JP5486345B2 - セラミックス焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックスの未焼結の成形体同士を突き合わせて接合体とした後に、焼結して一体化させるセラミックス焼結体の製造方法に関する。

従来、セラミックスの接合技術が提案されてきたが、近年の液晶パネルの大型化に伴い、それを製造する装置に用いられるセラミックス部品も大型化してきており、大型化に適用可能な接合技術が注目されている。接合技術を用いれば、大型であっても中空構造にできるので軽量化することも可能である。接合技術としては、次のようなものが開示されている。

例えば、特許文献１には、セラミック部材の生成形体を複数形成し、この複数の生成形体を、生成形体と同一原料から成る泥漿物で接着し、その後前記複数の生成形体を焼結させるセラミック部材の接合方法において、前記複数の生成形体に水を含浸させた後、この生成形体と同一原料から成る泥漿物で接着することを特徴とするセラミック部材の接合方法が開示されている。

また、特許文献２には、セラミックス成形体同士の接合面を、バインダの水溶液等と接触させて湿潤化し、湿潤状態の接合面に、接合剤として上記セラミックス成形体の構成粉末と同じ組成の粉末を含有する泥漿を塗布して接合面同士を密着させ、乾燥した後、冷間静水加圧プレス処理に付し、ついで焼結処理するセラミックスの接合方法が開示されている。

特開平０６−１９１９５９号公報 特開平０５−２５４９４７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された発明では、接合面に隙間ができ、接合強度が著しく低下する場合があった。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、未焼結のセラミックス成形体の接合体を焼結一体化する方法において、接合部に隙間を有しないセラミックス焼結体の製造方法を提供するものである。

本発明は、これらの問題を解決するため、以下に示す（１）〜（６）の発明を提供する。

（１）２以上のセラミックス成形体同士を焼結して一体化したセラミックス焼結体の製造方法であって、吸水性材料からなる底部及び非吸水性材料からなる側壁部を備える成形型にセラミックス粉末を分散させた泥漿を注型し、前記吸水性材料の吸水とともにセラミックス粉末を着肉させる鋳込み成形により前記セラミックス成形体を得る工程と、鋳込み成形により得た前記セラミックス成形体を乾燥させる工程と、前記セラミックス成形体の接合面を平滑化する工程と、平滑化された接合面を有する前記セラミックス成形体を湿潤する工程と、前記セラミックス成形体に含まれるセラミックス粉末と同一のセラミックス粉末を含む泥漿を介して接合面同士を突き合わせて未焼結接合体を得る工程と、前記未焼結接合体を焼結して一体化する工程とを含み、前記セラミックス成形体の接合面同士を突き合わせる際に、２以上のセラミックス成形体について、鋳込み成形時にセラミックス粉末が泥漿中の溶媒の流れに従い着肉する着肉方向に垂直な面同士、または着肉方向に平行な面同士を突き合わせることを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。本発明では、鋳込み成形により得られたセラミックス成形体について乾燥した後に接合面を平滑化し、その後、セラミックス成形体の表面を湿潤したうえで泥漿を接触させて突き合わせる。セラミックス成形体の鋳込み成形時の着肉方向を揃えることで接合部に隙間のないセラミックス焼結体を得ることができる。

（２）前記セラミックス成形体の接合面を平滑化する工程において、接合面の表面粗さＲａを０．１〜２．０μｍとするセラミックス焼結体の製造方法。乾燥を経たセラミックス成形体について加工を行って接合面の表面粗さＲａを所定範囲とし、再び成形体を湿潤させる各行程を経ることにより、接合部に隙間のないセラミックス焼結体を得ることができる。

（３）前記セラミックス成形体を鋳込み成形により得た後に乾燥させる行程において、セラミックス成形体の含水率を１０．３体積％以下に調整するセラミックス焼結体の製造方法。セラミックス成形体の加工前にその含水率を調整することで、本発明の接合に適した接合面が得られるような加工が可能となるセラミックス成形体とすることができる。

（４）平滑化された接合面を有する前記セラミックス成形体を湿潤する工程は、前記セラミックス成形体を水中に浸漬するセラミックス焼結体の製造方法。平滑化の加工では、セラミックス成形体の表面乾燥が著しいことから、再びセラミックス成形体を湿潤させる必要がある。成形体の水中への浸漬は、セラミックス成形体の少なくとも接合面を水中に浸漬させることが好ましい。このように、加工前の乾燥により加工に適した成形体とし、その後所定の接合面が得られるように含水率の調整と加工工程とを組み合わせることにより、接合部に隙間のないセラミックス焼結体を得ることができる。

未焼結のセラミックス成形体の接合体を焼結一体化する方法において、接合部に隙間のないセラミックス焼結体を得ることができる。

セラミックス成形体の製造方法の概略図である。 実験１に用いたセラミックス成形体の組合せを示す概略図である。 試験Ｎｏ．１試料の接合部中央部の切断面の顕微鏡写真である。 試験Ｎｏ．１試料の接合部端部の切断面の顕微鏡写真である。 試験Ｎｏ．８試料の接合部中央部の切断面の顕微鏡写真である。 試験Ｎｏ．８試料の接合部端部の切断面の顕微鏡写真である。

以下、発明をより詳細に説明する。本発明は、２以上のセラミックス成形体同士を焼結して一体化したセラミックス焼結体の製造方法である。このような接合技術によれば、大型化が可能であり、中空構造にできるので軽量化することも可能である。

セラミックス成形体は、鋳込み成形により得られたものを用いることが好ましい。水を媒体とした鋳込み成形による成形体を用いることで水分の制御が可能となり、接合部に隙間のないセラミックス焼結体を得ることができる。

接合面を加工する前のセラミックス成形体の乾燥は、例えば、恒温恒湿環境下に置くことにより行うことができる。恒温恒湿環境は特に限定されず、セラミックス成形体に割れ等の不具合が生じない範囲で乾燥させる等、種々適用できる。

セラミックス成形体の乾燥において、含水率を１０．３体積％以下に調整した後、セラミックス成形体の接合面を平滑化する加工を施すことが好ましい。セラミックス成形体の含水率を上記範囲とすることにより、接合面を平滑化する加工が容易になる。また、接合面の表面粗さＲａの調整が可能となる。含水率が多くなると、接合に適した接合面が得られなくなり、接合部に隙間が生じ易くなる。また、セラミックス成形体の加工性は、セラミックス成形体の含水率によって変化する。本発明では、セラミックス成形体の含水率の範囲は、０．３〜１０．３体積％とすることがより好ましい。このように、平滑化加工前の含水率の調整と、加工後の成形体の湿潤を行うことで接合部に隙間のないセラミックス焼結体を得ることができる。

焼結体原料のセラミックス粉末としては、アルミナ、マグネシア、スピネル、ジルコニア、イットリア等の酸化物、炭化珪素、炭化チタン等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物等種々のセラミックスが適用できる。これらを複数用いた混合物、または必要に応じて焼結助剤等の上記以外の成分を含ませることも可能である。これらは市販のセラミックス粉末を用いることができる。セラミックス粉末の平均粒径（レーザー回折式粒度分布測定によるＤ５０）は、０．１〜２．０μｍのものを用いることが好ましい。

成形に用いられるバインダも特に限定されず、ポリビニルアルコールやアクリルエマルション等が使用できる。接合面に水分を含ませる際には、また、分散剤としては、ポリカルボン酸アンモニウム等の公知のものを使用できる。

セラミックス成形体に含まれるバインダ量は、セラミックス粉末１００体積％に対して３．８〜２３．１体積％の範囲とすることができる。バインダ量がこの範囲であれば、接合に好適なセラミックス成形体とすることができる。分散剤量は、泥漿の粘度が小さくなるように適宜調整される。

前記セラミックス成形体の接合面を平滑化する加工は、フライス盤、マシニング加工機など汎用の加工機により行うことができる。このとき、接合面の表面粗さＲａを０．１〜２．０μｍとすることが好ましく、０．１〜０．８μｍとすることがより好ましい。上記のように加工前のセラミックス成形体の水分量を調整した後に、加工を行うことによって接合に適した接合面を形成することができる。

接合面を平滑化する加工を行った後、セラミックス成形体を湿潤する。成形体の湿潤は、成形体の表面に水をスプレーしたり、水中に浸漬したりする方法を用いることができる。なかでも水中に浸漬することが最も好ましい。浸漬は、少なくとも接合面が水中に浸かるようにし、好ましくはセラミックス成形体の全体が水中に浸漬するようにする。セラミックス成形体ごと水中に浸漬することで、接合面全体または表面全体が均一に湿潤するので、その後に泥漿を接触させた際に、急激な泥漿の吸着を抑えることができる。セラミックス成形体が乾燥行程を経ていることに加え、加工工程での表面の乾燥が著しいことから、湿潤行程が必須となる。加工後に成形体を湿潤することにより泥漿を接合部に均一に付着させることが可能となる。

水中への浸漬時間は１０〜４００分の範囲で調整できる。このような成形体の湿潤行程を経ないと、後に泥漿を接触させたときに泥漿中のセラミックス粉末や水分の移動が激しくなり、均一な密着性が得られない場合がある。なお、湿潤に用いる水には、湿潤の効果を妨げない範囲で、バインダや分散剤等が含まれていても良い。

そして、セラミックス成形体を湿潤することにより、成形体の含水率を２．８〜２８．０体積％に調整することが好ましい。上記のように、所定範囲の含水率のセラミックス成形体に加工を施した後に、再び湿潤することにより接合に適した接合面とすることができる。

次に、表面を湿らせたセラミックス成形体を、セラミックス粉末を含む泥漿を介して接合面同士を突き合わせて未焼結の接合体を得る。所定含水率に調整したものに泥漿を接触させて接合することで、泥漿とセラミックス成形体との密着性を高めて焼結体の隙間をなくすことができる。

泥漿の接触は、セラミックス成形体を泥漿中に浸漬して行うことが好ましい。セラミックス成形体は、少なくともその接合面が湿潤しているので、接合面への急激な泥漿の吸着を抑えることができ、接合面に泥漿を均一に密着させることができる。また、得られる焼結体の接合層厚さを薄くすることができるので接合強度も高められる。刷毛塗りやスプレー噴霧などの方法も採られるが、均一な密着性が得られない場合がある。

泥漿は、セラミックス成形体を作製するときに用いたもの、または、それを水で希釈したものを用いることができる。なお、成形体の湿潤に用いた水にバインダや分散剤、セラミックス粉末を含ませて泥漿としても良い。

泥漿中に１〜９０分浸漬させることによって、接合部で偏ることなく均一に泥漿が密着し隙間の無い焼結体を得ることができる。より好ましい範囲は１〜６０分である。泥漿中において、成形体同士を突き合わせる際は、必要に応じて荷重を加えても良い。また、接合面同士を摺り合せても良い。

セラミックス成形体の接合面同士を突き合わせる際に、２以上のセラミックス成形体について鋳込み成形時の着肉方向に垂直な面同士、または着肉方向に平行な面同士を突き合わせることが好ましい。着肉方向を揃えることで、接合面の組織を均質化でき、また焼成時の挙動も一致させることができるので、接合部に隙間のない焼結体を得ることができる。なお、「垂直」及び「平行」については、厳密に一致させることを要するものではなく、本発明の効果が得られる範囲で、ある程度のズレ（例えば、±１０°）を許容するものである。

着肉方向を揃えるためには、鋳込み成形は、一定方向に着肉させる方法を用いることが好ましい。図１は、鋳込み成形方法の例を示す概略図である。石膏等の吸水性材料からなる底部１１及び非吸水性材料からなる側壁部１２及び底板１４を備える箱形の成形型にセラミックス粉末を分散させた泥漿を注型し、前記吸水性材料１１の吸水とともにセラミックス粉末を着肉させて着肉層１５が得られる。これを所定時間乾燥させ成形型から成形体１６を取り出す。着肉層１５に矢印で示したように着肉方向は吸水性材料に向いている。このような方法によれば、着肉方向は常に底部の吸水性材料に向いているため、２以上のセラミックス成形体を突き合わせて接合体を得る際に、容易に着肉方向を揃えることができる。着肉させる際には、適宜吸気溝１３より真空引きしたり、着肉層側から加圧したりすることで着肉を促進させることができる。なお、「底部」は、必ずしも低い位置にあることを意味するものではなく、着肉方向について奥底部であることを意味する。また、底部と側壁部との位置関係は、図１のように一定方向に着肉し得る構成であれば良い。

得られた未焼結接合体は、乾燥させた後所望形状に加工することが可能である。接合体とした後に加工を施すことにより焼結体とした後の加工を減らすことができるので加工コストを抑えることができる。

前記未焼結の接合体を焼結して一体化する。焼成は、セラミックス粉末の種類に応じて、大気、真空又は不活性ガス等の種々の雰囲気中で、雰囲気圧力及び焼結温度を調整して行うことができる。必要に応じて加熱温度を制御して乾燥及び脱脂工程を経ても良い。なお、本発明の「一体化」したセラミックス焼結体は、極めて密着性が高く、浸透探傷試験において隙間が認められない。

以下、試験例を示して、本発明を説明する。

［実験１］
はじめに、鋳込み成形の着肉方向について試験を行った。鋳込み成形用の泥漿は、セラミックス粉末として市販のアルミナ粉末（平均粒径０．５５μｍ、純度９９．７％）を用い、アルミナ粉末１００体積％と、アルミナ粉末に対してバインダ（日新化成株式会社製 Ｄｕｒａｍａｘ Ｂ−１０７０）を２２．９体積％、分散剤（ポリカルボン酸アンモニウム）を４．０体積％、イオン交換水を８３．０体積％配合し、アルミナ粉末が分散された泥漿を調整した。

図１に示したような箱形の成形型（吸水性材料：石膏、幅８００ｍｍ、奥行き８００ｍｍ、高さ１００ｍｍ、非吸水性材料：塩化ビニル板、高さ３００ｍｍ）を用い、泥漿を注型して、着肉させ成形体を得た。

成形体について水分量が０．３体積％となるまで乾燥させた後、成形体の加工をフライス盤によって行い、表面粗さＲａを０．８μｍとした後、成形体を水中に１０分間浸漬した。次に上記成形に用いたものと同じ泥漿に１０分間成形体を浸漬し、泥漿中において接合面同士を突き合わせて接合し未焼結接合体を得た。成形体を水中に浸漬した後の含水率は、５．３体積％であった。

未焼結接合体は、図２に示したような着肉方向を変えた組合せ２１〜２６を作製した。組合せ２１について説明すると、成形体２１１及び成形体２１２は、それぞれ矢印の方向が着肉方向であり、成形体同士を付き合わせる接合面の２１１ａ及び２１２ａは、それぞれ表面粗さＲａ０．８μｍに加工されている。

これらを、大気中、１５００〜１６００℃で焼成を行った。得られた焼結体を切断し、接合部について浸透探傷試験を行った。浸透探傷試験はレッドチェック液（栄進化学社製）を吹き付けて５分後にふき取って隙間からの染み出しの有無を調べた。

その結果、組合せ２１、２３〜２６には隙間が見られなかった。着肉方向の異なる組合せ２２では隙間が見られた。この結果、２以上のセラミックス成形体について鋳込み成形時の着肉方向に垂直な面同士、または着肉方向に平行な面同士を突き合わせることにより、接合部に隙間を有しないセラミックス焼結体が得られることが分かった。

［実験２］
次に、成形体の含水率及び表面粗さＲａについて、これらを変化させて試験を行った。

所定配合の板形状のセラミックス成形体（７００×７００ｍｍ、厚さ５０ｍｍ）をそれぞれ複数個用意し水分が所定値となるように乾燥した。しかる後に、板形状の一方の面（７００×７００ｍｍ）について、フライス盤により加工を行い所定表面粗さの接合面を形成した。成形体を泥漿に浸漬し、泥漿中で接合面を突き合わせた。得られた未焼結接合体について、大気中、１５００〜１６００℃で焼成を行った。なお、接合面は成形体の着肉方向に垂直な面とした。

代表例として試験Ｎｏ．１について、以下説明する。鋳込み成形用の泥漿は、セラミックス粉末として市販のアルミナ粉末（平均粒径０．５５μｍ、純度９９．７％）を用い、アルミナ粉末１００体積％と、アルミナ粉末に対してバインダ（日新化成株式会社製 Ｄｕｒａｍａｘ Ｂ−１０７０）を２２．９体積％、分散剤（ポリカルボン酸アンモニウム）を４．０体積％、イオン交換水を８３．０体積％配合し、アルミナ粉末が分散された泥漿を調整した。

図１に示したような箱形の成形型（吸水性材料：石膏、幅８００ｍｍ、奥行き８００ｍｍ、高さ１００ｍｍ、非吸水性材料：塩化ビニル板、高さ３００ｍｍ）を用い、泥漿を注型して、着肉させ成形体を得た。

成形体について水分量が０．３体積％となるまで乾燥させた後、成形体の加工をフライス盤によって行った。成形体を水中に１０分間浸漬した。次に上記成形に用いたものと同じ泥漿に成形体を浸漬し、泥漿中において接合面同士を突き合わせて接合し未焼結接合体を得た。

接合体の焼結は、大気中、１６００℃で行った。得られた焼結体を切断し、接合部について浸透探傷試験を行った。浸透探傷試験はレッドチェック液（栄進化学社製）を吹き付けて５分後にふき取って隙間からの染み出しの有無を調べた。その結果、隙間は認められなかった。接合部の顕微鏡写真を図３及び図４に示す。図３及び図４中の矢印は接合部を示す。

試験結果の一覧を表１に示す。探傷試験の結果は、隙間がなかったものを○、隙間があったものを×とした。接合面形状の測定は、表面粗さ測定装置（株式会社ミツトヨ製 ＳＶ−３０００Ｃ）を用いて測定した。成形体に含まれる水分量は、乾燥質量と比較して、セラミックス粉末及びバインダの比重を用いて算出した。

なお、試験Ｎｏ．７、９では、成形体を水中に浸漬しなかった。また、試験Ｎｏ．１０では、泥漿に浸漬せずにそのまま接合体とした。

試験Ｎｏ．１〜６では、探傷試験の結果全て隙間が見られなかった。一方、試験Ｎｏ．７〜１０では隙間が生じた。試験Ｎｏ．１１では、成形体の加工時に破損し、また試験Ｎｏ．１２では、突き合わせる際に破損し、いずれも接合体を得ることができなかった。試験Ｎｏ．８の接合部の顕微鏡写真を図５及び図６に示す。図５及び図６中の矢印で示した接合部には、隙間が認められた。

１１ 吸水性材料
１２ 非吸水性材料
１５ 着肉層
１６ 成形体

Claims (4)

1. ２以上のセラミックス成形体同士を焼結して一体化したセラミックス焼結体の製造方法であって、
   吸水性材料からなる底部及び非吸水性材料からなる側壁部を備える成形型にセラミックス粉末を分散させた泥漿を注型し、前記吸水性材料の吸水とともにセラミックス粉末を着肉させる鋳込み成形により前記セラミックス成形体を得る工程と、
   鋳込み成形により得た前記セラミックス成形体を乾燥させる工程と、
   前記セラミックス成形体の接合面を平滑化する工程と、
   平滑化された接合面を有する前記セラミックス成形体を湿潤する工程と、
   前記セラミックス成形体に含まれるセラミックス粉末と同一のセラミックス粉末を含む泥漿を介して接合面同士を突き合わせて未焼結接合体を得る工程と、
   前記未焼結接合体を焼結して一体化する工程とを含み、
   前記セラミックス成形体の接合面同士を突き合わせる際に、２以上のセラミックス成形体について、鋳込み成形時にセラミックス粉末が泥漿中の溶媒の流れに従い着肉する着肉方向に垂直な面同士、または着肉方向に平行な面同士を突き合わせることを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
2. 前記セラミックス成形体の接合面を平滑化する工程において、接合面の表面粗さＲａを０．１〜２．０μｍとする請求項１記載のセラミックス焼結体の製造方法。
3. 前記セラミックス成形体を鋳込み成形により得た後に乾燥させる工程において、セラミックス成形体の含水率を１０．３体積％以下に調整する請求項１または２記載のセラミックス焼結体の製造方法。
4. 平滑化された接合面を有する前記セラミックス成形体を湿潤する工程は、前記セラミックス成形体を水中に浸漬する請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体の製造方法。