(57)【要約】【課題】  セラミックス部材が金属−セラミックス複合部材の凹部に隙間のない状態で嵌合されており、かつ、セラミックス部材にはクラックがない嵌合体とその製造方法を提供する。【解決手段】  セラミックス強化材からなるプリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス部材を嵌め込む嵌め込み工程と、前記ブリフォームと前記セラミックス部材との隙間にセラミックス強化材粉末を充填する工程と、前記プリフォームの細孔および前記充填したセラミックス強化材粉末の間隙に溶融金属を加圧下で浸透させる浸透工程と、を含むことを特徴とする嵌合体の製造方法。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との嵌合体であって、前記セラミックス部材は前記金属−セラミックス複合部材の表面に形成された凹部に金属−セラミックス複合材料層を介して隙間のない状態で嵌合されており、かつ、前記セラミックス部材にはクラックがないことを特徴とする嵌合体。
【請求項２】
セラミックス強化材からなるプリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス部材を嵌め込む嵌め込み工程と、前記ブリフォームと前記セラミックス部材との隙間にセラミックス強化材粉末を充填する工程と、前記プリフォームの細孔および前記充填したセラミックス強化材粉末の間隙に溶融金属を加圧下で浸透させる浸透工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の嵌合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、嵌合体及びその製造方法に関するもので、特に詳しくは、金属マトリックス中にセラミックス強化材を複合させてなる金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との嵌合体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材料の高靭性、高熱伝導とセラミックスの低熱膨張、耐摩耗性等を兼ね備えた金属−セラミックス複合材料が次世代を担う新素材として各方面から注目されている。
【０００３】
一方、このような金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材を高強度に一体化して接合させることにより特殊な機能を付与した接合体が、半導体製造装置用部材や液晶製造装置用部材として検討されてきている。
このような要求に答えるものとして、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材とをロウ材を介して接合した接合体とその接合方法が提案されている (例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−４８６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との接合方法では、ロウ材が接合層に介在するため使用温度を制限さるという課題があった。また、半導体製造装置のような真空雰囲気で使用する条件ではロウ材の成分が系内に不純物として拡散するため問題となる場合があった。
さらには、接合条件によっては、接合部に隙間が発生したり、接合したセラミックス部材にクラックが発生するという課題もあった。
【０００５】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材の接合方法が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材とのロウ材を用いない嵌合体であって、前記セラミックス部材が前記金属−セラミックス複合部材の凹部に隙間のない状態で嵌合されており、かつ、前記セラミックス部材にはクラックがない嵌合体とそ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】
【０００６】
前記した本発明の目的は、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との嵌合体であって、前記セラミックス部材は前記金属−セラミックス複合部材の表面に形成された凹部に金属−セラミックス複合材料層を介して隙間のない状態で嵌合されており、かつ、前記セラミックス部材にはクラックがないことを特徴とする嵌合体によって達成される。
【０００７】
また、セラミックス強化材からなるプリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス部材を嵌め込む嵌め込み工程と、前記ブリフォームと前記セラミックス部材との隙間にセラミックス強化材粉末を充填する工程と、前記プリフォームの細孔および前記充填したセラミックス強化材粉末の間隙に溶融金属を加圧下で浸透させる浸透工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の嵌合体の製造方法によって達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の嵌合体及びその製造方法であれば、ロウ材を用いなくても金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材とを嵌め合わせて接合することが可能になった。
したがって、嵌合体の使用温度を制限されたり、または、半導体製造装置のような真空雰囲気で使用する条件においてロウ材の成分が系内に不純物として拡散するという問題もなくなり、用途が拡大できるという効果がある。
さらには、セラミックス部材が金属−セラミックス複合部材の凹部に隙間のない状態で嵌合されており、かつ、セラミックス部材にはクラックがない嵌合体とその製造方法を提供できる。したがって、セラミックス部材と金属−セラミックス複合部材との嵌合強度に優れ、かつ、信頼性に優れた嵌合体が得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明では、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との嵌合体であって、前記セラミックス部材は前記金属−セラミックス複合部材の表面に形成された凹部に金属−セラミックス複合材料層を介して隙間のない状態で嵌合されており、かつ、前記セラミックス部材にはクラックがないことを特徴とする嵌合体を提案している。
【００１０】
ここで、本発明の金属−セラミックス複合部材の強化材として使用するセラミックスとしては、炭化けい素、酸化アルミニウム、ほう酸アルミニウム、炭素のいずれかを用いることが機械的および熱的特性および信頼性面から好ましい。
また、マトリックス金属は、アルミニウム、マグネシウム、またはそれらの合金であることが機械的および熱的特性および信頼性面から好ましい。
【００１１】
次に、本発明のセラミックス部材の素材としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化けい素、炭化けい素、酸化ジルコニウムのいずれかであることが、金属−セラミックス複合部材との合性よび機械的および熱的特性および信頼性面から好ましい。
ここで、本発明のセラミックス部材を選定するに際しては、セラミックス部材と金属−セラミックス複合部材との熱膨張係数の値の差が１０×１０-6／℃以内となるように設計することで、製造時に両部材の熱収縮の差による歪を少なくすることができ、セラミックス部材にクラックを発生させなくするために好ましい。
【００１２】
次に、本発明の嵌合体において、セラミックス部材は前記金属−セラミックス複合部材の表面に形成された凹部に金属−セラミックス複合材料層を介して隙間のない状態で嵌合されているとは、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材（以下に、両部材と呼ぶ場合がある。）との嵌合部に空孔や空隙等の隙間がない状態、即ち、両部材の隙間にはセラミックス強化材粉末の間隙に溶融金属が浸透して形成された金属−セラミックス複合材料層が介在した状態であり、両部材が実質的に隙間がなく連続的に嵌合されていることを意味している。
【００１３】
次に、セラミックス部材にはクラックがない嵌合体とは、セラミックス部材には目視可能なクラックだけでなく、微小なクラックもなく、実質的にクラックがない状態を意味している。
【００１４】
ここで、本発明の実施の形態に係る嵌合体の模式的な平面図と断面図を図１と図２にそれぞれ示した。
本発明の嵌合体１は、金属−セラミックス複合部材２とセラミックス部材３との嵌合体であって、前記セラミックス部材は前記金属−セラミックス複合部材の表面に形成された凹部に金属−セラミックス複合材料層４を介在として隙間のない状態で嵌合されている。
【００１５】
ここで、本発明における、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との間に介在する前記金属−セラミックス複合材料層の厚みが、０．５〜３ｍｍであること好ましい。
ここで、金属−セラミックス複合材料層の厚みが、０．５ｍｍ以上とする理由は、プリフォームにセラミックス部材を嵌め合わせて溶融金属を浸透する際には、溶融金属の温度まで加熱されるが、このときに緻密なセラミックス部材の方が熱膨張係数が大きいために寸法変化がより大きくなるので、この寸法変化量の差を吸収できるように隙間（この隙間には、セラミックス強化材粉末を充填しているので、溶融金属が浸透後には、金属−セラミックス複合材料層となる。）が要求されるからである。
また、浸透後に溶融金属が冷却するが、金属は熱膨張係数がセラミックスおよび金属−セラミックス複合材料よりも大きいため、冷却時の収縮量が大きい。したがって、セラミックスおよび金属−セラミックス複合材料の界面近傍には引張応力が発生し、クラックの原因となる可能性がある。この引張応力によってクラックが発生しないように鋭意検討したところ、両部材の間の隙間は３ｍｍ以内（金属−セラミックス複合材料層の厚みに相当する。）とすればクラックが発生することがないことを見出した。
【００１６】
次に、セラミックス強化材からなるプリフォームに凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部にセラミックス部材を嵌め込む嵌め込み工程と、前記ブリフォームと前記セラミックス部材との隙間にセラミックス強化材粉末を充填する工程と、前記プリフォームの細孔および前記充填したセラミックス強化材粉末の間隙に溶融金属を加圧下で浸透させる浸透工程と、を含むことを特徴とする前記の嵌合体の製造方法を提案している。
【００１７】
ここで、セラミックス強化材からなるプリフォームの製造方法としては、公知の方法が用いられる。すなわち、所定の充填状態が得られるように粒度を調製したセラミックス強化材に分散剤やバインダー等を混合し、この混合物を鋳込み成形、加圧成形など種々の方法で成形して、所望のセラミックス含有率を有するプリフォームが得られる。
【００１８】
ここで、プリフォームの表面に凹部を形成する方法としては、予め凹部のある型を使用して鋳込み成形、加圧成形など種々の方法により凹部を形成しても良いし、得られたプリフォームに公知の方法で研削加工して凹部を後工程にて形成しても良い。
この際に、プリフォームに形成する凹部の内寸は、セラミックス部材の嵌合を容易ならしめるために、セラミックス部材の断面外寸より０．５ｍｍ以上大きくすることが好ましい。
また、プリフォームに形成する凹部の深さは、次工程でプリフォームをジグに固定することが可能なように、セラミックス部材の厚さ以上に深くすることが好ましい。
【００１９】
次に、凹部にセラミックス部材を嵌め込み、前記ブリフォームと前記セラミックス部材との隙間にセラミックス強化材粉末を充填する。ここで、セラミックス強化材粉末の充填には、公知の方法が用いられる。即ち、セラミックス強化材粉末を振動を加えながら充填したり、セラミックス強化材粉末に水を加えてペースト状にして流し込んで充填しても良い。
【００２０】
次に、前記プリフォームの細孔および前記充填したセラミックス強化材粉末の間隙に溶融金属を加圧下で浸透させることにより、本発明の嵌合体を製造することができる。
【００２１】
以下に、本発明について、Ａｌ−ＳｉＣ複合部材とアルミナセラミックス部材との嵌合体を例として詳細に説明する。
（１）プリフォームの作成
ＳｉＣ強化材の充填率が７０％となるプリフォームを以下に示すように沈降成形法で作製した。  すなわち、＃１８０（平均粒径６６μm）の市販ＳｉＣ粉末７０質量部と＃８００（平均粒径１４μm ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部に対して、バインダーとしてコロイダルシリカを１０質量部、消泡材としてサンノプコ社製のフォーマスタＶＬ（商品名）を０.２質量部を添加し、更にイオン交換水を２４質量部加え、ポットミルで１２時間混合して、スラリーとした。このスラリーを、ゴム型に流し込み、それを２４時間静置し、ＳｉＣ粉末を沈殿させ、上済み液を布などで除去した後に、この成形体を冷凍庫で冷凍させてから脱型し、１０００℃で焼成して、大きさ４００ｍｍ×４００ｍｍ×厚さ３０ｍｍのＳｉＣ強化材からなるプリフォームを得た。
【００２２】
（２）凹部の形成とセラミックス部材の嵌め込み  
次に、得られたプリフォームの中央表面に、後記するようにセラミックス部材の断面寸法より大きい正方形で深さ１０ｍｍの凹部をエンドミルで生加工により掘り込んだ。
次に、４２０ｍｍ×４２０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの鉄板に厚み０．０８ｍｍのカーボンシートを敷いた上に前記プリフォームを凹部が上面になるように載置し、大きさ２００ｍｍ×２００ｍｍ×深さ１０ｍｍのアルミナセラミックス板を嵌め込んだ。
さらに、前記ブリフォームと前記アルミナセラミックス板との隙間にＳｉＣ強化材粉末ペーストを充填した。
【００２３】
（３）加圧浸透工程
次に、プリフォームおよびアルミナ板を鉄板ごと恒温槽に入れ、６００℃で加熱した。
次に、前記プリフォームをφ６００ｍｍの金型に入れてプレス機にセットし、予め７５０℃に加熱して溶融させたアルミニウム合金を金型内部に流し込んだ。プレス機の圧力が２０ＭＰａとなるように加圧し、３分間保持した。
プレス品（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とアルミナ板の嵌合体の周囲にＡｌ合金が付着したもの）を取り出して余剰のＡｌ合金を加工によって除去し、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とアルミナ板との嵌合体が得られた。
【００２４】
（４）クラック等の評価
このようにして、プリフォームに形成する凹部の大きさを変化させて、嵌合体のアルミナ板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の間隔（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料層の厚みに相当する。）を変化させて、得られた嵌合体における両部材の隙間の状態と、セラミックス部材のクラックの発生状況を目視観察した。表１にＡｌ−ＳｉＣ複合材料層の厚みと、両部材間の隙間の発生状況と、アルミナセラミックス部材のクラックの発生状況との関係をまとめて示した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１の結果から、Ａｌ−ＳｉＣ複合部材とアルミナセラミックス部材との間に介在するＡｌ−ＳｉＣ複合材料層の厚みが、３ｍｍ以下であると、両部材の間にはＡｌ−ＳｉＣ複合材料層が緻密に充填し、実質的に隙間のない状態で嵌合されていた。また、アルミナセラミックス部材には、実質的にクラックは観察されなかった。
一方、Ａｌ−ＳｉＣ複合部材とアルミナセラミックス部材との間に介在するＡｌ−ＳｉＣ複合材料層の厚みが、３ｍｍを超えて大きくなると、両部材の間には隙間が発生し、かつ、セラミックス部材には、微小なクラックが多数観察された。
【００２７】
以上の結果から、本発明に係る嵌合体において、両部材の間の隙間の発生とセラミックス部材のクラックの発生は、金属−セラミックス複合部材とセラミックス部材との間に介在する金属−セラミックス複合材料層の厚みが深く影響していて、金属−セラミックス複合材料層の厚みが３ｍｍ以下であることが好ましいことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る嵌合体の模式的な平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る嵌合体の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１；嵌合体 
２；金属−セラミックス複合部材
３；セラミックス部材
４；金属−セラミックス複合材料層
【図１】
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【図２】
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