JPH0580436B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、窒化ケイ素セラミツクス表面をメタ
ライズする新規な方法に関し、より詳しくは、極
めて簡易に窒化ケイ素セラミツクス表面に金属層
を強固に付着せしめることが可能な窒化ケイ素セ
ラミツクス表面の新規なメタライジング方法に関
するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

窒化ケイ素セラミツクスは、種々のセラミツク
スの中でも、特に、物理的、機械的、化学的特性
にすぐれた材料であるため、これらの優れた特性
を生かして種々の部品材料として用いられてい
る。

しかしながら、部品材料として窒化ケイ素セラ
ミツクスが使用される多くの場合は、その部品が
窒化ケイ素セラミツクスからのみ構成されている
場合であり、他の材料と組合せて用いられるとい
う事例はあまりない。しかし、窒化ケイ素セらミ
ツクスをそれが有しない他の優れた特性を有する
金属材料と種々の形態で組合せて用いることがで
きれば、窒化ケイ素セラミツクスの利用範囲は更
に拡大する。

セラミツクスと金属とを組合せる方法として
は、嵌合、接合、メタライジングなどが知られて
いる。この中でもメタライジングは、セラミツク
ス表面に金属層を形成する方法であり、そのこと
によりセラミツクス表面に金属の物理的、化学的
機能を付与せしめることが可能となる。更には、
セラミツクスと金属材料を機械的に接合する際の
前処理方法として有効な方法である。

しかしながら、窒化ケイ素セラミツクスに対し
て行なわれている公知のメタライジング方法にお
いては、窒化ケイ素セラミツクス自体が金属との
ぬれ性に乏しいことに起因してメタライズが円滑
に進行せず、メタライジング工程が繁雑となる割
には、窒化ケイ素セラミツクス表面との付着強度
は極めて小さく、セラミツクス表面に単に金属層
が載置されている程度にしかならない。特に、メ
タライズ層が微笑面積であつたり、複雑形状であ
る場合、さらには焼結助剤等が含有されていない
純粋な窒化ケイ素セラミツクスにおいては、上記
付着強度は一層小さいものとなる。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した問題点を解消し、物理的、
化学的にすぐれた金属層を窒化ケイ素セラミツク
ス表面に強固に付着せしめることを極めて簡易に
行なうことのできる窒化ケイ素セラミツクス表面
のメタライジング方法の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意
研究を重ねた結果、窒化ケイ素セラミツクスは高
温真空中において下記する独特の挙動を示すこと
を見出し、その挙動を利用することにより窒化ケ
イ素セラミツクス表面をメタライジングする方法
を種々検討した。

すなわち、窒化ケイ素セラミツクスの高温真空
中におけるその挙動とは、窒化ケイ素セラミツク
ス表面がわずかにその構成元素すなわちケイ素と
窒素とに解離することである。

そこで、本発明者らは窒化ケイ素セラミツクス
の表面にメタライズすべき金属を載せて、所定の
真空中にて、該窒化ケイ素セラミツクス表面を加
熱処理すれば、窒化ケイ素セラミツクス表面で解
離生成したケイ素とメタライズすべき金属との反
応が進みやすくなり、その反応生成物が窒化ケイ
素セラミツクスの表面に密着し得るのではないか
との着想を持つに到り、メタライズすべき金属と
してケイ素との反応性に富む金属を選定して種々
の実験を重ねたところ、以下のような知見を得る
に到つた。

すなわち、窒化ケイ素セラミツクスから解離し
たケイ素がケイ素との反応性に富む金属と両者の
接触界面で容易に反応して反応生成物（該金属と
該金属のケイ化物とからなる混晶）を生成するこ
と、そして、該反応生成物が溶融状態となつて該
セラミツクス表面をぬらし、その結果、該反応生
成物からなるメタライズ層が該セラミツク表面に
強固に付着形成されることである。

本発明者らは、以上の知見に基づき本発明を完
成するに到つた。

すなわち、本発明の窒化ケイ素セラミツクス表
面のメタライジング方法は、窒化ケイ素セラミツ
クスの表面にケイ素との反応性に富む金属を配す
る工程と、真空下で該窒化ケイ素セラミツクスの
メタライズ層が必要な面にレーザー光による加熱
処理を施し、該窒化ケイ素セラミツクス表面を窒
素とケイ素とに解離せしめかつ解離により生じた
ケイ素と該金属又は合金との反応生成物を該窒化
ケイ素セラミツクス表面上に形成する工程、とか
らなることを特徴とする。

まず、本発明においてメタライズされるべき窒
化ケイ素セラミツクスは、格別限定されるもので
はなく、セラミツクス中に窒化ケイ素以外の焼結
助剤等を含有しているものであつてもよい。尚、
本発明は焼結助剤等を含有していない高純度の窒
化ケイ素セラミツクスに対しても十分にその効果
を発揮するものである。

次に、ケイ素との反応性に富む金属もしくは合
金としては、遷移元素からなり、その融点がケイ
素との反応生成物のうちの少なくとも１種の融点
より高い融点を有する金属である。

このような金属もしくは合金は、後述の加熱処
理の際、該金属もしくは合金自体は溶融すること
はないが、表面で解離生成したケイ素との反応生
成物は溶融状態となつて、これが窒化ケイ素セラ
ミツクス表面をぬらすので該表面と強固に付着す
る。そして、得られたメタライズ層は物理的、電
気的、化学的に良好な特性を示すものとなる。

用いる金属もしくは合金が上記の如き融点特性
を示さない場合、例えば、上記反応生成物が溶融
状態になる温度で該金属もしくは合金自体が溶融
状態となる場合、該溶融金属が窒化ケイ素セラミ
ツクス表面を覆うので、窒化ケイ素セラミツクス
表面の解離が阻害されてケイ素と該金属との合金
化が進まず、その結果、該セラミツクス表面との
ぬれ現象も生じなくなる。

本発明に適用して好ましい金属としては、Fe、
Co、Ni、Ptなどの金属、及びこれらの合金、例
えば、Fe、Co、Ni、Ptのうちの少なくとも１種
が50重量％以上含有されている合金であり、具体
的なものとしては、ケイ素鋼、炭素鋼、合金鋼、
特殊鋼、ニツケルクロム合金、ニツケルアルミ合
金、ニツケルクロム合金、ニツケルアルミ合金、
ニツケルチタン合金などがあげられる。

上記したような金属もしくは合金は、粉末、箔
線のいずれの形態で使用してもよく、また、これ
らの形態を組合せて使用してもよい。

次に、本発明方法について説明する。まず、上
記した窒化ケイ素セラミツクス表面に上記した金
属もしくは合金を載置する。このとき、用いる金
属の形態が粉末のときは適宜な溶媒を用いてペー
スト状にし、これをセラミツクス表面に塗布する
とよい。

次に、表面に金属を配した該セラミツクスを真
空炉内に減圧して真空状態にするか、もしくは炉
内を減圧しながら該セラミツクウのメタライズ層
が必要な表面部を加熱処理する。

このときの加熱方法は、エネルギー密度１×
10⁵W／cm²以上の出力を有するレーザー光であれ
ば、いかなるものでも可能であるが、必要なエネ
ルギー密度が容易に得られかつ、窒化ケイ素セラ
ミツクスが絶縁体であること等を考慮すると、レ
ーザ光を用いることが好ましい。

エネルギ密度が高いと、照射時間を短かくする
ことが出来被照射材の表面を急速加熱、急速冷却
することにより、熱影響を極めて小さく出来ると
ともに、エネルギ密度及び照射時間の制御によ
り、反応生成層を任意の厚さに均一に得られる。
これらの使用エネルギ密度および照射時間は、形
成すべき反応生成層の組成、厚さにより種々選択
する。例えば、１×10⁵〜10⁷W／cm²程度、10^-1〜
10³sec程度の条件が挙げられる。

かかる加熱処理時間の真空度は、常圧〜
10^-3Torrの低・中真空、10^-3Torr以上の高・超
高真空のいずれかの範囲であるが、好ましくは
10^-3〜10^-7Torrの高真空である。

ここで、真空度と後述の加熱温度は相関関係に
ある。すなわち、通常の場合、真空度を上昇（炉
内圧力を低下）させれば加熱温度を低く設定する
ことができる。これは、窒化ケイ素セラミツクス
表面の窒化ケイ素と窒素とに解離する温度（解離
温度）は加熱温度だけではなく炉内圧力にも左右
されることに基づく。

加熱処理操作は、まず、所定の真空下で、窒化
ケイ素セラミツクス表面の窒化ケイ素が窒素とケ
イ素とに解離する後述の最大加熱温度まで、高エ
ネルギ密度のビームで昇温させて、この温度で所
定時間の照射または、所定速度の走査を行なう。

最大加熱温度が、反応生成物の融点未満の場合
には、反応生成物が溶状態にならないので該セラ
ミツクス表面をぬらすことがなく、更に温度が低
い場合は、ケイ素と金属との反応が起こらない。
逆に、加熱温度が該金属の融点以上の場合は、該
金属それ自体が溶融状態になつて、窒化ケイ素セ
ラミツクス表面での解離を阻害する。

上記した反応生成物の融点、セラミツクス表面
の解離温度、最大加熱温度の具体的な値や範囲
は、用いる金属や適用する真空度に左右されるの
で一概には定まらないが、最大加熱温度は1200℃
以上であることが好ましい。

上記方法により形成されたメタライズ層は、該
金属と該金属のケイ化物からなる均一な合金層で
あつて、窒化ケイ素セラミツクス表面とは化学的
に結合し強固に付着している。しかも、このメタ
ライズ層は用いた金属もしくは合金に近い物理
的、電気的、化学的（耐薬品性）特性を示す。

〔発明の実施例〕

実施例 １ 窒化ケイ素セラミツクス平板の表面に、325メ
ツシユ（タイラー篩）下のNi粉末をエチルアル
コールを媒体として30μの厚さに塗布し、この平
板を真空炉中に設定した。

真空炉内を１×10^-6Torrに設置した後、該窒
化ケイ素セラミツクス平板の15mm×15mmの表面形
状に対し、連続発振のCo₂レーザを使用して、レ
ー出力2KW、ビーム径１mmの条件で、レーザ光
を５mm／secにて走査させた。

照射後、該セラミツクス平板の表面を観察した
ところ原粉末等がなく、一面が連続的な金属層
（メタライズ層）となつていた。

該メタライズ層をＸ線回折分析したところ、メ
タライズ層はNi（α）とNi₅S₂の混晶になつてい
ることが確認された。

これは次の反応によつて生じたものと考えられ
る。

Si₃N₄→3Si＋2N₂ Si＋Ni→Ni（α）＋Ni₅Si₂ 反応生成物（Ni（α）＋Ni₅Si₂）の融点は1152
℃でレーザ照射により加熱される温度（〜1300
℃）より低いため、この反応生成物は窒化ケイ素
セラミツクス表面で液状となり、該表面をぬらし
ているものと考えられる。

メタライズ層の電気伝導度、耐薬品特性を調べ
たところNiの特性に近かつた。

セラミツクスとメタライズ層の付着強度を調べ
るため、エポキシ樹脂系接着剤を用いた接合強さ
試験を行なつたところ、エポキシ樹脂層で破壊を
生じた。したがつて、セラミツクスとメタライズ
層の付着強度は、樹脂層とメタライズ層との付着
強度より高いこと、すなわち、３Kg／mm²以上であ
ることが確認された。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明方法は窒
化ケイ素セラミツクス表面に付着強度の高いメタ
ライズ層を極めて簡易に形成することができる。

したがつて、本発明は、メタライズ層の形成が
極めて簡易にできるため、ろう接等の嵌合の前処
理に適用して有効であり、また、付着強度が高い
ため、セラミツクス上にメタライズ層のみが形成
されただけの製品、例えば電気回路、装飾品、機
能部品等の製造に適用して有効であり、その工業
的価値は極めて高い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化ケイ素セラミツクスの表面にケイ素との
   反応性に富む金属もしくは合金を配する工程と、
   真空下で該窒化ケイ素セラミツクスのメタライズ
   層が必要な面にレーザ光による加熱処理を施し、
   該窒化ケイ素セラミツクス表面を窒素とケイ素と
   に解離せしめかつ解離により生じたケイ素と該金
   属又は合金との反応生成物を該窒化ケイ素セラミ
   ツクス表面上に形成する工程、 とからなることを特徴とするメタライジング方
   法。 ２ 該金属もしくは合金が、ケイ素との反応生成
   物のうちの少なくとも１種の融点より高い融点を
   有する金属である特許請求の範囲第１項記載のメ
   タライジング方法。 ３ 該金属もしくは合金の形態が、粉末、箔、線
   のいずれかもしくはそれらを組合せた形態をして
   いる特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の
   メタライジング方法。 ４ 該加熱処理が10^-3Torr以下の真空下で行な
   われる特許請求の範囲第１項記載のメタライジン
   グ方法。 ５ 該加熱処理時の温度が該金属もしくは合金の
   融点未満の温度である特許請求の範囲第１項記載
   のメタライジング方法。 ６ 該加熱処理時の温度が1200℃以上の温度であ
   る特許請求の範囲第１項もしくは第５項記載のメ
   タライジング方法。