JPH04187555A - セラミックス原料の調整方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミックス原料の調整方法及び装置に関し、
特にセラミックス原料調整を改良し、セラミックス原料
ハンドリング性の向上、同原料分散度の向上、得られる
セラミックス成形体密度の向上、同成形体の焼結温度の
低温化などが達成される同方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

セラミックスは大別すると、天然粘土を主原料として使
用するセラミックスと人工の高純度原料を使用して製造
するファインセラミックスに別けられる。また、セラミ
ックスを組成からみると、アルミナ、ジルコニアのよう
に酸化物だけを使用する酸化物セラミックスと、窒化珪
素、炭化珪素のような非酸化物セラミックスに分類され
る。

セラミックスは通常、セラミックス原料である粉末を水
に入れてスラリーとし、ボールミルを用いて混合を行い
、スプレードライヤーを用いて球状に造粒・成形したも
のを金型に充填してプレス成形した後、焼結炉中に入れ
て焼結を行っている。当然のことながら、原料分散性及
び成形性の向上をはかるため、原料混合時のスラリー中
にはポリカルボン酸、水溶性アルカリ樹脂などの分散剤
及びバインダーが添加される。

これらの分散剤、バインダーはセラミックス本来の性質
からは無用なものであるので成形完了後、分解、燃焼除
去される。

先ず、天然粘土を主原料として使用するセラミックスを
例にとって以下、詳細に説明する。

天然の粘土を主原料として使用する例としては、日常生
活において使用している食器、タイル、衛生陶器あるい
は送電に用いる絶縁碍子など数多くのセラミックスがあ
る。これは、主に天然の粘土であるカオリン及び珪砂（
石英）などを所定の性状になるように原料の粉砕９分級
を行った後、水中に入れてボールミルにより分散処理を
行っている。分散処理の補助的な手段として、粉体が分
散しやすいようなｐＨに調節したり、アラビアゴムのよ
うな天然の分散剤あるいはくえん酸アンモニウム、水溶
性アクリル樹脂のような分散剤を添加している。ボール
ミルで所定の時間混合処理した原料スラリーを、使用す
る成形方法に応じて濃縮する。加圧成形する場合には金
型内への装填のし易さ及び装填時の密度の均一性、高密
度化の観点からスプレードライ法が採用され球状に乾燥
、造粒された後、金型に入れて加圧成形される。一方、
スリップキャスト（鋳込み）成形では真空脱泡処理によ
りスラリー中の気泡を除去した後、石膏型の上に鋳込ん
で成形される。更に、加圧・押し出し成形の場合にはフ
ィルタープレスなどの手法により大部分の水を除去して
ケーキ状とした後、メチルセルロースなどの有機バイン
ダーを加えて、ニーダ−などを用いて混練し、押し出し
成形機を用いてパイプ状あるいはハニカム形状などの連
結形状のものに成形される。

このように成形された成形体は乾燥の後、添加した有機
物を除去するため、６００℃程度の温度で脱脂処理を行
った後、目的とする密度になるように温度で焼結処理を
する。焼結処理の温度は多孔体の場合には６００〜ＩＱ
００℃、緻密体の場合には１０００〜１４００℃程度で
ある。

次に、人工セラミックスの例としてアルミナを例にとっ
て説明する。

アルミナセラミックスの場合に基本的には天然粘土を主
原料とする場合とほとんど同じである。アルミナセラミ
ックスの場合には合成原料であるアルミナ粉末とアルミ
ナの焼結時（１６００〜１８００℃）における粒子成長
防止剤としてアルミナに対し０．５　ｗｔ％程度のマグ
ネシアを混合する。アルミナの原料混合の場合には無機
不純物の混入を粘土系に比べて更にきらうという理由か
ら、原料混合時の分散剤、パイグーには人工の水溶性ア
クリル樹脂、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などが使
用される。その他のプロセスは粘土系と同様であり、ア
ルミナの性質上、焼結時に１６００〜１８００℃の高温
か必要であることが異なる。

以上に示したように、水系の溶媒で処理できる系につい
ては比較的容易に製造することが可能である。

上述したように、セラミックスの製造工程において原料
の混合工程は重要であり、混合の良否が、セラミックス
焼結体の特性に影響を与えることが知られている。

〔発明が解決しようよする課題〕

セラミックス原料は通常粉体として供給されるため二次
凝集しており、セラミックス製造時にボールミルなどの
分散手法を用いて湿式法により分散処理を行い、より一
次粒子に近い形にする必要がある。ま−た、セラミック
スを製造する場合、通常２種以上の粉体を所定の割合に
配合する場合が多く、その量比も変化に富んでいる。多
くの場合、混合する２種以上の粉体は、その粒径及び凝
集の割合も異っており、分散処理に要する時間は凝集の
度合の高いものの分散時間により律速される。製造する
セラミックスの種類によっては、凝集の弱い原料を９９
％、凝集の強い原料を１％のように配合する場合もあり
、この場合の分散時間は凝集の強い原料の分散時間で律
速されるため、セラミックス原料の分散に対し、より多
くの時間が必要とされ、また、より大容量の混合装置が
必要とされるた狛、原料処理能力が低下する原因となっ
ている。

また、バッチ処理により分散処理を行っており、分散処
理装置の使用効率低下の原因ともなっている。

本発明に上記技術水準に鑑み、従来技術の有する不具合
を解消しうるセラミックス原料の調整方法及び装置を提
供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は （１）複数のセラミックス原料粉末を混合してセラミッ
クスを製造する方法であって、原料粉末毎に原料スラリ
ーを調整し、得られた複数の原料スラリーを混合して混
合スラリーを調整したのちセラミックスを製造すること
を特徴とするセラミックスの製造方法、 （２）　　複数のセラミックス原料粉末を混合してセラ
ミックスを製造するセラミックス製造装置であって、原
料粉末をスラリー化する原料スラリー調整装置と、同調
整装置で調整された原料粉末毎の原料スラリーを貯留す
る複数の原料スラリータンクと、同原料スラリータンク
に貯留された複数の原料スラリーの供給を受けて混合す
る混合スラリー調整装置とを具備したことを特徴とする
セラミックスの製造装置 である。

本発明は原則的には複数のセラミックス原料粉末を、原
料粉末毎に原料スラリーにするものであるが、特性の似
ているセラミックス原料粉末は数種類のものを一度に混
ぜ合せて原料スラリーに調整することを妨げるものでは
ツマい。

〔作　用〕

本発明はセラミックス原料粉末の分散・混合工程の合理
化及び高能率化を目指し行われたものであり、各種原料
粉末を単独で分散処理し、貯蔵タンクへスラリー状態で
保管する。各種原料を使用する際にはスラリー状態で保
管している原料を所定量消秤量し、各種原料をスラリー
状態で混合する。このような原料処理工程を採用するこ
とにより、セラミックス原料粉末の混合がスラリーのハ
ンドリングとなり、バルブ操作による連続的な処理工程
とすることが可能になる。

本発明の原料処理工程において使用する分散媒及び分散
剤は、混合工程において混合するので、その時点におけ
る凝集を防止するた約、同一のものを使用することが好
ましい。

各原料処理工程における分散装置は従来から使用されて
いる装置を使用することが可能であり、その例としては
ボールミル、振動ミル、アトライター、サンドミルなど
があげられる。これらの装置は使用する原料粉末の粒径
あるいは凝集度合に応じて使い分ければよい。

〔実施例〕

本発明の実施態様の一例を第１図に示す。第１図は原料
粉末Ａ、Ｂ、Ｃを混合して製造するセラミックス製造の
一例である。

原料粉末Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれをボヘルミル等の分散処
理装置を用いて原料分散したスラリーを調製し、各スラ
リータンクへ貯蔵する。各スラリータンクにはバルブＶ
、、Ｖ２．及びＶ３が付属しており、目的とするセラミ
ックスの組成に従ってスラリーを供給し、スラリー混合
工程へ送られ、ここで各種原料Ａ、Ｂ、Ｃの混合が行な
われる。それぞれ原料の分散処理工程において原料の分
散処理が充分に行われているので、この工程における混
合は簡単である。

このようにして混合したスラリーは通常のセラミックス
の製造工程、つまり、スラυ−をスプレードライし、加
圧成形する方法あるいはスリップキャスト成形法により
成形し、焼結を行えばよい。

次に窒化珪素セラミックスの製造プロセスを例にとって
具体的に説明し、本発明の有用性を明らかにする。

窒化珪素セラミックスは主原料である窒化珪素粉末に焼
結助剤として５〜２０重量％の酸化イツトリウム、酸化
アルミニウム、酸化マグネシウム等を混合し、成形した
後、窒素雰囲気中１６００〜１８００℃程度の温度で焼
結することにより得られる。

この例では窒化珪素（α化率＝９５％以上、−次粒子径
０．２５μｍ　）　　：　９４．５ｗｔ％、酸化イツト
リウム（−次粒子径０．７８ｕｍ　）　　：　４０ｗｔ
％、酸化アルミニウム（−次粒子径０．９５μｍ）：　
ｌ、　５　ｖｔ％の配合の組成について検討を行った。

分散媒としては窒化珪素の水による酸化を防止するため
試薬特級のエタノールを使用し、分散剤としては固形分
に対し１ｗｔ％のポリエチレンイミンを使用した。

第２図はボールミル分散した窒化珪素のレーザ回折法に
よる粒径分布である。図中Δ印は２４時間ボールミル分
散したものであり、○印は４８時間分散したものである
。窒化珪素の場合、分散性がよく、２４時間と比較的短
時間で分散が終了することがわかった。

第３図はボールミル分散した酸化イツ）　ＩＪウムのレ
ーザ回折法による粒径分布である。図中Δ印は２４時間
ボールミル分散したものであり、◇印は４８時間ボール
ミル分散したもの、○印は７２時間ボールミル分散した
ものである。酸化イツトリウムの場合にも４８時間で分
散はほぼ終了していることが粒径分布から推定できる。

第４図は分散処理を行った酸化アルミニウムのレーザ回
折法による粒径分布である。図中Δ印は２４時間ボール
ミル分散したもの、◇印は４８時間ボールミル分散した
もの、○印は７２時間ボールミル分散を行ったものであ
る。酸化アミニウムは凝集性が強く、粒径分布から判断
すると７２時間のボールミル分散でも分散は不完全であ
ると考えられる。そこで、酸化アルミニウムについては
、径１．　Ｑ　ｍｍのジルコニアボールを充填したサン
ドミルを回転数３００．Ｏｒｐｍで１０時間処理すると
、分散がより進行する結果、第４図の印の粒径分布が得
られた。

第５図は窒化珪素、酸化イツ）　ＩＪウム、酸化アルミ
ニウム混合物のレーザ回折法による粒径分布を示す。図
中Δ印は各原料を所定の割合に混合し、７２時間ボール
ミル混合したものである。また、◇印は窒化珪素につい
ては２４時間ボールミル混合、酸化イツトリウムについ
ては４８時間ボールミル混合、更に酸化アルミニウムに
ついてはサンドミルで３００　Ｏｒｐｍの回転数で１０
時間処理したスラリーを原料配合として所定の割合にな
るように配合した後、１時間ボールミル混合したもので
ある。このようにすると最大でも１μｍの粒径であり、
原料の混合、分散が大変うまくいっていることがわかる
。この例では非常に分散しにくい酸化アルミニウムの使
用量は１．５　ｗｔ％であり、窒化珪素、酸化イツトリ
ウム、酸化アルミニウム混合系で酸化アルミニウムの分
散処理をするのに比べ１７６０以下の処理量でよいこと
になる。本発明はこのように数種以上の粉末を分散・混
合する工程において混合量は少いが分散しにくい原料を
使用する場合、特に有効である。

次に、各原料を所定の割合に混合した後、７２時間ボー
ルミル混合した原料スラリー及び窒化珪素については２
４時間ボールミル混合、酸化イツトリウムについては４
８時間ボールミル混合、更に酸化アルミニウムについて
はサンドミルで３００　Ｏｒｐｍの回転数で１０時間処
理したスラリーを原料配合として所定の割合になるよう
に配合した後、１時間ボールミル混合したス□ラリ−を
ロータリーエバポレータを用いて乾燥し、１５０　ｋｇ
／ｃｍ２で（ｉＱｍｍφＸ６ｍｍｔに加圧成形し、４０
００　ｋｇ／　ｃｍ２で冷間静水圧加圧した成形体を５
気圧の窒素雰囲気中で各温度４時間焼結した。

第５図に原料混合物のレーザ回折法による粒度分布を示
す。第５図においてΔ印は７２時間ボールミル混合した
原料スラリー、◇印は窒化珪素については２４時間ボー
ルミル混合、酸化イツトリウムについては４８時間ボー
ルミル混合、更に酸化アルミニウムについてはサンドミ
ルで３００　Ｏｒｐｍの回転数で１０時間処理したスラ
リーを、原料配合として所定の割合になるように配合し
た後、１時間ボールミル混合したスラリーの粒度分布を
示す。

本発明に従った原料の混合方法では明らかに粒径は小さ
く、かつ分布の幅も狭くなることがわかる。

焼結体の密度を第６図に示す。横軸は焼結温度、縦軸は
焼結体密度である。図中の△印及び◇印は第５図と同一
の原料スラリーを使用したことを示す。焼結体密度の向
上において、原料分散の効果が認められ、本発明に従っ
た混合をすると、より低い焼結温度で高密度の焼結体を
得るこよが可能であることがわかった。

次に、焼結体をＪＩＳ　Ｒ１６０１に従った強度試験加
工し、４点曲げ強度試験を行った。第７図に焼結温度と
４点曲げ強度の関係を示す。横軸は焼結温度、縦軸は４
点曲げ強度を示す。（図中の△印及び◇印は第５図と同
一の原料スラリーを使用したことを示す。） 曲げ強度についても、焼結助剤である酸化アルミニウム
の分散の効果が認められた。このようにセラミックスの
製造において焼結体物性に対し原料粒子分散の効果が大
であることが明らかとなった。

〔発明の効果〕

本発明はセラミックスの製造工程において、原料粉末の
分散をより完全なものとすることにより、高性能なセラ
ミックスが製造可能となると同時に、スラリー処理する
ことにより、バルブ操作による粉体のハンドリングを可
能とし、粉体のハンドリング性を向上させるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本の実施態様（方法及び装置）の説
明図、第２図は窒化珪素粒子の粒度分布を示す図表、第
３図は酸化イツトリウム粒子の粒度分布を示す図表、第
４図は酸化アルミニウム粒子の粒度分布を示す図表、第
５図は窒化珪素、酸化イッｌ−ＩＪウム、酸化アルミニ
ウム混合物の粒度分布を示す図表、第６図は窒化珪素セ
ラミックスの焼結温度と焼結体密度の関係を示す図表、
第７図は窒化珪素セラミックスの焼結温度と４点曲げ強
度の関係を示す図表である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のセラミックス原料粉末を混合してセラミッ
   クスを製造する方法であって、原料粉末毎に原料スラリ
   ーを調整し、得られた複数の原料スラリーを混合して混
   合スラリーを調整したのちセラミックスを製造すること
   を特徴とするセラミックスの製造方法。
2. （２）複数のセラミックス原料粉末を混合してセラミッ
   クスを製造するセラミックス製造装置であって、原料粉
   末をスラリー化する原料スラリー調整装置と、同調整装
   置で調整された原料粉末毎の原料スラリーを貯留する複
   数の原料スラリータンクと、同原料スラリータンクに貯
   留された複数の原料スラリーの供給を受けて混合する混
   合スラリー調整装置とを具備したことを特徴とするセラ
   ミックスの製造装置。