JPH10298677A - アルミ−アルミマトリックス複合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温環境下でも寸法精度が保証でき、かつ腐
食性ガスに対する耐蝕性にも優れたアルミ−アルミマト
リックス複合体の製造方法を提供する。 【解決手段】 セラミック繊維、セラミックウィスカ
ー、あるいは炭素繊維等を分散させたアルミマトリック
ス複合材１０をアルミ材１１で被覆し、これを下金型２
の製品部３、段部４に載置する。次いで上金型１を加圧
し、アルミ材を鍛造加工し、アルミ材の突き合わせ部の
余剰のメタルをバリ５としてフラッシュランド部６を通
過させガッター部７に排出する。このようにしてアルミ
マトリックス複合材全面をアルミ材により被覆し、アル
ミ−アルミマトリックス複合体を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミ−アルミマ
トリックス複合体の製造方法に関し、詳しくはアルミマ
トリックス複合材全面をアルミ材により完全に被覆する
アルミ−アルミマトリックス複合体の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミマトリックス中にセラミックス、
カーボン等のウィスカー、繊維等を分散させたアルミ複
合材（以下「ＭＭＣ」と略す）は比強度、摺動特性に優
れるため、エンジンシリンダーブロック等に多用されて
いる。またアルミより熱膨張率が小さいカーボン、Ｓｉ
Ｃ、アルミナ繊維等を分散させたＭＭＣは、熱膨張率が
少ない上に、高温での強度、剛性が高く熱変形しにくい
特性を有するため、高温でも高精度が保証できるもので
あり、またアルミマトリックス中の繊維、粒子の体積充
填率を変化させることにより熱膨張率、強度等を変える
ことができ、熱膨張率、強度等の選択自由度があるもの
として知られている。

【０００３】これらＭＭＣの製造方法としては、溶湯に
ＳｉＣ、ＳｉＮ等の強化粒子を分散させ鋳塊あるいは鋳
物形状に鋳込む方法、あるいは予め繊維を押し固め、乾
燥させたプリフォームに湯流れ性の良いアルミ−シリコ
ン系合金のアルミ溶湯を高圧含浸させる方法がある。ま
た粉末冶金により製造する方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来のいずれの
製造についてもＭＭＣ素材自体は硬く、機械加工性が悪
いため、直接削り出しによる製品を作るのは困難であ
る。またマトリックス中に分散した共晶Ｓｉ粒、あるい
は強化繊維、粒子であるＳｉＣが露出したＭＭＣ肌のま
までは、腐食性ガスに対しそのガスとの反応性の観点か
らの耐蝕性に問題がある。

【０００５】ガスに対する耐蝕性等が要求される用途の
１つしとて、半導体、液晶の製造に用いるＣＶＤ処理装
置のチャンバー、ホルダーがある。ＣＶＤ処理装置は液
晶、半導体の製造においてシランガスが用いられ、チャ
ンバー、ホルダー等はシランガスの成分として含まれる
Ｓｉで汚染される。それを洗浄するためにフッ素を含有
する洗浄ガスを通気させている。そこで従来からＣＶＤ
処理装置のチャンバー内の洗浄ガス（フッ素含有ガス）
に対する耐食性を確保するためにアルミ材が用られてい
る。

【０００６】しかし、最近の家電製品の大型化（例えば
液晶テレビのディスプレー装置の大画面化）、あるいは
基板を大型にして多数個取りによる生産性の向上を図ら
れておりＣＶＤ処理装置のチャンバー、ホルダーも大型
化している。また基板が大型になり、そこに形成される
回路が微細化してきている。このようにＣＶＤ処理装置
のチャンバー、ホルダーが大型化すると従来のアルミ材
のものでは高温下での寸法精度を確保することができな
い。すなわち、ホルダーを大型化した分、２００〜４０
０℃もの高温でＣＶＤ処理する際の熱変形量（すなわち
垂下量）が大きくなり、熱膨張による位置精度の劣化が
問題となる。

【０００７】上述したような高温下での寸法精度を確保
し熱膨張による位置精度の問題を解消するために耐熱性
があり、熱膨張率が小さいＭＭＣの適用を検討した。Ｍ
ＭＣは上述したように、熱膨張率が小さい上に、高温で
の強度、剛性が高く熱変形しにくい特性を有するもので
あるが、腐食性ガスに対する耐蝕性の観点、例えばチャ
ンバー内の洗浄ガスとの反応性の観点から、マトリック
ス中に分散した共晶Ｓｉ粒、あるいは強化繊維、粒子で
あるＳｉＣが露出したＭＭＣ肌のままではこの用途には
適用できないものである。本発明は、上記の問題点に鑑
みなされたもので、その目的とするところは、高温環境
下でも寸法精度が保証でき、かつ腐食性ガスに対する耐
蝕性にも優れ、さらに大型化にも追従できるアルミ−ア
ルミマトリックス複合体の製造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】そこで上記の目的を達成
するため、本発明者らは、高温での熱膨脹率、垂下性に
優れかつ腐食ガスに対する耐食性を付与する方法につい
て種々検討した結果、高温特性に優れたセラミック繊
維、セラミックウィスカー、あるいは炭素繊維等を含有
するＭＭＣ素材を心材としてその表面をアルミ材、特に
純アルミで被覆した構造とし、高温での熱変形が少な
く、かつ耐食性に優れたことを見出だしたものである。
本発明は、セラミック繊維、セラミックウィスカー、あ
るいは炭素繊維等を分散させたアルミマトリックス複合
材の外形全体が２分割以上のアルミ展伸材あるいはアル
ミＤＣ（連続鋳造）鋳塊から機械加工により切り出した
アルミ材で覆われもので、前記アルミマトリックス複合
材の外形を被覆した前記アルミ材の突き合わせ部を鍛造
加工により余剰メタルとして鍛造型外にバリとして排出
させて前記アルミマトリックス複合材全面を前記アルミ
材により完全に被覆したものであることを特徴とするア
ルミ−アルミマトリックス複合体である。

【０００９】また本発明は、セラミック繊維、セラミッ
クウィスカー、あるいは炭素繊維等を分散させたアルミ
マトリックス複合材の外形全体を、２分割以上のアルミ
展伸材あるいはアルミＤＣ（連続鋳造）鋳塊から機械加
工により切り出したアルミ材で覆い、しかるのちに、外
形を被覆したアルミ材の突き合わせ部が型割り線近傍に
なるように鍛造型内に設置し、少なくとも当該部位を鍛
造加工によりアルミ材の結合とバリの排出を行うもの
で、アルミ材を結合しながら突き合わせ部の余剰メタル
をバリとして型外に排出することにより、アルミマトリ
ックス複合材全面をアルミ材により完全に被覆すること
を特徴とするアルミ−アルミマトリックス複合体の製造
方法である。また本発明は、アルミマトリックス複合材
を被覆するアルミ材の材質が、純Ａｌであり、熱間鍛造
温度の範囲内で鍛造加工することを特徴とするものであ
る。さらに本発明は、得られたアルミ−アルミマトリッ
クス複合体の表面にアルマイト加工を施すことを特徴と
するものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、セラミック繊維、セラミック
ウィスカー、あるいは炭素繊維等を分散させたアルミマ
トリックス複合材の外形全体を２分割以上のアルミ材で
覆い、外形を被覆したアルミ材の突き合わせ部を鍛造加
工しアルミマトリックス複合材全面をアルミ材により完
全に被覆することにより、高温での強度、熱膨脹率、垂
下性に優れかつ腐食ガスに対する耐食性を有するアルミ
−アルミマトリックス複合体を製造することができるも
のである。

【００１１】この複合体を作る方法として、まず、鋳ぐ
るみ法について検討した結果が、心材となるＭＭＣのマ
トリックスであるアルミ−シリコン系合金が、鋳ぐるみ
時に容易に溶出し、純アルミ−マトリックス界面に引け
巣を生ずると共に、溶出したアルミ−シリコン成分が純
アルミの鋳肌に露出し、耐食性を著しく阻害することを
知見した。そこで鋳ぐるみ以外の方法について更に検討
し、アルミ同士ならばその突き合わせ面は鍛造加工時の
高温、高圧下でのメタル流動に伴い結合し易すいこと、
さらに型鍛造でメタル流動の最も大きいのは余分なメタ
ルが排出されるバリ部であり、ここに突き合わせ部を位
置させれば、型合わせ面に沿って結合した複合材が得ら
れることを知見し、本発明のかかる構成により高温での
強度、熱膨脹率、垂下性に優れかつ腐食ガスに対する耐
食性を有するアルミ−アルミマトリックス複合体を製造
することができたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について詳細
に説明する。本発明において、セラミック繊維、セラミ
ックウィスカー、あるいは炭素繊維等を分散させたアル
ミマトリックス複合材は、アルミ材で被覆する心材とな
るもので、熱膨張率が少なく、高温での強度、剛性が高
く熱変形しにくい特性を有するものである。ここで、ア
ルミマトリックスに分散させ、強化材となるセラミック
繊維、セラミックウィスカー、あるいは炭素繊維の種類
は特に限定しないが、炭素繊維、アルミナ繊維、ＳｉＣ
ウィスカー等を含有するＭＭＣは、低膨脹特性を有する
ため好ましい。

【００１３】またマトリックスとなるアルミ合金の種類
も特に限定されるものではないが、含浸性の観点から鋳
造性の良いアルミ−シリコン系合金が好ましい。また、
アルミマトリックス複合材は、その製造方法としては、
溶湯にセラミック繊維、セラミックウィスカー、あるい
は炭素繊維等を分散させ鋳塊あるいは鋳物形状に鋳込む
方法、あるいは予め繊維を押し固め、乾燥させたプリフ
ォームに湯流れ性の良いアルミ−シリコン系合金のアル
ミ溶湯を高圧含浸させる方法がある。これらいずれもの
方法も粉末冶金に比べ製造工程が簡略で安価である。

【００１４】被覆するアルミ材は、アルミマトリックス
複合材の外形全体を２分割以上のアルミ展伸材あるいは
アルミＤＣ鋳塊から機械加工により切り出したアルミ材
で覆うものであり、本発明の効果を阻害しない範囲にお
いて、その材質、製法、形状については特定しない。特
に、洗浄ガスに対する耐食性の観点から、アルミ材質は
純度９９．５％以上の純アルミが望ましい。また洗浄ガ
スの耐リーク性を考慮すると、内部欠陥の少ないＤＣ鋳
造法（連続鋳造法）による連続鋳造材、アルミ圧延板、
鍛造品を素材とすることが望ましい。この耐リーク性
は、ＣＶＤ処理装置の真空雰囲気は高真空（１０^−６Ｔ
ｏｒｒ）の状態となるもので、それに対応できるものが
求められるものである。

【００１５】被覆するアルミ材は、これらの板を用いて
ＭＭＣを被覆する形状についても特に規定しないが、後
述する鍛造加工時に突き合わせ部が容易に排出できる位
置になるような工夫が望ましい。すなわち、メタルフロ
ーの方向に平行に、かつメタルフロー量が大きいバリ排
出部に突き合わせ部を設置した方が良い。また、突き合
わせ部の形状は特に規定しないが、メタルフローを伴う
結合が、強固となり、耐リーク性が向上するようにす
る。

【００１６】ＭＭＣ部と外形を被覆するアルミ材の肉厚
比についても特に規定しないが、ＭＭＣ部の肉厚を全体
の１／２以上とすることにより、ＭＭＣの高温特性を発
揮できる。またＭＭＣを製品厚みの肉厚中央部に位置せ
しめ、かつ両側のアルミ被覆材の厚みを均等とすること
により、高温−常温での使用サイクル時に生ずる反り
（バイメタル効果）を低減することができる。

【００１７】次に、本発明の特徴は鍛造加工により、被
覆アルミ材の突き合わせ部の余剰メタルをバリとして型
外に排出することにより、ＭＭＣ全面をアルミ材により
完全に被覆することである。ここで鍛造加工時の素材加
熱は突き合わせ部の塑性流動のし易さ、すなわちメタル
フローが容易な温度領域で行われ良好な接合状態が得ら
れる温度であることが必要である。それは、材質により
異なるため、一概に規定できないが、純アルミ板を用い
る場合、塑性流動のし易さの観点から、３００〜４００
℃の範囲とすることが望ましい。

【００１８】鍛造加工比についても特に規定しないが、
メタルフローを生じない、すなわち肉厚比が変化しない
と突き合わせ部が結合しないため好ましくない。鍛造加
工比はメタルフローが生じるように設定するものであ
る。上記のようにして得られた複合材の周囲のバリを図
１（ｂ）の（６）に示すフラッシュランド部で切断し、
その後、機械加工により、ホルダー等の最終製品形状に
仕上げることになる。この際に切断部が未結合部にかか
らず、十分圧着した位置で切断するような注意が必要で
ある。さらに腐食ガスによる耐食性を完全なものにする
ために、常法に基づきアルマイト加工を施すことが望ま
しい。アルマイト加工は緻密なほどよく、そのためには
被覆するアルミ材として純アルミを用いそこにアルマイ
ト加工を施すことが好ましい。

【００１９】本発明のアルミ−アルミマトリックス複合
体の製造方法により、そのアルミ−アルミマトリックス
複合体はＣＶＤ処理装置のチャンバー、ホルダーとして
ガス、特に洗浄ガス（フッ素含有ガス）に対する耐食性
を確保することができ、またその大型化に対応するもの
を製造することができ、具体的に厚さ１００ｍｍで、長
さが、巾が、１５００ｍｍ程度のものまで製造すること
ができる。そして高温環境下でも寸法精度が保証でき、
ＣＶＤ処理による熱変形量（すなわち垂下量）の問題を
解決することができるものである。

【００２０】

【実施例】本発明の実施例について、図１、図２及び表
１、表２を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）は鍛造
金型の主要部断面を示す図であり、図２は、アルミ材を
被覆したＭＭＣ素材の断面部を示す図である。また表１
はアルミマトリックス複合材の種類及び厚み配分を示
し、表２は鍛造条件、密着性、高温特性を示したもので
ある。鍛造加工には、図１（ａ）（ｂ）に示す鍛造金型
を用いた。この鍛造型は、上金型１と下金型２からな
り、それぞれの型に彫り込まれた製品部３、段部４にア
ルミ材１１で被覆したＭＭＣ１０を載置する。また上金
型１と下金型２のそれぞれの型にはフラッシュランド
６、ガッター部７が設けられている。

【００２１】図２は、ＭＭＣ１０をアルミ材１１で被覆
した鍛造加工を行うＭＭＣ素材の断面部を示すもので、
このアルミ材１１で被覆したＭＭＣ１０を、図１（ａ）
に示すように下金型２の製品部３、段部４に載置する。
次いで図１（ｂ）に示すように上金型１を加圧し、アル
ミ材を鍛造加工することになるが、余剰のメタルはバリ
５となってフラッシュランド部６を通過して、ガッター
部７に到達する。ここでフラッシュランド部の幅を変え
ることにより、製品部のメタル充填の度合い、バリ長さ
が変わるが、本実施例では製品部に空隙を生ぜず、かつ
バリ部近傍のメタルフロー（図２（ｂ）の矢印）が大き
くなるような必要最低限のフラッシュランド長とした。
またこの実施例では、ＭＭＣとアルミの間に剪断力が働
かないように、すなわちＭＭＣ部に直接加圧力がかから
ないように型形状を工夫した。さらに、ＭＭＣとアルミ
間のガス残留を避けるため、鍛造プレスで極くわずかに
加圧し密着性を向上させた。

【００２２】図１（ｂ）に示す下金型２の製品部３、段
部４に載置されているＭＭＣ素材を上金型１で加圧し、
図２に示すＭＭＣ素材のアルミ材１１の突き合わせ部１
４を上金型１と下金型２の段部４により鍛造加工され余
剰のメタルはバリ５となってフラッシュランド部６を通
過してガッター部７にメタルフローするものである。

【００２３】次ぎに、表１、表２に本発明の実施例につ
いての具体的データを示す。表１に示すアルミマトリッ
クス複合材の種類（ＭＭＣ材の組成）及び厚み配分のも
のを準備し、これに図２に示すように純アルミ材を被覆
した。そして表２の鍛造条件で鍛造加工を施し、その密
着性、高温特性を示す。表１は、本発明による複合板と
して材料Ｎｏ１〜６、それぞれの強化繊維の種類、体積
充填率、マトリックス、またＭＭＣ部とアルミ材部の厚
み配分（％）を示している。この厚み配分は、図２に示
す、アルミ材部がｂ、ＭＭＣ部＋アルミ材部がａであ
る。

【００２４】また、材料Ｎｏ７として比較例複合板を示
し、ＭＭＣ材を心材として鋳型内に設置し、純アルミ溶
湯で鋳ぐるんだ鋳造品も同時に準備し、試験に供した。
上記鍛造品については、バリ部を切断した後に、その切
断面に蛍光浸透探傷試験を施し、突き合わせ部の未溶着
部の有無を判定すると共に、断面を切断、研磨し、突き
合わせ部の接合状態を観察した。材料Ｎｏ７の比較例と
しての鋳造品についても、断面を切断、研磨し、アルミ
−ＭＭＣの界面の溶着状態を観察した。

【表１】

【表２】

【００２５】さらに、供試材からＭＭＣを肉厚中央部に
含む短冊状板ＴＰを採取し、その一端を支持した上で、
４００℃まで昇温し、その際の板端部の垂下量を測定し
た。また４００℃まで昇温した際の供試材の長手方向の
寸法変化から線熱膨張係数を算出した。この結果を表２
に示す。表２から明らかなように、材料Ｎｏ１〜６の本
発明の鍛造加工を施した複合材試験片には未溶着部は観
察されず、断面接合状態も良好であり耐リーク性が良好
なものであった。

【００２６】また３００℃での垂下量は、複合化しない
試験片すなわち純アルミ板の垂下量を１００とすると、
本発明の鍛造加工を施した複合材試験片は、いずれもそ
の４５％以下であり、向上している。また３００℃での
線膨脹係数（ppm／K）についても、材料Ｎｏ１〜６の本
発明の鍛造加工を施した複合材試験片は、いずれも１８
以下であり、純アルミ板ではその線膨脹係数が２６であ
るが、それに比べ向上している。

【００２７】このように、複合化しない試験片すなわち
純アルミ板に比べると、本発明の鍛造加工を施した複合
材試験片は、熱膨張率、垂下性ともにかなり向上するこ
とが確認できた。一方、比較例としての材料Ｎｏ７の鋳
造品は、本発明の複合材試験片と同様のＭＭＣを使用し
ても、鋳ぐるみにより複合化した場合は、心材としたＭ
ＭＣが溶融し、複合材表面に溶出するばかりか、アルミ
マトリックス界面に広範囲に渡って、引け巣を生じたた
め、垂下量、熱膨張係数測定用の短冊試験片加工時に皮
材と心材が剥離し、試験に供することができなかった。

【００２８】本発明にかかるアルミ−アルミマトリック
ス複合体の用途の１つである半導体、液晶を製造するＣ
ＶＤ処理装置の基板ホルダーに使用した例について、図
３を参照して説明する。図３の概念図に示すＣＶＤ処理
装置は、真空反応槽２２の基板ホルダー２０に載置され
ている基板２１に薄膜を堆積させるものである。詳しく
はこのＣＶＤ処理装置は真空反応槽２２、真空ポンプ２
４、原料ガスを反応槽２２に導入するためのガス導入系
２７、プラズマを発生させるための高周波電源２５及び
電極で構成されている。基板２１は、一般にアース側の
電極にセットされるものでこの例では基板２１を載置し
ている基板ホルダー２０はアース側の電極となってい
る。

【００２９】反応槽２２は真空ポンプ２４で排気され、
次いで原料ガスをガス導入系２７より導入し、反応槽２
２内の圧力を数Ｔｏｒｒに保ち、その状態で電極に高周
波電源２５で電圧を加え高周波グロー放電を行う。ここ
て、原料ガスの組成比をコントロールしたシラン（Ｓｉ
Ｈ_４）を用いると、これをグロー放電２３のエネルギー
によって分解させ、基板には、半導体あるいは液晶とな
る層が堆積する。このとき基板はそのホルダーにもうけ
られたヒーターで温度は２００〜３００℃に保持されて
いる。

【００３０】このような半導体、液晶を製造するＣＶＤ
処理装置の基板ホルダーに本発明にかかるアルミ−アル
ミマトリックス複合体を用いることは、腐食性ガスに対
する耐蝕性、例えばチャンバー内の洗浄ガスとの反応性
の観点、ＣＶＤ処理装置の真空雰囲気での耐リーク性の
観点、及び耐熱性即ち高温下での寸法精度を確保し熱膨
張による位置精度の観点から好ましいものである。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、高温使
用時でも高い寸法精度が保証でき、かつ腐食ガスによる
耐食性も良好なアルミ−アルミマトリックス複合体を製
造することができるという効果を有し、ＣＶＤ処理用チ
ャンバー、ホルダーとして好適であり、これにより液晶
の大型化、基板を大型にして多数個取りによる生産性向
上が可能であり工業的に顕著な効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における鍛造金型の主要部の断
面を示す図

【図２】本発明の実施例のアルミ材で被覆したＭＭＣ素
材の断面部を示す図

【図３】本発明にかかるアルミ−アルミマトリックス複
合体の使用例を示す概念図

【符号の説明】

１． 上金型 ２． 下金型 ３． 金型の製品部 ４． 金型の段部 ５． バリ ６． フラッシュランド部 ７． ガッター部 １０． ＭＭＣ１０ １１． アルミ材 ２０． 基板ホルダー ２１． 基板 ２２． 真空反応槽

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック繊維、セラミックウィスカ
   ー、あるいは炭素繊維等を分散させたアルミマトリック
   ス複合材の外形全体が２分割以上のアルミ展伸材あるい
   はアルミＤＣ鋳塊から機械加工により切り出したアルミ
   材で覆われもので、前記アルミマトリックス複合材の外
   形を被覆した前記アルミ材の突き合わせ部を鍛造加工に
   より余剰メタルとして鍛造型外にバリとして排出させて
   前記アルミマトリックス複合材全面を前記アルミ材によ
   り完全に被覆したものであることを特徴とするアルミ−
   アルミマトリックス複合体。
2. 【請求項２】 セラミック繊維、セラミックウィスカ
   ー、あるいは炭素繊維等を分散させたアルミマトリック
   ス複合材の外形全体を、２分割以上のアルミ展伸材ある
   いはアルミＤＣ鋳塊から機械加工により切り出したアル
   ミ材で覆い、しかるのちに、外形を被覆したアルミ材の
   突き合わせ部が型割り線近傍になるように鍛造型内に設
   置し、少なくとも当該部位を鍛造加工し、アルミ材の突
   き合わせ部を余剰メタルとして型外にバリとして排出す
   ることにより、アルミマトリックス複合材全面をアルミ
   材により完全に被覆することを特徴とするアルミ−アル
   ミマトリックス複合体の製造方法。
3. 【請求項３】 アルミマトリックス複合材を被覆するア
   ルミ材の材質が、純Ａｌであり、熱間鍛造温度の範囲内
   で鍛造加工することを特徴とする請求項２に記載のアル
   ミ−アルミマトリックス複合体の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の製造方法で得
   られたアルミ−アルミマトリックス複合体の表面にアル
   マイト加工を施すことを特徴とするアルミ−アルミマト
   リックス複合体の製造方法。