JPS60200868A - 炭化ケイ素又は窒化ケイ素焼結体の接合方法 - 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】 本発明は核融合炉用セラミック即ち炭化ケイ素又は窒化
ケイ素或はその混合物の焼結体相互の接合又はこれ等の
高温耐熱性のセラミックと金属特にステンレス鋼との接
合方法に閃するものである。

従来核融合炉用セラミックス材としては炭化ケイ素（Ｓ
ｉｎ）及び窒化ケイ素（ｓｌＪ）は、低原子番号材であ
るばかりでなく、耐熱性、耐照射損傷に、優れた材料で
あり、さらに長寿命誘導放射能が小さいことから、第一
壁材料として有望視されている。緻密質ＳｉＯ或は窒化
ケイ素（ＳｉＮ）の製法としては、反応焼結法、常圧焼
結法、ホットプレス法、化学蒸着法などがあり、製品の
性質はそれぞれの製法に依存して異なっている。

本発明者は従来までＳｉＯ焼結体及び窒化ケイ素どうし
の接合法を検討し、Ｓｉ＋Ｃ→ＳｉＯの反応を使う反応
焼結による接合、易焼結性サブミクロンＳｉＯ粉末を用
いホットプレスすることによる接合、Ｇｅあるいはｌｔ
を用いるろう相法によって、十分な強度を有する接合体
を得ることができた。

然し乍ら、５００°Ｃ以上の高温耐熱性を要求される場
合にはアルミニウムをろう材として使用した場合は接合
部の耐熱強度がなく、実用に供し得ない。

本発明者はＳｉＧ焼結体どうしの接合からＳｉＯ焼結体
とステンレス鋼との接合へと研死を進めた。

まず、ＳｉＯ焼結体をＡＩで接合できたので、Ａｌを用
いＳｉＯｆｉｌ結体とステンレス鋼を接合することを試
み、一応の強度を有する接合体を得ることができた。し
かしながら、ＳｉＯ焼結体どうしをＡｌで探合すると、
ＳｉＯとＡＩとが一部反応してＡＩ、０８が生成し、耐
水性がよくないことが明らかになったので、他のろう材
を用いることを考えた。ＳｉＣとステンレス鋼は熱膨張
係数の差が大きいため、両者の間に入れるろう材には、
熱膨張係数の差により発生する応力を緩和するために、
延性の大きな銀ろうを用いることを考えた。

セラミックスと金属の接合は、従来からテレフンケン法
、活性金属法、フリット法、拡散接合などによって行わ
れてきた。本発明の内容であるチタンを用いる活性金属
ろう相法は、アルミナ（酸化アルミニウム）セラミック
スと金属の接合ではよく知られている方法である。たと
えはチタンやジルコニウムのような活性金属と、これら
と低融点の合金を作るニッケル、銅、銀を共晶組成にし
た金属ろうを用い、真空又は不活性ガス中で加熱するも
のである。加熱中にろう中のチタンがアルミナの中に吸
収されてアルミナ中の二酸化けい累、と反応し、これを
還元するとともにチタンの酸化物が生成し、チタン、け
い素及びこれらの酸化物が互いに拡散し中間層を形成し
接着が行われる。

しかしながら、炭化ケイ素セラミックスとステンレス鋼
の接合については、アルミニウム箔を用い高温度で圧力
を加え固相状態で両者を接合させる拡散接合が知られて
いる程度である。この方法は、ろう何時に圧力を加える
ことを要し、又、アルミニウムを使用しているため、ろ
う何部は高温に耐えない欠点がある。

従来、チタン又はジルコニウムを銀ろうに混合してセラ
ミックと金属との接合に使用した例が特開昭５６−９６
７８４号として知られている。これはチタン又はジルコ
ンをそれぞれ単独又は複合して銀−銅合金中に６重量％
以内添加したろう材を使用するものである。

一般に炭化ケイ素焼結体中には遊離ケイ素を０．５重量
％以上含み、この遊離ケイ素がチタンと反応し、ケイ素
とチタンとの化合物が生成し、チタン又はジルコニウム
６瓜量％以下の添加では充分な接合ができないことが判
明した。

（発明の目的及び概要） 本発明は以上の如き予備実験の結果に鑑み、チタン又は
ジルコニウムを６．５重量外ないし２０重量％銀−銅合
金よりなるろう材に添加することにより遊離ケイ素を少
くとも０．５％以上含む炭化ケイ素焼結体又は窒化ケイ
素焼結体或は両者の複合焼結体相互又はこれと金属特に
ステンレス鋼の接合に対して充分な接合強度が得られる
ことが認められた。

なお、本発明者は更に研究、実験を継続した結果、遊離
ケイ素を含まない炭化ケイ素焼結体又は窒化ケイ素焼結
体或はその混合物の複合焼結体の相互及びこれと金属特
にステンレス鋼との接合に際しては、チタンジルコニウ
ム或はその水素化物０．５〜５重量％を銀５０〜９０重
量％、銅５０〜１０重量％よりなるろう材に添加したろ
う材により接合できることが発見された。

接合における加熱温度は９００〜１１００″Ｃがよい０ 、（発明の具体例） 炭化ケイ素及び窒化ケイ素は耐熱性、耐摩耗性、耐食性
にすぐれ、ステンレス鋼は耐熱性と延性にすぐれた材料
で、両者を組み合せることにより互いの欠点を補い、高
温で使用される部材として用いることができる。一方、
炭化ケイ素又は窒化ケイ素どうしを接合することができ
れば、小さな部品から大きな部材あるいは単純な部品か
ら複雑形状の部材を製造することが可能である。

炭化ケイ素又は窒化ケイ素とステンレス鋼は熱膨張係数
の差が大きく、そのため高温で接合し室温に冷却する過
程で大きな熱応力が発生し、われてしまうことになる。

これを防ぐには両者の間に、熱膨張係数が両者の熱膨張
係数の中間にあるような緩衝材を入れることが考えられ
る。本発明ではろう材に延性に富む銀ろうを選び、ろう
材の役割と緩衝材の役割を兼ね持たせるのが目的である
。

然し銀ろうは炭化ケイ素又は窒化ケイ素と温性がなく濡
れないため高温で溶解すると銀ろうは球となって炭化ケ
イ素又は窒化ケイ素表面を流れ、ろう付はできない。そ
こでチタン又はジルコニウムの如き活性金属を銀ろう材
に加える方法が考えられた。

炭化ケイ素焼結体又は窒化ケイ素焼結体には、製法によ
って遊離ケイ素を含むものと含まないものがある。熱処
理や酸処理を行わなければ、反応焼結法によって作られ
た炭化ケイ素焼結体は、２〜２０重量％の遊離ケイ素を
含むのが普通であり、常圧焼結法やホットプレス法によ
って作られる焼結体にはほとんど遊離ケイ素は含まれな
い。従来、ろう対決がうまくいかなかった一つの理由は
このことを考慮していないことである。本発明ではこれ
を考慮し、最適のろう付条件を明らかにしたものである
。

銀ろう中に加えるチタン又はジルコニウムの量は、次の
具体例で述べるように、炭化ケイ素焼結体に含まれる遊
離ケイ素の量に依存し、多く含まれる場合にはチタン又
はジルコニウムの量も多く、含まれない場合はチタン又
はジルコニウムの量は少くてよい。それに伴ないろう付
温度も変わり、チタン又はジルコニウムの皿を多くする
と高温にする必要がある。

さらに雰囲気については酸素をできるだけ含まないこと
が望まれ、真空中、不活性ガス、あるいは水素添加不活
性ガスなどが適している。真空中のろう何例では１０−
’ｔｏｒｒ　（ａｍ　Ｈｇ）と５　Ｘ　１０−５ｔｏｒ
ｒで差が出る程度に酸素量に敏感である。又、この方法
は炭化ケイ素、窒化ケイ素のみでなく窒化アルミニウム
などのような非酸化物セラミックスにも応用ができる。

本発明において、炭化ケイ素焼結体又は窒化ケイ素焼結
体の接合用ろう材として銀、銅よりなるロウ材にチタン
又はジルコニウム或はその水素化物を添加する理由は次
の通りである。

炭化ケイ素又は窒化ケイ素或はその焼結体相互又はこれ
と金属、特にステンレス鋼との接合に釉等のガラス性ろ
う材を使うと熱膨張係数が違い、接合部がもろく亀裂を
生ずるので好ましくない。

このため上述の焼結体相互又は焼結体と金属との接合用
ろう材としては金属がよく接合強度が太き、い。金属を
接合用ろう材として使用する理由は炭化ケイ素焼結体又
は窒化ケイ素焼結体の如き硬いものどうしの接合間隙を
金属の接合部で緩衝することが目的である。

ろう材の組成としては、銀、銅の金属単体又は合金では
炭化ケイ素焼結体又は窒化ケイ素焼結体と濡れ性が悪く
、殆んど濡れ性がない。従って、銀と銅のろう材を９０
０°Ｃ〜１１００°Ｃに加熱すると、前記焼結体に被着
したろう材は球状となって流れ去り焼結体基地中に浸透
しない。ここでチタン又はジルコニウム或はその水素化
物を入れると前記焼結体との濡れ性がでて、充分な接合
強度が得られるのである。

なお遊離ケイ素入りの炭化ケイ素又は窒化ケイ素或はそ
の混合物の焼結体では、ろう材の組成は銀５０〜９０重
量％、銅５０〜１０重量％、チタン又はジルコニウム或
はその水素化物を６．５〜２０重量％添加したろう材を
使用するとよい。

特に銀と銅の配合はその共晶点（即ち銀７２重量襲、銅
２８重量％）の組成或はこの組成となる金属又は合金の
粉状混合物或はその水素化物を使用するとよい。銀及び
銅の水素化物を使用するとよい理由は、これが焼結体相
互又は焼結体と金属との間に被着、塗布或は介在した状
態で加熱接合する場合水素が分解飛散し、銀及び銅が活
性ある金属として作用するために、その接合強度が向上
するためである。

なお、遊離ケイ素を２〜２０重量％含む炭化ケイ素又は
窒化ケイ素或は両者の混合物の焼結体相互或はこの焼結
体と金属との接合用ろう材にチタン又はジルコニウム或
はその水素化物を６．５〜２０重量％添加する理由は、
添加物が６．５重量％以下では遊離ケイ素２〜２０重量
％と化合する見合いの量が不足して遊離ケイ素が残留す
るため好ましくない。チタン等の添加物が２０重量％以
上となると接合部が脆くなり好ましくない。

ろう材の主成分を Ａｇ５０〜９０重量％ Ｃｕ５０〜ｌＯ重ｊｔ％ と限定した理由はＡｇ−Ｏｕ金合金共晶点がＡｇ７２重
量％、Ｏｕ、２８重量％の点にあり、Ａ７−Ｏｕ金合金
共晶組成の近傍のものがろう付温度が最も低いためにこ
の範囲がろう付が最も低温で実施可能であり、かつ接合
強度も高いので好ましい。

なお、ろう材中の銀が９０重量％以上となると、ろう付
は温度が約１００°Ｃ位高くなるので好ましくない。又
銀が５０重量％以下でもろう付は温度が高くなるので好
ましくない。

銅５０重量％以上又は１０重量％以下でもＡｇ−Ｏｕ金
合金共晶点より大きく外れて来るのでろう付は温度が上
昇し好ましくない。

なお接合対象となる炭化ケイ素又は窒化ケイ素或はその
混合物の焼結体が遊離ケイ素を含まない場合は、上記の
Ａｇ−Ｏｕのろう材に入れるチタン、ジルコニウム或は
その水素化物の添加量は０．５〜５重量％がよい。活性
金属となるチタン又はジルコニウムの添加量に見合った
遊離ケイ素がないためにチタン又はジルコニウムが遊離
ケイ素と化合することなく、焼結後、焼結体中にチタン
又はジルコニウムが逆に遊離金属単体として残留するこ
とになり、接合部が脆くなるために５％以上は逆に好ま
しくなくなるのである。又チタン、ジルコニウム或はそ
の水素化物が５重Ｎ％未満では焼結体と金属との濡れ性
が不足するので好ましくない。

実施例　１ 遊離ケイ素を約１０重量％含む反応焼結炭化ケイ素焼結
体をｌ　ＱＸＩ　ＯＸ４　（ａｍ）の形状に切り出し、
接合面を１５７２０μｍのダイヤモンドホイールで研磨
した。ステンレス鋼は５　Ｘ　６　ｍｍφの円柱ｔ−用
い、その接合面を４００番の炭化ケイ素研磨紙で磨いた
。銀７２重量％、銅２８重量％からなる銀ろう粉末に１
８重Ｎ％のチタンを加えたろう材粉末０．１５りをペレ
ット状に固め、炭化ケイ素焼結体とステンレス鋼の間に
入れ、９５０°Ｃ（チタン量１８重Ｎ％の場合、この温
度は最低温度で、均一な接合部を得るには、さらに高温
、たとえば９６０〜１０００°Ｃがよいと考えられる。

）、４　Ｘ　１０　ｔｏｒｒの真空中で５分間加熱を行
なった。

得られた接合体は第１図のような接合体のせん断強度測
定方法でせん断強度を測定した。第１図において、１は
上記の立方体の炭化ケイ素焼結体、２は円柱状のステン
レス鋼、８はろう相部、Ａ。

Ｂは力をかける方向を示す。さらに高温においても同様
にして強度を測定した。これらの結果を第１表に示す。

第１表より明らかなように本発明によると十分の強度の
接合体が得られていることがわかる。

第１表 銀−銅の共晶組成に加えるチタン量はろう材の炭化ケイ
素焼結体に対する接触角（ぬれ）から最適量がめられる
。測定例を第２図に示す。

第２図は銀ろう中へのチタン添加量と９５０°Ｃにおけ
る炭化ケイ素焼結体に対する接触角（ぬれ）の関係を示
す。第２図において、曲線Ａは遊離ケイ素１０％を含む
炭化ケイ素焼結体のチタン添加量と接触角との関係を示
し、曲線Ｂは遊心ケイ素を全く含まない炭化ケイ素焼結
体のチタン添加量と接触角との関係を示す。

チタン量２％以下の添加では接触角が大きく、すなわち
ぬれが悪く約５％以上加えることが望ましい。しかし余
り多量に加えることは耐熱性は向上するが、ろう材の延
性を失うことになるので、９５０°Ｃでは１８％程度で
十分である。

実施例　２ 遊離ケイ素を含まない常圧焼結炭化ケイ素焼結体を実施
例１と同様な方法でステンレス鋼と接合し、その接合強
度を測定した。この場合、ろう材に加えるチタンの量は
、第２図に示されるように１１〜２％の添加で接触角が
低下するので、１．５％の添加で行なった。又、加熱時
間は１５分とした。

この結果、接合体のせん断強度は第２表のようになり、
十分な強度を有することが明らかになった。

第２表 実施例　３ １０　Ｘ　１０　Ｘ　１８　（ａｍ）の常圧焼結した炭
化ケイ素焼結体２個の１０　Ｘ　１０　（關）の面の間
に、銀７２重量％、銅２８重量％の銀ろう粉末に工水素
化チタン（ＴｉＨ２）　２重量％を加えた粉末をおき、
９９０’Ｃ。

アルゴン中で５分間加熱を行ない接合体を得た。

この接合体から３Ｘ４Ｘ８６ｆｉｍの角柱状試験片を切
り出し、四点曲げ試験により接合強度を測定したところ
、室温で２０１９／、−となり十分な強度の接合体が得
られることが明らかになった。

以上の実験は銀ろうを銀、銅及びＴｉＨ，を粉末混合す
るため均一に溶けない点を考慮し９００″Ｃを９９０°
Ｃに昇温して加熱接合したもので、９９０°Ｃまで昇温
しなくてもよい。しかし、これより低い９００°Ｃの加
熱で接合は可能と思われる。然し低湿ではＴｉＨ２を加
えた効果がなくなる場合も考えられる。

実施例　４ 実施例１に示す形状の遊離ケイ素を含まない常圧焼結の
炭化ケイ素焼結体とステンレス鋼円柱の間に銀７０．６
重量％、銅２７．４重量％、ジルコニウム２重量％を混
合した粉末を入れ、４Ｘ１０　ｔｏｒｒの真空中で一度
９７０°Ｃまで昇温し、その後９５０°Ｃに下げ８０分
間保持した。その後第１図の方法で、せん断強度を測定
したところ２　ｋｇ／、−の値を得た。

本発明の接合方法の適用できる製品分野は次の通りであ
る。

金属軸にセラミックブレードを取付けた高温ガス送風機
、タービンブレード（同前）、ターボチャージャー（同
前）等。

耐摩耗性のある炭化ケイ素をステンレス容器の内側に展
着した粉砕機内張、ポンプメカニカルシール、耐食ライ
ニング及び流路材、熱交換器内壁等。

真空壁はステンレス鋼で、その内側に低原子番号材であ
る炭化ケイ素を内張した核融合炉第一壁等。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法により接合した接合体のせん断強
度測定法の説明図、 第２図は遊離ケイ素を含む炭化ケイ紫焼結体（反応焼結
体）と遊離ケイ素を含まない炭化ケイ素焼結体（常圧焼
結体）のろう材に対するチタン添加量と接触角との関係
を示す特性図である。 特許出願人　東京工業大学長 第１図 Ｂ 第２図 チタン添加量（を量％） 手　続　補　正　書 昭和６０年６月７日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第５４７８０号 ２、発明の名称 炭化ケイ素又は窒化ケイ素焼結体の 接合方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 東　京　工　業　大　学　長 ４、代理人 「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容　（別紙の通り） １、明細書第１頁第４行ないし第２頁第１１行間を下記
のとおり補正する。 「２、特許請求の範囲 Ｌ　炭化ケイ素又は窒化ケイ素或はその混合物の焼結体
相互又はこの焼結体と金属との接合に際し、銀５０〜８
９．５重量％、銅５０〜１０重量％、チタン又はその水
素化物又はジルコニウム或はその水素化物の１種又は２
種を０．５〜２０重量％の混合物をろう材として塗布、
被着又は介在させて９００〜１１００℃に加熱して接合
することを特徴とする炭化ケイ素又は窒化ケイ素の接合
方法。 区　遊離ケイ素を少くとも０６５重量％以上を含む炭化
ケイ素又は窒化ケイ素或はその混合物の焼結体であって
、遊離ケイ素入りの焼結体どうし、又はこれと金属との
接合に際しては、ろう材の組成を銀 ５０〜８９．５重量％、銅５０〜１０重量％、チタン又
はジルコニウム或はその水素化物６．５〜２０重量％よ
りなるものとする特許請求の範囲第１項記載の炭化ケイ
素又は窒化ケイ素の接合方法。 ＆　遊離ケイ素を含まない炭化ケイ素又は窒化ケイ素或
はその混合物の焼結体であって、遊離ケイ素を含まない
焼結体どうし、又はこれと金属との接合に際しては、ろ
う材の組成を銀５０〜８９．５重量％、銅５０〜１０重
量％、チタン又はジルコニウム或はその水素化物を０．
５〜５重量％よりなるものとする特許請求の範囲第１項
記載の炭化ケイ素又は窒化ケイ素の接合方法。」 ２、明細書第２頁第１４行中「核融合炉用」を「シリコ
ン系」と補正する０ ８、同第８頁第８行中「ＳｉＮ　Ｊを「５１８Ｎ４　Ｊ
と補正する。 ４、同第５頁第１７行中「一般に」を「一般に反応焼結
法で造った」と補正する。 ５同第６頁第４〜５行中「６．５重量％ないし一一一一
ろう材に添加する」を「６．５重量弾ないし２０重量％
を銀５０〜８９．５重量％、銅５０〜１０重量％よりな
る銀−銅合金のろう材に添加するコと補正する。 ６、同第６頁第１７行中「銀５０〜９０重量％」を「銀
５０〜８９．５重量％」と補正する。 ７、同第８頁第１７行中「多く含まれる場合」を「遊離
ケイ素が多く含まれる場合」と補正する。 ８、同第８頁第１９行中「含まれない場合」を「遊離ケ
イ素が含まれない場合」と補正する。 ９、同第１０頁第１６行中「銀５０〜９０重量％」を「
銀５０〜８９．５重后％」と補正する。 １０、同第１１頁第１７行中「９０重量％」をｌ’−８
９，５重量％」と補正する０ １１、同第１２頁第５行中「９０重量％」を「８９・５
重量％」と補正する。 １２、同第１８頁第８行中「５重量％未満」を「０．５
重ｉｔ％未満」と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　炭化ケイ素又は窒化ケイ素或はその混合物の焼結体
   相互又はこの焼結体と金属との接合に際し、銀５０〜９
   ０重鼠％、銅５０〜１０重量％、チタン又はその水素化
   物又はジルコニウム或はその水素化物の１種又は２種を
   ０．５〜２０重Ｍ％の混合物をろう材として塗布、被着
   又は介在させて９００〜１１００°Ｃに加熱して接合す
   ることを特徴とする炭化ケイ素又は窒化ケイ素の接合方
   法。 区　遊離ケイ電入りの炭化ケイ素又は窒化ケイ素或はそ
   の混合物の焼結体であって、ｉ＋ｌｉ＋ｇケイ素入りの
   焼結体どうし、又はこれと金属との接合に際しては、ろ
   う材の組成を銀５０〜９０創０、銅５０〜１１０ｆｆ１
   ％、チタン又はジルコニウム或はその水素化物０．５〜
   ２０重量％よりなるものとする特許請求の範囲第１項記
   載の炭化ケイ素又は窒化ケイ素の接合方法。 ＆　遊離ケイ素を含まない炭化ケイ素又は窒化ケイ素或
   はその混合物の焼結体であって、遊離ケイ素を含まない
   焼結体どうし、又はこれと金属との接合に際しては、ろ
   う材の組成を銀５０〜９０重量％、銅５０〜ＩＯ重量％
   、チタン又はジルコニウム或はその水素化物を０．５〜
   ５重量％よりなるものとする特許請求の範囲第１項記載
   の炭化ケイ素又は窒化ケイ素の接合方法。