JPH02175673A - セラミックスと金属との接合体 - Google Patents

セラミックスと金属との接合体

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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（よ　接合強度が高いセラミックスと金属との接
合体に関する。
［従来の技術］ 従来より、セラミックスと金属とを接合する方法の一つ
として、いわゆる活性金属法が採用されている。この活
性金属法は、ろう材をセラミックスと金属との間に介在
させて加熱溶融させることにより、セラミックスと金属
とを接合するものである。このろう材としてはＡｇ−Ｃ
ｕ−Ｔｉ系。
Ａ　ｇ−Ｃｕ−Ｎ　ｉ　−Ｔ　ｉ系などの、活性金属を
含む合金が用いられている。
このようなろう材は　比較的低温域（８００〜９００’
Ｃ）で接合できることや、ある程度の接合体の性能が確
保できること、更にその接合操作が簡便であること等か
ら広く採用されている。
また他の活性金属法では、Ｎｉ−Ｔｉ系、ＮＣｕ−Ｔｉ
系、Ｃｕ−Ｔｉ系等、Ｔｉと低融点の共晶を有する金属
元素とを組合せた中間材を用いて接合した例が多数報告
されている（特公昭３５−１２１６号、特開昭６１−１
２７６７４号等）［発明が解決しようとする課題］ この様なろう材は、通常一応の接合強度を発揮するので
あるが、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系やＡｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ
系のろう材は、Ａｇ−ＣｕＯ共晶点が７８０℃と低く、
更にＣｕ成分が選択的に酸化されることから、高温での
信頼性に欠けるという難点を有している。
また、　Ｎｉ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｔｉ系、　Ｃｕ−
Ｔｉ系等は高温での強度劣化は少ないものの、接合強度
自体はそのセラミックスに対する濡れ性の低さからＡｇ
−Ｃｕ系には及ばず、信頼性に欠けるという難点を有し
ている。また一般に熱処理時間が長く製造コストの点で
不利であるという難点を有している。
本発明は、作業が容易な活性金属法で用いられる接合用
合金を改良することにより、セラミックスと金属との接
合に対して高温でも信頼性の高い接合体を提供すること
を目的とする。
［課題を解決するための手段及び作用］（１）かかる課
題を解決するための請求項］の発明の要旨は、 被接合体であるセラミックスと金属とが、次の組成のＡ
ｇ、Ｐｄ、Ｎｉ及びＴｉを含む接合用中間反応層を介し
て接合されたセラミックスと金属との接合体にある。
Ａｇ：２０〜７０重量％、 Ｐｄ：　　　１〜２０重量％、 Ｎｉ：１０〜６０重量％、 Ｔｉ　１〜１０重量％。
（２）更に請求項２の発明の要旨は、 上記請求項１の接合用中間反応層中に、更にＣＵが］Ｏ
重量％以下含まれるセラミックスと金属との接合体にあ
る。
（３）更に請求項３の発明の要旨は、 上記請求項］又は請求項２の接合用中間反応層が、セラ
ミックス製タービンロータのタービンホイールと金属部
材との突合せ部分の接合用中間反応層であるセラミック
スと金属との接合体にある。
（４）次に、上記成分の作用について説明する。
■Ａｇは、主に中間反応層の流動性を改善して濡れを良
好にし、接合強度を向上させるものである。
その含有量が２０重量％未満ではこの作用が不十分とな
り、７０重量％を越えると中間反応層の耐熱性が低下す
る。
■Ｐｄは、主に中間反応層の融点を上昇させ、全体の蒸
気圧を低下させる。このことにより、接合部の耐熱性・
信頼性の向上及び金属粒弄べ浸透の減少による被接合体
の脆化の防止に寄与する。
この作用はその含有量が２〜１０重量％のとき二最も強
く発揮さ札　接合強度が一層高くなる。
また、その含有量が１重量％未満では上記作用が不十分
となり、２０重量％を越えると接合時の中間反応層の流
動性が低下し、濡れ性に悪影響を及ぼす。
■Ｎｉは、主に中間反応層の耐熱性向上に寄与するもの
である。
この作用はその含有量が２０〜５０重量％のときに最も
強く発揮さね　高温での接合強度が一層高くなる。また
、その含有量が］０重量％未満では上記作用が不十分と
なり、６０重量％を越えると接合時の中間反応層の流動
性が低下し、濡れ性こ悪影響を及ぼす。
■Ｔｉは、主にセラミックスに対する濡れ性を向上させ
、セラミックスへの接合に最も寄与する。
この作用はその含有量が１．５〜５重量％のときに最も
強く発揮さ札　セラミックスとの接合強度が一層高くな
る。また、その含有量が１重量％未満では上記作用が不
十分となり、　１０重量％を越えると接合強度が低下す
る。
■請求項１の構成に加えて中間反応層の成分としてＣｕ
を含む場合には、そのＣｕは主に中間反応層の流動性を
改善して濡れを良好にし、セラミックスへの接合強度を
向上させる。更にＣｕを含有させることによってろう付
は温度を下げることができるため、冷却過程でセラミッ
クス内に生じる残留応力が低減し、接合相手金属の選択
範囲の自由度が増大する。
また、その含有量は１０重量％を越えると中間反応層の
耐熱性・耐酸化性が低下する。
（５）　　また、上記請求項１又は請求項２に記載した
組成の接合用中間反応層を、セラミックス製タビンロー
タのタービンホイールと金属部材との突合せ部分の接合
用中間反応層として採用した場合には、高温状態におけ
る強度や耐久性が向上したタービンロータを製造できる
ので好適である。
（６）　　このような組成の中間反応層は、公知の種々
の方法で作成することができる。例えば次のような方法
である。
■所定の組成の合金を、接合しようとするセラミックス
と金属との間に挿入し、加熱溶融させて両者を接合する
。
■接合表面に、箔による載置　メツキ、蒸着。
溶射等の方法で特定成分を確保し、更にこの特定成分の
み含まれていない合金を、セラミックスと金属との間に
挿入し、加熱溶融させて合金内に特定成分を溶出させる
。
■特定成分を含有する被接合体としての金属を用い、上
記■と同様に、溶融合金内に特定成分を溶出させる。
■溶出によらず、接合後、特定成分を熱拡散により固相
の合金内に拡散する。
■所定の組成となる様に、各合金元素粉末を混合調製し
てペーストとし、セラミックス接合端面もしくは金属部
材接合端面に塗布する。
■そのイ包　　上記■〜■の組合せによる処珠尚、上記
いずれの方法によっても、中間反応層が本発明の組成に
なっていればよく、上記以外の方法を用いてもよい。
（７）溶出や熱拡散により形成された中間反応層の組成
の特定は、−船釣な方法、例えば、Ｘ線マイクロアナラ
イザ（ＸＭＡ）、＄ｉ子プローブマイクロアナライザ（
ＥＰＭＡ）、　　エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）
等により決定することができる。
（８）接合対象のセラミックスは、酸化物系セラミック
スとして、例えばアルミ九　ジルコニア、チタニア等が
挙げられる。また、非酸化物系セラミックスとして、例
えば窒化珪素、サイアロン、炭化珪素等が挙げられる。
また、接合対象の金属としては、鉄、炭素凱ッケル等の
通常の金属が挙げられるが、セラミックスとの熱膨張差
によりセラミックス内に発生する残留熱応力の緩和の面
から、　Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等
が望ましい。ここでＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ
合金とは、４２アロイ、コバール、インバー　スーパー
インバー、インコロイ等である。
（９）接合後の中間反応層の構造は、例えば、後述する
第６図に示すような断面構造をなす。即ち、均一な一層
が形成されているのではなく、接合前の中間材の形態・
構造・組成や、被接合体の構造・組成に応じた層構造を
なしている。中間反応層に必要とされる成分の組成は、
この全層（Ｌｌ〜Ｌ５）を平均したものである。
［発明の効果］ 本発明の接合体は常温にて十分な接合強度を示すばかり
でなく、高温においても劣化が起こりにくいので十分な
接合強度を呈する。そのため高温雰囲気下で使用する構
造体用にも十分に使用可能なセラミックスと金属との接
合を実現でき、従来適用できなかった高温用途に、セラ
ミックスの特徴（耐熱性　耐蝕↑弘　耐摩耗性）を生か
した利用が可能となった　例え（瓜　ガスタービンエン
ジン。
ターボチャージャロータ、ピストン、吸気弁、排気弁等
である。例えば第５図に示すごとく、タボチャージャロ
ータに利用することができる。ここでタービン翼車２７
はセラミックス製であり、その軸２７ａには金属製のジ
ャーナル軸２９が接合されている。その接合は２つのＮ
ｉ板３１とＷ合金板３３とを介しており、セラミックス
の軸２７ａとＮＩ板３１との接合に本発明の接合構造が
適用さね　効果を発揮する。尚、接合部分の周囲には金
属スリーブ３５が接合されている。
また、接合用中間反応層にＣｕを所定量含有していると
、中間反応層の流動性が向上するととも二、ろう付は温
度が低下するという利点がある。
［実施例］ 次に実施例について説明する。
一実施例−１ 第１図に示す様にガス圧焼結によって形成した５ｉａＮ
ａ焼結体（直径８ＩＲ長さ２０ｎｖｎ）　１．　５とＮ
１板（直径８ＩＱ　　厚さ０．２５圃）３との間に中間
材７を挿入し、加熱して第１表に示す条件で５ｉａＮ４
焼結体］、　５とＮ１板３との接合を実施しＬ　尚、接
合は１０−’　〜１０−５Ｔｏｒｒ台の真空中にて実施
しん ここで、上記中間材７としては、次の■〜■の構成を採
用し、更に■の処理を施したものも作成した ■金属箔９とろう材１１との組合せ（第２図（Ａ））。
■所定の組成で予め溶解製造した合金１３（第２図（Ｂ
））。
■セラミックス］、　５またはＮｌ板３の表面に特定成
分の金属層］５を形成し、■または■の中間材７と組み
合わせたもの。即ち、セラミックス１の表面に金属層′
Ｉ５を形成し中間材７として金属箔９及びろう材］１を
用いたもの（第２図（Ｃ））、セラミックス］の表面に
金属層１５を形成し中間材７として合金１３を用いたも
の（第２図（Ｄ））、Ｎｉ板３の表面に金属層１５を形
成し中間材７として金属箔９及びろう材］］を用いたも
の（第２図（Ｅ））、Ｎ　ｉ板３の表面に金属層１５を
形成し中間材７として合金１３を用いたもの（第２図（
Ｆ））。
■上記■〜■のいずれかの構成で接合したもの二ついて
、真空雰囲気中にて熱拡散処理を中間反応層に対して実
施した そして、上記接合体の接合強度を測定した　この接合強
度の測定は、接合体より幅４ｆｆＩ′ｒｌ×厚さ３■×
長さ４０ｍｍの抗折試験片を切り出し、第３図に示す様
に、中心を接合部１９として、上スパン］０…　下スパ
ン３０…　荷重印加速度Ｏ１５■／ｍｉｎの条件で室温
と４００°Ｃ雰囲気にて４点曲げ試験を行い、破壊強度
を各々３片測定しＬ　その平均値を第２表に示す。
また、上記中間反応層の組成は、強度測定試験後に、試
料を接合面に直角に切断し、中間反応層の任意の５ケ所
をＸ線マイクロアナライザ（ＸＭＡ）にて分析して得た
　尚、中間反応層成分のＮ二は、　Ｎｌ板３からの溶出
成分も含む。上記測定の結果を第１表に示す。
第２表 第２表に示したごとく、本発明の実施例の接合体は、室
温においても高温においても十分な接合強度を有してい
る。また破断形態においては、　４００℃で一部セラミ
ックスー中間反応層の界面での面破壊となるものの、概
ね破断はセラミックス内で起こっており、高い信頼性を
示している。
方、比較例のものは少なくとも高温時の接合強度が不足
であり、破断ちすべてセラミックス−中間反応層の界面
で起こっていることから高温での信頼性が不足している
。
尚、第２図（Ａ）に示した構成で接合した場合の、中間
反応層の構造を第６図に示す。中間反応層はＳｉ２Ｎ４
焼結体１側から、ＴＩリッチ層Ｌｌ。
Ａｇリッチ層（Ｐｄ、　　Ｎｉ、Ｔｉを含む。場合によ
りＣｕｔ含む。）Ｌ２．Ｎｉ−Ｔｉリッチ層（Ｐｄを含
む。場合によりＣｕも含む。）Ｌ３．Ａｇリッチ層（Ｐ
ｄ、Ｎｉ、Ｔｉを含む。場合によりＣｕも含む。）Ｌ４
及びＮ１リッチ層（Ｎｉ溶出による）Ｌ５から構成され
ている。
・実施例−２ 第４図に示すごとく、実施例−１で製造した接合体と同
様にセラミックス１に中間材７を介してＮｉｉ板を接合
し、更に同時にそのＮ１板３にＷ合金（焼結助剤として
Ｆｅ、Ｎｉを微量含み、直径８１Ｑ　　厚さ２ｍｍ）　
２１．　　Ｎ　ｉ板（直径８…　厚さ０．　２５ｍｍ）
　２３．　　ステンレス鋼５ＵＳ４０３（直径８１Ｑ　
　長さ２０ｍｍ）２５を、順次市販のろう材１１の銀ろ
う（直径８…　厚さ０．０３…ＪＩＳ−ＢＡｇ８）を用
いて接合した　ただし、比較例の試料Ｎｏ、　１の接合
体は、銀ろうにかえてＴ箔（厚さ５μｍ）を使用しん これについて実施例−１と同様に強度試験を実施しん　
その結果を第３表に示す。
第３表 この様に適当な金属部材を組み合わせることにより、熱
応力編和効果を持たせることができ、熱膨張係数がセラ
ミックスとは犬きく異なるステンレス鋼にも適用できる
ことが確認できたまた、実施例−１と同様に、ＸＭＡを
用いて中間反応層の組成を分析し更に元素分布も調べん
このうち実施例−２の試料Ｎｏ、　８の分析の結果を、
第４表と第７図〜第１３図とに示す。この第７図及び第
８図は接合部分の金属組織を示す二次電子線像の写真で
あり、第７図は金属とセラミックスの接合部分である中
間反応層を示し、その図中の黒枠で囲まれた部分（位置
）の組成を分析した結果を、位置を示す番号とともに第
４表に示している。また第８図は第７図の中間反応層を
拡大したものであり、更に第９図〜第１３図は各々Ａ　
ｇ。
Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｃｕの分布を示す特性Ｘ線像である
。
第４表 また、同様に本実施例の試料Ｎα１１のＸＭＡによる分
析の結果及び成分の分布を、第５表と第１４図〜第２０
図と１１示す。この第１４図及び第１５図は接合部分の
金属組織を示す二次電子線像の写真であり、第１４図は
金属とセラミックスの接合面である中間反応層を示して
いる。また第１５図は第１４図の中間反応層を拡大した
ものであり、この写真に記されノ一番号の位置の組成を
分析した結果が第５表に示しである。更に第１６図〜第
２０図は各々Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｃｕの分布を示
す特性Ｘ線像である。尚、位置Ｎｏ、　７はＮ１板３内
部であるため、中間反応層組成からは除外し第５表 径を広げることができればその方がよいが、この場合で
も５箇所以上の分析を行って、その平均値色もって中間
反応層の組成とすることが望ましい。
・実施例−３ 次に、本発明の接合体における中間反応層の耐酸化性を
調べるために、実施例−１と同様にして作成した抗折試
験片を、　５００’ＣＸ１００時間大気中に放置し、そ
の後室温にて４点曲げ試験を行った　この結果を第６表
に示す。
これら第４表及び第５表から明らかな様に、中間反応層
は組成の均一な層を形成しているわけではないので、点
分析による場合には、第１５図の様に５箇所以上の分析
を行い、その平均値をもって中間反応層とすることが必
要である。また、第７図に示す様に、中間反応層の厚み
分までビーム第６表 この表から明らかな様に、実施例では酸化テスト後も強
度が大きいが、比較例では酸化テスト後では著しく強度
が低下している。また、破断後の試料を接合面に対して
垂直に切断して組織観察を行ったところ、Ｃｕ成分が選
択的に酸化されており、これが低強度の原因であると考
えられる。
方、実施例においては殆ど酸化は見られず、一部Ｃｕを
１０重量％含んだ試料（Ｎｏ、　７　）において若干の
酸化は認められたが、強度の劣化に対する影響は認めら
れない。尚、比較例試料Ｎｏ、２（Ｃｕ１２重量％）で
、ある程度の強度劣化が起こっていることを考えると、
中間反応層におけるＣｕ含有量は１０重量％以下が好適
である。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図（Ａ）〜（Ｆ）は実施例−１における
接合構造の説明図、第３図は４点曲げ試験の構成図、第
４図は実施例−２における接合構造の説明医　第５図は
本発明実施例の中間反応層を介して接合したターボチャ
ージャロータの断面図、第６図は接合後の断面構造図、
第７図は中間反応層の金属組織を示す二次電子線像の写
几　第８図は第７図の中間反応層を拡大して示す金属組
織の二次電子線像の写丸　第９図ないし第１３図は各々
Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｃｕの分布を示す金属組織の
特性Ｘ線像の写丸　第１４図は他の中間反応層の金属組
織を示す二次電子線像の写丸第１５図は第１４図の中間
反応層を拡大して示す金属組織の二次電子線像の写瓦　
第１６図ないし第２０図は各々Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄ
、Ｃｕ＋７）分布を示す金属組織の特性Ｘ線像の写真を
表す。 ２７・・・タービン翼車 ２７ａ・・・軸（セラミックス） ２９・・・ジャーナル軸

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １　被接合体であるセラミックスと金属とが、次の組成
    のＡｇ、Ｐｄ、Ｎｉ及びＴｉを含む接合用中間反応層を
    介して接合されたセラミックスと金属との接合体。 Ａｇ：２０〜７０重量％、 Ｐｄ：１〜２０重量％、 Ｎｉ：１０〜６０重量％、 Ｔｉ：１〜１０重量％、 ２　上記接合用中間反応層中に、更にＣｕが１０重量％
    以下含まれる請求項１のセラミックスと金属との接合体
    。 ３　上記接合用中間反応層が、セラミックス製タービン
    ロータのタービンホイールと金属部材との突合せ部分の
    接合用中間反応層である請求項１又は請求項２のセラミ
    ックスと金属との接合体。
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