(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスと金属とを金層を介在させて積層した積層体を、所定の押圧力で加圧すると共に、該積層体にパルス電圧を印可して所定温度に加熱することにより、前記セラミックスと前記金属とを前記金層を介して接合すること、を特徴とするセラミックスと金属の接合方法。
【請求項２】
セラミックスと金属とを２層の中間層を介在させて積層した積層体を、所定の押圧力で加圧すると共に、該積層体にパルス電圧を印可して所定温度に加熱することにより、前記セラミックスと前記金属を前記中間層を介して接合すると共に、
前記２層の中間層のうち、第１の中間層は前記セラミックス表面に形成された金の薄膜であり、第２の中間層は金のプレート及び粉体のいずれか一方であること、を特徴とするセラミックスと金属の接合方法。
【請求項３】
前記第１の中間層は、前記加圧及び加熱の前に予め前記セラミックス表面に形成されていること、を特徴とする請求項２に記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項４】
前記第１の中間層は、メッキにより前記セラミックスの表面に形成される皮膜であること、を特徴とする請求項３に記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項５】
前記皮膜は、前記セラミックス表面に酸化チタンと酸化亜鉛の複合膜を形成し、塩化パラジウム溶液中に浸漬した後、無電解金メッキすることによって形成されること、を特徴とする請求項４に記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項６】
前記セラミックスはリン酸カルシウム系セラミックスであること、を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項７】
前記金属はチタンであること、を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項８】
前記所定温度は、６００°Ｃ以上９００°Ｃ以下であること、を特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項９】
前記所定温度を５分以上１５分以下の時間保持すること、を特徴とする請求項８に記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項１０】
前記パルス状電圧は、直流電圧のオンオフにより形成されること、を特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項１１】
前記パルス状電圧において、オンとオフの持続時間の比は、１：１から１２：１の範囲にあること、を特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項１２】
前記積層体は、導電性材料で構成された型に装填され、導電性材料で構成された押圧子により加圧され、前記パルス電圧は前記型及び前記押圧子を介して前記積層体に印可されること、を特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項１３】
前記積層体と前記押圧子との間、及び前記積層体と前記型との間に、導電性材料で形成されたシートを介在させること、を特徴とする請求項１２に記載のセラミックスと金属の接合方法。
【請求項１４】
前記シートは、カーボンペーパーであること、を特徴とする請求項１３に記載のセラミックスと金属の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属を接合する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミックスと金属を接合する方法としては、有機系接着剤等を用いてセラミックスと金属を接着する接着法、セラミックスに金属メッキを施すメタライズ法、及びセラミックスと金属を密着させて長時間熱処理する固相拡散法が知られている。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかしながら、接着法では接着強度が弱いという問題点があり、メタライズ法ではメッキの前処理等のため工程が複雑になるという問題点がある。さらに、固相拡散法では高温の熱処理（一般的なセラミックスの場合１４００〜１６００°Ｃ程度）が必要になり、熱処理後の冷却時にセラミックス側に熱応力によるクラックが発生するという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記のような事情に鑑み、簡単且つ短時間で、セラミックスと金属を接合することができるセラミックスと金属の接合方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための、本発明によるセラミックスと金属の接合方法は、セラミックスと金属の間に金層を介在させて積層し、積層体を所定の押圧力で加圧すると共に、パルス電圧を印可して所定温度に加熱することにより、セラミックスと金属を金層を介して接合することを特徴とするものである。
【０００６】
積層体を加圧することによって、層間の未接合の境界に電圧を印可することが可能になる。さらに、パルス状電圧を印可することにより、積層体が自身のジュール熱により効率的に加熱される上、未接合の境界における放電現象及び電界拡散効果によって各層の材料粒子の表面の溶融と拡散が促進されるため、該境界における各層の接合が促進される。かくして、セラミックスと金属とをより少ないエネルギーで効率的に接合させることができる。また、セラミックスと金属の間に介在する金層の柔軟性のため、金属とセラミックスの熱膨張差に起因して生ずる熱応力が吸収され、熱応力によるクラックの発生を防止することができる。
【０００７】
金はチタンなどの金属に固相拡散して吸収されることがある。そのため、セラミックスと金属との間に２層の中間相を設けると共に、第１の中間層をセラミックス上に形成された金の薄膜として構成することができる。金とセラミックスは密着しにくいため、所定の方法でセラミックス上に金の薄膜（第１の中間層）を形成し、この薄膜に第２の中間層を重ねて２層構造とすることによって、金の薄膜が全て金属に吸収されてしまうことが防止される。従って、第１の中間層の厚みを薄い皮膜（例えば数μｍ）とすることができ、第１の中間層の形成がそれだけ容易になる。なお、第２の中間層を第１の中間層と同じ材質（即ち金）で構成すると、第１及び第２の中間層の接合が容易になる。また、この第２の中間層は、プレートであっても粉体であっても良い。
【０００８】
また、第１の中間層を予めセラミックス表面に形成しておき、その上に第２の中間層と金属とを積層して加圧及び加熱を行うようにすれば、第１及び第２の中間層の接合と、第２の中間層と金属の接合を行うだけで良いため、加圧・加熱に要するエネルギーはさらに少なくて済む。この場合、第１の中間層は、セラミックス表面に酸化チタンと酸化亜鉛の複合膜を形成し、塩化パラジウム溶液中に浸漬した後、無電解金メッキすることによって形成される金の皮膜として形成することができる。
【０００９】
なお、積層体を導電性材料で構成された型に装填し、導電性材料で構成された押圧子により加圧すると共に、型と押圧子を介してパルス電圧を印可することによって、確実且つ効率的に積層体の接合を行うことができる。ここで、成形型と押圧子との間に導電性材料でできたシート（カーボンペーパー等）を介在させると、押圧子を成形型に食いつくことなくスムースに摺動させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態の接合方法の概略を図１に示す。実施の形態では、リン酸カルシウム系セラミックスの焼結体であるセラミックス基体１２と、チタン製のブロック１８とを接合する。セラミックス基体１２とチタンブロック１８の間には、中間層として、金の薄膜である第１中間層１４と、金製のプレートである第２中間層１６を介在させている。
【００１１】
実施の形態の接合方法は、（１）セラミックス基体１２の表面上に第１中間層１４を形成し、（２）第１中間層１４が形成されたセラミックス基体１２に第２中間層１６とチタンブロック１８を積層し、上下から加圧しつつパルス電圧を印可することによって各層を接合するものである。以下、この（１）、（２）について説明する。
【００１２】
まず、セラミックス基体１２に第１中間層１４を形成する方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、セラミックス基体１２上に第１中間層１４を形成する工程を示す概略図である。第１中間層１４は、特開平７−１４４９８５号に記載の方法で金の皮膜として形成される。即ち、（ａ）セラミックス基体１２の表面に酸化チタンと酸化亜鉛の複合膜１２２を形成し、（ｂ）セラミックス基体１２を酸又はアルカリ溶液に浸漬して複合膜中の酸化亜鉛をエッチング除去し、複合膜表面に凹凸を形成する。そして、（ｃ）セラミックス基体１２を塩化パラジウム溶液中に浸漬してメッキの触媒核となるパラジウム核１２４を形成し、（ｄ）無電解金メッキによって金を析出させる。かくして、厚み０．５〜３μｍ程度の金の皮膜である第１中間層１４が形成される。
【００１３】
このようにして第１中間層１４を形成すると、複合層１２２から酸化亜鉛をエッチング除去したことにより形成された凹凸がアンカー効果をもたらすため、セラミックス基体１２と第１中間層１４と強い密着性を得ることができる。
なお、上記の工程（ａ）において、酸化チタンと酸化亜鉛の複合膜１２２は、公知の真空蒸着法、スパッタリング法、及びスプレーパイロリシス法によって形成することができる。酸化チタンと酸化亜鉛は３：７〜９：１のモル比で存在することが望ましい。
【００１４】
次に、第２中間層１６について説明する。図２の工程により形成される第１中間層１４の厚みは数μｍ程度であるが、金はチタンに拡散し吸収される性質を持っているため、チタンブロック１８と第１中間層１４とを直接接触させた状態で接合を行うと、第１中間層１４の金が全てチタンブロック１８に吸収される可能性がある。そこで、第１中間層１４とチタンブロック１８との間に第２中間層１６が設けられている。
【００１５】
第２中間層１６は、第１中間層１４と容易に接合することができるよう、第１中間層１４と同じ材質、即ち金で構成されている。また、第２中間層１６の金がある程度チタンブロック１８に吸収されても良いように、第２中間層１６は比較的厚い（数ｍｍ）プレートとして形成されている。
【００１６】
次に、第１中間層１４が形成されたセラミックス基体１２に第２中間層１６及びチタンブロック１８を積層し、加圧・加熱する方法について説明する。
図３は、積層体を加圧・加熱する放電焼結装置２の要部を示す概略図である。放電焼結装置２は、積層体の接合や粉体の焼結等に用いられるものであり、積層体や粉体等の被加工物を圧縮すると共に、当該被加工物にパルス電圧を印可して加熱するものである。
【００１７】
図３に示すように、第１中間層１４が形成されたセラミックス基体１２に第２中間層１６及びチタンブロック１８を積層した積層体１は成形型３０に装填され、上下一対のパンチ（押圧子）３２，３４により加圧される。成形型３０及びパンチ３２，３４は導電性のカーボンで形成されており、後述の焼結用電源により発生したパルス電流が、成形型３０及びパンチ３２，３４を介して積層体１に流れるよう構成されている。
【００１８】
なお、パンチ３２，３４と成形型３０内周の間には、クッション材としてカーボンペーパー３６が介在しており、パンチ３２，３４は成形型３０内周に食いつくことなく、スムースに摺動することができる。また、チタンブロック１８は成形型３０あるいはパンチ３２のカーボンと反応し易いため、カーボンペーパー３６，３８を設けることにより、チタンブロック１８が周囲の壁に固着するのを防止することができる。
【００１９】
図４に放電焼結装置２の全体構成を示す。成形型３０及びパンチ３２，３４は、真空ポンプ２６を備えた真空チャンバー２５内に収容されている。
放電焼結装置２の制御部２０は、パルス電圧を発生させる焼結用電源２２、積層体１を加圧する加圧駆動機構２４、真空チャンバー２５内の脱気を行う真空ポンプ２６を駆動制御するものである。
【００２０】
制御部２０は、成形型３０に設けられた熱電対（図示せず）により検出される積層体１の温度が、予め設定された昇温曲線に一致するように焼結用電源２２を制御する。なお、パンチ３２，３４は、加圧駆動機構２４により昇降駆動される上下一対の加圧ラム４２，４４に夫々固定されており、加圧ラム４２，４４内に設けられた給電端子（図示せず）により焼結用電源２２と接続されている。
【００２１】
このように構成された放電焼結装置によって、積層体１を所定の押圧力で加圧すると共に、パルス電圧を印可する。積層体１を５〜３０ＭＰａの押圧力で加圧することにより、図１（ｂ）に示す積層体１の未接合の境界（第１中間層１４と第２中間層１６の境界１５、及び第２中間層１６とチタンブロック１８の境界１７）が密着し、積層体１に通電することが可能になる。
【００２２】
図５に、積層体１に印可されるパルス電圧の一例を示す。パルス電圧は直流電圧のオン／オフパターンからなるパルスであり、１回のオン／オフが１パルスｔを構成している。なお、１回のオン／オフにおいて、オン状態の持続時間ｔ1とオフ状態の持続時間ｔ0の比は１：１から１２：１の範囲、例えば６：１である。
【００２３】
このようなパルス電圧の印可により、積層体１が自身のジュール熱により急速に加熱される。積層体１の昇温曲線の一例を図６に示す。積層体１のピーク温度Ｔ（保持温度）は６００〜８００°Ｃであり、当該ピーク温度での保持時間は５〜１５分である。
【００２４】
さらに、パルス電圧の印可のため、積層体１の未接合の境界（第１中間層１４と第２中間層１６の境界１５、及び第２中間層１６とチタンブロック１８の境界１７）において放電現象及び電界拡散効果が生じ、金及びチタン粒子の表面の溶融と拡散が促進される。この粒子表面の溶融及び拡散の促進によって、第１中間層１４と第２中間層１６の間、及び第２中間層１６とチタンブロック１８の間の固相拡散が促進される。
【００２５】
さらに、第１中間層１４と第２中間層１６は同じ材質（金）であるため固相拡散し易く、また第２中間層１６とチタンブロック１８は、金がチタンブロック１８内に固相拡散し易い。かくして、第１中間層１４と第２中間層１６、及び第２中間層１６とチタンブロック１８は短時間且つ低温で接合することができる。
【００２６】
このように、第１中間層１４と第２中間層１６、及び第２中間層１６とチタンブロック１８を接合することにより（第１中間層１４とセラミックス基体１２は既に接合されているため）、セラミックス基体１２とチタンブロック１８とを、第１中間層１４及び第２中間層１６を介して短時間且つ低温で接合させることができる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の接合方法は、積層体１を加圧しつつパルス電圧を印可することによって、積層体１をジュール熱により急速に加熱すると共に、積層体１の未接合の境界における放電現象及び電界拡散効果を利用して金及びチタン粒子の表面の溶融を促進し、これにより当該境界における固相拡散を促進することによって、短時間且つ低温での接合を可能にするものである。
【００２８】
また、第１中間層１４の材質である金の柔軟性のため、チタンとセラミックスの熱膨張差に起因する熱応力が吸収される。そのため、熱応力によって生ずるセラミックス基体１２のクラックの発生を防止することができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、第２中間層１６を金のプレートとして構成したが、本発明はこれに限定されるものでは無く、金粉であってもよい。この場合、成形型にセラミックス基体を装填した後に金粉を流し込み、その後チタンブロックを載置することができる。また、本実施形態では、第２中間層１６を金で構成したが、金の代わりに銀あるいはロウ材を用いてもよい。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
実施例１では、セラミックスとしてハイドロキシアパタイトを用いる。ハイドロキシアパタイト及びチタンは、夫々直径１５ｍｍのペレット状のブロックとして形成される。このハイドロキシアパタイトブロックに厚み１μｍの金の薄膜を（第１中間層）形成した後、厚み０．３ｍｍの金板（第２中間層）とチタンブロックとを積層し、１５ＭＰａで加圧すると共に、７００°Ｃで５分間保持する。このようにして得られた接合体は良好な接合性を示した。
【００３１】
図７は、実施例１により接合された接合面を、反射型光学系微鏡により観察した結果を模式的に示す図である。図７に示すように、第１中間層１４と第２中間層１６は境界が認識できない程度に固相拡散が進んでいる。さらに、金層（第１中間層１４＋第２中間層１６）の厚みＤは０．２８ｍｍであり、接合前の第２中間層の厚み（０．３ｍｍ）よりも薄くなっていることから、第２中間層１６とチタンブロック１８との間で良好に固相拡散が行われていることがわかる。
【００３２】
（実施例２）
実施例２では、実施例１における第２中間層を金板の代わりに金粉体とする。即ち、金の薄膜が形成されたセラミックスブロックを成形型に装填した後、粒径３〜５μｍの金の粉体を流し込み、その上からチタンブロックを載置する。積層体は１５ＭＰａで加圧すると共に、７００°Ｃで５分間保持する。このようにして得られた接合体は、実施例１と同様、良好な接合性を示した。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるセラミックスと金属の接合方法では、セラミックスと金属の間に金層を介在させて積層し、積層体を所定の押圧力で加圧すると共に、パルス電圧を印可して所定温度に加熱する。これにより、積層体が自身のジュール熱により効率的に加熱される上、境界における放電現象及び電界拡散効果により各層の材料粒子の表面の溶融が促進されるため、境界における各層の接合が促進される。かくして、セラミックスと金属とをより少ないエネルギーで効率的に接合させることができる。また、セラミックスと金属の間に介在する金層の柔軟性のため、金属とセラミックスの熱膨張差に起因して生ずる熱応力が吸収され、熱応力によるクラックの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の接合方法を示す概略図である。
【図２】第１中間層の形成方法を模式的に示す図である。
【図３】放電焼結装置の要部を示す概略図である。
【図４】図２の放電焼結装置の全体図を示す概略図である。
【図５】積層体に印可されるパルス電圧の一例を示す概略図である。
【図６】実施形態の接合方法における昇温曲線の一例を示す概略図である。
【図７】実施例１の接合方法により得られた接合面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１          積層体
２          放電燒結装置
１２        セラミックス基体
１４        第１中間層
１６        第２中間層
１８        チタンブロック（金属）
２０        制御部
２２        焼結用電源
２４        加圧駆動機構
２５        真空チャンバー
３０        成形型
３２，３４  パンチ（押圧子）
３６        カーボンペーパー
４２，４４  加圧ラム
【図１】
0003954142.tif 000002
【図２】
0003954142.tif 000003
【図３】
0003954142.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003954142.tif 000006
【図６】
0003954142.tif 000007
【図７】
0003954142.tif 000008