JP5032349B2 - ハーメチックシール部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス鋼と焼成されたガラスとによって形成されるハーメチックシール部品の製造方法に関する。

周知のようにハーメチックシールは、高い圧力の加わる箇所等の液密性を保つ必要のある場合や真空容器などの高い気密性を必要とするセンサ等のシールに適したもので、コバールやステンレス鋼（ＳＵＳ材）等の金属部材からなる保持部材（シェル或いはケース）とリードピンとの間をガラス（硝子）で焼き固めて封止した構造になっている。このため、信頼性が極めて高く、高耐圧、高液密又は高気密、高絶縁性等を要するセンサの接続端子（リードピン）のシールに適用されている。

図１は、ガラスハーメチックシール技術により形成したハーメチックシール部品の一例を示す。これは、例えば特許文献１に使用されているハーメチックシール部品である。保持部材１は、円柱形状をなし上面１ａに大径の凹部１ｂが同心状に形成され、この凹部１ｂの底面１ｃに同一円周上に周方向に等間隔で複数例えば４個の貫通孔１ｄが軸線方向に沿って形成されている。そして、これらの各貫通孔１ｄには夫々ガラス管２が嵌挿され、各ガラス管２にはリードピン３が挿通されている。また、保持部材１は、耐熱性、耐圧性、耐食性等に優れた金属部材、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ材）により形成されている。

そして、このように組み付けられた状態で図示しない冶具に保持されて電気炉に搬入されて焼成される。ガラス管２は、焼成により粘度低下して保持部材１の貫通孔１ｄの内周面と接続ピン３の外周面とに密着されて保持部材１とリードピン３との隙間を封止・電気絶縁する。このようにしてハーメチックシール部品４が形成される。このハーメチックシール部品４は、保持部材１が図示しない別部品、例えば、ステンレス鋼で形成された装置に溶接されて固定される。保持部材１にステンレス鋼（ＳＵＳ材）を使用する理由は、（１）上述したようにステンレス鋼が耐熱性、耐圧性、耐食性等に優れた金属部材であること、（２）ハーメチックシール部品４を使用するために保持部品１を金属部材（ステンレス鋼）で形成された他部品（例えば、半導体製造装置等）に溶接して固定する必要がある、或いは溶接したいという要望がある、（３）ハーメチック筐体部品として熱膨張率が適当である、（４）ガラスとの濡れ性を有する、ためである。
特開２００４−１０８８６８号公報（６−８頁、図１）

上述したハーメチックシール部品４は、焼成する際に保持部材（ＳＵＳ材）１の表面１ｅに酸化スケールが生成されてしまう。この酸化スケールは、溶接不良を起こすという問題がある。このため、ハーメチックシール部品４の保持部材１を後の工程においてステンレス鋼製の別部品に溶接する場合、溶接部位（例えば、端面）の溶接不良を無くすために保持部材１の表面１ｅに付着した酸化スケールを除去する必要がある。従来、ガラスハーメチックシール技術において金属（ＳＵＳ材）に付着した酸化スケールの除去を必要とする場合、主として強酸薬品（例えば、硝酸ＨＮＯ_３）による化学研磨が用いられている。

ところで、ステンレス鋼（代表的なステンレス鋼として、クロム１８％、ニッケル８％を含む所謂１８−８ステンレス鋼がある）が酸化する際に初めに酸化するのはイオン化傾向
（Ｃｒ^２＋＞Ｃｒ^３＋＞Ｆｅ^２＋＞Ｎｉ^２＋＞Ｆｅ^３＋＞２Ｈ^＋＞Ｃｕ^２＋）の高い元素から順に酸化する。このため、ステンレス鋼は、イオン化傾向の最も高い元素であるクロム（Ｃｒ）が金属表面に析出して酸化クロムを形成し、金属表面にはクロム（Ｃｒ）の濃度が通常よりも高くなっている。更に酸化が促進すると鉄（Ｆｅ）が酸化する。

この状態で強酸薬品による化学研磨を施すと酸化物ごと除去することになるために金属特有の表面の組織が破壊されてしまい、酸化物が除去された後のステンレス鋼は、金属表面のクロム（Ｃｒ）濃度が通常よりも低くなる。そして、金属表面のクロム（Ｃｒ）濃度が通常の状態に比べて少ないステンレス鋼は、錆易くなり耐食性が低下してあらゆる環境に対応可能なハーメチックシール部品とは言い難いものとなる。

本発明の目的は、ステンレス鋼と焼成されたガラスとによって形成されるハーメチックシール部品のステンレス鋼の表面の酸化スケールを水素還元作用により除去し、金属特有の表面組織を破壊せずに高品質なハーメチックシール部品を製造することが可能なハーメチックシール部品の製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係るハーメチックシール部品の製造方法は、
ステンレス鋼と焼成されたガラスとによって形成されるハーメチックシール部品の製造方法において、
不活性ガス雰囲気中において前記ステンレス鋼とガラスとを当該ステンレス鋼の酸化温度領域である当該ガラスの封着温度まで昇温させることで前記ガラスとステンレス鋼とを封着させてハーメチックシール部品を形成する第１の工程と、
前記形成されたハーメチックシール部品を水素ガス雰囲気中で前記ステンレス鋼の酸化温度領域よりも高温の還元温度領域の所定温度まで昇温させて前記ステンレス鋼の表面を還元する第２の工程を有することを特徴としている。

ハーメチックシール部品の製造方法は、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の表面に付着した酸化スケールを水素還元作用という化学反応を利用して除去するものである。そして、この水素還元を施すために「焼成（ガラスの焼成）処理」と「酸化スケール除去の処理」の二段階処理を行う。即ち、第１の工程（一次焼成処理）において不活性ガス雰囲気中でガラスを焼成処理し、第２の工程（二次焼成処理）において還元ガス（水素ガス）雰囲気中で還元処理を行い、ステンレス鋼の表面に付着した酸化スケールを除去して最終製品としてのハーメチックシール部品を得る。このように、ステンレス鋼の表面の酸化スケールを水素還元作用という化学反応を利用して除去することにより、金属特有の表面の組織を破壊することなく高品質なハーメチックシール部品を製造することが可能となる。

また、本発明の請求項２に係るハーメチックシール部品は、請求項１に記載のハーメチックシール部品の製造方法において、
前記第１工程で、前記ガラスとステンレス鋼とを封着させた後に前記ステンレス鋼の不酸化温度領域まで下げてハーメチックシール部品を形成するとともに、
前記第２工程で、前記ステンレス鋼の表面を水素還元させた後に前記ハーメチックシール部品を前記ステンレス鋼の不酸化温度領域まで急速に冷却することを特徴としている。

ハーメチックシール部品は、保持部材を耐熱性、耐圧性、耐食性等に優れた金属部材であり、ハーメチック筐体部品として熱膨張率が適当であるステンレス鋼（ＳＵＳ材）で形成することで高温焼成、ガラスとの封着が出来、別部品、例えば、ステンレス鋼で形成された差圧発信器本体に溶接固定して使用することが可能である。

また、本発明の請求項３に係るハーメチックシール部品の製造方法は、請求項１に記載のハーメチックシール部品の製造方法において、
前記不活性ガスは窒素ガス又はアルゴンガスであることを特徴としている。

第１の工程において不活性ガスとして化学反応を起こし難い窒素ガス又は他の元素と全く化合しないアルゴンガスを使用して、ガラスを焼成する際にステンレス鋼の表面の酸化を抑制してガラスを焼成させてハーメチックシール部品を形成する。

本発明によると、ステンレス鋼と焼成されたガラスとによって形成されるハーメチックシール部品の製造方法において、ステンレス鋼の表面の酸化スケールを水素還元作用という化学反応を利用して除去することにより、金属特有の表面の組織を破壊することなく高品質なハーメチックシール部品を製造することが可能となる。また、ハーメチックシール部品の酸化スケールを除去することにより、当該ハーメチックシール部品を他部品、例えばステンレス鋼で形成されている部品に良好に溶接することができる。

また、水素還元作用という化学反応を利用することにより、酸化スケールの除去が必要でかつ強酸薬品の使用による不具合が懸念されるハーメチックシール製品全般に適用することが可能である。また、強酸薬品の使用による不具合が懸念されることにより構造上ガラスハーメチックシールを断念した製品への利用や、強酸薬品が使用不可能な環境下におけるガラスハーメチックシールが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るハーメチックシール部品の製造方法を図面に基づいて説明する。尚、ハーメチックシール部品としては形状・材質ともに背景技術と同様、図１を用いて説明するので、詳細は省略する。なお、各部品の熱膨張率の値は、保持部材１が最も大きく（１８×１０^-６）、リードピン３（９×１０^-６）が最も小さく、ガラス２は両者の中間の値（９．５×１０^-６）を持つものであり、いわゆるコンプレッションシール方式を採用している。図２は、本発明に係るハーメチックシール部品の製造方法の処理手順を示す説明図である。

先ず、本発明の概要について説明する。本発明のハーメチックシール部品の製造方法は、金属（ＳＵＳ材）に付着した酸化スケールの除去方法として水素還元作用という化学反応を利用するものである。そして、この水素還元という化学反応を施すために「焼成（ガラスの焼成）処理」と「酸化スケール除去の処理」の二段階処理を行う。即ち、図２に示すように第１の工程としての一段階目の焼成（以下「一次焼成」という）処理において不活性ガス雰囲気中でガラスを焼成処理し（ステップＳ１）、第２の工程としての二段階目の焼成（以下「二次焼成」という）処理において水素ガス雰囲気中で還元処理（化学反応）を行い（ステップＳ２）、金属（ＳＵＳ材）に付着した酸化スケールを完全に除去して最終製品としてのハーメチックシール部品を得る（ステップＳ３）。

このような二段階処理を行わずに、初めから酸化しない雰囲気、例えば還元ガス（水素（Ｈ_２）ガス）雰囲気）中でガラスの焼成処理（ガラス封着）を行えばよいのではないかと考えられるが、このような処理は非常に困難である。その理由として以下のことが考えられる。

水素（Ｈ_２）は、熱伝導率が非常に高い気体であるために熱のコントロールが非常に難しい。加えて窒素（Ｎ_２）ガス雰囲気中であってもハーメチックシール材であるガラスは、酸化物（ＳｉＯ_２）であり、焼成中に酸素（Ｏ_２）が分解されて炉内に出てきてしまう。更に炉体や治具等いたるところが酸化しているため、酸化を防止することは極めて困難であり、たとえ水素（Ｈ_２）ガス雰囲気中であっても焼成プロファイルによっては、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の表面が酸化してしまう。

そこで、本発明は、上述したように焼成処理を二段階に分け、図２に示す一次焼成処理（ステップＳ１）は、熱コントロールが比較的容易な不活性ガス、例えば窒素（Ｎ_２）ガスの雰囲気中で行って酸化を抑制し、図１に示すように保持部材（ＳＵＳ材）１とリードピン３（鉄・ニッケル系合金）との間を封止してハーメチックシール部品４を形成する。即ち、ハーメチックシール部品４を図３に示すように酸化温度領域（Ｔ_１〜Ｔ_２）の所定の温度Ｔａまで昇温させてガラスの封着処理を行った後、不酸化温度領域（Ｔ_０〜Ｔ_１）の所定温度、例えばＴ_０まで下げて一次焼成処理を終了する。尚、不活性ガスとしては窒素（Ｎ_２）ガスに限るものではなく、他の例えばアルゴン（Ａｒ）ガスでも良い。

次いで、二次焼成処理を行う。この二次焼成処理（ステップＳ２）は、一次焼成処理により形成したハーメチックシール部品４を電気炉に入れて還元ガス（水素（Ｈ_２）ガス）の雰囲気中で行う。

そして、一次焼成処理により形成したハーメチックシール部品４の表面温度を図３に示すように酸化温度領域（Ｔ_１〜Ｔ_２）よりも高温の還元温度領域（Ｔ_２〜Ｔ_３）の所定の温度（還元温度）Ｔｂまで急速（短時間）に昇温させて保持部材（ＳＵＳ材）１の表面１ｅに析出して酸化している酸化クロムを水素還元する。この水素還元作用は、酸化物である酸化クロムの酸素（Ｏ_２）のみを水素（Ｈ_２）で結合させて水蒸気として放出するために腐食等の従来のデメリットが解消される。強酸薬品による酸化スケール除去では、金属表面に析出した酸化クロムのために生成されたクロム欠乏層を境にスケール除去を行うため、スケール除去後の金属表面は錆・腐食に強いクロムが少なくなっている。

次いで、ハーメチックシール部品４を前記還元温度領域から急速（短時間）に下げて不酸化温度領域の所定温度、例えばＴ_０に戻す。即ち、水素還元したハーメチックシール部品４を還元温度領域から酸化温度領域を経て不酸化温度領域の所定温度Ｔ_０に戻す際に、酸化温度領域において保持部材（ＳＵＳ材）１の表面１ｅの再酸化を避けるべく当該保持部材１の温度を急速に下げて（冷却して）酸化温度領域を素早く通過させる（図中焼成時の温度変化の勾配に比べて還元時の温度変化の勾配が急になっていることに注目）。このように、水素還元した保持部材（ＳＵＳ材）１を還元温度領域から急速（短時間）に酸化温度領域を通過させて不酸化温度領域に戻すことにより、保持部材（ＳＵＳ材）１の表面１ｅを殆ど酸化させないようにすることができる。

このようにしてハーメチックシール部品４の保持部材（ＳＵＳ材）１の表面（金属表面）１ｅに付着した酸化スケール（酸化クロム）を、水素還元という化学反応を用いて除去することにより、表面１ｅに析出したクロム（Ｃｒ）が少なくなっていないため、金属特有の組織破壊を防ぐことができ、錆に強い耐食性に優れた高品質なガラスハーメチックシール部品４の生産が可能となる。

そして、水素還元という化学反応により酸化スケール（酸化クロム）が除去されたハーメチックシール部品４は、保持部材（ＳＵＳ材）１の表面１ｅが不溶性の超薄膜に覆われて不働態となり腐食され難くなる。しかも、この不働態は、極めて薄い膜であるために溶接する際に悪影響を及ぼすことが無い。従って、ハーメチックシール部品４の保持部材（ＳＵＳ材）１を他部品、例えばステンレス鋼で形成された半導体製造装置等に溶接する際に溶接不良を起こすことが無く、良好に溶接固定することが可能となる。

上述した本発明に係る水素還元という化学反応を利用したハーメチックシール部品の製造方法は、酸化スケールの除去が必要でかつ強酸薬品の使用による不具合が懸念されるハーメチックシール製品全般に適用することが可能である。また、強酸薬品の使用による不具合が懸念されることにより構造上ガラスハーメチックシールを断念した製品への利用や、強酸薬品が使用不可能な環境下におけるガラスハーメチックシールが可能となる。

ハーメチックシール部品の一例を示す断面図である。 本発明に係るハーメチックシール部品の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。 本発明に係るハーメチックシール部品の製造方法における焼成処理の説明図である。

符号の説明

１ 保持部材
１ａ 上面
１ｂ 凹部
１ｃ 底面
１ｄ 貫通孔
１ｅ 表面
２ ガラス管
３ リードピン
４ ハーメチックシール部品

Claims (3)

1. ステンレス鋼と焼成されたガラスとによって形成されるハーメチックシール部品の製造方法において、
   不活性ガス雰囲気中において前記ステンレス鋼とガラスとを当該ステンレス鋼の酸化温度領域である当該ガラスの封着温度まで昇温させることで前記ガラスとステンレス鋼とを封着させてハーメチックシール部品を形成する第１の工程と、
   前記形成されたハーメチックシール部品を水素ガス雰囲気中で当該ステンレス鋼の酸化温度領域よりも高温の還元温度領域の所定温度まで昇温させて前記ステンレス鋼の表面を還元する第２の工程を有することを特徴とするハーメチックシール部品の製造方法。
2. 前記第１工程で、前記ガラスとステンレス鋼とを封着させた後に当該ステンレス鋼の不酸化温度領域まで下げてハーメチックシール部品を形成するとともに、
   前記第２工程で、前記ステンレス鋼の表面を水素還元させた後に前記ハーメチックシール部品を前記ステンレス鋼の不酸化温度領域まで急速に冷却することを特徴とする、請求項１に記載のハーメチックシール部品の製造方法。
3. 前記不活性ガスは窒素ガス又はアルゴンガスであることを特徴とする、請求項１に記載のハーメチックシール部品の製造方法。

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