JPS629768A - 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） この発明は非酸化物系セラミックスと金属との接合方法
の改良に係る。

（従来技術） 金属よりも優れた耐熱性、耐食性、耐摩耗性、高温強度
、軽量性、寸法安定性等を有するセラミックスを高温構
造物や耐食性、耐摩耗性を必要とする機械部品に使用す
る場合にはセラミックスと金属とを接合して使用するこ
とが通例行われ、これによって従来の機器と比較して熱
効率の向上、燃料消費率の改善、過酷な条件での運転、
高信頼性、長寿命化等が達成できる。

従来非酸化物系セラミックスと金属とを接合する方法と
しては凹凸部のはめ合いによる機械的な接合、焼きばめ
または冷しぼめ、有機系または無機系接着剤による接着
、Ｍｎ−Ｍｏ系金属材料によってセラミックス表面をメ
タライズし、メタライズ層と金属とのろう付け、Ｔｉな
どの活性金属を介在させた接合、或いはセラミックスと
金属の直接の高温反応による接合等積々の方法が提案さ
れている。しかしながらセラミックスと金属との熱膨脹
係数の差が大きいこと、並びに温度が変化する環境で使
用されることを考慮するとこれらの方法はいずれも適用
が困難であった。

これを解決するため出願人は先に、セラミックスと金属
との間に少なくとも一層の中間層を介在させ、加圧した
まま加熱して接合する方法を提示したく特開昭６Ｏ−２
７６６４）。

（本発明が解決しようとする問題点） しかしながらこの方法では窒化珪素、炭化珪素等の非酸
化物系のセラミックスと金属を接合する場合、互いの焼
結温度の相違から必ずしも充分な接合強度が得られない
場合があることが判った。

本発明は上記の事情に鑑み、非酸化物系の窒化珪素や炭
化珪素等のセラミックスと金属とを接合する場合両者を
強固に接合する方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は、非酸化物系セラミックスと金属とを接合す
る方法において、 非酸化物系セラミックスの接合面に酸化層を形成してお
いて、接合すべき相手金属の接合面との間に珪酸化合物
粉と金属粉とを含み、該非酸化物系セラミックスと該接
合金属との中間の熱膨脹係数を有する中間層をその熱膨
脹係数が該非酸化物系セラミックスから該金属まで順次
変化するように一層または複数層介在させ、加熱して接
合することを特徴とする非酸化物系セラミックスと金属
の接合方法に係る。

本発明において非酸化物系セラミックスとは窒化珪素（
Ｓ１３Ｎ４）或いは炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）などを主成
分とし、必要に応じてイツトリア（ＹｚＯ：＋）、硼素
の如き焼結促進剤、アルミナ、窒化アルミニウム（Ａ　
Ｉ　Ｎ）の如き固溶体形成剤、ジルコニア（ＺｒＯｚ）
、炭化チタン（Ｔ　ｉ　Ｃ）の如き強化剤などを含むセ
ラミックスである。

これらのセラミックスは例えばガスタービン等の動翼、
静翼や油圧水圧機器の制御弁、熱交換器の伝熱管等の機
械部品として使用しようとすると殆どの場合においてセ
ラミックス部品と鋼或いはニッケル合金等の金属と接合
した形で使用されるのが普通である。

このようなセラミックス部品を組み込んだ機器を高い負
荷や種々変動する温度で使用することが出来るためには
セラミックスと金属との接合部が母材と同程度の強度と
剛性とを有し、かつ温度変化によっても接合部の破壊に
至るような熱歪が発生しないことが必要である。発明者
等の研究によれば熱歪が０．２％以下であれば信幀性の
高い接合部が得られることが判っている。本発明の方法
は熱歪を上記の限度内に押さえて信頬度の高い接合部を
得る方法である。

本発明の方法では第一に、非酸化物系セラミックスの接
合すべき面に酸化処理を施す。この処理は大気等酸素を
含有する雰囲気中で８００℃以上に加熱して酸化反応を
起こさせることによって行う。また酸等の腐食性溶液に
よって非酸化物系セラミックスの表面処理を行い、酸化
物被膜を形成させる方法によっても良い。

この酸化処理によって例えば窒化珪素、炭化珪素の場合
には表面に二酸化珪素またはそれを主成分とする被膜が
形成される。なおこの被膜は１０μｍ内外またはそれ以
下の薄いものであり、かつ母材と強固に結合しているこ
とが望ましい。

第二に、この酸化被膜を有する非酸化物系セラミックス
と接合すべき相手金属との間に珪酸化合物と金属とをと
もに含む中間層を一層または複数層形成する。本発明に
於ける中間層は非酸化物系セラミックスと金属との間に
母材と同程度の強度と剛性を持つ接合層を形成させ、か
つ両材料間の熱膨脹係数の差によって接合部に発生する
熱歪を許容限度以下に押さえるために必要である。この
中間層は少なくとも一層、必要によっては複数層（ｎ層
）設ける。

而してセラミックスと第１中間層、第１中間層と第２中
間層、・・・第ｎ中間層と金属とのそれぞれの熱膨脹係
数の差に後述する接合温度と室温との差を乗じて得られ
た各層間の熱歪をいずれも０．２％以下に押さえること
ができるように中間層各層の材質を選定する。

熱膨脹係数は一般にセラミックスより金属が大きいから
、各中間層の熱膨脹係数はセラミックスから金属に向か
って順次増加するように選ぶ。

中間層の数は少ないほうが望ましく、各層間の熱歪を上
記の値以下におさめるに必要な数だけの中間層を設ける
。熱歪が０．２％を超えると接合温度から室温に冷却す
る過程で接合部に割れを生じたり、或いは使用中に温度
変化や負荷が加えられ械部品として使用に耐えないもの
になる。

上記のように中間層を非酸化物系セラミックスと金属と
の間に介在させたのち、両材料の溶融、分解またはその
地変質の起こる温度よりも低い温度で加熱し、中間各層
の焼結および反応により強固な接合を形成させる。この
加熱は加圧しないで行ってもよいが、一層強固に接合さ
せるためにはホットプレス、熱間等方圧プレス等によっ
て加圧下で加熱することが好ましい。

本発明では中間層として珪酸化合物の粉末と金属の粉末
とを共に含む混合物を用いる。珪酸化合物としてはシリ
カ、コージェライト（２Ｍｇ０・２Ａ１ｚＯａ　　・５
ＳｉＯ□）、スボジュメン（ＬｉｚＯ・Ａ　ｌ　ｚ　Ｏ
３・４ＳｉＯｚ）等の化合物のほか、バイコール、パイ
レックス等の硼珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラ
ス等を用いる。

金属としては接合すべき相手金属と同じものを用いても
よいが、融点や熱膨脹係数の似かよった他の金属を用い
ても良い。これらの混合物からなる中間層は、珪酸化合
物粉と金属粉との混合粉を水系または有機系溶媒に分散
させたスラリーを塗布するか、またはスプレーする方法
、プラズマスプレーなどにより半焼結状態で形成する方
法、或いはスパッタリングなどのＰＶＤ法により緻密な
膜として形成する方法等によって形成する。

上記の珪酸化合物と金属との混合割合を変えることによ
って非酸化物系セラミックスと金属の中間の任意の熱膨
脹係数を有する中間層を形成することができると同時に
、いずれの母材をも変質させることのない温度範囲で中
間層を焼結させることが可能である。また非酸化物系セ
ラミックス母材の表面には予め酸化処理を施して酸化被
膜を形成しであるので中間層の酸化物との反応性が高く
、非酸化物系セラミックス母材表面そのままの場合より
も強固に接合される。

前述の（特開昭６Ｏ−２７６６４）においては非酸化物
系セラミックスに酸化処理を施すことなく例えば窒化珪
素に直接にサイアロンの如き窒化珪素系固溶体を、また
炭化珪素には金属珪素を中間層材料として使用したので
、強固な接合が得られなかったのであると考えられる。

次ぎに実施例について説明する。なお本明細書において
は特に記載しないかぎり化学組成は通例のとおり重量％
で示しである。

（実施例１） 酸化アルミニウム３％、窒化アルミニウム３％、酸化ジ
ルコニウム１０％、酸化マグネシウム１％を含み、窒化
珪素を主体とする焼結体の端面を研磨したのち乾燥空気
中で１２００℃に加熱して酸化被膜を形成させた。この
表面上に更に第１表に示す組成の粉体温合物をブタノー
ル中に分散させたスラリーをおよそ０．０５ｍｍ厚さに
順次塗布して中間層を形成した。

第１表 中間層を形成した窒化珪素系セラミックスの端面とステ
ンレスｔｉ４　（ＪＩＳ　３１４　）の端面とを接触さ
せ、真空中で１０００℃テ１００　ｋｇｆ　／ｃ＋ａノ
圧力を加えながら加熱することによって強固に接合する
ことができた。

熱膨脹係数は 窒化珪素　３．５　ｘ　１０−ｂ７℃、３１４　Ｘテン
レスｉｉａ　　１２　Ｘ　１０−’／”ｃであるからそ
のままでは接合面に発生する熱歪は約０．８５％と非常
に大きなものとなるが、上記のように７層の中間層を介
在させ、各層間の熱歪を０、２％未満に押さえたので、
接合温度と室温との間の温度変化によっても接合部に亀
裂の発生その他の問題が生じないことが螢光探傷によっ
て確認された。

また窒化珪素焼結体表面には予め酸化被膜を形成させ、
中間層もスボジュメンおよび硼珪酸ガラスを含むため、
窒化珪素焼結体と中間層の接合も強固であり、また中間
層はニッケルを含むためステンレス鋼との接合も強固で
あった。

（実施例２） 硼素０．５％、アルミニウム０．５％、炭素２％を含む
炭化珪素焼結体の端面を研磨したのち、１３５０℃に加
熱し、表面に酸化被膜を形成させた。

その上に更に第２表に示す組成の中間層を順次形成した
。

またクロム１６．５％、モリブデン１．５％、鉄５％な
どを含むニッケル基合金のハステロイＣの端面上に第７
の中間層としてＮ１−Ｃｏ−Ｃｒ−ＡＩ−Ｙ系合金層を
プラズマスプレーによって形成した。

以上の処理を施した炭化珪素焼結体端面とハステロイ端
面とを接触させ、薄肉ガラス容器内に封入したのち、熱
間等方圧プレス内で１２００℃、２０００ｋｇｆ　／ｃ
ｒＡに加熱、加圧して強固に接合することができた。

この接合部は７層の中間層を有し、各層間の熱歪を０．
２％を充分下回る値としたので、熱サイクルに対しても
亀裂が発生せず、信頼性の高い接合が得られた。

以上実施例として窒化珪素系セラミックスとステンレス
鋼、炭化珪素系セラミックスとニッケル合金との接合例
について説明したが、本発明はこれらの組合せ以外の非
酸化物系セラミックスと金属との組合せの接合にも広く
適用できるものである。

（効果） 本発明の方法によれば非酸化物系のセラミックスの接合
面を予め酸化処理して酸化膜を形成させておいて、接合
すべき金属の接合面との間に非酸化物系セラミックスと
金属との中間の熱膨脹係数の珪酸化合物粉と金属粉との
混合物の層を、熱膨脹係数が順次変化するように介在さ
せ、母材中間層共に劣化しない温度に加熱して接合し、
而も接合温度と室温との間の温度変化によって発生する
各層間の熱歪がそれぞれ０．２％以下になるように各中
間層の熱膨脹係数を設定しであるので、接合部は母材と
同程度の強度と剛性を有し、高い荷重を負荷することが
でき、かつ使用温度も低温から接合温度を超えない温度
の高温まで広（変化させることができる。

本発明の方法により耐熱性、耐食性、耐摩耗性等に優れ
た特性を有する反面、脆い欠点を有する非酸化物系セラ
ミックスを金属と接合することによってセラミックスの
長所を生かし、短所は金属の性質で補うことができるの
で、高温、腐食性環境、あるいは摩耗等の厳しい環境下
の使用に対して優れた耐久性を有する機械部品を製作で
きることになり、その実用上の効果は極めて大きい。

出願人代理人　弁理士　鴨志１）次男 ０発　明　者　　瀬　崎　　　和　部　　東京都江東区
豊洲会社技術研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 非酸化物系セラミックスと金属とを接合する方法におい
   て、 非酸化物系セラミックスの接合面に酸化層を形成してお
   いて、接合すべき相手金属の接合面との間に珪酸化合物
   粉と金属粉とを含み、該非酸化物系セラミックスと該接
   合金属との中間の熱膨脹係数を有する中間層をその熱膨
   脹係数が該非酸化物系セラミックスから該金属まで順次
   変化するように一層または複数層介在させ、加熱して接
   合することを特徴とする非酸化物系セラミックスと金属
   の接合方法