JPS60226463A - 非酸化物セラミツクス用接着剤及びその接着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、非酸化物セラミックス用接着剤及びその接着
方法に関する。本発明は、非酸化物セラミックス用の接
着剤及び接着方法として有用である。

ｘ−」Ｌ」１ 窒化ケイ素や炭化ケイ素などの非酸化物セラミックスは
金属に比べて＾湿強度、耐熱衝撃性、耐摩耗性等に優れ
ているので、高温用部材として脚光を浴び、ガスタービ
ン、自動車エンジン、熱交換機などへの応用開発が進め
られている。

しかし、上記各種用途に、非酸化物セラミックスを利用
して、その機能を十分に発揮させるためには、製造工程
で、これ等非酸化物セラミックス相互を接着させること
が必要となってくる。特に非酸化物セラミックス成形体
は、成形、及び加工上の制約により、単純な形状の部材
から複雑な形状に組み立てる必要があり、非酸化物セラ
ミックスの接着技術の開発が不可欠となる。

しかしながら、非酸化物セラミックスは、一般に溶融物
に対する親和性、いわゆる濡れ性が、極めて悪く、しか
もアルミナ、マグネシアなどの酸化物セラミックスとは
異なり、共有結合性が強く、また各種物質に対する反応
性も非常に低いために、その接着は極めて困難である。

従来、非酸化物セラミックスの接着は、接着剤を被接着
体間に介在させ、あるいは何も介在させずに、Ｂ瀧、高
圧下でホットプレスする方法がとられていた。しかしな
がら、該ホットプレス法では、畠温高圧下で処理せねば
ならないので、複雑なあるいは大型の部材の接着は至難
である。また、最近検討されている熱間等方加圧法いわ
ゆるＨＩＰ法でも同じことが言える。

したがって、大型で複雑な形状の材料を接着するには、
圧力を要せず、加熱するだけで容易に接着できる接着剤
の開発が、望まれている。これまで非酸化物セラミック
ス用接着剤としてはＩ［−Ａ族酸化物単独、アルミ太−
シリカーアルカリ土類金属酸化物系、およびフッ化カル
シウム−カオリン系、あるいはこれに希土類酸化物を少
量添加したものが使用されている。しかながら、これら
は、いずれも酸化物系ガラスによる接着剤であり、非酸
化物セラミックスとの熱膨張係数の違いなどにより、一
般に接着強度が低く、非酸化物セラミックス成形体の特
性を十分に生かしきれていない。

明の　及び構 本発明者は、このような現状に鑑みて、従来技術の欠点
を改善し、非酸化物セラミックス成形体を機械部材とし
て用いる際に、必要な強度を持ち得る非酸化物セラミッ
クスの接着技術の開発を目的として研究を行い、非酸化
物セラミックスに好適な接着剤及び接着方法を完成する
に至った。

即ち、本発明は、窒化ケイ素、酸化マグネシウム、及び
２種以上の希土類酸化物を有効成分とする非酸化物セラ
ミックス用接着剤及び窒化ケイ素、酸化マグネシウム、
及び２１１以上の希土類酸化物を有効成分とする接着剤
を、非酸化物セラミックス相互間に介在させ、これを非
酸化性雰囲気下、１４００〜１７００℃の温度で、加熱
することを特徴とするセラミックスの接着方法に係るも
のである。

本発明の接着剤は、これを単に非酸化物セラミックス相
互間に介在させ、非酸化性雰囲気下、１４００〜１７０
０℃の温度で加熱するのみで、何ら加圧することなく、
容易に非酸化物セラミックスを接着することができる。

その接着強度は、従来の方法に比べて非常に高く、現在
市販されている非酸化物セラミックス常圧焼結晶の強度
（例えば、窒化ケイ素で約５３ｋｇ／ＩＩ２、炭化ケイ
素で約５０ｋＱ／！ｔｉｌ１２）に近く、しかも、その
強度を９００℃まで維持できる。さらに本発明接着方法
は、従来の方法では接着困難な、大型複雑異形の非酸化
物セラミックス部材の接着にも、容易に適用でき、これ
ら部材をも強力に接着させることができる。加えて本発
明接着剤は、その接着後形成される接ＩＩ＠が、化学的
に安定で、９００℃までは十分な耐熱性を有する。

本発明接着剤の適用される非酸化物セラミックスは、例
えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイアロン、窒化アル
ミニウムなどであり、ホットプレス品、常圧焼結晶、あ
るいは反応焼結晶のいずれでもよく、特にその形状や大
きさに限定はなく、しかも接着すべき部材は同一形状で
も、異形状でもよい。

本発明接着剤において有効成分である窒化ケイ素として
は、市販のものをいずれも使用でき、特にその製法、粒
度、純度などは限定されない。また、粉末状態のものだ
けでなく、ウィスカー状態のものも用いることができる
。接着強度を高めるためには、純度の高いものの方が望
ましい。

また、本発明接着剤において、有効成分である酸化マグ
ネシウムとしては、通富市販されているものをいずれも
使用できその純度及び粒度は特に限定されないが、接着
強度を高めるためには、できるだけ高純度で粒度の小さ
いものが望ましい。

また、本発明接着剤のもう一つの有効成分である希土類
酸化物としては、２種以上の希土類酸化物を用いること
が必要である。この場合、希土類酸化物を１ｆｉだけ用
いると、非酸化物セラミックスに対する充分な濡れ性が
得られないために、満足のいく接着強（資）を得ること
ができない。希土類酸化物の組み合せとしては、特に限
定されないが、希土類酸化物の１種を酸化イツトリウム
（Ｙ２Ｏ３）とし、これに（−ａ２０３、ｐｒ　ｙ　Ｏ
＋　＋　、ＣｅＯ２、ＤＶ２０３などから選ばれた少な
くとも１種の希土類酸化物を組み合せたものが好ましく
、なかでもＹ２Ｏ３と１ａ２０３の組み合せが最適であ
る。使用する希土類酸化物の純度及び粒度は特に限定さ
れないが、接着強度を高めるには、できるだけ高純度で
、粒度の小さいものが望ましい。

本発明接着剤の有効成分のうち、窒化ケイ素と希土類酸
化物との配合割合は、窒化ケイ素と希土類酸化物の合計
を１００ｍｏ１％とじた場合に、窒化ケイ素を３５〜’
５５　Ｎｏ１％とし、希土類酸化物のうち１種を酸化イ
ツトリウムとして、これの含有量を１０〜３５１ＮＯ１
％とし、残部を少なくとも１種の他の希土類酸化物とす
ることが好ましい。

特に、窒化ケイ素を４０〜５５ｗ＋ｏ１％、酸化イツト
リウムを１５〜３ＱＩＯ１％、残部を他の希土類酸化物
の少くとも１１とした場合に、非常に強い接着強度が得
られる。

また、酸化マグネシウムの添加Ｍは、上記の窒化ケイ素
と希土ｗ４Ｗｌｉ化物の混合物に対して外掛けで１０〜
８０ｗｔ％添加するのが最適である。１０ｗｔ％以下及
び６０ｗｔ％以上では該接着剤の非酸化物セラミックス
に対する濡れがみられず、十分な接着作用は得られない
。

本発明に於いて有効な組成範囲を上記範囲とした理由は
、この範囲では該接着剤が溶融して、良好な濡れが得ら
れると同時に、窒化ケイ素を適量含むので、該接着剤の
熱膨張係数が被接着体の非酸化物セラミックス成形体の
熱＃脹係数に近くなり、接＠後の接着剤層内の残留ひず
みがほとんどないためである。

本発明接着剤は、上記窒化ケイ素、酸化マグネシウム及
び２種以上の希土類酸化物を単に粉体混合した混合粉末
状態で使用でき、あるいはこれらをベレット状にした状
態でも使用できる。またこれらに適量のバインダー（バ
ルサム、スクリーンオイルなどの有機粘結剤または、こ
れと有機溶剤）を配合してペースト状にした状態で用い
ることもできる。

かくして得られた本発明接着剤の非酸化物セラミックス
成形体間への介在方法としては、接着剤の形態に応じて
、例えば、粉末形態のものでは、被接＠面に散布すれば
よく、ベレット状のものでは、被接着面間にはさみ込め
ばよく、またペースト状のものでは、通常の接着剤と同
様に塗布すればよい。その使用量は、用いる接着剤の組
成、該接着剤適用後の加熱条件、被接着体とするセラミ
ックスの形状、特に厚さに応じて適宜決定でき、特に限
定されないが、通常本発明接着剤有効成分重隋検ｎで被
接着面積１ａｍ２当り０．０１〜１９、好ましくは０．
０５〜Ｏ６・３ｇ程度である。

本発明接着方法において、該接着剤を非酸化物セラミッ
クス成形体間に介在させて熱処理する温度としては、１
４００〜１７００℃の範囲が必要である。これは、１４
００℃以下では、該接着剤が溶融しないため接着作用が
発揮されず、また１７００℃以上では被接着体である非
酸化物セラミックス成形体の変形、変質が問題となり、
また該接着剤の有効成分の蒸発も進み、更に、熱効率の
面からも好ましくないなどの理由による。

また、熱処理雰囲気としては、真空中、不活性ガス、窒
化ガスなどの非酸化性雰囲気が使用され、なかでも真空
中あるいは、窒素雰囲気下で熱処理することが望ましい
。

本発明接着剤を用いることにより、卓越した接着効果が
発揮される理由は、現在なお明確ではないが、以下の如
く推定される。

即ち、本発明接着剤はおよそ１４００〜１７００℃の融
点を有し、該接着剤を介在させた非酸化物セラミックス
成形体を１４００℃以上に熱処理すると、該接着剤は溶
融し、非酸化物セラミックス成形体表面を充分に濡らす
ことができ、また非酸化物セラミックス成形体と何らか
の反応が起こり、非酸化物セラミックス成形体相互を強
固に接着すると考えられる。この場合接着剤の有効成分
が酸化マグネシウムと２種以上の希土類酸化物の組み合
せだけの場合は、同様な機構により、接着が可能である
が充分な強度は得られない。このことより、接着剤有効
成分として窒化ケイ素を含むことにより、接着剤の熱膨
張係数が非酸化物セラミックス成形体の熱膨張係数に近
くなるため、接着後の接Ｉ１層内の残留ひずみが小さく
、その結果高い接着強度を得られると考えられる。

及！ 本発明の接着剤及び接着方法によれば、従来方法では接
着困難であった大型、複雑、異形の非酸化物セラミック
ス部材相互を容易に、しかも強力に接着できる。加えて
本発明接着剤は、接着後形成される接着層が化学的に安
定であり、９００℃までは十分な耐熱性を有する。した
がって本発明により、非酸化物セラミックスはその機能
を充分に発揮できるものであり、その応用、開発はさら
に発展するものである。

実　施　例 以下、本発明を実施例にもとづき、更に詳細に説明する
。

実施例　１ 窒化ケイ素４５ｍｏ１％、酸化イツトリウム２７．５ｍ
ｏ１％、及び酸化ランタン２７．５ｍｏ１％の混合粉末
に外掛けで酸化マグネシウムを４０ｗｔ％添加したもの
を、ペレット状にし、これを１５　ｍｍｘ　１０ｍａ＋
ｘ　１０ｍｓの窒化ケイ素成形体間に、はさみ込み、窒
素中、１６００℃で１時間加熱処理した。この際上記接
摺剤ｍは接着面１１ＣＩＩ２当り０．１（＋とした。こ
の接着体試料から３■ｘ　３　ｓｅｘ　３０　ｇｖの角
棒を切り出し、スパン２０ｍｍ、荷重速度０．５ｍｍ／
１ｎの条件下で三点曲げ試験を、室温、８００℃、及び
９００℃の温度条件下で行い、４本の平均値でその接着
強度をめタトコロ、室１で５３ｋｏ／ｍｍ２．８００℃
で５２ｋｇ／１Ｉ１１２．９００℃で３５　ｋＱ／　ｍ
ｍ２であった。また、空気中で８００℃１５時間保持し
た後も同程度の強度が得られた。

更に、上記接着体試料を３０％水酸化ナトリウム水溶液
及び３０％硫酸中に５０℃、１００時間浸漬して耐食性
を調べた結果、接着部には何の異常も認められなかった
。

実施例２．３及び比較例１．２ 窒化ケイ素、酸化イツトリウム及び酸化ランタン混合粉
末の配合比以外は実施例１と同様にして窒化ケイ素成形
体相互間の接着強度を調べた結果を第１表に示す。酸化
マグネシウムは外掛けで４０ｗｔ％添加した。接着条件
及び接着強度測定法は実施例１と同様にして行った。

第　１　表 実施例　４ 窒化ケイ素４５ｍｏ１％、酸化イツトリウム１６ｍｏ１
％、及び酸化ランタン３９ｍｏ１％の混合粉末に酸化マ
グネシウムを外掛けで３０ｗｔ％添加したものを、１５
ｍｍｘ　１０１１ｍｘ　１０ｍ＋ｅの窒化ケイ素成形体
間に１ａｍ２当り０．１５ｏとなる量で散布介在させ、
これを真空中、１５００℃で１時間加熱して、接着体を
得た。得られた接着体試料の接着強度を、実施例１と同
様にして測定した結果、室温で４０ｋＯ／ａｍ２，８０
０℃で３７　ｋＱ／　＃１ＩＩＩ２．９００℃で３５　
ｋｇ／　ｍｍ２であった。

実施例　５ 窒化ケイ素５５ｍｏ１％、酸化イツトリウム２２．５＊
ｏ１％及び酸化プラセオジウム２２．５ｍｏ１％に酸化
マグネシウムを外掛けで５Ｑｗｔ％添加したものを適量
のバルサムと混合してペースト状にし、これを１５ａ＋
ｍｘ　１０ｍｍｘ　１０１１ｍサイアロン成形体表面に
ｌ　ｃｍ２当り接着剤有効成分として０．０７ａの量で
塗布して、該成形体相互間の接着を実施例１と同様の条
件で行った。その結果、３０　ｋ＋１／　＋１１１８２
の接着強度が得られた。

実施例　６ 実施例１の接着剤を適量のスクリーンオイルと混合して
ペースト状にし、１５１１１＋１１Ｘ　１０１１１＋１
１Ｘ　１０１の窒化アルミニウム成形体表面に１ＣＩ２
当り接着剤有効成分として０．１０塗布して、実施例１
と同様な条件で該成形体相互間の接着を行った結果、接
着強度として３３　ｋｇ／　＋ｕ＋２が得られた。

実施例　７ 窒化ケイ素５５ｍｏ１％、酸化イツトリウム２２．５ｉ
ｏ１％及び酸化ランタン２２．５ｍｏ１％の混合粉末に
、外掛けで酸化マグネシウムを４０ｗｔ％添加したもの
を１５ｍｍｘ　１　（Ｍｍｘ　１０ｍｍの炭化ケイ素成
形体間に１ＣＩＩ１２当り接着剤有効成分として０．１
５０散布介在させ、これを真空中、１６５０℃で３０分
間加熱して接着を行った。そのｔ３ｆｆｌ、’ｌ’ｌＲ
から　９００℃まテ２５　ｋ（１／ｍｍ２（７）接着強
度が１７られた。

（以　上）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　窒化ケイ素、酸化マグネシウム、及び２種以上の希
   土類酸化物を有効成分とする非酸化物セラミックス用接
   着剤。 ■　窒化ケイ素、酸化マグネシウム、及び２種以上の希
   土類酸化物を有効成分とする接着剤を、非酸化物セラミ
   ックス相互間に、介在させ、これを非酸化性雰囲気下、
   １４００〜１７００℃の温度で加熱することを特徴とす
   る非酸化物セラミックスの接着方法。