JPH04280879A - ウィスカ−強化セラミックス製品の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウィスカ−強化セラミ
ックス製品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックス粉末を主原料とし
て製造されたセラミックス製品は、その最も大きな欠点
として脆くて破壊され易いことにある。このためセラミ
ックス製品は、一個所弱いところがあると、そこに例え
ば引張力が加わった場合、亀裂が発生し、この亀裂が他
の部分に伝播し破壊される。そこで前記セラミックス製
品の脆さを解消するため、ウィスカ−を混合する技術が
知られている。例えば特開昭６０−２００８６３号公報
には、ＳｉＣ．Ｓｉ３　Ｎ４　などのウィスカ−を混合
して高温強度を向上させた窒化ケイ素系セラミックスが
開示されている。この公報によれば母材となる−定量の
セラミックス粉末に対し、焼結助材の他に、強化用材料
としてのウィスカ−を溶媒の存在下で一定量添加して、
これ等を湿式混合してスラリ−状となした後、蒸発乾燥
して溶媒を除去し、得られた固形物を粉砕しウィスカ−
を含む粉末を形成する。そして、このウィスカ−を含む
粉末を目的とする成形型形状をもつ黒鉛型に入れ、窒素
中でホットプレスにて焼成させるか、あるいは前記粉末
を公知の方法で目的とする成形体形状に加工成形した後
、１気圧の窒素中で焼成して焼成体を得ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の手
段によりウィスカ−を含む粉末を調整する場合、セラミ
ックス粉末と、焼結助材と、溶媒と、ウィスカ−とより
なるスラリ−を蒸発乾燥して溶媒を除去し固形物を得る
際に、比重差によりウィスカ−が凝集する。ウィスカ−
が凝集すると、前記固形物を粉砕して得たウィスカ−を
含む粉末が球状、均一粒子とならないことおよびウィス
カ−含有量にバラツキが生じるため、成形時に成形体の
充填密度が低くなることに起因する成形体の強度の低下
および成形体の全域に強度のバラツキが発生する。従っ
て前記従来の粉末を用いた場合、成形体に破壊が起こり
易く、焼成後、高強度、高靱性セラミックス製品が得ら
れない。

【０００４】本発明は、上記従来の問題点を解決したウ
ィスカ−強化セラミックス製品の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のウィスカ−強化
セラミックス製品の製造方法は、セラミックス粉末と焼
結助材と溶媒とよりなるスラリ−中にウィスカ−を加え
て攪拌、分散しウィスカ−含有スラリ−を得る攪拌、分
散工程と、該ウィスカ−含有スラリ−をスプレ−ドライ
ヤ−に滴下し、瞬間乾燥させて造粒粉末を得る瞬間乾燥
工程と、該造粒粉末を用いて成形し成形体を得る成形工
程と、該成形体を焼結し焼結体を得る焼結工程と、より
なることを特徴とする。

【０００６】攪拌、分散工程は、セラミックス粉末と焼
結助材と溶媒とよりなるスラリ−中にウィスカ−を加え
て攪拌、分散しウィスカ−含有スラリ−を得る工程であ
る。セラミックス粉末は、例えば粒径０．１〜５μｍの
ＳｉＣ、Ｓｉ３　Ｎ４　や、その他従来と同じものを用
いることができる。焼結助材は、例えばＹ２　Ｏ３　と
ＭｇＡｌ２　Ｏ４等を適宜適当量、混合したものや、そ
の他従来と同じものを用いることができる。

【０００７】溶媒は、例えばエタノ−ル、水や、その他
従来と同じものを用いることができる。前記ウィスカ−
は、径５μｍ以内、長さ３０μｍ以内、添加量が重量比
で４０ｗｔ％以内で用いることが好ましい。この理由と
しては、ウィスカ−の径、長さ、添加量が前記範囲を超
えた場合には成形および焼結がしにくくなるからである
。また前記スラリ−中にウィスカ−を加えて攪拌、分散
する時ウィスカ−を切断しないようにするため例えば超
音波を用いることが好ましい。ウィスカ−は、Ａｌ２　
Ｏ３　、ＢｅＯ、Ｂ４　Ｃ、ＳｉＣ、Ｓｉ３　Ｎ４　、
ＡｌＮ、グラファイト、等およびその他の非金属ウィス
カ−や、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、等およびその他の金
属ウィスカ−を用いることができる。

【０００８】瞬間乾燥工程は、攪拌、分散工程で得たウ
ィスカ−含有スラリ−をスプレ−ドライヤ−に滴下し、
瞬間乾燥させて造粒粉末を得る工程である。前記スプレ
−ドライヤ−は、例えば熱風循環乾燥装置等の高温室内
の高温雰囲気下で回転可能な円板を備えたものであって
、回転させた前記円板の上面に前記スラリ−を滴下させ
ることにより、そのスラリ−が高温により瞬間的に乾燥
されつつ、回転する円板により付与された遠心力で飛ば
されることを利用して、形成された各造粒粉末の形状を
球状、均一粒子とするための手段である。前記円板の回
転数は５０００〜２００００ｒｐｍ、雰囲気温度は２０
０℃以上に加熱された熱風を循環させた雰囲気の条件下
で行うことが好ましい。前記瞬間乾燥工程では、攪拌、
分散工程で得られたウィスカ−含有スラリ−中でウィス
カ−や、セラミックスが沈澱をすることを防止するため
、スラリ−を超音波により分散しつつ、スプレ−ドライ
ヤ−に滴下することが好ましい。またスプレ−ドライヤ
−に滴下するスラリ−の滴下粒の大きさは、例えば１０
〜３０μｍ、またスラリ−の噴霧量は例えば５０ｃｃ／
ｍｉｎとすることが好ましい。前記ウィスカ−を含む造
粒粉末の大きさは、−般に平均粒径が３０〜６０μｍで
、この平均粒径値の範囲内で種々設定することができ、
例えば前記スラリ−の濃度、滴下粒の大きさ、噴霧量や
、前記回転円板の回転数等により制御（コントロ−ル）
し、かつ設定することができる。

【０００９】成形工程は、瞬間乾燥工程で得た造粒粉末
を用いて成形し成形体を得る工程である。この成形工程
においては、従来と同様、ホットプレスあるいはその他
の手段により成形体を得ることができる。焼結工程は、
成形工程で得た成形体を焼成し、焼結体を得る工程であ
る。この焼結工程では、１６００〜１８００℃の温度範
囲で焼成時間１０時間以内で焼成することが好ましい。

【００１０】

【作用および効果】本発明のウィスカ−強化セラミック
ス製品の製造方法によれば、攪拌、分散工程と、瞬間乾
燥工程と、成形工程と、焼結工程が順次、実施される。 攪拌、分散工程により、それぞれ予め設定された量のセ
ラミックス粉末と焼結助材と溶媒とよりなるスラリ−中
にウィスカ−を加えて攪拌、分散しウィスカ−含有スラ
リ−が得られる。このスラリ−は、溶媒中で母材となる
セラミックス粉末と焼結助材および強化材としてのウィ
スカーが均一に分散されている。

【００１１】瞬間乾燥工程により、前記ウィスカー含有
スラリ−をスプレ−ドライヤ−に次々と滴下し、瞬間乾
燥させることにより、大さが平均粒径３０μｍ〜６０μ
ｍの範囲内で予め設定されたほぼ均一な値の各造粒粉末
が得られる。この造粒粉末は、前記攪拌、分散工程でセ
ラミックス粉末と焼結助材およびウィスカ−が均一に分
散された状態のスラリーが瞬間乾燥されることによって
、その中の溶媒が素早く除去された固形物として形成さ
れるため、ウィスカーがセラミックス粉末よりなる母材
中で比重差により凝集する余裕を与えられず、かつウィ
スカーがセラミックス粉末よりなる母材中に均一に分散
した状態が保たれている。

【００１２】成形工程により、前記造粒粉末を用いて成
形し成形体が得られる。この成形工程では、前記瞬間乾
燥工程で得られた各造粒粉末の粒径がほぼ均一な球状粒
子であるため、成形体の充填密度が高く、成形体の強度
が向上し、その取扱い時に破損しにくくなる。焼結工程
により、前記成形体を焼結し焼結体が得られる。

【００１３】この焼結体は、前記瞬間乾燥工程によりウ
ィスカ−がセラミック粉末よりなる母材中に均一に分散
した造粒粉末を用い成形体を焼結することにより得られ
るため、全領域で強度が均一に向上でき、かつ強度、靱
性値の高いセラミックス製品が得られる。従って本発明
のウィスカ−強化セラミックス製品の製造方法によれば
、焼結体は各応力に対して破壊の発生しない品質を高め
たものが得られる。

【００１４】

【実施例】本実施例のウィスカ−強化セラミックス製品
の製造方法は、攪拌、分散工程と、瞬間乾燥工程と、成
形工程と、焼結工程とよりなる。攪拌、分散工程では、
セラミックス粉末としてＳｉ３　Ｎ４　粉末と、焼結助
材としてのＹ２　Ｏ３　、ＭｇＡｌ２　Ｏ４　をモル比
で９５：２：３（Ｓｉ３　Ｎ４　：Ｙ２　Ｏ３　：Ｍｇ
Ａｌ２　Ｏ４　）の割合で秤量し、溶媒としてエタノ−
ル６５ｗｔ％とともにボ−ルミルにて２４時間湿式混合
した後、蒸発乾燥し、さらにボ−ルミルにて粉砕した。 そして得られた粉末３５ｗｔ％を、イオン交換水により
スラリ−化した後、別途準備されたウィスカ−すなわち
、６０メッシュのふるいにかけられ選別された径０．５
μｍ、長さ４μｍのＳｉＣ０〜５０ｗｔ％と、解こう剤
（ヘキサメタリン酸ナトリウム２ｗｔ％水溶液）、バイ
ンダ（ＰＶＡ：ポリビニルアルコ−ル）１ｗｔ％を加え
てウィスカ−を切断しない配慮のため超音波分散により
３０分間攪拌、分散することによってセラミック粉末、
焼結助材、ウィスカ−が均一に分散したウィスカ−含有
スラリ−が得られた。そして、この工程に引き続き瞬間
乾燥工程が行われる。

【００１５】瞬間乾燥工程では、予めスプレ−ドライヤ
−が準備される。スプレ−ドライヤ−としては、図略の
熱風循環乾燥装置の高温室内で２００℃に加熱された熱
風を循環させた雰囲気下で１５０００ｒｐｍの高速回転
可能な鋼製、直径５０ｍｍの円板（図示せず）およびこ
の円板の上面に一定間隔を隔てて対向する位置に配置さ
れたスラリ−滴下ノズル（図示せず）とよりなる。なお
、前記スラリ−滴下ノズルは、ウィスカ−含有スラリ−
を１０〜３０μｍの滴下粒で５０ｃｃ／ｍｉｎの噴霧量
で、滴下可能なものである。そしてウィスカ−含有スラ
リ−に対し、前記攪拌、分散工程に引き続き超音波分散
を行ないつつ、スプレ−ドライヤ−の２００℃の熱風が
循環している雰囲気下において、１５０００ｒｐｍで回
転している円板上にスラリ−ノズルより噴霧量５０ｃｃ
／ｍｉｎで次々とスラリ−を滴下させる。滴下されたウ
ィスカ−含有スラリ−の各滴下粒は、前記回転円板によ
り遠心力で外方向に飛ばされるとともに、前記熱風によ
りスラリ−中の水分が瞬間的に蒸発し、かつウィスカー
がセラミックス粉末よりなる母材中で比重差により凝集
する余裕を与えられずに乾燥し固形物となりウィスカ−
含有量がほぼ一定で、ウィスカ−がほぼ均一に分散した
平均粒径が４５μｍの多数の造粒粉末ができる。

【００１６】成形工程では、前記瞬間乾燥工程で得られ
た前記造粒粉末を、目的とする成形体形状のキャビティ
をもつ金型で一次成形（圧力１０ＭＰａ）し、その後さ
らにラバ−プレスにより二次成形（圧力１００ＭＰａ）
を行うことによって成形体を得た。この成形体は、前記
瞬間乾燥工程で得られた各造粒粉末の粒径がほぼ均一な
球状粒子であるため、成形体の充填密度が高く、成形体
の強度が向上し、その取扱い時に破損しにくくなる。

【００１７】焼結工程では、前記成形工程で得た成形体
を、１８００℃、４時間、Ｎ２　中で焼成し焼結体を得
た。この焼結体は、前記瞬間乾燥工程により、ウィスカ
−がセラミックス粉末よりなる母材中に均一に分散した
造粒粉末を用いて形成された成形体を、焼結することに
より得られるため、全領域で強度が均一に向上でき、か
つ強度、靱性値の高いセラミックス製品が得られる。 （比較例）比較のため、従来の成形方法を用いてテスト
ピ−スとしての焼結体を得た。なおこの従来の成形方法
は、前記実施例の攪拌、分散工程および瞬間乾燥工程が
異なること以外、実施例の成形工程および焼結工程と同
じである。すなわち、従来の成形方法の場合攪拌、分散
工程としては、Ｓｉ３　Ｎ４粉末と、その焼結助材であ
るＹ２　Ｏ３　、ＭｇＡｌ２　Ｏ４　および、６０メッ
シュのふるいを通して整粒したＳｉＣウィスカ−を所定
量秤量し、溶媒としてのエタノ−ルを加えてボ−ルミル
にて湿式混合することによりスラリ−を得た。このスラ
リ−を吸引濾過して溶媒のほとんどを除去した後、蒸発
乾燥して残りの溶媒を除去し乾燥粉末を得た。

【００１８】この乾燥粉末を乳鉢で砕き、再び６０メッ
シュのふるいを通して混合粉末を得た。そしてこの混合
粉末に所定量のバインダを１０ｗｔ％加え、乳鉢にて造
粒操作を行ない造粒粉末を得た。そして前記実施例の場
合と同じ成形工程および焼結工程が実施されテストピ−
スとしての焼結体が得られた。 （評価）それぞれ上記のようにして得られた実施例の焼
結体および比較例の従来の焼結体の両方を、ＪＩＳ　　
Ｒ　　１６０１に準ずる形状に加工した後、４点曲げ強
度、破壊靱性値、相対密度％（かさ密度）を求め、この
結果を図１、図２、図３に示す。

【００１９】図１はウィスカ−添加量（ｗｔ％）と４点
曲げ強度（ＭＰａ）との関係を示すもので、従来例の場
合には、●印の示すように、４点曲げ強度が８００を維
持できるウィスカ−添加量は約２５ｗｔ％以内であって
ウィスカ−添加量が３０ｗｔ％近くになると４点曲げ強
度が６００ぐらいの位置にまで急低下する。このためウ
ィスカ−添加量が３０ｗｔ％を超えると成形体として実
用に適さないものとなる。これに対し本実施例の焼結体
の場合には、○印の示すように、ウィスカ−添加量が５
０ｗｔ％に近ずいても４点曲げ強度８００を維持できる
ことが判明した。

【００２０】図２は、破壊靱性値（ＭＰａ、√ｍ）とウ
ィスカ−添加量（ｗｔ％）との関係を示すもので、従来
例の場合は●印の示すようにウィスカ−添加量が増加す
るに伴って破壊靱性値が高くなるが、ウィスカ−添加量
が約３０ｗｔ％を超えた段階で破壊靱性値が急低下し、
かつ測定できないほど小さくなり成形体として実用に適
さないものとなる。これに対し本実施例の場合には○印
の示すように、ウィスカ−添加量が５０ｗｔ％近くにな
っても破壊靱性値が優れ成形体として実用に適す範囲内
に納まるものとなっている。

【００２１】図３は相対密度（％）とウィスカ−添加量
（ｗｔ％）との関係を示すもので、従来例の場合には、
●印の示すように、ウィスカ−添加量が増加するに伴っ
て相対密度が低下しウィスカ−添加量が約３０ｗｔ％を
超えるころより相対密度が９０％近くまで下がり成形体
として実用に適さないものとなる。これに対し本実施例
の場合には、○印の示すようにウィスカ−添加量が４０
ｗｔ％に達する付近においても相対密度がほぼ１００％
に近い値となっている。

【００２２】以上、前記図１に示す４点曲げ強度、図２
に示す破壊靱性値、図３に示す相対密度等いずれの場合
をみても、本実施例の焼結体は、従来例の焼結体よりも
物性値が優れていることが判明した。これは従来のもの
は、含有スラリ−の乾燥工程で蒸発乾燥して溶媒を除去
する際に、比重差によりウィスカ−が凝集するため、製
造されたセラミックス製品は、部分的に弱い領域が存在
し、高強度、高靱性が得られず、本発明の実施例の場合
には、前記造粒粉末が球状均一粒子であるため、成形体
の充填密度が高く、成形体の強度が向上し成形体の取扱
時に破損しない。更に、ウィスカ−が均一に分散した造
粒粉末を原料として用い成形体を形成した後、焼結体を
得るため、製造されたセラミックス製品は、高強度、高
靱性が得られるものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例と従来例との４点曲げ強度とウィスカ
−添加量との関係を示す説明図である。

【図２】同じく本実施例と従来例との破壊靱性値とウィ
スカ−添加量との関係を示す説明図である。

【図３】同じく本実施例と従来例との相対密度とウィス
カ−添加量との関係を示す説明図である。

【符号の説明】

○…本実施例の焼結体 ●…従来の焼結体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス粉末と焼結助材と溶媒とより
   なるスラリ−中にウィスカ−を加えて攪拌、分散しウィ
   スカ−含有スラリ−を得る攪拌、分散工程と、該ウィス
   カ−含有スラリ−をスプレ−ドライヤ−に滴下し、瞬間
   乾燥させて造粒粉末を得る瞬間乾燥工程と、該造粒粉末
   を用いて成形し成形体を得る成形工程と、該成形体を焼
   結し焼結体を得る焼結工程と、よりなることを特徴とす
   るウィスカ−強化セラミックス製品の製造方法。