JPS5895666A - 非酸化物系セラミツクスの接合材およびその製造方法と接合方法 - Google Patents

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】 本発明は高温強度の維持に優れた炭化珪素（ＳｉＣ）・
窒化珪素（Ｓ　ｉ　ｓＮａ　）窒化アルミニツム（Ａｌ
ｆ）およびナイアａ　ｙ　（５ｊ１−ｚＡｔｚＯｌＮ−
−ｚ　。

ｚ；１〜４２）等のような自動車部材として有用′＆４
２ミックス材を接合するための接合材及びその製造方法
並びに接合方法に関するものである。

上記の非酸化物セラミックスは自動車のガスタービンエ
ンジンの燃焼筒やタービンロータ部の部材として目下、
開発が進められている材料であシ、耐熱性、耐摩耗性、
耐蝕性等が優れているのを利用して各種の産業分野にお
いて広く使用され始めて−る。

このような材料を構造材料あるいは一般の高温工業材料
として利用するには直接、大形の−のを製造するよりも
小形のものを製造し、これを接合して大形物とする方法
が望ましい０例えば該材料で製造したグレードとハブを
接合して一体化させたローター、窒化珪素燃焼筒と炭化
珪素スクロール、炭化珪素シ島ツワドと同質のスクロー
ル、窒化珪素燃焼筒と同質のノーズコーンとの接合等で
ある。

従来非酸化物系セラミックスを接合するには第一の方法
として被接合体く近い膨張係数を有し濡れ性のよいガク
ス看末を塗りて溶融する方法、第二の方法として珪素、
ゲルマニワムのような共有結合性金属や白金のような高
融点金属、あるいはそれに基づいた合金を愛用する方法
等が行われているが、珪素の融点は約１，４００’Ｃ。

ゲルマニワムの融点は約８ＧＯ’Ｃであることから、例
えばガスタービンエンジンにおけるｔ２００ないしＬ４
００’Ｃの高温運転の使用は不可能であシ、第三の方法
として炭化珪素−アルミニクムー硼素−炭素系の接合材
を使用する方法は被接合材が炭化珪素に限られ番等、被
酸化物セラミックス一般に通用し、しかも高温で接合強
ｆｔ−維持できる接合材は未だ知られていない。

本発明は自動車用ガスタービンエンジンの作動温度範囲
である１２００ないし１４００’ｃの高温でも強度低下
が室温程度の２０１以内に抑えることのできる接合材の
提供を目的とする。

本発明者は非酸化物セラミックスの中で同一５ｉｌＩＩ
のもの又は異種のものを広い範囲で接合し得る接合材を
求めて研究を重ねた結果、炭化アルミニウム、酸化アル
ミニツムが熱処理中に一部液相を形成しそのたすけによ
シ焼結を促進すること、更に酸化アルミニツムは窒化珪
素と焼結時に固溶できることから、炭化珪素（ＳｔＣ）
を主成分として窒化珪素（ＳｉｌＮ４）　％炭化アルミ
ニウム（ＡＪｌ、Ｃ，）、酸化アルミニツム（ｍ、ｏ、
）、。硼素（Ｂ）及び炭素（Ｃ）よシなる組成物が上記
の目的−に遍うことを見出し友。

即ち本発ｆ１４は炭化珪素１００重量部、窒化珪素６な
いし４０重量部、炭化アルミニウム２ないし６重量部、
酸化アルミニツム１．４ないし２．４重量部、硼素ＥＬ
＆ないし５重量部及び炭素ａ墨ないし３重量部よりなる
均一混合物粉末で、且つ該混合物粉末を構成する各成分
の粒径が１ミクロンより細かいことをＩ！！＃像とする
非酸化物系セラミックスの接合材に関するものである。

又、本発明は炭化珪素１００重量部と粒径１０ミクロン
以下の金属、アルミニ９ム２−２５ないし瓜７５重量部
の均一混合物を一酸化戻素又は−酸化炭素を含む不活性
ガス雰囲気中で加熱することに↓シ金属アルミニワムを
炭化アルミニ９ふと酸化アルミニ９＾とに変化せしめた
後、粒径１ミクロンよシ細かい窒化珪Ｘ６ないし４０重
量部、粒径１ミクロンよシ細かい硼素（Ｌ４ないし５重
量部おＬび粒径１ミクロンよシ細か匹炭素ＣＬ４ないし
３重量Ｓｔ均一に混合することｔ特徴とする非酸化物セ
Ｊ）１ツクス接合材の製造方法に関し、更に該非酸化物
セシミックス接合材を被接合材に約ｔｏｏｔクロンのは
ぼ均一な厚さで微積し５０ないし４００１４７ｄの加圧
下で、非酸化性ガス雰囲気中、ｔ、４０Ｇないしｔ、ｇ
ｏ。

ａＣに加熱することを特徴とする非酸化物上フォックス
間ＯＳ合方法Ｋａｌｔ！。

次Ｋｌ１合材成分の組成、接合材の製造方法、使用条件
等の限定壇由について述べる。

炭化珪素（１００重量部）扛非酸化系セク建ックスの主
要原料であり、本発明の接合材でも母材としての役をな
している。窒化珪素の量は被接合体の組合せによ）変化
するが、一般的には４１いし４０重量部が好ましい、焼
緒温［を下げる効果を有し、６重量部以下では効果が少
な（４０重量部以上では接合体の強度を低下する。

酸化アルミニ９ムは量が少いと液相生成に不足し、多す
ぎると接合体０強ｊ［を低下するのでｔ４′＆−レ４２
重量部が好ましい、酸化アルミニウムは下記Ｏ式により
金属アルミニウムと一酸化炭素との反応により生成する
。

４１１　＋　ＳＣＤ　−ＡＩ、ｇｏ＠　＋ｊＬ４４Ｃ１
炭化フル（ニウムは酸化アルミニウムに対して等篭ル生
成するのでその重量比率は２１にいし６重量部である。

硼素は炭化珪素ｏｗａｍｍ度を下げ、焼結促進に有効で
ある。（Ｌ４重量部以下であると焼結が不十分となシ、
５重量部以上では接合力を低下する。

炭素は接合層の緻密化に寄与するが１６重量部以下では
効果が少＜、’重量部以上では接合力を低下する。

次に各成分は粒径が細かｖｈｆｉど当然分散がよくな）
、特に炭化アルミニウムと酸化アルミニウムは粒径が粗
−と炭化珪素粒子の周囲を十分に包むことができず接合
力を高めることができ′＆ｉので１ミクロンより細かい
ものが好ましい。

従ってそれらの原料となる金属アルミニ９＾は１０宅ク
ロン以下のものが好ましい、上記の各成分の粒径が１ミ
クロン以下なので補助剤としての硼素、炭素を粒径１ミ
タ鑓ン以下のものが好まし―。

本発明の接合材を使用して非酸化物セラミックスを接合
するにはＩＪＧＯないし１，８００９Ｃで加圧焼結する
。炭化珪素はｚｚｏｏ＠ｃで昇華し、窒化珪素の融点は
高圧下でＬ？ＯＯ”Ｃ，常圧ではｔ９０口０Ｃで分解す
る。したがって、加熱処理の上限は１．８００’ないし
ｔ９００°Ｃで、一方、１．４　［１ｆＣ以下では接合
層が緻密化しない。加圧の条件は温度に依存し、ｔ６０
ロ６Ｃでは４００気圧を要しｔｓｏａ”　Ｃ”ｔ”ｔｚ
　ｓ　ｏ　気圧テＺ　ｎ　。

以下、実施例に１夛本発明を説明する。

実施例１ 平均粒径約ｒｈｓミクロンのβ雛炭化珪素（酸素含量ａ
１ｓ重量憾、揖斐用電工ｆｉｌａ）　４００Ｆ及び平均
粒径５（クロンのアルミニウム粉末（高純度化学研究新
製）４−ｓｔｙＢ−７２スナツクぎ−ルミルにと９、ト
リクロルエチレン媒液中で均一に混合した。混合物上乾
燥し、乾燥物をはぐして得た粉末全黒鉛坩堝に移し一綬
化炭素墨Ｏ容積憾會含むアルゴンガス中にて１０’（、
ａｉｎＯ昇温速置で装ｓｏ’ｃまで加熱し友。透過電子
顕微鏡観察によると金属アルミニウムは１ｉり四ンより
微細な炭化アルきニウムと酸化アルミニりムに変じて、
これらは炭化珪素粒子の周囲Ｋｆｉぼ均一に分散して−
た。このようＫして調製した粉末をトリクロルエチレン
に浸し、更に平均粒径（Ｌ６ｆクロンの窒化珪素（酸累
含量！Ｌ６重量幅、日本電工株製）ｌ（１，比表面積Ｉ
Ｚ５ｄ／ｒの非晶質硼素（***、シ為メルク社製）６ｆ
、およびカーボンブラック（三菱化成工業株製、ダイブ
ツクツクり６ｆを配合し、トリクロルエチレンを媒液と
してゲラステックボールミル中で均一に混合して接合材
とした。

接合材は媒液に浸した状態で保存した。媒液はトリクロ
ルエチレン以外にベンゼン、ベンジン、トルエン、リグ
ロインなど揮発性液体で水分を含まぬものが長期保存に
よ（、又試薬特級のアセトン、メタノールでもよめ。

実施例２ 実施例１における一酸化炭素の濃度を約５嘔以上とした
以外は実施例１と同様にて、金属アルミニウムを炭化ア
ル２ニウムと酸化アル叱二ワムに変えることができ、実
施例１と同様な電子顕微鏡観察結果を得た。

実施例５ 実施例１て調整した接合材を媒液中に分散させ、縦２ｆ
）ｍ％横２５ｍ、長さ２５ｍで嵩比重五Ｏ９ｔ／ｄの炭
化珪素焼結体（日本特殊陶業株製）の２０箇×２５閣の
断面にスグレーで吹きつけほぼ均一な（Ｌ１■の厚さと
した。この層を同寸法の嵩比重Ｓ−１１１７−の窒化珪
素焼結体（ｖＡ東芝凝）　Ｏ２０ｍＸ　２　Ｓｍ　Ｏ面
で挾み、２５０４７ａｉの加圧下で、アルゴンガス中、
　　１，７５０”Ｃで２時間加熱した。得られた接合体
から接合面を中心にして、３　ｍ　Ｘ　４■ｘｓｏｗＩ
ｍの短冊壁曲げ試験片を切シ出し、室温（空気中）と１
．４００”Ｃ（真実施ｆｌ１４ 実施例１及び実施例５の方法により、但し成分の配合比
を変えて調整した各種の接合材を便しＡ１と４９は本発
明の接合材の組成範囲外であるのでもそれぞれ比較例１
、比較例９とした。

上Ｓ＋１−みでわかるように本発明の組成範囲内の接合
材を使用した場合（Ｉ＆２〜８、及びＪＫｌｏ）は高温
における強度低下が２０−以下で高温においても高強ｆ
ｔ維持しているが、Ａ１（比較例１）ではＳ輸Ｎ４．紅
４ＣＢｍ　Ａｔｔｏ＠　　が範囲外、ム９（比較例２）
ではＡＩ、４Ｇ　が範囲外で何れも５０憾以上０＊ｍ低
下を示している。

実Ｊｌｉｆｌ１５ 実施例４で述べ、前記の表中４８に相当する接合材で窒
化珪素セクィックス製のグレードと同じく窒化珪素セラ
ミックス製のハブを接合して直径１８０ｍのタービンロ
ーターを試作し、室温で１００時間連続して＠（ＬＯＯ
Ｏｒｐｎで回転適せ、又空気中ｔ２Ｏ口″Ｃで同じく１
００時間連続して４Ｑ＠ＯＯｒｐｍで回転させ友が何れ
の場合にも何ら欠陥を生じなかった。

実施例６ 実施例１で使用した平均粒径ｒ：Ｌ３ミクロンの／ＩＩ
炭化珪素を平均粒径ｒ：ＬＯ６ｉクロンのβ型炭化１ｉ
ｉｇＫ代えて謂頚ゆした接合ＩＩｇを用い実施例４と同
様にして曲げ強度を測定せる結果、すべての場合におｉ
て約ｔ２倍に増加した。

実施例７ 実施例１で使用したβ型炭化珪素を比表面積１６−／　
ｔのα型炭化珪素（不二見研磨剤工業■製、（１２憾の
アルミニウム不純物音固溶している）に代えて調整した
接合材を用い、実施例４と同様な試験を行った結果、接
合体の強＆Ｈ殆んど変化しなかったが、接合に賛する加
熱温度を５０ないし１００＠Ｃ低下させることができた
。

実施例８ 実施例１で便用したトリクロルエチレンをベンゼンに代
えた以外は実施例１と同様にして調啄した均一粉末混合
物を図で示す炭化珪素−にシミツクグレード１のさし込
みｇｔ　ｎｏ接合面に１［１し、°約１０Ｇミクロンの
厚さで植種した。

べ／ゼンを揮発して乾Ｉｌｌ、窒化珪素ハブ５にグレー
ド１ｔさし込みグレード１の肩とハブＳを１５０Ｔ！４
／−で加圧した状態でアルゴンガス雰囲気中１．７５０
０Ｃで２時間加熱し接合を完了してタービンローター４
を僧た。

上記のロー！−を室温で１００時間連続、８　ａｏ　Ｏ
Ｏｒ　ｐｍ　　の回転試験を行ったが接合部に欠陥を生
じなかつた０次に、別に製造した同一のローターについ
て’ｔ、５ａｒａ”ｃで１００時間連続、４２．００Ｏ
ｒｐｍ、更に引４ｇ、龜１，４００６Ｃ−ｔ’２４時間
連続、ｌａｏｏｏｒｐｍ　　の回転試験を行ったが接合
部に欠ＩＩＩ會生じなかりた。

実施９１？ ５ｉｃｔｏｏ重量１１に対する他成分の配合量が本発明
の接合材の組成範囲外である場合、たとえば５ｌｓＮ、
　４重量部、ｊｕ４ｃ　ｔ　ａ重量部、Ａ４０ｓｔ５重
量部、８１５重量部、Ｃ五３１を置部では本殆明の接合
方法における圧力、温度条件であ４５１ｋｖｈｌ、４０
０Ｋｔ／ｊ、　１４００　ｆｉイ（、ＬａＯ２”　Ｃの
範囲内で接合しても、実施例６と同様な回転試験を行っ
た結果では、接合部に欠陥を生じた。

なシ本発明の接合材成分の配合量の下限ては、接合条件
トＬ？　４００Ｋｅ／ｄ、　ｔ、８０ｏ”　Ｃｆ：ｌｌ
　ｌ、、上限では５０１４／−１ｔ６００°Ｃで接合で
きた。

実施例１０ 断面２０■Ｘ２０ｍ、長さ４０５ｍで嵩比重五０１ｆ／
−のα−５ｉＣ焼結体の断面を第２表の配合の接合材で
約１ｏＯミクロンの厚さに被覆し、上記の焼結体と同一
寸法で嵩比重五〇１４１／−のβ−８ｉ、Ｎ４焼結体の
２０■×２０−の断面で被ａｇｉｎｔ挾み、謔２表の接
合条件でアルゴンガス雰囲気中で接合した０次Ｋｍ合体
からＳｗｇＸ４ｍＸ４０ｍＤ試験片を切出し、４点曲げ
強度ＶＣ３１温（空気中）とｔ４ＧＯ＠ｃ（真空中）で
測定した。結果を第２表に示す、なお、表中の測定値は
試験片４本の平均値である。

第２表　ＳｔＣ／５ｔｌＮ４接合体の曲げ強度表中、轟
１およびＡ５は本発明の接合材の組成１ｉ囲外で２（１
１以上の強度低下を示し九のに対し、本発明の組成範囲
内では１０畳前後の強度低下にとどまつえ。

実施例１１ 断［１２０■×２０閣、長さ４ｏ■で嵩比重五２ｔ／−
の窒化アルミニウム（ん久）焼結体２個の断面の関に１
重量比テＳ　ＩＣ１００ｓｓ　Ｓ　！　＠Ｎ４１６　ｓ
ｂ　ＡＺ４　Ｃｓ２．５ｇ％Ａｊ、０ｓｔ８１１ｉ、Ｂ
ＩＮ及びＣａ４ｇの組成の接合材を約１ｏｏ１クロンの
厚さで挾み。

ヘリツム２Ｑ憾、窒素２０嚢の雰囲気中で！１５０ｈ／
ｄ、　Ｌ８００＠Ｃで１時間加熱し、焼結体を接合させ
た。接合ｇｔ−中央にした試験片を切り出し、４点曲げ
強度を測定した結果は室温で５ＳＫｐ／ｊ。

ｔ４００°Ｃ（真空中）で５ｌｌ１４／−で強ｆ低下は
約７憾であった。

以上述べたように本発明により炭化珪素を主成分として
これに窒化アルミニウム、炭化アル１＝りム、酸化アル
ミニウム、硼素および炭素の微粒子をよく分散混合した
接合材を用ｉ、非酸化物セセラツクスを特定の温度、圧
力の範囲内にお４ｎ”（接合させることができる。又、
このようにして得九接合体は高温にお−ても著し一強１
１Ｌ低下がなく、ガスタービンローターとしてｔ、ｚｏ
ｏ　１に匹しｉ、４００’Ｃの連続高温回転にも耐え、
自動車用ＳＷとして好適である。

【図面の簡単な説明】

図は本発＠により得られ九七ッミックガスタ−ビンロー
ターの説明図である。 図中、 １・・・炭化珪素セランツタブレード、１ａ・・・さし
込み部、２・・・接合材、３・・・窒化珪素セラミック
ハブ、４・・・セラ建ツクガスタービンローター（ほか
１名）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　炭化珪素１００重量部、窒化珪素６ないし４
   ０重量Ｓ、縦化ア＃ミニクＡ２ないし６重量部、酸化ア
   ルミニワムｔ４なめし２−４重量部、硼素ｃＬ４な−し
   ３重量部及び炭素ａ６な論し５重量部よりなる均一混合
   物粉末で、且つ該混合物粉末を構成する各成分の粒径が
   １ζクロンより細かい仁とを特徴とする非酸化物セラミ
   ックスの接合材。
2. （２）　　粒径１ミクロンより細かい炭化珪素１００重
   量部と粒径１０ミクロン以下の金属アルミニワムＬ２Ｓ
   なｉし４７５重量部の均一混合物を一酸化炭素又線一酸
   化炭素を含む不活性ガス雰ｌｌ＠中で加熱することにょ
   砂金属アルしりムを炭化アルイニク＾と酸化アルオニり
   ムとに変化せしめた後、粒１ｉｔｔクロンよ）Ｓか込窒
   化珪素番ないし４０重量部、粒径１ミクロンよシ細かい
   硼素（Ｌ４ないし５重量部および粒径１ミクロンよ抄細
   かい炭素ａ４なｔｘ　Ｌ、　ｓ重量部を均一に温合せし
   むることを特徴とする非酸化物セラさツクス接合材の製
   造方法。
3. （３）　　炭化珪素１００重量部、窒化珪素基なｉし４
   ０重量部、炭化アルミニ９ム２ないし６重量部、酸化ア
   ルミニ９ムｔ４ないし１４重量部１硼素ａ６なめし５重
   量部及び炭素１番ないし５重量部よシなる均一混合物粉
   末で、且つ該混合物粉末を構成する各成分の粒径が１ミ
   クロンより細かめ非酸化物セラミックス接合材を被接合
   材に約１００ミクロンのほぼ均一な厚さで被覆し、ＳＯ
   なりｈし４００％／ｄの加圧下で、非酸化性ガス雰囲気
   中、Ｌ４００１ｋｖｈ［，１４１００’Ｃに加熱するこ
   とを特徴とする非酸化物セラミヅクス間ＯＳ合方法。
4. （４）　　非酸化物セラζツタｊＩ−が炭鶏珪嵩（！Ｈ
   Ｃ）・窒化ｉ！嵩（引ｓＮａ）ｍ窒化ア＃ミエクム（ん
   α）およびナイアロン（Ｓｉｓ−ｚｊｕｚｏｚＮ＠−ｘ
   　ａ　ｚ　＝　１〜表２）で参る特許請求の範囲ｔｇ３
   項記載の接合方法。