JPS6026076B2 - セラミツクス物品の接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミックス物品の接合方法に関し、更に詳し
くは接合面間に異相を生成することなく固相反応により
一体的に接合するセラミックス物品の接合方法に関する
ものである。

一般にセラミックス物品は、セラミックス粉末をプレス
形成や泥糠鋳込み成形あるし、は押出成形により成形し
これを焼成することによって製造される。

この場合焼成過程においては、セラミックス粉末の焼結
に伴い収縮が起り、そのため焼成品の寸法にバラッキが
生じたり、製品変形等を生ずることがある。従って、厳
しい寸法精度の要求されるセラミックス物品においては
、焼成品をさらに研削加工して、寸法精度を高める等の
手段が取られている。しかしながら、研削加工では複雑
な形状の物品を加工することは難しいものであるので、
ときには加工の容易な簡単な形状の部品を寸法精度よく
つくり、それらを接合して複雑な形状のセラミックス接
合品を製造することも行なわれている。

しかしながらその接合方法としては、異種のセラミック
ス例えばガラス等により熔着する方法が一般的であるが
、そのような接合物は高温における強度の低いものであ
り、また電磁的特性の要求されるセラミックス物品の場
合、接合部にガラス等の異届が存在することは致命的欠
陥となる。一方、焼成したセラミックス物品を固相反応
により接合する方法としてホットプレス法を用いること
も知られているが、ホットプレス法は一軸方向に加圧し
、高温で加熱する方法であるので、複雑な形状の物品を
多数個同時にそれぞれの接合面間に均等の圧力がかかる
ように加圧して高温で接合することは極めて困難な‘よ
かりか、接合しようとするセラミックス物品を接合面間
にゴム等が混入しないように型内に挿入したり、接合後
型材と圧力媒体の粉末および接合体とをそれぞれ分離す
る等の工程が必要となり、また、複雑な大型の設備を必
要とするなど製造法が煩雑で量産に適した方法でない等
の欠点があった。

本発明のセラミックス物品の接合方法は、従来のこのよ
うな欠点を解決するためになされたものであり、加圧を
必要とすることなく園相反応によって異相を生ずること
なく一体的に接合するセラミックスの接合方法を提供す
るものであって、セラミックス物品の接合面間に、該セ
ラミックスを構成する金属元素あるいは該セラミックス
と固相反応しそのセラミックスの結晶構造を実質的に変
化させない金属元素を含有する液相を介在せしめ、熱分
解した後、接合面間に固相反応を生起させてセラミック
ス物品を一体に接合するセラミックス物品の接合方法で
ある。

すなわち本発明は、加圧することなく常圧においてセラ
ミックス物品の接合面間で固相反応を生起させるために
は、特定の金属元素を含有する液層を接合面間に介在さ
せ熱分解することによって、極めて活性な金属化合物を
生成させることにより、セラミックスの接合面間の園相
反応を著しく促進させることができることを見出したこ
とによるものである。

本発明の更に詳しい構成を説明すれば、アルミナ磁器、
マグネシア磁器、スピネル磁器あるいはフェライト、窒
化珪素その他接合しようとするセラミックス物品の接合
面を、平滑好ましくは平滑度Ｒ＝０．２仏ｍ以下に鏡面
研磨し、その少なくとも一方の接合面上に、接合するセ
ラミックス物品を構成する金属元素を含む溶液あるいは
そのセラミックス物品の結晶構造を実質的に変化させな
い金属元素を含む溶液あるいは接合するセラミックス物
品の一部を溶解する溶液の１種以上の溶液を塗布し、他
のもう一方のセラミックス物品の接合面を重ね合せて、
接合するセラミックス物品の接合面間に液相を介在せし
め、しかる後熱分解し、接合面間に固相反応を生起させ
てセラミックス物品を一体に接合するセラミックス物品
の接合方法である。

そして、前述のとおり本発明においては、接合面間に固
相反応を生起させるために、セラミックス物品の接合面
間に液相を介在させることが極めて重要であり、その液
相に含有される金属元素としてはセラミックス物品を構
成する金属イオン例えばＳｉ，Ｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｇ，
Ｃａ，Ｆｅ・・・等およびセラミックス物品の焼成に際
しセラミックスの糠結を促進したり、またセラミックス
物品の諸特性を改善するために加えられる、いわゆる添
加剤等を構成する例えばＴｉ，Ｋ，Ｎａ，Ｆｅ・・・等
のようなセラミックスと固相反応しそのセラミックス物
品の結晶構造を実質的に変化させない金属元素あるいは
接合するセラミックス物品がチタン酸バリウムあるいは
フェライトのような酸に可溶性のものである場合には、
溶液として例えば塩酸、硫酸、硝酸等のような接合する
セラミックス物品の一部を溶解する溶液を使用すること
により、接合面間にそのセラミックス物品の一部を構成
する金属元素を溶解した液相を形成することができる。

また金属元素を含み熱分解後金属酸化物、炭イ玖物、窒
化物等の金属化合物を形成する有機酸又は無機酸あるい
はその化合物の溶液でもよい。なお硝酸塩又はアンモニ
ウム金属錯塩等は分解後有毒ガスの発生が少〈好ましい
。すなわち、セラミックス物品の接合面間にこれらの液
相のいずれか１種あるいは２種以上が存在すると高温度
での熱分解により極めて活性な金属化合物が生成し、そ
の金属化合物がセラミックス結晶同志の自己結合を促進
するとともに、その金属化合物自体セラミックス物品の
微結晶中に完全に固溶し、いずれにしてもセラミックス
物品の結晶構造を実質的に変化させず、固相反応により
一体的に接合できるものである。

なお、接合面間に介在する金属元素の量は、接合を促進
する作用に関するかぎり極めて徴量でよいが、例えば有
機酸又は無機酸の金属塩の水溶液を液相とした場合、乾
燥後の仮接着品の接着強度等から考えると、接合面間に
０．１ムｍ程度の塩の層が生成されるような量であるこ
とが望ましい。

なお接合面間には全体に均一に金属元素が分布している
ことが必要であり、そのためにも液相を介在させること
がよい。また溶液を形成する溶媒としては水のような加
熱時に蒸発するものが最もよく、他の溶媒としては熱分
解して飛散するものでなくてはならず熱分解後カーボン
を残すもの例えば油其の池炭水化物は好ましくない。

接合面間に液相を形成する方法としては、前述のように
接合面に液を塗布し、これに他のもう一方の接合面を重
ね合わせるか、あるいは２つの接合面を予め重ね合わせ
た後援合面間に形成されたわずかな間隙に毛細管作用を
利用して液を浸透させる方法がよいｏさらに、熱分解す
るための加熱に際しては、溶媒の蒸発あるいは熱分解時
の温度付近においては、昇温速度を３００℃／時間以下
とするかあるいは温度保持を行い、急激な反応を避ける
ことが大切であり、もしこの反応が急激に進行すると、
接合面間にずれが生じたりひどくは剥離することもある
。

接合面間の固相反応は接合面間に存在する液相が熱分解
し活性な金属化合物が生成する温度より始まるが、接合
の強度を高めるためにはさらに高い温度に加熱し、接合
面間において固相反応が活発に進行し接合するセラミッ
クス物品の通常の高温焼成温度（例えば１２０び○〜１
９００ｑｏ）付近で加熱することが最もよい。

なお上記の焼成温度範囲以下では接合は可能であるが、
接合強度が小さいので好ましくない。また上記の上限温
度以上に焼成する必要がない。次に本発明を実施例につ
きさらに詳細に説明する。

実施例 １ 水素雰囲気中、１７５０ｑｏで６時間焼成した内径８０
、外径１０◇のアルミナチューブの端面と、１５０×０
．５ｔのアルミナ磁器円板とをそれぞれダイヤモンド砥
粒を用い錫盤で平滑度Ｒｍａｘ＝０．０５仏ｍに研磨し
、洗浄して乾燥した後、それら研魔面を接合面とし、ア
ルミナ磁器を構成する金属元素（アルミニウム）を含む
溶液、すなわち硝酸アルミニウム１０夕を１００夕の水
に溶解した水溶液を前記接合面に塗布し、これを１００
００で乾燥した後重ね合わせて仮接着した。

これを炉内にセットし、水素雰囲気中において１５０午
Ｃ／時間の昇溢速度で７００℃まで加熱し、次に昇温速
度を４００ｑｏ／時間として１７００℃に昇温し２時間
保持して熱分解をし、接合面間に固相反応を起こせ、一
体に接合した後、冷却した。得られたアルミナ接合体の
接合部の断面を顕微鏡で観察したところ、接合部には異
相が全く認められずアルミナの結晶構造も実質的な変化
は認められずまた気孔も観察されなかった。またチュー
ブ部分と円板部分とを引張り試験した結果、接合部にお
いては破壊せず、接合部が他のアルミナ部分と同等以上
の強度を有していることが確認された。実施例 ２ 水素雰囲気中、１８００℃で５時間焼成した１５×１５
×０．５ｔの透明スピネル（ＭｇＡ１２０４）の接合面
を、ダイヤモンド砥粒を用い錫盤で平滑度Ｒｍａｘ＝０
．０２ムｍに研磨し、洗浄、乾燥した後、その研暦面を
接合面とし、その接合面にスピネルを構成するアルミニ
ウムおよびマグネシウムを含む溶液、すなわち硝酸アル
ミニウム７．５夕と硝酸マグネシウム５．３夕とを１０
０夕の水に溶解した水溶液を塗布し、２個のスピネル板
を重ね合わせ、これを１００℃で乾燥し仮接着した。

これを炉内にセットし水素雰囲気中において１５０午０
／時間の昇温速度で８００℃まで加熱し、次に昇温速度
を５００℃／時間として１７５０℃に昇温し２時間保持
した後冷却した。得られたスピネル接合体の接合部を含
む断面を顕微鏡で観察した結果、接合部には異相が全く
認められずまた気孔も観察されなかった。また接合体の
０．６山ｍの波長の光に対する直線透過率を測定した結
果９０％であり、接合してない同一の厚さのスピネル鱗
縞体の直線透過率の値とほぼ同じであった。実施例 ３ 高圧ブリツチマン法で作製したＭｎ−Ｚｎフェライトの
単結晶と、その単結晶フェライトとほぼ同一組成であっ
て平衡酸素圧下で１４００ｏｏ、４時間焼成した多結晶
フェライトのブロックより、それぞれ１５×１５×丸の
単結晶フェライト板と多結晶フェライト板とを切り出し
、これらの接合面をダイヤモンド砥粒を用い錫盤で平滑
度Ｒｍａｘ＝０．０５仏ｍに研摩し、洗浄、乾燥した後
、その研暦面を接合面とした。

この度合面にフェライトを構成する金属元素（Ｆｅ，Ｍ
ｎ，Ｚｎ）を含む溶液すなわち硫酸第二鉄１０．５夕、
硫酸マンガン３．５夕、硫酸亜鉛２．５夕を１００夕の
水に溶解した水溶液を塗布した後、単結晶フェライト板
と多結晶フェライト板との接合面を重ね合せ１００００
で乾燥し仮接着した。これを炉内にセットし窒素雰囲気
中において１００ｏＣ／時間の昇溢速度で９００００迄
昇温し、次に昇温速度を３００ｄｏ／時間とし、１２５
０ｑｏに昇温し３０分間温度保持した後冷却した。得ら
れた単結晶・多結晶フェラィト接合体の接合部を含む断
面を顕微鏡で観察した結果、接合部には異相が全く観察
されずフェライトを構成する金属元素はすべてフェライ
ト結晶中に入り込んでいた。また気孔も極めてわずかに
しか観察されなかった。また接合体より単結晶部分と多
結晶部分とをほぼ均等に含む内径３０、外径５◇、厚さ
０．５上のりングコアを切り出し、ＩＭＨＺにおける初
透磁率を測定した。その結果は第１表に示すように、接
合部の初透磁率は単結晶フェライトと多結晶フェライト
の初透磁率のほぼ中間の値であり接合による初透磁率の
低下がないことが確認された。第１表 実施例 ４ 高圧ブリッチマン法で作製したＭｎ−Ｚｎフェライトの
単結晶とトその単結晶とほぼ同一組成であって平衡酸素
圧下１３５０午０で４時間焼成した平均結晶粒子径が２
０〃肌の多結晶フェライトのブロックより、それぞれ１
５×１５×ぷの単結晶フェライト板と多結晶フェライト
板を切り出し、これらの接合面をダイヤモンド砥粒を用
い錫盤で平滑度Ｒｍ舷ｘ＝０．０５山ｍに研磨し、洗浄
、乾燥した後、それら研贋面を接合面とした。

この接合面にフェライトを溶解して液相を形成する溶液
、すなわち１規定濃度の硝酸水溶液を塗布した後、多結
晶フェライト板と単結晶フェライト板との接合面を重ね
合せ、１５０ｑｏで乾燥し仮接着した。これを炉内にセ
ットし窒素雰囲気中において１００午０／時間の昇遼遠
度で９００００迄昇温し、次に昇温速度を３０ぴ○／時
間とし１２５０に昇温し３び分間温度保持した後冷却し
た。得られた単結晶・多結晶フェライト接合体の接合部
を含む断面を顕微鏡で観察した結果、接合部には異相は
もとより接合により生成したと思われる気孔等は全く観
察されなかった。また接合体より実施例３と同様な単結
晶フェライト部分と多結晶フェライト部分とをほぼ均等
に含む内径３０、外径５で、厚さ０．５ｔのリングコア
を切り出しＩＭＨＺにおける初透磁率を測定した。その
結果は第２表に示すように、接合部の初透磁率は単結晶
フェライトと多結晶フェライトの初透磁率のほぼ中間の
値であり、接合による初透磁率の低下はほとんどみられ
なかった。第２表 実施例 ５ 接合体の平滑度のみを第３表に記載するように変化させ
他の条件は実施例４と同一としたときのフェライト接合
体の接合部の特性を第２表に示し、また硝酸水溶液の代
りに第４表に示すように酸溶液の種類および濃度を種々
にかえてフェライトを接合したときのフェライト接合体
の接合部の特性を第４表に示し、さらに実施例４と同一
条件で熱分解条件のみを第５表に記載したように種々か
えて接合したときのフェライト接合体の接合部の特性を
第５表に示す。

第３表 第４表 第５表 第３表から明らかなように接合面の平滑度の違いにより
、金属元部に形成される気孔の数が異なり、当然のこと
ながら平滑度の高いものほど気孔は少ないが、しかしな
がら平滑度の差による初透磁率の低下はほとんど見られ
ず、Ｒ＝０．３舷ｍのものでも磁気ヘッド用としては十
分利用し得るものである。

また第４表から明らかなように、酸溶液としては硝酸、
硫酸、塩酸、酢酸等の酸がいずれも使用できることが確
認された。さらに第５表から判るように、フェライトの
場合の熱分解条件としては１０００ｑｏ以上が必要であ
る。９５０℃，２皿加熱のものは、加工する際接合部に
おいて剥離する現象が見られ好ましくなかった。

なお、実施例４および実施例５による単結晶・多結晶接
合フェライトは、磁気ヘッド用フェライト材として極め
て優れたものであった。

実施例 ６ 窒素雰囲気中１７０ぴ０で１時間焼成したＭ蚊を５重量
％含有する窒化珪素の２０×２０×３仇帆のブロックの
接合面を、ダイヤモンド礁粒を用い錫盤で平滑度Ｒｍａ
ｘ＝０．１ムｍに研魔し、洗浄、乾燥した後、その研麿
面を接合面とした。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクス物品の接合面間に、該セラミツクスを
   構成する金属元素あるいは該セラミツクスと固相反応し
   そのセラミツクスの結晶構造を実質的に変化させない金
   属元素を含有する液相を介在せしめ、熱分解した後、接
   合面間に固相反応を生起させてセラミツクス物品を一体
   に接合することを特徴とするセラミツクス物品の接合方
   法。 ２ 接合するセラミツクス物品を構成する金属元素を含
   む溶液、またはセラミツクス物品の結晶構造を実質的に
   変化させない金属元素を含む溶液、あるいは接合するセ
   ラミツクス物品の一部を溶解する溶液の何れか１種又は
   ２種以上の溶液を接合面間に介在させて、セラミツクス
   物品の接合面間に液相を形成することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のセラミツクス物品の接合方法。 ３ セラミツクス物品がフエライトで、その接合面間に
   酸またはフエライトを構成する金属元素を含む化合物の
   １種又は２種以上の溶液を介在させて液相を形成し、固
   相反応によりフエライトを一体に接合することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のセラミツクス物品の接
   合方法。