JP2013010329A

JP2013010329A - セラミックス成形体及び焼結体並びにこれらの製造方法

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Publication number: JP2013010329A
Application number: JP2011145947A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nakamura; 中村　　浩章; Tomoyuki Ogura; 知之小倉; Noriko Saito; 紀子齋藤; Tomoyuki Miura; 友幸三浦
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP5791394B2

Abstract

【課題】セラミックス成形体の吸湿による変質の可能性の低減させることにより、その加工精度の向上及びセラミックス焼結体の加工コストの低下を図りうる方法等を提供する。
【解決手段】セラミックス成形体におけるバインダー含有量及び水分含有量が制御されることにより、強度及び硬度を高精度の加工に適した範囲に制御することができる。これにより、加工時に生じる成形体の粉末の掃け具合が良好になり、かつ、クラック等の発生が回避されるので、加工によって良好な表面性状が実現される。また、加工工具にかかる負荷が軽減される。このため、成形体が焼成されることにより製造される焼結体は、仕上げ加工が施されなくても良好な表面性状が実現される。その結果、仕上げ加工コストの低減が図られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス成形体及び焼結体並びにこれらの製造方法に関する。

近年セラミックス製品の高精度化及び大型化の流れが進む中で、製造コストの低減は必須である。一般的なセラミック製品の製造方法によれば、原料が顆粒化又はスラリー化され、ＣＩＰ成形又はスラリーを直接流し込む鋳込み成形により成形体が作成される。続いて、この成形体が目的とする形状にある程度近い形状に生加工される。続いて、生加工された成形体が焼成されることによって焼結体が作成される。そして、焼結体が仕上げ加工されることによってセラミックス製品が得られる。

焼結体の仕上げ加工コストは、セラミックス製品の製造コストの大部分を占めることから、当該仕上げ加工コストの低減を図るさまざまな手法が提案されている。例えば、セラミックス材料粉末に熱可塑性有機バインダー及び可塑剤を含有させて成形体を成形した後、有機バインダーの分解・気化温度より低温かつ熱可塑剤を含有する有機バインダーの熱可塑温度以上で当該成形体を加熱処理する手法が提案されている（特許文献１参照）。当該手法によれば、セラミックス成形体の機械的強度が適当に制御されることにより、その加工精度の向上が図られている。

特開平１０−０５８４１９号公報

しかし、セラミックス成形体は多孔質体であるため、その保管条件によっては吸湿によって変質してしまい、加工精度が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、セラミックス成形体の吸湿による変質の可能性の低減させることにより、その加工精度の向上及びセラミックス焼結体の加工コストの低下を図りうる方法等を提供することを課題とする。

本発明の第１態様のセラミックス成形体は、１００重量部のセラミックス原料粉末に対して０．３〜１５．０重量部のバインダー及び０．１０〜１．５０重量部の水分が含有され、相対密度が５０〜６５％であることを特徴とする。

本発明の第２態様のセラミックス成形体は、１００重量部のセラミックス原料粉末に対して１．０〜８．０重量部のバインダー及び０．２０〜０．８０重量部の水分が含有され、相対密度が５４〜６４％であることを特徴とする。

本発明の第１態様のセラミックス成形体の製造方法は、前記セラミックス原料粉末を用いて１次成形体を作成し、前記１次成形体を前記バインダーが溶融かつ揮発しない温度範囲環境下に置くことにより、水分含有量が０．１０〜１．５０重量部に制御され、前記１次成形体と比較して強度が１．２〜９．３倍だけ高く、かつ、硬度が１．１〜２．５倍だけ高い２次成形体を前記セラミックス成形体として製造することを特徴とする。

本発明の第２態様のセラミックス成形体の製造方法は、前記セラミックス原料粉末を用いて１次成形体を作成し、前記１次成形体を前記バインダーが溶融かつ揮発しない温度範囲環境下に置くことにより、水分含有量が０．２０〜０．８０重量部に制御され、前記１次成形体と比較して強度が１．９〜９．３倍だけ高く、かつ、硬度が１．１〜２．５倍だけ高い２次成形体を前記セラミックス成形体として製造することを特徴とする。

本発明のセラミックス成形体の製造方法において、１次粒子よりなる前記セラミックス原料粉末を用いて、鋳込み成形方法にしたがって前記１次成形体を作成することが好ましい。

本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、第１態様又は第２態様のセラミックス成形体を、その少なくとも一部を表面粗さＲａが２．０［μｍ］以下になるように加工した後で焼成することにより、当該少なくとも一部の表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下であるセラミックス焼結体を製造することを特徴とする。

本発明のセラミックス焼結体は、前記方法により製造され、少なくとも一部の表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下であることを特徴とする。

セラミックス成形体におけるバインダー含有量及び水分含有量が制御されることにより、強度及び硬度を高精度の加工に適した範囲に制御することができる。これにより、加工時に生じる成形体の粉末の掃け具合が良好になり、かつ、クラック等の発生が回避されるので、加工によって良好な表面性状が実現される。また、加工工具にかかる負荷が軽減される。このため、成形体が焼成されることにより製造される焼結体は、仕上げ加工が施されなくても良好な表面性状が実現される。その結果、仕上げ加工コストの低減が図られる。

成形体のバインダー及び水分含有量と強度及び硬度との関係図。

本発明のセラミックス成形体及び焼結体、並びに、これらの製造方法の実施形態について説明する。

バインダーを含有するセラミックス原料粉末を用いて１次成形体が作成される。原料としては、アルミナ、炭化ケイ素、窒化珪素、ジルコニア、スピネル又はイットリア等、種々のセラミックスが採用されうる。バインダーとしては、ポリビニルアルコール又はアクリルエマルジョン等公知のものが採用されうる。

１次成形体が、後述する条件下で保管されることにより得られる２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分（又はアルコール）含有量ｙの組み合わせが、第１範囲Ｓ１又は第２範囲Ｓ２に含まれるように調節される。バインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙのそれぞれは、セラミックス粉末に対する重量比に１００を乗じた値として定義される。

第１範囲Ｓ１は、不等式０．３≦ｘ≦１５及び０．１０≦ｙ≦１．５により表現される。第２範囲Ｓ２は、不等式１．０≦ｘ≦８．０及び０．２０≦ｙ≦０．８０により表現される。図１には、第１範囲Ｓ１が一点鎖線で囲まれている矩形状の領域として示されている。また、第２範囲Ｓ２が二点鎖線で囲まれ、第１範囲Ｓ１の内側に存在する矩形状の領域として示されている。

バインダー含有量ｘが０．３を下回る場合、成形体が過度に脆弱になり、その搬送等の取り扱いが著しく困難となる。また、バインダー含有量ｘが１５を超えている場合、成形体の焼成時における脱脂不良によってクラックの発生を回避することが困難となる。

１次成形体は、鋳込み成形法、吸引成形法又はＣＩＰ成形法など、さまざまな方法にしたがって作成されうる。原料粉末のスラリーが用いられる鋳込み成形法等が採用される場合、スラリー調整用の溶媒としては、水又はアルコール等の一般的なものが採用されうる。分散剤としては、ポリカルボン酸系等の一般的な材料が採用されうる。原料粉末として１次粒子を用いて作成された１次成形体は、当該１次粒子で構成される空隙径を小さくすることができる。１次成形体とは、ハンドリングが可能であり保形が可能な程度に強度及び硬度が高い成形体を意味する。

多孔質体である１次成形体が吸湿することにより、水分含有量が増大する。また、１次成形体そのものにも残水分又は残アルコール分が必然的に含有されている。そこで、バインダーが溶融かつ揮発しないような指定温度範囲（例えば４０〜２００［℃］）の環境下に１次成形体が保管される。その結果、水分含有量ｙが０．１０〜１．５０又は０．２０〜０．８０に制御されている２次成形体がセラミックス成形体として製造される。成形体の形状としては、角板や円板形状の他、柱状、棒状又は中子を用いて減肉したリブ形状等、種々の形状が採用される。

成形体の相対密度は５０〜６５％の範囲に含まれるように制御される。これにより、成形体が焼成収縮時に応力を受けることなく、焼結体製造の歩留まり高く維持することが可能となる。

１次成形体から水分が除去されることにより、バインダーの作用による粒子間の結合度が増大し、１次成形体と比較して強度及び硬度が高い２次成形体が得られる。２次成形体の強度は、１次成形体と比較して１．２〜９．３倍だけ高い。２次成形体の硬度は、１次成形体と比較して１．１〜２．５倍だけ高い。成形体の水分含有量ｙが０．１０未満となると、成形体の硬度が過度に上がり、加工工具にかかる負荷が大きくなり、その寿命短縮を招くので好ましくない。

そして、この成形体が加工された後、焼成されることにより、セラミックス焼結体が製造される。１次粒子で空隙径が小さく、前記のように含有水分量が調整されることにより強度及び硬度が制御されている成形体は、その加工時に生じる粉末の掃け具合が良好であり、加工負荷の影響を受け難くなり、加工後の表面性状が良好である。

成形体の加工時に生じる粉末による加工工具（刃物）の目詰まりが抑制され、かつ、それに伴う振動が軽減される。１次成形体がそのまま加工される場合と比較して刃物の寿命が、例えば２倍以上に延びることが確認された。ＣＶＤダイヤモンドコーティングの刃物を用いて、一般的な加工条件で加工して得られた成形体の表面には、粉末の欠落及びクラックの存在は認められず、例えば表面粗さＲａが２．０［μｍ］以下、好ましくは１．０［μｍ］以下の平滑な表面が実現される。

このため、成形体が焼成されることにより製造される焼結体は、仕上げ加工が施されなくても良好な表面性状が実現される。その結果、仕上げ加工コストの低減が図られる。焼結体には破断、欠け及びクラックが生じることなく、例えば表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下、好ましくは０．６［μｍ］以下の平滑な面状態が実現される。

（実施例）
（実施例１）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末（昭和電工社製ＡＬ−１６０ＳＧ−４、純度９９．７％）が用いられた。セラミックス粉末、バインダー（三井東圧化学社製ＷＡ−３２０）、分散剤（互応化学社製ＫＥ−５５２）及びイオン交換水が調整され、鋳込み成形方法によって３００［ｍｍ］×３００［ｍｍ］×６０［ｍｍ］の１次成形体が作成された。

次に、１次成形体が乾燥機にて４０℃で保管された。そして、当該保管後の１次成形体が２次成形体として得られた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（０．３，０．１）に調節された。１次成形体における水分又はアルコールの含有量と、１次成形体と比較した２次成形体の重量減少分とから、２次成形体における水分含有量ｙが算出された。そして、２次成形体が適当な温度（例えば１６００℃）で焼成されることによって焼結体が製造された。

（実施例２）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（０．３，０．７）に調節された。

（実施例３）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（０．３，１．５）に調節された。

（実施例４）
セラミックス粉末としてＺｒＯ₂粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１．０，０．２）に調節された。

（実施例５）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１．０，０．８）に調節された。

（実施例６）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（３．８，１．３）に調節された。

（実施例７）
セラミックス粉末としてＺｒＯ₂粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（４．５，０．７）に調節された。

（実施例８）
セラミックス粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（５．０，０．８）に調節された。

（実施例９）
セラミックス粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（５．５，０．１）に調節された。

（実施例１０）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（６．５，１．５）に調節された。

（実施例１１）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（７．０，０．４）に調節された。

（実施例１２）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（８．０，０．２）に調節された。

（実施例１３）
セラミックス粉末としてＺｒＯ₂粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（８．０，０．８）に調節された。

（実施例１４）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１１．０，１．５）に調節された。

（実施例１５）
セラミックス粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１２．４，０．７）に調節された。

（実施例１６）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１４．０，０．４）に調節された。

（実施例１７）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１５．０，０．１）に調節された。

（実施例１８）
セラミックス粉末としてＺｒＯ₂粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１５．０，０．７）に調節された。

（実施例１９）
セラミックス粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１５．０，１．５）に調節された。

（測定結果）
実施例１〜１９のそれぞれについて、２次成形体の相対密度、１次成形体及び２次成形体の強度（生強度）及び硬度（生硬度）、２次成形体のＣＶＤダイヤモンドコーティングの刃物で加工された部分の表面粗さＲａが測定された。また、焼結体の外観が観測され、密度及び加工面の表面粗さＲａが測定された。当該測定結果が表１にまとめて示されている。

１次成形体及び２次成形体の強度測定に際して、エンドミルにより１０［ｍｍ］×１０［ｍｍ］×７０［ｍｍ］の形状に加工された測定対象物の角部がＣ０．１〜Ｃ０．３でＣ面加工された。加工装置として、島津製作所社製オートグラフＡＧ−Ｘ／Ｒ２０００Ｂが使用された。そして、下部支点間距離が５０［ｍｍ］に設定され、試験片の荷重点にクロスヘッド速度０．５［ｍｍ／ｍｉｎ］で荷重が加えられ、試験片が破壊するまでの最大荷重が強度として測定された。

１次成形体及び２次成形体の硬度測定に際して、測定対象物がエンドミルにより３０［ｍｍ］×３０［ｍｍ］×１０［ｍｍ］の形状に加工された。加工装置として、マツザワ精機社性ＨＡＲＤＮＥＳＳ・ＴＥＳＴＥＲＤＶＫ−２Ｓが使用された。

図１には、各実施例の２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせを表わすプロット（ｘ，ｙ）が、丸付き数字又は二重丸付き数字により表わされている。図１から、実施例１〜１９のすべてが第１範囲Ｓ１に含まれていること、二重丸付き数字で表わされている実施例４、５、７、８、１１、１２及び１３が第２範囲Ｓ２にも含まれていることがわかる。

表１及び図１から、２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせが、第１範囲Ｓ１に収まるように調節されることにより、相対密度が５０〜６５％であり、１次成形体と比較して強度が１．２〜９．３倍だけ高く、かつ、硬度が１．１〜２．５倍だけ高い２次成形体が得られることがわかる。また、この場合、２次成形体の表面粗さＲａが２．０［μｍ］以下であり、かつ、焼結体の表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下であることから、加工性に優れている２次成形体が得られることがわかる。

さらに、２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせが、第２範囲Ｓ２に収まるように調節されることにより、相対密度が５４〜６４％であり、１次成形体と比較して強度が１．９〜９．３倍だけ高く、かつ、硬度が１．１〜２．５倍だけ高い２次成形体が得られることがわかる。また、この場合、２次成形体の表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下であり、かつ、焼結体の表面粗さＲａが０．６［μｍ］以下であることから、加工性にさらに優れている２次成形体が得られることがわかる。

（比較例）
（比較例１）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（０．１，０．０５）に調節された。

（比較例２）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（０．２，１．３）に調節された。

（比較例３）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（３．５，１．８）に調節された。

（比較例４）
セラミックス粉末としてＺｒＯ₂粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（６．０，２．１）に調節された。

（比較例５）
セラミックス粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（７．５，０．０５）に調節された。

（比較例６）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１２．０，０．０８）に調節された。

（比較例７）
セラミックス粉末としてＳｉＣ粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１４．５，１．７）に調節された。

（比較例８）
セラミックス粉末としてＡｌ₂Ｏ₃粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１７．０，０．０５）に調節された。

（比較例９）
セラミックス粉末としてＳｉ₃Ｎ₄粉末が用いられた。２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせ（ｘ，ｙ）が（１７．０，１．２）に調節された。

（測定結果）
比較例１〜９のそれぞれについて、実施例１〜１９のそれぞれと同様に、２次成形体の相対密度、１次成形体及び２次成形体の強度（生強度）及び硬度（生硬度）、２次成形体のＣＶＤダイヤモンドコーティングの刃物で加工された部分の表面粗さＲａが測定された。また、焼結体の外観が観測され、密度及び加工面の表面粗さＲａが測定された。当該測定結果が表２にまとめて示されている。

図１には、各比較例の２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせを表わすプロット（ｘ，ｙ）が、三角付き数字により表わされている。図１から、比較例１〜９のすべてが第１範囲Ｓ１から外れていることがわかる。

比較例１及び２では２次成形体におけるクラックの存在が確認された。比較例５及び６では２次成形体にムシレの存在が確認された。比較例８及び９では２次成形体において、脱脂不良及びクラックの存在が確認された。

表２及び図１から、２次成形体におけるバインダー含有量ｘ及び水分含有量ｙの組み合わせが、第１範囲Ｓ１から外れると、２次成形体におけるクラック等の存在、又は、表面粗さＲａが３．６［μｍ］以上であり、かつ、焼結体の表面粗さＲａが３．１［μｍ］以上であることから、２次成形体の高精度加工及びそれによる焼結体の追加加工量の低下が困難であることがわかる。

Claims

１００重量部のセラミックス原料粉末に対して０．３〜１５．０重量部のバインダー及び０．１０〜１．５０重量部の水分が含有され、相対密度が５０〜６５％であることを特徴とするセラミックス成形体。
請求項１記載のセラミックス成形体において、
１００重量部のセラミックス原料粉末に対して１．０〜８．０重量部のバインダー及び０．２０〜０．８０重量部の水分が含有され、相対密度が５４〜６４％であることを特徴とするセラミックス成形体。
請求項１記載のセラミックス成形体を製造する方法であって、前記セラミックス原料粉末を用いて１次成形体を作成し、
前記１次成形体を前記バインダーが溶融かつ揮発しない温度範囲環境下に置くことにより、水分含有量が０．１０〜１．５０重量部に制御され、前記１次成形体と比較して強度が１．２〜９．３倍だけ高く、かつ、硬度が１．１〜２．５倍だけ高い２次成形体を前記セラミックス成形体として製造することを特徴とする方法。
請求項２記載のセラミックス成形体を製造する方法であって、前記セラミックス原料粉末を用いて１次成形体を作成し、
前記１次成形体を前記バインダーが溶融かつ揮発しない温度範囲環境下に置くことにより、水分含有量が０．２０〜０．８０重量部に制御され、前記１次成形体と比較して強度が１．９〜９．３倍だけ高く、かつ、硬度が１．１〜２．５倍だけ高い２次成形体を前記セラミックス成形体として製造することを特徴とする方法。
請求項３又は４記載の方法において、１次粒子よりなる前記セラミックス原料粉末を用いて、鋳込み成形方法にしたがって前記１次成形体を作成することを特徴とする方法。
請求項１又は２記載のセラミックス成形体を、その少なくとも一部を表面粗さＲａが２．０［μｍ］以下になるように加工した後で焼成することにより、当該少なくとも一部の表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下であるセラミックス焼結体を製造することを特徴とする方法。
請求項６記載の方法により製造され、少なくとも一部の表面粗さＲａが１．０［μｍ］以下であることを特徴とするセラミックス焼結体。