DE112019004865T5 - Verarbeitungsverfahren von Keramik und Keramikbauteil - Google Patents

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Abstract

Bei der Laserverarbeitung eines keramischen Grundwerkstoffs als Vorverarbeitung für die Oberflächenverarbeitung wird ein Keramikbauteil hergestellt, das durch Bilden von Nuten, in die ein Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs mit hoher Festigkeit an einem in diese Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann. Durch Bestrahlen der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs C1 mit einem Laser werden mehrere Nuten vorgesehen, deren konkave Fläche sich in mindestens einer Richtung auf der Oberfläche erstreckend gebildet ist. Der Zwischenraum der auf der Oberfläche benachbarten Nuten ist eine Ebene. Die Teilung zwischen den benachbarten Nuten beträgt 0,05 mm oder mehr und 0,30 mm oder weniger. Eine der Nuten verengt sich mit zunehmender Tiefe in der Breite, und öffnet sich in einem Querschnitt orthogonal zu der einen Richtung auf einer Seite der Tiefenrichtung der einen Nut in der maximalen Breite. In der einen Nut beträgt das Aspektverhältnis 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger und das Öffnungsverhältnis 70% oder mehr.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserverarbeitungsverfahren von Keramik, bei dem ein keramischer Grundwerkstoff mit einem Laser verarbeitet wird, ein Verfahren zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramiken, bei dem ein durch das Verfahren erhaltenes (laserverarbeitetes) Keramikbauteil durch thermisches Spritzen verarbeitet wird, sowie ein (laserverarbeitetes) Keramikbauteil und ein durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil, die durch diese erhalten werden.
  • Hintergrundtechnik
  • Keramiken sind feste Werkstoffe, die aus anorganischen Verbindungen wie Oxiden, Carbiden, Nitriden oder Boriden bestehen. Keramiken weisen eine hohe Härte und auch eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit auf und werden für verschiedene Gegenstände wie Halbleiter, medizinische Geräte, Informationsgeräte und elektronische Industrieprodukte verwendet. Andererseits sind Keramiken in der Oxidations-, Reaktions- und Korrosionsbeständigkeit verbesserungswürdig. Daher werden Keramiken manchmal benutzt, nachdem ihre Oberflächen mit einem Werkstoff (Oberflächenverarbeitungswerkstoff) beschichtet wurden, das Oxidations-, Reaktions- und Korrosionsbeständigkeit aufweist.
  • Bei der Beschichtung von Keramiken mit einem Oberflächenverarbeitungswerkstoff ist es notwendig, ein keramischer Grundwerkstoff (Keramik als Grundwerkstoff, das für die Beschichtung mit dem Oberflächenverarbeitungswerkstoff vorverarbeitet wird) vorzuverarbeiten, um ein Keramikbauteil herzustellen, damit die Keramik und der Oberflächenverarbeitungswerkstoff mit hoher Festigkeit haften, und eine Oberflächenverarbeitung dieses Keramikbauteils durchzuführen. Obwohl als diese Vorverarbeitung allgemein das Strahlen vorgenommen wird, kann eine Laserverarbeitung vorgenommen werden, wenn die Härte des keramischen Grundwerkstoffs zu hoch ist, um gestrahlt zu werden.
  • Bspw. ist in Patentdokument 1 angegeben, dass durch Bestrahlen eines keramischen Grundwerkstoffs (wie Siliziumkarbid) mit einem Laser in Atmosphäre Nuten auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs gebildet werden, und durch Durchführung einer thermischen Spritzverarbeitung (Oberflächenverarbeitung) auf dem (laserverarbeiteten) keramischen Bauteil, das durch eine solche Laserverarbeitung erhalten wurde, eine Spritzschicht (Spritzwerkstoff) mit hoher Festigkeit an dem Keramikbauteil haftet. In demselben Dokument ist außerdem angegeben, dass die durch Laserbestrahlung auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs gebildeten Nuten in eine gewünschte Form strukturiert werden.
  • Bei der im obigen Patentdokument 1 angegebenen Erfindung wird durch Laserverarbeitung ein Oxidfilm auf dem Keramikbauteil gebildet, und durch diesen Oxidfilm die Haftfestigkeit zwischen dem Keramikbauteil und dem Spritzwerkstoff erhöht. Es besteht jedoch die Gefahr, dass das Keramikbauteil, auf dem der Oxidfilm gebildet wird, im Vergleich mit einem Keramikbauteil, auf dem kein Oxidfilm gebildet ist, eine geringere Qualität als keramisches Produkt aufweist und in der Verwendung eingeschränkt wird.
  • Andererseits ist bei der im obigen Patentdokument 1 angegebenen Erfindung die Form der auf dem keramischen Grundwerkstoff gebildeten Nuten strukturiert, so dass es anzunehmen ist, dass eine gleichmäßige Füllung des Spritzwerkstoffs (Oberflächenverarbeitungswerkstoffs) in die gesamten Nuten erleichtert wird, jedoch besteht die Gefahr, dass andere Faktoren als diese Form eine gleichmäßige Füllung des Spritzwerkstoffs in die gesamten Nuten verhindern.
  • Ermittelte Schrift
  • Patentdokument
  • Patentdokument 1: WO Nr. 2016/170895
  • Übersicht der Erfindung
  • Zu lösende Aufgabe der Erfindung
  • Daher zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Keramikbauteil herzustellen, das dadurch, dass bei der Laserverarbeitung eines keramischen Grundwerkstoffs als Vorverarbeitung für die Oberflächenverarbeitung eine Nut, in die ein Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs gebildet wird, mit hoher Festigkeit an dem in diese Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann.
  • Mittel zum Lösen der Aufgabe
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Laserverarbeitungsverfahren von Keramik dar, bei dem durch Bestrahlen der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs mit einem Laser mehrere Nuten vorgesehen werden, deren konkave Fläche sich in mindestens einer Richtung auf der Oberfläche erstreckend gebildet ist, wobei der Zwischenraum der auf der Oberfläche benachbarten Nuten eine Ebene ist und die Teilung zwischen den benachbarten Nuten 0,05 mm oder mehr und 0,30 mm oder weniger beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine der Nuten mit zunehmender Tiefe in der Breite verengt und in einem Querschnitt orthogonal zu der einen Richtung auf einer Seite der Tiefenrichtung der einen Nut in der maximalen Breite öffnet, wobei das Verhältnis der Tiefe zu der maximalen Breite (Aspektverhältnis) 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger beträgt, sowie, wenn ein Grat gebildet wird, der in einer von der konkaven Fläche oder/und der Ebene zu der Tiefenrichtung geneigten Richtung vorsteht, wobei außerdem der Grat einen Nutenverschlussabschnitt aufweist, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche in der Tiefenrichtung bildet, das Verhältnis eines Werts, der durch Subtrahieren der Länge in der Breitenrichtung des Nutenverschlussabschnitts in dem Querschnitt von der maximalen Breite erhalten wird, zu der maximalen Breite (Öffnungsverhältnis) 70% oder mehr beträgt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Festlegen des Aspektverhältnisses auf 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger und auch des Öffnungsverhältnisses auf 70% oder mehr eine Nut, in die ein Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs gebildet werden, um ein Keramikbauteil, das mit hoher Festigkeit an dem in diese Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann, herzustellen.
  • D. h., wenn das Aspektverhältnis weniger als 0,5 beträgt, dringt der Oberflächenverarbeitungswerkstoff nicht tief in das Keramikbauteil (laserverarbeiteter keramischer Grundwerkstoff) ein, weil die Tiefe der Nut zu gering ist, wobei die Haftfestigkeit zwischen dem Keramikbauteil und dem Oberflächenverarbeitungswerkstoff nicht erhöht wird, auch wenn der Oberflächenverarbeitungswerkstoff in die Nut des Keramikbauteils gefüllt wird (es entsteht kein Verankerungseffekt zwischen dem Keramikbauteil und dem Oberflächenverarbeitungswerkstoff) . Wenn andererseits das Aspektverhältnis 1,3 überschreitet, ist die Nutentiefe zu tief, als dass der Oberflächenverarbeitungswerkstoff in einen tiefen Teil der Nut im Keramikbauteil gefüllt würde, so dass sich die Haftfestigkeit zwischen dem Keramikbauteil und dem Oberflächenverarbeitungswerkstoff nicht erhöht. Mit einem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger kann jedoch auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs eine Nut in einer Form gebildet werden, in der der Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann.
  • Wenn ferner das Öffnungsverhältnis weniger als 70% beträgt, wird in einem Grat, der in einer zur Nutentiefenrichtung geneigten Richtung auf der Oberfläche des Keramikbauteils vorsteht, in großem Umfang ein Nutenverschlussabschnitt gebildet, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche bildet, die die Oberfläche der Nut in der Nutentiefenrichtung ist, und verhindert, dass der Oberflächenverarbeitungswerkstoff in den Zwischenraum fließt. Hierdurch ist die Ausbreitung des Oberflächenverarbeitungswerkstoffs in den gesamten inneren Teil der Nuten des Keramikbauteils schwierig. Mit einem Öffnungsverhältnis von 70% oder mehr breitet sich der Oberflächenverarbeitungswerkstoff jedoch im Wesentlichen in den gesamten inneren Teil der Nute aus, ohne durch den Grat gestört zu werden. Hierdurch ist es möglich, in die Nut mit einer Form, in der der Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann (Nut mit einem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger), den Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig zu füllen, ohne durch den Grat gestört zu werden.
  • Daher ist es durch Festlegen des Öffnungsverhältnisses der Nut mit dem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger auf 70% oder mehr möglich, auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs die Nut zu bilden, in die der Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann (Nut mit einer Form, in der der Oberflächenverarbeitungswerkstoff gleichmäßig gefüllt werden kann, wobei diese Füllung nicht durch den Grat gestört wird), und das keramische Bauteil herzustellen, das mit hoher Festigkeit an dem in dieser Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann.
  • Bei dem obigen Laserverarbeitungsverfahren von Keramik wird außerdem ein Teil des keramischen Grundwerkstoffs, der mit der Bildung der Nut geschmolzen oder/und verdampft ist, zwischen den benachbarten Nuten auf der Oberfläche wolkenartig abgelagert, wodurch der Zwischenraum der Nuten auf der Oberfläche teilweise oder ganz aufgeraut wird, wobei das Verhältnis (Öffnungsverhältnis) auf 70% oder mehr festgelegt werden kann, wobei von der wolkenartig abgelagerten Ablagerung der Teil, der den Zwischenraum bildet, dem Nutenverschlussabschnitt entspricht.
  • Hierdurch kann der Zwischenraum der benachbarten Nuten (Raum zwischen den Nuten) auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs durch die wolkenartig abgelagerte Ablagerung des geschmolzenen oder/und verdampften keramischen Grundwerkstoffs wirksam aufgeraut werden, wobei es möglich ist, dass der Raum zwischen den Nuten auf der Oberfläche des Keramikbauteils mit hoher Festigkeit an dem Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann. Weiterhin kann durch das Festlegen des Öffnungsverhältnisses auf 70% oder mehr, wobei von der wolkenartig abgelagerten Ablagerung ein Teil, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche in der Nutentiefenrichtung bildet, dem Nutenverschlussabschnitt entspricht, verhindert werden, dass diese Ablagerung die Füllung des Oberflächenverarbeitungswerkstoffs im gesamten inneren Teil der Nut stört. Hierdurch kann sowohl die Aufrauhung des Raums zwischen den Nuten durch die wolkenartige Ablagerung als auch die Aufrechterhaltung eines hohen Öffnungsverhältnisses der Nut realisiert werden, wobei ein Keramikbauteil, das sowohl im Raum zwischen den Nuten als auch im inneren Teil der Nut mit hoher Festigkeit am Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann, hergestellt werden kann.
  • Bei dem obigen Laserverarbeitungsverfahren von Keramik kann außerdem in den mehrmals vorgesehenen Nuten geradlinig, gekrümmt oder umlaufend eine Verarbeitungsstruktur gebildet werden oder können diese Nuten derart gebildet werden, dass sie sich gegenseitig schneiden.
  • Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramik dar, bei dem der keramische Grundwerkstoff durch das obige Laserverarbeitungsverfahren vor dem thermischen Spritzen verarbeitet wird und die thermische Spritzverarbeitung an dem durch die Verarbeitung vor dem thermischen Spritzen erhaltenen laserverarbeiteten Keramikbauteil vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der thermischen Spritzverarbeitung durch Füllen eines Spritzwerkstoffs in die auf dem laserverarbeiteten Keramikbauteil gebildete Nut der Spritzwerkstoff und das laserverarbeitete Keramikbauteil aneinander haften, wobei das Hohlraum-Flächenverhältnis in einer der Nuten 20% oder weniger beträgt und das Hohlraum-Flächenverhältnis das Verhältnis eines Hohlraumvolumens in der einen Nut zum Volumen der einen Nut in einem Zustand ist, in dem der Spritzwerkstoff in der Nut gefüllt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Spritzwerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig in die auf der Oberfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils gebildete Nut gefüllt werden, wodurch der in die Nut gefüllte Spritzwerkstoff und das laserverarbeitete Keramikbauteil mit hoher Festigkeit aneinander haften. D. h., bei der thermischen Spritzverarbeitung wird der Spritzwerkstoff (Oberflächenverarbeitungswerkstoff), der geschmolzen oder halbgeschmolzen ist, in die Tiefenrichtung der auf dem laserverarbeiteten Keramikbauteil gebildeten Nut hin gespritzt. Wenn also die Nut des laserverarbeiteten Keramikbauteils aufgrund des Nutenverschlussabschnitts ein geringes Öffnungsverhältnis aufweist, erreicht der in der Tiefenrichtung der Nut gespritzte Spritzwerkstoff aufgrund des Nutenverschlussabschnitts nicht das Ende in der Tiefenrichtung (konkave Fläche) der Nut, so dass es schwierig ist, den Spritzwerkstoff in der Nut gleichmäßig zu füllen. Da jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung das Aspektverhältnis und das Öffnungsverhältnis im obigen Bereich festgelegt sind, kann sich der in die Nut des laserverarbeiteten Keramikbauteils gespritzte Spritzwerkstoff in den im Wesentlichen gesamten inneren Teil der Nut ausbreiten, wodurch das laserverarbeitete Keramikbauteil und der Spritzwerkstoff mit hoher Festigkeit aneinander haften.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Keramikbauteil dar, in dem mehrere Nuten mit einer konkaven Fläche, die in mindestens einer Richtung auf der Oberfläche einer Basis erstreckend gebildet ist, vorgesehen sind, wobei der Zwischenraum der auf der Oberfläche benachbarten Nuten eine Ebene ist und die Teilung zwischen den benachbarten Nuten 0,05 mm oder mehr und 0,30 mm oder weniger beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine der Nuten mit zunehmender Tiefe in der Breite verengt und in einem Querschnitt orthogonal zu der einen Richtung auf einer Seite der Tiefenrichtung der einen Nut in der maximalen Breite öffnet, wobei das Verhältnis der Tiefe zu der maximalen Breite (Aspektverhältnis) 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger beträgt, sowie, wenn ein Grat gebildet wird, der in einer von der konkaven Fläche oder/und der Ebene zu der Tiefenrichtung geneigten Richtung vorsteht, wobei außerdem der Grat einen Nutenverschlussabschnitt aufweist, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche in der Tiefenrichtung bildet, das Verhältnis eines Werts, der durch Subtrahieren der Länge in der Breitenrichtung des Nutenverschlussabschnitts in dem Querschnitt von der maximalen Breite erhalten wird, zu der maximalen Breite (Öffnungsverhältnis) 70% oder mehr beträgt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, so wie bei der obigen Erfindung, mit dem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger und auch dem Öffnungsverhältnis von 70% oder mehr eine Nut auf der Oberfläche gebildet, in die der Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, wodurch das Keramikbauteil, das mit hoher Festigkeit an dem in die Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann, geschaffen werden kann.
  • Außerdem wird beim obigen Keramikbauteil der Zwischenraum der Nuten auf der Oberfläche durch die wolkenartige Ausbildung des Zwischenraums der benachbarten Nuten auf der Oberfläche teilweise oder ganz aufgeraut, wobei das Verhältnis (Öffnungsverhältnis) 70% oder mehr betragen kann, wobei auf der Oberfläche von dem wolkenartig ausgebildeten Abschnitt ein Abschnitt, der den Zwischenraum bildet, dem Nutenverschlussabschnitt entspricht.
  • Hierdurch wird der Zwischenraum der benachbarten Nuten (Raum zwischen den Nuten) auf der Oberfläche der Basis wirksam aufgeraut, wobei das Keramikbauteil, bei dem der Raum zwischen den Nuten auf der Oberfläche der Basis mit hoher Festigkeit an dem Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann, geschaffen werden kann. Weiterhin kann durch das Festlegen des Öffnungsverhältnisses auf 70% oder mehr, wobei auf der Oberfläche der Basis von einem wolkenartig ausgebildeten Teil ein Teil, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche in der Nutentiefenrichtung bildet, dem Nutenverschlussabschnitt entspricht, das Keramikbauteil geschaffen werden, das verhindert, dass dieser wolkenartig ausgebildete Teil die Füllung des Oberflächenverarbeitungswerkstoffs im gesamten inneren Teil der Nut stört. Hierdurch kann sowohl die Aufrauhung des Raums zwischen den Nuten durch den wolkenartig ausgebildeten Teil als auch die Aufrechterhaltung eines hohen Öffnungsverhältnisses der Nut realisiert werden, wodurch ein Keramikbauteil geschaffen wird, das sowohl im Raum zwischen den Nuten als auch im inneren Teil der Nut mit hoher Festigkeit am Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann.
  • In dem obigen Keramikbauteil kann außerdem in den mehrmals vorgesehenen Nuten geradlinig, gekrümmt oder umlaufend eine Verarbeitungsstruktur gebildet werden oder können diese Nuten derart gebildet werden, dass sie sich gegenseitig schneiden.
  • Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil dar, versehen mit dem obigen Keramikbauteil (das laserverarbeitete Keramikbauteil) und einem Spritzwerkstoff, der in den an dem Keramikbauteil gebildeten Nuten gefüllt ist und an dem Keramikbauteil haftet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraum-Flächenverhältnis in einer der Nuten 20% oder weniger beträgt und das Hohlraum-Flächenverhältnis das Verhältnis eines Hohlraumvolumens in der einen Nut zum Volumen der einen Nut in einem Zustand ist, in dem der Spritzwerkstoff in der Nut gefüllt ist.
  • Hierdurch kann der Spritzwerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig in die Nut gefüllt werden, die auf der Oberfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils gebildet ist, wodurch das durch thermisches Spritzen verarbeitete Keramikbauteil, bei dem der in der Nut gefüllte Spritzwerkstoff und das laserverarbeitete Keramikbauteil mit hoher Festigkeit aneinander haften, geschaffen wird.
  • Effekte der Erfindung
  • Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Laserverarbeitung des keramischen Grundwerkstoffs als Vorverarbeitung für die Oberflächenverarbeitung die Nut auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs gebildet, in die der Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, wodurch das Keramikbauteil, das mit hoher Festigkeit an dem in die Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann, hergestellt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, das durch thermisches Spritzen verarbeitete Keramikbauteil herzustellen, bei dem dieses Keramikbauteil und der Spritzwerkstoff mit hoher Festigkeit aneinander haften.
  • Figurenliste
  • Es zeigt:
    • 1 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verarbeitungsverfahrens von Keramik, auf das ein Laserverarbeitungsverfahren und ein Verfahren zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramik gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet sind.
    • 2 eine schematische Darstellung für ein Laserverarbeitungsgerät, das in einem in 1 gezeigten Laserverarbeitungsprozess verwendet wird.
    • 3 Darstellungen für ein Keramikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei (a) einen Querschnitt eines durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteils und (b) eine Ebene eines laserverarbeiteten Keramikbauteils darstellt.
    • 4 Darstellungen zur Veranschaulichung der Ausbildung einer Nut, die im Keramikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, wobei (a) ein Beispiel für die Ausbildung der Nut und in der Nähe der Nut im Keramikbauteil zeigt und (b) ein anderes Beispiel für die Ausbildung der Nut und in der Nähe der Nut im Keramikbauteil zeigt.
    • 5 eine Tabelle zur Veranschaulichung von Testbeispielen des Laserverarbeitungsverfahrens und des Verfahrens zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramik gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • 6-1 Bilder von außen eines Nutabschnitts, der mit einem Laser der in 5 gezeigten Testbeispiele auf der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs gebildet wurde (alle Ausführungsbeispiele). Das Bild von außen des Nutabschnitts in Ausführungsbeispiel 4 ist dabei mit dem in 3(b) identisch.
    • 6-2 Bilder von außen eines Nutabschnitts, der mit einem Laser der in 5 gezeigten Testbeispiele auf der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs gebildet wurde (alle Vergleichsbeispiele).
    • 6-3 Querschnittsbilder des Nutabschnitts nach der thermischen Spritzverarbeitung des Keramikbauteils, an dem die Nut mit einem Laser der in 5 gezeigten Testbeispiele (lediglich repräsentative Beispiele) gebildet wurde. Das Querschnittsbild des Nutabschnitts in Ausführungsbeispiel 4 ist dabei mit dem in 3(a) identisch.
    • 7 ein Diagramm, das die Testergebnisse der in 5 gezeigten Testbeispiele zeigt.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Zunächst werden ein Laserverarbeitungsverfahren und ein Verfahren zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramik sowie ein Keramikbauteil und ein durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 1 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verarbeitungsverfahrens von Keramik, auf das ein Laserverarbeitungsverfahren und ein Verfahren zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramik gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet sind. Wie in der Zeichnung gezeigt, weist dieses Verarbeitungsverfahren von Keramik auf: einen Laserverarbeitungsprozess S1, bei dem die Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs C1 laserverarbeitet wird, um ein laserverarbeitetes Keramikbauteil C2 zu schaffen, und einen Prozess der thermischen Spritzverarbeitung S2, bei dem das laserverarbeitete Keramikbauteil C2 mit einem Spritzwerkstoff F durch thermisches Spritzen verarbeitet wird, um ein durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil C3 zu schaffen.
  • Hier bedeutet der keramische Grundwerkstoff C1 eine Keramik als Grundwerkstoff, der zur Beschichtung des Spritzwerkstoffs F (Oberflächenverarbeitungswerkstoff) vorverarbeitet wird. Die Keramik ist außerdem ein fester Werkstoff, der aus anorganischen Verbindungen wie Oxiden, Carbiden, Nitriden oder Boriden besteht. Ferner können für die Keramik, die für den keramischen Grundwerkstoff C1 verwendet wird, Siliziumkarbid, Borcarbid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid usw. verwendet werden.
  • Für den Spritzwerkstoff F werden ferner ein Metall, eine Legierung, in der ein Metall eine Hauptkomponente ist, eine Keramik, eine Verbundkeramik, in der eine Keramik eine Hauptkomponente ist, oder ein Cermet usw. verwendet. Fürs Metall kann hier Wolfram, Molybdän, Niob, Titan oder Tantal verwendet werden. Für die Keramik als Spritzwerkstoff F können außerdem Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid usw. verwendet werden. Für das thermische Spritzverfahren wird außerdem bevorzugt das thermische Plasmaspritzverfahren verwendet, jedoch können auch andere thermische Spritzverfahren als dieses verwendet werden.
  • 2 ist eine schematische Darstellung für ein Laserverarbeitungsgerät 1, das in einem in 1 gezeigten Laserverarbeitungsprozess S1 verwendet wird. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist das Laserverarbeitungsgerät 1 versehen mit: einem Laseroszillator 2, der einen Laser L oszilliert, einem Ablenkspiegel 3, der die Richtung des vom Laseroszillator 2 oszillierten Lasers L ablenkt, einem Fokussierspiegel 4, der den vom Ablenkspiegel 3 reflektierten Laser L fokussiert, einem X-Scanner 5, der den durch den Fokussierspiegel 4 fokussierten Laser L reflektiert und die Position der Laserbestrahlung in X-Richtung des keramischen Grundwerkstoffs C1 (Längsrichtung des keramischen Grundwerkstoffs C1) einstellt, einem Y-Scanner 6, der den vom X-Scanner 5 reflektierten Laser L reflektiert und die Position der Laserbestrahlung in Y-Richtung des keramischen Grundwerkstoffs C1 (Querrichtung des keramischen Grundwerkstoffs C1) einstellt, und einer Gaszufuhrvorrichtung 7, die ein nicht oxidierendes Gas G an die Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 liefert.
  • Für den im Laseroszillator 2 oszillierten Laser L können sowohl ein kontinuierlich oszillierter als auch pulsierend oszillierter Laser verwendet werden. Für den Laser L können außerdem ein Faserlaser, ein YVO4-Laser, ein Excimer-Laser, ein CO2-Laser, ein Ultraviolett-Laser, ein YAG-Laser, ein Halbleiterlaser usw. verwendet werden.
  • Die Gaszufuhrvorrichtung 7 führt der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 ein nicht oxidierendes Gas G zu, wenn der Laser L auf den keramischen Grundwerkstoff C1 abgestrahlt wird. Hier ist das nicht oxidierende Gas G ein Gas, um zu verhindern (abschirmen), dass die Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 oxidiert wird, wenn der Laser auf den keramischen Grundwerkstoff C1 abgestrahlt wird. Für das nicht oxidierende Gas G können Stickstoffgas, Argongas, Heliumgas, ein Mischgas dieser Gase usw. verwendet werden.
  • 3 sind Darstellungen für das Keramikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei (a) einen Querschnitt eines durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteils 101 und (b) eine Ebene eines laserverarbeiteten Keramikbauteils 102 darstellt. Die in 3(a) und 3(b) dargestellten Längs-, Breiten- und Tiefenrichtungen bedeuten dabei jeweils die Längs-, Breiten- und Tiefenrichtungen der in den Zeichnungen dargestellten Nut f. Außerdem entsprechen das in 3(a) und 3(b) gezeigte durch thermisches Spritzen verarbeitete Keramikbauteil 101, der Grundwerkstoff 102 (das laserverarbeitete Keramikbauteil 102) und der Spritzwerkstoff 103 jeweils dem in 1 gezeigten durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteil C3, dem laserverarbeiteten Keramikbauteil C2 und dem Spritzwerkstoff F.
  • Wie in 3 gezeigt, ist das durch thermisches Spritzen verarbeitete Keramikbauteil 101 versehen mit dem Grundwerkstoff 102, der eine Basis des durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteils 101 ist, und dem Spritzwerkstoff 103, der auf dem Grundwerkstoff 102 daran haftend aufgezogen ist. In dem durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteil 101 erstreckt sich die Nut f in der in 3(b) gezeigten Längsrichtung (eine Richtung) und wird geradlinig gebildet sowie in vorbestimmten Abständen in der in 3(a) und 3(b) gezeigten Breitenrichtung mehrmals vorgesehen. Das durch thermisches Spritzen verarbeitete Keramikbauteil 101 besteht dann aus dem dadurch haftenden Spritzwerkstoff 103 und dem Grundwerkstoff 102, dass in dem in 1 gezeigten Prozess der thermischen Spritzverarbeitung S2 in die auf dem Grundwerkstoff 102 gebildete Nut f der Spritzwerkstoff 103 gefüllt wird.
  • Wie in 3(b) gezeigt, sind wolkenartige Ablagerungen auf dem Grundwerkstoff 102 über den gesamten Abschnitt zwischen den Nuten (die gesamte Fläche) gebildet. Diese wolkenartige Ablagerung wird in der später beschriebenen Erläuterungsstelle von 4(b) näher erläutert.
  • 4 sind Darstellungen zur Veranschaulichung der Ausbildung der Nut, die im Keramikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, wobei (a) ein Beispiel für die Ausbildung der Nut und in der Nähe der Nut im Keramikbauteil zeigt und (b) ein anderes Beispiel für die Ausbildung der Nut und in der Nähe der Nut im Keramikbauteil zeigt.
  • Die Oberfläche des in 4(a) gezeigten laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 (entsprechend dem in 1 gezeigten laserverarbeiteten Keramikbauteil C2) besteht aus einer konkaven Fläche (Bodenfläche) c, einer Fläche zwischen den Nuten s und einer Oberfläche einer Ablagerung (Grat) b. Die konkave Fläche c erstreckt sich in einer linearen Richtung {entsprechend der vorderen und hinteren Richtung in 4(a)} und ist derart ausgebildet, dass sich ihre Breite mit zunehmender Tiefe verengt. Der Raum, der durch die konkave Fläche c gebildet wurde, stellt dann die Nut f dar. Die Fläche zwischen den Nuten s ist außerdem eine Ebene zwischen den benachbarten Nuten f auf der Oberfläche des Laserkeramikbauteils 201. Dann ist die Ablagerung (Grat) b ein Teil, der von der konkaven Fläche c oder/und der Fläche zwischen den Nuten s in einer zur Tiefenrichtung der Nut f geneigten Richtung vorsteht. Die Nut f öffnet sich (eine Öffnung a ist gebildet) dann auf einer Seite in der Tiefenrichtung mit der maximalen Breite W1 im Querschnitt CS orthogonal zur linearen Richtung, die eine Richtung ist, in der sich die Nut f erstreckt {entsprechend der vorderen- und hinteren Richtung in 4(a)}. Ferner weist die Ablagerung (Grat) b einen Nutenverschlussabschnitt o auf, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche c in der Tiefenrichtung der Nut f bildet.
  • Hierbei bedeutet die Teilung P einen Abstand zwischen den Mittelpunkten der benachbarten Nuten f auf der Oberfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201. Die Teilung P beträgt dann 0,05 mm oder mehr und 0,30 mm oder weniger. Außerdem ist das Aspektverhältnis ein Verhältnis, das durch Tiefe D/maximale Breite W1 ausgedrückt wird. Das Aspektverhältnis beträgt dann 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger. Ferner ist das Öffnungsverhältnis ein Verhältnis, das durch (maximale Breite W1 - Nutenverschlussbreite W2) × 100/maximale Breite W1 ausgedrückt wird. Das Öffnungsverhältnis beträgt dann 70% oder mehr, bevorzugt 80% oder mehr. Die Tiefe D bedeutet dabei die maximale Tiefe der Nut f im Querschnitt CS. Außerdem bedeutet die maximale Breite W1 die maximale Breite der Nut f im Querschnitt CS. Ferner ist die Nutenverschlussbreite W2 die Länge des Nutenverschlussabschnitts o im Querschnitt CS (Länge in der Breitenrichtung der Nut f).
  • Durch Einstellung des Aspektverhältnisses und des Öffnungsverhältnisses auf innerhalb der obigen Bereiche auf diese Weise kann in dem durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteil, das durch Füllen des Spritzwerkstoffs (nicht dargestellt) in die Nut f des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 hergestellt wird (nicht dargestellt), das Hohlraum-Flächenverhältnis auf 20% oder weniger (bevorzugt 15% oder weniger) und die Zughaftfestigkeit auf 3 MPa oder mehr (bevorzugt 5 MPa oder mehr) festgelegt werden, und ein durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil, das einen praktikablen Standard erfüllt (nicht dargestellt), hergestellt werden. Hier bedeutet das Hohlraum-Flächenverhältnis das Verhältnis (Prozentsatz) des Volumens eines Hohlraums in der Nut f des durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteils (ein Raum in der Nut f, der nicht mit dem Spritzwerkstoff gefüllt ist) zum Innenvolumen der Nut f (das Volumen des Raums, der durch die konkave Fläche c und die Öffnung a definiert ist). Ferner bedeutet die Zughaftfestigkeit die Zugkraft pro Flächeneinheit beim Ablösen des Spritzwerkstoffs von der Grenzfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 (die verlängerte Fläche der Fläche zwischen den Nuten s), wenn im durch thermisches Spritzen verarbeiteten Keramikbauteil der in die Nut f gefüllte Spritzwerkstoff aus dem laserverarbeiteten Keramikbauteil 201 gezogen wurde.
  • Bei dem in 4(b) gezeigten laserverarbeiteten Keramikbauteil 301 bilden die von der Fläche zwischen den Nuten s vorstehenden Ablagerungen (Grate) b wolkenartige Ablagerungen d1, d2 (entsprechend den wolkenartigen Ablagerungen, die auf der in 3b gezeigten Oberfläche des Abschnitts zwischen den Nuten zu sehen sind) aus. Die wolkenartigen Ablagerungen d1, d2 sind dadurch gebildet, dass im in 1 gezeigten Laserverarbeitungsprozess S1 der keramische Grundwerkstoff C1, der infolge der Bildung von Nuten teilweise geschmolzen oder/und verdampft ist, zwischen den benachbarten Nuten f auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 wolkenartig abgelagert wird, wodurch der Zwischenraum der Nuten f auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 teilweise oder ganz aufgeraut wird. Hier beträgt das Öffnungsverhältnis des laserverarbeiteten Keramikbauteils 301 70% oder mehr, bevorzugt 80% oder mehr, wobei die wolkenartigen Ablagerungen d1, d2 als Ablagerungen (Grate) b berücksichtigt werden. Konkret wird das Öffnungsverhältnis des laserverarbeiteten Keramikbauteils 301 unter Verwendung der Nutenverschlussbreite W2a am Nutenverschlussabschnitt o1 der wolkenartigen Ablagerung d1 und der Nutenverschlussbreite W2b am Nutenverschlussabschnitt o2 der wolkenartigen Ablagerung d2 durch (W1 - W2a - W2b) × 100/W1 dargestellt.
  • Als nächstes werden Testbeispiele für das Verarbeitungsverfahren von Keramik und das Keramikbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Zunächst werden die Testbedingungen unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert. Bei diesem Test wurde der keramische Grundwerkstoff C1 mit dem Keramikverarbeitungsgerät 1 laserverarbeitet und danach das laserverarbeitete Keramikbauteil C2 durch thermisches Spritzen verarbeitet. Hier wurde im Laserverarbeitungsgerät 1 ein Dauerstrich-Faserlaser für den Laseroszillator 2 und Stickstoffgas für das nicht oxidierende Gas G verwendet, das die Gaszufuhrvorrichtung 7 zuführt. Außerdem wurde bei der Spritzverarbeitung Y2O3 als Spritzwerkstoff F verwendet und das Plasmaspritzen durchgeführt.
  • Hier bedeutet in der linken Spalte von 5 die Leistung die Laserleistung, die Wellenlänge die Laserwellenlänge, der Punktdurchmesser den Durchmesser eines Punkts, der im Laseroszillator 2 mit dem Laser L bestrahlt wird, die Energiedichte die Laserleistungsdichte, Laserbestrahlungsgeschwindigkeit die Geschwindigkeit, mit der der Punkt der Laserbestrahlung im keramischen Grundwerkstoff C1 bewegt wird, die Anzahl der Wiederholungen die Anzahl der Abstrahlung von Laser L auf dieselbe Stelle im keramischen Grundwerkstoff C1, die Verarbeitungsfläche die Fläche, in der der keramische Grundwerkstoff C1 mit dem Laser L bestrahlt wurde, und die Verarbeitungszeit die Zeit, in der der keramische Grundwerkstoff C1 mit dem Laser L bestrahlt wurde.
  • Ferner bedeutet in der linken Spalte von 5 die Nutenbreite die in 4 gezeigte maximale Breite W1, die Nutentiefe die in 4 gezeigte Tiefe D, die Teilung zwischen den Nuten die in 4 gezeigte Teilung P, und das Aspektverhältnis die Nutentiefe/Nutenbreite, und das Öffnungsverhältnis, das Hohlraum-Flächenverhältnis sowie die Zughaftfestigkeit weisen die gleichen Bedeutungen auf, wie oben in der Erläuterung zu 4 beschrieben. Außerdem ist das Flächenverhältnis wolkenartiger Ablagerungen von der Fläche zwischen den Nuten der prozentuale Anteil der Fläche, auf der wolkenartige Ablagerungen (Grate) gebildet sind.
  • Hier wurde für die Zughaftfestigkeit das „Elcometer (eingetragenes Warenzeichen) 510, Model S“ hergestellt von Elcometer KK. als Messgerät verwendet.
  • Die zu lösende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist dann, indem (1) eine Nut auf der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs, in die ein Oberflächenverarbeitungswerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, gebildet wird, (2) ein Keramikbauteil herzustellen, das mit hoher Festigkeit an dem in diese Nut gefüllten Oberflächenverarbeitungswerkstoff haften kann. Hier wurde davon ausgegangen, dass die Anforderung vom obigen Punkt (1) dann erfüllt wird, wenn das Hohlraum-Flächenverhältnis 20% oder weniger (ein praktikabler Standardwert) beträgt, und die Anforderung vom obigen Punkt (2) dann erfüllt wird, wenn die Zughaftfestigkeit 3 MPa oder mehr (ein praktikabler Standardwert) beträgt.
  • In 5 ist gezeigt, dass in Vergleichsbeispiel 2, wenn das Aspektverhältnis nicht 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger beträgt (im Fall von oberhalb von 1,3), das Öffnungsverhältnis hoch (70% oder mehr) und die Zughaftfestigkeit ebenfalls hoch (3 MPa oder mehr) ist, während das Hohlraum-Flächenverhältnis hoch (oberhalb von 20%) ist. D. h., bei Vergleichsbeispiel 2 wurde die Tiefe der Nute einfach vergrößert um die Zughaftfestigkeit zu erhöhen, wobei die Zughaftfestigkeit nicht dadurch erhöht wurde, dass der Spritzwerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig in die Nut gefüllt wird. Daher kann das Vergleichsbeispiel 2 die oben beschriebene Aufgabe (1) der vorliegenden Erfindung nicht lösen.
  • Demgegenüber weisen die Ausführungsbeispiele 1 bis 7 und das Vergleichsbeispiel 1 ein Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger und jeweils unterschiedliche Öffnungsverhältnisse auf. In Vergleichsbeispiel 1 beträgt das Hohlraum-Flächenverhältnis 35% (oberhalb von 20%) und die Zughaftfestigkeit 2,1 MPa (weniger als 3 MPa), wobei weder die Aufgabe (1) noch die Aufgabe (2) der vorliegenden Erfindung oben beschrieben kann gelöst werden. In den Ausführungsbeispielen 1 bis 7 beträgt jedoch das Hohlraum-Flächenverhältnis 20% oder weniger und die Zughaftfestigkeit 3 MPa oder mehr, so dass die oben beschriebenen Aufgaben (1), (2) der vorliegenden Erfindung gelöst werden können. Um die Beziehungen zwischen dem Öffnungsverhältnis, dem Hohlraum-Flächenverhältnis und der Zughaftfestigkeit der Ausführungsbeispiele 1 bis 7 und des Vergleichsbeispiels 1 leicht erfassen zu können, wurde diese Beziehungen in 7 grafisch dargestellt. Wenn außerdem das Flächenverhältnis der wolkenartigen Ablagerungen 45% oder mehr, bevorzugt 65% oder mehr beträgt, kann die Zughaftfestigkeit effektiv erhöht werden.
  • Bei 6-1 handelt es sich um Bilder von außen eines Nutabschnitts, der mit einem Laser der in 5 gezeigten Testbeispiele auf der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs gebildet wurde (alle Ausführungsbeispiele). Das Bild von außen des Nutabschnitts in Ausführungsbeispiel 4 ist dabei mit dem in 3(b) identisch. Bei 6-2 handelt es sich um Bilder von außen eines Nutabschnitts, der mit einem Laser der in 5 gezeigten Testbeispiele auf der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs gebildet wurde (alle Vergleichsbeispiele). Bei 6-3 handelt es sich um Querschnittsbilder des Nutabschnitts nach der thermischen Spritzverarbeitung des Keramikbauteils, an dem die Nut mit dem Laser der in 5 gezeigten Testbeispiele (lediglich repräsentative Beispiele) gebildet wurde. Das Querschnittsbild des Nutabschnitts in Ausführungsbeispiel 4 ist dabei mit dem in 3(a) identisch. Die Nutenbreite, die Nutentiefe, die Teilung zwischen den Nuten, das Aspektverhältnis, das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von wolkenartigen Ablagerungen, das Flächenverhältnis der wolkenartigen Ablagerungen, das Öffnungsverhältnis und das Hohlraum-Flächenverhältnis, die in 5 angegeben sind, wurden basierend auf den vorstehenden Bildern von außen und den Querschnittsbildern ermittelt.
  • In 6-1 zeigt e1 Abschnitte zwischen den Nuten, die in Ausführungsbeispiel 1 nicht mit der wolkenartigen Ablagerung bedeckt sind. e2 zeigt Abschnitte zwischen den Nuten, die in Ausführungsbeispiel 3 nicht mit der wolkenartigen Ablagerung bedeckt sind. e3 zeigt Abschnitte zwischen den Nuten, die in Ausführungsbeispiel 7 nicht mit der wolkenartigen Ablagerung bedeckt sind. In 6-2 zeigt e4 Nuten in Vergleichsbeispiel 1. e5 zeigt einen Zustand, in dem in Vergleichsbeispiel 1 aufgrund der Füllung der Nuten durch wolkenartige Ablagerungen das Öffnungsverhältnis reduziert ist. e6 zeigt Abschnitte zwischen den Nuten in Vergleichsbeispiel 3. e7 zeigt Ablagerungen in Vergleichsbeispiel 3. e8 zeigt wolkenartige Ablagerungen in Vergleichsbeispiel 3. e9 zeigt Nuten in Vergleichsbeispiel 3. In 6-3 zeigt e10 wolkenartige Ablagerungen in Ausführungsbeispiel 3. e11 zeigt Abschnitte zwischen den Nuten ohne gebildete wolkenartige Ablagerungen in Ausführungsbeispiel 3. e12 zeigt einen Spritzwerkstoff in Ausführungsbeispiel 3. e13 zeigt einen Spritzwerkstoff in Ausführungsbeispiel 4. e14 zeigt einen Zustand, in dem in Ausführungsbeispiel 4 die gesamten Abschnitte zwischen den Nuten mit wolkenartigen Ablagerungen bedeckt sind. e15 zeigt Hohlräume (verursacht durch ein großes Aspektverhältnis) in Vergleichsbeispiel 2. e16 zeigt einen Spritzwerkstoff in Vergleichsbeispiel 2.
  • 7 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der in 5 dargestellten Tests (Ausführungsbeispiele 1 bis 7 und Vergleichsbeispiel 1 in 5) zeigt. Konkret zeigt in 7 die Abszisse das in 5 gezeigte Öffnungsverhältnis, die rechte Ordinate die in 5 gezeigte Zughaftfestigkeit (Haftfestigkeit) und die linke Ordinate das in 5 gezeigte Hohlraum-Flächenverhältnis. Dann ist, wie in 7 gezeigt, bei einem Öffnungsverhältnis von 70% oder mehr, insbesondere 80% oder mehr die Haftfestigkeit im Vergleich zum Fall, in dem das Öffnungsverhältnis unterhalb von diesen Werten liegt, deutlich höher (3 MPa oder mehr mit einem Öffnungsverhältnis von 70% oder mehr und 5 MPa oder mehr mit einem Öffnungsverhältnis von 80% oder mehr), wobei das Hohlraum-Flächenverhältnis deutlich niedriger (20% oder weniger mit einem Öffnungsverhältnis von 70% oder mehr und 15% oder weniger mit einem Öffnungsverhältnis von 80% oder mehr) ist. Daher zeigt 7, dass die obigen Aufgaben (1), (2) gelöst werden können, indem nach Festlegen des Aspektverhältnisses auf 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger das Öffnungsverhältnis auf 70% oder mehr, bevorzugt 80% oder mehr, festgelegt wird.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß der obigen Ausführungsform durch Festlegen des Aspektverhältnisses auf 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger, und des Öffnungsverhältnisses auf 70% oder mehr, wie in den 1 und 3 gezeigt, eine Nut f auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 gebildet werden, in die der Spritzwerkstoff F im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, und ein laserverarbeitetes Keramikbauteil C2 hergestellt werden, das mit hoher Festigkeit an dem in die Nut f gefüllten Spritzwerkstoff F haften kann.
  • D. h., wenn der Fall eines Aspektverhältnisses von weniger als 0,5 unter Bezugnahme auf das in 4(a) gezeigte laserverarbeitete Keramikbauteil 201 erläutert wird (wobei das laserverarbeitete Keramikbauteil 201 jedoch nicht den Zustand zeigt, in dem das Aspektverhältnis kleiner als 0,5 ist), ist die Tiefe der Nut f zu gering, als dass der Spritzwerkstoff in die Tiefe des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 eindringen würde, so dass, selbst wenn der Spritzwerkstoff in die Nut f des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 gefüllt wird, wird die Haftfestigkeit zwischen dem laserverarbeiteten Keramikbauteil 201 und dem Spritzwerkstoff nicht hoch (es entsteht kein Verankerungseffekt zwischen dem laserverarbeiteten Keramikbauteil 201 und dem Spritzwerkstoff). Demgegenüber ist, wenn das Aspektverhältnis 1,3 überschreitet, die Tiefe der Nut f zu tief, als dass der Spritzwerkstoff in den tiefen Teil der Nut f im laserverarbeiteten Keramikbauteil 201 gefüllt würde, so dass die Haftfestigkeit zwischen dem laserverarbeiteten Keramikbauteil 201 und dem Spritzwerkstoff nicht hoch wird. Mit einem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger kann, wie in 3 gezeigt, die Nut f mit einer Form, in der der Spritzwerkstoff 103 im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs 102 gebildet werden.
  • Wenn ferner der Fall eines Öffnungsverhältnisses von weniger als 70% unter Bezugnahme auf das in 4(a) dargestellte laserverarbeitete Keramikbauteil 201 erläutert wird (wobei das laserverarbeitete Keramikbauteil 201 jedoch nicht den Zustand zeigt, in dem das Öffnungsverhältnis weniger als 70% beträgt), wird in der Ablagerung (Grat) b, die auf der Oberfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 in einer zur Nutentiefenrichtung geneigten Richtung vorsteht, ein Nutenverschlussabschnitt o, der in der Nutentiefenrichtung einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche c, der Oberfläche der Nut f, bildet und stört, dass der Spritzwerkstoff in den Zwischenraum fließt, in großem Umfang gebildet. Hierdurch ist die Ausbreitung des Spritzwerkstoffs über den gesamten inneren Teil in der Nut f des laserverarbeiteten Keramikbauteils 201 schwierig. Mit einem Öffnungsverhältnis von 70% oder mehr kann sich der Spritzwerkstoff jedoch über den im Wesentlichen gesamten inneren Teil der Nut f ausbreiten, ohne durch die Ablagerung (Grat) b gestört zu werden. Hierdurch kann der Spritzwerkstoff in die Nut f mit einer Form, in der der Spritzwerkstoff im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann (Nut mit einem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger), im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden, ohne durch die Ablagerungen (Grate) b gestört zu werden.
  • Daher kann durch Festlegen des Öffnungsverhältnisses der Nut mit einem Aspektverhältnis von 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger auf 70% oder mehr, wie in 1 gezeigt, eine Nut, in die der Spritzwerkstoff F im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden kann, auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 gebildet werden, wodurch ein laserverarbeitetes Keramikbauteil C2, das mit hoher Festigkeit an dem in die Nut gefüllten Spritzwerkstoff F haften kann, hergestellt wird.
  • Außerdem kann in der obigen Ausführungsform, wie in 1 und 4(b) gezeigt, der Zwischenraum der benachbarten Nuten (Raum zwischen den Nuten) auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 durch wolkenartige Ablagerungen d1, d2, bei denen der keramische Grundwerkstoff C1 in Laserverarbeitungsprozess S1 geschmolzenen oder/und verdampften und darauffolgend wolkenartig abgelagert ist, effektiv aufgeraut werden, wodurch es möglich ist, dass der Raum zwischen den Nuten auf der Oberfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils C2 mit hoher Festigkeit am Spritzwerkstoff F haften kann. Weiterhin kann durch das Festlegen des Öffnungsverhältnisses auf 70% oder mehr, wobei von den wolkenartig abgelagerten wolkenartigen Ablagerungen d1, d2 ein Teil, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche c in der Tiefenrichtung der Nut f bildet, den Nutenverschlussabschnitten o1, o2 entspricht, verhindert werden, dass diese Ablagerungen d1, d2 die Füllung des Spritzwerkstoffs F im gesamten inneren Teil der Nut f stören. Hierdurch kann sowohl die Aufrauhung des Raums zwischen den Nuten durch die wolkenartigen Ablagerungen d1, d2 als auch die Aufrechterhaltung eines hohen Öffnungsverhältnisses der Nut f realisiert werden, wodurch das laserverarbeitete Keramikbauteil C2, das sowohl im Raum zwischen den Nuten als auch im inneren Teil der Nut f mit hoher Festigkeit am Spritzwerkstoff F haften kann, hergestellt werden kann.
  • Ferner kann gemäß der obigen Ausführungsform, wie in den 1 und 2 gezeigt, durch Bereitstellen der Gaszufuhrvorrichtung 7, die ein nicht oxidierendes Gas G, das verhindert, dass bei der Laserbestrahlung die Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 oxidiert wird, der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 zuführt, verhindert werden, dass sich bei der Laserbestrahlung ein Oxidfilm auf dem keramischen Grundwerkstoff C1 gebildet wird, wodurch ein laserverarbeitetes Keramikbauteil C2 hergestellt werden kann, das bei der Verwendung nicht durch den Oxidfilm beeinträchtigt wird.
  • Ferner kann, wie in 1 und 4(a) gezeigt, gemäß der obigen Ausführungsform der Spritzwerkstoff F im Wesentlichen gleichmäßig in die auf der Oberfläche des laserverarbeiteten Keramikbauteils C2 gebildete Nut f gefüllt werden, damit der in die Nut f gefüllte Spritzwerkstoff F und das laserverarbeitete Keramikbauteil C2 mit hoher Festigkeit aneinander haften. D. h., bei der thermischen Spritzverarbeitung wird der Spritzwerkstoff F, der geschmolzen oder halbgeschmolzen ist, in Richtung der Tiefenrichtung der auf dem laserverarbeiteten Keramikbauteil C2 gebildeten Nut f gespritzt. Wenn die Nut f des laserverarbeiteten Keramikbauteils C2 aufgrund des Nutenverschlussabschnitts o ein geringes Öffnungsverhältnis aufweist, erreicht der in der Tiefenrichtung der Nut f gespritzte Spritzwerkstoff F aufgrund des Nutenverschlussabschnitts o das Ende (konkave Fläche c) der Nut f in der Tiefenrichtung nicht, so dass es schwierig ist, diese Nut f gleichmäßig mit dem Spritzwerkstoff F zu füllen. Da jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung das Aspektverhältnis und das Öffnungsverhältnis innerhalb der obigen Bereiche festgelegt sind, kann sich der in die Nut f des laserverarbeiteten Keramikbauteils C2 gespritzte Spritzwerkstoff F über den im Wesentlichen gesamten inneren Teil der Nut f ausbreiten, damit das laserverarbeitete Keramikbauteil C2 und der Spritzwerkstoff F mit hoher Festigkeit aneinander haften.
  • In der obigen Ausführungsform ist außerdem in den auf der Oberfläche des keramischen Grundwerkstoffs C1 mehrmals gebildeten Nuten f geradlinig eine Verarbeitungsstruktur gebildet, jedoch kann auch gekrümmt oder umlaufend eine Verarbeitungsstruktur gebildet werden. Außerdem können diese mehreren Nuten f derart gebildet werden, dass sie sich gegenseitig schneiden.
  • In der obigen Ausführungsform ist das in 1 gezeigte Verarbeitungsverfahren von Keramik mit dem Prozess der thermischen Spritzverarbeitung S2 versehen, es kann jedoch auch, ohne diesen aufzuweisen, lediglich mit dem Laserverarbeitungsprozess S1 versehen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laserverarbeitungsgerät
    2
    Laseroszillator
    3
    Ablenkspiegel
    4
    Fokussierspiegel
    5
    X-Scanner
    6
    Y-Scanner
    7
    Gaszufuhrvorrichtung
    101
    durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil
    102
    Grundwerkstoff (laserverarbeitetes Keramikbauteil)
    103
    Spritzwerkstoff
    201
    laserverarbeitetes Keramikbauteil
    301
    laserverarbeitetes Keramikbauteil
    a
    Öffnung
    b
    Ablagerung (Grat)
    c
    konkave Fläche (Bodenfläche)
    CS
    Querschnitt
    C1
    keramischer Grundwerkstoff
    C2
    laserverarbeitetes Keramikbauteil
    C3
    durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil
    D
    Tiefe
    d1, d2
    wolkenartige Ablagerung
    F
    Spritzwerkstoff
    f
    Nut
    G
    nicht oxidierendes Gas
    L
    Laser
    o, o1, o2
    Nutenverschlussabschnitt
    P
    Teilung
    s
    Fläche zwischen den Nuten
    W1
    maximale Breite
    W2, W2a, W2b
    Nutenverschlussbreite
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2016/170895 [0007]

Claims (8)

  1. Laserverarbeitungsverfahren von Keramik, bei dem durch Bestrahlen der Oberfläche eines keramischen Grundwerkstoffs mit einem Laser mehrere Nuten vorgesehen werden, deren konkave Fläche sich in mindestens einer Richtung auf der Oberfläche erstreckend gebildet ist, wobei der Zwischenraum der auf der Oberfläche benachbarten Nuten eine Ebene ist und die Teilung zwischen den benachbarten Nuten 0,05 mm oder mehr und 0,30 mm oder weniger beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine der Nuten mit zunehmender Tiefe in der Breite verengt und in einem Querschnitt orthogonal zu der einen Richtung auf einer Seite der Tiefenrichtung der einen Nut in der maximalen Breite öffnet, wobei das Verhältnis der Tiefe zu der maximalen Breite (Aspektverhältnis) 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger beträgt, sowie, wenn ein Grat gebildet wird, der in einer von der konkaven Fläche oder/und der Ebene zu der Tiefenrichtung geneigten Richtung vorsteht, wobei außerdem der Grat einen Nutenverschlussabschnitt aufweist, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche in der Tiefenrichtung bildet, das Verhältnis eines Werts, der durch Subtrahieren der Länge in der Breitenrichtung des Nutenverschlussabschnitts in dem Querschnitt von der maximalen Breite erhalten wird, zu der maximalen Breite (Öffnungsverhältnis) 70% oder mehr beträgt.
  2. Laserverarbeitungsverfahren von Keramik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des keramischen Grundwerkstoffs, der mit der Bildung der Nut geschmolzen oder/und verdampft ist, zwischen den benachbarten Nuten auf der Oberfläche wolkenartig abgelagert wird, wodurch der Zwischenraum der Nuten auf der Oberfläche teilweise oder ganz aufgeraut wird, und das Verhältnis (Öffnungsverhältnis) auf 70% oder mehr festgelegt wird, wobei von der wolkenartig abgelagerten Ablagerung der Teil, der den Zwischenraum bildet, dem Nutenverschlussabschnitt entspricht.
  3. Laserverarbeitungsverfahren von Keramik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den mehrmals vorgesehenen Nuten geradlinig, gekrümmt oder umlaufend eine Verarbeitungsstruktur gebildet wird oder diese Nuten derart gebildet werden, dass sie sich gegenseitig schneiden.
  4. Verfahren zur thermischen Spritzverarbeitung von Keramik, bei dem ein keramischer Grundwerkstoff durch das Laserverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vor dem thermischen Spritzen verarbeitet wird und die thermische Spritzverarbeitung an einem durch die Verarbeitung vor dem thermischen Spritzen erhaltenen laserverarbeiteten Keramikbauteil vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der thermischen Spritzverarbeitung durch Füllen eines Spritzwerkstoffs in die auf dem laserverarbeiteten Keramikbauteil gebildete Nut der Spritzwerkstoff und das laserverarbeitete Keramikbauteil aneinander haften, das Hohlraum-Flächenverhältnis in einer der Nuten 20% oder weniger beträgt, und das Hohlraum-Flächenverhältnis das Verhältnis eines Hohlraumvolumens in der einen Nut zum Volumen der einen Nut in einem Zustand ist, in dem der Spritzwerkstoff in der Nut gefüllt ist.
  5. Keramikbauteil, in dem mehrere Nuten mit einer konkaven Fläche, die in mindestens einer Richtung auf der Oberfläche einer Basis erstreckend gebildet ist, vorgesehen sind, wobei der Zwischenraum der auf der Oberfläche benachbarten Nuten eine Ebene ist und die Teilung zwischen den benachbarten Nuten 0,05 mm oder mehr und 0,30 mm oder weniger beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine der Nuten mit zunehmender Tiefe in der Breite verengt und in einem Querschnitt orthogonal zu der einen Richtung auf einer Seite der Tiefenrichtung der einen Nut in der maximalen Breite öffnet, wobei das Verhältnis der Tiefe zu der maximalen Breite (Aspektverhältnis) 0,5 oder mehr und 1,3 oder weniger beträgt, sowie, wenn ein Grat gebildet wird, der in einer von der konkaven Fläche oder/und der Ebene zu der Tiefenrichtung geneigten Richtung vorsteht, wobei außerdem der Grat einen Nutenverschlussabschnitt aufweist, der einen Zwischenraum mit der konkaven Fläche in der Tiefenrichtung bildet, das Verhältnis eines Werts, der durch Subtrahieren der Länge in der Breitenrichtung des Nutenverschlussabschnitts in dem Querschnitt von der maximalen Breite erhalten wird, zu der maximalen Breite (Öffnungsverhältnis) 70% oder mehr beträgt.
  6. Keramikbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche durch eine wolkenartige Ausbildung des Zwischenraums der benachbarten Nuten der Zwischenraum der Nuten auf der Oberfläche teilweise oder ganz aufgeraut wird, und das Verhältnis (Öffnungsverhältnis) 70% oder mehr beträgt, wobei auf der Oberfläche von dem wolkenartig ausgebildeten Abschnitt ein Abschnitt, der den Zwischenraum bildet, dem Nutenverschlussabschnitt entspricht.
  7. Keramikbauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den mehrmals vorgesehenen Nuten geradlinig, gekrümmt oder umlaufend eine Verarbeitungsstruktur gebildet ist oder diese Nuten derart gebildet sind, dass sie sich gegenseitig schneiden.
  8. Durch thermisches Spritzen verarbeitetes Keramikbauteil, versehen mit einem Keramikbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, und einem Spritzwerkstoff, der in die an dem Keramikbauteil gebildeten Nuten gefüllt wird und an dem Keramikbauteil haftet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraum-Flächenverhältnis in einer der Nuten 20% oder weniger beträgt, und das Hohlraum-Flächenverhältnis das Verhältnis eines Hohlraumvolumens in der einen Nut zum Volumen der einen Nut in einem Zustand ist, in dem der Spritzwerkstoff in der Nut gefüllt ist.
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