JP2013170090A - セラミックスと金属の接合方法及びセラミックスと金属の接合構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温環境下においても、セラミックスと金属の線膨張係数の差に起因する引張応力によって破壊されることのない、セラミックスと金属の接合方法を提供する。
【解決手段】被接合材であるセラミックス母材の接合面、及び金属母材の接合面に、それぞれ金属箔を接合し、加熱することにより、上記金属箔の表面に金属層を残存させつつ、上記セラミックス母材と金属層の間、及び上記金属母材と金属層の間に、それぞれ、金属箔の材料が拡散した線膨張係数が傾斜化された拡散層を形成する工程と、上記金属箔の表面に残存したそれぞれの金属層を結合させることにより、上記セラミックス母材と上記金属母材を接合する工程とを備えることを特徴とするセラミックスと金属の接合方法。
【選択図】図１
【解決手段】被接合材であるセラミックス母材の接合面、及び金属母材の接合面に、それぞれ金属箔を接合し、加熱することにより、上記金属箔の表面に金属層を残存させつつ、上記セラミックス母材と金属層の間、及び上記金属母材と金属層の間に、それぞれ、金属箔の材料が拡散した線膨張係数が傾斜化された拡散層を形成する工程と、上記金属箔の表面に残存したそれぞれの金属層を結合させることにより、上記セラミックス母材と上記金属母材を接合する工程とを備えることを特徴とするセラミックスと金属の接合方法。
【選択図】図１
Description
本発明は、高耐熱環境で使われる触媒やサーミスタの材質である炭化水素系セラミックスと電気的導通をとるための高耐熱合金との接合に好適な、線膨張係数が傾斜化された拡散層を有するセラミックスと金属の接合方法及びセラミックスと金属の接合構造に関する。
セラミックスは、一般的に、耐摩耗性、耐熱性、耐食性等に優れ、機械部品、電子部品等で広く用いられている。しかし、セラミックスは、複雑な形状への成形、加工が困難であるので、成形、加工が容易である金属を成形、加工して得た部品にセラミックスを接合し、所望の部品を得ることが行われる。
セラミックスと金属の代表的な接合方法として、ろう付け法がある。しかし、ろう付け法に用いられるろう材は、高温環境下では、耐クリープ性の観点から、使用温度に限界がある。
近年、自動車部品に用いられるセラミックスと金属の接合においては、例えば、排気ガス内に搭載される部品に用いるために、５００〜９００℃程度の環境下での使用に耐えられるような接合の要望がある。このような接合を実現するためには、接合層に低融点のろう材を用いるのではなく、セラミックスと金属との間に拡散層を形成することにより、接合部を高融点化し、耐熱性を上げる方法がある。
しかしながら、拡散層が形成できたとしても、高温環境下では、セラミックスと金属の線膨張係数の差によって高温時に発生する引張応力により、接合部やセラミックスが破壊するという問題がある。
特許文献１には、セラミックスと金属との間に３種類の金属を介在させ、拡散接合することにより、線膨張係数の差による残留応力を低下させたセラミックスと金属の接合構造が開示されている。
しかしながら、特許文献１の接合構造においても、セラミックスと金属、介在させた金属の間には線膨張係数の差があることから、高温時に発生する引張応力に対しては、強度が不十分であった。
本発明は、前記の事情にかんがみなされたものであって、高温環境下においても、セラミックスと金属の線膨張係数の差に起因する引張応力によって破壊されることのない、セラミックスと金属の接合方法の提供を課題とする。
本発明者らは、高温環境下においても、セラミックスと金属の線膨張係数の差に起因する引張応力によって破壊されることのない、セラミックスと金属の接合構造について鋭意検討した。
その結果、被接合材であるセラミックスと金属の接合面に、高融点である金属箔を接合し、温度勾配を形成して加熱して線膨張係数が傾斜化された拡散層を形成することにより、高温環境でも耐え得る、セラミックスと金属の接合が可能となることを見出した。
本発明のセラミックスと金属の接合方法は、上記の知見に基づきなされたものであって、被接合材であるセラミックス母材の接合面、及び金属母材の接合面に、それぞれ金属箔を接合し、加熱することにより、上記金属箔の表面に金属層を残存させつつ、上記セラミックス母材と金属層の間、及び上記金属母材と金属層の間に、それぞれ、金属箔の材料が拡散した線膨張係数が傾斜化された拡散層を形成する工程と、上記金属箔の表面に残存したそれぞれの金属層を結合させることにより、上記セラミックス母材と上記金属母材を接合する工程とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、線膨張係数が傾斜化した拡散層を有するセラミックスと金属の接合を行うことができ、高温環境でも耐え得る、セラミックスと金属の接合が可能となる。
以下、本発明を、図面を参照して、より具体的に説明する。
本発明のセラミックスと金属の接合方法では、まず、図１に示すように、被接合材であるセラミックス母材の接合面、及び金属母材の接合面に、それぞれ金属箔を接合し、加熱することにより、金属箔の表面に金属層を残存させつつ、線膨張係数が傾斜化した拡散層を形成する。
ここで、線膨張係数が「傾斜化」したとは、線膨張係数が単調に変化することを意味する。すなわち、図２に示すように、線膨張係数は、金属母材から、金属箔が残存した金属層に向けて、単調に増加し、さらに、金属層から、セラミックス母材に向けて、単調に増加する。このとき、線膨張係数の変化は、一定の勾配であることが好ましいが、必ずしも一定でなくともよい。
拡散層の厚さは、１〜１００μｍが好ましい。拡散層の厚さが１μｍ未満では十分な接合強度を確保するのが難しくなる。また、拡散層の厚さが１００μｍを超えても、接合強度は飽和し、製造コストの面で不利になる。
金属箔の接合には、溶接、拡散接合、シール接合、あるいは押圧による接合等の方法を用いることができる。
金属箔を接合したセラミックス母材、及び金属母材の加熱は、それぞれ別々の真空炉で加熱することができる。あるいは、温度差を利用して、温度勾配を形成する方法を用いてもよい。温度差を利用する方法の具体例としては、誘導加熱、レーザ加熱、アークプラズマ、抵抗発熱、電子ビームによる加熱等があげられる。
温度差を利用する方法を用いる場合、温度勾配を生じさせることが可能な１つの装置を用いて、金属箔を接合したセラミックス母材、及び金属母材の加熱を同時に行うことが可能である。
誘導加熱による方法としては、たとえば、図３の（ａ）に示すように、加熱する場所にそれぞれコイルを配置し、それぞれのコイルに流す電流や周波数を異なるものとすることで温度勾配を形成する方法や、図３の（ｂ）に示すように、金属母材１２側で誘導加熱を行い、その輻射熱によって、セラミックス母材１１側を昇温する方法を用いることができる。
レーザ加熱による方法としては、図４に示すように、セラミックス母材１１と金属箔１７の接合界面、及び金属母材１２と金属箔１７の接合界面に、それぞれ、異なるパワーのレーザを照射することによって、温度勾配を形成することができる。
アークプラズマによる加熱では、プラズマが発生している場所に金属箔を接合した金属母材、セラミックス母材をそれぞれ配置し、距離によって温度が異なることを利用して、温度勾配を形成することができる。
抵抗発熱の場合は、ワークに金属箔を接した状態で、通電した場合の接触抵抗による発熱を利用するものである。
いずれの場合も、接合面の温度分布が均一でない場合は、それぞれの加熱の特徴を生かして併用して加熱することで実現させる。
本発明の接合方法を適用できるセラミックス材料としては、たとえば、ＳｉＣにＳｉを添加した、電気的導通のある材料を用いることができる。その他の非酸化物系セラミックスや、酸化物系セラミックにも適用可能である。
金属材料は、高温環境下の使用に耐えられる耐熱合金であればよく、ステンレスやインコネル（登録商標）が代表的な例である。
セラミックス母材に接合する金属箔は、セラミックス母材へ拡散可能な材料であればよい。たとえば、セラミックス母材がＳｉを添加したＳｉＣである場合、金属箔としてはＣｒを用いることができる。
金属母材に接合する金属箔も、同様に、金属母材へ拡散可能な材料であればよい。たとえば、金属母材がインコネル（登録商標）である場合、Ｃｒを用いることができる。
セラミックス母材に接合する金属箔と、金属母材に接合する金属箔は、同じ金属材料からなるものである必要はないが、同じ金属材料からなるものであれば、接合強度の観点から有利である。
金属箔を接合したセラミックス母材、及び金属母材は、各材料に対する金属箔の拡散性を考慮して、最適な温度で加熱する。
たとえば、Ｓｉを添加したＳｉＣにＣｒ箔を接合した場合、９００〜１３００℃での加熱が、Ｃｒの拡散に適している。インコネル（登録商標）にＣｒ箔を接合した場合、１２００℃以上での加熱がＣｒの拡散に適している。
最適な温度で、上述したような方法を用いて、セラミックス母材、及び金属母材を加熱することにより、線膨張係数が傾斜した拡散層を形成することができる。
Ｓｉを添加したＳｉＣにＣｒ箔を接合し、加熱する場合、Ｃｒが拡散しつつ、ＳｉＣやＳｉと反応して、ＣｒＳｉ、ＣｒＣ等の合金を形成し、線膨張係数が傾斜した拡散層を形成する。
インコネル（登録商標）にＣｒ箔を接合し、加熱する場合、Ｃｒがマトリックス中に分散することにより、線膨張係数が傾斜した拡散層を形成する。
これらの拡散層を形成する際に、金属箔の表面には金属箔が残存した金属層を露出させる。表面に金属層が露出していることによって、加熱や、押圧により、拡散層が形成されたセラミックス母材と金属母材を、金属的に結合することができるようになる。
セラミックス母材と金属母材との接合においては、上述した加熱源の条件を変化させることが有効である。また、押圧により、金属の新生面を創出させることにより、金属結合による接合を効率良く行うことができるようになる（図５）。
セラミックス母材と金属母材との結合は、上述した拡散層の形成が終了した後に行ってもよいし、拡散層を形成させながら行ってもよい。
また、温度差を利用する方法として、まず高温で拡散させたい材料どうしを組み合わせて高温で接合後、接合された金属箔側と低温で拡散させたい材料を合わせて低温で接合することも有効である。この場合金属箔どうしの接合プロセスが不要となる。
本発明の方法によりＣｒ箔を接合したＳｉＣとインコネル（登録商標）を接合した場合、線膨張係数が５×１０-6／℃のＳｉＣと、線膨張係数が８×１０-6／℃のＣｒ金属層の間に、線膨張係数が平均７×１０-6／℃の傾斜化した拡散層が形成される。また、Ｃｒ金属層と、線膨張係数が１３×１０-6／℃のインコネル（登録商標）の間に、線膨張係数が平均１０×１０-6／℃の傾斜化した拡散層が形成される。線膨張係数はＣｒの比率に依存するため、Ｃｒの拡散量から任意に設計することができる。Ｃｒ以外の金属箔を用いる場合においても同様の設計が可能である。
以上のように、ＳｉＣとインコネル（登録商標）との間に、線膨張係数が連続的に傾斜化した層が形成されるので、高温環境下においても、高温時に発生する引張応力によりＳｉＣが破壊しない強度を実現することができる。
以上説明した例は一例であり、他のセラミックスや金属を用いた場合であっても、セラミックスや金属が破壊しないための拡散層の厚さや、線膨張係数を、構造解析等により設計し、本発明を適用することができる。
本発明のセラミックスと金属の接合構造は、高耐熱環境で使われる、触媒やサーミスタの材質である炭化水素系セラミックスと電気的導通をとるための高耐熱合金（ステンレス、Ｎｉ鋼等）との接合に好適である。
もちろん、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も、本発明に含まれることはいうまでもない。
１１ セラミックス母材
１２ 金属母材
１５ 拡散層
１６ 金属膜
１７ 金属箔
３１ コイル
４１ レーザ
１２ 金属母材
１５ 拡散層
１６ 金属膜
１７ 金属箔
３１ コイル
４１ レーザ
Claims (6)
- セラミックスと金属の接合方法であって、
被接合材であるセラミックス母材の接合面、及び金属母材の接合面に、それぞれ金属箔を接合し、加熱することにより、上記金属箔の表面に金属層を残存させつつ、上記セラミックス母材と金属層の間、及び上記金属母材と金属層の間に、それぞれ、金属箔の材料が拡散した線膨張係数が傾斜化された拡散層を形成する工程と、
上記金属箔の表面に残存したそれぞれの金属層を結合させることにより、上記セラミックス母材と上記金属母材を接合する工程
とを備えることを特徴とするセラミックスと金属の接合方法。 - 前記セラミックス母材の加熱と、前記金属母材の加熱は、それぞれ異なる温度で行うことを特徴とする請求項１に記載のセラミックスと金属の接合方法。
- 前記セラミックス母材の加熱と、前記金属母材の加熱は、温度勾配を生じさせることが可能な同一の装置を用いて同時に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスと金属の接合方法。
- 前記セラミックス母材の加熱と、前記金属母材の加熱は、それぞれ異なる炉を用いて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスと金属の接合方法。
- 前記セラミックス母材の接合面に接合する金属箔と、前記金属母材の接合面に接合する金属箔が、同じ金属材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックスと金属の接合方法。
- セラミックスと金属の接合構造であって、セラミックスと金属の間に、線膨張係数が傾斜化された拡散層を有することを特徴とするセラミックスと金属の接合構造。
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