JP3995969B2

JP3995969B2 - セラミックス成形品の製造方法

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Publication number: JP3995969B2
Application number: JP2002102550A
Authority: JP
Inventors: 光太郎菊池; 都菊池
Original assignee: S.S.ALLOY CO.,LTD.
Current assignee: S.S.ALLOY CO.,LTD.
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003300781A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばエンジニアリング・プラスチック成形用の金型、或いはコンピュータ関連の電子部品などに用いられるファインセラミックス成形品等を製造するためのセラミックス成形品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したファインセラミックスを使用した金型等の製造は、従来から、ＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）技術を用いた方法が、一般的に行われている。
【０００３】
上記ＨＩＰ技術を用いたファインセラミックスの製造は、図６に示すように７工程を必要とする。具体的には、まず焼結材料と潤滑剤を所定量づつ秤量し、これらを混合して顆粒にし（第１工程）、次に金型を用いて常温でプレスし（第２工程）、次にゴム型を用いて常温でＣＩＰ（コールドアイソスタティックプレス）を行い（第３工程）、次に加熱炉を用いて脱脂し（第４工程）、次に焼結炉を用いて焼結し（第５工程）、次に不活性ガスを用いて高温でＨＩＰを行い（第６工程）、最後に加熱炉を用いて内部応力を除去する（第７工程）ことを必要とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上述した従来の製法による場合には、ファインセラミックス成形品の製造に多数の工程を必要とするために長期間を要するという難点がある。また、４つの加熱工程を経る故に温度制御や焼結材料の排出・装入を要するため作業が煩雑であるとともに消費エネルギーが極めて大きいものになるという課題があった。更に、プレス成形性を考慮して混合させた潤滑剤は、最終的に脱脂して除去する必要があり、環境保全の点で難点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の課題を解消するためになされたもので、短時間で成形品を製造できるとともに作業性を向上でき、しかも低エネルギー化を図れ、環境の保全化も向上させ得るセラミックス成形品の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス成形品の製造方法は、筒状をした型の内部に、金属酸化物からなる粉末焼結材料を一対の対向電極で挟持した状態で装填する装填工程と、少なくとも該型内を減圧雰囲気とした状態で該型を加熱手段により加熱して、粉末焼結材料の外表面に、酸素減少による導電層を形成する導電層形成工程と、少なくとも導電層形成工程の後に、該対向電極間への電流供給により、上記導電層が形成された粉末焼結材料を焼結温度にまで加熱し、かつ、導電層形成工程のときからまたは導電層形成工程の後から該対向電極を互いに接近する方向に押圧し、上記導電層を有する粉末焼結材料を焼結する焼結工程とを含み、上記粉末焼結材料を焼結温度にまで加熱するに際し、前記粉末焼結材料の相変態温度を挟むように１乃至２回以上温度を上下させることを特徴とする。
【０００７】
本発明方法による場合には、型を加熱手段により加熱し、粉末焼結材料の外表面を溶融化する。この溶融化に加熱手段を用いるのは、金属酸化物は一般に導電性が低く対向電極間への電流供給では加熱し難いからである。そして、この溶融化のとき、粉末焼結材料が装填された型内が減圧雰囲気であるので、粉末焼結材料の外表面から部分的に酸素が減少（還元）していき導電性を有する導電層が形成され、隣り合う粉末焼結材料同士が接合可能な状態となる。かかる導電層形成工程のときからまたは導電層形成工程の後から対向電極には、互いに接近する方向に押圧力が作用するので、隣り合う粉末焼結材料同士が接合することになる。また、少なくとも導電層形成工程の後に、対向電極間へ電流を供給すると、上記接合した粉末焼結材料の導電層を介して電流が流れ、焼結材料の固有抵抗により自己発熱し、焼結材料の粒子間にアーク溶解が起こる。そして、粉末焼結材料を焼結温度にまで昇温させて所定時間保持させると、この保持時間の間、対向電極の押圧力により粉末焼結材料が押圧されているので、粉末焼結材料は焼結されて高密度のセラミックス成型品となる。
【０００８】
よって、減圧雰囲気下の型内で粉末焼結材料を加熱しつつプレスするだけでセラミックス成形品の製造が可能となり、非常に短時間での製造が可能となるとともに、低エネルギー化が図れる。また、隣り合う粉末焼結材料が接合する導電層が溶融化状態であるため、金属酸化物とは異なり塑性流動が容易になり、潤滑剤が無くても成形圧縮性が十分に発生し焼結が可能となり、環境の保全化も向上させ得る。更に、塑性流動性に富む導電層により隣り合う粉末焼結材料同士が接合するので、従来よりも低押圧力でも高密度のセラミックス成型品の製造が可能となる。なお、本明細書では、粉末焼結材料は粒体のものを含み、径寸法および形状に関しては特に限定をしていない。また、導電層としては、導電性が得られるレベルの酸素を含んでいてもよく、要は導電性を確保できれば含酸素レベルは問わない。更に、減圧雰囲気は、解離反応が起こって加熱溶融した粉末焼結材料の表面から酸素を減少させ得るように１００Ｐａ未満としてもよいが、焼結時間の短縮を考慮すれば、１０Ｐａ未満とするのがよいが、好ましくは１Ｐａにより近い真空度とする方が好ましい。
【０００９】
更に、本発明方法による場合には、粉末焼結材料の相変態温度を挟むように温度を上下させるので、例えば金属酸化物がジルコニアのとき、単斜晶系と正方晶系との相変態が起こる温度である１１５０℃より低い温度と高い温度とに粉末焼結材料を加熱制御するので、相変態を完全に終えるような熱履歴が可能となる。即ち、上記加熱制御を行わないときは、相変態が不完全になって部分的に単斜晶系と正方晶系が混在し、各相の体積が異なることより各相の間でのストレスに伴う割れや品質むらが発生する虞がある。これに対し、本発明のように加熱制御を行うと、全体を同じ相で変態させ得るので、割れや品質むらの発生を防止することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００１１】
まず、本実施形態で用いる熱加工装置につき述べる。
【００１２】
図１はその熱加工装置の一例を示す一部切欠き斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は制御装置により実行される熱加工装置の運転制御の一構成例を示すブロック図である。
【００１３】
この熱加工装置１０は、焼結材料（被加工物）Ｍ（図２参照）に対して上下方向に押圧力を付与するとともに電流供給により当該焼結材料Ｍに焼結処理を施すものであり、枠体２０、安全カバー３０、熱加工炉４０、対向電極５０、シリンダ装置７０、型６０および型加熱部材８０を備える。
【００１４】
上記枠体２０は、外観縦長の直方体状になっていて、平面視で正方形状を呈する基礎板２１と、この基礎板２１の四隅部に立設された４本の円柱状のガイド支柱２２と、このガイド支柱２２の頂部にボルト止めで固定された平面視で正方形状の天板２３と、四隅部が上記各ガイド支柱２２に摺接状態で貫通された平面視で正方形状の仕切板２４とを備える。
【００１５】
上記基礎板２１と仕切板２４との間には、後で詳述する上部電極５１および下部電極５２を有する対向電極５０、安全カバー３０および熱加工炉４０が設けられ、天板２３にはシリンダ装置７０が設けられている。
【００１６】
上記シリンダ装置７０は、天板２３に固定された油圧シリンダ７１と、下方に向けて突出したピストンロッド７２と、このピストンロッド７２の下端部に固定されたプレスラム７３とを有し、仕切板２４を介して上部電極５１を押圧するようになっている。
【００１７】
前記対向電極５０は、型６０の上部に設けられる上部電極５１と型６０の下部に設けられる下部電極５２とを有し、型６０はこの構成例では円筒状のもので、下部内周面に角部が全周に亘って切り欠かれ環状角溝６１が形成されている。なお、型６０は円筒状のものでなくてもよく、角筒状などでもよい。
【００１８】
上部電極５１は、型６０のキャビティ内に摺接状態で嵌挿される黒鉛製の上部均熱板５１ａを有し、この上部均熱板５１ａの上に設けられた黒鉛製の上部パンチ板５１ｂ、上部均圧板５１ｃ、第一上部スペーサー５１ｄ、第二上部スペーサー５１ｅ、第三上部スペーサー５１ｆおよび第四上部スペーサー５１ｇ等を有する。
【００１９】
上記下部電極５２は、型６０のキャビティ内に摺接状態で嵌挿される黒鉛製の下部均熱板５２ａを有し、この下部均熱板５２ａの下に設けられた黒鉛製の下部パンチ板５２ｂ、下部均圧板５２ｃ、第一下部スペーサー５２ｄ、第二下部スペーサー５２ｅ、第三下部スペーサー５２ｆおよび第四下部スペーサー５２ｇ等を有する。これら上部電極５１と下部電極５２を有する対向電極５０には、電源装置９０の電流供給部９１から所定の直流電流が供給される。上記パンチ板５１ｂ，５２ｂは、均熱板５１ａ，５２ａを介して焼結材料Ｍを挟持するようになっている。
【００２０】
上部電極５１の上部と下部電極５２の下部、つまりこの構成例では第四上部スペーサー５１ｇおよび第四下部スペーサー５２ｇは、内部に冷却水路５５が設けられており、冷却水路５５には、冷却水源１２０からの冷却水が供給される。冷却水源１２０から上部電極５１に向かう冷却水配管には上部電極用制御弁１２１が、冷却水源１２０から下部電極５２に向かう冷却水配管には下部電極用制御弁１２２がそれぞれ設けられ、これら制御弁１２１，１２２の開閉操作で上部電極５１の上部位置および下部電極５２の下部位置の温度が制御される。なお、上部電極５１は、上部均熱板５１ａ〜第四上部スペーサー５１ｇが一体化されたものを用いてもよく、下部電極５２も下部均熱板５２ａ〜第四下部スペーサー５２ｇが一体化されたものを用いてもよい。また、上部均熱板５１ａおよび下部均熱板５２ａは省略した構成としてもよい。
【００２１】
上記型６０は、この構成例では導電性を有する黒鉛製のものを使用しており、上述したようにこの構成例では上下の均熱板５１ａ，５２ａと摺接するので、上部電極５１と下部電極５２との間に電流が供給されると、型６０にも電流が流れて発熱するようになっている。また、型６０の下側は、下部パンチ板５２ｂにて封止されている。具体的には、下部パンチ板５２ｂは、その上部が下部よりも小径となった段付き状に形成されており、その下部を前記環状角溝６１に入れ、上部を環状角溝６１よりも上側部分に入れて型６０の下側に配置されている。
【００２２】
前記熱加工炉４０は、上部電極５１の一部および下部電極５２の一部をいずれも内装した状態で設けられ、加工炉本体４１と、この加工炉本体４１に着脱自在に装着される蓋体４２と、加工炉本体４１の底面開口を閉止する底板４４と、加工炉本体４１の上面開口を閉止する天板４３とを備える。
【００２３】
加工炉本体４１の内側には、型６０および焼結材料Ｍをその外側から加熱する型加熱部材８０が、型６０を包囲するように設けられ、型加熱部材８０は、煉瓦やモルタル等の断熱材からなる円弧状に形成された断熱部材８１と、この断熱部材８１に設けられた棒状の通電発熱体８２とからなる基本構成を有している。通電発熱体８２としては、ニクロム線等の金属ヒータや黒鉛ヒータ等を挙げることができる。なお、型加熱部材８０は、この構成例では蓋体４２と、加工炉本体４１の蓋体４２以外の部分とに分断されていて、蓋体４２を開け閉めしても通電発熱体８２の通電に支障がないようになっている。
【００２４】
かかる熱加工炉４０は、安全カバー３０に内装されている。安全カバー３０は、基礎板２１と仕切板２４との間に設けられる薄板製の筒状に形成され、密封状態で熱加工炉４０、対向電極５０および型６０を収容するものであり、円筒状の容器本体３１と、この容器本体３１の上面開口を閉止する天板３２と、容器本体３１の周面に開閉自在に取り付けられた開閉扉３３とからなる。上記天板３２の中央位置には、上部電極５１を摺接状態で嵌挿する嵌挿孔（図示せず）が穿設されている。
【００２５】
熱加工装置１０には、真空ポンプ１００と油圧ユニット１１０が設けられ、真空ポンプ１００は熱加工炉４０内の空気を吸引除去して当該熱加工炉４０内を減圧（真空）環境にする。油圧ユニット１１０は、シリンダ装置７０に油圧を供給して上部電極５１を昇降させるもので、この油圧ユニット１１０の駆動による仕切板２４を介した上部電極５１の押圧によって型６０内に装填されている焼結材料Ｍが所定の圧力で圧縮されるようになっている。
【００２６】
図３に示す制御装置１３０は、熱加工装置１０の全体的な運転制御を行うためのものであって、いわゆるマイクロコンピュータによって構成され、演算処理装置であるＣＰＵ１３１が内蔵されているとともに、制御装置１３０に対して所定のデータを入力したりＣＰＵ１３１の演算結果を出力する入出力装置１３２と、データを一時的に記憶する読み書き自在の外部記憶装置であるＲＡＭ１３３と、制御プログラムを記憶した読み込み専用の外部記憶装置であるＲＯＭ１３４とを備える。
【００２７】
かかる制御装置１３０は、入出力装置１３２から入力された所定の指令信号および後述する各種のセンサからの検出信号に基き、ＲＯＭ１３４から読み取った制御プログラムの実行によって電源装置９０（電流供給部９１および型加熱用電力供給部９２）、真空ポンプ１００、油圧ユニット１１０および上下の電極用制御弁１２１，１２２に向けてそれぞれ所定の制御信号を出力し、これによる真空ポンプ１００の駆動で熱加工炉４０内が減圧状態とされる。また、油圧ユニット１１０からの駆動信号（油圧）の出力によるシリンダ装置７０の駆動で上部電極５１に対するプレスラム７３の押圧力が調節され、電極用制御弁１２１，１２２の開度調節で冷却水源１２０の流量が制御される。また、電流供給部９１からの駆動信号（電流）の出力によって対向電極５０を介して型６０に電流を供給し、かつ型加熱用電力供給部９２からの駆動信号（交流電流）の出力によって型加熱部材８０に交流電力を供給して焼結材料Ｍを加熱し、これにより型６０内の焼結材料Ｍの外表面を活性化、例えば溶融させ、溶融した外表面を介して隣り合う焼結材料Ｍ同士を接合させることにより、焼結材料Ｍにも電流を流して焼結材料Ｍを加熱させ、所定の焼結温度で焼結を行わせるようになっている。つまり、焼結材料Ｍが電流を通し難い金属酸化物であっても、対向電極５０への通電と型加熱部材８０への通電とにより焼結材料Ｍを加熱させて焼結させ得るように設計されている。
【００２８】
制御装置１３０による上記のような制御を実行するために、熱加工装置１０には各所に加工状況を検出する各種のセンサ１４０が設けられている。かかるセンサ１４０としては、均熱板５１ａ，５２ａに径方向に所定ピッチで内装された複数の第一温度センサ１４１と、第四上部スペーサー５１ｇに内装された第二温度センサ１４２と、第四下部スペーサー５２ｇに内装された第三温度センサ１４３と、プレスラム７３直下の仕切板２４に設けられた感圧センサ１４４とが採用されている。
【００２９】
これらセンサ１４１、１４２、１４３および１４４の検出信号はＣＰＵ１３１に入力される。一方、ＣＰＵ１３１には予め入出力装置１３２から焼結材料Ｍを加熱する型６０の型温度パターン、型加熱部材８０の温度パターン、型加熱用電力供給部９２から供給する電流パターンおよびシリンダ装置７０の駆動による上部電極５１の下部電極５２に対する圧力パターンが入力される。
【００３０】
かかるＣＰＵ１３１は、入力された型温度パターンに基づき電流供給部９１から供給する電流パターンを決定し、前記制御装置１３０は決定された電流を対向電極５０へ供給するように電流供給部９１を制御し、また制御装置１３０はＣＰＵ１３１に入力された電流パターンに基づく電流を型加熱部材８０へ供給するように型加熱用電力供給部９２を制御する。そして、第一温度センサ１４１からの検出信号に対応する検出温度と上記型温度パターンの設定温度とを逐一比較演算し、検出温度と設定温度との差が許容限度を越えている場合には、電流供給部９１および型加熱用電力供給部９２に向けてこの差を許容範囲内に収めるように温度制御を行うようになっている。また、制御装置１３０は、感圧センサ１４４の検出信号と前記圧力パターンとに基づきシリンダ装置７０による押圧力を制御する。他の制御の内容は割愛する。
【００３１】
（本発明の基本方法）
次に、このように構成された熱加工装置１０を用いて、本発明に係るセラミックス成形品の製造方法の基本方法につき説明する。なお、ここでは、金属酸化物からなる焼結材料Ｍとしてジルコニア（酸化ジルコニウム）粉末を用いる例を挙げる。
【００３２】
まず、表１に示すように、ＣＰＵ１３１に入出力装置１３２から、前述した型温度パターン、温度パターン、電流パターンおよび圧力パターンを入力する。なお、これらの型温度パターン等は、図４に示すジルコニア粉末Ｍの焼結温度特性および焼結圧力特性が得られるように設定されている。基本方法では、上記焼結温度特性としては、６０分で室温から１３００℃に達し、１３００℃で約７０分保持してその５分後に電流カットにより炉冷するようにしており、上記焼結圧力特性としては、最初から２００ｋｇ／ｃｍ²の圧力に保持し、電流カットと同時に圧力オフするようにしている。減圧雰囲気は保持する。
【００３３】
【表１】

【００３４】
その後、対向電極５０を構成する上部電極５１の均熱板５１ａと下部電極５２の均熱板５２ａとの間に、ジルコニア粉末Ｍを装填する装填工程を行う。つまり、型６０の内部に、上部電極５１と下部電極５２で挟持した状態でジルコニア粉末Ｍを装填する。この装填工程は、上記ＣＰＵ１３１への温度パターン等の入力よりも先に行ってもよい。
【００３５】
次に、真空ポンプ１００を作動させて熱加工炉４０内、つまりジルコニア粉末Ｍが装填された型６０内を真空引きする。そして、以降の加熱工程において、真空度が所定値以上、例えばジルコニア粉末Ｍの表層部が加圧および加熱により活性化、例えば溶融化してそのジルコニア粉末Ｍの表層部から酸素が減少（還元）するような真空度（例えば基本方法では１０Ｐａ未満）に達すると、制御装置１３０による制御を開始する。
【００３６】
この制御開始に伴い、制御装置１３０は、ＣＰＵ１３１に入力された型温度パターンに基づき決定した電流を対向電極５０へ供給するように電流供給部９１を制御する。また、ＣＰＵ１３１に入力された電流パターンに基づく電流を型加熱部材８０へ供給するように型加熱用電力供給部９２を制御する。また、ＣＰＵ１３１に入力された圧力パターンに基づく圧力となるように油圧ユニット１１０からの油圧をシリンダ装置７０に供給し、下部電極５２に対して上部電極５１を２００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で押圧する。
【００３７】
これに伴い、図４に示したようなジルコニア粉末Ｍの温度特性および圧力特性が得られる。即ち、焼結初期においては、対向電極５０への電流供給と、型加熱部材８０への電流供給とにより型６０が直接的に加熱され、型６０内のジルコニア粉末Ｍが型６０からの熱伝達により加熱されていく。そして、約９００℃程度に達すると、ジルコニア粉末Ｍの外表面が活性化して溶融し始める。このとき、ジルコニア粉末Ｍが装填された型６０内が１０Ｐａ未満のある程度の真空雰囲気であるので、活性化（溶融化）したジルコニア粉末Ｍの表層部から酸素が減少し、その表層部が導電性を有する導電層となる。つまり、導電層形成工程が行われる。また、この導電層形成工程のとき、上部電極５１が下部電極５２に対して押圧されているので、隣り合うジルコニア粉末Ｍの溶融導電層同士が接合する。この接合に伴って、対向電極５０へ供給される電流が型６０内のジルコニア粉末Ｍの表層の導電層にも流れ、その電流によっても急速にジルコニア粉末Ｍが加熱促進される。
【００３８】
そして、この状態が保持されたまま、ジルコニア粉末Ｍがより高温に加熱されていく。しかる後、所定の焼結温度、基本方法では１３００℃に達すると、その温度に約７０分保持される。この間、上部電極５１が下部電極５２に対して押圧されているので、ジルコニア粉末Ｍが焼結される焼結工程が行われる。
【００３９】
焼結工程が終了すると、対向電極５０への電流供給と、型加熱部材８０への電流供給とを停止し、かつ、上部電極５１の下部電極５２への押圧を停止する。
【００４０】
したがって、この基本方法による場合には、減圧雰囲気とされた１つの型６０内でジルコニア粉末Ｍを加熱しつつプレスするだけでセラミックス成形品の製造が可能となり、非常に短時間、基本方法では約３時間程度での製造が可能となる。即ち、従来では１工程５０時間以上の最低４工程を必要とし、１ロット分とする製造に約３１日程度要していたが、基本方法ではその１ロット分の製造が約半日で済み、製造日数の大幅な短縮が図れる。また、従来のＨＩＰ技術によるエネルギーは１個あたり１１９２Ｗ／個を要するのに対し、基本方法によるエネルギーは１個あたり１００Ｗ／個と約１／１２に低減できるので低エネルギー化が図れる。更に、隣り合うジルコニア粉末Ｍが接合する導電層同士が溶融化状態であるため、塑性流動が容易になり、潤滑剤が無くても成形が可能となり、環境の保全化も向上させ得る。また、潤滑剤を使用しないので、その潤滑剤を添加し、また除去する工程を省略することができる。また、基本方法では、コンピュータによる制御で温度および圧力の調整を行っているので、焼結材料の装填と成型品の取り出しを除いて製造の無人化も可能となる。更に、基本方法では導電層成形工程の初期から対向電極へ通電しているので、型加熱部材８０による加熱に加え、前記アーク溶解によってもジルコニア粉末Ｍの表面を導電層に迅速に形成し得る。
【００４１】
なお、上述した基本方法では導電層成形工程の後においても型加熱部材８０により型６０をその周囲から加熱するようにしているが、本発明はこれに限らず、導電層成形工程の後では省略しても加熱を実行させ得る故に、型加熱部材８０による加熱を省略することもできる。しかし、基本方法のように、導電層成形工程の後においても型加熱部材８０により型６０をその周囲から加熱する場合には、型６０内のジルコニア粉末Ｍの温度を均一化させることが可能となる。即ち、型加熱部材８０による加熱を省略した場合には、対向電極５０間への電流供給により型６０内の中央部に位置するジルコニア粉末Ｍの温度が、型６０に接する外側のジルコニア粉末Ｍの温度よりも高温となり、つまり温度勾配が発生する。これに対し、基本方法のように導電層成形工程の後においても型加熱部材８０により型６０をその周囲から別途加熱すれば、型６０内のジルコニア粉末Ｍの温度を均一化させることが可能となる。その結果、前記温度勾配に伴うセラミックス成形品の割れを防止できるとともに品質むらを抑制することが可能となる。
【００４２】
また、上述した基本方法ではジルコニア粉末Ｍを用いてジルコニア成形品を製造する例を示しているが、本発明はこれに限らず、他の金属酸化物からなる粉末の焼結材料を用いたセラミックス成形品の製造にも同様にして適用することができる。但し、焼結条件については、適宜金属酸化物の種類に応じて変更することとなる。
【００４３】
表２は、上述した基本方法により製造されたジルコニア成形品（参考例１）の特性を、焼結条件と共に示す表である。なお、この表２には、焼結条件を適宜変更して製造したアルミナ成形品（参考例２）の特性および焼結条件も、従来のＨＩＰ技術を用いた方法による場合（従来例）の特性および焼結条件と併せて示している。また、カタログ値は、使用したジルコニア粉末とアルミナ粉末を用いることで製造される焼結品の特性値の目安である。上記アルミナ成形品の焼結条件としては、焼結温度を１４９０℃、焼結時間（保持時間）を１０分とし、焼結雰囲気は真空引きとした。
【００４４】
【表２】

【００４５】
この表２より理解されるように、基本方法による場合には、従来のＨＩＰ技術による場合よりもボイド数を、約１／５程度まで格段に少なくすることが可能となる。換言すれば、基本方法による場合には、ジルコニア粉末およびアルミナ粉末の表面が溶融した状態で焼結が行われるので、高密度となったファインセラミックス成形品を製造することが可能となる。
【００４６】
（本発明方法の実施形態）
ところで、上述した基本方法ではジルコニア成形品の焼結温度を約１３００℃にしていて、相変態が起こる温度、つまり１１５０℃を単に通過する加熱温度パターンに設定しているが、本発明はこのような加熱温度パターン（基本パターン）に代えて、図５に示すように相変態が起こる温度を挟む２温度、例えば１２００℃と１１００℃の２温度で、ジルコニア粉末Ｍの温度を上下させる加熱制御を行う加熱温度パターン（実施例パターン）を採用し、更に、基本方法における前記加熱温度パターン（基本パターン）を除く構成要素を採用する。
【００４７】
この本発明方法の実施形態による場合には、基本方法により得られる効果に加えて、単斜晶系と正方晶系との相変態を完全に終えるような熱履歴が可能となる。即ち、上記加熱制御を行わないときは、相変態が不完全になって部分的に単斜晶系と正方晶系が混在し、各相の体積が異なることより各相の間でのストレスに伴う割れや品質むらが発生する虞がある。これに対し、加熱制御を行うと、全体を同じ相で変態させ得るので、セラミックス成形品に割れや品質むらの発生を防止することが可能となる。
【００４８】
なお、図５の例では、ジルコニア成形品の場合を例に挙げているが、他の焼結材料の場合には該当する焼結材料の相変態温度を挟むように温度を上下させることとなる。また、図５の例では、相変態が起こる温度を挟んで４回温度を上下させているが、本発明はこれに限らず、１回または２回以上の任意な回数で温度を上下させてもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態では型に導電性を有する黒鉛を使用しているが、本発明はこれに限らず、導電性を有する他の材料からなる型を同様にして用いても同様の効果が得られる。また、本発明は、非導電性の型を使用することもできる。但し、この場合には、導電層形成工程までの加熱を型加熱部材８０のみで行う必要がある。
【００５０】
また、上述した実施形態では図１〜図３に示す熱加工装置１０を用いているが、本発明はこれに限らない。例えば、減圧雰囲気にすることができる型と、加圧できる対向電極と、型を外部から加熱するための型加熱部材（または型加熱部材に相当する加熱手段）とを少なくとも備えた熱加工装置などを使用することができることは勿論である。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明による場合には、型を加熱手段により加熱し、粉末焼結材料の外表面を溶融化状態にする。このとき、粉末焼結材料が装填された型内が減圧雰囲気であるので、溶融した粉末焼結材料の外表面から酸素が減少して導電層が形成され、隣り合う粉末焼結材料同士が接合可能な状態となる。かかる導電層形成工程のときからまたは導電層形成工程の後から対向電極には、互いに接近する方向に押圧力が作用するので、隣り合う粉末焼結材料同士が接合することになる。また、少なくとも導電層形成工程の後に対向電極間へ電流を供給すると、上記接合した粉末焼結材料の導電層を介して電流が流れ、焼結材料が発熱する。その発熱により粉末焼結材料を焼結温度にまで昇温させて所定時間保持させる。この保持時間の間、対向電極の押圧力により粉末焼結材料が押圧されているので、粉末焼結材料は焼結されて高密度のセラミックス成型品となる。よって、型内で粉末焼結材料を加熱しつつプレスするだけでセラミックス成形品の製造が可能となり、非常に短時間での製造が可能となるとともに、低エネルギー化が図れる。また、隣り合う粉末焼結材料が接合する導電層が溶融化状態であるため、金属酸化物とは異なり塑性流動が容易になり、潤滑剤が無くても焼結が可能となり、環境の保全化も向上させ得る。更に、本発明による場合には、粉末焼結材料の相変態温度を挟むように温度を上下させるので、例えば金属酸化物がジルコニアのとき、単斜晶系と正方晶系との相変態が起こる温度である１１５０℃より低い温度と高い温度とに粉末焼結材料を加熱制御するので、相変態を完全に終えるような熱履歴が可能となる。即ち、上記加熱制御を行わないときは、相変態が不完全になって部分的に単斜晶系と正方晶系が混在し、各相の体積が異なることより各相の間でのストレスに伴う割れや品質むらが発生する虞がある。これに対し、本発明のように加熱制御を行うと、全体を同じ相で変態させ得るので、割れや品質むらの発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる熱加工装置の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１の熱加工装置に備わった制御装置により実行される熱加工装置の運転制御の一構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の基本方法で得られるジルコニア粉末の温度特性および圧力特性を示す図である。
【図５】本発明において相変態が起こる温度を挟むように温度を上下させる加熱制御例を説明する図である。
【図６】従来のＨＩＰ技術を用いたファインセラミックスの製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
Ｍジルコニア粉末（焼結材料）
１０熱加工装置
４０熱加工炉
５０対向電極
５１上部電極
５２下部電極
６０型
８０型加熱部材
１００真空ポンプ

Claims

筒状をした型の内部に、金属酸化物からなる粉末焼結材料を一対の対向電極で挟持した状態で装填する装填工程と、
少なくとも該型内を減圧雰囲気とした状態で該型を加熱手段により加熱して、粉末焼結材料の外表面に、酸素減少による導電層を形成する導電層形成工程と、
少なくとも導電層形成工程の後に、該対向電極間への電流供給により、上記導電層が形成された粉末焼結材料を焼結温度にまで加熱し、かつ、導電層形成工程のときからまたは導電層形成工程の後から該対向電極を互いに接近する方向に押圧し、上記導電層を有する粉末焼結材料を焼結する焼結工程とを含み、上記粉末焼結材料を焼結温度にまで加熱するに際し、前記粉末焼結材料の相変態温度を挟むように１乃至２回以上温度を上下させることを特徴とするセラミックス成形品の製造方法。