(57)【要約】 【課題】中間層や金属部材に高硬度粒子や圧痕を打ち込んだりすることなく、接合界面近傍の残留応力を再分布させて高強度な接合界面を有する接合体を提供する。【解決手段】セラミックス部材と金属部材とが、または異種金属部材同士が、必要に応じて延性金属材料からなる中間層を介して接合された接合体において、セラミックス部材と金属部材との接合界面、または異種金属部材同士の接合界面、またはこれらの部材と中間層との接合界面から１ｍｍ以内の領域に、高エネルギーＡｒイオンビームが照射されており、接合により発生した残留応力が再分布されていて、高強度の接合界面を有することを特徴とする接合体。【選択図】  図６
2015168591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異種の金属同士の接合体または金属部材と結合様式の異なる物質との接合体における界面近傍に、ｋｅＶ級Ａｒイオンビームを照射して残留応力を再分布させ、界面の接合強度を上昇させたことを特徴とする接合体。
【請求項２】
金属と接合される材料が、セラミックス材料、高融点金属材料などの室温より高温で脆性をもつ材料であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
接合体はセラミックスと金属とからなり、界面にイオンスパッタ効率の高い金属とともに活性金属を介して、ろう接されていることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項４】
Ａｒイオンビームの照射領域に、接合体構成材料からなるマイクロ・ナノ突起構造体が核生成・成長していることを特徴とする請求項1に記載の接合体。
【請求項５】
Ａｒイオンビームの照射領域にある接合体構成材料は、銅、銀、亜鉛、チタン、錫、鉄、シリコンの何れか1種または2種以上であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属部材同士の接合体またはセラミックス、超硬合金などの脆性部材と金属部材との接合体に係り、特に接合界面に生じる残留応力を再分布させて緩和・開放した接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、セラミックス部材と金属部材と接合するばあいには高い接合強度が求められる一方、セラミックス部材の熱膨張率が金属部材のそれよりも小さいため、この熱膨張の差に起因する欠点の解消が強く求められている。すなわち、熱膨張率が大きく相違するセラミックス部材と金属部材とを接合すると、接合後の冷却過程において熱膨張の差に起因して、接合界面に残留応力が発生して亀裂や破壊が生じやすい。このような残留応力の問題は、延性金属と脆性金属などの異なる金属部材同士の接合、あるいは熱膨張率または弾性率の異なる金属部材同士の接合においても生ずる。
【０００３】
そこで、セラミックス部材と金属部材との間に、緩衝材としてＣｕやＮｉならびにそれらの合金などの延性金属材料からなる中間層を介在させるのが一般的である。しかしながら、このような中間層を緩衝材として介在させたばあいにも、接合後の冷却過程や加熱冷却サイクルの付与によってセラミックス部材側に残留応力が発生しやすい。残留応力は、分布を有するので、応力の最大主応力点から亀裂が発生したり、セラミックス部材が破壊したりするという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決する先行技術として、特許文献１，２に開示された発明がある。特許文献１に係る発明においては、中間層のセラミックス部材との接合界面近傍に、中間層の構成する金属材料より高硬度の粒子が打ち込まれている。セラミックス部材と金属部材とが直接接合されているばあいには、延性材料である金属部材に高硬度粒子が打ち込まれており、これによって、応力集中部分の残留応力を再分布させて効率的に緩和・開放することができる
【０００５】
また、特許文献２に係る発明においては、中間層のセラミックス部材との接合界面近傍に圧痕が打ち込まれている。セラミックス部材と金属部材とが直接接合されているばあいには、延性材料である金属部材に圧痕が打ち込まれており、これによって、応力集中部分の残留応力を分散して効率的に緩和・開放することができる．
【０００６】
しかしながら、中間層や金属部材に高硬度粒子が存在することは異物が存在することとなって、材料の均一性の面から好ましいことではない。また、中間層や金属部材に圧痕を付けることは、材料に傷を付けることとなって、亀裂発生の起点となったりするので好ましくはない。よって、中間層や金属部材に高硬度粒子や圧痕が打ち込まれていない高強度な接合界面を有するセラミックス‐金属接合体が強く求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１７８０８０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７８０８３号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２３８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のような従来技術の問題に鑑み、本発明は、中間層や金属部材に高硬度粒子や圧痕を打ち込んだりすることなく、接合界面近傍の残留応力を再分布させて高強度な接合界面を有する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】
【０００９】
上記の課題を解決するためになされた本発明に係る接合体は、異種の金属同士の接合体または金属と結合様式の異なる物質との接合体における界面近傍に、ｋｅＶ級Ａｒイオンビームを照射して在留応力を再分布させ、界面の接合強度を上昇させたことを特徴とするものである。
詳細には、セラミックス部材と金属部材、または異種金属部材同士が、必要に応じて延性金属材料からなる中間層を介して接合された接合体において、セラミックス部材と金属部材との接合界面、または異種金属部材同士の接合界面、または、これらの部材と中間層との接合界面(セラミックス部材と中間層との接合界面、中間層と金属部材との接合界面、または、一方の金属部材と中間層との接合界面、中間層と他方の金属部材との接合界面)から１ｍｍ以内の領域に、２〜２０ｋｅＶの高エネルギーＡｒイオンビームを照射して、接合により発生した残留応力を再分布させて、高強度の接合界面を有するものとした接合体である。
【００１０】
上記した発明において金属部材と接合される部材を、セラミックス部材、高融点金属材料などの室温より高温で脆性をもつ材料とすることができるし、接合体はセラミックスと金属とからなり、界面にイオンスパッタ効率の高い金属とともに活性金属を介して、ろう接することができる。
【００１１】
また、  Ａｒイオンビームの照射領域に、接合体構成材料からなるマイクロ・ナノ突起構造体を核生成・成長させることができるし、Ａｒイオンビームの照射領域にある接合体構成材料は、銅、銀、亜鉛、チタン、錫、鉄、シリコンの何れか1種または2種以上であって、共晶、包晶、共析、包析などの相分離しているものであってもよい。これらの材料は、金属部材として用いることができるし、中間層としての延性金属材料として用いることもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の接合体は、接合界面近傍に高エネルギーのＡｒイオンビームを照射して残留応力を再分布させるので、従来のように中間層や金属部材に高硬度粒子や圧痕が存在したりすることがない健全で高強度な接合界面を有するという有利な効果を奏することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、金属部材とセラミックス部材、または金属部材と高融点金属部材などの脆性金属部材との接合界面の残留応力を、容易に再分布、解放させることができる。
請求項３に係る発明は、セラミックス部材などの非金属部材と中間層、および中間層と金属部材を、活性金属を含むろう材により接合するので，強固な接合界面を容易に形成することができる。また、耐熱合金、超硬合金などの脆性金属部材と、延性のある金属部材とを、活性金属を含むろう材により接合するので，強固な接合界面を容易に形成することができる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、Ａｒイオンビームを照射した領域に中間層を構成する金属材料または金属部材からなるマイクロ・ナノ突起構造体を形成して、原子の表面拡散・移動により残留応力を、解放・除去することができる。
請求項５に係る発明も、高い接合強度を有する接合体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】セラミックス‐金属接合体の要部を模式的に示す正面図である。
【図２】（a）Ａｒイオンビーム照射前と、（ｂ）Ａｒイオンビーム照射後のセラミックス‐金属接合体の要部を示す顕微鏡像である。
【図３】セラミックス‐金属接合体の応力測定点を示す説明図である。
【図４】Ａｒイオンビーム照射前後で測定したＳＵＳ側の、ｙ＝０．１ｍｍに沿った垂直応力σｘｘ、σｙｙおよびｖｏｎ  Ｍｉｅｓｅｓ応力σＶＭを示すグラフである。
【図５】同じくＡｒイオンビーム照射前後で測定したＳｉ３Ｎ４側の、ｙ＝０．１ｍｍに沿った垂直応力σｘｘ、σｙｙおよび最大引張主応力σＩを示すグラフである。
【図６】３点曲げ試験で得られた接合強度のワイブル分布を示すグラフである。
【図７】Ａｒイオンビーム照射後の接合界面近傍の走査電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明を図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明におけるセラミックス‐金属接合体の要部を模式的に示す正面図であって、このセラミックス‐金属接合体１において、２はセラミックス部材であって、このセラミックス部材２は、中間層３を介して金属部材４と接合されている。
【００１７】
セラミックス部材は、特に限定されるものではなく、セラミックス‐金属部材接合体を構造用材料に適用するばあいには、セラミックス部材２には窒化ケイ素焼結体、サイアロン焼結体、炭化ケイ素焼結体、アルミナ焼結体などを使用することが好ましく、電気・電子部品用材料に適用する場合には、窒化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、アルミナ焼結体などを使用することが好ましい。
【００１８】
また、構造材料用の金属部材としては、鋼材、耐熱合金、超硬合金などが例示される。また、電気・電子部品材料用の金属部材としては、Ａｌ，Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、またはこれらの合金などが例示される。本発明は特にセラミックス部材との熱膨張係数の差が大きい金属部材を使用する場合に効果的である。
【００１９】
上述したようなセラミックス部材２と金属部材４とは、延性金属材料からなる中間層３を介して接合されている。緩衝層として機能する中間層３には、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｓｉのうちの何れか１種またはこれらの合金などの延性金属材料が用いられる。中間層３に用いる金属は、Ａｒイオンビームによるスパッタ効率の高い金属、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕが特に好適である。中間層３の厚さは０．０５〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。中間層３の厚さがあまり薄すぎると緩衝層としての十分な機能が得られず、一方、あまり厚すぎるとセラミックス−金属接合体１の機械的強度などを低下させることになる。
【００２０】
ただし、金属部材４自体がＣｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金などの延性金属材料からなる場合には、中間層３を省いて、セラミックス部材２と金属部材４とを直接接合することができる。このばあい、金属部材４が中間層３の機能も兼ね備えることになる。
【００２１】
セラミックス部材２と中間層３および中間層３と金属部材４（もしくはセラミックス部材２と金属部材４）は、具体的にはろう材層５を介して接合されている。ろう材層５は接合対象のセラミックス部材２などに応じて適宜選択されるが、特に活性金属を含むろう材（活性金属ろう材）を用いることが好ましい。
【００２２】
活性金属ろう材としては、例えばＡｇ−Ｃｕの共晶組成（７２ｗｔ％Ａｇ‐２８ｗｔ％Ｃｕ）もしくはその近傍組成のろう材を主成分とし、これにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂなどから選ばれた少なくとも 1種の活性金属を添加したもの、あるいはＣｕに同様な活性金属を添加したものなどを用いることができる。Ａｇ−Ｃｕ系共晶ろう材およびＣｕ系ろう材は活性金属を１〜１０重量％程度含むことが好ましい。これらのうち、特に活性金属としてＴｉを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金とＴｉとの積層体や混合物、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉの積層体や混合物などのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系複合体を好ましく用いることができる。
【００２３】
以上は、セラミックス部材と金属部材との接合体について説明したが、セラミックス、酸化物、窒化物などの脆性非金属部材に代えて、ステンレス鋼、超硬合金、耐熱合金、高融点金属・合金などの高硬度で低延性な脆性金属部材を用いることができる。このばあいには、脆性金属部材/中間層/低延性金属部材の接合体となるか、または、脆性金属部材/高延性金属部材の接合体となる。低延性金属部材としては、モリブデン合金、タングステン合金などが例示される。また、高延性金属部材としては、鉄鋼材料、アルミニウム合金、ニッケル合金、銅合金などが例示される。異種金属部材同士の接合体においては、一方の金属部材が他方の金属部材に対して脆性あるいは低延性であって、このばあいにも接合によって蓄積された残留応力を解放するのが望ましい。よって、それぞれの界面近傍にＡｒイオンビームを照射して残留応力を再分布させる。
【００２４】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明が実施例によって限定されることはない。
図２は、セラミックス部材として厚さ３．０ｍｍのＳｉ３Ｎ４、金属部材として厚さ３．０ｍｍのＳＵＳ３０４の間に０．３ｍｍの厚さのＣｕ中間層を挟んで、Ａｇ‐Ｃｕ‐２．１％Ｔｉろう材を用いて１１０３Ｋにて真空雰囲気中で接合したセラミックス‐金属接合体の接合界面の写真であり、（a)はＡｒイオンビーム照射前、(b)はＡｒイオンビーム照射後である。Ａｒイオン照射は、接合界面端部を中心に接合界面から１ｍｍ以内の領域に、加速電圧９ｋＶ、電流値０．５ｍＡで６０分間、試料面に垂直に行った。Ａｒイオンビームの照射が接合界面から１ｍｍを超えると、残留応力を効率的に分散することができない。また、Ａｒイオンビームの強度は、２〜２０ｋｅＶとするのが望ましい。２ｋｅＶ未満では、効果的に残留応力を解放することができないからであり、２０ｋｅＶを超えると部材の中に点欠陥などの格子欠陥が導入されるからである。
【００２５】
残留応力テンソル測定は、Ｘ線２Ｄ法を用いた。Ｘ線はＣｒ−Ｋα線であり、これをＳｉ３Ｎ４、Ｃｕ，ＳＵＳ３０４にそれぞれ直径０．２，０．３，１．０ｍｍで照射されるようにコリメートして、図３に示すような測定点で残留応力テンソルを測定した。また、接合強度を、下側支点の間隔１０ｍｍの３点曲げ試験により室温で測定した。
【００２６】
Ａｒイオン（Ａｒ＋）ビーム照射前後で測定したＳＵＳ側の、ｙ＝０．１ｍｍに沿った垂直応力σｘｘ、σｙｙおよびｖｏｎ  Ｍｉｅｓｅｓ応力σＶＭを図４に、同じくＡｒイオンビーム照射前後で測定したＳｉ３Ｎ４側の、ｙ＝０．１ｍｍに沿った垂直応力σｘｘ、σｙｙおよび最大引張主応力σＩを、図５に示す。
【００２７】
Ａｒイオン照射後には、ＳＵＳ側の垂直応力σｘｘ、σｙｙおよびｖｏｎ  Ｍｉｅｓｅｓ応力σＶＭが減少し、Ｓｉ３Ｎ４側の垂直応力σｙｙにおいて圧縮応力から引張応力にシフトする傾向を確認した。
【００２８】
Ａｒイオンビームを照射したセラミックス‐金属接合体の３点曲げ試験において、得られた接合強度のワイブル分布を図６に示す。Ａｒイオンビームの照射により、平均曲げ強度が２７０ＭＰａから３２６ＭＰaに向上し、信頼性を評価するワイブル係数も３．９から４．６の向上することを確認した。また、照射前はＣｕ／Ｓｉ３Ｎ４界面での破断(図中の▲マーク)に対し、ＳＵＳ／Ｃｕ界面での破断(図中の△マーク)の破断が多数を占めたのに対し、照射後ではＳＵＳ／Ｃｕ界面での破断(図中の□マーク)に対しＣｕ／Ｓｉ３Ｎ４界面での破断(図中の■マーク)が増加した。各界面での破断強度を表１に示すが、ＳＵＳ／Ｃｕ界面の曲げ強度がＡｒイオンビーム照射前の２４７ＭＰａから、照射後には３１２ＭＰａへ向上している。したがって、Ａｒイオンビーム照射による金属部材側の応力緩和に伴い、ＳＵＳ／Ｃｕ界面の曲げ強度が向上してＳＵＳ／Ｃｕ界面での破断が減少し、Ｃｕ／Ｓｉ３Ｎ４界面での破断が増加したものと考えられる。
【００２９】
【表１】
2015168591.tif 000003
【００３０】
Ａｒイオンビーム照射後の走査電子顕微鏡像を図７に示すが、中間層に多数の円錐状突起であるマイクロ・ナノ突起構造体が、核形成・成長されているのを観察した。これは、Ａｒイオンビームの照射により励起されたＡｇ、Ｃｕ原子が表面拡散して移動し、自己組織化により突起を形成した結果であり、これによって、接合界面の残留応力が再分布されたものと考えられる。
【図１】
2015168591.tif 000004
【図２】
2015168591.tif 000005
【図３】
2015168591.tif 000006
【図４】
2015168591.tif 000007
【図５】
2015168591.tif 000008
【図６】
2015168591.tif 000009
【図７】
2015168591.tif 000010