(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス表面に、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層と、ニッケルから成るめっき層と、ニッケルの含有率が８０乃至９５重量％でアルミニウムの含有率が５乃至２０重量％のニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層と、銅合金またはステンレスから成る第２溶射層とが順次被着されて成ることを特徴とするセラミックス積層体であって、前記４つの各層が互いに直に被着して、セラミックス表面に直に被着していることを特徴とするセラミックス積層体。
【請求項２】
前記セラミックスがアルミナセラミックスであり、かつモリブデン−マンガンから成るメタライズ層がシリカを含んで成ることを特徴とする請求項１記載のセラミックス積層体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックスの表面にメタライズ層を介して溶射法による金属層を被着させて成るセラミックス積層体であって、４つの各層が互いに直に被着して、セラミックス表面に直に被着していることを特徴とするセラミックス積層体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナセラミックス等のセラミックスは、剛性に優れ、軽量かつ低熱膨張性である等、構造材料としての優れた特性を有していることから、例えば半導体製造装置等に使用される精密部材への適用が試みられている。
【０００３】
しかしながら、セラミックスは一般に焼成時に不均一な焼成収縮を伴うことから、その寸法ばらつきが大きいという問題点を有している。
【０００４】
この問題点を解決するために、セラミックスを研削加工等により精密加工して所定寸法の精密部材を得ることも考えられるが、セラミックスは極めて固いことから、加工に長時間を要するとともに加工工具の摩耗も著しいため加工の効率が極めて悪いものとなってしまう。また、セラミックスは脆い性質を有していることから、加工時に精密部材に欠けやクラック・割れ等が発生し易い。
【０００５】
そこで、セラミックスの表面に例えば銅合金やステンレスから成る金属層を溶射法により被着させ、この銅合金やステンレスから成る溶射皮膜を研削加工等により精密に加工することによりセラミックスを主体とした所定寸法の精密部材を得る方法が提案されている。
【０００６】
なお、従来、セラミックスの表面に銅合金やステンレスから成る金属層を溶射法により被着させるには、セラミックスの表面に例えば銀−銅−チタン等のメタライズ層を被着させるとともにこのメタライズ層の表面を例えばショットブラスト法により粗化し、この粗化されたメタライズ層の表面に銅合金やステンレス等の金属層を溶射法により被着させる方法が採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにセラミックスに被着された銀−銅−チタン等のメタライズ層の表面に銅合金やステンレスから成る金属層を溶射法で被着させたセラミックス表面の溶射皮膜の場合、アルミナセラミックス等のセラミックスの熱膨張係数が約７×10-6／℃であるのに対して銀−銅−チタンや銅合金・ステンレスの熱膨張係数が15〜20×10-6／℃程度と大きく異なることから、これらのセラミックスおよび金属が例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されると、セラミックスと銀−銅−チタンから成るメタライズ層および銅合金やステンレスから成る溶射層との熱膨張係数の相違に起因してこれらの間に大きな熱応力が繰り返し印加され、その結果、銅合金やステンレスから成る溶射層とセラミックスとの接合強度が弱いものとなり、僅かな外力等により銅合金やステンレスから成る溶射層がセラミックスから剥離してしまうという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、セラミックスと銅合金やステンレスから成る溶射層とが強固に接合され、例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されたとしても、僅かな外力等により両者が容易に剥離することのないセラミックス積層体であって、４つの各層が互いに直に被着して、セラミックス表面に直に被着していることを特徴とするセラミックス積層体を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス積層体は、セラミックス表面に、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層と、ニッケルから成るめっき層と、ニッケルの含有率が80乃至95重量％でアルミニウムの含有率が５乃至20重量％のニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層と、銅合金またはステンレスから成る第２溶射層とが順次被着されて成り、さらに４つの各層が互いに直に被着して、セラミックス表面に直に被着していることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のセラミックス積層体によれば、セラミックス表面に、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層と、ニッケルから成るめっき層と、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層と、銅合金またはステンレスから成る第２溶射層とが順次被着されて成ることから、各層を互いに良好に接合させることができるとともにセラミックスと銅合金またはステンレスから成る第２溶射層との熱膨張係数の相違に起因する熱応力を効果的に吸収緩和させることができるものとなり、これが例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されても銅合金またはステンレスから成る第２溶射層が僅かな外力等によりセラミックスから容易に剥離するようなことはない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明のセラミックス積層体を添付の図面を基に説明する。
【００１２】
図１は本発明のセラミックス積層体の実施の形態の一例を示す部分拡大断面図であり、１はセラミックス、２はモリブデン−マンガンから成るメタライズ層、３はニッケルから成るめっき層、４はニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層、５は銅合金またはステンレスから成る第２溶射層である。
【００１３】
セラミックス１は、例えばアルミナセラミックスからなり、アルミナ・シリカ・マグネシア・カルシア等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤等を添加混合して調整するとともに、これを例えば従来周知のプレス成形法により所定形状の生セラミック成形体とし、この生セラミック成形体を約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１４】
そして、セラミックス１の表面には、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２が被着されている。
【００１５】
モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２は、モリブデン粉末およびマンガン粉末を含有する金属ペーストをセラミックスの表面に塗布するとともにこれを高温で焼成することによってモリブデン−マンガンからなる金属皮膜をセラミックス表面に焼き付けたものである。
【００１６】
このモリブデン−マンガンから成るメタライズ層２は、銅合金またはステンレスからなる第２溶射層５をニッケルから成るめっき層３およびニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４を介してセラミックス１に接合させるための下地金属皮膜として機能し、セラミックス１に強固に被着するとともにその表面にはニッケルから成るめっき金属層３が強固に被着される。そしてその熱膨張係数が約７×10-6／℃程度である。
【００１７】
この場合、セラミックス１の表面に被着されたモリブデン−マンガンから成るメタライズ層２は、その熱膨張係数が約７×10-6／℃であり、セラミックスの熱膨張係数に近似することから、セラミックス１とメタライズ層２との間に大きな熱応力が発生することはなく、従って本発明のセラミックス表面の溶射皮膜が例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されたとしてもメタライズ層２とセラミックス１との接合力が弱いものとなるようなことはない。
【００１８】
なお、セラミックス１の表面に被着されるモリブデン−マンガンから成るメタライズ層２は、その厚みが５μｍ未満の場合にはメタライズ層２のセラミックス１に対する被着強度が低いものとなる傾向にあり、他方、その厚みが25μｍを超えるとメタライズ層２中に割れが発生する危険性が大きなものとなる。従って、セラミックス１の表面に被着されるモリブデン−マンガンから成るメタライズ層２は、その厚みを５〜25μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００１９】
モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２の表面には、ニッケルから成るめっき層３が従来周知の電解めっき法や無電解めっき法等により被着されている。
【００２０】
このニッケルから成るめっき層３は、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２にニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４を被着させるための下地金属皮膜として機能し、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２に強固に被着するとともにその表面にニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４が強固に被着される。そして、その熱膨張係数が約13×10-6／℃程度である。
【００２１】
この場合、ニッケルから成るめっき層３は、その熱膨張係数が約13×10-6／℃であり、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２の熱膨張係数と後述するニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有している。従って、ニッケルから成るめっき層３は、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層２とニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４との間に両者の熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力を良好に吸収緩和することができる。
【００２２】
また、ニッケルから成るめっき層３は、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４との接合をいわゆるアンカー効果により強固とするために、例えばショットブラスト法によりその表面が中心線平均粗さＲａで約0.5 〜３μｍとなるように粗面化されている。
【００２３】
ニッケルから成るめっき層３は、その表面の中心線平均粗さＲａが0.5 μｍ未満の場合にはニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４をアンカー効果により強固に被着させることが困難となる傾向にあり、他方、その表面の中心線平均粗さＲａが３μｍを超えると、下地のメタライズ層２が露出しやすく、そのため第１溶射層４を強固に被着させることができなくなる傾向にある。従って、ニッケルから成るめっき層３は、その中心線平均粗さＲａを0.5 〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００２４】
なお、ニッケルから成るめっき層３は、その厚みが0.5 μｍ未満であるとこのめっき層３上にニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４を強固に被着させることが困難となる傾向にあり、他方、その厚みが15μｍを超えると、めっき層３を形成する際にこのめっき層３に発生する応力が大きなものとなり、このメッキ層３をメタライズ層２に強固に被着させることが困難となる傾向にある。従って、ニッケルから成るめっき層３は、その厚みを0.5 〜15μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００２５】
ニッケルから成るめっき層３の表面には、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４が被着されている。
【００２６】
ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４は、ニッケルから成るめっき層３に銅合金やステンレスから成る第２溶射層５を被着させるための下地金属皮膜として機能し、めっき層３に強固に被着するとともにその表面に銅合金やステンレスから成る第２溶射層５が強固に被着される。そして、その熱膨張係数が約15×10-6／℃程度である。
【００２７】
この場合、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４は、その熱膨張係数が約15〜18×10-6／℃程度であり、後述する銅合金やステンレスから成る第２溶射層５の熱膨張係数に近似することから、銅合金やステンレスから成る第２溶射層５との間に大きな熱応力が発生することはなく、従って、本発明のセラミックス表面の溶射皮膜が例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されたとしても、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４と銅合金またはステンレスから成る第２溶射層との接合力が弱いものとなるようなことはない。
【００２８】
なお、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４は、その厚みが５μｍ未満であるとニッケルから成るめっき層３に強固に接合することが困難となる傾向にあり、他方、その厚みが1500μｍを超えると、第１溶射層４を形成する際にこの第１溶射層４内に発生する応力が大きなものとなり、めっき層３に強固に被着させることが困難となる傾向にある。従って、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４は、その厚みを５〜1500μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００２９】
さらに、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４は、ニッケルの含有率が80重量％未満でアルミニウムの含有率が20重量％を超えると、あるいはニッケルの含有率が95重量％を超えアルミニウムの含有率が５重量％未満であると、この第１溶射層４をニッケルから成るめっき層３に強固に被着させることが困難となる傾向にある。従って、ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４は、ニッケルの含有率が80〜95重量％で、アルミニウムの含有率が５〜20重量％の範囲であるものとする。
【００３０】
また、ニッケル−アルミニウムから成る溶射層４の表面には、銅合金やステンレスから成る第２溶射層５が0.5 〜2000μｍの厚みに被着されている。
【００３１】
銅合金やステンレスから成る第２溶射層５は、表面に溶射皮膜が被着されたセラミックスを高精度の寸法を有する部材となすための被加工層として機能し、この銅合金やステンレスから成る第２溶射層５を例えば研削加工することにより所定寸法の部材を容易に得ることができる。
【００３２】
なお、銅合金やステンレスから成る第２溶射層５は、その厚みが0.5 μｍ未満ではこの第２溶射層５を研削により所定寸法に加工するのが困難となる傾向にあり、他方、2000μｍを超えると第２溶射層５を形成する際にこの第２溶射層５内に発生する応力が大きなものとなり、第２溶射層５をニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４に強固に被着させることが困難となる傾向にある。従って、銅合金やステンレスから成る第１溶射層５は、その厚みを0.5 〜2000μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３３】
この銅合金やステンレスから成る第２溶射層５は、その熱膨張係数が15〜20×10-6／℃程度であり、アルミナセラミックスから成るセラミックス１の熱膨張係数７×10-6／℃と大きく異なるものの、セラミックス１と第２溶射層５との間にはセラミックス１の側から熱膨張係数が７×10-6／℃のモリブデン−マンガンから成るメタライズ層２、熱膨張係数が13×10-6／℃のニッケルから成るめっき層３、熱膨張係数が15〜18×10-6／℃のニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層４が順次配置されていることから、本発明のセラミックス積層体を例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝したとしても、セラミックス１と第２溶射層５との間に両者の熱膨張係数の相違により発生する熱応力は、両者の間に配置されたメタライズ層２・めっき層３・第１溶射層４等により良好に吸収緩和され、その結果、銅合金やステンレスから成る第２溶射層５が僅かな外力等によりセラミックス１から容易に剥離するようなことはない。
【００３４】
【実施例】
まず、純度99％のアルミナセラミックスから成る、直径40ｍｍ×長さ40ｍｍのセラミック円柱を多数準備した。
【００３５】
このセラミック円柱の片方の端面にモリブデン（Ｍｏ）とマンガン（Ｍｎ）とシリカとをそれぞれ89重量％・６重量％・５重量％の割合で含有する金属ペーストを厚みが10μｍとなるようにして印刷塗布し、これを乾燥させた後、加湿したフォーミングガス中で1400℃の温度で焼成することにより、セラミックス表面に厚みが８μｍのモリブデン−マンガンから成るメタライズ層を被着させた。
【００３６】
次に、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層上にニッケル（Ｎｉ）から成るめっき層を電解めっき法により表１に示す厚みに被着させた後、このニッケルから成るめっき層の表面に170 〜340 μｍのアルミナボールを５ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で噴射することによりニッケルから成るめっき層の表面を中心線平均粗さＲａが約1.5 μｍ程度になるように粗面化した。
【００３７】
次に、この粗面化されたニッケルから成るめっき層の表面にニッケル（Ｎｉ）95重量％−アルミニウム（Ａｌ）５重量％のニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層を、アーク溶射法を採用して溶射ガン電流30Ａ・電圧150 Ｖ・吐出圧力５ｋｇｆ／ｃｍ2 で溶射することにより、表１に示す厚みに被着させた。
【００３８】
次に、このニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層上に銅（Ｃｕ）59重量％−亜鉛（Ｚｎ）38重量％−鉛（Ｐｂ）３重量％の銅合金または鉄（Ｆｅ）74重量％−クロム（Ｃｒ）18重量％−ニッケル（Ｎｉ）８重量％のステンレスから成る第２溶射層を、アーク溶射法を採用して溶射ガン電流30Ａ・電圧150 Ｖ・吐出圧力５ｋｇｆ／ｃｍ2 で溶射することにより、200 μｍの厚みに被着させて本発明のセラミック積層体の試料とした。
【００３９】
また、本発明のセラミック積層体との比較のため上述のセラミック円柱の片側端面に銀（Ａｇ）68.4重量％−銅（Ｃｕ）26.6重量％−チタン（Ｔｉ）５重量％の銀−銅−チタンから成るメタライズ層を８μｍの厚みに被着させた後、この銀−銅−チタンから成るメタライズの表面をＲａが1.5 μｍ程度になるようにショットブラストにより粗面化し、次に、この銀−銅−チタンから成るメタライズ層の表面に銅59重量％−亜鉛38重量％−鉛３重量％の銅合金または鉄74重量％−クロム18重量％−ニッケル８重量％のステンレスから成る溶射層を上述と同様の溶射法により200 μｍの厚みに被着させ、比較例のセラミック積層体の試料とした。
【００４０】
最後にこれらを−40〜＋80℃の温度サイクルに10回曝した後、ＪＩＳ  Ｈ8664に規定の付着力試験に準じて、銅67重量％−亜鉛33重量％の銅合金または鉄74重量％−クロム18重量％−ニッケル８重量％のステンレスから成る溶射層のセラミックスに対する接合強度を測定した。
【００４１】
その結果を表１に示す。なお、表１中で＊印を付した試料は本発明の範囲外である比較例のものを示している。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
表１から分かるように、本発明のセラミックス積層体によれば、いずれの試料も0.3 ｋｇｆ／ｍｍ2 以上と比較例より大きな接合強度を示し、特に、ニッケルめっき層の厚みが0.5 〜15μｍで、かつニッケル−アルミニウム溶射層の厚みが５〜1500μｍの試料（試料番号２・３・５〜12・14〜16）に関しては、いずれも0.6 ｋｇｆ／ｍｍ2 を超える極めて強い接合強度を示した。
【００４４】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のセラミックス積層体によれば、セラミックス表面に、モリブデン−マンガンから成るメタライズ層と、ニッケルから成るめっき層と、ニッケルの含有率が80乃至95重量％でアルミニウムの含有率が５乃至20重量％のニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層と、銅合金またはステンレスから成る第２溶射層とが順次被着されて成ることから、各層が互いに良好に接合されるとともにセラミックスと銅合金またはステンレスから成る第２溶射層との熱膨張係数の相違に起因する熱応力が良好に吸収緩和され、これが例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されても銅合金またはステンレスから成る第２溶射層が僅かな外力等によりセラミックスから容易に剥離するようなことはない。
【００４６】
以上により、本発明によれば、セラミックスと銅合金やステンレスから成る溶射層とが強固に接合され、例えば−40〜＋80℃の温度サイクルに繰り返し曝されたとしても、僅かな外力等により両者が容易に剥離することのないセラミックス積層体を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックス表面の溶射皮膜の実施の形態の一例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１・・・・セラミックス
２・・・・モリブデン−マンガンから成るメタライズ層
３・・・・ニッケルから成るめっき層
４・・・・ニッケル−アルミニウムから成る第１溶射層
５・・・・銅合金またはステンレスから成る第２溶射層
【図１】
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