JPH02111680A - セラミツクスの強化方法及びセラミツクス改質層とその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミックスの強化方法に係り、特に他の物体
より接触圧を受ける場合に好適なセラミックスの強化方
法に関する。

〔従来の技術〕

窒化珪素、炭化珪素等の構造用セラミックスは高強度、
高硬度を有し、耐熱性に優れているために高温雰囲気中
で使用できる構造部材として注目されている。ところが
、他の部材と接触した場合、小さな接触圧でも圧壊が懸
念され、実用化に大きな制限がある。この圧壊現象は、
セラミックスの変形能が小さく、セラミックス表面の微
細な凹凸に物体が接触した際になじみが悪く、この微小
凹凸領域に高い応力が発生することに起因する。そして
、この局所的な過大応力により、亀裂が発生し材料内部
へ急速に伝播することにより破壊に至る。このような圧
壊現象を防ぐために、セラミックス表面に変形能を有す
る金属を付着させることにより表面の微細な凹凸に起因
する局所的過大応力を緩和する方法が行われている。な
お、この種の表面処理に関するものには例えば、特開昭
４９−３７００９号公報等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術であるセラミックス表面の物理蒸着処理で
は、セラミックスと金属薄膜の熱膨張係数が大きく異な
るため、高温雰囲気中において金属薄膜がはく離、脱落
することが多かった。このため他部材と接触時に１表面
の金属薄膜による局所的な過大応力の緩和作用が失われ
、セラミックスが破壊するという問題があった。

本発明の目的は高温雰囲気中において金属薄膜がはく離
、脱落するのを防止することにより、高温で使用するセ
ラミックスを圧壊現象に対して強化することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、セラミックスの表面に高エネルギーイオン
を照射するのと並行して、大きな変形態を有する金属を
成膜し、かつ高エネルギーイオン照射量と成膜速度を変
化させ、制御することにより達成される。この場合、改
質層表面で延性が大きい方が局所的過大応力の緩和に役
立つので、上記表面処理の進行に伴い高エネルギーイオ
ン照射量の割合が減るように制御を行なうことが望まし
い。

また本発明において成膜に用いる金属は、高温でセラミ
ックスに比べ延性を有する材料が適し。

例えばＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｍｏ。

Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ａｇ、Ａｆｉ、Ｃｕ、Ｍｇ。

Ｓｉ、Ａｕ、Ｓｎあるいはこれら元素の合金系が望まし
い。

さらに、成膜する金属と照射されるイオン粒子の組合せ
は、その両者の化合物の熱膨張係数が母材のセラミック
スの熱膨張係数に近いものが好ましく１例えば母材が炭
化珪素、窒化珪素等の非酸化物系のセラミックスであっ
た場合にはＣｒとＮ。

ＣｒとＯ，ＳｉとＣ，ＮｂとＮ、ＡＱとＮ、ＡＱとＯ，
ＴｉとＮ、ＴｉとＢ、ＳｎとＯ，Ｚｒと０等が挙げられ
、ＡＱｚＯｓ、ＺｒＣ）ｚサイアロン等の酸化物系セラ
ミックスの場合にはＡＱとＮ。

Ａ１１とＯ，ＴｉとＮ、ＴｉとＢ、ＢｅとＯ，ＭｇとＯ
，ＣｒとＯ，Ｚｒと０等が挙げられる。

〔作用〕

セラミックス表面に金属を成膜するのと並行して高エネ
ルギーイオンを照射し、さらに金属成膜速度や高エネル
ギーイオン照射量を成膜中に変化させることにより、生
成する改質層の組成を深さ方向に連続的に変化させるこ
とができ、これに伴ない物性値も金属的な物性から化合
物的な物性へと深さ方向に変化させることができる。こ
れにより改質層表面は金属的な物性を有するため、変形
能が大きくなる。よって他の物体より接触圧を受けて、
セラミックスの表面の微細な凹凸に起因する局所的過大
応力がセラミックスに作用した際に、これを変形するこ
とにより緩和することができるので圧ｍ現象に対して強
化になる。

さらに、成膜処理の初期において、セラミックス表面の
原子の格子中に成膜した金属原子や高エネルギーイオン
を打込むことになるので、セラミックス表面に圧縮の残
留応力を付与することができる。この圧縮の残留応力は
セラミックスの亀裂の発生及び成長を防ぐ効果を有する
ので、セラミックス自体の強度を向上させることができ
る。

以上の２つの作用により、他の物体からの接触圧に対し
てセラミックスを強化することができる。

また、改質層のセラミックスとの界面近傍においては、
化合物的な物性を持つので熱膨張係数も金属に比べて小
さく、セラミックスに近くなる。

これにより高温雰囲気中においても改質層とセラミック
スの界面で熱膨張係数の差が原因で改質層に剥離、亀裂
の発生を起こすことがなくなる。

さらに、前記表面処理の初期において成膜した金ＪＡ原
子も高エネルギーイオンとの衝突により、高エネルギー
イオンとともにセラミックス表面の原子の格子中に食い
こむことになるので、改質層とセラミックスを強固に結
合させることができる。

また、改質層の組成は深さ方向に連続的に変化しており
、改質層中に界面が存在しないため、改質層の表面と底
面での熱膨張係数の違いによって生ずる熱ひずみを深さ
方向にわたりほぼ均一に分布させることができる。よっ
て改質層が高温雰囲気中において損傷することがない。

以上３つの作用により高温雰囲気中において改質層の剥
離や損傷を防ぎ、高温での使用に際してセラミックスの
強化の機能を維持することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。

［実施例１コ 寸法６５ｍｍＸ　２０ｍ＋＊Ｘ　５ｍｍの炭化珪素焼結
体の平板試験片を９０枚用意した。これら全てを研摩加
工により面粗さを１．６Ｓ程度に仕上げた後、このうち
３０本に本発明による表面処理を施し、他の３０本にＴ
ｉの物理蒸着処理を施し、残りの３０本はそのまま圧壊
試験に供した。

本実施例に用いた表面処理装置の模式図を第１図に示す
、この装置は主として、真空容器１２２回転試料２．イ
オン発生・加速部３．蒸着装置４、図示されていないイ
オン注入量検出部、イオン注入量・蒸着量制御部５、図
示されていないイオン注入量・蒸着量プログラミング部
より構成される。

また１回転試料台２は真空容器１の中に内装され、この
回転試料台２にイオンを照射するのに適当である位置に
イオン発生・加速部３が設置され、かつ蒸着装置４も同
様に回転試料台２に蒸着処理を施すのに好適な位置に配
置しである。また、イオン注入量と蒸着量はあらかじめ
イオン注入量・蒸着量プログラミング部において自由に
プログラムすることができ、このプログラムによりイオ
ン注入量・蒸着量制御部５を通してイオン注入量と蒸着
量を変化させることができる。このプログラムは処理時
間の経過に対し、イオン注入量と蒸着量に対応する電圧
を任意の関数に基づき出力する機能を有するものである
。またイオン注入量検出部により実際のイオン注入量を
検出することができる。

まず、回転試料台２に平板試験片を取付け、真空容器１
を５　Ｘ　１０−ＢＴｏｒｒ程度まで真空引きした。

この後、イオン発生・加速部３から窒素イオンを回転試
料台２の方向へ打出し、これと並行して金属チタンを蒸
着装置４から蒸発させて試験片に成膜を行なった。表面
処理の初期においてはイオン注入量が１ｄ当り２Ｘ１５
”’イオン／５ｅｃｔチタン蒸着量１０人／ｓｅｅであ
るが、第２図に示すように表面処理が進むにつれてイオ
ン注入量を減らし、表面処理の終了時にはチタンのみの
蒸着とした。

本実施例で得られた改質層の概念図を第３図に示す。改
質層１１は炭化珪素の母材８に窒素原子１４とチタン原
子１５が打込まれた状態であるミキシング層９と窒素原
子１４とチタン原子１５よりなる成膜層１０とから構成
される。また、改質層表面に近くなるほど成膜層１０の
中の窒素原子１４の量が減少する特徴がある。

本発明による処理を施した試験片とチタンを物理蒸着処
理した試験片、および無処理の試験片のそれぞれ３０枚
を６００℃の大気中で圧壊強度試験した。この圧壊強度
試験結果のそれぞれの平均値を置去で示す。圧壊強度試
験は８ｏ＋ｎ＋径の鋼球を圧子として用い、試験片の処
理面に圧縮試験機で押しつけることにより行なった。こ
の結果から、本発明による表面処理を施した試験片は物
理蒸着処理を施した試験片や未処理の試験片に比べて圧
壊強度が１１０％程度向上していることがわかる。

また物理蒸着処理を施した試験片は６００℃昇温後には
改質層の剥離・脱落が観察されたのに対し、本発明によ
る処理を施した試験片では改質層の剥離・脱落は起こら
なかった。これは炭化珪素の熱膨張係数が４〜５Ｘ１０
−”であるのに対し、金属チタンは約９Ｘ１０”’６と
大きく異なるが、本発明による改質層のセラミックスと
の界面では窒化チタンとなっているので約７．ＯＸ　１
０−８と小さいことに由来すると推測される。

表 ［実施例２］ 実施例１と同様の炭化珪素焼結体にアルミニウムを１０
人／ｓｅｃの成膜速度で蒸着しつつ窒素イオンを照射し
た。成膜初期の窒素イオン照射斌は５Ｘ１０”イオン／
ｓｅｅとし、処理時間の経過とともに直線的に減少させ
た。改質層のセラミックスとの界面では窒化アルミニウ
ムとなっており、熱膨張係数は文献値より４，０ＸＩＯ
−６と推定され、アルミニウムの熱膨張係数２４ｘｌＯ
”−６よりはるかに炭化珪素の熱膨張係数４〜５Ｘ１０
−６に近い。

本実施例による処理を施した試験片を５００℃の炉中で
加熱、冷却を１０回繰り返したが、改質層にはくり等の
変化はなかった。

以上具体的実施例を説明したが１本発明は上記実施例に
何等限定されるものではない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、セラミックスが他の物体と接触する場
合、改質層が高温中で剥離することなく。

セラミックス表面の微小な凹凸に起因する過大な局所的
応力を緩和するので圧壊強度を向上する。

またセラミックス表面に高エネルギーイオンや成膜用の
金属原子が打込まれることからセラミックス自体の強度
も向上させることができる。

さらに本発明を施したセラミックスは、高温雰囲気と室
温と交互に曝される場合においても、セラミックスに近
接している部分の改質層の熱膨張係数がセラミックスに
近くなるため、改質層の剥離及び脱落を防止することが
できる。よって高温雰囲気中において圧壊強度が向上さ
れた状態を維持できる等の効果を有する６

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の処理装置の断面図、第２図
は第１図の処理装置の制御の様子を示した特性図、第３
図は本発明の一実施例にて得られた改質層の断面模式図
である。 １・・・真空容器、２・・・回転試料台、３・・・イオ
ン発生・加速部、４・・・蒸着装置、５・・・イオン注
入量検出部、６・・・イオン注入量・蒸着量制御部、７
・・・イオン注入量・蒸着量プログラミング部、８・・
・母材。 ９・・・ミキシング層、１０・・・成膜層、１１・・・
改質層、１２・・・炭素原子、１３・・・シリコン原子
、１４・・・窒素原子、１５・・・チタン原子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスの表面に、高エネルギーイオン照射処
   理とセラミックスに比べ延性を有する金属膜の形成処理
   とを並行して行ない、かつ、この表面処理において金属
   膜の形成速度と高エネルギーイオン照射量を変化させる
   ことを特徴とするセラミックスの強化方法。 ２、セラミックスの表面に、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂ、Ｈの高エ
   ネルギーイオンのうち少なくとも一種類の照射処理と、
   Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ａ
   ｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇのうち少なくとも１種類の原子か
   ら構成される金属膜の形成処理を並行して行ない、かつ
   、この表面処理において金属膜の形成速度と高エネルギ
   ーイオン照射量を変化させることを特徴とするセラミッ
   クスの強化方法。 ３、改質層全体はＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ
   、Ｃｏ、Ｂｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇのうちの少なく
   とも１種類の金属原子を含む金属で構成され、この中に
   分散した高エネルギーイオンの照射されたＣ、Ｎ、Ｏ、
   Ｂ、Ｈのうちの１種類以上の原子の密度が厚さ方向に連
   続的に変化したことを特徴とするセラミックス改質層。 ４、高エネルギーイオン照射処理と金属蒸着処理を同一
   の真空容器内で行なう薄膜製造装置において、高エネル
   ギーイオン照射量と金属膜の形成速度を経過時間の関数
   として任意に変化させることのできるプログラムを持つ
   た制御装置を備えたことを特徴とするセラミックス改質
   層の製造装置。