(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末を強化材とし、アルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であって、該複合材料が、内部にＳＵＳ製のボックスによりリブ構造で仕切られた空間を有する複合材料であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
【請求項２】
セラミックス粉末の含有率が、３０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料。
【請求項３】
セラミックス粉末で箱型のプリフォームを形成し、その箱型の中に間隔をおいて複数のＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層を含めたプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧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。
【請求項４】
セラミックス粉末でリブ構造を有するプリフォームを形成し、そのプリフォームのリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層を含めたプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧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。
【請求項５】
あらかじめリブ構造を有する金属−セラミックス複合材料を作製し、その複合材料のリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層に窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧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。
【請求項６】
セラミックス粉末の含有率が、３０〜８０体積％であることを特徴とする請求項３乃至５記載の金属−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及びその製造方法に関し、特に軽量化を図った金属−セラミックス複合材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、半導体製造装置等にセラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料が使われ始めている。そして、その複合材料が、最近ではＸＹステージのレールのような長物の部材や露光装置のテーブルのような大型で肉厚の部材にも使われ始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら長物の部材や大型肉厚の部材では、軽量なセラミックス粉末またはセラミックス繊維と軽量なアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複合材料であっても、２ｍを越えるような長物のもの、あるいは１ｍ角を越えるような大型肉厚のものになると、やはり未だ重いという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、軽量にすることのできる金属−セラミックス複合材料を提供し、その製造方法をも提供することにある。
【０００５】
【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、複合材料の内部に空間を設ければ、軽量に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。
【０００６】
即ち、本発明は、
（１）セラミックス粉末を強化材とし、アルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料であって、該複合材料が、内部にＳＵＳ製のボックスによりリブ構造で仕切られた空間を有する複合材料であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料（請求項１）とし、
（２）セラミックス粉末の含有率が、３０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合材料（請求項２）とし、
（３）セラミックス粉末で箱型のプリフォームを形成し、その箱型の中に間隔をおいて複数のＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層を含めたプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧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（請求項３）とし、
（４）セラミックス粉末でリブ構造を有するプリフォームを形成し、そのプリフォームのリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層を含めたプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧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（請求項４）とし、
（５）あらかじめリブ構造を有する金属−セラミックス複合材料を作製し、その複合材料のリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層に窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧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（請求項５）とし、
（６）セラミックス粉末の含有率が、３０〜８０体積％であることを特徴とする請求項３乃至５記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法（請求項６）とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【０００７】
上記で述べたように、本発明の金属−セラミックス複合材料としては、内部にＳＵＳ製のボックスによりリブ構造で仕切られた空間を有する複合材料とした（請求項１）。この複合材料は、内部に空間を設けているので軽量となるが、その反面、強度の低下が心配されるので、それを空間をＳＵＳ製のボックスによってリブ構造で仕切られた空間とすることにより、強度的に問題のない複合材料としている。
【０００８】
その複合材料中のセラミックス粉末の含有率としては、３０〜８０体積％とした（請求項２、６）。セラミックス粉末の含有率が３０体積％より低いと、高剛性が得られず、撓む恐れがあり、８０体積％より高いと、セラミックスに近くなって制振性や靭性が悪くなる。
【０００９】
その複合材料の作製方法としては、セラミックス粉末で箱型のプリフォームを形成し、その箱型の中に間隔をおいて複数のＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層を含めたプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧で浸透させることとする製造方法とした（請求項３）。
【００１０】
この方法は、内部に空間を有するプリフォームを形成し、そのプリフォームに溶融アルミニウム合金を浸透させることにより作製するものであるが、そのプリフォームの強度の低下を抑えるために、プリフォーム内部の空間をＳＵＳ製のボックスによってリブ構造で仕切られた空間としたものである。これにより、複合材料の強度のみならず、プリフォームの強度も問題ないものとしている。なお、空間を形成するためにＳＵＳ製のボックスを用いることにしたが、このボックスの材質は、融点が８５０℃以上のものであれば、どんな材質のものでもよい。
【００１１】
上記とは別の製造方法としては、セラミックス粉末でリブ構造を有するプリフォームを形成し、そのプリフォームのリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層を含めたプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧で浸透させることとする製造方法とした（請求項４）。
【００１２】
この方法は、内部にＳＵＳ製のボックスによってリブ構造で仕切られた空間を有するプリフォームを形成するのに、あらかじめ形成したリブ構造を有するプリフォームを利用する方法であるが、先の方法よりリブの間隔、リブの肉厚などがあらかじめ形成されるので一定とできる点で優れている。
【００１３】
さらに別の製造方法としては、あらかじめリブ構造を有する金属−セラミックス複合材料を作製し、その複合材料のリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥した後、その乾燥した層に窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧で浸透させることとする製造方法とした（請求項４）。
【００１４】
この方法は、先と違ってあらかじめリブ構造を有する複合材料を作製しその複合材料を利用するものであるが、先の方法より多少手間がかかるものの、プリフォームより強度的に優れる点で優っている。この複合材料も先と同じようにセラミックス粉末の含有率は３０〜８０体積％が好ましい。
【００１５】
【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し、これにさらに浸透させるアルミニウム合金としてＭｇを含むアルミニウム合金のインゴットも用意する。
【００１６】
用意したセラミックス粉末でセディメントキャスト法などにより箱型のプリフォームを形成する。そのプリフォームの形成方法は、例えばスラリーを流し込むゴム型を箱型のプリフォームが得られるゴム型とすればよい。得られたプリフォームの箱内に間隔をおいてＳＵＳ製のボックスを置く。ボックスの大きさは、作製する複合材料の大きさとの兼ね合いもあるが、おおむね１００ｍｍ角で深さが３０ｍｍ程度でよい。ボックスとボックスとの間、ボックスと箱の壁面との間の間隔としては、１０ｍｍ程度あればよい。またボックス上面のスラリーを流し込む厚さとしては、これも１０ｍｍ程度でよい。
【００１７】
そのボックスの周囲と上面に例えば先のセディメントキャストで用いたスラリーを流し込み、それを乾燥する。得られた乾燥層を有するプリフォームに窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧で浸透させることにより、ＳＵＳ製のボックスによりリブ構造で仕切られた空間を有する金属−セラミックス複合材料を作製することができる。
【００１８】
上記とは別の方法を述べると、先と同じく用意したセラミックス粉末でセディメントキャスト法などによりリブ構造を有するプリフォームを形成する。そのプリフォームの形成方法は、先と同じようにスラリーを流し込むゴム型をリブ構造を有するプリフォームが得られるゴム型とすればよい。リブ構造で仕切られる穴の大きさとしては、挿入するボックスの大きさより数ｍｍ程度大きければよい。リブの厚さとしては、１０ｍｍ程度でよい。
【００１９】
得られたプリフォームのリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面に先と同様スラリーを流し込み、それを乾燥する。得られた乾燥層を有するプリフォームにこれも先と同様窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧で浸透させることにより、先と同様ＳＵＳ製のボックスによりリブ構造で仕切られた空間を有する金属−セラミックス複合材料を作製することができる。
【００２０】
上記とはさらに別の方法では、先に述べたように先ずリブ構造を有する金属−セラミックス複合材料を作製する必要があるが、その場合、リブ構造の穴部に溶融アルミニウム合金の浸出を抑えるために浸透防止材を塗布、または充填したプリフォームとする必要があり、そのプリフォームに溶融アルミニウム合金を浸透させれば、リブ構造を有する複合材料を作製することができる。
【００２１】
その作製した複合材料のリブ構造の穴部にＳＵＳ製のボックスを挿入し、そのボックスの周囲と上面にセラミックス粉末からなるスラリーを流し込み、それを乾燥し、その乾燥した層に窒素雰囲気中で７００〜９００℃の温度で溶融したＭｇを含むアルミニウム合金を非加圧で浸透させれば、先と同様ＳＵＳ製のボックスによってリブ構造で仕切られた空間部を有する複合材料を作製することができる。
【００２２】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料を作製すれば、軽量化された複合材料を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
強化材として＃１８０（平均粒径６６μｍ）の市販ＳｉＣ粉末７０質量部と＃５００（平均粒径２５μｍ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をシリカ固形分が２重量部となる量を添加し、それに消泡剤としてフォーマスタＶＬ（サンノブコ社製）を０．２重量部、イオン交換水を２４重量部加え、ポットミルで１２時間混合した。
【００２５】
得られたスラリーを大きさが５００×５００×５０ｍｍで肉厚が１０ｍｍの箱を形成できる成形体が得られるゴム型に流し込み、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、それを冷凍室に入れ、３０時間冷凍させて脱型した。得られた成形体を１０００℃の温度で焼成してＳｉＣ粉末の充填率が７０体積％のプリフォームを形成した。
【００２６】
そのプリフォームの箱内に１００ｍｍ角で深さが３０ｍｍのＳＵＳ製のボックスを１０ｍｍ間隔で置き、このボックス間、ボックスとプリフォームとの間及びボックスの上面に先のスラリーにエチルシリケートを加えたスラリーを流し込み、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、それを乾燥した。
【００２７】
得られた乾燥層を有するプリフォームの下面にＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金のインゴットを置き、それを窒素雰囲気中で８２５℃の温度で熱処理し、溶融したアルミニウム合金を２４時間非加圧浸透させた後、冷却して複合材料を作製した。
【００２８】
（２）評価
得られた複合材料の重量を秤で測定した。その結果、２７ｋｇと引用例よりかなり軽量となっていた。このことは、長物や大型肉厚の複合材料であっても、従来よりかなり軽量となる金属−セラミックス複合材料とすることができることを示している。
【００２９】
（実施例２）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
強化材として＃１８０（平均粒径６６μｍ）の市販ＳｉＣ粉末７０質量部と＃５００（平均粒径２５μｍ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をシリカ固形分が２重量部となる量を添加し、それに消泡剤としてフォーマスタＶＬ（サンノブコ社製）を０．２重量部、イオン交換水を２４重量部加え、ポットミルで１２時間混合した。
【００３０】
得られたスラリーを上部に１１０ｍｍ角で深さが４０ｍｍのリブ構造の穴を形成できる５００×５００×５０ｍｍの成形体が得られるゴム型に流し込み、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、それを冷凍室に入れ、３０時間冷凍させて脱型した。得られた成形体を１０００℃の温度で焼成してＳｉＣ粉末の充填率が７０体積％のプリフォームを形成した。
【００３１】
そのプリフォームの穴に１００ｍｍ角で深さが３０ｍｍのＳＵＳ製のボックスを挿入し、このボックスとプリフォームとの間及びボックスの上面に先のスラリーにエチルシリケートを加えたスラリーを流し込み、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、それを乾燥した。
【００３２】
得られた乾燥層を有するプリフォームの下面にＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金のインゴットを置き、それを窒素雰囲気中で８２５℃の温度で熱処理し、溶融したアルミニウム合金を２４時間非加圧浸透させた後、冷却して複合材料を作製した。
【００３３】
（２）評価
得られた複合材料の重量を秤で測定した。その結果、実施例１と同様２７ｋｇと引用例よりかなり軽量となっていた。
【００３４】
（実施例３）
（１）金属−セラミックス複合材料の作製
強化材として＃１８０（平均粒径６６μｍ）の市販ＳｉＣ粉末７０質量部と＃５００（平均粒径２５μｍ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をシリカ固形分が２重量部となる量を添加し、それに消泡剤としてフォーマスタＶＬ（サンノブコ社製）を０．２重量部、イオン交換水を２４重量部加え、ポットミルで１２時間混合した。
【００３５】
得られたスラリーを上部に１１０ｍｍの角で深さが４０ｍｍのリブ構造の穴を形成できる５００×５００×５０ｍｍの成形体が得られるゴム型に流し込み、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、それを冷凍室に入れ、３０時間冷凍させて脱型した。得られた成形体を１０００℃の温度で焼成してＳｉＣ粉末の充填率が７０体積％のプリフォームを形成した。
【００３６】
得られたプリフォームの穴内部に酸化物からなる浸透防止材を充填し、そのプリフォームの下面にＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金のインゴットを置き、それを窒素雰囲気中で８２５℃の温度で熱処理し、溶融したアルミニウム合金を２４時間非加圧浸透させた後、冷却して複合材料を作製した。
【００３７】
得られた複合材料のリブ構造の穴に１００角で深さ３０ｍｍのＳＵＳ製のボックスを挿入し、このボックスと複合材料との間及びボックスの上面に先のスラリーにエチルシリケートを加えたスラリーを流し込み、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、それを乾燥した。
【００３８】
得られた複合材料の乾燥層の上面にＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇ組成のアルミニウム合金のインゴットを置き、それを窒素雰囲気中で８２５℃の温度で熱処理し、溶融したアルミニウム合金を２４時間非加圧浸透させた後、冷却して複合材料を作製した。
【００３９】
（２）評価
得られた複合材料の重量を秤で測定した。その結果、２７ｋｇと実施例１と同じく引用例よりかなり軽量となっていた。
【００４０】
（比較例）
比較のために実施例と同じ大きさであるものの、リブ構造の穴を有さないプリフォームとした他は実施例１と同様に複合材料を作製し、評価した。その結果、３８ｋｇと実施例よりかなり重かった。
【００４１】
【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であれば、重量をかなり軽量化した金属−セラミックス複合材料とすることができるようになった。このことにより、ＸＹステージのレールや露光装置のテーブルのような長物や大型肉厚の部材でも、従来よりかなり軽量化した部材を提供できるようになった。