反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法
【課題】室温から高温度までの広い使用温度範囲において優れた構造強度，耐食性，耐久性等を有し、小型で複雑形状を有する構造体であっても高い寸法精度で容易かつ効率的に製造することが可能な反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】中子７を用いて成形され、その中子７の形状に対応する細孔５を内部に有する成形体であって、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含有する成形体を形成し、この得られた成形体に対して脱バインダー処理を実施した後にこの脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法である。
【解決手段】中子７を用いて成形され、その中子７の形状に対応する細孔５を内部に有する成形体であって、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含有する成形体を形成し、この得られた成形体に対して脱バインダー処理を実施した後にこの脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法に係り、特に室温から高温度までの広い使用温度範囲において優れた構造強度，耐食性，耐久性等を有し、小型で複雑形状を有する構造体であっても容易かつ効率的に製造することが可能な反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属製部品と比較して耐熱性、耐摩耗性、絶縁特性、耐薬品性等に優れた酸化物あるいは非酸化物系セラミックス焼結体から成る構造部品が、工具部品、耐食性部品、自動車、航空機、船舶などのエンジン部品、ガスタービン部品、化学プラント構成部品として各種産業分野において広範囲に使用されている。
【０００３】
例えば、従来から硫酸、硝酸などを製造する化学品生成プラント、および同種の化学物質を用いる各種化学プラント、エネルギープラント、環境有害物質の処理装置やごみ処理用ガス化溶解炉等のように高温度条件下で運転されるプラントにおいて使用される構造部品材料としては、従来の金属材料では高温度における耐食性が不充分であり、より熱的に、かつ化学的な安定性に優れたセラミックス材料の適用が図られている。
【０００４】
特にセラミックス熱交換器としては、単一の孔（熱放射管）を形成した単純構造を有するチューブ状シングルエンド型熱交換器が工業炉用に実用化されている。例えば、炉温１１５０℃の連続式焼鈍炉などで、１９９４年頃から使用されているラジアントチューブ（熱放射管）は、内側からバーナーの燃焼により輻射伝熱を図るものである。また、ラジアントチューブは、燃焼熱を炉内に輻射伝熱するだけではなく、低温度の空気をチューブ内に吹き込んで炉内から発生した熱を回収再生する目的にも使用されている。
【０００５】
上述したようなセラミックス熱交換器は、主にセラミックス部材が高硬度で脆く加工時に損傷し易いという製作性の悪さを考慮して大型の構造物とすることが多く、チューブで構成する伝熱面を高密度かつ複雑に集積したコンパクトな熱交換器への適用はほとんど行われていない現状である。
【０００６】
また、一体化したセラミックス部材で作製することが困難な構造部品の大型化および複雑形状化を図るためには、従来から複数のセラミックス部材を部品ユニットとして用意し、これら複数の部品ユニットを相互に接合して大型で複雑形状を有する構造部品を作製することが試行されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
さらに、従来のセラミックス部材の製造方法として、炭化ケイ素体（炭化ケイ素基焼結体もしくはその前駆体としての成形体や仮焼体）と多孔質炭化ケイ素体（炭化ケイ素の反応焼結工程における成形体、仮焼体、焼結体など）とを、炭化ケイ素微粉末を含有する熱硬化性樹脂からなる接合層を介して重ね合わせ、多孔質炭化ケイ素体の側から溶融シリコンを含浸することによって、炭化ケイ素体と多孔質炭化ケイ素体とを接合する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
上記の接合方法では、接合層中に含有される炭素と溶融シリコンとを反応させることにより、接合部に反応焼結炭化ケイ素層を形成し、この反応焼結炭化ケイ素層を介して上記炭化ケイ素体と多孔質炭化ケイ素体とを接合している。また、この接合方法を用いて、例えば、炭化ケイ素体からなる部品ユニット間を、炭化ケイ素粉末を含有した樹脂系接着剤で接着し、脱バインダー処理を実施した後に溶融シリコンを含侵させて複数の部品ユニットを一体に接合する方法も実施されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１１６５３号公報（第１−２頁、第２図）
【特許文献２】特公平５−７９６３０号公報（第１−４頁、第１図）
【特許文献３】国際公開第０３／０７６３６３号
【特許文献４】特表平１０−５０７７３２号公報
【特許文献５】特開昭６３−１０７８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来のセラミックス構造体の製造方法は、やはり大型の構造物を製造するための手法であり、複雑形状を有しコンパクトな熱交換器等に適用するための製造技術は開示されていない。特に、硬度が高く脆性を有するセラミックス焼結体に熱交換用の細孔等を多数形成し複雑な形状を有する構造体を高い寸法精度に仕上げることは極めて困難であるという問題点があった。また、接着剤を使用して複数の部品ユニットを接合しただけでは接合強度が低く、特に高温度使用条件において接合強度および構造体としての強度が低下し易く、耐久性が乏しく信頼性に欠ける問題点もあった。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、室温から高温度までの広い使用温度範囲において優れた構造強度，耐食性，耐久性等を有し、小型で複雑形状を有する構造体であっても高い寸法精度で容易かつ効率的に製造することが可能な反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末と炭素（Ｃ）粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を成形して溝付きの板状成形体を複数個作製し、これらの複数の板状成形体を接着剤で仮接合することにより上記溝を細孔として内部に備えた積層体を形成し、得られた積層体について脱バインダー処理を実施して脱脂体とした後に、この脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、本発明方法によれば、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとから成る原料混合体から溝付きの板状成形体を複数個作製し、これらの板状成形体同士を積層するように接着剤で接合し、脱バインダー処理後に、溶融シリコンを含浸して一体化することにより、上記溝形状に対応した細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体を容易かつ効率的に製造することができる。
【００１４】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、他のセラミックス焼結体と比較して高い熱伝導率を有するため、その焼結体は熱交換器や放熱機構などの特に高熱伝導性を必須の要件とする構造体の構成材料として有効である。
【００１５】
上記板状成形体に形成した溝は、焼結体内部に形成する細孔となる溝であり、この溝を形成した１枚の成形体に他の板状成形体を重ね合わせて上記細孔が形成される。上記溝は板状成形体の表面に形成されるものであるため、成形体本体の表面側から加工することにより高精細に複雑形状に形成することが可能であり、この溝形状に対応する細孔の形状も高精細に、かつ複雑形状に形成することができる。
【００１６】
上記複数の板状成形体を仮接合する接着剤としては、加熱処理により炭素源が残存する有機系接着剤、樹脂、炭化ケイ素粉末および／または炭素粉末を混合した樹脂系材料等を用いることが好ましい。
【００１７】
脱バインダー処理は、所定の成形体形状を保持するために原料混合体に添加した結合剤（バインダー）を除去して脱脂体とする操作であり、具体的には積層体（成形体）を不活性ガスや窒素ガスの気流中で温度６００〜８５０℃に加熱し１〜３時間保持する操作である。なお、上記脱バインダー処理のための加熱工程と後述する溶融シリコンの含浸工程とは同一加熱プロセスで兼用することも可能である。
【００１８】
ＳｉＣの反応焼結および溶融Ｓｉの含浸工程においては、ＳｉＣ微粉末とＣ粉末との混合体を成形した後に、温度１４５０〜１５００℃程度の高温度で加熱し、溶融Ｓｉを成形体中に浸透させると同時に反応焼結を進行させる。浸透したＳｉの一部は成形体中のＣと反応して二次的にＳｉＣを生成させ、残りは成形体中の空隙部を埋めて緻密な焼結体が形成される。この焼結体は浸透したＳｉおよび二次的に生成したＳｉＣが成形体中の空隙部に存在することになるので、熱処理による寸法変化が非常に小さい特徴を有し、特に複雑形状品を調製する上で有利である。
【００１９】
また、ＳｉＣの反応焼結体中に残存するＳｉ量は１０〜２０質量％程度になるため、Ｓｉの融点（１４１４℃）以上の使用温度範囲では、急激に構造強度が低下する場合があるが、その融点までの使用温度範囲においては、常用温度とほぼ同程度の構造強度を維持できる。
【００２０】
なお、上記細孔の形成方法としては、特に限定されるものではない。すなわち、上記平板状成形体の表面に形成される複数の溝から形成する方法のみではなく、以下に示すような中子等を使用した方法で形成することも可能である。
【００２１】
すなわち、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を、加圧軸方向に移動が固定されていない（すなわち軸方向に移動可能な）中子を配置した成形型に充填しプレス成形することにより上記中子に対応する細孔を内部に備える成形体を形成し、得られた成形体について脱バインダー処理を実施した後に加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて焼結体とするように実施しても良い。
【００２２】
上記製造方法によれば、成形型内に配置した中子の形状に対応した細孔を成形体内部に容易に形成することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加してスラリーを作製し、中子を配置した成形型に上記スラリーを鋳込み、ゲルキャスティング法あるいはスリップキャスティング法で成形することにより上記中子の形状に対応する細孔を内部に有する成形体を形成し、得られた成形体に対して脱バインダー処理を実施した後に、この脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて焼結体とするように構成しても良い。
【００２４】
ここで上記ゲルキャスティング法は、ゲル状の原料混合体を成形型に充填し乾燥させて所定形状の成形体を得る方法であり、スリップキャスティング法は水等の分散媒を加えてスラリー状にした原料混合体を成形型に注入し乾燥させて所定形状の成形体を得る方法である。
【００２５】
上記製造方法においても、成形型内に配置した中子の形状に対応した細孔を成形体内部に容易に形成することができる。
【００２６】
また、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加混練して混練物を作製し、この混練物をハニカム形状の口金を経由して押出し成形し、あるいはワイヤー状の中子を混練物に挿入しながら押し出し成形することにより、上記口金または中子の形状に対応する細孔を内部に形成した成形体を調製し、この成形体に対して脱バインダー処理を実施した後に、加熱し反応焼結せしめて焼結体を形成すると同時に、この焼結体に溶融シリコンを含浸させて緻密化するように構成しても良い。
【００２７】
上記製造方法においても、ハニカム形状の口金あるいはワイヤー状の中子を挿入しながら押し出し成形することにより、上記口金の形状または混練物に挿入した中子の形状に対応した細孔を成形体内部に容易に形成することができる。
【００２８】
上記した反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記細孔の内面に窒化ホウ素（ＢＮ）を付着させた状態で溶融シリコンを含浸せしめることが好ましい。このＢＮを細孔内面に予め付着させて状態で溶融シリコンを含浸せしめることにより、細孔の内面に過剰なシリコンが付着することが効果的に防止でき、寸法精度が高い細孔を形成することができる。
【００２９】
すなわち、前記反応焼結炭化ケイ素の焼結工程は、溶融した金属シリコンを焼結体に含浸するプロセスでもあり、焼結後に過剰なシリコンが焼結体表面に付着する現象が往々に現れる。この過剰シリコンの付着は、焼結体全表面で生じる可能性があるため、上述の方法で形成した細孔を埋めたり、あるいは細孔断面を減少させたりする不具合が発生することが懸念される。
【００３０】
このような不具合を解消するためには、溶融シリコンに対する濡れ性が悪い窒化ホウ素（ＢＮ）を、少なくとも細孔となる溝の内表面および隣接する板状成形体の背面に部分的に付着させた状態で溶融シリコンを含浸せしめることにより、当該細孔の内表面へ過剰なシリコンの付着が効果的に抑制でき、形状精度および仕上がり状態が良好な細孔を形成することが可能になる。
【００３１】
また、上記のような溶融シリコンに対する濡れ性が悪い物質の特性を利用して以下のような製造方法を採用することもできる。
【００３２】
すなわち、本発明の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記中子を、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料で形成すると共に、上記中子を成形型に配置した状態で成形体に溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする製造方法も採用できる。
【００３３】
なお、表面を緻密化したカーボンとは、その表面粗さを１０μｍＲａ以下、好ましくは５μｍＲａ以下に調整したグラッシーカーボンを意味する。上記製造方法で使用するＢＮ、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンは、いずれも溶融シリコンに対する濡れ性が悪い物質である。そのため、上記材料のいずれかで構成した中子を成形型内部に配置し、中子と共に焼結体に溶融シリコンを含浸して一体化した場合においても、過剰なシリコンが焼結体に付着することがなく、焼結体自身や細孔の寸法精度を高く維持することができる。また、含浸したシリコンによる中子の凝着が少ないため、焼結体から中子を容易に取り出し分離することが可能になる。
【００３４】
さらに、本発明の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記成形体を作製した後に、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料から成る中子を上記成形体に挿入した状態で、成形体に溶融シリコンを含浸せしめることにより、中子の形状に対応した細孔を形成するような製造方法とすることもできる。
【００３５】
すなわち、成形体を予め作製した後に、前記ＢＮ、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材質からなる中子を挿入した上で、溶融シリコンを含浸する方法によっても、前記と同様に過剰なシリコンの焼結体への付着を防止する効果が得られる。特に従来の材質からなる中子を使用する方法に加えて、表面に付着する過剰のシリコンを抑制するこれらの方法を併用することにより、中子の形状に対応し寸法精度が優れた細孔が内部に形成された反応焼結炭化ケイ素構造体を効率的に製造することが可能になる。
【００３６】
また、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記溝付きの板状成形体の本体部を、ダイプレス法、押出し成形法、鋳込み成形法、射出成形法、ドクターブレード成形法のいずれかの成形法を用いて形成する一方、板状成形体の溝部を型押しによる直接形状付与処理または生加工処理によって形成する製造方法を採用することもできる。
【００３７】
すなわち、溝付きの成形体の製造方法としては、乾式・湿式のダイプレス法、押出し成形法、鋳込み成形法、射出成形法、ドクターブレード成形法のいずれかを用いることが可能であり、また型押しによる直接形状付与処理または生加工処理を組合せることにより、所定の高い寸法精度を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体を効率的に製造することができる。
【００３８】
さらに、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、反応焼結後における前記細孔の内面に、サンドブラスト処理またはウォーターブラスト処理を実施することにより前記細孔内面を高い寸法精度で仕上げることが可能になる。
【００３９】
すなわち、前記反応焼結炭化ケイ素の焼結工程および溶融した金属シリコンを焼結体に含浸する工程においては、場合によっては焼結後に過剰なシリコンが焼結体表面に付着する現象が発生し、特に細孔内面においては過剰シリコンの付着が完全に防止できない部分が残る可能性がある。このような部分については、本仕上げ加工方法として細孔内面にサンドブラストまたはウォーターブラストを適用することにより、焼結体の表面および細孔の内面に付着していた過剰のシリコンを迅速容易に除去することができ、構造体の仕上がり精度を大幅に向上させることが可能となる。
【００４０】
また、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体は、上記製造方法にしたがって製造された細孔を備える反応焼結炭化ケイ素焼結体から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法によれば、軟質な成形体の段階で溝を形成して精細な細孔の基本構造を組み立てたり、中子を使用して成形体内部に精細な細孔を形成したりしているため、複雑形状の細孔を備えた構造体を容易かつ迅速に製造することが可能になり、特に細孔を熱放射管や熱媒流路としたコンパクトな熱交換器等の小型機器を実現することができる。
【００４２】
また、内部に精細な細孔を形成した成形体を脱脂後、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて焼結体とするため、焼結体全体が緻密に形成でき、かつ細孔を形成するために重ねた複数の板状成形体の接合部も緻密に形成でき、剥離や割れの発生がない信頼性が優れた構造体を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る炭化ケイ素構造体の製造方法に従って細孔を形成し反応焼結によって構造体を製造するプロセスの流れを例示したプロセスフロー図。
【図２】溝付き平板状成形体を複数枚積層して細孔を有する構造体を製造する手順を示す斜視図。
【図３】複数の中子を配置した成形型内に原料混合体を充填することにより細孔を形成する状態を示す斜視図。
【図４】溝付き平板状成形体の溝の内面にＢＮ塗布層を形成した状態を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
次に、本発明に係る炭化ケイ素構造体の製造方法の実施例について、特に細孔が形成され炭化ケイ素の反応焼結によって構造体の本体を形成した実施例を以下に比較例と共に説明する。図１は、本発明に係る炭化ケイ素構造体の製造方法に従って細孔を形成し反応焼結によって構造体を製造するプロセスの流れを簡潔に表した製造フロー図である。
【００４５】
［実施例１］
炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末と炭素（Ｃ）粉末とから成る原料混合体に成形用バインダーを加えて平均粒径が１５０μｍの造粒粉を作製した。次に得られた造粒粉を成形型に充填しプレス成形することにより、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ６ｍｍの平板状成形体を多数作製した。次に、直径が２ｍｍの超硬ドリルを備えた縦型フライス研削盤を使用し、上記各平板状成形体の表面に幅３ｍｍ×深さ３ｍｍの矩形断面形状を有する溝１を一方向に形成することにより、図２に示すような溝付き平板状成形体２を調製した。溝１のピッチは６ｍｍとし、溝１，１間に形成される成形体本体の壁厚は３ｍｍとした。
【００４６】
次に、図２に示すように上記平板状成形体２を１０枚積層し、平板状成形体２同士の接触面に有機系接着剤を塗布して仮接合し積層体３を形成した。積層体３の最上部には、溝を形成していない溝なし平板状成形体４を接合した。各接合層の厚さは２００〜３００μｍ以下となるように、有機系接着剤の塗布量を調節した。この積層体３の内部には、上記溝付き板状成形体２に形成された溝１と隣接した板状成形体２、４の背面で囲まれた細孔５が多数形成されている。
【００４７】
次に、上記のように調製した積層体３に対して脱バインダー処理を実施した。この脱バインダー処理は、窒素ガス気流中で積層体３を加熱し温度８００℃まで昇温して２時間保持することにより実施し、成形体中に含有されていたバインダーを炭化または除去し脱脂体とした。
【００４８】
その後、得られた脱脂体に対して溶融シリコンを含浸せしめて一体化し、図２に示すような多数の細孔５を内部に備える反応焼結炭化ケイ素構造体６を調製した。ここで上記溶融シリコンの含浸操作は、当該積層体（接合成形体）３にシリコン金属を接触させて載置した状態で、真空中で温度１４５０℃にて１時間加熱保持することにより実施した。
【００４９】
但し、上記溶融シリコンを含浸せしめた反応焼結炭化ケイ素構造体６においては、細孔５の内面および構造体外周の一部に過剰シリコンの付着が認められたため、当該部にサンドブラストによる仕上げ加工を実施した。その結果、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔５が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体６が得られた。
【００５０】
［実施例２］
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る混合粉末に、溶媒および固化成形用（ゲルキャスティング用）バインダーを添加し均一に混合して、スラリー（泥漿）を作製した。次に、図３に示すような、細孔を形成するための中子７を予め配置した成形型内に上記スラリーを注ぎ込み、固化成形用バインダーの反応によりゲル化した成形体を得た。細孔に相当する中子７の断面寸法は幅３ｍｍ×深さ３ｍｍとし、成形体全体のサイズは縦１０５ｍｍ×横１０５ｍｍ×高さ６５ｍｍとした。
【００５１】
次に、上記のように調製した成形体を、乾燥室にて徐々に乾燥させた後、脱バインダー処理を実施した。この脱バインダー処理は、上記成形体を窒素ガス気流中で加熱し温度８００℃まで昇温して２時間保持することにより実施した。
【００５２】
次に、上記脱バインダー処理を実施した成形体に対して、溶融シリコンを含浸して一体化した。上記溶融シリコンの含浸操作は、当該成形体にシリコン金属を接触させて載置した状態で、真空中で温度１４５０℃まで加熱し、１時間保持することにより実施した。
【００５３】
なお、中子７を取り外して得られる細孔５の内面および構造体の外表面を観察したところ、細孔５の内面および構造体の外周の一部に過剰シリコンの付着が認められたため、当該付着部にサンドブラスト処理による仕上げ加工を実施した。その結果、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔５が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体６ａが得られた。
【００５４】
［実施例３］
実施例１と同様な方法で原料混合体を処理し、さらに溝加工を実施することにより、実施例１と同一寸法を有する溝付き平板状成形体２を多数作製した。これらの溝付き平板状成形体２を積層する前に、組み上げた際に細孔内面を形成する部分のみについて、マスクを用いたスプレー塗布法でＢＮ粉末を付着させ、図４に示すように、溝１の内面にＢＮ塗布層８を形成した。
【００５５】
次に、上記のように溝１の内面にＢＮ塗布層８を形成した１０枚の溝付き平板状成形体２を順次積層し、成形体２同士の接触面に有機系接着剤を塗布して仮接合して積層体とした。各接合層の厚さが２００〜３００μｍ以下になるように、有機系接着剤の塗布量を調節した。
【００５６】
次に、この積層体に対して、脱バインダー処理を実施した。この脱バインダー処理は、上記積層体を窒素ガス気流中で加熱し温度８００℃まで昇温して２時間保持することにより実施した。
【００５７】
その後、上記脱バインダー処理した積層体に溶融シリコンを含浸せしめて一体化した。この溶融シリコンの含浸操作は、当該積層体（接合成形体）にシリコン金属を接触させて載置し、真空中で温度１４５０℃に加熱して１時間保持することにより実施した。その結果、実施例１と同様に精細な細孔が内部に多数形成された反応焼結ＳｉＣ構造体が得られた。
【００５８】
なお、得られた構造体の細孔の内面および外表面を観察したところ、細孔の内部には大きな過剰シリコンの付着は認められず仕上げ加工は不要であるか、またはごく簡単な仕上げ加工のみを部分的に行うことにより、完全に付着部を除去することができた。また、構造体の外周面の一部には過剰シリコンの付着が認められたため、サンドブラストによる仕上げ加工を実施した。本実施例方法によれば、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００５９】
［実施例４］
ＢＮ焼結体からなる棒を中子として成形型内部に配置した以外は実施例２と同様に原料混合体（ゲルキャスティング用スラリー）を作製し、上記成形型内にスラリーを注ぎ込み、反応によりゲル化させることにより、実施例２と同一寸法の成形体を得た。この成形体の細孔の全てにＢＮ焼結体から成る棒が挿入された状態にあり、ＢＮ焼結体から成る棒（中子）と細孔とのクリアランスは平均で０．３ｍｍ以下とした。
【００６０】
次に、ＢＮ焼結体から成る棒が挿入された状態で成形体を脱脂後、そのまま溶融シリコンを含浸せしめて緻密に一体化した。なお、上記脱バインダー処理は、成形体を窒素ガス気流中で温度８００℃まで加熱昇温して２時間保持することにより実施した。また、溶融シリコンの含浸操作は、当該成形体にシリコン金属を接触させて載置した状態で、真空中で温度１４５０℃まで加熱し１時間保持することにより実施した。焼結後は、中子としてのＢＮ焼結体棒と溶融シリコンとの付着は全く観察されず、各中子は簡単なブラストにより容易に崩壊して除去することが可能であった。上記の中子としてのＢＮ焼結体棒を除去することにより、中子の跡に細孔が形成された反応焼結ＳｉＣ構造体が得られた。
【００６１】
得られた構造体の細孔および外表面を観察すると、各細孔の内部には大きな過剰シリコンの付着は観察されず仕上げ加工は殆ど不要の状態であったが、極一部について簡単な仕上げ加工のみを部分的に実施した。また、構造体の外周面の一部には過剰シリコンの付着が認められたため、サンドブラストによる仕上げ加工を実施した。本実施例方法によれば、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００６２】
［実施例５］
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加混練して混練物を作製した。次に、この混練物をハニカム状の口金を経由して押出成形して細孔を形成した点以外は、構造体の寸法を含めて実施例２と同様の条件で処理することにより、多数の細孔を内部に形成した反応焼結ＳｉＣ構造体を製造した。
【００６３】
但し、実施例５に係る構造体の細孔内面および外周面の一部に過剰シリコンの付着が認められたため、当該付着部にサンドブラスト処理による仕上げ加工を実施した。その結果、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００６４】
［実施例６］
実施例５の製造方法において、成形体の細孔に対応する位置にＢＮ焼結体から成る棒を挿入した後に、脱脂処理（脱バインダー処理）および溶融シリコンの含浸操作を実施した点以外は、実施例５と同様に処理することにより、多数の細孔を内部に形成した実施例６に係る反応焼結炭化ケイ素構造体を製造した。
【００６５】
この反応焼結ＳｉＣ構造体の細孔内部および外表面を観察したところ、各細孔の内部には大きな過剰シリコンの付着は認められず仕上げ加工はほぼ不要であった。なお、極一部については簡単な仕上げ加工のみを部分的に実施した。一方、構造体の外表面の一部には過剰シリコンの付着が認められたため、当該付着部にサンドブラストによる仕上げ加工を実施した。本実施例方法により、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００６６】
［比較例１］
実施例１と比較する製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に成形用バインダーを添加して造粒粉を作製した後に、この造粒粉を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形し、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ６０ｍｍのブロック状の成形体を作製した。直径１〜２ｍｍの超硬ドリルを備えた縦型フライス研削盤を使用して、上記ブロック状の成形体に縦３ｍｍ×横３ｍｍの断面形状を有する細孔を一方向に形成した。溝間のピッチは６ｍｍに設定した。
【００６７】
しかしながら、各細孔の長さが約３０ｍｍ以上になると、隣接する細孔同士を隔てる厚さ３ｍｍの隔壁を形成することが困難となり、加工が不可能であった。すなわち、通常のＣＩＰ生形法から細孔の生加工プロセスまでを利用した比較例１に係る製造方法では、上記のような長大な寸法を有する細孔を高密度に備える構造体の作製は不可能であることが判明した。
【００６８】
これに対して、本実施例に係る反応焼結炭化ケイ素構造体では、特に細孔の長さが３０ｍｍ以上となる構造体や隣接する細孔間の焼結体厚さが３ｍｍ以下となるような精細な細孔構造を有する構造体を初めて実現することが可能になる。
【００６９】
［比較例２］
比較例１に係る製造方法を改良する手段として、ＣＩＰ成形したブロック状成形体を不活性雰囲気中において温度１８００℃で仮焼し、構造強度高めた仮焼体の状態で同様に加工することを試みた。しかしながら、この仮焼体は成形体に比較して高強度ではあったが、成形体のような粘りに基づく靭性が殆ど現れず、ドリルによる穿孔作業時に作用する衝撃力によって簡単に破損したり、割れを発生したりする問題点があり、加工性の顕著な改善は全く認められなかった。
【００７０】
［比較例３］
表面が緻密化しておらず表面粗さが２０μｍ―Ｒａであるカーボンからなる棒を中子として成形型内部に配置し、成形体の全ての細孔に上記カーボン棒を中子として挿入した点以外は、実施例２と同一の条件で成形型内に原料スラリーを注ぎ込み、ゲル化せしめて成形し、さらに脱バインダー処理および溶融シリコンの含浸操作を実施することにより比較例３に係る反応焼結炭化ケイ素構造体を調製した。
【００７１】
しかしながら、この比較例３の構造体においては、反応焼結後に中子としてのカーボン棒と溶融シリコンとが顕著に反応した結果、相互に強固に接着していることが確認され、中子の除去は困難であり、細孔の形成は不可能であった。
【００７２】
上記各実施例および比較例に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の対比から明らかなように、各実施例に係る製造方法によれば、軟質な成形体の段階で溝１を形成して精細な細孔５の基本構造を組み立てたり、中子７を使用して成形体内部に精細な細孔５を形成したりしているため、複雑形状の細孔５を備えた構造体６，６ａを容易かつ迅速に製造することが可能になり、特に細孔５を熱放射管や熱媒流路としたコンパクトな熱交換器等の小型機器を実現することができる。
【００７３】
また、内部に精細な細孔５を形成した成形体を反応焼結させると同時に溶融シリコンを含浸せしめて形成されるため、焼結体全体が緻密に形成でき、かつ細孔５を形成するために重ねた複数の板状成形体２の接合部も緻密に形成でき、剥離や割れの発生がない信頼性が優れた構造体６，６ａを得ることが可能になる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 溝
２ 溝付き平板状成形体
３ 積層体
４ 溝なし平板状成形体
５ 細孔
６，６ａ 反応焼結炭化ケイ素（ＳｉＣ）構造体
７ 中子
８ 窒化ホウ素（ＢＮ）塗布層
【技術分野】
【０００１】
本発明は反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法に係り、特に室温から高温度までの広い使用温度範囲において優れた構造強度，耐食性，耐久性等を有し、小型で複雑形状を有する構造体であっても容易かつ効率的に製造することが可能な反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属製部品と比較して耐熱性、耐摩耗性、絶縁特性、耐薬品性等に優れた酸化物あるいは非酸化物系セラミックス焼結体から成る構造部品が、工具部品、耐食性部品、自動車、航空機、船舶などのエンジン部品、ガスタービン部品、化学プラント構成部品として各種産業分野において広範囲に使用されている。
【０００３】
例えば、従来から硫酸、硝酸などを製造する化学品生成プラント、および同種の化学物質を用いる各種化学プラント、エネルギープラント、環境有害物質の処理装置やごみ処理用ガス化溶解炉等のように高温度条件下で運転されるプラントにおいて使用される構造部品材料としては、従来の金属材料では高温度における耐食性が不充分であり、より熱的に、かつ化学的な安定性に優れたセラミックス材料の適用が図られている。
【０００４】
特にセラミックス熱交換器としては、単一の孔（熱放射管）を形成した単純構造を有するチューブ状シングルエンド型熱交換器が工業炉用に実用化されている。例えば、炉温１１５０℃の連続式焼鈍炉などで、１９９４年頃から使用されているラジアントチューブ（熱放射管）は、内側からバーナーの燃焼により輻射伝熱を図るものである。また、ラジアントチューブは、燃焼熱を炉内に輻射伝熱するだけではなく、低温度の空気をチューブ内に吹き込んで炉内から発生した熱を回収再生する目的にも使用されている。
【０００５】
上述したようなセラミックス熱交換器は、主にセラミックス部材が高硬度で脆く加工時に損傷し易いという製作性の悪さを考慮して大型の構造物とすることが多く、チューブで構成する伝熱面を高密度かつ複雑に集積したコンパクトな熱交換器への適用はほとんど行われていない現状である。
【０００６】
また、一体化したセラミックス部材で作製することが困難な構造部品の大型化および複雑形状化を図るためには、従来から複数のセラミックス部材を部品ユニットとして用意し、これら複数の部品ユニットを相互に接合して大型で複雑形状を有する構造部品を作製することが試行されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
さらに、従来のセラミックス部材の製造方法として、炭化ケイ素体（炭化ケイ素基焼結体もしくはその前駆体としての成形体や仮焼体）と多孔質炭化ケイ素体（炭化ケイ素の反応焼結工程における成形体、仮焼体、焼結体など）とを、炭化ケイ素微粉末を含有する熱硬化性樹脂からなる接合層を介して重ね合わせ、多孔質炭化ケイ素体の側から溶融シリコンを含浸することによって、炭化ケイ素体と多孔質炭化ケイ素体とを接合する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
上記の接合方法では、接合層中に含有される炭素と溶融シリコンとを反応させることにより、接合部に反応焼結炭化ケイ素層を形成し、この反応焼結炭化ケイ素層を介して上記炭化ケイ素体と多孔質炭化ケイ素体とを接合している。また、この接合方法を用いて、例えば、炭化ケイ素体からなる部品ユニット間を、炭化ケイ素粉末を含有した樹脂系接着剤で接着し、脱バインダー処理を実施した後に溶融シリコンを含侵させて複数の部品ユニットを一体に接合する方法も実施されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１１６５３号公報（第１−２頁、第２図）
【特許文献２】特公平５−７９６３０号公報（第１−４頁、第１図）
【特許文献３】国際公開第０３／０７６３６３号
【特許文献４】特表平１０−５０７７３２号公報
【特許文献５】特開昭６３−１０７８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来のセラミックス構造体の製造方法は、やはり大型の構造物を製造するための手法であり、複雑形状を有しコンパクトな熱交換器等に適用するための製造技術は開示されていない。特に、硬度が高く脆性を有するセラミックス焼結体に熱交換用の細孔等を多数形成し複雑な形状を有する構造体を高い寸法精度に仕上げることは極めて困難であるという問題点があった。また、接着剤を使用して複数の部品ユニットを接合しただけでは接合強度が低く、特に高温度使用条件において接合強度および構造体としての強度が低下し易く、耐久性が乏しく信頼性に欠ける問題点もあった。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、室温から高温度までの広い使用温度範囲において優れた構造強度，耐食性，耐久性等を有し、小型で複雑形状を有する構造体であっても高い寸法精度で容易かつ効率的に製造することが可能な反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末と炭素（Ｃ）粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を成形して溝付きの板状成形体を複数個作製し、これらの複数の板状成形体を接着剤で仮接合することにより上記溝を細孔として内部に備えた積層体を形成し、得られた積層体について脱バインダー処理を実施して脱脂体とした後に、この脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、本発明方法によれば、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとから成る原料混合体から溝付きの板状成形体を複数個作製し、これらの板状成形体同士を積層するように接着剤で接合し、脱バインダー処理後に、溶融シリコンを含浸して一体化することにより、上記溝形状に対応した細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体を容易かつ効率的に製造することができる。
【００１４】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、他のセラミックス焼結体と比較して高い熱伝導率を有するため、その焼結体は熱交換器や放熱機構などの特に高熱伝導性を必須の要件とする構造体の構成材料として有効である。
【００１５】
上記板状成形体に形成した溝は、焼結体内部に形成する細孔となる溝であり、この溝を形成した１枚の成形体に他の板状成形体を重ね合わせて上記細孔が形成される。上記溝は板状成形体の表面に形成されるものであるため、成形体本体の表面側から加工することにより高精細に複雑形状に形成することが可能であり、この溝形状に対応する細孔の形状も高精細に、かつ複雑形状に形成することができる。
【００１６】
上記複数の板状成形体を仮接合する接着剤としては、加熱処理により炭素源が残存する有機系接着剤、樹脂、炭化ケイ素粉末および／または炭素粉末を混合した樹脂系材料等を用いることが好ましい。
【００１７】
脱バインダー処理は、所定の成形体形状を保持するために原料混合体に添加した結合剤（バインダー）を除去して脱脂体とする操作であり、具体的には積層体（成形体）を不活性ガスや窒素ガスの気流中で温度６００〜８５０℃に加熱し１〜３時間保持する操作である。なお、上記脱バインダー処理のための加熱工程と後述する溶融シリコンの含浸工程とは同一加熱プロセスで兼用することも可能である。
【００１８】
ＳｉＣの反応焼結および溶融Ｓｉの含浸工程においては、ＳｉＣ微粉末とＣ粉末との混合体を成形した後に、温度１４５０〜１５００℃程度の高温度で加熱し、溶融Ｓｉを成形体中に浸透させると同時に反応焼結を進行させる。浸透したＳｉの一部は成形体中のＣと反応して二次的にＳｉＣを生成させ、残りは成形体中の空隙部を埋めて緻密な焼結体が形成される。この焼結体は浸透したＳｉおよび二次的に生成したＳｉＣが成形体中の空隙部に存在することになるので、熱処理による寸法変化が非常に小さい特徴を有し、特に複雑形状品を調製する上で有利である。
【００１９】
また、ＳｉＣの反応焼結体中に残存するＳｉ量は１０〜２０質量％程度になるため、Ｓｉの融点（１４１４℃）以上の使用温度範囲では、急激に構造強度が低下する場合があるが、その融点までの使用温度範囲においては、常用温度とほぼ同程度の構造強度を維持できる。
【００２０】
なお、上記細孔の形成方法としては、特に限定されるものではない。すなわち、上記平板状成形体の表面に形成される複数の溝から形成する方法のみではなく、以下に示すような中子等を使用した方法で形成することも可能である。
【００２１】
すなわち、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を、加圧軸方向に移動が固定されていない（すなわち軸方向に移動可能な）中子を配置した成形型に充填しプレス成形することにより上記中子に対応する細孔を内部に備える成形体を形成し、得られた成形体について脱バインダー処理を実施した後に加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて焼結体とするように実施しても良い。
【００２２】
上記製造方法によれば、成形型内に配置した中子の形状に対応した細孔を成形体内部に容易に形成することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加してスラリーを作製し、中子を配置した成形型に上記スラリーを鋳込み、ゲルキャスティング法あるいはスリップキャスティング法で成形することにより上記中子の形状に対応する細孔を内部に有する成形体を形成し、得られた成形体に対して脱バインダー処理を実施した後に、この脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて焼結体とするように構成しても良い。
【００２４】
ここで上記ゲルキャスティング法は、ゲル状の原料混合体を成形型に充填し乾燥させて所定形状の成形体を得る方法であり、スリップキャスティング法は水等の分散媒を加えてスラリー状にした原料混合体を成形型に注入し乾燥させて所定形状の成形体を得る方法である。
【００２５】
上記製造方法においても、成形型内に配置した中子の形状に対応した細孔を成形体内部に容易に形成することができる。
【００２６】
また、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加混練して混練物を作製し、この混練物をハニカム形状の口金を経由して押出し成形し、あるいはワイヤー状の中子を混練物に挿入しながら押し出し成形することにより、上記口金または中子の形状に対応する細孔を内部に形成した成形体を調製し、この成形体に対して脱バインダー処理を実施した後に、加熱し反応焼結せしめて焼結体を形成すると同時に、この焼結体に溶融シリコンを含浸させて緻密化するように構成しても良い。
【００２７】
上記製造方法においても、ハニカム形状の口金あるいはワイヤー状の中子を挿入しながら押し出し成形することにより、上記口金の形状または混練物に挿入した中子の形状に対応した細孔を成形体内部に容易に形成することができる。
【００２８】
上記した反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記細孔の内面に窒化ホウ素（ＢＮ）を付着させた状態で溶融シリコンを含浸せしめることが好ましい。このＢＮを細孔内面に予め付着させて状態で溶融シリコンを含浸せしめることにより、細孔の内面に過剰なシリコンが付着することが効果的に防止でき、寸法精度が高い細孔を形成することができる。
【００２９】
すなわち、前記反応焼結炭化ケイ素の焼結工程は、溶融した金属シリコンを焼結体に含浸するプロセスでもあり、焼結後に過剰なシリコンが焼結体表面に付着する現象が往々に現れる。この過剰シリコンの付着は、焼結体全表面で生じる可能性があるため、上述の方法で形成した細孔を埋めたり、あるいは細孔断面を減少させたりする不具合が発生することが懸念される。
【００３０】
このような不具合を解消するためには、溶融シリコンに対する濡れ性が悪い窒化ホウ素（ＢＮ）を、少なくとも細孔となる溝の内表面および隣接する板状成形体の背面に部分的に付着させた状態で溶融シリコンを含浸せしめることにより、当該細孔の内表面へ過剰なシリコンの付着が効果的に抑制でき、形状精度および仕上がり状態が良好な細孔を形成することが可能になる。
【００３１】
また、上記のような溶融シリコンに対する濡れ性が悪い物質の特性を利用して以下のような製造方法を採用することもできる。
【００３２】
すなわち、本発明の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記中子を、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料で形成すると共に、上記中子を成形型に配置した状態で成形体に溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする製造方法も採用できる。
【００３３】
なお、表面を緻密化したカーボンとは、その表面粗さを１０μｍＲａ以下、好ましくは５μｍＲａ以下に調整したグラッシーカーボンを意味する。上記製造方法で使用するＢＮ、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンは、いずれも溶融シリコンに対する濡れ性が悪い物質である。そのため、上記材料のいずれかで構成した中子を成形型内部に配置し、中子と共に焼結体に溶融シリコンを含浸して一体化した場合においても、過剰なシリコンが焼結体に付着することがなく、焼結体自身や細孔の寸法精度を高く維持することができる。また、含浸したシリコンによる中子の凝着が少ないため、焼結体から中子を容易に取り出し分離することが可能になる。
【００３４】
さらに、本発明の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記成形体を作製した後に、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料から成る中子を上記成形体に挿入した状態で、成形体に溶融シリコンを含浸せしめることにより、中子の形状に対応した細孔を形成するような製造方法とすることもできる。
【００３５】
すなわち、成形体を予め作製した後に、前記ＢＮ、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材質からなる中子を挿入した上で、溶融シリコンを含浸する方法によっても、前記と同様に過剰なシリコンの焼結体への付着を防止する効果が得られる。特に従来の材質からなる中子を使用する方法に加えて、表面に付着する過剰のシリコンを抑制するこれらの方法を併用することにより、中子の形状に対応し寸法精度が優れた細孔が内部に形成された反応焼結炭化ケイ素構造体を効率的に製造することが可能になる。
【００３６】
また、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記溝付きの板状成形体の本体部を、ダイプレス法、押出し成形法、鋳込み成形法、射出成形法、ドクターブレード成形法のいずれかの成形法を用いて形成する一方、板状成形体の溝部を型押しによる直接形状付与処理または生加工処理によって形成する製造方法を採用することもできる。
【００３７】
すなわち、溝付きの成形体の製造方法としては、乾式・湿式のダイプレス法、押出し成形法、鋳込み成形法、射出成形法、ドクターブレード成形法のいずれかを用いることが可能であり、また型押しによる直接形状付与処理または生加工処理を組合せることにより、所定の高い寸法精度を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体を効率的に製造することができる。
【００３８】
さらに、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、反応焼結後における前記細孔の内面に、サンドブラスト処理またはウォーターブラスト処理を実施することにより前記細孔内面を高い寸法精度で仕上げることが可能になる。
【００３９】
すなわち、前記反応焼結炭化ケイ素の焼結工程および溶融した金属シリコンを焼結体に含浸する工程においては、場合によっては焼結後に過剰なシリコンが焼結体表面に付着する現象が発生し、特に細孔内面においては過剰シリコンの付着が完全に防止できない部分が残る可能性がある。このような部分については、本仕上げ加工方法として細孔内面にサンドブラストまたはウォーターブラストを適用することにより、焼結体の表面および細孔の内面に付着していた過剰のシリコンを迅速容易に除去することができ、構造体の仕上がり精度を大幅に向上させることが可能となる。
【００４０】
また、本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体は、上記製造方法にしたがって製造された細孔を備える反応焼結炭化ケイ素焼結体から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法によれば、軟質な成形体の段階で溝を形成して精細な細孔の基本構造を組み立てたり、中子を使用して成形体内部に精細な細孔を形成したりしているため、複雑形状の細孔を備えた構造体を容易かつ迅速に製造することが可能になり、特に細孔を熱放射管や熱媒流路としたコンパクトな熱交換器等の小型機器を実現することができる。
【００４２】
また、内部に精細な細孔を形成した成形体を脱脂後、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて焼結体とするため、焼結体全体が緻密に形成でき、かつ細孔を形成するために重ねた複数の板状成形体の接合部も緻密に形成でき、剥離や割れの発生がない信頼性が優れた構造体を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る炭化ケイ素構造体の製造方法に従って細孔を形成し反応焼結によって構造体を製造するプロセスの流れを例示したプロセスフロー図。
【図２】溝付き平板状成形体を複数枚積層して細孔を有する構造体を製造する手順を示す斜視図。
【図３】複数の中子を配置した成形型内に原料混合体を充填することにより細孔を形成する状態を示す斜視図。
【図４】溝付き平板状成形体の溝の内面にＢＮ塗布層を形成した状態を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
次に、本発明に係る炭化ケイ素構造体の製造方法の実施例について、特に細孔が形成され炭化ケイ素の反応焼結によって構造体の本体を形成した実施例を以下に比較例と共に説明する。図１は、本発明に係る炭化ケイ素構造体の製造方法に従って細孔を形成し反応焼結によって構造体を製造するプロセスの流れを簡潔に表した製造フロー図である。
【００４５】
［実施例１］
炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末と炭素（Ｃ）粉末とから成る原料混合体に成形用バインダーを加えて平均粒径が１５０μｍの造粒粉を作製した。次に得られた造粒粉を成形型に充填しプレス成形することにより、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ６ｍｍの平板状成形体を多数作製した。次に、直径が２ｍｍの超硬ドリルを備えた縦型フライス研削盤を使用し、上記各平板状成形体の表面に幅３ｍｍ×深さ３ｍｍの矩形断面形状を有する溝１を一方向に形成することにより、図２に示すような溝付き平板状成形体２を調製した。溝１のピッチは６ｍｍとし、溝１，１間に形成される成形体本体の壁厚は３ｍｍとした。
【００４６】
次に、図２に示すように上記平板状成形体２を１０枚積層し、平板状成形体２同士の接触面に有機系接着剤を塗布して仮接合し積層体３を形成した。積層体３の最上部には、溝を形成していない溝なし平板状成形体４を接合した。各接合層の厚さは２００〜３００μｍ以下となるように、有機系接着剤の塗布量を調節した。この積層体３の内部には、上記溝付き板状成形体２に形成された溝１と隣接した板状成形体２、４の背面で囲まれた細孔５が多数形成されている。
【００４７】
次に、上記のように調製した積層体３に対して脱バインダー処理を実施した。この脱バインダー処理は、窒素ガス気流中で積層体３を加熱し温度８００℃まで昇温して２時間保持することにより実施し、成形体中に含有されていたバインダーを炭化または除去し脱脂体とした。
【００４８】
その後、得られた脱脂体に対して溶融シリコンを含浸せしめて一体化し、図２に示すような多数の細孔５を内部に備える反応焼結炭化ケイ素構造体６を調製した。ここで上記溶融シリコンの含浸操作は、当該積層体（接合成形体）３にシリコン金属を接触させて載置した状態で、真空中で温度１４５０℃にて１時間加熱保持することにより実施した。
【００４９】
但し、上記溶融シリコンを含浸せしめた反応焼結炭化ケイ素構造体６においては、細孔５の内面および構造体外周の一部に過剰シリコンの付着が認められたため、当該部にサンドブラストによる仕上げ加工を実施した。その結果、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔５が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体６が得られた。
【００５０】
［実施例２］
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る混合粉末に、溶媒および固化成形用（ゲルキャスティング用）バインダーを添加し均一に混合して、スラリー（泥漿）を作製した。次に、図３に示すような、細孔を形成するための中子７を予め配置した成形型内に上記スラリーを注ぎ込み、固化成形用バインダーの反応によりゲル化した成形体を得た。細孔に相当する中子７の断面寸法は幅３ｍｍ×深さ３ｍｍとし、成形体全体のサイズは縦１０５ｍｍ×横１０５ｍｍ×高さ６５ｍｍとした。
【００５１】
次に、上記のように調製した成形体を、乾燥室にて徐々に乾燥させた後、脱バインダー処理を実施した。この脱バインダー処理は、上記成形体を窒素ガス気流中で加熱し温度８００℃まで昇温して２時間保持することにより実施した。
【００５２】
次に、上記脱バインダー処理を実施した成形体に対して、溶融シリコンを含浸して一体化した。上記溶融シリコンの含浸操作は、当該成形体にシリコン金属を接触させて載置した状態で、真空中で温度１４５０℃まで加熱し、１時間保持することにより実施した。
【００５３】
なお、中子７を取り外して得られる細孔５の内面および構造体の外表面を観察したところ、細孔５の内面および構造体の外周の一部に過剰シリコンの付着が認められたため、当該付着部にサンドブラスト処理による仕上げ加工を実施した。その結果、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔５が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体６ａが得られた。
【００５４】
［実施例３］
実施例１と同様な方法で原料混合体を処理し、さらに溝加工を実施することにより、実施例１と同一寸法を有する溝付き平板状成形体２を多数作製した。これらの溝付き平板状成形体２を積層する前に、組み上げた際に細孔内面を形成する部分のみについて、マスクを用いたスプレー塗布法でＢＮ粉末を付着させ、図４に示すように、溝１の内面にＢＮ塗布層８を形成した。
【００５５】
次に、上記のように溝１の内面にＢＮ塗布層８を形成した１０枚の溝付き平板状成形体２を順次積層し、成形体２同士の接触面に有機系接着剤を塗布して仮接合して積層体とした。各接合層の厚さが２００〜３００μｍ以下になるように、有機系接着剤の塗布量を調節した。
【００５６】
次に、この積層体に対して、脱バインダー処理を実施した。この脱バインダー処理は、上記積層体を窒素ガス気流中で加熱し温度８００℃まで昇温して２時間保持することにより実施した。
【００５７】
その後、上記脱バインダー処理した積層体に溶融シリコンを含浸せしめて一体化した。この溶融シリコンの含浸操作は、当該積層体（接合成形体）にシリコン金属を接触させて載置し、真空中で温度１４５０℃に加熱して１時間保持することにより実施した。その結果、実施例１と同様に精細な細孔が内部に多数形成された反応焼結ＳｉＣ構造体が得られた。
【００５８】
なお、得られた構造体の細孔の内面および外表面を観察したところ、細孔の内部には大きな過剰シリコンの付着は認められず仕上げ加工は不要であるか、またはごく簡単な仕上げ加工のみを部分的に行うことにより、完全に付着部を除去することができた。また、構造体の外周面の一部には過剰シリコンの付着が認められたため、サンドブラストによる仕上げ加工を実施した。本実施例方法によれば、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００５９】
［実施例４］
ＢＮ焼結体からなる棒を中子として成形型内部に配置した以外は実施例２と同様に原料混合体（ゲルキャスティング用スラリー）を作製し、上記成形型内にスラリーを注ぎ込み、反応によりゲル化させることにより、実施例２と同一寸法の成形体を得た。この成形体の細孔の全てにＢＮ焼結体から成る棒が挿入された状態にあり、ＢＮ焼結体から成る棒（中子）と細孔とのクリアランスは平均で０．３ｍｍ以下とした。
【００６０】
次に、ＢＮ焼結体から成る棒が挿入された状態で成形体を脱脂後、そのまま溶融シリコンを含浸せしめて緻密に一体化した。なお、上記脱バインダー処理は、成形体を窒素ガス気流中で温度８００℃まで加熱昇温して２時間保持することにより実施した。また、溶融シリコンの含浸操作は、当該成形体にシリコン金属を接触させて載置した状態で、真空中で温度１４５０℃まで加熱し１時間保持することにより実施した。焼結後は、中子としてのＢＮ焼結体棒と溶融シリコンとの付着は全く観察されず、各中子は簡単なブラストにより容易に崩壊して除去することが可能であった。上記の中子としてのＢＮ焼結体棒を除去することにより、中子の跡に細孔が形成された反応焼結ＳｉＣ構造体が得られた。
【００６１】
得られた構造体の細孔および外表面を観察すると、各細孔の内部には大きな過剰シリコンの付着は観察されず仕上げ加工は殆ど不要の状態であったが、極一部について簡単な仕上げ加工のみを部分的に実施した。また、構造体の外周面の一部には過剰シリコンの付着が認められたため、サンドブラストによる仕上げ加工を実施した。本実施例方法によれば、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００６２】
［実施例５］
炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加混練して混練物を作製した。次に、この混練物をハニカム状の口金を経由して押出成形して細孔を形成した点以外は、構造体の寸法を含めて実施例２と同様の条件で処理することにより、多数の細孔を内部に形成した反応焼結ＳｉＣ構造体を製造した。
【００６３】
但し、実施例５に係る構造体の細孔内面および外周面の一部に過剰シリコンの付着が認められたため、当該付着部にサンドブラスト処理による仕上げ加工を実施した。その結果、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００６４】
［実施例６］
実施例５の製造方法において、成形体の細孔に対応する位置にＢＮ焼結体から成る棒を挿入した後に、脱脂処理（脱バインダー処理）および溶融シリコンの含浸操作を実施した点以外は、実施例５と同様に処理することにより、多数の細孔を内部に形成した実施例６に係る反応焼結炭化ケイ素構造体を製造した。
【００６５】
この反応焼結ＳｉＣ構造体の細孔内部および外表面を観察したところ、各細孔の内部には大きな過剰シリコンの付着は認められず仕上げ加工はほぼ不要であった。なお、極一部については簡単な仕上げ加工のみを部分的に実施した。一方、構造体の外表面の一部には過剰シリコンの付着が認められたため、当該付着部にサンドブラストによる仕上げ加工を実施した。本実施例方法により、良好な寸法精度および平滑な内面を有する細孔が形成された反応焼結炭化ケイ素構造体が効率的に得られた。
【００６６】
［比較例１］
実施例１と比較する製造方法として、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に成形用バインダーを添加して造粒粉を作製した後に、この造粒粉を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形し、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ６０ｍｍのブロック状の成形体を作製した。直径１〜２ｍｍの超硬ドリルを備えた縦型フライス研削盤を使用して、上記ブロック状の成形体に縦３ｍｍ×横３ｍｍの断面形状を有する細孔を一方向に形成した。溝間のピッチは６ｍｍに設定した。
【００６７】
しかしながら、各細孔の長さが約３０ｍｍ以上になると、隣接する細孔同士を隔てる厚さ３ｍｍの隔壁を形成することが困難となり、加工が不可能であった。すなわち、通常のＣＩＰ生形法から細孔の生加工プロセスまでを利用した比較例１に係る製造方法では、上記のような長大な寸法を有する細孔を高密度に備える構造体の作製は不可能であることが判明した。
【００６８】
これに対して、本実施例に係る反応焼結炭化ケイ素構造体では、特に細孔の長さが３０ｍｍ以上となる構造体や隣接する細孔間の焼結体厚さが３ｍｍ以下となるような精細な細孔構造を有する構造体を初めて実現することが可能になる。
【００６９】
［比較例２］
比較例１に係る製造方法を改良する手段として、ＣＩＰ成形したブロック状成形体を不活性雰囲気中において温度１８００℃で仮焼し、構造強度高めた仮焼体の状態で同様に加工することを試みた。しかしながら、この仮焼体は成形体に比較して高強度ではあったが、成形体のような粘りに基づく靭性が殆ど現れず、ドリルによる穿孔作業時に作用する衝撃力によって簡単に破損したり、割れを発生したりする問題点があり、加工性の顕著な改善は全く認められなかった。
【００７０】
［比較例３］
表面が緻密化しておらず表面粗さが２０μｍ―Ｒａであるカーボンからなる棒を中子として成形型内部に配置し、成形体の全ての細孔に上記カーボン棒を中子として挿入した点以外は、実施例２と同一の条件で成形型内に原料スラリーを注ぎ込み、ゲル化せしめて成形し、さらに脱バインダー処理および溶融シリコンの含浸操作を実施することにより比較例３に係る反応焼結炭化ケイ素構造体を調製した。
【００７１】
しかしながら、この比較例３の構造体においては、反応焼結後に中子としてのカーボン棒と溶融シリコンとが顕著に反応した結果、相互に強固に接着していることが確認され、中子の除去は困難であり、細孔の形成は不可能であった。
【００７２】
上記各実施例および比較例に係る反応焼結炭化ケイ素構造体の対比から明らかなように、各実施例に係る製造方法によれば、軟質な成形体の段階で溝１を形成して精細な細孔５の基本構造を組み立てたり、中子７を使用して成形体内部に精細な細孔５を形成したりしているため、複雑形状の細孔５を備えた構造体６，６ａを容易かつ迅速に製造することが可能になり、特に細孔５を熱放射管や熱媒流路としたコンパクトな熱交換器等の小型機器を実現することができる。
【００７３】
また、内部に精細な細孔５を形成した成形体を反応焼結させると同時に溶融シリコンを含浸せしめて形成されるため、焼結体全体が緻密に形成でき、かつ細孔５を形成するために重ねた複数の板状成形体２の接合部も緻密に形成でき、剥離や割れの発生がない信頼性が優れた構造体６，６ａを得ることが可能になる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 溝
２ 溝付き平板状成形体
３ 積層体
４ 溝なし平板状成形体
５ 細孔
６，６ａ 反応焼結炭化ケイ素（ＳｉＣ）構造体
７ 中子
８ 窒化ホウ素（ＢＮ）塗布層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中子を用いて成形され、その中子の形状に対応する細孔を内部に有する成形体であって、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含有する成形体を形成し、この得られた成形体に対して脱バインダー処理を実施した後にこの脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造法において、前記成形体は炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を、加圧軸方向に移動が固定されていない前記中子を配置した成形型に充填しプレス成形することにより前記中子に対応する細孔を内部に備えるよう形成することを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造法において、前記成形体は炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加してスラリーを作製し、前記中子を配置した成形型に上記スラリーを鋳込み、ゲルキャスティング法あるいはスリップキャスティング法で成形することにより前記中子の形状に対応する細孔を内部に形成することを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造法において、前記成形体は炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加混練して混錬物を作製し、この混錬物をハニカム形状の口金を経由して押出し成形し、あるいは混錬物にワイヤー状の中子を挿入しながら押し出し成形することにより、上記口金または上記中子の形状に対応する細孔を内部に形成することを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記細孔の内面に窒化ホウ素（ＢＮ）を付着させた状態で溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記中子を、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料で形成すると共に、上記中子を配置した状態で成形体に対して脱バインダー処理を実施し、引続き溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記成形体を作製した後に、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料から成る中子を上記成形体に挿入した状態で、成形体に対して脱バインダー処理を実施し、引続き溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、反応焼結後における前記細孔の内面に、サンドブラスト処理またはウォーターブラスト処理を実施することにより前記細孔内面を仕上げることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法により製造されたことを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体。
【請求項１】
中子を用いて成形され、その中子の形状に対応する細孔を内部に有する成形体であって、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とを含有する成形体を形成し、この得られた成形体に対して脱バインダー処理を実施した後にこの脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結せしめて一体の焼結体とすることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造法において、前記成形体は炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を、加圧軸方向に移動が固定されていない前記中子を配置した成形型に充填しプレス成形することにより前記中子に対応する細孔を内部に備えるよう形成することを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造法において、前記成形体は炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加してスラリーを作製し、前記中子を配置した成形型に上記スラリーを鋳込み、ゲルキャスティング法あるいはスリップキャスティング法で成形することにより前記中子の形状に対応する細孔を内部に形成することを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造法において、前記成形体は炭化ケイ素粉末と炭素粉末とから成る原料混合体に溶媒およびバインダーを添加混練して混錬物を作製し、この混錬物をハニカム形状の口金を経由して押出し成形し、あるいは混錬物にワイヤー状の中子を挿入しながら押し出し成形することにより、上記口金または上記中子の形状に対応する細孔を内部に形成することを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記細孔の内面に窒化ホウ素（ＢＮ）を付着させた状態で溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記中子を、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料で形成すると共に、上記中子を配置した状態で成形体に対して脱バインダー処理を実施し、引続き溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、前記成形体を作製した後に、窒化ホウ素（ＢＮ）、ＢＮコートしたカーボン、および表面を緻密化したカーボンから選択された１種の材料から成る中子を上記成形体に挿入した状態で、成形体に対して脱バインダー処理を実施し、引続き溶融シリコンを含浸せしめることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法において、反応焼結後における前記細孔の内面に、サンドブラスト処理またはウォーターブラスト処理を実施することにより前記細孔内面を仕上げることを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法により製造されたことを特徴とする反応焼結炭化ケイ素構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１３７８３９（Ｐ２００９−１３７８３９Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４８９４（Ｐ２００９−４８９４）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【分割の表示】特願２００４−１０８３２０（Ｐ２００４−１０８３２０）の分割
【原出願日】平成１６年３月３１日（２００４．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【分割の表示】特願２００４−１０８３２０（Ｐ２００４−１０８３２０）の分割
【原出願日】平成１６年３月３１日（２００４．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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