(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化材であるセラミックス粉末でプリフォームを形成し、そのプリフォームに溶融した金属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該セラミックス粉末が、Ｓｉ粉末を含むセラミックス粉末であり、そのセラミックス粉末で形成したプリフォームに窒素雰囲気中で７００℃以上の温度でアルミニウム合金を溶融して非加圧浸透法で浸透させることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス複合材料の製造方法に関し、特に熱膨張係数を制御できる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属の高靭性、高熱伝導性とセラミックスの高剛性、低熱膨張性を兼ね備えた材料として金属−セラミックス複合材料が注目されている。この材料の製造方法としては、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法などが従来から知られているが、強化材であるセラミックス粉末の含有量が制御できない、あるいは大型の加圧装置が必要である、ニアネット成形が困難であるなどの理由により、いずれも満足できず、またコストもかかるものであった。これら問題を解決した金属−セラミックス複合材料の製造方法として注目されているのが、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属浸透法（ＰｒｉｍｅｘTM）がある。
【０００３】
この製造方法は、ＳｉＣやＡｌ2Ｏ3などのセラミックス粉末で形成されたプリフォームにアルミニウム合金を接触させ、これをＮ2雰囲気炉中で７００〜９００℃の温度に加熱して溶融したアルミニウム合金を浸透させる方法であるが、これは、化学反応を利用してセラミックス粉末と溶融金属との濡れ性を改善し、機械的な加圧を行わなくてもプリフォーム中に浸透できるという特徴がある。本発明によれば、プリフォームの形状の自由度が高いので、かなり複雑な形状をニアネットで作ることも可能であり、かつ高価な加圧装置も不要であるので、設備費が少なくて済み、かつニアネットシェイプに成形して加工部分を減らせるので、コスト的にも有利である。
【０００４】
この製造方法では、作製された複合材料の熱膨張係数を変えるためには、セラミックス粉末の種類、形成するプリフォームの粉末充填率、浸透させるアルミニウム合金の組成を適宜選び、それらを組み合わせることにより変更していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、熱膨張係数の変更の幅に限界があるため、例えば、複合材料の表面に溶射等でセラミックス膜を形成した場合、常温ではその膜に剥離や亀裂が生じないが、加熱すると複合材料とセラミックス膜との熱膨張係数の違いにより熱膨張に差が出て膜に剥離や亀裂が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
また、基板を固定するチャックとして使用した場合、加熱下で使用するとやはり基板と複合材料との熱膨張の違いにより基板またはチャックにたわみが生じ、チャックとしての機能が低下するという問題もあった。
【０００７】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料の製造方法が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、熱膨張係数の変更の幅を従来より広くすることができる金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、プリフォーム中にＳｉ粉末を含ませれば、作製された複合材料の熱膨張係数をＳｉ粉末を含ませないものより小さくすることができるため、作製された複合材料の熱膨張係数の幅を広くすることができるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、
強化材であるセラミックス粉末でプリフォームを形成し、そのプリフォームに溶融した金属を浸透させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該セラミックス粉末が、Ｓｉ粉末を含むセラミックス粉末であり、そのセラミックス粉末で形成したプリフォームに窒素雰囲気中で７００℃以上の温度でアルミニウム合金を溶融して非加圧浸透法で浸透させることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【００１０】
上記で述べたように、金属−セラミックス複合材料の製造方法としては、セラミックス粉末をＳｉ粉末を含むセラミックス粉末とし、そのセラミックス粉末で形成したプリフォームに窒素雰囲気中で７００℃以上の温度でアルミニウム合金を溶融して非加圧浸透法で浸透させることとする金属−セラミックス複合材料の製造方法とした。
【００１１】
セラミックス粉末にＳｉ粉末を含ませたのは、ＳｉＣ粉末の場合には、その熱膨張係数が４×１０-6／℃で、Ａｌ2Ｏ3粉末の場合には、その熱膨張係数が７〜８×１０-6／℃で、ＡｌＮ粉末の場合には、その熱膨張係数が４〜５×１０-6／℃であるのに対し、Ｓｉ粉末の熱膨張係数は２．６×１０-6／℃といずれもセラミックス粉末より熱膨張係数が低いため、Ｓｉ粉末を含むセラミックス粉末で成した複合材料の熱膨張係数を下げることができることによる。
【００１２】
これにより、セラミックス粉末の種類、プリフォームの粉末充填率、アルミニウム合金の組成に加えて、セラミックス粉末に加えるＳｉ粉末の量を組み合わせることにより、作製した複合材料の熱膨張係数の変更する幅を広くすることができるようになり、かつ組み合わせが増えることにより、変更する精度が向上することとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の複合材料の製造方法をさらに詳しく述べると、先ずセラミックス粉末としてＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮなどのセラミックス粉末を用意する。これに加えてＳｉ粉末も用意する。用意したセラミックス粉末とＳｉ粉末とを目標に合わせて適宜組み合わせ、それを混合する。これに浸透促進剤としてＭｇ粉末を添加してもよい。
【００１４】
混合したセラミックス粉末を用いて目標の粉末充填率を有するプリフォームを形成する。その方法としては、慣用の方法を用いることができる。例えば、セラミックス粉末にバインダーを添加し、プレスにより成形する方法、セラミックス粉末にセラミックス粉末と反応を起こさない有機溶媒、無機バインダーを添加してスラリーとし、これを湿式フィルターなどにより成形する方法、あるいはセラミックス粉末を水などに分散させてスラリーとし、これをゴム型に注入し、セラミックス粉末を沈降させて成形するいわゆるセディメント法などがある。
【００１５】
得られたプリフォームに窒素雰囲気中で７００℃以上の温度で目標に合わせて選んだ組成を有するアルミニウム合金を溶融して非加圧浸透法で浸透させて複合材料を作製する。
【００１６】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料を作製すれば、作製された複合材料の熱膨張係数の幅を広くすることができるようになる。
【００１７】
【実施例】
以下本発明の実施例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１８】
（実施例１）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
市販の＃８００のＳｉＣ粉末３０質量％と市販の＃１８０のＳｉＣ粉末７０質量％を混合した粉末に、Ｓｉ粉末をＳｉＣ粉末に対して表１に示す割合で混合し、その混合粉末によって粉末充填率がＳｉＣ粉末＋Ｓｉ粉末で７０体積％のプリフォームを形成した。得られたプリフォームにＭｇを含むアルミニウム合金（ＡＣ９Ａ）を窒素雰囲気中で９００℃の温度で加熱処理して浸透させ、冷却して複合材料を作製した。
【００１９】
（２）評価
得られた複合材料の熱膨張係数をＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｅｃｈａａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）でＪＩＳ  Ｒ  １６１８により測定した。その結果を表１に示す。表１に示す通り、熱膨張係数はＳｉ粉末の増加するに従って連続的に減少していた。このことにより、セラミックス粉末の種類、プリフォームの粉末充填率、アルミニウム金属の組成に、さらにこのＳｉ粉末の量を組み合わせに加えることにより、熱膨張係数の幅を従来より広げることができることを示している。
【００２０】
（実施例２）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
市販の＃８００の電融アルミナ粉末３０質量％と市販の＃３２０の電融アルミナ粉末７０質量％を混合した粉末に、Ｓｉ粉末を電融アルミナ粉末に対して表１に示す割合で混合し、その混合粉末によって粉末充填率がＡｌ2Ｏ3粉末＋Ｓｉ粉末で６０体積％のプリフォームを形成した。得られたプリフォームにＭｇを含むアルミニウム合金（５０５６）を窒素雰囲気中で８００℃の温度で加熱処理して浸透させ、冷却して複合材料を作製した。
【００２１】
（２）評価
得られた複合材料の熱膨張係数を実施例１と同様に測定した。その結果を表１に示す。表１に示す通り、実施例１と同様熱膨張係数はＳｉ粉末の増加するに従って連続的に減少していた。このことにより、実施例１と同様セラミックス粉末の種類、プリフォームの粉末充填率、アルミニウム金属の組成に、さらにこのＳｉ粉末の量を組み合わせに加えることにより、熱膨張係数の幅を従来より広げることができることを示している。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の金属−セラミックス複合材料の製造方法であれば、セラミックス粉末の種類、プリフォームの粉末充填率、アルミニウム合金の組成に加えて、セラミックス粉末に含有するＳｉ粉末の量を組み合わせることにより、作製した複合材料の熱膨張係数の変更する幅を広くすることができるようになった。このことにより、複合材料の表面に溶射等でセラミックス膜を形成した場合、あるいは基板を固定するチャックとして使用した場合であっても、加熱下で使用しても問題なく使用できるようになり、この複合材料の用途が大きく広がった。