专利名称：陶瓷接合体的制造方法
技术领域：
本发明涉及将两个以上的陶瓷接合而成的陶瓷接合体的制造方法。
背景技术：
将由陶瓷形成的被接合材料彼此接合的方法已经提出了多种。例如，已经提出了下述方法使用氧化铝陶瓷作为陶瓷，在该氧化铝陶瓷间夹持金属铝等低熔点金属，加热到该金属的熔点以上，将氧化铝陶瓷彼此钎焊(参照专利文献I和2)。另外，也提出了使氧化铝粉末介于氧化铝陶瓷彼此之间、通过热压进行物理压接的方法(参照专利文献3和4以及非专利文献I和2)。还提出了替代氧化铝或者在氧化铝的基础上夹入其它金属氧化物粉末的方法(参照专利文献5和6)。进而，还提出了不使用上述各种结合材料、而是通过组合氧化铝陶瓷并在真空状态下进行加热而使之一体化的方法(参照专利文献7)。
现有技术文献
专利文献
专利文献IUS5451279 A
专利文献2:日本特开平6-270336号公报
专利文献3US2007/0166570 A I
专利文献4:日本特开2010-18448号公报
专利文献5:日本特开2003-335583号公报
专利文献6:日本特开2006-36552号公报
专利文献7:日本特开2007-119262号公报
非专利文献
非专利文献 I Phys. Stat. Sol. (a) 175，549(1999)
非专利文献 2 J. Mater. Res.，15，1724 (2000)
发明内容
发明所要解决的课题但是，进行低熔点金属的钎焊时，有所得到的接合体的耐热性和耐化学反应性变差的倾向。在以热压为首的物理压接方法中，需要特殊的大型制造装置，在经济上不利。因此，本发明的课题在于提供能够消除上述现有技术所具有的各种缺点的陶瓷接合体的制造方法。用于解决课题的手段本发明提供陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，在由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的陶瓷形成的被接合材料之间配置由含有该化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料，并且在该被接合材料与该接合材料之间配置由该金属元素单质或半金属元素单质形成的层，形成层叠结构体；在对该层叠结构体施加负荷的状态下，在该非金属元素的气氛下或含有该非金属元素的化合物的气氛下进行烧成，使该层叠结构体成为接合体；在与烧成时施加的负荷相同或比该负荷低的负荷下对所述接合体进行热处理。另外，本发明提供了陶瓷接合体的制造方法，其特征在于，在由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的陶瓷形成的被接合材料之间配置由含有该化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料，并且在该被接合材料与该接合材料之间配置含有该金属元素单质或该半金属元素单质与该非金属元素单质的层，形成层叠结构体；在对所述层叠结构体施加负荷的状态下进行烧成，使该层叠结构体成为接合体；在与烧成时施加的负荷相同或比该负荷低的负荷下对所述接合体进行热处理。发明效果根据本发明的制造方法，能够不使用热压炉等大型炉，根据目标接合体的组成，使用设定为氮气氛或大气等氧化气氛的通用烧成炉，能容易地得到具有高耐热性及耐化学反应性的陶瓷接合体。
图I (a)、(b)及(C)为表示实施例I制造的氧化铝陶瓷接合体的制造工序的概略图。图2为表示实施例I中的烧成温度程序的图。
具体实施例方式以下基于其优选的实施方式对本发明进行说明。作为本发明的制造方法中所使用的被接合材料的陶瓷由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物形成。作为金属元素，只要能够形成陶瓷，就没有特别的限制，例如可以使用Al、Ti、Zr、Cr、Ta及Nb等。这些金属元素可以使用一种或者两种以上组合使用。作为半金属元素，只要能够形成陶瓷，就没有特别的限制，例如可以使用Si及B等。另一方面，作为与这些金属元素或半金属元素形成化合物的非金属元素，例如可列举出C、N及O等。作为这些金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的具体例子，可以列举出氧化铝(氧化铝)、二氧化钛(氧化钛)、氧化锆(氧化锆)、氧化铬、氧化钽、氧化铌、二氧化硅(氧化硅)、氧化硼等氧化物；氮化钛、氮化锆、氮化硼、氮化硅等氮化物；碳化钛、碳化锆、碳化铬、碳化钽、碳化铌、碳化硅、碳化硼等碳化物等。以上各化合物根据其种类，具有不同的结晶系(例如氧化铝或二氧化钛等)，在本发明中，所有的结晶系均能使用。例如氧化铝有α氧化铝、β氧化铝、Y氧化铝等,均能使用。另外，在由上述各化合物形成的陶瓷中，以提高其稳定性为目的，也可以含有其它化合物。例如，在使用氮化硅陶瓷作为陶瓷时，也可以添加氧化铝或三氧化二钇作为助剂。上述各化合物的陶瓷根据目标陶瓷接合体的用途，可采用各种形状。例如，可采用长方体或立方体等六面体、具有平滑的截面的圆柱或管等形状。特别是应当接合的两个陶瓷优选具有互相进行面接触的部位。通过具有该部位，能够充分提高接合部位的陶瓷接合体的强度。作为被接合材料的两个陶瓷只要主要材料是相同的化合物，可以是相同的组成，或者也可以是不同的组成。实施本发明的方法时，将作为被接合材料的两个陶瓷以它们的接合面彼此对置的方式进行配置。另外，在两个陶瓷之间配置由片状成形体形成的接合材料(以下也称作“片状接合材料”)，所述片状成形体含有构成该陶瓷的化合物的微粒。进而在各被接合材料与接合材料之间分别配置由构成陶瓷的化合物中的金属元素单质或非金属元素单质形成的层(以下也将这些层总称作“金属层”)。金属层的配置方式有以下(I) (3)三种。( I)预先在各被接合材料的接合面粘着金属层的方式。(2)预先在片状接合材料的各面形成金属层的方式。(3)预先在被接合材料与片状接合材料之间配置与被接合材料及片状接合材料不同地作为独立部件的由金属元素单质或非金属元素单质形成的箔、或以金属元素单质或非金属元素单质的粉末为原料的片(以下也将这些总称作“金属箔”)。在本发明中，可以根据被接合材料的形状或接合面的宽度及形状等，适当采用上述(I) (3)中的一种或两种以上的组合。选择(I)及(2)的方式时，金属层例如可以通过金属元素单质或非金属元素单质的蒸镀或溅射等各种真空薄膜形成手段、或金属箔的粘贴等，粘着于被接合材料的接合面、或片状接合材料的表面。金属层是为了提高被接合材料与接合材料的接合性而使用的层，通过后述的烧成变化成构成陶瓷的化合物。从该观点考虑，在上述(I) (3)的任一种的情况下，金属层的厚度优选为I 500 μ m,特别优选为2 100 μ m。片状接合材料只要以构成被接合材料的化合物为主要材料，可以为与作为被接合材料的陶瓷相同的组成，或者不同的组成。另外，片状接合体形成为具有长度及宽度并且与长度及宽度相比厚度较小的二维状形状，其外形(轮廓)没有特别的限制。重要的是，片状接合体的整体具有均匀的厚度，覆盖被接合材料的接合面。构成片状接合材料的化合物的微粒从在低温下的易烧结性和烧结时的尺寸收缩量这一点考虑，优选其粒径为O. 05 10 μ m,特别优选为O. I 5 μ m。该粒径例如利用JISR1629中所示的激光衍射/散射方式的粒度分布测定方法来测定。如上所述，优选片状接合材料的厚度均匀。另外，从充分提高通过本发明得到的接合体的接合强度的观点考虑，片状接合材料的厚度优选为20 1000 μ m，特别优选为50 500 μ m0片状接合材料优选以覆盖两个被接合材料的接合面的整个区域的方式被配置。但是，只要能够充分提高由本发明得到的接合体的接合强度，也可以在未将部分接合面覆盖的状态下配置片状接合材料。在如上所述的(I) (3)的方式中，在(I)及(3)的方式中，片状接合材料由含有构成被接合材料的化合物的粒子的成形体单独构成。相对于此，采用(2)的方式时，为在含有构成被接合材料的化合物的粒子的片状成形体的各面配置有金属层的一体的部件的方式。使用该部件时，由于没必要预先使金属层粘着于被接合材料的接合面，因此，制造简单。因此，该部件作为用于将两个由陶瓷形成的被接合材料接合的接合用部件是有用的。配置被接合材料、金属层及片状接合材料而形成层叠结构体时，在对该层叠结构体施加负荷的状态下进行烧成。本发明人的研究结果意外地表明，即使对层叠结构体施加的负荷极低，也能够得到具有充分的接合强度的接合体。详细地，施加于层叠结构体的负荷为O. 01 O. 5MPa、特别为O. 02 O. IMPa这样的低负荷就足够。因此，根据本发明，能够避免装置的大型化和复杂化等不良情况。虽然对层叠结构体施加高于该范围的负荷也无妨，但是，施加高于该范围的负荷时，装置有大型化或复杂化的倾向，因此，没有积极地施加高于该范围的负荷的必然性。烧成的气氛可以是构成被接合材料的陶瓷的化合物中的非金属元素的气氛或者含有该非金属元素的化合物的气氛。例如构成被接合材料的陶瓷的化合物为氧化物时，烧成的气氛可以是氧(O2)气气氛或含有氧气的气氛。简便地可以使用大气气氛。另外，构成 被接合材料的陶瓷的化合物为氮化物时，烧成的气氛可以是氮(N2)气气氛或者氨等含氮化合物气体气氛或者含有这些气体的气氛。例如在使用大气作为含有氧(O 2)气的气氛时,烧成的气氛的压力可以是大气压。另外，使用氮气时，烧成的气氛的压力优选为O. I O. 9MPa，更优选为O. 3 O. 9MPa。烧成温度因陶瓷的种类而异，一般为700 1850°C，特别优选为1000 1800°C。从室温至到达该温度范围为止优选以O. 5 10°C /分钟的升温速度进行升温。特别优选温度到达1000 1200°C后，提高升温速度，使温度到达所述烧结温度为止。即，优选至到达目标烧成温度为止，将升温速度调节成两个阶段(低升温速度和接着的高升温速度)。由此，由于在接合部位进行金属层与非金属元素的反应(例如氧化或氮化)，接合强度得以提高，因而优选。该升温速度以比从室温开始的升温速度高为条件，优选为3 10°C /分钟。另外，在低升温速度阶段和接着的高升温速度阶段，烧成的气氛也可以不同。例如高升温速度阶段的气氛的压力可以高于低升温速度阶段的气氛的压力。由此，例如可以起到能够抑制在低升温速度阶段生成的反应产物在高温下再分解的有利效果。烧成时间优选为I 3小时，特别优选为2 3小时。通过在这些条件下进行烧成，能够容易且可靠地将两个被接合材料固相接合。通过上述烧成，能够得到将两个被接合材料接合而成的陶瓷接合体。接着对该接合体进行热处理。热处理以进一步进行接合体的固相接合部位的烧结、进一步提高接合强度为目的而进行。因此，本热处理在与烧成时相同或比烧成时低的负荷下进行。通过在低负荷下进行热处理，在不引起装置的大型化或复杂化这一点上有利。在此所谓的“比烧成时低的负荷”也包括无负荷的状态。热处理可以在以上说明的烧结后接着进行，或者也可以在烧结结束后，将接合体冷却至规定的温度、例如室温后进行。一般通过在使热处理的气氛与烧结相同的气氛下进行热处理，能够得到满意的结果。热处理的温度因陶瓷的种类而异，从进一步进行固相接合部位的烧结的观点考虑，优选设定为1300 1900°C，特别优选设定为1500 1800°C。另外，热处理的温度在与之前说明的烧结温度之间的关系方面，从由扩散及粒成长引起的接合材料与被接合材料一体化这一点来看，优选高于烧结温度。此时，以烧结温度为Ttl,以热处理的温度为T1时，两者优选为Ttl ( T1的关系。基于相同的理由，热处理的时间优选为2 12小时，特别优选为4 12小时。这样，能够得到目标陶瓷接合体。该接合体具有利用作为被接合材料的陶瓷单体测定的依据JIS R1601的在室温下的四点弯曲强度的约25% 约75%的高接合强度。另外，在所得到的接合体中，在被接合材料彼此的接合部位处实质上不存在异种元素，因此，耐热性和耐化学反应性高。作为以上的制造方法的其它方法，也可以采用以下所述的方法。首先，在由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的陶瓷形成的被接合材料间，配置由含有该化合物 的微粒的片状成形体形成的接合材料。到该操作为止，与上述的制造方法相同。接着，在被接合材料与接合材料之间配置含有上述金属元素单质或半金属元素单质、与非金属元素单质的层，形成层叠结构体。例如在构成被接合材料的陶瓷为碳化硅(SiC)陶瓷的情况下，使用含有碳化硅的微粒的片状成形体作为接合材料，在该接合材料与被接合材料之间配置含有硅单质及碳单质的层。作为一个例子，可以配置硅单质的粉末与碳单质的粉末的混合粉末。此外，在由含有金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料的各面配置含有该金属元素单质或该半金属元素单质与该非金属元素单质的层而成的部件，为能够单独对其进行处理的一体性部件的方式。因此，该部件作为用于将两个由陶瓷形成的被接合材料接合的接合用部件是有用的。这样形成层叠结构体后，在对层叠结构体施加负荷的状态下进行烧成，使该层叠结构体成为接合体。在上述的制造方法中，由烧成时的气氛中供给反应物(例如氧或氮)，但是，在本制造方法中，预先在被接合材料与接合材料之间准备了反应物，因此，烧成时的气氛可以是氩等不活泼性气体气氛。通过烧成，上述的硅单质的粉末与碳单质的粉末的混合粉末的反应发生，生成碳化硅。与此同时，生成的碳化硅促进被接合材料与接合材料之间的接合。之后，与上述制造方法相同，在与烧成时施加的负荷相同或比该负荷低的负荷下进行热处理。该热处理也可以在不活泼性气体气氛下进行。进行上述烧成时的温度条件及负荷可以与上述制造方法相同。热处理的温度条件也可以与上述制造方法相同。利用本制造方法得到的陶瓷接合体也与利用上述制造方法得到的陶瓷接合体相同，具有利用作为被接合材料的陶瓷单体测定的依据JIS R1601的在室温下的四点弯曲强度的约25% 约75%的高接合强度。另外，在所得到的接合体中，在被接合材料彼此的接合部位处实质上不存在异种元素，因此，耐热性和耐化学反应性高。这样得到的陶瓷接合体例如在加热器管或热电偶用保护管、回转窑用炉芯管、辊道窑用辊道等烧成炉部件、或炉衬材料、内衬、搅拌叶片材料、输送用辊等耐磨性机械装置部件、药品或浆料等输送用管部件等多种用途中是有用的。以上基于优选的实施方式对本发明进行说明，但是，本发明并不限于上述实施方式。例如在上述的说明中，为了有助于理解，列举出了两个被接合材料的接合的例子，但是，被接合材料的接合个数并不限于此，也可以在一次制造工序中同时接合三个以上的被接合材料。实施例以下通过实施例对本发明进行更详细的说明。但是，本发明的范围并不限于这些实施例。〔实施例I〕使用市售的高纯度氧化铝陶瓷(Al2O3纯度为99. 5%以上、气孔率为1%以下)作为被接合材料。该被接合材料为长度为35mm、宽度为35mm、厚度为2. 5mm的板状材料。通过真空蒸镀在该被接合材料的一面上粘着由金属铝形成的层。层的厚度为3 μ m。作为接合材料，使用利用刮刀法将市售的低温烧结性高纯度α氧化铝粉体(一次粒径为0.1 μ m)成形并使厚度为50 μ m而得到的片状接合材料。该接合材料的尺寸为长度为35mm、宽度为35mm。如图I (a)所示，通过将两个被接合材料10AU0B以它们的铝蒸镀面11A、11B彼此对置的方式配置，并且在两个接合材料10AU0B间配置片状接合材料12，以适当的压力进行压接，得到图I (b)所示的层叠结构体20。将该层叠结构体20设置在烧成炉内，在其上载置重物，施加0.02MPa的负荷。烧成的温度程序如下所示。即，在大气下以1°C/分钟的速度从室温升温至1100°C。温度到达1100°C后，升温速度提高到5°C /分钟，继续进行升温，加热到1550°C。保持该温度2小时进行烧成后，以5°C /分钟的速度进行降温，冷却至室温。这样得到氧化铝陶瓷接合体I。接着，如图I (C)所示，在烧成炉内，将利用重物施加了 O. 02MPa的负荷的氧化铝陶瓷接合体I在大气下以5°C /分钟的速度从室温进行升温，加热到1600°C。保持该温度12时间进行热处理后，以5°C /分钟的速度进行降温，冷却至室温。由此得到实施例I的氧化铝陶瓷接合体I。关于这样得到的氧化铝陶瓷接合体，以接合面位于中央部的方式，通过磨削加工切出试验片。使用该试验片，利用依据Jis R1601的在室温下的四点弯曲强度，进行接合强度的测定，结果显示为96MPa的接合强度。作为被接合材料的氧化铝陶瓷单体的四点弯曲强度为384MPa。〔实施例2〕使用市售的氮化硅陶瓷(含有作为助剂的Y2O3及Al2O3)作为被接合材料。该被接合材料为长度为20mm、宽度为20mm、厚度为20mm的块状。与此不同，以与被接合材料相同的成分组成的方式，调制向市售的氮化硅粉末(平均粒径为O. 5μπι)中添加了三氧化二钇和氧化铝的各粉末的混合粉末，通过刮刀法使该混合粉末成形成厚度为100 μ m，得到片状接合材料。在该接合材料的各面利用刮刀法使市售的金属硅粉末(平均粒径为I. 5 μ m)成形成厚度为50 μ m,得到3层结构的片状接合用部件。该片状接合用部件的尺寸为长度为20mm、宽度为20mm。使两个被接合材料的接合面彼此对置，并且在其间配置片状接合用部件。然后，通过以适当的压力压接，得到层叠结构体。将该层叠结构体设置在烧成炉内，在其上载置重物，施加O. 02MPa的负荷。烧成的温度程序为,在O. IMPa的氮气氛下以10°C /分钟的速度从室温进行升温，加热到1200°C，在该温度下保持2小时后，使炉内的氮气氛压力变更为O. 9MPa，以10°C /分钟的速度进一步升温，加热到1800°C。保持该温度6小时进行热处理后，以5°C /分钟的速度降温，冷却至室温。这样得到了氮化硅陶瓷接合体。接着，在烧成炉内，对利用重物施加了 O. 02MPa的负荷的氮化硅陶瓷接合体在大气下以10°C /分钟的速度从室温进行升温，加热到1800°c。保持该温度6小时进行热处理后，以5°C /分钟的速度进行降温，冷却至室温。由此得到实施例2的氮化硅陶瓷接合体。关于得到的氮化硅陶瓷接合体，以接合面位于中央部的方式，通过磨削加工切出试验片。使用该试验片，利用依据JIS R1601的在室温下的四点弯曲强度，进行接合强度的测定，结果显示为560MPa的接合强度。作为被接合材料的氮化硅陶瓷单体的四点弯曲强度为 750MPa。〔比较例I〕
在实施例I中，未使由金属铝形成的层粘着于被接合材料的接合面。除此之外，进行与实施例I相同的操作。但是，无法使作为被接合材料的氧化铝陶瓷彼此接合。〔比较例2〕在实施例2中，未在由在氮化硅粉末中添加三氧化二钇和氧化铝各粉末而得到的混合粉末形成的片状成形体的各面上形成由金属硅粉末形成的层。除此之外，进行与实施例2相同的操作。但是，无法使作为被接合材料的氮化硅陶瓷彼此接合。
权利要求
1.一种陶瓷接合体的制造方法，其特征在于， 在由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的陶瓷形成的被接合材料之间配置由含有该化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料，并且在该被接合材料与该接合材料之间配置由该金属元素单质或半金属元素单质形成的层，形成层叠结构体； 在对该层叠结构体施加负荷的状态下，在该非金属元素的气氛下或含有该非金属元素的化合物的气氛下进行烧成，使该层叠结构体成为接合体； 在与烧成时施加的负荷相同或比该负荷低的负荷下对所述接合体进行热处理。
2.一种陶瓷接合体的制造方法，其特征在于， 在由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的陶瓷形成的被接合材料之间配置由含有该化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料，并且在该被接合材料与该接合材料之间配置含有该金属元素单质或该半金属元素单质与该非金属元素单质的层，形成层叠 结构体； 在对所述层叠结构体施加负荷的状态下进行烧成，使该层叠结构体成为接合体； 在与烧成时施加的负荷相同或比该负荷低的负荷下对所述接合体进行热处理。
3.根据权利要求I所述的制造方法，其中，所述非金属元素为O或N，在含氧气氛或含氮气氛下进行烧成。
4.根据权利要求I或3所述的制造方法，其中，预先将由金属元素单质或半金属元素单质形成的所述层粘着于所述被接合材料的接合面。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其中，通过蒸镀预先将由金属元素单质或半金属元素单质形成的所述层粘着于所述接合面。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述非金属元素为C，所述层含有碳单质。
7.根据权利要求I飞中任意一项所述的制造方法，其中，所述金属元素为Al、Ti、Zr、Cr、Ta或Nb,所述半金属元素为Si或B。
8.根据权利要求广7中任意一项所述的制造方法，其中，在对所述层叠结构体施加O.Ol O. 5MPa的负荷的状态下进行烧成。
9.根据权利要求广8中任意一项所述的制造方法，其中，将所述接合体的热处理温度设定为高于所述层叠结构体的烧成温度。
10.一种接合用部件，其特征在于，在由含有金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料的各面上配置有由该金属元素单质或该半金属元素单质形成的层，用于由该化合物的陶瓷形成的被接合材料彼此的接合。
11.一种接合用部件，其特征在于，在由含有金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料的各面上配置有含有该金属元素单质或该半金属元素单质与该非金属元素单质的层，用于由该化合物的陶瓷形成的被接合材料彼此的接口 O
全文摘要
在由金属元素或半金属元素与非金属元素的化合物的陶瓷形成的被接合材料(10A、10B)之间配置由含有该化合物的微粒的片状成形体形成的接合材料12，并且在该被接合材料(10A、10B)与该接合材料(12)之间配置由该金属元素单质或半金属元素单质形成的层(11A、11B)，形成层叠结构体(20)。接着，在对层叠结构体(20)施加了负荷的状态下，在该非金属元素的气氛下或含有该非金属元素的化合物的气氛下进行烧成，使该层叠结构体(20)成为接合体(1)。在与烧成时施加的负荷相同或比该负荷低的负荷下对该接合体(1)进行热处理。
文档编号B32B18/00GK102933521SQ20118002808
公开日2013年2月13日 申请日期2011年7月26日 优先权日2010年7月27日
发明者井筒靖久, 北英纪, 宫崎广行, 近藤直树 申请人:三井金属矿业株式会社