JPH0543307A

JPH0543307A - 透光性セラミツクスの製造方法

Info

Publication number: JPH0543307A
Application number: JP3225190A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Enboku; 正和遠北
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明の透光性セラミックスの製造法は、0.
01〜0.2 重量％の酸化マグネシウム粉末を含有する酸化
アルミニウム粉末にポリビニルアルコールを混合した後
に、軟化点が50〜90℃のワックス類とＭＦＲが 100〜30
0 ｇ／10分の熱可塑性プラスチックとから成るバインダ
ー材を加えて射出成形用混練物を調製し、次いで射出成
形、脱バインダー及び焼結を行なうことにより製造され
る。【効果】射出成形用の粉末混練物において、微量配合
される酸化マグネシウム粉末が酸化アルミニウム粉末中
に均一に分散され、この結果として透光性に優れた複雑
形状セラミックス製品を製造することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可視光領域で透光性を
示すセラミックスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、透光性セラミックスは、セラミッ
クス粉末をプレス成形した後に焼結を行なうことにより
製造されている。しかし、この方法では、三次元的に複
雑な形状を有する製品や薄肉部を有する製品を製造する
ことが困難であった。また、複雑な形状を有する製品を
得るために、焼結後に、機械研磨により焼結体を削るこ
とが行なわれていたが、機械研磨の条件によっては、焼
結体表面にヘアークラックと称する微細なクラックが形
成され、製品の機械的強度、靱性を著しく低減するとい
う問題があり、さらに機械研磨に多大な時間を要し、そ
の結果、製品価格が高くなるという問題もある。このよ
うな従来の方法の欠点を解消するために、酸化アルミニ
ウム粉末、酸化マグネシウム粉末及び有機バインダーか
らなる混合物を所定形状の金型内に射出成形し、得られ
た射出成形体を加熱して脱バインダーを行なった後、焼
結処理を施して透光性セラミックス製品を製造すること
が試みられている。この方法によれば、複雑な形状の製
品を製造することが可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、射出成
形を行う上記の方法では、酸化アルミニウム粉末と酸化
マグネシウム粉末に加えて有機バインダーを使用するた
めに、酸化マグネシウム粉末を酸化アルミニウム粉末中
に均一に分散させることが非常に困難となり、このため
に得られる焼結体の組成分布が不均一となり、この結果
として、満足し得るような透光性を得ることができない
という問題がある。従って本発明は、透光性に優れ且つ
複雑な形状を有するセラミックス成形品を製造すること
が可能な方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を達成するための手段】本発明によれば、(a) 0.
01〜0.2 重量％の酸化マグネシウム粉と残部が酸化アル
ミニウム粉の組成となるように混合粉末を調製する工
程、(b) 前記混合粉末に、ポリビニルアルコールを全体
の１〜10重量％となるように混合して、酸化マグネシウ
ム粉を酸化アルミニウム粉中に均一に分散させる工程、
(c) 酸化マグネシウム粉が均一に分散された前記混合粉
末に、バインダー材を、該バインダー材と前記ポリビニ
ルアルコールとの合計量が全体の35〜70容量％となるよ
うに添加して混練する工程、(d) 前記混練物を所定形状
の成形体に射出成形する工程、(e) 前記成形体から、前
記ポリビニルアルコール及びバインダー材を除去する工
程、及び、(f) 前記ポリビニルアルコール及びバインダ
ー材が除去された成形体を、水素雰囲気または真空中に
おいて、1600〜2000℃で焼結する工程、から成る透光性
セラミックスの製造方法が提供される。

【０００５】従来の射出成形を利用した方法では、酸化
マグネシウム粉末、酸化アルミニウム粉末及びバインダ
ー材とを同時に混合していたために、少量使用される酸
化マグネシウムが均一に分散されず、この結果として、
透光性に優れたセラッミクス成形品を得ることができな
かった。しかし本発明によれば、バインダー材の混合に
先立って、予めポリビニルアルコールを配合することに
より酸化マグネシウムが均一に分散され、例えばインラ
イン透過率が60％以上の透光性に優れたセラミックス成
形品を得ることが可能となったものである。

【０００６】工程(a);本発明においては、先ず酸化マグ
ネシウムと酸化アルミニウムとの混合粉末を調製し、こ
の混合粉末を出発原料として使用する。この混合粉末の
組成は、酸化マグネシウム粉末が0.01〜0.2 重量％であ
り、残部を酸化アルミニウム粉末とすることが重要であ
り、この範囲外の組成とするときには、満足すべき透光
性を得ることができない。即ち、透光性を発現させるた
めには、後述する焼結により得られる焼結体の相対密度
を少なくとも99％とすることが必要である。酸化マグネ
シウムは、焼結の最終段階での結晶粒の成長を抑制し、
これにより結晶粒界内部のポアの消滅の促進及び焼結密
度の向上に寄与し、また結晶粒の大きさを揃えるように
作用する。従って、酸化マグネシウムは、透光性向上に
大きな役割を果たすものである。例えば、酸化マグネシ
ウム含量が、0.01重量％未満では、このような効果を発
揮するには不十分であり、焼結体の密度が充分に高くな
らず、満足な透光性が得られない。また0.2 重量％より
も多い場合には、焼結体の結晶粒界に、酸化マグネシウ
ムあるいは酸化マグネシウムと酸化アルミニウムの複合
酸化物が形成され、光散乱の原因となり、透光性が低下
するという不都合を招くことになる。本発明において、
この混合物の調製に使用する酸化マグネシウム粉末及び
酸化アルミニウム粉末としては、それぞれ市販のものを
用いることができるが、透光性を発現させるために、高
純度のものを使用することが好適である。また、焼結密
度を向上させ、良好な透光性を発現させるためには、こ
れらの平均粒径はサブミクロンのオーダー、例えば 0.8
μm 以下の範囲にあることが望ましい。

【０００７】工程(b);本発明においては、次いで、上記
混合粉末にポリビニルアルコールを混合する。このポリ
ビニルアルコールは、界面活性剤的な作用を有するもの
であり、これを用いることにより、酸化マグネシウム粉
末が、酸化アルミニム粉末中に均一に分散される。この
ポリビニルアルコールは、得られる混合物全体当たり１
〜10重量％、特に２〜６重量％の割合で使用する。この
使用量が１重量％未満あるいは10重量％を超えるときに
は、酸化アルミニウム粉末中に酸化マグネシウムが均一
に分散されず、その結果として、最終製品（焼結体）の
透光性がその部分によって異なってしまう。

【０００８】またこのポリビニルアルコールとしては、
例えば平均重合度が 500〜2500、及び平均ケン化度が60
％以上のものが好適に使用される。これらのポリビニル
アルコールと、工程(a) で調製された混合物との混合
は、それ自体公知の種々の方法により行うことができる
が、ファインセラミックスでしばしば用いられるスプレ
ードライヤーにより顆粒粉を作製する方法が最も好適で
ある。

【０００９】工程(c);この工程(c) においては、工程
(b)で得られた酸化マグネシウムが均一に分散された混
合粉末にバインダー材を加えて混練を行う。この工程で
使用されるバインダー材は、後述する射出成形を有効に
行うために使用されるものであり、通常、射出成形後の
成形体の形状保持に寄与する熱可塑性プラスチックと射
出成形時の流動性に寄与する熱可塑性プラスチックとが
組み合わせで使用される。

【００１０】この形状保持に寄与する熱可塑性プラスチ
ックとしては、メルトフローレート（MFR, ASTM D 123
6, 230℃) が 100〜300 ｇ／10分の範囲にある熱可塑
性樹脂、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチ
レン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリレート共
重合体、ポリスチレン等を例示することができる。 MFR
が 100ｇ／10分よりも低い場合には、射出成形性が不満
足なものとなり、また 300ｇ／10分よりも高い場合に
は、射出成形体の強度や形状保持性が低くなる。

【００１１】また射出成形時の流動性に寄与する熱可塑
性プラスチックとしては、ビカット軟化点 (JIS K 720
6) が50〜90℃の範囲にあるワックス類、例えばパラフ
ィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、低分子
量ポリエチレンワックス、変性ワックス、アタクチック
ポリプロピレン等を挙げることができる。この軟化点が
50℃よりも低い場合には、射出成形のサイクルタイムが
長くなり、また軟化し易いために成形時の作業性が悪く
なる等の不都合を生じる。さらに軟化点が90℃よりも高
い場合には、流動性が低下し、また熱分解点が高くなる
ので、脱バインダー性が低下する。

【００１２】これらの形状保持に寄与する熱可塑性プラ
スチックと射出成形時の流動性に寄与する熱可塑性プラ
スチックとは、その種類によっても異なるが、一般に重
量基準で、４：１〜１：４、特に３：１〜１：３の割合
で使用されることが好適である。本発明において、上述
したバインダー材は、前述したポリビニルアルコールと
の合計量で、混練物当たり、35〜70容量％の割合で使用
されることが必要である。35容量％よりも少ないと、混
練物の流動性が低下して射出成形が困難となり、また75
容量％を超えると、脱バインダーが非常に困難となり、
最終製品の透光性が低下する等の不都合を生じる。また
バインダー材との混練は、ニーダー、各種ミキサー等の
混練装置を用いて容易に行うことができる。

【００１３】工程(d);次いで、前記工程(c) で調製され
た混練物を所望の型を有する金型内に射出し、目的とす
る型を有する成形体を得る。この射出成形は、通常のプ
ラスチックの射出成形で用いられている設備、装置をそ
のまま利用して行うことができる。射出条件は、一般に
加熱温度80〜200 ℃、射出圧力 500〜2000kg／cm²とす
ることが望ましい。

【００１４】工程(e);次いで、上記成形体について脱バ
インダーを行い、成形体に含まれているポリビニルアル
コール及びバインダー材の除去を行う。この脱バインダ
ーは、通常、大気中あるいは窒素ガス等の不活性雰囲気
中での加熱により行われる。加熱温度は、一般的に 400
〜600 ℃の範囲である。

【００１５】工程(f);上記の脱バインダーに引き続いて
焼結処理が行われる。本発明においては、この焼結を水
素雰囲気中あるいは真空中で行うことが必要である。一
般に、焼結の最終段階では、通常、結晶粒内に小さいポ
アが存在しており、このポアを消滅することが透光性を
向上させる上で重要となる。即ち、水素中で焼結を行う
と、このポア内には水素が残存することになるが、水素
は拡散性に優れているために、容易にポアから結晶粒界
を通って焼結体から排出される。この結果として、ポア
はイオンの拡散により、容易に消滅することになる。ま
た真空中ではポア内には殆ど気体が存在しないために、
同様にして、ポアはイオンの拡散により容易に消滅する
のである。従って、水素雰囲気中あるいは真空中での焼
結により、透光性に優れたセラミックスが得られるので
ある。

【００１６】また焼結温度は1600〜2000℃、特に1700〜
1900℃の範囲とされる。1600℃よりも低い温度では、得
られる焼結体の相対密度が充分に向上せず、その結果と
して、透光性が低下し、また2000℃より高い温度で焼結
を行うと、焼結体表面からマグネシウムが蒸発し、その
結果として焼結体表面の相対密度が向上せず、透光性と
ならずに白色化することになる。かかる焼結は、焼結体
の相対密度が99％以上となる程度に行われる。

【００１７】かくして得られるセラッミクスは、酸化マ
グネシウムが 0.01〜0.2 重量％及び残部が酸化アルミ
ニウムという組成を有しており、可視光領域における透
光性が極めて優れている。例えば、後述の実施例から明
らかな通り、１mmでの厚みにおけるインライン透過率が
60％以上の範囲にあるものである。このインライン透過
率は、一定厚さの試料に対して、一定強度の平行光線を
入射した時の入射光強度に対する一定角度内に入射する
透過光強度の比率を示すものである。

【００１８】

【実施例】実施例１〜６平均粒径が0.15μm の酸化マグネシウム粉末と、平均粒
径が0.53μm の酸化アルミニウム粉末とを用いて、酸化
マグネシウム含量を表１に示す様に種々変えて混合粉末
を調製した。次いで、ポリビニルアルコール（平均重合
度：1700、平均ケン化度：88％）を、表１に示す様に、
その添加量を種々変えて上記混合粉末に添加し、遠心式
スプレードライヤーを用いて顆粒化し、均一分散物を調
製した。調製された均一分散物（顆粒）の中心粒径は、
何れもほぼ50μm である。これら均一分散物の各々に、
バインダー材として各種熱可塑性プラスチックを加え、
プラネタリーミキサーで混練物を調製した。用いた熱可
塑性プラスチックの種類及びその添加量は表１に示した
通りである。尚、この熱可塑性プラスチックと前記ポリ
ビニルアルコールとの合計量での容量％も併せて表１に
示す。

【００１９】この混練物を、射出成形機にて、射出温度
100℃及び射出圧 600kg／cm²の条件で射出成形し、直
径が10mm、厚さ２mmの円盤状の成形体を得た。次いで、
空気気流中で、この成形体を加熱しながら（加熱温度；
500℃）脱バインダーを行い、さらに水素気流中におい
て、1800℃の温度で６時間焼結を行った。得られた焼結
体表面をダイヤモンドで研磨し、厚さを１mmに揃えた
後、吸光度計を用いて可視光領域（ 300nm〜1100nm）で
インライン透過率を測定した。測定結果を表１に示す。

【００２０】比較例１〜６比較のために、前記酸化マグネシウム、ポリビニルアル
コール及びバインダー材である熱可塑性プラスチックの
使用量を種々に変えた以外は、上記実施例と同様にして
焼結体を作成し、そのインライン透過率の測定を行っ
た。測定結果を表２に示す。尚、比較例１及び２は、酸
化マグネシウムの使用量が本発明の範囲外であり、比較
例３及び４は、ポリビニルアルコールの使用量が本発明
の範囲外であり、比較例５及び６は、ポリビニルアルコ
ールと熱可塑性プラスチックの配合量の合計量が本発明
の範囲外の例である。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】表中、ポリビニルアルコール及びバインダ
ー材の添加量は、それぞれ当該成分を添加して得られた
ときの混合物当りの重量％で示した。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、射出成形法を使用し
て、三次元的に複雑な形状を有し且つ透光性に優れたセ
ラミックス成形品を有効に製造することが可能となる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】(a) 0.01〜0.2 重量％の酸化マグネシウム
粉と残部が酸化アルミニウム粉の組成となるように混合
粉末を調製する工程、 (b) 前記混合粉末に、ポリビニルアルコールを全体の１
〜10重量％となるように混合して、酸化マグネシウム粉
を酸化アルミニウム粉中に均一に分散させる工程、 (c) 酸化マグネシウム粉が均一に分散された前記混合粉
末に、バインダー材を、該バインダー材と前記ポリビニ
ルアルコールとの合計量が全体の35〜70容量％となるよ
うに添加して混練する工程、 (d) 前記混練物を所定形状の成形体に射出成形する工
程、 (e) 前記成形体から、前記ポリビニルアルコール及びバ
インダー材を除去する工程、及び、 (f) 前記ポリビニルアルコール及びバインダー材が除去
された成形体を、水素雰囲気または真空中において、16
00〜2000℃で焼結する工程、から成る透光性セラミックスの製造方法。