JP2584237B2 - セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミックス焼結体を常圧焼結法で製造する
にあたり、特定の細かさの原料を用い、特定量の水を加
えた配合物をロールミルで混練してつくるセラミックス
焼結体の製造方法に関する。

〔従来の技術〕 従来、セラミックス焼結体は耐熱性、耐蝕性等が良好
なため、高温用部材、化学用機器等に使用されている。

その焼結体の製造方法はセラミックス粉末にバインダ
ーを混ぜて加圧成形し焼結する方法が一般的であるが、
この製法によって得られたセラミックス焼結体は強度の
バラツキが大きく、又破壊靭性は一般に低い。

そこで、近年破壊靭性を改良する方法としてセラミッ
クス粉末およびバインダーのほかにウイスカーを添加し
た配合物に溶媒（水あるいは有機溶剤）を加えてボール
ミル等で混合し、得られた泥漿物をスプレードライヤ等
で乾燥し、乾燥混合物を加圧成形したのち、焼結してセ
ラミックス焼結体をつくる方法が採用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来法でウイスカーを配合して製造されたセラミ
ックス焼結体の破壊靭性は一応改善された。

しかしながら該焼結体は原料の一つとしてウイスカー
を用いるため、ボールミルで配合物を長時間混合しても
ウイスカーのからまりが残ったり、また均一に分散され
ていないため乾燥物を機械的に成形したさい、成形体中
にブリッジができたりした。しかも上記からまりやブリ
ッジは成形体の中で偏在しているため、それを焼結して
得たセラミックス焼結体もポアが偏在し、それが原因と
なって該焼結体の曲げ強度はバラツキが大きかった。そ
れゆえ従来のセラミックス焼結体の曲げ強度のワイブル
係数（Weibull Modulus）が著しく小さく、大凡８〜12
程度であった。以上のように従来のセラミックス焼結体
は多くの長所を具備しているにも拘らず、信頼性が低い
欠点があったため、強度を比較的必要としない一部の用
途に限られていた。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明者らは高ワイブル係数を具備するセラミ
ックス焼結体を常圧焼結体で製造する方法について研究
した結果、一定の細かさの原料に適当量の水を加えた配
合物をロールミルで混練することにより、ワイブル係数
の高い焼結体が得られることを見出し、以下の発明を完
成した。

すなわち本発明はセラミックス粉末、ウイスカー、バ
インダーおよび水の配合物を混練し、成形し、常圧焼結
してつくるセラミックス焼結体を製造するさいに、セラ
ミックス粉末の平均粒径が0.3〜4.0μｍ、ウイスカーの
平均長さが1.0〜7.0μｍ、並びに水量が固形物に対し、
40重量％以下からなる配合物をロールミルで混練してつ
くるセラミックス焼結体の製造方法を要旨とするもので
ある。

本発明で使用されるロールミルは２本ロールあるいは
３本ロールを装備した慣用のロールミルである。ロール
の回転比は通常の仕様にしたがい、たとえば２本ロール
のロールミルでは1:3、３本ロールのロールミルでは1:
3:9である。

ロールミルによる混練はロール間に配合物を供給する
ことによって行われる。配合物はロールの回転速度の相
違によりせん断力が与えられながら混練される。そのた
めウイスカーのからまりが強制的にほぐされ、混練物中
の空隙がなくなり、焼結体のポアを著しく減らし、つま
りは曲げ強度の増大と共にワイブル係数を大きくする。

次に上記ロールミルについて供給する配合物について
説明する。

本発明で使用するセラミックス粉末、ウイスカーおよ
びバインダーは公知のものが用いられる。例えばセラミ
ックス粉末としては、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、MgO等の酸化
物、SiC、Si₃N₄、サイアロン等の非酸化物が挙げられ、
２種類以上組合せて使用しても良い。

ウイスカーとしてはSiC、Si₃N₄、Al₂O₃等が考えら
れ、２種類以上組合せて使用しても良い。バインダーは
有機系のヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチ
ルセルロース、ポリエチレンオキシド、メチルセルロー
ス、ポリビニルアルコール等が挙げられる。このバイン
ダーは液体であっても粉末であっても差しつかえない。

セラミックス粉末の細かさやウイスカーの長さは後述
する水量と共に配合物の混練の良し悪しを決める重要な
要件である。すなわちセラミックス粉末の細かさは平均
粒径で0.3〜4.0μｍである。0.3μｍ未満では配合物を
ロールミルで混練可能な状態にするには多量の水が必要
であり、その過剰水を含む混練物を成形し、乾燥したと
き成形体に乾燥収縮に基づくクラックが発生するので好
ましくない。また逆に平均粒径が4.0μｍを超えると焼
結性が低下し、常圧焼結が困難になるのでやはり好まし
くない。焼結性の観点から好ましい細かさは2.5μｍ以
下である。

なお、セラミックス粉末の最大粒径があまり大きいと
ワイブル係数が小さくなる傾向があるので、最大粒径が
15μｍ以下の粉末を用いるのが望ましい。

ウイスカーの平均長さは1.0〜7.0μｍであることが必
要であり、1.0μｍ未満では添加による破壊靭性改良効
果が見られず、逆に7.0μｍを超えたものを用いた場合
には、ロールミルで混練しても、からまりやブリッジを
なくすのに時間がかかり過ぎることおよび焼結性を低下
させること等があるため、いずれも好ましくない。

次に水の配合割合について述べる。

水量はセラミックス粉末およびウイスカーの固形物に
対して40重量％以下添加する。その水量は使用する粉末
の粒径等によって左右されるが、好ましくは15〜35重量
％である。水量が40重量％を超えると混練物の成形体を
乾燥したさい、乾燥収縮によりクラックが発生したりす
るので好ましくない。

セラミックス粉末に対するウイスカーの配合量は本発
明では特に限定しないが、目安としてセラミックス粉末
に対してウイスカー５〜15重量％が適当である。

バインダーの配合量は使用するバインダーの性能によ
って異なるが、固形物に対して２〜４重量％が適当であ
る。

以下に本発明の実施例を示す。

〔実施例〕

実施例１〜2,比較例１〜２ ムライト質焼結体を以下の要領で製造した。

第１表に示すセラミックス粉末に対してSiCウイスカ
ーを10％（重量、以下同じ）添加したものにバインダー
としてメチルセルロース（信越化学社製「メトローズ60
SH−4000F」）を３％加えて混合したのち、同表に示す
割合の水を加え、ニーダー（減圧下）で予備混合した。

この予備混合物を３本ロールミル（ロール回転比1:3:
9）に供給し、十分に混練した。

得られた混練物は約４℃、24時間静置したのち、真空
押出し成形機で成形して、80×40×10mmの成形体を各配
合について10本作製した。得た各成形体は48時間室温で
乾燥し、次いで電気炉で450℃まで徐々に昇温してバイ
ンダーを除去したのち、アルゴン雰囲気、1740℃で２時
間焼結してそれぞれのセラミックス焼結体を製造した。

各配合の焼結体から曲げ試験片（3.0×4.0×40.0mm）
50本を作製し、３点曲げ試験機を用いて曲げ強度を測定
し、それぞれについて平均曲げ強度およびワイブル係数
を算出し、それらの結果を同表に併記した。

なお比較例１は成形体を乾燥したさい成形体に多数の
クラックが発生したため、焼結は行わなかった。

〔発明の効果〕 本発明は特定の細かさの原料に水を加えた配合物をロ
ールミルによりせん断力を与えながら混練してつくるセ
ラミックス焼結体の製造方法であり、従来法に比して格
段に高いワイブル係数を具備した焼結体が得られる。

その結果焼結体の曲げ強度の信頼性が飛躍的に向上
し、従来の焼結体より広い範囲の用途に採用することが
可能である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス粉末、ウイスカー、バインダ
   ーおよび水の配合物を混練し、成形し、常圧焼結してつ
   くるセラミックス焼結体の製造方法において、セラミッ
   クス粉末の平均粒径が0.3〜4.0μｍ、ウイスカーの平均
   長さが1.0〜7.0μｍ、並びに水量が固形物に対し40重量
   ％以下からなる配合物をロールミルで混練することを特
   徴とするセラミックス焼結体の製造方法。