JPH07115440B2 - セラミツクスと金属の接合構造体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミックス母材と金属母材とが金属中間層を
介して接合されるセラミックスと金属の接合構造体およ
びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

最近、激しい摩耗や高熱を受ける金属部品・部材の一部
に、いわゆるファインセラミックスの部品を組合せるこ
とで、部品全体の耐摩耗性や耐熱性を向上させる手段が
採られている。このような組合せによるセラミックスと
金属の接合構造体は、セラミックス母材と金属母材とを
金属中間層を介して一体的に接合するもので、セラミッ
クス母材と金属母材との熱膨張係数の大きな差を金属中
間層で吸収し、セラミックス母材と金属母材とを電気炉
中で加熱接合した後、常温下で冷却する過程で発生する
熱応力や熱歪が緩和されるようになっており、これによ
って接合面での剥離が防止されることになる。

従来から行なわれている接合方法としては、例えば、セ
ラミックス母材の表面にメタライズ層を形成し、次いで
その上に金属中間層をろう付けし、更にこの金属中間層
の上に金属母材をろう付けしていくものや、上記セラミ
ックス母材に金属中間層および金属母材を一段で同時接
合する方法などが知られている。セラミックス母材およ
び金属母材には多種類のものが使われているが、金属中
間層には銅、アルミニウム、銀などの高展延性金属、又
はこれらいずれかの金属を含む合金、あるいは鉄−ニッ
ケル−コバルト合金〔例えば、コバール、スーパーイン
バー（商品名）〕やタングステン−モリブテン合金など
のような低熱膨張金属が用いられている。前者の高展延
性金属による熱応力の緩和機構は、セラミックス母材と
金属母材の熱膨張係数の差を金属中間層の塑性変形によ
って吸収し金属母材側からの熱応力等を緩和するもので
あり、後者の低熱膨張金属による熱応力の緩和機構は、
金属母材側で発生する熱応力を金属中間層で食い止めセ
ラミックス母材側に伝播しないようにしたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、セラミックスと金属の接合構造体は、加熱−
冷却サイクルを受ける機械部品として使用されることが
多いため、上述のように高展延性金属や低膨張金属を金
属中間層として用い、熱応力等の緩和を図るようにして
あっても、金属中間層自体が熱伸縮によって熱歪を発生
しその影響をセラミックス母材側で受けてしまうといっ
た問題があった。

金属中間層による熱歪の影響は、該金属中間層の厚さを
薄くすることによって減少するものであるが（特願昭61
-58830号に開示）、従来の金属中間層は１層で形成して
あるためにその効果にも限界があった。

そこで本発明の技術的課題は、金属母材からの熱応力の
影響や金属中間層自身の熱歪による影響をセラミックス
母材側で受けないようにし、加熱−冷却サイクルの激し
い苛酷な環境下でもセラミックスと金属の接合構造体を
有効に使用でき得るようにする点にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記技術的課題の解決のために、セラミックス
母材と金属母材とが金属中間層とろう材層を介して接合
されるセラミックスと金属の接合構造体において、ろう
材層を含まない上記金属中間層はセラミックス母材側か
ら高展延性金属もしくは該金属を含む合金の金属薄板層
Ａ、低線膨張率かつ高剛性の金属層Ｂ、および高展延性
金属もしくは該金属を含む合金の金属層Ｃの３層構造を
形成してなることを特徴とするセラミックスと金属の接
合構造体と、セラミックス母材上にメタライズ層を形成
すると共に、該メタライズ層上に高展延性金属もしくは
該金属を含む合金の金属薄板層Ａを設け、その上に低線
膨張率かつ高剛性の金属層Ｂを設け、更にその上に前記
金属薄板層Ａと同様の高展延性金属もしくは該金属を含
む合金の金属層Ｃを設け、最後にこの上に金属母材を重
ねると共に、前記メタライズ層を除く各層間および金属
層Ｃと金属母材との間に金属ろう材を介装し、加熱によ
って一体化したことを特徴とするセラミックスと金属の
接合構造体の製造方法を手段としている。

添付図面の第１図は、本発明に係るセラミックスと金属
の接合構造体の原理図を示したものであり、セラミック
ス母材と金属母材との間に３層構造をなすろう材を含ま
ない金属中間層を介している。

このろう材を含まない金属中間層の内、金属薄板層Ａお
よび金属層Ｃを構成する金属には銅、アルミニウム、銀
などの高展延性金属、又はこれらいずれかの金属を含む
高展延性の合金が用いられる。また、上記金属薄板層Ａ
および金属層Ｃに挟まれた金属層Ｂを構成する金属に
は、モリブデンやタングステン又は鉄−ニッケル−コバ
ルト系合金〔例えば、コバールやスーパーインバー等
（商品名）〕など低線膨張率でかつ高い剛性を有する金
属が用いられる。因にこれら金属の線膨張率は６×10^-6
／℃以下であり、また弾性率は３×10^-12dyn/cm²以上で
ある。

このように、金属薄板層Ａおよび金属層Ｃに高展延性金
属を用い、金属層Ｂに低線膨張率かつ高剛性を用いるの
は、例えば接合構造体に熱的衝撃が加えられた時に、金
属母材側から発生する大きな熱応力を金属層Ｃによって
吸収すると同時に、この金属層Ｃ自身に発生する熱歪が
セラミックス母材側に伝播しないように金属層Ｂによっ
て抑制するからである。また、金属層Ｂの構成金属とセ
ラミックス母材の線膨張係数は比較的近いが、全く同一
ではないから、両者の間に発生する熱応力を金属薄板層
Ａによって吸収し、全体として金属母材とセラミックス
母材との大きな線膨張係数差による熱応力を緩和できる
構成としている。

また、上記金属薄板層Ａの層厚は0.1〜1.0mm、金属層Ｂ
の層厚は0.1〜1.5mm、金属層Ｃの層厚は0.5〜3.0mmの範
囲が望ましい。上述したように金属薄板層Ａは、金属層
Ｂとセラミックス母材との間に発生する熱応力を緩和す
る機能をもつものである。そして金属層Ｂは線膨張係数
が小さくセラミックス母材に近似しているから熱応力も
小さいものであり、上記範囲の層厚で十分に機能する。
反対に層厚を増すと、金属薄板層Ａ自身に発生する熱歪
を無視し得なくなり、これがセラミックス母材に影響を
及ぼしてしまうから、1.0mmまでの厚さが好ましい。

金属層Ｂは、金属層Ｃ自身に発生する熱歪をセラミック
ス母材側に伝播するのを食い止めるものであるから、最
低限食い止め機能を持つ厚さがあればよく、また、余り
厚くなると内部歪を無視し得なくなるから、上限は1.5m
mである。

金属層Ｃは、金属母材側からの大きな熱応力を吸収する
と共に、第１図に示すような外力Ｆを受けた時に、その
機械的衝撃による応力歪を金属層Ｃの塑性変形によって
吸収するものであるから、前記金属薄板層Ａおよび金属
層Ｂの層厚に比べて厚く形成される。尚、金属層Ｃは層
が厚いことから、その歪による影響を少なくするため
に、金属層Ｃの接合面積を他の金属中間層A,Bおよびセ
ラミックス母材、金属母材のいずれよりも小さくした
り、また円柱体や角部が円形の曲率をもった多角形柱状
体に形成することが望ましい。

本発明に適用されるセラミックス母材は、酸化アルミニ
ウムや酸化ジルコニウム等の酸化物系セラミックスおよ
び窒化珪素や炭化珪素等の非酸化物系セラミックスのい
ずれをも含む。また、本発明に適用される金属母材は、
炭素鋼（S45C）およびその他使用される機械部品の用途
に応じて広く含まれる。

上記セラミックスと金属の接合構造体の製造方法では、
まずセラミックス母材の表面にメタライズ層を形成する
と共に、その上に金属薄板層Ａを重ね、更に金属層Ｂ、
金属層Ｃ、金属母材をろう材を介して順次重ねた後、加
熱によって一体的に接合できるものである。

〔作用〕

上述の手段によれば、セラミックス母材と金属母材とを
性質および層厚の異なる３層のろう材を含まない金属中
間層を介して接合したから、熱的および機械的応力やそ
れに伴う歪が金属中間層によって吸収されることにな
り、セラミックス母材と金属母材との間の大きな熱膨張
の差による影響およびろう材を含まない金属中間層自身
の熱歪の影響を無視し得ることになる。

〔実施例−１〕 （試料の作製） 第２図に基づいて説明すると、まず平板状のアルミナセ
ラミック板１（15×30×5mm）を超音波洗浄したのち乾
燥し、セラミックス母材とした。次にスクリーンオイル
の添加によりペースト化した68Ag-26Cu-5Ti組成の金属
混合粉末を上記セラミックス母材の表面に塗布し、約50
μｍ厚のメタライズ層２を形成した後、150℃で真空乾
燥してスクリーンオイル中の発散成分を除去した。更
に、このメタライズ層２の上面に銅薄板３（15×30×0.
5mm）を載せ置き、真空電気炉中にて870℃で10分間加熱
してセラミックス母材上にメタライズ層２を形成すると
同時に銅薄板３からなる金属薄板層Ａを接合した。更に
この金属薄板層Ａの上面に金属層Ｂを形成するFe-31Ni-
5Co合金板（スーパーインバー）４（15×30×0.5mm）お
よび金属層Ｃを形成する円柱状の２枚の銅板5a,5b（10
φ×2mm）を積層し、最後に金属母材としての炭素鋼板
（S45c）６を重ね置いた。なお、銅薄板３とスーパーイ
ンバー４との間、スーパーインバー４と円柱状銅板5a,5
bとの間、および円柱状銅板5a,5bと炭素鋼板６との間に
は、それぞれBAg-8ろう材7a,7b,7c（15×30×0.05mm）
を介装しておき、真空炉中にて870℃で10分間加熱し、
ろう付けを行なった。

（熱衝撃試験） 上述の方法にて作製した試料、即ちセラミックスと金属
の接合構造体に、大気中において350℃と室温との間で
熱衝撃を繰返し加えた。第３図は熱衝撃を500回繰返し
て加えた後の常温圧縮剪断強度試験の結果を示したもの
である。この結果によれば、熱衝撃回数の増加にかかわ
らず圧縮剪断強度は低下せず、極めて高い接合強度を維
持することがわかった。

〔実施例−２〕 （試料の作製） 洗浄、乾燥した平板状のアルミナセラミック板（30×30
×5mm）の上面に68Ag-26Cu-5Ti組成の金属混合粉末を約
40μｍ厚にスクリーン印刷し、150℃で真空乾燥させ
た。次にこの上面に銅薄板（29×29×0.2mm）、Fe-29Ni
-17Co合金板（コバール）（29×29×0.5mm）および円柱
状の５枚の銅板（10φ×2mm）の金属中間層を順次重ね
たあと、炭素鋼板（S45C）を最後に重ね置き、真空炉中
にて870℃で10分間加熱し、一体的に接合した。なお、B
Ag-8ろう材（30×30×0.05mm）は上記実施例−１と同
様、各部材間に介装されている。

（熱衝撃試験） 上述の手段により作製した試料を実施例−１と同様の方
法により試験した。また、本実施例では、500℃室温
の100回繰返し試験も併せて行なった。常温での圧縮剪
断強度の結果を第４図に示す。

この結果によれば、実施例−１と同様、熱衝撃回数の増
加にかかわらず圧縮剪断強度は低下せず、実施例−１よ
りむしろ高い強度を示す。また、500℃における熱衝撃
試験では高い圧縮剪断強度を示した。

〔実施例−３〕 （試料の作製） 洗浄、乾燥した窒化珪素セラミックス（15×30×5mm）
の上面に65Ag-25Cu-10Ti組成の金属混合粉末を約40μｍ
厚にスクリーン印刷したのち150℃で真空乾燥させた。
次にこの上面に銀薄板（15×30×0.15mm）、モリブデン
板（15×30×1.0mm）および円柱状の２枚の銅板（12φ
×3mm）の金属中間層を順次重ねたあと、炭素鋼板（S45
C）を最後に重ね置き、真空中にて950℃で10分間加熱し
接合した。なお、銀薄板とモリブデン板の間、およびモ
リブデン板と銅板の間には65Ag-25Cu-10Ti組成の金属混
合粉末（15×30×0.05mm）を、また銅板と炭素鋼板との
間にはBAg-8ろう材（15×30×0.05mm）をそれぞれ介装
して接合した。

（熱衝撃試験） 上述の方法により作製した試料を大気中において、350
℃室温の100回繰返し試験を行なった。試験前の圧縮
剪断強度と試験後のそれとを比較した結果を表−１に示
す。

本実施例はセラミックス母材の材質および金属中間層の
材質を変えたものであるが、この結果によれば、上記実
施例と同様、試験前に比べて試験後の圧縮剪断強度はほ
とんど低下していないことがわかった。

〔比較例〕

（試料の作製） 洗浄、乾燥したアルミナセラミック（15×30×5mm）お
よび窒化珪素セラミックス（15×30×5mm）の各上面に6
8Ag-26Cu-6Ti組成の金属混合粉末を約50μ厚にスクリー
ン印刷したのち、150℃で真空乾燥させた。次にこの上
面に金属中間層を構成する銅板（15×30×2.5mm）を載
せ置いたのち、BAg-8ろう材（15×30×0.05mm）を介し
て炭素鋼板（S45C）を載せ、真空炉中にて850℃で15分
間加熱接合し、アルミナセラミックを母材とする試料−
Ｉと窒化珪素セラミックスを母材とする試料−IIを得
た。

（熱衝撃試験） 上述のようにして得た試料−Ｉと試料−IIのそれぞれに
つき、大気中にて350℃室温の間を40回繰返して熱衝
撃を加えたのち、常温での圧縮剪断強度を調べた。第５
図はその結果を示したものであるが、これによると試料
−Ｉおよび試料−IIとも熱衝撃後の圧縮剪断強度は大幅
に低下している。

〔効果〕

以上説明したように、本発明に係るセラミックスと金属
の接合構造体およびその製造方法によれば、セラミック
スと金属との間の大きな線膨張係数差によって発生する
接合面での熱的応力や機械的応力およびそれに伴うろう
材を含まない金属中間層自身の熱歪などの伝播を効果的
に防止し得るので、熱衝撃サイクルなどに対する接合強
度が大幅に向上し、苛酷な環境下での使用に十分耐えら
れるものとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミックスと金属の接合構造体
の原理図、第２図は本発明の一実施例に係る接合構造体
を示す図、第３図は実施例−１における熱衝撃試験の結
果を示す図、第４図は実施例−２における熱衝撃試験の
結果を示す図、第５図は比較例における熱衝撃試験の結
果を示す図である。 １……アルミナセラミック板（セラミックス母材） ２……メタライズ層 ３……銅薄板（金属薄板層Ａ） ４……Fe-Ni-Co合金板（金属層Ｂ） 5a,5b……円柱状銅板（金属層Ｃ） ６……炭素鋼板（金属母材） 7a,7b,7c……ろう材（BAg-8）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 英二 千葉県船橋市本中山３−19−２ (72)発明者 杉山 弘記 千葉県習志野市津田沼３−７−１ (56)参考文献 特開 昭60−239372（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス母材と金属母材との間に、金
   属中間層とろう材層を介装して接合されてなるセラミッ
   クスと金属との接合構造体において、 ろう材層を含まない上記金属中間層はセラミックス母材
   側から高展性金属もしくは該金属を含む合金の金属薄板
   層Ａ、低線膨張率かつ高剛性の金属層Ｂ、および高展延
   性金属もしくは該金属を含む合金の金属層Ｃの３層構造
   を形成してなる ことを特徴とするセラミックスと金属の接合構造体。
2. 【請求項２】上記金属薄板層Ａおよび上記金属層Ｃを構
   成する高展延性金属もしくは該金属を含む合金は、銅、
   アルミニウム、銀、又はこれら各金属を含む合金のいず
   れかであり、金属層Ｂを構成する低線膨張率かつ高剛性
   の金属は、モリブデン、タングステン、鉄−ニッケル−
   コバルト系合金のいずれかであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のセラミックスと金属の接合構造
   体。
3. 【請求項３】上記金属薄板層Ａの層厚は0.1〜1.0mm、上
   記金属層Ｂの層厚は0.1〜1.5mm、上記金属層Ｃの層厚は
   0.5〜3.0mmの範囲であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載のセラミックスと金属の接合
   構造体。
4. 【請求項４】上記金属層Ｃの接合面積は、他の金属中間
   層A,Bおよびセラミックス母材、金属母材のいずれより
   も小さいことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
   ３項いずれか記載のセラミックスと金属の接合構造体。
5. 【請求項５】上記金属層Ｃは、１個以上の円柱体もしく
   は各角部が円形の曲率をもった多角形柱状体であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項いずれか
   記載のセラミックスと金属の接合構造体。
6. 【請求項６】セラミックス母材上にメタライズ層を形成
   すると共に、該メタライズ層上に高展延性金属もしくは
   該金属を含む合金の金属薄板層Ａを設け、その上に金属
   ろう材を介して低線膨張率かつ高剛性の金属層Ｂを設
   け、更にその上に金属ろう材を介して上記金属薄板層Ａ
   と同様の高展延性金属もしくは該金属を含む合金の金属
   層Ｃを設け、最後にこの上に金属ろう材を介して金属母
   材を重ね、加熱によって一体化した ことを特徴とするセラミックスと金属の接合構造体の製
   造方法。