JP2843450B2

JP2843450B2 - セラミック接合方法

Info

Publication number: JP2843450B2
Application number: JP8985291A
Authority: JP
Inventors: 俊広吉田; 昌明桝田
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1999-01-06
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: JPH04300258A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックスにより構成
されるセラミック部材の接合法に関する。更に詳しく
は、接合強度が強く、且つ接合部の気密性の高いセラミ
ック接合部を形成するセラミック接合法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは、その成分組成が酸化
物、非酸化物に拘らず、高度の耐熱・断熱性が有り、絶
縁性、導電性、磁気的・誘電的性質等の電気的・電子的
機能を有し、また耐摩耗性等の機械的性質も優れ、各種
構造物の材料として既に使用され、研究開発されてい
る。セラミックスを機械部品材料や構造物材料として使
用する場合、種々の形状の機械部品や構造部材が要求さ
れ、また各部品や部材の組み合わせも求められることに
なり、一体成形により製造されるものは別として、セラ
ミックスを接合固定する必要が生じる。

【０００３】各種のセラミック部材を組み合わたセラミ
ック接合体は、機械部品や構造部材として多く使用さ
れ、例えば、出願人が特開昭６０−６２５９２号公報に
提案した工業用炉のセラミック熱交換器には多数の管状
体を板状体に固定した部材が使用されている。この方法
は、圧縮スプリングを利用してセラミック部材を機械的
に球面で接合するものであり、図５は前記同公報で示さ
れるシェルアンドチューブ型の熱交換器の接合部断面説
明図であり、板状体Ａ及びＡ’の通孔Ｘ及びＸ’のそれ
ぞれ内端に設けられた球面部と管状体Ｂ球面部とが機械
的な押圧により球面接合部Ｙにより固定されている。し
かし、この場合、使用時の熱応力により管状体が破損す
るおそれがあり、また膨張や収縮により球面接合部に間
隙が生じ、流通ガス中のダスト等が漏洩し、接合部に付
着して十分なシール性を得ることができなかった。

【０００４】また、各セラミック部材を接合材により接
合する方法も提案されている。従来セラミック部材の接
合に用いられる接合材としては、いわゆる耐熱ガラスの
商品名パイレックスガラスとして知られる酸化硼素（Ｂ
₂ Ｏ₃ ）成分を含むホウケイ酸ガラスが一般に用いら
れ、その粉末やスラリーを接合部に塗布し、大気や真空
中で加熱して接合していた。しかし、この方法によるセ
ラミック接合においては、接合部に気孔及びクラック等
の接合欠陥が生じ易く、接合強度やシール性が劣る等の
問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、セラミック
部材を接合する方法において、上記従来のセラミック接
合技術に鑑み、機械的な接合よりシール性が高く、且
つ、装置的、操作的に簡便である接合材を用いるセラミ
ック接合において、シール性及び接合強度の向上したセ
ラミック接合を得るべく、均質な接合部を形成させるこ
とを目的に鋭意検討した結果、本発明を完成した。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、セラミ
ック接合体を構成する少なくとも２のセラミック被接合
部材を酸化処理した後、SiO₂を主成分とする無機接合部
材を用い窒素雰囲気中で加熱処理して接合することを特
徴とするセラミック接合方法が提供される。

【０００７】

【作用】本発明は、上記のように構成され、セラミッ
ク被接合部材を接合に先立ち酸化処理すると共に、接合
加熱処理を窒素雰囲気中で行うことにより、被接合部材
の、例えば、接合材に対するぬれ性等の表面性状を変化
させると共に、窒素雰囲気中の加熱処理により、接合材
の固化性状が向上し気孔が少なく欠陥のない接合部が形
成されると同時に、接合材のホウケイ酸ガラスが一部オ
キシナイトライドガラスに変化し、被セラミック接合部
材の酸化処理と窒素雰囲気中の接合加熱が相乗的に作用
して、シール性が高く、接合強度が大きく耐熱性に優れ
たセラミック接合体を得ることができるものと推定され
る。

【０００８】以下、本発明について更に詳細に説明す
る。本発明に使用されるセラミックスは、酸化物及び非
酸化物等いずれのセラミックスを用いてもよく、接合体
が使用される構造部材の種類、機械的強度等必要な使用
条件に応じ適宜選択すればよい。例えば、産業機械及び
熱交換器等に使用する場合は、高強度・高耐熱性の窒化
珪素や炭化珪素が用いられる。また、各々同種または異
種のセラミックスで構成されていてもよい。本発明にお
いて、接合するセラミック部材の形状、厚み及び大きさ
は、特に限定されるものでない。例えば、単なる平面同
士の接合でもよく、また、平板状体に多数の孔を形成し
た多孔板の各孔に管状体を挿入して平板表面と孔部とに
連続的接合層を形成する接合でもよい。この場合、管状
体は、円形、楕円、矩形、多角形、星形等のいずれでも
よく、また、平板の孔をテーパー状、段形状やネジ構造
等に形成し、管状体の端部を孔の形状にあわせて形成す
ることもできる。

【０００９】本発明の酸化処理は、被接合部材を酸素含
有ガス雰囲気中、例えば空気や酸素ガス中、約８００〜
１０００℃で、約１〜２時間静置して処理することがで
きる。この場合、被接合部材の各セラミック部材の全体
を酸化処理してもよく、また、接合部分のみ酸化処理し
てもよい。本発明で用いる接合材は、各セラミック被接
合部材に使用するセラミックスの種類の機能的性質に応
じて、また得られる接合体の使用条件等に応じて選択す
ればよい。好ましくは、被接合体を構成する同種のセラ
ミックスや加熱により溶融流動化するSiO₂を主成分とす
る無機接合材を使用するのがよい。SiO₂を主成分とする
無機接合材としては、SiO₂を５０重量％以上含有する接
合材で、例えば、セラミックス接合に一般に使用されて
いる上記のホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガ
ラス、アルミノケイ酸ガラス、ケイ酸ガラス等のガラス
接合材を挙げることができる。上記の無機接合材は、通
常、その粉末を、例えば、水、アルコール等の溶媒を用
い、要すればバインダーを添加してスラリー状またはペ
ースト状で用いる。この場合、均質な接合部を得るため
には、ガラス接合材の粉末平均粒度をできるだけ微粉末
とするのがよく、好ましくは１μｍ以下とするのが望ま
しい。

【００１０】本発明における通常の接合手順は、セラミ
ック接合体の接合部を構成する上記酸化処理した２以上
の被接合部材の接合面の少なくとも一方の表面に接合材
ペーストを塗布し、各被接合部材の接合面を合わせた
後、大気中で約１００〜１５０℃で約１〜２時間乾燥
し、更に約４００〜５００℃で約０．５〜３時間仮焼し
た後、窒素雰囲気中において加熱処理して接合材を溶融
させ、その後冷却固化することにより行うことができ
る。この場合の加熱処理温度及び時間は、使用する接合
材の種類や接合部の形状や厚さにより適宜選択すること
ができる。例えば、ホウケイ酸ガラスを用いる場合は、
約１５００〜１６００℃で約１〜３時間静置するのが好
ましい。この場合、加熱処理温度が１５００℃未満の場
合は、接合部を形成する塗布した接合材全体が均一に溶
融されないため、均質な接合部を得ることができない。
また、１６００℃を越えた場合は接合材及び被接合部材
の構成成分の一部が著しく蒸発するため、接合部及び被
接合部材の接合界面がポーラスになり易く、気密性が劣
り、強度も低下するため好ましくない。塗布する接合材
の厚さは特に限定されるものでない。通常は、約０．０
５〜５ｍｍの厚さにすればよい。接合部材の形状、材
質、接合部の構造、接合部に求められる強度等により適
宜選択することができる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の実施例について図面を参照
にして詳しく説明する。但し、本発明は、本実施例に限
定されるものでない。実施例１（接合材の調製）市販の粉末状ホウケイ酸ガラスの粉末
に約６０重量％の水を添加して、アルミナ玉石を用い振
動ミルにて約３時間混合粉砕し、平均粒度０．５μｍの
ホウケイ酸ガラス微粉末を得た。得られた微粉末ホウケ
イ酸ガラスと水を、１：１に混合してペースト状とし
た。更に得られたペースト状ホウケイ酸ガラス１００重
量部対し、バインダー４重量部を添加して混合して接合
材ペーストを調製した。

【００１２】（被接合部材の酸化処理）被接合部材のＳ
ｉ₃ Ｎ₄ 製の直径２０mmφで高さ２０mmの円柱２体を、
酸素雰囲気中の電気炉内で約８００℃に１時間放置して
酸化処理して、酸化処理Ｓｉ₃Ｎ₄ 製被接合部材を得
た。

【００１３】（接合）得られた酸化処理Ｓｉ₃ Ｎ₄ 製被
接合部材２体を図１の断面説明図に示したように、接合
部Ａとなる各被接合部材１の底面部に調製したペースト
状接合材を約１００μｍ塗布して各板状体を押しつけて
合わせた。その後、１２０℃の電気炉内で約１時間乾燥
し、更に温度を上昇し、約５００℃で約１時間仮焼した
後、電気炉内を窒素雰囲気とし、温度を更に約１５００
℃に上昇させて１時間加熱処理した後、そのまま放置し
て冷却して接合体を得た。冷却後、接合体を取り出しＪ
ＩＳＲ−１６０１に従って、接合部の室温での接合強
度を測定した。その結果を表１に示した。更にまた、接
合体を大気中で８００℃で１０時間酸化試験し、その後
の接合強度の変化を測定した。その結果を表１に示し
た。

【００１４】

【表１】

【００１５】比較例１接合部材を酸化処理せずにそのまま用い、加熱処理を真
空中、１１５０℃で行った以外は、実施例１と全く同様
にして接合体を得た。得られた接合体を実施例１と同様
に、接合部の接合強度を、酸化試験の前後で測定した。
その結果を表１に示した。

【００１６】比較例２接合部材を酸化処理せずにそのまま用い、接合加熱処理
温度を１１５０℃とした以外は、実施例１と全く同様に
して接合体を作成したが、最終的に接合させることがで
きなかった。

【００１７】実施例２被接合部材のＳｉ₃Ｎ₄製の直径６．５mmφで高さ５０mm
の円柱と、直径１８mmφで高さ１０mmで底部中央に一方
の被接合部材の円柱が挿入できる孔を有する底付円筒の
それぞれを、酸化処理温度を８００℃とした以外は実施
例１と同様にして、酸化処理Ｓｉ₃Ｎ₄製の各被接合部材
をそれぞれ得た。得られた酸化処理Ｓｉ₃Ｎ₄製被接合部
材を図２の断面説明図に示したように、被接合部材円柱
２を接合部材底付円筒３の底部の孔に埋め込み、底付円
筒３の底面とその底面に直交する円柱２の周囲に、実施
例１と同様の接合材ペーストを塗布した。接合材の塗布
厚さは約５mmであった。その後、実施例１と同様に乾
燥、仮焼し、その後、実施例１と同様に加熱処理して、
接合体を得た。得られた接合体の接合部の接合強度を、
片持ち曲げ試験にて酸化試験の前後でそれぞれ測定し
た。また、図４に示したリーク試験機において、接合体
１０を所定の接合体支持治具１１にセットして水中に浸
漬し、８kg/cm²の圧力でパイプ１２内を加圧したとき
に、発生した気泡の秒当たりの体積（ミリリットル／
秒）を測定する方法でリーク試験を酸化試験の前後で行
い、シール性をそれぞれ測定した。それらの結果をそれ
ぞれ表１に示した。

【００１８】実施例３実施例１において、酸化処理温度を８００℃とし、窒素
雰囲気加熱処理温度を１６００℃とした以外は全く同様
にして接合体を得た。得られた接合体を実施例１と同様
に、接合部の接合強度を酸化試験の前後でそれぞれ測定
した。その結果を表１に示した。

【００１９】実施例４被接合部材のＳｉ₃ Ｎ₄ 製の外径６．５mmφ、内径４．
５mmφで長さ１００ mm の円管３本と、直径４０mmφで
高さ１０ mm で底部に前記の被接合部材の円管が挿入で
きる孔を３個有する底付円筒体２体のそれぞれを、酸化
処理時間を２時間とした以外は実施例２と同様にして酸
化処理Ｓｉ₃ Ｎ₄ 製の各被接合部材をそれぞれ得た。得
られた酸化処理Ｓｉ₃ Ｎ₄ 製被接合部材を図３の断面説
明図に示したように、３本の被接合部材円管４の片端を
接合部材底付円筒５の底部の各孔に埋め込み、底付円筒
５の底面とその底面に直交する各円管４の周囲に、実施
例１と同様の接合材ペーストを塗布した。接合材の塗布
厚さは約５mmであった。その後、実施例１と同様に乾
燥、仮焼し、その後、実施例１と同様に加熱処理して、
接合体を得た。得られた接合体を実施例２と同様にして
シール性を酸化試験の前後でそれぞれ測定した。それら
の結果をそれぞれ表１に示した。

【００２０】比較例３接合部材を酸化処理せずにそのまま用い、１１５０℃で
大気中で加熱処理を行った以外は、実施例４と同様にし
て接合体を得た。得られた接合体を実施例４と同様に、
接合部のシール性を酸化試験の前後でそれぞれ測定し
た。その結果を表１に示した。

【００２１】比較例４比較例２において、接合時の加熱温度を１５００℃とし
た以外は同様にして接合体を得た。この場合は、比較例
２と異なり接合部が形成された。得られた接合体を実施
例１と同様に、接合部の接合強度を酸化試験の前後でそ
れぞれ測定した。その結果を表１に示した。

【００２２】上記の実施例及び比較例より、本発明のセ
ラミック接合が強度的にも優れ、埋め込み等の接合部に
おいてはリークも無く、極めてシール性が高いことが分
かる。また、本発明のセラミック接合は、大気中、高温
に放置した場合でも、接合強度やシール性に変化が少な
く、酸化による劣化が少なく長期間の使用に好適である
ことが分かり、一方、比較例の従来の接合方法で得られ
た接合では、酸化による劣化が激しく長期使用には適さ
ないことが分かる。なお、実施例２及び実施例４におい
て、被接合部材に用いた円筒３の筒部は真空加熱処理に
おいて、接合材が溶融流動化した場合でも、溶融した接
合材が外部に流出しないという利点を有し、多数の円柱
や円管を板状体の孔部に接合固定するセラミック接合に
おいて本発明を適用するのに好適である。

【００２３】

【発明の効果】本発明のセラミック接合法は、接合部に
気孔が極めて少なく且つ接合部全体が均質で、接合強度
が大きく、シール性も高く、耐熱性に優れたセラミック
接合体を得ることができ、工業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のセラミック接合体を示す断
面説明図

【図２】本発明の一実施例のセラミック接合体を示す断
面説明図

【図３】本発明の一実施例のセラミック接合体を示す断
面説明図

【図４】本発明における接合体のシール性を評価するた
めのリーク試験機

【図５】従来の機械的なセラミック接合の一例を示す断
面説明図

【符号の説明】

Ａ接合部１円柱被接合部材２円柱被接合部材３有孔底付円筒被接合部材４円管被接合部材５有孔底付円筒被接合部材１０接合体１１接合体支持治具１２パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 37/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック接合体を構成する少なくとも
２のセラミック被接合部材を酸化処理した後、SiO₂を主
成分とする無機接合部材を用いて窒素雰囲気中で加熱処
理して接合することを特徴とするセラミック接合方法。