JPS63185870A

JPS63185870A - セラミツクス−金属接合部材

Info

Publication number: JPS63185870A
Application number: JP1731387A
Authority: JP
Inventors: 白兼　誠; 中橋　昌子; 山崎　達雄; 博光竹田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-01-29
Filing date: 1987-01-29
Publication date: 1988-08-01

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、セラミックスと金属の接合部材に関し、更
に詳しくは、接合強さが高くかつセラミックスにクラッ
クを発生させることのないセラミックスと金属の接合部
材に関する。

（従来の技術）セラミックスと金属の接合部材はセラミックスと金属の
特性が大きく異なるため、接合に際し種々の問題がある
。

重要な問題の１つに、接合に伴う熱応力の発生によるセ
ラミックス母材のクラック発生と、接合強さの低下があ
る。熱応力は、セラミックスと金属の熱膨張差に起因す
るものである。すなわち、セラミックスと金属は、熱膨
張係数の異なるものが多く、たとえば窒化珪素（約２゜
５　Ｘ　１０−＠／ｋ）あるいは窒化アルミニウム（約
４　Ｘ　１０−’／ｋ）のようなセラミックスと比較し
て、鉄鋼（約１２　Ｘ　１０−１／ｋ）やＮ１（約１４
　Ｘ　１０”″”／ｋ）のような金属の熱膨張係数は、
大きく両者の差が大きい、そのため接合時の温度の上昇
、下降に伴い接合部に熱応力が発生しセラミックス母材
のクラック発生を引き起こし易い。

さらに、セラミックス母材にクラック発生を引き起こさ
ない場合でも、接合部には、大きな残留応力が生ずる。

この残留応力は、セラミックス母材に引張応力として存
在することが多い、一般的にセラミックスの引張強さは
、圧縮強さに比べかなり低い、従って、引張の残留応力
が存在するセラミックスと金属の接合部材は、外部から
の応力、つまり破壊強さが低くなる。そのため接合部に
は、種々の応力緩和方法が考えられている。しかしなが
ら、発生する熱応力を完全に吸収することは困難であり
、相当量の応力が、室温に冷却された時点で接合部に残
留する。そのため、接合材の使用時に温度変化が生じる
と、残留応力との相乗効果により、大きな熱応力が発生
し、セラミックスにクラックが発生するか、あるいは接
合強さが低下する問題があった。

こうしたセラミックスと金属の接合時に生ずる熱応力を
緩和する方法としては、■セラミックスと金属の間に軟
質金属層を介在させ、その塑性変形及び弾性変形によっ
て熱応力を緩和する方法（特開昭５６−４１８７９号）
、■セラミックスと金属の間に線膨張率が両者の中間の
値を有する材料の層を介在させる方法（特開昭５５−１
１３６７８号）、■セラミツクスから金属にかけて線膨
張率が小から大へと変化する複数の層を順次積層して介
在させる方法（特開昭５５−７５４４号）などが開示さ
れている。

しかしながら、■の場合セラミックスの持つ優れた特性
の一つである高強度を活用しようとした場合、接合体の
強度が前記軟質金属の特性に支配されて十分にセラミッ
クスの特性を活すことができなかった。特に、高温にお
いては軟質金属の特性低下が著しく、接合体の活用を図
ることが不可能であった。

また■■の場合は、ある程度の熱応力の緩和および接合
強さが期待されるが、熱応力の緩和には限界がある。さ
らに、これらの熱応力緩和層の選定および作製には、困
難が伴なう。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、セラミックスと金属の接合部材に生ずる熱応
力に起因するセラミックスへのクランクの発生あるいは
、接合強さ、熱疲労等の低下を解決するための、新規の
熱応力緩衝層を具備した、セラミックス−金属接合部材
の提供を目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明者らは、セラミックスと金属の接合面に熱応力緩
衝層を介せしめた接合部材に関し、鋭意研究を重ねた結
果、後述の熱応力緩衝層を用いた接合部材が、前記問題
点の解決を達成し得るとの事実を見出し本発明を開発す
るに到った。

すなわち本発明はセラミックスと金属との接合面に溶射
法により形成された金属−酸化物の複合層が介在されて
いることを特徴とするセラミックス−金属接合部材にあ
る。

まず１本発明部材を適用し得るセラミックスとしては１
例えば、ｉ、Ｏ，、ＺｒＯ，のような酸化物系セラミッ
クス、　ＳｉＣ，ＴｉＣのような炭化物系セラミックス
、Ｓｉ、Ｎ、、　ｉＮのような窒化物系セラミックスを
あげることができる。また金属としては、Ｆｅ。

Ｎｉ、　Ｃｏ、　Ｔｌ、　Ｎｏ、　Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｔ
ａ、　Ｚｒ＊　Ｃｕｐ　ＡＱのような金属、若しくは、
これら金属の適宜な合金をあげることができる。

本発明の熱応力緩衝層は、溶射法で形成された、金属−
酸化物の複合層であるが、この金属としては、Ｆｅ、　
Ｎｉ、　Ｃｏ、　Ｃｕ、　ｉなどが好ましいが、他の高
純度金属又は軟質金属であってもかまわない。

酸化物としてはＡらＯ，、ＺｒＯ，、Ｔｈｅ、、　Ｓｉ
ｎ、、　Ｃｏｏ、。

ＴｉＯ□、　Ｖ、Ｏ，粉などあるいはこれらの混合粉が
好ましい、これらの粒径は１．０−以下が好ましい、複
合層に占める酸化物の量としては２〜１２体積％が好ま
しい、２％未満では、接合強さの向上が期待出来ず、ま
た１２％を越えると、複合層が硬くなり過ぎて、応力緩
和作用が十分になされなくなる恐れがある。また溶射後
の空孔率は１〜１０体積％が好ましい、１％未満では、
応力緩和作用を十分に発揮し難くなり、かといって１０
％を越えると、接合強さの低下を招く恐れがある。また
、この複合層の厚さは０．３ｍｍ以上にすることが好ま
しい。この理由は、該複合層の厚さを０．３ｍｍ未満に
すると、セラミックスと金属との間に発生する熱応力を
有効に吸収することが難しくなり、接合強さが著しく低
下したり、セラミックスにクラックが発生する恐れがあ
るからである。

この溶射法で形成された金属−酸化物の複合層は、セラ
ミックスと金属の接合面に介在させ接合する方法あるい
は、セラミックス又は金属の接合面に溶射付着させてお
き接合する方法のいかなる方法であっても１本発明のセ
ラミックス−金属接合部材の特徴を損なうことはない、
しかし好ましくは、金属の接合面に複合層を溶射付着さ
せておき、セラミックスと接合する方法が簡便かつ安定
した特性が得ら易い。

本発明のセラミックス−金属接合部材は前述まで記載し
た、セラミックスと金属の接合部に溶射法で形成された
金属−酸化物の複合層を介在させて接合し、得ることが
出来る。

（作　　用）本発明のセラミックス−金属接合部材はセラミックスと
金属の接合面に溶射法で形成された金属−酸化物の複合
層を介在させることで、セラミックスと金属の熱膨張係
数の差から生ずる、熱ひずみが緩和される。この熱応力
の緩和によりセラミックスへのクラックの発生あるいは
接合強さ、熱疲労等に優れたセラミックス−金属接合部
材となる。

（実　施　例）以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１第１図を用いて説明すると、まず直径１３■閣厚さ５■
の窒化ケイ素円柱体１と、直径１５ｍｍ厚さ５■の構造
用炭素鋼（ＪＩＳ、　３４５Ｇ）の円柱体２とを用意し
た。そして熱応力緩和層は、炭素鋼円柱体２の接合面に
Ｎ１−Ａｌ２．　Ｏ□６．５体積％（ＡＱ、Ｏ粒径３μ
ｓ）を厚さｌｌｌ１１まで溶射付着させ、その後厚さ０
．８＋ｍ＋ｍまで研摩してなる複合層を用いた。このＮ
１−ＡＱ、Ｏ，複合層３の空孔率は約３〜５体積％存在
することが、比重測定により判かっている。

次に、該窒化ケイ素円柱体１とＮｉ−Ａ１．　Ｏ，複合
層３が溶射付着された炭素鋼円柱体２の間に夫々。

厚さ５趨のＴｉ箔とＣｕ箔のろう材４を挟んで重ね合わ
せた後１　ｋｇ／ｄの圧力を加えながら、５Ｘ１０″″
５Ｔｏｒｒ９５０℃×６分間の条件に保持し、ひきつづ
きアルゴンガス中で冷却して、窒化ケイ素−炭素鋼接合
部材を得た。

得られた接合部材について接合面にせん断路力を加え、
室温でのせん断強さを測定した。その結果せん断強さは
１０．９ｋｇ／ｍｍ”であった、また比較例として、熱
応力緩衝層に外径１５ｍｍ、厚さ０・８１ＩＩＩのＮ１
圧延材を用い、窒化ケイ素、炭素鋼、ろう材接合条件を
上記例と同一として窒化ケイ素−炭素鋼接合部材を得、
室温でのせん断試験を行なった。

その結果、せん断強さは１〜２　ｋｇ　／　ａｍ”と低
い値であった。

実施例２実施例１と同様の窒化ケイ素円柱体と、構造用炭素鋼円
柱体を用意した。熱応力緩衝層には、炭素鋼円柱体にＣ
ｕ−ＡＱ、０，６．５体積％（Ａｊｌ、　０．粒径３−
）を厚さ１ｍ閣まで溶射付着させ、その後厚さ０．８ｏ
ｕｉまで研摩したものを用いた。空孔率は約２〜４体積
％存在する０次に、該窒化ケイ素円柱体とＣｕ　−Ａら
Ｏ３複合層が溶射付着された、炭素鋼円柱体の間に３μ
ｓ厚のＴｉ、　１０μｓ厚のＡｇ箔を挟んで重ね合わせ
た後１ｋｇ／、−ｊの圧力を加えなから５×１０″″’
　Ｔｏｒｒ８５０℃×６分間の条件で保持し、ひきつづ
きアルゴンガス中で冷却して、窒化ケイ素−炭素鋼接合
部材を得た。

得られた接合部材について、６００℃でのせん断強さを
求めた。その結果、せん断強さは、　８．１ｋｇ／ｌ１
１１″であった。また比較例として、熱応力緩衝層に外
径１５ｍｍ、厚さ０．８■のＣｕ圧延材を用い上記接合
条件で接合を行ない、窒化ケイ素−炭素鋼接合部材を得
た０６次に６００℃のせん断強さを求めたところ、４−
８ｋｇ／ａｍ”と低い値であった。

〔発明の効果〕

セラミックスと金属の接合面に、溶射法で形成された金
属−酸化物の複合層を介在させて接合することで、セラ
ミックスと金属の熱膨張係数の差から生ずる熱ひずみが
緩和され、セラミックスへのクラックの発生あるいは、
接合強さ、熱疲労等に優れたセラミックス−金属接合部
材が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における接合部材の模擬図であ
る。１・・・窒素ケイ素円柱体　　２・・・炭素鋼円柱体３
・・・Ｎ１−Ａら０３複合層　　　４・・・ろう材代理
人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　竹　花　喜久男第　　１　　図

Claims

【特許請求の範囲】（１、）セラミックスと金属との接合面に、溶射法によ
り形成された金属−酸化物の複合層が介在されているこ
とを特徴とするセラミックス−金属接合部材（２、）複合層が１〜１０体積％の空孔率及び２〜１２
体積％の酸化物粒子から構成されていることを特徴とす
る特許請求範囲第１項記載のセラミックス−金属接合部
材（３、）複合層があらかじめ金属接合面に溶射されてな
るものであることを特徴とする特許請求範囲第１項、第
２項のいずれかに記載のセラミックス−金属接合部材