JPS6012302B2 - セラミツクス−金属複合体及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な複合構造を有するセラミックス‐金属複
合体及びその新規な製造法に関する。

更に詳しくは、セラミックスを芯材とするセラミックス
−金属複合体に於て、ストレスがセラミックス芯林こ対
じてほとんど集中することのなし、独特の複合構造を採
用することにより、従来技術では回避困難であった注湯
時の熱衝撃や金属の冷却・収縮によるセラミックス芯村
オのクラック発生を防止し且つ内部応力の残留によるセ
ラミックス芯材の機械的強度の劣化を防止し得るように
したセラミックス一金属複合体並びにその製造法に関す
る。周知の如く、セラミックスを芯材とするセラミック
ス‐金属複合体は熱遮弊効果が大きく強度も優れている
ことから種々の工業分野に於て中広く使用されている。

かかる複合体は一般に競鉄め法、即ちセラミックス芯村
を複合すべき空所を値えた中空の金属複合材を加熱膨脹
させ〜 その膨脹した空所にセラミックス芯材を鉄合し
た後冷却収縮させる方法、或は鏡包み法、即ち金型内に
複合すべきセラミックス芯材を内装し、これに加熱溶融
した金属を注傷して冷却固化させた後離型して複合する
方法等によって製造されている。しかしながら前者の暁
隊め法にあっては、金属複合体の冷却収縮時に向Ｄ的な
ストレスがセラミックス芯材に集中するため、クラック
が該芯村にほぼ放射状に発生し、亦後者の銭包み法の場
合も同様に、注傷時の熱衝撃や冷却固化時の向心的なス
トレスがセラミックス芯村に集中するため、やはりクラ
ックが発生したり内部応力の残留によるセラミックス芯
材の機械的強度の劣化を招来するという共通の欠点を有
する。本発明は叙上の事情に鑑みてなされたものであっ
て、その主たる目的とするところは複合時から複合後に
わたってストレスがセラミックス芯材に対してほとんど
集中することのない独特の複合構造を採用してクラック
発生のないセラミックス−金属複合体を提供すること、
並びにその製造法を提供することにある。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明のセラミックス−金属複合体の一実施態
様を例示する縦断面図、第２図イ，口，ハ及び二はいず
れも複合面に凹設したグル−ブの内面に高融点導電べ−
スト層を添設しその両端に通電用端子を蓮設してヒータ
ー回路の形成を行なったセラミックス芯材の態様を例示
する斜視図、第３図イ，口及びハはいずれも固定用金属
部３村の態様を例示する斜視図である。即ち「本発明の
セラミックス−金属複合体は「その基本的な態様を第１
図に例示する如く、セラミックス芯材１の複合面にはグ
ループ２が所望のパターンで凹設されており、このグル
ープ２の内３面には高融点導電ペースト層３が添設され
ていて、このペースト層３に面接してグループ２内に嫁
合された固定用金属部材４が該ペースト層３に通電の際
に発生する熱によって金属複合材５に溶着一体化されて
セラミックス芯材‘１｝と金属複合材４５とが複合一体
化されてなる複合構造を有する。

この複合体の大きな特徴は、複合前に於て金属複合材５
とは別個の固定用金属部材４を高融点導霧ペースト層３
に通電の際に発生する熱によって初めて金属複合材５の
複合面に落着しｔ一体化した点にある。このようにグル
ープ２内に鉄合した固定用金属部材４のみを加熱した金
属複合材５に溶着してセラミックス芯材１と金属複合材
５とを複合するときは、加熱時に固定用金属部材４の膨
脹にともなってグループ２周辺がわずかに圧迫されると
は云うものの、従来の焼隊め法や鏡包み法の場合のよう
に冷却時に金属複合材５が全体的に強く収縮することが
なく、従ってセラミックス芯材１の周面全域に向心的な
ストレスが加わることがないので、セラミックス芯材１
のクラック発生がほぼ完全に解消されるのである。しか
もこの複合機構は、金属複合材５に対して溶着性の良好
な固定用金属部材、好ましくは金属複合材５と同材質の
固定用金属部材４を使用することによって〜更にはグル
ープ２の本数やパ夕−ン等を適宜変更して固定用金属部
村４の溶着域を広げることによって、従来の銭包み法で
得られる複合体とほぼ同様の引張り強度を与えることが
可能であり、強度的にも優れたものである。このような
複合体は次の５つの工程を経て製造される。

（１）金属複合材の鋳造工程；金属複合材５は、溶融金
属湯（例えば複合体の用途が内燃機関のピストンヘッド
等の場合はＡ〆合金湯が使用される）を所望の金型に法
傷し冷却固化後雛型する通常の鋳造手段によって得られ
る。

この金属複合材５は、セラミックス芯材１を複合すでき
空所を備えたものであれば、その形状Ｌサイズについて
は何ら制限を受けるものではなく、複合体の用途に応じ
て適宜その形状、サイズを決定すればよい。尚空所形成
手段は、セラミックス芯村オと同形の中子を金型中に配
置し注湯后消失せしめてもよいし「鋳造された金属複合
材を切削加工してもよい。皿 セラミックス芯材を得る
工程：上記金属複合材５と複合されるセラミックス芯材
１は、例えばＡそ２Ｑ，ＳＩＣ，Ｓｉ３Ｎ４等を主体と
するセラミックス原料粉末を用いて、通常のホットプレ
スの手段、或は該粉末を−旦成成型した後この成型体を
普通焼成する手段によって得られる。

このセラミックス芯材１は金属複合材５の空所に外部よ
り隙間なく鉄合しうる形状であればよく、例えば円柱状
、円筒状、多角柱状、円錘状、多角錘状、載積円錘状、
教頭多角錘状、逆後段状、下半球状等、所望の形状とす
ることができる。このグループ２は成型後又は焼成後に
切削加工等の手段により設けることも可能である。

尚Ａ夕２Ｑセラミックスの場合、圧粉成型体に切削加工
を施してグループを形成し、かかる生の成型体に後述の
ヒーター回路を形成し導電ペーストと成型体とを同時焼
成するのが一般的である。グループ２のパターンについ
ては自由であり、セラミックス芯体１の形状、成型性又
は切削加工性の良否、複合強度等を考慮して適宜決定す
ればよいが、例えばセラミックス芯材１が円柱状の場合
を例にとってその代表的なパターン例を示すと、第２図
イの如き単一の水平Ｃリング状のもの、第２図口の如き
上下複数段にわたる水平Ｃリング状のもの、第２図ハの
如きスパイラル状のもの、第２図二の如き複数の縦溝状
のもの、或は第２図イ及び口のＣリング状を０リング状
に変更したもの等があげられる。尚、グループ自体の断
面形状については、第２図イ，口，ハ，二に例示のもの
はいずれも半円状となっているが、これのみに限定され
るものではなく、その他Ｕ字状、コの字状、三角状或は
所謂アリ溝の如き逆台形状とすることも当然可能である
。皿 ヒーター回路形成工程： セラミックス芯材１は次いでそのグループ２の内面に高
融点導電ペースト層３が添設され「その両端に通電用端
子が蓮設されて固定用金属部材４を加熱するためのヒー
ター回路が形成される。

ペーストとしては例えばＷ，Ｍｏ−Ｍｎ等を主成分とす
る高融点（通常１３００〜１４００℃以上）にして発熱
抵抗の小なるペーストが好適に使用され、該ペーストは
筆塗り等の塗着の手段又は通常のコーティング手段によ
ってグループ２の内面に層設されしかる後に還元性雰囲
気下で焼成される。上述の如く焼成されたセラミックス
芯材に導電ｉ性ペーストを塗着し暁付けることも可能で
あるが、Ａその３セラミックスの場合は生の成型体にペ
ーストを塗着し、該成型体とべ‐ストとを還元性雰囲気
下で同時に糠結するのが最も一般的である。しかしてペ
ースト層３の添設に際しては、ペースト自体の固有抵抗
やペースト層の長さ等を考慮したうえで、工業用電圧を
付加した場合に固定用金属部材４を金属複合材５に溶着
せしめるに十分な温度（例えば固定用金属部材がＡそ合
金の場合には７００〜８００℃程度）まで発熱しうるよ
うペースト層の中及び厚みを設定する（通常は中０．８
〜１．５脚、厚さ５０〜２００仏の範囲から選択する）
ことが必要である。このペースト層３に蓮設する通電用
端子は、外部からの端子の蓮設が容易に行えるような場
合には通電前に取付けて通電後に取外すようにしてもよ
いが、好ましくは上記のペーストを用いて第２図イ，口
，ハ，二に示す如くセラミックス芯材の複合面から上側
非複合面又は下側非複合面に通じる通電用端子６，６１
を同様に筆塗り塗着又はコーティングして一体形成する
のがよい。尚、ヒーター回路としては第２図イ，ハ，二
のような直列式回路や第２図口のような並列式回路が代
表的なものであるが、場合によっては混合式回路や複数
回路としてもよい。亦グループ２のパターンが前述のご
とく単一又は上下複数段の○リング状の場合には、その
内面に○リング状のペースト層を添設した後、該ペース
ト層の一部に絶縁線（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を設けて第
２図イ及び口と同様の直列式回路及び並列式回路を形成
すればよい。血）固定用金属部村の欧着工程： ヒーター回路形成後、固定用金属部材４がセラミックス
芯材のグループ２内に接合される。

固定用金属部材４としては金属複合材５に対する溶着性
の良いもの、好ましくは金属複合材５と同村質のものが
採用される。亦この金属部材４は、通常第３図イ，口，
ハに例示の如きグループ２と対応する形状を有するもの
を使用するが、例えばグループ２のパターンが特殊であ
ってこれに対応する形状の固定用金属部材では外部より
俵合できないような場合は金属細片を使用してグループ
２内へ損袋することにより金属部材４を填装形成すれば
よい。Ｍ 複合工程： 本発明の複合体は、固定用金属部材を蕨合したセラミッ
クス芯材１を前記鋳造工程で得られた金属複合材５の空
所に鉄入し、通通電用端子６，６１より通電して高融点
導電ペースト層を発熱させ、その熱によって固定用金属
部材４を金属複合材５の複合面に溶着させてセラミック
ス芯材１と金属材５とを複合固定することにより得られ
る。

固定用金属部材４の溶着は複合体内部で行なわれるので
放熱による損失が少なく、従って短時間（通常３〜１８
分程度）のうちに効率よく行なうことができる。しかも
この複合工程においては固定用金属部材４が加熱時に膨
脹してセラミックス芯材１のグループ周辺をわずかに圧
迫するばけであってセラミックス芯材全体にストレスが
付加されることがないから、セラミックス芯村オにクラ
ツクを発生することなく複合せしめることができる。次
に実施例及び比較例をあげて本発明を説明する。

尚、以下の実施例で％とあるのは全て重量％である。（
実施例 １） Ａそ合金（Ａそ９８％、Ｍｇ２％）の７２０００の融湯
を離型剤を塗布した金型に中子を介在させて注瀕し、冷
却固化後離型して外径１３５肋、内蓬９５柵、高さ２２
柳のドーナツ板状金属複合材を鋳造した。

一方、Ｓｉ３Ｎ４粉末９５％にＭｇ０．５％を添加して
これらを混摸して、第２図イに示すどとき単一のグルー
プ（中８肋、深さ４肋の半円状断面を有する）を複合面
に備えた直径９５側、高さ２２脚の円板状に成型焼成（
Ｎ２ガス中）した。この芯材のグループ内面にタングス
テンの高融点導電ペーストを中８側、厚さ０．５柳に塗
着してペースト層を設けると共にこのペースト層の両端
に蓮設する通電用端子を芯材の上側非複合面上に設けて
還元性雰囲気下に１４００℃で焼成して第２図イに総す
如き直列式ヒーター回路を形成した。次いで第３図イに
示すごときＡそ合金（前記と同組成）製Ｃリング（内径
８７肋、外型９５側）を用いてこれをわずかに押広げて
グループ内に横合した。かくしてＡそ合金製Ｃリングを
鼓合したＳｉ３Ｎ４競給芯材を前記のＡ〆合金製円筒状
金属複合材に搬入し、芯材の非複合面に設けた通電用端
子に１００Ｖの電圧を１０分間付加して高融点導電ペー
スト層を約７７５０〜８００℃に加熱し、Ａそ合金製Ｃ
リングをＡそ合金製円筒状金属複合材の複合面に溶着さ
せてＳｉ３Ｎ４騎結芯村オーＡ〆合金複合体を製造した
。同様にしてＩＯＮ固の複合体を製造したが、芯村０に
クラツクを発生したものは零であった。

（比較例）Ｓｉ３Ｎぷ分末９５％とＭｇ０５％とを混摸
しこれを焼成して直径１３５風、高さ２２側の円柱状Ｓ
ｉ３Ｎ４暁結芯材を作り「 この芯村を金型内中央部に
内装すると共夕に実施例１で用いたＡそ合金の融湯を洋
傷し、冷却固化後滋型してＳｉ３Ｎ４騎給芯材−Ａそ合
金複合体を製造した。

この鍵包み法によって複合体をＩＯＮ固製造したところ
、そのうち４３個にクラック発生がみられた。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明のセラミックス−金属複合体の一実施態
様を例示する縦断面図、第２図イ，口，ハ及び二はいず
れも複合面に凹設したグループの内面に高融点導電ペー
スト層を添設しその両端に通電用端子を蓮設してヒータ
ー回路の形成を行なったセラミックス芯材の態様を例示
する斜視図、第３図イ，口及びハはいずれも固定用金属
部材の態様を例示する斜視図である。 図面の符号の説明、１・・・セラミックス芯村、２・・
・グループ、３・・・高融点導電ペースト層、４・・・
固定用金属部材、５・・・金属複合材、６，６１・・・
通電用端子。 第）図 第？図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクスを芯材とし電気抵抗熱で溶融する部材
   を介して複合一体化されて成るセラミツクス−金属複合
   体に於て、セラミツクス芯材１の複合面にはグルーブ２
   が所望のパターンで凹設されており、このグルーブ２の
   内面には高融点導電ペースト層３が添設されていて、こ
   のペースト層３に面接してグルーブ２内に固定用金属部
   材４が嵌合されておりペースト層３に通電の際に発生す
   る熱によって金属複合材９に溶着一体化されてセラミツ
   クス芯材１と金属複合材５とが複合固定されてなること
   を特徴とするセラミツクス−金属複合体。 ２ 固定用金属部材４と金属材５とが同材質である特許
   請求の範囲第１項記載の複合体。 ３ 溶融金属湯を金型に注湯し、冷却固化後離型してセ
   ラミツクス芯材を複合すべき空所を備えた金属複合材を
   得る鋳造工程と、セラミツクス用焼成原料粉末を焼成し
   て所望パターンのグルーブをその複合されるべき面に備
   えたセラミツクス芯材を得る工程と、このセラミツクス
   芯材のグルーブ内面に高融点導電ペースト層を添設して
   その両端に通電用端子を連設するヒーター回路形成工程
   と、固定用金属部材を上記ペースト層に面接してグルー
   ブ内に嵌合する工程と、この固定用金属部材が嵌合され
   たセラミツクス芯材を上記鋳造工程で得られた金属複合
   材の空所に嵌入し、上記ヒーター回路形成工程で設けた
   通電用端子より高融点導電ペースト層に通電して該ペー
   スト層を発熱させ、その熱によってグルーブ内に嵌合さ
   れた固定用金属部材を金属複合材の複合面に溶着せしめ
   てセラミツクス芯材と金属複合材とを複合固定する複合
   工程とからなるセラミツクス−金属複合体の製造法。 ４ 金属複合材と同材質の固定用金属部材を用いた特許
   請求の範囲第３項記載の製造法。