JPS63147886A - セラミツクスの加工方法 - 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］ 本発明は窒化珪素、炭化珪素などの窒化物系、炭化物系
セラミックスを加工する方法、特に化学加工する方法に
関する。

［従来技術］ 窒化珪素、炭化珪素などに代表されるセラミックスはそ
の機械的性質、電気的性質、熱的性７１などから近年構
造材、機能材として注目を集めつつあるか、高硬度、公
強度、高融点かつ低靭１ノ１なだめその加工はむすかし
く、相加−［から精密加工に至るまて教々の問題をかか
えている。

一方、従来のセラミックス加工法としてはダイヤ七ンド
工具等による切断、研削加工、ラッピング加工、レーザ
ー、イオンビーム照射、放電等による各種加工がおるが
、ダイヤモンド工具等による機械加工は人品に研削など
する場合には能率が悪く、またセラミックスは低靭性で
あるため割れや欠（プが生じやすいため形状によっては
加工が困難である。レーザーやイオンビームによる加工
は局部的であり、大がかりな設備が必要となる。放電加
工は絶縁性セラミックスには適用できないなどの問題が
あった。加えてこれらの加工法は短時間で被加工材の一
部を大量に除去するような加工や大きな穴をあけるよう
な加工には適さず、ざらにコスト的にも問題があった。

一方、炭酸塩、硫酸塩、硼酸塩、塩化物などの溶融塩は
高温で窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスと反応し
、これらを腐蝕溶解する現象はよく知られており、サフ
アイヤおよびスピネルの化学加工剤として溶融硼砂が用
いられている。また光透過率を著しく向上させるため、
アルミナセラミックス管を溶融硼砂中に浸漬して化学加
工する方法についてもすでに提案されており（特開昭５
４−１３５６３７号、特開昭５４−１３５６３８号）、
さらにＮａ０Ｈｆ’ＫＯＨなどのエッチャントを窒化珪
素に塗イ［シその部分を加熱して加工する方法について
も検討されており、溶融塩はセラミックスの化学加工剤
として有用でおると期待される。

しかし、従来の技術はミクロンオーダーでのごく薄い除
去による表面性状改良のための化学加工には適するが、
溶融塩やエッチャントとセラミックスが反応する速度が
遅いため、高速で形を整える加工を行なう場合には適さ
ず特に耐食性の高い窒化珪素、炭化珪素には不向きであ
った。

［本発明が解決しようとする問題点］ 本発明は上記の実情に鑑みてなされたもので、溶融塩を
用いた化学加工において、加工速度を向上せしめ、被加
工物の形状を整える粗加工を均一かつ作業性容易に行な
い得る加工方法を提供することを目的とする。

また本発明はセラミックスの被加工物の切断、穴あけ等
にも適用し１ｑる化学加工方法を提供することを目的と
する。　　　　　゛ ［問題点を解決するための手段］ 本発明は、塩化物溶融体に金属酸化物を添加した溶融塩
とセラミックスの被加工物とを高温で接触保持せしめ、
被加工物と溶融塩を反応させ、被加工物を加工すること
を特徴とする。

発明者らは溶融した塩化物中での各元素の酸化、還元反
応について注目し、実験゛、検討を重ねた結果、溶融塩
化物に酸化物を添加した溶融塩中（以下、化学加工剤と
いう）では還元剤となりうるような元素が存在するとこ
れが酸化物を還元し、自らは酸化されて著しい寸法減少
、即ち溶解を起すことを確認した。　　　　″ 即ち、ＭｎＯ２、ＣＬＪＯなどの酸化物を添加した溶融
塩化物、例えば塩化ナトリウム、塩化バリウム、塩化カ
ルシウム、塩化カリウム、塩化リチウム、塩化マグネシ
ウム中に還元剤となりつる元素、例えば珪素を含む窒化
珪素、旋化珪索を浸漬すると、珪素が酸化されてかなり
速い速度で溶出反応が起こり、その寸法が短時間に減少
することを確認した。本発明はかかる知見に基くもので
ある。

酸化物を添加する溶融物としては塩化物の他に弗化物、
ｒ：Ａ酸塩、硫酸塩等が考えられるが、弗化物は高温で
蒸発しやすく蒸発したガスが有害であること、炭酸塩、
ＵＡｉＭ塩は酸化物を添加するとＣ０２、ＳＯが分解し
てしまうこと等の理由によりあまり望ましくない。これ
に対し塩化物は高温で酸化物等を添加しても安定でおり
、かつ被加工物に付着した残留溶融塩の温水による除去
も容易である。また共晶系の塩化物、例えばＮａ’Ｃ，
ｌ！　−ＣａＣ，１７系の塩化物を用いれば低温から高
温まで幅広い温度で使用でき、低温での精密加工も可能
でおる。ざらに塩化物は粘性も低くコストも安いため非
常に扱いヤづい溶融塩である。

本発明において、溶融した塩化物中に添加され、被加工
物の溶出反応を促進する酸化物は被加工物によってのみ
決まる。例えば被加工物か窒化珪素、炭化珪素の場合を
例にとると、これ等の中には珪素が含れているので、珪
素が還元しうるような酸化物を添加すると珪素がその酸
化物を還元し、白からは酸化されて化学加工剤である溶
融塩中に溶出し、化学加工が進行する。

珪素がその酸化物を還元することが可能か否かは酸化物
の標準生成自由エネルギーから見当をつけることができ
るが、溶融塩中では必ずしも標準状態での温度−自由エ
ネルギー線図に一致していないこと、また還元反応が起
こっても必ずしも溶出反応速度が早いとは限らないこと
（例えば難溶性の腐蝕生成物の生成などによる）などか
ら、溶解反応速度を著しく早める酸化物は実験結果から
判定される。

発明者らは数多くの実験をかさねた結果、マンガン酸化
物、銅酸化物、鉛酸化物、錫酸化物を添加した溶融塩化
物中では窒化珪素が、バナジウム酸化物、マンガン酸化
物、銅酸化物、鉛酸化物、錫酸化物を添加した溶融塩化
物中では炭化珪素が、塩化物のみの場合に比べて箸るし
く速い速度で化学加工されることをｖｌ認した。

溶融塩化物としては塩化ナトリウム、塩化バリウム、塩
化カルシウム、塩化カリウム、塩化リチウム、塩化マグ
ネシウムのうちの１種、または２種以上の組み合せが用
いられ得る。２種以上の場合にはどの組成においても使
用可能であるが、１ｏ　ｏ　ｏ　’ｃ以上の高温でセラ
ミックスと反応させる場合には蒸発量がふえる塩化物（
例えばＮａＣ，Ｑ、ＫＣ，ｆｌ）もめるので、この場合
には二つ以上の塩化物を組み合せて（例えばＢａＣρ２
−Ｃａ（１！２系）照発聞を少なくすることもできる。

また低温でごくわずかだけ加工を行う場合には共晶系の
塩化物の組み合せを選ぶことによって（例えばＮａ（、
Ｑ　−ＣａＣ，Ｑ　　、　Ｌ　ｉ　ＣＮ　−ＣａＣＮ　
２）　７ｏｏ’ｃ程度で加工を行うこともできる。

なお上記化学加工剤において塩化物の溶融温度や粘性を
下げる等の目的で弗化す１〜リウム（ＮａＦ）などのハ
ロゲン化物、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カ
リウム（ＫＯＨ＞などの水酸化物、その他硫酸塩、炭酸
塩などを最高合計２０ｗｔ％以下程度の工程で添加して
もよい。

本発明では化学加工剤は５００　’Ｃ以上であれば溶融
加工剤として用いることが可能であるが、温度が必より
低いと加工速度が遅く、また温度が高すぎると化学加工
剤が蒸発し、油臭等を損傷するため、使用温度範囲は７
００〜１３００’Ｃがよい。

特に本発明においては化学加工剤と被加工物との反応が
温度に大きく依存するため、温度によって加工速度を幅
広く制御することが可能でおり、加工が、加工の方法に
よって７００〜１３００’Ｃの温度範囲で温度を任意に
選ぶことが可能である。

また化学加工剤と被加工物の接触時間（加工時間）は化
学加工剤中に添加されている金属酸化物の種類、添加量
、温度、被加工物の種類、目的とする加工量、加工方法
によって任意に選７Ｓ″Ｘことができるか、実際上は作
業時間等を考慮して１分〜２４時間の範囲かよい。

なお反応促進剤である金属の酸化物は１ｗｔ％ないし５
０ｗｔ％の範囲で１種または２種以上の添加か可能であ
る。添ｈＵＪ　早が余り少ないと添加による効果か少な
く、一方多すぎると、添加物がすべて溶解せずに堆積し
たり、化学１」ロエ剤の粘性が上がり、溶解速度が低下
したり、おるいは化学加工後の７Ｊ［］　Ｉ剤の除去が
むずかしくなるので実用的には５ｗｔ％ないし２５ｗｔ
％の範囲が望ましい。

加工後の加工剤については温水中で洗浄することによっ
て簡単に除去することが可能である。また溶融塩中に添
加された酸化物は例えば珪素などの被１ノ［１工物中の
成分によって還元されるが、本方法は人気中で行なうた
め還元された酸化物は再び酸化され、被加工物の酸化物
の溶融塩中の溶解度限に至るまで加工能力はおらない。

また被加工物の加工速度を変化させるために化学ｈ［１
工剤全体の１ないし５０ｗｔ％の範囲内で１種または２
種以上の金属酸化物の添加が可能である。

被加工物としては、化学加工剤中に添７Ｊｆｌされた金
属酸化物を還元できるような元素の窒化物、炭化物、例
えば金属酸化物がＶ２Ｏ５の場合にはＺｒ、　Ａ、Ｑ　
、Ｔｉ、Ｓｉ、８などの窒化物、炭化物か考えられるが
、実用的には窒化珪素、炭化珪素が最も望ましい。

本発明お【プる加工方法としては仝体ｈａ工および部分
加工がある。全体加工としては溶融した化学加工剤中に
被加工物を浸漬し、所定量の除去（相加゛［）を行なっ
た後、必要に応じて機械加工、化学加工等を行ない仕上
げを行なうものである。部分加工としては加工したい部
分に粉末状またはペースト状にして塗布する等の手段で
化学加工剤を接触させてあき、その部分だ【プまたは被
加工物全体を加熱することによって局部的に加工を行な
う。

この際、加熱法はシー１１−、マイクロ波、バーナー、
電気炉等の方法か用いられえる。また実施例４に示すよ
うに化学加工剤中でし局部的な加工をすることができる
。

本発明においては化学加工剤中あるいは化学加工ｉ１１
存在のもとに粗加工を行なうため、全体加工ｄ３よび局
部加工いずれの場合も湯洗いによる化学／ＪＯＩ剤除去
後は必要に応じて機械加工などの仕上加工を行なう。ま
た化学加工剤を溶融させる方法は電気炉、レーザー、マ
イクロ波などによる加熱の他、溶融した化学加工剤自体
が導電性をもっているため、通電加熱あるいは誘導加熱
も可能で必る。特に通電加熱は表面の精密研磨も可能に
するものである。また被加工物が炭化珪素または導電性
セラミックスの場合には通電による電解反応などを行な
ってもよい。

［作用効果］ 本発明は、塩化物に被加工物の種類に応じて適当な酸化
物を添加した溶融塩を化学加工剤として用い、これらの
加工剤と被加工物を高温で保持することで、酸化物を添
加しない場合に比べて著しく化学加工速度を向上するこ
とができる。

また本発明では、溶融塩中での還元反応によって一度被
加工物自体が分解し、これらが酸化されて溶出（例えば
窒化珪素では珪素と窒素が分解され珪素が珪素酸化物と
なり加工剤中に溶出）するため、反応はすべての面で均
一におこり、局部的な反応はおこらない。従って均一な
加工が可能で必る。

また本発明は被加工物に局部的に化学加工剤を接触させ
ることで、積極的に局部加工することが可能でおる。こ
の場合、切断または穴おけ加工等もできる。

［実施例１１ （１）耐熱ｍ’ｉルツボに４０ｗｔ％ＢａＣｆＪ２＋−
４Ｑｗｔ％ＣａＣ，Ｑ２絹成の塩化物を入れルツボこと
電気炉で加熱して塩化物を溶融させ１０００′Ｃに保持
した。この中にそれぞれ薄片状または粒状のＶ２０５　
、Ｍｒ１０２　、Ｃｕｂ、５ｎ０２、ＰｂＯ２のうら１
秤を総重量に対して２０ｗｔ％添加し化学ｈ０工剤（処
理浴）を作成した。この中に３ｘ４ｘ４９ｍｍ　　の常
圧焼結窒化珪素、炭化珪素試験片を１０００’０１時間
浸漬し、取り出して空冷後温水洗浄して化学加工剤を除
去した。

この試験片について浸、漬前後の重量変化を測定し、試
片の巾品減少開と密度から計粋した体積減少率と浸ｉ６
温度との関係を第１図および第２図に示す。第１図は被
加工物が窒化珪素、第２図は炭化珪素ｒ：必る。また比
較のため酸化物を添加しないＢａＣ，Ｑ　？＋ＣａＣＮ
　２と３２　ＣＯ３、Ｎ　ａ２３０４のみ、吹酸塩（Ｋ
２　ＣＯ３）　、ＵＡＥ酸塩（Ｎａ２５ｏ４）の場合も
併せて示す。

この結果、溶融した塩化物中に窒化珪素の場合はＭｎＯ
２、ｃｕｏ、ＰｂＯ２，５ｎ０２か、炭化珪素の場合に
は２０５　、ＭｎＯ２、ＣｕＯ１Ｐｂ０２．５ｎ０２が
添加された浴では塩化物のみの場合に比べて単位時間当
りの体積減少率が増加してｄ′３つ、溶融塩化物中への
酸化物の添加によって化学加工速度が増加しているのが
わかる。また各酸化物によっても化学加工速度が異なっ
ており、化学加工速度は酸化物の種類、濃度、浸漬温度
によって影響を受ける。

化学加工は均一になされ、例えば窒化珪素試鋏片ではＣ
ｕＯ添加添加場合に２．４９Ｘ３．５Ｘ３９．５ｍｍ　
　に、炭化珪素試験片ではＰｂＯ２添加浴の場合に２．
５９Ｘ３．５７Ｘ３９．５ｍｍとへった。

（２）上記実験で化学加工を行なった後の試Ｈについて
面相さを測定した。結果を下記の表に示す。

本発明により４０ｗｔ％ＢａＣＵ　２　＋４０ｗｔ％Ｃ
ａＣ，Ｃ２＋２０ｗｔ％ＰｂＯ２浴を用いて化学加工し
た場合にはＲＺ：８〜１０μｍでおり研＠後の而粗ざが
比較的良い。これに対し、５０ｗｔ％ＢａＣ，Ｑ２　＋
５０ｗｔ％Ｃａ　Ｃ，Ｑ　２　、Ｎ　ａ２ＧＯ３、Ｎａ
２８０４浴では、ＲＺ：１２〜１５μｍ、ＲＺ　：　８
〜４０Ｌ１ｍ、ＲＺ　；　１３〜４０μｍと伺磨面か非
常に粗いのがわかる。

以上の結果より本発明におりる化学研磨法を用いること
により表面から均一に比較的精度よく加工することかで
きる。

［実施例２］ 本発明により局部的な加工を行なった例を第３図および
第４図に示す。

第３図は切断の場合で、被加工物である角棒状の窒化珪
素１の切断したい部分に粉末状またはペースト状の化学
加工剤（４０ｗｔ％ＢａＣｆＪ２十４０ｗｔ％Ｃａ（ｌ
ｌ　２＋２０ｗｔ％５ｎ０２＞２を塗布しておきレーザ
ー３で１１００’Ｃ以上に加熱することによって効率よ
く窒化珪素１を切断することができた。

第４図は穴あけの場合で、板状の窒化珪素１の上に置い
たステンレスパイプ＜　ｓ　ｕ　Ｓ　３０４　製＞４の
中に化学加工剤（，４０ｗｔ％ＢａＣＪ）２＋４０ｗｔ
％ＣａＣ，Ｇ　２＋２０ｗｔ％Ｃｕｂ）を致）来状で満
しておき加熱装置３で加熱することによって１１００’
Ｃ以上まで温度を上げて１時間保持し、窒化珪素に穴あ
けをおこなった。結果を第５図に示す。

また、切断、穴あけいずれの場合も、試料全体を例えば
電気炉の中で加熱することによって化学加工剤を塗イ５
した部分だけを加工することもできる。

［実施例３１ 第６図に示すように４０ｗｔ％ＢａＣＮ２＋４０ｗ↑％
Ｃａ　ＣｆＪ　２　＋２０　ｗ　ｔ％Ａｇ２Ｏ３の化学
加工剤２を耐熱鋳鋼製容器６に入れ、その中に炭化珪素
の被加工物１にＰｂＯ２のペレット５をのせて埋設し、
ヒータ７にて１０００’Ｃ，１時間１１）１熱した。こ
の結果、ペレット５をのせた部分のみに穴か形成された
。

次に上記とは逆に、４０ｗｔ％ＢａＣｆＪ２＋４０ｗｔ
％ＣａＣ，Ｑ　　＋２０ｗ↑％ＰｂＯ２の化学加工剤を
用い、この中に窒化珪素の被加工物１に７ｒ０２のペレ
ツ１〜をおいて埋設し、上記と同様の加熱処理を行なっ
た。その結果、第７図に示すように／ｒＯ２ペレットと
の接触部を残し、他の部分が１ノｎ工された。

以上の結果より、Ａｇ２Ｏ３ヤＺ「０２はこれを化学加
工剤中に添加した場合、むしろ化学加工を抑制すること
が認められ、従ってこれと、ＰｂＯ２等の１ノ１工促進
作用をなす酸化物を組合せて用いることにより部分的な
ハ０工の促進や抑１」１１か可能で市る。

以上型するに、本発明は溶融した塩化物に金属酸化物を
添加した化学加工剤とセラミックスを高温で保持し、両
者を反応させることにより能率よくかつ１勺−にセラミ
ックスを１叫工するものであり、化学加工剤の使用方法
によって全回加−丁、局部１ノ１１工のいずれも可能で
ある。また化学加工剤は実７１的には被加工物または被
加工物の酸化物の化学加工剤への溶解ｌ宴限まで使用可
能であり、加工後の残留加工剤は温水によって容易に除
去可能でおるっさらに化学加工剤は溶融状態において電
気法：ｑ［１をＩ、ｊっているため、通電による反応の
（テ進や制御、放電卵子［どの組み合わけ等か可１′１
ヒて必る。

本発明により、従来なかった均一さと化学加工速度が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ被加工物を化学加工剤へ
浸漬したときの浸漬温度と被加工物の体積減少との関係
を示す図、第３図、第４図および第６図はそれぞれ本発
明の実施の態様を示す図、第５図および第７図は本発明
により加工された被ハ０工物の加工部断面図である。 １・・・・・・被加工物 ２・・・・・・化学加工剤 ３・・・・・・加熱装買 第１図 浸漬湿度（０Ｃ） 第２７ 凌　シ貴　　シ孟　　パｊ（’Ｃ） ゛第３図 第４ｖ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）塩化物と金属酸化物からなる溶融塩を、被加工物
   たる窒化物系または炭化物系セラミックスと高温で接触
   保持し、被加工物を溶融塩に反応溶解せしめて被加工物
   を溶解加工することを特徴とするセラミックスの加工方
   法。
2. （２）上記塩化物として塩化ナトリウム、塩化バリウム
   、塩化カリシウム、塩化カリウム、塩化リチウムおよび
   塩化マグネシウムの１種または２種以上を用いる特許請
   求の範囲第１項記載のセラミックスの加工方法。
3. （３）上記被加工物が窒化珪素であり、上記金属酸化物
   としてマンガン酸化物、銅酸化物、鉛酸化物および錫酸
   化物の１種または２種以上を用いる特許請求の範囲第１
   項記載のセラミックスの加工方法。
4. （４）上記被加工物が炭化珪素であり、上記金属酸化物
   としてバナジウム酸化物、マンガン酸化物、銅酸化物、
   鉛酸化物および錫酸化物の１種または２種以上である特
   許請求の範囲第１項記載のセラミックスの加工方法。
5. （５）上記溶融塩中の金属酸化物の含有量が１ｗｔ％〜
   ５０ｗｔ％である特許請求の範囲第１項記載のセラミッ
   クスの加工方法。