セラミックはどのようにろう付けされるのですか?

ろう付けセラミックは、材料を接合する特殊なケースです。

セラミックス同士または他の材料との接合を行うために開発された技術は、他のほとんどのろう付けプロセスとは異なります。

誰もが知っているように、セラミックは硬くて脆く、延性がなく、引張応力に対する耐性が限られています。

したがって、可能であれば、セラミックは圧縮応力を受けるように設計されています。

断熱材として使用されますが、熱衝撃には敏感です。

しかし、特に強化粒子、繊維、ウィスカーなどを塊状に含めることにより、限られた範囲内でそれらの特性を意図した用途に適応させることができるようになりました。

また、プロセスによって構造変化を引き起こし、さまざまな用途への適合性を高めます。

ろう付けセラミックと金属の主な違いは、ほとんどの通常のろう付け材料がセラミックを濡らさないという事実から生じます。

これは、これらの材料の強力なイオン結合や共有結合などの基本的な物理的特性によるものです。

さらに、セラミックは金属よりも熱力学的安定性が高いため、接着力を高める強力な化学結合を形成することは容易ではありません。

現在、セラミック接合の経済的重要性からセラミックの使用が増加していますが、許容できる接合を実現するために適用可能なさまざまな方法の中で、最も重要かつ適応性の高い方法は、おそらく依然としてセラミックのろう付けです。

初期のセラミックは室温での使用に耐えることを目的としており、本質的には絶縁特性と耐摩耗性（衝撃がない場合）を示していました。

より高度なタイプの開発は、高温、酸化または腐食環境、そして大きな機械的特性を伴う使用条件に立ち向かうという課題によって促進されました。

特に、熱機関や廃熱回収のためのエネルギー生産施設におけるセラミックの用途開発が盛んに行われています。これらすべてにろう付けセラミックが必要となる可能性があります。

新しい開発品は、厳しい使用条件における厳格な要件を満たす能力があることから、構造用セラミックスと呼ばれています。

セラミックはモノリシックまたはセラミック マトリックス複合材になる可能性があることに留意してください。

各タイプの指定またはファミリー（たとえば、アルミナ）内には、処理パラメータに応じてまったく異なる構造的および機械的特性を示す可能性のあるさまざまなクラスが含まれます。

念頭に置くべきもう 1 つの考慮事項は、ハンドブックやマニュアルから表形式の設計プロパティを取得するのは、不可能ではないにしても非常に難しい場合があるということです。

それは、テスト結果は、試験片の準備とサイズ、およびテストの種類に大きく依存するためです。

また、接合部の設計は、ろう付けセラミック接合プロセスの成功に大きな影響を与える可能性があります。

その理由は、セラミックと金属の熱膨張係数 (CTE) に大きな差があり、これによって高い応力が生じ、ひび割れが生じて故障につながる可能性があるからです。

例外的に、低膨張金属の範囲内の CTE を持つセラミックが見つかることがありますが、これは非常に稀で、セラミックのろう付けを成功させる上で歓迎すべき出来事です。

CTE 値のギャップを埋めるためによく使用される戦略の 1 つは、圧縮応力を受けるジョイントを設計することです。

または、CTE の値が大きく異なる場合は、中間材料を挿入して、その特性の最小値から最大値まで段階的に変化させます。

フィラー金属によるセラミックの濡れと表面への接着を促進するために、次の技術が使用されます。

1) – 間接ろう付けセラミックでは、まず接合部のセラミック表面を、未処理のセラミック表面を濡らさない通常のフィラー金属で濡らすのに適した材料（通常は金属）でコーティングします。

金属コーティングは、金属とセラミック間の遷移材料として機能します。コーティングの焼結熱サイクルによってセラミックにひび割れが生じないように注意する必要があります。

このクラスの代表的なコーティングは、よく知られているモリブデンマンガンコーティングです。特別に調合された粉末のスラリーを塗料としてセラミックに塗布します。

その後、水素雰囲気炉で約1500℃で焼成されます。 °C (2730 °F) セラミックのガラス質物質が金属粉末に移動し、表面に結合します。

その他のコーティング技術としては、金属のスパッタリングに物理蒸着（PVD）が用いられます。その後、接合する金属に適した通常のろう付けフィラーを用いてセラミックろう付けが行われます。

2) 特殊合金元素を含む活性フィラーメタルを用いたセラミックの直接ろう付け。通常の銀系ろう付け合金に、セラミックを構成する元素と強い親和性を持つ金属を添加することで、濡れ性と接着性が向上します。

したがって、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、リチウム、シリコン、マンガンなどの酸素との親和性が強い金属は、特別な準備をすることなく、従来のろう付け合金が酸化物セラミックを濡らすのに役立ちます。

シリコン、炭素、または窒素と反応する金属は、炭化ケイ素や窒化ケイ素の濡れ性を高めます。長年にわたり、科学的研究のために数多くの活性フィラーメタルが開発されており、その一部は有名メーカー（GTE Wesgo、Degussa AG、Lucas-Milhaupt、Handy & Harman）から市販されています。

しかし、徹底的な研究と準備なしに既製の材料を入手し、標準的なろう付けセラミックプロセスの新しい用途に使用することは、ありそうにありません。

この文脈では、普及率の高い2つの事例を紹介する必要がある。1つは、鋼シャンクへの超硬チップのろう付けである。超硬工具は通常、チタン炭化物、タンタル炭化物、またはニオブ炭化物をコバルトバインダーで焼結して製造される。他の炭化物や他の金属バインダーも使用される。

BAg-3、BAg-4、BAg-22などのニッケルを含む銀系ろう材は、これまでに効果的に使用されてきました。タングステンカーバイド工具には、残留応力を低減するために銅シムを含む特殊なサンドイッチろう材が必要です。

もう 1 つのケースは、チタンベースのフィラー金属、またはチタンを含む銀銅またはニッケルチタンろう付け合金を使用してろう付けされたシリコンカーバイド ツールを指します。

結論として、セラミックろう付けは、実用機器において多種多様なセラミック材料の特殊な特性を活用するためには、容易ではありませんが、必要不可欠です。良好な結果を得るためには、必要に応じて徹底的な研究と実験開発に注力する必要があります。