JP4671659B2

JP4671659B2 - セラミック部材と金属部材との接合構造

Info

Publication number: JP4671659B2
Application number: JP2004309305A
Authority: JP
Inventors: 敦司笹川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-25
Also published as: JP2006117493A

Description

本発明は、セラミック部材と金属部材との接合構造に関し、特にセラミック部材が多孔質セラミックスから成る場合の接合構造に関するものである。

多孔質セラミックは、優れた耐熱性を有し、またその化学的安定性故に、有機膜の適用できない工程への膜、例えば、分離膜やフィルターとしての利用が期待されている。これらは、セラミック部材単独で使用されることは少なく、ほとんどは取付金具等の金属部材との接合体として用いられるため、金属部材との接合が必要となる。このような接合技術としては、圧入、焼き嵌め、ロウ付け等の接合方法が用いられているが、気密性に優れた接合を必要とする場合、ロウ付けによる接合方法が多用されてきた。

セラミック部材のロウ付けによる接合方法としては、活性金属ロウ付け法とメタライズロウ付け法とが主に用いられており、特に活性金属ロウ付け法はメタライズロウ付け法に比べ、煩雑な前処理工程を必要としないため、注目されている。

活性金属ロウ付け法は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の活性金属を含むロウ材を介在させてロウ材が溶融する温度に加熱することによって、活性金属がセラミックスと反応し、強固な反応層を形成する。その結果、セラミック部材と金属部材とをロウ材を介して強固に結合した接合体が得られる。

しかしながら、気孔率の大きな多孔質セラミックスでは、無孔質セラミックスに比べ機械的強度が小さいため、無孔質セラミックスと同様の接合構造では、ロウ付け時に割れが発生することが多く、良好な接合体を得ることが難しいという問題点があった。

そこで、多孔質のセラミック部材としてその細孔部がセラミックスによって充填されたものを使用することが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。これにより、セラミック部材の金属部材との接合部に割れなどを発生させないものを提供することが可能となる。
特開2001−220252号公報

しかしながら、多孔質のセラミック部材としてその細孔部がセラミックスによって充填されたものを用いると、細孔部が埋まって多孔体としての機能がなくなってしまい、セラミック部材の細孔部を介して液体や気体を透過させることが不可能となってしまう。そのため、セラミック部材を液体や気体を透過させる用途で用いる場合においては、この接合構造を採用することは不可能であった。

また、セラミック部材の金属部材との接合部のみにおいて細孔部をセラミックスで充填させることが考えられるが、セラミック部材の一部分だけをセラミックスで充填させるのは極めて困難であった。

従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、多孔質のセラミック部材を多孔体として機能させるとともに、セラミック部材の金属部材との接合部に割れなどを発生させないセラミック部材と金属部材との良好な接合体を提供することにある。

上記課題を解決するために、筒状をなすセラミック部材と筒状をなす金属部材との接合構造であって、前記金属部材は、前記セラミック部材の一端面と当接する当接面と、前記セラミック部材の外周面を囲む支持部と、を備え、前記支持部の内周面が、前記セラミック部材の前記外周面とロウ付け接合されており、前記金属部材は、前記当接面に、前記支持部の前記内周面に沿って前記金属部材の軸方向に凹んだ溝部を有することを特徴とするセラミック部材と金属部材との接合構造を提供する。

また、前記セラミック部材の前記一端面と、前記金属部材の前記対向面とが接合していることが好ましい。

本発明のセラミック部材と金属部材の接合構造は、筒状を成す金属部材の少なくとも一端側内周面に環状の座繰部を形成するとともに、座繰部に筒状を成すセラミック部材の一端部を挿入し、セラミック部材の外周面と金属部材の内周面とをロウ付けしてなるセラミック部材と金属部材との接合構造であって、金属部材の内面に、セラミック部材の外周にそって座繰部に連通する環状の溝部を形成したことにより、金属部材の外周面と座繰部内周面との間は薄肉となり、さらに溝部によりセラミック部材と金属部材との接合部が金属部材の肉厚部より軸方向において隔てられるので、多孔質のセラミック部材にセラミック部材と肉厚の金属部材との熱膨張差による応力が大きく作用し難くなるとともに、溝部が形成されていることによってセラミック部材と金属部材とを接合するロウ材がセラミック部材の端面外周の角部に溜まることがないので、セラミック部材の金属部材との接合部に割れなどを発生させないセラミック部材と金属部材との良好な接合体を提供することが可能になる。

また、本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造は、上記構成において好ましくは、セラミック部材の一端面が、溝部の内方で金属部材に当接されていることから、金属部材とセラミック部材との接合部の長さを正確かつ容易に管理することができる。

次に、本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造の実施の形態の一例を示す断面図、図２は本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造の実施の形態の他の例を示す断面図であり、１は多孔質のセラミックスから成る筒状を成すセラミック部材、２は少なくとも一端側内周面に環状の座繰部２ａが形成された筒状を成す金属部材、３はメタライズ層である。

そして、本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造は、セラミック部材１の一端部を金属部材２の座繰部２ａに挿入し、セラミック部材１の外周面と金属部材２の内周面とをロウ付けしてなるものであり、セラミック部材１の外周にそって座繰部２ａに連通する環状の溝部２ｂが形成されているものである。

具体的に、図１はセラミック部材１の両端に金属部材２が活性金属製分を含有するロウ材層３を介してロウ付けされており、金属部材２の接合部には座繰部２ａが設けられ、さらにこのセラミック部材１の端面の外周部が座繰部２ａに対向する座繰部２ａの部分に沿って溝部２ｂが形成されているものである。

図２は、図１の金属部材２を分割した構造になっており、セラミック部材１の端面と接する筒状の金属部材２の内周側端面に突出部２ｄを形成するとともに、金属部材２の外周面を延長するように筒状の支持部材２ｃがロウ付けや溶接等によって金属部材２に接合されたものである。図２の構造においても支持部材２ｃと突出部２ｄとの間に溝部２ｂが形成される。

セラミック部材１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質セラミックス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）質セラミックス、ジルコニア（Ｚｒ）質セラミックス等のセラミックスの多孔質のものから成る筒状体または管状体である。なお、筒の形状は、円筒状、多角形の筒状等、用途に応じて適宜選択可能である。

多孔質セラミック部材１の平均細孔径は、約0.1μm〜100μm程度、また気孔率が約20〜60%程度のものが用いられる。このセラミック部材１は金型を用いて粉末プレス成形し、しかる後焼成することによって所定の形状、寸法に形成される。なお、気孔率とは、セラミック部材１の全体積に対するセラミック部材１中に含まれる気孔の体積の比率のことである。

金属部材２は、セラミック部材１を外部装置等へ取り付けるために必要なものである。この金属部材２は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属から成る筒状体または管状体である。接合されるセラミック部材１と熱膨張係数の近いものが好ましく、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金などが好適に用いられる。

金属部材２は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成るインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状、寸法に形成される。なお、筒の形状は、セラミック部材１と同様に円筒状、多角形の筒状等、用途に応じ適宜選択可能である。

そして、セラミック部材１との接合部には、セラミック部材１の端部が嵌るように座繰部２ａを設ける。座繰部２ａを設けることで、筒状のセラミック部材１と筒状の金属部材２とが同軸になるように周方向の位置決めができる。さらに、座繰部２ａをセラミック部材１の端面と当接させると、セラミック部材１の挿入長の位置決めができる。また、金属部材２に座繰部２ａを設けることによって、金属部材２の接合部はセラミック部材１の外周面の外側に配置されることになるので、セラミック部材１と金属部材２とをロウ付けした後に、セラミック部材１に加わる金属部材２との熱膨張差による応力は、圧縮応力となって作用するようになる。セラミック部材１は圧縮応力には強いことから、セラミック部材１にクラック等の破損が生じ難くなる。

また、金属部材２の座繰部２ａによって、セラミック部材１の外周面に接合される金属部材２の部位の肉厚が薄くなり、セラミック部材１に加わる熱膨張差による応力を低減できるという効果もある。

セラミック部材１の端面内周側に座繰部を設けるということも考えられるが、この場合、金属部材２の外側にセラミック部材１が配置される構造となるので、セラミック部材１に加わるロウ付け後の熱膨張差による応力が引っ張り応力となってセラミック部材１の周方向に加わり、セラミック部材１にクラック等の破損が生じやすくなるとともに、座繰部２ａが形成された金属部材２に比べ、金属部材２の肉厚が大きくなる分、セラミック部材１に作用する金属部材２との熱膨張差による応力が大きくなるという不都合があるため不適である。

金属部材２の座繰部２ａを設けても、多孔質のセラミック部材１の気孔率によっては、セラミック部材１が破損する場合が考えられる。しかしながら、本発明においては座繰部２ａの底面のセラミック部材１の端面が対向する面に、セラミック部材１の端面の外周に沿って座繰部２ａに連接した溝部２ｂが形成され、この溝部２ｂによって、セラミック部材１の外周を支持する肉厚の薄い座繰部２ａの周囲（図２においては支持部材２ｃ）が軸方向に長くなることになる。座繰部２ａの周囲が軸方向に長くなることで、セラミック部材１の接合部と金属部材２の肉厚の厚い部分との距離が大きくなり、セラミック部材１に加わる金属部材２との熱膨張差による応力を緩和できるとともに、金属部材２との熱膨張差による応力が大きく発生したとしても、溝部２ｂの外周側に位置する肉厚の薄い座繰部２ａの周囲が応力緩和の緩衝材として機能し、セラミック部材１に加わる金属部材２との熱膨張差による応力を大幅に緩和することが可能となる。

さらに、溝部２ｂの内方で金属部材２の突出部２ｄに当接されていると、セラミック部材１の軸方向の挿入長の位置決めが容易となり、金属部材２とセラミック部材１との接合部の長さを正確に管理することができるので好ましい。

また、セラミック部材１と金属部材２との接合の際に余ったロウ材は溝部２ｂに流れることとなり、セラミック部材１と金属部材２とを接合するロウ材がセラミック部材１の端面外周の角部に溜まることはない。従って、セラミック部材１にロウ材との熱膨張差による応力が作用することがなくなり、ロウ材溜まりによるセラミック部材１の破損を確実に防止できる。

また、金属部材２の径が小さく、座繰部２ａの底面に溝部２ｂを施す加工が困難である場合、図２に示すように、金属部材２は、セラミック部材１の端面に当接する一端面の内周側に突出部２ｄを形成するとともに、金属部材２の外周面を延長するように筒状の支持部材２ｃがロウ付けや溶接等によって金属部材２の一端面の外周部に接合され、支持部材２ｃによって座繰部２ａを形成するとともに、支持部材２ｃと突出部２ｄとの間に溝部２ｂを形成する。

ロウ材層３は活性金属ロウから成り、これら両部材間の接合は、活性金属ロウ付け法によって行われる。この接合に用いられる活性金属ロウ材としては、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）共晶組成中にＴｉやＺｒを添加したペースト状、板状のものなどが用いられる。ロウ材中に含まれる活性金属成分の割合は、通常約１〜10重量%のものが用いられる。

このようなロウ材層３をセラミック部材１の金属部材２との接合部に形成して、約800℃〜900℃の温度でロウ付けが行われる。各部材の熱膨張係数が異なるためロウ付けにより、各部材に応力が生じる。特にセラミック部材１に生じる応力はその値がセラミック部材１の強度を超えると、セラミック部材１の破壊につながるので、接合される金属部材２はセラミック部材１より熱膨張係数の値の大きなものとするのがよい。これにより、セラミック部材１は引っ張り強度よりも圧縮強度の方が強いので、筒状の金属部材２とセラミック部材１をロウ付けした際、セラミック部材１に圧縮応力が生じるように、セラミック部材１の外周に金属部材２の内周が接する構造となる。

以上により、多孔質のセラミックス部材を多孔体として機能させつつ、セラミック部材の金属部材との接合部に割れなどが発生しにくいセラミック部材１と金属部材２との良好な接合体を提供することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更が可能である。例えば、上記の実施の形態においては、ロウ材層３は活性金属ロウから成る場合について説明したが、セラミック部材１の接合部にタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等のメタライズ層を形成し、このメタライズ層と金属部材２とをＡｇロウやＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を用いて接合する所謂メタライズロウ付け法によってもよい。

また、セラミック部材１の筒の外径が小さくなるようにセラミック部材１の端面外周側を切り欠いて、金属部材２の座繰部２ａに挿入して接合してもよい。この場合、金属部材２の外周面とセラミック部材１の外周面とを同じ外径にすることもできる。

本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明のセラミック部材と金属部材との接合構造の実施の形態の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１：セラミック部材
２：金属部材
２ａ：座繰部
２ｂ：溝部
３：ロウ材層

Claims

筒状をなすセラミック部材と筒状をなす金属部材との接合構造であって、
前記金属部材は、
前記セラミック部材の一端面と当接する当接面と、
前記セラミック部材の外周面を囲む支持部と、を備え、前記支持部の内周面が、前記セラミック部材の前記外周面とロウ付け接合されており、
前記金属部材は、前記当接面に、前記支持部の前記内周面に沿って前記金属部材の軸方向に凹んだ溝部を有することを特徴とするセラミック部材と金属部材との接合構造。