JP2003285155A - アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体 - Google Patents
アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】廃棄アルミニウム合金塊の再生が容易で、高純
度のアルミニウム合金の回収が可能となる、アルミニウ
ム合金−セラミックス複合体を容易に製造すること。 【解決手段】ユニット４の複数個がスペーサー５を介し
て積層され、上端板６ａと下端板６ｂによってブロック
化されてなるものであり、上記ユニットは、アルミニウ
ム製又はその合金製の囲周壁１内にセラミックス多孔体
２が嵌挿されてなり、しかも溶融アルミニウム合金の流
通孔３を有してなるものであることを特徴とするアルミ
ニウム合金−セラミックス複合体を製造するための構造
体。これを用いたアルミニウム合金−セラミックス複合
体の製造方法など。
度のアルミニウム合金の回収が可能となる、アルミニウ
ム合金−セラミックス複合体を容易に製造すること。 【解決手段】ユニット４の複数個がスペーサー５を介し
て積層され、上端板６ａと下端板６ｂによってブロック
化されてなるものであり、上記ユニットは、アルミニウ
ム製又はその合金製の囲周壁１内にセラミックス多孔体
２が嵌挿されてなり、しかも溶融アルミニウム合金の流
通孔３を有してなるものであることを特徴とするアルミ
ニウム合金−セラミックス複合体を製造するための構造
体。これを用いたアルミニウム合金−セラミックス複合
体の製造方法など。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、混成集積回路基板
のヒートシンクとして好適なアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体に関す
る。
のヒートシンクとして好適なアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体に関す
る。
【０００２】高絶縁性・高熱伝導性を有する例えば窒化
アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板
の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また
裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成され
てなる回路基板は、例えばパワーモジュール用基板とし
て使用されている。今日、半導体素子の高集積化、大型
化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに
効率よく放熱するかが課題となっている。
アルミニウム基板、窒化珪素基板等のセラミックス基板
の表面に、銅製又はアルミニウム製の金属回路を、また
裏面に銅製又はアルミニウム製の金属放熱板が形成され
てなる回路基板は、例えばパワーモジュール用基板とし
て使用されている。今日、半導体素子の高集積化、大型
化に伴い、発熱量は増加の一途をたどっており、いかに
効率よく放熱するかが課題となっている。
【０００３】従来の回路基板の放熱構造の典型は、回路
基板の裏面（金属放熱板）にベース金属板（例えば銅
板）を介してヒートシンクが半田付けされてなるもので
あり、ヒートシンク材としては銅、アルミニウムが一般
的であった。しかしながら、この構造においては、半導
体装置に熱負荷がかかったときに、ヒートシンクと回路
基板の熱膨張係数差に起因するクラックが半田層に発生
し、放熱が不十分となって半導体を誤作動させたり、破
損させたりする問題が起こりやすかった。
基板の裏面（金属放熱板）にベース金属板（例えば銅
板）を介してヒートシンクが半田付けされてなるもので
あり、ヒートシンク材としては銅、アルミニウムが一般
的であった。しかしながら、この構造においては、半導
体装置に熱負荷がかかったときに、ヒートシンクと回路
基板の熱膨張係数差に起因するクラックが半田層に発生
し、放熱が不十分となって半導体を誤作動させたり、破
損させたりする問題が起こりやすかった。
【０００４】そこで、熱膨張係数を回路基板のそれに近
づけたヒートシンクとして、アルミニウム合金−炭化珪
素質複合体が提案され注目されている（特開平３−５０
９８６０号公報）。このヒートシンクは、無機質粒子又
は繊維によるプリフォームを作製し、アルミニウム合金
を複合化させたものであるが、非常に硬いので、最終ヒ
ートシンク形状に加工するには、ダイヤモンド等の工具
を用いて多くの研削が必要となるので、製品価格が高く
なるという問題がある。
づけたヒートシンクとして、アルミニウム合金−炭化珪
素質複合体が提案され注目されている（特開平３−５０
９８６０号公報）。このヒートシンクは、無機質粒子又
は繊維によるプリフォームを作製し、アルミニウム合金
を複合化させたものであるが、非常に硬いので、最終ヒ
ートシンク形状に加工するには、ダイヤモンド等の工具
を用いて多くの研削が必要となるので、製品価格が高く
なるという問題がある。
【０００５】このため、プリフォームの少なくとも一面
に、好ましくは側壁の全周囲面に、溶融アルミニウム合
金との接触を少なくするための隔壁を設けるなどして画
定しておき、それを鉄製等の加圧容器内に配置してか
ら、溶融アルミニウム合金を注湯し、圧力を加えて、プ
リフォームに溶融アルミニウム合金を含浸させることが
提案されている。これによって、得られたアルミニウム
合金−炭化珪素質複合体の隔壁面の加工が容易となっ
た。しかし、隔壁材には、溶融アルミニウム合金と反応
しない鉄や鉄系合金が使用されているので、その寿命は
短いものであった。また、アルミニウム合金−炭化珪素
質複合体を内包するアルミニウム合金塊を隔壁から外
し、次いでアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を取り
出し、その後に廃棄アルミニウム合金塊から鉄や鉄系合
金成分を分別除去してから再生処理することが行われて
いるが、これでは十分なコスト軽減にはならなかった。
に、好ましくは側壁の全周囲面に、溶融アルミニウム合
金との接触を少なくするための隔壁を設けるなどして画
定しておき、それを鉄製等の加圧容器内に配置してか
ら、溶融アルミニウム合金を注湯し、圧力を加えて、プ
リフォームに溶融アルミニウム合金を含浸させることが
提案されている。これによって、得られたアルミニウム
合金−炭化珪素質複合体の隔壁面の加工が容易となっ
た。しかし、隔壁材には、溶融アルミニウム合金と反応
しない鉄や鉄系合金が使用されているので、その寿命は
短いものであった。また、アルミニウム合金−炭化珪素
質複合体を内包するアルミニウム合金塊を隔壁から外
し、次いでアルミニウム合金−炭化珪素質複合体を取り
出し、その後に廃棄アルミニウム合金塊から鉄や鉄系合
金成分を分別除去してから再生処理することが行われて
いるが、これでは十分なコスト軽減にはならなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
てなされたものであり、その目的は、混成集積回路基板
のヒートシンクとして好適なアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体の安価な製造方法とそれに用いる構造体を
提供することである。本発明の目的は、従来の隔壁材の
一部又は全部をアルミニウム製又はアルミニウム合金
製、特に溶融アルミニウム合金の融点よりも１０℃以上
高い融点を持つアルミニウム合金製とすることによって
達成することができる。
てなされたものであり、その目的は、混成集積回路基板
のヒートシンクとして好適なアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体の安価な製造方法とそれに用いる構造体を
提供することである。本発明の目的は、従来の隔壁材の
一部又は全部をアルミニウム製又はアルミニウム合金
製、特に溶融アルミニウム合金の融点よりも１０℃以上
高い融点を持つアルミニウム合金製とすることによって
達成することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、以
下のとおりである。 （請求項１）ユニット４の複数個がスペーサー５を介し
て積層され、上端板６ａと下端板６ｂによってブロック
化されてなるものであり、上記ユニットは、アルミニウ
ム製又はその合金製の囲周壁１内にセラミックス多孔体
２が嵌挿されてなり、しかも溶融アルミニウム合金の流
通孔３を有してなるものであることを特徴とするアルミ
ニウム合金−セラミックス複合体を製造するための構造
体。 （請求項２）溶融アルミニウム合金の流通孔３を有して
なるアルミニウム製又はその合金製の密閉型７内に、セ
ラミックス多孔体２の複数個がスペーサー５を介して積
層されてなることを特徴とするアルミニウム合金−セラ
ミックス複合体を製造するための構造体。 （請求項３）密閉型又は囲周壁の融点が、溶融アルミニ
ウム合金の融点よりも１０℃以上高いものであることを
特徴とする請求項１又は２記載の構造体。 （請求項４）密閉型又は囲周壁は、セラミックス多孔体
と接する部分のみをアルミニウム製又はその合金製と
し、残りの部分を鉄系金属製としてなることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。 （請求項５）セラミックス多孔体が、炭化珪素質多孔体
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の構造体。 （請求項６）囲周壁、上下端板、スペーサー又密閉型
と、セラミックス多孔体とが接触する部分に離型剤が介
在しているものであることを特徴とする請求項１〜５の
いずれかに記載の構造体。 （請求項７）請求項１〜６のいずれかに記載の構造体を
加圧容器内に配置してから溶融アルミニウム合金を充填
し、加圧してセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合
金を含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−セラミッ
クス複合体を分離することを特徴とするアルミニウム合
金−セラミックス複合体の製造方法。 （請求項８）アルミニウム合金−セラミックス複合体の
分離が、打ち抜きで行われることを特徴とする請求項７
記載の製造方法。
下のとおりである。 （請求項１）ユニット４の複数個がスペーサー５を介し
て積層され、上端板６ａと下端板６ｂによってブロック
化されてなるものであり、上記ユニットは、アルミニウ
ム製又はその合金製の囲周壁１内にセラミックス多孔体
２が嵌挿されてなり、しかも溶融アルミニウム合金の流
通孔３を有してなるものであることを特徴とするアルミ
ニウム合金−セラミックス複合体を製造するための構造
体。 （請求項２）溶融アルミニウム合金の流通孔３を有して
なるアルミニウム製又はその合金製の密閉型７内に、セ
ラミックス多孔体２の複数個がスペーサー５を介して積
層されてなることを特徴とするアルミニウム合金−セラ
ミックス複合体を製造するための構造体。 （請求項３）密閉型又は囲周壁の融点が、溶融アルミニ
ウム合金の融点よりも１０℃以上高いものであることを
特徴とする請求項１又は２記載の構造体。 （請求項４）密閉型又は囲周壁は、セラミックス多孔体
と接する部分のみをアルミニウム製又はその合金製と
し、残りの部分を鉄系金属製としてなることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。 （請求項５）セラミックス多孔体が、炭化珪素質多孔体
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の構造体。 （請求項６）囲周壁、上下端板、スペーサー又密閉型
と、セラミックス多孔体とが接触する部分に離型剤が介
在しているものであることを特徴とする請求項１〜５の
いずれかに記載の構造体。 （請求項７）請求項１〜６のいずれかに記載の構造体を
加圧容器内に配置してから溶融アルミニウム合金を充填
し、加圧してセラミックス多孔体に溶融アルミニウム合
金を含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−セラミッ
クス複合体を分離することを特徴とするアルミニウム合
金−セラミックス複合体の製造方法。 （請求項８）アルミニウム合金−セラミックス複合体の
分離が、打ち抜きで行われることを特徴とする請求項７
記載の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、更に
詳しく説明する。
詳しく説明する。
【０００９】図１、図２に、本発明のアルミニウム合金
−セラミックス複合体を製造するための構造体（以下、
単に「構造体」ともいう。）の一例を示した。図１は概
略正面図、図２は概略縦断面図である。図１の構造体
（以下、これを「ユニット積層型構造体」ともいう。）
は請求項１に対応し、図２の構造体（以下、これを「一
体型構造体」ともいう。）は請求項２に対応している。
図３は、請求項１の構造体に用いられるユニットの概略
横断面図である。符号１はアルミニウム製又はその合金
製の囲周壁、２はセラミックス多孔体、３は溶融アルミ
ニウム合金の流通孔、４はユニット、５はスペーサー、
６ａは上端板、６ｂは下端板、７はアルミニウム製又は
その合金製の密閉型、である。
−セラミックス複合体を製造するための構造体（以下、
単に「構造体」ともいう。）の一例を示した。図１は概
略正面図、図２は概略縦断面図である。図１の構造体
（以下、これを「ユニット積層型構造体」ともいう。）
は請求項１に対応し、図２の構造体（以下、これを「一
体型構造体」ともいう。）は請求項２に対応している。
図３は、請求項１の構造体に用いられるユニットの概略
横断面図である。符号１はアルミニウム製又はその合金
製の囲周壁、２はセラミックス多孔体、３は溶融アルミ
ニウム合金の流通孔、４はユニット、５はスペーサー、
６ａは上端板、６ｂは下端板、７はアルミニウム製又は
その合金製の密閉型、である。
【００１０】アルミニウム合金−セラミックス複合体を
製造する際に重要なことは、セラミックスとアルミニウ
ム合金の濡れ性を良くして緻密化させることであり、従
来より、プリフォームを成形し、溶融アルミニウム合金
を高温高圧下で複合化させる高圧鋳造法が採用されてい
る。この場合、ダイヤモンド等の高価な加工工具を用い
ないで製造するには、鉄又は鉄系合金の隔壁が使用され
ていることは上記した。
製造する際に重要なことは、セラミックスとアルミニウ
ム合金の濡れ性を良くして緻密化させることであり、従
来より、プリフォームを成形し、溶融アルミニウム合金
を高温高圧下で複合化させる高圧鋳造法が採用されてい
る。この場合、ダイヤモンド等の高価な加工工具を用い
ないで製造するには、鉄又は鉄系合金の隔壁が使用され
ていることは上記した。
【００１１】本発明のアルミニウム合金−セラミックス
複合体の製造方法においては、この鉄又は鉄系合金製隔
壁の代わりに、アルミニウム製又はその合金製の隔壁、
すなわち囲周壁１又は密閉型７を用いたことが大きな特
徴である（図１〜図３参照）。ユニット積層型構造体
は、ユニットの複数個が積層された構造を有し、一体型
構造体は、密閉型の内部にセラミックス多孔体の複数個
が積層された構造を有するものである。
複合体の製造方法においては、この鉄又は鉄系合金製隔
壁の代わりに、アルミニウム製又はその合金製の隔壁、
すなわち囲周壁１又は密閉型７を用いたことが大きな特
徴である（図１〜図３参照）。ユニット積層型構造体
は、ユニットの複数個が積層された構造を有し、一体型
構造体は、密閉型の内部にセラミックス多孔体の複数個
が積層された構造を有するものである。
【００１２】まず、ユニット積層型構造体について説明
する。この構造体によれば、一体型構造体に比べてつく
りやすく、一度の処理で、複数個のセラミックス多孔体
に溶融アルミニウム合金を含浸できるという利点があ
る。
する。この構造体によれば、一体型構造体に比べてつく
りやすく、一度の処理で、複数個のセラミックス多孔体
に溶融アルミニウム合金を含浸できるという利点があ
る。
【００１３】多段積みされるユニット４は、セラミック
ス多孔体２と、その側面を取り囲むアルミニウム製又は
その合金製の囲周壁１とで構成されており、囲周壁１に
は溶融アルミニウム合金の流通孔３が設けられている。
セラミックス多孔体は、その上下面を開放状態にして、
溶融アルミニウム合金の流通孔となる部分以外の側面を
できるだけ周囲壁に近接させて嵌挿されていることが望
ましい。流通孔３は、周囲壁の一部を外側に膨出（湾曲
又は突出）等させることによって容易に形成させること
ができる。流通孔の個数は一個で十分であるが、複数個
であってもよい。流通孔の数を多くすると、溶融アルミ
ニウム合金の進入が速く、未複合化部分の生じる危険性
は少なくなるが、最終製品形状に加工する部分が多くな
る。また、流通孔の開口面の大きさも任意であり、一例
を示すと、膨出長さ（湾曲又は突出の始まりと終わりを
結ぶ線分の長さ）が周囲壁全長の１／４〜１／１００、
膨出幅（外側に膨出させた最大幅）は膨出長さの１／４
〜３倍である。図３には、突出させて三個の流通孔を形
成させた例が示されている。
ス多孔体２と、その側面を取り囲むアルミニウム製又は
その合金製の囲周壁１とで構成されており、囲周壁１に
は溶融アルミニウム合金の流通孔３が設けられている。
セラミックス多孔体は、その上下面を開放状態にして、
溶融アルミニウム合金の流通孔となる部分以外の側面を
できるだけ周囲壁に近接させて嵌挿されていることが望
ましい。流通孔３は、周囲壁の一部を外側に膨出（湾曲
又は突出）等させることによって容易に形成させること
ができる。流通孔の個数は一個で十分であるが、複数個
であってもよい。流通孔の数を多くすると、溶融アルミ
ニウム合金の進入が速く、未複合化部分の生じる危険性
は少なくなるが、最終製品形状に加工する部分が多くな
る。また、流通孔の開口面の大きさも任意であり、一例
を示すと、膨出長さ（湾曲又は突出の始まりと終わりを
結ぶ線分の長さ）が周囲壁全長の１／４〜１／１００、
膨出幅（外側に膨出させた最大幅）は膨出長さの１／４
〜３倍である。図３には、突出させて三個の流通孔を形
成させた例が示されている。
【００１４】本発明のユニット積層型構造体とするに
は、下端板６ｂの上にユニット４の一個を置く。つい
で、スペーサー５を置き、更にその上にユニット４の一
個を置く、この操作を繰り返してスペーサーを介して複
数個のユニットを積む。そして、最上のユニットの上面
に上端板６ａを置き、全体をネジで締め付ける、ワイヤ
ーで束ねるなどの手段によってブロック化することによ
って行うことができる。図１には、ネジ止めした例が示
されている。
は、下端板６ｂの上にユニット４の一個を置く。つい
で、スペーサー５を置き、更にその上にユニット４の一
個を置く、この操作を繰り返してスペーサーを介して複
数個のユニットを積む。そして、最上のユニットの上面
に上端板６ａを置き、全体をネジで締め付ける、ワイヤ
ーで束ねるなどの手段によってブロック化することによ
って行うことができる。図１には、ネジ止めした例が示
されている。
【００１５】ユニット構造体の積み上げ個数は、金属−
セラミックス複合体の量産の点から多い方が好ましい。
ユニット寸法が、縦１００〜３００ｍｍ×横１００〜３
００ｍｍ×厚み３〜１０ｍｍであれば、加圧容器の深さ
方向の寸法に応じて５０個程度まで積むことができる。
ユニットを積むに際しては、流通孔の位置を全て同じに
して流通孔を連通させてもよいし、そうしなくてもよ
い。重要なことは、積み上げられたユニットの全部に溶
融アルミニウム合金が行き渡るように、流通孔を塞がな
いでスペーサーを載置することである。
セラミックス複合体の量産の点から多い方が好ましい。
ユニット寸法が、縦１００〜３００ｍｍ×横１００〜３
００ｍｍ×厚み３〜１０ｍｍであれば、加圧容器の深さ
方向の寸法に応じて５０個程度まで積むことができる。
ユニットを積むに際しては、流通孔の位置を全て同じに
して流通孔を連通させてもよいし、そうしなくてもよ
い。重要なことは、積み上げられたユニットの全部に溶
融アルミニウム合金が行き渡るように、流通孔を塞がな
いでスペーサーを載置することである。
【００１６】セラミックス多孔体２としては、炭化珪
素、アルミナ、窒化アルミニウムなどが使用でき、均一
な気孔を有していることが望ましい。相対密度は６０〜
７０体積％であることが好ましい。セラミックス多孔体
の形状は、熱膨張率を考慮して任意に設計することがで
きる。
素、アルミナ、窒化アルミニウムなどが使用でき、均一
な気孔を有していることが望ましい。相対密度は６０〜
７０体積％であることが好ましい。セラミックス多孔体
の形状は、熱膨張率を考慮して任意に設計することがで
きる。
【００１７】アルミニウム合金−セラミックス複合体に
穴、溝等を設けたいときには、セラミックス多孔体にそ
の穴、溝等を形成しておけばよい。このようなセラミッ
クス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸すると、最終
製品の加工はアルミニウム合金部分だけとなるので、
穴、溝等の形成が容易となる。
穴、溝等を設けたいときには、セラミックス多孔体にそ
の穴、溝等を形成しておけばよい。このようなセラミッ
クス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸すると、最終
製品の加工はアルミニウム合金部分だけとなるので、
穴、溝等の形成が容易となる。
【００１８】本発明において最適なセラミックス多孔質
体は、熱伝導率の点から、炭化珪素質多孔体である。炭
化珪素質多孔体は、炭化珪素粉末とシリカゾルなどの無
機バインダーを含む混合原料粉末を成形後、空気中又は
窒素などの不活性雰囲気中で焼成する方法、上記混合原
料粉末に更に水やキシレンなどの溶剤を配合し、混練・
成形・乾燥・焼成する方法、炭化珪素粉末にバインダー
を加え注型した後焼成するインジエクション法などによ
って製造することができる。気孔率の調整は、炭化珪素
粉末の粒度と成形時の圧力などよって行うことができ
る。
体は、熱伝導率の点から、炭化珪素質多孔体である。炭
化珪素質多孔体は、炭化珪素粉末とシリカゾルなどの無
機バインダーを含む混合原料粉末を成形後、空気中又は
窒素などの不活性雰囲気中で焼成する方法、上記混合原
料粉末に更に水やキシレンなどの溶剤を配合し、混練・
成形・乾燥・焼成する方法、炭化珪素粉末にバインダー
を加え注型した後焼成するインジエクション法などによ
って製造することができる。気孔率の調整は、炭化珪素
粉末の粒度と成形時の圧力などよって行うことができ
る。
【００１９】混合原料粉末の配合の一例を示せば、炭化
珪素粉末１００部（質量部、以下同じ）に対し、無機バ
インダー１１〜１３部である。焼成は、大気中、温度８
００〜９００℃で０．５〜２時間保持して行われる。相
対密度６０〜７０体積％の炭化珪素質多孔体の製造は、
平均粒径７０〜１１０μｍと、平均粒径７〜１２μｍの
異なる二種の炭化珪素粉末を用いることによって容易と
なる。
珪素粉末１００部（質量部、以下同じ）に対し、無機バ
インダー１１〜１３部である。焼成は、大気中、温度８
００〜９００℃で０．５〜２時間保持して行われる。相
対密度６０〜７０体積％の炭化珪素質多孔体の製造は、
平均粒径７０〜１１０μｍと、平均粒径７〜１２μｍの
異なる二種の炭化珪素粉末を用いることによって容易と
なる。
【００２０】囲周壁１は、アルミニウム製又はその合金
製であり、その厚みは１〜１０ｍｍであることが好まし
い。アルミニウム製又はその合金製としなければならな
い囲周壁の部分は、セラミックス多孔体と接する部分で
あり、それ以外の部分は鉄、鉄合金の鉄系材料で構成す
ることができる。全体をアルミニウム製又はその合金製
とすることによって、廃棄溶融アルミニウム塊又はその
合金塊の再生が容易となるが、鉄系材料に比較して高価
である。
製であり、その厚みは１〜１０ｍｍであることが好まし
い。アルミニウム製又はその合金製としなければならな
い囲周壁の部分は、セラミックス多孔体と接する部分で
あり、それ以外の部分は鉄、鉄合金の鉄系材料で構成す
ることができる。全体をアルミニウム製又はその合金製
とすることによって、廃棄溶融アルミニウム塊又はその
合金塊の再生が容易となるが、鉄系材料に比較して高価
である。
【００２１】囲周壁を構成するアルミニウム又はその合
金の種類は、セラミックス多孔体に複合化させる溶融ア
ルミニウム合金の融点によって決定される。たとえば、
溶融アルミニウム合金の融点が約５８０℃の場合には、
Ａ１０６０（融点６５０℃）、Ａ５０５２（融点６４０
℃）などを用いる。アルミニウム又はその合金で構成さ
れる囲周壁の融点は、溶融アルミニウム合金の融点より
も１０℃以上、好ましくは３０℃以上高いものであるこ
とが好ましい。これによって、囲周壁が溶融することか
ら回避される。
金の種類は、セラミックス多孔体に複合化させる溶融ア
ルミニウム合金の融点によって決定される。たとえば、
溶融アルミニウム合金の融点が約５８０℃の場合には、
Ａ１０６０（融点６５０℃）、Ａ５０５２（融点６４０
℃）などを用いる。アルミニウム又はその合金で構成さ
れる囲周壁の融点は、溶融アルミニウム合金の融点より
も１０℃以上、好ましくは３０℃以上高いものであるこ
とが好ましい。これによって、囲周壁が溶融することか
ら回避される。
【００２２】上下端板６ａ、６ｂとしては、鉄、鉄合
金、アルミニウム合金等の中から、溶融アルミニウム合
金の含浸処理において溶融しない材料が使用される。上
下端板の厚みは１〜２０ｍｍであることが望ましい。
金、アルミニウム合金等の中から、溶融アルミニウム合
金の含浸処理において溶融しない材料が使用される。上
下端板の厚みは１〜２０ｍｍであることが望ましい。
【００２３】つぎに、本発明の一体型構造体について説
明する。この構造体によれば、一度の処理で、複数個の
セラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸でき
るという利点のあることは、ユニット積層型構造体と同
じである。この構造体には、端板、ボルト等の部材を削
減できる利点がある。
明する。この構造体によれば、一度の処理で、複数個の
セラミックス多孔体に溶融アルミニウム合金を含浸でき
るという利点のあることは、ユニット積層型構造体と同
じである。この構造体には、端板、ボルト等の部材を削
減できる利点がある。
【００２４】密閉型７は、溶融アルミニウム合金の流通
孔３を有してなるアルミニウム製又はその合金製から構
成されている。その内部に、上下端板を用いないで、セ
ラミックス多孔体２の複数個がスペーサー５を介して、
できるだけ密閉型の内壁との間に空隙を設けないで段積
みされており、この構造はユニット積層型構造体と同じ
である。また、密閉型のアルミニウム製又はその合金製
とする部分は、セラミックス多孔体と接する部分であ
り、それ以外の部分は鉄、鉄合金の鉄系材料で構成する
ことができることについても、ユニット積層型構造体と
同じである。
孔３を有してなるアルミニウム製又はその合金製から構
成されている。その内部に、上下端板を用いないで、セ
ラミックス多孔体２の複数個がスペーサー５を介して、
できるだけ密閉型の内壁との間に空隙を設けないで段積
みされており、この構造はユニット積層型構造体と同じ
である。また、密閉型のアルミニウム製又はその合金製
とする部分は、セラミックス多孔体と接する部分であ
り、それ以外の部分は鉄、鉄合金の鉄系材料で構成する
ことができることについても、ユニット積層型構造体と
同じである。
【００２５】密閉型は、セラミックス多孔体の収納を容
易とするため、図２に示されるように、二つ割り等の分
割構造であることが好ましく、またその厚みは、１〜２
０ｍｍであることが好ましい。密閉型の側面に流通孔を
形成させるには、その側面を外側に膨出させればよく、
その大きさはユニット積層型構造体で説明したのと同じ
でよい。
易とするため、図２に示されるように、二つ割り等の分
割構造であることが好ましく、またその厚みは、１〜２
０ｍｍであることが好ましい。密閉型の側面に流通孔を
形成させるには、その側面を外側に膨出させればよく、
その大きさはユニット積層型構造体で説明したのと同じ
でよい。
【００２６】本発明の構造体において、囲周壁、スペー
サー又は密閉型と、セラミックス多孔体とが接触する部
分に離型剤が介在していることが好ましい。これによっ
て、溶融アルミニウム合金塊からアルミニウム合金−セ
ラミックス複合体を容易に分離することができる。離型
剤としては、カーボン系、アルミナ系のものが使用され
る。具体的には、ヒタゾルＧＡ−２４２Ｂ（日立粉末冶
金社製）である。
サー又は密閉型と、セラミックス多孔体とが接触する部
分に離型剤が介在していることが好ましい。これによっ
て、溶融アルミニウム合金塊からアルミニウム合金−セ
ラミックス複合体を容易に分離することができる。離型
剤としては、カーボン系、アルミナ系のものが使用され
る。具体的には、ヒタゾルＧＡ−２４２Ｂ（日立粉末冶
金社製）である。
【００２７】本発明の構造体は、本発明のアルミニウム
合金−セラミックス複合体を製造する際の材料として使
用することができる。以下、これについて説明する。
合金−セラミックス複合体を製造する際の材料として使
用することができる。以下、これについて説明する。
【００２８】まず、本発明の構造体を鉄製等の加圧容器
内に配置してから、溶融アルミニウム合金を注ぎ充填す
る。その後、加圧して溶融アルミニウム合金をセラミッ
クス多孔体に含浸させる。加圧は、３０〜４５ＧＰａの
圧力を１０〜３０分間付与によることが好ましい。圧力
が高いほど含浸が容易となるが、４５ＧＰａ超となる
と、使用設備の耐圧を高める必要があり設備費が嵩む。
内に配置してから、溶融アルミニウム合金を注ぎ充填す
る。その後、加圧して溶融アルミニウム合金をセラミッ
クス多孔体に含浸させる。加圧は、３０〜４５ＧＰａの
圧力を１０〜３０分間付与によることが好ましい。圧力
が高いほど含浸が容易となるが、４５ＧＰａ超となる
と、使用設備の耐圧を高める必要があり設備費が嵩む。
【００２９】溶融アルミニウム合金としては、最終製品
の熱膨張性の観点から、珪素５〜１８質量％含有するア
ルミニウム−珪素合金が好ましい。また、セラミックス
多孔体との濡れ性を更に向上させる観点から、マグネシ
ウムを０．１〜２．０質量％添加したアルミニウム−珪
素−マグネシウム系合金が好ましい。溶融温度は７００
〜９００℃が好ましい。
の熱膨張性の観点から、珪素５〜１８質量％含有するア
ルミニウム−珪素合金が好ましい。また、セラミックス
多孔体との濡れ性を更に向上させる観点から、マグネシ
ウムを０．１〜２．０質量％添加したアルミニウム−珪
素−マグネシウム系合金が好ましい。溶融温度は７００
〜９００℃が好ましい。
【００３０】含浸後、金属−セラミックス複合体を取り
囲んでいるアルミニウム塊を切断できる状態になるまで
冷却する。冷却は自然冷却で十分であるが、強制冷却を
行ってもよい。
囲んでいるアルミニウム塊を切断できる状態になるまで
冷却する。冷却は自然冷却で十分であるが、強制冷却を
行ってもよい。
【００３１】ついで、金属−セラミックス複合体を内包
したアルミニウム塊は、市販の切断機（例えば、大東精
機社製商品名「バンドソー」）などを用い、アルミニウ
ム合金−セラミックス複合体の外周付近まで切断され
る。この段階では、囲周壁又は密閉型は、アルミニウム
合金−セラミックス複合体の外周部を形成しているの
で、そこから内包されたアルミニウム合金−セラミック
ス複合体を分離する必要がある。これには打ち抜きによ
ることが好ましく、これによって製品形状に近いアルミ
ニウム合金−セラミックス複合体を容易に分離すること
が可能となる。打ち抜きは、周囲壁が固定されるように
治具にセットし、プレスで打ち抜くことによって行うこ
とができる。
したアルミニウム塊は、市販の切断機（例えば、大東精
機社製商品名「バンドソー」）などを用い、アルミニウ
ム合金−セラミックス複合体の外周付近まで切断され
る。この段階では、囲周壁又は密閉型は、アルミニウム
合金−セラミックス複合体の外周部を形成しているの
で、そこから内包されたアルミニウム合金−セラミック
ス複合体を分離する必要がある。これには打ち抜きによ
ることが好ましく、これによって製品形状に近いアルミ
ニウム合金−セラミックス複合体を容易に分離すること
が可能となる。打ち抜きは、周囲壁が固定されるように
治具にセットし、プレスで打ち抜くことによって行うこ
とができる。
【００３２】アルミニウム合金−セラミックス複合体の
分離された廃棄アルミニウム合金塊は、鉄系成分を選別
除去してから、再生処理される。
分離された廃棄アルミニウム合金塊は、鉄系成分を選別
除去してから、再生処理される。
【００３３】
【実施例】以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を
説明する。
説明する。
【００３４】実施例１
市販炭化珪素粉末Ａ（平均粒径１００μｍ）と、炭化珪
素粉末Ｂ（平均粒径１３μｍ）と、シリカゾル（日産化
学社製商品名「スノーテックス」）を質量比５８：３
１：１１で配合し、５０分間撹拌混合した後、成形体
（１８４．９×１３４．９×４．９ｍｍ）を６ＭＰａで
加圧成形した。これを、大気中、温度８５０℃で１時間
加熱して炭化珪素質のセラミックス多孔体２（気孔率３
５体積％、曲げ強度５ＭＰａ、縦１８４．６ｍｍ×横１
３４．６ｍｍ×厚み４．９５ｍｍ）を製造した。
素粉末Ｂ（平均粒径１３μｍ）と、シリカゾル（日産化
学社製商品名「スノーテックス」）を質量比５８：３
１：１１で配合し、５０分間撹拌混合した後、成形体
（１８４．９×１３４．９×４．９ｍｍ）を６ＭＰａで
加圧成形した。これを、大気中、温度８５０℃で１時間
加熱して炭化珪素質のセラミックス多孔体２（気孔率３
５体積％、曲げ強度５ＭＰａ、縦１８４．６ｍｍ×横１
３４．６ｍｍ×厚み４．９５ｍｍ）を製造した。
【００３５】溶融アルミニウム合金の流通孔３の設けら
れた囲周壁１（ＪＩＳ Ａ ５０５２のアルミニウム製
（融点約６４０℃ ）、縦１８５ｍｍ×横１３５ｍｍ×
高さ厚み４．９５ｍｍの矩形断面リング状体）、スペー
サー５（縦２００ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚み０．８ｍｍ
の鉄板）、上端板６ａ（縦２２５ｍｍ×横１６５ｍｍ×
厚み１２ｍｍの鉄板）、下端板６ｂ（縦２２５ｍｍ×横
１６５ｍｍ×厚み１２ｍｍの鉄板）を用い、流通孔３の
位置を合わせてセラミックス多孔体の１５個をスペーサ
ーを介在させて積層し、全体をボルトナットでブロック
化して、ユニット積層型構造体を作製した。流通孔の開
口部の広さは、膨出長さ｛突出の始まりと終わりを結ぶ
線分の長さ６０ｍｍ（周囲壁全長６４０ｍｍの１／１
０．６に相当）｝で、膨出幅（外側に膨出させた最大
幅）１０ｍｍ（膨出長さの１／２．５倍）である。流通
孔は、囲周壁１の長辺方向に三個設置した（図１、図３
参照）。
れた囲周壁１（ＪＩＳ Ａ ５０５２のアルミニウム製
（融点約６４０℃ ）、縦１８５ｍｍ×横１３５ｍｍ×
高さ厚み４．９５ｍｍの矩形断面リング状体）、スペー
サー５（縦２００ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚み０．８ｍｍ
の鉄板）、上端板６ａ（縦２２５ｍｍ×横１６５ｍｍ×
厚み１２ｍｍの鉄板）、下端板６ｂ（縦２２５ｍｍ×横
１６５ｍｍ×厚み１２ｍｍの鉄板）を用い、流通孔３の
位置を合わせてセラミックス多孔体の１５個をスペーサ
ーを介在させて積層し、全体をボルトナットでブロック
化して、ユニット積層型構造体を作製した。流通孔の開
口部の広さは、膨出長さ｛突出の始まりと終わりを結ぶ
線分の長さ６０ｍｍ（周囲壁全長６４０ｍｍの１／１
０．６に相当）｝で、膨出幅（外側に膨出させた最大
幅）１０ｍｍ（膨出長さの１／２．５倍）である。流通
孔は、囲周壁１の長辺方向に三個設置した（図１、図３
参照）。
【００３６】実施例２
溶融アルミニウム合金の流通孔３の設けられた二つ割り
密閉型７（ＪＩＳ Ａ５０５２アルミニウム製（融点約
６４０℃））を用い、その内部に、セラミックス多孔体
２の１５個をスペーサー５を介在させ、密閉型の内壁に
接するようにして積層し、一体型構造体を作製した。流
通孔の形成位置と大きさ等は実施例１に準じた。
密閉型７（ＪＩＳ Ａ５０５２アルミニウム製（融点約
６４０℃））を用い、その内部に、セラミックス多孔体
２の１５個をスペーサー５を介在させ、密閉型の内壁に
接するようにして積層し、一体型構造体を作製した。流
通孔の形成位置と大きさ等は実施例１に準じた。
【００３７】実施例３
炭化珪素質のセラミックス多孔体の代わりに、アルミナ
質セラミックス多孔体（気孔率３５体積％、曲げ強度２
ＭＰａ）を用いたこと以外は、実施例１に準じてユニッ
ト積層型構造体を作製した。
質セラミックス多孔体（気孔率３５体積％、曲げ強度２
ＭＰａ）を用いたこと以外は、実施例１に準じてユニッ
ト積層型構造体を作製した。
【００３８】実施例４
囲周壁、スペーサー又は上下端板とセラミックス多孔体
とが接する部分に離型剤（日立粉末冶金社製商品名「Ｈ
ＩＴＡＳＯＬ ＧＡ−２４２Ｂ」（主成分カーボン約３
０質量％）を３倍の水で希釈したもの）を塗布して、実
施例１のユニット積層型構造体を作製した。なお、離型
剤の塗布は、構成部材を１５０℃に加温して行った。
とが接する部分に離型剤（日立粉末冶金社製商品名「Ｈ
ＩＴＡＳＯＬ ＧＡ−２４２Ｂ」（主成分カーボン約３
０質量％）を３倍の水で希釈したもの）を塗布して、実
施例１のユニット積層型構造体を作製した。なお、離型
剤の塗布は、構成部材を１５０℃に加温して行った。
【００３９】実施例５
密閉型又はスペーサーとセラミックス多孔体とが接する
部分に実施例４と同じ離型剤を塗布して、実施例２の一
体型構造体を作製した。
部分に実施例４と同じ離型剤を塗布して、実施例２の一
体型構造体を作製した。
【００４０】実施例６
囲周壁の材質を（ＪＩＳ Ａ ４０３２のアルミニウ
ム、融点約５７０℃）としたこと以外は、実施例１と同
様にしてユニット積層型構造体を作製した。
ム、融点約５７０℃）としたこと以外は、実施例１と同
様にしてユニット積層型構造体を作製した。
【００４１】比較例１
囲周壁の材質を鉄系合金（酸洗浄品、融点約１５３０
℃）としたこと以外は、実施例１と同様にしてユニット
積層型構造体を作製した。
℃）としたこと以外は、実施例１と同様にしてユニット
積層型構造体を作製した。
【００４２】上記で作製された各構造体を電気炉で温度
６００℃（実施例６では５６０℃）に加熱してから、２
００℃に加熱された鉄製加圧容器（３００ｍｍ×２４０
ｍｍ×３９０ｍｍ）の中央付近に配置し、珪素１２質量
％−マグネシウム０．５質量％−アルミニウム合金（融
点約５６０℃）の溶融アルミニウム合金（温度７５０
℃）を流し込み、６０ＭＰａの圧力で１５分間プレス付
与した後、加圧容器から取り出し、室温まで自然冷却し
た。ついで、切断機（大東精機社製商品名「バンドソ
ー」）で、アルミニウム合金−セラミックス複合体の外
周付近まで切断した後、内包しているアルミニウム合金
−セラミックス複合体を打ち抜き又は衝撃を与えて分離
し、アルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し
た。打ち抜きは、周囲壁が固定されるように治具にセッ
トしプレスで打ち抜いた。これらの条件を表２に示す。
６００℃（実施例６では５６０℃）に加熱してから、２
００℃に加熱された鉄製加圧容器（３００ｍｍ×２４０
ｍｍ×３９０ｍｍ）の中央付近に配置し、珪素１２質量
％−マグネシウム０．５質量％−アルミニウム合金（融
点約５６０℃）の溶融アルミニウム合金（温度７５０
℃）を流し込み、６０ＭＰａの圧力で１５分間プレス付
与した後、加圧容器から取り出し、室温まで自然冷却し
た。ついで、切断機（大東精機社製商品名「バンドソ
ー」）で、アルミニウム合金−セラミックス複合体の外
周付近まで切断した後、内包しているアルミニウム合金
−セラミックス複合体を打ち抜き又は衝撃を与えて分離
し、アルミニウム合金−セラミックス複合体を製造し
た。打ち抜きは、周囲壁が固定されるように治具にセッ
トしプレスで打ち抜いた。これらの条件を表２に示す。
【００４３】廃棄アルミニウム合金塊は、最溶解して再
生した。そのアルミニウム合金の化学成分を発光分光分
析した。それらの結果を表１に示す。
生した。そのアルミニウム合金の化学成分を発光分光分
析した。それらの結果を表１に示す。
【００４４】また、得られたアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体について、超音波探傷装置(日立社製商品
名「ＡＴＬＩＮＥ」）による内部欠陥の有無観察を行っ
た。さらに、ダイヤモンド加工治具を用いて、室温の熱
伝導率測定用試験体（直径１０ｍｍ×３ｍｍ）と、３点
曲げ強さ測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を
研削加工し、レーザーフラッシュ法による室温の熱伝導
率及び室温３点曲げ強さを測定した。それらの結果を表
３に示す。
ックス複合体について、超音波探傷装置(日立社製商品
名「ＡＴＬＩＮＥ」）による内部欠陥の有無観察を行っ
た。さらに、ダイヤモンド加工治具を用いて、室温の熱
伝導率測定用試験体（直径１０ｍｍ×３ｍｍ）と、３点
曲げ強さ測定用試験体（３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍ）を
研削加工し、レーザーフラッシュ法による室温の熱伝導
率及び室温３点曲げ強さを測定した。それらの結果を表
３に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】表１〜３から、本発明の実施例によれば、
比較例に比べて、アルミニウム合金−セラミックス複合
体の製造が容易となることがわかる。また、廃棄アルミ
ニウム合金塊の再生も容易となり、アルミニウム原料と
して再使用できることがわかる。
比較例に比べて、アルミニウム合金−セラミックス複合
体の製造が容易となることがわかる。また、廃棄アルミ
ニウム合金塊の再生も容易となり、アルミニウム原料と
して再使用できることがわかる。
【００４９】
【発明の効果】本発明の構造体によれば、鉄系成分の選
別分離を必要としないので、廃棄アルミニウム合金塊の
再生が容易となり、高純度のアルミニウム合金の回収が
可能となる。また、本発明のアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体の製造方法によれば、アルミニウム合金−
セラミックス複合体を容易に製造することができる。
別分離を必要としないので、廃棄アルミニウム合金塊の
再生が容易となり、高純度のアルミニウム合金の回収が
可能となる。また、本発明のアルミニウム合金−セラミ
ックス複合体の製造方法によれば、アルミニウム合金−
セラミックス複合体を容易に製造することができる。
【図１】本発明の構造体（ユニット積層型構造体）の概
略正面図
略正面図
【図２】本発明の別の構造体（一体型構造体）の概略縦
断面図
断面図
【図３】ユニットの概略横断面図
１ アルミニウム製又はその合金製の囲周壁
２ セラミックス多孔体
３ 溶融アルミニウム合金の流通孔
４ ユニット
５ スペーサー
６ａ 上端板
６ｂ 下端板
７ アルミニウム製又はその合金製の密閉型
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 23/373 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ
Claims (8)
- 【請求項１】 ユニット（４）の複数個がスペーサー
（５）を介して積層され、上端板（６ａ）と下端板（６
ｂ）によってブロック化されてなるものであり、上記ユ
ニットは、アルミニウム製又はその合金製の囲周壁
（１）内にセラミックス多孔体（２）が嵌挿されてな
り、しかも溶融アルミニウム合金の流通孔（３）を有し
てなるものであることを特徴とするアルミニウム合金−
セラミックス複合体を製造するための構造体。 - 【請求項２】 溶融アルミニウム合金の流通孔（３）を
有してなるアルミニウム製又はその合金製の密閉型
（７）内に、セラミックス多孔体（２）の複数個がスペ
ーサー（５）を介して積層されてなることを特徴とする
アルミニウム合金−セラミックス複合体を製造するため
の構造体。 - 【請求項３】 密閉型又は囲周壁の融点が、溶融アルミ
ニウム合金の融点よりも１０℃以上高いものであること
を特徴とする請求項１又は２記載の構造体。 - 【請求項４】 密閉型又は囲周壁は、セラミックス多孔
体と接する部分のみをアルミニウム製又はその合金製と
し、残りの部分を鉄系金属製としてなることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。 - 【請求項５】 セラミックス多孔体が、炭化珪素質多孔
体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載の構造体。 - 【請求項６】 囲周壁、上下端板、スペーサー又は密閉
型と、セラミックス多孔体とが接触する部分に離型剤が
介在しているものであることを特徴とする請求項１〜５
のいずれかに記載の構造体。 - 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の構造体
を加圧容器内に配置してから溶融アルミニウム合金を充
填し、加圧してセラミックス多孔体に溶融アルミニウム
合金を含浸・冷却させた後、アルミニウム合金−セラミ
ックス複合体を分離することを特徴とするアルミニウム
合金−セラミックス複合体の製造方法。 - 【請求項８】 アルミニウム合金−セラミックス複合体
の分離が、打ち抜きで行われることを特徴とする請求項
７記載の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002085797A JP4360773B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002085797A JP4360773B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003285155A true JP2003285155A (ja) | 2003-10-07 |
| JP4360773B2 JP4360773B2 (ja) | 2009-11-11 |
Family
ID=29232623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002085797A Expired - Lifetime JP4360773B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | アルミニウム合金−セラミックス複合体の製造方法及びそれに用いる構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4360773B2 (ja) |
-
2002
- 2002-03-26 JP JP2002085797A patent/JP4360773B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4360773B2 (ja) | 2009-11-11 |
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