JPS6379772A - 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） 本発明は接合面における残留応力が少なく接合状態の良
好なセラミックスと金属の接合方法に関するものである
。

（従来の技術） 窒化ケイ素や炭化ケイ素または酸化アルミニウムなどの
いわゆるファインセラミックスは、一般に高硬度で耐摩
耗性や耐酸化性に優れている一方で、靭性が低く、もろ
いという欠点を有している。

一方、金属は上記ファインセラミックスはどの硬度や耐
摩耗性はないが、−ｍに靭性が高い、そこで従来より金
属とファインセラミックスの互いの長所を生かすべく、
両者を接合して実用に供する場合も多い、しかし一般に
セラミックスと金属とを接合する際には、セラミックス
と金属との熱膨張係数の違いにより、高温で接合処理を
行った後、常温まで冷却する際にセラミックスと金属と
の接合界面にひずみが生じ、そのために接合部が剥離し
たりセラミックスに亀裂が生じたり、あるいはセラミッ
クスや金属に残留応力が生じる。

こうした問題点を緩和するべく、従来より種々の方法が
考案されてきた。セラミックス接合・接着技術集成（ア
イビーシー、昭和６０年）によれば残留応力の緩和とし
て次の４通りの手法があげられている。

（１）金属を薄くする、細くする、端部をナイフ状にす
る。

（２）塑性変形しやすい軟かい金属を一部に採用する。

（３）グレーテンドシールにする（熱膨張係数が被接合
材料のそれの中間的なものを単相または複相として接合
部分に介在させる。）（４）　　バランサーを採用する
。

例えば、日本金属学会誌Ｖｏ１．４９　、　Ｎａ　１０
　（１９８５年）には、上記（２）に相当する塑性変形
しやすい、軟かい金属としてＡｌを用いて、ＳｉＣ又は
Ｓｉ３Ｎ４と鋼とを接合している。しかしこの場合は熱
膨張係数の差は５〜８　Ｘ　１０−’／”Ｃ程度である
と見積られ、より熱膨張係数の差が大きな材料の接合に
ついて有功であるかは疑問であり、また無加圧接合が可
能であるか不明である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は接合する金属もしくは接合に供するイン
サート材を熱弾性型マルテンサイト変態させることによ
り、熱弾性型マルテンサイト変態した材料の熱弾性変形
能の大きさを利用してセラミックスと金属の熱膨張係数
のちがいによる残留応力をできるだけ小さくし、良好な
接合を得ることにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は接合する金属もしくはインサート材を熱弾性型
マルテンサイト変態させることにより、接合時の残留応
力を緩和させるものである。即ち、セラミックスと金属
とを接合する際に熱弾性型マルテンサイト変態を生ずる
金属を用いてセラミックスとの接合を行い、その後前記
金属を熱弾性型マルテンサイト変態させる方法、あるい
はセラミックスと金属とを接合する際にインサート材と
して熱弾性型マルテンサイト変態を生じる金属を用いて
セラミックスとの接合を行ない、その後前記インサート
材の金属を熱弾性型マルテンサイト変態させる方法であ
る。

本発明の方法によればマルテンサイト変態によって変形
モードの数が増え、被接合材が被むる様様な方向への応
力に容易に対応して熱弾性変形することが可能である。

従って被接合材のひずみが容易に緩和され良好な接合状
態とすることができる。

本発明で使用する熱弾性型マルテンサイト変態を生ずる
接合金属もしくはインサート材は、次のような性状を有
することが必要である。即ち被接合材の性質をそこなわ
ない製造条件でマルテンサイト変態を起こすことが可能
であること、そしてマルテンサイト変態した接合金属も
しくはインサート材が、少くとも接合部や被接合材に悪
影響を及ぼす程度の大きさの応力をインサート材自らの
熱弾性変形によって緩和し得ることである。前者につい
てはセラミックスは一般には熱衝撃に弱いために急速な
冷却を不可とする場合が多いため、機械的性質をそこな
わない熱処理条件で熱弾性型マルテンサイト変態が起き
ることが可能でなければならない、また少くとも接合部
や被接合材に致命的な悪影響を及す程度の応力を熱弾性
変形によって緩和することが望ましい。

本発明で用いる熱弾性型マルテンサイト変態を起こす金
属としては、マンガン−銅合金、マンガン−ニッケル合
金、マンガン−ニッケルーｍ合金。

銅−アルミニウム合金、銅−アルミニウムｍ；。

ケル合金、Ｅ−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金
、銅−ガリウム合金、ニッケルーパラジウム合金、チタ
ン−ニッケル合金、チタン−パラジウム合金、鉄−白金
合金、鉄−パラジウム合金等をあげることができる。

本発明においては、熱弾性型マルテンサイト変態を起す
インサート材を用いる場合、もしくは接合金属がマルテ
ンサイト変態を起す場合のように、必ずしもセラミック
スと金属との間に直接インサート材をはさむ接合形態も
しくは接合金属とセラミックスを直接接合する接合形態
に限定するものではない。セラミックスとインサート材
もしくは金属とインサート材もしくは金属とセラミック
スとの間に第３相をはさんで接合を行い、第３相を介す
るセラミックスと金属もしくはセラミックスとインサー
ト材もしくはインサート材と金属との間で応力が伝達さ
れ、インサート材もしくは接合金属が熱弾性変形ができ
ればよい０本発明では上記性状を有する第３相の成分ま
でも限定するものではないが、一般的に好適に使用され
る代表的な物質を例示すれば、銀ロウをあげることがで
きる。

実施例 実施例１ サイアロンセラミックス（英国、ルーカスクックソンサ
イアロン社製）を縦４鶴×横ＩＱｍＸ高さ４Ｒに切り出
し、被接合材とする。一方、熱弾性型マルテンサイト変
態を生ずる金属材料として銅−アルミニウム合金を選び
、縦４鶴×横１０ｆｉ×高さ１．７鶴に切り出した。

この銅−アルミニウム合金のマルテンサイト変態開始温
度は３８０℃、マルテンサイト変態終了温度は３４０℃
であった。ろう材を４ｍＸ１０ｍＸ０．０４ｍｍの形状
とした。ろう材は銀６８．７重量パーセント、銅３０重
量パーセント、チタン１．３重量パーセントである。サ
イアロンセラミックスと銅−アルミニウム合金の熱膨張
率のちがいは１５　Ｘ　１０−’／ｌと見積られる。サ
イアロンセラミックス、ろう材９ｗ４−アルミニウム合
金の順序で積み重ね、アルメル線（直径０．５ｍｍ）で
軽く巻いた。上記試料をＩ　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒの真
空中で８５℃で１０分間熱処理し、接合を行なった後ア
ルゴンガスと水素ガスの混合ガスを導入して毎分４０℃
の冷却速度で３００℃まで冷却し、その後毎分３℃で室
温まで冷却した。

得られたセラミックスと金属との接合試料の断面の偏光
顕微鏡観察によれば、銅−アルミニウム合金は熱弾性型
マルテンサイト変態を起していた。

試料はサイアロンセラミックスや接合部に何ら異状は認
められなかった。

比較例 一方、比較のため上記試料と同様な試料を同様な手法で
８５０℃１０分間熱処理した後、アルゴンガスを導入し
て毎分３℃の冷却速度で室温まで冷却した。偏光顕微鏡
観察によれば、銅−アルミニウム合金はマルテンサイト
変態を起しておらず、試料は接合部から発した亀裂がサ
イアロンセラミックスに入り、サイアロンセラミックス
に大きな亀裂が走っているのが観察された。

実施例２ 実施例１で用いたものと同じサイアロンセラミックス、
ろう材、銅−アルミニウム合金を用い、之等を夫々縦１
０鶴、横１０ｍ、高さを夫々４ｍ。

０．０５＋ｎ、　　１ｍｍとし、銅を縦１０ｍ、横１０
日、高さ１２鶴とし、サイアロンセラミックス、ろう材
。

銅−アルミニウム合金、ろう材、銅の順序で積み重ね、
アルメル線で軽く巻いておく。

この試料に実施例１と同様な熱処理を行い、毎分約４０
℃で急冷した試料と、毎分約３℃で徐冷した試料とを比
較したところ、急冷した試料は銅−アルミニウム合金が
マルテンサイト変態を起しているのが観察され、肉眼で
は接合部に異状は見られなかった。一方、徐冷した試料
についてはマルテンサイト変態を起していないことが観
察され、サイアロンセラミックスに亀裂が入っているこ
とが観察された。

実施例３ 熱弾性型マルテンサイト変態をする金属としてチタン−
パラジウム合金を選んだ。

このチタン−パラジウム合金のマルテンサイト変態開始
温度は５３０℃であった。サイアロンセラミックスを縦
４鶴、横１０鶴、高さ４鶴に切り出し、チタン−パラジ
ウム合金を縦４鶴、横１０鶴、高さ２鶴に切り出した。

また鉄を縦４１曹、横１０ｆｌ、高さ１５鶴に切り出し
た。これをサイアロン、チタン−パラジウム合金、鉄の
順序に積み重ね、倒れないように石英管の内に立てかけ
た。

これをアルゴン雰囲気中で１２５０℃に加熱し５分間保
持した後、毎分約３０℃で４００℃まで冷却し、その後
室温まで炉冷した。

チタン−パラジウム合金は熱弾性型マルテンサイト変態
をおこしていることが確認され、接合部の剥離や亀裂は
観察されなかった。

実施例４ 熱弾性型マルテンサイト変態する金属として銅−アルミ
ニウム−ニッケル合金を選んだ。アルミナセラミックス
を被接合材とし、縦４ｍｍ、横１０鶴、高さ４ｎに切り
出し、ろう材を縦４璽−１横１０鶴、厚さ０．０５＋ｎ
とした。アルミナセラミックス。

ろう材、銅−アルミニウム−ニッケル合金の順に積み重
ね、アルメル線で軽く巻いておく、この試料をＩ　Ｘ　
１０−’ｔｏｒｒの真空中で８５０℃で１０分間熱処理
し、アルゴンガスを導入して毎分２０℃の冷却速度で室
温まで冷却した。

銅−アルミニウム−ニッケル合金はマルテンサイト変態
を起しているのが観察され、肉眼では接合部の異状は見
られなかった。

（発明の効果） 本発明によれば、熱弾性型マルテンサイト相の熱弾性変
形応力が小さいことから、セラミックスと金属との接合
時に発生する熱応力を容易に緩和することができ、また
、熱膨張率のかなり異なる物質同士の接合も比較的容易
に実施することが可能となる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックスと金属を接合する際に、熱弾性型マ
   ルテンサイト変態を生ずる金属を用いてセラミックスと
   の接合を行ない、その後前記金属を熱弾性型マルテンサ
   イト変態させることを特徴とするセラミックスと金属の
   接合方法。
2. （２）セラミックスと金属を接合する際に、インサート
   材として熱弾性型マルテンサイト変態を生ずる金属を用
   いてセラミックスとの接合を行ない、その後前記インサ
   ート材の金属を熱弾性型マルテンサイト変態させること
   を特徴とするセラミックスと金属の接合方法。