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JP5388464B2 - Aluminum-ceramic composite and method for producing the same - Google Patents
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  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

本発明は、アルミニウム−セラミックス複合体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an aluminum-ceramic composite and a method for producing the same.

セラミックスを分散粒子として添加し、マトリックスを金属とする金属−セラミックス複合体は、金属とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、セラミックスの持つ低熱膨張特性、高剛性等の特徴を活かしながら、金属の持つ高靱性、加工性を付加した材料であり、いろいろな分野での利用が期待されている。従来、この様な材料としては、Cu−W、Cu−Mo等の材料が検討されていたが、比重が大きく、大型の装置部品として用いる場合に問題があり、機械装置メーカー等の業界より、次世代材料として金属−セラミックス複合体が注目されている。   Metal-ceramic composites with ceramics added as dispersed particles and a matrix as a metal combine the characteristics of both metals and ceramics, while taking advantage of the characteristics of ceramics such as low thermal expansion and high rigidity. It is a material with added high toughness and workability, and is expected to be used in various fields. Conventionally, materials such as Cu-W and Cu-Mo have been studied as such materials, but the specific gravity is large and there is a problem when used as a large-sized device part. Metal-ceramic composites are attracting attention as next-generation materials.

金属−セラミックス複合体としては、金属としてアルミニウムをマトリックスとする材料が、近年、活発に研究されている(特許文献1)。アルミニウムは、軽量で熱伝導特性に優れ且つ融点が低い為、比較的容易に複合化できる特徴がある。この様な、アルミニウム−セラミックス複合体の製造方法としては、従来、高圧鍛造法にてアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を含浸するものが知られており、セラミックス粒子又は繊維による多孔体(以下プリフォームと云う)を作製し、高温、高圧下でアルミニウム合金を複合化させる方法である。
アルミニウム−セラミックス複合体の製法については、高圧鍛造法以外にも加圧を行わずに含浸を行う非加圧含浸法(特許文献2)、セラミックス粉末とアルミニウム粉末を混合して温度と圧力を加えて製造を行う粉末冶金法(特許文献3)等の製法がある。
特開平3−509860号公報。 特開平11−116362号公報。 特開平10−8164号公報
As metal-ceramic composites, materials using aluminum as a matrix as a metal have been actively studied in recent years (Patent Document 1). Aluminum is lightweight, has excellent heat conduction characteristics, and has a low melting point. As a method for producing such an aluminum-ceramic composite, a method of impregnating aluminum or an aluminum alloy containing aluminum as a main component by a high-pressure forging method is conventionally known. (Hereinafter referred to as a preform), and an aluminum alloy is compounded under high temperature and high pressure.
As for the production method of the aluminum-ceramic composite, in addition to the high-pressure forging method, non-pressure impregnation method in which impregnation is performed without applying pressure (Patent Document 2), ceramic powder and aluminum powder are mixed, and temperature and pressure are applied. There is a manufacturing method such as a powder metallurgy method (Patent Document 3).
JP-A-3-509860. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-116362. Japanese Patent Laid-Open No. 10-8164

粉末冶金法や非加圧含浸法では、溶解している金属がセラミックス粒子に濡れ難い為、強化材であるセラミックス粒子を多くすると強化材の均一な混合が難しくなり、強化材を高充填した複合体の製造が難しいという課題があった。従来の複合体の製造方法においては、強化材の充填量が少なく、高剛性や低熱膨張が要求される用途には用いることができなかった。無理に強化材の含有率を上げると、複合体中に気孔が残留したり、強化材の界面と金属の濡れ性が確保できず、熱伝導率、強度の低下等の課題が発生する。   In powder metallurgy and non-pressure impregnation methods, it is difficult for the dissolved metal to get wet with the ceramic particles, so increasing the number of ceramic particles, which are reinforcing materials, makes it difficult to mix the reinforcing materials uniformly. There was a problem that it was difficult to manufacture the body. In the conventional method for producing a composite, the filling amount of the reinforcing material is small, and it cannot be used for applications requiring high rigidity and low thermal expansion. If the content of the reinforcing material is increased forcibly, pores remain in the composite, and the interface between the reinforcing material and the metal cannot be secured, resulting in problems such as a decrease in thermal conductivity and strength.

半導体製造治具等として、熱膨張率の小さいチタンやアルミニウム−セラミックス複合体を用いることが検討されているが、チタンやアルミニウム−セラミックス複合体は、非常に硬く加工が難しいため、穴加工や溝加工を必要とする部材では、加工費用が高価となるといった課題があった。   The use of titanium or aluminum-ceramic composites with a low coefficient of thermal expansion as semiconductor manufacturing jigs, etc. has been studied, but since titanium and aluminum-ceramic composites are very hard and difficult to process, drilling and grooves For members that require processing, there has been a problem that the processing cost is high.

アルミニウム−セラミックス複合体の加工コストを低減する方法として、穴や溝加工する部分を加工性に優れるアルミニウム合金層とする方法が検討されているが、大型部品を作製する場合、加工を施すアルミニウム合金層とアルミニウム−セラミックス複合体の熱膨張差に起因する残留応力により、両者の界面で剥離や、クラックが発生すると云った課題があった。 As a method for reducing the processing cost of an aluminum-ceramic composite, a method of making an aluminum alloy layer with excellent workability at a hole or groove processing portion has been studied, but when manufacturing a large part, an aluminum alloy to be processed There was a problem that peeling or cracking occurred at the interface between the two due to residual stress caused by the difference in thermal expansion between the layer and the aluminum-ceramic composite.

これらの問題を解決する方法として、アルミニウム−セラミックス複合体の穴や溝加工する部分を加工性に優れるアルミニウム−黒鉛複合体等にする方法が検討されているが、半導体製造治具等の大型部品として使用する場合、セラミックス部材と接合時の加熱によって、アルミニウム−セラミックス複合体とアルミニウム−黒鉛複合体の熱膨張差に起因する熱応力により、アルミニウム−黒鉛複合体の剥離が発生すると云った課題があった。   As a method for solving these problems, a method of making an aluminum-ceramic composite hole / grooved portion into an aluminum-graphite composite having excellent workability has been studied. When used as a ceramic member, there is a problem that peeling of the aluminum-graphite composite occurs due to thermal stress caused by a difference in thermal expansion between the aluminum-ceramic composite and the aluminum-graphite composite due to heating during bonding with the ceramic member. there were.

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工部分の加工性を確保しつつ熱膨張率を調整し、更に、被加工部分の材料を分割することで、加熱時に発生する熱応力を低減した低熱膨張であり、且つ熱伝導率等の特性が損なわれることのない大型部品にも適用可能なアルミニウム−セラミックス複合体を安価に提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the purpose thereof is to adjust the coefficient of thermal expansion while ensuring the workability of the processed part, and further to heat the material by dividing the material of the processed part. An object of the present invention is to provide a low-cost aluminum-ceramic composite that can be applied to large parts that have low thermal expansion with reduced thermal stress and that do not impair characteristics such as thermal conductivity.

本発明者らは、上記目標を達成するため鋭意検討した結果、被加工部分に最終形状に加工する際に除去される形状より大きな形状で且つ最終形状に加工した際に分割される様に溝を具備した黒鉛材を挿入して、これらとアルミニウム合金を複合化させることで、得られる複合体をアルミニウム−セラミックス複合体と熱膨張差の小さいものとし、両者の界面部分又は界面部分に存在するアルミニウム合金層部分に発生する応力を低減させ、加工時に発生するクラック等を低減すると共に、加工性を改善した。更に、アルミニウム−黒鉛複合体を加工した後、アルミニウム−黒鉛複合体が表面に露出するアルミニウム合金層を介して複数の部材に分割され構造とすることで、熱サイクルを負荷した際に両者の界面に生ずる剥離等を低減した。更に、以下本発明について詳細に説明する。
As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned goal, the present inventors have found that the groove has a shape larger than the shape to be removed when machining into the final shape and is divided when processed into the final shape. By inserting a graphite material having a composite material with an aluminum alloy, the resulting composite has a small difference in thermal expansion from the aluminum-ceramic composite and exists at the interface portion or interface portion between the two. The stress generated in the aluminum alloy layer was reduced, cracks generated during processing were reduced, and workability was improved. Furthermore, aluminum - after processing the graphite composite, aluminum - graphite composite via the aluminum alloy layer exposed to the surface by a plurality of members divided Ru structure, both when loaded with thermal cycling Reduced peeling and the like that occurred at the interface. Further, the present invention will be described in detail below.

即ち、本発明は、穴部及び溝部を有するセラミックス多孔体に対して、アルミニウムを主成分とする金属を溶融含浸して、アルミニウム−セラミックス複合体を製造する方法において、
(1)最終製品にてアルミニウム−セラミックス複合体を露出させるために、上記セラミックス多孔体の厚み及び外周形状を最終製品の厚み及び外周形状より大きな寸法とする工程、
(2)最終製品での穴寸法や溝寸法より大きな寸法の穴や溝を、上記(1)の工程で得られたセラミックス多孔体に加工する工程、
(3)上記(2)の工程で得られたセラミックス多孔体の穴部及び溝部に黒鉛材を挿入する工程であって、該黒鉛材は、最終形状に加工した際にアルミニウム−黒鉛複合体が分割される様に形成された溝を有する工程、
(4)上記(3)の工程で得られたセラミックス多孔体に対して、アルミニウムを主成分とする金属を溶融含浸する工程であって、最終形状に加工した際にアルミニウム−黒鉛複合体が分割される様に形成された上記溝に、アルミニウムを主成分とする金属が充填されることによって、アルミニウム合金層が形成される工程、
(5)上記(4)の工程で得られたアルミニウム−セラミックス複合体の外周部及び表面部を最終形状に加工してアルミニウム−セラミックス複合体を露出させる工程、
(6)上記(5)の工程で得られたアルミニウム−セラミックス複合体の穴部及び溝部のアルミニウム−黒鉛複合体を最終形状に加工する工程であって、表面に露出する上記アルミニウム合金層を介して、アルミニウム−黒鉛複合体が複数の部材に分割される工程、
を経てアルミニウム−セラミックス複合体を製造する方法である。
That is, the present invention relates to a method for producing an aluminum-ceramic composite by melt impregnating a metal mainly composed of aluminum into a ceramic porous body having a hole and a groove.
(1) In order to expose the aluminum-ceramic composite in the final product, the step of setting the thickness and outer peripheral shape of the ceramic porous body to dimensions larger than the thickness and outer peripheral shape of the final product;
(2) A step of processing a hole or groove having a size larger than the hole size or groove size in the final product into the ceramic porous body obtained in the step (1),
(3) above comprising the steps of inserting a graphite material into the hole and groove of the obtained porous ceramics in the step (2), graphite material, aluminum when processed into final shape - graphite composite is step that having a groove formed as to be divided,
(4) The porous ceramic body obtained in the step (3) is a step of melt-impregnating a metal mainly composed of aluminum, and the aluminum-graphite composite is divided when processed into a final shape. A step of forming an aluminum alloy layer by filling the groove formed as described above with a metal mainly composed of aluminum,
(5) A step of exposing the aluminum-ceramic composite by processing the outer peripheral portion and the surface portion of the aluminum-ceramic composite obtained in the step (4) into a final shape,
(6) A step of processing the aluminum-graphite composite in the hole portion and groove portion of the aluminum-ceramic composite obtained in the step (5) into a final shape, through the aluminum alloy layer exposed on the surface A step of dividing the aluminum-graphite composite into a plurality of members,
To produce an aluminum-ceramic composite.

また、本発明は、黒鉛材の25℃〜550℃の熱膨張率が、セラミックス多孔体の25℃〜550℃の熱膨張率の60%〜120%であり、且つ、黒鉛材に金属を含浸したアルミニウム−黒鉛複合体の25℃〜550℃の熱膨張率が、アルミニウム−セラミックス複合体の25℃〜550℃の熱膨張率の80%〜150%であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法である。 Further, according to the present invention, the thermal expansion coefficient of the graphite material at 25 ° C. to 550 ° C. is 60% to 120% of the thermal expansion coefficient of the ceramic porous body at 25 ° C. to 550 ° C., and the graphite material is impregnated with metal. The aluminum-ceramic composite is characterized in that the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 550 ° C. of the aluminum-graphite composite is 80% to 150% of the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 550 ° C. of the aluminum-ceramic composite. It is a manufacturing method of a body.

更に、本発明は、黒鉛材が、各方向の熱膨張率の最大値に対する最小値が70%以上の等方性黒鉛材であることを特徴とするアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法である。 Furthermore, the present invention is the method for producing an aluminum-ceramic composite, wherein the graphite material is an isotropic graphite material having a minimum value of 70% or more with respect to the maximum value of the coefficient of thermal expansion in each direction.

加えて、本発明は、上記製造方法により得られたアルミニウム−セラミックス複合体であって、平板状で、両主面においてアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする構造部品である。 In addition, the present invention is an aluminum-ceramic composite body obtained by the above-described manufacturing method, which is a plate-like structure, and the aluminum-ceramic composite body is exposed on both main surfaces. .

また、本発明は、セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの少なくとも1種以上からなることを特徴とする構造部品であり、温度25℃の熱伝導率が120W/mK以上、並びに、温度150℃の熱膨張係数が10×10−6/K以下であることを特徴とする構造部品である。 Further, the present invention is a structural component in which the ceramic porous body is made of at least one of silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, and alumina, and has a thermal conductivity of 120 W / mK or more at a temperature of 25 ° C. And a thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. is 10 × 10 −6 / K or less.

本発明の構造部品は、低熱膨張、並びに高熱伝導という特性を有しており、半導体製造治具等の大型の装置部品として用いる放熱部品として好適である。加えて、穴部及び溝部分を加工性に優れるアルミニウム−黒鉛複合体とすることで加工費用が抑えられ、特性の優れた構造部品を安価に提供することができる。 The structural component of the present invention has characteristics of low thermal expansion and high thermal conductivity, and is suitable as a heat dissipation component used as a large-sized device component such as a semiconductor manufacturing jig. In addition, by making the hole part and the groove part an aluminum-graphite composite having excellent workability, the processing cost can be suppressed, and a structural component having excellent characteristics can be provided at low cost.

アルミニウム−セラミックス複合体の製法は、大別すると含浸法と粉末冶金法の2種がある。このうち大型部品としては、熱伝導率等の特性面から、実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々の製法が有り、常圧で行う方法と、高圧下で行う方法(高圧鍛造法)がある。高圧鍛造法には、溶湯鍛造法とダイキャスト法がある。   The manufacturing method of the aluminum-ceramic composite can be roughly classified into two types: an impregnation method and a powder metallurgy method. Of these, the large parts are actually commercialized by impregnation methods from the viewpoint of characteristics such as thermal conductivity. There are various methods of impregnation, and there are a method of performing under normal pressure and a method of performing under high pressure (high pressure forging method). High pressure forging methods include a molten metal forging method and a die casting method.

本発明に好適な方法は、高圧下で含浸を行う高圧鍛造法であり、大型で緻密な複合体を得るには溶湯鍛造法が好ましい。高圧鍛造法は、高圧容器内に、セラミックスのプリフォームを装填し、これにアルミニウム合金の溶湯を高温、高圧下で含浸させて複合体を得る方法である。   A method suitable for the present invention is a high-pressure forging method in which impregnation is performed under high pressure, and a molten metal forging method is preferable for obtaining a large and dense composite. The high-pressure forging method is a method in which a ceramic preform is loaded into a high-pressure vessel, and a molten aluminum alloy is impregnated at a high temperature and high pressure to obtain a composite.

以下、本発明について、溶湯鍛造法による製法例を説明する。原料であるセラミックス粉末(必要に応じて例えばシリカ等の結合材を添加する)を、成形、焼成してプリフォームを作製する。得られたプリフォームは、所定の平面度を確保する為に、必要に応じて面加工を行う場合もある。また、最終製品で穴加工や溝加工を施す部分については、最終製品での穴寸法や溝寸法より大きな寸法の穴や溝を、プリフォームに加工する。一方、厚み及び外周形状は、最終製品にてアルミニウム−セラミックス複合体を露出させるために、最終製品の厚み寸法や外形寸法より大きな寸法とする。   Hereinafter, the example of a manufacturing method by the molten metal forging method is demonstrated about this invention. Ceramic powder as a raw material (adding a binder such as silica as necessary) is molded and fired to prepare a preform. The obtained preform may be subjected to surface processing as necessary in order to ensure a predetermined flatness. In addition, with respect to a portion to be subjected to hole processing or groove processing in the final product, holes or grooves having dimensions larger than those of the final product are processed into a preform. On the other hand, in order to expose the aluminum-ceramic composite in the final product, the thickness and the outer peripheral shape are set to dimensions larger than the thickness dimension and the outer dimension of the final product.

次に、図1に示す様に、プリフォームに穴加工、溝加工を施した部分に、穴部等の寸法より僅かに小さい黒鉛材(1)を挿入する。これらの部分は、後述する含浸工程を経て、アルミニウム−黒鉛複合体(4)となる(図2)。プリフォームの穴等と黒鉛材の寸法差は、挿入が可能な範囲で極力小さい方が好ましく、0.05mm〜0.5mm程度である。プリフォームの穴等の寸法と黒鉛材の寸法差が大きい場合、得られた複合体にて、両者の間に存在する熱膨張率の大きいアルミニウム合金層の厚みが厚くなり過ぎて好ましくない。アルミニウム−黒鉛複合体は、加工性に優れ、穴加工、溝加工等を行う場合に、通常の機械加工で容易に加工することができる。 Next, as shown in FIG. 1, a graphite material (1) slightly smaller than the size of the hole or the like is inserted into a hole or groove formed in the preform. These portions become an aluminum-graphite composite (4) through an impregnation step described later (FIG. 2). The dimensional difference between the preform hole or the like and the graphite material is preferably as small as possible within a range where insertion is possible, and is about 0.05 mm to 0.5 mm. When the dimension of the preform hole and the like and the dimensional difference between the graphite materials are large, the thickness of the aluminum alloy layer having a large coefficient of thermal expansion existing between the two is not preferable in the obtained composite. The aluminum-graphite composite is excellent in workability, and can be easily processed by normal machining when performing drilling, grooving or the like.

本発明で用いる黒鉛材は、25℃〜550℃の熱膨張率が、セラミックス多孔体の25℃〜550℃の熱膨張率の60%〜120%であることが好ましい。黒鉛材の25℃〜550℃の熱膨張率が、セラミックス多孔体の25℃〜550℃の熱膨張率の60%未満では、アルミニウム合金と複合化する際の予熱時に、両者の熱膨張率差により、得られる複合体間に存在するアルミニウム合金層の厚みが厚くなり過ぎて好ましくない。一方、黒鉛材の25℃〜550℃の熱膨張率が、セラミックス多孔体の25℃〜550℃の熱膨張率の120%を超えると、両者の初期の寸法差にも依存するが、アルミニウム合金と複合化する際の予熱時に、両者の熱膨張率差により、セラミックス多孔体に引張応力が発生し、予熱時にセラミックス多孔体が割れてしまう等の問題が発生することがあり、好ましくない。 The graphite material used in the present invention preferably has a thermal expansion coefficient of 25 ° C. to 550 ° C. of 60% to 120% of the thermal expansion coefficient of 25 ° C. to 550 ° C. of the ceramic porous body. If the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 550 ° C. of the graphite material is less than 60% of the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 550 ° C. of the ceramic porous body, the difference in thermal expansion coefficient between the two during the preheating when compounding with the aluminum alloy Therefore, the thickness of the aluminum alloy layer existing between the obtained composites becomes too thick, which is not preferable. On the other hand, when the thermal expansion coefficient of 25 ° C to 550 ° C of the graphite material exceeds 120% of the thermal expansion coefficient of 25 ° C to 550 ° C of the porous ceramic body, it depends on the initial dimensional difference between the two, but the aluminum alloy During preheating when composited, a difference in thermal expansion coefficient between them causes tensile stress in the ceramic porous body, which may cause problems such as cracking of the ceramic porous body during preheating.

また、本発明で用いる黒鉛材は、黒鉛材に金属を含浸した複合体の25℃〜550℃の熱膨張率が、アルミニウム−セラミックス複合体の熱膨張率の80%〜150%であることが好ましい。黒鉛材に金属を含浸した複合体の25℃〜550℃の熱膨張率が、アルミニウム−セラミックス複合体の熱膨張率の80%未満又は150%を超えると、アルミニウム合金と複合化後の冷却過程で、両者の界面部分に発生する応力が大きくなり過ぎ、アルミニウム−セラミックス複合体を加工する際にクラックが発生することがある。また、黒鉛材に金属を含浸した複合体は、最終製品に加工後も、一部が加工面に残る為、アルミニウム−セラミックス複合体との熱膨張率差が大きいと、加熱時に反り発生等原因となり、好ましくない。用いる黒鉛材の気孔率は、複合体とした際の熱膨張率をアルミニウム−セラミックス複合体に近づける必要性から40体積%以下であり、好ましくは、20体積%以下である。 In the graphite material used in the present invention, the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 550 ° C. of the composite in which the metal is impregnated with the graphite material is 80% to 150% of the thermal expansion coefficient of the aluminum-ceramic composite. preferable. When the thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 550 ° C. of the composite in which the metal is impregnated with the graphite material is less than 80% or 150% of the thermal expansion coefficient of the aluminum-ceramic composite, the cooling process after compounding with the aluminum alloy Thus, the stress generated at the interface between the two becomes too large, and cracks may occur when the aluminum-ceramic composite is processed. In addition, composites in which a metal is impregnated with graphite material partially remain on the processed surface even after being processed into a final product. Therefore, if there is a large difference in coefficient of thermal expansion from the aluminum-ceramic composite, warping may occur during heating. This is not preferable. The porosity of the graphite material to be used is 40% by volume or less, preferably 20% by volume or less, because it is necessary to make the coefficient of thermal expansion close to that of the aluminum-ceramic composite.

更に、本発明で用いる黒鉛材は、各方向の熱膨張率の最大値に対する最小値が70%以上の等方性黒鉛材であることが好ましい。黒鉛材には、押出材等の異方性のある材料があるが、本発明では、この黒鉛材にアルミニウム合金を含浸して複合材とし、アルミニウム−セラミックス複合材と界面を形成する為、上述した様に、得られるアルミニウム−黒鉛複合材とアルミニウム−セラミックス複合材の熱膨張率を合わせることが重要であり、黒鉛材の熱膨張率に異方性のあるものは好ましくない。この為、等方性黒鉛材料が適している。 Furthermore, the graphite material used in the present invention is preferably an isotropic graphite material having a minimum value of 70% or more with respect to the maximum value of the coefficient of thermal expansion in each direction. The graphite material includes an anisotropic material such as an extruded material. In the present invention, the graphite material is impregnated with an aluminum alloy to form a composite material, and an interface with the aluminum-ceramic composite material is formed. As described above, it is important to match the thermal expansion coefficients of the obtained aluminum-graphite composite material and aluminum-ceramic composite material, and it is not preferable that the thermal expansion coefficient of the graphite material is anisotropic. For this reason, isotropic graphite materials are suitable.

図1に示す様に、黒鉛材(1)には最終形状に加工した際に分割される様に予め微細な溝(3)等を施しておき、アルミニウム合金を複合化することで、アルミニウム−黒鉛複合体(4)とアルミニウム−セラミックス複合材(5)の界面での接合面積を増加させると共に、機械的な接合構造とすることで、両者の接合をより強固なものとすることもできる。更に、図2に示す様に、最終形状に加工した際に、アルミニウム−黒鉛複合体(4)は、予め黒鉛材に形成しておいた溝(3)等により、表面に露出するアルミニウム合金層(9)を介して複数の部材に分割される。黒鉛材に予め形成する溝の形状は、幅が0.3mm〜3mmであることが好ましい。溝の幅が0.3mm以下では後述する熱応力の緩和効果が不十分となる為、好ましくない。また、溝の幅が3mmを超えると熱膨張率の大きいアルミニウム合金層の残留が多くなり過ぎて好ましくない。溝の深さに関しては、黒鉛材の機械的特性を大きく損なわない範囲であれば特に制限はない。溝の本数は、最終加工後に残るアルミニウム合金層(9)の面積が、アルミニウム−黒鉛複合体の面積の30%を超えない範囲であれば、本発明の目的からも極力多い方が好ましい。更に、溝の形状に関しては、必要に応じてテーパー等を付与することもできる。 As shown in FIG. 1, the graphite material (1) is preliminarily provided with fine grooves (3) or the like so as to be divided when processed into a final shape, and an aluminum alloy is compounded, thereby producing an aluminum- While increasing the joint area at the interface between the graphite composite (4) and the aluminum-ceramic composite (5), and making a mechanical joint structure, the joint between them can be made stronger. Further, as shown in FIG. 2, when the aluminum-graphite composite (4) is processed into a final shape, the aluminum alloy layer exposed to the surface by the grooves (3) formed in the graphite material in advance. It is divided into a plurality of members via (9). The shape of the groove formed in advance in the graphite material preferably has a width of 0.3 mm to 3 mm. If the width of the groove is 0.3 mm or less, the effect of mitigating thermal stress described later is insufficient, which is not preferable. Further, if the width of the groove exceeds 3 mm, an aluminum alloy layer having a large coefficient of thermal expansion remains excessively, which is not preferable. The depth of the groove is not particularly limited as long as it does not significantly impair the mechanical properties of the graphite material. The number of grooves is preferably as large as possible for the purpose of the present invention as long as the area of the aluminum alloy layer (9) remaining after final processing does not exceed 30% of the area of the aluminum-graphite composite. Furthermore, with respect to the shape of the groove, a taper or the like can be given as necessary.

本発明では、最終形状に加工した際に製品表面に残留するアルミニウム−黒鉛複合体をアルミニウム合金層を介して複数の部材に分割することにより、セラミックス部材と接合する際の加熱時に、アルミニウム−セラミックス複合体とアルミニウム−黒鉛複合体の熱膨張差に起因する熱応力の発生を抑制することができ、その結果、加熱時のアルミニウム−黒鉛複合体の剥離発生を抑制することができる。 In the present invention, the aluminum-graphite composite remaining on the product surface when it is processed into a final shape is divided into a plurality of members via an aluminum alloy layer, so that the aluminum-ceramics are heated during bonding with the ceramic member. Generation of thermal stress due to the thermal expansion difference between the composite and the aluminum-graphite composite can be suppressed, and as a result, occurrence of peeling of the aluminum-graphite composite during heating can be suppressed.

また、本発明の構造においては、略最終製品形状に加工後に、温度500℃以上の条件でアニール処理を行うことにより、前述したアルミニウム合金層、アルミニウム−黒鉛複合体及びアルミニウム−セラミックス複合体間の残留応力を開放することがでる。このアニール処理での応力開放により、アルミニウム合金層が塑性変形することもあり、その場合は、必要に応じて製品を最終形状となる様に表面部分を再加工することで対応できる。また、アニール処理により応力開放した後は、その後の加熱処理でのアルミニウム合金層の塑性変形は殆ど無くなる。 In the structure of the present invention, after processing into a substantially final product shape, annealing is performed under conditions of a temperature of 500 ° C. or higher, so that the above-described aluminum alloy layer, aluminum-graphite composite, and aluminum-ceramic composite are between. Residual stress can be released. The aluminum alloy layer may be plastically deformed due to the stress release in this annealing treatment, and in this case, it can be dealt with by reworking the surface portion so that the product has a final shape. Further, after the stress is released by the annealing treatment, the plastic deformation of the aluminum alloy layer in the subsequent heat treatment is almost eliminated.

本発明のアルミニウム−セラミックス複合体に用いられるセラミックスは、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選ばれる少なくとも1種以上からなることが好ましい。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、その用途から高熱伝導性が要求される。アルミニウム−セラミックス複合体の熱伝導率は、セラミックス材料自体の熱伝導率と、アルミニウム合金との界面状態により決まる。この為、セラミックス材料は、熱伝導率、アルミニウム合金との濡れ性、並びに密着性の点から、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの群から選ばれることが好ましい。更に、本発明に係る多孔体には、本発明の前記効果を阻害しない限りに於いて、少量のシリカ、アルミナ、マグネシア等の酸化物又は複合酸化物を含有することもできる。   The ceramic used for the aluminum-ceramic composite of the present invention is preferably composed of at least one selected from the group consisting of silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, and alumina. The aluminum-ceramic composite of the present invention is required to have high thermal conductivity from its application. The thermal conductivity of the aluminum-ceramic composite is determined by the thermal conductivity of the ceramic material itself and the interface state with the aluminum alloy. For this reason, the ceramic material is preferably selected from the group of silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, and alumina from the viewpoints of thermal conductivity, wettability with an aluminum alloy, and adhesion. Furthermore, the porous body according to the present invention may contain a small amount of an oxide or composite oxide such as silica, alumina, magnesia and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.

本発明に係るプリフォームの製造方法に関して特に制限はなく、公知の方法で製造することが可能である。例えば、セラミックスが炭化珪素の場合、炭化珪素粉末にコロイダルシリカ或いはコロイダルアルミナ等を結合材として添加して混合、成形し、800℃以上で焼成することによって得ることができる。成形方法についても特に制限は無く、プレス成形、押し出し成形、鋳込み成形等公知の方法を用いることができ、必要に応じて保形用バインダーの併用が可能である。 There is no restriction | limiting in particular regarding the manufacturing method of the preform which concerns on this invention, It can manufacture by a well-known method. For example, when the ceramic is silicon carbide, it can be obtained by adding colloidal silica or colloidal alumina or the like as a binder to a silicon carbide powder, mixing, molding, and firing at 800 ° C. or higher. There is no restriction | limiting in particular also about a shaping | molding method, Well-known methods, such as press molding, extrusion molding, and casting, can be used, and the shape-retaining binder can be used together as needed.

本発明に用いるプリフォームの気孔率は、10〜50体積%が好ましく、15〜40体積%がより好ましい。アルミニウム−セラミックス複合体の特性、特に膨張係数は、用いるセラミックスの膨張係数、弾性率とその含有量により決まる。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体を、例えば静電チャックモジュールの放熱部品として用いる場合、静電チャックの素材(アルミナ、窒化アルミニウム等)との膨張係数の差が大きくなると、接合時に接合部に応力が発生し、部品が反る場合がある。この為、アルミニウム−セラミックス複合体の膨張係数を小さくする為、気孔率の上限は50体積%が好ましく、40体積%がより好ましい。一方、気孔率が10体積%未満では、アルミニウム合金との複合化が難しく、複合化時に気孔が残留する等の弊害が生じ、その結果、熱伝導率が低下する場合がある。プリフォームの気孔率は、用いるセラミックス粉末の種類、粒子形態、粒度及び配合比を調整することにより制御できる。また、プリフォームの気孔率は、成形方法によっても調整することができる。   10-50 volume% is preferable and, as for the porosity of the preform used for this invention, 15-40 volume% is more preferable. The characteristics of the aluminum-ceramic composite, particularly the expansion coefficient, are determined by the expansion coefficient, elastic modulus and content of the ceramic used. When the aluminum-ceramic composite of the present invention is used as, for example, a heat radiating component of an electrostatic chuck module, if the difference in expansion coefficient from the electrostatic chuck material (alumina, aluminum nitride, etc.) increases, May occur and parts may warp. For this reason, in order to reduce the expansion coefficient of the aluminum-ceramic composite, the upper limit of the porosity is preferably 50% by volume, more preferably 40% by volume. On the other hand, when the porosity is less than 10% by volume, it is difficult to form a composite with an aluminum alloy, and there are problems such as pores remaining during the composite, resulting in a decrease in thermal conductivity. The porosity of the preform can be controlled by adjusting the type, particle form, particle size and blending ratio of the ceramic powder used. Further, the porosity of the preform can be adjusted by a molding method.

プリフォームを積層して一つのブロックとする方法は特に限定されるものではないが、例えば、次の方法が挙げられる。前記プリフォームを、離型剤を塗布した離型板で挟み積層して一つのブロックとする方法、前記プリフォームの両面に、アルミナまたはシリカを主成分とする繊維を直接接するように配置し、離型板で挟み、一つのブロックとする方法である。 The method of laminating the preform to form one block is not particularly limited, but for example, the following method may be mentioned. A method in which the preform is sandwiched and laminated with a release plate coated with a release agent to form one block, arranged on both surfaces of the preform so that fibers mainly composed of alumina or silica are in direct contact with each other, It is a method of sandwiching between release plates to form one block.

前記ブロックを550〜750℃程度で予備加熱後、高圧容器内に1個または2個以上配置し、ブロックの温度低下を防ぐために出来るだけ速やかにアルミニウム合金の溶湯を給湯して20MPa以上の圧力で加圧し、アルミニウム合金をプリフォームの空隙中に含浸させることで、アルミニウム−セラミックス複合体が得られる。なお、含浸時の歪み除去の目的で、含浸品のアニール処理を行うこともある。 After preheating the block at about 550 to 750 ° C., place one or more in a high-pressure vessel, and supply molten aluminum alloy as quickly as possible to prevent the temperature of the block from decreasing, and at a pressure of 20 MPa or more. The aluminum-ceramic composite is obtained by pressurizing and impregnating the aluminum alloy into the voids of the preform. For the purpose of removing distortion during impregnation, the impregnated product may be annealed.

本発明のアルミニウム−セラミックス複合体中のアルミニウム合金は、アルミニウムの他にマグネシウム等が含まれることがある。このようなアルミニウム合金として、例えばマグネシウム0.2〜3質量%含有したアルミニウム合金を用いる場合がある。マグネシウムを含有させることにより、セラミックス粒子と金属部分との結合がより強固になり好ましい。更に、含浸時にプリフォームの空隙内に十分にアルミニウム合金を浸透させるため、アルミニウム合金の融点がなるべく低いことが好ましいため、例えばシリコンを5〜25質量%含有したアルミニウム合金を用いる場合もある。アルミニウム合金中のアルミニウム、マグネシウム以外の金属成分に関しては、極端に特性が変化しない範囲であれば特に制限はなく、例えば銅等が含まれていても良い。   The aluminum alloy in the aluminum-ceramic composite of the present invention may contain magnesium or the like in addition to aluminum. As such an aluminum alloy, for example, an aluminum alloy containing 0.2 to 3% by mass of magnesium may be used. By containing magnesium, the bond between the ceramic particles and the metal portion becomes stronger, which is preferable. Furthermore, since the aluminum alloy is sufficiently penetrated into the voids of the preform at the time of impregnation, the melting point of the aluminum alloy is preferably as low as possible. For example, an aluminum alloy containing 5 to 25% by mass of silicon may be used. The metal components other than aluminum and magnesium in the aluminum alloy are not particularly limited as long as the characteristics do not change extremely. For example, copper or the like may be included.

得られたアルミニウム−セラミックス複合体の加工方法の例を説明する。本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、高圧鍛造法で作製するため、周囲をアルミニウム合金で覆われている。先ず、この表面アルミニウム合金層をグラインダー等で除去した後、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工を行い平板状のアルミニウム−セラミックス複合体とする。尚、表面のアルミニウム合金層を除去せずに、直接、ダイヤモンド製の工具を用いて平面研削盤等により面加工することもできる。次に、マシニングセンター、ウォータージェット加工機、放電加工機等により、外周加工、溝加工及び穴加工を行う。特に、複雑なタップ穴等を加工する場合、必要に応じて穴部の強度向上の目的でステンレス製のヘリサートを挿入することもある。前述したように、予め穴加工や溝加工を行う部分のプリフォームを最終形状より大きめに加工しているため、この部分は、アルミニウム−黒鉛複合体となり、通常の機械加工により容易に加工することができ、加工コストを低減できる。   An example of a method for processing the obtained aluminum-ceramic composite will be described. Since the aluminum-ceramic composite of the present invention is produced by a high-pressure forging method, the periphery is covered with an aluminum alloy. First, this surface aluminum alloy layer is removed with a grinder or the like, and then surface processing is performed with a surface grinder using a diamond tool to obtain a flat aluminum-ceramic composite. In addition, it is also possible to directly perform surface processing with a surface grinder or the like using a diamond tool without removing the surface aluminum alloy layer. Next, peripheral machining, grooving, and hole machining are performed by a machining center, a water jet machine, an electric discharge machine, or the like. In particular, when processing a complicated tap hole or the like, a stainless steel helicate may be inserted as needed for the purpose of improving the strength of the hole. As mentioned above, since the preform of the part to be drilled or grooved is processed larger than the final shape in advance, this part becomes an aluminum-graphite composite and can be easily processed by normal machining Processing costs can be reduced.

本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、上述した加工を行うことにより、平板で両主面においてアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする。表面のアルミニウム合金層が完全に除去できず残留した場合、アルミニウム−セラミックス複合体とアルミニウム合金層の熱膨張率の差より、使用時の温度変化で反りが発生し、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に用いる場合、必要とする平坦度等が確保できなくなることがある。   The aluminum-ceramic composite of the present invention is characterized in that the aluminum-ceramic composite is exposed on both main surfaces of a flat plate by performing the above-described processing. If the aluminum alloy layer on the surface cannot be completely removed and remains, warping occurs due to temperature changes during use due to the difference in thermal expansion coefficient between the aluminum-ceramic composite and the aluminum alloy layer, and in an environment with a temperature gradient. When used for jigs used in applications requiring high precision flatness, for example, semiconductor manufacturing jigs, the required flatness may not be ensured.

本発明のアルミニウム−セラミックス複合体は、温度150℃の熱膨張係数が10×10−6/K以下であることが好ましく、温度勾配のある環境下で高精度の平坦度等が要求される用途で用いられる治具、例えば半導体製造治具等に好適である。温度150℃の熱膨張係数が10×10−6/Kを超えると、上記した半導体製造治具等に用いる場合、使用時の微妙な温度勾配により、複合体自体の熱膨張により平坦度等が確保できなくなることがある。熱膨張係数については、例えばセラミックス製の静電チャック等の部材と接合して用いる場合、接合する部材の熱膨張係数に合わせることが好ましい。 The aluminum-ceramic composite of the present invention preferably has a thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 / K or less at a temperature of 150 ° C., and uses that require high-precision flatness in an environment with a temperature gradient. It is suitable for jigs used in the above, such as semiconductor manufacturing jigs. When the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. exceeds 10 × 10 −6 / K, the flatness and the like may be reduced due to the thermal expansion of the composite itself due to a subtle temperature gradient when used in the semiconductor manufacturing jig described above. It may become impossible to secure. About a thermal expansion coefficient, when joining and using members, such as ceramic electrostatic chucks, for example, it is preferable to match | combine with the thermal expansion coefficient of the member to join.

また、本発明の複合体は、温度25℃における熱伝導率が120W/mK以上であることが好ましい。これは、放熱が要求される部品に用いる場合に好適であり、且つ上記した半導体製造治具等に用いる場合にも、熱伝導特性に優れる材料は、複合体自他の熱勾配を低減する効果があり好ましい。 The composite of the present invention preferably has a thermal conductivity of 120 W / mK or higher at a temperature of 25 ° C. This is suitable for use in parts that require heat dissipation, and even when used in the above-mentioned semiconductor manufacturing jigs, etc., the material having excellent heat conduction characteristics is effective in reducing the thermal gradient of the composite itself. Is preferable.

(実施例1)
炭化珪素(以下、SiCという)粉末A(大平洋ランダム社製:NG−80、平均粒径:200μm)1800g、炭化珪素粉末B(大平洋ランダム社製:NG−150、平均粒径:100μm)900g、炭化珪素粉末C(屋久島電工社製:GC−1000F、平均粒径:10μm)300g、及びシリカゾル(日産化学社製:スノーテックス)300gを秤取し、攪拌混合機で30分間混合した後、Φ300mm×18mmの寸法の平板状に面圧30MPaでプレス成形した。
Example 1
1800 g of silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) powder A (manufactured by Taiyo Random Company: NG-80, average particle size: 200 μm), silicon carbide powder B (manufactured by Taiyo Random Company: NG-150, average particle size: 100 μm) 900 g, 300 g of silicon carbide powder C (manufactured by Yakushima Electric: GC-1000F, average particle size: 10 μm) and 300 g of silica sol (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd .: Snowtex) are weighed and mixed for 30 minutes with a stirring mixer. The plate was press-molded into a flat plate having a size of Φ300 mm × 18 mm at a surface pressure of 30 MPa.

得られた成形体を、温度120℃で2時間乾燥後、大気中、温度950℃で2時間焼成して、気孔率が23%のSiCプリフォームを得た。得られたSiCプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、15mmの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ290mmの形状に外周部を加工した。   The obtained molded body was dried at a temperature of 120 ° C. for 2 hours and then fired in the air at a temperature of 950 ° C. for 2 hours to obtain a SiC preform having a porosity of 23%. The obtained SiC preform was subjected to surface processing to a thickness of 15 mm using a diamond grindstone with a surface grinder, and then the outer peripheral portion was processed into a shape with an outer dimension of Φ290 mm at a machining center.

得られたSiCプリフォームは、図1のセラミックス多孔体(2)の形状にダイヤモンド製の工具を用いてΦ12mmの貫通穴、Φ12mmで深さ10mmの途中穴、及びΦ200mm×10mmtの溝加工を行った。次に、図1の黒鉛材(1)に示す幅1mmで2mm深さの溝を有するΦ11.9mm×15mmt及びΦ11.9mm×9.9mmtの等方性黒鉛材(東海カーボン社製:G458)を穴部に挿入した。また、図1の黒鉛材(1)に示す側面及び底面に1mm幅で2mm深さの溝を有するΦ199.7mm×9.9mmtの等方性黒鉛材(東海カーボン社製:G458)をSiCプリフォームの溝部分に挿入した。その後、両主面を0.5mmtの黒鉛シート(以下、グラフォイル板と云う)で挟んで、上下に12mm厚みの鉄板を配置して、M10のボルト8本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で700℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ400mm×300mmtのプレス型内に収め、シリコンを12質量%及びマグネシウムを1質量%含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、100MPaの圧力で25分間加圧してSiCプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだグラフォイル板をはがした後、含浸時の歪み除去のために530℃の温度で3時間アニール処理を行い、アルミニウム−炭化珪素複合体を得た。 The obtained SiC preform is processed into a shape of the ceramic porous body (2) in FIG. 1 using a diamond tool and a Φ12 mm through hole, a Φ12 mm intermediate hole having a depth of 10 mm, and a Φ200 mm × 10 mmt groove. It was. Next, isotropic graphite materials of Φ11.9 mm × 15 mmt and Φ11.9 mm × 9.9 mmt having grooves of 1 mm width and 2 mm depth shown in the graphite material (1) of FIG. 1 (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd .: G458) Was inserted into the hole. In addition, an isotropic graphite material (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd .: G458) having a diameter of 2 mm and a depth of 2 mm on the side surface and bottom surface of the graphite material (1) shown in FIG. Inserted into the groove of the reform. Thereafter, both main surfaces were sandwiched between 0.5 mmt graphite sheets (hereinafter referred to as grapho foil plates), and 12 mm thick iron plates were arranged on the top and bottom, and connected with eight M10 bolts to form one block. Next, this block was preheated to 700 ° C. in an electric furnace, and then placed in a pre-heated press mold having an inner diameter of Φ400 mm × 300 mmt, and an aluminum alloy containing 12% by mass of silicon and 1% by mass of magnesium. The molten metal was poured and pressurized at 100 MPa for 25 minutes to impregnate the SiC preform with the aluminum alloy. After cooling to room temperature, cut along the shape of the release plate with a wet band saw, peel off the sandwiched foil foil, and then anneal for 3 hours at a temperature of 530 ° C. to remove distortion during impregnation An aluminum-silicon carbide composite was obtained.

得られたSiCプリフォーム及び等方性黒鉛材より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、SiCプリフォームが4.5×10−6/K、等方性黒鉛が3.5×10−6/Kであった。更に、等方性黒鉛材は、直交する3方向での熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した結果、最大値が3.6×10−6/K、最小値が3.4×10−6/Kであった。 From the obtained SiC preform and isotropic graphite material, a specimen for thermal expansion coefficient measurement (diameter 3 mm, length 10 mm) is prepared by grinding, and each test piece is used at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. The thermal expansion coefficient was measured with a thermal dilatometer (Seiko Denshi Kogyo Co., Ltd .; TMA300). As a result, the thermal expansion coefficient of the temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is, SiC preform 4.5 × 10 -6 / K, isotropic graphite was 3.5 × 10 -6 / K. Furthermore, for the isotropic graphite material, a test body for measuring a thermal expansion coefficient (diameter: 3 mm, length: 10 mm) in three orthogonal directions is prepared, and thermal expansion at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is performed using each test piece. As a result of measuring the coefficient, the maximum value was 3.6 × 10 −6 / K, and the minimum value was 3.4 × 10 −6 / K.

次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)、熱伝導率測定用試験体(25mm×25mm×1mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度150℃及び温度25℃〜550℃の熱膨張係数を熱膨張計で、温度25℃での熱伝導率をレーザーフラッシュ法(アルバック社製;TC3000)で測定した。その結果、温度150℃の熱膨張係数は5.2×10−6/K、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は5.4×10−6/K、温度25℃での熱伝導率は245W/mKであった。また、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体の溝部分のアルミニウム−黒鉛複合体より、削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、5.5×10−6/Kであった。 Next, from the obtained aluminum-silicon carbide composite, a thermal expansion coefficient measurement specimen (diameter 3 mm length 10 mm) and a thermal conductivity measurement specimen (25 mm × 25 mm × 1 mm) were prepared by grinding. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. and a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was measured by a thermal dilatometer, and the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. was measured by a laser flash method (manufactured by ULVAC; TC3000). . As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. is 5.2 × 10 −6 / K, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is 5.4 × 10 −6 / K, and the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. Was 245 W / mK. Moreover, a test body for measuring a thermal expansion coefficient (diameter: 3 mm, length: 10 mm) was produced by machining from the aluminum-graphite composite in the groove portion of the obtained aluminum-silicon carbide composite, and the temperature was 25 ° C. to 550 ° C. The thermal expansion coefficient was measured. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was 5.5 × 10 −6 / K.

次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが:14mmとなるように両面を均一に研削加工した。その後、部材を外形寸法がΦ280mmの形状に外周部を研削加工した。次に、研削加工を施したアルミニウム−炭化珪素複合体は、図2の形状にアルミニウム−黒鉛複合体部(4)を機械加工し、Φ10mmの貫通穴(8)、Φ10mmで深さ8mmの途中穴(7)及びΦ198mmで深さ8.5mmの溝加工を行った。得られた加工品は、加工時の歪み除去の為、温度520℃で1時間の加熱処理を行った。加熱処理前後での平面度の変化量は、14μmであった。その後、上下面を平面研削盤にて各面を0.1mm厚み研削加工して構造部品を作製した。得られた構造部品の溝部は、1mm幅のアルミニウム合金層により、5分割されたアルミニウム−黒鉛複合体が露出した構造であった。更に、得られた構造部品を、温度560℃で1時間の加熱処理を行ったが、溝部分のアルミニウム−黒鉛複合体の剥離等の発生は無かった。 Next, both sides of the obtained aluminum-silicon carbide composite were uniformly ground using a diamond tool with a surface grinder so that the thickness was 14 mm. Thereafter, the outer peripheral portion of the member was ground into a shape having an outer dimension of Φ280 mm. Next, the aluminum-silicon carbide composite subjected to grinding is machined into an aluminum-graphite composite part (4) in the shape of FIG. 2, and a Φ10 mm through hole (8), Φ10 mm in the middle of the depth of 8 mm. Groove processing with a hole (7) and a depth of 8.5 mm was performed at Φ198 mm. The obtained processed product was subjected to heat treatment at a temperature of 520 ° C. for 1 hour in order to remove distortion during processing. The amount of change in flatness before and after the heat treatment was 14 μm. Thereafter, the upper and lower surfaces were ground by a thickness of 0.1 mm on a surface grinder to produce a structural component. The groove part of the obtained structural component had a structure in which the aluminum-graphite composite divided into five parts was exposed by an aluminum alloy layer having a width of 1 mm. Furthermore, although the obtained structural component was heat-treated at a temperature of 560 ° C. for 1 hour, there was no occurrence of peeling of the aluminum-graphite composite in the groove portion.

(比較例1)
実施例1のSiCプリフォームの穴部及び溝部分に何も配置せずに、両主面を0.5mmtのグラフォイル板で挟んで、上下に12mm厚みの鉄板を配置して、M10のボルト8本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で700℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ400mm×300mmtのプレス型内に収め、シリコンを12質量%及びマグネシウムを1質量%含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、100MPaの圧力で25分間加圧してSiCプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだグラフォイル板をはがした後、含浸時の歪み除去のために530℃の温度で3時間アニール処理を行い、アルミニウム−炭化珪素複合体を得た。
(Comparative Example 1)
Without placing anything in the hole and groove portions of the SiC preform of Example 1, both main surfaces were sandwiched between 0.5 mmt graphoil plates, 12 mm thick iron plates were placed up and down, and M10 bolts 8 Connected with a book to form one block. Next, this block was preheated to 700 ° C. in an electric furnace, and then placed in a pre-heated press mold having an inner diameter of Φ400 mm × 300 mmt, and an aluminum alloy containing 12% by mass of silicon and 1% by mass of magnesium. The molten metal was poured and pressurized at 100 MPa for 25 minutes to impregnate the SiC preform with the aluminum alloy. After cooling to room temperature, cut along the shape of the release plate with a wet band saw, peel off the sandwiched foil foil, and then anneal for 3 hours at a temperature of 530 ° C. to remove distortion during impregnation An aluminum-silicon carbide composite was obtained.

得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、溝部分側が凹面となる形状に反っており、その反り量は、長さ200mm当たり1.6mmであった。次に、このアルミニウム−炭化珪素複合体を、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが:12mmとなるように両面を均一に研削加工した。得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、SiCプリフォームに溝加工を施した部分の裏面側のアルミニウム−炭化珪素複合体にクラックの発生があった。また、SiCプリフォームに溝加工を施した部分のアルミニウム合金層部分とアルミニウム−炭化珪素複合体の境界部分にも同様のクラックの発生があった。 The obtained aluminum-silicon carbide composite was warped in a shape having a concave surface on the groove portion side, and the amount of warpage was 1.6 mm per 200 mm in length. Next, both sides of this aluminum-silicon carbide composite were uniformly ground using a diamond tool with a surface grinder so that the thickness was 12 mm. The obtained aluminum-silicon carbide composite had cracks in the aluminum-silicon carbide composite on the back side of the portion where the SiC preform was grooved. Similar cracks were also generated at the boundary between the aluminum alloy layer portion and the aluminum-silicon carbide composite portion where the SiC preform was grooved.

(比較例2)
実施例1にて、穴部及び溝部分に実施例1と同形状の押出黒鉛材を配置し、実施例1と同様にしてアルミニウム−炭化珪素複合体を作製した。用いた押出黒鉛材より、研削加工により直交する3方向での熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、最大値が7.6×10−6/K、最小値が1.6×10−6/Kであった。
(Comparative Example 2)
In Example 1, an extruded graphite material having the same shape as that of Example 1 was placed in the hole and the groove, and an aluminum-silicon carbide composite was produced in the same manner as in Example 1. From the extruded graphite material used, a specimen for thermal expansion coefficient measurement (diameter: 3 mm, length: 10 mm) in three directions orthogonal to each other by grinding is prepared, and each test piece is used to heat at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. The expansion coefficient was measured. As a result, the maximum value of the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was 7.6 × 10 −6 / K, and the minimum value was 1.6 × 10 −6 / K.

得られたアルミニウム−炭化珪素複合体及びアルミニウム−黒鉛複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、アルミニウム−炭化珪素複合体が5.4×10−6/K、アルミニウム−黒鉛複合体が8.9×10−6/Kであった。 From the obtained aluminum-silicon carbide composite and aluminum-graphite composite, a thermal expansion coefficient measurement specimen (diameter 3 mm, length 10 mm) was prepared by grinding. The thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was measured using each test piece. As a result, the thermal expansion coefficients at temperatures of 25 ° C. to 550 ° C. were 5.4 × 10 −6 / K for the aluminum-silicon carbide composite and 8.9 × 10 −6 / K for the aluminum-graphite composite. .

次に、得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、平面研削盤にてダイヤモンド工具を用いて、厚みが14mmとなるように両面を均一に研削加工した。その後、アルミニウム−炭化珪素複合体を外形寸法がΦ280mmの形状に外周部を研削加工した。次に、研削加工を施したアルミニウム−炭化珪素複合体は、図2の形状にアルミニウム−黒鉛複合体部(4)を機械加工し、Φ10mmの貫通穴(8)、Φ10mmで深さ8mmの途中穴(7)及びΦ116mmで深さ8.5mmの溝(6)加工を行った。得られた加工品は、加工時の歪み除去の為、温度500℃で1時間の加熱処理を行った。加熱処理前後での平面度の変化量は、350μmであった。得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、SiCプリフォームに溝加工を施した部分の裏面側のアルミニウム−炭化珪素複合体にクラックの発生があり、SiCプリフォームに溝加工を施した部分のアルミニウム合金層部分とアルミニウム−炭化珪素複合体の境界部分にも同様のクラックの発生があった。 Next, both sides of the obtained aluminum-silicon carbide composite were uniformly ground using a diamond tool in a surface grinder so that the thickness was 14 mm. Thereafter, the outer peripheral portion of the aluminum-silicon carbide composite was ground into a shape having an outer dimension of Φ280 mm. Next, the aluminum-silicon carbide composite subjected to grinding is machined into an aluminum-graphite composite part (4) in the shape of FIG. 2, and a Φ10 mm through hole (8), Φ10 mm in the middle of the depth of 8 mm. Hole (7) and groove (6) with a depth of 8.5 mm at Φ116 mm were processed. The obtained processed product was heat-treated at a temperature of 500 ° C. for 1 hour in order to remove distortion during processing. The amount of change in flatness before and after the heat treatment was 350 μm. In the obtained aluminum-silicon carbide composite, cracks occurred in the aluminum-silicon carbide composite on the back side of the portion where the SiC preform was grooved, and aluminum in the portion where the SiC preform was grooved Similar cracks occurred at the boundary between the alloy layer portion and the aluminum-silicon carbide composite.

(実施例2)
実施例1にて、アルミニウム合金として、マグネシウムを1質量%含有するアルミニウム合金を用い、予熱温度を窒素雰囲気中で750℃とした以外は、実施例1と同様にしてアルミニウム−炭化珪素複合体を作製した。
(Example 2)
In Example 1, an aluminum-silicon carbide composite was prepared in the same manner as in Example 1 except that an aluminum alloy containing 1% by mass of magnesium was used as the aluminum alloy and the preheating temperature was 750 ° C. in a nitrogen atmosphere. Produced.

得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)、熱伝導率測定用試験体(25mm×25mm×1mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度150℃及び温度25℃〜550℃の熱膨張係数、温度25℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度150℃の熱膨張係数は5.6×10−6/K、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は5.8×10−6/Kであり、温度25℃の熱伝導率は250W/mKであった。 From the obtained aluminum-silicon carbide composite, a thermal expansion coefficient measurement specimen (diameter 3 mm, length 10 mm) and a thermal conductivity measurement specimen (25 mm × 25 mm × 1 mm) were prepared by grinding. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C., a temperature of 25 ° C. to 550 ° C., and a thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. were measured. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. is 5.6 × 10 −6 / K, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is 5.8 × 10 −6 / K, and the heat conduction at a temperature of 25 ° C. The rate was 250 W / mK.

得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、実施例1と同様の加工及び熱処理を行い、図2の形状の構造部品を作製した。加工時にアルミニウム−炭化珪素複合体及びアルミニウム−炭化珪素複合体とアルミニウム−黒鉛複合体の境界部にクラック等の発生はなく、温度520℃で1時間の加熱処理前後での平面度の変化量は、10μmであった。更に、得られた構造部品を、温度560℃で1時間の加熱処理を行ったが、溝部分のアルミニウム−黒鉛複合体の剥離等の発生は無かった。 The obtained aluminum-silicon carbide composite was subjected to the same processing and heat treatment as in Example 1 to produce a structural component having the shape of FIG. There is no occurrence of cracks or the like at the boundary between the aluminum-silicon carbide composite and the aluminum-silicon carbide composite and the aluminum-graphite composite during processing, and the amount of change in flatness before and after heat treatment at a temperature of 520 ° C. is 10 μm. Furthermore, although the obtained structural component was heat-treated at a temperature of 560 ° C. for 1 hour, there was no occurrence of peeling of the aluminum-graphite composite in the groove portion.

(実施例3)
SiC粉末A(大平洋ランダム社製:NG−80、平均粒径:200μm)1000g、SiC粉末B(大平洋ランダム社製:NG−150、平均粒径:100μm)1000g、SiC粉末C(屋久島電工社製:GC−#2000、平均粒径:2μm)1000g、及びシリカゾル(日産化学社製:スノーテックス)300gを秤取し、攪拌混合機で30分間混合した後、Φ300mm×18mmの寸法の平板状に面圧20MPaでプレス成形した。
(Example 3)
SiC powder A (manufactured by Taiyo Random Company: NG-80, average particle size: 200 μm) 1000 g, SiC powder B (manufactured by Taiyo Random Company: NG-150, average particle size: 100 μm) 1000 g, SiC powder C (Yakushima Electric Works) Company: GC- # 2000, average particle size: 2 μm) 1000 g, and silica sol (Nissan Chemical Co., Ltd .: Snowtex) 300 g were weighed and mixed for 30 minutes with a stirring mixer, and then a flat plate having a size of Φ300 mm × 18 mm It was press-molded at a surface pressure of 20 MPa.

得られた成形体を、温度120℃で2時間乾燥後、大気中、温度950℃で2時間焼成して、気孔率が28%のSiCプリフォームを得た。得られたSiCプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、15mmの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ290mmの形状に外周部を加工した。   The obtained molded body was dried at a temperature of 120 ° C. for 2 hours and then fired in the air at a temperature of 950 ° C. for 2 hours to obtain a SiC preform having a porosity of 28%. The obtained SiC preform was subjected to surface processing to a thickness of 15 mm using a diamond grindstone with a surface grinder, and then the outer peripheral portion was processed into a shape with an outer dimension of Φ290 mm at a machining center.

得られたSiCプリフォームは、図3のセラミックス多孔体(2)の形状にダイヤモンド製の工具を用いてΦ12mmの貫通穴、及びΦ200mm×10mmtの溝加工を行った。次に、図3の黒鉛材(1)に示すΦ11.9mm×15mmtの等方性黒鉛材(東海カーボン社製:G330)を穴部に挿入した。また、図3の黒鉛材(1)に示す側面及び底面に1mm幅で2mm深さの溝を有するΦ199.7mm×9.9mmtの等方性黒鉛材(東海カーボン社製:G330)をSiCプリフォームの溝部分に挿入した。その後、両主面を0.5mmtのグラフォイル板で挟んで、上下に12mm厚みの鉄板を配置して、M10のボルト8本で連結して一つのブロックとした。次に、このブロックを電気炉で700℃に予備加熱した後、あらかじめ加熱しておいた内径Φ400mm×300mmtのプレス型内に収め、シリコンを6質量%及びマグネシウムを1質量%含有するアルミニウム合金の溶湯を注ぎ、30MPaの圧力で25分間加圧してSiCプリフォームにアルミニウム合金を含浸させた。室温まで冷却した後、湿式バンドソーにて離型板の形状に沿って切断し、挟んだグラフォイル板をはがした後、含浸時の歪み除去のために530℃の温度で3時間アニール処理を行い、アルミニウム−炭化珪素複合体を得た。 The obtained SiC preform was subjected to Φ12 mm through-hole and Φ200 mm × 10 mmt groove processing using a diamond tool in the shape of the ceramic porous body (2) of FIG. 3. Next, an isotropic graphite material (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd .: G330) of Φ11.9 mm × 15 mmt shown in the graphite material (1) of FIG. 3 was inserted into the hole. In addition, an isotropic graphite material (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd .: G330) having a diameter of 2 mm and a depth of 2 mm on the side surface and bottom surface of the graphite material (1) in FIG. Inserted into the groove of the reform. After that, both main surfaces were sandwiched between 0.5 mmt graphoil plates, iron plates with a thickness of 12 mm were arranged on the top and bottom, and connected with eight M10 bolts to form one block. Next, this block was preheated to 700 ° C. in an electric furnace, and then placed in a pre-heated press mold having an inner diameter of Φ400 mm × 300 mmt, and an aluminum alloy containing 6% by mass of silicon and 1% by mass of magnesium. The molten metal was poured and pressurized at a pressure of 30 MPa for 25 minutes to impregnate the SiC preform with the aluminum alloy. After cooling to room temperature, cut along the shape of the release plate with a wet band saw, peel off the sandwiched foil foil, and then anneal for 3 hours at a temperature of 530 ° C. to remove distortion during impregnation An aluminum-silicon carbide composite was obtained.

得られたSiCプリフォーム及び等方性黒鉛材より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を熱膨張計(セイコー電子工業社製;TMA300)で測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、SiCプリフォームが4.4×10−6/K、等方性黒鉛が4.3×10−6/Kであった。 From the obtained SiC preform and isotropic graphite material, a specimen for thermal expansion coefficient measurement (diameter 3 mm, length 10 mm) is prepared by grinding, and each test piece is used at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. The thermal expansion coefficient was measured with a thermal dilatometer (Seiko Denshi Kogyo Co., Ltd .; TMA300). As a result, the thermal expansion coefficient of the temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is, SiC preform 4.4 × 10 -6 / K, isotropic graphite was 4.3 × 10 -6 / K.

得られたアルミニウム−炭化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)、熱伝導率測定用試験体(25mm×25mm×1mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度150℃及び温度25℃〜550℃の熱膨張係数、温度25℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度150℃の熱膨張係数は6.1×10−6/K、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は6.3×10−6/Kであり、温度25℃の熱伝導率は220W/mKであった。 From the obtained aluminum-silicon carbide composite, a thermal expansion coefficient measurement specimen (diameter 3 mm, length 10 mm) and a thermal conductivity measurement specimen (25 mm × 25 mm × 1 mm) were prepared by grinding. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C., a temperature of 25 ° C. to 550 ° C., and a thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. were measured. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. is 6.1 × 10 −6 / K, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is 6.3 × 10 −6 / K, and the heat conduction at a temperature of 25 ° C. The rate was 220 W / mK.

得られたアルミニウム−炭化珪素複合体は、実施例1と同様の加工及び熱処理を行い、図4の形状の構造部品を作製した。加工時にアルミニウム−炭化珪素複合体及びアルミニウム−炭化珪素複合体とアルミニウム−黒鉛複合体の境界部にクラック等の発生はなく、温度520℃で1時間の加熱処理前後での平面度の変化量は、13μmであった。更に、得られた構造部品を、温度560℃で1時間の加熱処理を行ったが、溝部分のアルミニウム−黒鉛複合体の剥離等の発生は無かった。 The obtained aluminum-silicon carbide composite was subjected to the same processing and heat treatment as in Example 1 to produce a structural component having the shape of FIG. There is no occurrence of cracks or the like at the boundary between the aluminum-silicon carbide composite and the aluminum-silicon carbide composite and the aluminum-graphite composite during processing, and the amount of change in flatness before and after heat treatment at a temperature of 520 ° C. is 13 μm. Furthermore, although the obtained structural component was heat-treated at a temperature of 560 ° C. for 1 hour, there was no occurrence of peeling of the aluminum-graphite composite in the groove portion.

(実施例4)
SiC粉末A(大平洋ランダム社製:NG−80、平均粒径:200μm)1500g、SiC粉末B(大平洋ランダム社製:NG−150、平均粒径:100μm)1000g、窒化珪素粉末(電気化学工業社製:SN−9S、平均粒径:2μm)500g、及びシリカゾル(日産化学社製:スノーテックス)300gを秤取し、攪拌混合機で30分間混合した後、Φ300mm×18mmtの寸法の平板状に圧力30MPaでプレス成形した。
Example 4
SiC powder A (manufactured by Taiyo Random Company: NG-80, average particle size: 200 μm) 1500 g, SiC powder B (manufactured by Taiyo Random Company: NG-150, average particle size: 100 μm) 1000 g, silicon nitride powder (electrochemistry) Industrial company: SN-9S, average particle size: 2 μm) 500 g, and silica sol (Nissan Chemical Co., Ltd .: Snowtex) 300 g were weighed and mixed for 30 minutes with a stirring mixer, and then a flat plate having a size of Φ300 mm × 18 mmt It was press-molded at a pressure of 30 MPa.

得られた成形体を、温度120℃で2時間乾燥後、窒素雰囲気中、温度1200℃で2時間焼成して、気孔率が22%のプリフォームを得た。得られたプリフォームは、平面研削盤でダイヤモンド製の砥石を用いて、15mmの厚みに面加工した後、マシニングセンターで外形寸法がΦ290mmの形状に外周部を加工した。   The obtained molded body was dried at a temperature of 120 ° C. for 2 hours and then fired in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1200 ° C. for 2 hours to obtain a preform having a porosity of 22%. The obtained preform was subjected to surface processing to a thickness of 15 mm using a diamond grindstone with a surface grinder, and then the outer peripheral portion was processed into a shape with an outer dimension of Φ290 mm at a machining center.

得られたSiCプリフォームより、削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、4.1×10−6/Kであった。 From the obtained SiC preform, a thermal expansion coefficient measurement specimen (diameter 3 mm, length 10 mm) was prepared by cutting, and the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was measured. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was 4.1 × 10 −6 / K.

得られたプリフォームは、実施例1と同様に、図1の形状にダイヤモンド製の工具を用いて加工を行った。次に、等方性黒鉛材として東洋炭素社製:IG11を用いた以外は実施例1同様にして、アルミニウム−炭化珪素/窒化珪素複合体を得た。また、用いた等方性黒鉛材(東洋炭素社製:IG11)より、削加工により直交する3方向での熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、それぞれの試験片を用いて、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、最大値が4.2×10−6/K、最小値が3.9×10−6/Kであった。 The obtained preform was processed into the shape of FIG. 1 using a diamond tool in the same manner as in Example 1. Next, an aluminum-silicon carbide / silicon nitride composite was obtained in the same manner as in Example 1 except that Toyo Carbon Co., Ltd .: IG11 was used as the isotropic graphite material. Moreover, from the used isotropic graphite material (Toyo Tanso Co., Ltd .: IG11), a test body for measuring the thermal expansion coefficient (diameter: 3 mm, length: 10 mm) in three directions orthogonal to each other by machining is prepared. Was used to measure the coefficient of thermal expansion at a temperature of 25 ° C to 550 ° C. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was a maximum value of 4.2 × 10 −6 / K and a minimum value of 3.9 × 10 −6 / K.

得られたアルミニウム−炭化珪素/窒化珪素複合体より、研削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)、熱伝導率測定用試験体(25mm×25mm×1mm)を作製した。それぞれの試験片を用いて、温度150℃及び温度25℃〜550℃の熱膨張係数、温度25℃での熱伝導率を測定した。その結果、温度150℃の熱膨張係数は4.7×10−6/K、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は4.8×10−6/Kであり、温度25℃の熱伝導率は135W/mKであった。また、得られたアルミニウム−炭化珪素/窒化珪素複合体の溝部分のアルミニウム−黒鉛複合体より、削加工により熱膨張係数測定用試験体(直径3mm長さ10mm)を作製し、温度25℃〜550℃の熱膨張係数を測定した。その結果、温度25℃〜550℃の熱膨張係数は、6.2×10−6/Kであった。 From the obtained aluminum-silicon carbide / silicon nitride composite, a thermal expansion coefficient measurement specimen (diameter 3 mm length 10 mm) and a thermal conductivity measurement specimen (25 mm × 25 mm × 1 mm) were prepared by grinding. Using each test piece, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C., a temperature of 25 ° C. to 550 ° C., and a thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. were measured. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. is 4.7 × 10 −6 / K, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. is 4.8 × 10 −6 / K, and the heat conduction at a temperature of 25 ° C. The rate was 135 W / mK. Further, from the obtained aluminum-silicon carbide / silicon nitride composite groove-aluminum-graphite composite, a thermal expansion coefficient test specimen (diameter 3 mm, length 10 mm) was prepared by cutting, and the temperature was 25 ° C. to 25 ° C. The thermal expansion coefficient at 550 ° C. was measured. As a result, the thermal expansion coefficient at a temperature of 25 ° C. to 550 ° C. was 6.2 × 10 −6 / K.

得られたアルミニウム−炭化珪素/窒化珪素複合体は、実施例1と同様の加工及び熱処理を行い、図2の形状の構造部品を作製した。加工時にアルミニウム−炭化珪素/窒化珪素複合体及びアルミニウム−炭化珪素/窒化珪素複合体とアルミニウム−黒鉛複合体の境界部にクラック等の発生はなく、温度500℃で1時間の加熱処理前後での平面度の変化量は、20μmであった。更に、得られた構造部品を、温度560℃で1時間の加熱処理を行ったが、溝部分のアルミニウム−黒鉛複合体の剥離等の発生は無かった。
The obtained aluminum-silicon carbide / silicon nitride composite was processed and heat-treated in the same manner as in Example 1 to produce a structural component having the shape shown in FIG. There was no crack or the like at the boundary between the aluminum-silicon carbide / silicon nitride composite and the aluminum-silicon carbide / silicon nitride composite and the aluminum-graphite composite during processing, and before and after heat treatment at a temperature of 500 ° C. for 1 hour. The amount of change in flatness was 20 μm. Furthermore, although the obtained structural component was heat-treated at a temperature of 560 ° C. for 1 hour, there was no occurrence of peeling of the aluminum-graphite composite in the groove portion.

本発明の一実施の形態を示す、含浸(複合化)前の充填図Filling diagram before impregnation (compositing) showing one embodiment of the present invention 本発明の一実施の形態を示す、構造部品の構造図Structural drawing of a structural component showing an embodiment of the present invention 本発明の一実施の形態を示す、含浸(複合化)前の充填図Filling diagram before impregnation (compositing) showing one embodiment of the present invention 本発明の一実施の形態を示す、構造部品の構造図Structural drawing of a structural component showing an embodiment of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

(1)黒鉛材
(2)セラミックス多孔体
(3)黒鉛材の溝
(4)アルミニウム−黒鉛複合体
(5)アルミニウム−セラミックス複合体
(6)溝部
(7)途中穴
(8)貫通穴
(9)アルミニウム合金層
(1) Graphite material (2) Ceramic porous body (3) Graphite material groove (4) Aluminum-graphite composite (5) Aluminum-ceramic composite (6) Groove (7) Intermediate hole (8) Through hole (9 ) Aluminum alloy layer

Claims (6)

穴部及び溝部を有するセラミックス多孔体に対して、アルミニウムを主成分とする金属を溶融含浸して、アルミニウム−セラミックス複合体を製造する方法において、
(1)最終製品にてアルミニウム−セラミックス複合体を露出させるために、上記セラミックス多孔体の厚み及び外周形状を最終製品の厚み及び外周形状より大きな寸法とする工程、
(2)最終製品での穴寸法や溝寸法より大きな寸法の穴や溝を、上記(1)の工程で得られたセラミックス多孔体に加工する工程、
(3)上記(2)の工程で得られたセラミックス多孔体の穴部及び溝部に黒鉛材を挿入する工程であって、該黒鉛材は、最終形状に加工した際にアルミニウム−黒鉛複合体が分割される様に形成された溝を有する工程、
(4)上記(3)の工程で得られたセラミックス多孔体に対して、アルミニウムを主成分とする金属を溶融含浸する工程であって、最終形状に加工した際にアルミニウム−黒鉛複合体が分割される様に形成された上記溝に、アルミニウムを主成分とする金属が充填されることによって、アルミニウム合金層が形成される工程、
(5)上記(4)の工程で得られたアルミニウム−セラミックス複合体の外周部及び表面部を最終形状に加工してアルミニウム−セラミックス複合体を露出させる工程、
(6)上記(5)の工程で得られたアルミニウム−セラミックス複合体の穴部及び溝部のアルミニウム−黒鉛複合体を最終形状に加工する工程であって、表面に露出する上記アルミニウム合金層を介して、アルミニウム−黒鉛複合体が複数の部材に分割される工程、
を経てアルミニウム−セラミックス複合体を製造する方法。
In a method for producing an aluminum-ceramic composite by melt impregnating a metal mainly composed of aluminum with respect to a ceramic porous body having a hole and a groove,
(1) In order to expose the aluminum-ceramic composite in the final product, the step of setting the thickness and outer peripheral shape of the ceramic porous body to dimensions larger than the thickness and outer peripheral shape of the final product;
(2) A step of processing a hole or groove having a size larger than the hole size or groove size in the final product into the ceramic porous body obtained in the step (1),
(3) above comprising the steps of inserting a graphite material into the hole and groove of the obtained porous ceramics in the step (2), graphite material, aluminum when processed into final shape - graphite composite is step that having a groove formed as to be divided,
(4) The porous ceramic body obtained in the step (3) is a step of melt-impregnating a metal mainly composed of aluminum, and the aluminum-graphite composite is divided when processed into a final shape. A step of forming an aluminum alloy layer by filling the groove formed as described above with a metal mainly composed of aluminum,
(5) A step of exposing the aluminum-ceramic composite by processing the outer peripheral portion and the surface portion of the aluminum-ceramic composite obtained in the step (4) into a final shape,
(6) A step of processing the aluminum-graphite composite in the hole portion and groove portion of the aluminum-ceramic composite obtained in the step (5) into a final shape, through the aluminum alloy layer exposed on the surface A step of dividing the aluminum-graphite composite into a plurality of members,
To produce an aluminum-ceramic composite through the process.
黒鉛材の25℃〜550℃の熱膨張率が、セラミックス多孔体の25℃〜550℃の熱膨張率の60%〜120%であり、且つ、黒鉛材に金属を含浸したアルミニウム−黒鉛複合体の25℃〜550℃の熱膨張率が、アルミニウム−セラミックス複合体の25℃〜550℃の熱膨張率の80%〜150%であることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法。 An aluminum-graphite composite in which a graphite material has a thermal expansion coefficient of 25 ° C to 550 ° C of 60% to 120% of a thermal expansion coefficient of a ceramic porous body of 25 ° C to 550 ° C, and the graphite material is impregnated with a metal. The aluminum-ceramic composite according to claim 1, wherein the thermal expansion coefficient of 25 to 550 ° C is 80% to 150% of the thermal expansion coefficient of 25 to 550 ° C of the aluminum-ceramic composite. Manufacturing method. 黒鉛材が、各方向の熱膨張率の最大値に対する最小値が70%以上の等方性黒鉛材であることを特徴とする請求項1又は2記載のアルミニウム−セラミックス複合体の製造方法。 The method for producing an aluminum-ceramic composite according to claim 1 or 2, wherein the graphite material is an isotropic graphite material having a minimum value of 70% or more with respect to the maximum value of the coefficient of thermal expansion in each direction. 請求項1、2又は3記載の製造方法により得られたアルミニウム−セラミックス複合体であって、平板状で、両主面においてアルミニウム−セラミックス複合体が露出してなることを特徴とする構造部品。 4. An aluminum-ceramic composite obtained by the manufacturing method according to claim 1, 2 or 3, wherein the aluminum-ceramic composite is flat and the aluminum-ceramic composite is exposed on both main surfaces. セラミックス多孔体が、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナの少なくとも1種以上からなることを特徴とする請求項4記載の構造部品。 5. The structural component according to claim 4, wherein the ceramic porous body is made of at least one of silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, and alumina. 温度25℃の熱伝導率が120W/mK以上、並びに、温度150℃の熱膨張係数が10×10−6/K以下であることを特徴とする請求項4又は5記載の構造部品。
6. The structural component according to claim 4, wherein the thermal conductivity at a temperature of 25 ° C. is 120 W / mK or more, and the thermal expansion coefficient at a temperature of 150 ° C. is 10 × 10 −6 / K or less.
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