JPS61186271A - セラミツクスと金属の接合方法 - 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 本発明はセラミックスと金属との接合方法に関するもの
である。

従来の技術 セラミックス特に非酸化物系のセラミックスは機械構造
用部材としての活用が期待されている。構造部材として
使用する場合の課題の１つは金属との接合方法である。

一般に非酸化物系のセラミックス例えば窒化けい素や炭
化けい素はぬれ性が悪く、これら全長〈ぬらずろう材の
探索が１つのカギであり、これまでに有効なろう材とし
ては活性化金属ろうが開発されている。

この活性化金属ろうは金、銀、銅、ニッケルなどの貴金
属にマンガン、チタン、ジルコニウムなどの活性化金属
を添加したもので、活性金属はろう材の融点を下げる作
用のほかに、セラミックス基質と反応し、ぬれ性を改善
する効果を持っている。セラミックスと金属と全接合す
るうえでもう１つのカギは、熱応力の低減でるる。

セラミックスは金属より熱膨張係数が小さいために、ろ
う材が凝固してから室温まで冷却される間に内部応力を
生じ、この内部応力が原因となって冷却中に接合物が破
壊することも希れではない。このような熱応力の低減手
段としては、熱膨張率の小さな金属を用いる方法が一般
的に用いられる。

発明が解決しようとする問題点 前記のごとく、セラミックスと金属との接合には多くの
方法が提唱されているがまだ開発途上の技術であり、問
題点が多い。

ろう材に添加した活性金属によってろう材とセラミック
スとのぬれ性を改善する場合、活性金属はセラミックス
基質と反応して脆化層を形成するという問題がある。例
えば窒化けい素全Ｃｕ、−Ｍｎ−Ｔｉろうを用いてろう
付けするとｕｎ、　Ｔｉ、　Ｓｉの富化した脆化層が形
成される。

まだ活性金属は、酸素との親和力が犬きく、ろう付け雰
囲気として高い真空度を用いないと活性金属が酸化し、
ぬれ性が著しく低下すると■う問題がある。例えばＴｉ
　　を５　ｗｔ％含むＣｕ　−Ｍｎ−Ｔｉろうでは、真
空度として少くともｌ　ＯＴｏｒｒは必要である。した
がってもし他の手段によってぬれ性が向上するならば活
性金属と１−１てその添加量を減らｌたり活性度の低い
元素で代用することが望ましい。

一方、熱膨張率の小さい金属を採用することによって熱
応力全低減しようとする方法も問題点が多い。低熱膨張
率の金属と１−ては、タングステン、モリブデン、ジル
コニウム、タンタル、チタンなどが用いられている。こ
れらの線膨張率は鋼の／２〜１／３と小さいがまだ窒化
けい素通 や炭化けい累より大きく、熱応力を完全にゼロにするの
は困難である。熱膨張率の特に小さなタングステンやモ
リブデンは弾性率が銅の１．５〜２倍あり、これはむし
ろ熱応力を大きくする作用をする。更にこれらは高融点
金属であり、再結晶による応力緩和が期待できない点も
不利である。また、酸化しやすかったり、ろう材との界
面に脆弱な金属間化合物を形成するという問題もある。

本発明は上記の事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところはセラミックスと金属との間に大きな
接合強度が得られしかもろう材として活性度の低い成分
元素で十分なぬれ性が確保でき接合作業における真空度
の要求をよりゆるやかにするセラミックスと合金の接合
方法を提供することにある。

問題点を解決するための手段及び作用 本発明においては、セラミックスと金属とをろう材を介
在させ外力によって接合面を圧着しながら、真空中又は
不活性雰囲気中で加熱し、ろう材の液相生成温度に到達
すると、接合面からろう材の融液の一部が強制的に排出
され、セラミックス表面とろう材の界面が清浄化され、
ろう材とセラミックスとのぬれ性が向上する。

この結果、無加圧法ではぬれ性不足によって使用できな
かった活性金属の少ないろう材が使用でき、ろう材の酸
化、脆化層の形成を抑制することができる。また、無加
圧法でしばしばみられるろう材中の気泡の形成を完全に
防止でき、応力集中を無くすことができる。

甘だ本発明においては、セラミックスと接合すべき金属
としてその融点Ｔｍがろう材の液相生成温度ＴＬ　　と
絶対温度表示で０．８Ｔｍ≦ＴＬ＜Ｔｍの関係を満足す
るものを選定Ｉ７、かつＴＬにおいて前記金属が塑性変
形するのに足るだけの圧着力を付加する必要がおる。

このようにろう材の融点に比較的近い金属を用いること
によって、ろう材が凝固したのちの冷却過程でも十分に
再結晶を起こし、熱応力全緩和することができる。金属
の融点が尚い場合には、変形が薄いろう材層だけで進行
し、ろう材層自体が冷却過程で破壊することがある１、
またろう材層内での破壊は起らなくても、大きな熱応力
が内在し、小さな外力で破壊する。本発明法はこのよう
な問題を解決することができる。

圧着力を金属の塑性変形する程大きくする必要性は十分
に理解されていないが、外力によって金属を塑性変形さ
せることによって再結晶の駆動力を与えるのが一因と推
定される。後述する実施例からも明らかなように、接合
強度には大きな圧着力依存性が認められ、金属が塑性変
形する以上の圧着力を与えたとき、大きな接合強度が得
られる。

実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

窒化けい素焼給体と金属とを、ろう材を介在させ第１図
の如く積層した。（イ）は窒化けい素、（ロ）は金属、
（ハ）はろう材である。窒化けい累および金属の寸法は
、ｌ　２ｍ＋ｎＸ　ｌ　ｏａｘ　３ｔｒｒｍであシ、接
合部はｌＯｗｘＸｌｏｍｍである。ろう材の寸法はｌｏ
ｍｍＸｌＯｍで厚さ０．１　−０．３ｒｒａの圧延板で
ある。第１図のような試験片（組立物）をその相互位置
がずれないような治具に装着し、黒鉛製のダイの中に配
置し、黒鉛パンチを介して加圧し圧着させた。次に、黒
鉛製ダイの中を４〜６　ｘ　ｌ　ＯＴｏｒｒの真空にし
て、ダイの外部に設けたヒータにより２０　Ｃ／ｍｉル
の速度で加熱１７た。圧着用の黒鉛パンチの変位全０．
Ｏ１ｗ以上の精度で差動トランスによって検出できるよ
うにしておき、ろう材（ハ）が溶融してその一部が接合
部から排出されるのが観測されたら直ちに加熱を中止し
圧着力を加えたまま冷却し、室温近ぼり捷で冷却したの
ち、除荷し試験片を取出した。同ろう材（ハ）の液相生
成温度はおよそ８７０〜９００℃である。また比較例の
無加圧の場合には、温度をろう材（ハ）の液相生成温度
より５０℃高い温度に到達した時点で加熱を中止し冷却
させた。無加圧の場合の圧着力は、試験片の自重のみで
ある。冷却速度は６００℃附近で約５℃／ｍｉｎである
。取出した試験片の状態は第２図のようなもので（イ）
は窒化けい素、（ロ）は金属、Ｈはろう材、に）は排出
されたろう材および塑性変形によってはみ出た金属部分
である。はみ出た金属部分を機械加工によって除去した
のち、第３図のような方法でせん断試験を行なった。ク
ロスヘッド速度は０．５朝７７７１Ｌ　ｆＬ　である。

試験結果の一例を表に示す。

比較例と対比すれば本発明法の効果は明らかである。金
属として鋼（ＳＳ、４１　）ｋ用いた場合には圧着面圧
１００￥ｉでは若干の中性変形が認められた。しかしな
がら、その融点は、ろう材の液相生成温度のおよそ１．
５倍と太きいために熱応力の緩和が十分でなく、試験片
を炉からを出した時点で窒化けい素内部で破壊していた
。金属にモリブデンを用いた場合には、その熱膨張係数
が鋼の約’／３ということによって熱応力を下げること
が期待され、事実無加圧でも接合が可能であった。しか
しながら、その融点はろう材の液相生成温度のおよ−ｆ
：３倍と著しく太きなために、再結晶による熱応力の緩
和が起らず接合強度も小さい。また強制的に圧着しても
このレベルの面圧では見かけ上申性変形は認められず、
再結晶も起らないこともあって接合強度の加圧による改
善効果も小さい。またモリブデンでは窒化けい素からろ
う材に溶は込んだと考えられるけい素がモリブデンの所
まで拡散したために、モリブデン表面にも脆弱なけい化
物全形成することが見出された。

金属として銅を用いた場合その融点はろう材の液相生湛
度の約１．１５と低く、ろう材が凝固したのちの冷却中
でも熱応力を緩和することが期待される。事実比較例Ａ
４．５に示したように鋼よりも大きな熱膨張係数を持っ
ているにもかかわらず低強度ながら接合強度が得られた
。

したがって、ろう材の液相生成温度に近い融点を持つ金
属を用いるという本発明法の一構成要件の重要性はこの
比較例からも明らかである。

しかし単にこの要件だけでは、従来からあるモリブデン
などを用いた接合よりも劣った結果しか得られない。

これに対してｊ６．１〜３に示した本発明法の効果は顕
著であり、金属とし、てろう材の液相生成温度に近い融
点を持つ銅を用いかつ接合温度において銅が塑性変形す
るだけの圧着面圧全負荷することによって接合強度が著
しく改善される、また無加圧ではぬれ性が不足していた
Ｃｕ−Ｍｎろうもより活性なＴｉ　　ｆ添加することな
く良好なぬれ性を示しより活性で酸化しゃすいＴｉ　ｆ
含まないことによって、真空度の要求がゆるやかになる
と共に、Ｃｕ　−１’ｉより成ると推定されるろう材中
の析出物も生成せず結果としてより大きな接合強度が得
られた。

発明の効果 本発明の効果の第１はセラミックスと金属との間に大き
な接合強度が得られることである。

ま・た第２の効果は、ろう材として活性度の低い成分元
素で十分なぬれ性が確保でき、接合作業における真空度
の要求をよりゆるやかにすることである１、これらは工
業上きわめて大きな効果である１、 なお本発明法の実施に当っては、必ずしも実施例のみに
限定されるものではない。実施例はあく捷でも一例を示
したものであって、その骨子は、ろう材の液相生成温度
に近い融点を持つ金属を選定することおよびろう材の液
相生成温度即ちろう付け温度近ぼりにおいて前記金属が
塑性変形するのに十分な圧着力を強制的に付与すること
の２つの新規な方法を組合せることにある。

従ってセラミックスとしては窒化けい素に限定されず、
炭化けい素であってもまた他のセラミックスであっても
艮い。金属としては銅に限定されるものではなく、銅合
金でも他の金属でも良い。但しその融点Ｔｍ　　はろう
材の液相生成温度ＴＬ　に近＜０．ＢＴ匍≦ＴＬ＜Ｔｍ
の範囲内にあることが望ましい。しかし０．８ｒｒＬが
Ｔｆ　ｆ超えたからと言って全く効果が無いわけではな
い。

一般に再結晶は０．４〜０．５Ｔｍ以上なら起こると言
われておυ、０．５Ｔ工〈ＴＬならば効果が期待される
。ろう材はセラミックスの種類に応じて決定されるもの
で公知のものを用いてもよい。圧着力は使用する金属の
種類とろう付け温度におけるその流動応力によって決定
され、特定することは困難であるが、少くとも金属に塑
性変形を与える水準まで加圧する必要がある。

また単に圧着力ばかりでなく、接合面相互にすべりを重
しようさせることも行って良い。更にまた、圧着力は接
合の全工程に渡って一定である必要はなく、例えば加熱
初期は低圧力であって、ろう材の液相生成温度近はうで
圧力を増しても良い。また、ろう材が凝固したのちの冷
却工程で更に圧力を増して金属に更に塑性変形を与えて
も良い。但し、この場合、塑性変形によって生じた内部
応力が拡散によって十分緩和されるだけの温度領域で行
う必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の実施例におけるセラミックスと
金属の積層状態全示した斜視図、第２図は本発明方法に
より接合されたセラミックスと金属の状態を示した斜視
図、第３図はせん断試験の説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスと金属との間にろう材を介在させ、
   ろう材の液相生成温度以上に加熱してセラミックスと金
   属を接合する方法において、前記金属の融点Ｔ＿ｍと前
   記ろう材の液相生成温度Ｔ＿Ｌとが絶対温度で示して０
   ．８Ｔ＿ｍ≦Ｔ＿Ｌ＜Ｔ＿ｍの範囲内にあり、かつろう
   付け工程におけるＴ＿Ｌ直上の温度領域で前記金属が塑
   性変形するだけの圧着力を付加するようにしたことを特
   徴とするセラミックスと金属の接合方法。
2. （２）前記セラミックスおよび金属がそれぞれ窒化けい
   素および銅合金であり、ろう材が銅−マンガン合金また
   は銅−マンガン−チタン合金である特許請求の範囲の記
   載（１）のセラミックスと金属の接合方法。
3. （３）圧着力が６０％以上である特許請求の範囲の記載
   （２）のセラミックスと金属の接合方法。