JPS62110868A - ろうの製造法 - 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、ろうの製造法に関するものである。

さらに詳しくは、セラミック部材相互、あるいは金属部
材とセラミック部材の接合用ろうの製造法に関するもの
である。

（従来の技術および解決しようとする問題点）セラミッ
ク部材相互の接合法、あるいは金属部材とセラミック部
材の接合法の一つとして、活性金属ろうによる接合法が
知られている。

この方法は、Ｔｉ、　Ｚｒなどの活性な金属を含む合金
、あるいは上記活性金属の箔とＮ１等の箔を重ね合せて
、セラミック部利相互の接合面、あるいは金属部材とセ
ラミック部材の接合面の間に挟んで加熱し、ろう付けを
行う方法である。

例えば、米国特許第２８５７６６３号明細書ならびに特
公昭３６−１２５７５号公報には、金属部材とセラミッ
ク部材の接合面、あるいはセラミック部材相互の接合面
の間に、Ｔｌ族金属の箔とＣｕ、　Ｎｉ等の箔を挾んで
ろう付けする方法が開示されている。

しかし、この方法には以下に述べる欠点がある。

即ち、 （１）ろうを構成する活性金属が容易に箔となしうる金
属に限定され、展延性の無い金属は使用出来ない。

（２）箔の表面の酸化等により、ろうを構成する活性金
属箔とそれ以外の金属箔との合金化が不十分となること
が多い。

（３）複数の箔を重ね合せるため、複雑な形状の接合面
を有する部材の接合が困難である。

（４）箔の厚さを変えて、ろうの塑性を変化させるので
、低濃度の合金が作れない。このため、ろうが脆い合金
となり、接合部の強度が低い。

また、米国特許第４４７１０２６号明細書には、セラミ
ック部材相互のろう何月の、Ｃｕ、　ＴｉおよびＡｇ、
　Ａｕ、　Ｓｎ、　Ｉｎのいずれか一種の金属からなる
３元合金ろうが開示されている。上記明細書には、この
ろうの作り方として、３種の金属を予め溶融して合金と
する方法、各金属で作ったワイヤーを絹んで紐とする方
法、各金属シートを重ね合せる方法右よび各金属の粉末
を混合する方法が開示されている。しかし、この方法に
も以下に述べる欠点がある。即ち、 （１）予め３種の金属を溶融して合金とする方法では、
Ｔｉの含有量が多いため、脆い合金しか得られず、展延
性を有するシート状のろうに加工するのが困難である。

（２）各金属のワイヤー、シートまたは粉末を素材とす
る方法では、これら素材の加工コストが高く、実用上問
題である。

さらにまた、米国特許第４４８６３１１６号明細書には
、Ｔｉ、　Ｖ、　Ｚｒの１種以上を含むＰ＋ｊ−Ａｕ合
金ろうが開示されている。しかし、Ｔｉ、　Ｖ、　Ｚｒ
のような活性金属の溶融には、真空溶解等の特殊溶解が
必要なうえに得られた合金の加工が困難であるという欠
点がある。

なお、特開昭６０−８１０７１号公報には、ろう材の層
が活性金属の層で被覆されているセラミック接合用金属
シート材が開示されている。しかし、このシートでは、
ろう材の厚さに対する活性金属層の厚さの割合が大きす
ぎて、十分な接合強度を有する接合体が得られないとい
う欠点がある。

本発明の第一の目的は、製造が容易で、かつ取り扱いが
簡単なうえ接合強度が大であるセラミック部材相互ある
いはセラミック部材と金属部材の接合用の活性金属ろう
の製造法を提供することである。

本発明の第二の目的は、活性金属の含有量の調節が容易
なセラミック部材相互あるいはセラミック部材と金属部
材の接合用の活性金属ろうの製造法を提供することであ
る。

本発明の第三の目的は、活性金属として、展延性に乏し
い金属を使用した上記活性金属ろうの製造法を提供する
ことである。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明は、金属基材の表面に金属層を被着させた構造の
セラミック部材相互あるいは金属部材とセラミック部材
の接合用ろうの製造法において、圧延、線引あるいは液
体急冷法よりなる群から選ばれた少なくとも一つの方法
で製造した板状あるいは線状の金属基材の前記金属層被
着予定表面を、表面粗さが中心線平均粗さくｌ１ａ）　
：　０．１μｍ〜２．０μｍとなるように調整したのち
、該表面に前記セラミック部材を構成する主たる金属元
素と非金属元素との反応の標準生成自由エネルギーより
も、該非金属元素との反応の標準生成自由エネルギーが
小であり、かつ融点が前記金属基材の融点よりも高温で
ある金属元素の少なくとも一種を、金属基材の厚さある
いは直径との比が５Ｘ１０−３〜ｌ×１０月となるよう
に、物理的蒸着法、化学的蒸着法あるいは金属メッキよ
りなる群から選ばれた一つの方法で被着させることを特
徴とするろうの製造法である。

該金属層を構成する金属元素は、該ろうで接合するセラ
ミック部材の種類に応じて、上記条件を満足する金属元
素を選択する。

例えば、セラミック部材が窒化物セラミックスあるいは
サイアロンからなる場合には、Ｚｒ、　Ｔｉ。

Ｂ、　Ｔａ、　Ｈｆ、　Ｌａ、　ＳｃおよびＹよりなる
群から選ばれた少なくとも一種の金属元素が好ましく、
窒化物セラミックスが窒化珪素の場合には上記金属元素
の少なくとも一種がより好ましいものであり、２ｒ、　
ＴｉおよびＴａの少なくとも一種が特に好ましいもので
ある。

また、セラミック部材が炭化物セラミックスからなる場
合には、Ｚｒ、　Ｔｉ、　Ｔａ、　Ｖ、　ＣｒおよびＭ
ｏよりなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素が
好ましく、炭化物セラミックスが炭化珪素の場合には上
記金属元素の少なくとも一種がより好ましいものであり
、Ｚｒ、　Ｔｉ、　ＴａおよびＣｒの少なくとも一種が
特に好ましいものである。

さらにまた、セラミック部材が酸化物セラミックスから
なる場合には、Ｂｅ、　Ｃｅ、　ＺｒおよびＴｉ　より
なる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素が好まし
く、酸化物セラミックスがジルコニア、アルミナ、ムラ
イト、チタン酸アルミニウムおよびコージェライトより
なる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスから
なる場合には、Ｂｅ。

Ｃｅ、　ＺｒおよびＴｉよりなる群から選ばれる少なく
とも一種の金属元素が特に好ましいものである。

これらの金属元素は、いずれも本発明の方法で製造され
たろうによる被接着セラミック部材を構成する主たる金
属元素と非金属元素との反応の標準生成自由エネルギー
よりも、該非金属元素との反応の標準生成自由エネルギ
ーが小さい金属元素の中から選ばれたものである。

これらの金属元素は該セラミックスを金属元素と非金属
元素に分解するとともに、己が該非金属元素と反応して
化合物を形成する性質を有する。

セラミック部材と該金属元素との反応は、該金属元素が
液体状態にある方が容易なので、本発明の方法で製造し
たろうでセラミック部材と金属部材を接合する場合には
、溶融した金属基材中に金属層を構成している該金属元
素を溶解させてセラミツク部材との反応を生せしめる。

最初から金属基材中に該金属元素を添加した合金は、展
延性に乏しく、製造が困難なうえ、該金属元素の添加量
の管理がむずかしいので好ましくない。また、該金属元
素が、本発明の方法で製造したろうによる被接合セラミ
ック部材を構成する主たる金属元素と非金属元素との反
応の標準生成自由エネルギーよりも、該非金属元素との
反応の標準生成自由エネルギーが大きい金属元素である
場合には、これら金属元素とセラミック部材との化学反
応が起らないため、ろう付けができないので好ましくな
い。

本発明の製造方法によるろうを構成する金属層の厚さは
、５Ｘ１０−’ｍｍ〜０，１ｍｍが好ましく、５×１０
’ｍｍ〜１×１０−２ｍｍが特に好ましい。該金属層の
厚さが５Ｘ１０−’ｍｍ以下では、金属層を構成する金
属元素の量が少な過ぎるため、溶融したろうとセラミッ
ク部材との反応が弱くて、ろう付は部の強度が低い接合
体しか得られないので好ましくない。

また、該金属層の厚さが０．１ｍｍ以上では、金属層を
構成する金属元素の量が多すぎるため、金属基材が溶融
しても該金属元素が金属基材中に完全に溶解せずに残存
し、該金属元素とセラミック部材との化学反応が十分に
起らないので好ましくない。

本発明の製造方法によるろうを構成する金属層と金属基
材の厚さとの比は、５Ｘ１０−’〜０．１が好ましく、
０．旧〜０，１が特に好ましい。この比が５ＸＩＯ以下
では、金属層を構成する金属元素の量が少な過ぎるため
、溶融したろうとセラミック部材との反応が弱くて、ろ
うイ（ロナ部の強度が低い接合体しか得られないので好
Ｊニジ＜ない。また、上記比が０．１以上では、金属層
を構成する金属元素の量が多すぎるため、金属基材が溶
融しても該金属元素が金属基材中に完全に溶解せずに残
存し、該金属元素とセラミック部材との化学反応が十分
に起らないので好ましくない。

上記金属基材としては、薄板状あるいは線状の一般の金
属が利用できるが市販のろう材が好ましく、銀ろう、銅
ろう、黄銅ろう、金ろう、パラジウムろうおよび非晶質
Ｎ１　ろうよりなる群から選ばれた一種のろう材が特に
好ましい。

該金属基材の製造法としては、圧延、線引あるいは液体
急冷法等一般の金属の板あるいは線の製造方法が利用で
きる。

金属基材として上記材料のうちどれを使用するかは、被
接合金属部材の種類あるいは被接合体の使用温度に応じ
て決定する。例えば、ろう付は部の温度が４００℃程度
までしか上昇しない使用条件の接合体の接合用ろうの金
属基材としては、銀ろう、銅ろうまたは黄銅ろうが使用
できる。また、ろう付は部の温度が上記温度以上となる
使用条件の接合体の接合用ろうの金属基材としては、金
ろう、パラジウムろうおよび非晶質Ｎｉ　ろう等の高融
点の金属基材を使用するのが好ましい。

（作　用） 本発明のろうの製造方法では、上記金属基材の表面に、
融点が該金属基材より高い前記金属元素からなる金属層
を被覆する。しかし、該金属層と金属基材の組合せが合
金化可能な組合せであれば、加熱温度が該金属層の融点
より低くても、該金属層と金属基材が合金を形成し融液
が形成される。

すなわち、本発明のろうが加熱されると、まず最初に金
属基材が溶融し、その後で該溶融金属の中へ金属層を構
成する金属元素が溶解してセラミック部材との反応性に
富む液状のろう合金が形成される。

それとは反対に、該金属層の融点が金属基材の融点より
低い場合には、金属基材が溶融する前に該金属層が溶融
する。そのため、該金属層を構成する金属元素が接合界
面より流出したり、金属基材と該金属元素との合金化が
生ずる前にセラミック部材と該金属元素との反応が生じ
たりして、ろう付は部の強度が低い接合体しか得られな
いので、融点が金属基材の融点より低い金属元素からな
る金属層は好ましくない。

本発明の製造方法で金属部材とセラミック部材の接合用
として、形状が板状のろうを製造する場合には、板状の
金属基材の少なくとも一方の表面上に金属層を設けるだ
けでよい。しかし、本発明のろうをセラミック部材相互
の接合に使用する場合には、該金属基材の両表面に金属
層を設けるのが好ましい。

本発明の方法で製造したろうを種類の異なるセラミック
部材相互の接合に使用する場合には、該金属基材の両表
面に設ける金属層を構成する金属元素の種類をセラミッ
ク部材の種類に応じて変えることもできる。

本発明のろうの製造方法では、前記金属基材の表面に、
融点が該金属基材より高い前記金属元素からなる金属層
を被覆する。この場合に、該金属基材の表面をサンドブ
ラストあるいは研摩紙等の適当な方法で粗面とした後に
金属層の被覆を行うと、金属基材に対する金属層の被着
強度が増加し、金属層の剥離が起らなくなるので作業性
が向上する。

この粗面化を研摩紙で行う場合には＃６００以下の研摩
紙を使用するのが好ましく、＃６００〜＃２４０の研摩
紙を使用するのが特に好ましい。

上記粗面化の程度は表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）
　：　０．１μｍ　〜２．Ｏｔ−ｔｍが好ましく、中心
線平均粗さ（Ｒａ）　：　０．３μｍ〜０．６　μｍが
特に好ましい。

表面粗さが０．１μｍ以下では、金属基材に対する金属
層の被着強度が弱く、取り扱い中に金属層の剥離が生じ
るので好ましくない。

該金属基材に対する金属層の被覆方法としては、物理的
蒸着法、化学的蒸着法あるいは金属メッキのいずれかの
方法が利用できる。これ等の方法のうち物理的蒸着法が
金属層の被覆厚さや被覆面積のコントロールが容易なう
え、展延性のない金属元素の被覆もできるので好ましく
、物理的蒸着法のうちでも特に、真空蒸着法、スパッタ
ーリング法あるいはイオンプレーティング法のいずれか
の方法によるのが特に好ましい。

本発明の方法で製造したろうによるセラミック部材相互
あるいはセラミック部材と金属部材の接合はこれらのセ
ラミック部材相互あるいはセラミック部材と金属部材の
被接合面の間に上記ろうを挟み、真空、不活性ガスある
いは還元雰囲気中で該ろうが溶融する温度類」二で、か
つ該セラミック部材あるいは該金属部材の融点以下の温
度に加熱して行う。この場合には、金属基材表面を被覆
している金属層の表面がセラミック部材の被接合面に接
するようにろうを配置するのが好ましい。上記ろう付は
温度への加熱は、通常の手段で行うことができる。ろう
付は後の冷却方法は、接合体の形状、接合体を構成する
材料の種類に応じて炉冷あるいは空冷のいずれかの方法
を選択する。

（実施例） 次に図面により、本発明をさらに詳細に説明する。

第１図ないし第２図は本発明の製造法で得られたろうの
断面構造を示す説明図、第３図は本発明の製造法で得ら
れたろうを使用してセラミック部材と金属部材を接合す
る方法の説明図、第４図は本発明の製造法で得られたろ
うの接合強度測定用試験片の構造を示す説明図である。

第１図は、本発明の製造法により得た板状の金属基材１
の片面に金属層２が被覆しであるろう１０の断面の模式
図である。このろうの製造法は、−例を示せば、次の如
くである。すなわち、インゴットから圧延により作製し
た厚さ０．１ｍｍの銀ろう板の片方の表面を＃４００の
研摩紙で研摩して粗面化した後、該表面を清浄にする。

しかるのち、上記銀ろう板の粗面化した表面が金属チタ
ン製ターゲットと対向するようにスパッタリング装置に
取付け、該銀ろう板の表面に厚さ０．５μｍ〜１０μｍ
の金属チタン層をスパッタリングにより付着させる。こ
れにより金属基材１が銀ろう、金属層２がチタンからな
るろうが得られる。この方法では、ターゲットを構成す
る金属が金属基村上に付着するので、付着金属の変更は
ターゲットを構成する金属の種類を変えるだけで行うこ
とが出来る。該ターゲットは一種以上の金属で構成して
も良く、合金で構成しても良い。付着量の増減はスパッ
タリング時間を加減して行う。

第２図は板状の金属基材１の両面に金属層２と金属層３
が被覆しである本発明の製造法によるろう２０の断面の
模式図である。金属層２と金属層３は同種の金属として
も良く、異種の金属としても良い。どの金属を付着させ
るかは接合するセラミツクスの種類に応じて決定すれば
良い。このろうの製造法は、例えば、次の如くである。

まず、圧延により作製した板状の金属基材１の両面をサ
ンドブラストで粗面化したのち、該表面を清浄にする。

次に該金属基材の片面にスパッタリングにより金属層ｌ
を付着させる。しかるのち、金属基材をスパッタリング
装置から取り出し、残りの表面に金属層２を付着させる
。金属層２の付着は金属層１の付着方法と同じ方法で行
っても良いし、他の物理的蒸着法、化学的蒸着法あるい
は金属メッキで行っても良い。また、金属層２と金属層
３が同一の金属からなる場合には、金属基材１に対する
これら金属層の被覆を同時に行っても良い。

第３図は、本発明の製造法によるろう１０を使用してセ
ラミック部材４と金属部材６を接合する方法の説明図で
ある。本発明の製造法によるろう１゜を使用するセラミ
ック部材４と金属部材６の接合は例えば次のようにして
行う。まず、接合すべきセラミック部材４と金属部材６
を用意する。次に該両部材の接合予定面を清浄化したの
ち、必要に応じて、金属部材６の接合予定面に金属メッ
キ５を行う。両部材の接合予定面の間に本発明の製造法
によるろう１０を配置し、両部材の接合位置を合致させ
適当な治具で両部材を固定したのち、ろうを構成する金
属基材の融点量」二の温度でしかも金属部材とセラミッ
ク部材の融点以下の温度に真空中で加熱してろうを溶融
させる。上記温度に適当時間保持したのち、炉温をろう
の融点以下の温度に下げてろうを凝固させ接合を完了す
る。上記温度に保持する時間は、ろう１０を構成する金
属基材１と被覆金属層２の合金化、該ろうとセラミック
部材４ならびに金属部材６との反応に必要な時間であり
、通常は１〜１０分でよい。

必要に応じてこの範囲を越えてもよい。

実施例１ 第１表に示す厚さの金属からなる板状の金属基材の片方
の表面を＃４００の研摩紙で研摩して粗面化したのち、
該表面をア七トンおよびアルコールで清浄にした。該粗
面化した表面上に第１表に示した厚さの金属元素からな
る金属層をスパッタリングにより付着させて、金属基材
と金属層の組合せが第１表に示す組合せからなり、構造
が第１図に示す構造のろう１０を作製した。該ろうを使
用して直径Ｉｆ　ｍｍ　、高さ１０ｍｍの第１表に示す
セラミックスからなる円板の両表面に第１表に記載の接
合金属の丸棒を第１表に記載の接合温度で接合して第４
図に示す形状の、セラミックス円板７の両面に接合金属
８の丸棒（金属部材に相当）が一体一的に接合されてい
る全長１００　ｍｍの金属・セラミックス接合体を作製
した。該接合体の外周を機械加工により直径１０＋ｎｍ
に仕上げたのち、引張試験により接合強度を測定した。

得られた結果を第１表に示した。また、比較のために本
発明の数値限定外のものを比較測定し、比較例として第
１表に示した。

第１表Ｎｏ、　１〜Ｎｏ、１３の結果より明らかな如く
、本発明の製造法によるろうによれば大きな接合強度が
得られる。本発明の数値限定範囲外の製造法によるろう
で接合した接合体Ｎｏ、１０１〜Ｎｏ、１０２ではセラ
ミックスと接合金属との接合が起らない。また、アルミ
ナセラミックスとの組合せが、本発明の組合せ外の金属
元素からなる金属層を被覆したろうで接合した接合体Ｎ
ｏ、］　（１３ではろうとセラミックスとの反応が起ら
なかった。

（発明の効果） 以上述べたことから明らかなように、本発明のろうの製
造法は展延性を有する金属基材の表面に特定の活性金属
元素からなる金属層を薄く被覆する方法であるから、該
金属層を構成する金属元素が展延性に乏しい金属元素で
あっても、ろうとしての展延性は損なわれない。したが
って、該金属層を構成する活性金属元素はセラミック部
材との反応性にのみ注目して選択することが出来る。こ
のため本発明の方法で製造したろうは、取り扱いが容易
で接合強度が大きいろうとなる。

また本発明のろうの製造法は金属基材の表面にセラミッ
ク部材との反応性が大きい活性金属元素を、物理的蒸着
法、化学的蒸着法あるいは金属メッキなどの方法で被覆
する方法なので」二記活性金属の添加量の調節が容易で
ある。このため本発明のろうの製造法によれば、活性金
属元素の含有量が少ないろうを簡単に作ることができる
。

したがって本発明の方法で製造したろうを使用すれば、
ろう伺は部に脆い合金層が形成されるのを防ぐことが出
来るので、接合強度が大きい金属・セラミックス接合体
あるいはセラミックス・セラミックス接合体が得られる
。

本発明の方法で製造したろうで接合した金属・セラミッ
クス接合体はセラミックスの耐熱性、耐摩耗性、高強度
、耐食性ならびに低比重などの特性を生かしてガスター
ビン部品あるいはピストン、タペットはもちろん吸気弁
、排気弁、ターボチャージャ、ロッカーアーム、カムな
ど高温や繰り返し荷重ならびに衝撃荷重を受ける内燃機
関用部品として使用することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図ないし第２図は本発明の方法で製造したろうの断
面図、 第３図は本発明の方法で製造したろうによるセラミック
部材と金属部材の接合方法の説明図、第４図は本発明の
ろうによる金属・セラミックス接合体の接合強度測定用
試験片の構造を示す説明図である。 ■・・・金属基材　　　　　２・・・金属層３・・・金
属層　　　　　　　４・・・セラミック部材５−　金属
メッキ　　　　６・・・金属部材７・・・セラミック円
板　　Ｂ・・・接合金属第１図 第２図 第３図 第４図 、７ｔラミックＰ：１ネ反

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．金属基材の表面に金属層を被着させた構造のセラミ
   ック部材相互あるいは金属部材とセラミック部材の接合
   用ろうの製造法において、圧延、線引きあるいは液体急
   冷法よりなる群から選ばれた少なくとも一つの方法で製
   造した板状あるいは線状の金属基材の前記金属層被着予
   定表面を、表面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）：０．１
   μｍ〜２．０μｍとなるように調整したのち、該表面に
   前記セラミック部材を構成する主たる金属元素と非金属
   元素との反応の標準生成自由エネルギーよりも、該非金
   属元素との反応の標準生成自由エネルギーが小であり、
   かつ融点が前記金属基材の融点よりも高温である金属元
   素の少なくとも一種を、金属基材の厚さあるいは直径と
   の比が５×１０＾−＾３〜１×１０＾−＾１となるよう
   に、物理的蒸着法、化学的蒸着法あるいは金属メッキよ
   りなる群から選ばれた一つの方法で被着させることを特
   徴とするろうの製造法。
2. ２．被接合セラミック部材が窒化珪素、炭化珪素および
   サイアロンより成る群から選ばれた少なくとも一種のセ
   ラミックスであり、金属層がＺｒ，Ｔｉ，Ｂ，Ｔａ，Ｈ
   ｆ，Ｖ，Ｃｒ，Ｌａ，Ｓｃ，ＹおよびＭｏよりなる群か
   ら選ばれた少なくとも一種の金属元素からなる特許請求
   の範囲第１項記載のろうの製造法。
3. ３．被接合セラミック部材がジルコニア、アルミナ、ム
   ライト、チタン酸アルミニウムおよびコージェライトよ
   りなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックスで
   あり、金属層がＢｅ，Ｃｅ，ＺｒおよびＴｉよりなる群
   から選ばれた少なくとも一種の金属元素からなる特許請
   求の範囲第１項記載のろうの製造法。
4. ４．金属層を板状金属基材の片面にのみ設ける特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のろうの製
   造法。
5. ５．金属層の厚さが０．５μｍ〜１００μｍである特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のろう
   の製造法。
6. ６．物理的蒸着法が真空蒸着法、スパッタリング法ある
   いはイオンプレーティング法のいずれかの方法である特
   許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のろ
   うの製造法。