JPS63103872A - 窒化物系セラミツクスの接合方法および接合用金属部材 - 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】 （発明の技術分野） この発明は、窒化珪素など窒化物系セラミックスの接合
方法と接合用中間金属部材に関するものであり、特にセ
ラミックス同士或いはセラミックスと金属との接合に係
るものである。

（発明の技術的背景とその問題点） 窒化珪素、サイアロンなど窒化物系セラミソクスは、特
に耐熱性、耐摩耗性、高強度及び、耐蝕性にすぐれてい
るため、酸化物系セラミックスとは異なった耐熱材料と
して、従来のセラミックスに対してファインセラミック
スと呼ばれ、その応用分野の開発が進められている。例
えば内燃機関部品、熱交換器部品、高温用治具またはダ
イカスト部品など応用が検討されているが、高硬度から
来る加工性の悪さ制限されている。

そのため、このような各種部品の機能を向上させるため
に接合が、必要となり、種々の形状をしたファインセラ
ミックス同士の接合技術及びそのための接合用材料の開
発が不可欠となっている。

従来、窒化珪素に代表される窒化物系セラミックスの接
合技術に関しては、該物質が溶融物質との濡れ性が悪い
ことや、反応性が非常に低いことから、その改良を意図
してセラミックス同士の間に挿入する中間材料について
種々検討されているが、接合機能、実用性などでいまだ
充分なる中間材料は報告されていない。

明廁古の浄書（内容に変更なし）（ｚ’ニゲ−Ｊ／ρｙ
ｌ）例えば、特開昭５８−５５３８１の様に／ＩＮ、Ｎ
ｂＮ、Ｂｅ２Ｎｚ　、ＺｒＮ、ＴｉＮなどの高融点窒化
物を溶融させて接合する方法や、特公昭５９−２４７５
５のようにＣａＦ２またはＣａＦ２＋カオリンの混合物
を利用し、主成分ＣａＦ。

の分解温度（１４００〜１５００℃）以上に加熱する方
法では、作業の実用性に問題がある。更に、特開昭６Ｏ
−１８０９６８（７）ように０ｒ２０〜７０％を含有し
、残部Ｆｅ及び／又はＮｉ合金のように高融点中間金属
もあるが、融点以下の１３００〜１３５０℃で拡散接合
する方法は、固体拡散のために反応速度が遅く接合に長
時間を要すると共に、接着強度の小さいことが欠点とな
って現れる。

一方、特開昭５８−２２７６　（Ｍｎを含む合金層）、
特開昭６０−１５１２９２　（Ｃｒ含有金属層）のよう
に、ロー付けの考え方に基いて、低融点合金を接合材と
して利用する方法も考案されているが、仮に接合部の強
度が得られても接合されるセラミックスの耐熱性が有効
活用されず、実用的に接合材の融点にその使用限界が規
制されることになる。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記従来技術並びにそこに利用される
接合材（もしくは中間金属材料）の問題点を解消し、窒
化物系セラミックスの高温特性を損なうことなく、又、
実用性ある処理温度で且つ、短時間で協力な接着強度の
得られる窒化物系セラミックス（特にＳ；３Ｎ４）同士
或いは、窒化物系セラミックスと金属との接合方法並び
にそのための中間金属部材を提供するものである。

（発明の概要） 本発明は、窒化珪素、サイアロンのような窒化物系セラ
ミックス同士の接合に際して、該セラミックスの表面層
解離によって生ずる構成元素窒素と親和性を有する金属
元素を含有する合金部材を被接合材の間に密着状態にて
介在させ、減圧または真空下の非酸化性状態にて中間金
属部材を溶融状態もしくは一部固相を含む半溶融状態に
するとともに、窒化物系セラミックスの表面層解離を同
時進行させ、ここに遊離した該セラミックスの構成元素
である窒素と中間合金部材に含有される窒化物生成元素
により反応生成窒化物を形成せしめることによって接着
強度が著しく向上することを見出して本発明を完成した
ものである。中間金属部材は窒化物生成第１成分元素と
してＣｒ、Ｖ。

Ｎｂ、Ｂを含有し、且つ上記第１成分元素の窒化物生成
による接合を効果的に安定して発揮させる第２成分元素
としてＺｒ、Ｔｉ、Ａｅを含有することを特徴としてい
る。

又、前記窒化物系セラミックスとＣｕ系、Ａｐ系など非
鉄金属及びその合金、Ｆｅ系合金、Ｎｉ系合金、Ｃｏ系
合金など金属との接合に際しては、上記中間金属部材を
接合した後、或いは接合前に中間金属部材と金属の間に
インバー、コバール、Ｗ、Ｍｏなど熱膨張係数の小さい
材料を介在させ接合することが出来る。

本発明にて適用しうるセラミックスは、その中に含有さ
れる窒素成分が中間金属部材中の窒化物生成元素と反応
して窒化物を形成しうるちのであリ、特に窒化珪素、サ
イアロンなどの窒化物系セラミックスである。また、窒
化珪素としてもその製法（反応焼結、ホットプレス、雰
囲気焼結など）によらず適用でき、接合機構より焼結助
剤の有無、種類によらない。

このような窒化物系セラミックス同士或いは、低熱膨張
係数材料を介して窒化物基セラミックスと金属を接合し
、充分なる接着強度を得るために、被接合材間に介在せ
しめる中間金属部材中の窒化物生成第１成分元素が該セ
ラミックスの解離によって生ずる窒素と容易に反応しう
る状態にする必要がある。従って、該中間金属部材を箔
、線、粉、膜のいずれかの状態で、上記セラミックスの
接合面に密着させ、これを真空又は減圧下で溶融状態又
は半溶融状態となし、かかる状態にて解離した該セラミ
ックス中の窒素と反応して窒化物を形成し、該セラミッ
クス同士の接合に大きく寄与し、かかる効果は窒化物生
成第１成分元素より窒素との親和性の大き°い前記第２
成分元素を含有させることによって接合速度、接合強度
が一層改善されることが明らかとなった。

ここに、中間金属部材の合金組成は、窒化物生成第１成
分元素としてＣｒ０．２〜１０．０重世％、Ｎｂ０，２
〜１０．０重量％、■０．２〜１０．０重量％又は、８
０．０１〜０．５０重重景から選ばれる単独又は２種以
上と、第２成分元素として０．１〜３．０重量％のＺｒ
、Ｔｊ、Ａｆｆｉのうちから選ばれる単独又は２種以上
を含有するＣｕ合金又はＮｉ３０．０重世％以下を含有
するＮｉ−Ｃｕ合金である。ここに窒化物生成元素の限
定理由は次の通り。

本発明になる接着強度は、中間金属部材中の窒化物生成
第１成分元素と被接合材の窒化物系セラミックスの解離
による窒素の反応生成窒化物によるものであり、上記窒
化物生成第１成分元素の下限値は、反応生成窒化物によ
る接着強度の影響が現れる最低値である。一方、窒化物
生成第１成分元素の含有量が過剰になると、上記窒化物
と同時に、他の解離元素である珪素との反応によるシリ
サイドも形成されて接着強度を低下させることを確認し
ている。このことから、上記窒化物生成第１成分元素の
上限値は、反応生成窒化物よりも反応生成シリサイドの
影響が接着強度により強く現れる最低値である。

従って、反応生成窒化物と反応生成シリサイドの接着強
度への相乗効果、並びに、反応生成窒化物の生成量によ
る接着強度の点から窒化物生成第１成分元素の含有量と
して前記組成範囲を選定したものである。

一方、窒化物生成第２成分元素Ｚｒ、Ｔｉ、Ａ２は窒化
物系セラミックス接合面を真空下又は減圧下においてそ
の接合面を清浄化し、且つ減圧度又は真空度、接合温度
、接合時間など接合条件の僅かな変動による窒化物系セ
ラミックスの解離速度、解離量の変動に関係することな
く第１成分元素による窒化物生成を安定して行わしめ、
接合強度を安定化させるためのものであって、その含有
量は前記の如く０．１〜３．０重量％である。

その下限値０．１重量％は、第２成分元素による上記作
用の現れる最低値であり、一方、３．０重量％以上にな
ると、第２成分元素の窒化物が窒化物系セラミックスと
中間金属部材の接合面に優先生成され、第１成分元素の
窒化物生成を阻害し、接合強度上好ましくない。

ベース金属としては、窒化物系セラミックスとして代表
される窒化珪素、サイアロンなどの解離によって生ずる
珪素と相溶性を有する金属が好ましく、Ｃｕ合金、Ｎ　
１−Ｃｕ合金が選定される。

Ｎ　ｉ　　Ｃｕ合金において、Ｎｉ含有量は、３０゜０
重量％以下である。これは、本発明になる接合が中間金
属部材の溶融状態又は、半溶融状態にて行われることか
ら、接合温度の高温化は被接合材である窒化物系セラミ
ックスの分解を促進し、セラミックスの接合面が荒れ、
接合温度が低下すると共に、Ｎｉ含有量の多量化は、窒
化物系セラミックスの分解を促進し、作業性並びに接合
強度の安定性の面から３０．０重量％以上の含有は好ま
しくない。

上記窒化物生成元素を含有する中間金属部材の被接合材
間の密着介在に当たっては、一般に該合金を大気溶解ま
たは真空溶解によって作成した後、冷延または熱延によ
って箔または膜（好ましくは３０〜５００μｍ）とした
後、接合面間に介在させるが、該中間金属部材の粉末を
作成し、これをペースト状に調整し、セラミックス接合
面に塗布または該中間金属部材を真空蒸着又は、スパッ
タリング等で表面上に密着しても良い。

介在させるに当たり、中間金属部材と被接合材の反応性
を促進するために密着度を向上させることは有効であり
、被接合材接合面間に載荷荷重を加えることも接着強度
の増加に利用される。しかも、その荷重も５　ｋｇ　ｆ
　／ｃｎｌ以下と低載荷荷重であ効果が得られる。

又、本発明になる中間金属部材を用いての窒化物系セラ
ミックス同士或いは、低膨張係数材料を介しての窒化物
系セラミックスと金属の接合において中間金属部材中の
窒化物生成第２成分元素又は、炭素（高温真空中で炭素
被膜を形成する如き有機物質）を被接合窒化物系セラミ
ックスの接合面上に定め蒸着した後、第１成分元素のみ
を含有する中間金属部材を密着、介在し、窒化物系セラ
ミックス同士或いは、低膨張係数材料を介して金属と接
合させることも可能である。又、逆に第１成分元素のみ
を含有する中間金属部材上に上記蒸着を施した後に、同
様に接合工程を実施しても上記と同様な効果は得られる
。

以下、本発明の詳細を実施例で説明する。

（実施例　１） アセトン洗浄した１０ｍｍ角、厚さ６龍の窒化珪素（常
圧焼結）の接合面の間に表１に示す本発明になる中間金
属部材（厚さ２００μｍ）を挿入した試料を１〜５　×
１０−’＋ｎ）（ｇの真空内で各中間金属部材の液相線
温度で１５分間加熱し、接合処理した後自然冷却した（
なお、接合に際し、０゜５　ｋｇ　ｆ　／ｃｔの載荷荷
重を加えた）。

なお、中間金属部材は、所定組織の成分にて真空溶解し
て作成し、その後、表面層を０．５ｍｍ機械加工にて除
去した後、厚さ２００μｍに圧延し、膜とした。

上記方法により形成された接合部材及びその接着強度の
評価を第１図及び第２図に示す方法で行った。その結果
本発明合金は表１に示す様に優れた接着強度を示した。

各試験片のせん断試験後、Ｃｒ系中間金属部材の場合の
接合界面をＸ線回折した。結果、クロム窒化物が優先生
成されているのが確認された。一方、クロム含有量の低
い場合には（Ｃｕ、Ｎｉ）又は（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ）の
合金が、クロム含有量１０〜１３重量％以上になるとク
ロムシリサイドの生成が起こり、１５重量％ではクロム
シリサイドの優先生成により接着強度が著しく低下した
。

（実施例　２） 窒化珪素の接合面に厚さ１００Ａ”の炭素を真空蒸着し
た後、中間金属部材として２．０重量％Ｖ−１．０重量
％Ａ６−１８重量％Ｎ　ｉ、残部ＣＵから成る中間金属
部を窒化珪素間に介在させ、真空圧５　Ｘ　１０−３ｔ
ｌＨｇ、接合温度１１８０℃。

載荷荷重１．Ｏｋｇｆ／ａｎｔの接合条件にて接合し、
せん断試験を行った結果２３．５ｋｇｆ／＋ｕ”のせん
断強度を示した。

（実施例　３） １．０重量％Ｎｂ−２５重量％Ｎｉ−残部Ｃｕから成る
中間金属部材を用いて、その接合面にＴｉを８０Ａ０真
空Ｗした窒化珪素上にメタライズした後、０．３％炭素
鋼との間にコバールを介在させて、７５０°Ｃで拡散接
合（加圧力５０　ｋｇ　ｆ　／ｃｎ（）シた結果、窒化
珪素並びに中間金属部材と窒化珪素との接合面には亀裂
の発生などの異常は認められなかった。

異常のように本発明における窒化物生成元素を含有する
中間金属部材の利用により、優れた接着強度が得られ、
充分実用に供しうろことが、明らかとなった。又実施例
１に示していない窒化物生成第１成分元素と第２成分元
素の組合わせにおいても、本発明になる各組成範囲内で
あれば実用性ある充分なせん断強度を示した。

窒化物系セラミックスとしてのサイアロンの接着におい
ても実施例１と同様の方法で接着しうろことを確認して
いる。

表１

【図面の簡単な説明】 第１図は、この発明の一実施例を示す正面図、第２図は
、この発明の実施状態を示す説明図である。 （１）・・窒化物系セラミックス　（２）・・中間金属
部材 特　許出願人　　広　　島　　県 第１図 手続補正書Ｃカ幻 昭和６２年２月９日 １　事件の表示

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］窒化物系セラミックス同士或いは窒化物系セラミ
   ックスと金属との接合において、その接続部間に該セラ
   ミックスの解離によって生ずる構成元素窒素と反応し、
   窒化物を形成するクロム（Ｃｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）
   、バナジウム（Ｖ）、ボロン（Ｂ）、の単独又は２種以
   上を第一成分元素としその窒化物形成を安定、推進させ
   るジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタ
   ン（Ｔｉ）の単独又は２種以上を第２成分元素とする銅
   基又はニッケル３０．０重量％以下のニッケル−銅基合
   金を中間金属部材として介在させ接合することを特徴と
   する窒化物系セラミックスの接合方法。 ［２］０．０２〜１０．０重量％のＣｒ、Ｎｂ、Ｖ又は
   ０．０１〜０．５０重量％のＢの単独又は２種以上を上
   記第１成分元素とし、０．１〜３．０重量％のＺｒ、Ａ
   ｌ、Ｔｉの単独又は２種以上を上記第２成分元素とする
   Ｃｕ基又はＮｉ３０．０重量％以下のＮｉ−Ｃｕ基合金
   であることを特徴とする窒化物系セラミックスの接合用
   金属部材。 ［３］窒化物系セラミックス同士或いは窒化物系セラミ
   ックスと金属との接合に際し、そのセラミックス又は前
   記中間金属部材（又は前記第１成分元素のみを含有する
   中間金属部材）の接合面に炭素、Ｚｒ、Ａｌ、Ｔｉから
   選ばれる１種を蒸着後、接合することを特徴とする窒化
   物系セラミックスの接合方法。