JPS63201071A - 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の接合体をろう剤を用い
て製造する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

窒化珪素、炭化珪素に代表される構造用セラミックスは
、金属材料に比べ高温強度が大きく、耐摩耗性、耐食性
に優れており機械部品への適用が検討されている。この
ような場合セラミックスと金属の強固な接合体を製造す
る方法が必要なことが多く、各種接合法が研究されてい
る。その中で特にろう付は法が有望であるが、両者の熱
膨張係数の違いに起因する残留応力、接合界面に生成さ
れる脆弱な金属間化合物による接合強度の劣化等幾つか
の問題があり、高強度で強度のばらつきの少ないセラミ
ックスと金属の接合法はまだ開発されていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般にセラミックスは、ろう剤に対するぬれが悪いため
活性金属を用いたろう付は法が開発されているが、セラ
ミックスと金属とでは、ろう剤に対する化学的反応性が
異なり、セラミックスとろう剤が強固な接合をする温度
域と金属とろう剤が強固な接合をする温度域とは異なる
。そのためにセラミックスと金属の強固な接合体を製造
することが困難であり、特に大型部品の接合時には、両
者の８膨張係数の差に起因する応力により冷却中に剥離
する問題が生じていた。

例えば、活性金属ろうとしてアルミニウムを用いてセラ
ミックスを接合する方法が知られているが、この場合セ
ラミックスとアルミニウムがぬれる温度では、アルミニ
ウムと金属が反応して脆弱な金属間化合物を作るために
高強度接合体の製造が不可能であった。

□　本発明はろう剤を用いてセラミックスと金属の高強
度接合体を製造するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

発明者らは、上記問題点を解決すべく鋭意研究した結果
、セラミックスとろう開開および金属とろう開開ともに
強固な接合面を有する接合方法を発見し本発明を完成す
るに至った。

すなわち本発明は２セラミツクスと金属とをろう剤を用
いて接合する方法において、 （１）　　ろう剤の融点以上の温度に加熱してろう剤を
溶融してセラミックスとろう剤を融着させる第１の接合
工程 ■　この温度未満の温度で前記ろう剤と前記金属を接合
する第２の接合工程 とから成る方法である。

〔作用〕

本発明が適用されるセラミックスは、アルミナ、ジルコ
ニア等の酸化物セラミックス、あるいは窒化珪素、炭化
珪素等の非酸化物セラミックスである。これらの焼結体
には、焼結助剤が含まれてもよいが含まれなくてもよい
。製造は常圧焼結、ホットプレス等いずれの方法で製造
したものでもよい。

一方金居とは、軟鋼、ステンレス鋼、アルミ合金などの
一般構造用金属材料をさす。

ろう剤としてはセラミックス同士および金属同士を強固
に接合し得るろう剤であればよく、例えば純Ａｎ、Ａ！
；Ｌ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等が好ましい。

第１の接合工程では、セラミックスの被接合表面にろう
剤を置き、ろう剤の融点以上に加熱する。より強固な接
合を得るためには、次のようにすればよい、各種温度で
それぞれ数個の接合体を作製した後、強度試験を行い接
合体の曲げ強度を求める。この値が最大値をとる（以後
これを最大強度と呼ぶ）接合温度で第１の接合を行う、
ただし第１の接合は、最大の強度が得られる温度１点に
限られるものでなく、最大強度の９０％以上の強度が得
られる温度で接合しても実用上大きな障害はない。

もし被接合表面全体にろう剤が拡がらない場合は、この
面に金属をコーティングしてぬれ性を良くしてもよい、
上記セラミックスのコーティング用金属はいわゆる金属
であればよいが、ぬれ性、接合強度の点からＴｉ　、Ｍ
ｏ、Ｎｉ　、Ｃｒ、Ｃ。

などがよい、コーティング法としては真空蒸着法、ＣＶ
Ｄ、イオンブレーティング等いずれでもよい、コーティ
ング層の厚さは１０００Å以上であればよいが、ぬれ性
、強度、作業性から２０００人程度５実用的である。

上記第１工程により形成されるろう剤層の厚さは数ｍｍ
である。このろう剤層を第２の接合工程に適した形状、
表面粗さおよび厚さに加工した後、第２の接合をする。

第２の接合は、接合温度がろう剤の融点よりも高いとき
には、ろう付けとなり低い場合は固相拡散接合になる。

また母材金属の被接合表面にメッキ等の表面処理を施す
ことにより脆弱な金属間化合物の生成を抑制し、さらに
強固な接合体を得ることもできる。

強固な接合を得るためには、次のようにすればよい。各
種温度でそれぞれ数個の金属同士の接合体を作製した後
、強度試験を行い接合体の曲げ強度を求める。この値が
最大値をとる接合温度で第２の接合を行えば強固な接合
体が得られる。ただし第２の接合は、最大強度が得られ
る温度１点に限られるものでなく、最大強度の９０％以
上の強度が得られる温度で接合しても実用上大きな障害
はない。

以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。以下
で述べる実施例および比較例で使用したアルミニウムシ
ートは全て融点６６０℃の純アルミニウムである。

実施例−１ アルミニウムシートをろう剤として、窒化珪素同士およ
びステンレス鋼同士（ＳＵＳ３０４）を接合する予備試
験を行った。試料間にアルミニウムシートを挟み１Ｏ−
５Ｔｏｒｒの真空中において、各種の温度で３分間加熱
し接合体を得た。試料の大きさは、いずれも１０１０Ｘ
１０Ｘ２０であった。

接合体の接合強度を上部スパン１０ｍｍ、下部スパン３
０ｍｍの４点曲げ試験により評価した。窒化珪素同士の
接合体の接合温度と接合強度の関係は、第１図の曲線工
となり、最大強度４９ｋｇ／ｍｒｎ’であった。また８
５０〜１１００℃の温度域で最大強度の９０％以上の強
度が得られた。

一方ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）同士をアルミニウム
シートを用いて窒化珪素同士の場合と同様に接合した。

接合温度と接合強度の関係は第１図の曲線■となり、そ
の最大強度は３８ｋｇ／ｍｍ’であった。また５４０〜
６２０℃の温度域で最大強度の９０％以上の強度が得ら
れた。

次に、本発明による窒化珪素とステンレス鋼（ＳＵＳ　
　３０４）の接合を行った。第２図に示すように、大き
さ１０１０Ｘ１０Ｘ２０の窒化珪素焼結体１と同じ大き
さのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）２をろう剤３として
アルミニウムシートを用いて接合した。

まず、厚さ１．０ｍｍのアルミニウムシートを窒化珪素
１の表面に置き、１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空中で３分間、
９５０℃に加熱し、アルミニウムを窒化珪素に融着し、
第１の接合を行った。

次にこの融着したアルミニウムの厚さが０．８ｍｍにな
るように研磨した後、接合用ステンレスを載せて１Ｏ−
５Ｔｏｒｒの真空中で３分間、５７０℃に加熱し、第２
の接合を行った。

この接合体の４点曲げ試験をしたところ、平均２２ｋｇ
／ｍｍ’という高い接合強度値を示した。

比較例１ 実施例１と同じ種類、大きさの窒化珪素とステンレス鋼
の間にアルミニウムシートを挟み、金属同士で最大強度
の得られる５５０℃、セラミックス同士で最大強度の得
られる９５０℃およびその中間の７００℃でそれぞれ３
分間熱処理して窒化珪素とステンレス鋼との接合体を得
た。それぞれの平均４点曲げ強度は５５０℃で接合した
とき１０ｋ　ｇ　／　ｍ　ｍ″、９５０℃で接合したと
き４ｋｇ／ｍｒｎ’、７００℃で接合したとき１１ｋｇ
／ｍｔｎ’となり、いずれの場合も接合のための熱処理
は１回で済むが実施例１に比べ接合強度の小さい接合体
しか得られなかった。

実施例２ 実施例１と同様にしてまずアルミナの被接合面に厚さ１
．０　ｍ　ｍのアルミニウムシートを置き１０−５Ｔ　
ｏ　ｒ　ｒｒｒ）真空中で３分間、９００℃で加熱しア
ルミニウムをアルミナに融着し第１の接合を行った。

次にこの融着したアルミニウムを厚さが０．３ｍｍにな
るように研磨した後、接合用の軟鋼板を載せて１Ｏ−５
Ｔｏｒｒの真空中で３分間５５０℃で加熱し第２の接合
を行った。

この接合体の４点曲げ試験をしたところ平均２０ｋｇ／
ｍｒｎ’の接合強度を得た。実施例１と同様に本発明に
よって高強度なアルミナ／軟鋼板の高強度接合体が製造
できる。

また第２の接合において事前に軟鋼板の被接合面に約１
．０ｇｍ厚さのＮｉメッキを施したところ４点曲げ試験
の平均強度は２６　ｋ　ｇ／ｍｍ′に向上した。

比較例２ １０−５Ｔ　Ｏｒ　ｒ（７）真空中で７００℃３分間１
回の熱処理によってアルミナ／軟鋼板接合体を製造した
。しかし、この接合体の平均４点曲げ強度は８ｋｇ／ｍ
ｒｎ’という低い値であった。

実施例３ 外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍ、高さ３０ｍｍの窒化珪素
焼結体と同じ大きさのステンレス鋼（ＳＵＳ　　３０４
）を厚さ１ｍｍのアルミニウムシートを用い実施例１と
同じ条件で接合した結果、強固な接合体が得られた。

比較例３ 実施例３と同じ大きさの窒化珪素焼結体とステンレス鋼
（ＳＵＳ　　３０４）を厚さ１ｍｍｃ７）アルミニラム
シートを用い拡散接合法により接合した。

具体的接合方法は以下の通りである。

窒化珪素焼結体の被接合面にアルミニウムシートを重ね
合せ、１０−’Ｔｏｒｒの真空中、温度６２０℃（アル
ミニウムシート融点６６０℃）で２ｋｇ／ｍｒｎ’の圧
力を６０分間加え、窒化珪素とアルミニウムを接合した
後、そのアルミニウムにさらにステンレス鋼（ＳＵＳ　
　３０４）を重ね合せ、１０−５Ｔ　ｏ　ｒ　ｒノ真空
中、温度５７０℃で無負荷で３分間熱処理したが、冷却
中に剥離し接合体は得られなかった。

〔発明の効果〕

本発明法を用いることによりセラミックスとろう剤の接
合面、ろう剤と金属の接合面ともに強固な接合強度を有
する接合体を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はろう剤を用いてセラミックス同士および金属同
士を接合したときの接合温度と接合強度との関係を示す
グラフ、第２図は曲げ強度試験用の接合体の側面図であ
る。 １・・・セラミックス ２・・・金属 ３・・・ろう剤

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　セラミックスと金属とをろう剤を用いて接合する方
   法において、ろう剤の融点以上の温度に加熱してろう剤
   を溶融しセラミックスとろう剤とを融着させる第１の接
   合工程と、この温度未満の温度で前記ろう剤と金属とを
   加熱接合する第２の接合工程とから成ることを特徴とす
   るセラミックスと金属の接合方法。