JPS61209965A - 窒化珪素セラミツクスとアルミニウムの接合方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、窒化珪素セラミックスと人を又は人り合金と
の接合方法に関し、更に詳しくは、低温度で窒化珪素セ
ラミックスとアルミニウムを強固に接合する方法に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ｋＡは、その密度が２．５６　ｆ／ａＡと非常に軽く、
またＣｕやＭＰなどの強化元素を添加することにより４
０ｋｇ／−を越える引張強さを有するＡｌ合金も得られ
るため、代表的軽金属部材とし゛Ｃ広範な用途に利用さ
れている。

近年、省エネルギの観点から、各種機器の高効率化が要
求されており、その改善手段の１′つとして、部品の軽
量化が求められている。そこで、従来密度の大きい金属
で作製していた部品を、人り又ａ　Ａｌ合金に代替する
ことが望まれている。

しかしながら、Ａｌ又はＡｌ合金の耐摩耗性は小さく、
構造上他部品と摺動あるいは接触することが余儀なくさ
れる構成部品への適用は、困難でめった。

セラミックス、中でも窒化珪素セラミックスは、軽量で
かつ、すぐれた耐摩耗性材料として脚光を浴びている。

すなわち、窒化珪素は、従来耐摩耗性材料として多用さ
ｎ′でいる超硬合金をしのぐ高温硬さくビッカース硬ざ
〜１９００＃／ａＪ）を有しており、しかも密度は２．
５〜３．Ｓｌ／ｃｔＡｌであり、超硬合金の６．５〜１
４．７　ｆ／ｃｄと比較して１／６〜１／２の軽さを有
している。しかしながら、加工性が著しく悪いため、靭
性に富む金属と組合わせて用いることが期待さｎている
。特に軽量の人を又は人り合金と窒化珪素を組合わせる
ことにより、軽量で耐摩耗性にすぐれる部材を得ること
が出来る。

しかしながら、窒化珪素と人を又はＡｌ合金は、物理的
、化学的性質が大きく異なり、接合するために特殊な方
法を必要とすることが多い。また、人ｔおよび人を合金
は、融点が６６０℃前後と相当低い。そのため、人を又
はＡｌ合金部材を溶融せぬように接合するためには、融
点以下の低温で接合する必要があり、又Ａｌ又はＡｌ合
金は変形し易いため接合を促進するための大きな加圧を
加えることは好ましくない。したがり°Ｃ１人り又はＡ
６合金と窒化珪素と接合することは至難の問題である。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の点に鑑みてなさｎたもので、窒化珪素
とＡｌ又はＡｌ合金部材を、低温度、低加圧で容易かつ
確実に接合する方法を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上記した目的を達成すべく、それぞれの
物性が大きく異なる窒化珪素セラミックスとＡＡ又はＡ
２合金等のアルミニウム部材とを信頼性高く、低温度、
低加圧で容易に接合する方法に関し検討したところ、以
下の要件、すなわち、（１）窒化珪素セラミックスとＡ
ｌ又はＡｌ合金が化学的に結合していること、 （２）窒化珪素セラミックスとＡｌ又はＡｌ合金との接
合温度が該人を又はＡｌ合金の融点より低くかつ接合圧
力が零もしくは、非常に小さいこと、（３）接合面積が
大きい場合には、接合部では、熱応力の発生しないよう
な構成であること、を充足することが重要であることの
知見を得るに至った。

そこで、本発明者らは、（１）（２）の条件の充足に関
しては、高温下でも安定性の高い金属を用いて窒化珪素
セラミックス表面上に該セラミックスと化学的に結合し
たメタライズ層を形成せしめ、該メタライズ層と人り又
はＡ１合金をＡｌ又はＡｌ合金の融点以下の温度で化学
的に接合せしめれば良＜、（３）に関しては、該セラミ
ックスと接合すべき金属との間を熱応力を抑制し易い構
造にすれば良いとの着想を得、その着想に基づき種々の
検討を加えたところ、所定の条件下で、窒化珪素セラミ
ックスは、その表面部分が、珪素と窒素に解離するとの
事実を見出した。

したかっ−（、本発明者らはこの事実から、窒化ケイ素
セラミックス表面にメタライズすべき金属を載せて、こ
れら全体に真空下で加熱処理を施したところ、想定した
とおり窒化ケイ素セラミックス表面の窒化ケイ素がケイ
素と窒素に解離し′Ｃ１解離生成したケイ素がメタライ
ズすべき金属と反応し′Ｃ１ある種の溶融状態の反応生
成物が形成され、該反応生成物が窒化ケイ素セラミック
ス表面をぬらし、その結果、窒化ケイ素セラミックス表
面に化学的に結合したメタライズ層が形成されることを
見出した。さらに、該メタライズ層が、金属の珪化物を
主成分としており、該メタライズ層とＡｌ又はＡｌ合金
を当接し、珪素と人りが共晶合金を生成する温度（５７
７℃）以上に顎熱することにより、接合部で該メタライ
ズ層中の珪素と該Ａｌ又はｈｔ合全中のＡｌが共晶融液
を生成し、該融液を介して、接合が容易に進行すること
を見出した。この場合、加熱時に接合部はＡｌと珪素の
共晶融液で満たされるため、大きな加圧をしなくてもメ
タライズ層とＡｌ又はＡｌ合金は、良好に密着するもの
である。

更に、接合すべき金属とセラミックス間の熱応力の発生
に対してな、熱応力抑制層として該メタライズ層の利用
、特にメタライズ層を部分的に形成することが有効であ
るとの知見を得、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の窒化ケイ素セラミックスと人を又は
入を合金の接合方法は、窒化ケイ素セラミックス表面に
ケイ素との反応性に富む金属又は合金？配し、該セラミ
ックスと該金属もしくは合金の全体を真空下で加熱し、
窒化ケイ素セラミックス表ｍｔ窒素とケイ素とに解離せ
しめかつ解離により生じたケイ素と該金属又は合金との
反応生成物を形成することにより、該窒化ケイ素セラミ
ックス表面上にメタライズ層を形成する工程と、該メタ
ライズ層上に、Ａｌ又は人を合金金当接し、全体ｆ、Ａ
ｌ又はＡｌ合金の融点以下でＡｌと珪素の共晶温度（５
７７℃）以上の＠度で加熱するものである。

まず、本発明におい°Ｃメタライズされるべき窒化ケイ
素セラミックスは、格別限定されるものではなく、セラ
ミックス中に窒化ケイ素以外の焼結助剤等を含有してい
るもので６９“Ｃもよい。尚、本発明は焼結助剤等を含
有し′Ｃいない高純度の窒化ケイ素セラミックスに対し
ても十分にその効果全発揮するものである。

次に、ケイ素との反応性に富む金属もしくは合金として
は、遷移元素からなり、その融点がケイ素との反応生成
物のうちの少なくとも１種の融点より高い融点含有する
金属もしくは合金であることが好ましく、さらに、ケイ
素と共晶を形成する金属である。

このような金属もしくは合金は、後述の加熱処理の際、
該金属もしくは合金自体は溶融することつ はないが、表面で解離生成したケイ素との反応生成物は
溶融状態となりて、これが窒化ケイ素セラミックス表面
をぬらすので該表面と強固に付着する。

用いる金属もしくは合金が上記の如き融点特性を示さな
い場合、例えば、上記反応生成物が溶融状態になる温度
で該金属もしくは合金自体が溶融状態となる場合、該溶
融金属もしくは合金が窒化ケイ素セラミックス表面を覆
うので、ケイ素の金属もしくは合金中への拡散が阻害さ
れてケイ素と該金属との合金化が進まず、その結果、該
セラミックス表面とのぬれ現象も生じなくなる。

本発明に適用して好ましい金属としては、ｒｅ。

Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｐｔ、などの金属、及びこれらの合金
、例えば、Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ　、　Ｐｔのうちの少
なくとも１種が５０重量％以上含有されている合金であ
る。

上記したような金属もしくは合金は、粉末、箔。

線のいずれの形態で使用してもよく、また、これらの形
態を組合せて使用してもよい。

次に、本発明方法について説明する。まず、最初に、上
記した窒化ケイ素セラミックス表面に上記した金属もし
くは合金を載置する。このとき、用いる金属の形態が粉
末のときは適宜な溶媒を用いてペースト状にし、これを
セラミックス表面に塗布するとよい。

次に、表面に金属を配した該セラミックスを真空炉に入
れる。そして、炉内を減圧し′Ｃ真空状態にしてから該
セラミックス全体ｆｔ加熱するか、もしくは炉内を減圧
しながら該セラミックス全体を加熱処理する。

このときに適用する真空度は、常圧〜１０”−３Ｔｏｒ
ｒの低・中真空、　　１０　　Ｔｏｒｒ以下の高・超高
真空のいずれかの範囲であるが、好ましくは１０　〜１
Ｏ−７Ｔｏｒｒの高真空である。

最大加熱温度の具体的な値や範囲は、用いる金属や適用
する真空度に左右されるので一概には定まらないが、加
熱温度は１２００℃以上であることが好ましい。

このようにして窒化ケイ素セラミックスの表面にはメタ
ライズ層が形成される。メタライズ層は、該金属と該金
属のケイ化物からなる均一な合金層であって、窒化ケイ
素セラミックス表面とは化学的に結合し強固に付着して
いる。

次に、形成されたメタライズ層の上に接合すべき人を又
はＡＡ合金七当接して、例えば真空ホットプレス中に装
填して、所定時間Ａｌ又はＡｌ合金の融点以下でｈｔと
珪素の共晶温度（５７７℃）以上の＜ｉｎで加熱処理を
施しＣ１メタシイズ層中の珪素と人を又はＡｌ合金中の
人ｔｔ′反応させ、生じた共晶融液を介し“Ｃ接合させ
る。この時原理的に加圧する必要はないが、両部材を密
着させる程度の低圧力（０，０１〜１＃／−）ｔ−加圧
しても良い。

このとき適用する雰囲気は、例えば、真空、不活性ガス
などが好適でるる。

熱応力抑制層を設ける方法としては、メタライズ層を利
用する方法がある。

メタライズ層を利用する場合には、該セラミックスの表
面全体に該メタライズ層金形成するのではなく、それを
部分的に形成するとよい。例えば、セラミックス表面に
網目状、縞状、渦巻状１斑点状にメタライズ層を形成す
るとよい。

上記したような熱応力抑制層が窒化ケイ素セラミックス
と接合すべき金属との間に介在していると、接合処理が
終ｒしたのち、接合部が接合温度から冷却する過程で生
ずるセラミックスと接合金属との熱膨張差に基づく残留
応力を小さくすることができ、接合部に２ける亀裂等の
発生を防止することができる。

〔発明の実施例〕

実施例 窒化ケイ素セラミックス製自動車用ロッカーアームの耐
摩耗被覆材の接合面に、３２５メツシエ（タイラー篩）
下の８０にＮｉ−Ｃｒ合金粉末をエチルアルコールを媒
体として３０μの厚さで斑点模様に塗布し、この被覆材
を真空炉中に設置した。

真空炉内ｔ−Ｉ　Ｘ　１０　　Ｔｏｒｒに設定した後、
９００℃／ｈ　ｒの昇温速度でセラミックス平板全体を
１２５０℃まで加熱し、この温度で１０分間保持した。

冷却後、該セラミックス被覆材の表面を観察したところ
、斑点°模様のメタライズ層が形成さ几′Ｃいた＠ 該メタライズ層ｔ−Ｘ線回折分析したところ、メタライ
ズ層はＮｉ（α］とＮｉ、　ｓｔ、の混晶になり′Ｃい
ることが確認された。

これは次の反応によって生じたものと考えられる。

８ｉ１Ｎ番　→　３８　ｉ　　＋　２Ｎ１Ｓ１＋Ｎｉ→
Ｎｉ（α）＋ＮＡｌ８ｉ１反応生成物（Ｎｌ　（α）　
十Ｎｉ、　ｓｔ、　）の融点はＡｌ５２℃で加熱保持温
度（１２５０℃）　より低いため、この反厄牢成物は窒
化ケイ素セラミックス被覆材接合面で液状となり、該接
合面をぬらしているものと考えられる。

次に、該メタライズ層の上に人を合金製のロッカーアー
ム構成材を当接しこれらをホットプレス中に装填し、５
Ｘ１０　　Ｔｏｒｒの真空中に保持した。

その後　６００℃まで加熱し、０．１＃／ｊの圧力を加
えて、その状態で２０分間保持した。

冷却後、窒化ケイ素セラミックス被覆材と人を合金の構
成材との接合部の断面を分析器つき走査減電子顕微鏡で
詳細に調べたところ、窒化ケイ素セラミックスとメタラ
イズ層との界面ではＡｌとケイ素の共晶合金の存在が認
められ両者間では化学的な接合が確認された。

なお、窒化ケイ素セラミックス製被覆材とＡｌ合金製ロ
ッカーアーム構成材との接合は、斑点状のメタライズ層
を介し°Ｃのみ行なわれており全面での接合ではなかっ
たので、該接合部に大きな熱変化を与えたにもかかわら
ずクラック等の組織欠陥は認められず良好な接合状態が
保持さｎ′でいた。

〔発明の効果〕

本発明方法を用いる事により、人を又はｋＡ合金部材表
面に窒化珪素セラミックスを主体とする被覆層を比較的
低温、低圧で容易かつ確実に接合する事ができる。

代理人　弁理士　則　近　憲　佑 （他１名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素セラミックス表面に珪素との反応性に富
   む金属を配し、該セラミックスと該金属を真空下で加熱
   し、窒化珪素セラミックス表面を窒素と珪素とに解離せ
   しめかつ解離により生じた珪素と該金属又は合金との反
   応生成物を形成することにより窒化珪素セラミックス表
   面上にメタライズ層を形成する工程と、 該メタライズ層を介し、Ａｌ又はＡｌ合金部材を、５７
   ７℃以上で、Ａｌ又はＡｌ合金の融点以下の温度で加熱
   して接合する工程とを具備したことを特徴とする窒化珪
   素セラミックスとアルミニウムの接合方法。
2. （２）該メタライズ層が、該窒化ケイ素セラミックスの
   表面に部分的に形成されている事を特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の窒化珪素セラミックスとアルミニウ
   ムの接合方法。
3. （３）ＡｌあるいはＡｌ合金材がローカーアームの構成
   材で、窒化珪素材が同ロッカーアームの耐摩耗性被覆部
   材であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   窒化珪素セラミックスとアルミニウムの接合方法。