JP2000327442A - セラミックスと金属の接合体および製造方法並びに高温型二次電池 - Google Patents
セラミックスと金属の接合体および製造方法並びに高温型二次電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 接合強度が高く、耐食性に優れた接合部を有
するセラミックス−金属接合体、およびその接合体の製
造方法、更には、その接合体を用いることで耐久性に優
れた、長寿命の高温型二次電池を提供する。 【解決手段】 本発明の接合体1は、αアルミナからな
るセラミックス部材11、Cr拡散層を有するステンレ
ス系金属(SUS304)からなる金属製部材13、A
l−Si系ろう材からなるろう材15およびAl−Mg
系合金からなる芯材17とから構成された積層体を、圧
力1Paの真空雰囲気で560℃に加熱し、積層方向に5
MPa の圧力を60分間印加するといった手順で作製され
る。この接合体1は、Al合金層21内には、Siが単
体のSi粒子ではなく、主にMg2Si として存在する
ため、Naに対する耐食性に優れ、また、Al−Si−
Crを主成分とする結晶相からなる層が、脆弱なAl−
Fe系金属間化合物の生成を防ぐため、高い接合強度を
有する。
するセラミックス−金属接合体、およびその接合体の製
造方法、更には、その接合体を用いることで耐久性に優
れた、長寿命の高温型二次電池を提供する。 【解決手段】 本発明の接合体1は、αアルミナからな
るセラミックス部材11、Cr拡散層を有するステンレ
ス系金属(SUS304)からなる金属製部材13、A
l−Si系ろう材からなるろう材15およびAl−Mg
系合金からなる芯材17とから構成された積層体を、圧
力1Paの真空雰囲気で560℃に加熱し、積層方向に5
MPa の圧力を60分間印加するといった手順で作製され
る。この接合体1は、Al合金層21内には、Siが単
体のSi粒子ではなく、主にMg2Si として存在する
ため、Naに対する耐食性に優れ、また、Al−Si−
Crを主成分とする結晶相からなる層が、脆弱なAl−
Fe系金属間化合物の生成を防ぐため、高い接合強度を
有する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックスと金
属との接合体、およびその接合体の製造方法、並びに、
その接合体を用いた高温型二次電池に関する。
属との接合体、およびその接合体の製造方法、並びに、
その接合体を用いた高温型二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】非金属無機材料であるセラミックスは、
耐食性、電気絶縁性および高温での機械的特性に優れ
る、という特徴を有しており、従来より、様々な工業用
部品に応用されている。このような、セラミックスの応
用例として、セラミックスと金属製材料とを接合した接
合体が知られている。
耐食性、電気絶縁性および高温での機械的特性に優れ
る、という特徴を有しており、従来より、様々な工業用
部品に応用されている。このような、セラミックスの応
用例として、セラミックスと金属製材料とを接合した接
合体が知られている。
【0003】このセラミックスと金属製材料との接合体
は、例えば、Na−S電池(ナトリウム−硫黄電池)や
Na溶融塩電池のような高温型二次電池に用いられてい
る。具体的には、絶縁用セラミックス(アルミナ等)
と、電極(金属製部材)とが接合された接合体であり、
この接合体は、固体電解質管の開口端部に配置されてい
る。
は、例えば、Na−S電池(ナトリウム−硫黄電池)や
Na溶融塩電池のような高温型二次電池に用いられてい
る。具体的には、絶縁用セラミックス(アルミナ等)
と、電極(金属製部材)とが接合された接合体であり、
この接合体は、固体電解質管の開口端部に配置されてい
る。
【0004】ここで、例えば、Na−S電池は、運転時
は温度が350℃という高温で運転され、停止時には室
温まで温度が下がるため、運転時と停止時との温度差が
大きい。このため、熱膨張係数の異なるセラミックスと
金属製材料との接合部には大きな応力が発生してしま
う。また、接合体は、腐食性の高い性質を有する電池活
物質に高温でさらされる。これらのことから、Na−S
電池等の高温型二次電池に使用される接合体には、強固
な接合性と十分な耐食性が要求される。
は温度が350℃という高温で運転され、停止時には室
温まで温度が下がるため、運転時と停止時との温度差が
大きい。このため、熱膨張係数の異なるセラミックスと
金属製材料との接合部には大きな応力が発生してしま
う。また、接合体は、腐食性の高い性質を有する電池活
物質に高温でさらされる。これらのことから、Na−S
電池等の高温型二次電池に使用される接合体には、強固
な接合性と十分な耐食性が要求される。
【0005】そして、このような要求に応える接合体と
しては、特開平4−89367号公報に記載のように、
セラミックスと金属製材料との間にアルミニウム(A
l)−ケイ素(Si)系のろう材を介在させて、このろ
う材を固相線温度付近まで昇温させて加圧接合すること
により形成した接合体が知られている。この接合体は、
接合時の温度を、ろう材の液相線温度付近ではなく、固
相線温度付近とすることにより、ケイ素粒子が接合時に
溶融・晶出することなく残存しているろう材から合金層
が形成されて、セラミックスと金属製部材が接合一体化
されて形成される。
しては、特開平4−89367号公報に記載のように、
セラミックスと金属製材料との間にアルミニウム(A
l)−ケイ素(Si)系のろう材を介在させて、このろ
う材を固相線温度付近まで昇温させて加圧接合すること
により形成した接合体が知られている。この接合体は、
接合時の温度を、ろう材の液相線温度付近ではなく、固
相線温度付近とすることにより、ケイ素粒子が接合時に
溶融・晶出することなく残存しているろう材から合金層
が形成されて、セラミックスと金属製部材が接合一体化
されて形成される。
【0006】この接合体によれば、接合時のろう材内に
固相および未溶解のケイ素粒子が多く残存しているた
め、接合に際して、ろう材内の液相が、これら固相およ
びケイ素粒子の間に保持されて漏れ出すことがない。ま
た、液相が、セラミックスと金属製材料との接合界面に
均一に存在するため、加圧接合が接合界面全体にバラツ
キなく行われることで、強固で耐久性のある接合界面と
なって気密性を安定して維持できる合金層が得られる。
固相および未溶解のケイ素粒子が多く残存しているた
め、接合に際して、ろう材内の液相が、これら固相およ
びケイ素粒子の間に保持されて漏れ出すことがない。ま
た、液相が、セラミックスと金属製材料との接合界面に
均一に存在するため、加圧接合が接合界面全体にバラツ
キなく行われることで、強固で耐久性のある接合界面と
なって気密性を安定して維持できる合金層が得られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の接合体においては、合金層に単体のケイ素粒子が存
在していることから、例えば、Na−S電池における絶
縁用セラミックスと電極(金属製部材)との接合体に用
いる場合、高温のナトリウムにより、合金層内の単体の
ケイ素粒子が選択的に浸食されてしまい、接合部の強度
や気密性が低下するという問題がある。とりわけ、高温
型二次電池で発生する不具合は、絶縁用セラミックスと
電極(金属製部材)との接合部の浸食が原因であるもの
が多く、接合体の耐食性が、高温型二次電池の寿命に大
きな影響を与えてしまう。
来の接合体においては、合金層に単体のケイ素粒子が存
在していることから、例えば、Na−S電池における絶
縁用セラミックスと電極(金属製部材)との接合体に用
いる場合、高温のナトリウムにより、合金層内の単体の
ケイ素粒子が選択的に浸食されてしまい、接合部の強度
や気密性が低下するという問題がある。とりわけ、高温
型二次電池で発生する不具合は、絶縁用セラミックスと
電極(金属製部材)との接合部の浸食が原因であるもの
が多く、接合体の耐食性が、高温型二次電池の寿命に大
きな影響を与えてしまう。
【0008】そこで、本発明は、こうした問題に鑑みな
されたものであり、接合強度が高く、耐食性に優れた接
合部を有するセラミックス−金属接合体、およびその接
合体の製造方法を提供し、更には、そのセラミックス−
金属接合体を用いることにより、耐久性に優れた、長寿
命の高温型二次電池を提供することを目的とする。
されたものであり、接合強度が高く、耐食性に優れた接
合部を有するセラミックス−金属接合体、およびその接
合体の製造方法を提供し、更には、そのセラミックス−
金属接合体を用いることにより、耐久性に優れた、長寿
命の高温型二次電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項1記載の発明は、セラミックス部材
と金属製部材とが、アルミニウムを主成分とする合金層
を介して接合された接合体であって、当該合金層内にマ
グネシウムとケイ素からなる合金粒子が存在することを
特徴とする。
めになされた請求項1記載の発明は、セラミックス部材
と金属製部材とが、アルミニウムを主成分とする合金層
を介して接合された接合体であって、当該合金層内にマ
グネシウムとケイ素からなる合金粒子が存在することを
特徴とする。
【0010】すなわち、本発明(請求項1)の接合体で
は、セラミックス部材と金属製部材との間に配置される
合金層に含まれるケイ素を、単体のケイ素粒子としての
みではなく、マグネシウムとの合金粒子としても存在さ
せている。この理由を以下に説明する。
は、セラミックス部材と金属製部材との間に配置される
合金層に含まれるケイ素を、単体のケイ素粒子としての
みではなく、マグネシウムとの合金粒子としても存在さ
せている。この理由を以下に説明する。
【0011】まず、アルミニウムを主成分とする合金層
は、例えば、アルミニウムを主成分とするろう材を溶融
することで形成されるが、セラミックス部材と金属製部
材との熱膨張係数の差による応力を低減するために、ろ
う材の融点は低い方が望ましい。そのため、ろう材の融
点を下げるために、ろう材にケイ素を含有させる方法が
一般に知られている。
は、例えば、アルミニウムを主成分とするろう材を溶融
することで形成されるが、セラミックス部材と金属製部
材との熱膨張係数の差による応力を低減するために、ろ
う材の融点は低い方が望ましい。そのため、ろう材の融
点を下げるために、ろう材にケイ素を含有させる方法が
一般に知られている。
【0012】しかし、単体のケイ素粒子は溶融ナトリウ
ムに浸食されやすいため、合金層内に単体のケイ素粒子
が存在すると、接合体の耐食性を低下させてしまう。一
方、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子は、単体の
ケイ素粒子に比べ、ナトリウムに対する耐食性が大幅に
優れることを見いだし、本発明を完成するに至った。
ムに浸食されやすいため、合金層内に単体のケイ素粒子
が存在すると、接合体の耐食性を低下させてしまう。一
方、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子は、単体の
ケイ素粒子に比べ、ナトリウムに対する耐食性が大幅に
優れることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【0013】そこで、本発明(請求項1)の接合体のよ
うに、ろう材に含まれていたケイ素を、合金層内におい
て、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子としても存
在させることで、合金層内のケイ素が、単体のケイ素粒
子として存在する割合を小さくすることができ、接合体
の耐食性を向上させることが出来る。
うに、ろう材に含まれていたケイ素を、合金層内におい
て、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子としても存
在させることで、合金層内のケイ素が、単体のケイ素粒
子として存在する割合を小さくすることができ、接合体
の耐食性を向上させることが出来る。
【0014】また、主としてケイ素との合金粒子を形成
するマグネシウムが、接合時に金属製部材やセラミック
ス表面の酸化物層を除去して、活性の高い状態を作り出
すことにより、セラミックスと金属製部材との接合をよ
り強固にしている。このため、請求項1に記載の発明に
よれば、合金層に含まれるケイ素を、単体のケイ素粒子
としてのみではなく、マグネシウムとの合金粒子として
も存在させていることで、腐食性の高い条件下において
も、強固な接合を長期間維持することができるため、ナ
トリウムに対する耐食性に優れ、強固な接合性を有する
セラミックスと金属との接合体が実現できる。
するマグネシウムが、接合時に金属製部材やセラミック
ス表面の酸化物層を除去して、活性の高い状態を作り出
すことにより、セラミックスと金属製部材との接合をよ
り強固にしている。このため、請求項1に記載の発明に
よれば、合金層に含まれるケイ素を、単体のケイ素粒子
としてのみではなく、マグネシウムとの合金粒子として
も存在させていることで、腐食性の高い条件下において
も、強固な接合を長期間維持することができるため、ナ
トリウムに対する耐食性に優れ、強固な接合性を有する
セラミックスと金属との接合体が実現できる。
【0015】なお、マグネシウムとケイ素からなる合金
粒子は、主としてMg2Si として合金層内に存在して
おり、微量であればアルミニウムまたは酸素との化合物
を生成していても構わない。次に、このように合金層中
に、マグネシウムとケイ素とからなる合金粒子が存在す
るセラミックスと金属との接合体としては、請求項2に
記載のように、前記合金層中のケイ素成分の含有量(原
子量%)が、マグネシウム成分の含有量(原子量%)以
下とするとよい。
粒子は、主としてMg2Si として合金層内に存在して
おり、微量であればアルミニウムまたは酸素との化合物
を生成していても構わない。次に、このように合金層中
に、マグネシウムとケイ素とからなる合金粒子が存在す
るセラミックスと金属との接合体としては、請求項2に
記載のように、前記合金層中のケイ素成分の含有量(原
子量%)が、マグネシウム成分の含有量(原子量%)以
下とするとよい。
【0016】このようにすることで、合金層内のケイ素
成分の多くが、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子
として存在するため、単体のケイ素粒子として存在する
ケイ素成分が少なくなり、接合体のナトリウムに対する
耐食性をさらに向上させることができるのである。
成分の多くが、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子
として存在するため、単体のケイ素粒子として存在する
ケイ素成分が少なくなり、接合体のナトリウムに対する
耐食性をさらに向上させることができるのである。
【0017】よって、請求項2に記載の発明によれば、
合金層内の単体のケイ素粒子を減らすことで、ナトリウ
ムに対する耐食性がさらに優れたセラミックスと金属と
の接合体が実現できる。一方、接合体がアルミニウムを
主成分とする合金層にて形成される場合には、請求項3
に記載のように、セラミックス部材と接合される金属製
部材が、純アルミニウムまたはアルミニウムを主成分と
する合金であるとよい。
合金層内の単体のケイ素粒子を減らすことで、ナトリウ
ムに対する耐食性がさらに優れたセラミックスと金属と
の接合体が実現できる。一方、接合体がアルミニウムを
主成分とする合金層にて形成される場合には、請求項3
に記載のように、セラミックス部材と接合される金属製
部材が、純アルミニウムまたはアルミニウムを主成分と
する合金であるとよい。
【0018】つまり、互いに接して接合体を形成する合
金層と金属製部材とが、同じ材料を主成分として形成さ
れていると、両者の接合が密になり、その接合体は強固
な接合性が得られる。よって、アルミニウムを主成分と
する合金層にて形成される接合体においては、金属製部
材の材質を、合金層と同様の材質であるアルミニウムま
たはアルミニウムを主成分とする合金として接合体を形
成することで、合金層と金属製部材とが強固に接合され
た接合体を実現することが出来る。
金層と金属製部材とが、同じ材料を主成分として形成さ
れていると、両者の接合が密になり、その接合体は強固
な接合性が得られる。よって、アルミニウムを主成分と
する合金層にて形成される接合体においては、金属製部
材の材質を、合金層と同様の材質であるアルミニウムま
たはアルミニウムを主成分とする合金として接合体を形
成することで、合金層と金属製部材とが強固に接合され
た接合体を実現することが出来る。
【0019】したがって、請求項3に記載の発明によれ
ば、合金層と金属製部材との接合が同種の材料による密
な接合となり、より強固な接合性を有するセラミックス
と金属との接合体が実現できる。ところで、アルミニウ
ムを主成分とする合金層にて形成される接合体において
は、金属製部材が、例えば、ステンレス系金属のような
鉄(Fe)を主成分とする材料であると、合金層内に脆
弱なアルミニウム−鉄系金属間化合物が生成されて、接
合体の強度を低下させてしまう。
ば、合金層と金属製部材との接合が同種の材料による密
な接合となり、より強固な接合性を有するセラミックス
と金属との接合体が実現できる。ところで、アルミニウ
ムを主成分とする合金層にて形成される接合体において
は、金属製部材が、例えば、ステンレス系金属のような
鉄(Fe)を主成分とする材料であると、合金層内に脆
弱なアルミニウム−鉄系金属間化合物が生成されて、接
合体の強度を低下させてしまう。
【0020】このような問題に対しては、請求項4に記
載のように、セラミックス部材と接合される金属製部材
が鉄またはステンレス系金属からなる接合体において
は、セラミックス部材と接合される金属製部材の表面
に、クロムを主成分とする層を形成するとよい。
載のように、セラミックス部材と接合される金属製部材
が鉄またはステンレス系金属からなる接合体において
は、セラミックス部材と接合される金属製部材の表面
に、クロムを主成分とする層を形成するとよい。
【0021】このように、クロム(Cr)を主成分とす
る層を表面に形成した鉄またはステンレス系金属からな
る金属製部材が、マグネシウム−ケイ素系合金粒子を有
する合金層を介して、セラミックス部材と接合された接
合体では、接合時に、アルミニウム−ケイ素−クロム系
合金粒子とマグネシウム−ケイ素系合金粒子とが混在す
る薄い反応層が、合金層と金属製部材の接合界面に生成
される。この反応層が、鉄系金属である金属製部材への
アルミニウムの拡散を防ぎ、かつ、アルミニウム系金属
である合金層への鉄の拡散を防ぐ拡散バリアとなるた
め、脆弱なアルミニウム−鉄系金属間化合物の生成を防
止する。
る層を表面に形成した鉄またはステンレス系金属からな
る金属製部材が、マグネシウム−ケイ素系合金粒子を有
する合金層を介して、セラミックス部材と接合された接
合体では、接合時に、アルミニウム−ケイ素−クロム系
合金粒子とマグネシウム−ケイ素系合金粒子とが混在す
る薄い反応層が、合金層と金属製部材の接合界面に生成
される。この反応層が、鉄系金属である金属製部材への
アルミニウムの拡散を防ぎ、かつ、アルミニウム系金属
である合金層への鉄の拡散を防ぐ拡散バリアとなるた
め、脆弱なアルミニウム−鉄系金属間化合物の生成を防
止する。
【0022】よって、請求項4に記載の発明によれば、
脆弱なアルミニウム−鉄系金属間化合物の生成を防止す
ることができ、強固な接合性と十分な耐食性を有する接
合体を得ることが出来る。次に、セラミックス部材と金
属製部材との間に、マグネシウム−ケイ素系合金粒子を
有する合金層を形成する接合体の製造方法としては、請
求項5に記載のように、合金層を、少なくともアルミニ
ウムとケイ素とマグネシウムからなるろう材を用いて形
成する方法を用いるとよい。
脆弱なアルミニウム−鉄系金属間化合物の生成を防止す
ることができ、強固な接合性と十分な耐食性を有する接
合体を得ることが出来る。次に、セラミックス部材と金
属製部材との間に、マグネシウム−ケイ素系合金粒子を
有する合金層を形成する接合体の製造方法としては、請
求項5に記載のように、合金層を、少なくともアルミニ
ウムとケイ素とマグネシウムからなるろう材を用いて形
成する方法を用いるとよい。
【0023】つまり、セラミックス部材と金属製部材と
の間に、少なくともアルミニウムとケイ素とマグネシウ
ムからなるろう材を配置して、真空または非酸化性雰囲
気中で、該ろう材の固相線温度以上まで加熱する接合処
理を行うことで、ろう材が合金層となり、マグネシウム
−ケイ素系合金粒子を有する合金層を形成する接合体の
製造が可能となる。
の間に、少なくともアルミニウムとケイ素とマグネシウ
ムからなるろう材を配置して、真空または非酸化性雰囲
気中で、該ろう材の固相線温度以上まで加熱する接合処
理を行うことで、ろう材が合金層となり、マグネシウム
−ケイ素系合金粒子を有する合金層を形成する接合体の
製造が可能となる。
【0024】したがって、請求項5に記載の発明方法に
よれば、ろう材を用いるという簡便な方法で、マグネシ
ウム−ケイ素系合金粒子を有する合金層を形成する接合
体を製造することができる。ところで、請求項5に記載
の発明方法のように、少なくともアルミニウムとケイ素
とマグネシウムからなるろう材を用いることで、マグネ
シウム−ケイ素系合金粒子が存在する合金層を形成する
接合体を簡便に製造することができるが、合金層内のマ
グネシウム−ケイ素系合金粒子の生成量は、ろう材中の
ケイ素およびマグネシウムの含有割合により決定されて
しまう。そして、一般に入手可能なろう材は、ケイ素の
含有割合よりもマグネシウムの含有割合が少ないものが
ほとんどであるため、合金層中から単体のケイ素粒子を
無くすことは難しい。
よれば、ろう材を用いるという簡便な方法で、マグネシ
ウム−ケイ素系合金粒子を有する合金層を形成する接合
体を製造することができる。ところで、請求項5に記載
の発明方法のように、少なくともアルミニウムとケイ素
とマグネシウムからなるろう材を用いることで、マグネ
シウム−ケイ素系合金粒子が存在する合金層を形成する
接合体を簡便に製造することができるが、合金層内のマ
グネシウム−ケイ素系合金粒子の生成量は、ろう材中の
ケイ素およびマグネシウムの含有割合により決定されて
しまう。そして、一般に入手可能なろう材は、ケイ素の
含有割合よりもマグネシウムの含有割合が少ないものが
ほとんどであるため、合金層中から単体のケイ素粒子を
無くすことは難しい。
【0025】そこで、請求項6に記載のように、合金層
を、少なくともマグネシウムを含有するアルミニウムを
主成分とする合金からなる芯材と、その両表面に少なく
ともアルミニウムとケイ素からなるろう材とを配置して
形成する接合体の製造方法を用いるとよい。
を、少なくともマグネシウムを含有するアルミニウムを
主成分とする合金からなる芯材と、その両表面に少なく
ともアルミニウムとケイ素からなるろう材とを配置して
形成する接合体の製造方法を用いるとよい。
【0026】すなわち、両表面にろう材を配置した芯材
を、セラミックス部材と金属製部材との間に配置し、真
空または非酸化性雰囲気中で、該ろう材または該芯材の
固相線温度以上まで加熱することで、セラミックス部材
と金属製部材との接合体を製造するのである。このと
き、ろう材としては、少なくともアルミニウムとケイ素
からなるろう材を用い、芯材としては、少なくともマグ
ネシウムを含有するアルミニウムを主成分とする合金を
用いる。
を、セラミックス部材と金属製部材との間に配置し、真
空または非酸化性雰囲気中で、該ろう材または該芯材の
固相線温度以上まで加熱することで、セラミックス部材
と金属製部材との接合体を製造するのである。このと
き、ろう材としては、少なくともアルミニウムとケイ素
からなるろう材を用い、芯材としては、少なくともマグ
ネシウムを含有するアルミニウムを主成分とする合金を
用いる。
【0027】この製造方法によれば、該ろう材または該
芯材の固相線温度以上まで加熱する際に、マグネシウム
含有の芯材からろう材中にマグネシウムの拡散が起こ
り、マグネシウムがセラミックス部材および金属製部材
の接合界面の酸化物相を除去して接合界面を活性化した
後、マグネシウム−ケイ素系合金粒子の生成反応が起こ
る。また、ろう材中のケイ素は、芯材であるマグネシウ
ム含有のアルミニウム合金内に拡散し、アルミニウム合
金内でもマグネシウム−ケイ素系合金粒子の生成反応が
起こる。そして、アルミニウムを主成分とする合金層内
に、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子が形成され
る。
芯材の固相線温度以上まで加熱する際に、マグネシウム
含有の芯材からろう材中にマグネシウムの拡散が起こ
り、マグネシウムがセラミックス部材および金属製部材
の接合界面の酸化物相を除去して接合界面を活性化した
後、マグネシウム−ケイ素系合金粒子の生成反応が起こ
る。また、ろう材中のケイ素は、芯材であるマグネシウ
ム含有のアルミニウム合金内に拡散し、アルミニウム合
金内でもマグネシウム−ケイ素系合金粒子の生成反応が
起こる。そして、アルミニウムを主成分とする合金層内
に、マグネシウムとケイ素からなる合金粒子が形成され
る。
【0028】また、接合体は、合金層内のケイ素含有量
(原子量%)に対するマグネシウム含有量(原子量%)
の割合が小さくなるほど、合金層内で単体のケイ素粒子
として存在するケイ素成分が少なくなり、ケイ素成分の
多くがマグネシウム−ケイ素系合金粒子として存在する
ため、ナトリウムに対する耐食性がさらに向上する。
(原子量%)に対するマグネシウム含有量(原子量%)
の割合が小さくなるほど、合金層内で単体のケイ素粒子
として存在するケイ素成分が少なくなり、ケイ素成分の
多くがマグネシウム−ケイ素系合金粒子として存在する
ため、ナトリウムに対する耐食性がさらに向上する。
【0029】そして、この合金層内のケイ素含有量とマ
グネシウム含有量の割合は、前記ろう材と前記芯材との
割合によって決定される。このため、請求項6の発明方
法によれば、前記ろう材と前記芯材との割合を製造時に
好適に設定することで、合金層内の単体のケイ素粒子を
減少させることができ、耐食性に優れた接合体の製造方
法が実現可能となる。
グネシウム含有量の割合は、前記ろう材と前記芯材との
割合によって決定される。このため、請求項6の発明方
法によれば、前記ろう材と前記芯材との割合を製造時に
好適に設定することで、合金層内の単体のケイ素粒子を
減少させることができ、耐食性に優れた接合体の製造方
法が実現可能となる。
【0030】なお、合金層内のケイ素成分の含有量(原
子量%)が、マグネシウム成分の含有量(原子量%)の
1/2以下であると、単体のケイ素粒子がほとんど存在
しなくなり、耐食性に関してさらに良好な接合体を得る
ことができる。さらに、接合体の製造方法としては、請
求項7に記載のように、接合時の雰囲気が、非酸化性ガ
ス中、または10Pa以下の真空中であるとよい。
子量%)が、マグネシウム成分の含有量(原子量%)の
1/2以下であると、単体のケイ素粒子がほとんど存在
しなくなり、耐食性に関してさらに良好な接合体を得る
ことができる。さらに、接合体の製造方法としては、請
求項7に記載のように、接合時の雰囲気が、非酸化性ガ
ス中、または10Pa以下の真空中であるとよい。
【0031】このような雰囲気では、酸素が少なくなる
ため、このような条件下でセラミックス部材と金属製部
材とを接合すると、接合界面に接合性を阻害する酸化物
が生成されることを防止できる。ただし、0.001Pa
以下の高真空雰囲気では、炉内の熱伝導性が悪化すると
共に、マグネシウムの揮発が顕著になり炉内を汚染する
といった不具合が生じるため、圧力は0.001Paより
も大きくすることが望ましい。
ため、このような条件下でセラミックス部材と金属製部
材とを接合すると、接合界面に接合性を阻害する酸化物
が生成されることを防止できる。ただし、0.001Pa
以下の高真空雰囲気では、炉内の熱伝導性が悪化すると
共に、マグネシウムの揮発が顕著になり炉内を汚染する
といった不具合が生じるため、圧力は0.001Paより
も大きくすることが望ましい。
【0032】また、この方法では、接合時にセラミック
スと金属製部材との積層方向に機械的な加圧を印加しな
くとも、機械的な加圧を行った場合と同等の強固な接合
性を実現できる。ただし、接合面の位置ずれ等を防止す
る程度のおもりは設置する必要がある。また、本発明方
法の雰囲気下で、機械的加圧をさらに行うことで、より
強固な接合性を有する接合体を製造することができる。
スと金属製部材との積層方向に機械的な加圧を印加しな
くとも、機械的な加圧を行った場合と同等の強固な接合
性を実現できる。ただし、接合面の位置ずれ等を防止す
る程度のおもりは設置する必要がある。また、本発明方
法の雰囲気下で、機械的加圧をさらに行うことで、より
強固な接合性を有する接合体を製造することができる。
【0033】したがって、請求項7に記載の発明方法に
よれば、接合界面での酸化物の生成を防止でき、強固な
接合性を有する接合体を得ることが可能となる。そし
て、上記の請求項1から請求項4のいずれかに記載した
ような強固な接合性と優れた耐食性を有するセラミック
ス部材と金属製部材の接合体は、請求項8に記載のよう
に、陰極側電極(金属製部材)と陽極側電極(金属製部
材)とが絶縁性セラミックスによって絶縁された高温型
二次電池において、電極(金属製部材)と絶縁性セラミ
ックスとが接合された接合体として用いるとよい。
よれば、接合界面での酸化物の生成を防止でき、強固な
接合性を有する接合体を得ることが可能となる。そし
て、上記の請求項1から請求項4のいずれかに記載した
ような強固な接合性と優れた耐食性を有するセラミック
ス部材と金属製部材の接合体は、請求項8に記載のよう
に、陰極側電極(金属製部材)と陽極側電極(金属製部
材)とが絶縁性セラミックスによって絶縁された高温型
二次電池において、電極(金属製部材)と絶縁性セラミ
ックスとが接合された接合体として用いるとよい。
【0034】ここで、高温型二次電池は、高温で運転さ
れており(例えば、Na−S電池は350℃)、内部に
充填されたナトリウムなどの電池活物質が溶融状態で存
在するため、絶縁性セラミックスと電極(金属製部材)
との接合体には、電池活物質に対する優れた耐食性が要
求される。また、高温型二次電池は、停止時と運転時と
の温度差が大きいため、絶縁性セラミックス部材と金属
製部材との熱膨張による応力が無視できないため、強固
な接合性も必要となる。そのため、高温型二次電池を構
成する接合体として、上記発明のような優れた耐食性お
よび高い結合強度を有する接合体を用いることで、絶縁
性セラミックス部材と金属製部材との接合部が浸食ある
いは応力により破損することを防ぐことが出来る。
れており(例えば、Na−S電池は350℃)、内部に
充填されたナトリウムなどの電池活物質が溶融状態で存
在するため、絶縁性セラミックスと電極(金属製部材)
との接合体には、電池活物質に対する優れた耐食性が要
求される。また、高温型二次電池は、停止時と運転時と
の温度差が大きいため、絶縁性セラミックス部材と金属
製部材との熱膨張による応力が無視できないため、強固
な接合性も必要となる。そのため、高温型二次電池を構
成する接合体として、上記発明のような優れた耐食性お
よび高い結合強度を有する接合体を用いることで、絶縁
性セラミックス部材と金属製部材との接合部が浸食ある
いは応力により破損することを防ぐことが出来る。
【0035】したがって、請求項8に記載の発明によれ
ば、高温型二次電池の絶縁性セラミックス部材と金属製
部材との接合部が浸食あるいは応力により破損すること
を防ぎ、耐久性の優れた、長寿命の高温型二次電池を実
現でき、信頼性を向上させることが出来る。
ば、高温型二次電池の絶縁性セラミックス部材と金属製
部材との接合部が浸食あるいは応力により破損すること
を防ぎ、耐久性の優れた、長寿命の高温型二次電池を実
現でき、信頼性を向上させることが出来る。
【0036】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の接合体の実験例
について、図面とともに説明する。 (実験例1)実験例1では、ろう材組成および金属製部
材が各々異なるように作製した接合体1に対して、強度
試験を行った。この実験は、セラミックス部材と金属製
部材との間のアルミニウムを主成分とする合金層(以
下、Al合金層とする)中における、マグネシウム(M
g)とケイ素(Si)からなる合金粒子(Mg2Si )
の存在の有無によって、接合体の接合強度と耐食性がど
の様に変化するかを確認するために実施した。
について、図面とともに説明する。 (実験例1)実験例1では、ろう材組成および金属製部
材が各々異なるように作製した接合体1に対して、強度
試験を行った。この実験は、セラミックス部材と金属製
部材との間のアルミニウムを主成分とする合金層(以
下、Al合金層とする)中における、マグネシウム(M
g)とケイ素(Si)からなる合金粒子(Mg2Si )
の存在の有無によって、接合体の接合強度と耐食性がど
の様に変化するかを確認するために実施した。
【0037】図1は、本実験例に使用したセラミックス
部材と金属製部材との接合体の構成を表しており、図1
(a)は、実験例1の接合体1(試料番号1〜6)の構
成を表している。なお、試料番号5,6の接合体1は、
従来の製造方法による接合体であり、比較実験のために
作製した。
部材と金属製部材との接合体の構成を表しており、図1
(a)は、実験例1の接合体1(試料番号1〜6)の構
成を表している。なお、試料番号5,6の接合体1は、
従来の製造方法による接合体であり、比較実験のために
作製した。
【0038】図1(a)に示すように、実験例1の接合
体1(試料番号1〜6)は、一辺が24mmの立方体であ
るαアルミナからなるセラミックス部材11と、断面形
状が一辺24mmの正方形で厚さが0.5mmの金属製部材
13と、断面形状が一辺24mmの正方形で厚さが0.1
mmのろう材15とから形成される。そして、一辺24mm
の正方形の両表面に各々ろう材15を配置した金属製部
材13が、2つのセラミックス部材11の間に配置され
て形成される積層体を、雰囲気制御が可能なホットプレ
ス機にセットし、昇温、加圧することで接合体1を作製
した。なお、この接合処理により、ろう材15が反応す
ることで、接合体1のAl合金層21として形成され
る。
体1(試料番号1〜6)は、一辺が24mmの立方体であ
るαアルミナからなるセラミックス部材11と、断面形
状が一辺24mmの正方形で厚さが0.5mmの金属製部材
13と、断面形状が一辺24mmの正方形で厚さが0.1
mmのろう材15とから形成される。そして、一辺24mm
の正方形の両表面に各々ろう材15を配置した金属製部
材13が、2つのセラミックス部材11の間に配置され
て形成される積層体を、雰囲気制御が可能なホットプレ
ス機にセットし、昇温、加圧することで接合体1を作製
した。なお、この接合処理により、ろう材15が反応す
ることで、接合体1のAl合金層21として形成され
る。
【0039】そして、接合処理に関して、試料番号1〜
4の接合体1は、前述の積層体を、圧力1Paの真空雰囲
気で560℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60
分間印加するといった手順で作製し、また、試料番号
5,6の接合体1は、前述の積層体を、圧力0.001
Paの真空雰囲気で580℃に加熱し、積層方向に50MP
a の圧力を60分間印加するといった手順で作製した。
4の接合体1は、前述の積層体を、圧力1Paの真空雰囲
気で560℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60
分間印加するといった手順で作製し、また、試料番号
5,6の接合体1は、前述の積層体を、圧力0.001
Paの真空雰囲気で580℃に加熱し、積層方向に50MP
a の圧力を60分間印加するといった手順で作製した。
【0040】次に、使用材料に関して、試料番号1〜3
の接合体1は、金属製部材13として純Al(A105
0)を用い、ろう材15として、アルミニウム(Al)
−ケイ素(Si)−マグネシウム(Mg)からなるろう
材を用いて作製した。ただし、ろう材15は、SiとM
gの含有量比(Si/Mg、原子量%による比)が、試
料番号1〜3で各々異なるようにして接合体1を作製し
た。
の接合体1は、金属製部材13として純Al(A105
0)を用い、ろう材15として、アルミニウム(Al)
−ケイ素(Si)−マグネシウム(Mg)からなるろう
材を用いて作製した。ただし、ろう材15は、SiとM
gの含有量比(Si/Mg、原子量%による比)が、試
料番号1〜3で各々異なるようにして接合体1を作製し
た。
【0041】また、試料番号4の接合体1は、ろう材1
5として、試料番号3とSi/Mgが同じろう材を用
い、金属製部材13として、Al−Mn合金(A300
3)を用いて作製した。さらに、試料番号5の接合体1
は、セラミックス部材11としてαアルミナを用い、ろ
う材15として、Al−Siからなるろう材を用い、金
属製部材13として、純Al(A1050)を用いて作
製し、試料番号6の接合体1は、セラミックス部材11
としてαアルミナを用い、ろう材15として、Al−S
iからなるろう材を用い、金属製部材13として、Al
−Mn合金(A3003)を用いて作製した。
5として、試料番号3とSi/Mgが同じろう材を用
い、金属製部材13として、Al−Mn合金(A300
3)を用いて作製した。さらに、試料番号5の接合体1
は、セラミックス部材11としてαアルミナを用い、ろ
う材15として、Al−Siからなるろう材を用い、金
属製部材13として、純Al(A1050)を用いて作
製し、試料番号6の接合体1は、セラミックス部材11
としてαアルミナを用い、ろう材15として、Al−S
iからなるろう材を用い、金属製部材13として、Al
−Mn合金(A3003)を用いて作製した。
【0042】これら試料番号1〜6の接合材料の詳細お
よび接合条件を表1に示す。そして、上記のような手順
で作製された接合体1(試料番号1〜6)を、各々長手
方向の中央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断
面形状が一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9
本の試験片1aに分割した。このうち、4本の試験片1
aは、420℃に維持したナトリウム(Na)中に10
00時間浸漬させた。このようにして得られた9本の試
験片1aについて、JIS−R1624(セラミックス
接合の曲げ強度試験)に従って強度試験を行い、Naへ
の浸漬前後の接合強度を測定した。
よび接合条件を表1に示す。そして、上記のような手順
で作製された接合体1(試料番号1〜6)を、各々長手
方向の中央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断
面形状が一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9
本の試験片1aに分割した。このうち、4本の試験片1
aは、420℃に維持したナトリウム(Na)中に10
00時間浸漬させた。このようにして得られた9本の試
験片1aについて、JIS−R1624(セラミックス
接合の曲げ強度試験)に従って強度試験を行い、Naへ
の浸漬前後の接合強度を測定した。
【0043】次に、図3は、本実験例における強度試験
の概略構成を示しており、定められた支点間距離を隔て
て設けられた2つの支点71の上に、長手方向が水平と
なるよう試験片1aを配置し、さらに、試験片1aの上
に、2つの支点71の間隔よりも小さく定められた荷重
点距離を隔てて設けられた2つの荷重点73aを有する
荷重部材73を配置して、強度試験を行った。
の概略構成を示しており、定められた支点間距離を隔て
て設けられた2つの支点71の上に、長手方向が水平と
なるよう試験片1aを配置し、さらに、試験片1aの上
に、2つの支点71の間隔よりも小さく定められた荷重
点距離を隔てて設けられた2つの荷重点73aを有する
荷重部材73を配置して、強度試験を行った。
【0044】ここで、試験片1aは、その長手方向の中
央位置であるAl合金層21の中央位置が、2つの支点
71の中間点と重なり、試験片1aのセラミックス部材
11の部分が支点71と接触するように、支点71の上
に配置した。また、荷重部材73は、2つの荷重点73
aの中間点が、試験片1aの長手方向の中央位置と重な
り、荷重点73aが試験片1aのセラミックス部材11
の部分と接触するように、試験片1aの上に配置した。
央位置であるAl合金層21の中央位置が、2つの支点
71の中間点と重なり、試験片1aのセラミックス部材
11の部分が支点71と接触するように、支点71の上
に配置した。また、荷重部材73は、2つの荷重点73
aの中間点が、試験片1aの長手方向の中央位置と重な
り、荷重点73aが試験片1aのセラミックス部材11
の部分と接触するように、試験片1aの上に配置した。
【0045】そして、このように配置された荷重部材7
3の上部に備えられた圧力印加部73bに対して、下方
向に印加する荷重を変化させていき、試験片1aが破断
したときの荷重を接合強度として測定し、さらに、この
ときの試験片1aの破断部位を記録した。
3の上部に備えられた圧力印加部73bに対して、下方
向に印加する荷重を変化させていき、試験片1aが破断
したときの荷重を接合強度として測定し、さらに、この
ときの試験片1aの破断部位を記録した。
【0046】また、各接合体1のAl合金層21につい
て、波長分散型X線分析装置付きのSEMを用い、Al
合金以外の結晶相の存在を調査した。上記の強度試験の
結果および同定された結晶相を表2に示す。
て、波長分散型X線分析装置付きのSEMを用い、Al
合金以外の結晶相の存在を調査した。上記の強度試験の
結果および同定された結晶相を表2に示す。
【0047】
【表1】
【0048】
【表2】
【0049】表2に示す実験例1の結果より、試料番号
1〜4では、Al合金層内に、SiおよびMg2Si を
主成分とする結晶相の存在が確認された。また、試料番
号1〜3の接合強度について、Na浸漬を行っていない
試験片1aでは、破断部位がアルミナ(セラミックス部
材11)であるため、Al合金層21では破断しておら
ず、セラミックス部材11と金属製部材13との接合部
の強度はアルミナよりも大きいことが判る。しかし、N
a浸漬後では、破断部位がアルミナ−金属界面、すなわ
ち接合部(Al合金層21)で破断しており、接合強度
(破断時の荷重)が、Na未浸漬の場合と比べて小さく
なっている。
1〜4では、Al合金層内に、SiおよびMg2Si を
主成分とする結晶相の存在が確認された。また、試料番
号1〜3の接合強度について、Na浸漬を行っていない
試験片1aでは、破断部位がアルミナ(セラミックス部
材11)であるため、Al合金層21では破断しておら
ず、セラミックス部材11と金属製部材13との接合部
の強度はアルミナよりも大きいことが判る。しかし、N
a浸漬後では、破断部位がアルミナ−金属界面、すなわ
ち接合部(Al合金層21)で破断しており、接合強度
(破断時の荷重)が、Na未浸漬の場合と比べて小さく
なっている。
【0050】このことから、Na浸漬により、Al合金
層21の接合強度が低下したことが判る。この接合強度
の低下は、Na浸漬により、Al合金層内に存在する単
体のケイ素粒子(以下、Si粒子とする)がNaにより
浸食されたためと考えられる。
層21の接合強度が低下したことが判る。この接合強度
の低下は、Na浸漬により、Al合金層内に存在する単
体のケイ素粒子(以下、Si粒子とする)がNaにより
浸食されたためと考えられる。
【0051】さらに、Na浸漬後では、試料番号1が最
も接合強度が小さく、試料番号3が最も接合強度が高い
という結果が得られたが、これは、Al合金層内のケイ
素成分(以下、Si成分とする)とマグネシウム成分
(以下、Mg成分とする)との比(Si/Mg、原子量
%による比)が小さいほど、接合強度が高くなることを
示している。
も接合強度が小さく、試料番号3が最も接合強度が高い
という結果が得られたが、これは、Al合金層内のケイ
素成分(以下、Si成分とする)とマグネシウム成分
(以下、Mg成分とする)との比(Si/Mg、原子量
%による比)が小さいほど、接合強度が高くなることを
示している。
【0052】つまり、Si/Mgが小さいほど、Al合
金層内に存在するSiが、Mgと結合したMg2Si と
して存在する割合が大きくなり、単体のSi粒子が存在
する割合が小さいために、Naによる浸食の影響、すな
わち、接合強度の低下の度合が小さくなったと考えられ
る。
金層内に存在するSiが、Mgと結合したMg2Si と
して存在する割合が大きくなり、単体のSi粒子が存在
する割合が小さいために、Naによる浸食の影響、すな
わち、接合強度の低下の度合が小さくなったと考えられ
る。
【0053】また、試料番号3と試料番号4を比較する
と、Al合金層内に存在する結晶相が同じであり、Na
浸漬前後の接合強度の結果は同程度である。よって、金
属製部材13として、純Al(A1050)を用いた場
合と、Al−Mn合金(A3003)を用いた場合とで
は、接合強度にほどんど差異が無いことが判る。
と、Al合金層内に存在する結晶相が同じであり、Na
浸漬前後の接合強度の結果は同程度である。よって、金
属製部材13として、純Al(A1050)を用いた場
合と、Al−Mn合金(A3003)を用いた場合とで
は、接合強度にほどんど差異が無いことが判る。
【0054】そして、従来の製造方法で作製した試料番
号5および試料番号6は、Na浸漬前の破断部位はアル
ミナ(セラミックス部材)であり、Na浸漬前の接合強
度は十分であると判断できるが、Na浸漬後の破断部位
が接合部であり、Na浸漬後の接合強度が極端に低下し
ていることが判る。これは、Al合金層内に存在する結
晶相がSiのみであり、この多量に存在する単体のSi
粒子へのNaによる浸食の影響が大きいため、接合強度
が極端に低下したと判断できる。
号5および試料番号6は、Na浸漬前の破断部位はアル
ミナ(セラミックス部材)であり、Na浸漬前の接合強
度は十分であると判断できるが、Na浸漬後の破断部位
が接合部であり、Na浸漬後の接合強度が極端に低下し
ていることが判る。これは、Al合金層内に存在する結
晶相がSiのみであり、この多量に存在する単体のSi
粒子へのNaによる浸食の影響が大きいため、接合強度
が極端に低下したと判断できる。
【0055】したがって、上記の結果から、セラミック
ス部材と金属製部材との間のAl合金層中にMg2Si
が存在すると、高い接合強度と耐食性が得られることが
確認できた。また、金属製部材13としては、純Alま
たはAl合金のいずれを用いても、接合強度に大きな差
異が無いと判断できる。 (実験例2)実験例2は、ろう材組成および芯材組成が
各々異なるように作製した接合体1に対して、強度試験
を行った。この実験は、セラミックス部材と金属製部材
との間のAl合金層内におけるMg2Si の存在割合が
変化することで、接合体の接合強度と耐食性がどの様に
変化するかを確認するために実施した。
ス部材と金属製部材との間のAl合金層中にMg2Si
が存在すると、高い接合強度と耐食性が得られることが
確認できた。また、金属製部材13としては、純Alま
たはAl合金のいずれを用いても、接合強度に大きな差
異が無いと判断できる。 (実験例2)実験例2は、ろう材組成および芯材組成が
各々異なるように作製した接合体1に対して、強度試験
を行った。この実験は、セラミックス部材と金属製部材
との間のAl合金層内におけるMg2Si の存在割合が
変化することで、接合体の接合強度と耐食性がどの様に
変化するかを確認するために実施した。
【0056】図1(b)に、実験例2の接合体1の構成
を表す。図1(b)に示すように、実験例2の接合体1
(試料番号7〜12)は、一辺が24mmの立方体である
αアルミナからなるセラミックス部材11と、断面形状
が一辺24mmの正方形で厚さが0.5mmの金属製部材1
3と、接合層19とから構成された積層体から形成され
る。ここで、接合層19は、断面形状が一辺24mmの正
方形で厚さが0.1mmのろう材15が、断面形状が一辺
24mmの正方形で厚さが0.5mmまたは1.0mmの芯材
17の両表面に配置されて形成される。なお、実験例2
の積層体は、実験例1の積層体におけるろう材15の位
置に、芯材17とろう材15とから形成される接合層1
9が配置されて構成される。
を表す。図1(b)に示すように、実験例2の接合体1
(試料番号7〜12)は、一辺が24mmの立方体である
αアルミナからなるセラミックス部材11と、断面形状
が一辺24mmの正方形で厚さが0.5mmの金属製部材1
3と、接合層19とから構成された積層体から形成され
る。ここで、接合層19は、断面形状が一辺24mmの正
方形で厚さが0.1mmのろう材15が、断面形状が一辺
24mmの正方形で厚さが0.5mmまたは1.0mmの芯材
17の両表面に配置されて形成される。なお、実験例2
の積層体は、実験例1の積層体におけるろう材15の位
置に、芯材17とろう材15とから形成される接合層1
9が配置されて構成される。
【0057】このように構成された積層体を、実験例1
と同様に雰囲気制御が可能なホットプレス機にセット
し、昇温、加圧することで実験例2の接合体1を作製し
た。このとき、実験例2の接合体1(試料番号7〜1
2)は、上記の積層体を、圧力1Paの真空雰囲気で56
0℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60分間印加
するといった手順で作製した。なお、この接合処理によ
り、接合層19が反応することで、接合体1のAl合金
層21として形成される。
と同様に雰囲気制御が可能なホットプレス機にセット
し、昇温、加圧することで実験例2の接合体1を作製し
た。このとき、実験例2の接合体1(試料番号7〜1
2)は、上記の積層体を、圧力1Paの真空雰囲気で56
0℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60分間印加
するといった手順で作製した。なお、この接合処理によ
り、接合層19が反応することで、接合体1のAl合金
層21として形成される。
【0058】ここで、実験例2(試料番号7〜12)で
は、セラミックス部材11としてαアルミナを用い、ろ
う材15として、Al−Siからなるろう材を用い、芯
材17として、Al−Mg系合金を用いており、ろう材
15に含まれるSi成分の割合と、芯材17に含まれる
Mg成分の割合を変化させることで、接合層19内のS
i/Mgの値、つまり、Al合金層21内のSi/Mg
の値が異なる接合体1(試料番号7〜12)を作製して
いる。
は、セラミックス部材11としてαアルミナを用い、ろ
う材15として、Al−Siからなるろう材を用い、芯
材17として、Al−Mg系合金を用いており、ろう材
15に含まれるSi成分の割合と、芯材17に含まれる
Mg成分の割合を変化させることで、接合層19内のS
i/Mgの値、つまり、Al合金層21内のSi/Mg
の値が異なる接合体1(試料番号7〜12)を作製して
いる。
【0059】また、金属製部材13に関して、試料番号
7〜11では、純Al(A1050)を用い、試料番号
12では、Al−Mn合金(A3003)を用いてい
る。これら試料番号7〜12の接合材料の詳細を表3に
示す。そして、上記のような手順で作製された接合体1
(試料番号7〜12)を、実験例1と同様に、各々長手
方向の中央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断
面形状が一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9
本の試験片1aに分割した。このうち、4本の試験片1
aを420℃に維持したナトリウム(Na)中に100
0時間浸漬させた。このようにして得られた9本の試験
片1aについて、実験例1と同様に、JIS−R162
4(セラミックス接合の曲げ強度試験)に従って強度試
験を行い、Naへの浸漬前後の接合強度を測定し、破断
部位を記録した。
7〜11では、純Al(A1050)を用い、試料番号
12では、Al−Mn合金(A3003)を用いてい
る。これら試料番号7〜12の接合材料の詳細を表3に
示す。そして、上記のような手順で作製された接合体1
(試料番号7〜12)を、実験例1と同様に、各々長手
方向の中央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断
面形状が一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9
本の試験片1aに分割した。このうち、4本の試験片1
aを420℃に維持したナトリウム(Na)中に100
0時間浸漬させた。このようにして得られた9本の試験
片1aについて、実験例1と同様に、JIS−R162
4(セラミックス接合の曲げ強度試験)に従って強度試
験を行い、Naへの浸漬前後の接合強度を測定し、破断
部位を記録した。
【0060】また、各接合体1のAl合金層21につい
て、実験例1と同様に、波長分散型X線分析装置付きの
SEMを用い、Al合金以外の結晶相の存在を調査し
た。そして、実験例2における上記の強度試験の結果お
よび同定された結晶相を表4に示す。
て、実験例1と同様に、波長分散型X線分析装置付きの
SEMを用い、Al合金以外の結晶相の存在を調査し
た。そして、実験例2における上記の強度試験の結果お
よび同定された結晶相を表4に示す。
【0061】
【表3】
【0062】
【表4】
【0063】表4に示す実験例2の結果より、試料番号
7〜10では、Al合金層内に、SiおよびMg2Si
を主成分とする結晶相の存在が確認され、試料番号1
1、12では、Siを主成分とする結晶相は存在せずM
g2Si を主成分とする結晶相のみが存在している。
7〜10では、Al合金層内に、SiおよびMg2Si
を主成分とする結晶相の存在が確認され、試料番号1
1、12では、Siを主成分とする結晶相は存在せずM
g2Si を主成分とする結晶相のみが存在している。
【0064】また、試料番号7〜12のすべての接合強
度について、Na浸漬を行っていない試験片1aでは、
破断部位がアルミナ(セラミックス部材)であるため、
接合部(Al合金層21)では破断しておらず、セラミ
ックス部材11と金属製部材13との接合部の強度はア
ルミナよりも大きいことが判る。
度について、Na浸漬を行っていない試験片1aでは、
破断部位がアルミナ(セラミックス部材)であるため、
接合部(Al合金層21)では破断しておらず、セラミ
ックス部材11と金属製部材13との接合部の強度はア
ルミナよりも大きいことが判る。
【0065】しかし、試料番号7〜10は、Na浸漬後
において、破断部位がアルミナ−金属界面、すなわち接
合部で破断しており、接合強度(破断時の荷重)が、N
a未浸漬の場合と比べて小さくなっている。このことか
ら、Na浸漬により、Al合金層21の接合強度が低下
したことが判る。この接合強度の低下は、Na浸漬によ
り、Al合金層内に存在する単体のSi粒子がNaによ
り浸食されたためと考えられる。
において、破断部位がアルミナ−金属界面、すなわち接
合部で破断しており、接合強度(破断時の荷重)が、N
a未浸漬の場合と比べて小さくなっている。このことか
ら、Na浸漬により、Al合金層21の接合強度が低下
したことが判る。この接合強度の低下は、Na浸漬によ
り、Al合金層内に存在する単体のSi粒子がNaによ
り浸食されたためと考えられる。
【0066】さらに、試料番号7〜11では、Na浸漬
後において、試料番号7が最も接合強度が小さく、試料
番号11が最も接合強度が高いという結果が得られた
が、これは、Al合金層内のSi成分とMg成分との比
(Si/Mg、原子量%による比)が小さいほど、接合
強度が高くなることを示している。
後において、試料番号7が最も接合強度が小さく、試料
番号11が最も接合強度が高いという結果が得られた
が、これは、Al合金層内のSi成分とMg成分との比
(Si/Mg、原子量%による比)が小さいほど、接合
強度が高くなることを示している。
【0067】つまり、Si/Mgが小さいほど、Al合
金層内に存在するSiが、Mgと結合したMg2Si と
して存在する割合が大きくなり、単体のSi粒子が存在
する割合が小さいために、Naによる浸食の影響、すな
わち、接合強度の低下の度合が小さくなったと考えられ
る。
金層内に存在するSiが、Mgと結合したMg2Si と
して存在する割合が大きくなり、単体のSi粒子が存在
する割合が小さいために、Naによる浸食の影響、すな
わち、接合強度の低下の度合が小さくなったと考えられ
る。
【0068】特に、Si/Mgが最も小さい試料番号1
1は、Na浸漬後の強度試験でも、破断部位がアルミナ
であり、接合部での破断が起きていないことから、Si
/Mgが0.4以下であれば、Naに対する耐食性が特
に優れた接合体1を得られることが判る。
1は、Na浸漬後の強度試験でも、破断部位がアルミナ
であり、接合部での破断が起きていないことから、Si
/Mgが0.4以下であれば、Naに対する耐食性が特
に優れた接合体1を得られることが判る。
【0069】そして、Na浸漬後の強度試験の結果か
ら、実用上問題の無い接合強度(230MPa )を有する
接合体を得るためには、Si/Mgが1以下、すなわ
ち、Al合金層中のSi成分の含有量(原子量%)が、
Mg成分の含有量(原子量%)以下とするとよい。
ら、実用上問題の無い接合強度(230MPa )を有する
接合体を得るためには、Si/Mgが1以下、すなわ
ち、Al合金層中のSi成分の含有量(原子量%)が、
Mg成分の含有量(原子量%)以下とするとよい。
【0070】また、試料番号12は、Na浸漬後の破断
部位が接合部ではないことから、前述の試料番号11と
同様に、耐食性に優れた接合体1であることが判る。し
かし、試料番号11と試料番号12は、金属製部材13
が、各々、純Al(A1050)とAl−Mn合金(A
3003)で形成されており、異なった材料が用いられ
ている。このことから、金属製部材13として、純Al
とAl合金のいずれを用いても、耐食性に優れた接合体
が得られることが判る。
部位が接合部ではないことから、前述の試料番号11と
同様に、耐食性に優れた接合体1であることが判る。し
かし、試料番号11と試料番号12は、金属製部材13
が、各々、純Al(A1050)とAl−Mn合金(A
3003)で形成されており、異なった材料が用いられ
ている。このことから、金属製部材13として、純Al
とAl合金のいずれを用いても、耐食性に優れた接合体
が得られることが判る。
【0071】したがって、上記の結果から、セラミック
ス部材と金属製部材との間のAl合金層中に存在するM
g2Si の割合が大きくなるほど、高い接合強度と耐食
性が得られることが確認できた。さらに、Al合金層中
に単体のSi粒子が存在しなくなると、Naに対する優
れた耐食性を有する接合体となることが判る。 (実験例3)実験例3は、金属製部材が異なる材質から
なる接合体1に対して、強度試験を行った。この実験
は、セラミックス部材と接合される金属製部材の材質が
異なることで、接合体の接合強度と耐食性がどの様に変
化するかを確認するために実施した。
ス部材と金属製部材との間のAl合金層中に存在するM
g2Si の割合が大きくなるほど、高い接合強度と耐食
性が得られることが確認できた。さらに、Al合金層中
に単体のSi粒子が存在しなくなると、Naに対する優
れた耐食性を有する接合体となることが判る。 (実験例3)実験例3は、金属製部材が異なる材質から
なる接合体1に対して、強度試験を行った。この実験
は、セラミックス部材と接合される金属製部材の材質が
異なることで、接合体の接合強度と耐食性がどの様に変
化するかを確認するために実施した。
【0072】そして、実験例3の接合体1の構成は、実
験例2と同様であり、図1(b)に示すように、セラミ
ックス部材11と、金属製部材13と、ろう材15およ
び芯材17からなる接合層19とから構成された積層体
から形成される。このように構成された積層体を、実験
例2の積層体と同様に、雰囲気制御が可能なホットプレ
ス機にセットし、圧力1Paの真空雰囲気で560℃に加
熱し、積層方向に5MPa の圧力を60分間印加するとい
った手順で、実験例3の接合体1(試料番号13、1
4)を作製した。なお、試料番号13の接合体1は、請
求範囲外の条件において作製した接合体であり、比較実
験のために作製した。
験例2と同様であり、図1(b)に示すように、セラミ
ックス部材11と、金属製部材13と、ろう材15およ
び芯材17からなる接合層19とから構成された積層体
から形成される。このように構成された積層体を、実験
例2の積層体と同様に、雰囲気制御が可能なホットプレ
ス機にセットし、圧力1Paの真空雰囲気で560℃に加
熱し、積層方向に5MPa の圧力を60分間印加するとい
った手順で、実験例3の接合体1(試料番号13、1
4)を作製した。なお、試料番号13の接合体1は、請
求範囲外の条件において作製した接合体であり、比較実
験のために作製した。
【0073】そして、試料番号13、14ともに、セラ
ミックス部材11、ろう材15および芯材17として、
実験例2で接合強度および耐食性が優れていた試料番号
11と同じ材料を用いた。また、金属製部材13として
は、試料番号13が、ステンレス系金属(SUS30
4)を用い、試料番号14が、クロマイズ処理したSU
S304を用いて形成されている。
ミックス部材11、ろう材15および芯材17として、
実験例2で接合強度および耐食性が優れていた試料番号
11と同じ材料を用いた。また、金属製部材13として
は、試料番号13が、ステンレス系金属(SUS30
4)を用い、試料番号14が、クロマイズ処理したSU
S304を用いて形成されている。
【0074】これら試料番号13、14の接合材料の詳
細を表5に示す。そして、作製された接合体1(試料番
号13、14)を、実験例1と同様に、各々長手方向の
中央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断面形状
が一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9本の試
験片1aに分割し、このうち、4本の試験片1aを42
0℃に維持したナトリウム(Na)中に1000時間浸
漬した。このようにして得られた9本の試験片1aにつ
いて、実験例1と同様に、JIS−R1624(セラミ
ックス接合の曲げ強度試験)に従って強度試験を行い、
Naへの浸漬前後の接合強度を測定し、破断部位を記録
した。
細を表5に示す。そして、作製された接合体1(試料番
号13、14)を、実験例1と同様に、各々長手方向の
中央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断面形状
が一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9本の試
験片1aに分割し、このうち、4本の試験片1aを42
0℃に維持したナトリウム(Na)中に1000時間浸
漬した。このようにして得られた9本の試験片1aにつ
いて、実験例1と同様に、JIS−R1624(セラミ
ックス接合の曲げ強度試験)に従って強度試験を行い、
Naへの浸漬前後の接合強度を測定し、破断部位を記録
した。
【0075】また、各接合体1のAl合金層21につい
て、実験例1と同様に、波長分散型X線分析装置付きの
SEMを用い、Al合金以外の結晶相の存在を調査し
た。そして、実験例3における上記の強度試験の結果お
よび同定された結晶相を表6に示す。
て、実験例1と同様に、波長分散型X線分析装置付きの
SEMを用い、Al合金以外の結晶相の存在を調査し
た。そして、実験例3における上記の強度試験の結果お
よび同定された結晶相を表6に示す。
【0076】
【表5】
【0077】
【表6】
【0078】表6に示す実験例3の結果より、試料番号
13では、Al合金層内に、Al−Feを主成分とする
結晶相およびMg2Si を主成分とする結晶相が確認さ
れ、試料番号14では、Al−Si−Crを主成分とす
る結晶相およびMg2Si を主成分とする結晶相が存在
している。
13では、Al合金層内に、Al−Feを主成分とする
結晶相およびMg2Si を主成分とする結晶相が確認さ
れ、試料番号14では、Al−Si−Crを主成分とす
る結晶相およびMg2Si を主成分とする結晶相が存在
している。
【0079】このように、試料番号13では、Al−F
eからなる脆弱な金属間化合物がAl合金層21に生成
されるため、Na浸漬前の強度試験においても、122
MPaという低い圧力で接合部が破断してしまい、接合強
度が極端に低いことが判る。一方、試料番号14は、強
度試験において、Na浸漬前後ともに接合部で破断して
いるが、230MPa の圧力に耐え得る接合強度を持つこ
とから、実用上は十分な強度を備えているといえる。こ
れは、金属製部材13が表面にCr拡散層を有すること
で、Al合金層21に形成されるAl−Si−Crから
なる層が、Al−Feからなる脆弱な合金の生成を防ぐ
拡散バリアとなり、脆弱な金属間化合物の形成を防止し
たため、強固な接合性を有する接合体を実現できたと考
えられる。
eからなる脆弱な金属間化合物がAl合金層21に生成
されるため、Na浸漬前の強度試験においても、122
MPaという低い圧力で接合部が破断してしまい、接合強
度が極端に低いことが判る。一方、試料番号14は、強
度試験において、Na浸漬前後ともに接合部で破断して
いるが、230MPa の圧力に耐え得る接合強度を持つこ
とから、実用上は十分な強度を備えているといえる。こ
れは、金属製部材13が表面にCr拡散層を有すること
で、Al合金層21に形成されるAl−Si−Crから
なる層が、Al−Feからなる脆弱な合金の生成を防ぐ
拡散バリアとなり、脆弱な金属間化合物の形成を防止し
たため、強固な接合性を有する接合体を実現できたと考
えられる。
【0080】そして、試料番号13、14共に、Na浸
漬の前後で接合強度が変化していないことから、Naに
対する耐食性が優れていることが判る。これは、Al合
金層21に単体のSi粒子が存在していないために、N
aによる浸食の影響を受けないためと考えられる。
漬の前後で接合強度が変化していないことから、Naに
対する耐食性が優れていることが判る。これは、Al合
金層21に単体のSi粒子が存在していないために、N
aによる浸食の影響を受けないためと考えられる。
【0081】したがって、上記の結果から、金属製部材
13として、ステンレス系金属を用いる場合には、表面
にCr拡散層を設けることで、脆弱な合金の生成を防止
でき、実用上十分な接合強度を有する接合体が得られる
ことが確認できた。また、金属製部材13として、Al
またはAl合金を用いた実験例1、2の試験結果と、金
属製部材13として、ステンレス系金属を用いた試料番
号13の試験結果とを比較すると、金属製部材13とし
て、AlまたはAl合金を用いた実験例1、2の接合体
が接合強度において優れている。このため、金属製部材
13としては、AlまたはAl合金を用いると、接合強
度の高い接合体が得られることが判る。 (実験例4)実験例4は、接合時の雰囲気および加圧条
件が各々異なるように作製した接合体1に対して、強度
試験を行った。これは、接合体1を形成する材料が同一
で、雰囲気や加圧条件などの接合条件が異なることで、
接合体の接合強度と耐食性がどの様に変化するかを確認
するために実施した。
13として、ステンレス系金属を用いる場合には、表面
にCr拡散層を設けることで、脆弱な合金の生成を防止
でき、実用上十分な接合強度を有する接合体が得られる
ことが確認できた。また、金属製部材13として、Al
またはAl合金を用いた実験例1、2の試験結果と、金
属製部材13として、ステンレス系金属を用いた試料番
号13の試験結果とを比較すると、金属製部材13とし
て、AlまたはAl合金を用いた実験例1、2の接合体
が接合強度において優れている。このため、金属製部材
13としては、AlまたはAl合金を用いると、接合強
度の高い接合体が得られることが判る。 (実験例4)実験例4は、接合時の雰囲気および加圧条
件が各々異なるように作製した接合体1に対して、強度
試験を行った。これは、接合体1を形成する材料が同一
で、雰囲気や加圧条件などの接合条件が異なることで、
接合体の接合強度と耐食性がどの様に変化するかを確認
するために実施した。
【0082】そして、実験例4の接合体1の構成は、実
験例2と同様であり、図1(b)に示すように、セラミ
ックス部材11、金属製部材13、ろう材15および芯
材17からなる接合層19とから構成された積層体から
形成される。ここで、実験例4では、試料番号15〜2
0のすべての接合体1が、セラミックス部材11とし
て、αアルミナを用い、ろう材15、芯材17および金
属製部材13として、実験例2で接合強度および耐食性
が優れていた試料番号12と同じ材料を用いて形成され
ている。
験例2と同様であり、図1(b)に示すように、セラミ
ックス部材11、金属製部材13、ろう材15および芯
材17からなる接合層19とから構成された積層体から
形成される。ここで、実験例4では、試料番号15〜2
0のすべての接合体1が、セラミックス部材11とし
て、αアルミナを用い、ろう材15、芯材17および金
属製部材13として、実験例2で接合強度および耐食性
が優れていた試料番号12と同じ材料を用いて形成され
ている。
【0083】そして、実験例4の積層体を、実験例2の
積層体と同様に雰囲気制御が可能なホットプレス機にセ
ットし、雰囲気(圧力)、接合温度、加圧条件が各々異
なるように設定された条件下に60分間設置すること
で、実験例4の接合体1(試料番号15〜20)作製し
た。なお、試料番号16は、本発明による接合体の効果
を確認するための比較例として作製した接合体である。
まず、試料番号15は、圧力10Paの真空雰囲気で56
0℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60分間印加
するといった手順で作製した。次に、試料番号16は、
圧力100Paの中真空雰囲気で560℃に加熱し、積層
方向に5MPa の圧力を60分間印加するといった手順で
作製した。そして、試料番号17は、大気圧のアルゴン
中で560℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60
分間印加するといった手順で作製した。さらに、試料番
号18は、大気圧の窒素中で560℃に加熱し、積層方
向に5MPa の圧力を60分間印加するといった手順で作
製した。次に、試料番号19は、圧力1Paの真空雰囲気
で570℃に加熱し、積層方向に0.1MPa の圧力を6
0分間印加するといった手順で作製した。そして、試料
番号20は、圧力1Paの真空雰囲気で570℃に加熱
し、積層方向への圧力は印加せず、60分間設置すると
いった手順で作製した。
積層体と同様に雰囲気制御が可能なホットプレス機にセ
ットし、雰囲気(圧力)、接合温度、加圧条件が各々異
なるように設定された条件下に60分間設置すること
で、実験例4の接合体1(試料番号15〜20)作製し
た。なお、試料番号16は、本発明による接合体の効果
を確認するための比較例として作製した接合体である。
まず、試料番号15は、圧力10Paの真空雰囲気で56
0℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60分間印加
するといった手順で作製した。次に、試料番号16は、
圧力100Paの中真空雰囲気で560℃に加熱し、積層
方向に5MPa の圧力を60分間印加するといった手順で
作製した。そして、試料番号17は、大気圧のアルゴン
中で560℃に加熱し、積層方向に5MPa の圧力を60
分間印加するといった手順で作製した。さらに、試料番
号18は、大気圧の窒素中で560℃に加熱し、積層方
向に5MPa の圧力を60分間印加するといった手順で作
製した。次に、試料番号19は、圧力1Paの真空雰囲気
で570℃に加熱し、積層方向に0.1MPa の圧力を6
0分間印加するといった手順で作製した。そして、試料
番号20は、圧力1Paの真空雰囲気で570℃に加熱
し、積層方向への圧力は印加せず、60分間設置すると
いった手順で作製した。
【0084】これら試料番号15〜20の接合条件の詳
細を表7に示す。そして、作製した接合体1(試料番号
15〜20)を、実験例1と同様に、各々長手方向の中
央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断面形状が
一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9本の試験
片1aに分割し、このうち、4本の試験片1aを420
℃に維持したナトリウム(Na)中に1000時間浸漬
した。このようにして得られた9本の試験片1aについ
て、実験例1と同様に、JIS−R1624(セラミッ
クス接合の曲げ強度試験)に従って強度試験を行い、N
aへの浸漬前後の接合強度を測定し、破断部位を記録し
た。
細を表7に示す。そして、作製した接合体1(試料番号
15〜20)を、実験例1と同様に、各々長手方向の中
央位置に接合部(Al合金層21)を有し、断面形状が
一辺6mmの正方形で、長さが約48mmである9本の試験
片1aに分割し、このうち、4本の試験片1aを420
℃に維持したナトリウム(Na)中に1000時間浸漬
した。このようにして得られた9本の試験片1aについ
て、実験例1と同様に、JIS−R1624(セラミッ
クス接合の曲げ強度試験)に従って強度試験を行い、N
aへの浸漬前後の接合強度を測定し、破断部位を記録し
た。
【0085】また、各接合体1のAl合金層について、
実験例1と同様に、波長分散型X線分析装置付きのSE
Mを用い、Al合金以外の結晶相の存在を調査した。そ
して、実験例4における上記の強度試験の結果および同
定された結晶相を表8に示す。
実験例1と同様に、波長分散型X線分析装置付きのSE
Mを用い、Al合金以外の結晶相の存在を調査した。そ
して、実験例4における上記の強度試験の結果および同
定された結晶相を表8に示す。
【0086】
【表7】
【0087】
【表8】
【0088】表8に示す実験例4の結果より、試料番号
15〜20のすべての接合体1において、Al合金層内
に、単体のSi粒子の存在は確認されず、Mg2Si を
主成分とする結晶相が確認された。そして、試料番号1
5、17〜19では、強度試験において、Na浸漬前後
ともに、破断部位がアルミナであり、セラミックス部材
11と金属製部材13との接合部の強度はアルミナより
も大きく、優れた耐食性を有していることが判る。ま
た、試料番号20においては、Na浸漬後の破断部位が
アルミナ−金属界面、すなわち接合部(Al合金層2
1)となっているが、230MPa の圧力に耐え得る接合
強度を持つことから、実用上は十分な強度を備えている
といえる。この優れた耐食性は、接合材料として、実験
例2で優れた耐食性を有していた試料番号12と同じ接
合材料を用いたことで、Al合金層21に単体のSi粒
子を無くすことができたために得られたと判断できる。
15〜20のすべての接合体1において、Al合金層内
に、単体のSi粒子の存在は確認されず、Mg2Si を
主成分とする結晶相が確認された。そして、試料番号1
5、17〜19では、強度試験において、Na浸漬前後
ともに、破断部位がアルミナであり、セラミックス部材
11と金属製部材13との接合部の強度はアルミナより
も大きく、優れた耐食性を有していることが判る。ま
た、試料番号20においては、Na浸漬後の破断部位が
アルミナ−金属界面、すなわち接合部(Al合金層2
1)となっているが、230MPa の圧力に耐え得る接合
強度を持つことから、実用上は十分な強度を備えている
といえる。この優れた耐食性は、接合材料として、実験
例2で優れた耐食性を有していた試料番号12と同じ接
合材料を用いたことで、Al合金層21に単体のSi粒
子を無くすことができたために得られたと判断できる。
【0089】また、加圧条件に着目すると、全く加圧を
行っていない試料番号20が、Na浸漬後の強度試験に
おいて、実用上問題無い接合強度を有していることか
ら、接合材料および雰囲気(圧力)や温度などの接合条
件を、適切な条件にすることで、加圧をしなくとも実用
上十分な接合強度が得られることが判る。
行っていない試料番号20が、Na浸漬後の強度試験に
おいて、実用上問題無い接合強度を有していることか
ら、接合材料および雰囲気(圧力)や温度などの接合条
件を、適切な条件にすることで、加圧をしなくとも実用
上十分な接合強度が得られることが判る。
【0090】ただし、試料番号19と試料番号20とを
比較すると、試料番号19では、Na浸漬後も破断部位
がアルミナであることから、加圧を行わない場合(試料
番号20)よりも、小さい圧力であっても加圧を行う場
合(試料番号19)の方が、より強固な接合性と優れた
耐食性を得られることが判る。試料番号19では、圧力
として0.1MPa を印加しており、従来の加圧条件(5
0Mpa )と比べて、僅かな圧力でも高い接合強度が得ら
れている。
比較すると、試料番号19では、Na浸漬後も破断部位
がアルミナであることから、加圧を行わない場合(試料
番号20)よりも、小さい圧力であっても加圧を行う場
合(試料番号19)の方が、より強固な接合性と優れた
耐食性を得られることが判る。試料番号19では、圧力
として0.1MPa を印加しており、従来の加圧条件(5
0Mpa )と比べて、僅かな圧力でも高い接合強度が得ら
れている。
【0091】次に、雰囲気(圧力)に着目すると、比較
例である試料番号16の強度試験の結果が、Na浸漬前
においても、破断部位が接合部(Al合金層21)であ
り、接合強度が134MPa と低くなっている。しかし、
試料番号16での接合強度の低下は、接合時の雰囲気圧
力が高いこと、つまり、真空状態ではなく中真空状態
(100Pa)であることが原因ではない。そして、試料
番号16での接合強度の低下は、雰囲気が中真空状態と
なることで、酸素が周囲に存在するために、接合界面に
酸化物が生成されたことが原因と考えられる。
例である試料番号16の強度試験の結果が、Na浸漬前
においても、破断部位が接合部(Al合金層21)であ
り、接合強度が134MPa と低くなっている。しかし、
試料番号16での接合強度の低下は、接合時の雰囲気圧
力が高いこと、つまり、真空状態ではなく中真空状態
(100Pa)であることが原因ではない。そして、試料
番号16での接合強度の低下は、雰囲気が中真空状態と
なることで、酸素が周囲に存在するために、接合界面に
酸化物が生成されたことが原因と考えられる。
【0092】このことは、試料番号17、18が、Na
浸漬前後ともに強固な接合強度が実現できることからも
判断できる。つまり、試料番号17、18のように、大
気圧力中であっても、アルゴンや窒素のような非酸化性
ガスが周囲を占めている場合には、酸素が存在しないた
め、接合界面に酸化物が生成されることがない。このた
め、試料番号17、18は、大気圧下で接合したにも拘
わらず、接合強度が低下していないのである。
浸漬前後ともに強固な接合強度が実現できることからも
判断できる。つまり、試料番号17、18のように、大
気圧力中であっても、アルゴンや窒素のような非酸化性
ガスが周囲を占めている場合には、酸素が存在しないた
め、接合界面に酸化物が生成されることがない。このた
め、試料番号17、18は、大気圧下で接合したにも拘
わらず、接合強度が低下していないのである。
【0093】また、試料番号15は、真空(10Pa)中
で、接合されていることから、酸素が僅かしか存在しな
いため、接合界面に酸化物が生成されず、高い接合強度
となっているのである。したがって、上記の結果から、
接合時の雰囲気が非酸化性ガス中、または10Pa以下の
真空中であれば、接合界面に酸化物の生成を防止するこ
とができ、強固な接合性を有する接合体を得ることが出
来る。また、加圧条件としての圧力は、かなり小さく設
定した場合でも、実用上問題の無い接合強度を実現でき
ることが判る。
で、接合されていることから、酸素が僅かしか存在しな
いため、接合界面に酸化物が生成されず、高い接合強度
となっているのである。したがって、上記の結果から、
接合時の雰囲気が非酸化性ガス中、または10Pa以下の
真空中であれば、接合界面に酸化物の生成を防止するこ
とができ、強固な接合性を有する接合体を得ることが出
来る。また、加圧条件としての圧力は、かなり小さく設
定した場合でも、実用上問題の無い接合強度を実現でき
ることが判る。
【0094】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面と共に説明す
る。まず、図2は、実施例の高温型二次電池(Na−S
電池)の構成を表す説明図である。
る。まず、図2は、実施例の高温型二次電池(Na−S
電池)の構成を表す説明図である。
【0095】図2(a)に示すように、本実施例のNa
−S電池31は、陽極電極となる有底円筒形状の電槽4
9と、電槽49の内部に配置される有底円筒形状の固体
電解質管45と、固体電解質管45の開口端から挿入さ
れる柱状の中心電極51を備え、固体電解質管45の内
部を密閉する円盤状の陰極蓋33と、陽極側金属製部材
41および陰極側金属製部材35と接合され、陽極側金
属製部材41と陰極側金属製部材35とを絶縁している
環状の絶縁リング37と、を備えている。
−S電池31は、陽極電極となる有底円筒形状の電槽4
9と、電槽49の内部に配置される有底円筒形状の固体
電解質管45と、固体電解質管45の開口端から挿入さ
れる柱状の中心電極51を備え、固体電解質管45の内
部を密閉する円盤状の陰極蓋33と、陽極側金属製部材
41および陰極側金属製部材35と接合され、陽極側金
属製部材41と陰極側金属製部材35とを絶縁している
環状の絶縁リング37と、を備えている。
【0096】なお、電槽49、陰極蓋33、陽極側金属
製部材41および陰極側金属製部材35は、クロマイズ
処理したステンレスからなり、絶縁リング37は、αア
ルミナからなり、固体電解質管45はβアルミナ質から
なり、中心電極51は銅からなる。
製部材41および陰極側金属製部材35は、クロマイズ
処理したステンレスからなり、絶縁リング37は、αア
ルミナからなり、固体電解質管45はβアルミナ質から
なり、中心電極51は銅からなる。
【0097】そして、陽極側金属製部材41は電槽49
の開口端に溶接され、陰極側金属製部材35は陰極蓋3
3に溶接され、絶縁リング37は接合用ガラス39を介
して固体電解質管45に接合されている。また、固体電
解質管45の内部にはナトリウム(Na)43が充填さ
れ、電槽49と固体電解質管45との間には硫黄(S)
47が充填されている。
の開口端に溶接され、陰極側金属製部材35は陰極蓋3
3に溶接され、絶縁リング37は接合用ガラス39を介
して固体電解質管45に接合されている。また、固体電
解質管45の内部にはナトリウム(Na)43が充填さ
れ、電槽49と固体電解質管45との間には硫黄(S)
47が充填されている。
【0098】ここで、絶縁リング37、陽極側金属製部
材41、陰極側金属製部材35、固体電解質管45の接
合部分の断面を拡大した説明図を、図2(b)に示す。
図2(b)において、絶縁リング37は、内面37a
が、接合用ガラス39を介して固体電解質管45に接合
されている。
材41、陰極側金属製部材35、固体電解質管45の接
合部分の断面を拡大した説明図を、図2(b)に示す。
図2(b)において、絶縁リング37は、内面37a
が、接合用ガラス39を介して固体電解質管45に接合
されている。
【0099】そして、絶縁リング37の上面37bと陰
極側金属製部材35との間に、芯材17の両表面にろう
材15が配置された接合層19を配置し、接合処理を行
うと、絶縁リング37と陰極側金属製部材35とが一体
に接合される。この接合処理により、接合層19は、A
l合金層21となり、絶縁リング37と陰極側金属製部
材35との接合体を形成する。また、絶縁リング37の
下面37cと陽極側金属製部材41との間に、絶縁リン
グ37の上面37bと陰極側金属製部材35との間に配
置された接合層19と同様の接合層19を配置し、接合
処理を行うと、絶縁リング37と陽極側金属製部材41
とが一体に接合される。
極側金属製部材35との間に、芯材17の両表面にろう
材15が配置された接合層19を配置し、接合処理を行
うと、絶縁リング37と陰極側金属製部材35とが一体
に接合される。この接合処理により、接合層19は、A
l合金層21となり、絶縁リング37と陰極側金属製部
材35との接合体を形成する。また、絶縁リング37の
下面37cと陽極側金属製部材41との間に、絶縁リン
グ37の上面37bと陰極側金属製部材35との間に配
置された接合層19と同様の接合層19を配置し、接合
処理を行うと、絶縁リング37と陽極側金属製部材41
とが一体に接合される。
【0100】このとき、ろう材15および芯材17に
は、前述の実験例の試料番号14と同じ材料を用い、ま
た、雰囲気(圧力)や加圧条件などの接合条件を、試料
番号14の接合条件と同様にして、陽極側金属製部材4
1、絶縁リング37、陰極側金属製部材35の順に構成
された接合体が形成される。
は、前述の実験例の試料番号14と同じ材料を用い、ま
た、雰囲気(圧力)や加圧条件などの接合条件を、試料
番号14の接合条件と同様にして、陽極側金属製部材4
1、絶縁リング37、陰極側金属製部材35の順に構成
された接合体が形成される。
【0101】したがって、絶縁リング37と陽極側金属
製部材41、および絶縁リング37と陰極側金属製部材
35は、Mg2Si が含まれたAl合金層により接合さ
れ、前述の実験例の試料番号14と同様の接合強度およ
び耐食性を有する接合体として備えられる。
製部材41、および絶縁リング37と陰極側金属製部材
35は、Mg2Si が含まれたAl合金層により接合さ
れ、前述の実験例の試料番号14と同様の接合強度およ
び耐食性を有する接合体として備えられる。
【0102】このように構成された実施例のNa−S電
池は、350℃の条件下で運転されるため、Naが溶融
した状態となり、陰極側金属製部材35と絶縁リング3
7との間のAl合金層21は、浸食され易い状態とな
る。しかしながら、本実施例のNa−S電池における陰
極側金属製部材35と絶縁リング37との接合部は、前
述の実験例における試料番号14の実験結果から判るよ
うに、優れた耐食性を有するため、Naによる浸食の影
響はほどんど見られない。また、この接合部は、接合強
度が十分であることから、運転時と停止時との温度差に
より絶縁リング37と陽極側金属製部材41、絶縁リン
グ37と陰極側金属製部材35との間に発生する応力に
も耐えられる。
池は、350℃の条件下で運転されるため、Naが溶融
した状態となり、陰極側金属製部材35と絶縁リング3
7との間のAl合金層21は、浸食され易い状態とな
る。しかしながら、本実施例のNa−S電池における陰
極側金属製部材35と絶縁リング37との接合部は、前
述の実験例における試料番号14の実験結果から判るよ
うに、優れた耐食性を有するため、Naによる浸食の影
響はほどんど見られない。また、この接合部は、接合強
度が十分であることから、運転時と停止時との温度差に
より絶縁リング37と陽極側金属製部材41、絶縁リン
グ37と陰極側金属製部材35との間に発生する応力に
も耐えられる。
【0103】よって、本実施例のNa−S電池によれ
ば、絶縁リング37と陽極側金属製部材41、絶縁リン
グ37と陰極側金属製部材35との接合が、強固な接合
性と優れた耐食性を有しているため、信頼性の高い二次
電池を実現できる。
ば、絶縁リング37と陽極側金属製部材41、絶縁リン
グ37と陰極側金属製部材35との接合が、強固な接合
性と優れた耐食性を有しているため、信頼性の高い二次
電池を実現できる。
【図1】 実験例の接合体の構成を表す説明図である。
【図2】 実施例の高温型二次電池の構成を表す説明図
である。
である。
【図3】 実験例における強度試験の概略構成を示す説
明図である。
明図である。
1…接合体、1a…試験片、11…セラミックス部材、
13…金属製部材、15…ろう材、17…芯材、19…
接合層、21…Al合金層、31…Na−S電池、33
…陰極蓋、35…陰極側金属製部材、37…絶縁リン
グ、37a…内面、37b…上面、37c…下面、39
…接合用ガラス、41…陽極側金属製部材、43…ナト
リウム(Na)、45…固体電解質管、47…硫黄
(S)、49…電槽、51…中心電極、71…支点、7
3…荷重部材、73a…荷重点、73b…圧力印加部。
13…金属製部材、15…ろう材、17…芯材、19…
接合層、21…Al合金層、31…Na−S電池、33
…陰極蓋、35…陰極側金属製部材、37…絶縁リン
グ、37a…内面、37b…上面、37c…下面、39
…接合用ガラス、41…陽極側金属製部材、43…ナト
リウム(Na)、45…固体電解質管、47…硫黄
(S)、49…電槽、51…中心電極、71…支点、7
3…荷重部材、73a…荷重点、73b…圧力印加部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯尾 聡 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Fターム(参考) 4G026 BA01 BB24 BB26 BB27 BF20 BG02 5H029 AJ11 AJ13 AK05 AL13 CJ05 CJ28 DJ02 DJ03 EJ01 EJ08 HJ02 HJ15
Claims (8)
- 【請求項1】 セラミックス部材と金属製部材とが、ア
ルミニウムを主成分とする合金層を介して接合された接
合体において、当該合金層内にマグネシウムとケイ素か
らなる合金粒子が存在すること、を特徴とするセラミッ
クスと金属の接合体。 - 【請求項2】 前記合金層中のケイ素成分の含有量(原
子量%)は、マグネシウム成分の含有量(原子量%)以
下であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック
スと金属の接合体。 - 【請求項3】 前記セラミックス部材と接合される前記
金属製部材が、アルミニウムまたはアルミニウムを主成
分とする合金であることを特徴とする請求項1または請
求項2に記載のセラミックスと金属の接合体。 - 【請求項4】 前記セラミックス部材と接合される前記
金属製部材が鉄またはステンレス系金属からなる接合体
において、前記セラミックス部材と接合される前記金属
製部材の表面にクロムを主成分とする層を形成したこ
と、を特徴とする請求項1または請求項2に記載のセラ
ミックスと金属の接合体。 - 【請求項5】 セラミックス部材と金属製部材とが、ア
ルミニウムを主成分とする合金層を介して接合された接
合体の製造方法であって、前記合金層を、少なくともア
ルミニウムとケイ素とマグネシウムからなるろう材を用
いて形成することを特徴とするセラミックスと金属の接
合体の製造方法。 - 【請求項6】 セラミックス部材と金属製部材とが、ア
ルミニウムを主成分とする合金層を介して接合された接
合体の製造方法であって、前記合金層を、少なくともマ
グネシウムを含有するアルミニウムを主成分とする合金
からなる芯材と、該芯材の両表面に、少なくともアルミ
ニウムとケイ素からなるろう材とを配置して形成するこ
と、を特徴とするセラミックスと金属の接合体の製造方
法。 - 【請求項7】 接合時の雰囲気が、非酸化性ガス中、ま
たは10Pa以下の真空中であることを特徴とする請求項
5または請求項6に記載のセラミックスと金属の接合体
の製造方法。 - 【請求項8】 陰極側金属製部材と陽極側金属製部材と
が絶縁性セラミックスによって絶縁された高温型二次電
池において、前記各金属製部材と前記絶縁性セラミック
スとが接合された接合体として、請求項1から請求項4
のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合体を用い
たことを特徴とする高温型二次電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11134298A JP2000327442A (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | セラミックスと金属の接合体および製造方法並びに高温型二次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11134298A JP2000327442A (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | セラミックスと金属の接合体および製造方法並びに高温型二次電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000327442A true JP2000327442A (ja) | 2000-11-28 |
Family
ID=15125024
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11134298A Pending JP2000327442A (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | セラミックスと金属の接合体および製造方法並びに高温型二次電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000327442A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007200568A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-08-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 |
JP2012076937A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Ngk Insulators Ltd | セラミックス−金属接合体の製造方法、及びセラミックス−金属接合体 |
EP2798686A4 (en) * | 2011-12-28 | 2015-08-19 | Shenzhen Byd Auto R & D Co Ltd | SEALING ASSEMBLY, LITHIUM ION BATTERY COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR PREPARING A SEALING ASSEMBLY |
JP2016037422A (ja) * | 2014-08-08 | 2016-03-22 | 株式会社ノリタケカンパニーリミテド | 接合材およびその利用 |
WO2021025106A1 (ja) * | 2019-08-07 | 2021-02-11 | 地方独立行政法人京都市産業技術研究所 | セラミックス接合材 |
-
1999
- 1999-05-14 JP JP11134298A patent/JP2000327442A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007200568A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-08-09 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 |
JP2012076937A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Ngk Insulators Ltd | セラミックス−金属接合体の製造方法、及びセラミックス−金属接合体 |
EP2798686A4 (en) * | 2011-12-28 | 2015-08-19 | Shenzhen Byd Auto R & D Co Ltd | SEALING ASSEMBLY, LITHIUM ION BATTERY COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR PREPARING A SEALING ASSEMBLY |
US10224522B2 (en) | 2011-12-28 | 2019-03-05 | Shenzhen Byd Auto R&D Company Limited | Sealing assembly, lithium ion battery comprises the same, and method for preparing sealing assembly |
JP2016037422A (ja) * | 2014-08-08 | 2016-03-22 | 株式会社ノリタケカンパニーリミテド | 接合材およびその利用 |
WO2021025106A1 (ja) * | 2019-08-07 | 2021-02-11 | 地方独立行政法人京都市産業技術研究所 | セラミックス接合材 |
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