JP2006062920A

JP2006062920A - セラミック焼結体の製法およびセラミック焼結体

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Publication number: JP2006062920A
Application number: JP2004249085A
Authority: JP
Inventors: Shugo Onizuka; 修吾鬼塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP4651330B2

Abstract

【課題】球面を有するセラミック成形体についても、脱脂を均一にでき上下方向の密度差を低減できるセラミック焼結体の製法およびセラミック焼結体を提供する。
【解決手段】少なくともセラミック粉末と有機ビヒクルとを含有する混合物を静水圧成形して、外表面に占める球面の比率が９０％以上の中実の成形体を形成する工程、（ｂ）前記成形体を、開口角θが７５°以上の円錐状の凹部を有する台座に載置し、脱脂、焼成する工程を経て得られ、相対密度が理論密度の９９％以上であり、外表面に占める球面の比率が９０％以上であり、その焼結体を上中下で分割したとき、上部と下部の相対密度差が０．８％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック焼結体の製法およびセラミック焼結体に関し、特に、セラミックスの製造工程における混合、粉砕用のボール、または、ボールベアリングや骨頭ボールなどに用いられるセラミック焼結体の製法および前記製法によって得られる球面を有するセラミック焼結体に関する。

近年、アルミナやジルコニア、またはこれらの複合セラミックスは、様々な構造用部品として使用されているが、このような構造用部品のなかで、高強度、高靭性という特徴を生かしてボールベアリングや骨頭ボールなどへの適用が図られている（例えば、特許文献１〜３）。

上記の骨頭ボールなどに適用される球状のセラミックスは、例えば、特許文献３によれば、まず、平均粒径１μｍ以下のアルミナ粉末を準備し、この主成分粉末に対して各種の添加剤を加え、混合した後、所望の形状に仮成形し、次いで静水圧加圧を施して高密度の成形体を形成する。この後、所定の温度、雰囲気条件にて焼成して得られることが記載されている。このような製法の場合、通常、略球状の成形体が脱脂、焼成中における転がらないように、当該成形体を軟らかいセラミックグリーンシート上に載置して脱脂および焼成が行われている。
特開２００２−３６９８２７号特開２００３−２８４７３１号特開２００１−８９２２４号

しかしながら、上記したような軟らかいセラミックグリーンシートを焼成用敷板として用いる脱脂、焼成の方法では、セラミックグリーンシート上に接した部分の成形体は脱脂が不均一になりやすく、得られるセラミック焼結体の上下方向に密度差が生じやすくなり、結果的に機械的強度や硬度に関し、位置によるばらつきを有したものとなっていた。つまり、セラミック成形体に用いられる有機ビヒクルの熱分解により発生したガスは空気より重く、炉内下部に溜まりやすい傾向があるが、球面を有する成形体の場合、成形体の下部と台座との間、または成形体の下部に有機ビヒクルの分解ガスが溜まりやすく、脱脂速度が成形体の上下で異なるため焼結体の上下の位置で密度差ができていた。

従って本発明は、球面を有するセラミック成形体についても、脱脂を均一にでき上下方向の密度差を低減できるセラミック焼結体の製法およびセラミック焼結体を提供することを目的とする。

本発明によれば、少なくともセラミック粉末と有機ビヒクルとを含有する混合物を静水圧成形して、外表面に占める球面の比率が９０％以上の中実の成形体を形成する工程、
（ｂ）前記成形体を、開口角θが７５°以上の円錐状の凹部を有する台座に載置し、脱脂、焼成する工程を経て得られることを特徴とするセラミック焼結体の製法が提供される。

ここで、台座の最上面から凹部最深部までの深さをＨとし、成形体の最大径をＤとしたときに、Ｈ／Ｄ比が１．１以下であること、セラミック粉末の主成分と台座の主成分とが同じであること、セラミック粉末の平均粒径が１μｍ以下であること、が好ましい。

そして、上記のセラミックスの製法によれば、相対密度が理論密度の９９％以上であり、外表面に占める球面の比率が９０％以上であり、その焼結体を上中下で分割したとき、上部と下部の相対密度差が０．８％以下であることを特徴とするセラミック焼結体が提供される。この場合、焼結体の最長径をＬ、最短径をＳとしたときに、Ｌ／Ｓ比が１〜１．１の範囲であること、セラミック粒子が、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化けい素およびジルコンから選ばれる少なくとも１種であること、セラミック粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが好ましい。球面とは曲面を有するすべての面をいい、対象物を構成する平坦面の面積を全面積から除したもの。

本発明によれば、球面を有する成形体を載せる台座の凹部が浅く、しかも、円錐状であり、成形体の真下にも空間が設けられているために、成形体中の有機ビヒクルの分解ガスが成形体の系外に出やすくなる。このため、脱脂を均一にでき上下方向の密度差を低減でき、結果的にセラミック焼結体の機械的強度や硬度の上下方向のばらつきを小さくできる。

以下、本発明のセラミックスの製法について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明のセラミックス焼結体と焼成治具である台座の概略断面図の１例である。符号は、それぞれ、１：台座、３：セラミック焼結体、θ：開口角、Ｈ：台座の深さ、Ｄセラミック成形体の最大径である。セラミック焼結体の寸法は、最長径がＬ、最短径がＳである。図２は、本発明のセラミック焼結体を上中下に分割した状態を示す概略断面図である。

本発明によれば、まず、少なくともセラミック粉末と有機ビヒクルとを含有する混合物を静水圧成形して、外表面に占める球面の比率が９０％以上の中実の成形体を形成する。特に本発明の製法は、球面比率が９５％以上の球状体あるいは円柱体に好適である。ここで、中実の成形体とはセラミック粉末同士が接点で密着した状態であり焼結前の空隙を有する程度に詰まった状態をいう。

用いるセラミック粉末の平均粒径は、成形体に含まれる有機ビヒクル量が多くなり、しかも、粉末間の隙間が小さく脱脂が困難とされる１μｍ以下である場合に好適である。

セラミック粉末は、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化けい素およびジルコンから選ばれる少なくとも１種であることが、高強度、高硬度という点で好ましい。

次に、前記成形体を、台座に載置し、脱脂、焼成する。用いる台座は、上記のように開口角θが７５°以上の円錐状の凹部を有するものであり、成形体下部からの脱脂を助長するという点で開口角θは１２０°以上が好ましく、一方、成形体下部に円錐状の先端部の深みのある空間を設けるという点で、入出炉の際の落下を防止できるという点で１６０°以下が好ましい。

さらに本発明にかかる台座は、脱脂および焼成中における雰囲気ガスのあたりをよくするという点で、その台座の最上面から凹部最深部までの深さをＨとし、成形体の最大径をＤとしたときに、Ｈ／Ｄ比が１．１以下、特に、０．３以下であることが好ましい。

また、台座とセラミック粉末の主成分とが同じであれば、得られるセラミック焼結体に不純物の混入やセラミック焼結体の組成の変動が抑制される。また、上記のセラミックスの製法により得られるセラミック焼結体は相対密度が理論密度の９９％以上、好ましくは９９．９％以上であり、また、外表面に占める球面の比率が９０％以上であることが重要であり、特に、９５％以上のほぼ全面が球面のものが好ましく、さらに、その焼結体を上中下で分割したとき、上部と下部の相対密度差が０．８％以下であることを特徴とするものであり、特に、０．３％以下が好ましい。また、上記同じ試料において硬度差が１％以下であることが好ましい。また焼結体の最長径をＬ、最短径をＳとしたときに、Ｌ／Ｓ比が１〜１．１の範囲であることが好ましく、特に本発明は球状体に好適である。

また本発明にかかるセラミック焼結体は、の構成成分は上記した、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化けい素およびジルコンから選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、また、セラミック粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが高強度および高硬度という点で好ましい。

本発明のセラミック焼結体について、以下のようにして作製し評価した。

まず、台座は、アルミナ製（９７％以上のアルミナを含む）を用い、凹部の開口角θおよび台座の寸法Ｈは表１に示す値とした。

セラミック成形体は、主原料粉末として平均粒径が０．５μｍの高純度アルミナ（純度９９．９％）を用い、主原料粉末１００質量部に対して０．０５質量部の酸化マグネシウムを添加して、ボールミルを用いて有機ビヒクルとともに混合し、これを円柱状に仮成形した後、圧力２９４ＭＰａで静水圧成形を行い、この後、この成形体を切削加工して直径（Ｄ）２２ｍｍの球状の成形体を形成した。次に、作製した球状の成形体を上記の台座上に載置して、大気中４００℃で４時間の脱脂を行った後、同雰囲気下で１５００℃、２時間の焼成を行った。続いて、焼成した試料を曲面砥石を用いて鏡面仕上げを行った。

この後、焼成後に得られたセラミック焼結体について、ノギスを用いて直径（最大径、最小径）を測定した後、アルキメデス法により密度を測定した。測定した密度から相対密度を求めた。セラミック焼結体の理論密度は、上記主原料の結晶構造を焼成後に得られた物の結晶構造として求めた。硬度は、ビッカース法により求めた。

セラミック焼結体における上下の密度差および硬度差を評価する場合は、セラミック焼結体を上下方向に均一厚みに３等分し、最上層および最下層の切り出し片について評価した。上記評価におけるサンプル数はすべて１０個とした。なお、表１において、冶具材質は、１が高純度（純度９９．９５％）のアルミナ、２が純度９９％のアルミナ、３が純度９７％のアルミナである。なお、用いた台座の開口の寸法をＤ２＝４０ｍｍ（表１）とした。結果を表１に示す。

表１の結果から、台座の開口角θを６０°とした試料Ｎｏ．１、９、１７、２５、３３、４１では、得られたセラミック焼結体における上下の硬度差が３．１％以上、密度差が１％以上であった。これに対して、試料Ｎｏ．２〜８、１０〜１６、１８〜２４、２６〜３２、３４〜４０、４２〜４９ではいずれも、硬度差が１．６％以下、密度差が０．８％以下になった。また、焼成治具の材質は、高純度アルミナ（９９．９５％）、９９％アルミナ、９７％アルミナを用いても、同様の硬度差、密度差であった。台座の開口角θを１７０°とした試料Ｎｏ．４９では、焼成時の入出炉の際に試料が落下した。

本発明のセラミックス焼結体と焼成治具である台座の概略断面図の１例である。本発明のセラミック焼結体を上中下に分割した状態を示す概略断面図である。

符号の説明

１台座
３セラミック焼結体

Claims

少なくともセラミック粉末と有機ビヒクルとを含有する混合物を静水圧成形して、外表面に占める球面の比率が９０％以上である中実の成形体を形成する工程、前記成形体を、開口角θが７５°以上の円錐状の凹部を有する台座に載置し、脱脂、焼成する工程を経て得られることを特徴とするセラミック焼結体の製法。
台座の最上面から凹部最深部までの深さをＨとし、成形体の最大径をＤとしたときに、Ｈ／Ｄ比が１．１以下である請求項１記載のセラミック焼結体の製法。
セラミック粉末の主成分と台座の主成分とが同じである請求項１または２に記載のセラミック焼結体の製法。
セラミック粉末の平均粒径が１μｍ以下である請求項１乃至３のうちいずれか記載のセラミック焼結体の製法。
相対密度が理論密度の９９％以上であり、外表面に占める球面の比率が９０％以上であり、その焼結体を上中下に分割したとき、上部と下部の相対密度差が０．８％以下であることを特徴とするセラミック焼結体。
焼結体の最長径をＬ、最短径をＳとしたときに、Ｌ／Ｓ比が１〜１．１の範囲である請求項５記載のセラミック焼結体。
セラミック粒子が、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化けい素およびジルコンから選ばれる少なくとも１種である請求項５または６に記載のセラミック焼結体。
セラミック粒子の平均粒径が１μｍ以下である請求項５乃至７のうちいずれか記載のセラミック焼結体。