(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹部を有する第１の窒化珪素質部材と、該凹部内に嵌合されてなる第２の窒化珪素質部材と、第１及び第２の窒化珪素質部材間に設けられた２０〜２００μｍの接合部とを具備し、前記凹部の最大径Ｗに対する前記凹部の深さｄの比ｄ／Ｗが０．０４〜０．４であり、且つ接合強度が引抜き強度で２００ＭＰａ以上であることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記接合部に含まれる焼結助剤量が、前記窒化珪素質部材に含まれる焼結助剤量よりも少ないことを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項３】
窒化珪素と焼結助剤とを含む混合粉末で少なくとも２つの成形体１及び２を作製する工程と、該成形体の焼成収縮率より小さい焼成収縮率を有するセラミックペーストを作製する工程と、前記成形体１の表面に、最大径Ｗに対する深さｄの比ｄ／Ｗが０．０４〜０．４となるように凹部を形成する工程と、前記成形体１の凹部又は前記成形体２の少なくとも一接合面に前記セラミックペーストを塗布し、前記凹部内に成形体２を嵌合して接合成形体を作製する工程と、該接合成形体を焼成して接合体を得る工程とからなることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項４】
前記ペーストが珪素粉末を含み、該珪素粉末の含有量が、前記複数の成形体に含まれる珪素粉末の含有量より大きいことを特徴とする請求項３記載の接合体の製造方法。
【請求項５】
前記ペースト中の焼結助剤の含有量が、前記複数の成形体中の焼結助剤の含有量より小さいことを特徴とする請求項３又は４記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合体及びその製造方法に関し、特に、大型及び／又は複雑形状で、高温での信頼性が高い接合体とその製造方法に関するものであり、ピストンピン、エンジンバルブ等の自動車用部品やガスタービンエンジン用部品などの熱機関用部品として好適なものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、エンジニアリングセラミックスとして知られている窒化珪素質焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性及び耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやターボロータ等の熱機関用部品としての応用が進められている。
【０００３】
窒化珪素は難焼結材であることから焼結性を向上させるため、窒化珪素粉末に対し、焼結助剤としてＹ2Ｏ3などの希土類元素酸化物や酸化アルミニウムなどを添加した成形体を、加圧焼成し、窒化珪素結晶相を主体とし、希土類元素、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素とからなる非晶質の粒界相により構成された焼結体を得ることが知られている。
【０００４】
しかし、大型や複雑なセラミック焼結体を作製するためには、成形体の加工に大型の工作機械を要したり、また、複雑かつ煩雑な加工が必要になり、時には複雑すぎて加工が困難となることがある。
【０００５】
そこで、大型や複雑なセラミックスを得るために、接合という手法が用いられている。例えば、特開平５−２７０９３３号公報では、セラミック製品を幾つかの部位に分け、各部位の形状を有する焼結体を作製し、スラリーを接合面に塗布し、加熱処理による固相接合により接合体を形成することが提案されている。
【０００６】
また、接合部の強度を向上するため、嵌合による接合が特開平９−２６３４５５号公報で提案されている。この方法では射出成形した翼部脱脂体と、静水圧加圧成形した軸部脱脂体とを嵌合することにより接合している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−２７０９３２号に記載の構造体は、結合剤がガラス質であるため、高温での酸化特性や強度特性が劣化するため、自動車用部品やガスタービンエンジン用部品などの熱機関用部品として用いることができないという問題があった。
【０００８】
また、複雑形状で複数の焼結体を接合する場合、接合部に均一に圧力が加わるように、外部から応力を印加すると強度の弱い部位が欠損したり、クラックが発生し、特に、成形体を接合する場合には、圧力を加えることが困難であるという問題があった。
【０００９】
一方、特開平９−２６３４５５号公報に記載の方法では、嵌合時によって引抜き強度を高める効果があるものの、適応可能な形状に制限があり、例えばロータなど中実形状品は可能であるが、リング形状の接合には不向きであるという問題があった。また２種類の成形方法を用いて成形体を作製するため、コストアップの要因となった。
【００１０】
従って、本発明は、高温で高い強度を維持し、かつ信頼性の高い接合体とその接合体を簡便な工程で製造する製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の接合体は、成形体同士の間に、収縮率の小さい組成の接合層を設けることにより、収縮差に基づく嵌合力による応力を加えることができ、接合力を向上できるという知見に基づくものである。この接合層は成形体と同様な組成のセラミックを用いることができるため、接合部幅に比べて比較的接合部深さが比較的小さな場合でも、室温から高温まで高い強度を有することができ、また、接合部にスラリーを塗布するだけであるため、成形体の形状に影響されることがないという特徴を有してている。
【００１２】
即ち、表面に凹部を有する第１の窒化珪素質部材と、該凹部内に嵌合されてなる第２の窒化珪素質部材と、第１及び第２の窒化珪素質部材間に設けられた２０〜２００μｍの接合部とを具備し、前記凹部の最大径Ｗに対する前記凹部の深さｄの比ｄ／Ｗが０．０４〜０．４であり、且つ接合強度が引抜き強度で２００ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
これによって、複雑な形状においても高温で高い強度を有し、信頼性の高い接合体を実現でき、熱機関に最適なセラミック部品を提供できる。しかも、接合部の深さが比較的浅い場合でも接合力が高く、高信頼性の接合体が得られる。
【００１４】
特に、前記接合部に含まれる焼結助剤量が、前記窒化珪素質部材に含まれる焼結助剤量よりも少ないことが好ましい。接合部の焼結助剤量が窒化珪素部材より少ないため、焼成時に接合部の焼成収縮率を窒化珪素部材の焼成収縮率よりも小さくでき、その結果、上述したような圧縮応力が接合部に嵌合力として働き、引抜き強度をより高めることが実現できる。
【００１５】
また、本発明の接合体の製造方法は、窒化珪素と焼結助剤とを含む混合粉末で少なくとも２つの成形体１及び２を作製する工程と、該成形体の焼成収縮率より小さい焼成収縮率を有するセラミックペーストを作製する工程と、前記成形体１の表面に、最大径Ｗに対する深さｄの比ｄ／Ｗが０．０４〜０．４となるように凹部を形成する工程と、前記成形体１の凹部又は前記成形体２の少なくとも一接合面に前記セラミックペーストを塗布し、前記凹部内に成形体２を嵌合して接合成形体を作製する工程と、該接合成形体を焼成して接合体を得る工程とからなることを特徴としている。この方法により、複雑な部品においても簡便な方法で接合部に圧縮応力を生じさせ、高い接合力を得ることができる。
【００１６】
特に、前記ペーストが珪素粉末を含み、該珪素粉末の含有量が、前記複数の成形体に含まれる珪素粉末の含有量より大きいことが好ましい。これにより、簡単に収縮率の小さい接合層を得ることができる。
【００１７】
さらに、前記ペースト中の焼結助剤の含有量が、前記複数の成形体中の焼結助剤の含有量より小さいことが好ましい。これにより、さらに簡単に収縮率の小さい接合層を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の接合体は、複数の窒化珪素質焼結体が嵌合部において接合されてなる接合体であって、例えば、図１に示すように、２個の成形体１、２を準備し、成形体１の凹状の窪みにペースト３を塗布又は充填し、成形体２を該窪みに挿入して接合成形体５を形成する。そして、これを焼成して、図２に示すように、複数の焼結体１１、１２の間に接合部１３を設けた接合体１５を作製することができる。
【００１９】
この接合部１３を形成する際に、ペースト３中の粉体の収縮率が成形体１、２の収縮率よりも小さいことが重要であり、その結果、焼成時にこの収縮差により接合部１３に嵌合の圧縮応力を生じさせ、接合を強固にすることができるのである。
【００２０】
ここで、接合部の最大径をＷ、接合部の深さをｄとしたとき、最大径Ｗに対する深さｄの比ｄ／Ｗが０．０４〜０．４であることが重要で、特に０．０６〜０．３、更には０．０８〜０．２が好ましい。比ｄ／Ｗが０．０４に満たないと嵌合力が十分に発生せず、特に、最大径Ｗが３０ｍｍ以下では、深さが１．２ｍｍ以下となり、高い接合力を有し、高信頼性の接合体が実現できないためである。また、比ｄ／Ｗが０．４を越えると取扱いが困難になるとともに、接合時に気泡を取込易くなり、強度劣化や試料破損を招くという問題が生じるためである。
【００２１】
また、接合部１３の厚みが２０〜２００μｍであることが重要である。即ち、２０μｍ未満では嵌合によって発生する接合力が不十分であり、２００μmを越えると焼結体１１、１２にかかる応力が高くなり、接合部１３に欠陥を生じる可能性がある。そして、より高い接合強度を得るため、特に４０〜１５０μｍ、さらには６０〜１００μｍの厚みにすることが好ましい。
【００２２】
そして、本発明によれば、接合体１５の引抜き強度が２００ＭＰａ以上であることが重要であり、これにより、エンジン部品やガスタービンエンジン部品等の構造部品として適応することが可能となる。また、より機械的信頼性を高めるために、特に２５０ＭＰａ以上、さらには３００ＭＰａ以上が好ましい。
【００２３】
また、本発明は、複雑形状、例えば図３に示すように、窒化珪素質焼結体からなる一対の部材２１ａ、２１ｂが窒化珪素質焼結体からなる複数の支柱２２を挟持する構造を有しており、前記支柱２２と前記一対の部材２１ａ、２１ｂの少なくとも一方とが接合されてなる形状の接合に好適に用いることができる。即ち、これらの形状を一体で成形することは困難であり、切削での作製はコストがかかる。従来の接合では焼結体同士を接合するため、焼成時の変形のため精度が低い。これに対し、本発明では、簡便で低コストな工程でこのような複雑形状の接合体が精度よく、高い強度で実現できる。
【００２４】
特に、部材２１ａ及び２１ｂに形成された凹部２４に、支柱２２が嵌合されており、凹部の内部に接合層２３が設けられている。そして、接合部の厚みを２０〜２００μｍ、比ｄ／Ｗを０．０４〜０．４に設定することによって引抜き強度を２００ＭＰａ以上にすることができ、信頼性の高い接合体を実現できる。
【００２５】
以上のように構成された本発明の接合体は、複雑な部品特にリング形状などにおいても簡便な方法で接合部に嵌合力を生じさせ、高い接合力を得ることができる。
【００２６】
次に、本発明の接合体を作製する方法について説明する。
【００２７】
まず、成形体を作製する。即ち、窒化珪素及び焼結助剤を含む混合粉末を作製し、この混合粉末を用いて各種の公知の成形法例えばプレス法、ＣＩＰ法、鋳込み法等により成形体を作製する。これらの成形体の接合部にはたとえばリングと円柱、リングとリング等の組合せにおいて、少なくとも一方に嵌合するための凹部を有していることが重要である。
【００２８】
また、ペーストを作成する。即ち、窒化珪素及び焼結助剤を含む混合粉末に対して、溶媒を加えペーストとする。有機溶媒としては融点の高いフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジ−オクチル（ＤＯＰ）、高級アルコール、炭化水素等を用いることが溶媒の蒸発を防ぎ、接合時におけるスラリー固化による接合不良を防ぐために好ましい。
【００２９】
そして、上記ペーストの混合粉末の収縮率が、成形体の混合粉末の収縮率より小さいことが重要である。上記ペースト中の粉末と成形体の収縮率差は、５％以上、特に１０％以上さらには１２％以上小さいことが好ましく、具体的には、成形体の収縮率にもよるが、ペースト中の粉末の収縮率を１５％以下、特に１０％以下、さらには８％以下に設定することが、接合部に嵌合力を生じさせ、接合強度を高めるために好ましい。
【００３０】
このような嵌合力を発生するためには、ペースト中の組成が成形体の組成と類似であってもよいが、異なっていることが好ましい。例えば、ペースト中の珪素の含有量が成形体中の珪素の含有量より大きくすることによって、成形体の収縮率をペーストの収縮率よりも大きくでき、嵌合部においては、凹部に差し込まれた成形体が凹部を有する成形体によって締め付けられ、圧縮応力が発生して引抜き強度を向上させることができる。
【００３１】
しかも、窒化及び焼成後には焼結体と略同一の組成にすることも可能であり、所望の組成を選択することによって、より高温で高強度、高信頼性の接合体を実現することができる。
【００３２】
また、ペースト中の焼結助剤の含有量を、成形体中の焼結助剤の含有量より小さくすることによっても、上記珪素の含有量を変えた時と同じ効果が得られ、高い引抜き強度を実現できる。
【００３３】
さらには、溶媒量を減らすことによって、接合スラリーの粉体濃度を高めることによっても収縮率を抑えすことができ、上記と同じ効果が得られる。
【００３４】
このような手法を用いて嵌合することによって、嵌合力を発生させて引き抜き強度を高めると共に、接合部位の面積をより大きくすることによる接合強度向上の効果も有し、これら２つの効果が相まって高温高強度、高信頼性の接合体を得ることができる。
【００３５】
なお、ペーストの混合粉末の収縮率とは、ペーストを特定形状にしたものを乾燥し、焼成する際の焼成前後の寸法から測定した収縮率を示すもので、具体的には、容器等にペーストを充填して乾燥して成形体を得、その収縮率を測定する。
【００３６】
接合体は所望により脱脂を行った後、１７００〜１９００℃、好ましくは１７５０〜１８５０℃の不活性雰囲気中において焼成する。成形体および接合層の焼結性を向上させるため、１７００℃以上の温度が必要で、焼結助剤の分解を抑制するためには１９００℃以下であることが重要である。
【００３７】
また、本発明の接合体の製造方法は、複雑形状を有する部材の製造に好適に応用できる。例えば、図４に示すセラミックノズルは、一対のリング状部材３１ａ、３１ｂが、複数のベーン３２上下から挟持する構造をしており、リング状部材３１ａと個々のベーン３２とが本発明の接合体の製造方法により接合されてなり、また、リング状部材３１ｂも同様に個々のベーン３２と接合され、接合部３３がそれぞれ形成されている。
【００３８】
即ち、リング状部材３１ａ、３１ｂに凹部を設け、そこに両端部にペーストを塗布されたベーン３２が挿入され、全体を組み上げた後上下のリング状部材３１ａ及び３１ｂ間に５ＭＰａ以下の圧力を加えて圧着し、焼成してセラミックノズルを作製することができる。
【００３９】
ここで、スラリーの収縮率はリング状部材３１ａ、３１ｂの成形体の収縮率よりも小さく、焼結により嵌合力が発生し、リング状部材３１ａ、３１ｂとベーン３２はそれぞれ強固に接合される。接合体の比ｄ／Ｗが０．０４〜０．４、接合部の厚みが凹部の底部及び側面において２０〜２００μｍとすることにより、引抜き強度２００ＭＰａ以上を実現できる。
【００４０】
従来、焼結体を作製した後、接合を行うために再度焼成していたが、本発明では同時焼成が可能であり、このように一度の焼成で大型、複雑形状の部品を作成することができ、簡便な方法により高強度と高信頼性を有する接合体が得られる。
【００４１】
【実施例】
ＢＥＴ１０ｍ2／ｇ、α率９０％の窒化珪素粉末、純度９９．９％の珪素粉末との合量９０重量％に対して、純度９９．９％、平均粒径５μｍのＹ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3を１０重量％の割合で添加し、ＩＰＡを溶媒として２４時間混合した。混合したスラリーを乾燥し、得られた混合粉末に対してパラフィンワックスを全量中１０％添加し、整粒した。
【００４２】
この混合粉末を金型プレスにより縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、長さ３０ｍｍの成形立方体を作製した。そして、一つの表面に直径１０．５ｍｍ及び表１に示す深さの穴を作製した。
【００４３】
また、これとは別個に、直径３０ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱形状の成形体を作製し、加工によって直径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱成形体を得た。
【００４４】
また、ペーストを作製した。即ち、上記の成形体を作製するために用いた窒化珪素粉末、純度９９．９％、平均粒径５μｍのＹ2Ｏ3、純度９９．９％、平均粒径５μｍのＳｉ粉末及び溶媒としてＤＢＰ（ジブチルフタレート）を表１の割合で混合し、接合用のペーストを作製した。
【００４５】
このペーストを成形立方体の穴に底部及び壁面に塗布した後、円柱成形体を挿入し、これを乾燥、脱脂し、表１に示す焼成条件にて焼成した。得られた接合体の立方体部を固定し、円柱部に溝加工を施し、その部分を利用して引張ることにより破断荷重を測定し、引抜き強度として計算した。
【００４６】
なお、ペーストの収縮率は、ペーストだけを別途容器に充填して乾燥し、接合体と同一焼成条件で焼成して、焼成前後の寸法から収縮率を測定した。また、成形体の収縮率は２０％であった。
【００４７】
さらに、接合面を光学顕微鏡写真にて観察し、接合層の厚みを測定した。結果を表１に示した。
【００４８】
【表１】
0004666791.tif 000002
【００４９】
本発明の試料Ｎｏ．２〜７、９〜１８、２１〜２６及び２８〜３０は、２０〜１８０μｍの厚みの接合部が設けられ、嵌合接合により２００ＭＰａ以上の高い引抜き強度を示した。
【００５０】
一方、比ｄ／Ｗが０．０４に満たない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、嵌合力が加わらないため引張り強度が１１０ＭＰａと低かった。また、比ｄ／Ｗが０．４を越えるに本発明の範囲外の試料Ｎｏ．８は、引抜き強度が１５０ＭＰａと低かった。
【００５１】
また、スラリーの収縮率が成形体の収縮率より大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１９は、嵌合力が加わらないため引抜き強度が１００ＭＰａと低かった。
【００５２】
さらに、接合部が１０μｍと薄い本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２０は、嵌合の効果が不十分なため、引抜き強度が１２０ＭＰａと低かった。また、接合部が２５０μｍと厚い本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２７は、引抜き強度が８０ＭＰａと低かった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の接合体は、接合部の収縮率を成形体の収縮率よりも小さくするとともに、その厚みを制御することによって、接合部に嵌合による圧縮力を発生せしめ、高い接合強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合体を焼成前に形成した接合成形体の概略断面図を示すものである。
【図２】本発明の接合体の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の複雑形状の接合体の接合状態を示す断面図である。
【図４】本発明の接合体の製造方法を用いて作製したセラミックノズルを示す斜視図である。
【符号の説明】
１、２・・・成形体
３・・・ペースト
５・・・接合成形体
１１、１２・・・焼結体
１３・・・接合部
１５・・・接合体
【図１】
0004666791.tif 000003
【図２】
0004666791.tif 000004
【図３】
0004666791.tif 000005
【図４】
0004666791.tif 000006