JPH1179842A - 機械構造用部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特殊な原料を必要とすることなく、高密度で
あって、且つ、導電性を有し、熱膨張係数の低い、高熱
伝導率を兼ね備えた高品位の炭化ケイ素焼結体からなる
機械構造用部品を提供すること。 【解決手段】 炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤との
混合物を焼結して得られた焼結体であって、密度が２．
９ｇ／ｃｍ³ 以上である炭化ケイ素焼結体からなること
を特徴とする機械構造用部品、例えば、締結部品、伝導
部品、配管アクセサリー、検査治具用部品、加工治具用
部品、溶接治具用部品、半導体製造治具の熱処理部品等
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械構造用部品に
関するものであり、詳しくは、優れた特性を有する炭化
ケイ素焼結体を用いた、耐久性、耐熱性、耐食性に優れ
た機械構造用部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、機械構造用部品は種々の使用ニー
ズに合わせ、素材が多様になってきている。その中でセ
ラミックスは本来備えている耐熱性、耐腐食性、軽量等
の金属の機能的な限界を超えることができる特性を活か
し、多方面で開発および利用されてきている。例えばア
ルミナでは、耐熱性、耐食性を活かして熱処理炉や反応
装置の構造部材の締結にボルトを加工して利用された
り、高い電気絶縁性或いは絶縁抵抗を利用して基板や硝
子に用いられている。非酸化物系セラミックスでは、窒
化ケイ素の低熱膨張、高温強度特性を利用して、バーナ
ーノズル、熱交換器、ローター等に用いられている。さ
らに、潤滑性が要求される軸受けには窒化ホウ素が用い
られている。同じ窒化ホウ素でも結晶系が異なる六方晶
窒化ケイ素は、切削工具に利用されている。炭化ケイ素
セラミックスでは高剛性、耐熱性、耐食性が他のセラミ
ックスより優れている多ため、機械構造用部品ヘの利用
が考えられ、いくつかの製品が開発されている。

【０００３】この炭化ケイ素は、共有結合性の強い物質
であり、従来より高温強度性、耐熱性、耐摩耗性、耐薬
品性等の優れた特性を活かして多くの用途で用いられて
きた。最近では、電子情報機器材料、半導体製造用材料
の分野において、ウェハの処理温度の上昇、ウェハ径の
増大、処理単位の増大によって、従来の石英部品におけ
る如き熱変形やフッ酸などの薬液洗浄による変質のな
い、さらに耐熱性の良好で、且つ、密度と純度の高い炭
化ケイ素焼結体が要望されている。これらの用途への構
造材としては、一体成形で作られるものは少なく、組立
式のものが多い。従って、これらのユニットの接合治
具、部品が重要視されている。さらに機械構造部品とし
ての要件としては、高密度体であり、公知の加工方法が
適用できることが必須となる。

【０００４】しかしながら従来の炭化ケイ素焼結体を用
いた場合はその用途は限定される。特に半導体治具、原
子力関連分野では利用に大きな障害があった。例えば、
半導体製造装置用部材に利用した場合、高純度状態での
機械構造部品はなく、高温処理中では、セラミックス内
の金属不純物が部材中で拡散移動するため、製造する半
導体製品を汚染してしまうといった問題があった。耐熱
性においても、通常の炭化ケイ素焼結体は原料粉末に結
合材を添加して成形するため、高温での使用中これら結
合材の軟化作用により限界があった。さらに、場合によ
って実装条件での位置決め、性能評価のための検査治具
等がなく、計算で行われていたため、実際の運転時に不
具合も生じていた。

【０００５】炭化ケイ素は、その特性より機械構造部品
には適したものであり、種々の製造法が考えられてい
る。即ち、以下に示す方法が挙げられる。

【０００６】炭化ケイ素は、強い共有結合性のために、
難焼結性である。緻密質炭化ケイ素焼結体を製造する方
法としては、ホットプレス法、反応焼結法、常圧焼結法
が知られている。

【０００７】ホットプレス法は、炭化ケイ素を高圧下で
焼結する方法であり、金属系焼結助剤として、アルミニ
ウムを添加したものが初期（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓ
ｏｃ．第３９巻、１１号３８６−３８９頁、１９５６
年）に報告されて以来、様々な金属系助剤を用いて研究
がなされており、中でもＢｅＯを添加したホットプレス
焼結による高熱伝導性且つ電気絶縁性の焼結体が１９８
０年に開発されている（「炭化ケイ素セラミックス」第
３２７〜３４３頁、内田老鶴圃、１９８８年）。

【０００８】反応焼結法は、（１）原料混合工程（炭化
ケイ素粉末と炭素粉末とを混合する工程）、（２）成形
加工工程、（３）反応焼結工程、さらに、所望によって
（４）後加工工程、という各工程からなる。この方法
は、（３）反応焼結工程において、既に成形された炭素
粒子をケイ化するものであり、成形体の寸法変化が少な
く、焼結助剤を必要としない利点があり、高純度の焼結
体が得やすいため、半導体用部品の製造などに利用され
ている。しかしながら、この方法で得られた焼結体は未
反応金属ケイ素を含有するため、耐熱性、耐薬品性や高
強度を要求される分野で使用される部品、治具に用いる
には制限があった。

【０００９】常圧焼結法は、炭化ケイ素を焼結するにあ
たり、金属系焼結助剤を使用することを特徴とする方法
あり、１９７４年にＳ／Ｐｒｏｃｈａｚｋａの”Ｃｅｒ
ａｍｉｃｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃ
ｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｎｓ”第２３９頁により提案さ
れた。この方法によって高温強度を有する高密度構造部
材が得られるようになり、炭化ケイ素の研究開発が進展
した。ここで焼結助剤として、ホウ素、アルミニウム、
ベリリウム等の金属やその化合物である金属系焼結助剤
と、カーボンブラック、グラファイト等の炭素系焼結助
剤との二種類を組み合わせて用いられている。ここで重
要な金属系焼結助剤の作用としては、最適な焼結助剤と
して用いられるホウ素について述べれば、粒界への偏析
による粒界エネルギーの減少、炭素−ホウ素系物質の粒
界拡散の促進、表面拡散抑制等が挙げられ、炭素系焼結
助剤の作用については、炭化ケイ素粒子の表面酸化層の
除去効果が推定されるが、いずれも詳細は未だ明らかで
はない。

【００１０】いずれにせよ、ここで用いられる金属系焼
結助剤は、高温での使用時や薬液洗浄処理中に金属不純
物が溶出するため、得られた焼結体は半導体製造装置等
の機械構造部品への応用には適さなかった。

【００１１】これらの課題を解決する手段として、特開
昭６０−１０８３７０号において、シラン化合物を熱分
解して得られた特殊な超微粉炭化ケイ素を用いて、助剤
を添加することなく、ホットプレス法により緻密焼結体
を得る方法が提案された。しかしながら、得られる焼結
体の各種特性は明確にされていない。さらに、これに関
連して、「炭化ケイ素セラミックス」（内田老鶴圃、１
９８８年刊行）第８９頁には、この製法で製造された粉
体を用いてもホウ素（焼結助剤として）の添加が不可欠
である旨の記載がある。

【００１２】このホットプレス法の改良として、特開平
２−１９９０６４号には、ＣＶＤプラズマ法により合成
した超微粉炭化ケイ素粉末を用いて、助剤を全く用いず
にホットプレス法により緻密焼結体を得る方法が提案さ
れている。しかしながら、この文献に記載される方法に
おいても、鉄等の不純物が数ｐｐｍ以上含まれており、
満足できるレベルとは言い難いこと、この系で焼結助剤
としての機能を果たしていると考えられる平均粒径３０
ｎｍの超微粉炭化ケイ素微粉末が高コストであること、
このような超微粉は表面酸化に対して取扱上の多大な注
意を必要とすること、などを考慮すれば、いまだ上記課
題が解決しているとはいい難い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従って、公知の炭化ケ
イ素焼結体の製造方法によっては、金属系助剤を用いる
ため、一般的な機械装置や半導体製造装置用部品等への
使用に適する高密度で不純物含有量の少ない炭化ケイ素
焼結体を得ることは困難であった。

【００１４】本発明の目的は、特殊な原料を必要とする
ことなく、高密度であって、且つ、導電性を有し、熱膨
張係数の低い、高熱伝導率を兼ね備えた高品位の炭化ケ
イ素焼結体からなる機械構造用部品を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
した結果、特定の炭化ケイ素焼結体が、この目的にかな
うことを見出し、本発明を完成した。

【００１６】即ち、本発明は、炭化ケイ素粉末と非金属
系焼結助剤との混合物を焼結して得られた焼結体であっ
て、密度が２．９ｇ／ｃｍ³ 以上である炭化ケイ素焼結
体からなることを特徴とする機械構造用部品である。

【００１７】本発明の機械構造用部品としては、締結部
品、伝動部品、配管アクセサリー、検査治具用部品、加
工治具用部品、溶接治具用部品、半導体製造治具の熱処
理部品等が挙げられる。

【００１８】本発明において炭化ケイ素焼結体は、炭化
ケイ素粉末と非金属系焼結助剤との混合物を非酸化性雰
囲気下でホットプレスすることにより得ることが好まし
い。

【００１９】また、非金属系焼結助剤は、炭化ケイ素粉
末表面を被覆してなるもの、加熱により炭素を生成する
有機化合物であるもの、或いは、加熱により炭素を生成
する有機化合物により表面を被覆された炭化ケイ素粉末
であるものが好ましい。このとき、加熱により炭素を生
成する有機化合物としては、レゾール型フェノールであ
ることが好ましい。

【００２０】本発明において、炭化ケイ素焼結体の体積
抵抗率は１Ω・ｃｍ以下となり、導電性が付与されるた
め、機械構造用部品を製造するに当たり公知の加工方法
である放電加工を採用することができることとなる。

【００２１】本発明において、炭化ケイ素焼結体の曲げ
強度は５０．０ｋｇｆ／ｍｍ² 以上となり、機械的強度
の高い機械構造用部品を提供することができる。

【００２２】本発明において、炭化ケイ素焼結体に含ま
れるケイ素および炭素以外の含有元素、即ち不純物の総
含有量は５ｐｐｍ未満となり、極めて純度の高い機械構
造用部品を提供することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明をさらに詳細に説
明する。

【００２４】本発明における炭化ケイ素焼結体の原料と
して用いられる炭化ケイ素粉末は、α型、β型、非晶質
或いはこれらの混合物等が挙げられるが、特に、β型炭
化ケイ素粉末が好適に使用される。このβ型炭化ケイ素
粉末のグレードには特に制限はなく、例えば、一般に市
販されているβ型炭化ケイ素粉末を用いることができ
る。この炭化ケイ素粉末の粒径は、高密度化の観点から
は小さいことが好ましく、０．０１〜１０μｍ程度、さ
らには、０．０５〜２μｍ程度であることが好ましい。
粒径が０．０１μｍ未満であると、計量、混合などの処
理工程における取扱いが困難となり、１０μｍを超える
と比表面積が小さく、即ち、隣接する粉体との接触面積
が小さくなり、高密度化が困難となるため好ましくな
い。

【００２５】なお、高純度の炭化ケイ素焼結体を得るた
めには、原料の炭化ケイ素粉末として、高純度の炭化ケ
イ素粉体を用いればよい。

【００２６】高純度の炭化ケイ素粉末は、例えば、少な
くとも１種以上の液状のケイ素化合物を含むケイ素源
と、加熱により炭素を生成する少なくとも１種以上の液
状の有機化合物を含む炭素源と、重合又は架橋触媒と、
を均質に混合して得られた固形物を非酸化性雰囲気下で
焼成する焼成工程とを含む製造方法により得ることがで
きる。液状のケイ素化合物を含むケイ素源、例えば、液
状シリコン化合物は固体状のシリコン化合物と併用する
ことができる。

【００２７】高純度の炭化ケイ素粉末の製造に用いられ
るケイ素化合物（以下、適宜、「ケイ素源」と称する）
としては、液状のものと固体のものとを併用することが
できるが、少なくとも一種は液状のものから選ばれなく
てはならない。液状のものとしては、アルコキシシラン
（モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−）及びテトラアルコ
キシシランの重合体が用いられる。アルコキシシランの
中ではテトラアルコキシシランが好適に用いられ、具体
的には、メトキシシラン、エトキシシラン、プロポキシ
シラン、ブトキシシラン等が挙げられるが、ハンドリン
グの点からはエトキシシランが好ましい。また、テトラ
アルコキシシランの重合体としては、重合度が２〜１５
程度の低分子量重合体（オリゴマー）及びさらに重合度
が高いケイ酸ポリマーで液状のものが挙げられる。これ
らと併用可能な固体状のものとしては、酸化ケイ素が挙
げられる。本発明において酸化ケイ素とは、ＳｉＯの
他、シリカゾル（コロイド状超微細シリカ含有液、内部
にＯＨ基やアルコキシル基を含む）、二酸化ケイ素（シ
リカゲル、微細シリカ、石英粉体）等を含む。

【００２８】これらケイ素源のなかでも、均質性やハン
ドリング性が良好な観点から、テトラエトキシシランの
オリゴマー及びテトラエトキシシランのオリゴマーと微
粉体シリカとの混合物等が好適である。また、これらの
ケイ素源は高純度の物質が用いられ、初期の不純物含有
量が２０ｐｐｍ以下であることが好ましく、５ｐｐｍ以
下であることがさらに好ましい。

【００２９】また、高純度炭化ケイ素粉末の製造に使用
される加熱により炭素を生成する有機化合物としては、
液状のものの他、液状のものと固体のものとを併用する
ことができ、残炭率が高く、且つ触媒若しくは加熱によ
り重合又は架橋する有機化合物、具体的には例えば、フ
ェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、ポリウレタ
ン、ポリビニルアルコール等の樹脂のモノマーやプレポ
リマーが好ましく、その他、セルロース、蔗糖、ピッ
チ、タール等の液状物も用いられ、特にレゾール型フェ
ノール樹脂が好ましい。また、その純度は目的により適
宜制御選択が可能であるが、特に高純度の炭化ケイ素粉
末が必要な場合には、各金属を５ｐｐｍ以上含有してい
ない有機化合物を用いることが望ましい。

【００３０】本発明に使用される原料粉体である高純度
炭化ケイ素粉体を製造するにあたっての、炭素とケイ素
の比（以下、Ｃ／Ｓｉ比と略記）は、混合物を１０００
℃にて炭化して得られる炭化物中間体を、元素分析する
ことにより定義される。化学量論的には、Ｃ／Ｓｉ比が
３．０の時に生成炭化ケイ素中の遊離炭素が０％となる
はずであるが、実際には同時に生成するＳｉＯガスの揮
散により低Ｃ／Ｓｉ比において遊離炭素が発生する。こ
の生成炭化ケイ素粉体中の遊離炭素量が焼結体等の製造
用途に適当でない量にならないように予め配合を決定す
ることが重要である。通常、１気圧近傍で１６００℃以
上での焼成では、Ｃ／Ｓｉ比を２．０〜２．５にすると
遊離炭素を抑制することができ、この範囲を好適に用い
ることができる。Ｃ／Ｓｉ比を２．５以上にすると遊離
炭素が顕著に増加するが、この遊離炭素は粒成長を抑制
する効果を持つため、粒子形成の目的に応じて適宜選択
しても良い。但し、雰囲気の圧力を低圧又は高圧で焼成
する場合は、純粋な炭化ケイ素を得るためのＣ／Ｓｉ比
は変動するので、この場合は必ずしも前記Ｃ／Ｓｉ比の
範囲に限定するものではない。

【００３１】なお、遊離炭素の焼結の際の作用は、本発
明で用いられる炭化ケイ素粉体の表面に被覆された非金
属系焼結助剤に由来する炭素によるものに比較して非常
に弱いため、基本的には無視することができる。

【００３２】また、本発明においてケイ素源と加熱によ
り炭素を生成する有機化合物とを均質に混合した固形物
を得るために、ケイ素源と該有機化合物の混合物を硬化
させて固形物とすることも必要に応じて行われる。硬化
の方法としては、加熱により架橋する方法、硬化触媒に
より硬化する方法、電子線や放射線による方法が挙げら
れる。硬化触媒としては、炭素源に応じて適宜選択でき
るが、フェノール樹脂やフラン樹脂の場合には、トルエ
ンスルホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、しゅう酸、
塩酸、硫酸、マレイン酸等の酸類、ヘキサミン等のアミ
ン類等を用いる。

【００３３】この原料混合固形物は必要に応じ加熱炭化
される。これは窒素又はアルゴン等の非酸化性雰囲気中
８００℃〜１０００℃にて３０分〜１２０分間該固形物
を加熱することにより行われる。

【００３４】さらに、この炭化物をアルゴン等の非酸化
性雰囲気中１３５０℃以上２０００℃以下で加熱するこ
とにより炭化ケイ素が生成する。焼成温度と時間は希望
する粒径等の特性に応じて適宜選択できるが、より効率
的な生成のためには１６００℃〜１９００℃での焼成が
望ましい。

【００３５】また、より高純度の粉体を必要とする時に
は、前述の焼成時に２０００〜２１００℃にて５〜２０
分間加熱処理を施すことにより不純物をさらに除去でき
る。

【００３６】以上より、特に高純度の炭化ケイ素粉末を
得る方法としては、本願出願人が先に特願平７−２４１
８５６号として出願した単結晶の製造方法に記載された
原料粉体の製造方法、即ち、高純度のテトラアルコキシ
シラン、テトラアルコキシシラン重合体から選択される
１種以上をケイ素源とし、加熱により炭素を生成する高
純度有機化合物を炭素源とし、これらを均質に混合して
得られた混合物を非酸化性雰囲気下において加熱焼成し
て炭化ケイ素粉体を得る炭化ケイ素生成工程と、得られ
た炭化ケイ素粉体を、１７００℃以上２０００℃未満の
温度に保持し、該温度の保持中に、２０００℃〜２１０
０℃の温度において５〜２０分間にわたり加熱する処理
を少なくとも１回行う後処理工程とを含み、前記２工程
を行うことにより、各不純物元素の含有量が０．５ｐｐ
ｍ以下である炭化ケイ素粉体を得ること、を特徴とする
高純度炭化ケイ素粉末の製造方法等を利用することがで
きる。

【００３７】また、本発明における炭化ケイ素焼結体を
製造するにあたって、前記炭化ケイ素粉末と混合されて
用いられる非金属系焼結助剤としては、加熱により炭素
を生成する、所謂炭素源と称される物質が用いられ、加
熱により炭素を生成する有機化合物又はこれらで表面を
被覆された炭化ケイ素粉末（粒径：０．０１〜１μｍ程
度）が挙げられ、効果の観点からは前者が好ましい。

【００３８】加熱により炭素を生成する有機化合物とし
ては、具体的には、残炭率の高いコールタールピッチ、
ピッチタール、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ
樹脂、フェノキシ樹脂やグルコース等の単糖類、蔗糖等
の少糖類、セルロース、デンプン等の多糖類などの等の
各種糖類が挙げられる。これらは炭化ケイ素粉末と均質
に混合するという目的から、常温で液状のもの、溶媒に
溶解するもの、熱可塑性或いは熱融解性のように加熱す
ることにより軟化するもの或いは液状となるものが好適
に用いられるが、なかでも、得られる成形体の強度が高
いフェノール樹脂、特に、レゾール型フェノール樹脂が
好適である。

【００３９】この有機化合物は加熱されると粒子表面
（近傍）においてカーボンブラックやグラファイトの如
き無機炭素系化合物を生成し、焼結中に炭化ケイ素の表
面酸化膜を効率的に除去する焼結助剤として有効に作用
すると考えられる。なお、カーボンブラックやグラファ
イト粉末を焼結助剤として添加しても本発明の効果を得
ることはできない。

【００４０】本発明において、炭化ケイ素粉末と非金属
系焼結助剤との混合物を得る際に、非金属系焼結助剤を
溶媒に溶解又は分散させて混合することが好ましい。溶
媒は、非金属系焼結助剤として使用する化合物に対して
好適なもの、具体的には、好適な加熱により炭素を生成
する有機化合物であるフェノール樹脂に対しては、エチ
ルアルコール等の低級アルコール類やエチルエーテル、
アセトン等を選択することができる。また、この非金属
系焼結助剤及び溶媒についても不純物の含有量が低いも
のを使用することが好ましい。

【００４１】炭化ケイ素粉末と混合される非金属系焼結
助剤の添加量は少なすぎると焼結体の密度が上がらず、
多過ぎると焼結体に含まれる遊離炭素が増加するため高
密度化を阻害する虞があるため、使用する非金属系焼結
助剤の種類にもよるが、一般的には、１０重量％以下、
好ましくは２〜５重量％となるように添加量を調整する
ことが好ましい。この量は、予め炭化ケイ素粉末の表面
のシリカ（酸化ケイ素）量をフッ酸を用いて定量し、化
学量論的にその還元に充分な量を計算することにより決
定することができる。

【００４２】なお、ここでいう炭素としての添加量と
は、上記の方法により定量されたシリカが非金属系焼結
助剤に由来する炭素で、下記の化学反応式により還元さ
れるものとし、非金属系焼結助剤の熱分解後の残炭率
（非金属系焼結助剤中で炭素を生成する割合）などを考
慮して得られる値である。

【００４３】 ＳｉＯ₂ ＋ ３Ｃ → ＳｉＣ ＋ ２ＣＯ また、本発明における炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素
焼結体中に含まれる炭化ケイ素に由来する炭素原子及び
非金属系焼結助剤に由来する炭素原子の合計が３０重量
％を超え、４０重量％以下であることが好ましい。含有
量が３０重量％以下であると、焼結体中に含まれる不純
物の割合が多くなり、４０重量％を超えると炭素含有量
が多くなり得られる焼結体の密度が低下し、焼結体の強
度、耐酸化性等の諸特性が悪化するため好ましくない。

【００４４】本発明における炭化ケイ素焼結体を製造す
る方法としては、本出願人が先に出願した特願平９−４
１０４８号における炭化ケイ素焼結体の製造方法を用い
ることができる。

【００４５】本発明における炭化ケイ素焼結体を製造す
るにあたって、まず、炭化ケイ素粉末と、非金属系焼結
助剤とを均質に混合するが、前述の如く、非金属系焼結
助剤であるフェノール樹脂をエチルアルコールなどの溶
媒に溶解し、炭化ケイ素粉末と十分に混合する。混合は
公知の混合手段、例えば、ミキサー、遊星ボールミルな
どによって行うことができる。混合は、１０〜３０時
間、特に、１６〜２４時間にわたって行うことが好まし
い。十分に混合した後は、溶媒の物性に適合する温度、
例えば、先に挙げたエチルアルコールの場合には５０〜
６０℃の温度で溶媒を除去し、混合物を蒸発乾固させた
のち、篩にかけて混合物の原料粉体を得る。なお、高純
度化の観点からは、ボールミル容器及びボールの材質を
金属をなるべく含まない合成樹脂にする必要がある。ま
た、乾燥にあたっては、スプレードライヤーなどの造粒
装置を用いてもよい。

【００４６】本発明における炭化ケイ素焼結体を製造す
るにあたり焼結工程は、粉体の混合物又は後記の成形工
程により得られた粉体の混合物の成形体を、温度２００
０〜２４００℃、圧力３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² 、
非酸化性雰囲気下で成形金型中に配置し、ホットプレス
する工程である。

【００４７】ここで使用する成形金型は、得られる焼結
体の純度の観点から、成形体と金型の金属部とが直接接
触しないように、型の一部又は全部に黒鉛製等の材料を
使用するか、金型内にテフロンシート等を介在させるこ
とが好ましい。

【００４８】本発明においてホットプレスの圧力は３０
０〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² の条件で加圧することができ
るが、特に、４００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上の加圧した場合
には、ここで使用するホットプレス部品、例えば、ダイ
ス、パンチ等は耐圧性の良好なものを選択する必要があ
る。

【００４９】ここで、焼結工程を詳細に説明するが、焼
結体を製造するためのホットプレス工程の前に以下の条
件で加熱、昇温を行って不純物を十分に除去し、非金属
系焼結助剤の炭化を完全に行わせしめた後、前記条件の
ホットプレス加工を行うことが好ましい。

【００５０】即ち、以下の２段階の昇温工程を行うこと
が好ましい。まず、炉内を真空下、室温から７００℃に
至るまで、緩やかに加熱する。ここで、高温炉の温度制
御が困難な場合には、７００℃まで昇温を連続的に行っ
てもよいが、好ましくは、炉内を１０^-4ｔｏｒｒにし
て、室温から２００℃まで緩やかに昇温し、該温度にお
いて一定時間保持する。その後、さらに緩やかに昇温を
続け、７００℃まで加熱する。さらに７００℃前後の温
度にて一定時間保持する。この第１の昇温工程におい
て、吸着水分や有機溶媒の脱離が行われ、さらに、非金
属系焼結助剤の熱分解による炭化が行われる。２００℃
前後或いは７００℃前後の温度に保持する時間は焼結体
のサイズによって好適な範囲が選択される。保持時間が
十分であるか否かは真空度の低下がある程度少なくなる
時点をめやすにすることができる。この段階で急激な加
熱を行うと、不純物の除去や非金属系焼結助剤の炭化が
十分に行われず、成形体に亀裂や空孔を生じさせる虞が
あるため好ましくない。

【００５１】一例を挙げれば、５〜１０ｇ程度の試料に
関しては、１０^-4ｔｏｒｒにして、室温から２００℃ま
で緩やかに昇温し、該温度において約３０分間保持し、
その後、さらに緩やかに昇温を続け、７００℃まで加熱
するが、室温から７００℃に至るまでの時間は６〜１０
時間程度、好ましくは８時間前後である。さらに７００
℃前後の温度にて２〜５時間程度保持することが好まし
い。

【００５２】真空中で、さらに７００℃から１５００℃
に至るまで、前記の条件であれば６〜９時間ほどかけて
昇温し、１５００℃の温度で１〜５時間ほど保持する。
この工程では二酸化ケイ素、酸化ケイ素の還元反応が行
われると考えられる。ケイ素と結合した酸素を除去する
ため、この還元反応を十分に完結させることが重要であ
り、１５００℃の温度における保持時間は、この還元反
応による副生物である一酸化炭素の発生が完了するま
で、即ち、真空度の低下が少なくなり、還元反応開始前
の温度である１３００℃付近における真空度に回復する
まで、行うことが必要である。この第２の昇温工程にお
ける還元反応により、炭化ケイ素粉体表面に付着して緻
密化を阻害し、大粒成長の原因となる二酸化ケイ素が除
去される。この還元反応中に発生するＳｉＯ、ＣＯを含
む気体は不純物元素を伴っているが、真空ポンプにより
これらの発生気体が反応炉へ絶えず排出され、除去され
るため、高純度化の観点からもこの温度保持を十分に行
うことが好ましい。

【００５３】これらの昇温工程が終了した後に、高圧ホ
ットプレスを行うことが好ましい。温度が１５００℃よ
り高温に上昇すると焼結が開始するが、その際、異常粒
成長を抑えるために３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² 程度
までをめやすとして加圧を開始する。その後、炉内を非
酸化性雰囲気とするために不活性ガスを導入する。この
不活性ガスとしては、窒素あるいは、アルゴンなどを用
いるが、高温においても非反応性であることから、アル
ゴンガスを用いることが望ましい。

【００５４】炉内を非酸化性雰囲気とした後、温度を２
０００〜２４００℃、圧力３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ
² となるように加熱、加圧を行う。プレス時の圧力は原
料粉体の粒径によって選択することができ、原料粉体の
粒径が小さいものは加圧時の圧力が比較的小さくても好
適な焼結体が得られる。また、ここで１５００℃から最
高温度である２０００〜２４００℃までへの昇温は２〜
４時間かけて行うが、焼結は１８５０〜１９００℃で急
速に進行する。さらに、この最高温度で１〜３時間保持
し、焼結を完了する。なお、焼結時の圧力は必ずしも常
時かける必要はなく、特に焼結反応（試料の収縮）が開
始される温度以上の領域で加えられていればよい。

【００５５】ここで最高温度が２０００℃未満であると
高密度化が不十分となり、２４００℃を超えると粉体若
しくは成形体原料が昇華（分解）する虞があるため好ま
しくない。また、加圧条件が５００ｋｇｆ／ｃｍ² 未満
であると高密度化が不十分となり、７００ｋｇｆ／ｃｍ
² を超えると黒鉛型などの成形型の破損の原因となり、
製造の効率から好ましくない。

【００５６】この焼結工程においても、得られる焼結体
の純度保持の観点から、ここで用いられる黒鉛型や加熱
炉の断熱材等は、高純度の黒鉛原料を用いることが好ま
しく、黒鉛原料は高純度処理されたものが用いられる
が、具体的には、２５００℃以上の温度で予め十分ベー
キングされ、焼結温度で不純物の発生がないものが望ま
しい。さらに、使用する不活性ガスについても、不純物
が少ない高純度品を使用することが好ましい。

【００５７】本発明では、前記焼結工程を行うことによ
り優れた特性を有する炭化ケイ素焼結体が得られるが、
最終的に得られる焼結体の高密度化の観点から、この焼
結工程に先立って以下に述べる成形工程を実施してもよ
い。以下にこの焼結工程に先立って行うことができる成
形工程について説明する。ここで、成形工程とは、炭化
ケイ素粉末と、非金属系焼結助剤とを均質に混合して得
られた原料粉体を成形金型内に配置し、８０〜３００℃
の温度範囲で、５〜６０分間にわたり加熱、加圧して予
め成形体を調整する工程である。ここで、原料粉体の金
型への充填は極力密に行うことが、最終的な焼結体の高
密度化の観点から好ましい。この成形工程を行うと、ホ
ットプレスのために試料を充填する際に嵩のある粉体を
予めコンパクトになしうるので、この成形工程を繰り返
すことにより厚みの大きい成形体を製造し易くなる。

【００５８】加熱温度は、非金属系焼結助剤の特性に応
じて、８０〜３００℃、好ましくは１２０〜１４０℃の
範囲、圧力６０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ² の範囲で、充填
された原料粉体の密度を１．５ｇ／ｃｍ³ 以上、好まし
くは、１．９ｇ／ｃｍ³ 以上とするようにプレスして、
加圧状態で５〜６０分間、好ましくは２０〜４０分間保
持して原料粉体からなる成形体を得る。ここで成形体の
密度は、粉体の平均粒径が小さくなる程高密度にしにく
くなり、高密度化するためには成形金型内に配置する際
に振動充填等の方法をとることが好ましい。具体的に
は、平均粒径が１μｍ程度の粉体では密度が１．８ｇ／
ｃｍ³ 以上、平均粒径が０．５μｍ程度の粉体では密度
が１．５ｇ／ｃｍ³ 以上であることがより好ましい。そ
れぞれの粒径において密度が１．５ｇ／ｃｍ³ 又は１．
８ｇ／ｃｍ³ 未満であると、最終的に得られる焼結体の
高密度化が困難となる。

【００５９】この成形体は、次の焼結工程に付す前に、
予め用いるホットプレス型に適合するように切削加工を
行うことができる。この成形体を前記の温度２０００〜
２４００℃、圧力３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² 、非酸
化性雰囲気下で成形金型中に配置し、ホットプレスする
工程即ち焼成工程に付して、高密度、高純度の炭化ケイ
素焼結体を得るものである。

【００６０】以上により生成した炭化ケイ素焼結体は、
十分に高密度化されており、密度は２．９ｇ／ｃｍ³ 以
上である。得られた焼結体の密度が２．９ｇ／ｃｍ³ 未
満であると、曲げ強度、破壊強度などの力学的特性や電
気的な物性が低下し、さらに、パーティクルが増大し、
汚染性が悪化するため好ましくない。炭化ケイ素焼結体
の密度は、３．０ｇ／ｃｍ³ 以上であることがより好ま
しい。

【００６１】また、得られた焼結体が多孔質体である
と、耐熱性、耐酸化性、耐薬品性や機械強度に劣る、洗
浄が困難である、微小割れが生じて微小片が汚染物質と
なる、ガス透過性を有する等の物性的に劣る点を有する
ことになり、用途が限定されるなどの問題点も生じてく
る。

【００６２】本発明で得られる炭化ケイ素焼結体の不純
物元素の総含有量は、５ｐｐｍ以下、好ましくは３ｐｐ
ｍ以下、より好ましくは１ｐｐｍ以下であるが、半導体
工業分野への適用の観点からは、これらの化学的な分析
による不純物含有量は参考値としての意味を有するに過
ぎない。実用的には、不純物が均一に分布しているか、
局所的に偏在しているかによっても、評価が異なってく
る。従って、当業者は一般的に実用装置を用いて所定の
加熱条件のもとで不純物がどの程度半導体プロセスを汚
染するかを種々の手段により評価している。なお、液状
のケイ素化合物と、非金属系焼結助剤と、重合又は架橋
触媒と、を均質に混合して得られた固形物を非酸化性雰
囲気下で加熱炭化した後、さらに、非酸化性雰囲気下で
焼成する焼成工程を有する製造方法によれば、炭化ケイ
素焼結体に含まれる不純物元素の総含有量を１ｐｐｍ以
下にすることができる。なお、ここで不純物元素とは、
１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版の周期律表
における１族から１６族元素に属し、且つ、原子番号３
以上であり、原子番号６〜８及び同１４の元素を除く元
素をいう。

【００６３】その他、本発明における炭化ケイ素焼結体
の好ましい物性について検討するに、例えば、室温にお
ける曲げ強度は５０．０〜６５．０ｋｇｆ／ｍｍ² 、ヤ
ング率は３．５×１０⁴ 〜４．５×１０⁴ 、ビッカース
硬度は２０００ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上、ポアソン比は０．
１４〜０．２１、熱膨張係数は３．８×１０^-6〜４．２
×１０^-6（℃^-1）、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・ｋ以上、
比熱は０．１５〜０．１８ｃａｌ／ｇ・℃、耐熱衝撃性
は５００〜７００ΔＴ℃、体積抵抗率は１Ω・ｃｍ以下
であることが好ましい。

【００６４】上記のようにして得られた炭化ケイ素焼結
体は、使用目的に応じて、加工、研磨、洗浄等の処理が
行い、機械構造用部品を作製する。

【００６５】本発明の機械構造部品の原料である炭化ケ
イ素焼結体は導電性を有するため、加工範囲が広い放電
加工が適用できる。従って、所望の形状への加工方法と
しては、その導電性を利用して、放電加工が好適に用い
られる。

【００６６】具体的な加工方法について述べれば、素材
からの切り出しとして、ワイヤー放電加工機やダイヤモ
ンドブレードのカッターによる直線切り出し、ワイヤー
放電加工機による曲線切り出し等が挙げられる。穴あけ
として、放電ボール盤やダイヤモンド砥石研削加工機や
型彫放電加工機による底付き穴・段穴あけ、ワイヤー放
電加工機や型彫放電加工機による異形穴あけ、型彫放電
加工機やダイヤモンドタップ機によるネジ穴加工、円筒
研削盤やラップ盤による平面加工、型彫放電加工機や形
状研削盤による溝付け加工等が挙げられる。

【００６７】本発明の機械構造用部品としては、ネジ、
ボルト、ナット、ワッシャー等の締結部品、リニアシャ
フト、アイドラー、歯車等の伝動部品、支柱、カム、カ
ム付属品、ブロックマニホールド等の配管アクセサリー
ヒンジピン、ブッシュ、ピンゲージ等の検査治具用部
品、クランプ、フランジ等の加工治具用部品、レストプ
レート、レストボルト等の溶接治具用部品が挙げられ
る。特に、ネジ、ボルトについては半導体治具の熱処理
部品やＣＶＤ装置における発熱ヒーター、ドライエッチ
ング装置用の電極等、一体成形が難しい部品の場合は各
々の組み合わせにより構成されるが、このときそれらの
締結に好適に用いられる。この場合は、本発明における
炭化ケイ素焼結体の高純度性が特に発揮される。

【００６８】本発明において素材となる炭化ケイ素焼結
体の製造においては、前記加熱条件を満たし得るもので
あれば、特に製造装置等に制限はなく、焼結用の型の耐
熱性を考慮すれば公知の加熱炉や反応装置を使用するこ
とができる。

【００６９】本発明における炭化ケイ素焼結体の原料粉
体である炭化ケイ素粉体及び原料粉体を製造するための
ケイ素源と非金属系焼結助剤、さらに、非酸化性雰囲気
とするために用いられる不活性ガス、それぞれの純度
は、各不純物元素含有量５ｐｐｍ以下であることが好ま
しいが、加熱、焼結工程における純化の許容範囲内であ
れば必ずしもこれに限定するものではない。また、その
際、上記原料は、得られる炭化ケイ素焼結体の純度に応
じて適当な純度の物質を選択する必要がある。ここで不
純物元素とは、１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改
訂版の周期律表における１族から１６族元素に属し、且
つ、原子番号３以上であり、原子番号６〜８及び同１４
の元素を除く元素をいう。

【００７０】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明
するが、本発明の主旨を超えない限り本実施例に限定さ
れるものではない。

【００７１】（実施例１）炭化ケイ素原料粉体の製造 高純度炭化ケイ素粉体（平均粒径１．０μｍ：前記の特
願平７−２４１８５６号として出願した製造方法に準じ
て製造された、不純物含有量５ｐｐｍ以下の炭化ケイ
素：１．５重量％のシリカを含有）９０ｇと含水率２０
％の高純度液体レゾール型フェノール樹脂（熱分解後の
残炭率５０％）１０００ｇをエタノール１５００ｇに溶
解したものとを、遊星ボールミルで１８時間攪拌し、十
分に混合した。その後、５０〜６０℃に加温してエタノ
ールを蒸発乾固させ、１００μｍの篩にかけて均質な炭
化ケイ素原料粉体を得た。

【００７２】焼結体の製造 この粉体９００ｇを１５０ｍｍφの黒鉛製モールドに充
填し、以下の条件でホットプレスを行った。ホットプレ
ス装置としては、高周波誘導加熱式１００ｔホットプレ
スを用いた。 （ホットプレスの条件）１０^-5〜１０^-4ｔｏｒｒの真空
条件下で、室温から７００℃まで８時間かけて昇温し、
１時間その温度に保持した。（第１の昇温工程） 真空条件下で、７００℃から１２００℃まで３時間で昇
温し、さらに、１２００℃から１５００℃まで３時間で
昇温し、４時間その温度に保持した。（第２の昇温工
程） さらに、５００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力で加圧し、アルゴ
ン雰囲気下にて１５００℃から２２００℃まで４時間で
昇温し、２時間その温度に保持した。（ホットプレス工
程） 得られた焼結体の厚みは約１．６ｍｍであった。この焼
結体の物性を表１に示す。

【００７３】機械構造用部品（ネジ）の製造 上記のように得られた焼結体を放電加工機で、幅１５ｍ
ｍ、厚み１５ｍｍ、長さ７０ｍｍに切り出した。次いで
ネジ研削機によりＭ８ネジ（ネジ部長さ５０ｍｍ）を作
製した。

【００７４】（実施例２）高純度炭化ケイ素粉体（平均
粒径１．０μｍ：前記の特願平７−２４１８５６号とし
て出願した製造方法に準じて製造された、不純物含有量
５ｐｐｍ以下の炭化ケイ素：１．５重量％のシリカを含
有）９０ｇと含水率２０％の高純度液体レゾール型フェ
ノール樹脂（熱分解後の残炭率５０％）１００ｇをエタ
ノール１５００ｇに溶解したものとを、遊星ボールミル
で１８時間攪拌し、十分に混合した。その後、５０〜６
０℃に加温してエタノールを蒸発乾固させ、１００μｍ
の篩にかけて均質な炭化ケイ素原料粉体を得た。

【００７５】焼結体の製造 この粉体９００ｇを１５０ｍｍφの金型モールドに充填
し、１３０℃で２０分間プレスして、密度２．０８ｇ／
ｃｍ² の成形体を得た。次いで、以下の条件でホットプ
レスを行った。ホットプレス装置としては、高周波誘導
加熱式１００ｔホットプレスを用いた。 （ホットプレスの条件）１０^-5〜１０^-4ｔｏｒｒの真空
条件下で、室温から７００℃まで６時間かけて昇温し、
５時間その温度に保持した。（第１の昇温工程） 真空条件下で、７００℃から１２００℃まで３時間で昇
温し、さらに、１２００℃から１５００℃まで３時間で
昇温し、４時間その温度に保持した。（第２の昇温工
程） さらに、５００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力で加圧し、アルゴ
ン雰囲気下にて１５００℃から２２００℃まで４時間で
昇温し、２時間その温度に保持した。（ホットプレス工
程） 得られた焼結体の厚みは約１６ｍｍであった。この焼結
体の物性を表１に示す。

【００７６】機械構造用部品（ネジ）の製造 得られた焼結体を用いて、実施例１と同様にしてＭ８ネ
ジ（ネジ部長さ５０ｍｍ）を作製した。

【００７７】（比較例１）平均粒径１．３μｍの市販の
炭化ケイ素粉体８５重量部と、カーボン１５重量部とを
混合して、実施例１と同様の手順、条件でホットプレス
した。得られた焼結体の厚みは約１５ｍｍであった。こ
の焼結体の物性を表１に示す。

【００７８】物性測定後、実施例１と同様にしてＭ８ネ
ジを作製した。

【００７９】

【表１】

【００８０】上記実施例及び比較例のネジについて、汚
染性、耐食性、曲げ強度および曲げ強度変動率を測定し
た。各評価法は以下の通りである。 ［汚染性］ＩＣＰ−ＭＳを用いて鉄元素の原子数を確認
した。 ［耐食性］１０％フッ酸水溶液に１２時間浸漬後の重量
変化率を確認した。 ［曲げ強度］ボルトの頭部を切り出し、３点曲げ強度を
測定した。 ［曲げ強度変動率］曲げ強度１０点のばらつきの度合
い、｛（最大値−最小値）／平均値｝×１００を求め
た。

【００８１】評価結果を表２に示す。

【００８２】

【表２】

【００８３】以上の各実施例及び比較例に明らかなよう
に、本発明は不純分元素量が低く、耐薬品性にも優れて
いることから、半導体治具関連に好適に使用することが
できる。また、加工後の強度のばらつきが小さいこと
は、部材の信頼性につながるため、機械構造用部品とし
て好適に使用し得る。

【００８４】（実施例３および比較例２）実施例１およ
び比較例１で得られた焼結体を放電加工により、直径６
０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板に加工した。さらに円板の円
の表面に、放電ボール盤により５ｍｍのピッチで２ｍｍ
φの穴をあけた。

【００８５】次いで、図１に示すバーナーのエレメント
として用い、着火−消火テスト（バーナーの温度がエレ
メント状１０ｃｍの高さで１３００℃以上になったこと
を確認し消火、そしてその１０分後に着火操作を行い、
これを繰り返した。）を３０回行い、円板の円の表面を
観察した。

【００８６】実施例１で得られた焼結体から加工したエ
レメントは全く損傷が見られなかったが、比較例１で得
られた焼結体から加工したエレメントはヘアクラックが
発生した。

【００８７】以上の結果より、本発明の機械構造用部品
は、比較例のものに比べ、その焼結体の熱膨張係数、熱
伝導率が良好なため、加工後のエレメントもこの性質が
維持され、サーマルショックに強く、ヒーターエレメン
トとして最適である。

【００８８】

【発明の効果】本発明によれば、特殊な原料を必要とす
ることなく、高密度であって、且つ、導電性を有し、熱
膨張係数の低い、高熱伝導率を兼ね備えた高品位の炭化
ケイ素焼結体からなる機械構造用部品を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例および比較例に用いたバーナーのノズル
部分を示す概略斜視図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤との
   混合物を焼結して得られた焼結体であって、密度が２．
   ９ｇ／ｃｍ³ 以上である炭化ケイ素焼結体からなること
   を特徴とする機械構造用部品。
2. 【請求項２】 締結部品、伝動部品、配管アクセサリ
   ー、検査治具用部品、加工治具用部品、溶接治具用部
   品、半導体製造治具の熱処理部品であることを特徴とす
   る請求項１に記載の機械構造用部品。
3. 【請求項３】 炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤との
   混合物を非酸化性雰囲気下でホットプレスすることによ
   り得られた炭化ケイ素焼結体からなることを特徴とする
   請求項１または２に記載の機械構造用部品。
4. 【請求項４】 非金属系焼結助剤が、加熱により炭素を
   生成する有機化合物であることを特徴とする請求項１〜
   ３の何れか１項に記載の機械構造用部品。
5. 【請求項５】 非金属系焼結助剤が、炭化ケイ素粉末表
   面を被覆してなることを特徴とする請求項１〜３の何れ
   か１項に記載の機械構造用部品。
6. 【請求項６】 非金属系焼結助剤が、加熱により炭素を
   生成する有機化合物により表面を被覆された炭化ケイ素
   粉末であることを特徴とする請求項５に記載の機械構造
   用部品。
7. 【請求項７】 加熱により炭素を生成する有機化合物
   が、レゾール型フェノールであることを特徴とする請求
   項４〜６の何れか１項に記載の機械構造用部品。
8. 【請求項８】 炭化ケイ素焼結体の体積抵抗率が１Ω・
   ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７の何れか
   １項に記載の機械構造用部品。
9. 【請求項９】 炭化ケイ素焼結体の曲げ強度が５０．０
   ｋｇｆ／ｍｍ² 以上であることを特徴とする請求項１〜
   ８の何れか１項に記載の機械構造用部品。
10. 【請求項１０】 炭化ケイ素焼結体に含まれるケイ素お
    よび炭素以外の含有元素の総含有量が５ｐｐｍ未満であ
    ることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の
    機械構造用部品。