JPS63159264A

JPS63159264A - セラミツクスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品

Info

Publication number: JPS63159264A
Application number: JP30707386A
Authority: JP
Inventors: 幹夫林; 謙加藤; 弘鈴木
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1988-07-02
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0776137B2

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、セラミックスと金属とを接合して耐熱衝撃
性の高い接合製品を得る接合方法および接合製品に関す
るものである。

「従来の技術」周知のように、摩耗や熱作用を頻繁に受ける金属部品（
金属母材）に対しては、一部にセラミックスを用いて部
品の耐摩耗性、耐熱性の向上を図る手段が取られている
。

従来、上記のようなセラミックスと金属との接合製品は
、第６図に示すように、金属母材ｌとセラミックス母材
２とを中間金属層３を介して接合一体化したものであっ
た。この接合製品の接合方法としては、主に次の３つの
方法が用いられている。まず、第１の方法は、セラミッ
クス母材２の接合面に予め３０〜６０μｍ程度の厚みの
メタライズ層を形成しておき、このセラミックス母材２
に前記中間金属ｆｆ３をロウ材するとともに、この中間
金属層３を金属母材ｌにロウ材する方法である。

また、第２の方法は、金属母材ｌの接合面には金属用の
ロウ材を塗布すると同時に、セラミックス母材２にはメ
タライズ用のロウ材を塗布し、これらの間に中間金属層
３を介装し、これらを加熱することによってロウ材、一
体化する方法である。

そして、第３の方法は、金属母材１とセラミックス母材
２との間に中間金属層３を介装し、これら３者を加圧下
で加熱し、中間金属層３をそれぞれ金属母材１およびセ
ラミックス母材２中に拡散させ、接合する方法である。

上記中間金属層３としては、通常、Ｃｕｓ　ＡＱｌＮｌ
や、またＡｇ等の貴金属、そして、これら単体金属を含
んでなる高展延性合金が使用されている。

上記接合構造において、接合強度はセラミックス母材２
と中間金属層３との接合面積に比例することが知られて
いる。また、金属母材ｌとセラミックス母材２との間に
かかる応力を緩和するためには、中間金属Ｔ？Ｊ３とし
てはある程度以上の厚みが必要であるが、中間金属Ｆ！
Ｉ３自体の熱もしくは塑性に伴う変形力のセラミックス
母材２への影響を考える場合、この中間金属層３の厚み
は薄い方が好ましいことになる。従って、現状において
、セラミックス母材２に直接接合しているメタライズ層
などは上記したように３０〜６０μｍ程度の薄さに形・
成されている。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、上記従来のセラミックスと金属との接合製品
には、下記のような問題点があり、その解決が望まれて
いる。

すなわち、上記接合製品においては、第７図に示すよう
に、通常は接合強度を上げるためにセラミックス母材２
の接合側の面２ａのほぼ全域を覆うように中間金属Ｉ！
！３を形成し、接合している。そのため、この上うな構
造においては、例えば熱膨張率の大きい金属母材１の冷
却収縮に伴って中間金１層３にかかる引張り応力は、図
中矢印のように各辺の中央に向かって働くことになり・
その結果、中間金属層３の角部Ｃ・・・に最も大きな引
張り応力が働く。そのため、引張り応力に対して弱いセ
ラミックス母材２は、上記角部Ｃに相当する部分に応力
集中が生じてクラックが発生し、剥離してしまうという
ことがしばしば発生している。

これに対し、第８図に示すように、応力集中を避けるた
めに接合部分４に角部をつ（らないように中間金属層３
の形状を円板状とする構造が考えられる。しかし、例え
ば、＾Ｑ、０．の熱膨張率は７．８Ｘ　１０−’、５ｉ
Ｊ４のそれは４×１０°６というように、金属の熱膨張
率はセラミックスの２〜４倍もあるため、角部のない接
合面の採用によって接合面積をある程度減少して、換言
すれば接合強度をある程度犠牲にして行なう上記改良構
造においても、第９図に示すように、経時的に接合部分
の外周に沿ってセラミックス母材２にクラックが発生し
、終には剥離してしまうという経時的劣化現象を避ける
ことができない。特に、金属母材が外部から小社り廂驕
的仮力桑妥は−大きな変形を伴う場合は、−Ｅセラミッ
クス母材に力が加わり、クラックが発生しやすい。

この発明は上記事晴に鑑みてなされたもので、その目的
は特に金Ｖ４母材の熱変動（熱衝撃）に伴う伸縮がセラ
ミックス母材にかかるのを減少させ、それによりセラミ
ックス母材のクラックを減少させ、製品の耐熱衝撃性、
信頼性の向上および高寿命化を図ることのできるセラミ
ックスと金属との高耐熱衝撃性接合方法および接合製品
を提供することにある。

「問題点を解決するための手段」本発明者らは、上記問題点を解決するために、鋭怠研究
を重ねたところ、下記のような知見を得るに至った。

（ｉ）　　前記したように、銅などの高展延性金属から
なる中間金属層は、金属母材とセラミックス母材とを直
接接合すると、各々の熱膨張の差により応力が発生して
セラミックス母材に割れが発生するので、これを防ぐた
めに、応力緩和を目的にセラミックス母材と金属母材と
の間に介装されているものである。この中間金属層によ
って接合した製品は、常温およびその近辺で使用してい
る場合には、中間金属層の働きにより大過なく使用する
ことができる。しかし、この製品に熱衝撃、例えば３５
０℃〜室温の温度差を繰り返し与えると、中間金属層は
高展延性金属であるために大きく伸縮を繰り返し、その
応力により終にはセラミックス母材に割れが発生してし
まう。

したがって、前記のような熱衝撃が接合製品に加えられ
る場合、中間金属層のセラミックス母材に対する接合面
積は少なければ少ない程、熱変動に伴う中間金属層の伸
縮量が少なくなることになる。この考えに基づいて、中
間金属層を接合面長手方向に沿って板状に複数に分割し
、これらを間隔を設けてセラミックス母材と金属母材と
の間に介装、接合すれば、少なくとも中間金属層自体に
起因する応力を緩和することができる。

（ｉｉ）Ｌ、かじ、このままの構造であると、セラミッ
クス母材に対して金属母材が接合面に平行に変位する場
合などに各分割中間金属片（高展延性金属片）の接合面
に大きな応力がかかってしまう。

そこで、第１図に示すように、金属母材１とセラミック
ス母材２との間に介在さＵ・る多数の中間金１＋ｉ片５
・・・の各間にセラミックス片６・・・を介装し、これ
らセラミックス片６を中間金属片５とともに、それらの
端面がセラミックス母材２および金属母材１に密着する
ように、換言すれば、６片５．６の長手方向が金属母材
１およびセラミックス母材２の接合面に直交もしくは交
差するように（以下、単に縦方向に、と記す）接合した
ところ、接合面に平行な金属母材１および各中間金属片
５の変位を確実に抑えることができ、しかも金属母材ｌ
および中間複合層７（中間金属片５・・・＋セラミック
ス片６・・・）のセラミックス母材２へかかる応力を大
幅に緩和することができた。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものである。

すなわち、この発明に係るセラミックスと金属との高耐
熱衝撃性接合方法は、セラミックス母材２の表面上にメタライズ層８を形成し
、このメタライズ層８に沿って多数の高展延性金属片５
とセラミックス片６とを交互に密着するとともに両者の
各端面が前記メタライズ層と密着するように配置して中
間複合層７とし、この中間複合層７を前記メタライズ層
８上に接合するとともに、この中間複合層７上に金属母
材１を接合することを特徴とするものである。

また、この発明に係るセラミックスと金属との高耐熱衝
撃性接合製品は、セラミックス母材２の接合面長手方向に沿って多数の高
展延性金属片５とセラミックス片６とを交互に配列、密
着してなる中間複合層７が前記セラミックス母材２上に
メタライズ層８を介して前記中間複合層を形成する高展
延性金属片とセラミックス片の６片の端面が密着するよ
うにして接合され、この中間複合Ｂ７上に金属母材ｌが
接合されていることを特徴とするものである。

なお、上記構成において、中間複合！！！７を構成して
いる交互に重ねられている多数の高展延性金属片５およ
びセラミックス片６は相互に接合した方がより効果的で
あるが、単に重ね合わせただけでも所期の効果は得られ
るので、特に互いに接合しなくてもよい。

また、上記構成の中間複合層７の接合において、第２図
に示すように、セラミックス母材２上にメタライズ層８
を形成した後にロウ材１０により中間複合層７を接合す
ることにより行なってもよいし、セラミックス母材２上
にロウ材を介して中間複合層７を重ね、これを加熱する
ことによりメタライズ層形成と中間複合層接合とを１回
の加熱処理により行なってらよい。一度で行なうには、
例えば、ロウ材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性金属ロ
ウ材などが使用される。また、メタライズ層形成と接合
とを別々に行なう場合は、ＭＯ−Ｍｎ法によるメタライ
ジング等の公知の方法が用いられる。

さらに、この発明において、ロウ材は、真空または不活
性ガス等の非酸化性雰囲気下、常圧で、７００〜１２５
０℃にて行なわれる。また、メタライズ層“単独形成の
場合も、非酸化性雰囲気下、７００〜１４００℃で行な
われる。

なお、本発明の接合製品においては、以下に示す実施例
から明らかなように、耐熱衝撃試験における強度低下率
は約１５％以下という実測値を示す。

これに対し、一般にセラミックス、金属各員材の種類に
よっても異なるが、通常、初期の接合強度（主として剪
断強度）に対して測定誤差も含め３０％程度の強度低下
は、実用上許容される範囲である。

従って、本発明の接合製品は実用上高い性能をもつもの
と判断される。

次に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

「実施例１〜２　」第２図の牛Ｒ造において、すなわち、セラミックス母材
２上にメタライズ層８を形成し、この上にロウ材１０に
よって高展延性金属片５およびセラミックス片６とから
なる中間複合層７を接合し、この上にさらにロウ材９に
よって金属母材ｌを接合した構造の接合品を各々下記材
質、寸法により作成した（実施例１）３０Ｘ　ｉｓｘ　５　ｔ　（ｘｘ）の５１３Ｎ４セラミ
ツクス母材上に銀、金、ヂタン各粉の混合物を塗布し、
これを真空下で１０００℃、１５分間加熱して５０μＩ
のメタライズ層を形成した。この上にロウ材としてＢＡ
ｇ−８（ＪＩＳ　　２３２６１）粉を塗布し、この上に
ＩＯＸ　２　Ｘ　２　ｔ　（ｘｉ）のＣｕ片とＬＱＸ　
２　Ｘ　Ｑ、６ｔ　（ａｍ）のアルミナセラミックス片
とを横方向（セラミックス母材の接合面に沿う方向）の
交互に積み重ねるように配列、密着してなる中間複合層
をのせ、真空下、１０００°０１１５分間加熱して接合
した。さらに、前記中間複合層上にＢＡｇ−８粉を塗布
し、この上゛に金属母材として３０Ｘ　６０Ｘ　６　ｔ
　（ｉ＊）の５４５Ｃをのせ、真空下、８６０℃、１５
分間加熱して接合した。　得られた接合品を次のような
熱衝撃試験にかけた。すなわち、室温から２００℃／Ｊ
！ｉｎで３５０℃まで昇温し、その後３５０℃で１５分
間保持、続いて５０℃／ｇｉｎで室温まで降温し、室温
で１５分間保持の−続きを１サイクルとする内容の試験
である。

その結果、第３図に示すように、この実施例１の接合品
は、当初の剪断強度が１０点の平均２．８６に９／■１
（以下、強度値は、同様にすべて１０点の平均値を示す
）であったのが、５００回のサイクルを加えた後は平均
２．７４ｋｇ／ｘｚ’となり、その耐熱強度低下率は、
約４％以下という高性能を示した。

（実施例２）上記実施例１のＳｉ、Ｎ、セラミックス母材をアルミナ
セラミックス母材に替えて、他の条件は同一にして接合
品を作成した。

得られた接合品を上記同様の熱衝撃試験にかけた。

その結果、第１１図に示すように、この実施例２の接合
品は、当初の剪断強度が平均３．０５ｋｇ／ｘｉ”であ
ったのが、５Ｈ回のサイクルを加えた後は平均２．６７
に９／ｘｘ’となり、その耐熱強度低下率は、１３％以
下という高性能を示した。

「比較例」次に前記従来例に基づいた比較例を示し、本発明の性能
の高さを確認する。

第５図は、前記した第６図に示した従来例に相当する接
合品の熱衝撃試験における剪断強度変化を示すしので、
この接合品は３０Ｘ　１５Ｘ　５　ｔ　（ｍｍ）の５ｉ
ｓＮａセラミツクス母材上にｉｓｘ　１３Ｘ　２　ｔ　
（ｍｍ）のＣｕ板をろう材（Ｉ３Ａｇ−８）によって接
合したものを、さらにＩ３Ａｇ−８粉を用い、３０Ｘ６
０Ｘ６Ｌ（ｍｍ）のＳ　４５Ｇに接合したものである。

この接合品では、当初ＶＩ断強度が平均２．４６ｋｇ／
ｍｍ１であったのが、５０回目のサイクルで既に平均０
゜３１ｋｇ／ｍｍ’にまで低下してしまっており、前記
本願発明品の性能の高さを知ることができる。

「発明の効果」以上説明したように、本発明によれば、耐熱衝撃性が高
く、信頼性に優れ、高寿命なセラミックスと金属との接
合製品を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】第１図ないし第４図は、この発明を説明するためのもの
で、第１図はこの発明？こ係る高耐熱衝撃性接合製品の
一例を示す側断面図、第２図は第１図の要部拡大図、第
３図および第４図はそれぞれこの発明の第１および第２
の実施例を示すしので、各々得られた接合品の熱衝撃試
験による剪断強度変化を示すグラ乙第５図は第６図に示
した従来例（比較例）における熱衝撃試験による剪断強
度変化を示すグラフ、第６図は従来の接合製品の一例を
示す側面構成図、第７図は第６図Ａ−Ａ線に沿う断面図
、第８図は他の従来例の要部平面図、第９図は同従来例
の要部側面図である。ｌ・・・・・・金属母材、２・・・・・・セラミックス母材、５・・・・・・中間金属片、６・・・・・・セラミックス片、７・・・・・・中間複合層、８・・・・・・メタライズ層、９．１０・・・・・・ロウ材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セラミックス母材の表面上にメタライズ層を形成
し、このメタライズ層に沿って多数の高展延性金属片と
セラミックス片とを交互に密着するとともに両者の各端
面が前記メタライズ層と密着するように配置して中間複
合層とし、この中間複合層を前記メタライズ層上に接合
するとともに、この中間複合層上に金属母材を接合する
ことを特徴とするセラミックスと金属との高耐熱衝撃性
接合方法。
（２）セラミックス母材の接合面長手方向に沿って多数
の高展延性金属片とセラミックス片とを交互に配列、密
着してなる中間複合層が前記セラミックス母材上にメタ
ライズ層を介して前記中間複合層を形成する高展延性金
属片とセラミックス片の各片の端面が密着するようにし
て接合され、この中間複合層上に金属母材が接合されて
いることを特徴とするセラミックスと金属との高耐熱衝
撃性接合製品。