JP4986606B2

JP4986606B2 - 長尺中空状セラミック部材およびその製造方法

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Inventors: 義弘田邊; 一憲小島
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Filing date: 2006-12-25
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Description

本発明は、液晶および半導体の製造装置に用いられる大型の構造部品に関するものであり、特に大型化に当たって求められる長さ方向に垂直な方向の曲げ応力に対する強度が高く、加えて中空状とすることにより軽量化した長尺中空状セラミック部材およびその製造方法に関するものである。

近年、液晶および半導体の製造装置の大型化に伴い、これらの製造装置に用いるセラミックスからなる構造部品も大型化されてきている。この構造部品に用いられるセラミックスには、液晶および半導体の製造工程で用いられる薬品や腐食性ガスに対して良好な耐食性を有し、かつ適正な機械的強度を有していることが求められ、これらの特性を満足し、何より他のセラミックス材料と比較して安価であるアルミナ質セラミックスが多く利用されている。

そして、この構造部品の大型化によって重量が重くなって取り扱いが難しくなり、自重による変形も生じるようになっていることから、軽量化することが求められている。そのために、この構造部品の内部を空洞にして中空状とすることにより軽量化が図られている。

このような中空状の構造部品の製造方法としては、ＣＩＰ成形法（湿式静水圧プレス成形法）にてセラミック粉体の成形体を作製した後に、切削加工により製品形状に仕上げ、これを焼成して構造部品を得るという方法が用いられている。

しかしながら、ＣＩＰ成形法を用いて、大型で中空状の構造部品を製造しようとすれば、セラミック粉体の成形体を作製し、最終製品の形状を考慮した切削加工を行なう必要があるため、切削加工に多大な時間を要し、無駄になる原料が非常に多いという問題があった。加えて成形装置が巨大になり過ぎ、安全性やコストなどの観点から実用的な成形法ではなかった。

また、最終製品の形状に近い成形体が得られる成形法として鋳込み成形法があるが、原料に対して水などの溶媒の量が多いスラリーを使用して成形するために、得られた成形体を乾燥するのに時間がかかり、量産性に問題があった。

これら以外に、中空状の成形体を得る簡便な成形方法としては、押し出し成形法があり、絶縁碍子，管状セラミックヒーター，自動車排気ガス浄化装置に使用されるハニカムセラミックスの成形法として多用されている。この押し出し成形法は、セラミック原料とバインダと水などの溶媒とを加えて混合し混練することで、可塑性を持たせた坏土を作製し、この坏土を押出成形機に投入して、特定の出口形状を有する金型から押し出すことによって、成形体を連続的に成形することができるものであり、中空状の成形体の量産に好適に用いることができるものである。

しかしながら、構造部品に多く用いられているアルミナの結晶は板状であるため、大型の構造部品を押し出し成形法を用いて成形すると、成形体の表面と内部とで板状のアルミナの結晶の向き（配向）にバラツキが生じた成形体となる。そのため、この配向のバラツキを持った成形体を焼成して得られた焼結体は、収縮方向や収縮率がばらついてしまい、その結果、焼結体に亀裂や破損が生じたり、配向している部分とそうでない部分とに強度差が生じるという問題があった。

この問題に対し、特許文献１には、核となる柱状のセラミック粒子の表面に焼結助剤を被覆する工程と、その外側に上記柱状のセラミック粒子と同材質のセラミック原料を被覆する工程と、これを一定の方向に配向させつつ成形する工程と、得られた成形体を焼成することにより核となる柱状粒子を成長させる工程とからなる高密度柱状粒子配向セラミックスの製造方法が開示されている。この製造方法によれば、均一な大きさの柱状粒子が一定方向に緻密に並んでおり破壊靱性と曲げ強度が大きく、かつそれらのバラツキが小さいというものである。
特開平９−12372号公報特開平５−42519号公報（特願平３−223596号）

しかしながら、特許文献１に開示された高密度柱状粒子配向セラミックスの製造方法は、均一な大きさの柱状粒子が一定方向に緻密に並んでおり破壊靱性と曲げ強度が大きく、かつそれらのバラツキが小さい高密度柱状粒子配向セラミックスを得ることができることが記載されているものの、成形条件等が十分に開示されておらず、特許文献１において引用されている特願平３−223596号に開示された、図８に断面図で示す押圧操作時にピストン81とプランジャ82とを一体的に移動させる構造の従来の押し出し成形装置80を用いた成形方法では、テープ状のように薄肉の成形体は得ることができたとしても、このような構造の従来の押し出し成形装置で肉厚の成形体を得ようとすれば、成形体の内部では依然として配向の度合いが減少するため、一定の方向に高度に配向させることは難しかった。

さらに、近年求められている構造部品の形状が、大型化および大型化に伴う軽量化のため肉厚の長尺中空状となっており、この特許文献１において引用されている成形方法では、このような肉厚の長尺中空状の成形体を得ること自体が難しく、成形体を得ることができて焼成することにより焼結体を得ることができたとしても、得られた焼結体は長さ方向に垂直な方向の曲げ応力に対する強度が不足するおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、長さ方向でアルミナの結晶が高い配向性を持ち、長さ方向の強度が高く、中空状とすることにより軽量化した長尺中空状セラミック部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の長尺中空状セラミック部材は、アルミナ質焼結体からなる、肉厚が５ｍｍ以上30ｍｍ以下、長さが0.5ｍ以上の長尺中空状セラミック部材であって、該長尺中空状セラミック部材の内部において長さ方向に平行な面に対するＸ線回折法の測定により得られたミラー指数表示の（006）面のピーク強度をＩ_００６、（300）面のピーク強度をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100が７以上であることを特徴とするものである。

また、本発明の長尺中空状セラミック部材は、上記構成において、前記アルミナ質焼結体のアルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均粒子径が５μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とするものである。

さらに、本発明の長尺中空状セラミック部材の製造方法は、上記いずれかの構成の長尺中空状セラミック部材の製造方法であって、アルミナ原料を主としたセラミック材料、バインダ、および溶媒を混合して、粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下の坏土とし、この坏土を、複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部と長尺中空状成形体を得るための坏土剪断部とを有するスクリュー式の押出成形機を用いて押し出し成形し、得られた長尺中空状成形体を焼成することを特徴とするものである。

本発明の長尺中空状セラミック部材によれば、アルミナ質焼結体からなり、肉厚が５ｍｍ以上30ｍｍ以下、長さが0.5ｍ以上の長尺中空状セラミック部材であって、該長尺中空状セラミック部材の内部において長さ方向に平行な面に対するＸ線回折法の測定により得られたミラー指数表示の（006）面のピーク強度をＩ_００６、（300）面のピーク強度をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100が７以上であることにより、長尺中空状セラミック部材の表面から内部にわたり、長さ方向と平行に板状のアルミナの結晶が配向しているので、長さ方向に垂直な方向の曲げ応力に対する強度が高く、かつ形状を中空状とすることにより軽量化した長尺中空状セラミック部材とすることができる。

また、本発明の長尺中空状セラミック部材によれば、アルミナ質焼結体のアルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均粒子径が５μｍ以上８μｍ以下であるときには、アルミナ結晶の粒成長が十分に進み、個々のアルミナ結晶の持つ強度のバラツキが小さいので、長さ方向に垂直な方向の曲げ応力に対する強度をさらに高め、かつ強度のバラツキの小さい長尺中空状セラミック部材とすることができる。

さらに、本発明の長尺中空状セラミック部材の製造方法によれば、アルミナ原料を主としたセラミック材料、バインダおよび溶媒を混合して、粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下の坏土と高い粘度にすることにより、成形圧力により付与される剪断力がアルミナ結晶の配向を促進することができる。そして、この坏土を、複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部と長尺中空状成形体を得るための坏土剪断部とを有するスクリュー式の押出成形機を用いて押し出し成形することにより、長尺中空状セラミック部材の内部までアルミナ結晶を配向させるための剪断力を付与することができるので、肉厚品であっても内部までアルミナ結晶を長さ方向と平行に配向させることが可能となる。さらに、得られた長尺中空状成形体を焼成することにより、長尺中空状セラミック部材の表面から内部にわたり、長さ方向と平行に板状のアルミナ結晶が配向しているので、長さ方向に垂直な方向の曲げ応力に対する強度が高く、かつ中空であるために軽量な長尺中空状セラミック部材とすることができる。

以下、本発明の長尺中空状セラミック部材の実施の形態の例について説明する。

図１は本発明の長尺中空状セラミック部材の実施の形態の一例を示す部分破断斜視図であり、図２は実施の形態の他の例を示す部分破断斜視図である。なお、共通の部位を表す場合は同じ参照符号を用いて示す。

図１，２に示す本発明の長尺中空状セラミック部材１，２は、アルミナ質焼結体からなり、肉厚12が５ｍｍ以上30ｍｍ以下、長さ13が0.5ｍ以上で中空部11を有している。また、図２に示す長尺中空状セラミック部材２は、中空部11の間に支持壁14が設けてあり、長さ方向の強度をさらに高めたものとしている。

なお、図１，２ともに、長尺中空状セラミック部材１，２の長さ方向の一部を破断して表している。

ここでアルミナ質焼結体を用いるのは、液晶および半導体の製造工程で用いられる薬品や腐食性ガスに対して良好な耐食性を有し、かつ適正な機械的強度をも有しており、何より他のセラミック材料と比較して安価だからである。

また、本発明の長尺中空状セラミック部材１，２は、構造部品の大型化に求められる、長尺で強度が高く、かつ軽量であることに応えるために、長さが0.5ｍ以上で中空部11を有し、強度を保つための肉厚12が５ｍｍ以上30ｍｍ以下の形状としている。

そして、本発明は、この長尺中空状セラミック部材１，２の内部において長さ方向に平行な面に対するＸ線回折法の測定により得られたミラー指数表示の（006）面のピーク強度をＩ_００６、（300）面のピーク強度をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100が７以上であることを特徴としている。

本発明者らは、構造部品の大型化にともない、これに用いるアルミナ質焼結体からなる長尺中空状セラミック部材に特に要求される長さ方向に垂直な方向の曲げ応力に対する強度（以下、単に長さ方向の強度と記載する。）を向上させるには、長尺中空状セラミック部材の表面から内部にわたり、板状のアルミナ結晶の配向を長さ方向と平行にすることが有効であることを知見し、本発明においてはこの結晶の配向を示すＸ線回折法により得られたミラー指数表示の（006）面のピーク強度をＩ_００６、（300）面のピーク強度をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値を７以上とすることによって高い長さ方向の強度が得られることを見出したのである。

なお、本発明の長尺中空状セラミック部材における長さ方向とは、長尺中空状セラミック部材１，２の長辺の方向のことである。

次に、この長尺中空状セラミック部材１の内部において長さ方向に平行な面に対するＸ線回折法の測定方法について説明する。

図３は、図１に示す本発明の長尺中空状セラミック部材１におけるＳ部の拡大図である。

Ｘ線回折法による測定方法としては、図３のＳ部の拡大図に示す長尺中空状セラミック部材１の表面から内部において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を切り出し、Ｘ線回折用の試験片15を作製する。そして、試験片15の長さ方向に平行な面を測定面とし、Ｘ線回折法により、入射Ｘ線16を当てて、回折角（２θ）に応じた回折Ｘ線17の強度を測定し、得られたピーク強度から、どの方向にアルミナ結晶粒子が配向しているかを確認することができる。

また、図４は、本発明の長尺中空状セラミック部材１におけるアルミナの結晶構造を示す概略図である。本発明の長尺中空状セラミック部材１におけるアルミナの結晶構造は、図４に示すような六方晶の結晶構造をとり、板状の自形を有し、結晶面を形成している。

このような結晶面は、ミラー指数にて表されるが、このミラー指数は、結晶面がａ軸，ｂ軸，ｃ軸のどの軸に交わるかを（006）というふうに丸括弧の中の３つの整数で表示し、左はａ軸，中はｂ軸，右はｃ軸にそれぞれ対応している。したがって、（006）はｃ軸に交わる面、（300）はａ軸と交わる面に結晶が配向していることを表しており、結晶面の交わる軸の異なる（006）面と（300）面とを確認することにより、焼結体中の結晶配向性を確認できる。

そして、長尺中空状セラミック部材１の表面から内部において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を切り出して作製した試験片15に入射Ｘ線16を当てて、回折角（２θ）に応じた回折Ｘ線17の強度を測定する。

図５は、本発明の長尺中空状セラミック部材１のＸ線回折法によるピーク強度の一例を示すＸ線回折チャートである。図５のチャートにおいて縦軸はピーク強度を示し、横軸は回折角度を示している。このようなＸ線回折チャートから、本発明の長尺中空状セラミック部材１の内部において、長さ方向に平行な面に対するＸ線回折法の測定により得られたミラー指数表示の（006）面のピーク強度18をＩ_００６、（300）面のピーク強度19をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値が７以上であることを算出することができ、長尺中空状セラミック部材１の表面から内部にわたり、長さ方向と平行に板状のアルミナの結晶が配向していると、長さ方向の強度が高められるのである。

図６は、長尺中空状セラミック部材のＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値と４点曲げ強度との関係を示すグラフである。

Ｘ線回折法と同様に長尺中空状セラミック部材１の表面から内部において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を切り出し、ＪＩＳＲ 1601−1995に準拠した抗折試験片を作製して４点曲げ強度を測定し、Ｘ線回折の測定結果より算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値と４点曲げ強度の測定結果とを対比させている。なお、４点曲げ強度はＪＩＳＲ 1601−1995に準拠して抗折試験片を５本ずつ作製し、４点曲げ強度試験を行なって、これら５本の抗折試験片の４点曲げ強度の平均値を平均強度として測定値としたものである。

この図６に示すＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値と４点曲げ強度の測定結果との関係から、Ｉ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値が７以上であることにより、長さ方向の強度が高い長尺中空状セラミック部材１を提供することができることがわかる。

なお、本発明の長尺中空状セラミック部材の一例を図１，２で示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲であれば、例えば円筒状などへの形状の改良や変更を加えることができることは言うまでもない。

さらに、本発明の長尺中空状セラミック部材１は、アルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均粒子径が５μｍ以上８μｍ以下であることが好適である。

なお、このとき用いるアルミナ原料の平均粒子径は１μｍ以上３μｍ以下のものが好ましく、1550℃以上1650℃以下の焼成温度で焼成することが好ましい。

ここで、アルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均粒子径を５μｍ以上８μｍ以下の範囲とするのは、５μｍ未満の場合は、アルミナ結晶の粒成長が不十分で気孔率が多いことから強度が低くなり、一方、８μｍを超える場合は、粒成長して粒子径が極端に大きくなった粗大粒子が含まれる可能性が高くなり、それが欠陥となって強度が低下したり、強度のバラツキが大きくなるからである。

そのため、本発明の長尺中空状セラミック部材１のアルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均結晶粒径を５μｍ以上８μｍ以下の範囲とすることにより、アルミナ結晶の粒成長が十分に進み緻密化し、個々のアルミナ結晶の持つ強度のバラツキが小さいので、長さ方向の強度をさらに高めた長尺中空状セラミック部材１を提供することができる。
そして、平均粒子径の測定方法としては、Ｘ線回折法と同様に長尺中空状セラミック部材１の表面から内部において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を切り出して作製した試験片を用意し、さらに観察面を化学的または熱処理してエッチング処理を行なってアルミナ結晶の粒界組成を除去した後、200倍から1000倍の倍率にて走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真を撮影し、その写真像から任意に10個の粒子を選択し、各々の粒子の最大長を粒子径として10個の粒子の測定値の平均を平均粒子径としている。

次に、本発明の長尺中空状セラミック部材１の製造方法について説明する。

図７は、本発明の長尺中空状セラミック部材を得るための押出成形機の実施の形態の一例を示す概略断面図である。

図７に示すスクリュー式の押出成形機70は、坏土投入口72および坏土を混練するパッグスクリュー73を有するパッグミル部71と、真空引きして坏土中の気泡を排出する真空室74と、坏土を押し出すオーガスクリュー76を有するオーガ部75と、坏土を分断する複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部78および坏土剪断部79を備えて坏土を特定形状に成形する押し出し金型部77とから構成されている。

また、不図示であるが、パッグスクリュー73およびオーガスクリュー76は、それぞれ片方を軸受けに接続固定され、動力源に接続されている。さらに、真空室74にはその内部を真空引きするための不図示の真空ポンプが接続されている。

この押出成形機70を用いる本発明の長尺中空状セラミック部材１の製造方法は、アルミナ原料を主としたセラミック材料、バインダおよび溶媒を混合して、粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下の坏土とし、この坏土を、複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部78と長尺中空状成形体を得るための坏土剪断部79とを有するスクリュー式の押出成形機70を用いて押し出し成形し、得られた長尺中空状成形体を焼成することを特徴としている。

長尺中空状セラミック部材の長さ方向の強度を高めるには、押し出し成形法を用いて板状のアルミナ結晶の配向を長さ方向と平行にすることが有効であり、それには押し出し成形に用いる坏土に均一に強い剪断力を付与する必要がある。そのため、粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下の坏土とし、押し出し成形において加わる成形圧力が坏土に負荷されて成形体の内部にわたり板状のアルミナ結晶の配向を促進する複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部78と坏土剪断部79とにより、坏土内部のアルミナ結晶にまで配向させるための剪断力を加えることによって、長さ方向の強度を高めた長尺中空状セラミック部材を得ることができるのである。

ここで、本発明の長尺中空状セラミック部材１の製造方法の詳細について説明する。

まず、アルミナ原料は、工業製品として多く利用されている市販のα−アルミナ原料で純度が99.5％以上，平均粒子径が１μｍ以上３μｍ以下のものが好ましく、さらにソーダ成分（Ｎａ_２Ｏ）が0.1質量％以下のものであれば、焼成した際にソーダ成分（Ｎａ_２Ｏ）が飛散して焼成炉内を汚染する心配が少なくて、なお好ましい。なお、このアルミナ原料の平均粒子径とは、レーザ回折式粒度分布測定法により測定された50％粒子径Ｄ_５０を表す。また、焼結助剤としては例えばマグネシア（ＭｇＯ），シリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ）などを用い、アルミナ質焼結体のアルミナの純度が95質量％以上になるように焼結助剤の総量を５質量％未満にするのが、焼結体の剛性を高める上でよい。なお、予めアルミナ原料と焼結助剤とは水などの溶媒と混合してスラリー状にし、それを噴霧乾燥法（スプレードライ）により顆粒に造粒したものを用いても何ら差し支えない。

バインダとしては、一般に押し出し成形用の坏土に用いられるメチルセルロース（ＭＣ），カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ），ヒドロキシプロピルセルロ−ス（ＨＰＣ），ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）などを用い、バインダの添加総量はアルミナ原料と焼結助剤とを含むセラミック材料100質量部に対して固形分で２質量部以上８質量部以下を添加すれば、押し出し成形時の流動性や成形体の保形性が高くてよい。さらに、潤滑剤として、ワックス，グリセリン，ステアリン酸などを固形分で１質量部以上８質量部以下にて適宜添加してもよい。また、溶媒としては水が好適であり、特にイオン交換水が不純物の量が少ないため好ましく、次工程の混練で坏土の粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下になるようにセラミック材料100質量部に対して例えば10質量部以上20質量部以下で調整して添加するとよい。

そして、アルミナ原料を主とした焼結助剤を含むセラミック材料，バインダおよび溶媒を秤量して混合して、万能混合機や３本ロールなどを用いて混練する。この混練により、アルミナ原料および焼結助剤からなるセラミック材料の表面をバインダや溶媒が均一に包み込んで、可塑性を持った坏土となる。この坏土の粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下にすることにより、押し出し成形において加わる成形圧力が坏土に負荷されて、成形体の内部にわたり板状のアルミナ結晶の配向を促進することができる。なお、この坏土の粘度の測定は、定荷重押し出し型レオメータ（株式会社島津製作所製島津フローテスタＣＦＴ−500Ｃ）を用いた流動特性評価法により測定することができる。

この坏土の粘度が15000Ｐａ・ｓ未満であれば、成形はできるが、加わる成形圧力が低いため、成形体の内部にわたり板状のアルミナ結晶の配向を促進するほどの十分な剪断力が坏土に負荷されず、成形体の内部にまでアルミナ結晶の配向が進まない。また、粘度が22000Ｐａ・ｓより大きいと、押し出し成形に必要な圧力が押出成形機70の成形圧力を超えて成形ができなかったり、成形速度が非常に遅くなるため、押出成形機70に掛かる負担や生産効率を考慮すると不適である。なお、汎用ＮＧＫ式硬度計によると、上記範囲の粘度を持つ坏土は11以上14以下の硬度となり、本発明に係る坏土は、一般の押し出し成形用坏土の硬度９〜11と比較して高い。

次いで、この坏土を押出成形機70の坏土投入口72より投入する。投入された坏土は、パッグスクリュー73の回転によって混練され、パッグスクリュー73とパッグミル部71の内壁との隙間を通って、真空室74へと押し出される。真空室74へと押し出された成形原料は、真空室74に接続された真空ポンプによって内部の気泡が排出される。その後、オーガスクリュー76の回転により、オーガスクリュー76とオーガ部75との隙間を通って押し出し金型部77の方向へと押し出される。

そして、オーガ部75から押し出された坏土は、複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部78により、複数の坏土に分断され坏土内部のアルミナ結晶にまで配向させるための剪断力を加える。そして、坏土整流部78を通過して分断された坏土は再び集結し、オーガスクリュー76の軸方向に対して５°〜30°の傾斜を設けた坏土剪断部79によりさらに剪断力が付与され、押し出されることにより長尺中空状成形体を得ることができる。なお、坏土整流部78の整流はねにより分割する坏土の数が多いと坏土に対する押し出し抵抗が大きくなるため、坏土を４分割以上８分割以下とする整流はねが好ましい。

次に、上記の押し出し成形により得られた長尺中空状成形体を乾燥機に入れ、大気雰囲気にて室温付近の20℃から徐々に80℃付近まで昇温して乾燥させる。その後、アルミナ原料の純度や焼結助剤の種類に応じて、大気雰囲気の焼成炉を用いて1550℃以上1650℃以下の焼成温度で焼成を行なう。

最後に、得られた焼結体を所望の寸法となるように仕上げ加工を施すことにより、長尺中空状セラミック部材１を得る。

以上のような製造方法により、アルミナ原料を主としたセラミック材料，バインダおよび溶媒を混合して、粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下の坏土と高い粘度にすることにより、成形圧力により付与される剪断力がアルミナ結晶の配向を促進し、この坏土を、複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部78と長尺中空状成形体を得るための坏土剪断部79とを有するスクリュー式の押出成形機70を用いて押し出し成形することにより、長尺中空状セラミック部材１の内部までアルミナ結晶を配向させるための剪断力を付与し、肉厚品であっても内部までアルミナ結晶を配向させることが可能となる。さらに、得られた長尺中空状成形体を焼成することにより、長尺中空状セラミック部材１の表面から内部にわたり、長さ方向と平行に板状のアルミナ結晶が配向しているので、長さ方向の強度が高く、かつ中空であるために軽量な長尺中空状セラミック部材１を提供することができる。

以下、本発明の実施例を示す。

まず、アルミナ原料の純度が99.8％、ソーダ成分（Ｎａ_２Ｏ）が0.05質量％の低ソーダのα−アルミナ原料を96質量％と、マグネシア，カルシア，シリカを含む焼結助剤の総量が４質量％とを混合し、この混合したセラミック材料100質量部に対し、表１に示す量のバインダと潤滑剤とイオン交換水とを秤量して混合し、さらに３本ロールにて混練して、押し出し成形用の坏土とした。以上、坏土組成を表１にまとめて示す。

（実施例１）
次に、これらの坏土Ｎｏ．Ａ〜Ｇを用いて、図７に示す押出成形機70により押し出し成形を行ない、さらにこの成形体を乾燥して1600℃で焼成した後、仕上げ加工を施し、図１に示す長尺中空状セラミック部材１（寸法：肉厚12が10ｍｍ，長さ13が１ｍ，幅が65ｍｍ，高さが65ｍｍ）を作製した。なお、各試料の坏土の粘度は、定荷重押し出し型レオメータ（株式会社島津製作所製島津フローテスタＣＦＴ−500Ｃ）を用いて測定した。また、金型部77の条件は、坏土整流部78に坏土を４分割する放射状の整流はねの有無と、オーガスクリュー76の軸方向に対する坏土剪断部79の傾斜を20°と急傾斜の45°とした。

そして、得られた各長尺中空状セラミック部材１から、表面から内部において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を肉厚12に対して表面から５ｍｍの深さで切り出し、図３に示すようなＸ線回折用の試験片15を作製した。各試料から切り出した試験片15をＸ線回折法により測定し、得られたミラー指数表示の（006）面のピーク強度18をＩ_００６、（300）面のピーク強度19をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値から、長尺中空状セラミック部材１の内部において長さ方向に平行な面におけるアルミナ結晶の配向性を調べた。

また、Ｘ線回折法と同様に試料Ｎｏ．１〜10の長尺中空状セラミック部材１の表面から５ｍｍの位置において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を切り出し、ＪＩＳＲ 1601−1995に準拠した抗折試験片を５本作製し、曲げ強度試験を行なって、これら５本の抗折試験片の強度の平均値を平均強度として測定値とした。

以上、各試料の測定結果および測定条件を表２にまとめて示す。

なお、表２におけるＸ線回折とは、各試料のＸ線回折法により測定したピーク強度から算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値であり、Ｉ_００６はミラー指数表示の（006）面のピーク強度18を、Ｉ_３００は（300）面のピーク強度19を表し、曲げ強度とは、４点曲げ強度を示したものである。

その結果、試料Ｎｏ．１，２は、坏土の粘度が22000Ｐａ・ｓより大きく、試料Ｎｏ．７は、坏土剪断部79のオーガスクリュー76の軸方向に対する傾斜が45°と急であるために、押出成形機１の成形圧力が不足し成形体を得ることができなかった。また、試料Ｎｏ．６，８は、４分割構造の放射状の整流はねを備えた坏土整流部78がなく、試料Ｎｏ．10は、坏土の粘度が15000未満であることから、長尺中空状セラミック部材１の内部までアルミナ結晶を配向させるための剪断力が付与されず、Ｘ線回折法により測定したピーク強度から算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値が７以上とならず、４点曲げ強度の値すなわち長さ方向の強度が低かった。

これに対し、坏土の粘度が15000Ｐａ・ｓ以上22000Ｐａ・ｓ以下の範囲内である試料Ｎｏ．３〜５，９は、長尺中空状セラミック部材１の内部においてＸ線回折法により測定したピーク強度から算出Ｉ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値が７以上であり、４点曲げ強度が375ＭＰａ以上であり、長さ方向の強度が高かった。

（実施例２）
次に、表１の坏土Ｎｏ．Ｅを焼成温度1540℃〜1700℃にて焼成した長尺中空状セラミック部材１を作製し、アルミナ結晶の平均粒子径と４点曲げ強度の比較を行なった。なお、平均粒子径の測定方法としては、Ｘ線回折法と同様に長尺中空状セラミック部材１の表面から５ｍｍの位置において長さ方向に平行な面を含むアルミナ質焼結体を切り出して作製した試験片を用意し、さらに観察面を化学的または熱処理してエッチング処理を行なってアルミナ結晶の粒界組成を除去した後、200倍から1000倍の倍率にて走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真を撮影し、その写真像から任意に10個の粒子を選択し、各々の粒子の最大長を粒子径として10個の粒子の測定値の平均を平均粒子径とした。

表３は、各焼成温度にて作製した長尺中空状セラミック部材１におけるアルミナ結晶の平均粒子径と４点曲げ強度の測定結果とを示したものである。

その結果、アルミナ質焼結体のアルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均粒子径が５μｍ以上８μｍ以下であることにより、長さ方向の強度がさらに高くなり、好適である。

このように本発明の製造方法を用いて作製された長尺中空状セラミック部材１は、長さ方向でアルミナの結晶が高い配向性を持つことにより長さ方向の強度が高く、中空状とすることにより軽量化が図れたので、構造部品の大型化の要求に応えることのできる長尺中空状セラミック部材１であることが確認できた。

本発明の長尺中空状セラミック部材の実施の形態の一例を示す部分破断斜視図である。本発明の長尺中空状セラミック部材の実施の形態の他の例を示す部分破断斜視図である。図１に示す本発明の長尺中空状セラミック部材におけるＳ部の拡大図である。本発明の長尺中空状セラミック部材のアルミナの結晶構造を示す概略図である。本発明の長尺中空状セラミック部材のＸ線回折法によるピーク強度の一例を示すＸ線回折チャートである。長尺中空状セラミック部材のＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×100の値と４点曲げ強度との関係を示すグラフである。本発明の長尺中空状セラミック部材を得るための押出成形機の実施の形態の一例を示す概略断面図である。従来の押し出し成形装置の概略断面図である。

符号の説明

１：長尺中空状セラミック部材
２：長尺中空状セラミック部材（支持壁有り）
11：中空部
12：肉厚
13：長さ
14：支持壁
15：試験片
16：入射Ｘ線
17：回折Ｘ線
18：（006）面のピーク強度
19：（300）面のピーク強度

Claims

アルミナ質焼結体からなる、肉厚が５ｍｍ以上３０ｍｍ以下、長さが０．５ｍ以上の長尺中空状セラミック部材であって、該長尺中空状セラミック部材の内部において長さ方向に平行な面に対するＸ線回折法の測定により得られたミラー指数表示の（００６）面のピーク強度をＩ_００６、（３００）面のピーク強度をＩ_３００として算出したＩ_００６／（Ｉ_００６＋Ｉ_３００）×１００が７以上であることを特徴とする長尺中空状セラミック部材。
前記アルミナ質焼結体のアルミナ結晶の長さ方向に平行な面における平均粒子径が５μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の長尺中空状セラミック部材。
請求項１または２に記載の長尺中空状セラミック部材の製造方法であって、アルミナ原料を主としたセラミック材料，バインダおよび溶媒を混合して、粘度が１５０００Ｐａ・ｓ以上２２０００Ｐａ・ｓ以下の坏土とし、この坏土を、複数の整流はねを放射状に備えた坏土整流部と長尺中空状成形体を得るための坏土剪断部とを有するスクリュー式の押出成形機を用いて押し出し成形し、得られた長尺中空状成形体を焼成することを特徴とする長尺中空状セラミック部材の製造方法。