(57)【要約】【課題】セラミックス製の構造体の表面に、目的とする金属のみから構成した金属膜が、高い密着性を有して形成できるようにする。【解決手段】構造体１０１の表面の凹部１２１にペーストを充填してペースト層１０２ａを形成し、これを焼成して凹部１２１を金属層１０２ｂで充填してから、構造体１０１の表面にペーストを塗布してペースト膜１０３を形成する。この後、ペースト膜１０３を焼成し、構造体１０１の表面に金属膜１０４を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス製の構造体の表面の凹部に金属の粉体が分散したペーストを塗布して前記凹部を前記ペーストで充填する第１工程と、
前記凹部に充填されている前記ペーストを焼成して前記凹部を前記金属からなる金属層で充填する第２工程と、
前記凹部が前記金属層で充填されている前記構造体の表面に、前記ペーストを塗布してペースト膜を形成する第３工程と、
前記ペースト膜を焼成して前記構造体の表面に前記金属からなる金属膜を形成する第４工程と
を備える金属膜形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の金属膜形成方法において、
前記第１工程は、前記構造体の表面に前記ペーストを塗布し、前記凹部に充填されている前記ペーストを残して前記構造体の表面に塗布された前記ペーストを除去する
ことを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項３】
請求項２記載の金属膜形成方法において、
前記第１工程は、前記構造体の表面に塗布された前記ペーストを掻き取ることで、前記凹部に充填されている前記ペーストを残して前記構造体の表面に塗布された前記ペーストを除去する
ことを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項４】
請求項２記載の金属膜形成方法において、
前記第１工程は、前記構造体の表面に塗布された前記ペーストを拭き取ることで、前記凹部に充填されている前記ペーストを残して前記構造体の表面に塗布された前記ペーストを除去する
ことを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属膜形成方法において、
前記金属は、白金族金属であることを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項６】
請求項５記載の金属膜形成方法において、
前記金属は、白金であることを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項７】
請求項５記載の金属膜形成方法において、
前記金属は、白金を含む合金であることを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属膜形成方法において、
前記構造体は、アルミナセラミックス製であることを特徴とする金属膜形成方法。
【請求項９】
セラミックス製の構造体と、
請求項１〜８のいずれかの金属膜形成方法によって前記構造体の表面に形成された金属膜と
を備える部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属膜形成方法および金属膜形成方法で金属膜が形成された部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い強度が要求されるとともに、耐腐食性が要求される場合、セラミックスなどにより必要な形状の構造体を作製し、作製した構造体の表面に白金や金などの金属膜を形成して耐腐食性を付与している。このようなセラミックス製の構造体の表面への金属膜の形成では、金属の粉体が分散したペーストを用いる粉末冶金と呼ばれる技術が用いられている。この技術では、上記ペーストを構造体の表面に塗布して塗膜を形成し、これを焼成することで金属膜を形成している。この技術によれば、粉末粒子の粒子径、焼成温度などを適宜に設定することで、粉末の凝集・凝着によりほぼ全ての粉末（金属粒子）を一体とした金属膜が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８２２８８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】菅沼 克昭、「金属・セラミック界面結合エネルギーと界面強度」、日本金属学会会報、第２９巻、第１１号、８８２−８８７頁、１９９０年。
【非特許文献２】菅沼 克昭、「セラミックス基高機能材料  、４．セラミックスと金属の接合」、日本材料学会 会誌「材料」第４４巻、第４９８号、３７５−３８１頁、１９９５年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、セラミックス製の構造体の表面に上述した技術で形成される金属膜が、剥がれやすいという問題があった。金属ペーストの膜を焼成することで形成した金属膜とセラミックス製構造体との密着強さは、金属とセラミックスとの相性によっては十分でない場合があり、剥がれやすくなる場合がある。この問題を解消するために、密着性を補助する添加物を混ぜた金属ペーストが用いられる場合もある（特許文献１参照）。しかし、耐腐食性が求められる環境においては、添加物の耐腐食性が十分でない場合があり、密着強さの信頼性が低くなる要因となる。
【０００６】
セラミックス構造体の表面に、密着層を介して金属膜を形成することで密着性を向上させる技術もある。この技術では、セラミックスおよび金属膜の両者に対して高い密着性を有する金属材料から密着層を構成している。例えば、チタンから構成した密着層を介し、セラミックス構造体の表面に白金膜を形成する。しかしこの場合、一般には、密着層を構成する金属は、金属膜を構成する金属より卑であるため、耐腐食性で劣るものとなる。また、用いる用途によっては、密着層と金属膜との間の電位差により起電力が生じることが問題となる。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、セラミックス製の構造体の表面に、目的とする金属のみから構成した金属膜が、高い密着性を有して形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る金属膜形成方法は、セラミックス製の構造体の表面の凹部に金属の粉体が分散したペーストを塗布して凹部をペーストで充填する第１工程と、凹部に充填されているペーストを焼成して凹部を金属からなる金属層で充填する第２工程と、凹部が金属層で充填されている構造体の表面に、ペーストを塗布してペースト膜を形成する第３工程と、ペースト膜を焼成して構造体の表面に金属からなる金属膜を形成する第４工程とを備える。
【０００９】
上記金属膜形成方法の一構成例において、第１工程は、構造体の表面にペーストを塗布し、凹部に充填されているペーストを残して構造体の表面に塗布されたペーストを除去する。
【００１０】
上記金属膜形成方法の一構成例において、第１工程は、構造体の表面に塗布されたペーストを掻き取ることで、凹部に充填されているペーストを残して構造体の表面に塗布されたペーストを除去する。
【００１１】
上記金属膜形成方法の一構成例において、第１工程は、構造体の表面に塗布されたペーストを拭き取ることで、凹部に充填されているペーストを残して構造体の表面に塗布されたペーストを除去する。
【００１２】
上記金属膜形成方法の一構成例において、金属は、白金族金属である。
【００１３】
上記金属膜形成方法の一構成例において、金属は、白金である。
【００１４】
上記金属膜形成方法の一構成例において、金属は、白金を含む合金である。
【００１５】
上記金属膜形成方法の一構成例において、構造体は、アルミナセラミックス製である。
【００１６】
本発明に係る部品は、セラミックス製の構造体と、上述した金属膜形成方法によって構造体の表面に形成された金属膜とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、構造体の表面の凹部にペーストを充填し、これを焼成して凹部を金属層で充填してから、この構造体の表面にペーストを塗布するようにしたので、セラミックス製の構造体の表面に、目的とする金属のみから構成した金属膜が、高い密着性を有して形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る金属膜形成方法を説明するためのフローチャートである。
【図２Ａ】図２Ａは、セラミックスの表面の状態をレーザー顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、構造体１０１の表面の凹部１２１にペースト層１０２ａが充填されている状態をレーザー顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、凹部１２１が金属層１０２ｂで充填されている状態をレーザー顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図３】図３は、従来の方法で構造体１０１の表面に金属膜２０２を形成した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る金属膜形成方法について図１を参照して説明する。まず、塗布工程Ｓ１０１で、図１の（ａ）に示すように、セラミックス製の構造体１０１の表面に、金属の粉体（粉末）が分散したペーストを塗布してペースト膜１０２を形成する。金属は、例えば白金である。
【００２０】
ペーストは、例えば、平均粒径４００〜８００ｎｍの白金粉体が、タップ密度９．０〜１２．０（ｇ／ｃｍ3）程度で、エチルカルビトールなどの溶媒に分散させたものである。ペーストは、例えば、田中貴金属工業株式会社製「TR-7091T」である。なお、金属は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムなどの白金族金属である。また、金属は、白金を含む合金から構成することもできる。また、金属は、金、銀などの貴金属とすることもできる。また、金属は、クロム、コバルト、ニッケル、チタン、および銅などの遷移金属とすることもできる。
【００２１】
構造体１０１は、例えば、アルミナセラミックス製である。アルミナセラミックスは、例えば、京セラ株式会社製の「A601D」、「A480S」、西村陶業株式会社製の「N-99」、「N-999」である。また、構造体１０１は、ジルコニアやチタン酸バリウムの酸化物系セラミックスから構成することもできる。また、構造体１０１は、炭化珪素や炭化ホウ素などの炭化物系セラミックスから構成することもできる。また、構造体１０１は、窒化珪素や窒化ホウ素などの窒化物系セラミックスから構成することもできる。
【００２２】
次に、充填工程Ｓ１０２で、図１の（ｂ）に示すように、構造体１０１の表面の凹部１２１に充填されているペースト層１０２ａを残して構造体１０１の表面に塗布されたペーストを除去し、凹部１２１がペースト層１０２ａで充填された状態とする（第１工程）。よく知られているように、セラミックスの表面は、セラミックスの焼成粒子の間などに形成される、μｍ単位の径および深さの多数の凹部を備えている。この状態をレーザー顕微鏡で観察した結果を図２Ａに示す。凹部１２１は、このようなセラミックス表面の凹部である。また、図１の（ｂ）に示す、構造体１０１の表面の凹部１２１にペースト層１０２ａが充填されている状態をレーザー顕微鏡で観察した結果を図２Ｂに示す。なお、この除去において、凹部１２１以外の構造体１０１の表面に、凹部１２１の深さより薄いペーストの層が残っていてもよい。
【００２３】
例えば、ドクターブレードやスキージなどを用い、構造体１０１の表面に塗布されたペースト膜１０２を掻き取ることで、凹部１２１に充填されているペースト層１０２ａを残して構造体１０１の表面に塗布されたペースト膜１０２を除去する。また、布や刷毛などを用い、構造体１０１の表面に塗布されたペースト膜１０２を拭き取ることで、凹部１２１に充填されているペースト層１０２ａを残して構造体１０１の表面に塗布されたペースト膜１０２を除去することもできる。
【００２４】
なお、上述では、構造体１０１の表面にペーストを塗布し、凹部１２１に充填されているペースト層１０２ａを残して構造体１０１の表面に塗布されたペーストを除去しているが、これに限るものではない。セラミックス製の構造体１０１の表面の凹部１２１がペースト層１０２ａで充填された状態が得られればよく、例えば、低粘度としたペーストをごく薄く塗布することで、主に凹部１２１にペースト層１０２ａが充填される状態とすることもできる。また、インクジェット式の塗布のように、所定のノズルを用いて微滴化したペーストを、凹部に選択的に吹き付けることで、凹部をペーストで充填することもできる。
【００２５】
次に、金属層充填工程Ｓ１０３で、凹部１２１に充填されているペースト層１０２ａを焼成し、図１の（ｃ）に示すように、凹部１２１を金属層１０２ｂで充填する（第２工程）。例えば、温度条件１３００〜１５００℃で焼成する。図１の（ｃ）に示す凹部１２１が金属層１０２ｂで充填されている状態をレーザー顕微鏡で観察した結果を図２Ｃに示す。
【００２６】
次に、ペースト膜形成工程Ｓ１０４で、図１の（ｄ）に示すように、凹部１２１が金属層１０２ｂで充填されている構造体１０１の表面に、ペーストを塗布してペースト膜１０３を形成する（第３工程）。
【００２７】
次に、金属膜形成工程Ｓ１０５で、ペースト膜１０３を焼成し、図１の（ｅ）に示すように、構造体１０１の表面に金属膜１０４を形成する（第４工程）。この焼成により、ペースト膜１０３を焼成することで形成された金属層と、すでに形成されている金属層１０２ｂとが一体となった金属膜１０４が形成される。
【００２８】
以上のことにより、セラミックス製の構造体１０１と、上述した金属膜形成方法によって構造体１０１の表面に形成された金属膜１０４とを備える部品が得られる。なお、この部品は、塗布工程Ｓ１０１，充填工程Ｓ１０２，金属層充填工程Ｓ１０３、ペースト膜形成工程Ｓ１０４、金属膜形成工程Ｓ１０５（第１工程〜第４工程）を経ることで得られる金属膜１０４を備えるものである。この形成方法により、セラミックス製の構造体１０１の表面に、高い密着性を有して金属膜１０４が形成されるようなる。ここで、本発明の部品を構成する金属膜１０４は、ペーストに分散していた金属粉体が融着（融解）して一体となった金属から構成されたものであることは明らかである。
【００２９】
しかしながら、いわゆる粉末冶金法により一体に形成された上記金属膜と、スパッタ法や真空蒸着法などの他の成膜方法により形成した金属膜とを、現時点の分析技術で完全に区別することは、不可能であると考えられる。したがって、本発明の部品について、本発明の効果に寄与する構成を明確に特定するなどして、部品をその構造または特性により直接特定することは、おおよそ実際的ではないと考えられる。
【００３０】
次に、本発明に至った経緯について説明する。アルミナセラミックス製の構造体の表面に、白金ペーストを塗布し、これを焼成して金属膜を形成すると、密着性は、初期の段階では何ら問題がなかった。よく知られているように、白金は、アルミナセラミックスに高い密着性を有している（非特許文献１，非特許文献２参照）。しかしながら、経時とともに金属膜が剥離する現象が確認された。このため、アルミナセラミックス製の構造体の表面に白金ペーストを塗布し、これを焼成して形成した金属膜について、沸騰水浸漬試験を実施したところ、ほぼ全てについて剥離が確認された。
【００３１】
上述した金属膜の剥離について、発明者らが鋭意に検討した結果、図１を用いて説明した塗布工程Ｓ１０１の後、ペースト膜１０２を焼成すると、図３に示すように、凹部１２１が金属で埋められることなく、金属膜２０２が形成されることが判明した。この状態をより詳細に検討した結果、ペーストの焼成により金属粉末が凝集・凝着し、凹部を埋めていたペーストの金属粉体が、凹部より表面側に引き出される現象が発生し、凹部が金属で埋められていない状態が発生するものとの見解に至った。
【００３２】
この見解に従うと、凹部が埋められていない状態では、金属膜と構造体表面との接触面積が減少しているため、密着性が低下するものと考えられる。また、凹部が埋められていない状態で沸騰水浸漬試験を実施すると、凹部に存在する気体の熱膨張などにより、金属膜と構造体表面との密着性が低下するものとも考えられる。これらの結果、沸騰水浸漬試験により、構造体より金属膜が剥離するものと考えた。
【００３３】
これに対し、前述した実施の形態によれば、まず、凹部１２１を金属層１０２ｂで充填し、この上にペースト膜１０３を形成して焼成し、金属膜１０４を形成したので、上述した現象が発生し得ない。この結果、凹部に空間が形成されることがなくなり、金属膜１０４と構造体１０１との接触面積が減少することがなく、密着性の低下が発生しなくなったものと考えられる。実際に、実施の形態の部品を対象として沸騰水浸漬試験を実施したところ、金属膜１０４の剥離は全く発生しなかった。これらの作用効果は、いずれの金属とセラミックスとの組み合わせにおいても同様に得られるものと考えられる。
【００３４】
以上に説明したように、本発明によれば、構造体の表面の凹部にペーストを充填し、これを焼成して凹部を金属層で充填してから、この構造体の表面にペーストを塗布するようにしたので、セラミックス製の構造体の表面に、目的とする金属のみから構成した金属膜が、高い密着性を有して形成できるようになる。
【００３５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１…構造体、１０２…ペースト膜、１０２ａ…ペースト層、１０２ｂ…金属層、１０３…ペースト膜、１０４…金属膜、１２１…凹部。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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