JPH06305846A

JPH06305846A - 窒化珪素系セラミックス製箱状部材

Info

Publication number: JPH06305846A
Application number: JP5112414A
Authority: JP
Inventors: Ee Uooruzu Pii; ピー・エー・ウォールズ; Akihiro Shinpo; 章弘新保; Masanori Ueki; 正憲植木; Hidemi Nakayama; 秀實中山; Shuji Asada; 修司浅田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1994-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、従来使用されている金属材料より
も軽量で、高強度・高剛性・低熱膨張性を有し、且つ耐
摩耗性に優れた窒化珪素系セラミックスの焼結成形体を
提供すること。【構成】軽量・高強度・高剛性・低熱膨張性そして耐
摩耗性に優れた窒化珪素系セラミックス焼結体からなる
箱状部材であって、蓋面の部材とその他の少なくとも２
つの部材を接着剤により接合させてなる窒化珪素系セラ
ミックス箱状部材である。さらには、前記箱状部材の内
部に補強用リブを設けたものであり、また、前記箱状部
材が表面に凹凸形状あるいは一部に孔を有するものであ
ってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素系セラミック
スの成形体に関するものである。いま少し詳しく述べる
と、本発明は、高強度で高剛性を有しかつ耐摩耗性に優
れた窒化珪素系セラミックス製箱状部材に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】窒化珪素系セラミックス（サイアロンを
含む）は、高強度、高剛性が要求され、かつ耐摩耗性を
必要とする用途に適した素材である。

【０００３】従って、このような窒化珪素系セラミック
スによって中空の成形体が出来るとすれば、従来、鉄
鋼、超硬合金等によって製造されていた各種の中実ない
しは中空の成形品、容器等に代わることができ、これに
よって重量、強度、剛性、耐摩耗性等の特性の一層の向
上を図ることが可能となる。

【０００４】具体的には、寸法測定等の平面移動を伴う
測定装置などでは、精密な位置合わせのできるリニアー
テーブルやＸＹステージが必要である。

【０００５】極めて精密な位置決め等の要求を満たすた
めには、位置検出・制御技術のみならず構成部材の軽量
化、高剛性化、低熱膨張性化も必要であり、セラミック
スの高弾性率、低熱膨張率に着目し、この材料を使用す
る提案もなされている。

【０００６】例えば、事前に焼結形成した２枚のセラミ
ックス製板材間に、事前に焼結・形成した中空角柱状セ
ラミックス棒材を格子状に段積みに構成し、おのおのの
部材をセラミックスの再焼結温度近くまで加熱し固相接
合してなるセラミックス部材である（実開平２―９００
７８号公報）。

【０００７】しかし、寸法精度のそろった中空角柱状セ
ラミックスを事前に準備することは製造プロセスを煩雑
にし且つ、セラミックス構成体を製造する手段に適用さ
れている固相接合方法は、一般に接合圧力が高く接合温
度も高温となるためセラミックス部材の結晶粒の粒成長
等を招き、接合部材の変形や強度を損なう恐れもあり、
簡便に高強度、高剛性、低熱膨張性を有する接合体が得
られる接合方法が望まれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる問題
点に鑑み、軽量で、高強度・高剛性・低熱膨張性を有
し、かつ耐摩耗性に優れた窒化珪素系セラミックスの焼
結成形体を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記諸課題を
解決するもので、軽量・高強度・高剛性・低熱膨張性そ
して耐摩耗性に優れた窒化珪素系セラミックス焼結体か
らなる箱状部材であって、蓋面の部材とその他の少なく
とも２つの部材を接着剤により接合させてなる窒化珪素
系セラミックス製箱状部材である。

【００１０】さらには、前記箱状部材の内部に補強用リ
ブを設けたものであり、また、前記箱状部材の蓋面部材
が、表面に凹凸形状あるいは一部に孔を有するものであ
ってもよい。

【００１１】

【作用】本発明の窒化珪素系セラミックス製箱状部材
は、中空を有する箱状の成形体であって、窒化珪素系セ
ラミックス焼結体からなる少なくとも２つの部材を後述
するような特定の接着剤を用いて接着し、その接合部に
おける接合強度は極めて高いものとなるため、窒化珪素
系セラミックスの有する高強度、高弾性率、優れた耐摩
耗性、等の特性を損なわず、軽量、高剛性の成形体を構
成するものである。

【００１２】本発明の窒化珪素系セラミックス製箱状部
材を製造するには、蓋さらに内部に補強リブを介した箱
状部材を構成する各部材を、２ないしそれ以上に分割し
た単純形状の板や棒から構成し成形体とすることができ
る。

【００１３】前述の単純形状の板、棒等の素材は、その
成形において何ら困難性はないために、単軸加圧成形
法、スリップキャスト法、ＣＩＰ法等の公知の様々な成
形法によって作製することが可能である。

【００１４】この様な各種の成形方法によって所望の形
状を付与された素地を得、常法に基づき焼成する。な
お、必要に応じて、焼成の前後において、さらに二次加
工することは可能である。

【００１５】これらの各部材を構成する窒化珪素系セラ
ミックとしては、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分、好ま
しくは８０重量％、より好ましくは９０重量％以上含有
する組成を有するものであれば特に限定されず、上記課
題を解決する高剛性・低熱膨張性・耐摩耗性において特
に優れているサイアロン組成もまた、上述の組成から好
ましく用いることが出来る。

【００１６】なお、各構成部材の形状としては、これら
を組み合わせることによって実質的に内部に空間を有す
る箱形状とすることが出来るのであれば、どのような形
状であっても構わない。

【００１７】最終製品形状が、内部空間を有する箱体で
ある場合には、例えば図１および図２に示すように、上
端部の開放された箱状部材１１と、その上端部を閉塞す
る蓋状の部材１２との２つの構成部材を組合せて最終形
状とすることが出来る。

【００１８】なお、蓋状の部材１２の形状は、得ようと
する最終形状に応じて、図１に示すように単板状であっ
ても、図２に示すように複雑な形状のものであっても良
い。

【００１９】特に、表面に凹凸形状や孔を有する複雑形
状の蓋は、後述するように本発明がリニアテーブルやＸ
Ｙステージに適用される場合に、位置決め等の平面移動
部品として使用されたり、蓋表面に設けた孔を介して他
の部品との組み合わせを容易にする目的で形状付与がな
されてる。

【００２０】一方、箱状部材１１の形状としても、図３
および図４に示すような１つの凹部のみを有するもので
あっても、あるいは、図５および図６に示すように補強
リブ（隔壁）１３によって区画された複数の凹部を有す
るものであっても良い。

【００２１】補強リブによって構成される窒化珪素系セ
ラミックス製箱状部材の剛性は、数値計算によれば従来
の金属部材例えば同形状の鋳鉄製箱状部材のそれより約
１０倍程向上する。

【００２２】さらに、本発明で用いる窒化珪素系セラミ
ックスは、鋳鉄の１／２〜１／３の比重、約１／５の熱
膨張率といった好ましい物性を有している。

【００２３】したがって、本発明が使用するセラミック
スの物性ならびに蓋や補強リブを有する箱状部材の構造
等の特徴は、課題を解決する一要因となっている。

【００２４】なお、図５および図６に示すような複数の
凹部を有する箱状部材１１の形状は、上記したような単
軸加圧成形法、スリップキャスト法、ＣＩＰ法等の一般
的な成形方法では作製が比較的困難であるので、さら
に、この複数の凹部を有する箱状部材１１を複数の部材
より構成し例えば、この各部材は、箱状部材１１を、各
補強リブ（隔壁）１３部分において分割したような形状
を取ることができる。

【００２５】これらを蓋状部材１２と接合する際には、
同時に相互に接合することによって箱状部材を形成して
もよい。

【００２６】さらに、大型複雑な凹部を有する箱状部材
においては、例えば図７および図８に示すように、上端
の開放された下部箱状部材３１と、これを倒置してなる
下端部の開放された上部箱状部材３２との２つの構成部
材を組み合わせて、あるいはまた、例えば図９および図
１０に示すように右端部の開放された中空矩形状部材４
１と、両端の開放された中空矩形状部材４２と、左端部
の開放された中空矩形状部材４３との３つの構成部材を
組み合わせて、最終形状とすることができる。

【００２７】また、図１１および図１２においては、凹
凸表面を持つ蓋部５１と図３〜図９、および図１０で説
明した手法のいずれかによって作製された袖強リブ（隔
壁）５３を有する下部箱状部材５２を接合しリニアテー
ブルやＸＹステージ等の構成部材とすることができる。

【００２８】なお、蓋部５１、下部箱状部材５２および
補強リブ５３を同時に接合してもよい。

【００２９】次に、本発明の窒化珪素系セラミックス成
形体の製造に際して、上記したような各構成部材同士を
接合するときには、構成部材の接合部分の端面をＲ_max
１０μｍ未満、より好ましくは８μｍ以下とすること
が、接合面の密着性を向上し良好な接合を達成させるた
めに望ましい。

【００３０】また、接合に用いられる接着剤は、特開平
２―１９２４７１号公報の接着剤を使用することが望ま
しい。

【００３１】詳しい接着剤成分は、Ｙ₂Ｏ₃ １３〜５６
重量％、より好ましくは２５〜４０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃
４〜４２重量％、より好ましくは１０〜１５重量％、Ｓ
ｉＯ₂０．７〜２８重量％、より好ましくは５〜１０重
量％、およびＳｉ₃Ｎ₄残部からなる組成を有するもの
（以下、接着剤Ａと呼称する）である。

【００３２】さらに、Ｙ₂Ｏ₃ ３６重量％、Ａｌ₂Ｏ₃ １
２重量％、ＳｉＯ₂ ７重量％およびＳｉ₃Ｎ₄ ４５重量
％に近い組成となるものが最も望ましい。

【００３３】また接着剤Ａにおいて、Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒
径は１．０μｍ以下、より好ましくは０．３〜０．５μ
ｍであることが、より強固な接合強度を得る上から望ま
しい。

【００３４】この接着剤Ａの、接合に供される複数の構
成部材の接合端面への塗布は、接着剤Ａ（粉末）を適当
な展開溶剤と混合してスラリー状とし、これをスプレ
ー、浸漬、あるいはハケ塗りなどにより行う。

【００３５】なお、この接着剤Ａの、接合面における接
着剤の厚さとしては、溶媒除去後において２０μｍ以
下、より好ましくは、１０〜１５μｍ程度となるように
することが望ましい。

【００３６】そして、このような接着剤Ａを接合端面に
塗布したのち、各構成部材の接合端面同士を当接し、圧
接するように加圧しながら加熱処理することにより接合
する。

【００３７】この際の加圧力としては、接合端面に１０
〜３０ｋｇｆ／ｃｍ²、より好ましくは１０〜２０ｋｇ
ｆ／ｃｍ²程度の圧力を加えればよい。

【００３８】この条件では接合面の良好な密着性が保た
れ且つセラミックス成形体の変形を生じることが無い。

【００３９】また加熱処理の条件としては、窒素雰囲気
中で１５００〜１７００℃、より好ましくは１５５０〜
１６５０℃で、１０〜６０分、より好ましくは２０〜３
０分程度の時間加熱保持することが望まれる。

【００４０】この条件では、被接合セラミックス成焼結
体中の結晶粒成長は起こらず、それによる材料強度低下
は生じない。

【００４１】接着剤Ａ中のＹ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、およびＳ
ｉＯ₂成分は、この加熱に際し溶融してＳｉ₃Ｎ₄と反応
し、加熱処理中に、接着剤Ａはβ―サイアロン結晶とサ
イアロン質ガラス相との複合セラミックスに変化し、そ
の結晶質β―サイアロンとサイアロン質ガラスとの存在
比は、容積比で約４０：６０程度となる。

【００４２】なお、加熱処理時において、溶融した成分
の一部は、前記の各構成部材を構成する窒化珪素系セラ
ミックス母材中に浸透・拡散し、一部は圧力下で接合面
外にはみ出すため、上記の如くこの接着剤Ａの接合面に
おける塗布厚みを２０μｍ以下にしておくと、加熱処理
後において、その厚みは６μｍ以下となる。

【００４３】このように、接着剤Ａを用いると、加熱処
理後においてガラス質マトリックス中に存在する針状の
β―サイアロン結晶が、それ自体相互に、また前記構成
部材を構成する被接合体窒化珪素系セラミックス母材界
面と相互に噛み合い、いわゆるインターロッキング状態
を形成するとともに、非晶質成分を構成する元素が各構
成部材を構成するセラミックス母材中へも拡散するため
に、接続部近傍における組成変化はゆるやかなものとな
り、強固な接合強度が得られる。

【００４４】なお、上記接合操作時において、前記構成
部材相互の接続部に、その外周面に嵌合する接続部整合
用枠体（接合治具）を配しておくと、接合端面同士がず
れたりせず整合化が図られ、精度高く所望の最終形状を
得ることができるので望ましい。

【００４５】この接続部整合用枠体を構成する材質とし
ては、接合時の加熱温度において充分安定で、用いられ
る接着剤Ａないし各構成部材を構成する窒化珪素系セラ
ミックス焼結体との反応性がなく、かつその熱膨張率が
各構成部材を構成する窒化珪素系セラミックス焼結体と
同程度であるものならば、特に限定されるものではない
が、望ましくはグラファイトである。

【００４６】また、この接続部の整合用枠体は、接続さ
れる構成部材の接続部における外枠寸法よりもわずかに
大きな内枠寸法を有することが必要とされ、具体的に
は、構成部材の外面と接続部整合用枠体の内面とのクリ
アランスが、０．３〜０．５ｍｍ、より好ましくは０．
１〜０．２ｍｍ程度である。

【００４７】この様にして形成される本発明の窒化珪素
系セラミックス成形体は、強度、剛性、耐摩耗性等に極
めて優れ、かつ軽量なものとなるために、従来、鉄鋼、
超硬合金等によって作製されていた、各種の中実ないし
は中空の成形品、容器体に代わるものとして好適に使用
される。

【００４８】特に図１、図７及び図８、ならびに図１０
などに示される様な、内部空間を有する箱部材は、例え
ば精密測定装置などに使用されるリニアテーブルやＸＹ
ステージなどの構成部材として望ましいものであり、さ
らにこれらのうち、図８および図１０などに示されるよ
うな内部空間が隔壁１３によって区画された構造のもの
は、構造体としての強度、剛性がより高いものであるた
めに一層望ましいものである。

【００４９】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに具体的に
説明する。

【００５０】

【実施例１】１００ｍｍ四方で、高さ５０ｍｍの中空な
サイアロン箱状部材を、肉厚５ｍｍの平板状の蓋面部材
（部品番号１２）と、２つの区画された内部空間を有
し、側壁および中央の隔壁の厚さが７ｍｍである上端部
の開口された箱状部材（部品番号１１）とを、図１に示
すように接合することにより作製した。

【００５１】これらの両部材はともに単軸加圧さらにＣ
ＩＰ成形の後素地加工を施したものであった。

【００５２】なお、使用したサイアロンセラミックス
は、耐摩耗性にすぐれた窒化珪素系セラミックスの一つ
である。

【００５３】これらの蓋部材と箱状部材の接合部に塗布
した接着剤は、その組成がＹ₂Ｏ₃３６重量％、Ａｌ₂Ｏ₃
１２重量％、ＳｉＯ₂ ７重量％およびＳｉ₃Ｎ₄ ４５重
量％からなるものであり、スプレーコーティング法によ
り接着剤厚みを約１５μｍなるように塗布した。

【００５４】そして両部材の接合端面同士を当接し、こ
れら全体を収容することの出来る大きなホットゾーンを
有するホットプレス加熱炉にて１６００℃で１５分間保
持した。

【００５５】なお、この両部材には、その接合端面を互
いに圧接する方向に１０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力が、室温
から１６００℃に加熱され再び室温に冷却されるまでか
けられていた。

【００５６】この様にして得られた箱状部材を接合部に
おける接合強度は、別途行った接合試験片の接合部の４
点曲げ抗折試験の結果から、８０ｋｇｆ／ｍｍ２以上で
あると推測され、軽量かつ高強度で剛性の高い構造体が
得られた。

【００５７】

【実施例２】実施例１で用いたものと同じ１００ｍｍ立
法の中空なサイアロン箱状部材２つ（部品番号３１と３
２）を図８に示すようにその開口部側の側面あるいはリ
ブ同士（部品番号３３）を相互に接合することにより作
製した。

【００５８】なお、接合に用いた接着剤組成、接合時の
温度、保持時間、加圧力は、実施例１と同様とした。こ
の結果、実施例１と同様に接合部における接合強度が８
０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であると推測される高強度で軽量
の箱体が得られた。

【００５９】

【実施例３】長さ３００ｍｍ、巾６００ｍｍ、高さ４５
ｍｍの外形を有し、壁面の最薄部の厚さが４ｍｍであ
り、かつ上面蓋部に凹凸を有し内部に補強用リブを有す
るサイアロン箱状部材を、図１１および図１２に示すよ
うに上端部の開放された下部箱状部材（部品番号５２）
と、格子状に配置した肉厚４ｍｍ高さ３５ｍｍの補強用
リブ（部品番号５３）ならびに凹凸を有する蓋部材（部
品番号５１）を接合することにより作製した。

【００６０】なお、この箱体の作製に用いたこれらの両
部材は、ともに単軸加圧さらにＣＩＰ成形してから所定
の形状に素地加工し直ちに焼成した。さらに、焼成後蓋
部と接触する下部箱状部材とリブ面を仕上げた。

【００６１】接合に用いた接着剤組成、接合時の温度、
保持時間、加圧力は実施例１と同様とし、蓋部と補強用
リブそして下部箱状部材を同時に接合処理を施した。

【００６２】この結果、実施例１と同様に接合部におけ
る接合強度が８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であると推測され
る高強度で、同じ構造の鋳鉄製部材に較べ重量が約１／
３、剛性が約８倍向上した窒化珪素系セラミックス部材
が得られ、精密測定装置のＸＹステージとして好適に使
用されるものであった。

【００６３】

【発明の効果】以上述べたように本発明の窒化珪素系セ
ラミックス成形体は、内部空間を有する箱状部材であり
従来、鉄鋼、超硬合金等によって作製されていた各種の
中実ないし中空の成形品容器に代わるものとして好適に
使用され、例えば、精密側定装置などに使用されるリニ
アテーブルやＸＹステージなどの構成部材として適用し
た場合には、従来品においては得られなかった高精度が
得られ、また例えば、窒化珪素系セラミックスの優れた
耐摩耗性や接合部の高強度化により箱状部材自体の寿命
も向上するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化珪素系セラミックス成形体の一実
施態様の構造を示す縦断面。

【図２】本発明の窒化珪素系セラミックス成形体の別の
実施態様の構造を示す縦断面図。

【図３】図１において示される実施態様において用いら
れる箱状部材の横断面図。

【図４】同箱状部材の縦断面図。

【図５】箱状部材の別の構造例を示す横断面図。

【図６】同箱状部材の縦断面図。

【図７】本発明の窒化珪素系セラミックス成形体のまた
別の実施態様の構造を示す縦断面図。

【図８】本発明の窒化珪素系セラミックス成形体のまた
別の実施態様の構造を示す縦断面図。

【図９】本発明の窒化珪素系セラミックス成形体のさら
に別の実施態様の接合前の構造を示す縦断面図。

【図１０】同実施態様の接合後の構造を示す縦断面図。

【図１１】本発明の窒化珪素系セラミックス製の凹凸を
有する蓋部の構造を示す見取り図。

【図１２】同実施態様の下部箱状部材とその内側に配置
された補強用リブを示す見取り図。

【符号の説明】

１１箱状部材１２蓋状部材１３補強リブ（隔壁）３１下部箱状部材３２上部箱状部材４１左部中空矩形状部材４２中央部中空矩形状部材４３右部中空矩形状部材５１蓋部５２下部箱状部材５３補強リブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中山秀實東京都千代田区大手町２―６―３新日本製鐵株式会社内 (72)発明者浅田修司東京都千代田区大手町２―６―３新日本製鐵株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素系セラミックス焼結体からなる
箱状部材であって、蓋面の部材とその他の部材の少なく
とも２つの部材を接着剤により接合させてなる窒化珪素
系セラミックス製箱状部材。
【請求項２】窒化珪素系セラミックス焼結体からなる
箱状部材であって、前記箱状部材の内部に補強用リブを
有し、蓋面の部材とその他の部材の少なくとも２つの部
材を接着剤により接合させてなる窒化珪素系セラミック
ス製箱状部材。
【請求項３】蓋面の部材が、その表面に凹凸形状ある
いは一部に孔を有する請求項１または２記載の窒化珪素
系セラミックス製箱状部材。
【請求項４】用途が、ＸＹステージの構成部品である
請求項１または２記載の窒化珪素系セラミックス製箱状
部材。