JPS6351994B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はメタライズ化された窒化物系セラミツ
クスと金属とを接合した金属製品並びにその製造
方法に関する。

〔従来技術〕

セラミツクスは耐摩耗性、耐熱性並びに硬度等
において優れたものであるが、一定の複雑な形状
でしかも正確な寸法のものを製造するのは困難で
あり、且つ、加工性もよくないだかりでなく、強
度の点においても問題がある。従つて、セラミツ
クスを機械用部品等として使用する為には、金属
に接合して使用する必要があるが、この場合十分
な接着強度が要求される。

セラミツクスの中で、アルミナ或いはジルコニ
ヤの如き酸化物系セラミツクスと銅・鉄等の金属
との接合法は可成以前から研究・開発が行われ、
多くの分野で実用化されているが、炭化物系或い
は窒化物系セラミツクス材料は金属との接着が難
かしく、特に相手金属がステンレス鋼、チタン又
はチタン合金の場合は接着が困難で今までに実用
化された例はない。

即ち、アルミナ、ジルコニヤ等の酸化物系セラ
ミツクスについては、その表面に硫化銅の如き銅
化合物とカオリンを粘結剤（スクリーンオイル）
と一緒にねり合わせたペースト状物を塗りつけ
1100℃位の温度に加熱して焼き付けた後、その表
面をアルコールで還元処理して金属銅に還元し、
目的とする金属（銅や鉄）と高融点ハンダで接合
する方法が確立されており、この方法を窒化けい
素セラミツクスにも応用しようとする試みがある
が、窒化けい素と金属との接合は未だ実用化され
ていない。又この方法は、前記ペースト状物の塗
布、焼き付け或いはアルコールによる還元処理
等、工業的生産においては工程管理上の問題があ
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、金属特にステンレス鋼、チタ
ン又はチタン合金とメタライズされた窒化物系セ
ラミツクスとを接合した金属製品並びにその製造
方法を提供することである。

〔発明の構成〕

本発明は、活性化した窒化物系セラミツクスの
表面に金属をイオンプレーテイングしたメタライ
ズされた窒化物系セラミツクスと、接合すべき金
属とを、窒化物系セラミツクス微粉末を分散した
金属箔により接合してなる、窒化物系セラミツク
スを接合した金属製品、及び窒化物系セラミツク
スの表面を希ガスのイオンエツチング法又はシヨ
ツトブラスト法により活性化した後金属をイオン
プレーテイングしてメタライズされた窒化物系セ
ラミツクスと接合すべき金属との間に、窒化物系
セラミツクス微粉末を分散した金属箔を介在させ
て不活性雰囲気中で加熱することにより、窒化物
系セラミツクスを接合した金属製品を製造する方
法である。

本発明者（等）は、硬度、耐摩耗性等機械的性
質が最も優れているが、金属特にステンレス鋼、
チタン又はチタン合金との接着性の悪い窒化物系
セラミツクスを金属と接合する方法について鋭意
研究を重ねた結果本発明をなすに至つた。

本発明を詳しく説明すると、セラミツクス類は
硬度、耐摩耗性、耐熱性の点で優れている為、軸
スリーブ、軸受あるいは耐熱性を必要とする機械
部品としては優れているが、強度の面で問題があ
る為、これらの部品として使用する場合には、金
属に接合した形で使用するのが好ましい。しか
し、セラミツクスの中でも特に優れた性質を有し
ている窒化物系セラミツクス特に窒化けい素は金
属との接着性が悪く、機械部品として実用化され
ているものは殆んどないのが現状である。

そこで色々検討した結果、窒化けい素の表面を
例えばアルゴンでイオンエツチングするか、又は
シヨツトブラストにより表面を活性化した後、チ
タン又はニツケルでイオンプレーテイングするこ
とにより、該金属の被膜を形成することができ、
即ちメタライズすることができ、このようにして
得られた、メタライズされた窒化けい素は、次に
述べる方により容易に鋼、ステンレス鋼、チタン
又はチタン合金等へ接合しうることを見出した。

即ち、このメタライズしたセラミツクスと接す
べき金属例えばステンレス鋼との間に、窒化物系
セラミツクス微粉末を分散させた相互に拡散し易
い合属の箔、例えばその金属成分としてはニツケ
ル又はアルミニウム等からなる薄板を介在させ、
アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス雰囲
気中で加熱接合することにより、接合強度が大き
く、加熱・冷却の繰り返し熱サイクルや熱シヨツ
クにも十分に耐えうる製品を得ることができる。

アルゴン等によるイオンエツチングやシヨツト
ブラストよる窒化物系セラミツクスの表面処理は
通常のイオンエツチング法又はシヨツトプラスト
法により処理を行えばよく、また金属によるイオ
ンプレーテイングも通常行われている方法で行え
ばよい。

イオンプレーテイングにより形成される金属被
膜の厚さには別段の制限はないが、この被膜は、
例えばシヨツトブラスト法により活性化した表面
を保持すると共に、金属との接合性を良くする為
のものであるので、セラミツクス表面の滑らかさ
にもよるが、0.1μｍ程度以上好ましくは0.5μｍ以
上の厚さであればよい。

また、本発明の金属製品及びその製造方法で用
いられる微細な窒化物系セラミツクス微粉末を分
散した金属箔の金属としてアルミニウム又はニツ
ケルを用いる場合には、金属箔成分が加熱拡散し
た後接合域に、無数の微細なセラミツクス微粉末
粒子が分散された状態で存在し、これが冷却時の
割れの発生を有効に防止し、且つ熱シヨツクに耐
える働きをする。

金属箔の厚さは20〜200μｍ程度の厚さのもの
を用いればよいがこれ以外の厚さのものを用いて
もよい。

又、接合時の加熱は不活性雰囲気例えばアルゴ
ン中で行うが、加熱の間金属箔は、接合すべき金
属側及びセラミツクス側の両方へ相互拡散現象を
起してセラミツクスと金属を接合するので、加熱
時に加圧の必要はなく、又、金属箔の種類を適当
に選ぶことにより低温で短時間で接合することが
可能である。即ちアルミニウム箔を接合材として
使用する場合には約665℃に、ニツケル箔を使用
する場合には約900℃に加熱すればよい。又窒化
物系セラミツクス微粉末の混合割合は、20vol％
位までのものを使用しうるが接合強度等の面から
5vol％程度混合したものが好ましい。

本発明においては、機械的性質の優れた窒化物
系セラミツクスをステンレス鋼等に強固に接合で
きるので、ポンプ、ブロワーなどの軸受等の産業
機械部品として使用することができ、また耐食性
の接合部材を用いることによつて、海水等を取扱
うポンプ部品にも適用可能である。

次にセラミツクスを接着しにくい金属の一であ
るステンレス鋼に、窒化物系セラミツクスの代表
的なものである窒化けい素セラミツクスを接合す
る場合についての実施例を示す。

実施例 １ 常圧焼結したSi₃N₄の表面を４×10^-4torrArガ
スで10分間イオンエツチングを行つた後、10分間
Tiのイオンプレーテイング処理した。のときの
Tiのプレーテイング厚みは4μｍであつた。

インサート材に0.3μｍのSi₃N₄粒子を5vol％分
散した150μｍのAl箔を用いた。接合すべき金属
にはSUS304ステンレス鋼を用い、これらを接合
すべき面で合わせ、カンタル線で固定した１気圧
のAr雰囲気中で665℃の温度で、加熱保持時間を
かえて試験を行つた。接合したセラミツクスをイ
ンストロン型試験機で引張試験し、接合力を測定
した。この結果を第１図に示す。

第１図は、セラミツクスをステンレス鋼に接合
する場合の加熱処理時間と接合力の関係を示すも
ので、線１は上記実施例により接合する場合を示
し、２の斜線部は従来の接着法による場合を示
す。第１図からわかるように、本願発明によると
きは、短時間の加熱で従来法による場合よりも遥
かに強力な接合力を得ることができる。又、アル
ミ箔を用いる場合には、加熱保持時間が長くなる
と接合力が小さくなるので、２〜10分の如き短時
間の加熱が好ましい。

実施例 ２ 接合剤として0.3μｍの窒化けい素微粒子5vol％
を分散した厚さ50μｍのニツケル箔を用い、960
℃で５分間加熱した以外は実施例１と同様にして
窒化けい素セラミツクスをステンレス鋼
（SUS304）に接合した。接合力は800Kgｆ／cm²で
あつた。

第２図に本発明の接合方法を用いて軸受を製造
した例を示す。図中１２はステンレス鋼製軸受部
材を、１１は窒化物系セラミツクス片を、１３は
該セラミツクス片とステンレス鋼の接合部（接着
部）を、１４は摺動面を示す。

なお、比較試験としてアルミニウム箔又はニツ
ケル箔を用いて、上記各実施例と同様に窒化けい
素セラミツクスをステンレス鋼に接合した所、実
施例１及び２と同様な接合強度が得られたが、繰
り返し、長時間にわたつて使用している中に、一
部のものに小さなクラツクの発生がみられた。

又、ステンレス鋼の代りにチタン及びチタン合
金を用いた場合にも、実施例１及び２と同様な結
果が得られた。

本発明によるときは、セラミツクスの小片を金
属に接合した場合でも接合力が大きいので、十分
な耐久性が得られる。

軸受の外、ケーシングの舌部、ポンプのインペ
ラの吐出部など苛酷な使用環境下におかれる産業
機械部品に、本発明方法を適用したセラミツクス
を接合する際にも十分な耐久性が得られることが
わかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の方法で窒化けい素をステン
レス鋼に接合する場合の加熱保持時間と接合力の
関係を示し、第２図は本発明を軸受に適用した場
合の図を示す。 １……実施例１における加熱保持時間と接合力
の関係を示す線、１１……窒化物系セラミツクス
片、１２……軸受部材、１４……摺動面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 活性化した窒化物系セラミツクスの表面に金
   属をイオンプレーテイングしたメタライズされた
   窒化物系セラミツクスと、接合すべき金属とを、
   窒化物系セラミツクス微粉末を分散した金属箔に
   より接合してなる、窒化物系セラミツクスを接合
   した金属製品。 ２ イオンプレーテイング用金属がチタン又はニ
   ツケルである特許請求の範囲第１項記載の窒化物
   系セラミツクスを接合した金属製品。 ３ 接合すべき金属がステンレス鋼である特許請
   求の範囲第１項、又は第２項記載の窒化物系セラ
   ミツクスを接合した金属製品。 ４ 接合すべき金属がチタン又はチタン合金であ
   る特許請求の範囲第１項又は第３項記載の窒化物
   系セラミツクスを接合した金属製品。 ５ 窒化物系セラミツクスが窒化けい素である特
   許請求の範囲第１項乃至４項の何れかに記載の窒
   化物系セラミツクスを接合した金属製品。 ６ 窒化物系セラミツクスの表面を希ガスのイオ
   ンエツチング法或いはシヨツト・プラスト法によ
   り活性化した後、金属をイオンプレーテイングし
   て得られたメタライズされた窒化物系セラミツク
   スと、接合すべき金属との間に、窒化物系セラミ
   ツクスの微粉末を分散した金属箔を介在させ、不
   活性雰囲気中で加熱することを特徴とする窒化物
   系セラミツクスを接合した金属製品の製造方法。 ７ 金属を0.5μｍ以上の厚さにイオンプレーテイ
   ングする特許請求の範囲第６項記載の窒化物系セ
   ラミツクスを接合した金属製品の製造方法。 ８ イオンプレーテイング用金属がニツケル又は
   チタンである特許請求の範囲第６項又は第７項記
   載の窒化物系セラミツクスを接合した金属製品の
   製造方法。 ９ 窒化物系セラミツクス微粉末を分散した金属
   箔が、窒化物系セラミツクス微粉末を分散したア
   ルミニウム箔又はニツケル箔である特許請求の範
   囲第６項、第７項又は第８項記載の窒化物系セラ
   ミツクスを接合した金属製品の製造方法。 １０ 接合すべき金属がステンレス鋼である特許
   請求の範囲第６項、第７項、第８項、又は第９項
   記載の窒化物系セラミツクスを接合した金属製品
   の製造方法。 １１ 接合すべき金属がチタン又はチタン合金で
   ある特許請求の範囲第６項、第７項、第８項又は
   第９項記載の窒化物系セラミツクスを接合した金
   属製品の製造方法。 １２ 不活性雰囲気がアルゴンの雰囲気である特
   許請求の範囲第６項乃至第１１項の何れかに記載
   の窒化物系セラミツクスを接合した金属製品の製
   造方法。 １３ 窒化物系セラミツクスが窒化けい素である
   特許請求の範囲第６項乃至第１２項の何れかに記
   載の窒化物系セラミツクスを接合した金属製品の
   製造方法。