(57)【要約】【課題】 酸化物セラミックスの強度、耐熱衝撃特性、耐摩耗性を向上させると共に、部品の加工製造の際発生する表面亀裂を治癒することができる簡単で安い表面改質方法を提供する。また、上記した表面改質方法によって処理された酸化物セラミックスを提供する。【解決手段】 本発明の酸化物セラミックスの表面改質方法は、1000〜1700℃の温度で酸化物セラミックス及びガラスを電気炉などの加熱手段を利用して数秒ないし数時間熱処理する段階を含む。本発明の酸化物セラミックスの表面改質方法は、少ない費用と簡単な工程によって酸化物セラミックスの強度、耐熱衝撃特性、耐摩耗性を向上させる効果を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物セラミックスの表面にガラス成分を塗布する段階と、
酸化物セラミックス及びガラス成分を１０００〜１７００℃の温度で数秒ないし数時間熱処理する段階と、
を含むことを特徴とする酸化物セラミックスの表面改質方法。
【請求項２】
前記ガラスは、酸化物セラミックスに比べて熱膨張係数が小さいことを特徴とする請求項１に記載の酸化物セラミックスの表面改質方法。
【請求項３】
前記ガラスは、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ3、及びＳｉＯ２を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の酸化物セラミックスの表面改質方法。
【請求項４】
前記酸化物セラミックスは、アルミナ系セラミックスであって、熱処理温度は１５００℃で、熱処理時間は５〜３００分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化物セラミックスの表面改質方法。
【請求項５】
前記酸化物セラミックスは、ジルコニア系セラミックスであって、熱処理温度は１４５０℃で、熱処理時間は５〜３００分であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化物セラミックスの表面改質方法 。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物セラミックスの表面改質方法を利用して表面改質された酸化物セラミックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱部品、耐摩耗部品及び半導体製造装備用部品などに使用されるアルミナ等の酸化物セラミックスの表面改質方法及び表面改質された酸化物セラミックスに関し、より詳細には、低熱膨張性を有するガラスを熱処理により酸化物セラミックスの表面に浸透させて表面を改質し、これにより、強度、耐熱衝撃特性、耐摩耗性が向上されると共に、加工による表面亀裂が治癒されるようにする酸化物セラミックスの表面改質方法及びこの方法によって製造された酸化物セラミックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
酸化物セラミックスは、金属原子と酸素原子との強いイオン結合により、硬度が高くて、耐酸化性、電気絶縁性、酸や薬品に対する耐食性、化学的安定性などが優れている。従って、電気絶縁性や高周波特性を利用したＩＣ基板などの電子機器部品、耐摩耗性や耐食性を利用したベアリングなどの産業機器部品、切削工具部品、特に、半導体製造工程中の熱処理工程に必要な周辺部品、多くの分野の産業で必要な耐熱部品及び雰囲気熱処理用チューブ類など、産業の全ての分野で幅広く利用されている。
【０００３】
代表的な酸化物セラミックスとしては、セラミック市場の半分近くを占めているアルミナ系セラミックス、そして高靭性セラミックとして注目されているジルコニア系セラミックスなどがある。
【０００４】
しかし、一般に、酸化物セラミックスは、固有の脆性破壊により表面に欠陥が存在する場合には材料の強度が低下し、一つの主な亀裂から急進的に破壊が起こる脆性破壊の可能性があり、製品や部品の信頼度を低くすることが短所であって、このような問題がセラミックスの応用における最も大きな問題となっている。
【０００５】
また、セラミックスは、その固有の脆弱性の為に部品を加工製造する時、部品の表面に亀裂が発生しやすく、これは品質不良率を上昇させ、結局、部品の価格上昇を招来する。
酸化物セラミックスの中で最も一般的なものであるアルミナ系セラミックスの場合は、酸化物セラミックスの一般的な問題以外にも強度が充分ではないという問題があり、尖端分野への応用が難しく、耐熱衝撃温度が充分ではないので２４０℃で急激に冷却する場合には破損される可能性が高いのみではなくて、耐摩耗特性が充分ではないので、さらに高い荷重条件で使用されるメカニカルシール素材として適合しない。
【０００６】
セラミックスの短所である脆性を最も効果的に克服した材料であるジルコニア系セラミックスは、優秀な強度と耐熱衝撃特性を持っているが、比重が高く、熱膨張が大きく、硬度が低くて、主な用途は常温用である。
【０００７】
また、ジルコニア系セラミックスは、セラミックスとしては極に大きな強度と破壊靭性を持っていて、これを浮き彫りにする破壊靭性の向上の研究が続いて来たが、現在、商品化された材料間の強度値の差が最大１００％以上である程、物性の偏差が大きいので、材料の可能性を充分に生かした信頼性のある設計はできないのが実情である。
【０００８】
このような酸化物セラミックスの短所を克服する為に、微細構造を制御して酸化物セラミックスを強化しようとする研究は数十年間進行して来た。特に、酸化物セラミックスの中で、ジルコニア系セラミックスは、主に破壊靭性の増加を目的として研究され、アルミナ系セラミックスは、粒子の大きさを小さくして欠陥大きさを減らしたり、第二相を添加したり、急冷の熱処理或いはＣｒ２Ｏ３などで表面層を置換したりして、表面に圧縮応力を形成させる強度向上に力を注いだ。
【０００９】
韓国特許登録第３２９１２０号（特許文献１参照）は、アルミナ系セラミックスの耐久性及び耐摩耗性を向上させる為に、Ｆeなどの添加剤を含む粉末成形体を相対的に酸素分圧の低い雰囲気(Ｎ２、９５Ｎ２−５Ｈ２、Ｈ２など)で焼結した後、それより酸素分圧の高い雰囲気(８０Ｎ２−２０Ｏ２、Ｏ２など)で熱処理する工程を開示している。
【００１０】
【特許文献１】韓国特許登録第３２９１２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、酸化物セラミックスの強度、耐熱衝撃特性、耐摩耗性を向上させると共に、部品の加工製造の際発生する表面亀裂を治癒することができる簡単で安い表面改質方法を提供しようとする。
【００１２】
本発明の他の目的は、上記した表面改質方法によって処理された酸化物セラミックスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、酸化物セラミックスの表面に、熱処理により、一般的に熱膨張係数が小さいガラスを浸透させて、これにより表面特性を改質して、上記した目的を達成しようとする発明である。
【００１４】
本発明の酸化物セラミックスの表面改質方法は、次の段階を含む。
酸化物セラミックスの表面にガラス粉末を塗布する段階と、
１０００〜１７００℃の温度で酸化物セラミックス及びガラス粉末を数秒ないし数時間熱処理する段階。
【００１５】
上記の熱処理時間は、製品の大きさ、形状、熱処理温度によって違うので、適切な時間の範囲を定めることは困難であるが、略数秒から１０時間程度が望ましく、熱処理装置は、一般的な電気炉などの一般加熱手段が使用される。
【００１６】
ガラスとは、ＳｉＯ２を基本とした多くの酸化物の複合体であって、一般に、熱膨張係数が酸化物セラミックスに比べて小さいので、本発明の目的に適合する物質であり、特に、ＭgＯ、Ａｌ２Ｏ３、及びＳｉＯ２を主成分にするガラスが本発明の目的に適合する。
本発明における論理的な根拠は、次のとおりである。
【００１７】
一般に、酸化物セラミックスは、高い融点を持つものと知られており、特に、アルミナは２０４６℃で溶融し、ジルコニアは２７００℃で溶融する。
【００１８】
これに対して、ガラスは組成によって違うが、１０００℃以上の温度で溶融するので、酸化物セラミックスにガラスを載置して、通常１０００℃以上の温度を加えると、ガラスは溶融して液状になり、酸化物セラミックスの表面層に浸透する。
【００１９】
浸透されたガラスによって、酸化物セラミックスの亀裂が埋まり、治癒されるので、強度が向上し、特に、母材である酸化物セラミックスに比べて熱膨張係数が小さいガラスを利用する場合は、常温で冷やす間に酸化物セラミックスの表面層に圧縮応力が発生し、この圧縮応力により、強度、耐熱衝撃特性、耐摩耗特性が向上される。
【００２０】
本発明の目的を達成する為に、ガラスではなくて他の金属を使用する場合、金属を溶かす為に熱処理を行う時、空気中では酸化物となるため適合しないだけではなく、このような酸化を防止する工程は費用が高くなる短所があるので、本発明の目的にはガラスが適合することが分かる。
【００２１】
次の実施例を通じて発明をもっと詳しく説明するが、本発明は次の実施例に限るものではない。
（実施例１）
【００２２】
低熱膨張ガラスの浸透によるアルミナ系セラミックスの表面改質
アルミナ系セラミックスを成形して１６５０℃で２時間くらい焼結した後、この焼結体を、高さ３mm、幅４mm、長さ４０mmの曲げ強度の試片として加工した。
【００２３】
上記試片の表面に、アルミナ系セラミックスより熱膨張係数が小さいＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、及びＳｉＯ２の組成のガラス片を載置して１５００℃の空気中で５〜３００分間熱処理した。その結果、図１に示したように、試片の表面の近くは、ガラスが浸透してアルミナ系セラミックスの粒子の間を埋めていることを確認することができた。（明るい部分はアルミナ系セラミックスであって、暗い部分が浸透されたガラスである。）
【００２４】
一方、試片の内部は、図２に示したように、ガラスが浸透できなかった。すなわち、ガラスは試片の表面付近のみに浸透し、浸透する深さは時間に従って増加することが分る。
（実施例２）
【００２５】
表面改質による強度向上
１５００℃で３０分間熱処理してガラスを浸透させた試片を、表面に付いているガラスを研削して除去した後、強度試験を行うと共に、比較例として、ガラスを浸透させていないアルミナ系セラミックスの試片の本来の強度も測定した。
【００２６】
強度測定は、ＩＳＯ１４７０４の規格に基づいて行ない、各々３０個の試片を測定して平均及び標準偏差を求めた。
【００２７】
表１は、アルミナ系セラミックスの本来の強度と、低熱膨張ガラスの浸透後の強度のデータを示したものである。
【表１】
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【００２８】
表１で示したように、ガラスを浸透させて表面を改質することにより強度が約５１％増加したことを確認することができる。
（実施例３）
【００２９】
表面改質による強度信頼性の向上
実施例２の方法でガラスを浸透させて表面を改質した試片の強度データと、比較例として、表面改質をしていない試片の強度とのデータをワイブルプロット（Ｗｅｉｂｕｌｌ  ｐｌｏｔ）した。その結果は、図３のようである。
【００３０】
ガラスを浸透させて表面を改質したアルミナ系セラミックスのワイブル係数（Ｗｅｉｂｕｌｌ  ｍｏｄｕｌｕｓ）が約２５であって、表面改質をしていないアルミナ系セラミックスのワイブル係数である約９より顕著に高かった。
【００３１】
これは、表面改質によって強度の信頼性が明らかに向上されることを示す。
（実施例４）
【００３２】
表面改質による耐熱衝撃特性の向上
実施例２の方法でガラスを浸透させて表面改質をした試片と、比較例としての表面改質をしていない試片とを、一定の温度で加熱した後、水で急冷して熱衝撃による亀裂が生成するかしないかを観察、比較した。
【００３３】
亀裂生成の可否の観察を容易にする為に、観察の直前、試片に染料を浸透させた。その結果は、図４に示したように、表面改質をした試片と、比較例としての表面改質をしていない試片との両方共、加熱温度が低いほど生成される亀裂が少ないことが分る。
【００３４】
しかし、表面改質をしていない試片は、２４０℃以上の温度で急冷すると、例外なしに亀裂が生成されるのに比べて、表面改質をした試片は、２７０℃から２８０℃までの温度で急冷しても亀裂が生成されないことを確認することができた。これは、表面改質によって耐熱衝撃特性が向上されたことを示す。
（実施例５）
【００３５】
低熱膨張ガラスの浸透によるジルコニアセラミックスの表面改質及び強度の向上
ジルコニアセラミックス焼結体を、高さ３mm、幅４mm、長さ４０mmの曲げ強度の試片として加工した。
【００３６】
試片の表面に、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、及びＳｉＯ２の組成のガラス片を載置し、１４５０℃の空気中で５〜３００分間熱処理を行った。熱処理を行ってガラスを浸透させた試片を、表面に付いているガラスを研削して除去した後、強度試験を行った。比較例として、ガラスを浸透させていないジルコニアセラミックスの試片の本来の強度も測定した。
【００３７】
強度測定は、ＩＳＯ１４７０４の規格に基づいて行ない、各々３０個ずつの試片を測定して平均及び標準偏差を求めた。ワイブル係数も求めた。
【００３８】
表２は、ジルコニアセラミックスの本来の強度と、低熱膨張ガラス浸透後の強度のデータと、ワイブル係数を表したものである。
【表２】
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【００３９】
表２で示したように、ガラスを浸透させて表面を改質することにより強度が約３７％増加したことを確認することができる。そして、ワイブル係数が増加したことを見ると、欠陥除去の効果があることが分る。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の酸化物セラミックス表面改質方法は、低費用と簡単な工程によって、強度が高くて耐熱衝撃特性及び耐摩耗特性が優秀であると共に、強度が均一となることにより素材及び部品の信頼性が向上されるのみではなく、亀裂を治癒することにより加工製造の時、不良率を減少させることができる効果を有する。従って、耐熱部品、耐摩耗部品及び半導体製造装備用部品など、広範囲な産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１で製造された本発明の試片の表面部位の微細構造である。
【図２】実施例１で製造された本発明の試片の内部の微細構造である。
【図３】ガラスを浸透させて表面を改質したアルミナ系セラミックスと、比較例として表面改質をしていないアルミナ系セラミックスの強度のデータに対するワイブルプロットである。
【図４】ガラスを浸透させて表面を改質したアルミナ系セラミックスと、比較例として表面改質をしなかったアルミナ系セラミックスを、加熱した後、水で急冷する時の温度による表面変化である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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