JPH09255429A - 窒化物系セラミックス複雑形状品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、窒化物系セラミックスの一軸加圧
焼結法において、複雑形状品を簡便かつ安価に作製する
方法である。 【解決手段】 窒化物系セラミックスの一軸加圧焼成に
おいて、窒化硼素製治具を原料粉末中に埋設して加圧焼
結させた後に焼結体中の窒化硼素製治具を切削等の方法
で除去することにより、複雑形状の焼結体を得ることが
できる。また、原料粉末を予備成形し、窒化硼素製治具
を設置するための加工を成形体に施して窒化硼素製治具
を設置することにより、加圧焼結の際に窒化硼素製治具
の位置ずれがなくなり、最終加工を最小限に抑えること
が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械部材、高温用
部材あるいは精密機器用部材として有用な窒化物系セラ
ミックスの複雑形状品の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックス粉末を緻密質に焼結
させる方法としては、常圧焼結法、ガス圧焼結法などが
一般的に用いられている。これらの焼結方法では、混練
・粉砕等の手段により予め所望組成に調製した原料粉末
をプレス法、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ法）、鋳込み成
形法、押し出し成形法等の各種成形法により所定形状に
成形した後に焼結させるため、成形の段階で所望の複雑
形状に成形するか、あるいは、生成形体（素地）を超硬
工具等で予備加工することにより、複雑形状品の作製が
可能である。しかしながら、これらの焼結方法では、焼
結体中に気孔等の欠陥が残存しやすく、特に窒化物系セ
ラミックスのように高融点の難焼結材料を十分に緻密化
させて、信頼性の高い材料を得ることが困難である。

【０００３】気孔等の欠陥が少ない高緻密質の焼結体を
得る方法として、加圧焼結法が一般的に知られており、
複雑形状品の加圧焼結方法としては、被焼結体に等方圧
力を加える熱間静水圧プレス法（ＨＩＰ法）等が用いら
れる。ＨＩＰ法では、２００MPa のような高圧を加える
ため、理論密度近くまでの緻密化が可能である。しかし
ながら、この方法では、圧力伝達媒体に高温高圧ガスを
用いるため、あらかじめ予備焼成し開気孔がなくなる理
論密度の約９５％以上の高密度まで緻密化するか、ガラ
スなどのカプセルに成形体を真空封入するなどして、高
圧ガスが被焼成体の内部に侵入するのを防ぐ必要があ
る。

【０００４】難焼結性材料である窒化物系セラミックス
の場合、常圧焼結で開気孔が完全になくなるまで緻密化
するのは困難であり、ＨＩＰ処理によりさらに緻密化さ
せる場合、焼結体内部の残留気孔も完全には除去するこ
とはできない。一方、成形体を直接ＨＩＰ処理する場
合、複雑形状のもの、特に細穴などを有する形状のもの
をカプセルに封入して、所望の形状のものを得ることは
非常に困難である。また、ＨＩＰ法では高圧を使用する
ため、圧力容器等の装置が大がかりになり、高価である
という問題がある。

【０００５】この他の加圧焼結法としては、一軸加圧焼
結法であるホットプレス法がよく用いられる。この方法
は、セラミックス原料粉末をダイス中に充填し、一軸加
圧しながら焼結させる方法であるため、焼結を２段階で
行う必要がない。また、焼結時に圧力が加えられている
ため、気孔等の残存が非常に少ない緻密かつ高強度の焼
結体が得られ、特に窒化物系セラミックスのような難焼
結性の材料を緻密化させる方法として有効な手段であ
る。

【０００６】しかしながら、この方法では、一軸加圧で
あるため板状あるいは円盤のような単純形状のものしか
焼成することができず、複雑な製品形状を得るために
は、焼結体を最終形状まで加工する必要がある。しかる
に、窒化物系セラミックスは、一般に高硬度・低靭性で
あるため、焼結体加工が困難であり、製造コストが非常
に高くなる欠点がある。これを解決するためには、一軸
加圧焼結により、最終形状に近い形状の焼結体を得る技
術が必要であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、常
圧焼結法、ガス圧焼結法では、窒化物系セラミックスの
十分に緻密な焼結体を得ることが困難である。等方加圧
焼結であるＨＩＰ法の場合、予め焼結させて緻密化させ
る必要があり、かつ、高温高圧ガスを使用するために設
備が大がかりで高価という問題があった。

【０００８】本発明は、これらの課題を解決し、緻密か
つ高信頼性の窒化物系セラミックス焼結体の複雑形状品
を一軸加圧焼結法により得るための方法を簡便かつ安価
に提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明の要
旨は、窒化物系セラミックスの一軸加圧焼結による製造
方法において、所望の形状の窒化硼素製治具を原料粉末
中に埋設して焼結させ、該焼結体の窒化硼素製治具を除
去することにより最終形状の焼結体を得ることを特徴と
する複雑形状物の製造方法である。

【００１０】また、本発明の第２の発明の要旨は、窒化
物系セラミックス原料粉末を成形し、該成形体に窒化硼
素製治具を設置するための予備加工を施し、該加工部に
該窒化硼素製治具を設置した後加圧焼結させることを特
徴とする前記第１の発明に基づく窒化物系セラミックス
複雑形状品の製造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本方法により作製可能な窒化物系
セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、
窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒
化バナジウムなどがある。これらの窒化物セラミックス
粉末に必要に応じて適宜焼結助剤等を添加して原料組成
粉末を調製し、本発明の焼成方法を用いることにより、
気孔等の欠陥の少ない緻密な焼結体の複雑形状品を簡便
かつ安価に製造することが可能である。

【００１２】代表的な焼結助剤として、窒化ケイ素の場
合、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アル
ミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化
セリウム等より選ばれる１種以上の組み合わせが挙げら
れ、また、窒化アルミニウムの場合、酸化イットリウ
ム、酸化カルシウム、炭化カルシウム等より選ばれる１
種以上の組み合わせが挙げられる。また、これらの窒化
物を２種以上組み合わせた複合材料、あるいは、これら
の窒化物と酸化物セラミックスとを２種以上組み合わせ
た複合材料の製造にも本方法は有効な手段である。

【００１３】以上のような原料粉末を一軸加圧焼結のダ
イスに充填する際に所望の位置に窒化硼素製の治具を埋
設する。窒化硼素製治具の位置を正確に設置するため
に、被焼結体の原料粉末を予備成形したものを用い、こ
の成形体に窒化硼素製治具を設置するための加工を施す
ことが望ましい。粉末のまま治具を設置すると、治具の
位置が移動し易いため、治具の正確な位置決めが困難で
ある。このため、最終製品に要求される形状のものが得
られず、焼結後に大幅な加工修正が必要となったり、製
品として使用できなくなる場合が生じる。一方、原料粉
末を予備成形し、これに窒化硼素製治具の正確な位置決
めができるような加工を施すことにより、治具の位置の
移動は最小限に抑えることができ、より少ない仕上げ加
工のみで最終製品の形状を得ることが可能である。

【００１４】埋設する治具には、焼結後に除去可能な形
状のものを用いる。治具の設置位置は、治具の端部が焼
結体の表面に出る位置とし、容易に切削加工、ドリル加
工等の方法で治具を除去できることが必要である。治具
が焼結体内部に埋設した位置にある場合、治具の表面ま
でダイヤモンド砥石で加工する必要が生じ、本発明の効
果が十分に発揮できない。

【００１５】焼結前に行う予備成形は、成形体が十分な
密度を有し、成形体の加工が容易にできる条件が必要で
ある。成形時の圧力は、１〜１０００MPa の条件で行う
ことが望ましく、１MPa より低い圧力では成形体の密度
が十分ではなく、加工の際、成形体の破損等が起こりや
すい。また、１０００MPa より高い圧力では、圧力増加
により成形体の密度および強度を向上させる効果が少な
いため、１０００MPa以下の圧力で十分である。また、
成形体の加工を容易にするためには、セラミックス粉末
成形用のバインダーを添加し、成形体の強度を高くする
ことが有効であるが、直接加圧焼結すると、バインダー
が分解してガスを発生するため、焼結前に脱脂してバイ
ンダーを除去することが必要である。

【００１６】治具として用いる材料としては、焼結の
際、治具が分解あるいは溶融してしまう材料では焼結後
に所望の形状が得られなくなるため、窒化物セラミック
スの焼結温度で分解しない、高温で安定な材料を用いる
必要がある。また、焼結の際に窒化物セラミックスと反
応する材料では、健全な焼結体を得ることができない。

【００１７】一軸加圧焼結を行う温度は、焼結体の材
質、原料粉末の性状、焼結助剤の種類及び添加量により
異なるが、一般的には１５００〜２１００℃で焼結を行
う。このような高温で、分解あるいは溶融せず、かつ窒
化物セラミックスと反応を起こさない埋設用治具材料と
しては、窒化硼素を用いることが必要である。窒化硼素
を用いることにより、埋設した治具が焼結後も所望の形
状を保ったまま、焼結体中に残すことが可能である。ま
た、窒化硼素は自己潤滑性の材料として知られており、
焼結体からの離型性にも優れる。

【００１８】グラファイト等の炭素材料は、高温で窒化
物セラミックスと反応し、炭化物あるいは炭窒化物を形
成するため、本手法においては使用できないが、窒化物
セラミックスとの反応抑制のために、炭素製治具表面に
窒化硼素を厚肉被覆したものは、本方法においても適用
可能である。埋設する窒化硼素は、焼結後、除去するた
め、加工しやすい六方晶系の結晶構造を有するものが望
ましい。

【００１９】また、一軸加圧焼結の圧力は、１０MPa 以
上に圧力を加えることが望ましい。１０MPa より低い圧
力では、圧力の効果が十分ではなく、緻密な焼結体を得
ることができない。また、あまり高い圧力を加えるとダ
イス、埋設する治具等に変形が起こるため、４０MPa 以
下の圧力で焼成させることが望ましい。

【００２０】焼結後、窒化硼素製治具を除去する際に
は、ハイス、超硬などの工具を用いる。加工の容易な窒
化硼素を治具に用いれば、比較的安価なハイス工具で容
易に埋設した治具を除去することが可能である。治具の
除去方法として、凹形状の部分ではエンドミル等を用い
た切削加工を用い、細部や細穴部ではドリルを用いた穿
孔加工を用いることで容易に複雑形状を付与することが
できる。

【００２１】本方法により付与できる形状は、主に凹形
状であるが、本方法を用いるのに最も有効なのは、焼結
体内部への穴の形成である。焼結後の加工で最も困難な
のは、深い細穴の加工であるが、本方法を用いれば、棒
状の窒化硼素製治具を埋設した焼結体を作製し、この治
具をドリル等で除去することにより、容易に細穴を明け
ることが可能である。また、細穴の大きさや深さも治具
形状によって容易に制御することができる。

【００２２】得られる焼結体の特性については、従来の
一軸加圧焼結法で得られるような高密度かつ高強度な材
料を得ることが可能である。気孔などの欠陥が非常に少
ない焼結体を得ることができるため、強度等の機械的特
性の高い材料が得られる。また、気孔が少ないため、精
密部品で必要とされる面粗度に優れた材料も作製可能で
ある。特に、優れた面粗度と気孔が少ないことが要求さ
れる鏡面材料の作製には本方法は有効な手段である。

【００２３】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。 （実施例１）平均粒径０．３μｍのα結晶型窒化ケイ素
粉末に３．０重量％の酸化アルミニウム、３．０重量％
に酸化イットリウム、１．５重量％の酸窒化アルミニウ
ムを混合した粉末を、φ９０mmのカーボン製ダイスに１
００ｇ充填した後、φ２．５×２０mmの窒化硼素製の丸
棒を円周部より中心に向けて、１２０°の間隔で３本配
置し、その上から混合粉末を１００ｇ充填し、これをホ
ットプレス装置に組み込み、窒素ガス雰囲気中で平均昇
温速度１０℃/minで昇温を行った。焼成温度は１７５０
℃とし、保持時間２ｈ、圧力４０MPa で焼成を行った。
比較例として窒化硼素丸棒の代わりにグラファイト製の
丸棒を埋設したもの、また、窒化硼素丸棒を埋設せず
に、同じ粉末２００ｇだけのものを、同様の条件で焼成
し焼結体を作製した。

【００２４】得られた焼結体の密度は全て、３．２５g/
cm³ で、窒化硼素あるいはグラファイト製丸棒を埋設し
た場合でも窒化硼素丸棒を埋設しない焼結体と同一の密
度まで緻密化した。また、埋設した窒化硼素丸棒には、
変形や折損等なはく、ハイス製のφ２mmのドリルを用い
ることにより、２０mmの深さまで容易に除去することが
でき、焼結体にφ２．５×２０mmの横穴３個を簡便かつ
安価に形成することができた。

【００２５】一方、比較例のグラファイト棒を埋設した
場合では、窒化珪素セラミックスとグラファイト棒との
界面が緑色に変色しており、Ｘ線回折の結果、緑色の物
質は、β結晶型の炭化ケイ素であることが判明した。１
７５０℃の高温焼成中に窒化ケイ素セラミックスとグラ
ファイトが反応したものと推察される。また、比較例で
窒化硼素丸棒を埋設しないで作製した焼結体の場合、ダ
イヤモンド工具を用いても、φ３mm×３mm程度の深さま
でしか横穴を形成することができず、所望の形状のもの
を得ることができなかった。また、工具の損耗も激し
く、１つの工具で１〜１．５mmの深さしか加工できず、
生産効率も格段に低下した。

【００２６】（実施例２）窒化アルミニウム粉末に１．
５重量％の酸化イットリウムと、成形用バインダーとし
てエマルジョンタイプのアクリル系樹脂を固形分換算で
３．０重量％を混合した粉末２００ｇを調製し、、φ９
０mmの金型を用いて４０MPa の圧力で予備成形し、成形
体の厚み方向の中央部に実施例１と同様に３箇所のφ
２．５×２０mmの穴を超硬のドリルを用いて明けた。予
備加工した成形体を大気中５００℃にて十分脱脂した
後、この成形体の穴に、φ２．５×２０mmの窒化硼素製
丸棒を挿入し、カーボン製ダイスに設置した後、ホット
プレス装置に組み込み、窒素ガス雰囲気中で平均昇温速
度１０℃/minで昇温を行った。焼成温度は１８００℃と
し、保持時間２ｈ、圧力４０MPa で焼成を行った。

【００２７】比較例とし、実施例１と同様に粉末１００
ｇ充填した後、φ２．５×２０mmの窒化硼素丸棒を３本
配置し、その上から混合粉末を１００ｇ充填し、同様の
条件で焼結させた焼結体を作製した。

【００２８】得られた焼結体の密度はいずれも３．３０
g/cm³ で、実施例、比較例ともに同じ密度まで緻密化し
た。また、埋設した窒化硼素丸棒には、変形や折損等な
はく、ハイス製のφ２mmのドリルで、容易に２０mmの深
さまで除去することができた。

【００２９】窒化硼素丸棒の位置は、成形体に加工を施
した実施例の場合、焼結体の厚みの中央から±０．２mm
の範囲内であったのに対して、粉末のみを用いた比較例
では、中央部から０．５〜１mm程度のずれが生じ、成形
体に位置決めのための加工を施すことが有効であること
がわかった。

【００３０】

【発明の効果】本発明によって、簡便な方法により緻密
な窒化物系セラミックスの複雑形状品を、一軸加圧焼結
法により簡便かつ安価に作製することが可能となった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物系セラミックスの一軸加圧焼成に
   よる製造方法において、所望の形状の窒化硼素製治具を
   原料粉末中に埋設して加圧焼結させ、該焼結体の窒化硼
   素製治具を除去することにより最終形状の焼結体を得る
   ことを特徴とする窒化物系セラミックス複雑形状品の製
   造方法。
2. 【請求項２】 窒化物系セラミックス原料粉末を成形
   し、該成形体に窒化硼素製治具を設置するための予備加
   工を施し、該加工部に該窒化硼素製治具を設置した後加
   圧焼結させることを特徴とする請求項１記載の窒化物系
   セラミックス複雑形状品の製造方法。