セラミックスのメタライゼーション - 限界を押し広げる

テクニカルセラミックスは、その化学的および機械的特性から、幅広いエレクトロニクスおよびエンジニアリング用途で好まれています。金属と比較して、特に高温下での圧縮強度に優れています。セラミックスは優れた熱安定性（すなわち、低い熱膨張係数）と優れた耐熱性および耐電気性を備えています。また、硬く、寸法安定性にも優れています。

その結果、テクニカルセラミックスの用途は多岐にわたり、例えば航空宇宙エンジンブレードなどが挙げられる。 リングとバルブ部品, 工業用ポンプベアリング, 切削工具 そして 金型部品, 医療機器電子産業では基板や特殊な真空部品として幅広く使用されています。

セラミックと金属の接合

多くの用途では、完成部品を作成するためにセラミックと金属を結合することが必要になることがよくあります。

セラミックと金属の接合は、2種類の材料の熱膨張係数の固有の違いにより、長年にわたり製造業者とユーザーにとって最大の課題の一つとなっています。機械式ファスナー、摩擦圧接、接着接合など、様々な接合方法がありますが、セラミックと金属の間に漏れのない強固な接合部を形成するために、最も広く使用され、効果的な方法はろう付けです。これは、化学結合から始まります。 メタライゼーション ろう付けプロセス中にろう付け合金が 2 つのコンポーネント間を流れる濡れ性表面を作成するためにセラミックを使用します。

モーガン・アドバンスト・セラミックスは、メタライズドセラミック部品の設計・製造において世界的企業であり、特殊プロジェクト向けの高価値部品の少量生産から、精密設計の大量生産まで、幅広い用途に対応するカスタム部品を製造しています。以下に2つの例をご紹介します。

例1：ユニークなエンジニアリングの課題

英国オックスフォードシャー州にある CCLRC ラザフォード アップルトン研究所に拠点を置く世界クラスの核破砕中性子源である ISIS は、第 2 ターゲット ステーション (TS-2) を建設するための大規模な拡張プロジェクトの一環として、Morgan Advanced Ceramics に高度に特殊化された一連の金属化セラミック部品を発注しました。

これらのコンポーネントは、抽出陽子ビーム（EPB）の強度を監視する計測機器の基本的な部分です。最初のターゲットステーションで使用されたセラミック真空管はインジウム線で密封されていましたが、経験上、この管は乱されると信頼性が低下することが証明されました。メタライズドセラミックは、設計上の非常に厳しい許容誤差内で100%の信頼性を備えた真空シールを提供するソリューションを提供しました。

2つの重要な課題がありました。1つ目は、堅牢で高信頼性の真空シール（リーク率10-8大型部品（直径200mm）の両端に1000MPa（mbar l/s）の圧力を供給できること。次に、管のアルミナセラミックスと軟鋼フランジ間の熱膨張係数の差を解決すること。プロジェクトの性質上、部品の物理的寸法と清浄度については非常に厳しい仕様が設定されました。

ISISアセンブリは長さ158mmで、直径240mmのニッケルメッキ軟鋼フランジが2つ付いており、あらかじめ成形されたダイヤモンド研磨アルミナセラミック絶縁体によって互いに絶縁されています。アセンブリの気密性を確保するため、セラミックは水素/窒素炉で850℃でろう付けされています。°Cは、セラミックとの熱膨張係数の適合性が最も優れているニッケル鉄コバルト鋼製の2つのフランジに取り付けられています。このプロセスは、モリブデンマンガンコーティングを施し、1,400℃で焼結することで実現されます。°Cで処理し、ニッケル層を電気めっきします。セラミック/金属ろう付けされたサブアセンブリは、ステンレス鋼の接合部を介して軟鋼フランジに溶接され、最終寸法に機械加工されます。

ISISからの注文は13個の部品で、2006年末までに納品されました。この種のプロジェクトではよくあることですが、プロトタイプを製作してプロセスを改良する時間も予算もありませんでした。そのため、専門チームの経験と専門知識を頼りに、最初から完璧な仕上がりを実現しました。問題は発生するたびに解決され、すべての部品が納品されました。

例2: 精度と一貫性

別の顧客向けに、Morgan Advanced Ceramics は、戦闘機用などの連続波およびパルスレーダーシステムで使用される真空電子デバイス用の金属化セラミック部品を製造しています。

ここでの課題は、業界の高周波数需要を満たすために、材料の性能限界を押し上げることです。これは、大型部品と同じ物理的特性を持つ小型部品の製造を意味し、生産全体を通して一貫性を確保するために、非常に高精度なエンジニアリングと綿密な品質管理が求められます。

例えば、この方法で製造される最小の部品は、内径わずか0.2インチの円筒です。内面は、0.007～0.0012インチという非常に厳しい厚さ公差でメタライズされています。使用されるメタライズプロセスは、Morgan Advanced Ceramicsが自社開発したモリブデンマンガン（MoMn）耐火インクシステムに基づいており、特定の高純度アルミナセラミックス体と適合させることで、一貫した高強度接合を保証します。MoMnメタライズのガラス相は、セラミックス内のガラス相と結合して接合を形成します。メタライズされた表面には、後のろう付けのための密封と濡れ性向上のため、ニッケルの二次コーティングが施されます。

結論

先端セラミックスは、幅広い用途において、より高性能な重要部品へのニーズに応えています。メタライゼーションプロセスなどのセラミックと金属の接合技術を詳細に理解することで、設計者や製造業者はこれらの重要部品をより適切に設計できるようになります。