Ａｌ合金−セラミックス複合材料用の接合材及びその製造方法
【課題】本発明は、大型の加圧装置を用いることなく容易に接合でき、実用に耐える接合強度が得られるＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材を提供する。
【解決手段】Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材であって、芯を構成する芯材と、表層を構成する表層材と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。前記芯材の主成分がＺｎであり、前記表層材の主成分がＡｌである。
【解決手段】Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材であって、芯を構成する芯材と、表層を構成する表層材と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。前記芯材の主成分がＺｎであり、前記表層材の主成分がＡｌである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ合金をマトリックスとするＡｌ合金-セラミックス複合材料を接合するための接合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ合金は軽量かつ耐食性に優れる材料であり、熱伝導性や導電性においても優れているため、これまでに様々な分野で利用が進んでいる。セラミックスの分野においてもマトリックスにＡｌ合金を用い、強化材にセラミックスを用いて両者を複合化したＡｌ合金−セラミックス複合材料が、Ａｌ合金の上記特徴を活かしつつ軽量であり、かつ高剛性な材料として利用されるようになってきた。
【０００３】
さらにＡｌ合金−セラミックス複合材料を各種の用途に適用・拡大させるためには、大型化や複雑形状化、さらには中空構造化に対応可能な接合技術が必須である。即ち、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士が実用に耐え得るほど強固に接合され、かつ、その接合部が気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有するＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体を作製可能な接合技術が必要であるが、このような報告例はほとんどない。
【０００４】
これまでに接合技術として、例えば、Ｃｕなどのインサート材をＡｌ合金-セラミックス複合材料間に充填し、それを所定の温度と圧力で熱処理することにより、マトリックス合金の融点より低い温度でも接合できる拡散接合方法（特許文献１参照）が提案されているが、拡散接合法では強固な接合ができるものの、かなりの高圧、例えば１ＭＰａ程度の圧力下で熱処理しなければならず、加圧するための大型の装置、例えばプレス機などの装置が必要となりコスト高になるという問題があった。加えて、形状が複雑になると、圧力をかけること自体が難しく、接合が困難になるという問題もあった。そこで、大型の加圧装置がなくても気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有するＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体の作製方法として、本出願人はホウ酸鉛を主成分とするガラスを接合材に使用する接合方法（特許文献２参照）を提案した。
【０００５】
また、本出願人は、簡単に強固に接合できる金属―セラミックス複合材料の接合方法として、Ａｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料との間にＡｌを４０質量％以上含み、かつ５００℃以下の液相生成温度を有するロウ材を装填し、それを非酸化雰囲気中５００℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合することとした金属−セラミックス複合材料の接合方法を提案した（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１５５０４４号公報
【特許文献２】特開２００２−２６３８５１号公報
【特許文献３】特開２０００−２７１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２の接合方法であれば大型の加圧装置がなくても気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有したＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体が得られるものの、接合材にホウ酸鉛ガラスを使用しているため接合部の強度が低く、被接合材の大きさや用途が制限されるという問題があった。加えて近年では、鉛の毒性が問題視されるようになっており、多くの業界で鉛の使用規制が発令されているため、今後ホウ酸鉛ガラスを使用できなくなる可能性が高いことも問題であった。一方、鉛フリーガラスであれば毒性に関する問題は解決できるが、鉛入りのガラスに比べて濡れ性が悪いため接合部に欠陥が生じやすく、接合部の気密がとれないという問題があった。
【０００８】
また、特許文献３の方法では、接合材として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系等が挙げられているが、このような接合材を用いてＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体を作製すると、被接合材のＡｌ合金―セラミックス複合材料の強度よりも接合強度が著しく小さくなることがあるため問題となっていた。
【０００９】
本発明は、このようなＡｌ合金−セラミックス複合材料の接合における課題に鑑みてなされたものであり、大型の加圧装置を用いることなく容易に接合でき、実用に耐える接合強度が得られるＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材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】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、接合材を層構造とすることで強固に接合できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
即ち、本発明者は、上記課題を解決するための手段として以下の（１）〜（６）の接合材を提供する。
（１）Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いた、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材であって、芯を構成する芯材と、表層を構成する表層材と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（２）前記芯材の主成分がＺｎであり、前記表層材の主成分がＡｌである（１）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（３）前記中間層は、Ａｌ及びＺｎを含む合金からなる（２）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（４）前記接合材に含まれるＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３である（２）または（３）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（５）前記表層材は、Ｍｇを０．５〜２．５質量％含有する（１）〜（４）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（６）Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いた、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法であって、ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを準備する工程と、前記ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを重ね合わせて圧延接合する工程と、熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、大型の加圧装置を用いることなく容易に接合でき、実用に耐える接合強度が得られるＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接合材を示す概略断面図
【図２】本発明の接合材の適用例を示す概略断面図
【図３】接合体の概略断面図
【図４】凹型材の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の接合材を示す概略断面図である。
【００１５】
本発明の接合材は、芯を構成する芯材１１と、表層を構成する表層材１２と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層１３とを含む構造を有する。
【００１６】
芯材１１は、Ｚｎを主成分とする。これは、Ｚｎを接合材の中心部に配置することで、接合強度の低下を防止できるためである。
【００１７】
特許文献３には、Ａｌ−Ｚｎ系の接合材として、金属を混合した後、黒鉛坩堝中で６５０℃の温度で加熱溶解し、それを金属製の回転２本ロールに流し出す方法で得られるものが記載されている。このような方法によれば、接合材の組成が均一化されて好ましいように思われる。しかしながら、このような接合材を用いると接合強度が著しく低下する場合があった。これは、被接合材へのＺｎの拡散が進むと接合層に空隙が生じるために接合強度が著しく低下したものと考えられた。この問題を解決するために、本発明ではＺｎを接合材の中心部に配置した。このような構成にすることで、接合層の空隙を解消することができる。
【００１８】
また、特許文献３に記載されたような金属を混合して加熱溶解させる方法では、３００×３００ｍｍ（以下、□３００ｍｍ）を超えるような大面積の接合材を一体で作製するのは困難であった。一体でない接合材を使用した場合、接合層に継ぎ目ができることは不可避である。そのため継ぎ目部分に欠陥が発生しやすく□３００ｍｍを超えるような大型で、かつ良好な気密性を有するＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体を作製できない問題があった。本発明では、芯材と表層材と中間層とを含む接合材としたため、□３００ｍｍを超えるような大型の接合材が作製できる。
【００１９】
表層材１２の主成分はＡｌである。表層材の主成分をＡｌとし、Ｚｎを主成分とする芯材を接合材の中心部に配置することで接合層の空隙を解消できる。
【００２０】
芯材１１と表層材１２の間には中間層１３が形成される。そして中間層はＡｌ及びＺｎを含む合金からなる。中間層１３は、主として、融点が低く拡散し易い芯材側のＺｎが表層材側のＡｌに拡散して形成される。このときＺｎの拡散よりは少ないが表層材側のＡｌも芯材側のＺｎに拡散する。
【００２１】
表層材側へのＺｎの拡散は過剰にならないように調整する必要がある。過剰に拡散が進むと接合材が脆くなり、□３００ｍｍを超えるような大面積の接合材とすることができなくなる。したがって、芯材と中間層と表層材との区別がなくなるほど拡散させることは好ましくない。また、拡散が少なすぎると、接合時に融点の低いＺｎが先に溶け出し、蒸気圧が高いため速やかに揮発するので接合材として機能しなくなってしまう。このような観点から、芯材にはＺｎが７０質量％以上含まれることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましい。表層材のＡｌは、５０質量％以上含まれることが好ましく、７０質量％以上含まれることがより好ましい。中間層は、芯材及び表層材の中間の組成を有する。
【００２２】
接合材に含まれるＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３とすることが好ましい。これはＡｌの含有量が少ない場合、即ち質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５よりも小さい場合は、腐食しやすい環境下では接合部の陽極腐食が起こりやすいこと、熱がかかる環境下では温度上昇時に生じる接合部での不均一な拡散による欠陥が生じやすいこと等の問題により接合部の信頼性が劣るためである。一方、質量比Ａｌ／Ｚｎが２．３３よりも大きい場合は、接合材の融点が６００℃よりも高くなってしまうため、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の接合には使用が困難であるためである。なお、質量比Ａｌ／Ｚｎは０．８５〜２．３３とすることがより望ましい。
【００２３】
また、本発明では表層材を構成する成分に、Ｍｇが０．５〜２．５質量％含有することを特徴としている。ここで、表層材にＭｇを添加する理由は、Ｍｇが、接合を阻害するＡｌ合金表面の酸化皮膜を破壊する役割を果たすからである。一般的にＡｌ合金のろう付けにおいては、Ａｌ合金の表面に存在する酸化皮膜がろう付けを阻害することが知られており、フラックス等により酸化皮膜を破壊しなければ強固なろう付けはできない。Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士の接合においても同様に、接合時の熱処理によって接合材が完全に溶ける前に、接合面に露出したマトリックスのＡｌ合金表面の酸化皮膜を破壊する必要があり、接合材にＭｇが含まれていれば、その役割を果たすことができる。即ち、Ｍｇが接合時の熱処理により接合材から蒸発する際に、Ａｌ合金の表面酸化膜を破壊して溶融Ａｌ合金相を接合面に露出させる。また、蒸発したＭｇが炉内の残留酸素や水分を除去するゲッターとしての役割も果たすため、新たなＡｌ酸化皮膜の生成を抑制するので強固な接合が可能となる。
【００２４】
接合材中に含まれるＭｇの量としては０．５〜２．５質量％としているが、その理由はＭｇを０．５質量％より少なくすると十分な量のＭｇが供給されないため、Ａｌ合金表面の酸化皮膜を破壊しきれず接合界面に欠陥が残って強固な接合ができないためである。また、その量が２．５質量％より多い場合、Ａｌの酸化皮膜と同様に接合を阻害するＭｇＯが接合面に生成してしまうため、強固な接合ができないためである。さらに、Ｍｇの量が上記範囲であれば、酸化皮膜の除去効果に加え、接合材に含まれるＺｎとＭｇの拡散が起こり易く、密着性及び接合強度を高まることがわかった。
【００２５】
被接合材は、Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いた、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材である。被接合材に使用するＡｌ合金は、製法や目的とする特性に応じて必要なＡｌ合金を選択すればよい。例えば、鋳物用、展伸用のＡｌ合金が使用でき、なかでもＪＩＳ規格合金のＡＣ３Ａ、ＡＣ８Ａ、５０５２等を用いることが好ましい。接合材の融点よりも高い融点のＡｌ合金であれば、適用できる。
【００２６】
被接合材の強化材のセラミックスとしては、炭化珪素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア等種々のセラミックスを用いることができる。また、強化材のセラミックスの含有量は、３０〜８０体積％のものが好ましい。このような複合材料は、熱伝導性や導電性においても優れ、軽量であり、かつ高剛性な材料として好適である。
【００２７】
次に、本発明のＡｌ合金−セラミックス複合材料用接合材の製造方法について説明する。
【００２８】
本発明は、Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法であって、ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを準備する工程と、前記ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを重ね合わせて圧延接合する工程と、熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法を提供する。
【００２９】
本発明の接合材は、芯を構成する芯材１１と、表層を構成する表層材１２と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層１３とを含む構造を有する。このような構造は、ＡｌまたはＡｌ合金の薄板（以下、便宜的にＡｌ箔と呼ぶ）とＺｎの薄板（以下、Ｚｎ箔と呼ぶ）とをＡｌ箔／Ｚｎ箔／Ａｌ箔の順に重ね合わせて、熱間で圧延することでクラッドし、所望の厚さまで薄板化して得られる。Ａｌ箔及びＺｎ箔は単独であれば圧延性は良好であるが、Ａｌ、Ｚｎを合金化した場合、脆く割れやすくなるため大型の接合材を作製することが難しくなる。そこで、それぞれ圧延で薄板化したＡｌ箔及びＺｎ箔を、所定の組成となるような比率でＡｌ箔／Ｚｎ箔／Ａｌ箔の順に重ね合わせて、冷間ないし熱間で圧延することで、□３００ｍｍを超える大型の接合材を作製する。
【００３０】
Ａｌ箔は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる。接合材の接着強度や耐食性に応じたＡｌ合金が用いられるが、単体で圧延性が良好なＡｌ合金を選べばよい。もちろん、純Ａｌを選択してもよい。例えば、展伸用のＡｌ合金が使用でき、ＪＩＳ規格合金の１０００系〜７０００系等種々の合金を用いることができる。なかでも１０５０、４００４、５０５２等が好適である。
【００３１】
Ｚｎ箔は、Ｚｎを９５質量％以上含むＺｎ合金、より好ましくは純度９９％以上のＺｎを用いることができる。
【００３２】
Ｚｎ箔をＡｌ箔で挟み込むように重ね合わせるのは、融点の低いＺｎがＡｌ箔側に拡散するのを制御して芯材、中間層及び表層材とを形成するためである。これにより、接合時に接合層に生じ易い空隙を解消し、接合強度が著しく低下することを防ぐことができる。逆にＡｌ箔をＺｎ箔で挟んで接合材を作製すると、融点の低いＺｎが部分溶融を起こしＡｌから剥離する。
【００３３】
芯材と表層材間の中間層は、芯材を表層材の間に挟みこみ所望の形状に圧延する過程で熱拡散処理することで形成できる。ここで、Ａｌ箔とＺｎ箔とを重ね合わせて圧延接合する工程と、熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程とは、明確に別個に行われても良いし、同時に行われても良い。例えば、冷間または熱拡散が起こらない温度の熱間で圧延して接合した後に、加熱して熱拡散処理して中間層を形成しても良いし、熱間圧延時の温度や時間によって圧延と同時に熱拡散させて中間層を形成しても良い。ただし、熱間圧延過程で生成する中間層は圧延性の低下を招くので、圧延時の温度や時間を調整し、熱環境を制御することで極力抑制することが好ましい。中間層がない場合、即ち、それぞれＡｌ箔、Ｚｎ箔を挟み込んだだけでＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合しようとすると、融点の低いＺｎが先に溶け出すが、蒸気圧が高いため速やかに揮発してしまうので接合材として機能しない。
【００３４】
また、Ａｌ箔とＺｎ箔との間に、両箔よりも融点の高い成分を挟むことで拡散を遅らせる方法を用いても良い。例えば、Ａｌ箔として低融点のものと高融点のものとを用意し、低融点Ａｌ箔／高融点Ａｌ箔／Ｚｎ箔／高融点Ａｌ箔／低融点Ａｌ箔の順に挟み込み、熱間で圧延してクラッドし、熱拡散処理することで中間層の形成が容易になる。低融点Ａｌ箔と高融点Ａｌ箔の組合せには、例えば、４００４と１０５０、５０５２と１０５０等種々の組合せが適用できる。
【００３５】
接合材全体のＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎの調整は、Ａｌ箔の厚さとＺｎ箔の厚さを変えることで調整できる。したがって、質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３の範囲で変化しても芯材と表層材の組成は、上記のような好ましい範囲に調整することができる。
【００３６】
接合材は、一方の面が□３００ｍｍ以上の面積を有し、５０〜５００μｍの厚さを有する板状であることが望ましい。Ａｌ箔とＺｎ箔とを用い、上述したように中間層の形成を制御することにより、適切な接合材の厚さに調整することができる。このような範囲の厚さであれば、十分な接合強度及び気密性を得ることが可能となる。なお、特許文献３に記載された金属を混合して加熱溶解させる方法では、溶解して得られる金属が脆いため、□３００ｍｍを超えるような大型で、かつ上記のような厚さを有する接合材とすることは困難である。
【００３７】
被接合材は、セラミックスからなる強化材に適宜バインダ等を添加して作製された多孔質セラミックス成形体（プリフォーム）中に、金属を含侵させて得られる。含侵方法としては、圧力によって溶融金属を強制的に含浸させる加圧浸透法や、溶融Ａｌとセラミックス間の濡れ性が良好になるようセラミックスの表面を改質し、毛管現象を利用して非加圧で溶融金属を含浸させる非加圧浸透法等を採用することができる。
【００３８】
接合は、板状の接合材を、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の接合面に挿入し、被接合材の自重により、または重しを載せることにより、１０〜５００ｇ／ｃｍ２程度の荷重がかかるようにする。これを炉内に設置し、０．１〜５０Ｐａの真空中または常圧窒素雰囲気中で加熱する。加熱は、複合材料中のマトリックスＡｌ合金の融点よりも低く、接合材の融点よりも高い温度とし、所定時間保持した後、冷却する。このように、重し、焼成温度および焼成時間を調整すると良い。
【００３９】
本発明の接合材は、接合材によって形成される接合層により外部との通気が遮断された中空部を有する接合体とすることが可能である。軽量化のための内部空間構造はもとより、中空部に熱媒体を流すような接合体を得る場合に好適である。
【００４０】
図２は、本発明の接合材の適用例を示す概略断面図である。被接合材の板材２４と凹部２５ｂを有する凹型材２５が本発明の接合材２０により接合される。
【００４１】
図３は、接合体の概略断面図である。接合体３６は、板材３４と凹型材３５が接合層３０を介して接合されており、接合層により外部との通気が遮断された中空部３７を有している。本発明の接合材を用いて接合すれば、接合層３０に空隙を生じさせることなく接合できるので、気密性の高い接合体を得ることができる。
【００４２】
ここで、「接合層により外部との通気が遮断され」ているか否か、すなわち気密に接合されているか否かは、具体的には、ボンビング法によってＨｅリーク試験を行って判断した。試験の結果、リーク量が１×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃよりも少ないものは、通気が遮断され、十分な気密性があるとした。なお、被接合材である複合材料自体のリーク量が上記数値よりも小さいことは言うまでもない。また、このような気密性の評価は、接合層の耐食性も加味して行った。
【００４３】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００４４】
（作製Ｎｏ.３〜１２）
被接合材のＡｌ合金-セラミックス複合材料は、強化材として市販の炭化珪素粉末を用い、マトリックスとなるアルミニウム合金としてＡＣ３Ａを用いた。市販のセラミックス粉末１００質量部と、バインダとしてＰＶＢ（ポリビニルブチラール）５質量部と、コロイダルシリカ５質量部を添加し、これをプレスして所定の大きさに成形してプリフォームを製造した。
【００４５】
続いて、製造したプリフォームの周囲に厚み１ｍｍの鉄板をプリフォームとの間に１ｍｍの間隔を設けて設置し、これらを７００℃に予熱した。予熱したプリフォームと鉄板を取り出し、これらを予熱処理時と同じ形態となるように、溶湯加圧装置の金型に配置した。
【００４６】
別途、アルミニウム合金を７５０℃で溶融させ、この溶融アルミニウム合金を、プリフォームが配置された金型に投入し、３０ＭＰａの圧力を印加して、溶融アルミニウム合金をプリフォーム内に浸透させた。この浸透処理は１０分間行った。その後、Ａｌ合金-セラミックス複合材料を含む塊状体を金型から取り出した。こうして得られた塊状体から複合材料の周囲に付着している余分なＡｌ合金を研削加工により除去し、プリフォームと同等形状のＡｌ合金-セラミックス複合材料を得た。
【００４７】
このＡｌ合金-セラミックス複合材料から試料を図４に示したような板材として幅５０ｍｍ、奥行１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの板状の被接合材、凹型材として同板材の片面の略中央に幅３０ｍｍ、奥行８０ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部を有する箱型の被接合材を切り出し、接合面の平面度が５μｍ以下となるように＃８００の砥石で研削した。図４に作製した凹型材４５の平面図を示す。片面に凹部４５ｂと接合面４５ａが形成されている。接合面の研削汚れはアセトンで洗浄した。
【００４８】
接合材の材料であるＡｌはＪＩＳ合金１０５０を用い、Ｚｎは純度９９％品を、Ｍｇは純度９９％品を用いた。箔の原材料を黒鉛坩堝中で５００〜７００℃の温度で加熱溶解し、それを金属製の回転２本ロールに流し出す方法によりそれぞれの箔を作製した。ＡｌとＺｎの質量比、及びＭｇの含有量が所定値となるようＡｌ箔、Ｚｎ箔を作製した。
【００４９】
次にＡｌ箔については、苛性ソーダエッチング及び酸洗浄を施し後、水洗、乾燥した。Ｚｎ箔については、サンダー研磨及びアセトン洗浄を施した。しかる後に、両箔をＡｌ箔／Ｚｎ箔／Ａｌ箔の順に重ね合わせて３５０℃での熱間と、室温での冷間圧延とを行って厚さ２５０μｍまで薄板化した後、３５０℃で２４時間加熱し、拡散処理を施して外寸４５０×４５０ｍｍの接合材とした。
【００５０】
得られた接合材を図４に示す接合面に合わせた形状に加工し、表面をアセトンで洗浄した。接合材を図２に示すように、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の各接合面の間に挿入し、接合面に３００ｇ／ｃｍ２の荷重がかかるよう重しを載せて炉内に設置した。これを０．１〜５０Ｐａ程度の真空中５５０℃で加熱し、５５０℃で１時間保持した後に炉内で冷却し、図３のように高さおよそ４０ｍｍ、幅５０ｍｍ、奥行１００ｍｍの中空部を有する接合体を得た。
【００５１】
（作製Ｎｏ．１、２、１３〜２０）
作製Ｎｏ.１では、接合材をクラッドせず、Ｚｎ箔をＡｌ箔の間に挟み込んだだけで使用した以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。作製Ｎｏ．２では、Ａｌ箔をＺｎ箔の間に挟みこんだ以外は、上記作製例と同様の手順で接合材を作製した。作製Ｎｏ．１３〜１８では、被接合材のＡｌ合金-セラミックス複合材料の強化材に、それぞれ市販のアルミナ、ジルコニア、窒化アルミ、窒化ホウ素、窒化珪素、炭化ホウ素粉末を用いたこと以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。作製Ｎｏ.１９、２０では、接合材にそれぞれ、ホウ酸鉛ガラス（LS3051 日本電気硝子社製）、無鉛ガラス（BNL115BB 旭硝子社製）を用いた。ガラス粉末にアクリル樹脂バインダを添加して厚さ２５０μｍのグリーンシートにしたものを接合材として使用し、熱処理条件を大気中５００℃、５分保持、接合面の荷重３０ｇ／ｃｍ２とした以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。
【００５２】
（接合材成分分布の測定）
ＥＰＭＡ（JXA-8500F日本電子社製）を用いて図１に示したような接合材断面の成分分布を測定した。
【００５３】
（接合強度測定）
各作製Ｎｏ.と同条件、同形状の接合体を作製し、接合強度試験用の試験片（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を切り出して、下部スパン３０ｍｍ、上部スパン１０ｍｍの４点曲げ試験（ＪＩＳＲ１６２４準拠）を行い、接合強度を求めた。
【００５４】
（Ｈｅリーク試験）
中空部を有する接合体でＨｅリーク試験を行った。Ｈｅリークは、予めボンビング装置にてＨｅを０．７ＭＰａで３０分加圧した試料を、チャンバー内に入れて真空差圧にて流出したＨｅを検出するボンビング法にて測定した。
【００５５】
次に接合部の耐食性を確認するため、Ｈｅリーク試験を終えた接合体を高温度高湿度（８５℃-８５％ＲＨ）環境下に４８０時間静置し、加速試験を実施した。加速試験実施後の接合体についても同様にＨｅリーク試験を行い、加速試験前後でのＨｅリーク量を比較することで耐食性を確認した。
【００５６】
試験結果を表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
作製Ｎｏ．４〜６、８、１０、１１、１３〜１８では、いずれも接合強度は１００ＭＰａを超えており、接合材にガラス粉末を使用したＮｏ.１９、２０の場合に比べて強度が高かった。また、Ｈｅリークに関しても、いずれも気体のリークを防止できる目安である１×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃよりリークが少なく、かつ耐食試験後にも良好な気密性を維持したままであった。
【００５９】
一方、Ｚｎ箔とＡｌ箔とをクラッドせず、挟みこんだだけの作製Ｎｏ．１では、Ｚｎ箔とＡｌ箔との間に中間層がなかったため、接合時の熱処理によりＺｎが揮発し接合できなかった。Ａｌ箔をＺｎ箔の間に挟みこんだ作製Ｎｏ．２では、Ｚｎ箔とＡｌ箔とをクラッドする際に表層に配したＺｎが部分溶融を起こして剥離し、目的の構造を有する接合材を得ることができなかった。接合材のＡｌ／Ｚｎ質量比が小さい作製Ｎｏ.３では、耐食試験の際に接合層が腐食し、耐食試験後は気密がとれなかった。接合材のＡｌ／Ｚｎ質量比が大きい作製Ｎｏ．７では、接合温度５５０℃で生成する液相の量が少ないため接合できなかった。接合材の表層材中のＭｇ含有量が少ない作製Ｎｏ．９、及びＭｇ含有量が多い作製Ｎｏ．１２では、接合はできたものの強度は低く、気密もとれなかった。接合材にホウ酸鉛ガラス粉末を用いた作製Ｎｏ.１９では、気密はとれたものの接合強度が４５ＭＰａと低かった。接合材に無鉛ガラスを用いた作製Ｎｏ．２０では、接合強度が３０ＭＰａと低く、気密もとれなかった。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 接合材
１１ 芯材
１２ 表層材
１３ 中間層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ合金をマトリックスとするＡｌ合金-セラミックス複合材料を接合するための接合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ合金は軽量かつ耐食性に優れる材料であり、熱伝導性や導電性においても優れているため、これまでに様々な分野で利用が進んでいる。セラミックスの分野においてもマトリックスにＡｌ合金を用い、強化材にセラミックスを用いて両者を複合化したＡｌ合金−セラミックス複合材料が、Ａｌ合金の上記特徴を活かしつつ軽量であり、かつ高剛性な材料として利用されるようになってきた。
【０００３】
さらにＡｌ合金−セラミックス複合材料を各種の用途に適用・拡大させるためには、大型化や複雑形状化、さらには中空構造化に対応可能な接合技術が必須である。即ち、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士が実用に耐え得るほど強固に接合され、かつ、その接合部が気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有するＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体を作製可能な接合技術が必要であるが、このような報告例はほとんどない。
【０００４】
これまでに接合技術として、例えば、Ｃｕなどのインサート材をＡｌ合金-セラミックス複合材料間に充填し、それを所定の温度と圧力で熱処理することにより、マトリックス合金の融点より低い温度でも接合できる拡散接合方法（特許文献１参照）が提案されているが、拡散接合法では強固な接合ができるものの、かなりの高圧、例えば１ＭＰａ程度の圧力下で熱処理しなければならず、加圧するための大型の装置、例えばプレス機などの装置が必要となりコスト高になるという問題があった。加えて、形状が複雑になると、圧力をかけること自体が難しく、接合が困難になるという問題もあった。そこで、大型の加圧装置がなくても気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有するＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体の作製方法として、本出願人はホウ酸鉛を主成分とするガラスを接合材に使用する接合方法（特許文献２参照）を提案した。
【０００５】
また、本出願人は、簡単に強固に接合できる金属―セラミックス複合材料の接合方法として、Ａｌ合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料と、それと同種または異種の材料との間にＡｌを４０質量％以上含み、かつ５００℃以下の液相生成温度を有するロウ材を装填し、それを非酸化雰囲気中５００℃以上でかつ複合材料中の金属が融ける融点以下の温度で熱処理して接合することとした金属−セラミックス複合材料の接合方法を提案した（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１５５０４４号公報
【特許文献２】特開２００２−２６３８５１号公報
【特許文献３】特開２０００−２７１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２の接合方法であれば大型の加圧装置がなくても気体のリークを防止できるほど良好な気密性を有したＡｌ合金-セラミックス複合材料接合体が得られるものの、接合材にホウ酸鉛ガラスを使用しているため接合部の強度が低く、被接合材の大きさや用途が制限されるという問題があった。加えて近年では、鉛の毒性が問題視されるようになっており、多くの業界で鉛の使用規制が発令されているため、今後ホウ酸鉛ガラスを使用できなくなる可能性が高いことも問題であった。一方、鉛フリーガラスであれば毒性に関する問題は解決できるが、鉛入りのガラスに比べて濡れ性が悪いため接合部に欠陥が生じやすく、接合部の気密がとれないという問題があった。
【０００８】
また、特許文献３の方法では、接合材として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系等が挙げられているが、このような接合材を用いてＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体を作製すると、被接合材のＡｌ合金―セラミックス複合材料の強度よりも接合強度が著しく小さくなることがあるため問題となっていた。
【０００９】
本発明は、このようなＡｌ合金−セラミックス複合材料の接合における課題に鑑みてなされたものであり、大型の加圧装置を用いることなく容易に接合でき、実用に耐える接合強度が得られるＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材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】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、接合材を層構造とすることで強固に接合できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
即ち、本発明者は、上記課題を解決するための手段として以下の（１）〜（６）の接合材を提供する。
（１）Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いた、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材であって、芯を構成する芯材と、表層を構成する表層材と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（２）前記芯材の主成分がＺｎであり、前記表層材の主成分がＡｌである（１）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（３）前記中間層は、Ａｌ及びＺｎを含む合金からなる（２）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（４）前記接合材に含まれるＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３である（２）または（３）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（５）前記表層材は、Ｍｇを０．５〜２．５質量％含有する（１）〜（４）記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
（６）Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いた、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法であって、ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを準備する工程と、前記ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを重ね合わせて圧延接合する工程と、熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、大型の加圧装置を用いることなく容易に接合でき、実用に耐える接合強度が得られるＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接合材を示す概略断面図
【図２】本発明の接合材の適用例を示す概略断面図
【図３】接合体の概略断面図
【図４】凹型材の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の接合材を示す概略断面図である。
【００１５】
本発明の接合材は、芯を構成する芯材１１と、表層を構成する表層材１２と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層１３とを含む構造を有する。
【００１６】
芯材１１は、Ｚｎを主成分とする。これは、Ｚｎを接合材の中心部に配置することで、接合強度の低下を防止できるためである。
【００１７】
特許文献３には、Ａｌ−Ｚｎ系の接合材として、金属を混合した後、黒鉛坩堝中で６５０℃の温度で加熱溶解し、それを金属製の回転２本ロールに流し出す方法で得られるものが記載されている。このような方法によれば、接合材の組成が均一化されて好ましいように思われる。しかしながら、このような接合材を用いると接合強度が著しく低下する場合があった。これは、被接合材へのＺｎの拡散が進むと接合層に空隙が生じるために接合強度が著しく低下したものと考えられた。この問題を解決するために、本発明ではＺｎを接合材の中心部に配置した。このような構成にすることで、接合層の空隙を解消することができる。
【００１８】
また、特許文献３に記載されたような金属を混合して加熱溶解させる方法では、３００×３００ｍｍ（以下、□３００ｍｍ）を超えるような大面積の接合材を一体で作製するのは困難であった。一体でない接合材を使用した場合、接合層に継ぎ目ができることは不可避である。そのため継ぎ目部分に欠陥が発生しやすく□３００ｍｍを超えるような大型で、かつ良好な気密性を有するＡｌ合金−セラミックス複合材料接合体を作製できない問題があった。本発明では、芯材と表層材と中間層とを含む接合材としたため、□３００ｍｍを超えるような大型の接合材が作製できる。
【００１９】
表層材１２の主成分はＡｌである。表層材の主成分をＡｌとし、Ｚｎを主成分とする芯材を接合材の中心部に配置することで接合層の空隙を解消できる。
【００２０】
芯材１１と表層材１２の間には中間層１３が形成される。そして中間層はＡｌ及びＺｎを含む合金からなる。中間層１３は、主として、融点が低く拡散し易い芯材側のＺｎが表層材側のＡｌに拡散して形成される。このときＺｎの拡散よりは少ないが表層材側のＡｌも芯材側のＺｎに拡散する。
【００２１】
表層材側へのＺｎの拡散は過剰にならないように調整する必要がある。過剰に拡散が進むと接合材が脆くなり、□３００ｍｍを超えるような大面積の接合材とすることができなくなる。したがって、芯材と中間層と表層材との区別がなくなるほど拡散させることは好ましくない。また、拡散が少なすぎると、接合時に融点の低いＺｎが先に溶け出し、蒸気圧が高いため速やかに揮発するので接合材として機能しなくなってしまう。このような観点から、芯材にはＺｎが７０質量％以上含まれることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましい。表層材のＡｌは、５０質量％以上含まれることが好ましく、７０質量％以上含まれることがより好ましい。中間層は、芯材及び表層材の中間の組成を有する。
【００２２】
接合材に含まれるＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３とすることが好ましい。これはＡｌの含有量が少ない場合、即ち質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５よりも小さい場合は、腐食しやすい環境下では接合部の陽極腐食が起こりやすいこと、熱がかかる環境下では温度上昇時に生じる接合部での不均一な拡散による欠陥が生じやすいこと等の問題により接合部の信頼性が劣るためである。一方、質量比Ａｌ／Ｚｎが２．３３よりも大きい場合は、接合材の融点が６００℃よりも高くなってしまうため、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の接合には使用が困難であるためである。なお、質量比Ａｌ／Ｚｎは０．８５〜２．３３とすることがより望ましい。
【００２３】
また、本発明では表層材を構成する成分に、Ｍｇが０．５〜２．５質量％含有することを特徴としている。ここで、表層材にＭｇを添加する理由は、Ｍｇが、接合を阻害するＡｌ合金表面の酸化皮膜を破壊する役割を果たすからである。一般的にＡｌ合金のろう付けにおいては、Ａｌ合金の表面に存在する酸化皮膜がろう付けを阻害することが知られており、フラックス等により酸化皮膜を破壊しなければ強固なろう付けはできない。Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士の接合においても同様に、接合時の熱処理によって接合材が完全に溶ける前に、接合面に露出したマトリックスのＡｌ合金表面の酸化皮膜を破壊する必要があり、接合材にＭｇが含まれていれば、その役割を果たすことができる。即ち、Ｍｇが接合時の熱処理により接合材から蒸発する際に、Ａｌ合金の表面酸化膜を破壊して溶融Ａｌ合金相を接合面に露出させる。また、蒸発したＭｇが炉内の残留酸素や水分を除去するゲッターとしての役割も果たすため、新たなＡｌ酸化皮膜の生成を抑制するので強固な接合が可能となる。
【００２４】
接合材中に含まれるＭｇの量としては０．５〜２．５質量％としているが、その理由はＭｇを０．５質量％より少なくすると十分な量のＭｇが供給されないため、Ａｌ合金表面の酸化皮膜を破壊しきれず接合界面に欠陥が残って強固な接合ができないためである。また、その量が２．５質量％より多い場合、Ａｌの酸化皮膜と同様に接合を阻害するＭｇＯが接合面に生成してしまうため、強固な接合ができないためである。さらに、Ｍｇの量が上記範囲であれば、酸化皮膜の除去効果に加え、接合材に含まれるＺｎとＭｇの拡散が起こり易く、密着性及び接合強度を高まることがわかった。
【００２５】
被接合材は、Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いた、Ａｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材である。被接合材に使用するＡｌ合金は、製法や目的とする特性に応じて必要なＡｌ合金を選択すればよい。例えば、鋳物用、展伸用のＡｌ合金が使用でき、なかでもＪＩＳ規格合金のＡＣ３Ａ、ＡＣ８Ａ、５０５２等を用いることが好ましい。接合材の融点よりも高い融点のＡｌ合金であれば、適用できる。
【００２６】
被接合材の強化材のセラミックスとしては、炭化珪素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア等種々のセラミックスを用いることができる。また、強化材のセラミックスの含有量は、３０〜８０体積％のものが好ましい。このような複合材料は、熱伝導性や導電性においても優れ、軽量であり、かつ高剛性な材料として好適である。
【００２７】
次に、本発明のＡｌ合金−セラミックス複合材料用接合材の製造方法について説明する。
【００２８】
本発明は、Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法であって、ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを準備する工程と、前記ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを重ね合わせて圧延接合する工程と、熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程と、を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法を提供する。
【００２９】
本発明の接合材は、芯を構成する芯材１１と、表層を構成する表層材１２と、前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層１３とを含む構造を有する。このような構造は、ＡｌまたはＡｌ合金の薄板（以下、便宜的にＡｌ箔と呼ぶ）とＺｎの薄板（以下、Ｚｎ箔と呼ぶ）とをＡｌ箔／Ｚｎ箔／Ａｌ箔の順に重ね合わせて、熱間で圧延することでクラッドし、所望の厚さまで薄板化して得られる。Ａｌ箔及びＺｎ箔は単独であれば圧延性は良好であるが、Ａｌ、Ｚｎを合金化した場合、脆く割れやすくなるため大型の接合材を作製することが難しくなる。そこで、それぞれ圧延で薄板化したＡｌ箔及びＺｎ箔を、所定の組成となるような比率でＡｌ箔／Ｚｎ箔／Ａｌ箔の順に重ね合わせて、冷間ないし熱間で圧延することで、□３００ｍｍを超える大型の接合材を作製する。
【００３０】
Ａｌ箔は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる。接合材の接着強度や耐食性に応じたＡｌ合金が用いられるが、単体で圧延性が良好なＡｌ合金を選べばよい。もちろん、純Ａｌを選択してもよい。例えば、展伸用のＡｌ合金が使用でき、ＪＩＳ規格合金の１０００系〜７０００系等種々の合金を用いることができる。なかでも１０５０、４００４、５０５２等が好適である。
【００３１】
Ｚｎ箔は、Ｚｎを９５質量％以上含むＺｎ合金、より好ましくは純度９９％以上のＺｎを用いることができる。
【００３２】
Ｚｎ箔をＡｌ箔で挟み込むように重ね合わせるのは、融点の低いＺｎがＡｌ箔側に拡散するのを制御して芯材、中間層及び表層材とを形成するためである。これにより、接合時に接合層に生じ易い空隙を解消し、接合強度が著しく低下することを防ぐことができる。逆にＡｌ箔をＺｎ箔で挟んで接合材を作製すると、融点の低いＺｎが部分溶融を起こしＡｌから剥離する。
【００３３】
芯材と表層材間の中間層は、芯材を表層材の間に挟みこみ所望の形状に圧延する過程で熱拡散処理することで形成できる。ここで、Ａｌ箔とＺｎ箔とを重ね合わせて圧延接合する工程と、熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程とは、明確に別個に行われても良いし、同時に行われても良い。例えば、冷間または熱拡散が起こらない温度の熱間で圧延して接合した後に、加熱して熱拡散処理して中間層を形成しても良いし、熱間圧延時の温度や時間によって圧延と同時に熱拡散させて中間層を形成しても良い。ただし、熱間圧延過程で生成する中間層は圧延性の低下を招くので、圧延時の温度や時間を調整し、熱環境を制御することで極力抑制することが好ましい。中間層がない場合、即ち、それぞれＡｌ箔、Ｚｎ箔を挟み込んだだけでＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合しようとすると、融点の低いＺｎが先に溶け出すが、蒸気圧が高いため速やかに揮発してしまうので接合材として機能しない。
【００３４】
また、Ａｌ箔とＺｎ箔との間に、両箔よりも融点の高い成分を挟むことで拡散を遅らせる方法を用いても良い。例えば、Ａｌ箔として低融点のものと高融点のものとを用意し、低融点Ａｌ箔／高融点Ａｌ箔／Ｚｎ箔／高融点Ａｌ箔／低融点Ａｌ箔の順に挟み込み、熱間で圧延してクラッドし、熱拡散処理することで中間層の形成が容易になる。低融点Ａｌ箔と高融点Ａｌ箔の組合せには、例えば、４００４と１０５０、５０５２と１０５０等種々の組合せが適用できる。
【００３５】
接合材全体のＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎの調整は、Ａｌ箔の厚さとＺｎ箔の厚さを変えることで調整できる。したがって、質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３の範囲で変化しても芯材と表層材の組成は、上記のような好ましい範囲に調整することができる。
【００３６】
接合材は、一方の面が□３００ｍｍ以上の面積を有し、５０〜５００μｍの厚さを有する板状であることが望ましい。Ａｌ箔とＺｎ箔とを用い、上述したように中間層の形成を制御することにより、適切な接合材の厚さに調整することができる。このような範囲の厚さであれば、十分な接合強度及び気密性を得ることが可能となる。なお、特許文献３に記載された金属を混合して加熱溶解させる方法では、溶解して得られる金属が脆いため、□３００ｍｍを超えるような大型で、かつ上記のような厚さを有する接合材とすることは困難である。
【００３７】
被接合材は、セラミックスからなる強化材に適宜バインダ等を添加して作製された多孔質セラミックス成形体（プリフォーム）中に、金属を含侵させて得られる。含侵方法としては、圧力によって溶融金属を強制的に含浸させる加圧浸透法や、溶融Ａｌとセラミックス間の濡れ性が良好になるようセラミックスの表面を改質し、毛管現象を利用して非加圧で溶融金属を含浸させる非加圧浸透法等を採用することができる。
【００３８】
接合は、板状の接合材を、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の接合面に挿入し、被接合材の自重により、または重しを載せることにより、１０〜５００ｇ／ｃｍ２程度の荷重がかかるようにする。これを炉内に設置し、０．１〜５０Ｐａの真空中または常圧窒素雰囲気中で加熱する。加熱は、複合材料中のマトリックスＡｌ合金の融点よりも低く、接合材の融点よりも高い温度とし、所定時間保持した後、冷却する。このように、重し、焼成温度および焼成時間を調整すると良い。
【００３９】
本発明の接合材は、接合材によって形成される接合層により外部との通気が遮断された中空部を有する接合体とすることが可能である。軽量化のための内部空間構造はもとより、中空部に熱媒体を流すような接合体を得る場合に好適である。
【００４０】
図２は、本発明の接合材の適用例を示す概略断面図である。被接合材の板材２４と凹部２５ｂを有する凹型材２５が本発明の接合材２０により接合される。
【００４１】
図３は、接合体の概略断面図である。接合体３６は、板材３４と凹型材３５が接合層３０を介して接合されており、接合層により外部との通気が遮断された中空部３７を有している。本発明の接合材を用いて接合すれば、接合層３０に空隙を生じさせることなく接合できるので、気密性の高い接合体を得ることができる。
【００４２】
ここで、「接合層により外部との通気が遮断され」ているか否か、すなわち気密に接合されているか否かは、具体的には、ボンビング法によってＨｅリーク試験を行って判断した。試験の結果、リーク量が１×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃよりも少ないものは、通気が遮断され、十分な気密性があるとした。なお、被接合材である複合材料自体のリーク量が上記数値よりも小さいことは言うまでもない。また、このような気密性の評価は、接合層の耐食性も加味して行った。
【００４３】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００４４】
（作製Ｎｏ.３〜１２）
被接合材のＡｌ合金-セラミックス複合材料は、強化材として市販の炭化珪素粉末を用い、マトリックスとなるアルミニウム合金としてＡＣ３Ａを用いた。市販のセラミックス粉末１００質量部と、バインダとしてＰＶＢ（ポリビニルブチラール）５質量部と、コロイダルシリカ５質量部を添加し、これをプレスして所定の大きさに成形してプリフォームを製造した。
【００４５】
続いて、製造したプリフォームの周囲に厚み１ｍｍの鉄板をプリフォームとの間に１ｍｍの間隔を設けて設置し、これらを７００℃に予熱した。予熱したプリフォームと鉄板を取り出し、これらを予熱処理時と同じ形態となるように、溶湯加圧装置の金型に配置した。
【００４６】
別途、アルミニウム合金を７５０℃で溶融させ、この溶融アルミニウム合金を、プリフォームが配置された金型に投入し、３０ＭＰａの圧力を印加して、溶融アルミニウム合金をプリフォーム内に浸透させた。この浸透処理は１０分間行った。その後、Ａｌ合金-セラミックス複合材料を含む塊状体を金型から取り出した。こうして得られた塊状体から複合材料の周囲に付着している余分なＡｌ合金を研削加工により除去し、プリフォームと同等形状のＡｌ合金-セラミックス複合材料を得た。
【００４７】
このＡｌ合金-セラミックス複合材料から試料を図４に示したような板材として幅５０ｍｍ、奥行１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの板状の被接合材、凹型材として同板材の片面の略中央に幅３０ｍｍ、奥行８０ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部を有する箱型の被接合材を切り出し、接合面の平面度が５μｍ以下となるように＃８００の砥石で研削した。図４に作製した凹型材４５の平面図を示す。片面に凹部４５ｂと接合面４５ａが形成されている。接合面の研削汚れはアセトンで洗浄した。
【００４８】
接合材の材料であるＡｌはＪＩＳ合金１０５０を用い、Ｚｎは純度９９％品を、Ｍｇは純度９９％品を用いた。箔の原材料を黒鉛坩堝中で５００〜７００℃の温度で加熱溶解し、それを金属製の回転２本ロールに流し出す方法によりそれぞれの箔を作製した。ＡｌとＺｎの質量比、及びＭｇの含有量が所定値となるようＡｌ箔、Ｚｎ箔を作製した。
【００４９】
次にＡｌ箔については、苛性ソーダエッチング及び酸洗浄を施し後、水洗、乾燥した。Ｚｎ箔については、サンダー研磨及びアセトン洗浄を施した。しかる後に、両箔をＡｌ箔／Ｚｎ箔／Ａｌ箔の順に重ね合わせて３５０℃での熱間と、室温での冷間圧延とを行って厚さ２５０μｍまで薄板化した後、３５０℃で２４時間加熱し、拡散処理を施して外寸４５０×４５０ｍｍの接合材とした。
【００５０】
得られた接合材を図４に示す接合面に合わせた形状に加工し、表面をアセトンで洗浄した。接合材を図２に示すように、Ａｌ合金-セラミックス複合材料の各接合面の間に挿入し、接合面に３００ｇ／ｃｍ２の荷重がかかるよう重しを載せて炉内に設置した。これを０．１〜５０Ｐａ程度の真空中５５０℃で加熱し、５５０℃で１時間保持した後に炉内で冷却し、図３のように高さおよそ４０ｍｍ、幅５０ｍｍ、奥行１００ｍｍの中空部を有する接合体を得た。
【００５１】
（作製Ｎｏ．１、２、１３〜２０）
作製Ｎｏ.１では、接合材をクラッドせず、Ｚｎ箔をＡｌ箔の間に挟み込んだだけで使用した以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。作製Ｎｏ．２では、Ａｌ箔をＺｎ箔の間に挟みこんだ以外は、上記作製例と同様の手順で接合材を作製した。作製Ｎｏ．１３〜１８では、被接合材のＡｌ合金-セラミックス複合材料の強化材に、それぞれ市販のアルミナ、ジルコニア、窒化アルミ、窒化ホウ素、窒化珪素、炭化ホウ素粉末を用いたこと以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。作製Ｎｏ.１９、２０では、接合材にそれぞれ、ホウ酸鉛ガラス（LS3051 日本電気硝子社製）、無鉛ガラス（BNL115BB 旭硝子社製）を用いた。ガラス粉末にアクリル樹脂バインダを添加して厚さ２５０μｍのグリーンシートにしたものを接合材として使用し、熱処理条件を大気中５００℃、５分保持、接合面の荷重３０ｇ／ｃｍ２とした以外は、上記作製例と同様の手順で中空部を有する接合体を得た。
【００５２】
（接合材成分分布の測定）
ＥＰＭＡ（JXA-8500F日本電子社製）を用いて図１に示したような接合材断面の成分分布を測定した。
【００５３】
（接合強度測定）
各作製Ｎｏ.と同条件、同形状の接合体を作製し、接合強度試験用の試験片（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を切り出して、下部スパン３０ｍｍ、上部スパン１０ｍｍの４点曲げ試験（ＪＩＳＲ１６２４準拠）を行い、接合強度を求めた。
【００５４】
（Ｈｅリーク試験）
中空部を有する接合体でＨｅリーク試験を行った。Ｈｅリークは、予めボンビング装置にてＨｅを０．７ＭＰａで３０分加圧した試料を、チャンバー内に入れて真空差圧にて流出したＨｅを検出するボンビング法にて測定した。
【００５５】
次に接合部の耐食性を確認するため、Ｈｅリーク試験を終えた接合体を高温度高湿度（８５℃-８５％ＲＨ）環境下に４８０時間静置し、加速試験を実施した。加速試験実施後の接合体についても同様にＨｅリーク試験を行い、加速試験前後でのＨｅリーク量を比較することで耐食性を確認した。
【００５６】
試験結果を表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
作製Ｎｏ．４〜６、８、１０、１１、１３〜１８では、いずれも接合強度は１００ＭＰａを超えており、接合材にガラス粉末を使用したＮｏ.１９、２０の場合に比べて強度が高かった。また、Ｈｅリークに関しても、いずれも気体のリークを防止できる目安である１×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃよりリークが少なく、かつ耐食試験後にも良好な気密性を維持したままであった。
【００５９】
一方、Ｚｎ箔とＡｌ箔とをクラッドせず、挟みこんだだけの作製Ｎｏ．１では、Ｚｎ箔とＡｌ箔との間に中間層がなかったため、接合時の熱処理によりＺｎが揮発し接合できなかった。Ａｌ箔をＺｎ箔の間に挟みこんだ作製Ｎｏ．２では、Ｚｎ箔とＡｌ箔とをクラッドする際に表層に配したＺｎが部分溶融を起こして剥離し、目的の構造を有する接合材を得ることができなかった。接合材のＡｌ／Ｚｎ質量比が小さい作製Ｎｏ.３では、耐食試験の際に接合層が腐食し、耐食試験後は気密がとれなかった。接合材のＡｌ／Ｚｎ質量比が大きい作製Ｎｏ．７では、接合温度５５０℃で生成する液相の量が少ないため接合できなかった。接合材の表層材中のＭｇ含有量が少ない作製Ｎｏ．９、及びＭｇ含有量が多い作製Ｎｏ．１２では、接合はできたものの強度は低く、気密もとれなかった。接合材にホウ酸鉛ガラス粉末を用いた作製Ｎｏ.１９では、気密はとれたものの接合強度が４５ＭＰａと低かった。接合材に無鉛ガラスを用いた作製Ｎｏ．２０では、接合強度が３０ＭＰａと低く、気密もとれなかった。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 接合材
１１ 芯材
１２ 表層材
１３ 中間層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材であって、
芯を構成する芯材と、
表層を構成する表層材と、
前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層と、
を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項２】
前記芯材の主成分がＺｎであり、前記表層材の主成分がＡｌである請求項１記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項３】
前記中間層は、Ａｌ及びＺｎを含む合金からなる請求項２記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材
【請求項４】
前記接合材に含まれるＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３である請求項２または３記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項５】
前記表層材は、Ｍｇを０．５〜２．５質量％含有する請求項１〜４記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項６】
Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法であって、
ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを準備する工程と、
前記ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを重ね合わせて圧延接合する工程と、
熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法。
【請求項１】
Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材であって、
芯を構成する芯材と、
表層を構成する表層材と、
前記芯材と前記表層材との間に形成された中間層と、
を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項２】
前記芯材の主成分がＺｎであり、前記表層材の主成分がＡｌである請求項１記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項３】
前記中間層は、Ａｌ及びＺｎを含む合金からなる請求項２記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材
【請求項４】
前記接合材に含まれるＡｌとＺｎの質量比Ａｌ／Ｚｎが０．２５〜２．３３である請求項２または３記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項５】
前記表層材は、Ｍｇを０．５〜２．５質量％含有する請求項１〜４記載のＡｌ合金-セラミックス複合材料用の接合材。
【請求項６】
Ａｌ合金をマトリックスとし、強化材にセラミックスを用いたＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法であって、
ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを準備する工程と、
前記ＡｌまたはＡｌ合金の薄板と、Ｚｎの薄板とを重ね合わせて圧延接合する工程と、
熱処理によりＡｌまたはＡｌ合金とＺｎとが相互に拡散した中間層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするＡｌ合金-セラミックス複合材料同士を接合するための接合材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２０７８３１（Ｐ２０１０−２０７８３１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４０８６（Ｐ２００９−５４０８６）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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