JPS6369771A - ＳｉＣ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ＳｉＣの接合方法に係り、特に、ＳｉＣ部材同
志を強固に接合し、耐熱性にも優れた接合面を得ること
ができるＳｉＣの接合方法に関する。

［従来の技術］ 炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）　、窒化珪素（Ｓ１３Ｎ４）の
ような非酸化物系セラミックスは、高温強度、耐熱衝撃
性、耐食性等に優れることから、自動車、航空機関連部
品、その他高温で使用される産業分野において、高温用
構造材料として注目されている。

高温用構造材料等としてのＳｉＣの用途では、いずれも
その部材形状や寸法精度の要求が厳しく、始めから一体
のものとして成形製作することは技術的にもコスト的に
も困難であることが多い。このために部分的な部材同志
を接着させて複雑な形状のものに仕上げる必要がある。

従来、ＳｉＣの接合方法としては、有機系接着剤あるい
は無機系接着剤を用いる方法、精密加工による機械的接
合法、その化ブレージング（高圧、高温プレスによる拡
散接合）等がある。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の接合方法のうち、有機系接着
剤によるものは、密着力が低く、耐熱温度３００℃以下
で、それ以上の高温度で使用できない。また、無機系接
着剤によるものも、やはり密着力が低く、せいぜい６０
０℃位までの耐熱性しか得られない。機械的接合では、
接合のための精密加工が難しく、鋭角部からクラックが
発生し易いため、やはり、十分な接合強度は得られない
。更に、ブレージングにおいても、やはり十分な耐熱接
合強度は得られない。

ところで、ＳｉＣと遷穆金属との反応は、現在試みられ
つつあり、チタンのような活性金属がＳｉＣ間の接合に
有効であることも報告されている。しかしながら、Ｓｉ
Ｃの接合の機構は添加元素に依存するのて、接合機構の
詳細は未だ不明な点が多い。反応焼結型のＳｉＣの場合
には、フリーシリコンがＳｉＣの接合に効果的であるが
、この場合には、Ｓｉの融点に制限されて、高温の用途
には使用できない。これに対して、常圧焼結型のＳｉＣ
では、低融点物質がないために、高温で過酷な環境で使
用することが可能であるが、Ｓｔよりも高融点のインサ
ート材を用いて接合した常圧焼＃ｉ！１ｓｊｃ接合体で
は、良好な強度が得られていないのが現状である。

このように、従来の接合方法はいずれも密着性（接着性
）、耐熱性、加工性等の面で問題がある。一方、ＳｉＣ
はその耐熱衝撃性等の特性から、高温かつ過酷な７囲気
で使用される場合が多く、ＳｉＣ部材同志を優れた耐熱
接合強度で接合する技術の開発が強く望まれている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はＳｉＣ被接合部材の接合予定面を、Ｎｉ粉末及
びＮｉ粉末に対して２０〜５０モル％のＺｒＨ２粉末の
混合粉末層を介して当接して加熱することを特徴とする
ＳｉＣの接合方法、を要旨とするものである。

以下に本発明につき詳細に説明する。

本発明において、接合するＳｉＣ被接合部材としては、
ＳｊＣの常圧焼結体、あるいは反応焼結体、その他ＣＶ
Ｄ−５ｉＣ等が挙げられるが、本発明は特に不純物含有
量の少ないＳｉＣ部材に対して有効である。

ＳｉＣ被接合部材は接合に際し、予め接合予定面を研摩
等により平滑にしておくのが好ましい。

研摩方法としては、通常の方法を採用し得るが、特にダ
イヤモンドペースト（７μｍ程度）による研摩法等が好
ましく、研摩により接合予定面は０．５μｍ以下、特に
０．１μｍ以下の表面粗さとなるようにするのが好まし
い。

このように接合予定面を平滑化したＳｉＣ被接合部材は
Ｎｉ−ＺｒＨ２混合粉末層を介して当接して接合させる
。

本発明において用いられるＮｉ−ＺｒＨ２混合粉末はＮ
ｉ粉末とＮｉに対して２０〜５０モル％のＺｒＨ２粉末
よりなるものである。このＮｉ粉末とＺｒＨ２粉末との
割合は、後述の実施例における試験結果からも明らかな
ように、良好なサーメット状の微細構造の接合層が得ら
れ、高い接合強度が得られる割合であフて、ＺｒＨ２粉
末の量がこの範囲よりも多過ぎても少な過ぎても高い接
合強度は得られない。Ｎｉ粉末に対するＺｒＨ２粉末の
特に好ましい割合は３０〜４０モル％であって、この範
囲におて、著しく高い接合強度を得ることができる。

このようなＮｉ−ＺｒＨ２混合粉末は、各々の粉末を乾
式混合することによっても得られるが、エタノール等の
溶媒を用いて湿式混合するのが、均一な混合状態が得ら
れることから有利である。

なお、原料粉末の純度は高いもの程良い。また、その粒
径は小さい程好ましく、例えばＮｉ粉末の平均粒径は４
〜７μｍ程度とするのが好ましい。

Ｎｉ−ＺｒＨ２混合粉末の層をＳｉＣ被接合部材の接合
予定面の間に形成するには、該混合粉末を一方あるいは
双方の接合予定面に有機バインダ等を用いて塗布し、塗
布後右機バインダを減圧乾燥等により除去するのが好ま
しい。なお、この場合塗布するＮｉ−ＺｒＨ２混合粉末
の量は特に制限はなく、一般にＳｉＣ被接合部材の形状
や大きさ、接合予定面の大きさ、接合条件等に応じて適
宜決定される。

接合に際して、ＳｉＣ被接合部材には若干、例えば０．
８９ｋｇ／ｃｒｎ’程度の荷重をかけて加熱する。加熱
温度は、後述の如く、Ｎ２、ＺｒＨ２及びＳｉＣの反応
により、サーメット構造が得られる温度、一般には１７
００〜２０００°に好ましくは１７７３〜１９００’に
とする。なお、この接合は、真空中で行うのが好ましい
。

［作用］ Ｎ２及びＺｒＨ２粉末と被接合面のＳｉＣとで、まずＮ
ｉとＳｉＣとの反応によりカーボンが生成する。一方、
Ｎｉはδ−Ｎｉ２Ｓｔ、Ｎｉ３Ｓｉ２の２種類のニッケ
ルシリサイドを生成する。また、生成したカーボンがＺ
　ｒ　Ｈ２の分解によ生じたＺｒと反応してＺｒＣを生
成する。

このため、本発明の方法により得られる接合体の接合層
は、ＺｒＣと２種類のニッケルシリサイド相とからなる
サーメット状の微細構造をもつものとなり、このサーメ
ット状の微細構造により、高い接合強度と優れた耐熱性
が得られる。

本発明において、このサーメット状微細構造の接合層が
得られることは、極めて重要である。従来のブレージン
グによる接合では、その接合層は金属層であり、１７７
３〜１９００°にでは溶融してしまい、その接合強度は
ほとんどでない。これに対し、本発明においては微細な
サーメツト層であるため、例えば１００ＭＰａ以上とい
う高い接合強度が得られるのである。

［実施例］ 以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが
、本発明はその要旨を超えない限り、以゛下の実施例に
限定されるものではない。

実施例１ 常圧焼結ＳｉＣ板（京セラ特製）を２枚用意し、ＳｉＣ
板同志の接合を行った。

接合用粉末としては、Ｎｉ粉末（純度９９，９％、粒径
４〜７μｍ）及びＺｒＨ２粉末（純度９９．５％）をエ
タノール中で混合し、第１表に示す割合のＮｉ−ＺｒＨ
２粉末を調製した。

２枚のＳｉＣ板の接合予定面をダイヤモンドペーストを
用いて表面粗さ０．１μｍ以下に研摩した後、一方のＳ
ｉＣ板の研摩面に混合調製した各Ｎ　１−ＺｒＨ２をス
クリーンオイルを用いて塗布した後、スクリーンオイル
を１００℃の温度で１Ｏ−２ｔｏｒｒ程度の真空中にお
いて揮発させた。

Ｎｉ−ＺｒＨ２粉末を塗布したＳｉＣ板の塗布面上に、
残る１枚のＳｉＣ板の研摩面を当接し、真空中、荷重０
．８９ｋｇ／ｃｙｎ’、温度１８７３°にで、Ｓ　ｉ　
ｃ、’　（Ｎ　ｉ　＋ＺｒＨ２）　、、’ｓ　ｉ　Ｃ接
合体を得た。

得られた接合体から接合界面を挟んで１５×７．５Ｘ５
ｍｍの試料を切り出し、治具を用いて剪断試験を行い、
引張試験機（島津オートグラフ型ｌＳ−１０１）により
剪断強度を調べた。なお、この時のクロスヘッドスピー
ドは、１ｍｍ／ｍｉｎに固定した。各接合体の剪断強度
を第１表に示す。

第　　１　　表 ＊１：Ｎｉに対するＺｒＨ２のモル％ 第１表より、本発明の方法によれば、接合部に５０〜１
５０ＭＰａという高い剪断強度が得られることが明らか
である。特に、Ｎｉ３Ｓｉ２℃％ＺｒＨ２、Ｎｉ＋４０
ｍｏ℃％ＺｒＨ２を用いた場合には、１００ＭＰａ以上
の極めて高い剪断強度が得られる。なお、接合温度を１
７７３”　Ｋ、１８２３”　Ｋと変えて同様に接合を行
い、剪断試験を行ったところ、接合体の剪断強度は接合
温度に殆ど依存せず、本発明によれば、常に５０〜１５
０ＭＰａの剪断強度が得らえれることが確認された。

次に、得られた接合体のうち、ＳｉＣ／（Ｎｉ＋３０ｍ
ｏｕ％ＺｒＨ２）／ＳｉＣ接合体を用いて、微小Ｘ線回
折、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びオージェ電子分光
（ＳＡＭ）により接合界面の解析を行った。

微小Ｘ線回折による界面の形成化合物の同定結果を第１
図に示す。８１図より、接合界面にＺｒＣ１δ−Ｎｉ２
　Ｓｉ及びＮｉ３Ｓｉ２が形成していることが確認され
た。

また、ＳＥＭ観察において、界面の構成元素の分布をＥ
ＤＸ法により求めた分析結果を第２図（Ｎ　ｉ　）及び
第３図（Ｚｒ）に示す。ＥＤＸ分析の結果から、界面に
はＺｒの多い領域とＮｉの多い領域とが斑状に認められ
た。

ＳＥＭ観察、ＥＤＸ分析及び微小Ｘ線解析の結果から、
この接合体の界面層はＺｒＣと２種類のニッケルシリサ
イドからなるサーメット構造をとることが明らかである
。しかして、このような構造がこの接合体の強度を保証
しているものと考えられる。なお、ＺｒＣはＮｉとＳｉ
Ｃとの反応により生成したカーボンがＺｒＨ２の分解に
より生成したＺｒと反応して形成されたものと解釈され
る。

一方、界面のＳＡＭ分析においては、表面汚染の影響な
どを取り除くために１０〜３０分間Ａｒ＋イオンスパッ
タした後に構成元素の面分析を行った。この結果、Ｚｒ
の面分布とＣの面分布には良い対応が認められなかった
。また、Ｓｉの面分布とＮｉの面分布においても同様に
良い対応が認められなかった。界面のある領域において
はＳｉＣとインサート材が反応していることが認められ
た。

また、ＳＡＭ分析においては、界面層にＳｉとＣは殆ど
検出されなかった。この結果はＳ　ＥＭ−ＥＤＸと微小
Ｘ線解析の結果と矛盾する。この矛盾は選択スパッタに
よるものと考えられる。即ち、酸化物の場合には酸素が
Ａｒ＋イオンにより優先的にスパッタされ、度々金属相
あるいは低級酸化物が形成される。この選択スパッタは
酸化物の形成の自由エネルギーに関係するものと指摘さ
れている。カーボンの選択スパッタはグラファイト上の
ＴｉＣ薄膜において報告されている。従って、界面層に
形成されるＺｒＣ相のカーボンの選択スパッタの可能性
が考えられる。ニッケルシリサイドの選択スパッタの可
能性については明らかではないが、グラファイトが検出
されなかったことから、ＺｒＨ２の分解により生じたＺ
ｒとグラファイトが完全に反応しているものと考えられ
る。なお、ＺｒＣ形成後の残留カーボンはＳｉＣ接合の
界面層の微細構造を制御する重要な因子の一つと考えら
れる。

［発明の効果］ 以上の実施例からも明らかなように、本発明のＳｉＣの
接合方法によれば、ＳｉＣ部材同志を極めて高強度に接
合することができ、得られる接合部の耐熱性も極めて高
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１で得られたＳｉＣ／（Ｎｆ＋３０ｍ０
℃％ＺｒＨ２）／ＳｉＣ接合体の接合界面層の微小Ｘ線
解析パターンを示す図である。第２図及び第３図は、同
接合体のＳＥＭ−ＥＤＸ分析の結果を示す図であって、
第２図はＮｉ分析、第３図はＺｒ分析の結果を示す。 代理人　　弁理士　　重　野　　剛 第１図 ２θ 棺２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＣ被接合部材の接合予定面を、Ｎｉ粉末と、
   Ｎｉ粉末に対して２０〜５０モル％のＺｒＨ＿２粉末と
   の混合粉末層を介して当接して加熱することを特徴とす
   るＳｉＣの接合方法。
2. （２）混合粉末中のＺｒＨ＿２粉末の割合がＮｉ粉末に
   対して３０〜４０モル％であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）加熱温度が１７００〜２０００°Ｋであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方
   法。