JPH08269592A - 導電性サーメットの製造方法 - Google Patents

導電性サーメットの製造方法

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JPH08269592A
JPH08269592A JP8028726A JP2872696A JPH08269592A JP H08269592 A JPH08269592 A JP H08269592A JP 8028726 A JP8028726 A JP 8028726A JP 2872696 A JP2872696 A JP 2872696A JP H08269592 A JPH08269592 A JP H08269592A
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ceramic
noble metal
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sintering
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David Francis Dr Lupton
フランシス ルプトン デイヴィッド
Joerg Schielke
シールケ イエルク
Hans-Joachim Graf
グラフ ハンス−ヨアヒム
Arno Reckziegel
レックツィーゲル アルノ
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Friatec AG
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WC Heraus GmbH and Co KG
Friatec AG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温耐性セラミックおよび貴金属の粉末を混
合し、生地体を形成し、未加工物体を焼結して、金属相
からなるつながりのある網状組織を有するサーメットに
することにより、35容量%以下の貴金属含量を有する
導電性サーメットを製造する公知方法から出発して、高
温耐性材料を基礎とする良好な導電性および高い密度を
有するサーメットの製造を可能にする方法を提供する。 【解決方法】 生地体形成のために僅かな焼結活性を有
する貴金属粉末を使用し、その際生地体を緻密焼結する
場合の貴金属相の体積減少はセラミック粉末により形成
されるセラミック相の体積減少よりも僅かである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温耐性セラミッ
クおよび貴金属の粉末を混合し、粉末混合物からなる生
地体を成形し、生地体を、緻密なセラミック相およびつ
ながりのある、金属相からなる網状組織を有するサーメ
ットの形成下に焼結することにより、35容量%以下の
貴金属分量を有する導電性サーメットを製造する方法に
関する。
【0002】35容量%以下の貴金属分量を有する導電
性サーメットの製造方法は、高温耐性セラミックおよび
貴金属の粉末を混合し、生地体を成形し、生地体を金属
相からなるつながりのある網状組織に焼結することによ
る。
【0003】サーメットとは、セラミック成分および金
属成分の密接な混合物を表わす。このサーメットは、セ
ラミックの耐食性および硬度を金属の導電性および強度
と結合する。サーメットは、たとえば放電灯における電
気のブッシング、点火プラグにまたは電気の質量流量計
におけるセンサ素子の製造に使用される。
【0004】このようなサーメットを製造するための上
記部類の方法は、ドイツ国特許(DE−A)第1265
8647号から公知である。ここには、差し当たり酸化
アルミニウム粉末からなる分散液を、、セラミック相と
金属相との間の接着助剤を形成する硝酸クロムの添加下
に製造することが提案されている。分散液を蒸発濃縮し
た後、製造された個々の粒子に、還元剤の存在下に塩化
白金酸またはテトラミン・塩化白金の溶液にさらし、こ
の溶液から白金を個々の粒子上に析出させることによ
り、貴金属、たとえば白金からなる皮膜を設ける。これ
により、個々の粒子を包含する、大体においてつながり
のある貴金属からなるスケルトン状の組織が得られる。
こうして製造された生地体を約1400℃で焼結した
後、良好な導電性を有するサーメットが得られる。導電
性は、形成された、つながりのあるスケルトン状の金属
相組織に基づく。白金金属の容量割合は、公知サーメッ
トではたとえば約12.5%である。
【0005】この方法を用いると、低い白金含量におい
て良好な導電性を有するサーメットを製造することがで
きる。しかし、僅かな貴金属含量を有するこのようなサ
ーメットの導電性は、約1500℃以上の高い温度で焼
結した後、急速に低下することが判明した。しかし、幾
つかの使用目的には、高い強度または気密な組織が必要
とされる。酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムの
ような高温耐性材料を基礎とする強固で緻密なセラミッ
ク相の製造は、少なくとも1500℃の焼結温度を必要
とする。高い温度で焼結する際の導電性の低下は、たと
えば40容量%の高い貴金属含量によって避けることの
できることが判明した。しかし、高い貴金属含量は必然
的にサーメットの高い材料費と結合している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、良好な導電性および高い密度を有すると同時に貴金
属割合の僅かな高温耐性材料を基礎とするサーメットの
製造を可能にする方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、冒頭に記載
した方法から出発して本発明により、金属相の形成下に
焼結する際に、セラミック相形成の際のセラミック粉末
よりも小さい体積減少および僅かな焼結活性を有する貴
金属粉末を使用することによって解決される。僅かな貴
金属含量を有する生地体を高い温度で焼結する際の導電
性低下に対する可能な説明は、金属相が加熱する際にそ
の表面の縮小および表面エネルギーの減少下に収縮する
ことである。これにより、たとえばつながりのある金属
組織の微細な分枝が分離しうる。その結果、サーメット
の導電性が減少する。これは、生地体形成のために僅か
な焼結活性を有する貴金属粉末を使用することによって
避けられる。これにより、小さい半径を丸くして金属相
の表面縮小を生じる、金属相の焼結を惹起する輸送過程
は全く経過しないかまたは僅かな程度経過するにすぎな
い。生地物体中に実現される貴金属の微細構造は、高い
温度で焼結した後も維持され;金属相の微細な分枝は遮
断されない。貴金属の焼結活性の減少は、多数の公知手
段、たとえば結晶成長阻止添加剤、貴金属粉末の狭い粒
度分布、僅かな表面エネルギーを包含する、粉末の個々
の粒子の形態学によるかまたは粉末全体の僅かな比表面
積によって達成することができる。有利には、使用した
セラミック粉末は高い焼結活性を有する。
【0008】生地体を緻密焼結する際の金属相の体積減
少は、セラミック粉末により形成されるセラミック相の
体積減少よりも僅かであることにより、緻密焼結の経過
中に、金属相の収縮性生地体中で利用される相対的体積
が減少する。セラミック相は、いわば貴金属粉末の骨組
上に収縮する。その際、むしろ生地体中に互いに分離し
て存在する貴金属含有範囲は互いに結合しうる。貴金属
含有範囲の微細な分枝の分離は阻止される。従って、緻
密焼結されたサーメットの導電性は、生地体の導電性よ
りも高い。この効果は、セラミック相および金属相の体
積減少が大きく相違すればするほど、ますます顕著であ
る。焼結する際のそれぞれの体積減少の間にできるだけ
大きい差異を形成するために、非常に小さい体積減少を
有する貴金属粉末および/または非常に大きい体積減少
を有するセラミック粉末を選択することができる。
【0009】生地体の形成に使用された粉末の体積減少
は、膨張計測定により確かめられる。このために、相当
する膨張計試験片を、貴金属粉末およびセラミック粉末
の冷間プレス加工によって製造する。これらの測定の
際、事情によっては貴金属粉末においてむしろ加熱する
際に体積増加が観察される。この体積増加は、たとえば
前製造した試験片の緩和過程によって説明される。これ
に関して、請求項1に“小さい”と記載した、貴金属粉
末を焼結する際の体積減少は体積増加とも理解される。
【0010】貴金属粉末は、セラミック粉末よりも僅か
な焼結活性を有する。貴金属粉末およびセラミック粉末
の焼結活性の比較は、それぞれの粉末の冷間前圧縮され
た試験片を、粒子成長の観察下に加熱することによって
行われる。粒子成長が低い温度で起きるような粉末は、
僅かな焼結活性を有する。
【0011】BET法により測定して1m2/gよりも
小さい、とくに0.1m2/gよりも小さい比表面積を
有する貴金属粉末を使用する場合に、とくに良好な結果
が得られる。かかる粉末においては、焼結活性は僅かな
表面エネルギーに基づき特に低い。従って、このような
粉末を用いて製造された、生地体中の構造および網状組
織は、1500℃以上の温度で焼結する場合にも維持さ
れる。
【0012】50重量%が20μmよりも小さい、とく
に15μmよりも小さい粒度を有し、10重量%が少な
くとも2μm,とくに少なくとも4μmの粒度を有する
貴金属粉末を使用するのが有利であることが判明した。
このような粉末は、比較的狭い粒度分布および緩慢な焼
結に有利な平均粒度を有する。非常に小さい粒子は、そ
の小さい半径に基づき高い表面エネルギー、ひいては高
い焼結活性を有するので、できるだけ避ける。小さい粒
子のほかに非常に大きい原料粒子は、増強された粒子成
長、“巨大粒子”の周りの範囲で貴金属が乏しくなるい
いわゆる巨大粒子成長を経験する。この貴金属貧化が、
線条細工の網状組織の分離を生じ得る。狭い粒度分布
は、焼結速度を付加的に減少する。
【0013】BET法により測定した比表面積が貴金属
粉末の比表面積よりも少なくとも20倍大きいセラミッ
ク粉末を使用する方法が好ましい。比表面積は、焼結活
性の尺度である。貴金属粉末と比べて比較的大きい比表
面積を有するセラミック粉末においては、高い焼結活性
が期待される。それとともに、セラミック相の早期体積
減少が保証されている。この点で、貴金属粉末の少なく
とも1/10の平均粒度を有し、その際セラミック粉末
の少なくとも90重量%が最大5μmの粒度を有するセ
ラミック粉末を使用するのが有利であることが判明し
た。
【0014】生地体を緻密焼結する際の金属相の体積減
少がセラミック相の体積減少の少なくとも5%、とくに
10%小さい貴金属粉末を使用するのがとくに有利であ
ることが判明した。体積収縮率だけが重要であるので、
適当な原料物質の選択は貴金属粉末の代わりにセラミッ
ク粉末を目指していてもよい。冒頭に既に説明したよう
に、特定の事情の下では貴金属粉末において観察される
体積収縮はゼロまたはむしろマイナスであってもよい。
【0015】有利には、体積減少が金属相の体積収縮よ
りも低い温度で起きるセラミック粉末が使用される。こ
れにより、金属相は緻密焼結の間どの時点でも生地体内
で、そのもとの相対的体積よりも大きい相対的体積を利
用することが確保されている。こうして、金属相の微細
な分枝の分裂が阻止される。
【0016】貴金属粉末として白金粉末を使用し、高温
耐性セラミックが酸化アルミニウムを含有し、かつ15
00℃〜1750℃の温度、とくに白金の融点に接近し
ている温度で焼結する方法が特に有利であることが判明
した。この場合、とくに緻密なサーメットが製造され
る。このような方法を用いると、下方へ25容量%まで
の白金含量においても非常に高い導電性を有する緻密焼
結されたサーメットが製造できることが判明した。好ま
しい焼結温度は、約1700℃である。
【0017】本発明の1実施例は図面に示されており、
下記に詳述する。
【0018】
【実施例】図1および2による2つの検鏡試片の2成分
図には、セラミック相が黒、金属相が白く示されてい
る。セラミック相は、その都度酸化アルミニウムであ
り、金属相は白金である。
【0019】図1による先行技術のサーメットは、白金
約40容量%を含有する。セラミック相は、主としてA
23からなり、緻密焼結されていない。従って、この
サーメットの焼結温度は1650℃以上に設定されてい
た。
【0020】検鏡試片画像で注目すべきは、差し当たり
断面の幅広部分の分布は金属相である。殊に、幾つかの
非常に大きい面が認められる。金属相のこの大きいつな
がりのある範囲は非常に多数の細孔を有する。さらに、
金属相の個々の範囲は多数の尖った縁ないしは小さい半
径を備えていることは明らかである。明らかに、このサ
ーメットの製造には非常に高い焼結活性を有する粉末が
使用されている。高い焼結活性は、たとえば上記の非常
に大きい範囲において金属相の集中を生じ得る。この範
囲は、サーメットの導電性にさほど関与しない。反対
に、この範囲は与えられた白金含量において導電性を低
下する。それというのもこの範囲内に導電性材料は集中
しており、それに応じて他の箇所には存在しないからで
ある。さらに、図1から明白な、セラミックおよび金属
の熱膨張係数の相違のため金属相の不均一な分布は、サ
ーメット内に応力をも惹起し、それ故強度の減少を生じ
る。
【0021】検鏡試片画像が図2に2成分図で示されて
いるサーメットは、30容量%の白金含量を有し;残り
は主として酸化アルミニウムからなる。原料粉末から混
合され、成形された生地体は、1700℃で緻密焼結さ
れる。
【0022】図1の検鏡試片と比較して、図2の2成分
図においてはセラミック相中に金属相の均一な分布を有
する。高い導電性には、図2による検鏡試片画像にも示
されているように、金属相の断面がせいぜい1000μ
2、とくに800μm2以下の面積を有しかつ面積分布
曲線がその最大値から大きい値に非常に急勾配で降下す
る場合に有利であることが判明した。画像における金属
範囲の断面のこのような狭い大きさ分布は、サーメット
における金属範囲の均一な分布および微細な分枝構造の
証明である。
【0023】さらに、図1との比較から、金属相を有す
る範囲は図2によるサーメットにおいては全部若干丸み
を帯びた形、殊に丸くされた縁が特徴である事が明らか
である。このことは、原料粉末の僅かな焼結活性の徴候
である。細孔は殆ど認められない。
【0024】上記の記載は、図3〜5に示した統計的画
像分析によって支持される:図3には、図2に示した検
鏡試片画像の金属相の分布に関する統計的画像分析の結
果がヒストグラムにより示されている。ヒストグラムの
X軸上には、単位μmで金属相を有する範囲の外側境界
線の長さが、長さの等級に細分してプロットされてお
り;Y軸はそれぞれの長さの等級の絶対頻度を表わす。
それによれば、頻度の最大は周囲の長さ約16μmの範
囲にあり、その際頻度分布は短い長さ方向では急速に降
下し、長い長さ方向では若干緩慢に降下する。しかし、
頻度分布は総じて比較的狭い。頻度曲線の中央値は32
μmにある。図示の線図下方の記載から、それぞれの長
さの等級における頻度が個々に列記されている。
【0025】図4には、同様にヒストグラムの形で、合
計9の統計的に選択された画像部分における金属相の面
積成分が示されている。ヒストグラムは、すべての選択
された画像部分において金属相により覆われた面積成分
は殆ど一定に29%であることを印象深くはっきりさせ
る。このことも、金属相の一様な分布を示唆する。
【0026】図5による画像分析においては、別の頻度
分布が同様にヒストグラムの形で示されている。この場
合、X軸は、金属相を有する隣接範囲間の距離をμmで
表わし、Y軸はその都度の距離等級の絶対頻度を表わ
す。それによれば、頻度の最大は289〜394μmの
距離等級に存在する。平均距離は260μmと記載され
る。頻度数分布は、長い距離の方へ急勾配で降下し、短
い距離の方へは若干平らに降下する。しかし、総じて頻
度数分布は非常に狭い。
【0027】図3〜5に表した統計的画像分析は、本発
明によるサーメットにおける金属相の一様な分布を証明
する。
【0028】図6には、本発明によるサーメットの製造
に使用されたAl23粉末および白金粉末の膨張計測定
の結果が示されている。膨張計測定の実施のためには、
粉末から冷間プレス加工によりプレス加工品を製造す
る。Al23粉末プレス加工品の長さは39.31mm
であり、白金粉末プレス加工品の長さは23.48mm
であった。
【0029】図6に示した線図のX軸には時間がmin
で、左のY軸には温度が℃でかつ右のY軸にはプレス加
工品で測定した長さの変化がプロットされている。線図
には、最初の急速な加熱相は相1で示され、それに続く
緩慢な加熱相は相2で示されかつ約1600℃の一定の
高い温度範囲は相3で示されている。相当する温度経過
は、線図に参照数字4で示されている。さらに、線図に
はAl23粉末プレス加工品で測定した膨張測定曲線5
および白金プレス加工品で測定した膨張測定曲線6が記
入されている。
【0030】膨張測定曲線の経過から、Al23粉末プ
レス加工品における体積減少の開始は約1400℃の温
度であることが認められる。温度増加と共にプレス加工
品の長さは急速に減少し、これは迅速な焼結を示唆す
る。Al23プレス加工品の不可逆的な長さの収縮は、
総じて13.8%である。
【0031】白金粉末プレス加工品の膨張測定曲線5
は、温度増加による長さの減少を示さない。反対に、約
1500℃の高い温度で焼結するにも拘らず約6%の不
可逆的長さの増加が確認された。これから、白金粉末の
場合膨張計測定の最大温度でも焼結は起きなかったこと
が明らかとなる。それというのもこの場合には試料の長
さの減少が観察されねばならないからである。
【0032】図示6による膨張計測定の結果は、サーメ
ットの製造に使用された白金粉末はAl23粉末に比し
て僅かな焼結活性を特徴とし、そのため約1600℃の
焼結温度において体積減少を観察できないことを明確に
する。それに対して、サーメットの製造に使用されたA
23粉末はこの温度において非常に明瞭な体積収縮を
示す。首尾一貫して、両粉末の均質な混合物においても
セラミックのAl23相はより迅速に焼結し、その際い
わば生地体中に形成された三次元の白金骨組上へ収縮
し、これによって該骨組を硬化し、サーメットの導電性
を惹起する。
【0033】次ぎに、本発明によるサーメットの製造に
適した原料粉末を他の実施例につき詳細に説明する。
【0034】白金25容量%、残りAl23を有する生
地体の形成のために、0.06m2/gのBET比面積
を有する白金原料粉末を使用する。その平均粒度は10
μmであった。白金粉末の約80重量%は4μ〜20μ
mの粒度範囲内に存在していた。総じて、白金粉末は非
常に僅かな焼結活性を特徴とする。従って、白金粉末で
一度未加工物体中に達成された構造は、1700℃で焼
結する際にも大体において維持される。
【0035】使用されたAl23原料粉末は、約1μm
の平均粒度を有していた。Al23原料粉末の90重量
%は3μm以下の粒度を有していた。そのBET比表面
積は4m2/gであった。Al23原料粉末は、白金粉
末と比べて明らかに高い焼結活性を特徴とする。緻密焼
結する場合Al23原料粉末から形成されたセラミック
相、白金粉末から形成された金属相よりも著しく大きい
体積減少を経験することが判明した。その際、約140
0℃の温度でセラミック相において明らかな体積減少が
起き、金属相においてはいかなる体積の変化も確認でき
ない。両方の原料粉末におけるこの相違は付加的に、生
地体中で金属相により形成される構造を安定にし、その
うえセラミック相が金属相上に収縮することにより硬化
するのに寄与する。これにより、網細工状の、つながり
のある白金含有範囲からなる微細分枝構造が生じ、該構
造は緻密焼結されたサーメットにおいて高い導電性を生
じる。
【0036】本発明による方法により製造され、緻密焼
結された、25〜30容量%の白金含量および約10m
mの直径を有するタブレット状サーメットにおいて、6
mmの厚さにわたり10オーム以下の電気抵抗が測定さ
れた。
【図面の簡単な説明】
【図1】市販サーメットの検鏡試片の二成分図
【図2】本発明方法により製造されたサーメットの検鏡
試片の二成分図
【図3】図2に示した検鏡試片画像の統計的評価のヒス
トグラム
【図4】図2に示した検鏡試片画像のもう1つの統計的
評価のヒストグラム
【図5】図2に示した検鏡試片画像の別の統計的評価の
ヒストグラム
【図6】本発明によるサーメットの製造に使用されたセ
ラミック粉末および貴金属粉末における膨張計測定の結
果の膨張/温度/時間線図
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成8年4月22日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】市販サーメットの二成分組織を示す検鏡試片の
顕微鏡写真
【図2】本発明方法により製造されたサーメットの二成
分組織を示す検鏡試片の顕微鏡写真
【図3】図2に示した検鏡試片画像の統計的評価のヒス
トグラム
【図4】図2に示した検鏡試片画像のもう1つの統計的
評価のヒストグラム
【図5】図2に示した検鏡試片画像の別の統計的評価の
ヒストグラム
【図6】本発明によるサーメットの製造に使用されたセ
ラミック粉末および貴金属粉末における膨張計測定の結
果の膨張/温度/時間線図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596021252 フリアテック アクチエンゲゼルシヤフト ドイツ連邦共和国 マンハイム シュタイ ンツォイクシュトラーセ 50 (72)発明者 デイヴィッド フランシス ルプトン ドイツ連邦共和国 ゲルンハウゼン アム ライン 8 (72)発明者 イエルク シールケ ドイツ連邦共和国 ブルッフケーベル シ ュヴァイツァーガッセ 1 (72)発明者 ハンス−ヨアヒム グラフ ドイツ連邦共和国 マンハイム ラインフ ェルテンシュトラーセ 1 (72)発明者 アルノ レックツィーゲル ドイツ連邦共和国 フランクフルト アル ントシュトラーセ 1

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 耐高温セラミックおよび貴金属の粉末を
    混合し、粉末混合物からなる生地体を成形し、生地体を
    緻密なセラミック相および金属相からなるつながりのあ
    る網状組織を有するサーメットの形成下に焼結すること
    により35容量%以下の貴金属含量を有する導電性サー
    メットを製造する方法において、焼結する際に金属相の
    形成下に、セラミック相を形成する際のセラミック粉末
    よりも小さい体積減少および僅かな焼結活性を有する貴
    金属粉末を使用することを特徴とする導電性サーメット
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 BET法により測定して、1m2/gよ
    りも小さい比表面積を有する貴金属粉末を使用すること
    を特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 少なくとも10μmの平均粒度を有する
    貴金属粉末を使用し、その際貴金属粉末の最大10重量
    %は2μm以下の粒度を有することを特徴とする請求項
    1または2記載の方法。
  4. 【請求項4】 BET法により測定した比表面積が、貴
    金属粉末の比表面積よりも少なくとも係数20だけ大き
    いセラミック粉末を使用することを特徴とする請求項1
    から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 【請求項5】 少なくとも貴金属粉末の1/10の平均
    粒度を有するセラミック粉末を使用し、その際セラミッ
    ク粉末の少なくとも90重量%は最大5μmの粒度を有
    することを特徴とする請求項1から4までのいずれか1
    項記載の方法。
  6. 【請求項6】 焼結する際の体積の減少が、セラミック
    相形成の際のセラミック相の相当する体積減少よりも少
    なくとも5%小さい貴金属粉末を使用することを特徴と
    する請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 【請求項7】 貴金属粉末の体積減少よりも低い温度で
    体積減少が起きるセラミック粉末を使用することを特徴
    とする請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 【請求項8】 貴金属粉末として、白金粉末を使用し、
    高温耐性セラミックが酸化アルミニウムを含有しかつ1
    500℃〜1750℃の温度で焼結することを特徴とす
    る請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
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