JPH0492871A - セラミックス―金属接合体及びその製造方法 - Google Patents
セラミックス―金属接合体及びその製造方法Info
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- JPH0492871A JPH0492871A JP20903290A JP20903290A JPH0492871A JP H0492871 A JPH0492871 A JP H0492871A JP 20903290 A JP20903290 A JP 20903290A JP 20903290 A JP20903290 A JP 20903290A JP H0492871 A JPH0492871 A JP H0492871A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野コ
本発明は、良好な接合強度をもつセラミックス−金属接
合体及びその製造方法に関する。
合体及びその製造方法に関する。
［従来の技術〕
セラミックスは、高温強度、耐食性、耐摩耗性等に優れ
た性質を呈することを利用して、内燃機関等の高温で使
用される各種部品としての用途が検討されている０反面
、セラミックスのもつ脆性が、各種用途にセラミックス
製品を使用する上で大きな欠点となる。そこで、実用化
に際しては、過酷な使用雰囲気にさらされる部分のみを
セラミックスで構成し、他の部分を構成する金属材料と
接合して使用する方法が採用されている。
た性質を呈することを利用して、内燃機関等の高温で使
用される各種部品としての用途が検討されている０反面
、セラミックスのもつ脆性が、各種用途にセラミックス
製品を使用する上で大きな欠点となる。そこで、実用化
に際しては、過酷な使用雰囲気にさらされる部分のみを
セラミックスで構成し、他の部分を構成する金属材料と
接合して使用する方法が採用されている。
セラミックスを金属に接合する方法としては、有機接着
剤を使用した接着、メタライジング−ロウ付け、固相拡
散接合等が知られている。
剤を使用した接着、メタライジング−ロウ付け、固相拡
散接合等が知られている。
たとえば、特開昭６３−１９０７７３号公報においては
、セラミックス部材の表面にＴｉ、Ｃｕ及びＡｇを物理
蒸着によって積層蒸着又は複合蒸着した後、金属化処理
し、Ａｇ−Ｃｕ系ロウ材を挟んで接合することが開示さ
れている。
、セラミックス部材の表面にＴｉ、Ｃｕ及びＡｇを物理
蒸着によって積層蒸着又は複合蒸着した後、金属化処理
し、Ａｇ−Ｃｕ系ロウ材を挟んで接合することが開示さ
れている。
また、特開昭６２−１７６９６６号公報では、金属母材
の表面部にＣｕ層９次いでＮｉ層を設けて、これらの層
を介し金属母材とセラミックス材料とを固相拡散接合す
る方法が開示されている。
の表面部にＣｕ層９次いでＮｉ層を設けて、これらの層
を介し金属母材とセラミックス材料とを固相拡散接合す
る方法が開示されている。
［発明が解決しようとする課題］
しかし、有機接着剤を使用した接合方法では、接合部の
高温強度が有機接着剤の耐用温度に支配される。そして
、有機接着剤の耐用温度は一般的に２００℃前後である
ことから、この温度以上の高温雰囲気で接合体を使用す
ることができない。
高温強度が有機接着剤の耐用温度に支配される。そして
、有機接着剤の耐用温度は一般的に２００℃前後である
ことから、この温度以上の高温雰囲気で接合体を使用す
ることができない。
また、メタライジング−ロウ付けによる場合には、多数
の工程を経て接合体が製造されるため、接合体の製造コ
ストが上昇することは勿論、メタライジング用の蒸着装
置等が必要となる。なお、セラミックス用に開発された
活性金属ロウを使用したロウ付けや液相拡散接合の場合
には、ロウ材としてＡｕ、Ａｇ等の貴金属を含有するも
のを使用するため、製造コストが高くなる。
の工程を経て接合体が製造されるため、接合体の製造コ
ストが上昇することは勿論、メタライジング用の蒸着装
置等が必要となる。なお、セラミックス用に開発された
活性金属ロウを使用したロウ付けや液相拡散接合の場合
には、ロウ材としてＡｕ、Ａｇ等の貴金属を含有するも
のを使用するため、製造コストが高くなる。
他方、固相拡散接合によってセラミックス−金属接合体
を製造する方法は、比較的少ない工数で接合体が得られ
る利点を有する。しかし、この方法によるとき、セラミ
ックス材料と金属母材との間に介在させるインサート如
何によって接合体の特性が大きく変わる。
を製造する方法は、比較的少ない工数で接合体が得られ
る利点を有する。しかし、この方法によるとき、セラミ
ックス材料と金属母材との間に介在させるインサート如
何によって接合体の特性が大きく変わる。
この点、前掲の特開昭６２−１７６９８６号公報では、
Ｃｕ及びＮｉをインサートとして使用している。しかし
、Ｎｉをセラミックス側に配置した場合、Ｎｉとセラミ
ックスとの親和性が低いことから、接合強度の小さな接
合体となる。その結果、得られたセラミックス−金属接
合体を実用に供する場合、用途に著しい制約を受ける。
Ｃｕ及びＮｉをインサートとして使用している。しかし
、Ｎｉをセラミックス側に配置した場合、Ｎｉとセラミ
ックスとの親和性が低いことから、接合強度の小さな接
合体となる。その結果、得られたセラミックス−金属接
合体を実用に供する場合、用途に著しい制約を受ける。
そこで、本発明は、これらの問題を解消すべく案出され
たものであり、Ｔｉ箔、Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を組
合せてインサートとして使用することにより、簡単な方
法で製造され、しかも優れた接合強度をもったセラミッ
クス−金属接合体を提供することを目的とする。
たものであり、Ｔｉ箔、Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を組
合せてインサートとして使用することにより、簡単な方
法で製造され、しかも優れた接合強度をもったセラミッ
クス−金属接合体を提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］
本発明のセラミックス−金属接合体は、その目的を達成
するために、セラミックス材料と金属材料との接合界面
にセラミックス側表面からＴｉ層１次いでＣｕ層及びＦ
ｅＮｉ合金層があり、これら各層の間が固相拡散接合さ
れていることを特徴とする。
するために、セラミックス材料と金属材料との接合界面
にセラミックス側表面からＴｉ層１次いでＣｕ層及びＦ
ｅＮｉ合金層があり、これら各層の間が固相拡散接合さ
れていることを特徴とする。
また、このセラミックス−金属接合体は、金属材料とセ
ラミックス材料との間に、セラミックス側表面からＴ
ｌ 箔＋ Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を挟み、全体に圧
力を加えた状態で真空中で固相拡散接合することによっ
て製造される。
ラミックス材料との間に、セラミックス側表面からＴ
ｌ 箔＋ Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を挟み、全体に圧
力を加えた状態で真空中で固相拡散接合することによっ
て製造される。
Ｃ作 用〕
本発明の接合体においては、セラミックス側表面にＴｉ
層が形成される。このＴｉ層は、セラミックスとの親和
性が高く、且つセラミックス表面を接合に遺した活性状
態にするものである。しかも、Ｔｉ層は、固相拡散接合
時にセラミックスを構成する原子との間で拡散し、セラ
ミックスに対して強固に接着する。
層が形成される。このＴｉ層は、セラミックスとの親和
性が高く、且つセラミックス表面を接合に遺した活性状
態にするものである。しかも、Ｔｉ層は、固相拡散接合
時にセラミックスを構成する原子との間で拡散し、セラ
ミックスに対して強固に接着する。
他方、ＦｅＮｉ合金は、セラミックスと同等又はそれよ
りも小さい熱膨張係数をもつ材料であって、固相拡散接
合時に金属材料の変形をブロックする作用を呈する。そ
の結果、接合界面に発生する熱応力が緩和され、熱応力
に起因した亀裂１割れ、疲労等の欠陥がない接合体が得
られる。このようなＦｅＮｉ合金としては、インバー、
パーマロイ等がある。
りも小さい熱膨張係数をもつ材料であって、固相拡散接
合時に金属材料の変形をブロックする作用を呈する。そ
の結果、接合界面に発生する熱応力が緩和され、熱応力
に起因した亀裂１割れ、疲労等の欠陥がない接合体が得
られる。このようなＦｅＮｉ合金としては、インバー、
パーマロイ等がある。
また、これらＴｉ及びＦｅＮｉ合金は、高温強度の優れ
た材料であり、しかもこの性質は固相拡散接合によって
も実質的な変化を受けない。そのため、接合部の高温強
度は、インサートの耐用温度まで保証される。
た材料であり、しかもこの性質は固相拡散接合によって
も実質的な変化を受けない。そのため、接合部の高温強
度は、インサートの耐用温度まで保証される。
更に、Ｔｉ層とＦｅＮｉ合金層との間に、Ｃｕ層を介在
させる。このＣｕ層は、固相拡散接合時及び接合体が高
温雰囲気に長時間晒された際、Ｔｉ層とＦｅＮｉ合金層
との間で有害な金属間化合物が生成されることを防止す
るインヒビターとして働く。この点、Ｃｕ層は、少なく
とも１００μｍ程度の厚みをもつことが必要である。し
かし、Ｃｕ層の厚みが大きくなり過ぎると、接合体の高
温強度がＣｕの強度に支配されることになり、高温雰囲
気での使用に制約を受ける。
させる。このＣｕ層は、固相拡散接合時及び接合体が高
温雰囲気に長時間晒された際、Ｔｉ層とＦｅＮｉ合金層
との間で有害な金属間化合物が生成されることを防止す
るインヒビターとして働く。この点、Ｃｕ層は、少なく
とも１００μｍ程度の厚みをもつことが必要である。し
かし、Ｃｕ層の厚みが大きくなり過ぎると、接合体の高
温強度がＣｕの強度に支配されることになり、高温雰囲
気での使用に制約を受ける。
固相拡散接合は、セラミックス材料と金属材料との間に
Ｔｉ箔、Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を挟んだ積層体を加
圧しながら、１０−”〜Ｉｉ’ｈ−ルの真空雰囲気中で
８００〜８６０℃に１５〜６０分間加熱することによっ
て行われる。
Ｔｉ箔、Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を挟んだ積層体を加
圧しながら、１０−”〜Ｉｉ’ｈ−ルの真空雰囲気中で
８００〜８６０℃に１５〜６０分間加熱することによっ
て行われる。
このとき、積層体に加える圧力は、０．５〜２ｋｇｆ／
ｍｍ”の範囲に維持される。この圧力が０．５ｋｇｆ／
ｍｍ”未満では、接合面の密着性が十分でなく、良好な
接合強度が得られない。また、圧力が２ｋｇｆ／ｍｍ”
を超えると、拡散接合時に金属側に塑性変形が生じる虞
れがある。
ｍｍ”の範囲に維持される。この圧力が０．５ｋｇｆ／
ｍｍ”未満では、接合面の密着性が十分でなく、良好な
接合強度が得られない。また、圧力が２ｋｇｆ／ｍｍ”
を超えると、拡散接合時に金属側に塑性変形が生じる虞
れがある。
固相拡散接合は、温度が高いほど拡散反応が迅速に進行
する。そこで、加熱温度を上昇させるとき、加熱時間の
短縮を図ることができる。しかしながら、加熱温度が高
過ぎると、インサート或いは金属母材の一部が溶融し、
インサート金属層の流失が生じる。その結果、ボイド、
亀裂等の欠陥がある接合部となる場合がある。
する。そこで、加熱温度を上昇させるとき、加熱時間の
短縮を図ることができる。しかしながら、加熱温度が高
過ぎると、インサート或いは金属母材の一部が溶融し、
インサート金属層の流失が生じる。その結果、ボイド、
亀裂等の欠陥がある接合部となる場合がある。
そこで、接合温度としてインサートや金属材料が溶融し
ない温度範囲、具体的にはインバーをインサートとして
使用するとき８００〜８６０℃に維持し、加熱時間を拡
散状態に応じて１５〜６０分間に設定する。
ない温度範囲、具体的にはインバーをインサートとして
使用するとき８００〜８６０℃に維持し、加熱時間を拡
散状態に応じて１５〜６０分間に設定する。
この方法で接合される金属材料は、特に種類が限定され
るものではないが、−殻構造用鋼、高張力鋼、ステンレ
ス鋼、Ｎｉ基合金鋼等がある。他方、金属材料に接合さ
れるセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア
、窒化珪素、炭化珪素等が具体的に掲げられる。
るものではないが、−殻構造用鋼、高張力鋼、ステンレ
ス鋼、Ｎｉ基合金鋼等がある。他方、金属材料に接合さ
れるセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア
、窒化珪素、炭化珪素等が具体的に掲げられる。
［実施例］
以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。
セラミックス材料と金属材料とを、第１図に示すように
積層して固相拡散接合した。セラミックス材料１として
は、厚さ３ｍｍのアルミナセラミックスを使用した。そ
して、セラミックス材料ｌの両面に、金属材料２として
構造用鋼５Ｍ５０を配置した。また、セラミックス材料
ｌと金属材料２との間には、セラミック材料１側に厚さ
ｌｕｍのＴｉ箔３を、金属材料２側に厚さ１ｍｍのＦｅ
Ｎｉ合金箔４を配置した。そして、チタン箔３とＦｅＮ
ｉ合金箔４との間に、厚さ１００ＬＬｍ１００ＬＬ箔５
を挟み込んだ。
積層して固相拡散接合した。セラミックス材料１として
は、厚さ３ｍｍのアルミナセラミックスを使用した。そ
して、セラミックス材料ｌの両面に、金属材料２として
構造用鋼５Ｍ５０を配置した。また、セラミックス材料
ｌと金属材料２との間には、セラミック材料１側に厚さ
ｌｕｍのＴｉ箔３を、金属材料２側に厚さ１ｍｍのＦｅ
Ｎｉ合金箔４を配置した。そして、チタン箔３とＦｅＮ
ｉ合金箔４との間に、厚さ１００ＬＬｍ１００ＬＬ箔５
を挟み込んだ。
この積層体を真空チャンバー内に装入し、積層体全体に
ラム６で１ｋｇｆ／ｍｍ”の圧力を加えながら、真空度
４ＸＩＯ−’トールの真空雰囲気中で高周波加熱コイル
７によって８６０”Ｃに３０分間加熱した。
ラム６で１ｋｇｆ／ｍｍ”の圧力を加えながら、真空度
４ＸＩＯ−’トールの真空雰囲気中で高周波加熱コイル
７によって８６０”Ｃに３０分間加熱した。
この加熱によって各層の間で拡散が十分に行われ、金属
材料２に対してセラミックス材料１が強固に接合した接
合体が得られた。
材料２に対してセラミックス材料１が強固に接合した接
合体が得られた。
この接合体から厚さ３ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ４０ｍｍの
試験片を切り出し、高温４点曲げ試験によって接合強度
を測定した。その結果、曲げ強度は、２００℃及び４０
０℃でそれぞれ１２０ＭＰａ及び１１０ＭＰａであった
。
試験片を切り出し、高温４点曲げ試験によって接合強度
を測定した。その結果、曲げ強度は、２００℃及び４０
０℃でそれぞれ１２０ＭＰａ及び１１０ＭＰａであった
。
なお、比較のため、厚さ２ｍｍのＣｕｉをインサートと
して使用する外は同様な接合条件下で、セラミックス材
料と金属材料とを固相拡散接合した。このとき得られた
接合体の接合強度は、室温で１１０Ｍ Ｐ ａであった
。また、アルミナセラミックス側から１ｍｍ厚のＴｉ箔
及び２ｍｍ厚のＣｕｉを介して接合した接合体の強度は
、室温で１００ Ｍ Ｐ ａであった。
して使用する外は同様な接合条件下で、セラミックス材
料と金属材料とを固相拡散接合した。このとき得られた
接合体の接合強度は、室温で１１０Ｍ Ｐ ａであった
。また、アルミナセラミックス側から１ｍｍ厚のＴｉ箔
及び２ｍｍ厚のＣｕｉを介して接合した接合体の強度は
、室温で１００ Ｍ Ｐ ａであった。
この対比から明らかなように、Ｔ ｉ ／ Ｃｕ ／
ＦｅＮｉをインサートとして使用した本実施例の接合体
は、Ｃｕ又はＴ ｉ ／ Ｃｕをインサートとしたもの
に比較して、接合強度が優れていることが判かる。特に
、接合強度が高温で劣化することがないため、高温雰囲
気の使用に耐える接合体が得られた。
ＦｅＮｉをインサートとして使用した本実施例の接合体
は、Ｃｕ又はＴ ｉ ／ Ｃｕをインサートとしたもの
に比較して、接合強度が優れていることが判かる。特に
、接合強度が高温で劣化することがないため、高温雰囲
気の使用に耐える接合体が得られた。
［発明の効果］
以上に説明したように、本発明においては、Ｔｉ、Ｃｕ
及びＦｅＮｉ合金を組合せてインサートとし、セラミッ
クス材料と金属材料とを固相拡散接合している。そのた
め、インサート又は金属材料の耐用限界までの高温使用
環境に耐える接合体が得られる。また、ＦｅＮｉ合金が
セラミックスと同等或いは小さな熱膨張係数をもつ材料
であることから、セラミックス及び金属との熱膨張差に
起因した熱応力も緩和される。しかも、メタライジング
−ロウ付は法に比較して、接合工程が加圧・加熱という
一つの工程ですむため、製造コストの低減も図られる。
及びＦｅＮｉ合金を組合せてインサートとし、セラミッ
クス材料と金属材料とを固相拡散接合している。そのた
め、インサート又は金属材料の耐用限界までの高温使用
環境に耐える接合体が得られる。また、ＦｅＮｉ合金が
セラミックスと同等或いは小さな熱膨張係数をもつ材料
であることから、セラミックス及び金属との熱膨張差に
起因した熱応力も緩和される。しかも、メタライジング
−ロウ付は法に比較して、接合工程が加圧・加熱という
一つの工程ですむため、製造コストの低減も図られる。
第１図は、本発明に従ってセラミックス材料と金属材料
とを固相拡散接合している状態を示す。 １：セラミックス材料 ２：金属材料 ３：Ｔｉ箔 ４：ＦｅＮｉ合金箔５：Ｃｕ箔
６：ラム ７：高周波加熱コイル 第 図
とを固相拡散接合している状態を示す。 １：セラミックス材料 ２：金属材料 ３：Ｔｉ箔 ４：ＦｅＮｉ合金箔５：Ｃｕ箔
６：ラム ７：高周波加熱コイル 第 図
Claims (2)
- （１）セラミックス材料と金属材料との接合界面にセラ
ミックス側表面からＴｉ層、次いでＣｕ層及びＦｅＮｉ
合金層があり、これら各層の間が固相拡散接合されてい
ることを特徴とするセラミックス−金属接合体。 - （２）金属材料とセラミックス材料との間に、セラミッ
クス側表面からＴｉ箔、Ｃｕ箔及びＦｅＮｉ合金箔を挟
み、全体に圧力を加えた状態で真空中で固相拡散接合す
ることを特徴とするセラミックス−金属接合体の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2209032A JP2941382B2 (ja) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | セラミックス―金属接合体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2209032A JP2941382B2 (ja) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | セラミックス―金属接合体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0492871A true JPH0492871A (ja) | 1992-03-25 |
| JP2941382B2 JP2941382B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=16566129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2209032A Expired - Lifetime JP2941382B2 (ja) | 1990-08-07 | 1990-08-07 | セラミックス―金属接合体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2941382B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006519471A (ja) * | 2003-03-03 | 2006-08-24 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Ｘ線管陰極アセンブリ及び界面反応接合プロセス |
| CN103183520A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-07-03 | 西北工业大学 | 碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法 |
| WO2015141295A1 (ja) * | 2014-03-20 | 2015-09-24 | 三菱マテリアル株式会社 | 接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法 |
| CN106270882A (zh) * | 2016-08-19 | 2017-01-04 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种人造视网膜中镀钛Al2O3陶瓷和钛环的连接方法 |
| CN114211076A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅陶瓷/镍基高温合金的连接方法 |
| CN115319263A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-11-11 | 中山大学 | 基于Cu-C/Ti瞬时液相原位反应的碳基材料/金属连接方法 |
-
1990
- 1990-08-07 JP JP2209032A patent/JP2941382B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006519471A (ja) * | 2003-03-03 | 2006-08-24 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Ｘ線管陰極アセンブリ及び界面反応接合プロセス |
| CN103183520A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-07-03 | 西北工业大学 | 碳/碳复合材料与镍基高温合金的部分瞬间液相连接方法 |
| WO2015141295A1 (ja) * | 2014-03-20 | 2015-09-24 | 三菱マテリアル株式会社 | 接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法 |
| JP2015193526A (ja) * | 2014-03-20 | 2015-11-05 | 三菱マテリアル株式会社 | 接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法 |
| CN105829266A (zh) * | 2014-03-20 | 2016-08-03 | 三菱综合材料株式会社 | 接合体、功率模块用基板、功率模块及接合体的制造方法 |
| US9735085B2 (en) | 2014-03-20 | 2017-08-15 | Mitsubishi Materials Corporation | Bonded body, power module substrate, power module and method for producing bonded body |
| CN106270882A (zh) * | 2016-08-19 | 2017-01-04 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种人造视网膜中镀钛Al2O3陶瓷和钛环的连接方法 |
| CN114211076A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅陶瓷/镍基高温合金的连接方法 |
| CN114211076B (zh) * | 2022-01-06 | 2022-09-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅陶瓷/镍基高温合金的连接方法 |
| CN115319263A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-11-11 | 中山大学 | 基于Cu-C/Ti瞬时液相原位反应的碳基材料/金属连接方法 |
| CN115319263B (zh) * | 2022-10-13 | 2023-01-17 | 中山大学 | 基于Cu-C/Ti瞬时液相原位反应的碳基材料/金属连接方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2941382B2 (ja) | 1999-08-25 |
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