JPH0337166A - セラミックスと金属との接合方法 - Google Patents

セラミックスと金属との接合方法

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JPH0337166A
JPH0337166A JP17256989A JP17256989A JPH0337166A JP H0337166 A JPH0337166 A JP H0337166A JP 17256989 A JP17256989 A JP 17256989A JP 17256989 A JP17256989 A JP 17256989A JP H0337166 A JPH0337166 A JP H0337166A
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片山 彰治
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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〕 本発明は、セラミックスと金属との接合方法に関し、更
に詳しくは残留応力が小さく、かつ、接合強度が大きい
セラミックス金属接合体を得るための方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、セラミックスと金属とを接合する方法としては、
活性金属法、高融点金属法等の金属ソルダー法が知られ
ている。
これらの方法の中で活性金属法は、Ti、Zr、Be等
の金属単体またはそれらの合金の活性金属をセラミック
・スと金属との間に介在させ、それによりセラミックス
表面の濡れ性を向上させ、セラミックスと金属とを接合
する方法である。
この活性金属法を使用した例として、活性金属であるT
iと共にAg−Cuロウ材を、セラミックスであるSi
Cと金属であるステンレス鋼との間に介在させて、両者
を接合する方法が提案されている。〔矢野豊彦他:窯業
協会誌、95 (3)(1987)、P357〜362
]ところで、上記のように熱膨張係数差の大きいセラミ
ックスと金属とを接合する場合、接合後の冷却過程にお
いて、両者の熱膨張の差に起因する残留応力のうち引張
応力が接合界面近傍のセラミックス自由表面に働き、セ
ラミックスにクランクが入る問題がある。
上記残留応力を緩和する方法として、第1にAn、Cu
等の軟質金属をセラミックスと金属との間に挿入し、軟
質金属の塑性変形によってセラミックスと金属との間の
熱膨張差を吸収する方法、第2に前記軟質金属が一般に
熱膨張係数が大きいため、この軟質金属と金属またはセ
ラミックスとの間に、W、WC,Mo等の低熱膨張率の
金属を挿入し、前記軟質金属の収縮を抑制し、熱膨張差
の低減を図る方法〔岩本信也;工学材料、36 (9)
(198B)、P54〜P57)があるが、前記両者の
方法においても強固な接合が実現できなかった。
また、活性金属法と応力緩和材とを用いてセラミックス
と金属とを接合する前記矢野豊彦他の報告〔窯業協会誌
、95 (3)(1987)、P357〜362〕によ
れば、セラミックスであるSiCと金属であるステンレ
ス鋼とを接合するため、第2図に示すように、接合する
セラミックス(SiC)21と金属(ステンレス鋼)2
5との間に、3層のAg−Cuoつ23.23.23を
配設するとともに、セラ6 +7クス21例のAg−C
uロウ23.23間にTi22をインサートし、金属2
2側のAg−Cuロウ23.23間に応力緩和材層(M
o)24をインサートして、810℃の温度の熱処理に
より接合している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、前記の方法においては、ろう付は温度が
高融点ろう材(Ag−Cu)の液相線の800℃以上で
行われるため、セラミックス21と金属25とを接合し
た場合、セラミックス21中に発生する残留応力の緩和
が未だ不充分であった。
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、セ
ラミックスと金属と接合に際して、両者間の熱膨張の差
に起因する残留応力をさらに抑制し、セラミックスにク
ラックが発生するのを防止し、健全で強固な接合体を得
ることができるセラミックスと金属との接合方法を提供
することにある。
(11題を解決するための手段〕 上記した目的は、セラミックス部材と金属部材とを接合
する方法において、前記セラミックス部材を活性金属と
高融点ロウ材とを有する接合材を介して前記金属部材よ
りも熱膨張係数が小さい金属板と第1の熱処理工程によ
り接合し、次いで、前記金属板と前記金属部材との間に
、金属板および金属部材よりも熱処理による塑性変形が
大きい軟質金属を挟んだ前記高融点ろう材の融点よりも
低い融点を有する低融点ろう材を挿入し、前記第1の熱
処理工程よりも低い温度の第2の熱処理工程により接合
することによって達成される。
〔作用〕
本発明は上記の手段を採用したことにより、高融点ろう
材のろう付は温度で加熱処理される第1の熱処理工程で
は、セラミックス部材と熱膨張率の小さい金属板との間
の熱膨張差が少なく、セラミックス部材に発生する残留
応力はセラミックス強度に対して無視し得る程度に小さ
いものとなり、次の低融点ろう材のろう付は温度で加熱
処理される第2の熱処理工程では、加熱温度が低くセラ
ミックス部材側と金属部材側との熱膨張差が少なく、ま
た、前記第1の熱処理工程時における残留応力を焼鈍し
効果により緩和できることとなる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図(A)(B)(C)(D)は本発明のセラミック
スと金属との接合方法の一実施例を示す工程図である。
第1図(A)において、まず、セラミックス部材1と低
熱膨張率の金属板2との間に、活性金属3と高融点ろう
材4とを積層状態とした接合材5を挿入して第1の熱処
理工程■を施す。
セラミックス部材1としては、SiC,SiN等の炭化
物、窒化物等を採用することができる。
また、低熱膨張率の金属板2としては、セラミックス部
材1と接合されるべき金属部材7の熱膨張率よりも小さ
い金属、望ましくは、熱膨張係数8 X 10−6/℃
以下の金属、例えば、W、WCSMo等が好ましい。
前記接合材5としては、活性金属3と高融点ろう材4と
が上記のように積層状態あるものの他、高融点ろう材4
中に塊状の活性金属3が含有されて存在する形態等、活
性金属3と高融点ろう材4とを有するものであればその
形態に制限はない。
前記活性金属3としては、TL、Zr、Beおよびこれ
らの合金等を挙げることができる。
前記高融点ろう材4としては、後段の第1図(C)の工
程で使用されるろう材よりも高い融点を有するろう材、
例えば融点750℃以上のろう材が使用される。このよ
うな高融点ろう材としては、Ag−Cuロウ、A g 
oつ、Niロウ、Pdロウ等が挙げられる。
上記第1の熱処理工程■では、前記高融点ろう材4の液
相線よりも高い温度でろう付に必要な雰囲気で所定時間
加熱される。
この第1の熱処理工程■によって、セラミックス部材l
中に残留応力が発生するが、低熱膨張率の金1+@2と
セラミックス部材1との熱膨張の差が小さく、セラミッ
クス部材1に発生する残留応力はその強度に対して無視
できる程度である。
この第1の熱処理工程のによって、第1図(B)に示す
ようなセラミックス部材1と低熱膨張率の金属板2との
間に接合材5の反応層6が形成されて、両者が接合した
セラミックス金属複合体7が形成される。
次に第1図(C)に示すようにセラミックス金属複合体
7とステンレス鋼等の金属部材8との間に、前記第1図
(A)におけるろう材よりも融点の低い271の低融点
ろう材9a、9b間に前記金属板2および金属部材8よ
り熱処理による塑性変形が大きい軟質金属lOを挟持し
たものを挿入し、第2の熱処理工程■を施す。
上記の低融点ろう材9a、9bとしては、例えば融点7
00℃以下のAg−Cu−Zn−Cdロウ等が挙げられ
、また、軟質金WA10としては、Al、Cu等が挙げ
られる。
上記第2の熱処理工程■では、前記低融点ろう材9a、
9bの液相線付近の温度でろう付に必要な雰囲気で所定
時間加熱される。
この第2の熱処理工程■においては、必要に応じてフラ
ックスを用いることが望ましい。
フラックスを使用することによって、フラックスの酸化
膜除去作用により、低熱膨張率の金属板2、軟質金属1
0およびステンレス鋼等の金属部材8のろう付けする面
を活性化させ、これらの金属に対する低融点ろう材9a
、9bの濡れを良好にすることができる。
また、この第2の熱処理工程■においては、前記第1の
熱処理工程ので発生したセラミックス部材lと低熱膨張
率の金属板2と間の残留応力が焼鈍の作用によ1り緩和
できるとともに、第1の熱処理工程■のろう付けの熱処
理温度に比べて低い温度で熱処理されるために、前記セ
ラミックス金属接合体7と金属部材8との熱膨張の差が
、従来法の如く、高融点ろう材のろう付は温度で一度に
加熱してセラミックス部材とステンレス鋼等の金属部材
とを接合する方法の場合に比べて、セラミックス部材中
に発生する最大主応力を最大50%程度まで減少させる
ことができる。
したがって、第1の熱処理工程■および第2の熱処理工
程■を経てセラミックス部材1とステンレス鋼等の金属
部材8との間が、上記のような種々の金属が2段階の熱
処理により形成される挿入金属層11を介して強固に接
合されるとともに、セラミックス部材1側には、残留応
力によるクラックの発生しないものとなる。
以下、さらに具体例で説明する。
実施例−1 第1図(A)において、 セラミックス部材1  :SiC 低熱膨張率の金属板2:タングステン (W)板 800 am 接合材5の活性金属3:チタン(Ti)Pil、5μm 接合材5の 高融点ろう材4:BAg80つ板 10 μ m 液相線 780℃ を用い、真空炉にてろう付温度820℃、保持時間3分
の条件で第1の熱処理工程■を施した。
次に第1図(C)において、 低融点ろう材9a、9b:BAgloつ板10μm 液相線 620℃ 軟  質  金  属 l O: 銅 (Cu)  板
200μm を用い、フラックスを使用して高周波加熱によりろう付
は温度620℃、保持時間3分の条件で第2の熱処理工
程■を施した。
この結果、セラミックス部材1にクラックのない健全で
強固なセラミックスと金属との接合体が得られた。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、セラミックス部材を活性
金属と高融点ロウ材とを有する接合材を介して前記金属
部材よりも熱膨張係数が小さい金属板と第1の熱処理工
程により接合し、次いで、前記金属板と前記金属部材と
の間に、金属板および金属部材よりも熱処理による塑性
変形が大きい軟質金属を挟んだ前記高融点ろう材の融点
よりも低い融点を有する低融点ろう材を挿入し、前記第
1の熱処理工程よりも低い温度の第2の熱処理工程によ
り接合するので、熱膨張係数差の大きいセラミックス部
材と金属部材とを接合する際、セラミックス部材側に発
生する熱膨張差に起因する残留応力を確実に抑制できる
とともに、健全で強固なセラミックス金属接合体を製造
することができるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)(B)(C)(D)は本発明のセラミック
スと金属との接合方法の一実施例を示す工程図、第2図
は従来の接合方法の一例を示す説明図である。 l・・・・・・セラミックス部材 2・・・・・・金属板(低熱膨張率) 3・・・・・・活性金属 4・・・・・・高融点ろう材 5・・・・・・接合材 6・・・・・・反応層 7・・・・・・セラミックス金属複合体8・・・・・・
金属部材(ステンレス鋼)9a、9b・・・・・・低融
点ろう材 10・・・・・・軟質金属 11・・・・・・挿入金属層 特 許  出  願  人 イーグル工業株式会社 第2 図 第1 図 (A) (C)

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)セラミックス部材と金属部材とを接合する方法に
    おいて、前記セラミックス部材を活性金属と高融点ロウ
    材とを有する接合材を介して前記金属部材よりも熱膨張
    係数が小さい金属板と第1の熱処理工程により接合し、
    次いで、前記金属板と前記金属部材との間に、金属板お
    よび金属部材よりも熱処理による塑性変形が大きい軟質
    金属を挟んだ前記高融点ろう材の融点よりも低い融点を
    有する低融点ろう材を挿入し、前記第1の熱処理工程よ
    りも低い温度の第2の熱処理工程により接合することを
    特徴とするセラミックスと金属との接合方法。
  2. (2)前記高融点ろう材が、融点750℃以上のろう材
    であり、前記低融点ろう材が、融点700℃以下のろう
    材である請求項1記載のセラミックスと金属との接合方
    法。
  3. (3)前記金属板が、熱膨張係数8×10^−^6/℃
    以下の金属からなる請求項1記載のセラミックスと金属
    との接合方法。
  4. (4)前記融点750℃以上のろう材がAg−Cuロウ
    、Agロウ、NiロウおよびPdロウから選ばれる少な
    くとも1種であり、前記融点700℃以下のろう材がA
    g−Cu−Zn−Cdロウである請求項2記載のセラミ
    ックスと金属との接合方法。
  5. (5)前記セラミックス部材がSiC系セラミックスで
    あり、前記金属部材がステンレス鋼である請求項1記載
    のセラミックスと金属との接合方法。
  6. (6)前記活性金属が、Ti、ZrおよびBeから選ば
    れる少なくとも1種である請求項1記載のセラミックス
    と金属との接合方法。
  7. (7)前記金属板が、W、WCおよびMoから選ばれる
    少なくとも1種である請求項1記載のセラミックスと金
    属との接合方法。
  8. (8)前記軟質金属が、CuまたはAlである請求項1
    記載のセラミックスと金属との接合方法。
  9. (9)前記活性金属と高融点ろう材とを有する接合材が
    、高融点ロウ材層に活性金属層を積層したものである請
    求項1記載のセラミックスと金属との接合方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102728918A (zh) * 2012-06-13 2012-10-17 陕西渭河煤化工集团有限责任公司 一种通过热粘结连接wc阀芯与不锈钢阀杆的方法
CN102924109A (zh) * 2012-10-18 2013-02-13 北京科技大学 一种Cf/SiC陶瓷基复合材料连接方法
CN103273155A (zh) * 2013-05-10 2013-09-04 山东大学 一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法

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