JP4424899B2

JP4424899B2 - 長尺セラミック焼結体の製造方法および接合体の製造方法

Info

Publication number: JP4424899B2
Application number: JP2002295899A
Authority: JP
Inventors: 敏夫大橋
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP2004131319A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は長尺セラミック焼結体の製造方法および接合体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック成形体を焼成用治具から支持ピンを用いて吊り下げることが知られている（例えば特許文献１）。この公報によれば、一つの治具から、円筒状のセラミック成形体を多数吊り下げ、焼成することが記載されている。また、いわゆるゾーンファイアリング焼成法も知られている（例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４）。
【特許文献１】
特開平６−２６５２７７号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２５２４８１号公報
【特許文献３】
特開昭６１−２５６９８２号公報
【特許文献４】
特開昭６１−２５６９８３号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、エキシマレーザー装置の銅電極を固定するための高純度アルミナ製チューブの製造を試みてきた。こうしたチューブにおいては、長さ１０００ｍｍ程度の長尺品が必要であると共に、焼結体の曲がり量は例えば０．５０ｍｍ以下といった低い値に抑えなければならないという厳格な制約があった。しかし、このように曲がり量の小さい高純度アルミナチューブを高い生産性と歩留りとをもって量産することは困難であった。
【０００４】
例えばゾーンファイアリング法は量産には向かない。また、円筒状のアルミナ成形体を吊り下げて還元雰囲気中で焼成すると、炉内の温度差により成形体の各部分が均一に収縮せず、収縮率にバラツキがあるために、曲がりが発生しやすかった。
【０００５】
更に、本発明者は、円筒状アルミナ仮焼体の下端部開口内に封止部材の仮焼体を挿入し、この状態でアルミナ仮焼体を焼成することによって、封止部材をチューブ端部に焼き嵌めすることを試みた。しかし、この場合には、焼成後のチューブの曲がりが一層生じやすいことが分かった。
【０００６】
本発明の課題は、長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺被焼成体を焼結させることによって長尺セラミック焼結体を製造する方法において、焼結体の曲がりを抑制でき、量産に適した方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、長手方向に延びる細長い孔が設けられているセラミック長尺成形体を準備し、細長い支持部材を長尺成形体の孔内に挿入し、支持部材の両端を長尺成形体から露出させ、支持部材の両端を水平に支持し、長尺成形体の内壁面を支持部材に接触させることで駐車成形体を支持した状態で長尺成形体を仮焼することによって、長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺被焼成体を得、
細長い吊り部材を支持ピンによって吊り下げ、この吊り部材を長尺被焼成体の孔内に挿入し、長尺被焼成体を焼結させることで長尺被焼成体を焼成収縮させ、長尺被焼成体の上端部を吊り部材によって吊り下げることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、長尺セラミック焼結体の長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺セラミック焼結体と、長尺セラミック焼結体の端部に固定されている封止部材とを備えている接合体を製造する方法であって、
長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺被焼成体を準備し、細長い吊り部材を長尺被焼成体の孔内に挿入し、長尺被焼成体の下端部において長尺被焼成体の孔内に封止部材の被焼成体を挿入し、次いで長尺被焼成体および封止部材の被焼成体を焼結させることで長尺被焼成体を焼成収縮させ、長尺被焼成体の上端部および吊り部材に支持具を貫通させることによって長尺被焼成体の上端部を吊り下げることを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、細長い吊り部材を長尺被焼成体の孔内に挿入し、長尺被焼成体の上端部を吊り部材から吊り下げ、この状態で長尺被焼成体を焼結させることを想到した。この焼成方法では、焼結プロセスが進行するのにつれて、長尺被焼成体の全体が比較的に均等に収縮しやすい。また、収縮過程において、長尺被焼成体の曲がりが、孔内の吊り部材によって規制される。これらの相乗効果により、長尺セラミック焼結体の曲がり量が少なくなり、かつそのバラツキも少なくすることができた。更に、この方法は、長尺成形体を吊り下げて焼成する方法であり、特別な焼成炉を必要とせず、量産に適している。
【００１０】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、長尺被焼成体１をセッター１８上にセットした状態を概略的に示す断面図であり、図２は、長尺被焼成体の焼成によって得られた長尺セラミック焼結体１１を概略的に示す断面図である。
【００１１】
図１に示すように、支持ピン５によって細長い吊り部材３を吊り下げる。吊り部材３は、本例では丸棒形状を有している。吊り部材３の上端部には細長い貫通孔３ａが形成されており、貫通孔３ａ内に支持ピン６が挿通されている。本例の長尺被焼成体１は略円筒形状をしている。被焼成体１の本体１ａの上端部１ｅの外周には例えばリング状突起１ｂが設けられている。被焼成体１の下端部１ｄは焼成用セッター１８上に設置されている。被焼成体１は、ヒーター９内の炉内空間１０に設置されている。
【００１２】
焼成前には、図１に示すように、被焼成体１はセッター１８上に設置され、支持されている。そして、被焼成体１の孔４内に吊り部材３が挿入されている。支持ピン６は吊り部材３の貫通孔３ａに挿入され、かつ被焼成体１の上端部１ｅ内に挿通されている。しかし、焼成前には、支持ピン６は長尺被焼成体１を支持していない。
【００１３】
本例では、長尺被焼成体１の下端部１ｄ内に、封止部材の被焼成体2 を挿入し、支持ピン７および治具８によって被焼成体２を長尺被焼成体１に固定している。
【００１４】
次いでヒーター９を発熱させ、長尺被焼成体１および被焼成体２の焼結プロセスを進行させる。この結果、図２に示すように、長尺被焼成体１が長手方向および径方向に収縮し、長尺セラミック焼結体１１を生成させる。この収縮は、図１に矢印ＡおよびＢに示すように進行する。即ち、長尺被焼成体１の収縮が進行すると、その長さが小さくなる。この結果、上端部１ｅが下方へと移動し、これに伴って支持ピン６も下方へと移動する。そして支持ピン６が貫通孔３ａの底面（支持面３ｂ）に接触した後に長尺被焼成体１が更に収縮すると、図２に示すように支持ピン６が支持面３ｂによって支持され、それ以上は下降しない。この支持ピン６によって長尺被焼成体１が持ち上げられ、端部１ｄがセッター１８から離れて上昇する。最終的には、図２に示すように、長尺セラミック焼結体１１が支持ピン３ｂによって支持され、セッター１８から浮上した状態で、焼成工程が終了する。
【００１５】
この焼結体１１の端部１１ｅには支持ピン６が挿通されている。円筒状の本体１１ａの内側面１１ｃ内には吊り部材３が挿通されている。また、焼結体１１の下端部１１ｄには封止部材１２が挿入されている。ここで、本例においては、筒状の長尺被焼成体が径方向にも収縮することから、焼結体１１の内部に封止部材１２が強く圧着され、焼き嵌めされる。この焼結体１１を支持ピンから取り外すと、図３（ａ）、（ｂ）に示す接合体１３が得られる。この接合体１３は、長尺セラミック焼結体１１と、この端部１１ｄ内に固定された封止部材１２とからなる。
【００１６】
焼成収縮の初期においては、長尺被焼成体１が台座１８にによって支持されているので、長尺被焼成体１は全体としてその下端部１ｄ側へと向かって矢印Ａのように収縮する。しかし、支持ピン６が下降して吊り部材３の支持面３ｂに到達すると、今度は長尺被焼成体１の全体が上端部１ｅから吊り下げられ、セッター１８から浮上する。この結果、長尺被焼成体１の全体が、上端部１ｅへと向かって矢印Ｂのように上方へと収縮する。このように、被焼成体１が矢印Ａのような下方への収縮と矢印Ｂのような上方への収縮との両方を経過するので、被焼成体１の収縮の度合いの不均一が少なくなり、この結果、曲がりが抑制されることを発見した。
【００１７】
本発明者は、図４に示すように、長尺被焼成体１をセッター１８上に載置し、被焼成体１内に吊り部材３Ａを挿入して焼成を行うことを検討した。しかし、この場合には、焼成後の長尺セラミック焼結体の曲がり量が大きくなり、あるいはそのバラツキが大きくなる傾向があった。この焼成方法では、被焼成体１がセッター１８上に載置されており、長尺被焼成体１が矢印Ａのように下方へと向かって収縮する。この際、被焼成体１の各部分での焼成収縮の進行にバラツキが生ずると、その焼成収縮量の偏差が拡大され、焼結体の曲がりとなって現れるものと考えられる。
【００１８】
本発明において、長尺被焼成体の長手方向に延びる細長い孔の個数は限定されない。好ましくは図１、図２に示すように孔４は一個である。しかし、図３（ｃ）に示すように、長尺被焼成体内に複数の孔４Ａ、４Ｂを設けることができる。なお、図３（ｃ）に示す接合体１３Ａは、複数の孔４Ａ、４Ｂを有する焼結体１１Ａと、各孔に固定された封止部材１２Ａ、１２Ｂとからなる。
【００１９】
細長い孔の長さと直径との比率は特に限定されない。また、長尺セラミック焼結体の長さと外径との比率も特に限定されない。また、長尺被焼成体の形態も特に限定されない。例えば図１に示すようなリング状突起１ｂは必ずしも必要ではなく、従って長尺被焼成体１が直管であってもよい。
【００２０】
長尺セラミック焼結体や封止部材を構成するセラミックスは特に限定されない。例えばアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、マグネシア、フェライト、コージェライト、イットリア等の希土類元素の酸化物等の酸化物系セラミックス；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、希土類元素のマンガナイト、希土類元素のクロマイト等の複合酸化物；窒化アルミニウム、窒化珪素，サイアロン等の窒化物系セラミックス；炭化珪素、炭化ホウ素、炭化タングステン等の炭化物系セラミックスを例示できる。
【００２１】
これらの中で高純度アルミナが特に好ましい。高純度アルミナの種類は限定されない。しかし、透光性アルミナが特に好ましい。透光性アルミナとは、可視光（６００（ｎｍ））領域で全光線透過率が８０％以上のアルミナである。透光性アルミナは、特に好ましくは、純度９９．９９％の高純度アルミナに、焼結中の粒径のコントロールのための添加剤を加えて原料とし、この原料を用いて機械的プレスやコールドアイソスタティックプレス、押出技術等によって成形体を作製し、この成形体を脱脂し、脱脂体を水素雰囲気中で、１７００〜１９００℃で焼成したものである。焼成体は均一な六方晶の粒子からなる。
【００２２】
本発明では、吊り部材を長尺被焼成体の孔内に挿入し、長尺被焼成体の上端部を吊り部材から吊り下げ、次いで長尺被焼成体を焼結させる。吊り部材は、焼成温度において実質的に収縮しない材質からなることが好ましい。金属としては、耐熱性金属または合金が好ましく、また還元雰囲気によって腐食されにくい金属が好ましい。例えばモリブデン、タングステン、タンタル等の耐熱性金属や、耐熱性金属の合金が好ましい。
【００２３】
吊り部材の形態も特に限定されない。しかし、長尺被焼成体の孔と適合する形態であることが好ましく、丸棒状、管状が好ましい。また、長尺被焼成体の内周面と吊り部材の外周面との間には、吊り部材の挿通を可能とする程度のクリアランスが必要である。この観点からは、長尺被焼成体の内周面と吊り部材の外周面との間のクリアランスを０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。クリアランスが大きくなると、吊り部材によって長尺被焼成体の曲がりを規制することが難しくなるので、クリアランスは１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
【００２４】
長尺被焼成体、封止部材の被焼成体は、焼成工程において密度が上昇するようなものであれば特に限定されないが、セラミック粉末の成形体（好ましくはホットプレス成形体やＨＩＰ成形体）、仮焼体、脱脂体であることが好ましい。焼結体の曲がりを低減するという観点からは、長尺被焼成体が仮焼体であることが特に好ましい。
【００２５】
長尺被焼成体の上端部を吊り部材から吊り下げる方法は特に限定されない。好ましくは、長尺被焼成体の上端部および吊り部材に支持具を貫通させ、この支持具を支持することによって、支持具から長尺被焼成体を垂下する。図１、図２は、この実施形態に係るものである。この支持方法によれば、他の支持方法と比べて、長尺被焼成体の外形に対する悪影響を生じないので特に好ましい。
【００２６】
こうした支持具の種類や外形は特に限定されない。好ましくは前述のように支持具がピン形状であるが、棒状、管状であってもよい。また、支持具の好適な材質は、前述した吊り部材の材質と同様である。
【００２７】
好適な実施形態においては、図１、図２に示すように、支持具６が吊り部材３に対して上下にスライド可能である。これによって、焼結の初期段階では支持具６が吊り部材３に対して下方にスライドし、次いで支持具６が支持面３ｂに接触した後で長尺被焼成体１のセッター１８からの浮上が始まる。
【００２８】
好適な実施形態においては、封止部材の被焼成体の密度が長尺被焼成体の密度よりも高い。
【００２９】
即ち、両者の密度が焼成前に同程度であると、焼成後の気密性を十分に高くすることができない。封止部材の被焼成体の密度を長尺被焼成体の密度よりも高くしておくと、焼成段階で、長尺被焼成体が封止部材被焼成体よりも大きく収縮する。この結果、長尺セラミック焼結体から封止部材へと圧力が加わり、両者の間の気密性が向上する。
【００３０】
この観点からは、封止部材の被焼成体のグリーン密度と長尺被焼成体のグリーン密度の差が０．０５ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、０．５０ｇ／ｃｍ^３以上が更に好ましい。
また、この観点からは、封止部材の被焼成体の相対密度と長尺被焼成体の相対密度との差が３％以上であることが好ましく、３０％以上が更に好ましい。また焼きバメ率が０．５％以上であることが好ましく、５％以上が更に好ましい。
焼きバメ率＝
｛（長尺焼結体の本体１ａ、１１ａの外径寸法―長尺焼結体の端部１ｄ、１１ｄの外径寸法）／長尺焼結体の本体１ａ、１１ａの外径寸法｝×１００％
【００３１】
好適な実施形態においては、長手方向に延びる細長い孔が設けられているセラミック長尺成形体を仮焼することによって長尺被焼成体を製造する。この際、特に好ましくは、細長い支持部材を長尺成形体の孔内に挿入し、支持部材の両端を長尺成形体から露出させ、支持部材の両端を水平に支持し、長尺成形体を仮焼する。
【００３２】
この実施形態について更に説明する。セラミック成形体を水平に保持して（横置き）仮焼した場合も、セラミック成形体を垂直に保持して（縦置き）仮焼した場合も、仮焼体にはかなりの曲がりが見られた。そこで、支持部材を成形体の孔内に挿入し、支持部材の両端を水平に保持して仮焼を行ったところ、仮焼体の曲がりが抑制され、曲がりのバラツキが小さくなった。
【００３３】
図５は、この実施形態に係るものであり、セラミック成形体２１の仮焼時の固定状態を示す。本例では、セッター１８上に支持突起１９が一対突出しており、一対の支持突起の各先端は水平に調整されている。セラミック成形体２１は、前述した長尺仮焼体１を製造する前の段階の成形体である。成形体２１の両端２１ｄ、２１ｅは開口しており、端部２１ｅ側の外周面にはリング状突起２１ｂが形成されている。円筒状の本体２１ａの内側には細長い丸棒状の支持部材２０が挿通されており、支持部材２０の両端が端部２１ｄ、２１ｅから露出している。そして、支持部材２０の両端が支持突起１９によって水平に支持されている。この状態で成形体２１を仮焼する。
【００３４】
この支持部材は、仮焼温度において実質的に曲がらず、収縮しない材質からなることが好ましく、高純度アルミナセラミックスが好ましい。
金属としては、耐熱性金属または合金が好ましく、また還元雰囲気によって腐食されにくい金属が好ましい。例えばモリブデン、タングステン、タンタル等の耐熱性金属や、耐熱性金属の合金が好ましい。
【００３５】
支持部材の形態も特に限定されない。しかし、長尺被焼成体の孔と適合する形態であることが好ましく、丸棒状、管状が好ましい。また、長尺成形体の内周面２１ｃと支持部材２０の外周面との間には、支持部材２０の挿通を可能とする程度のクリアランスが必要である。この観点からは、長尺成形体の内周面２１ｃと支持部材２０の外周面との間のクリアランスを０．３ｍｍとすることが好ましい。一方、クリアランスが大きくなると、支持部材によって長尺成形体の曲がりを規制することが難しくなるので、クリアランスは１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。
【００３６】
【実施例】
純度９９．９％の高純度アルミナ粉末をスプレードライヤーによって造粒した。この造粒粉末をコールドアイソスタティックプレス法によって成形し、図５に示す成形体２１と、封止部材の成形体（柱状）とを得た。この成形体２１を旋盤で加工した。成形体の外径は１５．３０ｍｍであり、内径は１２．６０ｍｍであり、肉厚は１．３５ｍｍ（焼成後１．０ｍｍ）である。この成形体２１を、図５に示すようにセットした。支持部材２０としては、直径１２．０ｍｍの純度９９．５％のアルミナ焼結体を使用した。仮焼温度１０００℃で３時間保持し仮焼し、仮焼体を得た。この結果、８本の仮焼体の曲がり量の平均値は０．１４ｍｍであった。
【００３７】
なお、曲がり量は以下のようにして測定する。
定盤の上に仮焼体を設置する。定盤の平坦面を基準面とし、シックネスゲージを用いて、チューブ状の仮焼体全体の最大曲がり値を測定する。
【００３８】
これに対して、成形体２１を一対の支持突起１９上に水平に載置した。支持部材２０は使用していない。そして上記と同様にして仮焼を実施した。この結果、８本の仮焼体の曲がり量の平均値は１．１９ｍｍであった。
【００３９】
上記のようにして曲がり量０．２ｍｍ以下の仮焼体１を準備した。そして、仮焼体１を、図１、図２を参照しつつ説明した方法に従って焼成した。ただし、吊り部材３としてはモリブデン製の丸棒を使用した。支持ピン５、６、７はモリブデン製である。仮焼体１の相対密度は２．００ｇ／ｃｍ^３とし、封止部材の仮焼体２の相対密度は２．３０ｇ／ｃｍ^３とした。仮焼体１の外径は１５．３０ｍｍであり、内径は１２．６０ｍｍであり、肉厚は１．３５ｍｍであり、長さは９３０ｍｍである。仮焼体１、２を水素雰囲気下で温度１８６０℃で３時間保持し、焼成した。この結果、８本の焼結体１１の曲がり量の平均値は０．３４ｍｍであった。
【００４０】
また、上記の仮焼体１を、図４を参照しつつ説明した方法に従って焼成した。ただし、吊り部材３Ａとしてはモリブデン製の丸棒を使用した。支持ピン５、７はモリブデン製である。仮焼体１の相対密度は２．００ｇ／ｃｍ^３とし、封止部材の仮焼体２の相対密度は２．３０ｇ／ｃｍ^３とした。仮焼体１の外径は１５．３０ｍｍであり、内径は１２．６０ｍｍであり、肉厚は１２．６０ｍｍであり、長さは９３０ｍｍである。仮焼体１、２を水素雰囲気下で温度１８６０℃で３時間保持し、焼成した。この結果、８本の焼結体１１の曲がり量の平均値は０．５５ｍｍであった。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺被焼成体を焼結させることによって長尺セラミック焼結体を製造する方法において、焼結体の曲がりを抑制でき、量産に適した方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法において、長尺被焼成体１をセッター１８上にセットした状態を概略的に示す断面図である。
【図２】長尺被焼成体１を焼成して得られた長尺セラミック焼結体１１、封止部材１２およびこれらをつり上げる吊り部材３を概略的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は、長尺セラミック焼結体１１と封止部材１２との接合体１３を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の接合体１３を下端部１１ｄから見た図であり、（ｃ）は、他の接合体１３Ａを端部側から見た図である。
【図４】比較例において、長尺被焼成体１をセッター１８上にセットした状態を概略的に示す断面図である。
【図５】セラミック成形体２１を仮焼する前の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１長尺被焼成体１ａ、１１ａ円筒状本体１ｂ、１１ｂリング状突起１ｃ、１１ｃ内壁面１ｄ、１１ｄ下端部１ｅ、１１ｅ上端部２封止部材の被焼成体
３吊り部材３ａ吊り部材の貫通孔３ｂ支持面
４、４Ａ、４Ｂ長尺被焼成体の孔５、６、７支持具９ヒーター１０炉内空間１１、１１Ａ長尺セラミック焼結体
１２、１２Ａ、１２Ｂ封止部材１３、１３Ａ接合体
１８、焼成用セッター１９、支持突起２０、支持部材
２１、セラミック成形体２１a、円筒状の本体２１b、リング状突起部
２１c、成形体内周面２１ｄ、２１ｅは成形体２１の開口
Ａ、Ｂ被焼成体の収縮の方向

Claims

長手方向に延びる細長い孔が設けられているセラミック長尺成形体を準備し、細長い支持部材を前記長尺成形体の前記孔内に挿入し、前記支持部材の両端を前記長尺成形体から露出させ、前記支持部材の前記両端を水平に支持し、前記長尺成形体の内壁面を前記支持部材に接触させつつ前記長尺成形体を支持した状態で前記長尺成形体を仮焼することによって、長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺被焼成体を得、
細長い吊り部材を支持ピンによって吊り下げ、この吊り部材を前記長尺被焼成体の前記孔内に挿入し、前記長尺被焼成体を焼結させることで前記長尺被焼成体を焼成収縮させ、前記長尺被焼成体の上端部を前記吊り部材によって吊り下げることを特徴とする、長尺セラミック焼結体の製造方法。
前記長尺被焼成体の前記上端部および前記吊り部材に支持具を貫通させることによって前記長尺被焼成体を前記支持具から吊り下げることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記支持具が前記吊り部材に対して上下に移動可能であることを特徴とする、請求項２記載の方法。
長尺セラミック焼結体の長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺セラミック焼結体と、前記長尺セラミック焼結体の端部に固定されている封止部材とを備えている接合体を製造する方法であって、
長手方向に延びる細長い孔が設けられている長尺被焼成体を準備し、細長い吊り部材を前記長尺被焼成体の前記孔内に挿入し、前記長尺被焼成体の下端部において前記長尺被焼成体の前記孔内に封止部材の被焼成体を挿入し、前記長尺被焼成体および前記封止部材の被焼成体を焼結させることで前記長尺被焼成体を焼成収縮させ、前記長尺被焼成体の上端部および前記吊り部材に支持具を貫通させることによって前記長尺被焼成体の前記上端部を吊り下げることを特徴とする、接合体の製造方法。
前記支持具が前記吊り部材に対して上下に移動可能であることを特徴とする、請求項４記載の方法。
長手方向に延びる細長い孔が設けられているセラミック長尺成形体を準備し、細長い支持部材を前記長尺成形体の前記孔内に挿入し、前記支持部材の両端を前記長尺成形体から露出させ、前記支持部材の前記両端を水平に支持し、前記長尺成形体を仮焼することによって前記長尺被焼成体を得ることを特徴とする、請求項４または５記載の方法。
前記封止部材の被焼成体の相対密度が前記長尺被焼成体の相対密度よりも高いことを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一つの請求項に記載の方法。