(57)【要約】【課題】  焼結金属系のノズル部材においても、軸心に平行な貫通孔を容易かつ高精度に形成できるノズル部材の製造方法を提供すること。【解決手段】  軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材の製造方法において、原料粉末にバインダーと水又は有機溶媒とを配合した粘土状の混練体を得、その混練体を金属又は合金材料からなる線材とともに成形し、線材を軸心方向に包含したグリーン体を得、このグリーン体を加熱し、線材の材料をマトリックス中に浸透拡散させるか下方に溶融排出させることにより、貫通孔を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材の製造方法であって、
原料粉末にバインダーと水又は有機溶媒とを配合した混練体を得る工程と、
前記混練体を金属又は合金材料からなる線材とともに成形し、前記線材を軸心方向に包含したグリーン体を得る工程と、
前記グリーン体を前記線材の融点以上の温度で焼結し、この焼結の過程で前記線材を溶融させて前記グリーン体のマトリックス中に浸透拡散させることにより、前記貫通孔を形成する工程とを含むノズル部材の製造方法。
【請求項２】
前記原料粉末がモリブデン、タングステン又はその混合物からなり、前記線材が銀又は銅からなる請求項１に記載のノズル部材の製造方法。
【請求項３】
前記原料粉末が炭化タングステン、炭化モリブデン又はその混合物からなり、前記線材がコバルトからなる請求項１に記載のノズル部材の製造方法。
【請求項４】
前記原料粉末が炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化タンタルから選択される一種又は二種以上からなり、前記線材がニッケルからなる請求項１に記載のノズル部材の製造方法。
【請求項５】
軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材の製造方法であって、
原料粉末にバインダーと水又は有機溶媒とを配合した混練体を得る工程と、
前記混練体を前記原料粉末よりも融点の低い金属又は合金材料からなる線材とともに成形し、前記線材を軸心方向に包含したグリーン体を得る工程と、
前記グリーン体を軸心方向が鉛直になるようにセットして加熱し、前記線材を溶融させて下方に排出する工程と、
前記線材を溶融排出したグリーン体を焼結する工程とを含むノズル部材の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のノズル部材の製造方法によって製造されたノズル部材であって、気孔率が１５％以下で、内在する空孔が密閉空孔で通気性が無いノズル部材。
【請求項７】
貫通孔の直径寸法が３０μｍ以上で、かつ貫通孔相互間の直径寸法のバラツキが５μｍ以内である請求項６に記載のノズル部材。
【請求項８】
軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材であって、前記貫通孔の周囲のマトリックスに当該マトリックスとは異材質の金属又は合金材料が浸透拡散しているノズル部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、気体や液体等の流体の放出や噴射あるいは真空吸引等のために軸心に平行な貫通孔を有するノズル部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  流体の放出や噴射あるいは真空吸引等のために使用されるノズル部材において、流体通路となる貫通孔は、その直径寸法公差が小さく高精度であり、しかも貫通孔内壁面の面粗度が小さいことが望まれる。【０００３】  従来、ノズル部材の貫通孔は、ドリルによる孔開け加工により形成するのが主流であるが、ドリル加工ではノズル部材に一つ一つ個別に孔開けを行わなければならないために非効率的であり、加工された貫通孔の寸法公差にもバラツキがあり、寸法精度の面でも十分ではなかった。【０００４】  これに対して、本発明者らは特許文献１において、ドリル加工によらず複数の貫通孔を高精度で同時に形成できるノズル部材の製造方法を提案した。この製造方法は、セラミックス製のノズル部材を対象としたが、ノズル部材を急熱あるいは急冷するような条件に用いる場合にはセラミックス製であると熱衝撃割れを起こす場合があり、熱衝撃割れの対策として、耐熱衝撃性を有する焼結金属系のノズル部材を開発する必要が生じた。【０００５】  焼結金属系のノズル部材の製造方法としては、従来、特許文献２及び３の製造方法が知られている【０００６】  特許文献２の製造方法は、その段落００１１に記載されているように、細長いワイヤーの周りに粉末状の金属を充填し、金属の焼結後にワイヤーを引き抜くことによって、ワイヤーが配置されていた位置にワイヤーと同一寸法の細孔（貫通孔）を形成し、更には軸方向に延伸することにより細孔を形成するものである。また、ワイヤーの代わりにろうを用いて、ワイヤー状のろうの周りに粉末状の金属を充填し、金属の焼結後にろうを溶かして除去することによって、同様に細孔を形成するものである。【０００７】  しかし特許文献２の製造方法では、ワイヤー又はワイヤー状のろうの周りに粉末状の金属を充填する作業が困難であり、かつワイヤー又はワイヤー状のろうを包含したまま焼結するので、その焼結により、ワイヤー又はワイヤー状のろうの周りの金属とワイヤー又はワイヤー状のろうとの焼結結合や拡散結合あるいは親和性による密着力が生じ、ワイヤーを引き抜くこと、及びワイヤー状のろうを溶融除去することが非常に困難となる。【０００８】  特許文献３にも、その段落００３８乃至段落００４０にワイヤーを溶融除去することで貫通孔を形成する方法が記載されているが、特許文献３では焼結後にワイヤーを溶融除去するので、上記特許文献２と同様に、焼結時の焼結結合や拡散結合あるいは親和性による密着力、更には融着等によりワイヤーを完全に溶融除去することは非常に困難となる。【０００９】  また、本発明者らによる上記特許文献１の製造方法において、合成樹脂又は炭素材料からなるフィラメントを使用し、そのフィラメントを包含したグリーン体を作製し、グリーン体の焼成過程でフィラメントを蒸発及び消失させる方法を、焼結金属系のノズル部材の製造に適用した場合、フィラメントの蒸発により生成する炭素成分が周りの金属と反応して炭化物となり、貫通孔部分の材質の変質、及び貫通孔の寸法精度の低下を招くという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００９／０１７１４１号
【特許文献２】特開２０００−２３７６３７号公報
【特許文献３】特開２００３−２１４３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  本発明が解決しようとする課題は、焼結金属系のノズル部材においても、軸心に平行な貫通孔を容易かつ高精度に形成できるノズル部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明のノズル部材の製造方法の第１の態様は、軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材の製造方法であって、原料粉末にバインダーと水又は有機溶媒とを配合した混練体を得る工程と、前記混練体を金属又は合金材料からなる線材とともに成形し、前記線材を軸心方向に包含したグリーン体を得る工程と、前記グリーン体を前記線材の融点以上の温度で焼結し、この焼結の過程で前記線材を溶融させて前記グリーン体のマトリックス中に浸透拡散させることにより、前記貫通孔を形成する工程とを含むノズル部材の製造方法である。【００１３】  この第１の態様において、グリーン体のマトリックスを構成する原料粉末と線材との材質の組合せは、その濡れ性及び親和性を考慮して、［原料粉末：モリブデン、タングステン又はその混合物、線材：銀又は銅］、［原料粉末：炭化タングステン、炭化モリブデン又はその混合物、線材：コバルト］あるいは［原料粉末：炭化チタン、炭化ニオブ及び炭化タンタルから選択される一種又は二種以上の炭化物、線材：ニッケル］とすることが好ましい。【００１４】  本発明のノズル部材の製造方法の第２の態様は、軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材の製造方法であって、原料粉末にバインダーと水又は有機溶媒とを配合した混練体を得る工程と、前記混練体を前記原料粉末の焼結開始温度よりも低い融点の金属又は合金材料からなる線材とともに成形し、前記線材を軸心方向に包含したグリーン体を得る工程と、前記グリーン体を軸心方向が鉛直になるようにセットして加熱し、前記線材を溶融させて下方に排出する工程と、前記線材を溶融排出したグリーン体を焼結する工程とを含むノズル部材の製造方法である。【００１５】  上記本発明のノズル部材の製造方法により、気孔率１５％以下で、内在する空孔が密閉空孔で通気性が無く、更には貫通孔の直径寸法が３０μｍ以上で、かつ貫通孔相互間の直径寸法のバラツキが５μｍ以内であるノズル部材を得ることができる。【００１６】  また、本発明の他の観点によれば、軸心に平行な貫通孔を少なくとも一個有するノズル部材であって、前記貫通孔の周囲のマトリックスに当該マトリックスとは異材質の金属又は合金材料からなる前記第１の態様における線材の材料成分が浸透拡散して貫通孔内面が緻密に焼結しているノズル部材が提供される。
【発明の効果】
【００１７】  １．各種金属あるいは合金材料の粉末をマトリックスとする焼結金属系のノズル部材において、貫通孔を容易かつ高精度に形成できる。したがって、安価で高性能の焼結金属系のノズル部材を提供できる。また、押出成形法によってグリーン体を作製することで、製造コストをより一層低減できる。【００１８】  ２．線材を溶融排出させることにより貫通孔を形成する場合には、線材がマトリックス（基材）と反応焼結する前に溶融排出されるので、貫通孔に線材が固着残留しない。【００１９】  ３．線材を浸透拡散させて形成した貫通孔では、その周囲のマトリックスの空孔に線材由来の金属又は合金が充満して貫通孔内面が緻密になるので、流体の通過に伴う流体抵抗による圧力損失を低減できる。【００２０】  ４．外形寸法のバラツキの少ない線材を使用したり、線材の外形寸法をコントロールしたりすることにより、貫通孔相互間の直径寸法のバラツキを小さくできる。【００２１】  ５．ノズル部材をセラミックス材料だけでなく金属あるいは合金材料更には超硬質合金材料で製造できることから、ノズル部材を組み込む流体用ノズルの保持部材料と相性の良いノズル部材を選定できる。【００２２】  ６．焼結金属系のノズル部材は、そのマトリックスが金属あるいは合金や超硬質合金で形成されているので、急冷急熱等による熱衝撃割れの発生を防止できる。【００２３】  ７．ノズル部材のマトリックスを金属の炭化物や硼化物などの非酸化物系セラミックスで形成することにより、ノズル部材を半導体製造設備内で使用したときに有害な酸素が発生することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】  本発明のノズル部材の製造方法に使用する押出成形用金型の構成を示す。
【図２】  本発明のノズル部材の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】  以下、実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２６】  ４５μｍの篩を通したステンレス（ＳＵＳ３１６）粉末１００質量部に対して押出成形用バインダーとして水溶性のバインダーを２５質量部加え、混練機で混練しながら純水を所定量加えて粘土硬度計で６程度の硬さの粘土状の混練体を作製した。【００２７】  一方、図１に示す押出成形用金型のノズルボディ１の軸心に配設した線材ガイド２のガイド孔２ａ（孔径０．５５ｍｍ）に、バックテンション機能を有する線材供給部３から直径０．５ｍｍの半田材料からなる線材４を７本挿通し、これらの線材４をノズルボディ１の下部に組み付けたオリフィス５の中を通してわずかに張力をかけた状態で押出準備を整えた。【００２８】  なお、バックテンション機能を有する線材供給部３は、ノズルボディ１の上端に一体的に設けられたテーパー状凹部３ａに、ノズル部材の貫通孔に対応する細孔を形成したネオプロピレンゴム等の弾性体３ｂの細孔に真空ガン等を利用して線材４を挿通した上でこの弾性体３ｂをセットし、締付キャップ３ｃにより締付代Ｘが零になる方向に閉め込むようにしたものである。これにより、弾性体３ｂの細孔が縮小して線材４を締め付けることによりバックテンションの強さを最適の状態に調整することができる。なお、押出成形用金型に圧入された混練体は、線材４が線材ガイド２内をオリフィス５方向に進行するので、ガイド孔２ａ内に入り込むことが防止される。【００２９】  次いで、上記の混練体を図示しないシリンダーから押出成形用金型に矢印方向に供給することにより、混練体と線材４はオリフィス５から丸棒状に押し出され、線材４を包含した状態の押出成形体Ｍを得た。【００３０】  この押出成形体Ｍを乾燥させ所定の長さに切断してノズル部材のグリーン体を得、このグリーン体を軸心方向が鉛直になるように専用の焼成用治具にセットし、非酸化性雰囲気炉（本実施例では水素雰囲気炉）にて、マトリックスであるステンレス粉末の焼結現象が実質的に進まず、線材４である半田材料が溶融する温度（本実施例では４００℃）で所定時間（本実施例では１時間）加熱することにより、線材４を構成する半田材料が溶融して自重により下方に排出される。これにより、線材４が排出されることにより形成された貫通孔を有する焼成用グリーン体を得た。【００３１】  この焼成用グリーン体は、未蒸発又は未分解の押出成形用バインダーを若干含有しているので、真空雰囲気炉で室温（常温）から加熱昇温しながら脱バインダー温度（約５００℃）を経由して、最終的には１３５０℃で２時間焼成して焼結した。これにより、図２に示すような外径寸法が３ｍｍ、貫通孔６ａの直径寸法が４２０μｍで、しかも貫通孔６ａ相互間の直径寸法のバラツキが２μｍ以内で、気孔率が１１％で連続空孔を含まず、内在する空孔が密閉空孔で通気性の無い焼結金属系のノズル部材が得られた。
【実施例２】
【００３２】  純度が９９．９％以上で平均粒子経が３μｍのタングステン粉末１００質量部に対して押出成形用バインダーとしてエタノールに可溶性のある液状のアクリル系ポリマーを固形分として３質量部と可塑剤及びエタノールを所定量加え、混練機で粘土状の混練体を作製した。【００３３】  次いで、実施例１で用いたのと同様の押出成形用金型の線材ガイドに直径５０μｍの銅線を７本挿通した上で、上記の混練体を実施例１と同じ要領で加圧シリンダーから押出成形用金型に矢印方向に供給することにより、銅線を包含したタングステンをマトリックスとする押出成形体を得た。【００３４】  この押出成形体を乾燥後、所定の長さに切断してノズル部材のグリーン体を得、このグリーン体を、溶融アルミナの粉砕粒子を敷き詰めたニッケル製ボートに並べ、水素雰囲気炉にて銅の融点以上の１１５０℃で９０分間焼結することにより、グリーン体中の銅線を溶融させ、その周りのタングステンのマトリックスに存在する空孔及び押出成形用バインダーが蒸発分解した隙間に完全に浸透拡散させた。これにより、銅線が配置されていた位置に貫通孔が形成されたノズル部材が得られた。すなわち、外径寸法が３．１ｍｍ、貫通孔の直径寸法が４５μｍで、しかも貫通孔相互間の直径寸法のバラツキが２μｍ以内で、気孔率が６％で通気性の無い焼結金属系のノズル部材が得られた。【００３５】  なお、本実施例では、マトリックスを構成する原料粉末としてタングステン粉末を使用したが、モリブデン粉末もタングステン粉末と同様に銅と非常に濡れ性が良いので、タングステン粉末に代えてモリブデン粉末あるいはタングステン粉末とモリブデン粉末の混合粉末を使用しても同様の効果が得られる。また、タングステン及びモリブデンに対しては、銀も銅と同様に濡れ性が良いので、線材として銅線に代えて銀線を使用して１０５０℃乃至１１００℃で焼結することにより同様の成果が得られる。
【実施例３】
【００３６】  平均粉末粒子径が３μｍ以下の炭化タングステン粉末１００質量部に対して押出成形用バインダーとして非酸化物系材料に適したセルローズ系の粉末状のバインダーを３質量部加えて粉体混合を行った後、所定量の純水を加えて混練機で混練しながら粘土状の混練体を作製した。【００３７】  次いで、実施例１で用いたのと同様の押出成形用金型の線材ガイドに直径５００μｍのコバルト線を１本挿通した上で、上記の混練体を実施例１と同じ要領で加圧シリンダーから押出成形用金型に矢印方向に供給することにより、コバルト線を包含した炭化タングステンをマトリックスとする押出成形体を得た。【００３８】  この押出成形体を所定の長さに切断してノズル部材のグリーン体を得、このグリーン体を黒鉛製の焼結皿に並べ、水素雰囲気炉にてコバルトの融点以上の１５２０℃で２乃至３時間焼結することにより、コバルト線が溶融してマトリックスに浸透拡散し、焼結助剤の作用効果を発揮して焼結が進み、その結果、コバルト線が配置されていた位置に直径４１０μｍの貫通孔が形成され、しかも気孔率が５％以下で微細な結晶組織からなるノズル部材が得られた。【００３９】  なお、本実施例では、原料粉末として炭化タングステン粉末、線材としてコバルト線を使用したが、炭化モリブデン粉末もコバルトに対して良好な濡れ性を示すことから、炭化タングステン粉末に代えて炭化モリブデン粉末あるいは炭化タングステン粉末と炭化モリブデン粉末の混合粉末を使用しても同様の効果が得られる。また、炭化タングステン粉末の一部を他の炭化物や窒化物及び硼化物の粉末で置換しても差し支えない。また、原料粉末として炭化チタン粉末、炭化ニオブ粉末及び炭化タンタル粉末から選択される一種又は二種以上を用い、線材としてニッケルを用いて本実施例と同様にノズル部材を製造することもできる。あるいはまた、窒化物や硼化物の粉末をマトリックスとして、これと濡れ性や親和性の良い金属又は合金線材を用いて本実施例と同様にノズル部材を製造することもできる。
【実施例４】
【００４０】  原料粉末として、純度が９９．９％以上で最大粉末粒子経が４５μｍ以下のチタン粉末１００質量部と、粉末粒子径が１μｍ以下の酸化チタン粉末及び酸化イットリウム粉末を各１質量部と、平均粒子径が０．５μｍのアルミナ粉末０．５質量部を計量し粉体混合を行った後、別途に押出成形用バインダーとして有機系溶媒に可能性の液状のバインダーを固形分換算量で８質量部計量して、上記各原料粉末とともに混練機に投入し、更に可塑剤と有機溶媒を所定量加えて混練しながら粘土状の混練体を作製した。【００４１】  次いで、実施例１で用いたのと同様の押出成形用金型の線材ガイドに直径０．５ｍｍの半田線を挿通した上で、上記の混練体を実施例１と同じ要領で加圧シリンダーから押出成形用金型に矢印方向に供給することにより、半田線を包含した状態の押出成形体を得た。【００４２】  この押出成形体を乾燥させ所定の長さに切断してノズル部材のグリーン体を得、このグリーン体を軸心方向が鉛直になるように専用の焼成用治具にセットし、真空雰囲気炉にて４００℃で９０分間加熱することにより、半田線が溶融して自重により下方に排出される。これにより、貫通孔を有する焼成用グリーン体を得た。【００４３】  この焼成用グリーン体を再度、真空雰囲気炉で常温から昇温しながら残存している押出成形用バインダーを完全に分解除去し、最終的に１４５０℃で２時間焼結することにより、貫通孔の直径寸法が４００μｍで、しかも、気孔率が１５％以下で連続空孔を含まない非通気性のチタン系ノズル部材が得られた。【００４４】  本実施例では、配合した酸化チタンと酸化イットリウム及びアルミナ成分が低融点化合物となって焼結促進剤として作用したことにより、比較的低温で焼結できたと考えられる。【００４５】  ここで、本実施例の原料粉末の一つであるチタン粉末は、酸素、窒素、炭素（一酸化炭素を含む）及び水素と非常に結合しやすいため、焼結は真空あるいはアルゴンガス雰囲気で行う必要がある。更にチタン粉末は非常に焼結が困難な材料であり、焼結に関する文献はほとんど開示されていない。したがって、金属粉末を原料として焼結金属材料を製造する方法として一般的に採用されている技術は、金属粉末を数ｔｏｎ／ｃｍ２（数百ＭＰａ）以上の金型成形圧力を用いて、でき得る限り高い密度の成形体を作製して焼結すること、あるいはシリンダー温度が１５０℃程度で射出圧力が数十ＭＰａで射出成形した後、焼結する方法が採用されており、これらの方法はいずれも高価な金型プレス成形機や射出成形機を必要とするので製造コストは非常に高価なものとなる。【００４６】  本発明によれば本実施例で示したように比較的に安価な設備で製造コストの安いチタン製のノズル部材を製造することができる。更に、本発明の各種材料からなる焼結金属製のノズル部材は、粘土状の混練体を押出成形する際の押出圧力が２０ＭＰａ以下の低圧で成形できるように混練体の硬さと成形圧力の関係を調整したところにも特徴を有するものである。特にチタン金属粉末に対しては、本実施例のように焼結助剤を使用するのが効果的であるが、近年開発されたプラズマ高速放電焼結装置を用いて焼結することにより粉末粒子相互間でプラズマ放電が発生して粉末粒子��互の焼結結合が促進される結果、焼結助剤なしで本実施例のようなチタン系ノズル部材を製造することができる。【００４７】  以上の実施例１乃至４では、線材を包含する成形体（グリーン体）を押出成形法により作製したが、スリップキャスト法によっても線材を包含する成形体（グリーン体）を作製することができる。また、実施例１乃至４において線材を除去したあとのグリーン体の焼結は、真空雰囲気や非酸化性雰囲気あるいは不活性雰囲気のうちからマトリックスの材料成分に適した雰囲気を選択して行えばよく、これにより、焼結金属、焼結合金あるいは非酸化物系のセラミックス（炭化物、窒化物及び硼化物）をマトリックスとする各種のノズル部材を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】  本発明は、紡糸用ノズル、半導体製造装置用等の流体放出用ノズル、真空吸引用ノズル、流体を加熱あるいは冷却する熱交換機用ノズル、その他各種の流体用ノズルのノズル部材に利用可能である。
【符号の説明】
【００４９】  １    ノズルボディ
２    線材ガイド
２    ガイド孔
３    線材供給部
３ａ  テーパー状凹部
３ｂ  弾性体
３ｃ  締付キャップ
４    線材
５    オリフィス
６    ノズル部材
６ａ  貫通孔
【図１】
2014133941.tif 000003
【図２】
2014133941.tif 000004