耐熱衝撃性接合製品。