JP2001089246A - セラミック焼結体の製造方法 - Google Patents

セラミック焼結体の製造方法

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JP2001089246A
JP2001089246A JP26236799A JP26236799A JP2001089246A JP 2001089246 A JP2001089246 A JP 2001089246A JP 26236799 A JP26236799 A JP 26236799A JP 26236799 A JP26236799 A JP 26236799A JP 2001089246 A JP2001089246 A JP 2001089246A
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ceramic
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JP26236799A
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Takashi Kudo
貴士 工藤
Katsura Matsubara
桂 松原
Tetsuya Maeda
哲也 前田
Masaya Ito
正也 伊藤
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Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 肉厚のある成形体や平均粒径の細かいセラミ
ック粉末を用いた場合においても、成形性、脱脂性、焼
結性の向上や、製造ロット間のバラツキ低減を図ること
ができるセラミック焼結体の製造方法を提供すること。 【構成】 セラミック原料粉末の含水率を所定の範囲に
制御する。セラミック原料粉末のスラリ調合時の含水率
が0.4重量%以下とする。好ましくは、0.3重量%
以下である。用いるセラミック粉末の平均粒径は1μm
以下が好ましい。セラミック粉末としては、窒化珪素、
サイアロン、窒化アルミニウム、アルミナ、ムライト、
ジルコニア、LaGaO3、炭化珪素及び二珪化モリブ
デンから選ばれる少なくとも1種を用いることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スラリの分散性と安定
性とを向上させたセラミック焼結体の製造方法に関す
る。特には、平均粒径が1μm以下の比較的細かいセラ
ミック粉末を含むスラリを用いたセラミック焼結体の製
造方法として好適である。
【0002】
【従来の技術】セラミック原料粉末を含むスラリを用い
てセラミック成形体を作製し、該セラミック成形体を脱
脂、焼成してセラミック焼結体を得る方法が従来より検
討されている。良好なセラミック焼結体を歩留まり良く
得るためには、前段階であるセラミック成形体を良好な
状態にて作製することが重要である。
【0003】平均粒径が細かい(1μm以下)セラミッ
ク粉末を用いたり、セラミック成形体の肉厚を厚くした
りすると、セラミック成形体の成形性が低下してくる。
その結果、セラミック成形体に切れ等の欠陥が発生した
り、焼成後に成形時の欠陥が顕在化する場合がある。
【0004】成形性を向上させる方法として、バインダ
添加量を増やす方法があるが、セラミック成形体のセラ
ミック粉末含有量が低下するため、焼成できなかった
り、寸法バラツキが大きい問題がある。したがって、バ
インダ添加量を必要以上に増やさないで成形性を向上す
る方法を選択することが望ましい。しかし、バインダ添
加量を増やさない方法の場合、セラミック成形体の成形
性が安定しにくい問題がある。
【0005】セラミック成形体の成形性を不安定にする
要因として、水分の影響が知られている。水分により成
形性が不安定になる原因としては、顆粒粉末の成形特性
の劣化や、セラミック粉末自体の分解・劣化等を挙げる
ことができる。例えば、顆粒粉末の含水率が高いと、プ
レス成形時に欠陥が発生しやすくなる。また、β−アル
ミナや窒化アルミニウム等は、水分により分解・劣化し
やすい。したがって、バインダ添加量を増やさないで良
好なセラミック成形体を得るには、水分量を適正に調整
することが重要である。
【0006】水分量を適正に調整することで成形性を向
上したセラミック成形体を得る方法が種々検討されてい
る。例えば、スプレードライヤーを用いた造粒粉(顆粒
粉末)の含水率を最適化して良好なセラミック成形用粉
体を得る方法が特開昭61−122151号公報に開示
されている。また、スプレードライヤーを用いた造粒粉
(顆粒粉末)を用いて、含水率を最適化したセラミック
成形体を得る方法が特開平5−208862号公報に開
示されている。また、スラリ調製に用いる分散媒の含水
率を5%以下にした鋳込み成形方法が特開平7−820
37号公報に開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】スプレードライヤーを
用いた造粒粉(顆粒粉末)の含水率を最適化する方法の
場合、造粒粉を加湿する必要がある。したがって、β−
アルミナや窒化アルミニウム等の水分により分解・劣化
しやすいセラミックに用いることができない。また、ス
プレードライヤーを用いた造粒粉(顆粒粉末)を用い
て、含水率を最適化したセラミック成形体を得る方法の
場合、含水量の調整は基本的にはスプレードライ工程時
に行うため、造粒粉の含水量と成形体の含水量とが必ず
しも直接対比できない工程管理上の問題がある。また、
スラリ調製に用いる分散媒の含水率を5%以下にする方
法の場合、分散媒の揮発により正確な含水率の測定が難
しい工程管理上の問題がある。このように、含水量の工
程管理が容易・確実に行えるような管理上の要因は、未
だ見出されていなかった。
【0008】本発明の目的は、肉厚のある成形体や平均
粒径の細かいセラミック粉末を用いた場合においても、
成形性、脱脂性、焼結性の向上や、製造ロット間のバラ
ツキ低減を図ることができるセラミック焼結体の製造方
法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、セラ
ミック粉末を主体とするセラミック原料粉末を含み、有
機溶剤を分散媒とするスラリを用いたセラミック焼結体
の製造方法であって、該原料粉末のスラリ調合時の含水
率が0.4%以下であることを要旨とする。
【0010】ここにいうセラミック粉末としては、例え
ば、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、アルミ
ナ、ムライト、ジルコニア、LaGaO3、炭化珪素、
二珪化モリブデン等から選ばれる少なくとも1種を用い
ることができる。また、PZT等の誘電体やガラス−セ
ラミック複合体も含まれる。ここで用いるセラミック粉
末の平均粒径としては、1μm以下が良い。緻密性、機
械的強度、耐電圧性等の焼結体特性を効果的に向上でき
る。緻密性、機械的強度、耐電圧性等の焼結体特性の更
なる向上を目的として、0.8μm以下の微細粉末を用
いることができる。より好ましくは0.5μm以下、更
には0.3μm以下である。
【0011】ここにいうセラミック原料粉末とは、原則
として、前記セラミック粉末を主体として、第3成分と
して焼結助剤やフィラー等を含む原料粉末をいう。しか
し、一切の第3成分の添加が好ましくない場合には、例
外的に、前記セラミック粉末自身をいうものである。こ
こにいう「セラミック粉末を主体とするセラミック原料
粉末」とは、原則として、セラミック粉末がセラミック
原料粉末の主成分であることを意味するが、必ずしもそ
の量比の関係において定義されるものではない。例え
ば、セラミックとガラスが略等量、或いはガラスの方が
多く含まれているようなガラス−セラミック複合体をも
含む概念である。
【0012】スラリの分散媒としては有機溶剤を用い
る。例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルア
ルコール等のアルコール系溶剤、キシレン、トルエン等
の芳香族炭化水素系溶剤、n−ヘキサン、シクロペンタ
ン、アセトン、MEK等の炭化水素系溶剤、或いはこれ
らの混合溶剤を用いることができる。これら溶剤は、水
分を極力含まないものが好ましい。バインダとしては、
アクリル酸、メタクリル酸等の通常用いられているもの
を用いることができる。他に分散剤を添加してもよい。
【0013】本発明では、セラミック原料粉末のスラリ
調合時の含水率が0.4重量%以下であることが重要で
ある。含水率のより好ましい範囲は、0.3重量%以
下、更に好ましくは0.2重量%以下である。セラミッ
ク原料粉末のスラリ調合時の含水率をかかる範囲に規定
することで、スラリ内でのセラミック原料粉末の分散性
が向上し、製造歩留まりの向上や製造ロット間のバラツ
キの低減を効果的に図ることができる。
【0014】含水率の調整は、セラミック原料粉末を乾
燥炉等の加熱手段を用いて行う。加熱条件としては、6
0〜300℃の範囲で行う。好ましくは、120〜25
0℃である。必要に応じて、酸化雰囲気下、中性雰囲気
下、還元雰囲気下、真空下等にて行われる。セラミック
原料粉末は基本的に無機物のみであるため、通常はこれ
らの温度範囲の加熱では変質等は起こらないので、取り
扱い上便宜である。また、有機物を含まない状態のた
め、データの再現性もよく、工程管理が非常にしやすい
メリットがある。
【0015】得られたスラリを用いて、公知の成形方法
を用いてセラミック成形体を作製する。例えば、スラリ
をスプレードライ法により造粒粉にし、プレス法等によ
り乾式成形したり、スラリをテープ成形等により湿式成
形すればよい。切れ等の欠陥のない良好なセラミック成
形体が得られる。かかるセラミック成形体を脱脂、焼成
することで、欠陥の無いセラミック焼結体を歩留まり良
く製造できる。
【0016】請求項2の発明は、スラリ調製に用いるセ
ラミック粉末の平均粒径が1μm以下であるセラミック
焼結体の製造方法を要旨とする。緻密性、機械的強度、
耐電圧性等の焼結体特性を効果的に向上できる。緻密
性、機械的強度、耐電圧性等の焼結体特性の更なる向上
を目的として、0.8μm以下の微細粉末を用いること
ができる。より好ましくは0.5μm以下、更には0.
3μm以下である。
【0017】平均粒径が1μm以下の微細粉末を用いて
も、セラミック原料粉末のスラリ調合時の含水率を0.
4重量%以下にすることによって、スラリ中での良好な
分散が可能となる。
【0018】請求項3の発明は、セラミック粉末が窒化
珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、アルミナ、ムラ
イト、ジルコニア、LaGaO3、炭化珪素及び二珪化
モリブデンから選ばれる少なくとも1種であるセラミッ
ク焼結体の製造方法を要旨とする。
【0019】窒化珪素、サイアロン、炭化珪素を用いる
ことで、良好な機械的特性を有するセラミック部品を得
ることができる。例えば、ガスタービン翼、タペット等
のエンジン関連部品として好適である。窒化アルミニウ
ム、アルミナ、ムライト、二珪化モリブデンを用いるこ
とで、良好な電気的特性を有するセラミック部品を得る
ことができる。例えば、ICパッケージ等の絶縁層、セ
ラミックヒータ、スパークプラグのアルミナ絶縁碍子等
に用いることができる。また、ジルコニア、LaGaO
3を用いることで、良好な酸素イオン伝導性を有する固
体電解質を得ることができる。例えば、ガスセンサ、燃
料電池等に用いることができる。
【0020】これらのセラミック粉末は、2種以上混合
して用いることができる。例えば、β−アルミナにジル
コニアをフィラーとして添加して機械的強度を向上させ
たり、アルミナに二珪化モリブデンを混合してセラミッ
クヒータに使用したりすることができる。
【0021】
【実施例】2種類の平均粒径(0.5μm、1μm)の
窒化珪素粉末にイットリアを6重量%、マグネシアを3
重量%添加して、含水率の異なるセラミック原料粉末を
調合する。セラミック原料粉末の含水率をカ−ルフィッ
シャ−式水分測定機を用いて測定、確認する。含水率は
5種類(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、
0.6%)とする。結果を表1に示す。
【0022】各セラミック原料粉末を樹脂ポットにφ1
0mmの窒化珪素製球石と分散媒(エタノール)、分散
剤(マレイン系)をともに入れて20時間混合粉砕す
る。更にバインダ(アクリル系)を入れた後5時間混合
する。得られたスラリを脱泡した後、公知のテープ法を
用いて3種類のテープ(テープ厚み;0.3mm、0.
6mm、0.9mm)を成形した。成形性の評価として
は、成形時の目視検査及び成形後の倍率20倍拡大鏡に
よる外観検査により不具合が全くないもの合格とする。
クラック等の不具合が多少でも生じているものは不合格
とする。合格品について各条件毎に20枚のテープを用
意する。テープは所定の形状に裁断し脱脂した後、17
50℃にて焼成する。脱脂後と焼成後に倍率20倍の拡
大鏡を用いて外観検査を行う。各合格率を表1に併記す
る。尚、各合格率は、所定の形状に裁断したテープ20
枚を基準とした各工程段階での合格率である。
【0023】
【表1】
【0024】表1の結果より、含水率が0.4%を越え
る高いセラミック原料粉末を用いたスラリ程、成形性が
低下することがわかる。また、含水率の高いセラミック
原料粉末を用いたスラリ程、脱脂、焼成時の欠陥(切
れ)の発生率が高くなることがわかる。また、成形体の
肉厚が厚い程、また、セラミック粉末の平均粒径が小さ
くなる程、脱脂、焼成時の欠陥(切れ)の発生率が高く
なることがわかる。
【0025】一方、含水率が0.4重量%と低いセラミ
ック原料粉末を用いたスラリ(試料番号11〜試料番号
16)では、セラミック粉末の平均粒径の影響を殆ど受
けることなく、成形から焼成まで良好な合格率(焼結体
の合格率で80%以上)であることがわかる。また、含
水率が0.3重量%と低いセラミック原料粉末を用いた
スラリ(試料番号17〜試料番号22)では、セラミッ
ク粉末の平均粒径や成形体の肉厚の影響を殆ど受けるこ
となく、成形から焼成まで良好な合格率(焼結体の合格
率で95%以上)であることがわかる。特には、含水率
が0.2重量%以下と低いセラミック原料粉末を用いた
スラリ(試料番号23〜試料番号24)では、焼結体の
合格率で100%と、極めて良好な結果であることがわ
かる。
【0026】
【発明の効果】セラミック原料粉末の含水率を所定の範
囲に制御することで、肉厚のある成形体や平均粒径の細
かいセラミック粉末を用いた場合においても、成形性、
脱脂性、焼結性の向上や、製造ロット間のバラツキ低減
を図ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C04B 35/626 C04B 35/48 Z 35/58 106 35/56 101P 35/58 102Q 104R 302S (72)発明者 伊藤 正也 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Fターム(参考) 4G001 BA01 BA03 BA04 BA10 BA14 BA22 BA32 BA36 BA49 BA75 BB01 BB03 BB04 BB10 BB14 BB22 BB32 BB36 BB49 BC17 BC24 BC52 BD11 4G030 AA13 AA17 AA34 AA36 AA37 AA47 AA51 AA52 AA67 BA18 GA14 GA17 GA20 GA27 PA22 4G031 AA09 AA12 AA27 AA29 AA30 AA37 AA38 AA40 BA18 GA04 GA11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック粉末を主体とするセラミック
    原料粉末を含み、有機溶剤を分散媒とするスラリを用い
    たセラミック焼結体の製造方法であって、 該セラミック原料粉末のスラリ調合時の含水率が0.4
    重量%以下であることを特徴とするセラミック焼結体の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 前記セラミック粉末の平均粒径が1μm
    以下であることを特徴とする請求項1に記載のセラミッ
    ク焼結体の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記セラミック粉末が窒化珪素、サイア
    ロン、窒化アルミニウム、アルミナ、ムライト、ジルコ
    ニア、LaGaO3、炭化珪素及び二珪化モリブデンか
    ら選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求
    項1又は請求項2に記載のセラミック焼結体の製造方
    法。
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