JPS5983984A - 窒化珪素質焼結体と金属との接合方法 - Google Patents

窒化珪素質焼結体と金属との接合方法

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JPS5983984A
JPS5983984A JP19331982A JP19331982A JPS5983984A JP S5983984 A JPS5983984 A JP S5983984A JP 19331982 A JP19331982 A JP 19331982A JP 19331982 A JP19331982 A JP 19331982A JP S5983984 A JPS5983984 A JP S5983984A
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silicon nitride
nitride sintered
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平尾 純雄
松長 正治
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Nissan Motor Co Ltd
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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】 本発明は、窒化珪素質焼結体と金属との接合方法に関す
る。
窒化珪素質焼結体は、高耐熱性、高耐食性、高絶縁性、
あるいは高耐摩耗性などの数々の優れた特長を持ってい
るため、内燃機関等の構造部品用材料として用いること
が検討され、内燃機関の熱効率向上および軽量化等を図
ろうとする技術開発が活発に行なわれるようになってき
ている。しかしながら、窒化珪素質焼結体は機械的衝駐
および熱的衝撃が比較的弱いという欠点を持っているの
で、単独で使用するよりは金属と複合して使用する方が
各特長を生かすことができて有利なこともある。また、
ターボチャージャ用タービンロータおよびインペラのよ
うに、一方は耐熱性が要求されるが、他方は耐熱性を要
求されないという部品もある。そこで、窒化珪素質焼結
体と金属とを接合する技術が不可欠となってくる、 従来、セラミックスと金属との接合方法としては1例え
ば81図に示すように、円柱状セラミックスlと円柱状
金属2とを接合するにあたり、金属2にスリーブ3を形
成し、セラミックス1をスリーブ3内に嵌合して焼きば
めする方法があった。
しかしながら、このような焼きばめする方法では、セラ
ミックス1とスリーブ3の加工寸法精度を±51Lm以
下にして、厳密な締め代が得られるように管理しなけれ
ばならならず、諦め代が大きすぎるとセラミックスlが
破壊し、締め代が小さすぎると接合強度が小さくなるた
め、締め代を厳密にすることにより加工コストが」二貸
するという欠点を有し、また、セラミックス1と金属2
とが同径である場合には、セラミックスl側の接合部を
小径にするだめの段部1aを設けなければならず、この
段部1aが破壊の起点となりやずいという問題点があっ
た。
・方、アルミナセラミックスを中心とする酸化物系のセ
ラミックスについては、例えばM o −Mn法を用い
てセラミックス表面にメタライズ層をつくり、その表面
の保護のためにNiメンキを施した後金属とろう接する
といった方法はあるが、窒化珪素質焼結体を冶金的に接
合する方法については未だ確立された方法がないのが現
状であるという問題点を有していた。
本発明は、従来のこれらの問題点を解消するためになさ
れたもので、作業性が良好で、かつ接合強度の優れた窒
化珪素質焼結体−金属の接合体を得ることができる窒化
珪素質焼結体と金属との接合方法を提供することを目的
とする。
すなわち、本発明は、窒化珪素質焼結体と金属の各々の
接合面の一方または両方に、一実施態様においては主と
して窒化珪素質焼結体の接合面に、活性金属もしくは該
活性金属の水素化物を含むペーストを塗布し、前記窒化
珪素質焼結体と金属の各々の接合面でろう接することを
@徴とする接合方法である。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
第2図は本発明による窒化珪素質焼結体と金属との接合
部分の一部拡大断面図である。窒化珪素質焼結体lと金
属2とをろう接するにあたり、活性金属たとえばTi、
Zrもしくはそれらの水素化物の粉末を有機質溶媒と混
合してペースi・状とし、このペースト4を窒化珪素質
焼結体1の金属2との接合面に塗布する。次いで窒化珪
素質焼結体1と金属2との間にろう材5を介在させ、非
醇化性雰囲気中において、ろう材5の融点以上好ましく
は20〜200’C以上に加熱して一回の加熱操作でろ
う接する。
この場合、健全な接合体を得るには、窒化珪素質焼結体
1の相対密度が93%以上であることがより好ましい。
すなわち、−実施結果によれば、相対密度が92.8%
未満となると、ろう接接に窒化珪素質焼結体lに亀裂を
生ずることが多くなるからである。また、金属2として
は、ろう材5より融点の高いすべての鉄系合金に対して
本発明を適用することが可能であり、鉄系合金以外のも
のにも適用可能である。さらに、ペースト4に含まれる
活性金属もしくはそれらの水素化物は、ろう接する際に
使用する所要量のろう材に対して重量比で0,02〜2
0%にすることがより望ましい。この理由は、0.02
重量%未満であれば、窒化珪素質焼結体1中のSiがろ
う材5中へ拡散しにくくなり、十分な接合強度が得られ
ず、一方、20重量%を超過すると余剰の活性金属が接
合部に残留するためにかえって接合強度が小さくなるこ
とによる。
また、本発明による接合方法は、活性金属たとえばTi
、Zrもしくはそれらの水素化物を有機質溶媒に混合し
てペースト状にし、刷毛またはスプレー等により、窒化
珪素質焼結体lと金属2の各々の接合面の一方または両
方、より望ましくは主として窒化珪素質焼結体1の接合
面に塗布してろう接するものである。
さらに、強固な接合強度を得るには、窒化珪素質焼結体
1中のStがろう材5に十分拡散するように、真空中ま
に不活性ガス中で所定のろう接温度により所定時間保持
することが望ましい。たとえば、ろう材5が銀ろうの場
合にはろう材5の融点以」−の温度で10分以上加熱保
持するのが好ましい。
次に、本発明の実施例について具体的に説明する。
まず、第3図に示すように、平行部1bを有する直径1
0mmの丸棒状窒化珪素質焼結体1と、同じく平行部2
bを有しかつ第1表に示す材質からなる直径10闘の丸
棒状金属2とを用意し、次いで、窒化珪素質焼結体lと
金属2とを第1表に示すような接合条件により各々ろう
接を行った。
すなわち、本実施例においては、粒径が200メツシユ
以下のTi、Zr、TiH2およびZrH2をそれぞれ
個別に有機質溶媒と混合してペーストを作成し、このペ
ーストを各々窒化珪素質焼結体1の接合面に塗布した。
このとき、上記T1、Zr、TiH2およびZrH2の
塗布量は、使用するろう材に対して第1表に示す比率と
なるように定めた。次いで窒化珪素質焼結体lの接合面
に厚さ0.1關の箔状の銀ろう(JISBAg−7(5
6%Ag−22%Cu−17%Zn−5%Sn)または
BAg−8(72%Ag−28%Cu)相当材)を重ね
、さらに金属2をその接合面で突き合わせた。次いで、
第1表に示すように、真空雰囲気中(l 0−3tor
r以下)または5%H2/N2の不活性雰囲気中におい
て、同じく第1表に示するう接温度と保持時間でろう接
を行った。また、比較のために活性金属としてTiH2
を使用し、ろう材との比率が0.01%とな木ようにペ
ーストを塗布した場合についても試験/ した。
このように、種々の条件の下でろう接して得られた接合
体に対して捩り試験および走査型電子顕微鏡による観察
を行った。第2表は各接合体試験片についての捩り試験
結果を示すものである。このとき、捩り強度は各接合体
につき3個ずつ捩り試験を行って平均を取ったもので、
′次に示す式により算出した。
ただし、τ:捩り強度、T:捩りトルク、第2表から明
らかなように、本発明法によりろう接を行った試験片N
o、  1〜5はいずれも捩り強度が約8Kgf 7m
m2以上と高く、さらに破壊を生ずる場所はセラミック
ス部本体であった。これに対して比較例N006は捩り
強度がほどんど出す、しかも接合界面ではくすした。従
って、本発明によれば、捩り強度の勝れた接合体を得る
ことか可能となる。
した結果を第4図に示し、成分分析した結果を第5図(
a)(b)に示す。図から明らかなようにSiは窒化珪
素質焼結体1の接合面からろう材5の層へ拡散している
ことが分かる。これは、Si3N4がTiと反応してい
るものと思われ、このSiを含む反応層がSi3N4表
面に形成され、これがろう材と接合する上で強力な接着
力を示す原因となるものと推定される。
このように本実施例によれば、窒化珪素質焼結体の接合
面に活性金属あるいはこれらの水素化物を含むペースト
を塗布することにより、ろう接する際に、窒化珪素質焼
結体からのStの拡散が促進され、接合強度の向上に寄
与する。
第6図は本発明の他の実施例を示す図であって、ターボ
チャージャ部品に適用した場合を示している。第6図に
示すように、高温側のタービン羽根車11と軸12とを
セラミックスで一体成形すると共に、低温側の圧rr6
機イフィンペラと輔14とを金属たとえばインペラ13
はアルミニウム、軸14は5US304で作製する。こ
の場合、インペラ13と金属軸14とは、金属軸14に
設けた細径部15を圧縮機インペラ13に嵌挿し、ワッ
シャ16を介してナツト17で固定して組)′/、てた
ものである。上記金属軸14には内面テーパ状のスリー
ブ18を形成すると共に、セラミックス軸12には前記
テーパ状のスリーブ18のテーパと同程度のテーパ状を
なすテーパ突部19を形成し、テーパ突部19の外周部
にはろう材空隙溝19aを部分的に形成する。
セラミックス軸12と金属軸14とを接合するに際して
は、セラミックス軸12のテーバ突部19のろう材空隙
溝19aに、活性金属の水素化物(TiHz)と有機買
溶奴とを混合したペーストを塗r+s Lだ後、前記テ
ーパ突部19を金属軸14のスリーブ18内に挿入し、
挿入した状態で形成された間隙20にろう材(BAg−
8)21を挿入した。次いで真空(10−3torr以
下)中で850°QX15minのろう接条件にでろう
接をした。その結果、健全な継手が得られた。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、窒化
珪素質焼結体と金属の各々の接合面の一力または両方に
、活性金属もしくはそれらの水素化物を含むペーストを
塗布した後、前記窒化珪素質焼結体と金属の各々の接合
面でろう接するようにしたから、ろう接接の接合部にお
いては前記活性金属を介してS【の拡散が促進されてい
るため強固な接合体を得ることが可能となり、その効果
に顕著なものがある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の接合方法による接合体の断面説引回、第
2図は本発明による窒化珪素質焼結体と・金属との接合
部の拡大断面説明図、第3図は本発明の実施例において
接合した窒化珪素質焼結体および金属の斜視説明図、第
4図は第3図の接合体の接合部のミクロ組織写真、第5
図(a) (b)は各々5i−Tiの成分分布および5
t−Cuの成分分布を示す写真、第6図は本発明の他の
実施例を示すタービンロータおよびインペラの断面説明
図である。 1・・・窒化珪素質焼結体、2・・・金属、4・・・ペ
ースト、5・・・ろう材、12・・・セラミックス軸、
14・・・金属軸、21・・・ろう材。 特許出願人  日産自動車株式会社 代理人弁理士 小  塩   豊

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)窒化珪素質焼結体と金属とを接合するにあたり、
    前記窒化珪素質焼結体と金属の各々の接合面の一方また
    は両方に、活性金属もしくは該活性金属の水素化物を含
    むペーストを塗布した後、前記窒化珪素質焼結体と金属
    の各々の接合面でろう接することを特徴とする窒化珪素
    質焼結体と金属との接合方法。
JP19331982A 1982-11-05 1982-11-05 窒化珪素質焼結体と金属との接合方法 Granted JPS5983984A (ja)

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