JPH0822785B2 - 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 - Google Patents
窒化物セラミックスと金属の接合処理方法Info
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- JPH0822785B2 JPH0822785B2 JP4161664A JP16166492A JPH0822785B2 JP H0822785 B2 JPH0822785 B2 JP H0822785B2 JP 4161664 A JP4161664 A JP 4161664A JP 16166492 A JP16166492 A JP 16166492A JP H0822785 B2 JPH0822785 B2 JP H0822785B2
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- ceramics
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- nitride ceramics
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化物セラミックスと金
属の接合処理方法の改良に関する。
属の接合処理方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、セラミックス材料がその優れた諸
特性から構造材料，機能材料等広い分野で利用されてい
る。その多くの場合はセラミックス単体で部品を構成し
ているが、より多くの分野でセラミックスを利用するた
めには、金属と接合可能であることが必要である。この
場合、構造部品であれば十分な接合強度が要求され、一
方機能部品であれば接合界面で連続性等が要求される。
しかしながら、セラミックスと金属は夫々異なった原子
結合状態を有し、このため金属とセラミックスを接合す
る場合、それらの反応性などの化学的性質，熱膨張率，
電気伝導度などの物理的性質は大きく異なる。したがっ
て、両部材を良好に濡らし、信頼性の高い合金的な接合
を行なうことは相当困難である。
特性から構造材料，機能材料等広い分野で利用されてい
る。その多くの場合はセラミックス単体で部品を構成し
ているが、より多くの分野でセラミックスを利用するた
めには、金属と接合可能であることが必要である。この
場合、構造部品であれば十分な接合強度が要求され、一
方機能部品であれば接合界面で連続性等が要求される。
しかしながら、セラミックスと金属は夫々異なった原子
結合状態を有し、このため金属とセラミックスを接合す
る場合、それらの反応性などの化学的性質，熱膨張率，
電気伝導度などの物理的性質は大きく異なる。したがっ
て、両部材を良好に濡らし、信頼性の高い合金的な接合
を行なうことは相当困難である。
【０００３】ところで、従来よりセラミックスと金属を
接合する方法の一つとして活性金属を用いる方法（米国
特許２，８５７，６６３）が知られている。この方法は
Ｔｉ，Ｚｒなどの活性金属がＣｕ，Ｎｉなどの遷移金属
との合金において、その融点を数百℃も低下する事実を
利用して金属とアルミナ，フォルステライト，ベリリ
ア，ジルコニアなどの酸化物セラミックスを接合する方
法である。
接合する方法の一つとして活性金属を用いる方法（米国
特許２，８５７，６６３）が知られている。この方法は
Ｔｉ，Ｚｒなどの活性金属がＣｕ，Ｎｉなどの遷移金属
との合金において、その融点を数百℃も低下する事実を
利用して金属とアルミナ，フォルステライト，ベリリ
ア，ジルコニアなどの酸化物セラミックスを接合する方
法である。
【０００４】しかしながら、上述した方法によりセラミ
ックス−金属の接合体，特にＡｌＮやＳｉ3 Ｎ4 などの
窒化物セラミックスとＣｕやＮｉなどの金属の接合体を
造った場合、その接合体に熱衝撃を加えると、それらの
熱膨張差に起因する熱応力が発生し、窒化物セラミック
スにクラックが発生するという欠点があった。即ち、下
記表に示す如く通常の酸化物セラミックスの熱膨張係数
は８．６×１０-6／℃〜１３．５×１０-6／℃であり、
ＡｌＮやＳｉ3 Ｎ4 の熱膨張係数が夫々約５×１０-6／
℃，２．５×１０-6／℃と比較して大きく、ＣｕやＦｅ
の熱膨張係数に近い値を示す。このため、窒化物セラミ
ックスのＣｕやＦｅなどの接合体には酸化物セラミック
スと金属の接合体に比べて大きな熱応力が発生し、セラ
ミックスにクラックが発生し易くなる。
ックス−金属の接合体，特にＡｌＮやＳｉ3 Ｎ4 などの
窒化物セラミックスとＣｕやＮｉなどの金属の接合体を
造った場合、その接合体に熱衝撃を加えると、それらの
熱膨張差に起因する熱応力が発生し、窒化物セラミック
スにクラックが発生するという欠点があった。即ち、下
記表に示す如く通常の酸化物セラミックスの熱膨張係数
は８．６×１０-6／℃〜１３．５×１０-6／℃であり、
ＡｌＮやＳｉ3 Ｎ4 の熱膨張係数が夫々約５×１０-6／
℃，２．５×１０-6／℃と比較して大きく、ＣｕやＦｅ
の熱膨張係数に近い値を示す。このため、窒化物セラミ
ックスのＣｕやＦｅなどの接合体には酸化物セラミック
スと金属の接合体に比べて大きな熱応力が発生し、セラ
ミックスにクラックが発生し易くなる。
【０００５】
【表１】 このようなことから、活性金属を含むろう材とろう材の
間に延性に富むＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｌなどの金属薄板を
介在させ、該ろう材と金属薄板を点溶接して一体化した
接合材料を用いて窒化物セラミックスと金属を接合する
方法（特開昭５６−１６３０９３）が提案されている。
また、活性金属を含むろう材をセラミックス及び金属の
母材に拡散してなる接合体も開発されている。しかしな
がら、これらの方法等は複雑な工程や長時間の熱処理を
伴なう問題があった。このため、より簡略化された工程
で製造でき、かつ接合強度が高く熱応力を緩和し得る窒
化物セラミックスと遷移金属との接合体が切望されてい
る。
間に延性に富むＣｕ，Ｃｕ合金，Ａｌなどの金属薄板を
介在させ、該ろう材と金属薄板を点溶接して一体化した
接合材料を用いて窒化物セラミックスと金属を接合する
方法（特開昭５６−１６３０９３）が提案されている。
また、活性金属を含むろう材をセラミックス及び金属の
母材に拡散してなる接合体も開発されている。しかしな
がら、これらの方法等は複雑な工程や長時間の熱処理を
伴なう問題があった。このため、より簡略化された工程
で製造でき、かつ接合強度が高く熱応力を緩和し得る窒
化物セラミックスと遷移金属との接合体が切望されてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は簡単な工程で
製造でき、かつ接合強度が高く熱応力の緩和作用が高く
窒化物セラミックスのクラック発生を防止し得る窒化物
セラミックスと金属の接合体をつくる接合処理方法を提
供しようとするものである。
製造でき、かつ接合強度が高く熱応力の緩和作用が高く
窒化物セラミックスのクラック発生を防止し得る窒化物
セラミックスと金属の接合体をつくる接合処理方法を提
供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明者らは以
下に説明する点に着目して窒化物セラミックスと金属の
接合体をつくる接合処理方法の開発に成功した。
下に説明する点に着目して窒化物セラミックスと金属の
接合体をつくる接合処理方法の開発に成功した。
【０００８】即ち、ＴｉやＺｒなどの活性金属を含むろ
う材は窒化物セラミックスとの濡れ性が良好である。こ
れはＴｉ，Ｚｒが窒化物セラミックスと反応して窒化物
（ＴｉＮ，ＺｒＮなど）を形成するためであることを既
に確認している。
う材は窒化物セラミックスとの濡れ性が良好である。こ
れはＴｉ，Ｚｒが窒化物セラミックスと反応して窒化物
（ＴｉＮ，ＺｒＮなど）を形成するためであることを既
に確認している。
【０００９】また、Ｔｉ，ＺｒはＡｌＮやＳｉ3 Ｎ4 の
窒化物セラミックスとＣｕやＮｉの金属の熱膨張係数の
中間的な値で、夫々８．９×１０-6／℃，５×１０-6／
℃を有する。
窒化物セラミックスとＣｕやＮｉの金属の熱膨張係数の
中間的な値で、夫々８．９×１０-6／℃，５×１０-6／
℃を有する。
【００１０】更に、金属Ａ，Ｂからなる合金の熱膨張係
数は一般に次式の如く
数は一般に次式の如く
【００１１】
【数１】α alloy＝αA ＭA ＋αB ＭB ［但し、αは熱膨張係数，Ａ，Ｂは元素，Ｍは合金成分
の濃度を示す。］で表わされる。つまり、ＺｒとＣｕの
合金について考察すると、図１に示す如く組成と熱膨張
係数が比例関係を有する。
の濃度を示す。］で表わされる。つまり、ＺｒとＣｕの
合金について考察すると、図１に示す如く組成と熱膨張
係数が比例関係を有する。
【００１２】しかして、上述した究明結果よりＡｌＮや
Ｓｉ3 Ｎ4 などの熱膨張係数が比較的小さい窒化物セラ
ミックスとＣｕやＮｉなどの金属との接合体において、
接合部を、窒化物セラミックス側から活性金属の窒化物
層と、少なくとも１層の活性金属に富む（９９〜５０重
量％）遷移金属との合金属と、少なくとも１層の遷移金
属に富む（９９〜５０重量％）活性金属との合金属とを
順次配置した多層構造にて形成することによって、窒化
物セラミックスと遷移金属の間の熱膨張係数の差を接合
部で段階的に減少でき、それらの間の熱応力を小さくし
て窒化物セラミックスのクラック発生を防止できると共
に窒化物セラミックスと遷移金属とを強固に接合した接
合体を形成すればよいことを見い出した。こうした接合
体の熱応力の緩和作用は以下の説明からも明らかであ
る。
Ｓｉ3 Ｎ4 などの熱膨張係数が比較的小さい窒化物セラ
ミックスとＣｕやＮｉなどの金属との接合体において、
接合部を、窒化物セラミックス側から活性金属の窒化物
層と、少なくとも１層の活性金属に富む（９９〜５０重
量％）遷移金属との合金属と、少なくとも１層の遷移金
属に富む（９９〜５０重量％）活性金属との合金属とを
順次配置した多層構造にて形成することによって、窒化
物セラミックスと遷移金属の間の熱膨張係数の差を接合
部で段階的に減少でき、それらの間の熱応力を小さくし
て窒化物セラミックスのクラック発生を防止できると共
に窒化物セラミックスと遷移金属とを強固に接合した接
合体を形成すればよいことを見い出した。こうした接合
体の熱応力の緩和作用は以下の説明からも明らかであ
る。
【００１３】即ち、セラミックスと金属の接合体に発生
する応力をσとすると、次式の如く
する応力をσとすると、次式の如く
【００１４】
【数２】 ［但し、式中のΔαはセラミックス，金属間の熱膨張係
数の差，ΔＴは成形温度と室温との温度差，Ｅはヤング
率，ｔは厚さ、ｃ，ｍは夫々セラミックス，金属を示
す］にて表わされる。この式より、Δα以外の条件が等
しい接合体において、Δαが小さい場合、発生する応力
σが小さくなることがわかる。
数の差，ΔＴは成形温度と室温との温度差，Ｅはヤング
率，ｔは厚さ、ｃ，ｍは夫々セラミックス，金属を示
す］にて表わされる。この式より、Δα以外の条件が等
しい接合体において、Δαが小さい場合、発生する応力
σが小さくなることがわかる。
【００１５】上述の如くの接合体を形成するために、本
発明は、窒化物セラミックスと金属の接合部に１００％
又はほぼ１００％に近い純度の活性金属箔と、１００％
又はほぼ１００％に近い純度の遷移金属箔とを、該活性
金属箔がセラミックス側に、該遷移金属箔が金属側に位
置するように介在させ、次いで９００℃以上で１〜２０
分間の短時間の熱処理を行うことを特徴とする窒化物セ
ラミックスと金属の接合方法である。
発明は、窒化物セラミックスと金属の接合部に１００％
又はほぼ１００％に近い純度の活性金属箔と、１００％
又はほぼ１００％に近い純度の遷移金属箔とを、該活性
金属箔がセラミックス側に、該遷移金属箔が金属側に位
置するように介在させ、次いで９００℃以上で１〜２０
分間の短時間の熱処理を行うことを特徴とする窒化物セ
ラミックスと金属の接合方法である。
【００１６】本発明に係る接合処理方法において、加熱
温度は９００℃以上、好ましくは９２０〜１０５０℃で
あることが好ましい。
温度は９００℃以上、好ましくは９２０〜１０５０℃で
あることが好ましい。
【００１７】本発明の接合処理によれば、窒化物セラミ
ックスと金属の間に活性金属の窒化物層、活性金属に富
む遷移金属との合金層及び遷移金属に富む活性金属との
合金層からなる接合部が形成され、既述した良好な特徴
を有する接合体が造られる。
ックスと金属の間に活性金属の窒化物層、活性金属に富
む遷移金属との合金層及び遷移金属に富む活性金属との
合金層からなる接合部が形成され、既述した良好な特徴
を有する接合体が造られる。
【００１８】
実施例１ まず、ＡｌＮ部材とＣｕ部材の間に厚さ５０μｍのＺｒ
箔を介在させ、更にＺｒ箔とＣｕ部材の間に厚さ５０μ
ｍのＣｕ箔を介在させた。次いで、９２０℃で５分間熱
処理してＡｌＮ部材とＣｕ部材の接合体を製造した。
箔を介在させ、更にＺｒ箔とＣｕ部材の間に厚さ５０μ
ｍのＣｕ箔を介在させた。次いで、９２０℃で５分間熱
処理してＡｌＮ部材とＣｕ部材の接合体を製造した。
【００１９】得られた接合体はＡｌＮ部材とＣｕ部材の
間に該ＡｌＮ部材側からＺｒＮ層，９５〜９８原子％Ｚ
ｒ−残部Ｃｕの合金層及び７５原子％Ｃｕ−残部Ｚｒの
合金層が順次配置された多層構造の接合部が形成されて
いた。こうした接合体について断面を光学顕微鏡にて１
００倍の倍率で観察したところ、ＡｌＮ部材へのクラッ
ク発生は全く認められなかった。
間に該ＡｌＮ部材側からＺｒＮ層，９５〜９８原子％Ｚ
ｒ−残部Ｃｕの合金層及び７５原子％Ｃｕ−残部Ｚｒの
合金層が順次配置された多層構造の接合部が形成されて
いた。こうした接合体について断面を光学顕微鏡にて１
００倍の倍率で観察したところ、ＡｌＮ部材へのクラッ
ク発生は全く認められなかった。
【００２０】また、得られた接合体のＣｕ部材にＣｕ製
の引張試験用治具をＰｂ−Ｓｎ半田で半田付けし、常温
にて定速引張試験を実施した。その結果、破断は常に半
田付け部で生じ、接合体が前記多層構造の接合部で強固
に接合されていることが確認された。 実施例２ ＡｌＮ部材とＣｕ部材の間に厚さ１０μｍのＴｉ箔を介
在させ、更にＴｉ箔とＣｕ部材の間に厚さ１００μｍの
Ｃｕ箔を介在させた。次いで実施例１と同様な熱処理を
施して接合体を製造した。
の引張試験用治具をＰｂ−Ｓｎ半田で半田付けし、常温
にて定速引張試験を実施した。その結果、破断は常に半
田付け部で生じ、接合体が前記多層構造の接合部で強固
に接合されていることが確認された。 実施例２ ＡｌＮ部材とＣｕ部材の間に厚さ１０μｍのＴｉ箔を介
在させ、更にＴｉ箔とＣｕ部材の間に厚さ１００μｍの
Ｃｕ箔を介在させた。次いで実施例１と同様な熱処理を
施して接合体を製造した。
【００２１】得られた接合体はＡｌＮ部材とＣｕ部材の
該に該ＡｌＮ部材側からＴｉＮ層，９５〜９８原子％Ｔ
ｉ−残部Ｃｕの合金層及び７５原子％Ｃｕ−残部Ｔｉの
合金層が順次配置された多層構造の接合部が形成されて
いた。こうした接合体について実施例１と同様、その断
面を観察したところ、ＡｌＮ部材へのクラック発生は全
く認められなかった。また、接合強度も極めて高いもの
であった。
該に該ＡｌＮ部材側からＴｉＮ層，９５〜９８原子％Ｔ
ｉ−残部Ｃｕの合金層及び７５原子％Ｃｕ−残部Ｔｉの
合金層が順次配置された多層構造の接合部が形成されて
いた。こうした接合体について実施例１と同様、その断
面を観察したところ、ＡｌＮ部材へのクラック発生は全
く認められなかった。また、接合強度も極めて高いもの
であった。
【００２２】
【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば簡単
な工程で製造でき、しかも接合強度が高く、かつ熱影響
を受けた時の熱応力の緩和作用が高く窒化物セラミック
スのクラック発生を防止できる各種の機能部品等に有効
な窒化物セラミックスと金属の接合体を提供できる。
な工程で製造でき、しかも接合強度が高く、かつ熱影響
を受けた時の熱応力の緩和作用が高く窒化物セラミック
スのクラック発生を防止できる各種の機能部品等に有効
な窒化物セラミックスと金属の接合体を提供できる。
【図１】 Ｚｒ−Ｃｕ合金における組成と熱膨張係数の
関数を示す特性図
関数を示す特性図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 達雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 白兼 誠 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−120578（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】 窒化物セラミックスと金属の接合部に１
００％又はほぼ１００％に近い純度の活性金属箔と、１
００％又はほぼ１００％に近い純度の遷移金属箔とを、
該活性金属箔がセラミックス側に、該遷移金属箔が金属
側に位置するように介在させ、次いで９００℃以上で１
〜２０分間の短時間の熱処理を行うことを特徴とする窒
化物セラミックスと金属の接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4161664A JPH0822785B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4161664A JPH0822785B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21351183A Division JPS60108376A (ja) | 1983-11-14 | 1983-11-14 | 窒化物セラミツクスと金属の接合体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05170565A JPH05170565A (ja) | 1993-07-09 |
| JPH0822785B2 true JPH0822785B2 (ja) | 1996-03-06 |
Family
ID=15739491
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4161664A Expired - Lifetime JPH0822785B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 窒化物セラミックスと金属の接合処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0822785B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5891088A (ja) * | 1981-11-27 | 1983-05-30 | トヨタ自動車株式会社 | セラミツクと金属との接合方法 |
| JPS58120578A (ja) * | 1982-01-05 | 1983-07-18 | 松下電器産業株式会社 | 無機質基材の選択性鑞付け方法 |
-
1992
- 1992-05-29 JP JP4161664A patent/JPH0822785B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05170565A (ja) | 1993-07-09 |
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