JP3156171B2 - ZrO2成形体の焼結方法 - Google Patents
ZrO2成形体の焼結方法Info
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- JP3156171B2 JP3156171B2 JP24112194A JP24112194A JP3156171B2 JP 3156171 B2 JP3156171 B2 JP 3156171B2 JP 24112194 A JP24112194 A JP 24112194A JP 24112194 A JP24112194 A JP 24112194A JP 3156171 B2 JP3156171 B2 JP 3156171B2
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ZrO 2 成形体の焼結
方法、特に大型もしくは複雑な形状のZrO 2 成形体の
焼結方法に関するものである。大型もしくは複雑な形状
のセラミックス製品は、例えば連続鋳造設備の堰部材、
または高温作動型発電装置部材あるいは各種熱処理炉等
に適用される。
方法、特に大型もしくは複雑な形状のZrO 2 成形体の
焼結方法に関するものである。大型もしくは複雑な形状
のセラミックス製品は、例えば連続鋳造設備の堰部材、
または高温作動型発電装置部材あるいは各種熱処理炉等
に適用される。
【0002】
【従来技術および解決すべき課題】セラミックス材料か
ら種々の方法で製作したセラミックス成形体を焼結する
と、温度の上昇に伴いある温度から急激に、線収縮率に
換算して10〜20%もの収縮が起こる。また、セラミ
ックスは金属と比較すると熱伝導率が著しく低い物質で
あるため、形状が大きくないしは複雑(例えば肉厚が3
0mm以上で径寸法が80mm以上もある大型の円筒
体)であると、焼結が極めて困難である。すなわち、外
部の方が発熱体に近いだけ高温になるのに対し、内部は
試料の熱伝導率の低さ故に低温になるため、焼結温度域
で成形体の内部と外部で温度の不均一が生じ、その結
果、外部の収縮率と内部の収縮率とに差が生じ、これが
クラックを引き起こす。
ら種々の方法で製作したセラミックス成形体を焼結する
と、温度の上昇に伴いある温度から急激に、線収縮率に
換算して10〜20%もの収縮が起こる。また、セラミ
ックスは金属と比較すると熱伝導率が著しく低い物質で
あるため、形状が大きくないしは複雑(例えば肉厚が3
0mm以上で径寸法が80mm以上もある大型の円筒
体)であると、焼結が極めて困難である。すなわち、外
部の方が発熱体に近いだけ高温になるのに対し、内部は
試料の熱伝導率の低さ故に低温になるため、焼結温度域
で成形体の内部と外部で温度の不均一が生じ、その結
果、外部の収縮率と内部の収縮率とに差が生じ、これが
クラックを引き起こす。
【0003】大型もしくは複雑な形状の成形体を焼結す
る際に、上記のようなクラックの発生を防ぐには、昇温
速度を極端に遅くすればよいのであるが、この場合、成
形体の加熱開始から製品取り出しまで多大の日数を要
し、短くても2週間、長いものでは数ケ月もかかり、作
業がはなはだ非能率的である。
る際に、上記のようなクラックの発生を防ぐには、昇温
速度を極端に遅くすればよいのであるが、この場合、成
形体の加熱開始から製品取り出しまで多大の日数を要
し、短くても2週間、長いものでは数ケ月もかかり、作
業がはなはだ非能率的である。
【0004】本発明の目的は、これらの問題を解決し、
大型もしくは複雑な形状のセラミックス製品を短期間で
かつ確実にしかも低コストで製造する方法を提供するこ
とにある。
大型もしくは複雑な形状のセラミックス製品を短期間で
かつ確実にしかも低コストで製造する方法を提供するこ
とにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、ZrO 2 成形
体を焼結する際に、その材料が有する収縮挙動に着目
し、焼結プログラムにおいて、収縮開始温度と収縮完了
温度との間で連続的に加熱と冷却を繰り返すことにより
クラックのない良好な焼結体を短時間で得る方法を提供
するものである。
体を焼結する際に、その材料が有する収縮挙動に着目
し、焼結プログラムにおいて、収縮開始温度と収縮完了
温度との間で連続的に加熱と冷却を繰り返すことにより
クラックのない良好な焼結体を短時間で得る方法を提供
するものである。
【0006】すなわち、本発明によるZrO 2 成形体の
焼結方法は、ZrO 2 成形体が収縮を開始する1000
℃と収縮を完了する1400℃との間で、加熱と冷却
を、加熱冷却温度差が50〜100℃となるように、2
〜5回繰り返すことを特徴とするものである。
焼結方法は、ZrO 2 成形体が収縮を開始する1000
℃と収縮を完了する1400℃との間で、加熱と冷却
を、加熱冷却温度差が50〜100℃となるように、2
〜5回繰り返すことを特徴とするものである。
【0007】加熱および冷却による昇温速度および降温
速度は、セラミックス材料自体の収縮率および熱伝導率
さらには用いる焼結炉の構造により決定される。例え
ば、ZrO2 のように線収縮率が20〜25%もあり、
かつ熱伝導率が著しく低い材料は、大型品では50℃/
h以上の昇温速度では必ず割れる。逆にSi3 N4 のよ
うに熱伝導率が大きくて、線収縮率が15%前後の材料
は、200℃/hの昇温速度でも割れない。
速度は、セラミックス材料自体の収縮率および熱伝導率
さらには用いる焼結炉の構造により決定される。例え
ば、ZrO2 のように線収縮率が20〜25%もあり、
かつ熱伝導率が著しく低い材料は、大型品では50℃/
h以上の昇温速度では必ず割れる。逆にSi3 N4 のよ
うに熱伝導率が大きくて、線収縮率が15%前後の材料
は、200℃/hの昇温速度でも割れない。
【0008】昇温速度と同様、冷却による降温速度も重
要であり、これが極端に速いといわゆる「熱衝撃」のよ
うな状況下に晒されるためにクラックが生じる恐れがあ
る。これを避けるには、冷却をゆっくり行う必要があ
る。
要であり、これが極端に速いといわゆる「熱衝撃」のよ
うな状況下に晒されるためにクラックが生じる恐れがあ
る。これを避けるには、冷却をゆっくり行う必要があ
る。
【0009】加熱−冷却過程における冷却による降温速
度は昇温速度にほぼ等しいことが望ましい。例えば、加
熱および冷却は昇温速度と降温速度を同じ(例えば昇温
が100℃/hなら降温も100℃/h)にして行われ
る。
度は昇温速度にほぼ等しいことが望ましい。例えば、加
熱および冷却は昇温速度と降温速度を同じ(例えば昇温
が100℃/hなら降温も100℃/h)にして行われ
る。
【0010】図1および図2に従来のセラミックス焼結
温度の変化パターンを示す。図3に本発明方法の焼結温
度の変化パターンを示す。
温度の変化パターンを示す。図3に本発明方法の焼結温
度の変化パターンを示す。
【0011】従来の焼結温度の変化パターン(A) では焼
結温度においてのみ温度保持を行い、また、従来の焼結
温度の変化パターン(B) では焼結温度に至る途中で数回
温度保持を行っている。これに対し、本発明方法の焼結
温度の変化パターン(C) では、焼結温度で温度を保持す
る点については従来と同じであるが、焼結温度に至る過
程で数回連続的に加熱と冷却を繰り返して温度を昇降さ
せる。ここで、図3中の温度T1 は、各材料における収
縮開始温度である。すなわち、収縮開始温度から焼結温
度の間で連続的に加熱と冷却を繰り返す。加熱−冷却の
温度差、すなわち図中の温度差(T1 −T2 )は限定さ
れないが、極端に大きい場合、総所要時間が長くなるた
め、通常は20〜100℃程度が望ましい。また、加熱
と冷却の繰り返し回数も限定されないが、極端に多いと
総所要時間が長くなるため、通常は2〜5回程度が望ま
しい。
結温度においてのみ温度保持を行い、また、従来の焼結
温度の変化パターン(B) では焼結温度に至る途中で数回
温度保持を行っている。これに対し、本発明方法の焼結
温度の変化パターン(C) では、焼結温度で温度を保持す
る点については従来と同じであるが、焼結温度に至る過
程で数回連続的に加熱と冷却を繰り返して温度を昇降さ
せる。ここで、図3中の温度T1 は、各材料における収
縮開始温度である。すなわち、収縮開始温度から焼結温
度の間で連続的に加熱と冷却を繰り返す。加熱−冷却の
温度差、すなわち図中の温度差(T1 −T2 )は限定さ
れないが、極端に大きい場合、総所要時間が長くなるた
め、通常は20〜100℃程度が望ましい。また、加熱
と冷却の繰り返し回数も限定されないが、極端に多いと
総所要時間が長くなるため、通常は2〜5回程度が望ま
しい。
【0012】本発明を以下にさらに詳しく説明する。
【0013】ZrO2 成形体は加熱に伴い1000℃よ
り収縮を開始し、1400℃で収縮を終了する。後述す
る実施例のNo. 4,7および9においては、1200℃
〜1150℃と1300℃〜1250℃との2回加熱−
冷却過程がある。また収縮温度域を等分化することが好
ましい。加熱冷却温度差は大きくても問題はないが、こ
の温度差が大きすぎると焼結完了までの時間が長くなの
で、好ましい温度差は50〜100℃である。
り収縮を開始し、1400℃で収縮を終了する。後述す
る実施例のNo. 4,7および9においては、1200℃
〜1150℃と1300℃〜1250℃との2回加熱−
冷却過程がある。また収縮温度域を等分化することが好
ましい。加熱冷却温度差は大きくても問題はないが、こ
の温度差が大きすぎると焼結完了までの時間が長くなの
で、好ましい温度差は50〜100℃である。
【0014】
【作用】加熱過程では外部が高温で内部は相対的に低温
であるが、冷却過程では逆に外部が低温で内部は相対的
に高温であるので、冷却過程で内部の方が収縮する現象
が生じる。この結果、加熱と冷却を数回繰り返すことに
より、ZrO 2 成形体全体の温度が均一化され、良好な
焼結体が得られる。
であるが、冷却過程では逆に外部が低温で内部は相対的
に高温であるので、冷却過程で内部の方が収縮する現象
が生じる。この結果、加熱と冷却を数回繰り返すことに
より、ZrO 2 成形体全体の温度が均一化され、良好な
焼結体が得られる。
【0015】
【実施例】Y2 O3 を3モル%含むジルコニア(ZrO
2 )粉末、アルミナ(Al2 O3)粉末、およびY2 O
3 とAl2 O3 を各5モル%含む窒化硅素(Si
3 N4 )粉末を、それぞれラバープレスにより円筒状に
成形した。得られた成形体を種々の条件で焼結した。
2 )粉末、アルミナ(Al2 O3)粉末、およびY2 O
3 とAl2 O3 を各5モル%含む窒化硅素(Si
3 N4 )粉末を、それぞれラバープレスにより円筒状に
成形した。得られた成形体を種々の条件で焼結した。
【0016】表1に焼結条件および得られた焼結品の状
態を示す。
態を示す。
【0017】表1から判るように、径100で厚40m
mの大型ZrO 2 成形体をクラックが生じないように焼
結するには、従来であれば156hもの長時間の加熱が
必要であったが、本発明により66hと半分以下まで焼
結時間を短縮することができる(No.3と4の比較)。
mの大型ZrO 2 成形体をクラックが生じないように焼
結するには、従来であれば156hもの長時間の加熱が
必要であったが、本発明により66hと半分以下まで焼
結時間を短縮することができる(No.3と4の比較)。
【0018】ZrO 2 成形体が径70×厚20mm程度
の小型形状のものであれば、従来の方法および本発明方
法のいずれでも良好な焼結体を得ることができる(No.
5〜7)。
の小型形状のものであれば、従来の方法および本発明方
法のいずれでも良好な焼結体を得ることができる(No.
5〜7)。
【0019】また、径200で厚50mmもの大型Zr
O 2 成形体は、従来の方法では約1ケ月程度要しても焼
結し得なかったが、本発明方法によれば、クラックを発
生せずに焼結することが可能である(No.8と9の比
較)。
O 2 成形体は、従来の方法では約1ケ月程度要しても焼
結し得なかったが、本発明方法によれば、クラックを発
生せずに焼結することが可能である(No.8と9の比
較)。
【0020】さらに、本発明方法はセラミックス材質に
よらず適用できることが確認された(No. 10〜1
3)。
よらず適用できることが確認された(No. 10〜1
3)。
【0021】強度試験 セラミックス成形体の焼結時にこれを高温下に長時間晒
すと、結晶粒子が粗大化し、その強度が著しく低下する
ことが知られている。そこで上記実施例により得られた
各焼結体の強度を測定した。
すと、結晶粒子が粗大化し、その強度が著しく低下する
ことが知られている。そこで上記実施例により得られた
各焼結体の強度を測定した。
【0022】強度の測定は、焼結体より3×4×40m
mの直方体試験片を切り出し、JIS R1601の3
点曲げ試験により行った。結果を表2に示す。
mの直方体試験片を切り出し、JIS R1601の3
点曲げ試験により行った。結果を表2に示す。
【0023】ZrO2 成形体の焼結の場合、本発明では
120.5kgf/mm2 (実施No. 4)と、小型形状とほぼ
同等の値を得た。一方、従来法ではNo. 3のように強度
が著しく低下した。Al2 O3 の焼結においてもNo. 1
1と12の比較から判るように本発明方法により充分な
強度が得られることがわかる。
120.5kgf/mm2 (実施No. 4)と、小型形状とほぼ
同等の値を得た。一方、従来法ではNo. 3のように強度
が著しく低下した。Al2 O3 の焼結においてもNo. 1
1と12の比較から判るように本発明方法により充分な
強度が得られることがわかる。
【0024】
【表1】
【表2】
【0025】
【発明の効果】本発明方法では、ZrO 2 が収縮を開始
する1000℃と収縮を完了する1400℃との間で、
加熱と冷却を、加熱冷却温度差が50〜100℃となる
ように、2〜5回繰り返すことにより、ZrO 2 成形体
全体の温度を均一化させることができる。その結果、大
型もしくは複雑な形状のセラミックス製品を短期間でか
つ確実にしかも低コストで製造することができる。
する1000℃と収縮を完了する1400℃との間で、
加熱と冷却を、加熱冷却温度差が50〜100℃となる
ように、2〜5回繰り返すことにより、ZrO 2 成形体
全体の温度を均一化させることができる。その結果、大
型もしくは複雑な形状のセラミックス製品を短期間でか
つ確実にしかも低コストで製造することができる。
【図1】従来方法のセラミックス焼結温度の変化パター
ンを示す、時間と温度の関係のグラフである。
ンを示す、時間と温度の関係のグラフである。
【図2】従来方法のセラミックス焼結温度の変化パター
ンを示す、時間と温度の関係のグラフである。
ンを示す、時間と温度の関係のグラフである。
【図3】本発明方法のセラミックス焼結温度の変化パタ
ーンを示す、時間と温度の関係のグラフである。
ーンを示す、時間と温度の関係のグラフである。
Claims (1)
- 【請求項1】 ZrO 2 成形体が収縮を開始する100
0℃と収縮を完了する1400℃との間で、加熱と冷却
を、加熱冷却温度差が50〜100℃となるように、2
〜5回繰り返すことを特徴とする、ZrO 2 成形体の焼
結方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24112194A JP3156171B2 (ja) | 1994-10-05 | 1994-10-05 | ZrO2成形体の焼結方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24112194A JP3156171B2 (ja) | 1994-10-05 | 1994-10-05 | ZrO2成形体の焼結方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08104573A JPH08104573A (ja) | 1996-04-23 |
JP3156171B2 true JP3156171B2 (ja) | 2001-04-16 |
Family
ID=17069604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24112194A Expired - Fee Related JP3156171B2 (ja) | 1994-10-05 | 1994-10-05 | ZrO2成形体の焼結方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3156171B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8187525B2 (en) * | 2007-08-31 | 2012-05-29 | Corning Incorporated | Method of firing green bodies into porous ceramic articles |
-
1994
- 1994-10-05 JP JP24112194A patent/JP3156171B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH08104573A (ja) | 1996-04-23 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20000627 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20001219 |
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