WO2012029816A1 - 炭化ホウ素含有セラミックス接合体及び該接合体の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a boron carbide-containing ceramic joined body exhibiting high joining strength obtained by joining members to enlarge them, and a method for producing the joined body. More specifically, small ceramic members containing boron carbide are firmly bonded together, integrated with high bonding strength, and used in environments where chemical reactions can occur when operating at high speeds.
- the present invention relates to a technology for providing an applicable large-sized boron carbide-containing ceramic member.
- the “boron carbide-containing ceramic” as used in the present invention means a ceramic made of boron carbide as a forming material and containing 2% by mass or more of boron carbide.
- boron carbide as a main component, for example, ceramics containing 60 mass% or more of boron carbide, and further containing 99 mass% or more of boron carbide, It means ceramics up to the range of high purity boron carbide ceramics.
- Ceramics are widely applied to industrial products as structural members because they are lighter and harder than metal materials and exhibit a high elastic modulus. Boron carbide-containing ceramics have the highest hardness and the highest lightness (bulk density: 2.5 g / cm 3 ) among practical ceramics. For example, they can be used as structural materials for machine members that operate at high speed. Expected. In recent years, a method for obtaining a high-density sintered body having a theoretical density of 95% or more by atmospheric pressure sintering has been developed (see Patent Document 1), and high-density dense boron carbide ceramics can be stably provided at low cost. Therefore, it is expected that boron carbide ceramics will be widely used in the future.
- a small ceramic member is manufactured, and a plurality of small ceramic members obtained are joined and integrated to increase the size, thereby producing a large component exhibiting excellent characteristics at low cost.
- Technology is attracting attention, and research and development are being carried out at various research institutions and companies as described later.
- it is difficult to firmly join small ceramic members together with high bonding strength.
- higher bonding strength is required, and therefore establishment of a more excellent bonding technique is expected.
- Patent Document 2 proposes to join a metal and a ceramic using a silver-copper-indium active metal brazing in order to obtain an appropriate bonding strength according to the type of ceramic.
- Patent Document 3 proposes an adhesive composition for bonding ceramics made of oxynitride glass of aluminum and silicon, which is used when bonding the same kind or different kinds of ceramics.
- Patent Document 4 it is proposed that the surfaces to be joined are heated to 660 ° C. or higher, and the ceramic structure is heated or pressure-bonded via an aluminum material.
- Patent Document 5 proposes a joining method in which a joined portion of a ceramic sintered body is made homogeneous with the ceramic. Specifically, it has been proposed that metal aluminum is sandwiched between alumina substrates and, after heating, oxidation treatment is performed so that the metal aluminum becomes the same alumina as the substrate.
- Patent Document 6 proposes a joined body in which a member made of aluminum or an aluminum alloy and ceramics are joined via a joining layer, and the strength of the joining layer is an intermetallic compound produced in the joining layer.
- the amount of the intermetallic compound can be controlled by regulating the copper content of the aluminum matrix contained in the bonding layer.
- Ceramics to be joined by the above technique are silicon nitride, silicon carbide, sialon, zirconia, and the like.
- Patent Document 7 in order to firmly bond silicon nitride ceramics having high characteristics as engineering ceramics, a small member having a shape in which the joint surfaces are fitted together is filled with a paste containing silicon in the fitting part.
- a method of joining by using silicon nitride as silicon nitride in nitrogen has been proposed.
- each of the various conventional techniques described above has the following problems.
- bonding between ceramics containing a very small amount of boron carbide using boron carbide as a sintering aid but even bonding between materials used for forming boron carbide ceramics has not been studied.
- no study has been made on the bonding of high boron carbide-containing ceramic members having high boron carbide content or high boron carbide content, which is the final object of the present invention.
- large-sized boron carbide-containing ceramics integrated with high bonding strength that can be used for mechanical members that operate at high speed, such as a stage that uses a silicon wafer in an exposure apparatus for semiconductor manufacturing equipment.
- the development of a joining technique that can provide a manufactured member is awaited.
- the high joint strength required in this case is that the strength of the joined part is 100 MPa or more, more preferably 200 MPa or more.
- the brazing material used in the technique described in Patent Document 2 described above is an active metal brazing material containing a trace amount of titanium in a silver-copper-indium system.
- ceramics can be processed by a single treatment. Can join together.
- not all ceramics with different constituent materials can be joined with this active metal brazing material, and it is necessary to select an optimum composition for each ceramic, which is not a simple means.
- oxynitride glass advantageous in terms of cost is used as a bonding material, and it can be applied to bonding of ceramics using boron carbide as a sintering aid. Yes.
- Patent Documents 4 and 5 both use aluminum for bonding alumina-based ceramics. In these documents, bonding of other ceramics, particularly bonding boron carbide-containing ceramic members to each other. No consideration has been given to. Patent Document 6 is also a technique related to joining a member made of aluminum or an aluminum alloy and ceramics, and the joining of boron carbide-containing ceramic members is not studied. Moreover, although high shear strength is shown, it does not reach the intended joint strength of the present invention. In addition, this technology requires metallization treatment on the ceramic bonding surface. Considering the integration of multiple small components into a larger size, the implementation will require extremely high process costs. It is done.
- the present inventors have come to recognize the following new problems in the boron carbide-containing ceramic joined body in the course of development.
- the boron carbide-containing ceramics themselves are also excellent in chemical resistance, but when this is used as a joined body, the bonded portion is inferior in chemical resistance and may not be used depending on the application. It is a point that it is necessary to improve the chemical resistance of the joined portion of the ceramic joined body.
- an object of the present invention is to provide a new technique related to a joined body that exhibits a very high strength with a bonding strength of 100 MPa or more between boron carbide-containing ceramic members by a simple method. Moreover, the objective of this invention is providing the new technique regarding the boron carbide containing ceramic joined body which improved the chemical resistance of the junction part as needed. Furthermore, the object of the present invention is to be used for machine members that operate at high speed, and are joined and integrated with extremely high joint strength, and if necessary, the chemical resistance of the joint is improved. To provide a method for producing a boron carbide-containing ceramic bonding material capable of economically providing a boron carbide-containing ceramic member having a large or complicated shape without using a special material. is there. An object of the present invention is to provide the above-mentioned new technology and to enable wide use of boron carbide-containing ceramics which are materials excellent in functionality.
- the present invention provides a bonding layer in which ceramic members each containing 2% by mass or more of boron carbide are bonded with a bonding material containing at least one selected from the group of metals consisting of aluminum, copper, gold, and zirconium. Or integrated through a bonding layer formed using either metal aluminum or an aluminum compound and a titanium compound as a bonding material, and the bonded portion has a strength of 100 MPa.
- a boron carbide-containing ceramic joined body characterized by the above is provided.
- each ceramic member has a boron carbide-containing ceramic joined body containing 60% by mass or more of boron carbide, and the thickness of the joining layer is 1 to 1,000 ⁇ m.
- boron carbide-containing ceramic joined body can be mentioned.
- a method for producing the above-described boron carbide-containing ceramic joined body is provided.
- the joining material used there are the following two kinds of methods.
- any one of aluminum, copper, gold, and zirconium metals or any alloy based on these metals is used as the bonding material.
- the range of the heating temperature at which a boron carbide-containing ceramic bonded body with higher strength is obtained differs depending on the heating atmosphere.
- These conditions include the following three forms (1) to (3).
- In the atmosphere, at least the parts to be joined may be heated at a temperature of 600 ° C. or higher and lower than 800 ° C.
- a portion to be bonded is 700 ° C. or higher and 1,600 ° C. or lower. Heat at temperature.
- any one of the above-described methods for producing a boron carbide-containing ceramic joined body when joining ceramic members each containing 2% by mass or more of boron carbide, the joined portion is formed in a slurry or paste form.
- a titanium compound is applied to form a sheet, and the thickness is 1,000 ⁇ m or less, and the ceramic members are held in close contact with each other.
- a bonding material containing the powder of the above is disposed, heated in a vacuum condition or in an inert atmosphere at a temperature not lower than 600 ° C. and lower than 1,200 ° C., and impregnated with the above-mentioned aluminum or aluminum compound in the titanium compound of the bonding portion.
- a method for producing a boron carbide-containing ceramic joined body characterized by joining.
- a boron carbide-containing ceramic joined body having a high joining strength of 100 MPa or more, in which boron carbide-containing ceramic members each containing 2% by mass or more of boron carbide are joined by a simple method.
- boron carbide-containing ceramic members each containing 2% by mass or more of boron carbide are joined by a simple method.
- the bonding material it is possible to provide a boron carbide-containing ceramic bonded body in which the bonded portion has excellent chemical resistance in addition to high bonding strength.
- a boron carbide-containing ceramic member having a large or complicated shape which is joined and integrated with an extremely high bonding strength that can be used for a machine member that operates at high speed, Accordingly, it is possible to provide a boron carbide-containing ceramic member with improved chemical resistance at the joint.
- the bonding strength is a generic name for the strength of the bonded body.
- the schematic diagram which shows the cross section of the state which has arrange
- the present inventors first contain boron carbide in an amount of 2% by mass or more, and further boron carbide in an amount of 60% by mass or more. Between the boron carbide-containing ceramic members, a foil, a paste, and a vapor deposition layer mainly composed of aluminum or an aluminum compound are interposed, and the members are held in a state where a minute amount of aluminum is interposed, and a heated atmosphere.
- a strong bonding state with a bonding strength of 100 MPa or more can be realized by heating at a temperature of 600 ° C. or more.
- the boron carbide-containing ceramic joined body using a metal aluminum or an aluminum compound as a joining material, although it is extremely excellent in strength, the joint portion is inferior in chemical resistance, and depending on the application, the joined body may not be used, and it has been recognized that there is room for improvement.
- each ceramic member containing 2% by mass or more of boron carbide (hereinafter also simply referred to as a boron carbide-containing ceramic member) achieves a strong bonded state in which the bonding strength is 100 MPa or more.
- the present inventors have found that the joint portion has sufficient chemical resistance.
- the present inventors as a third embodiment, also used a titanium compound in combination, so that even when aluminum is used as the joining material, It has been found that improvement in chemical properties can be achieved. That is, by using a metal aluminum and a titanium compound or an aluminum compound and a titanium compound as a bonding material, compared to the case where the metal aluminum or the aluminum compound described above is used as a bonding material, the obtained bonded body is It has been found that the chemical strength at the joint is improved at the same time as realizing a strong joined state with a joining strength of 100 MPa or more. In this case, there is an advantage that bonding with improved chemical resistance is possible with an inexpensive material as compared with the second embodiment using gold or the like as a bonding material.
- the joint strength between the members being 100 MPa or more means that the joint portion is substantially in the same level as the strength of the boron carbide-containing ceramic itself. Therefore, the boron carbide-containing ceramic joined body that is integrated in such a joined state and is increased in size or various shapes has a large size that is made of the boron carbide-containing ceramic itself without joining treatment. There is no inferiority to the materialized members and members of various shapes.
- the first embodiment using aluminum or an aluminum compound (hereinafter, taking metal aluminum as an example) as a bonding material will be described. Since aluminum interposed between boron carbide-containing ceramic members has good wettability with boron carbide, it is considered that the aluminum can be easily distributed uniformly on the bonding surface. Aluminum forms various compounds with boron carbide to form aluminum boride and a compound of aluminum, carbon and boron. For this reason, for example, any of foil, paste, and vapor deposition layer containing 90% by mass or more of aluminum is used as a bonding material between the boron carbide-containing ceramic members, and this is interposed in a minute amount to maintain this state.
- aluminum or an aluminum compound hereinafter, taking metal aluminum as an example
- the present inventors conducted a detailed study on the joint portion of the boron carbide-containing ceramic joined body of the present invention using aluminum as a joining material.
- the microstructure of the bonding layer of the bonded body was observed using an SEM (scanning electron microscope).
- SEM scanning electron microscope
- FIGS. 2-1 to 2-3 The resulting SEM photographs are shown in FIGS. 2-1 to 2-3.
- in the first embodiment for example, innumerable cracks or pores of 1,000 nm (1 ⁇ m) or less, aspect ratio, etc. on the bonding surface of the boron carbide sintered body to be bonded.
- the boron carbide-containing ceramic joined body of the first form using aluminum as the joining material joins the boron carbide sintered body at the time of joining while firmly joining the aluminum and boron carbide together.
- metal aluminum aluminum carbide boride (for example, Al 3 BC, Al 3 B 48 C 2 , AlB 12 C 2 , Al 8 B 4 C 7 , Al 2 B 51 C 8 , AlB 40).
- C such as 4 or AlB 24 C 4
- aluminum boride e.g., AlB 2, AlB 10 or AlB 12
- one of aluminum carbide e.g., Al 4 C 3
- the present inventors believe that the fact that the reaction product of these aluminum and boron carbide is mixed in the bonding layer is also one of the reasons that an extremely strong bond can be produced.
- boron carbide is 2% by mass or more, and further boron carbide is 60% by mass.
- Each ceramic member containing the above can achieve a strong bonded state in which the bonding strength is 100 MPa or more, and the bonded portion has sufficient chemical resistance.
- any one of the metals of copper, gold or zirconium or an alloy based on any metal, either a foil, a paste, or a vapor deposition layer is interposed in the bonding portion,
- the boron carbide-containing ceramic members are joined together by a very simple method of holding each boron carbide-containing ceramic member with a slight amount of interposition and heating the joining portion at a temperature of 700 ° C. to 1,600 ° C. Bonding can be performed in a strong bonded state having a strength of 100 MPa or more.
- the joining temperature becomes high, but compared with the case of using metallic aluminum or the like as the joining material.
- the chemical resistance at the joint is improved. For this reason, if the alloy based on any one of copper, gold
- the reason why the boron carbide-containing ceramic bonded body having a strong bonded state with a bonding strength of 100 MPa or more is not certain even by the above-described second embodiment, but the present inventors consider as follows.
- a bonding material made of an alloy based on copper or gold or any one of the metals specified in the present invention interposed between the boron carbide-containing ceramic members is interposed between the bonding surfaces in each case at a predetermined temperature. By setting it as the above, it is thought that it can spread on a joint surface easily and uniformly.
- the effects of the present invention can be obtained even when the above-described metal-based alloy is used as the bonding material.
- each metal will be described as an example.
- the compound formed by the reaction with boron carbide is not observed in the bonding layer using copper or gold. It was confirmed that it was configured with.
- any of zirconium, zirconium boride (ZrB 2 ) and zirconium carbide (ZrC) was present in the bonding layer using zirconium, and the above inference was supported. That is, from these results, when zirconium is used, carbon and boron from the boron carbide component in the ceramic member react with zirconium to form these compounds, and a bonding layer in which these are mixed in addition to a single metal It is thought that was formed.
- the bonding layer is used in addition to the presence of the metal used in the bonding material, as in the case of using aluminum as the bonding material.
- the resulting metal is fused with boron carbide, and borides, carboborides, etc. of these metals are generated and joined together.
- a strong bond has been realized.
- copper was used as the bonding material, cracks or pores existed on the surface of each ceramic member, as in the case of using aluminum as the bonding material, and the copper or aluminum component penetrated into these parts. From the phenomenon, it is considered that the strong integration between the ceramic members was realized by the anchor effect and the reduction of defects.
- a boron carbide-containing ceramic joined body can be easily produced by the following method. First, when each boron carbide-containing ceramic member is bonded to each other, a slurry-like or paste-like titanium compound is applied to the bonded portion, and is formed into a sheet, and the thickness is 1,000 ⁇ m or less, and is interposed. The ceramic members are held in close contact with each other. Next, a bonding material containing a metal aluminum powder or an aluminum compound powder is disposed on the upper part of the bonding portion where the titanium compound is interposed, and the temperature is from 600 ° C. to 1,200 ° C. in a vacuum condition or in an inert atmosphere. Then, heating is performed at a low temperature, and the aluminum or aluminum compound is impregnated with the titanium compound in the bonding portion and bonded.
- each ceramic member used for joining may be one that contains 2% by mass or more of boron carbide, and its constituent components vary depending on the application, and those having different boron carbide contents are appropriately selected.
- a carbide containing 2 to 3% by mass of boron carbide typically a ceramic member mainly composed of silicon carbide.
- a composition region having a high boron carbide content for example, a boron carbide content of 60% by mass or more, further 80% by mass or more.
- each boron carbide-containing ceramic member is made of a dense boron carbide-containing ceramic having a purity of 80% by mass or more, further 99% by mass or more and a theoretical density of 95% by mass or more, the boron carbide obtained is obtained.
- the contained ceramic joined body is light and hard, exhibits a high elastic modulus, and can have a large joint satisfying a high joining strength and, if necessary, the chemical resistance of the joint.
- the shape of the boron carbide-containing ceramic member it is preferable to provide a part with a flat joining surface as much as possible. Can be designed freely.
- the above-described boron carbide-containing ceramic joined body of the present invention can be easily and stably obtained by the following production method of the present invention without using a special material or apparatus.
- the production method of the present invention will be described in detail.
- the first and second forms of the joined body and the third form of the joined body of the present invention are partly different in the manufacturing procedure, and thus are described respectively. To do.
- a plurality of boron carbide-containing ceramic members for bonding are prepared, and a bonding surface including at least one selected from the group of metals consisting of aluminum, copper, gold, and zirconium is prepared on the bonding surfaces of these members.
- a member is interposed so that each member is held in this state, and at least a part to be joined is heated to obtain a joined body.
- the state of the bonding layer varies depending on the metal material used as the bonding material, but in any case, the boron carbide-containing ceramic members can be firmly bonded to each other.
- money, and a zirconium is used as a joining material, in addition to high joining strength, the joining body excellent in the chemical resistance of a junction part will be obtained.
- a joining material interposed in the joining surface used above contains at least one kind of simple metal in the group of aluminum, copper, gold and zirconium (for example, 90% by mass or more of the base metal, 99% or more), a foil, a paste, or a vapor deposition layer may be used in a thickness range of 1,000 ⁇ m or less, more preferably 100 ⁇ m or less, and even more preferably 50 ⁇ m or less.
- the lower limit is preferably 5 ⁇ m or more and at least a few ⁇ m.
- the thickness depends on the material to be used, for example, a so-called metal foil having a thickness of about 10 ⁇ m, 50 ⁇ m, or 100 ⁇ m, obtained from the market, is preferably interposed in the joining portion. .
- a method of applying a paste in which any one of the above metal powders is dispersed in a liquid medium such as an organic solvent to the bonding surface of the boron carbide-containing ceramic member to a thickness within the above range There are a method of depositing any one of the above metals by a thickness and a method of forming a deposited layer and a method of spraying and interposing any of the above metals.
- the bonding material used in the present invention various purity materials can be used as long as they are any of the above metals, but higher metal purity is preferable. For example, it is desirable to use a material containing any of the above metals in a range of 90% by mass or more.
- the present invention is not limited to this, and in addition to any of the above metals, those containing other components can also be used as the bonding material.
- an alloy containing copper, manganese, magnesium, silicon, zinc, and the like as other components other than aluminum can be used as the bonding material.
- An alloy containing zinc, tin, aluminum, nickel, lead, manganese, or the like as other components other than copper can also be used as a bonding material.
- An alloy containing copper, silver, nickel, or the like as other components other than gold can also be used as a bonding material.
- an alloy containing tin, iron, nickel, chromium, or the like can also be used as a bonding material. Note that, when an alloy is used as the bonding material, the melting point is significantly lowered. Therefore, the heating temperature of the bonding portion may be determined appropriately in consideration of the melting point of the bonding material to be used.
- this state is maintained with a jig such as carbon or a heat-resistant metal. And fix.
- the members may be pressure-bonded to each other, or may be held in an unloaded state within a range where the product is displaced or does not move at the time of joining.
- at least a portion to be joined in this state is heated to join the boron carbide-containing ceramic members together.
- the heating conditions will be described.
- the present inventors are particularly important in the present invention, in the case of heating, any one of the above metals is bonded to a portion where the boron carbide-containing ceramic members are joined together. I found out that there was a small amount that would not increase too much. Therefore, when using aluminum, copper, gold, or an alloy thereof as a bonding material, the heating temperature condition may be heated at a temperature equal to or higher than the melting point of the metal or alloy to be used, and is specified in detail. There is no need. However, it has been found that in order to realize stronger bonding, heating may be performed in a temperature range suitable for the bonding material to be used, depending on heating conditions other than temperature. Hereinafter, it demonstrates for every metal used for a joining material.
- the heating atmosphere may be in an inert atmosphere (Ar or N 2 ) under vacuum conditions or in the air.
- Ar inert atmosphere
- At least the parts to be joined should be heated at a temperature of 600 ° C. to 1,200 ° C.
- at least a portion to be joined is preferably heated at a temperature of 600 ° C. or higher and lower than 800 ° C.
- the above-mentioned heating temperature varies depending on the atmosphere to be heated and the bonding material and ceramic member to be used, but the optimum range for obtaining a bonded body with higher strength is as follows.
- a strong joined body can be obtained even by heating in the atmosphere.
- it is sufficient that the boron carbide is lower than 800 ° C. at which a phenomenon of remarkable oxidation is observed, Heating is preferably performed in a temperature range of 600 ° C. to 700 ° C.
- the bonding material may be heated at a temperature equal to or higher than the melting point of the metal or alloy used, for example, heated at 700 ° C. or higher.
- heating is performed in the range of 1,200 ° C. or more and 1,600 ° C. or less, and more preferably 1,200 ° C. or more and 1,500 ° C. or less.
- zirconium is used as the bonding material, the melting temperature is as high as 1,857 ° C.
- the heating atmosphere may be any of vacuum atmosphere and inert atmosphere (Ar or N 2 ). And in order to stably obtain a strong joined body having a strength of joined parts of 100 MPa or more, depending on the type of metal used, depending on the heating atmosphere, the temperature range is as follows. It is preferable to heat. Specifically, when heating under vacuum conditions, it is preferable to heat in a temperature range of 700 to 1,600 ° C., more preferably 1,200 to 1,500 ° C. Moreover, when heating in inert atmosphere, it is preferable to heat in the temperature range of 1,200 degreeC or more and 1,600 degreeC or less.
- the heating time may be several hours, specifically about 1 to 3 hours, depending on the type of metal used as the bonding material, the type of ceramic member, and the size of the bonded portion. Then, by slowly cooling, the ceramic member is integrated through the bonding layer, and the boron carbide-containing ceramic bonded body of the present invention having a bonding strength of 100 MPa or more can be easily obtained. Furthermore, in the production method of the present invention, if the material of the bonding material to be used and the heat treatment conditions are selected, 140 MPa or more, further 160 MPa or more, and in some cases, about 200 MPa, or even 300 MPa or more, higher bonding strength. A joined body can be obtained.
- a titanium compound slurry or paste is applied to the portion where the boron carbide-containing ceramic member is to be joined.
- a titanium compound slurry a slurry prepared by mixing a titanium compound powder such as titanium carbide or titanium nitride, a binder and a dispersant with a ball mill may be used.
- a titanium compound slurry is thinly applied to the joint surface by a doctor blade method or screen printing, and is fixed with a jig such as carbon or a heat-resistant metal so that this state is maintained.
- the members may be pressure-bonded when they are fixed, or may be held in an unloaded state within a range where the product is displaced or does not move during joining.
- the metal aluminum powder or the metal powder containing aluminum is placed on at least the part to be joined and heated to melt the metal aluminum powder or the metal powder containing aluminum and impregnate the joined part.
- the metal powder containing aluminum for example, a mixture of aluminum and silicon at a ratio of 50% by mass can be used.
- a metal or a compound thereof present in the joining layer formed is an electron beam microanalyzer (EPMA: wavelength dispersive spectrometer WDS, It can be measured by a surface analysis method using an energy dispersive spectrometer EDS) or an X-ray analyzer using a transmission electron microscope (TEM). Further, it can be measured by identifying the crystal structure by X-ray diffraction (XRD).
- EPMA electron beam microanalyzer
- the range of the bonding layer in which the boron carbide compound as a forming component of the bonding material is present depends on the thickness of the interposed bonding material and the holding method such as pressure bonding, The range depends on conditions and is about 1 to 300 ⁇ m. A more detailed study is awaited regarding the relationship between the bonding strength of the resulting bonded body and the range to be the bonding layer, but in order to achieve higher strength, the thickness of the bonding layer is about 10 to 100 ⁇ m. It is recommended that
- the chemical resistance of the boron carbide-containing ceramic joined body of the present invention obtained as described above can be confirmed and evaluated by the following method, for example.
- the strength of the joined body integrated through the joining layer is measured, and the value is defined as P1.
- the strength of the joined body after measuring this joined body in a 2 mol / L aqueous solution of strong acid or strong alkali at room temperature for 72 hours is measured, and the value is defined as P2.
- the chemicals used may be hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or the like when acid resistance is required, and sodium hydroxide or the like may be used as appropriate when alkali resistance is required.
- the value obtained by (P1 ⁇ P2) / P1 is defined as the strength remaining rate, and the evaluation may be performed based on whether this value is close to 1. For example, a material having a strength remaining rate of 0.8 or more may be determined as having chemical resistance and used.
- the heating condition was a vacuum condition, and at least the part to be bonded was set to a temperature of 1,000 ° C., and a bonding process was performed for each to obtain a bonded body.
- a boron carbide ceramic member similar to the above is used, and a paste in which aluminum is dispersed in a butyl alcohol solvent is applied to the joining surface of the joining portion of the two ceramic members so as to have a thickness of 10 ⁇ m by screen printing. It was applied to. Further, using the same boron carbide ceramic member as described above, aluminum was vapor-deposited in a vacuum to a thickness of 6 ⁇ m on the joint surface of the joint portion of the two ceramic members. Each of these was fixed with a carbon jig in the same manner as described above, and bonded under the same heating conditions as described above to obtain a bonded body in which two boron carbide-containing ceramic members were bonded.
- each joined body obtained above is processed, and in accordance with JIS R1601 (bending strength test method for fine ceramics), the joint location is at the center.
- the thickness is 3 mm, the width is 4 mm, and the length is 40 mm.
- Each test piece was produced. And the bending strength was measured based on JIS using the obtained test piece, and the result was shown in Table 1.
- each said test piece is observed under a microscope from a side surface, the range in which aluminum or an aluminum compound exists is measured as a thickness of a joining layer, and a result is put together in Table 1. Showed.
- Example A-1-II state of bonding layer
- the joining layer of the joined body obtained as follows was examined in detail.
- a boron carbide sintered body was ground with a # 200 grindstone, and two 50 ⁇ 50 ⁇ 10 mm plates were prepared as one set.
- a 100 ⁇ m thick aluminum foil having an aluminum content of 99.8% by mass was prepared.
- the aluminum foil was placed with care so as not to overlap the joining portion of the two boron carbide-containing ceramic members, and fixed with a carbon jig.
- the joined part was obtained by setting the joining part at a temperature of 1,000 ° C. under vacuum conditions.
- the obtained sample was cut, polished, and the microstructure of the bonding layer of the bonded body was observed using SEM.
- FIGS. 2-1 to 2-3 show the obtained SEM photographs.
- the bonding surface of the boron carbide sintered body to be bonded is an infinite number of cracks, pores, aspect ratio with a width of 1 ⁇ m (1,000 nm) or less. There was a large crack with a ratio of 5 or more. Furthermore, it was confirmed that aluminum penetrates into the very thin part of the inner tip of these cracks to form a bonding layer.
- the lengths and widths of the cracks were measured for each of FIGS. 2-1 to 2-3 and are shown in Table 2. The aspect ratio was calculated and is shown in Table 2.
- the reason why the unprecedented strong bonding was achieved by the above-described method in the boron carbide sintered body is as follows. First, aluminum and boron carbide are fused and firmly joined. Furthermore, the boron carbide sintered body itself has a small fracture toughness value of 2 to 3 MPa ⁇ m 1/2, and it is inevitable that numerous hair cracks are generated on the surface during processing. On the other hand, in the above bonding method, aluminum having high permeability is interposed in such a bonded portion. These are because aluminum enters into innumerable nano-level cracks generated on the bonding surface of the boron carbide sintered body during bonding, and as shown in FIGS.
- the cracks generated on the surface of the boron carbide sintered body at the time of processing which is considered to be a defect that leads to a decrease in strength, are used for joining by interposing a highly permeable aluminum in the joining portion, and the above-mentioned An extremely strong joint is achieved by the anchor effect.
- the bonding layer was analyzed using EPMA and XRD.
- metallic aluminum is mainly present in the bonding layer, but in addition, aluminum carbide boride (Al 3 BC, Al 3 B 48 C 2 , AlB 12 C 2 , Al 8 B 4 C 7 , Al 2 B 51 C 8 , AlB 40 C 4 , AlB 24 C 4 ), aluminum boride (AlB 2 , AlB 10 , AlB 12 ), and aluminum carbide (for example, Al 4 C 3 ) are present. It was confirmed.
- Comparative Example A-1 A plurality of ceramic members similar to those used in Example A-1 were prepared, and 200 ⁇ m thick silicon and 100 ⁇ m thick oxynitride glass (oxynitride glass) were prepared as bonding materials. Then, using each of the two ceramic members and the respective bonding materials, heating was performed for 2 hours under each temperature condition shown in Table 3 in a nitrogen atmosphere, thereby manufacturing each bonded body. However, in spite of being treated at a high temperature of 1,500 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere, bonding was not performed in any case.
- the conditions for producing the joined body of Comparative Example A-1 are summarized in Table 3.
- Example A-1 in which a boron carbide ceramic member was bonded using silicon or oxynitride glass as a bonding material, the members could not be bonded together.
- Example A-1 in which an aluminum foil up to a thickness of 1,000 ⁇ m was bonded as a bonding material, any thickness of the bonding material was obtained by heating at 1,000 ° C., which is a temperature higher than the melting point of aluminum. Even when it was used, it was possible to obtain a bonded body having a high bending strength almost equal to that of the boron carbide ceramic as a base material. Furthermore, it was confirmed that a bonded body exhibiting high bonding strength was obtained even when aluminum was interposed on the bonded surface by paste coating or vapor deposition.
- Example A-2 Comparative Example A-2
- the joining process was performed step by step in the range.
- the other conditions in this case were fixed by press-bonding with a carbon jig at a value of about 5 kg / cm 2 under vacuum conditions and heating for 2 hours.
- the thickness and strength of the joining layer were measured in the same manner as in Example A-1. Table 4 shows the obtained results and heating conditions.
- Example A-3 Comparative Example A-3
- the joining process was performed stepwise in a temperature range of ⁇ 1,600 ° C.
- the other conditions at this time were fixed by pressing with a carbon jig at a value of about 5 kg / cm 2 and heating for 2 hours.
- the thickness and strength of the joining layer were measured in the same manner as in Example A-1. Table 5 shows the obtained results and heating conditions.
- Example A-4 Comparative Example A-4
- Bonding is possible in the atmosphere using a boron carbide ceramic member of the same shape and type as in Example A-1 and an aluminum foil having an aluminum content of 99.8% by mass and a thickness of 10 ⁇ m.
- Example A-5 Using the boron carbide ceramic member used in Examples A-1 to A-4, the aluminum foil of 99.8% by mass used in Example A-1 was replaced with 10 ⁇ m containing components other than aluminum at 10% or less. Each of the foils each having a thickness of aluminum as a main component was joined in a vacuum at 1,000 ° C. for 2 hours to obtain each joined body. For each of the obtained joined bodies, the thickness of the joining layer and the bending strength were measured in the same manner as in Example A-1, and the results are shown in Table 7. As a result, although a slight difference was observed in the bending strength depending on the components coexisting in the aluminum material of the bonding material, all showed values of 100 MPa or more, and it was confirmed that a bonded body with high bonding strength was obtained.
- Example A-6 Instead of the boron carbide ceramic members used in Examples A-1 to A-4, boron carbide ceramic members having different boron carbide contents were prepared. Using an aluminum foil having an aluminum content of 99.8% by mass and a thickness of 10 ⁇ m, bonding was performed in a vacuum at 1,000 ° C. for 2 hours to obtain each bonded body. For each of the obtained joined bodies, the thickness of the joining layer and the bending strength were measured in the same manner as in Example A-1, and the results are shown in Table 8. As a result, in the joined body formed by joining the members whose main components are silicon carbide having 2% by mass of boron carbide in Example A-6-1, the strength of the base material is relatively higher than that of boron carbide ceramics.
- Example A-6-6 local analysis was performed on the joining layer and the base material in the vicinity thereof. As a result, aluminum boride was observed in the joining layer together with a small amount of aluminum. Further, in the vicinity, a compound of aluminum and boron carbide (Al 3 BC) was recognized together with boron carbide as a base material component.
- Example B-1-I (Relationship between thickness and strength of bonding material)]
- a plate-like 99 mm high-purity boron carbide ceramic member of 20 mm ⁇ 20 mm ⁇ 4.5 mm was prepared as one set.
- copper foils having a copper content of 99.8% by mass and different thicknesses of 5 to 1,000 ⁇ m were prepared as bonding materials.
- copper foils having different thicknesses are used for the joined portions of the two boron carbide-containing ceramic members, and the copper foils are placed with care so that the copper foils do not overlap and the thickness becomes uneven.
- the heating condition was a vacuum condition, and at least the part to be bonded was set to a temperature of 1,500 ° C., and a bonding process was performed for each to obtain a bonded body.
- a boron carbide ceramic member similar to the above is used, and a paste in which copper is dispersed in a butyl alcohol solvent is screen-printed on the joining surface of the joining portion of the two ceramic members so as to have a thickness of 10 ⁇ m. It was applied to. Further, using the same boron carbide ceramic member as described above, copper was vapor-deposited in a vacuum to a thickness of 6 ⁇ m on the joint surface of the joint portion of the two ceramic members. Each of these was fixed with a carbon jig in the same manner as described above, and bonded under the same heating conditions as described above to obtain a bonded body in which two boron carbide-containing ceramic members were bonded.
- each joined body obtained above is processed, and in accordance with JIS R1601 (bending strength test method for fine ceramics), the joint location is at the center.
- the thickness is 3 mm, the width is 4 mm, and the length is 40 mm.
- Each test piece was produced. And the bending strength was measured based on JIS using the obtained test piece, and the result was shown in Table 9.
- each said test piece is observed from the side with a microscope, the range in which copper or a copper compound exists is measured as a thickness of a joining layer, and a result is put together in Table 9 Showed.
- Example B-1-II state of bonding layer
- the joining layer of the joined body obtained as follows was examined in detail.
- a boron carbide sintered body was ground with a # 200 grindstone, and two 50 ⁇ 50 ⁇ 10 mm plates were prepared as one set.
- a copper foil having a copper content of 99.8% by mass and a thickness of 100 ⁇ m was prepared.
- the copper foil was placed with care so as not to overlap the joined portion of the two boron carbide-containing ceramic members, and fixed with a carbon jig.
- the joined part was obtained by setting the joining part at a temperature of 1,500 ° C. under vacuum conditions.
- the obtained sample was cut, polished, and the microstructure of the bonding layer of the bonded body was observed using SEM.
- FIG. 3A shows the SEM photograph obtained.
- Example B-1 A plurality of ceramic members similar to those used in Example B-1-I were prepared, and 200 ⁇ m thick silicon and 100 ⁇ m thick oxynitride glass (oxynitride glass) were prepared as bonding materials. . Then, using each of the two ceramic members and the respective bonding materials, each bonded body was manufactured by heating for 2 hours under each temperature condition shown in Table 10 in a nitrogen atmosphere. However, in spite of being treated at a high temperature of 1,500 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere, bonding was not performed in any case. Table 10 summarizes the conditions for producing the joined body of Comparative Example B-1.
- Example B-1 in which a boron carbide ceramic member was bonded using silicon or oxynitride glass as a bonding material, the ceramic members could not be bonded to each other.
- Example B-1 in which a copper foil up to a thickness of 1,000 ⁇ m was bonded as a bonding material, the bonding material of any thickness was heated by heating at 1,500 ° C., which is a temperature higher than the melting point of copper. Even when it was used, it was possible to obtain a bonded body having a high bending strength almost equal to that of the boron carbide ceramic as a base material. Furthermore, it was confirmed that a bonded body exhibiting high bonding strength was obtained even when copper was interposed on the bonding surface by paste coating or vapor deposition.
- Example B-2 A boron carbide ceramic member of the same shape and type as in Example B-1 and a copper foil having a copper content of 99.9% by weight and a thickness of 10 ⁇ m were used, and the heating temperature was 1,200 to 1,600 ° C.
- the bonding process was performed stepwise in the temperature range.
- the other conditions in this case were fixed by press-bonding with a carbon jig at a value of about 5 kg / cm 2 under vacuum conditions and heating for 2 hours.
- the thickness and strength of the joining layer were measured in the same manner as in Example B-1. The obtained results and heating conditions are shown in Table 11.
- the heat treatment temperature is 1,000 ° C. or less, which is equal to or lower than the melting point of copper, as long as the melting temperature of the alloy is used. Even so, it was confirmed that a bonded body having the same bending strength as described above could be obtained.
- Example B-3 instead of the boron carbide ceramic member used in Example B-1, boron carbide ceramic members having different boron carbide contents were prepared. Using a copper foil having a copper content of 99.8 mass% and a thickness of 10 ⁇ m, bonding was performed at 1,500 ° C. in vacuum for 2 hours to obtain each bonded body. For each of the obtained joined bodies, the thickness of the joining layer and the bending strength were measured in the same manner as in Example B-1, and the results are shown in Table 12. As a result, it was confirmed that, regardless of the content of boron carbide, all can be joined and a joined body exhibiting high bending strength can be obtained. In the joined body of Example B-3-6, a local analysis of the joining layer and the base material in the vicinity thereof was performed. As a result, a trace amount of copper was found in the joining layer.
- Example B-4 A boron carbide ceramic member of the same shape and type as in Example B-1 and a gold foil with a gold content of 99.95% by mass and a thickness of 10 ⁇ m were used, and the heating temperature was 1,200 to 1,600 ° C.
- the joining process was performed stepwise in the temperature range.
- the other conditions at this time were made constant by applying pressure at a value of about 5 kg / cm 2 with a carbon jig under vacuum conditions and heating for 2 hours.
- the thickness and strength of the joining layer were measured in the same manner as in Example B-1. The obtained results and heating conditions are shown in Table 13.
- Example B-5 A boron carbide ceramic member of the same shape and type as in Example B-1 and a zirconium foil having a zirconium content of 99.2 mass% and a thickness of 100 ⁇ m were used, and the heating temperature was 1,400 ° C. and 1,500 ° C. Bonding treatment was performed at a temperature of ° C. The other conditions in this case were fixed by press-bonding with a carbon jig at a value of about 5 kg / cm 2 under vacuum conditions and heating for 2 hours. With respect to the obtained joined body, the thickness and strength of the joining layer were measured in the same manner as in Example B-1. Table 14 shows the obtained results and heating conditions. It was confirmed that not only metallic zirconium but also zirconium boride (ZrB 2 ) or zirconium carbide (ZrC) was present in the bonding layer using zirconium of this example.
- ZrB 2 zirconium boride
- ZrC zirconium carbide
- Example B-6 A titanium carbide (TiC) slurry is tape-formed by a doctor blade method onto a boron carbide ceramic member of the same shape and type as in Example B-1, and a compound in which aluminum or aluminum and silicon are mixed at a ratio of 50% by mass is joined.
- the sample was placed on the surface and subjected to a heat treatment while being impregnated in a vacuum at a heating temperature of 1,000 to 1,100 ° C.
- the obtained results and heating conditions are shown in Table 15.
- the bending strength of the joined body before the immersion test is shown as P1
- the bending strength of the joined body after the immersion test is shown as P2
- the residual strength ratio is (P1-P2) / It calculated by P1 * 100 (%) and this was shown as intensity
- P1-P2 The bending strength of the joined body before the immersion test
- Example B-7 A 3 mm ⁇ 4 mm ⁇ 40 mm bent specimen-shaped joined body (joined at the center) prepared by joining 10 ⁇ m thick copper foil as a joining material under the following conditions was prepared in the same manner as in Reference Example B-2. The chemical resistance at the joint of the joined body was evaluated. The results obtained are shown in Table 17. As shown in Table 17, almost no decrease in strength was observed, and it was confirmed that the joint strength was maintained and the joined body showed high chemical resistance.
- Example B-8 A 3 mm ⁇ 4 mm ⁇ 40 mm bent specimen-shaped joined body (joint at the center) was prepared using a 10 ⁇ m-thick gold foil as a joining material under the following conditions, and joined in the same manner as in Reference Example B-2. The chemical resistance at the joints of the body was evaluated. The obtained results are shown in Table 18. As shown in Table 18, almost no decrease in strength was observed, and the bonding strength was maintained, and it was confirmed that the bonded body showed high chemical resistance.
- Example B-9 A 3 mm ⁇ 4 mm ⁇ 40 mm bent specimen-shaped joined body (joined at the center) prepared by joining zirconium foil as a joining material under the following conditions was prepared in the same manner as in Reference Example B-2. The chemical resistance at the joint was evaluated. The results obtained are shown in Table 19. As shown in Table 19, almost no decrease in strength was observed, and it was confirmed that the joint strength was maintained and the joined body showed high chemical resistance.
- Example B-10 3 mm ⁇ 4 mm ⁇ 40 mm bent specimen-shaped joined body (center) obtained by joining TiC—Al or TiC—Al—Si as a joining material in the same manner as Example B-6-1 or B-6-3 was prepared, and the chemical resistance of the bonded portion of the bonded body was evaluated in the same manner as in Reference Example B-2.
- the results obtained are shown in Table 20.
- Table 20 Although slightly inferior to the cases of copper, gold and zirconium, the decrease in strength is slight and its resistance to resistance is higher than that of the joined body using only aluminum of Reference Example B-2. Improvement in chemical properties was confirmed.
- a large-sized joined body can be provided at low cost by joining small members in boron carbide-containing ceramics that exhibit extremely excellent characteristics in terms of hardness and lightness. Furthermore, since it is possible to obtain a joined body with improved chemical resistance at the joint, it is possible to expand the use of boron carbide ceramics, which is a useful industrial member, from this point of view. However, it can be applied to various uses that have not been used because of a low yield. In addition, according to the present invention, by combining a plurality of small members, it is possible to provide a large member exhibiting properties equivalent to solid materials in terms of strength, and further in strength and chemical resistance. A total energy saving effect is produced in the manufacturing process, and a synergistic effect of cost and drastic reduction of green gas can be expected.
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Abstract
本発明は、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなる各セラミックス部材同士が、アルミニウム、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含む接合材で接合した接合層を介して一体化されてなるか、或いは、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物のいずれかと、チタン化合物とを接合材として形成した接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の強度が100MPa以上であることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体である。 本発明によれば、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を、簡便な方法で、かつ、接合強度が100MPa以上の高い強度をもって接合することができ、必要に応じて接合部の耐薬品性にも優れる接合を可能にする技術の提供することができる。
Description
本発明は、部材を接合して大型化させてなる、高い接合強度を示す炭化ホウ素含有セラミックス接合体、及びその接合体の製造方法に関する。さらに詳しくは、炭化ホウ素を含有するセラミックス製の小型部材同士を強固に接合し、高い接合強度で一体化し、高速で稼動する場合や、化学的な反応が起こりうる環境下で使用する用途にも適用可能な、大型化した炭化ホウ素含有セラミックス部材を提供する技術に関する。なお、本発明でいう「炭化ホウ素含有セラミックス」とは、炭化ホウ素を形成材料とし、かつ、炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックスを意味する。したがって、炭化ホウ素の含有率が数質量%と低いセラミックスから、炭化ホウ素を主成分とする、例えば、炭化ホウ素を60質量%以上含有するセラミックスや、さらには炭化ホウ素を99質量%以上含有する、高純度炭化ホウ素セラミックスの範囲までのセラミックスを意味する。
セラミックスは、金属材料と比較して軽量で硬く、高い弾性率を示す材料であることから、構造用部材として工業製品に幅広く応用されている。炭化ホウ素含有セラミックスは、実用セラミックスの中で最高の硬さと最高の軽量性(かさ密度:2.5g/cm3)を有し、例えば、高速で稼動する機械部材の構造材料等としての利用が期待されている。近年、常圧焼結で、理論密度の95%以上の高密度焼結体を得る方法が開発され(特許文献1参照)、純度の高い緻密質炭化ホウ素セラミックスを安価に安定して提供することが可能になったことから、今後、炭化ホウ素セラミックの広範な利用が期待されている。
一方、近年、稼動する機械部材の大型化は目覚しく、例えば、セラミックス材料が適用されている半導体製造装置用の露光装置では、シリコンウエハのサイズアップによって、稼動する機械部材であるステージも年々大型化しており、使用されるセラミック材料も広い面積を有するものが要求されている。かかる要求に応えるためには、セラミックス製造工程における工業施設や加工機を大型化する必要がある。しかし、この場合は、多大な設備投資を伴い、製品の経済性が損なわれるという極めて重大な実用上の課題を生じる。
このような状況下、小型のセラミックス部材を作製し、得られた複数の小型のセラミックス部材同士を接合して一体化し、大型化することで、低コストで優れた特性を示す大型部品を製造する技術が注目されており、後述するように、様々な研究機関や企業にて研究開発がなされている。しかし、セラミックス製の小型部材同士を強固に接合し、高い接合強度で一体化することは難しい。特に、炭化ホウ素含有セラミックスの利用が期待される高速で稼動する機械部材に用いる場合には、より高い接合強度が要求されるため、より優れた接合技術の確立が待望されている。
セラミックス部材同士を接合してセラミックス構造体とする方法としては、従来より、各種のロウ材を介して接合させることや、ガラスを介して接合させることが行われている。例えば、特許文献2では、セラミックスの種類に応じた適切な接合強度を得るために、金属とセラミックスとの接合を銀-銅-インジュウム系活性金属ロウを用いて行うことを提案している。また、特許文献3では、同種又は異種のセラミックスを接合する際に用いる、アルミニウム及びケイ素のオキシナイトライドガラスからなるセラミックス接合用接着組成物を提案している。
また、特許文献4では、接合すべき面を660℃以上に加熱し、アルミニウム材を介してセラミックス構造体を加熱或いは加圧接合することを提案している。また、特許文献5では、セラミックス焼結体の接合部分を、該セラミックスと同質化する接合方法を提案している。具体的には、アルミナ基板の間に金属アルミニウムを挟んで、加熱後、金属アルミニウムが基板と同様のアルミナになるように酸化処理することを提案している。また、特許文献6では、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材とセラミックスとを接合層を介して接合した接合体を提案しており、該接合層の強度は、接合層中に生成された金属間化合物の量に依存すること、金属間化合物の量は、接合層中に含まれるアルミ母相の銅の含有量を規定することで制御できることが開示されている。上記した技術で接合の対象としているセラミックスは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サイアロン、ジルコニア等である。
特許文献7では、エンジニアリングセラミックスとして高い特性を示す窒化ケイ素セラミックスを強固に接合させるために、接合面が互いに嵌め合いとなる形状を有する小型部材を作製し、嵌め合い部にケイ素を含むペーストを充填し、ケイ素を窒素中で窒化ケイ素とすることで接合を行う方法を提案している。
しかしながら、上述した種々の従来技術では、それぞれ、下記に述べるような課題があった。また、焼結助剤として炭化ホウ素を用いた極微量の炭化ホウ素を含有したセラミックス同士の接合の例はあるものの、炭化ホウ素セラミックスの形成材料に用いたもの同士の接合についてさえ検討はされていない。特に、本発明が最終的な目的としている、炭化ホウ素の含有率が高いものや、炭化ホウ素の含有率が高く緻密な炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を接合させることについての検討は、全くなされていない。このため、半導体製造装置用の露光装置におけるシリコンウエハを載せて使用するステージのような、高速で稼動する機械部材にも利用が可能な、高い接合強度で一体化してなる大型の炭化ホウ素含有セラミックス製部材を提供できる接合技術の開発が待望されている。この場合に求められる高い接合強度とは、接合した部分の強度が100MPa以上、さらに好ましくは200MPa以上である。
前述した特許文献2に記載の技術で用いられるロウ材は、銀-銅-インジュウム系で微量のチタンを含んだ活性金属ロウ材であり、活性金属を含有することによって、1回の処理でセラミックス同士を接合できる。しかし、構成する材質の異なるすべてのセラミックスがこの活性金属ロウ材で接合できるとは限らず、個々のセラミックスに対して最適な組成を選定する必要があり簡便な手段ではない。前述の特許文献3に記載の技術では、コスト面で有利なオキシナイトライドガラスを接合材として用いており、炭化ホウ素を焼結助剤として用いたセラミックス同士の接合にも適用が可能であるとしている。しかしながら、炭化ホウ素の主成分であるホウ素はガラス成分に容易に混入するため、本発明で目的とする炭化ホウ素を形成材料とするセラミックス同士の接合にあっては、接合部分等の特性が著しく変質し、一体化してなる大型部材の材質が均質なものにならないと考えられる。下記にも述べる通り、純度の高い炭化ホウ素セラミックス同士の接合については、高い接合強度を達成できる簡便な接合手段の報告はない。
特許文献4及び5に記載の技術は、いずれもアルミナ系セラミックスの接合にアルミニウムを使用するものであり、これらの文献では、それ以外のセラミックスの接合、特に炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を接合することに関しての検討はされていない。特許文献6も、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材と、セラミックスとを接合することに関する技術であり、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士の接合について、検討されていない。また、高いせん断強度が示されているものの、本発明が目的とする接合強度には及ばない。さらに、この技術では、セラミックスの接合面にはメタライズ処理が必要であり、小型部材を複数組み合わせて一体化して大型化することを考えると、その実施化には極めて高いプロセスコストが必要になると考えられる。また、特許文献7の技術では、セラミックス同士の強固な結合を実現するために、セラミックスの向かい合う接合面を、互いに嵌め合いとなる形状としており、セラミックス部材のフラットな面同士で強く接合できる技術が望まれる。さらに、この技術では、窒化ケイ素を主成分とするセラミックスの接合に、ケイ素を主成分としたペーストを用い、そのペーストを、乾燥・窒素雰囲気で窒化する工程を必要としており、この点からも高コスト化は避けられず改善の余地があった。
さらに、本発明者らは、開発していく過程で、炭化ホウ素含有セラミックス接合体における下記の新たな課題を認識するに至った。すなわち、炭化ホウ素含有セラミックス自体は耐薬品性に優れたものでもあるが、これを接合体とした場合は、接合部分が耐薬品性に劣り、用途によっては使用できない場合があるため、炭化ホウ素含有セラミックス接合体の接合部分の耐薬品性を向上させる必要があるという点である。
従って、本発明の目的は、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を、簡便な方法で、かつ、接合強度が100MPa以上の極めて高い強度を示す接合体に関する新たな技術を提供することにある。また、本発明の目的は、必要に応じて、その接合部分の耐薬品性を向上させた炭化ホウ素含有セラミックス接合体に関する新たな技術を提供することにある。さらに、本発明の目的は、高速で稼動する機械部材にも利用することが可能な、極めて高い接合強度で接合され一体化されてなる、また、必要に応じて接合部の耐薬品性を向上させた、大型或いは複雑な形状の炭化ホウ素含有セラミックス部材を、特殊な材料を用いることなく、簡便な方法で経済的に提供することができる炭化ホウ素含有セラミックス接合材の製造方法を提供することにある。本発明の目的は、上記新たな技術を提供し、機能性に優れた素材である炭化ホウ素含有セラミックスの広範な利用を可能にすることである。
上記の目的は、下記の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなる各セラミックス部材同士が、アルミニウム、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含む接合材で接合した接合層を介して一体化されてなるか、或いは、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物のいずれかと、チタン化合物とを接合材として形成した接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の強度が100MPa以上であることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体を提供する。
上記炭化ホウ素含有セラミックス接合体の好ましい形態としては、前記各セラミックス部材が、炭化ホウ素を60質量%以上含有してなる炭化ホウ素含有セラミックス接合体、前記接合層の厚みが、1~1,000μmである炭化ホウ素含有セラミックス接合体が挙げられる。
本発明の別の実施形態では、上記の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法を提供するが、使用する接合材によって下記の2種類の方法がある。第1の方法では、接合材として、アルミニウム、銅、金、又はジルコニウムのいずれかの金属或いはこれらの金属をベースとするいずれかの合金を用いる。
(第1の方法)
上記いずれかの炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム、銅、金、又はジルコニウムのいずれかの金属或いはこれらの金属をベースとするいずれかの合金からなる、箔、ペースト及び蒸着層から選ばれるいずれかの接合材を、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、大気中、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,600℃以下の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法を提供する。
(第1の方法)
上記いずれかの炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム、銅、金、又はジルコニウムのいずれかの金属或いはこれらの金属をベースとするいずれかの合金からなる、箔、ペースト及び蒸着層から選ばれるいずれかの接合材を、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、大気中、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,600℃以下の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法を提供する。
上記において、接合材にアルミニウム金属或いはアルミニウムをベースとする、いずれかの合金を用いた場合は、その加熱雰囲気によって、より強度に優れる炭化ホウ素含有セラミックス接合体が得られる加熱温度の範囲が異なる。これらの条件としては、下記(1)~(3)の3つの形態が挙げられる。
(1)真空条件下では、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱するとよい。
(2)不活性雰囲気中では、少なくとも接合させる部分を600℃~1,500℃の温度で加熱するとよい。
(3)大気中では、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱するとよい。
(1)真空条件下では、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱するとよい。
(2)不活性雰囲気中では、少なくとも接合させる部分を600℃~1,500℃の温度で加熱するとよい。
(3)大気中では、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱するとよい。
また、上記において、接合材に銅、金、又はジルコニウムのいずれかの金属或いはこれらの金属をベースとするいずれかの合金を用いた場合は、接合させる部分を700℃以上1,600℃以下の温度で加熱するとよい。
(第2の方法)
上記いずれかの炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、スラリー状或いはペースト状のチタン化合物を塗布し、シート化し、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、セラミックス部材同士を密着させた状態で保持し、さらに、該接合部分の上部に、金属アルミニウム粉末又はアルミニウム化合物の粉末を含む接合材を配し、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱し、上記アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合部分のチタン化合物へ含浸させて接合させることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法を提供する。
上記いずれかの炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、スラリー状或いはペースト状のチタン化合物を塗布し、シート化し、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、セラミックス部材同士を密着させた状態で保持し、さらに、該接合部分の上部に、金属アルミニウム粉末又はアルミニウム化合物の粉末を含む接合材を配し、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱し、上記アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合部分のチタン化合物へ含浸させて接合させることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法を提供する。
本発明によれば、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなる各炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を、簡便な方法で接合した、100MPa以上の高い接合強度をもつ炭化ホウ素含有セラミックス接合体が提供される。本発明によれば、さらに、その接合材を選択することで、高い接合強度に加え、その接合部分が耐薬品性に優れる炭化ホウ素含有セラミックス接合体の提供が可能になる。このため、本発明によれば、高速で稼動する機械部材にも利用が可能な極めて高い接合強度で接合して一体化されてなる、大型或いは複雑な形状の炭化ホウ素含有セラミックス部材や、必要に応じて接合部の耐薬品性を向上させた炭化ホウ素含有セラミックス部材の提供が可能になる。ここで接合強度とは、接合体が示す強度を総称している。
以下、本発明の好ましい実施の形態を挙げて、本発明を詳細に説明する。本発明者らは、上記した従来技術の課題を解決すべく鋭意検討の結果、まず、第1の形態として、炭化ホウ素を2質量%以上、さらには炭化ホウ素を60質量%以上含有してなる炭化ホウ素含有セラミックス部材同士の間に、アルミニウム或いはアルミニウム化合物を主成分とする、箔、ペースト及び蒸着層を介在させて、微少量のアルミニウムを介在させた状態で部材同士を保持して、加熱雰囲気にもよるが、600℃以上の温度で加熱することで、接合強度が100MPa以上である強固な接合状態を実現できることを見出した。
さらに、本発明者らは、上記したような炭化ホウ素含有セラミックス接合体についての詳細な検討を行っていく過程で、金属アルミニウム或いはアルミニウム化合物を接合材とした炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、その接合強度において極めて優れたものになるものの、接合部分が耐薬品性に劣り、用途によっては接合体を使用できない場合があり、改善の余地があるとの認識を持つに至った。
本発明者らは、この新たに認識した課題を解決すべく鋭意検討の結果、第2の形態として、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含むものを接合材とすることで、いずれの場合も、炭化ホウ素を2質量%以上含有してなる各セラミックス部材(以下、単に炭化ホウ素含有セラミックス部材とも呼ぶ)同士を、その接合強度が100MPa以上となる強固な接合状態を実現でき、しかも、その接合部分は十分な耐薬品性を有するものになることを見出した。
本発明者らは、接合部における耐薬品性を向上させることを目的としてさらなる検討を行った結果、第3の形態として、チタン化合物を併用することで、アルミニウムを接合材とした場合にも耐薬品性の向上が達成できることを見出した。すなわち、接合材に、金属アルミニウムとチタン化合物、或いは、アルミニウム化合物とチタン化合物とを用いることで、先に述べた金属アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合材とした場合と比較して、得られる接合体は、接合強度が100MPa以上の強固な接合状態を実現すると同時に、接合部における耐薬品性が向上したものになることがわかった。この場合は、金等を接合材とした第2の形態と比べて、安価な材料で耐薬品性が向上した接合が可能になるという利点がある。
ここで、部材同士の接合強度が100MPa以上であることは、その接合部分が、炭化ホウ素含有セラミックス自体の強度と、使用上ほぼ同じレベルであることを意味する。従って、このような接合状態で一体化されて、大型化或いは多様な形状とされた炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、その強度において、接合処理をせずに炭化ホウ素含有セラミックス自体で作製された大型化された部材や、多様な形状の部材と遜色がない。
上記した第1~第3の形態によって、接合強度が100MPa以上の強固な接合状態を有する炭化ホウ素含有セラミックス接合体となる理由は定かではないが、本発明者らは、接合部分についての詳細な検討の結果から、以下のように考えている。
まず、アルミニウム又はアルミニウム化合物(以下、金属アルミニウムを例にとる)を接合材として用いた第1の形態の場合について説明する。炭化ホウ素含有セラミックス部材同士の間に介在させたアルミニウムは、炭化ホウ素との濡れ性が良好なものであることから、容易に接合面に均一にいきわたらせることができると考えられる。また、アルミニウムは、炭化ホウ素と様々な化合物を形成し、アルミニウムホウ化物、アルミニウムと炭素とホウ素の化合物を形成する。このため、炭化ホウ素含有セラミックス部材の間に、例えば、アルミニウムを90質量%以上含んでなる、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合材とし、これを微少量で介在させ、この状態を保持しながら、アルミニウムの融点以上の温度で加熱すると、微少量のアルミニウムが、その接合面に均一な状態にいきわたり、炭化ホウ素とアルミニウムが反応して、これらが混在する接合層が形成されるものと考えられる。すなわち、該接合層では、金属アルミニウムの状態で存在するものもあるが、それよりも、ホウ化アルミニウムや炭ホウ化アルミニウム等が生成されて、アルミニウムが炭化ホウ素と融合し、これらが混在した状態になる。このような接合層を介して炭化ホウ素同士が接合することとなった結果、母材である炭化ホウ素のみからなるセラミックスの強度にほぼ近い100MPa以上、さらには300MPa以上という極めて高い接合強度を示す、従来の技術では到底得られなかった炭化ホウ素含有セラミックス接合体とできたものと推論している。
上記のことを検証するため、本発明者らは、接合材としてアルミニウムを用いてなる本発明の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の接合部分についての詳細な検討を行った。まず、上記接合体の接合層の微細構造を、SEM(走査型電子顕微鏡)を使って観察した。その結果、得られたSEM写真の図を図2-1~図2-3に示した。これらの図に示されているように、第1の形態では、被接合体である炭化ホウ素焼結体の接合面に、例えば、1,000nm(1μm)以下の無数の亀裂或いは気孔や、アスペクト比が5以上と大きい亀裂或いは気孔が存在し、さらに、これらの亀裂或いは気孔の極めて細い内部先端にまで、アルミニウムが浸透して接合層が形成されていることを確認した。このことから、接合材としてアルミニウムを用いた第1の形態の炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、アルミニウムと炭化ホウ素とが融合して強固に接合するとともに、その接合時に、炭化ホウ素焼結体の接合面に生じる無数のナノレベルの亀裂或いは気孔内に、浸透性のよいアルミニウムが極めて細い部分にまで入り込み、この結果、アルミニウムが、ヘアークラックを埋めつつ強固な結合を生じさせ(所謂、アンカー効果)、炭化ホウ素含有セラミックス接合体の接合部分に、従来、達成できなかった極めて高い接合強度を発現できたものと推論される。
さらに、上記のようにして形成されている接合層の形成成分について詳細な検討を行った。その結果、接合層中に、金属アルミニウム、炭化ホウ化アルミニウム(例えば、Al3BC、Al3B48C2、AlB12C2、Al8B4C7、Al2B51C8、AlB40C4又はAlB24C4など)、ホウ化アルミニウム(例えば、AlB2、AlB10又はAlB12など)、炭化アルミニウム(例えば、Al4C3)のいずれかが存在していることを確認した。本発明者らは、これらのアルミニウムと炭化ホウ素との反応物が接合層内に混在していることも、極めて強固な結合を生じさせることができた一因であると考えている。
次に、第2の形態について説明する。この場合は、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含むものを接合材とすることで、いずれの場合も、炭化ホウ素を2質量%以上、さらには炭化ホウ素を60質量%以上含有してなる各セラミックス部材同士を、その接合強度が100MPa以上となる強固な接合状態を実現でき、しかも、その接合部分は十分な耐薬品性を有するものになる
例えば、接合材として、銅、金又はジルコニウムのいずれかの金属或いはいずれかの金属をベースとする合金の、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを接合部分に介在させ、上記いずれかの金属が微少量介在した状態で、各炭化ホウ素含有セラミックス部材を保持し、接合部分を700℃以上1,600℃以下の温度で加熱するといった極めて簡単な方法で、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士間を、接合強度が100MPa以上である強固な接合状態で接合できる。さらに、先に述べた第1の形態のアルミニウムを接合材とした炭化ホウ素含有セラミックス接合体の場合と比較すると、接合温度が高温になるものの、金属アルミニウム等を接合材とした場合と比較して接合部における耐薬品性が向上したものとなる。このため、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士の接合に、銅、金又はジルコニウムのいずれかの金属或いはいずれかの金属をベースとする合金を接合材に用いれば、得られる接合体は、耐薬品性が要求される用途への展開も可能なものになるので、炭化ホウ素含有セラミックス接合体の用途のさらなる拡大を図ることができる。
上記した第2の形態によっても、接合強度が100MPa以上の強固な接合状態を有する炭化ホウ素含有セラミックス接合体となる理由は定かではないが、本発明者らは、以下のように考えている。炭化ホウ素含有セラミックス部材同士の間に介在させた本発明で規定する銅又は金或いはいずれかの金属をベースとする合金からなる接合材は、いずれの場合も、接合面に介在させて所定の温度以上とすることで、容易に接合面に均一にいきわたらせることができると考えられる。なお、本発明の効果は、上記した金属をベースとする合金を接合材に用いた場合であっても得られるが、以下、各金属を例にとって説明する。
第2の形態で規定する金属の中の銅を接合材として用いた場合の接合体の接合層の微構造を、第1の形態で接合材としたアルミニウムの場合と同様、SEMを使って観察した。この結果、形成される接合層に、先に説明した第1の形態の場合と同様に、銅が炭化ホウ素接合面の亀裂或いは気孔の内部に浸透していることを確認した(図3-1参照)。したがって、銅を接合材として用いた場合は、金属アルミニウムを接合材とした場合と同様に、そのアンカー効果と欠陥減少によってセラミックス部材同士が強固に一体化されたものと考えられる。
また、第2の形態で規定する金属の中の金を接合材として用いた接合部分のSEMには、図3-2に示したように、炭化ホウ素表面の亀裂や気孔への浸透は見られなかった。このことから、この場合は、溶融しても炭化ホウ素と反応することはないが、金を介して、直接、セラミックスの界面が強固に接合された結果、十分な接合強度を発現したものと考えられる。また、第2の形態で規定する金属の中の、溶融温度(1,857℃)の高いジルコニウムを接合材とした場合も高い接合強度の接合体が得られたが、ジルコニウムは、本発明で規定する所定の温度範囲の程度では当然、溶融しない。このため、ジルコニウムを用いた場合は、加熱することで、その一部が炭化ホウ素と反応し、これによって高い接合強度の実現が達成されたものと考えている。
上記のようにして形成した各接合層の形成成分についての詳細な検討によれば、銅又は金を用いた接合層中には炭化ホウ素との反応によって生成された化合物がみられず、金属単体で構成されていることを確認した。一方、ジルコニウムを用いた接合層中には、ジルコニウム、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)及び炭化ジルコニウム(ZrC)のいずれかが存在することを確認し、上記の推論が支持された。すなわち、これらの結果から、ジルコニウムを用いた場合は、セラミックス部材中の炭化ホウ素成分からの炭素やホウ素とジルコニウムが反応し、これらの化合物を形成し、金属単体以外に、これらが混在する接合層が形成されたものと考えられる。
以上の検討結果から、ジルコニウムを接合材とした場合は、接合材としてアルミニウムを用いた場合と同様に、その接合層は、接合材に用いた金属がそのままの状態で存在するのに加え、使用した金属が炭化ホウ素と融合し、これらの金属のホウ化物や炭化ホウ化物等が生成されて、これらが混在した状態になって接合し、この結果、強固な接合が実現されたものと考えられる。一方、銅を接合材に用いた場合は、接合材としてアルミニウムを用いた場合と同様に、各セラミックス部材の表面に亀裂或いは気孔が存在し、これらの内部まで銅或いはアルミニウム成分が浸透していた現象から、そのアンカー効果と欠陥減少によってセラミックス部材同士の強固な一体化が実現されたものと考えられる。
先に述べたように、本発明の第3の形態では、接合材に、金属アルミニウムとチタン化合物、或いは、アルミニウム化合物とチタン化合物とを用いる。この場合は、例えば、下記のような方法で簡便に炭化ホウ素含有セラミックス接合体を製造できる。まず、それぞれが炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、スラリー状或いはペースト状のチタン化合物を塗布し、シート化し、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、セラミックス部材同士を密着させた状態で保持する。次に、チタン化合物が介在している接合部分の上部に、金属アルミニウム粉末又はアルミニウム化合物の粉末を含む接合材を配し、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱し、上記アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合部分へチタン化合物を含浸させて接合させる。
本発明者らの検討によれば、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物のいずれかと、チタン化合物とを接合材として用いた本発明の第3の形態の場合には、その接合層中に、金属アルミニウム以外に、アルミニウムと、炭素、ホウ素、ケイ素及びチタンのうち少なくとも一種類を含む化合物が種々存在したものとなる。具体的には、その接合層中に、炭化ホウ化アルミニウム(例えば、Al3BC、Al3B48C2、AlB12C2、Al8B4C7、Al2B51C8、AlB40C4、AlB24C4など)、ホウ化アルミニウム(例えば、AlB2、AlB10、AlB12など)、炭化アルミニウム(例えば、Al4C3)、炭化チタン(TiC)、ホウ化チタン(TiB2)、アルミチタン合金(TiAl3)、アルミシリコン合金(TiSi2)のいずれかが存在することを確認した。このことから、チタン化合物を併用することで、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合材として接合した場合とは異なる構成成分からなる接合層が形成され、この結果、接合部分が耐薬品性に優れるものになったと考えられる。
以下、本発明の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の構成について説明する。まず、接合する際に用いる各セラミックス部材は、炭化ホウ素を2質量%以上含有しているものであればよく、その構成成分は用途によって異なり、炭化ホウ素の含有量の異なるものを適宜に選択して使用すればよい。例えば、比較的高い靱性値が要求される用途では、炭化ホウ素を2~3質量%含有する炭化物、代表的なものとしては炭化ケイ素を主成分とするセラミックス部材を用いることが好ましい。また、高速で稼動し、高い位置精度が求められる用途では、炭化ホウ素の含有量が高い組成領域のもの、例えば、炭化ホウ素含有量として、60質量%以上、さらには80質量%以上の値を示すセラミックス部材を用いることが好ましい。例えば、各炭化ホウ素含有セラミックス部材に、純度が80質量%以上、さらには99質量%以上であって、理論密度が95質量%以上の緻密な炭化ホウ素含有セラミックスを使用すれば、得られる炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、軽量で硬く、高い弾性率を示し、しかも高い接合強度と、必要に応じて接合部の耐薬品性を満足した大型のものとできる。炭化ホウ素含有セラミックス部材の形状も、その一部に、できるだけ平坦な接合面をそれぞれ設けることが好ましいが、それ以外は制約を受けることなく、目的とする大型或いは複雑な形状の接合体に合わせて自由に設計することができる。
上記した本発明の炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、下記の本発明の製造方法によって、特殊な材料や装置を用いることなく、簡易に、かつ、安定して得ることができる。以下、本発明の製造方法について詳細に説明するが、本発明における第1、第2の形態の接合体と、第3の形態の接合体では、一部、製造手順が異なるため、それぞれに説明する。
(第1、第2の形態の接合体の製造方法)
本発明の製造方法では、まず、接合させるための複数の炭化ホウ素含有セラミックス部材を用意し、これら部材の接合面に、アルミニウム、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含む接合材を介在させて、この状態で互いの部材が保持されるようにし、さらに、少なくとも接合させる部分を加熱することで接合体を得る。先に述べたように、本発明では、接合材として用いる金属材料によって接合層の状態は異なるものになるが、いずれの場合も、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を強固に接合させることができる。また、銅、金及びジルコニウムのいずれかを含むものを接合材として用いれば、高い接合強度に加えて、接合部分の耐薬品性に優れた接合体が得られる。
本発明の製造方法では、まず、接合させるための複数の炭化ホウ素含有セラミックス部材を用意し、これら部材の接合面に、アルミニウム、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含む接合材を介在させて、この状態で互いの部材が保持されるようにし、さらに、少なくとも接合させる部分を加熱することで接合体を得る。先に述べたように、本発明では、接合材として用いる金属材料によって接合層の状態は異なるものになるが、いずれの場合も、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を強固に接合させることができる。また、銅、金及びジルコニウムのいずれかを含むものを接合材として用いれば、高い接合強度に加えて、接合部分の耐薬品性に優れた接合体が得られる。
上記で使用する接合面に介在させる接合材としては、アルミニウム、銅、金、ジルコニウム群中の少なくとも一種類の金属単体をベースとして含んでなる(例えば、ベースの金属が90質量%以上、さらには99%以上含有)、箔、ペースト及び蒸着層のいずれかを、その厚みが1,000μm以下となる範囲で、より好ましくは100μm以下、さらには、50μm以下の範囲で用いるとよい。その下限値は、5μm以上、少なくとも数μmの厚みで設けることが好ましい。本発明者らの検討によれば、接合面に介在させる上記金属の量は、あまり多過ぎると本発明で目的とするまでの高い接合強度を得ることができない。具体的なものとしては、その厚みは使用する材料にもよるが、例えば、10μm、50μm或いは100μm程度の厚みを有する、市場から得られる、所謂金属箔を、接合する部分に介在させることが好ましい。
接合部分に接合材を介在させるその他の方法としては、下記の方法が挙げられる。炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合面に、上記いずれかの金属粉末を有機溶剤等の液媒体に分散させてなるペースト状のものを上記範囲の厚みに塗布する方法や、上記接合面に上記範囲の厚みで、上記いずれかの金属を蒸着させて蒸着層を形成する方法や、溶射させて上記いずれかの金属を介在させる方法が挙げられる。
本発明で用いる接合材は、上記いずれかの金属であれば、様々な純度の材料を用いることができるが、金属の純度は高い方が好ましい。例えば、上記いずれかの金属を90質量%以上の範囲で含む材料を用いることが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されず、上記いずれかの金属以外に、その他の成分を含むものも接合材として用いることができる。例えば、アルミニウム以外のその他の成分として、銅、マンガン、マグネシウム、ケイ素及び亜鉛などを含む合金も接合材として用いることができる。また、銅以外のその他の成分として、亜鉛、スズ、アルミニウム、ニッケル、鉛及びマンガンなどを含む合金も接合材として用いることができる。また、金以外のその他の成分として、銅、銀、及びニッケルなどを含む合金も接合材として用いることができる。ジルコニウム以外のその他の成分として、スズ、鉄、ニッケル、クロムなどを含む合金も接合材として用いることができる。なお、接合材に合金を用いた場合は融点が大幅に低下するので、使用する接合材の融点との兼ね合いで、接合部分の加熱温度を適宜に決定すればよい。
上記したようにして、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士の接合面に上記いずれかの金属を含む接合材を介在させた後、カーボンや耐熱性の金属等の冶具で、この状態が保持されるようにして固定する。固定する際に、部材同士を圧着してもよいし、接合時に製品がズレたり、動かない範囲で無負荷の状態で保持してもよい。本発明では、次に、この状態で少なくとも接合させる部分を加熱して、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を接合させる。以下、加熱する条件について説明する。
本発明者らは、加熱条件について詳細な検討を行う過程で、本発明において特に重要なことは、加熱の際に、炭化ホウ素含有セラミックス部材同士を接合させる部分に、上記いずれかの金属を、多くなり過ぎない僅少量、介在させることであることを見い出した。したがって、その加熱の温度条件は、接合材として、アルミニウム、銅又は金或いはその合金を使用する場合は、使用する金属或いは合金のそれぞれの融点以上の温度で加熱すればよく、特に詳細に規定する必要はない。しかし、より強固な接合を実現するためには、温度以外の加熱条件に応じて、使用する接合材に好適な温度範囲で加熱すればよいことがわかった。以下、接合材に用いる金属ごとに説明する。
接合材にアルミニウム或いはその合金を用いた場合について説明する。この場合は、まず、加熱雰囲気は、真空条件下、不活性雰囲気中(Ar又はN2)、或いは、大気中のいずれであってもよい。ただし、接合した部分の強度が100MPa以上を示す強固な接合体とするためには、加熱雰囲気に応じて、下記の温度範囲となるようにして加熱することが好ましく、この結果、本発明が目的とする強固な炭化ホウ素含有セラミックス接合体を安定して得ることができることを確認した。
具体的には、下記の通りである。
(1)真空条件下で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を600℃~1,200℃の温度で加熱するとよい。
(2)不活性雰囲気下で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を600℃~1,500℃の温度で加熱するとよい。
(3)大気中で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱するとよい。
(1)真空条件下で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を600℃~1,200℃の温度で加熱するとよい。
(2)不活性雰囲気下で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を600℃~1,500℃の温度で加熱するとよい。
(3)大気中で加熱する場合には、少なくとも接合させる部分を600℃以上800℃よりも低い温度で加熱するとよい。
上記した加熱温度は、加熱する雰囲気や、使用する接合材やセラミックス部材によっても異なるが、強度のより高い接合体が得られる最適範囲としては、下記のようである。真空条件下で加熱する場合は、800~1,100℃、さらには900~1,100℃の温度範囲で加熱することが好ましい。また、不活性雰囲気下で加熱する場合は、1,200℃以上1,500℃以下の温度範囲で加熱することが好ましい。本発明は、大気中での加熱によっても強固な接合体を得ることができるが、この場合には、炭化ホウ素が、顕著に酸化する現象が認められた800℃よりも低ければよく、特に、600℃以上700℃以下の温度範囲で加熱することが好ましい。
接合材に銅、金又はジルコニウム或いはいずれかの金属をベースとする合金を用いた場合について説明する。接合材として銅或いはその合金又は金或いはその合金を使用する場合は、使用する金属或いは合金のそれぞれの融点以上の温度で加熱すればよく、例えば、700℃以上で加熱すればよい。好ましくは、1,200℃以上1,600℃以下の範囲、さらには、1,200℃以上1,500℃以下で加熱することが好ましい。また、接合材としてジルコニウムを使用する場合は、その溶融温度は1,857℃以上と高いが、本発明者らの検討によれば、炭化ホウ素と反応する1,200℃以上で加熱すれば、強固な接合が可能になることを見出した。さらに、より強固な接合を実現するためには、温度以外の加熱条件に応じて、下記の温度範囲で加熱することが好適であることがわかった。
まず、接合材に銅、金又はジルコニウムを用いた場合、加熱雰囲気は、真空条件下、不活性雰囲気中(Ar又はN2)、のいずれであってもよい。そして、接合した部分の強度が100MPa以上を示す強固な接合体を安定して得るためには、使用する金属の種類にもよるが、加熱雰囲気に応じて、下記の温度範囲となるようにして加熱することが好ましい。具体的には、真空条件下で加熱する場合は、700~1,600℃、さらには、1,200~1,500℃の温度範囲で加熱することが好ましい。また、不活性雰囲気下で加熱する場合は、1,200℃以上1,600℃以下の温度範囲で加熱することが好ましい。
また、加熱時間は、接合材として使用する金属の種類や、セラミックス部材の種類や、接合部分の大きさにもよるが、数時間、具体的には、1~3時間程度とすればよい。その後、徐冷することで、接合層を介してセラミックス部材が一体化されてなり、その接合強度が100MPa以上である本発明の炭化ホウ素含有セラミックス接合体を、容易に得ることができる。さらに、本発明の製造方法において、使用する接合材の材料や、加熱処理条件を選べば、140MPa以上、さらには160MPa以上、場合によっては200MPa程度、さらには、300MPa以上の、より接合強度の高い接合体を得ることができる。
(第3の形態の接合体の製造方法)
先に述べた通り、接合強度のみならず、耐薬品性に優れる炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、上記した場合以外に、その接合部分の形成に、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物のいずれかと、チタン化合物とを用いた場合にも簡便な方法で得ることができる。すなわち、上記材料を接合材として用い、アルミニウムとチタン化合物を複合化させることによっても炭化ホウ素含有セラミックス同士を強固に接合し、しかも、その耐薬品性を向上させることができる。以下、この場合の製造方法について詳細に説明する。
先に述べた通り、接合強度のみならず、耐薬品性に優れる炭化ホウ素含有セラミックス接合体は、上記した場合以外に、その接合部分の形成に、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物のいずれかと、チタン化合物とを用いた場合にも簡便な方法で得ることができる。すなわち、上記材料を接合材として用い、アルミニウムとチタン化合物を複合化させることによっても炭化ホウ素含有セラミックス同士を強固に接合し、しかも、その耐薬品性を向上させることができる。以下、この場合の製造方法について詳細に説明する。
まず、炭化ホウ素含有セラミックス部材を接合させる部分に、チタン化合物スラリー或いはペーストを塗布する。チタン化合物スラリーとしては、炭化チタンや窒化チタン等のチタン化合物粉末、バインダー及び分散剤をボールミルにて混合して作製したものを用いるとよい。具体的な塗布方法としては、ドクターブレード法又はスクリーン印刷にて接合面にチタン化合物スラリーを薄く塗布し、カーボンや耐熱性の金属等の冶具で、この状態が保持されるようにして固定する。固定する際に部材同士を圧着してもよいし、接合時に製品がズレたり、動かない範囲で無負荷の状態で保持してもよい。さらに、この状態で、少なくとも接合させる部分の上部に、金属アルミニウム粉末、またはアルミニウムを含む金属粉末をのせ、加熱して、金属アルミニウム粉末またはアルミニウムを含む金属粉末を溶融させ、接合部分へ含浸させる。アルミニウムを含む金属粉末としては、例えば、アルミニウムとシリコンとをそれぞれ50質量%の割合で混合したもの等を用いることができる。
上記した本発明の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法による接合処理の結果、形成される前記した接合層に存在する金属やその化合物は、電子線マイクロアナライザー(EPMA:波長分散型分光器WDS、エネルギー分散型分光器EDS)による表面分析法や、透過型電子顕微鏡(TEM)によるX線分析装置によって測定することができる。また、X線回折法(XRD)により結晶構造を同定することにより、測定できる。本発明者らの検討によれば、接合材の形成成分の炭化ホウ素化合物が存在している接合層となる範囲は、介在させた接合材の厚みと、圧着等の保持方法にもよるが、その範囲は、条件に依存し、1~300μm程度となる。得られる接合体の接合強度と、この接合層となる範囲との関係については、より詳細な検討が待たれるが、より高い強度を達成するためには、接合層の厚みが、10~100μm程度となるようにするとよい。
上記したようにして得られる本発明の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の耐薬品性は、例えば、下記のような方法で確認し、評価することができる。接合層を介して一体化された接合体の強度を測定し、その値をP1とする。この接合体を、強酸又は強アルカリの2mol/Lの水溶液に室温で72時間浸漬した後の接合体の強度を測定し、その値をP2とする。使用する薬品は、耐酸性が求められる場合は、塩酸や硝酸や硫酸等を用い、耐アルカリ性が求められる場合は、水酸化ナトリウム等を適宜に用いればよい。そして、(P1-P2)/P1で求められる値を強度残存率と定義し、この値が1に近いか否かで評価を行えばよい。例えば、強度残存率が0.8以上のものを耐薬品性があるとして判断し、使用するようにすればよい。
本発明の実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
<<第1の形態>>
[実施例A-1-I(接合材の厚みと強度の関係)]
接合後の接合体の少なくとも一辺の全長が40mmとなるようにするため、20mm×20mm×4.5mmの板状の、99%の高純度炭化ホウ素セラミックス部材を2枚1組として用意した。また、接合材として、アルミニウム含有量99.8質量%の、5~1,000μmまでの厚みの異なるアルミニウム箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、それぞれ厚みの異なるアルミニウム箔を用い、アルミニウム箔が重なって厚みが不均一にならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を1,000℃の温度にして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。
<<第1の形態>>
[実施例A-1-I(接合材の厚みと強度の関係)]
接合後の接合体の少なくとも一辺の全長が40mmとなるようにするため、20mm×20mm×4.5mmの板状の、99%の高純度炭化ホウ素セラミックス部材を2枚1組として用意した。また、接合材として、アルミニウム含有量99.8質量%の、5~1,000μmまでの厚みの異なるアルミニウム箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、それぞれ厚みの異なるアルミニウム箔を用い、アルミニウム箔が重なって厚みが不均一にならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を1,000℃の温度にして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。
また、上記と同様の炭化ホウ素セラミックス部材を用い、2枚のセラミックス部材の接合部分の接合面に、アルミニウムをブチルアルコール系の溶剤に分散させたペーストを、スクリーン印刷により、10μmの厚さとなるように塗布した。さらに、上記と同様の炭化ホウ素セラミックス部材を用い、2枚のセラミックス部材の接合部分の接合面に、真空中でアルミニウムを、6μmの厚さとなるように蒸着した。これらをそれぞれ、上記と同様にしてカーボン冶具にて固定し、上記と同様の加熱条件で、接合処理を行って、2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材が接合した接合体を得た。
上記で得られた各接合体を加工して、JIS R1601(ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法)に準じて、接合箇所が中央となるようにしてなる、厚み3mm、幅4mm、長さ40mmの試験片を、それぞれ作製した。そして、得られた試験片を用いて、JISに準拠して抗折強度を測定し、結果を表1に示した。また、接合処理によって形成された接合部分について、上記の各試験片を側面から顕微鏡観察して、アルミニウム又はアルミニウム化合物が存在している範囲を接合層の厚みとして測定し、結果を表1にまとめて示した。
[実施例A-1-II(接合層の状態)]
下記のようにして得た接合体の接合層を詳細に調べた。まず、代表として、炭化ホウ素焼結体を#200の砥石で研削し、50×50×10mmのプレートを2枚1組として用意した。また、アルミニウム含有量99.8質量%の、100μmの厚みアルミニウム箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、上記アルミニウム箔を重ならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。接合する際の条件を、真空条件下、接合させる部分を1,000℃の温度にして接合体を得た。そして、得られた試料を切断し、研磨を行い、SEMを使って、接合体の接合層の微細構造を観察した。そして、図2-1~図2-3に、得られたSEM写真を示す図を示した。
下記のようにして得た接合体の接合層を詳細に調べた。まず、代表として、炭化ホウ素焼結体を#200の砥石で研削し、50×50×10mmのプレートを2枚1組として用意した。また、アルミニウム含有量99.8質量%の、100μmの厚みアルミニウム箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、上記アルミニウム箔を重ならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。接合する際の条件を、真空条件下、接合させる部分を1,000℃の温度にして接合体を得た。そして、得られた試料を切断し、研磨を行い、SEMを使って、接合体の接合層の微細構造を観察した。そして、図2-1~図2-3に、得られたSEM写真を示す図を示した。
この結果、図2-1~図2-3に示したように、被接合体である炭化ホウ素焼結体の接合面には1μm(1,000nm)以下の幅の無数の亀裂や気孔、アスペクト比が5以上と大きい亀裂が存在していた。さらに、これらの亀裂の内部先端の極めて細い部分にまでアルミニウムが浸透して接合層が形成されていることを確認した。図2-1~図2-3の各図について、亀裂の長さと幅を実測し表2に示した。また、そのアスペクト比を算出し、合わせて表2に示した。
これらの事実から、炭化ホウ素焼結体において、上記した方法で従来にない強固な接合が達成された理由は、下記のようであると考えられる。まず、アルミニウムと炭化ホウ素が融合し、強固に接合する。さらに、炭化ホウ素焼結体自体、破壊靭性値が2~3MPa・m1/2と小さく、加工時には表面に無数のヘアークラックが生じることは不可避である。一方、上記の接合方法では、このような接合部分に浸透性の高いアルミニウムを介在させている。これらのことは、接合時に、炭化ホウ素焼結体の接合面に生じる無数のナノレベルの亀裂内にアルミニウムが入り込み、このことによって、図2-1~図2-3に示したように、アルミニウムが、極めて細いヘアークラックを埋めつつ強固な結合が生じさせ(アンカー効果)、この結果、接合部分に、従来なかった高い強度が発現したものと推定される。すなわち、本発明では、本来、強度低下を招く欠陥となると考えられる加工時に炭化ホウ素焼結体表面に生じる亀裂を、接合部分に浸透性の高いアルミニウムを介在させることで接合に利用し、上記したアンカー効果によって極めて強固な接合を達成している。
また、EPMA及びXRDを使って接合層の分析を行った。この結果、接合層には、主に金属アルミニウムが存在しているが、その他に、炭化ホウ化アルミニウム(Al3BC、Al3B48C2、AlB12C2、Al8B4C7、Al2B51C8、AlB40C4、AlB24C4)、ホウ化アルミニウム(AlB2、AlB10、AlB12)、炭化アルミニウム(例えば、Al4C3)が存在した状態となっていることを確認した。
(比較例A-1)
実施例A-1で使用したと同様のセラミックス部材を複数用意し、また、接合材として、200μmの厚みのシリコンと、100μmの厚みのオキシナイトライドガラス(酸窒化ガラス)を用意した。そして、2枚のセラミックス部材と、それぞれの接合材を用いて、窒素雰囲気下、表3に示した各温度条件で2時間加熱して各接合体を作製した。しかし、窒素雰囲気下、1,500℃以上の高温で処理したにもかかわらず、いずれの場合も接合しなかった。比較例A-1の接合体の作製条件を表3にまとめて示した。
実施例A-1で使用したと同様のセラミックス部材を複数用意し、また、接合材として、200μmの厚みのシリコンと、100μmの厚みのオキシナイトライドガラス(酸窒化ガラス)を用意した。そして、2枚のセラミックス部材と、それぞれの接合材を用いて、窒素雰囲気下、表3に示した各温度条件で2時間加熱して各接合体を作製した。しかし、窒素雰囲気下、1,500℃以上の高温で処理したにもかかわらず、いずれの場合も接合しなかった。比較例A-1の接合体の作製条件を表3にまとめて示した。
(評価結果)
表3に示したように、炭化ホウ素セラミックス部材を、シリコンやオキシナイトライドガラスを接合材として接合させた比較例A-1のものでは、部材同士を接合することができなかった。これに対し、1,000μmの厚みまでのアルミニウム箔を接合材として接合させた実施例A-1では、アルミニウムの融点以上の温度である1,000℃の加熱で、いずれの厚みの接合材を用いた場合においても、ほぼ母材である炭化ホウ素セラミックスと同等な高い抗折強度を示す接合体を得ることができた。さらに、アルミニウムを、ペースト塗膜や、蒸着によって接合面に介在させた場合においても、高い接合強度を示す接合体が得られることを確認した。
表3に示したように、炭化ホウ素セラミックス部材を、シリコンやオキシナイトライドガラスを接合材として接合させた比較例A-1のものでは、部材同士を接合することができなかった。これに対し、1,000μmの厚みまでのアルミニウム箔を接合材として接合させた実施例A-1では、アルミニウムの融点以上の温度である1,000℃の加熱で、いずれの厚みの接合材を用いた場合においても、ほぼ母材である炭化ホウ素セラミックスと同等な高い抗折強度を示す接合体を得ることができた。さらに、アルミニウムを、ペースト塗膜や、蒸着によって接合面に介在させた場合においても、高い接合強度を示す接合体が得られることを確認した。
(実施例A-2、比較例A-2)
実施例A-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、加熱温度を、500~1,200℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例A-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表4に示した。
実施例A-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、加熱温度を、500~1,200℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例A-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表4に示した。
(評価結果)
表4に示したように、真空中、500℃の条件で処理した比較例A-2-2では接合しなかったのに対して、実施例A-2-1~A-2-6に示したように、600~1,100℃までの温度範囲ではいずれも高い接合強度を示す接合体が得られた。しかし、1,200℃の条件で処理した比較例A-2-1では、アルミニウムが蒸発し、接合していなかった。
表4に示したように、真空中、500℃の条件で処理した比較例A-2-2では接合しなかったのに対して、実施例A-2-1~A-2-6に示したように、600~1,100℃までの温度範囲ではいずれも高い接合強度を示す接合体が得られた。しかし、1,200℃の条件で処理した比較例A-2-1では、アルミニウムが蒸発し、接合していなかった。
(実施例A-3、比較例A-3)
実施例A-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、不活性ガス雰囲気下、加熱温度を1,200~1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例A-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表5に示した。
実施例A-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、不活性ガス雰囲気下、加熱温度を1,200~1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例A-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表5に示した。
(実施例A-4、比較例A-4)
実施例A-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、大気中で接合処理を行い、接合可能であるか否かを調べた。得られた接合体について、実施例A-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表6に示した。
実施例A-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔とを用い、大気中で接合処理を行い、接合可能であるか否かを調べた。得られた接合体について、実施例A-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表6に示した。
(評価結果)
表6に示したように、大気中では、700℃で処理した場合には、高い抗折強度を示す接合体が得られたのに対して、800℃で処理した場合は、炭化ホウ素が酸化し、表面に発泡が見られ、接合していなかった。さらに、表5に示したように、不活性ガス雰囲気下では、1,200℃以上の高温での接合で、アルゴン、窒素いずれの雰囲気下においても、1,500℃まで接合し、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。これに対し、より高温の1,600℃では、炭化ホウ素の溶融が見られ、接合していなかった。
表6に示したように、大気中では、700℃で処理した場合には、高い抗折強度を示す接合体が得られたのに対して、800℃で処理した場合は、炭化ホウ素が酸化し、表面に発泡が見られ、接合していなかった。さらに、表5に示したように、不活性ガス雰囲気下では、1,200℃以上の高温での接合で、アルゴン、窒素いずれの雰囲気下においても、1,500℃まで接合し、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。これに対し、より高温の1,600℃では、炭化ホウ素の溶融が見られ、接合していなかった。
(実施例A-5)
実施例A-1~A-4で用いた炭化ホウ素セラミックス部材を用い、実施例A-1で用いた99.8質量%のアルミニウム箔に変えて、アルミニウム以外の成分を10%以下で含む10μmの厚みのアルミニウムを主成分とする箔をそれぞれに用いて、1,000℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例A-1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表7に示した。この結果、接合材のアルミニウム材料中に共存する成分によって抗折強度に若干の差異が認められたものの、いずれも100MPa以上の値を示し、接合強度の高い接合体が得られることを確認した。
実施例A-1~A-4で用いた炭化ホウ素セラミックス部材を用い、実施例A-1で用いた99.8質量%のアルミニウム箔に変えて、アルミニウム以外の成分を10%以下で含む10μmの厚みのアルミニウムを主成分とする箔をそれぞれに用いて、1,000℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例A-1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表7に示した。この結果、接合材のアルミニウム材料中に共存する成分によって抗折強度に若干の差異が認められたものの、いずれも100MPa以上の値を示し、接合強度の高い接合体が得られることを確認した。
(実施例A-6)
実施例A-1~A-4で用いた炭化ホウ素セラミックス部材に代えて、炭化ホウ素の含有量の異なる炭化ホウ素セラミックス部材をそれぞれ用意した。アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔を用いて、1,000℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例A-1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表8に示した。この結果、実施例A-6-1の炭化ホウ素が2質量%で炭化ケイ素を主成分とする部材同士を接合してなる接合体は、母材の強度が炭化ホウ素セラミックスより相対的に高いことから、410MPaと高い抗折強度を示した。さらに、炭化ホウ素の含有量にかかわらず、いずれも接合可能であり、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。実施例A-6-6の接合体において、接合層とその近傍の母材の局所的な分析を行ったところ、接合層は、微量のアルミニウムとともにホウ化アルミニウムが認められた。また、近傍付近では母材成分である炭化ホウ素とともに、アルミニウムと炭化ホウ素の化合物(Al3BC)が認められた。
実施例A-1~A-4で用いた炭化ホウ素セラミックス部材に代えて、炭化ホウ素の含有量の異なる炭化ホウ素セラミックス部材をそれぞれ用意した。アルミニウム含有量99.8質量%の10μmの厚みのアルミニウム箔を用いて、1,000℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例A-1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表8に示した。この結果、実施例A-6-1の炭化ホウ素が2質量%で炭化ケイ素を主成分とする部材同士を接合してなる接合体は、母材の強度が炭化ホウ素セラミックスより相対的に高いことから、410MPaと高い抗折強度を示した。さらに、炭化ホウ素の含有量にかかわらず、いずれも接合可能であり、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。実施例A-6-6の接合体において、接合層とその近傍の母材の局所的な分析を行ったところ、接合層は、微量のアルミニウムとともにホウ化アルミニウムが認められた。また、近傍付近では母材成分である炭化ホウ素とともに、アルミニウムと炭化ホウ素の化合物(Al3BC)が認められた。
<<第2の形態>>
[実施例B-1-I(接合材の厚みと強度の関係)]
接合後の接合体の少なくとも一辺の全長が40mmとなるようにするため、20mm×20mm×4.5mmの板状の、99%の高純度炭化ホウ素セラミックス部材を2枚1組として用意した。また、接合材として、銅含有量99.8質量%の、5~1,000μmまでの厚みの異なる銅箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、それぞれ厚みの異なる銅箔を用い、銅箔が重なって厚みが不均一にならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を1,500℃の温度にして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。
[実施例B-1-I(接合材の厚みと強度の関係)]
接合後の接合体の少なくとも一辺の全長が40mmとなるようにするため、20mm×20mm×4.5mmの板状の、99%の高純度炭化ホウ素セラミックス部材を2枚1組として用意した。また、接合材として、銅含有量99.8質量%の、5~1,000μmまでの厚みの異なる銅箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、それぞれ厚みの異なる銅箔を用い、銅箔が重なって厚みが不均一にならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。加熱条件を、真空条件下で、少なくとも接合させる部分を1,500℃の温度にして、接合処理をそれぞれに行って接合体を得た。
また、上記と同様の炭化ホウ素セラミックス部材を用い、2枚のセラミックス部材の接合部分の接合面に、銅をブチルアルコール系の溶剤に分散させたペーストを、スクリーン印刷により、10μmの厚さとなるように塗布した。さらに、上記と同様の炭化ホウ素セラミックス部材を用い、2枚のセラミックス部材の接合部分の接合面に、真空中で銅を、6μmの厚さとなるように蒸着した。これらをそれぞれ、上記と同様にしてカーボン冶具にて固定し、上記と同様の加熱条件で、接合処理を行って、2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材が接合した接合体を得た。
上記で得られた各接合体を加工して、JIS R1601(ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法)に準じて、接合箇所が中央となるようにしてなる、厚み3mm、幅4mm、長さ40mmの試験片を、それぞれ作製した。そして、得られた試験片を用いて、JISに準拠して抗折強度を測定し、結果を表9に示した。また、接合処理によって形成された接合部分について、上記の各試験片を側面から顕微鏡観察して、銅又は銅化合物が存在している範囲を接合層の厚みとして測定し、結果を表9にまとめて示した。
[実施例B-1-II(接合層の状態)]
下記のようにして得た接合体の接合層を詳細に調べた。まず、代表として、炭化ホウ素焼結体を#200の砥石で研削し、50×50×10mmのプレートを2枚1組として用意した。また、銅含有量99.8質量%の、100μmの厚みの銅箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、上記銅箔を重ならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。接合する際の条件を、真空条件下、接合させる部分を1,500℃の温度にして接合体を得た。そして、得られた試料を切断し、研磨を行い、SEMを使って、接合体の接合層の微細構造を観察した。そして、図3-1に得られたSEM写真の図を示した。
下記のようにして得た接合体の接合層を詳細に調べた。まず、代表として、炭化ホウ素焼結体を#200の砥石で研削し、50×50×10mmのプレートを2枚1組として用意した。また、銅含有量99.8質量%の、100μmの厚みの銅箔を準備した。そして、上記2枚の炭化ホウ素含有セラミックス部材の接合部分に、上記銅箔を重ならないように注意して配置させて挟み、カーボン冶具にて固定した。接合する際の条件を、真空条件下、接合させる部分を1,500℃の温度にして接合体を得た。そして、得られた試料を切断し、研磨を行い、SEMを使って、接合体の接合層の微細構造を観察した。そして、図3-1に得られたSEM写真の図を示した。
(比較例B-1)
実施例B-1-Iで使用したものと同様のセラミックス部材を複数用意し、また、接合材として、200μmの厚みのシリコンと、100μmの厚みのオキシナイトライドガラス(酸窒化ガラス)を用意した。そして、2枚のセラミックス部材と、それぞれの接合材を用いて、窒素雰囲気下、表10に示した各温度条件で2時間加熱して各接合体を作製した。しかし、窒素雰囲気下、1,500℃以上の高温で処理したにもかかわらず、いずれの場合も接合しなかった。比較例B-1の接合体の作製条件を表10にまとめて示した。
実施例B-1-Iで使用したものと同様のセラミックス部材を複数用意し、また、接合材として、200μmの厚みのシリコンと、100μmの厚みのオキシナイトライドガラス(酸窒化ガラス)を用意した。そして、2枚のセラミックス部材と、それぞれの接合材を用いて、窒素雰囲気下、表10に示した各温度条件で2時間加熱して各接合体を作製した。しかし、窒素雰囲気下、1,500℃以上の高温で処理したにもかかわらず、いずれの場合も接合しなかった。比較例B-1の接合体の作製条件を表10にまとめて示した。
(評価結果)
表10に示したように、炭化ホウ素セラミックス部材を、シリコンやオキシナイトライドガラスを接合材として接合させた比較例B-1のものでは、セラミックス部材同士を接合することができなかった。これに対し、1,000μmの厚みまでの銅箔を接合材として接合させた実施例B-1では、銅の融点以上の温度である1,500℃の加熱で、いずれの厚みの接合材を用いた場合においても、ほぼ母材である炭化ホウ素セラミックスと同等な高い抗折強度を示す接合体を得ることができた。さらに、銅を、ペースト塗膜や、蒸着によって接合面に介在させた場合においても、高い接合強度を示す接合体が得られることを確認した。
表10に示したように、炭化ホウ素セラミックス部材を、シリコンやオキシナイトライドガラスを接合材として接合させた比較例B-1のものでは、セラミックス部材同士を接合することができなかった。これに対し、1,000μmの厚みまでの銅箔を接合材として接合させた実施例B-1では、銅の融点以上の温度である1,500℃の加熱で、いずれの厚みの接合材を用いた場合においても、ほぼ母材である炭化ホウ素セラミックスと同等な高い抗折強度を示す接合体を得ることができた。さらに、銅を、ペースト塗膜や、蒸着によって接合面に介在させた場合においても、高い接合強度を示す接合体が得られることを確認した。
(実施例B-2)
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、銅含有量99.9質量%の10μmの厚みの銅箔とを用い、加熱温度を、1,200~1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例B-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表11に示した。なお、銅の含有量が90質量%の合金の10μm厚の箔を用いて検討を行ったところ、使用した合金の溶融温度以上であれば、熱処理温度が銅の融点以下の1,000℃以下であっても、上記と同様の抗折強度を示す接合体を得ることができることを確認した。
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、銅含有量99.9質量%の10μmの厚みの銅箔とを用い、加熱温度を、1,200~1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例B-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表11に示した。なお、銅の含有量が90質量%の合金の10μm厚の箔を用いて検討を行ったところ、使用した合金の溶融温度以上であれば、熱処理温度が銅の融点以下の1,000℃以下であっても、上記と同様の抗折強度を示す接合体を得ることができることを確認した。
(実施例B-3)
実施例B-1で用いた炭化ホウ素セラミックス部材に代えて、炭化ホウ素の含有量の異なる炭化ホウ素セラミックス部材をそれぞれ用意した。銅含有量99.8質量%の10μmの厚みの銅箔を用いて、1,500℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例B-1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表12に示した。この結果、炭化ホウ素の含有量にかかわらず、いずれも接合可能であり、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。実施例B-3-6の接合体において、接合層とその近傍の母材の局所的な分析を行ったところ、接合層では、微量の銅が認められた。
実施例B-1で用いた炭化ホウ素セラミックス部材に代えて、炭化ホウ素の含有量の異なる炭化ホウ素セラミックス部材をそれぞれ用意した。銅含有量99.8質量%の10μmの厚みの銅箔を用いて、1,500℃、真空中で2時間接合を行い、各接合体を得た。そして、得られた各接合体について、実施例B-1と同様にして、接合層の厚みと、抗折強度を測定し、結果を表12に示した。この結果、炭化ホウ素の含有量にかかわらず、いずれも接合可能であり、高い抗折強度を示す接合体が得られることを確認した。実施例B-3-6の接合体において、接合層とその近傍の母材の局所的な分析を行ったところ、接合層では、微量の銅が認められた。
(実施例B-4)
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、金含有量99.95質量%の10μmの厚みの金箔とを用い、加熱温度を、1,200~1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例B-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表13に示した。
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、金含有量99.95質量%の10μmの厚みの金箔とを用い、加熱温度を、1,200~1,600℃の温度範囲で段階的に変えて接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例B-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表13に示した。
(実施例B-5)
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、ジルコニウム含有量99.2質量%の100μmの厚みのジルコニウム箔とを用い、加熱温度を、1,400℃と1,500℃の温度でそれぞれ接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例B-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表14に示した。本実施例のジルコニウムを用いた接合層中には、金属ジルコニウムだけでなく、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)及び炭化ジルコニウム(ZrC)のいずれかが存在していることを確認した。
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材と、ジルコニウム含有量99.2質量%の100μmの厚みのジルコニウム箔とを用い、加熱温度を、1,400℃と1,500℃の温度でそれぞれ接合処理を行った。この際の他の条件は、真空条件下、カーボン冶具にて、5kg/cm2程度の値で圧着させて、2時間加熱することで一定とした。得られた接合体について、実施例B-1と同様にして接合層の厚みと強度を測定した。得られた結果と、加熱条件とを表14に示した。本実施例のジルコニウムを用いた接合層中には、金属ジルコニウムだけでなく、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)及び炭化ジルコニウム(ZrC)のいずれかが存在していることを確認した。
(実施例B-6)
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材に炭化チタン(TiC)スラリーをドクターブレード法によりテープ成形し、アルミニウムまたはアルミニウムとシリコンを50質量%の割合で混合した化合物を接合部の上に載せ、熱処理を行いながら、加熱温度1,000~1,100℃の温度範囲で真空中にて含浸させ接合処理を行った。得られた結果と加熱条件を表15に示した。
実施例B-1と同一形状及び同一の種類の炭化ホウ素セラミックス部材に炭化チタン(TiC)スラリーをドクターブレード法によりテープ成形し、アルミニウムまたはアルミニウムとシリコンを50質量%の割合で混合した化合物を接合部の上に載せ、熱処理を行いながら、加熱温度1,000~1,100℃の温度範囲で真空中にて含浸させ接合処理を行った。得られた結果と加熱条件を表15に示した。
(参考例B-2)
10μm厚のアルミニウム箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、接合部分の耐薬品性(耐アルカリ性)を調べた。具体的には、接合体の試験片を、水酸化ナトリウム2mol/Lの水溶液中に、室温で72時間浸漬し、浸漬前後の試験片における強度の違いを比較した。その際、実施例B-1と同様に、JISに準拠して抗折強度を測定し、浸漬試験前後の試験片について、それぞれ4点曲げ強さを測定し、これらの値を用いて耐薬品性を評価した。得られた結果を表16に示したが、浸漬試験前の接合体の抗折強度をP1、浸漬試験後の接合体の抗折強度をP2として示し、強度残存率を(P1-P2)/P1×100(%)で算出し、これを強度残存率(%)として示した。表16に示した通り、接合材として用いたアルミニウムが水酸化ナトリウムに溶解したため、強度が維持されないことが確認された。
10μm厚のアルミニウム箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、接合部分の耐薬品性(耐アルカリ性)を調べた。具体的には、接合体の試験片を、水酸化ナトリウム2mol/Lの水溶液中に、室温で72時間浸漬し、浸漬前後の試験片における強度の違いを比較した。その際、実施例B-1と同様に、JISに準拠して抗折強度を測定し、浸漬試験前後の試験片について、それぞれ4点曲げ強さを測定し、これらの値を用いて耐薬品性を評価した。得られた結果を表16に示したが、浸漬試験前の接合体の抗折強度をP1、浸漬試験後の接合体の抗折強度をP2として示し、強度残存率を(P1-P2)/P1×100(%)で算出し、これを強度残存率(%)として示した。表16に示した通り、接合材として用いたアルミニウムが水酸化ナトリウムに溶解したため、強度が維持されないことが確認された。
<<第2の形態の接合体の耐薬品性についての評価>>
(実施例B-7)
10μm厚の銅箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部における耐薬品性を評価した。得られた結果を表17に示した。表17に示した通り、強度の低下はほとんど見られず接合強度が維持され、高い耐薬品性を示す接合体であることが確認できた。
(実施例B-7)
10μm厚の銅箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部における耐薬品性を評価した。得られた結果を表17に示した。表17に示した通り、強度の低下はほとんど見られず接合強度が維持され、高い耐薬品性を示す接合体であることが確認できた。
(実施例B-8)
10μm厚の金箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部における耐薬品性を評価した。得られた結果を表18に示した。表18に示した通り、強度の低下はほとんど見られず接合強度が維持され、高い耐薬品性を示す接合体であることが確認できた。
10μm厚の金箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部における耐薬品性を評価した。得られた結果を表18に示した。表18に示した通り、強度の低下はほとんど見られず接合強度が維持され、高い耐薬品性を示す接合体であることが確認できた。
(実施例B-9)
ジルコニウム箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部における耐薬品性を評価した。得られた結果を表19に示した。表19に示した通り、強度の低下はほとんど見られず接合強度が維持され、高い耐薬品性を示す接合体であることが確認できた。
ジルコニウム箔を接合材として下記の条件で接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部における耐薬品性を評価した。得られた結果を表19に示した。表19に示した通り、強度の低下はほとんど見られず接合強度が維持され、高い耐薬品性を示す接合体であることが確認できた。
(実施例B-10)
実施例B-6-1または、B-6-3と同様にしてTiC-Alまたは、TiC-Al-Siを接合材として接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部の耐薬品性を評価した。得られた結果を表20に示した。表20に示した通り、銅、金及びジルコニウムの場合と比べると若干劣るものの、強度の低下は僅かであり、参考例B-2のアルミニウムのみを接合材とした接合体と比べて、その耐薬品性の向上が確認できた。
実施例B-6-1または、B-6-3と同様にしてTiC-Alまたは、TiC-Al-Siを接合材として接合した、3mm×4mm×40mmの曲げ試験片形状の接合体(中央が接合部)を用意し、参考例B-2と同様の方法で、接合体の接合部の耐薬品性を評価した。得られた結果を表20に示した。表20に示した通り、銅、金及びジルコニウムの場合と比べると若干劣るものの、強度の低下は僅かであり、参考例B-2のアルミニウムのみを接合材とした接合体と比べて、その耐薬品性の向上が確認できた。
本発明の活用例としては、硬度や軽量性において極めて優れた特性を示す炭化ホウ素含有セラミックスにおいて、小型部材を接合して大型の接合体が安価に提供できる。さらに、その接合部における耐薬品性が向上した接合体とできるため、この点からも有用な工業部材である炭化ホウ素セラミックスの利用拡大が図れ、これまで、大型部材への応用が期待されていたが、歩留まり等が低いが故に使用されなかった種々の用途への適用が可能になる。また、本発明によれば複数の小型部材を組合せることによって、強度の点、さらには強度及び耐薬品性において無垢材と同等の性質を示す大型部材を提供することが可能であることから、製造プロセスにおいてトータルでの省エネ効果を生みだし、コストと大幅なグリーンガス削減との相乗効果等も期待できる。
1 炭化ホウ素含有セラミックス部材
2 アルミニウム又はアルミニウム化合物
3 アルミニウム化合物
2 アルミニウム又はアルミニウム化合物
3 アルミニウム化合物
Claims (5)
- それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなる各セラミックス部材同士が、アルミニウム、銅、金及びジルコニウムからなる金属群から選ばれる少なくとも一種を含む接合材で接合した接合層を介して一体化されてなるか、或いは、金属アルミニウム又はアルミニウム化合物のいずれかと、チタン化合物とを接合材として形成した接合層を介して一体化されてなり、かつ、接合した部分の強度が100MPa以上であることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記各セラミックス部材が、炭化ホウ素を60質量%以上含有してなる請求項1に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 前記接合層の厚みが、1~1,000μmである請求項1又は2に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、アルミニウム、銅、金、又はジルコニウムのいずれかの金属或いはこれらの金属をベースとする、いずれかの合金からなる、箔、ペースト及び蒸着層から選ばれる、いずれかを接合材とし、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、この状態で保持して上記セラミックス部材同士を、大気中、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、少なくとも接合させる部分を600℃以上1,600℃以下の温度で加熱することを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法であって、それぞれが炭化ホウ素を2質量%以上含有してなるセラミックス部材同士を接合させる際に、その接合部分に、スラリー状或いはペースト状のチタン化合物を塗布し、シート化し、その厚みが1,000μm以下となる範囲で介在させ、セラミックス部材同士を密着させた状態で保持し、さらに、該接合部分の上部に、金属アルミニウム粉末又はアルミニウム化合物の粉末を含む接合材を配し、真空条件下或いは不活性雰囲気中で、600℃以上1,200℃よりも低い温度で加熱し、上記アルミニウム又はアルミニウム化合物を接合部分へ含浸させて接合させることを特徴とする炭化ホウ素含有セラミックス接合体の製造方法。
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