JPS6357392B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本願にかかる発明は、セラミツクスの表面に膜
を形成し、その後、高エネルギーイオンを照射す
ることによつて、該セラミツクスの強度を向上せ
しめる方法に関するものである。 窒化珪素等のセラミツクスは、従来から有望な
構造用材料として、注目されているが、未だ広く
使用されるには到つていない。その原因の一つと
して、機械的強度に比較的大きなばらつきを示す
という欠点がある。このばらつきを少なくする試
みとしては焼結用粉末の改良、焼結用助剤等の添
加物の工夫、焼結工程の工夫等が為され、ばらつ
きも比較的小さくなつて来た。しかし未だ上記欠
点は解決されていない。 上記機械的強度がばらつく原因としては、セラ
ミツクス中に存在する微細なき裂等の欠陥、特に
セラミツクスの表面に存在する欠陥、がその一つ
として考えられている。すなわち、微細な欠陥
に、ある臨界以上の広力が作用すると、該欠陥は
急速に材料内部へ伝ぱし、最終的にはセラミツク
スを破壊させる。 そこで、本発明者らは、セラミツクスの表面に
金属の膜を形成し、この膜に高エネルギーイオン
を照射することによつて金属を打ち込んで、セラ
ミツクス表面を改質すれば、セラミツクス表面の
欠陥感受性が低下して、セラミツクスの強度が向
上するのではないかと考え、種々の研究を進め
た。その結果、本願にかかる発明を完成した。 本願にかかる発明（以下、本願発明という）
は、セラミツクスの強度を向上させる方法の提供
を目的とするものである。 即ち、本願における第１の発明は、セラミツク
スの表面に金属の膜を形成し、該膜の表面から高
エネルギーイオンを照射することを特徴とするセ
ラミツクスの強化方法である。 本願にかかる第２の発明は、上記第１の発明に
おいて、イオン照射の後にさらに加熱処理を施す
ことを特徴とするセラミツクスの強化方法であ
る。 本第１の発明によれば、高エネルギーイオンを
照射することにより、セラミツクスの機械強度が
向上する。 また、本第２の発明によれば、第１の発明の場
合よりも、さらにセラミツクスの強度が向上す
る。 以下、本願発明をより詳細に説明する。 本願発明におけるセラミツクスは、従来知られ
ているセラミツクスであり、酸化アルミニウム
（Al₂O₃）、ジルコニア（ZrO₂）等の酸化物セラミ
ツクス、窒化珪素（Si₃N₄）、炭化珪素（SiC）を
主体とする非酸化物セラミツクスが代表的なもの
である。 これらのセラミツクスは、上記物質の粉末を所
望の形状に焼結したものである。焼結体には、酸
化イツトリウム等の焼結用助剤等、その他添加成
分が含まれていてもよい。該焼結体の製造法とし
ては、常圧焼結、ホツトプレス等いずれの方法で
製作したものでもよい。 まず、本願発明の第１の工程として、セラミツ
クスの表面に金属の膜を形成する。該膜の形成
は、セラミツクスの全表面としてもよいが、使用
時に比較的応力の集中する部位のみでもよい。該
膜を形成するための金属としては、いわゆる金属
であればよい。しかし、本願発明のより大きな効
果を得るためには、アルミニウム（Al）、珪素
（Si）、クロム（Cr）、ａ族のチタン（Ti）、ジ
ルコニウム（Zr）、ハフニウム（Hf）、ａ族の
バナジウム（）、ニオビウム（Nb）、タンタル
（Ta）等がよい。 しかし、鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニツケル
（Ni）の膜を形成した場合には、約900℃以上に
加熱するとSi₃N₄，SiCといつたセラミツクスが
金属によつて分解させられるので高温度で使用す
るSi₃N₄，SiCといつたセラミツクス材料に適用
するのは、望ましくない。約900℃以下で使用す
る場合にはこれらを組合せても差し支えない。 上記セラミツクスの表面に、上記金属を膜状に
形成する方法としては、熱蒸着、スパツタリン
グ、イオンプレーテイング等の物理的蒸着法
（PVD）でもよいし、化学的蒸着法（CVD）で
もよい。セラミツクスの表面は、膜形成に先立つ
てアセトン洗滌等によつて清浄な面を出しておく
のが望ましい。その後、上記方法により膜を形成
する。形成する膜の厚さは次処理の照射用イオン
のエネルギーにより一概に決まらないが、500オ
ングストローム（Å）〜2μmの範囲が実用的であ
る。膜厚さが薄いと、一様に形成することが困難
となり、むらが生じやすくなる。厚くなると、膜
形成に多くの時間を必要とするとともに、照射イ
オンのエネルギを無やみに高くする必要が生じ
る。 セラミツクス上に形成した膜は、通常の場合、
セラミツクスと強固に結合していない。それ故、
引つかいたりするとはく離することがあるので、
取り扱いには注意する必要がある。 次に、上記膜の表面からセラミツクスに、高エ
ネルギーイオンを照射する。照射イオンとして
は、電場で容易に加速できるものであればよい。
特に、常温で気体状態のものであると、照射作業
が容易である。具体的なものとしてはヘリウム
（He）、窒素（Ｎ）、アルゴン（Ar）、キセノン
（Xe）等が使用できる。 これらのガスをプラズマ状態にして、イオンと
し、電場中に放出して加速する。具体的な加速器
としては、コツククロフト、バンデグラーフ、線
形加速器、サイクロトロン等を使用することがで
きる。照射イオンの飛程は、膜とセラミツクスと
の境界付近か、若干セラミツクス側になるのが望
ましい。このようにするためには、イオンにに与
えるエネルギーを、1KeV〜3MeV程度にするの
がよい。照射量は、照射面積１cm²当り１×10¹⁴〜
１×10¹⁸個ぐらいがよい。より多くのイオンを照
射してもこれに見合うだけの効果は得られなくな
る。また少ないと、イオン照射の効果が得られな
い。 イオン照射により、膜はセラミツクスと強固に
結合し、ダイヤモンド針で引かいても膜ははがれ
ることがない。 図は、本願発明の説明例として示したものであ
る。この例の曲線１は、Al₂O₃焼結体上に、厚さ
5000ÅのSi膜を電子ビーム蒸着により形成し、そ
の表面から250KeVの加速エネルギーで窒素イオ
ンを照射し、照射量を種々に変えた場合につい
て、セラミツクスの曲げ強度を測定した結果を示
したものである。 曲げ試験は、膜側が引張り側になるように負荷
した。曲げ強度は、セラミツクスの破壊荷重から
計算した引張曲げ応力である。この図からわかる
ように、イオンを照射することにより、セラミツ
クスの曲げ強度が増加し、照射量を増すことによ
り該強度は上昇する。さらに照射量を増すと、曲
げ強度は最大に達し、その後は低下する傾向を示
す。このようにセラミツクスの強度が向上する理
由は明らかでないが、次のように考えられる。金
属の膜を通して高エネルギーイオンが打込まれる
と、金属が高エネルギーイオンによつてセラミツ
クス中に押し込まれる。そのためそこにセラミツ
クスと金属と注入イオンとの混合層が生じ、セラ
ミツクスの変質層が形成される。これによりセラ
ミツクス中に存在した欠陥が修復されたりするも
のと考えられる。さらには該変質層には、体積増
加による残留圧縮応力が発生する場合もある。 その結果、セラミツクスの表面に引張応力が作
用しても、残留応力だけ余分の荷重に耐えること
ができるものと考えられる。 結局、種々の理由によつて、セラミツクスが有
する破壊敏感性を減少させるものと考えられる。 以上のように、本第１の発明により、破壊敏感
性を低下させ、強度を向上させることができる。 次に第２の発明を説明する。 該セラミツクスの強度をさらに向上させるため
には、上記の高エネルギーイオン照射の処理を施
したのち、加熱処理を施す。該加熱処理は、通常
の加熱炉によつて行なう。加熱雰囲気は、少なく
ともセラミツクスが分解しない雰囲気であること
が必要であり、Si₃N₄，SiC等の非酸化物セラミ
ツクスの場合には、N₂ガス等の不活性な雰囲気
あるいは真空雰囲気で加熱するのが好ましい。加
熱処理時間は、膜を構成する金属の融点以下であ
つて、且つ、600〜1600℃の範囲内、とするのが
好ましい。また加熱時間は、セラミツクスおよび
照射イオンの種類によつて一概には決まらない
が、0.5〜５時間の範囲内が本第２の発明の効果
を得る上で望ましい。 上記加熱時間以上加熱しても、セラミツクスの
強度向上は望めないし、処理時間が長いのは、実
用的でない。 先述の図における曲線２は、第１の発明を実施
して曲線１の結果を得たセラミツクスに、窒素雰
囲気で、温度1000℃、２時間の加熱処理を施した
のち、曲げ試験を実施した結果を示したものであ
る（実施例１参照）。 この結果からもわかるように、イオン照射後加
熱処理を施すことにより、セラミツクスの強度が
向上している。 以上のように本第２の発明における加熱処理を
施すことによつて、第１の発明の場合よりもさら
に強度が向上する。また、膜のセラミツクスへの
結合強度も向上する。 以下、本願発明の実施例を説明する。 実施例 １ Al₂O₃焼結体を、幅４mm、厚さ３mm、長さ40mm
に成形後、その表面を＃600エメリーで研摩し、
JISに定められた曲げ試験片を得た。これらの試
験片の表面に、Siを蒸着して、厚さ5000Åの膜を
形成した。蒸着後、これらの試験片の一表面に、
250KeVの加速エネルギーで窒素イオンを照射し
た。照射量を５×10¹⁵，１×10¹⁶，２×10¹⁶，５
×10¹⁶，１×10¹⁷，２×10¹⁷個／cm²の６段階に変
えて、第１の発明の方法を施したセラミツクス体
を得た。 さらに、上記と同じ処理を施したセラミツクス
体を製作し、これらに窒素雰囲気中で1000℃、２
時間保持の加熱処理を施し、第２発明により製作
したセラミツクス体を得た。 次に、これらのセラミツクス体を、スパン30mm
に支持し、その中央部に負荷する４点曲げ試験に
供した。なお、セラミツクス体のイオン照射面が
引張側になるように、支持した。また比較のた
め、Siの蒸着膜（膜厚5000Å）を形成したままの
ものも用意し、これについても同じ４点曲げ試験
を施した。 ４点曲げ試験により得た各セラミツクス体の破
断荷重からセラミツクス体の表面曲げ破断応力を
求め、これを曲げ強度とした。 図には、曲げ強度を縦軸に、窒素イオン照射量
を横軸にとつて、試験結果を示した。第１の発明
による結果を曲線１に、第２の発明による結果を
曲線２に示した。 また、イオンを照射していないものの曲げ強度
を黒丸印で示した。これらの結果から明らかなよ
うに、イオンを照射することによつてAl₂O₃焼結
体の強度が向上し、熱処理を施すことによつて、
さらに強度が向上する。 実施例 ２ 実施例１と同様の形状寸法に加工したAl₂O₃，
ZrO₂，Si₃N₄，SiCの表面に第１〜８表に示した
金属をスパツタリングし、それぞれの金属膜を形
成した。その後金属膜の表面からコツククロフト
型加速器によりアルゴンイオンを、別のものには
窒素イオンを照射した。さらに、イオンを照射し
たものの一部を加熱処理した。 なお、上記金属膜の厚さは、窒素イオンを照射
したものでは4600Å、アルゴンイオンを照射した
ものでは2000Åとした。窒素イオンおよびアルゴ
ンイオンの加速電圧は飛程が、金属膜の厚さに等
しくなるように決定した。 イオンの照射量は、５×10¹⁶／cm²とした。また
加熱処理の雰囲気は、N₂ガス雰囲気、Arガス雰
囲気、真空中あるいは大気雰囲気（ただし
Si₃N₄，SiCについてはN₂，Arガス雰囲気を実
施。）の４種類、加熱温度は、1000℃、1200℃、
1400℃の３種類、加熱時間は全て２時間とした。 以上の処理を施したセラミツクス体に実施例１
と同様の４点曲げ試験を行ない、曲げ強度を求め
た。各試験片の曲げ強度をまとめて第１〜８表に
示す。第１〜４表は窒素イオンを照射した場合、
第５〜８表はアルゴンイオンを照射した場合につ
いて示したものである。また各曲げ強度は５本の
セラミツクス体について求めたものの平均値であ
る。さらに、比較のために、金属膜を形成してい
ないセラミツクスの曲げ強度も示した。 これらの表から明らかなように、それぞれのセ
ラミツクスに金属膜を形成し、窒素イオン、アル
ゴンイオンを照射することによつて曲げ強度が増
加する。さらに、加熱処理を施すと、さらに増加
している。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

図は本願発明の実施例の結果を示す線図であ
る。 １……本第１の発明の結果を示す線図、２……
本第２の発明の結果を示す線図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクスの表面に金属の膜を形成し、該
   膜の表面から高エネルギーイオンを照射すること
   を特徴とするセラミツクスの強化方法。 ２ 上記セラミツクスはアルミナ（Al₂O₃），ジ
   ルコニア（ZrO₂），窒化珪素（Si₃N₄），炭化珪素
   （SiC）のいずれかであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のセラミツクスの強化方
   法。 ３ 上記金属は、アルミニウム（Al），珪素
   （Si），クロム（Cr），ａ族元素，ａ族元素，
   ａ族元素，鉄（Fe），コバルト（Co），ニツケ
   ル（Ni）の少なくとも一種であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のセラミツクスの
   強化方法。 ４ 上記高エネルギーイオンは、ヘリウム
   （He），窒素（Ｎ），アルゴン（Ar），キセノン
   （Xe）のイオンであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のセラミツクスの強化方法。 ５ セラミツクスの表面に金属の膜を形成し、該
   膜の表面から高エネルギーイオンを照射したの
   ち、加熱処理することを特徴とするセラミツクス
   の強化方法。 ６ 上記加熱処理は600〜1600℃の温度で行なう
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のセ
   ラミツクスの強化方法。