JPH08119751A

JPH08119751A - セラミックス焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH08119751A
Application number: JP6289069A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 宏田中; Keizo Uematsu; 敬三植松
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 1996-05-14

Abstract

(57)【要約】【構成】予備成形体を作製した後、この予備成形体に
加湿処理を施す工程を含んでいるセラミックス焼結体の
製造方法。【効果】加湿処理により成形体中のバインダに水分を
吸収させてガラス転移温度を低下させ、成形体中の顆粒
を塑性変形し易くし、成形体中の気孔を減少させて高密
度化し、より均質な成形体とすることができる。その結
果、製造する焼結体の気孔量を減少させて均質なものと
し、焼結体の曲げ強度やワイブル係数等の機械的特性及
びＱ値等の電気的特性を大きく改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス焼結体の製
造方法に関し、より詳細には機械的特性や電気的特性等
の改善されたセラミックス焼結体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスの製造プロセスの中で最も
一般的で汎用性が高いのが顆粒の加圧圧縮成形工程であ
る。この工程はまずセラミックス原料粉末、焼結助剤、
水及びＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の有機質成形
助剤（バインダ）等を湿式混合してスラリ化した後、こ
のスラリをスプレードライヤー（噴霧乾燥機）により噴
霧乾燥し、３０〜１５０μｍの流動性の良い球状顆粒を
作製する。次に、この顆粒を成形用金型に入れて加圧圧
縮成形（予備成形）した後、静水圧成形等を行い、必要
によっては機械加工等を行って形状を整え、脱バインダ
工程及び焼成工程を行うことによりセラミック焼結体を
製造している。

【０００３】上記方法により作製された顆粒は高い流動
性を有し、予備成形を行う際には金型中に均一に充填さ
れる。しかし、顆粒の硬さや強度を調整するのは難し
く、予備成形時に壊れにくく、成形体中に顆粒の形状に
起因する亀裂状の気孔を含む不均一な部分が生じること
になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この亀裂状の気孔は静
水圧成形等を行った後も内部に残留するため、焼成後に
焼結体の内部に大きな欠陥が存在することになり、焼結
体の強度等の機械的特性が大きく低下するという課題が
あった。また、これら焼結体内部の不均一性はセラミッ
クス焼結体の電気的特性にも悪影響を及ぼし、例えばＱ
値が大きく低下するという課題もあった。

【０００５】これらの課題を解決するため、特公平５−
１２３０２号公報においては、セラミックス成形体のバ
インダを加熱除去した成形体に水分等を添加して流動性
を付与した後、静水圧加圧を施し、次いで焼成する方法
が提案されており、この方法により、加熱除去後に形成
される成形体中の粗大気孔が潰れ、引き続いて行われる
焼成工程において均質で緻密な焼結体を得ることができ
るという効果を奏することが記載されている。

【０００６】しかし、この方法においては、静水圧加圧
を施す対象となる成形体は有機質成形助剤が除去されて
いるため強度が極めて低く、ハンドリング時に加わる応
力に耐えられず破損し易くなるという別の大きな問題が
発生する。

【０００７】また、特公平５−４３６６１号公報におい
ては、セラミックス成形体に機械加工を施した後、機械
加工の施されたセラミックス成形体に静水圧加圧処理を
施し、次いで焼成する方法が提案されており、この方法
によっても上記公報に記載された発明の効果と同様の効
果を奏することが記載されている。

【０００８】この方法においては、特に機械加工を施す
前に成形助剤を加熱除去し、成形体を脆くすることで静
水圧成形の効果を大きくするのが望ましいことが記載さ
れており、実施例にも成形助剤を除去後に機械加工を施
し、その後静水圧成形する方法が記載されている。

【０００９】しかし、このようなバインダを予め除去し
ておく方法では、前記特公平５−１２３０２号公報に記
載された方法と同様にハンドリング時に破損し易いとい
う問題が発生する。

【００１０】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、その内部が均質で、欠陥が殆ど無く、機械的
特性及び電気的特性に優れたセラミックス焼結体を製造
する方法を提供することをを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るセラミックス焼結体の製造方法は、予備
成形体を作製するに続き、該予備成形体に加湿処理を施
す工程を含んでいることを特徴としている。

【００１２】本発明に係るセラミックス焼結体の製造方
法において、製造の対象となるセラミックス焼結体は特
に限定されるものではなく、その具体例としては、例え
ばアルミナ、ジルコニア、マグネシア、フォルステライ
ト、ステアタイト、ムライト等の酸化物系セラミックス
や窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素
等の非酸化物系セラミックス等が挙げられる。

【００１３】本発明に係るセラミックス焼結体の製造方
法においては、まずセラミックス原料粉末、焼結助剤等
の他のセラミックス粉末、水（有機溶媒）及びバインダ
を所定の量とって湿式混合を行い、スラリー化する。

【００１４】セラミックス原料粉末や焼結助剤等の他の
セラミックス粉末の好ましい粒径は、その種類にもよる
ため一概には言えないが、例えばアルミナ粉末の場合は
０．１〜２μｍが好ましい。用いるバインダは水溶性の
ものが好ましく、例えばＰＶＡ、ＣＭＣ（カルボキシメ
チルセルロース）等が挙げられ、その含有量はセラミッ
クス粉末全体に対して１〜５ｗｔ％程度が好ましい。

【００１５】スプレードライヤを用いて作製する顆粒の
直径は、６０〜１００μｍ程度が好ましい。

【００１６】次に、前記工程により得られた顆粒を金型
に入れて予備成形体を作製する。通常、この成形は一軸
加圧成形であり、このときの圧力は、１００〜５００ｋ
ｇ／ｃｍ² 程度が好ましい。

【００１７】このようにして得られた予備成形体に加湿
処理を施す。加湿処理を施す方法は特に限定されるもの
ではないが、その方法としては、例えば所定の温度下に
予備成形体を置き、水蒸気を成形体中の気孔やバインダ
に付着又は吸着させる方法が挙げられる。通常、８０％
以上の湿度下、２５〜３５℃の温度で４０〜５０時間放
置することにより水分を付着させる。しかし、短時間で
加湿処理を行いたい場合には、オートクレーブ等を用
い、できるだけ１００％に近い湿度下で温度を上げ、加
圧する方法もある。

【００１８】好ましい水分量は使用する成形助剤のガラ
ス転移温度等によって異なるが、セラミックス原料粉末
に対して０．５ｗｔ％以上であれば従来方法より成形体
の均質性は向上する。成形体中の水分量は１．５〜２．
０ｗｔ％がより好ましい。

【００１９】予備成形体を加湿処理した後、静水圧成形
等を行う。静水圧成形では、加湿処理が施された成形体
をビニールやゴムなどの容器に封入するか、又は前記成
形体の表面にゴムなどの樹脂を塗布した後、水などの液
体で成形体全体に均一に圧力をかけることにより２度目
の加圧成形を行う。圧力は１０００ｋｇ／ｃｍ² 以上が
好ましく、１２００〜２０００ｋｇ／ｃｍ² がより好ま
しい。１０００ｋｇ／ｃｍ² 未満の圧力では成形体内部
に形成されている気孔が潰れにくい。

【００２０】その後、バインダの除去工程及び焼成工程
を行うことによりセラミックス焼結体の製造が完了す
る。前記工程は従来と同様の条件で行うことができる。

【００２１】本発明に係るセラミックス焼結体の製造方
法により得られた焼結体は、種々の用途に使用すること
ができるが、例えばアルミナセラミックスの場合には、
マイクロ波プラズマ処理装置の窓材、ウエハクランプリ
ング、誘電体セラミックスの場合には、自動車電話にお
ける中継基地等の用途に好適である。

【００２２】

【作用】上記した構成によれば、予備成形体を作製した
後、バインダを除去することなく、前記予備成形体に加
湿処理を施す。

【００２３】通常、バインダのガラス転移温度は、水分
を含まないときは室温より高い。そのため顆粒は弾性体
として振る舞い、予備成形時の圧力印加時に一旦変形し
ても、圧力を取り去ると元の形状に戻るものが存在し、
成形体は低密度となり、気孔が存在するようになる。該
状態はその後に高い圧力で静水圧成形を行っても余り変
わらない。

【００２４】しかし本発明においては、前記加湿処理に
より成形体中のバインダは水分を吸収してガラス転移温
度の低下が生じる。このため、成形体中の顆粒は塑性変
形し易くなり、静水圧加圧により顆粒同士の密着性が向
上し、成形体中の気孔量は減少して高密度化し、より均
質な成形体となる。

【００２５】その結果、焼結して得られる焼結体は気孔
の少ない均質なものとなり、機械的特性（例えば曲げ強
度、ワイブル係数等）が向上し、さらに電気的特性、特
にＱ値が向上する。従って、前記焼結体をマイクロ波プ
ラズマ処理装置の窓材等として使用した場合には、その
強度が大きく、かつ誘電損失による発熱がないため耐久
性に優れ、マイクロ波の透過率が高い優れた性能を有す
る窓材となる。

【００２６】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るセラミックス
焼結体の製造方法の実施例を説明する。

【００２７】平均粒径０．４〜０．５μｍのα−アルミ
ナ粉末（住友化学製ＡＫＰ−３０）１００重量部に対
して水を６０重量部、ポリカルボン酸アンモニウム系分
散剤０．３重量部、及びＰＶＡバインダ（クラレ製Ｐ
ＶＡ２０５重合度：５００鹸化度：８８．０ｍｏｌ
％）２重量部を添加し、ボールミルで１６時間混合する
ことによりスラリ化した。次に、このスラリをスプレー
ドライヤーで噴霧乾燥することにより平均粒径約８０μ
ｍの球状顆粒を作製した。

【００２８】次に、この顆粒を金型に入れ圧力３００ｋ
ｇ／ｃｍ² で一軸プレスし、１００ｍｍ×５０ｍｍ×１
０ｍｍの予備成形体を作製した。その後、温度２５℃の
恒温室内に水を張って飽和水蒸気圧（湿度１００％）に
保ったデシケーター中に予備成形体を入れ、保持する時
間を変化させたり、乾燥剤を投入したりすることにより
セラミックス原料粉末に対する水分量が０．５ｗｔ％
（実施例１）、０．８ｗｔ％（実施例２）、１．４ｗｔ
％（実施例３）、及び１．８ｗｔ％（実施例４）となる
ように調節した。

【００２９】次に、上記水分を含有するそれぞれの予備
成形体を静水圧１２００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で加圧した
後、温度１００℃で３時間乾燥した。そして、乾燥後の
成形体を昇温速度１０℃／時間で加熱した後、最高温度
１６５０℃で２時間保持することにより焼結体を製造し
た。なお、形成体中の水分量の測定は水分測定装置（島
津製作所製ＥＢ−２８０ＭＯＣ）により行った。

【００３０】比較例として、加湿処理を行わなかった他
は上記実施例と同様の方法により焼結体を製造し（比較
例１）、また以下の従来法により比較例としての別の焼
結体を製造した。

【００３１】まず、実施例の場合と同様の条件で予備成
形体を作製した後、１００℃で２時間乾燥し、さらに５
００℃に加熱することによりバインダを除去した。その
後、実施例の場合と同様に加湿処理を施し、水分を２ｗ
ｔ％含有させ、実施例の場合と同様に焼成を行った（比
較例２）。

【００３２】このようにして得た焼結体につき、アルキ
メデス法により焼結体の密度を求め、ＪＩＳＲ１６０１
に従い曲げ強度評価を行い、曲げ強度のバラツキを調べ
るためのワイブル係数を測定した。また、ネットワーク
アナライザ（ヒューレットパッカード社製ＨＰ−８７
５７Ａ）を用いてＱ値の測定を行った。さらに、焼結前
に機械加工を実施することを予想し、静水圧成形後の成
形体の密度及び強度を測定した。

【００３３】次に、仮焼体の構造を調べるために、上記
実施例及び比較例の場合に形成した焼結直前のサンプル
と同様のものを、８００℃で１時間熱処理を行い、破断
面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。ま
た、得られた焼結体の内部構造は、試料を平面研削板で
０．１ｍｍ程度の薄片に削り出し、その両面を３μｍの
ダイアモンド砥粒で鏡面研磨後、透過型光学顕微鏡（日
本光学工業製ＯＰＴＩＰＨＯＴ）で観察した。

【００３４】各実施例及び比較例の場合における静水圧
成形後の成形体の密度と曲げ強度、及び焼成後の焼結体
の密度、曲げ強度、及びワイブル係数を下記の表１に示
している。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１の結果よりわかるように、成形体中の
バインダを除去した後に水分を添加する比較例２の場合
では、実施例の場合と比べて曲げ強度やワイブル係数も
大きくなっている。従って、焼結体中の欠陥は小さく、
強度もバラツキも少ないと考えられる。しかし、成形体
の曲げ強度が非常に小さく、ハンドリングが非常に難し
く、機械加工等を行う際には破損する確率が高いため、
実用には適さない。

【００３７】一方実施例の場合には、焼結体の強度やワ
イブル係数は、加湿処理を行っていない比較例１の場合
と比べていずれも高くなっており、この事実は焼結体中
の欠陥が小さくなると同時に、欠陥の大きさのバラツキ
が小さくなって均質化していることを示している。ま
た、成形体の強度に注目すると、水分を添加することに
より曲げ強度が大きく向上していることがわかる。これ
は顆粒同士の接着性が良好なためと考えられる。

【００３８】実際に成形体を作製する際には、ハンドリ
ング性を考慮にいれてもこのように大きな強度は必要と
せず、ハンドリングできる程度の強度であれば全く問題
ないので、逆に成形体を作製する際に添加するバインダ
の量を減少させることができる。成形体中のバインダの
量を減少させると、焼結の際にバインダが成形体中に残
留しにくくなり、機械的特性に優れた焼結体の製造が可
能になる。

【００３９】図１〜４は、それぞれ比較例１の場合（図
１）、実施例２の場合（図２）、実施例３の場合（図
３）、及び実施例４の場合（図４）の静水圧成形後の成
形体の破断面の粒子構造を示したＳＥＭ写真である。こ
の写真から明らかなように、水分が添加されていないも
の（比較例１）ではかなりの数の顆粒の存在、及び顆粒
同士の境界部分がはっきりと認められるが、添加する水
分の量が多くなるに従って観察される顆粒の数は少なく
なり、水分量が１．８ｗｔ％の場合（実施例４）には、
破断面に顆粒の存在が認められない。

【００４０】図５〜８は、それぞれ比較例１の場合（図
５）、実施例２の場合（図６）、実施例３の場合（図
７）、及び実施例４の場合（図８）の焼結体の破断面の
結晶構造を示した透過型光学顕微鏡写真である。この写
真からも明らかなように、水分が添加されていないもの
（比較例１）では顆粒の接着性不良に起因すると考えら
れる線状の大きな欠陥がはっきりと認められるが、添加
する水分の量が多くなるに従って観察される欠陥の数が
少なくなりその大きさも小さくなっている。そして、水
分量が１．８ｗｔ％の場合には、線状の欠陥は全く認め
られない。このように、成形体及び焼結体の構造の解析
より、実施例の場合においては、焼結体の構造が均質化
され、欠陥の大きさが小さくなっており、そのために機
械的特性が改善されていることが実証された。

【００４１】また、図９は実施例１〜４及び比較例１の
場合の焼結体のＱ値と成形体中の水分量との関係を示し
たグラフであるが、成形体中の水分量が大きくなると、
得られた焼結体のＱ値は著しく増大していることがわか
る。このように、焼結体の欠陥の大きさが小さくなり、
均質化されるとＱ値も著しく改善される。

【００４２】以上説明したように実施例に係るセラミッ
クス焼結体の製造方法にあっては、予備成形体を作製し
た後、バインダを除去することなく、前記予備成形体に
加湿処理を施す工程を含んでいるので、前記加湿処理に
より成形体中のバインダに水分を吸収させてガラス転移
温度を低下させ、成形体中の顆粒を塑性変形し易くし、
成形体中の気孔を減少させて高密度化し、より均質な成
形体とすることができる。

【００４３】その結果、製造する焼結体の気孔を減少さ
せて均質なものとし、曲げ強度やワイブル係数を大きく
し、Ｑ値を改善することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る均質な
セラミックス焼結体の製造方法にあっては、予備成形体
を作製するに続き、該予備成形体に加湿処理を施す工程
を含んでいるので、前記加湿処理により成形体中のバイ
ンダに水分を吸収させてガラス転移温度を低下させ、成
形体中の顆粒を塑性変形し易くし、成形体中の気孔を減
少させて高密度化し、より均質な成形体とすることがで
きる。

【００４５】その結果、製造する焼結体の気孔量を減少
させて均質なものとし、焼結体の曲げ強度やワイブル係
数等の機械的特性及びＱ値等の電気的特性を大きく改善
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】比較例１の場合の静水圧成形後の成形体の破断
面の粒子構造を示したＳＥＭ写真である。

【図２】実施例２の場合の静水圧成形後の成形体の破断
面の粒子構造を示したＳＥＭ写真である。

【図３】実施例３の場合の静水圧成形後の成形体の破断
面の粒子構造を示したＳＥＭ写真である。

【図４】実施例４の場合の静水圧成形後の成形体の破断
面の粒子構造を示したＳＥＭ写真である。

【図５】比較例１の場合の焼結体の破断面の結晶構造を
示した透過型光学顕微鏡写真である。

【図６】実施例２の場合の焼結体の破断面の結晶構造を
示した透過型光学顕微鏡写真である。

【図７】実施例３の場合の焼結体の破断面の結晶構造を
示した透過型光学顕微鏡写真である。

【図８】実施例４の場合の焼結体の破断面の結晶構造を
示した透過型光学顕微鏡写真である。

【図９】実施例１〜４及び比較例１の場合の焼結体のＱ
値と成形体中の水分量との関係を示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予備成形体を作製するに続き、該予備成
形体に加湿処理を施す工程を含んでいることを特徴とす
るセラミックス焼結体の製造方法。