JPS63285182A - セラミック部品の製造方法 - 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、窒化珪素焼結材をレーザで所定形状に切断加
工してセラミック部品を製造する方法であって、強度の
高いセラミック部品を製造することのできる方法に関す
る。

＝　（従来の技術） 鋼板やプラスチック類等と同様に、窒化珪素焼結材もレ
ーザビームによって熱切断することができる。従って、
窒化珪素焼結材をレーザによって所定形状に切断してセ
ラミック部品を形成することが考えられる。しかしなが
ら、窒化珪素焼結材をレーザで切断すると、その切断面
は屈面化すると共にその切断面には熱衝撃によりミクロ
クラックが生成し、その結果レーザ切断によって形成さ
れたセラミック部品は強度が大幅に低下してしまうとい
う不都合がある。

上記セラミック部品の強度を回復するには例えば切断面
を適当な深さまで研磨してミクロクラックが生成してい
る部分を除去すれば良いが、研磨は工数がかかるので面
倒であり、かつセラミック部品が複雑な形状の場合は研
磨が困難である。

一方、この様なセラミック部品の強度低下を、上記研磨
の様な機械加工方法ではなくアニール処！（焼なまし処
理）によって回復させる方法が特開昭６０−１２２７８
３号公報に開示されている。この方法は、アニール処理
によってミクロクラックを鈍化させ、もって低下した強
度の回復を図ろうとするものである。

（発明が解決しようとする問題点） 上記アニール処理によれば１、確かにレーザ切断加工に
よって製造されたセラミック部品の強度の回復を図るこ
とができるが、しかしその回復の程度は未だ十分ではな
く、さらに大きな強度の回復が望まれている。

本発明の目的は、上記事情に鑑み、強度をより十分に回
復させたセラミック部品を得ることのできるセラミック
部品の製造方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るセラミック部品の製造方法は、上記目的を
達成するため、窒化珪素焼結材をレーザで所定形状に切
断し、その後所定形状に切断された窒化珪素焼結材を窒
素ガス雰囲気中でアニール処理してセラミック部品を製
造するにあたり、上記レーザ切断を、アシストガスとし
てＮｚ　、Ａｒ　＊Ｈｅ等の不活性ガスを用いることに
より無酸素雰囲気下で行なうことを特徴とする。

（作　　用） 第１図に示す様に、一般にレーザで対象物２を切断する
際にはレーザビームノズル４の中から矢印Ａで示す様に
アシストガスを切断部（レーザビーム照射部）に吹き付
けながら切断が行なわれる。

このアシストガスは、切断時に発生するスパッタがノズ
ルの中に戻って集光レンズ６に付着し、そこでレーザビ
ームのエネルギが凝集して該レンズ６が割れたりする恐
れを防止する目的で用いられる。また、切断対象物が鋼
板等の場合にはアシストガスとして通常酸素ガスが使用
される。そうすることによって、上記スパッタの戻り防
止のみでなく、さらに切断部の溶融鋼をこの酸素ガスと
反応させ、その酸化熱を利用して切断を効率良く行なお
うとするものである。さらに、切断対象物がプラスチッ
クや木材等の可燃物の場合には通常不活性ガスが使用さ
れ、そうすることによって、上記スパッタの戻り防止の
みでなく、さらに切断部の燃焼反応がその囲りに影響を
及ぼすのを抑制しようとするものである。

アシストガスは上記の様な目的のために使用されるもの
であるが、切断対象物が窒化珪素焼結材の場合はどの様
なガスでもアシストガスとして使用可能であり、またそ
のアシストガスの種類による切断後の部品の強度にも大
差はない。

しかしながら、本発明者は種々の検討を行なった結果、
アシストガスの種類によって切断後の部品の強度にはあ
まり差は生じないがアニール処理後の部品の強度の回！
Ｉには大きな差が生じる、つまりアシストガスとして酸
素を含有しない不活性ガスを用いた場合は酸素を含有す
るガスを用いた場合よりも強度の回１ｆｆｉがはるかに
大きくなることを見い出した。

レーザによる切断は、第１図に示す様に、ある程度の幅
を有するレーザビーム８を集光レンズ６によって切断対
染物である窒化珪素焼結材２の切断部上に集光（エネル
ギ密度の高い状態）させ、そうすることによって切断部
を溶融もしくは昇華させて除去することにより行なわれ
る。しかして、この切断の際切断部の結果珪素は窒素ガ
ス（Ｎ２）とシリコン（Ｓｉ）とに熱分解され、その時
間りに酸素が存在しているとこの熱分解されたシリコン
がその酸素と化合して酸化シリコンとなる。従って、ア
シストガスとして［含有ガスを用いた場合は切断面に酸
化シリコンが生成され、酸素を含まない不活性ガスを用
いた場合には切断面における酸化シリコンの生成は回避
される。

つまり、上記アニール処理により、アシストガスとして
酸素含有ガスおよび酸素を含まない不活性ガスのいずれ
を用いた場合においても切断面に生成したミクロクラッ
ク等の信は鈍化し、この傷に起因して低下した強度はあ
る程度回復する。しかしながらアシストガスとして酸素
含有ガスを用いた場合には、前述の如く、切断面に酸化
シリコンが生成され、この酸化シリコンは脆弱材料であ
って上記アニール処理によっても除去されないのでそれ
による強度の低下が生じ、結局アニール処理しても十分
な強度の回復を図ることができない。

これに対し、アシストガスとして酸素を含有しない不活
性ガスを用いた場合には、その様な強度低下をＪｎ来す
る酸化シリコンは生成されないので、アニール処理によ
って強度が十分に回復したセラミック製品が得られる。

なお、上記アシストガスとして使用される不活性ガスは
、要するに切断面における多量の酸化シリコンの生成を
回避することができるガスであれば良く、たとえ酸素が
混入しているガスであってもそれが実質的に問題となら
ない程度であれば使用可能である。

また、上記アニール処理は処理対象物が窒化珪素焼結材
であることから窒素ガス雰囲気中で行なうのが好都合で
ある。

さらに、上記アニール処理は、窒化珪素焼結材中に含有
されている助剤の拡散可能な温度以上であって焼結温度
より下の温度で行なう必要がある。

助剤の拡散によってミクロクラック等の傷が鈍化するの
でその拡散可能な温度より低いと傷の鈍化が十分になさ
れず、また焼結温度以上だと粒成長が生じるので好まし
くないからである。

（発明の効果） 本発明に係るセラミック部品の製造方法は、上記の如く
酸素を含有しない不活性ガスをアシストガスとしてレー
ザ切断を行なうので、切断面における脆弱材料である酸
化シリコンの生成を阻止でき、従ってアニール処理によ
って強度を十分に回復させたセラミック部品を製造する
ことが可能である。

（実　施　例） 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細
に説明する。

〈実施例１〉 まず、第２Ａ図に示す如きＷ＝２０１ｎＳＬ＝（３０１
１１゜Ｔ＝４１１１１１の直方体形状の窒化珪素（Ｓ！
　３Ｎｍ　）焼結材１０を作成した。焼結条件は１８０
０℃、２時間の常圧焼結であり、助剤成分はＣｅ　：　
　３．８ｗｔ％、Ｍｇ：　　２．２ｗｔ％、Ｚｒ　：　
　１．２ｗｔ％、３ｒ　：　　０．７ｗｔ％である。

次に、この焼結材１０を一点＃！４ａ１１２に沿ってレ
ーザビームを照射することにより切断し、切断後のセラ
ミック部品１４を得た。このレーザ切断条件は下記の通
りである。

出　　　　　力　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・６００　Ｗ切　　断　　速　　度　　・・・・・・
・・・・・・３００　ｒｍ１／分集光レンズの焦点距離
・・・・・・１７２　ｎｍ焼結体とノズル間の距離・・
・１．Ｏ１ｌアシストガス　・・・・・・・・・・・・
・・・Ｎ２ガス（ガス圧１．５Ｋｇ／ｄ＞ 次に、第２Ｂ図に示す様に、このセラミック部品１４か
ら該部品の切断面１６を含む一点鎖線で示される直方体
形状のテストピース１８を切り出し、このテストピース
１８にアニール処理を施した。上記テストピース１８の
形状は、ｗ＝　３．０ｎｎＳＱ／＝３６．０１１Ｍ、ｔ
　−４，０ｎｉである。また、上記アニール条件は、窒
素ガス雰囲気、１　ａｔＩｌ、１４００℃、１時間保持
であった。

〈比較例１〉 実施例１におけるテストピース１８と同形状のテストピ
ースを、実施例１と同じ焼結条件にて焼結させた窒化珪
素焼結材を研磨して作成した。なお、このテストピース
は何ら切断されていないものである。

く比較例２〉 実施例１と同様にしてテストピース２を作成した。ただ
し、最後のアニール処理は行なわなかった。また、レー
ザ切断時のアシストガスとして窒素ガス（ガス圧１．５
Ｋｆｌ／ｃｄ’）を用いた。

〈比較例３〉 実施例１と同様にしてテストピースを作成した。

ただし、最後のアニール処理は行なわなかった。

また、レーザ切断時のアシストガスとして酸素ガス（ガ
ス圧１．５ＫＦＩ／ｃＪｆ）を用いた。

〈比較例４〉 上記比較例３のテストピースに上記実施例１と同様のア
ニール処理を施した。

上記実施例１および比較例１〜４における５種類のテス
トピースについて、第２Ｃ図に示す態様で、切断面１６
が下面（引張り側）になるようにセットして４点曲げ試
験を行なった。この曲げ試験の結果を第３図に示す。図
中比較例１のデータは未切断品の欄にｘ印で、比較例２
，３のデータは切断品の欄にそれぞれ白丸印および黒丸
印で、実施例１および比較例４のデータはアニール処理
品の欄にそれぞれ白丸印および黒丸印で示されている。

上記試験結果から容易に理解される様に、窒化珪素焼結
材をレーザ切断するとアシストガスがＮｚガスであろう
と０２であろうと未切断品に比べて強度が約１／３に低
下する。そして、これらの切断品をアニール処理すると
アシストガスがいずれの場合も強度は回復するが、本実
施例の様に’Ｎｚガスを用いた場合の方が０２ガスを用
いた場合よりも回復量ははるかに大きい、この差は、前
述した様に切断面に脆弱な酸化シリコンが生成している
か否かによるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザで切断する状態を示す一部断面図、 第２Ａ図ｔよ窒化珪素焼結体を示す斜視図、第２Ｂ図は
第２Ａ図の焼結体をレーザ切断して得られたセラミック
部品の斜視図、 第２Ｃ図は第２Ｂ図のセラミック部品から切り出したテ
ストピースを用いた４点曲げ試験を示す図、 第３図は実施例および比較例の４点曲げ強さを示す図で
ある。 １０・・・窒化珪素焼結材 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窒化珪素焼結材をアシストガスとして不活性ガスを用い
   てレーザで所定形状に切断し、その後所定形状に切断さ
   れた上記窒化珪素焼結材を窒素ガス雰囲気中でアニール
   処理することを特徴とするセラミック部品の製造方法。