JPS6177676A - 窒化珪素体の接合体および接合方法 - 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】 「技術分野」 本発明は耐熱、高強度セラミックスの一種である窒化珪
素体の接合体および接合方法に関し、さらに詳しくは窒
化珪素体の表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合
金のメタライズ層を形成し、少なくともこのメタライズ
層を介して接合した接合体および接合方法に関する。

「従来技術およびその問題点」 窒化珪素体、炭化珪素体などの耐熱性および高強度を有
するセラミックスに関する近年の技術開発はめざましく
、ターボチャージャ、タービンブレード、ラジアントチ
ューブ、高温熱交換器など高耐熱性、高耐食性、高強度
性などを必要とされる用途分野への応用が積極的に検討
されている。

これらのセラミックスを各種用途に使用するにあたり、
金属軸などの金属部材とセラミックスとを接合すること
が必要となる。一般にセラミックス同士あるいはセラミ
ックスと金属体などとを接合するには、セラミックスの
表面に金属をメタライズし、このメタライズ層を介して
被接合部材を融接したり、金属ろう付けしたり、半田付
けすることが行なわれている。

従来、窒化珪素体とステンレス鋼の接合方法として、窒
化珪素体の表面にチタンを２〜４　ｇｍ厚さにイオンブ
レーティングした後、アルミニウム箔をステンレス鋼と
の間に挾み、アルゴンガス中で約６７０℃に加熱し接合
する方法が知られている（昭和５８年日本金属学会秋期
大会一般講演概要、５４２ページ参照）。

しかしながら、この接合方法では、チタンをイオンブレ
ーティングするため、作業能率が悪く、コストも高くな
る問題点があった。

また、ＣＶＯ、ｐＶＤ法などによって窒化珪素体などの
セラミックスの表面に金属をメタライズすることも可能
である。

しかしながら、これらの方法では、析出層の生成速度が
遅く、また密着力が小さく、さらに接合部分のみの部分
めっきが難しいなどの問題点があり、その後の金属体ま
たはセラミックスとの接合には不適当であった。

「発明の目的」 本発明の目的は、窒化珪素体と、金属体やセラミックス
などとを強い接合力でかつ比較的簡単な手段で接合でき
るようにした窒化珪素体の接合体および接合方法を提供
することにある。

「発明の構成」 本発明による窒化珪素体の接合体は、一対の被接合部材
の少なくとも一方が窒化珪素体である接合体であって、
前記窒化珪素体の表面にアルミニラムもしくはアルミニ
ウム合金のメタライズ層が形成され、少なくともこのメ
タライズ層を介して他方の被接合部材が接合されている
。

また本発明による窒化珪素体の接合方法は、一対の被接
合部材の少なくとも一方が窒化珪素体である接合方法で
あって、前記窒化珪素体にアルミニウムもしくはアルミ
ニウム合金ヲ９００〜１４００℃の溶融状態で接触させ
ることによりその表面にメタライズ層を形成し、少なく
ともこのメタライズ層を介して他方の被接合部材を接合
する方法である。

このように、本発明では、窒化珪素体の表面に直接アル
ミニウムもしくはアルミニウム合金のメタライズ層を形
成し、このメタライズ層を介して他の被接合部材を接合
するようにする。

窒化珪素体は、溶融アルミニウムまたはアルミニウム合
金に対して耐食性が優れているため、従来よりアルミニ
ウムの溶解るつぼ、攪拌治具などに使用されている。こ
のため、窒化珪素体のメタライジング材としてアルミニ
ムもしくはアルミニウム合金を積極的に適用した例はな
かった。ちなみに窒化珪素体からなるアルミニラ光溶解
るつぼではたかだか７００℃前後の温度下の大気中で使
われているので、好ましいアルミニウムメタライズ層は
るつぼ表面には形成されない。

本発明者らは、窒化珪素体にアルミニウムもしくはアル
ミニウム合金を９００〜１４００℃の溶融状態で接触さ
せることにより、窒化珪素体の表面にアルミニウムもし
くはアルミニウム合金をメタライズすることが可能であ
り、しかもこうして形成されたメタライズ層を介して金
属体やセラミックスなどを接合すると、極めて強い接合
力が得られることを見出し、本発明を完成するに至った
のである。

このように、本発明によって窒化珪素体にアルミニウム
もしくはアルミニウム合金を直接メタライズでき、かつ
、強い接合力が得られる理由は、高温下において次のよ
うな反応が接合界面で生じるためと考えられる。

５ｉ３Ｎ　　４　　＋　　　４Ａｌ→３　　Ｓｉ＋４　
　ＡｌＮ３　５ｉｎ２　＋４　　Ａｔ→３　　Ｓｉ＋２
　　Ａ１２０３（表面が酸化している場合） Ｓｉ３Ｎ４　＋　　Ａｌ→Ａｌ−Ｓｉ合金＋Ｎ２５ｉ０
２　＋　　Ａｌ　→Ａｌ−９ｉ合金＋０２本発明で使用
する窒化珪素体は、常圧焼結、ホントプレス、熱間静水
圧プレスなどの焼結方法で焼結した焼結助剤添加の窒化
珪素体；反応焼結方法で焼結した焼結助剤なしの反応焼
結窒化珪素体；あるいは焼結助剤を添加した反応焼結窒
化珪素体をさらに高温で焼結し緻密化した窒化珪素体な
どである。

また、本発明で使用するアルミニウムは純度が９８．０
％以上のものであればよく、アルミニウム合金は銅、珪
素、マンガン、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、クロム
、チタン、ビスマスなどを合計で１０％以下、好ましく
は５％以下含有するものであればよい。

溶融状態のアルミニウムもしくはアルミニウム合金を窒
化珪素体に接触させる方法としては、浸漬方法（溶融ア
ルミニウムなどの浴中に窒化珪素体を浸す）、上置き方
法（窒化珪素体上に固体アルミニウムなどの片を置き、
加熱して溶融接触させる）、毛細管現象を利用する方法
（窒化珪素体と他方の被接合部材をわずかの間隙を残し
て並置したまま溶融アルミニウムなどの浴に接触させて
メタライジングと接合を同時に行なう）などが採用でき
る。

メタライズ温度は９００〜１４００℃の温度範囲とされ
、９００℃より低いとメタライズ層の密着力が弱くなり
、１４００℃を超えるとアルミニウムもしくはアルミニ
ウム合金の蒸発が激しく、ｇ量が大きくなるという問題
点が生じる。

メタライズの雰囲気は真空、中性雰囲気が適しているが
、大気中であっても溶融金属の上に酸化防止用のフラッ
クスを使用することによりメタライズは可能である。

以下、本発明の具体例を図面を参照して説明する。

第１図に示すように、前記のような方法で窒化珪素体１
１の表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合金のメ
タライズ層１２を形成する。本発明では少なくともこの
メタライズ層１２を介して被接合部材を接合する。

第２図に示す具体例は、窒化珪素体１１．１１をメタラ
イズ層１２を介して互いに融接したものである。かかる
接合体は、窒化珪素体１１．１１の間にアルミニウムも
しくはアルミニウム合金を介在させて９００〜１４００
℃に加熱することによって得られる。

第３図に示す具体例は、窒化珪素体１１の表面に形成さ
れたメタライズ層】２に、金属ろう１３を介して金属体
１４を接合したものである。

第４図に示す具体例は、窒化珪素体Ｉｔ、　１１の表面
にそれぞれ形成されたメタライズ層１２．１２を金属ろ
う１３を介して互いに接合したものである。

第５図に示す具体例は、窒化珪素体１１の表面に形成さ
れたメタライズ層１２の上に、さらに金属層！５を形成
し、この全８層１５に半田】８を介して金属体１４を接
合したものである。この場合、金属層１５は、銅、ニッ
ケル、黄銅、鉛−スズ合金などの電解メッキや、例えば
塩化第一銅、炭化水素を用いて高温、乾式で行なうカッ
パライジング処理などによって形成できる。

第６図に示す具体例は、窒化珪素体１１．１１の表面に
形成されたメタライズ層１２．１２の上に、それぞれ金
属層１５．１５を形成し、これらの金属層１５、　　　
　□１５を半田１θを介して互いに接合したものである
。

第７図に示す具体例は、第６図の例をさらに応用したも
のであり、半田１６による接合の際、金属層１５．１５
の間に金属電極１７を入れて接合したものである。

なお、本発明は、窒化珪素体と他のセラミックスとの接
合にも適用できる。

「発明の実施例」 実施例１ 常圧焼結窒化珪素体（１０ｍａ＋　Ｘ　ｌＯｍｍＸ　２
０ｍｍ）　（７）先端部分５＋ｍを真空中で１３００℃
の溶融アルミニウムに１分間浸漬し、アルミニウムのメ
タライズ層を形成した。このメタライズ層の上にワセリ
ンを薄く塗布し、さらに塩化第一銅の粉末を均一に塗布
した後、大気中４５０℃の炉中で２０分間保持して銅の
層を形成した。そして、この窒化珪素体の銅の層にコパ
ール合金体（１０ｍｍ　Ｘ　１ｏａａ＋Ｘ　２０ｍａ＋
）を半田呼ばして窒化珪素体と金属体との接合体を得た
。

この接合体の曲げ強度は８ｋｇ／ｍａ＋２を示し、破断
箇所は半田層内であった。

実施例２ 熱間静水圧プレスで焼結した窒化珪素体（］０■Ｘ　ｉ
ｏｍｍＸ　２０ｍｍ）の端面の間に０．５ｍｍ厚さの６
０６１アルミニウム合金板を挾み、１０Ｔｏｒｒのアル
ゴン雰囲気中で１２００℃１３０秒間保持することによ
り、窒化珪素体同士の接合体を得た。この接合体の曲げ
強度は１８　ｋｚ／■２を示し、破断箇所はアルミニウ
ム合金層の内部であった。

「発明の効果Ｊ 以上説明したように、本発明によれば、窒化珪素体にア
ルミニウムもしくはアルミニウム合金を９００〜１４０
０℃の溶融状態で接触させることによりその表面にメタ
ライズ層を形成し、少なくともこのメタライズ層を介し
て金属体やセラミックスを接合するようにしたので、比
較的簡単な手段により接着力の極めて強い接合体を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は窒化珪素体の表面にアルミニウムもしくはアル
ミニウム合金のメタライズ層を形成した状態を示す断面
図、第２図、第３図、第４図、第５図、第８図および第
７図は本発明による接合体のそれぞれ別の具体例を示す
断面図である。 図中、１１は窒化珪素体、１２はメタライズ層、１３は
金属ろう、１４は金属体、１５は金属層、１Ｂは半田、
１７は金属電極である。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の被接合部材の少なくとも一方が窒化珪素体
   である接合体において、前記窒化珪素体の表面にアルミ
   ニウムもしくはアルミニウム合金のメタライズ層が形成
   され、少なくともこのメタライズ層を介して他方の被接
   合部材が接合されていることを特徴とする窒化珪素体の
   接合体。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記被接合部材
   はいずれも窒化珪素体であって、前記メタライズ層を介
   して互いに融接されている窒化珪素体の接合体。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記被接合部材
   は窒化珪素体と金属体であって、この窒化珪素体の表面
   に形成された前記メタライズ層に金属ろうを介して前記
   金属体が接合されている窒化珪素体の接合体。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記被接合部材
   はいずれも窒化珪素体であって、これらの窒化珪素体の
   表面に形成された前記メタライズ層が金属ろうを介して
   互いに接合されている窒化珪素体の接合体。
5. （５）特許請求の範囲第１項において、前記被接合部材
   は窒化珪素体と金属体であって、この窒化珪素体の表面
   に形成された前記メタライズ層上にさらに金属層が形成
   され、この金属層に半田を介して前記金属体が接合され
   ている窒化珪素体の接合体。
6. （６）特許請求の範囲第１項において、前記被接合部材
   はいずれも窒化珪素体であって、これらの窒化珪素体の
   表面に形成された前記メタライズ層上にさらに金属層が
   それぞれ形成され、これらの金属層が半田を介して互い
   に接合されている窒化珪素体の接合体。
7. （７）一対の被接合部材の少なくとも一方が窒化珪素体
   である接合方法において、前記窒化珪素体にアルミニウ
   ムもしくはアルミニウム合金を９００〜１４００℃の溶
   融状態で接触させることによりその表面にメタライズ層
   を形成し、少なくともこのメタライズ層を介して他方の
   被接合部材を接合することを特徴とする窒化珪素体の接
   合方法。
8. （８）特許請求の範囲第７項において、前記被接合部材
   はいずれも窒化珪素体とし、これらの窒化珪素体の間に
   アルミニウムもしくはアルミニウム合金を介在させて９
   ００〜１４００℃に加熱する窒化珪素体の接合方法。
9. （９）特許請求の範囲第７項において、前記被接合部材
   は窒化珪素体と金属体とし、この窒化珪素体の表面に前
   記メタライズ層を形成し、このメタライズ層に前記金属
   体を金属ろう付けする窒化珪素体の接合方法。
10. （１０）特許請求の範囲第７項において、前記被接合部
    材はいずれも窒化珪素体とし、これらの窒化珪素体の表
    面に前記メタライズ層を形成し、このメタライズ層を互
    いに金属ろう付けする窒化珪素体の接合方法。
11. （１１）特許請求の範囲第７項において、前記被接合部
    材は窒化珪素体と金属体とし、この窒化珪素体の表面に
    前記メタライズ層を形成し、さらにこのメタライズ層上
    に金属層を形成し、この金属層に前記金属体を半田付け
    する窒化珪素体の接合方法。
12. （１２）特許請求の範囲第７項において、前記被接合部
    材はいずれも窒化珪素体とし、これらの窒化珪素体の表
    面に前記メタライズ層を形成し、さらにこのメタライズ
    層上に金属層をそれぞれ形成し、これらの金属層を互い
    に半田付けする窒化珪素体の接合方法。