JPH10182257A - セラミックス−金属接合部材 - Google Patents
セラミックス−金属接合部材Info
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- JPH10182257A JPH10182257A JP34350296A JP34350296A JPH10182257A JP H10182257 A JPH10182257 A JP H10182257A JP 34350296 A JP34350296 A JP 34350296A JP 34350296 A JP34350296 A JP 34350296A JP H10182257 A JPH10182257 A JP H10182257A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 セラミックス部材と金属部材とが強固に接合
され、かつそれら部材間の熱膨張差により発生する残留
応力を低減でき、さらに接合時に発生する熱応力や機械
的な応力を接合部で緩和することが可能なセラミックス
−金属接合部材を提供する。 【解決手段】 硼化チタンまたは炭化ケイ素からなるセ
ラミックス部材と金属部材とを結合金属を介して接合し
たセラミックス−金属接合部材において、前記の結合金
属は、アルミニウムまたは亜鉛からなることを特徴とす
る。
され、かつそれら部材間の熱膨張差により発生する残留
応力を低減でき、さらに接合時に発生する熱応力や機械
的な応力を接合部で緩和することが可能なセラミックス
−金属接合部材を提供する。 【解決手段】 硼化チタンまたは炭化ケイ素からなるセ
ラミックス部材と金属部材とを結合金属を介して接合し
たセラミックス−金属接合部材において、前記の結合金
属は、アルミニウムまたは亜鉛からなることを特徴とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品などの各
種工業製品に応用可能なセラミックス−金属接合部材に
関するものである。
種工業製品に応用可能なセラミックス−金属接合部材に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、セラミックスは金属材料と比較
して耐熱性、耐摩耗性に優れるため、機械部品のような
耐摩耗製品など、様々な分野において利用が試みられて
いる。しかしながら、セラミックスは高硬度である反
面、靭性及び機械的強度などが不十分であり、かつ機械
的な加工性が劣るため、製品全体をセラミックスに代替
することは、信頼性及び価格面において問題がある。こ
のようなことから、必要とされる部分のみセラミックス
材料とし、その他は金属材料と結合（接合）させること
により両者の特徴を活かした利用が考えられている。
して耐熱性、耐摩耗性に優れるため、機械部品のような
耐摩耗製品など、様々な分野において利用が試みられて
いる。しかしながら、セラミックスは高硬度である反
面、靭性及び機械的強度などが不十分であり、かつ機械
的な加工性が劣るため、製品全体をセラミックスに代替
することは、信頼性及び価格面において問題がある。こ
のようなことから、必要とされる部分のみセラミックス
材料とし、その他は金属材料と結合（接合）させること
により両者の特徴を活かした利用が考えられている。
【０００３】従来、前記金属部材とセラミックス部材と
の結合手段として、ねじ止め、焼きばめ、ろう付けなど
の方法が知られている。しかしながら、ねじ止めによる
方法では接合強度、密着性及び密封性などに問題があ
り、使用条件が限定される。また、焼きばめ法またはろ
う付け法では、セラミックスと金属との熱膨張差によ
り、セラミックス部材及び金属部材に残留応力が発生
し、場合によってセラミックス部材が破損する恐れがあ
る。特に、ろう付けの場合には低熱膨張率のコバール合
金あるいは４２Ｎｉ合金などを金属部材として用いた接
合が考えられたが、これらの低熱膨張金属は４００℃前
後以上において熱膨張率が急激に増加する。このため、
融点７００〜９００℃の銀ろう材などを用いて接合する
には通常の金属部材と同様に残留応力の問題が生じる。
の結合手段として、ねじ止め、焼きばめ、ろう付けなど
の方法が知られている。しかしながら、ねじ止めによる
方法では接合強度、密着性及び密封性などに問題があ
り、使用条件が限定される。また、焼きばめ法またはろ
う付け法では、セラミックスと金属との熱膨張差によ
り、セラミックス部材及び金属部材に残留応力が発生
し、場合によってセラミックス部材が破損する恐れがあ
る。特に、ろう付けの場合には低熱膨張率のコバール合
金あるいは４２Ｎｉ合金などを金属部材として用いた接
合が考えられたが、これらの低熱膨張金属は４００℃前
後以上において熱膨張率が急激に増加する。このため、
融点７００〜９００℃の銀ろう材などを用いて接合する
には通常の金属部材と同様に残留応力の問題が生じる。
【０００４】そこで、特公平７−３７３４６号には７０
０℃以下の固相点（液状のろう材が全て固体となる温
度）を有したろう材と金属の変態によるヒステリシスを
利用し、金属の膨張収縮変位差を減少させることにより
接合歪の極めて小さい接合部材を得ることが開示されて
いる。しかしながら、この接合部材に用いられる金属部
材は熱処理する必要があり、この後の冷却に際しその冷
却速度を制御する必要がある。また、前記接合部材に用
いられる金属部材は材質（組成）が制約されるという問
題があった。
０℃以下の固相点（液状のろう材が全て固体となる温
度）を有したろう材と金属の変態によるヒステリシスを
利用し、金属の膨張収縮変位差を減少させることにより
接合歪の極めて小さい接合部材を得ることが開示されて
いる。しかしながら、この接合部材に用いられる金属部
材は熱処理する必要があり、この後の冷却に際しその冷
却速度を制御する必要がある。また、前記接合部材に用
いられる金属部材は材質（組成）が制約されるという問
題があった。
【０００５】また、特公平６−４９６２３号、特公平７
−１１０７９４号、特公平７−１１０７９５号には、セ
ラミックス部材と金属部材とのろう付けにおいて、応力
緩和層などを介して接合を行う方法が開示されている。
しかしながら、これらの方法は特に接合径の大きなもの
には接合冷却時の収縮差を吸収できないために、適用す
ることが困難である。また、応力緩和層を用いるために
コスト高にもなる。
−１１０７９４号、特公平７−１１０７９５号には、セ
ラミックス部材と金属部材とのろう付けにおいて、応力
緩和層などを介して接合を行う方法が開示されている。
しかしながら、これらの方法は特に接合径の大きなもの
には接合冷却時の収縮差を吸収できないために、適用す
ることが困難である。また、応力緩和層を用いるために
コスト高にもなる。
【０００６】特公平７−５５８６８号には、セラミック
ス部材内部の残留応力を抑えるためにセラミックス部材
と金属部材の間に繊維強化プラスチック材を介在させ、
両部材を接合した接合部材が開示されている。しかしな
がら、この接合部材は中間層として用いる介在物が繊維
強化プラスチックであるため、耐熱性が乏しく、２００
℃以上では使用できない。
ス部材内部の残留応力を抑えるためにセラミックス部材
と金属部材の間に繊維強化プラスチック材を介在させ、
両部材を接合した接合部材が開示されている。しかしな
がら、この接合部材は中間層として用いる介在物が繊維
強化プラスチックであるため、耐熱性が乏しく、２００
℃以上では使用できない。
【０００７】特開平６−１７２０５２号、特開平６−１
７２０５３号には、セラミックス部材と金属部材の圧入
接合において、嵌合端近傍に摩擦係数を低減させる表面
処理あるいは滑剤の塗布を施した後、セラミックス部材
を金属部材に圧入し、圧入面を熱処理することにより滑
り作用を低減させて結合保持力を向上させた接合部材の
製造方法を開示されている。しかしながら、この接合部
材はセラミックス部材と金属部材との間の引張り強度
（引き抜き強度）が低いという問題があった。
７２０５３号には、セラミックス部材と金属部材の圧入
接合において、嵌合端近傍に摩擦係数を低減させる表面
処理あるいは滑剤の塗布を施した後、セラミックス部材
を金属部材に圧入し、圧入面を熱処理することにより滑
り作用を低減させて結合保持力を向上させた接合部材の
製造方法を開示されている。しかしながら、この接合部
材はセラミックス部材と金属部材との間の引張り強度
（引き抜き強度）が低いという問題があった。
【０００８】さらに、セラミックス部材と金属部材とを
２００℃以上の融点の合金（Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｐｂ−Ｉｎ
系、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ａｇ系、Ｃｄ−Ａｇ−Ｓｎ系、
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｉｎ−Ａｕ系）または銀ろう（Ａ
ｇ−Ｃｕ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ
系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ系）を用い
て接合することが知られている。しかしながら、このよ
うな接合部材において硼化チタン（ＴｉＢ2 ）や炭化ケ
イ素（ＳｉＣ）からなるセラミックス部材を用いると、
前記ろう材中の主成分または添加成分が前記セラミック
スと反応して接合界面に反応層を形成し易い。このよう
な反応層がセラミックス部材と金属部材との接合界面に
形成されると、前記接合界面に加わる応力を緩和するこ
とが困難になり、セラミック部材に亀裂等の発生要因に
なる。また、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎなどの金属は一般
に有害であり、取り扱いの上で十分な注意が必要となり
環境上問題がある。
２００℃以上の融点の合金（Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｐｂ−Ｉｎ
系、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ａｇ系、Ｃｄ−Ａｇ−Ｓｎ系、
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｉｎ−Ａｕ系）または銀ろう（Ａ
ｇ−Ｃｕ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ
系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ系）を用い
て接合することが知られている。しかしながら、このよ
うな接合部材において硼化チタン（ＴｉＢ2 ）や炭化ケ
イ素（ＳｉＣ）からなるセラミックス部材を用いると、
前記ろう材中の主成分または添加成分が前記セラミック
スと反応して接合界面に反応層を形成し易い。このよう
な反応層がセラミックス部材と金属部材との接合界面に
形成されると、前記接合界面に加わる応力を緩和するこ
とが困難になり、セラミック部材に亀裂等の発生要因に
なる。また、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎなどの金属は一般
に有害であり、取り扱いの上で十分な注意が必要となり
環境上問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、セラミック
ス部材と金属部材とが強固に接合され、かつそれら部材
間の熱膨張差により発生する残留応力を低減でき、さら
に接合時に発生する熱応力や機械的な応力を接合部で緩
和することが可能なセラミックス−金属接合部材を提供
しようとするものである。
ス部材と金属部材とが強固に接合され、かつそれら部材
間の熱膨張差により発生する残留応力を低減でき、さら
に接合時に発生する熱応力や機械的な応力を接合部で緩
和することが可能なセラミックス−金属接合部材を提供
しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係わるセラミッ
クス−金属接合部材は、硼化チタン（ＴｉＢ2 ）または
炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるセラミックス部材と金属
部材とを結合金属を介して接合したセラミックス−金属
接合部材において、前記結合金属はアルミニウムまたは
亜鉛からなることを特徴とするものである。
クス−金属接合部材は、硼化チタン（ＴｉＢ2 ）または
炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるセラミックス部材と金属
部材とを結合金属を介して接合したセラミックス−金属
接合部材において、前記結合金属はアルミニウムまたは
亜鉛からなることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係わるセラミックス−金属接合部材は、硼化チ
タン（ＴｉＢ2 ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる
セラミックス部材と金属部材とを溶融状態において極め
て反応性の低いアルミニウム（融点：約６６０℃）また
は亜鉛（融点：約４２０℃）からなる結合金属を介して
接合したものである。
本発明に係わるセラミックス−金属接合部材は、硼化チ
タン（ＴｉＢ2 ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる
セラミックス部材と金属部材とを溶融状態において極め
て反応性の低いアルミニウム（融点：約６６０℃）また
は亜鉛（融点：約４２０℃）からなる結合金属を介して
接合したものである。
【００１２】前記金属としては、熱膨張率の比較的小さ
なものコバール合金、４２Ｎｉ合金のような金属から熱
膨張率の比較的大きなものオーステナイト系金属等を用
いることができる。
なものコバール合金、４２Ｎｉ合金のような金属から熱
膨張率の比較的大きなものオーステナイト系金属等を用
いることができる。
【００１３】前記セラミックス部材と金属部材との接合
界面に介在される結合金属の厚さは、０．０３〜０．３
ｍｍにすることが好ましい。前記結合金属の厚さを０．
０３ｍｍ未満にすると、セラミックス部材と金属部材と
の接合強度を十分に高めることが困難になる。一方、前
記結合金属の厚さが０．３ｍｍを越えると接合強度が低
下する恐れがある。より好ましい結合金属の厚さは、
０．０５〜０．２５ｍｍである。
界面に介在される結合金属の厚さは、０．０３〜０．３
ｍｍにすることが好ましい。前記結合金属の厚さを０．
０３ｍｍ未満にすると、セラミックス部材と金属部材と
の接合強度を十分に高めることが困難になる。一方、前
記結合金属の厚さが０．３ｍｍを越えると接合強度が低
下する恐れがある。より好ましい結合金属の厚さは、
０．０５〜０．２５ｍｍである。
【００１４】次に、本発明に係わるセラミックス−金属
接合部材の製造方法を説明する。硼化チタン（ＴｉＢ
2 ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるセラミックス
部材と金属部材との接合面にアルミニウムまたは亜鉛か
らなる結合金属を介在させた後、真空中、前記結合金属
の融点より高い温度で加熱処理して前記セラミックス部
材と金属部材都を前記結合金属で接合することによりセ
ラミックス−金属接合部材を製造する。
接合部材の製造方法を説明する。硼化チタン（ＴｉＢ
2 ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるセラミックス
部材と金属部材との接合面にアルミニウムまたは亜鉛か
らなる結合金属を介在させた後、真空中、前記結合金属
の融点より高い温度で加熱処理して前記セラミックス部
材と金属部材都を前記結合金属で接合することによりセ
ラミックス−金属接合部材を製造する。
【００１５】前記セラミックス部材は、その接合面をア
セトンのような有機溶媒で洗浄することが好ましい。前
記金属部材は、前記結合金属との濡れ性を向上するため
に、その接合面にＮｉメッキを施すことが好ましい。
セトンのような有機溶媒で洗浄することが好ましい。前
記金属部材は、前記結合金属との濡れ性を向上するため
に、その接合面にＮｉメッキを施すことが好ましい。
【００１６】前記結合金属は、粉末または薄板の状態で
前記セラミックス部材と前記金属部材との接合面に介在
させることが好ましい。前記接合工程での真空度は、１
０-4Ｔｏｒｒオーダー以下にすることが好ましい。接合
時の真空度を１０-3Ｔｏｒｒ以上にすると、接合時に結
合金属が酸化されて前記セラミックス部材と前記金属部
材との接合強度が低下する恐れがある。より好ましい真
空度は、１０-4〜１０-6Ｔｏｒｒである。
前記セラミックス部材と前記金属部材との接合面に介在
させることが好ましい。前記接合工程での真空度は、１
０-4Ｔｏｒｒオーダー以下にすることが好ましい。接合
時の真空度を１０-3Ｔｏｒｒ以上にすると、接合時に結
合金属が酸化されて前記セラミックス部材と前記金属部
材との接合強度が低下する恐れがある。より好ましい真
空度は、１０-4〜１０-6Ｔｏｒｒである。
【００１７】前記加熱温度は、結合金属としてＡｌを用
いた場合には７１０〜８１０℃、結合金属としてＺｎを
用いた場合には４７０〜５７０℃にすることが好まし
い。以上説明した本発明に係わるセラミックス−金属接
合部材は、硼化チタン（ＴｉＢ2 ）または炭化ケイ素
（ＳｉＣ）からなるセラミックス部材と金属部材とを溶
融状態において極めて反応性の低いアルミニウム（融
点：約６６０℃）または亜鉛（融点：約４２０℃）から
なる結合金属を介して接合した構造を有する。このよう
なセラミックス−金属接合部材は、次のような作用、効
果を奏する。
いた場合には７１０〜８１０℃、結合金属としてＺｎを
用いた場合には４７０〜５７０℃にすることが好まし
い。以上説明した本発明に係わるセラミックス−金属接
合部材は、硼化チタン（ＴｉＢ2 ）または炭化ケイ素
（ＳｉＣ）からなるセラミックス部材と金属部材とを溶
融状態において極めて反応性の低いアルミニウム（融
点：約６６０℃）または亜鉛（融点：約４２０℃）から
なる結合金属を介して接合した構造を有する。このよう
なセラミックス−金属接合部材は、次のような作用、効
果を奏する。
【００１８】（１）結合金属として低融点のアルミニウ
ム（融点：約６６０℃）または亜鉛（融点：約４２０
℃）を用いるため、銀ろう付けに比べて低温での接合処
理によりセラミックス−金属接合部材を得ることができ
る。
ム（融点：約６６０℃）または亜鉛（融点：約４２０
℃）を用いるため、銀ろう付けに比べて低温での接合処
理によりセラミックス−金属接合部材を得ることができ
る。
【００１９】すなわち、セラミックス部材と金属部材と
の熱膨張差により発生する残留応力が低減できる。ま
た、金属部材としては前述した熱膨張率の比較的小さな
もの（コバール合金、４２Ｎｉ合金）から大きなもの
（オーステナイト系など）まで幅広く利用できる。
の熱膨張差により発生する残留応力が低減できる。ま
た、金属部材としては前述した熱膨張率の比較的小さな
もの（コバール合金、４２Ｎｉ合金）から大きなもの
（オーステナイト系など）まで幅広く利用できる。
【００２０】（２）結合金属として延性の高いアルミニ
ウムまたは亜鉛を用いるため、接合時に発生する熱応力
を前記結合金属層自体で緩和することができる。また、
使用時において機械的応力が加わった場合でも、この結
合金属が塑性変形することによりその機械的な応力を緩
和することができる。その結果、金属に比べて脆い性質
を有するセラミックス部材に亀裂や割れが発生するのを
防止することができる。
ウムまたは亜鉛を用いるため、接合時に発生する熱応力
を前記結合金属層自体で緩和することができる。また、
使用時において機械的応力が加わった場合でも、この結
合金属が塑性変形することによりその機械的な応力を緩
和することができる。その結果、金属に比べて脆い性質
を有するセラミックス部材に亀裂や割れが発生するのを
防止することができる。
【００２１】（３）接合処理時における溶融状態の結合
金属（アルミニウムまたは亜鉛）は、ＴｉＢ2 またはＳ
ｉＣからなるセラミックス部材との反応性が極めて低
く、熱処理後の前記セラミックスと結合金属との界面に
は反応物が生成するのを防止できる。その結果、例えば
図１に示すように底部に開口部１を有する有底筒状の金
属部材２に中心に貫通穴３を有する円柱状のセラミック
ス部材４を挿入し、それらの接合面で結合金属層５によ
り接合したセラミックス−金属接合部材において前記接
合界面に機械的応力が付加された場合、図１の矢印に示
すように前記セラミックス部材４と前記結合金属層５の
接合界面でズレが起こるため、前記機械的な応力を緩和
することができる。
金属（アルミニウムまたは亜鉛）は、ＴｉＢ2 またはＳ
ｉＣからなるセラミックス部材との反応性が極めて低
く、熱処理後の前記セラミックスと結合金属との界面に
は反応物が生成するのを防止できる。その結果、例えば
図１に示すように底部に開口部１を有する有底筒状の金
属部材２に中心に貫通穴３を有する円柱状のセラミック
ス部材４を挿入し、それらの接合面で結合金属層５によ
り接合したセラミックス−金属接合部材において前記接
合界面に機械的応力が付加された場合、図１の矢印に示
すように前記セラミックス部材４と前記結合金属層５の
接合界面でズレが起こるため、前記機械的な応力を緩和
することができる。
【００２２】一方、銀ろう付けによる接合および低融点
のろう材を用いた接合では、ろう材と金属部材あるいは
セラミックス部材との接合界面での化学的な反応により
反応物が生成してより強固な結合される。その結果、こ
の接合界面に機械的応力が付加されてもこの接合界面で
はズレによる応力の緩和が困難となる。
のろう材を用いた接合では、ろう材と金属部材あるいは
セラミックス部材との接合界面での化学的な反応により
反応物が生成してより強固な結合される。その結果、こ
の接合界面に機械的応力が付加されてもこの接合界面で
はズレによる応力の緩和が困難となる。
【００２３】このような本発明に係わるよるセラミック
ス−金属接合部材、銀ろう付けにより製造されたセラミ
ックス−金属接合部材および焼きばめにより製造された
セラミックス−金属接合部材の特徴を下記表１に示す。
ス−金属接合部材、銀ろう付けにより製造されたセラミ
ックス−金属接合部材および焼きばめにより製造された
セラミックス−金属接合部材の特徴を下記表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明
する。 （実施例１〜６）本実施例１〜６では、図２に示すＳＵ
Ｓ３０４または４２Ｎｉ合金からなり、内周側面はＮｉ
メッキ処理が施された治具１１に、図３に示すＴｉＢ2
セラミックス（東芝セラミックス社製商品名：ＴｉＢ
Ｘ）またはＳｉＣセラミックス（東芝セラミックス社製
商品名：ＣＥＲＡＳＩＣ−Ｂ）からなるリング１２を接
合する試験を実施した。
する。 （実施例１〜６）本実施例１〜６では、図２に示すＳＵ
Ｓ３０４または４２Ｎｉ合金からなり、内周側面はＮｉ
メッキ処理が施された治具１１に、図３に示すＴｉＢ2
セラミックス（東芝セラミックス社製商品名：ＴｉＢ
Ｘ）またはＳｉＣセラミックス（東芝セラミックス社製
商品名：ＣＥＲＡＳＩＣ−Ｂ）からなるリング１２を接
合する試験を実施した。
【００２６】まず、図３に示すセラミックスのリング１
２をアセトン中で約５分間洗浄した。つづいて、図２に
示す内周面側がＮｉメッキされた治具１１内に図３に示
すセラミックスのリング１２を挿入し、これら部材の接
合部の隙間に結合金属としてのアルミニウム粉末（純度
９８％以上、粒径５０μｍ以下）またはＺｎ粉末（純度
９８％以上、粒径５０μｍ以下）を充填した後、１０-4
Ｔｏｒｒオーダーの真空中にて、前記結合金属の融点＋
約５０℃の温度で１０分間保持し、その後炉内放冷する
ことにより６種のセラミックス−金属接合部材を製造し
た。
２をアセトン中で約５分間洗浄した。つづいて、図２に
示す内周面側がＮｉメッキされた治具１１内に図３に示
すセラミックスのリング１２を挿入し、これら部材の接
合部の隙間に結合金属としてのアルミニウム粉末（純度
９８％以上、粒径５０μｍ以下）またはＺｎ粉末（純度
９８％以上、粒径５０μｍ以下）を充填した後、１０-4
Ｔｏｒｒオーダーの真空中にて、前記結合金属の融点＋
約５０℃の温度で１０分間保持し、その後炉内放冷する
ことにより６種のセラミックス−金属接合部材を製造し
た。
【００２７】（比較例１〜６）ＴｉＢ2 セラミックス
（東芝セラミックス社製商品名：ＴｉＢＸ）またはＳｉ
Ｃセラミックス（東芝セラミックス社製商品名：ＣＥＲ
ＡＳＩＣ−Ｂ）からなる前述した図３に示すリング１２
をアセトン中で約５分間洗浄した。つづいて、図２に示
す形状を有し、ＳＵＳ３０４または４２Ｎｉ合金からな
る内周側面がＮｉメッキされた治具１１の内周側面を融
点約８００℃の銀ろう材ペースト（銀ろう材粉末；粒径
５０μｍ以下）または厚さ５５μｍの銀ろう材薄板で被
覆した後、図３に示す外周面側がメタライズ処理された
セラミックスのリング１２を挿入し、１０-4Ｔｏｒｒオ
ーダーの真空中にて、約８５０℃の温度で１０分間保持
し、その後炉内放冷することにより６種のセラミックス
−金属接合部材を製造した。
（東芝セラミックス社製商品名：ＴｉＢＸ）またはＳｉ
Ｃセラミックス（東芝セラミックス社製商品名：ＣＥＲ
ＡＳＩＣ−Ｂ）からなる前述した図３に示すリング１２
をアセトン中で約５分間洗浄した。つづいて、図２に示
す形状を有し、ＳＵＳ３０４または４２Ｎｉ合金からな
る内周側面がＮｉメッキされた治具１１の内周側面を融
点約８００℃の銀ろう材ペースト（銀ろう材粉末；粒径
５０μｍ以下）または厚さ５５μｍの銀ろう材薄板で被
覆した後、図３に示す外周面側がメタライズ処理された
セラミックスのリング１２を挿入し、１０-4Ｔｏｒｒオ
ーダーの真空中にて、約８５０℃の温度で１０分間保持
し、その後炉内放冷することにより６種のセラミックス
−金属接合部材を製造した。
【００２８】得られた実施例１〜６及び比較例１〜６の
金属−セラミックス接合部材のリングの状態を観察し
た。その結果を下記表２に示す。表２には接合条件、ろ
う材層（結合金属層）の厚さ等を併記する。
金属−セラミックス接合部材のリングの状態を観察し
た。その結果を下記表２に示す。表２には接合条件、ろ
う材層（結合金属層）の厚さ等を併記する。
【００２９】また、比較例２、４の金属−セラミックス
接合部材のリング表面及び断面を観察した。その結果、
図４の（ａ）、（ｂ）［比較例２］、図５の（ａ）、
（ｂ）［比較例４］に示すようにセラミックスリング１
２にクラック１３が多数発生されていることが確認され
た。
接合部材のリング表面及び断面を観察した。その結果、
図４の（ａ）、（ｂ）［比較例２］、図５の（ａ）、
（ｂ）［比較例４］に示すようにセラミックスリング１
２にクラック１３が多数発生されていることが確認され
た。
【００３０】
【表２】
【００３１】（実施例７〜１２）接合強度を評価するた
めに、図６に示すように両端の一端側にネジ穴３１を有
し、他端側に外径４．５ｍｍ、内径３．７ｍｍの連結筒
３２を有するＳＵＳ３０４またはＳ４５Ｃからなる２本
の継手３３を用意した。つづいて、図７に示すように一
方の継手３３の連結筒３２に内径３．５ｍｍ、長さ３０
ｍｍのＴｉＢ2 またはＳｉＣのセラミックスからなるロ
ッド３４の一端を挿入した後、これら継手とロッドの間
にアルミニウム粉末（純度９８％以上、粒径５０μｍ以
下）またはＺｎ粉末（純度９８％以上、粒径５０μｍ以
下）を充填した。ひきつづき、他方の継手３３の連結筒
３２に前記ロッド３４の他端を挿入した後、これら継手
とロッドの間にアルミニウム粉末（純度９８％以上、粒
径５０μｍ以下）またはＺｎ粉末（純度９８％以上、粒
径５０μｍ以下）を充填した。次いで、これら継手およ
びロッドを１０-4Ｔｏｒｒオーダーの真空中にて、前記
結合金属の融点＋約５０℃の温度で１０分間保持し、そ
の後炉内放冷することにより６種のセラミックス−金属
接合試験片を製造した。
めに、図６に示すように両端の一端側にネジ穴３１を有
し、他端側に外径４．５ｍｍ、内径３．７ｍｍの連結筒
３２を有するＳＵＳ３０４またはＳ４５Ｃからなる２本
の継手３３を用意した。つづいて、図７に示すように一
方の継手３３の連結筒３２に内径３．５ｍｍ、長さ３０
ｍｍのＴｉＢ2 またはＳｉＣのセラミックスからなるロ
ッド３４の一端を挿入した後、これら継手とロッドの間
にアルミニウム粉末（純度９８％以上、粒径５０μｍ以
下）またはＺｎ粉末（純度９８％以上、粒径５０μｍ以
下）を充填した。ひきつづき、他方の継手３３の連結筒
３２に前記ロッド３４の他端を挿入した後、これら継手
とロッドの間にアルミニウム粉末（純度９８％以上、粒
径５０μｍ以下）またはＺｎ粉末（純度９８％以上、粒
径５０μｍ以下）を充填した。次いで、これら継手およ
びロッドを１０-4Ｔｏｒｒオーダーの真空中にて、前記
結合金属の融点＋約５０℃の温度で１０分間保持し、そ
の後炉内放冷することにより６種のセラミックス−金属
接合試験片を製造した。
【００３２】（比較例７〜１０）継手とセラミックスの
ロッドとの接合を銀ろう材薄板を用いた以外、実施例７
〜１２と同様な方法により４種のセラミックス−金属接
合試験片を製造した。
ロッドとの接合を銀ろう材薄板を用いた以外、実施例７
〜１２と同様な方法により４種のセラミックス−金属接
合試験片を製造した。
【００３３】得られた実施例７〜１２および比較例７〜
１０のセラミックス−金属接合試験片（各々５個）にお
ける両側の継手３３のネジ穴３１に図８に示すようにフ
ック３５をそれぞれ螺着した後、島津製作所製の強度試
験機（ＡＧ−２０００Ｃ）を用いてフックを通して引張
り応力を加え、引張り強度の測定を実施した。その結果
を下記表３に５個の平均値として示す。なお、下記表３
には接合条件、ろう材層（結合金属層）の厚さ等を併記
する。
１０のセラミックス−金属接合試験片（各々５個）にお
ける両側の継手３３のネジ穴３１に図８に示すようにフ
ック３５をそれぞれ螺着した後、島津製作所製の強度試
験機（ＡＧ−２０００Ｃ）を用いてフックを通して引張
り応力を加え、引張り強度の測定を実施した。その結果
を下記表３に５個の平均値として示す。なお、下記表３
には接合条件、ろう材層（結合金属層）の厚さ等を併記
する。
【００３４】
【表３】
【００３５】（実施例１３〜１６、比較例１１〜１４）
実施例１〜４及び比較例３〜６の接合部材（各々５個）
を用いて接合界面付近から中央部までのセラミックス側
に発生する残留応力の値をＩＦ法により測定した。その
結果を下記表４に示す。ここで、残留応力の存在のもと
ではセラミックスの破壊靭性値が見かけ上、変化するこ
とを利用して、ＩＦ法（ビッカース圧痕から求める方
法）により破壊靭性値を求め、これからそのときの残留
応力を逆算する次式（１）より残留応力を計算した。
実施例１〜４及び比較例３〜６の接合部材（各々５個）
を用いて接合界面付近から中央部までのセラミックス側
に発生する残留応力の値をＩＦ法により測定した。その
結果を下記表４に示す。ここで、残留応力の存在のもと
ではセラミックスの破壊靭性値が見かけ上、変化するこ
とを利用して、ＩＦ法（ビッカース圧痕から求める方
法）により破壊靭性値を求め、これからそのときの残留
応力を逆算する次式（１）より残留応力を計算した。
【００３６】 Ｋc ＝Ｋc * ＋２Ｙσ ａ／π （１） Ｋc ：残留応力の無い場合の破壊靭性値 Ｋc * ：見かけの破壊靭性値 ａ：圧痕の四隅から発生する亀裂の長さ σ：残留応力 Ｙ：定数
【００３７】
【表４】
【００３８】前記表２〜表４の実施例に示したように本
発明のＴｉＢ2 またはＳｉＣからなるセラミックス部材
と金属部材とを接合したセラミックス−金属接合部材
は、銀ろう付けなど比較的高い温度で接合したものより
低温での処理が可能であるため、残留応力の値も小さく
なる。
発明のＴｉＢ2 またはＳｉＣからなるセラミックス部材
と金属部材とを接合したセラミックス−金属接合部材
は、銀ろう付けなど比較的高い温度で接合したものより
低温での処理が可能であるため、残留応力の値も小さく
なる。
【００３９】また、本発明のセラミックス−金属接合部
材は機械的応力も前記結合金属層により緩和できるた
め、セラミックス部材の破損も極めて少なくなる。さら
に、本発明のセラミックス−金属接合部材の接合強度は
通常の銀ろう付け接合部材と同程度あるいは若干優れて
おり、耐熱温度としても有機系の接着材、あるいは強化
プラスチック材を中間層とした接合体より十分優れてい
るため、広範囲での使用が可能となる。
材は機械的応力も前記結合金属層により緩和できるた
め、セラミックス部材の破損も極めて少なくなる。さら
に、本発明のセラミックス−金属接合部材の接合強度は
通常の銀ろう付け接合部材と同程度あるいは若干優れて
おり、耐熱温度としても有機系の接着材、あるいは強化
プラスチック材を中間層とした接合体より十分優れてい
るため、広範囲での使用が可能となる。
【００４０】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によればセ
ラミックス部材と金属部材とが強固に接合され、かつそ
れら部材間の熱膨張差により発生する残留応力を低減で
き、さらに接合時に発生する熱応力や機械的な応力を接
合部で緩和することができ、各種工業製品に応用可能な
セラミックス−金属接合部材を提供できる。
ラミックス部材と金属部材とが強固に接合され、かつそ
れら部材間の熱膨張差により発生する残留応力を低減で
き、さらに接合時に発生する熱応力や機械的な応力を接
合部で緩和することができ、各種工業製品に応用可能な
セラミックス−金属接合部材を提供できる。
【図１】本発明のセラミックス−金属接合部材おける応
力の緩和作用を説明するための断面図。
力の緩和作用を説明するための断面図。
【図２】本発明の実施例１〜６および比較例１〜６で用
いる治具を示す断面図。
いる治具を示す断面図。
【図３】本発明の実施例１〜６および比較例１〜６で用
いるセラミックスリングを示す断面図。
いるセラミックスリングを示す断面図。
【図４】比較例２のセラミックス−金属接合部材におけ
るセラミックスリングの状態を示す図。
るセラミックスリングの状態を示す図。
【図５】比較例４のセラミックス−金属接合部材におけ
るセラミックスリングの状態を示す図。
るセラミックスリングの状態を示す図。
【図６】実施例７〜１２および比較例７〜１０で用いる
継手を示す断面図。
継手を示す断面図。
【図７】実施例７〜１２および比較例７〜１０で接合し
たセラミックス−金属接合試験片を示す断面図。
たセラミックス−金属接合試験片を示す断面図。
【図８】実施例７〜１２および比較例７〜１０で接合し
たセラミックス−金属接合試験片の引張り強度を測定す
るために試験片にフックを螺着した状態を示す図。
たセラミックス−金属接合試験片の引張り強度を測定す
るために試験片にフックを螺着した状態を示す図。
２…金属部材、 ４…セラミックス部材、 １１…治具、 １２…セラミックスリング、 ３３…継手、 ３４…セラミックスロッド、 ３５…フック。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小島 泰治 愛知県刈谷市小垣江町南藤１番地 東芝セ ラミックス株式会社刈谷製造所内
Claims (1)
- 【請求項１】 硼化チタンまたは炭化ケイ素からなるセ
ラミックス部材と金属部材とを結合金属を介して接合し
たセラミックス−金属接合部材において、 前記結合金属は、アルミニウムまたは亜鉛からなること
を特徴とするセラミックス−金属接合部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34350296A JPH10182257A (ja) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | セラミックス−金属接合部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34350296A JPH10182257A (ja) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | セラミックス−金属接合部材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10182257A true JPH10182257A (ja) | 1998-07-07 |
Family
ID=18362014
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34350296A Pending JPH10182257A (ja) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | セラミックス−金属接合部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10182257A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007170836A (ja) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Jeol Ltd | 微動装置及び走査形プローブ顕微鏡 |
| CN115343320A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-11-15 | 大连理工大学 | 一种基于金属丝变形的复合材料固化残余应力测量方法 |
-
1996
- 1996-12-24 JP JP34350296A patent/JPH10182257A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007170836A (ja) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Jeol Ltd | 微動装置及び走査形プローブ顕微鏡 |
| CN115343320A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-11-15 | 大连理工大学 | 一种基于金属丝变形的复合材料固化残余应力测量方法 |
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