JP2002346726A - 金属−セラミックス複合材料同士の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 重ね合わせた接合部全体が強固に接合できる
金属−セラミックス複合材料同士の接合方法を提供する
こと。 【解決手段】 強化材であるセラミックス粉末またはセ
ラミックス繊維とマトリックスであるアルミニウムまた
はアルミニウム合金とで貫通穴を有する複合材料を複数
個作製し、その複数個の複合材料をその穴が連続して連
なるように、かつその複合材料間にＭｇを含むセラミッ
クス粉末を敷き詰めて縦に積み重ね、その積み重ねた複
合材料の貫通穴にセラミックス粉末を充填した後、その
充填したセラミックス粉末に溶融したアルミニウムまた
はアルミニウム合金を窒素雰囲気中で非加圧で浸透させ
ることとした金属−セラミックス複合材料同士の接合方
法。

Description

【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
ス複合材料の接合方法に関し、特に金属−セラミックス
複合材料同士の接合方法に関する。

【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られている。

【０００３】この複合材料の製造方法、特に金属として
アルミニウムをマトリックスとする複合材料の製造方法
としては、粉末冶金法、高圧鋳造法、真空鋳造法等の方
法が従来から知られている。しかし、これらの方法で
は、強化材であるセラミックスの含有率を高くできな
い、あるいは大型の加圧装置が必要である、もしくはニ
アネットの成形が困難である、コストが極めて高いなど
の理由によりいずれも満足できるものではなかった。

【０００４】そこで最近では、上記問題を解決する製造
方法として、米国ランクサイド社が開発した非加圧金属
浸透法（Ｐｒｉｍｅｘ^TM）がある。この方法は、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Ｍｇを含む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。こ
れは、Ｍｇの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ので、
加圧装置が不要な優れた方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法で作製された複合材料同士の接合においては、複合材
料同士を単に重ね合わせて複合材料中のアルミニウム合
金が溶融するまで熱処理するだけでは、重ね合わせた接
合部に溶融したアルミニウム合金が十分に供給されない
ため、強固に接合できないという問題があった。

【０００６】それを解決するために、重ね合わせた接合
面にセラミックス粉末を敷き詰め、その敷き詰めたセラ
ミックス粉末に溶融したアルミニウム合金を浸透させる
方法も提案されているが、この方法でも接合部の中心部
に溶融したアルミニウム合金が十分に行き渡らないた
め、やはり強固に接合できないという問題があった。

【０００７】本発明は、上述した金属−セラミックス複
合材料の接合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、重ね合わせた接合部全体が強固に接
合できる金属−セラミックス複合材料同士の接合方法を
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、接合すべき複合材料
の重ね合わせる部分に貫通穴を形成し、その貫通穴にセ
ラミックス粉末を充填して重ね合わせ、その充填したセ
ラミックス粉末に溶融したアルミニウム合金を浸透させ
れば、重ね合わせた接合部全体が強固に接合できるとの
知見を得て本発明を完成するに至った。

【０００９】即ち、本発明は、（１）強化材であるセラ
ミックス粉末またはセラミックス繊維とマトリックスで
あるアルミニウムまたはアルミニウム合金とで貫通穴を
有する複合材料を複数個作製し、その複数個の複合材料
をその穴が連続して連なるように、かつその複合材料間
にＭｇを含むセラミックス粉末を敷き詰めて縦に積み重
ね、その積み重ねた複合材料の貫通穴にセラミックス粉
末を充填した後、その充填したセラミックス粉末に溶融
したアルミニウムまたはアルミニウム合金を窒素雰囲気
中で非加圧で浸透させることを特徴とする金属−セラミ
ックス複合材料同士の接合方法（請求項１）とし、
（２）前記充填するセラミックス粉末が、無機系バイン
ダーを含むスラリーに含まれるセラミックス粉末である
ことを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複
合材料同士の接合方法（請求項２）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、本発明の複合材料同
士の接合方法としては、強化材であるセラミックス粉末
またはセラミックス繊維とマトリックスであるアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金とで貫通穴を有する複合材
料を複数個作製し、その複数個の複合材料をその穴が連
続して連なるように、かつその複合材料間にＭｇを含む
セラミックス粉末を敷き詰めて縦に積み重ね、その積み
重ねた複合材料の貫通穴にセラミックス粉末を充填した
後、その充填したセラミックス粉末に溶融したアルミニ
ウムまたはアルミニウム合金を窒素雰囲気中で非加圧で
浸透させることとする接合方法とした（請求項１）。

【００１１】これは、貫通穴を有する複合材料をその穴
が連続して連なるように、かつその穴にセラミックス粉
末を充填して積み重ね、その充填したセラミックス粉末
にアルミニウムまたはアルミニウム合金を浸透させるこ
とにより、複合材料同士が穴の部分を通じて強く接合し
た接合体となり、加えて、接合する面の複合材料間にＭ
ｇを含むセラミックス粉末を敷き詰めることにより、穴
に浸透させたアルミニウムまたはアルミニウム合金がそ
の敷き詰めたセラミックス粉末にも浸透するので、重ね
合わせた接合面全体が強く接合された接合体となるもの
である。そして、これは、縦方向に積み重ねるので、長
大、あるいは背の高い接合体を作る場合に特に効果があ
る。

【００１２】その穴に充填するセラミックス粉末として
は、無機系バインダーを含むスラリーに含まれるセラミ
ックス粉末とした（請求項２）。セラミックス粉末を単
に穴に詰め込むだけでもよいが、この無機系バインダー
を含むスラリー状態で充填すれば、セラミックス粉末が
穴の隅々まで行き渡るばかりでなく、密に充填されたも
のとなり、しかもセラミックス粉末が固化されるので、
粉末が飛散したりこぼれたリすることもなく、より好ま
しいものとなる。その無機系バインダーには例えばエチ
ルシリケートなどが挙げられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の複合材料同士の接合方法
をさらに詳しく述べると、先ず強化材であるセラミック
ス粉末またはセラミックス繊維としてＳｉＣ、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＡｌＮなどのセラミックス粉末またはセラミック
ス繊維を用意し、これ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。

【００１４】用意したセラミックス粉末またはセラミッ
クス繊維でプリフォームを形成し、そのプリフォームに
用意したアルミニウム合金を接触させ、それを窒素雰囲
気中で７００〜９００℃の温度で熱処理し、溶融したア
ルミニウム合金を非加圧で浸透させ、冷却して接合すべ
き貫通穴を有する複合材料を複数個作製する。

【００１５】貫通穴を有する複合材料を作製するのは、
貫通穴を有するプリフォームにアルミニウムまたはアル
ミニウム合金を浸透させて、あらかじめ貫通穴を有する
複合材料を作製してもよいし、作製した複合材料に機械
加工により貫通穴を設けてもよい。穴の個数は接合すべ
き複合材料の大きさにもよるが、通常接合すべき面の中
心部１個でよいが、場合によっては２個以上でもよい。
穴の大きさはこれも接合すべき複合材料の大きさにもよ
るが、おおよそ接合面の面積に対して１／２０程度の面
積に匹敵する穴の大きさでよい。

【００１６】得られた複合材料を貫通穴が連続して連な
るように、かつ複合材料の接合する面の間にＭｇ粉末を
含むセラミックス粉末を敷き詰めて縦に積み重ね、その
積み重ねた複合材料の穴にセラミックス粉末を充填す
る。充填するセラミックス粉末の種類としては、複合材
料を構成するセラミックスと同じとするのがよい。セラ
ミックス粉末をスラリーで充填する場合には、セラミッ
クス粉末に無機系バインダーを添加し、それに溶媒を加
えて混合してスラリーを調製し、そのスラリーを穴に流
し込んだ後、加温固化すればよい。

【００１７】その充填したセラミックス粉末に先と同じ
アルミニウム合金のインゴットを接触させ、それを窒素
雰囲気中で７００〜９００℃の温度で熱処理し、溶融し
たアルミニウム合金を非加圧で浸透させ、冷却して複合
材料同士が接合された複合材料を作製する。

【００１８】以上の方法で金属−セラミックス複合材料
同士を接合すれば、重ね合わせた接合部全体が強固に接
合した複合材料同士の接合体が得られる。

【００１９】

【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。

【００２０】（実施例１） （１）金属−セラミックス複合材料同士の接合 強化材として＃１８０（平均粒径６６μｍ）の市販Ｓｉ
Ｃ粉末７０重量部と＃５００（平均粒径２５μｍ）の市
販ＳｉＣ粉末３０重量部を用い、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、それにさらに消泡剤としてフォーマスタＶ
Ｌ（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。

【００２１】得られたスラリーを中心にφ５０ｍｍの貫
通穴を有する２００×２００×２００ｍｍ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、Ｓｉ
Ｃ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℃の温度で焼成して粉末充填率が
７０体積％のプリフォームを３個形成した。

【００２２】得られたプリフォームにＡｌ−３Ｍｇ組成
のアルミニウム合金のインゴットを接触させ、それを窒
素雰囲気中で８２５℃の温度で２４時間熱処理し、溶融
したアルミニウム合金を非加圧浸透させた後、冷却して
貫通穴を有する複合材料を３個作製した。

【００２３】得られた複合材料を穴が連なるように、か
つ複合材料の接合面間にＭｇを３ｗｔ％含む＃５００の
ＳｉＣ粉末を敷き詰め、縦に積み重ねた後、穴にエチル
シリケートを１０重量％含むイオン交換水に＃５００の
ＳｉＣ粉末を分散させたスラリーを流し込み、それを加
温固化した後、その充填されたＳｉＣ粉末にアルミニウ
ム合金のインゴットを接触させ、窒素雰囲気中で８２５
℃の温度で１２時間熱処理し、溶融したアルミニウム合
金を非加圧浸透させた後、冷却して複合材料を３個接合
した。

【００２４】（２）評価 得られた接合体の接合面を切断し、その切断面を目視で
観察し、接合面のアルミニウム合金の行き渡らない部分
の有無を調べた。その結果、アルミニウム合金は十分に
行き渡っており、重ね合わせた接合面全体が強固に接合
されていた。このことは、本発明の接合方法であれば、
重ね合わせた接合部全体が強固に接合できる複合材料同
士の接合方法となることを示している。

【００２５】（比較例）比較のために実施例１で形成し
たプリフォームを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、接合し、評価し
た。その結果、接合面にはアルミニウム合金の行き渡ら
ないところが中心部に認められた。

【００２６】

【発明の効果】以上の通り、本発明の金属−セラミック
ス複合材料同士の接合方法であれば、接合部全体が強固
に接合できる複合材料同士の接合方法とすることができ
るようになった。このことにより、高さ方向が５００ｍ
ｍ以上の複合材料同士の接合体を作製することができる
ようになったので、長大の架台等も作製することができ
るようになった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田野 直水 宮城県仙台市泉区明通３−７ セランクス 株式会社仙台工場 (72)発明者 樋口 毅 宮城県仙台市泉区明通３−７ セランクス 株式会社仙台工場 Ｆターム(参考） 4K020 AA05 AA22 AC01 BB02 BB22 BB41

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化材であるセラミックス粉末またはセ
   ラミックス繊維とマトリックスであるアルミニウムまた
   はアルミニウム合金とで貫通穴を有する複合材料を複数
   個作製し、その複数個の複合材料をその穴が連続して連
   なるように、かつその複合材料間にＭｇを含むセラミッ
   クス粉末を敷き詰めて縦に積み重ね、その積み重ねた複
   合材料の貫通穴にセラミックス粉末を充填した後、その
   充填したセラミックス粉末に溶融したアルミニウムまた
   はアルミニウム合金を窒素雰囲気中で非加圧で浸透させ
   ることを特徴とする金属−セラミックス複合材料同士の
   接合方法。
2. 【請求項２】 前記充填するセラミックス粉末が、無機
   系バインダーを含むスラリーに含まれるセラミックス粉
   末であることを特徴とする請求項１記載の金属−セラミ
   ックス複合材料同士の接合方法。