JPH1053453A - 高密度セラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】焼結助剤を必要とする難焼結性セラミックス粉
末に遠心成形法を適用し、均質で緻密な焼結体を得るこ
とを課題とする。 【解決手段】難焼結性セラミックス粉末と焼結助剤との
混合粉末を仮焼結して焼結性粉体とする仮焼工程と、得
られた焼結性粉体と溶媒とから泥漿をつくり、この泥漿
を遠心成形法により成形体をつくる遠心成形工程と、得
られた成形体を焼結する焼結工程と、よりなることを特
徴とする高密度セラミックスの製造方法。遠心成形法を
用いるので、高密度で均質な焼結体が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、従来遠心成形法の
適用が困難であった焼結助剤を必要とする難焼結性のセ
ラミックス粉末に遠心成形法を適用し、高密度のセラミ
ックス焼結体を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス製品を製造するするには、
適当な粒度のセミックス粉末をプレスにより加圧して、
所望の形状のグリーン成形体をうる方法が一般に知られ
ている。このプレスによる成形法では粉体が圧縮された
とき、粉体同士の摩擦により粉体は液体のようには流動
しないので、成形体内部の密度は均一にはならず、上面
に高密度層が形成され、プレス型内部にいくに従って低
密度層が形成される傾向にある。したがって成形体の密
度分布は不均一となり、平均の密度は理論密度の５０〜
５５％以上にはならず、焼結後も必要な強度を有するセ
ラミックス製品とはなり難い。

【０００３】また、成形時の粉体には凝集が存在し、こ
の凝集はプレス操作により圧縮されても残留し、結果的
に焼結体中に１００μｍオーダーの空孔を生成させる原
因となる。この空孔は通常の焼結法による限りでは避け
ることが出来ず、外部応力がかかった場合には破壊の起
点となる。このため、ボールベアリングやローラベアリ
ングのような大きな接触圧力のかかる部品の成形にはセ
ミックス粉末をプレスによりグリーン成形体とする方法
は、不向きであった。

【０００４】この欠点を克服するために、高温において
加圧しながら焼結して、空孔の発生を実質的に防止する
方法が採られるようになったが、高温加圧焼結法は本質
的にバッチ処理であるため、大量生産には適さず、必然
的に製造コストが高くなるのは避けられないという問題
がある。泥漿鋳込法は通常の陶磁器の成形に広く使われ
ており、外形が複雑な形状を有する物体や中空体の成形
には適した方法であり、比較的均質な成形体が得られ
る。しかし、泥漿鋳込法で得られるグリーン成形体の密
度は乾式プレス法よりは大きいがそれでも理論密度の５
５〜６０％を越えることはない。また棒状や球状の中実
体を泥漿鋳込法により成形すると、外殻に比し中心部で
は密度が低くなる。したがって泥漿鋳込法は大きな強度
に耐え得る製品の製造には適さない。

【０００５】ターボチャージャのタービンブレードのよ
うな複雑な形状をした回転体の成形には、精密な成形が
出来ることから射出成形法が専ら用いられている。セラ
ミックス粉末をこの方法で成形するためには、熱可塑性
樹脂のようなバインダーが必要であるため、バインダー
を均一にセラミックス粉末と混合する工程や焼成時にこ
れを除去する工程を伴い、製造工程全体が繁雑になるこ
とが避けられない。

【０００６】一方、緻密で均質なグリーン成形体が得ら
れる成形方法として遠心成形法が知られているが、比重
の異なる原料粉末の混合物の場合、遠心力により比重の
重たい粉末が先に沈むため均質なグリーン成形体が得ら
れないという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は焼結助剤を必
要とする難焼結性セラミックス粉末に遠心成形法を適用
し、均質で緻密な焼結体を得ることを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者は難焼結性セラミ
ックス粉末と焼結助剤とを予め結合させることにより遠
心力により難焼結性セラミックス粉末と焼結助剤とが分
離しなくなることに思い至り、本発明を完成したもので
ある。すなわち、本発明の高密度セラミックスの製造方
法は、難焼結性セラミックス粉末と焼結助剤との混合粉
末を仮焼結して焼結性粉体とする仮焼工程と、得られた
焼結性粉体と溶媒とから泥漿をつくり、この泥漿を遠心
成形法により成形体をつくる遠心成形工程と、得られた
成形体を焼結する焼結工程と、よりなることを特徴とす
る。

【０００９】本発明の高密度セラミックスの製造方法で
は、遠心成形工程の原料となる泥漿中に分散する焼結性
粉体は仮焼工程で難焼結性セラミックス粉末と焼結助剤
とが仮焼して一体化したものであり、遠心力により難焼
結性セラミックス粉末と焼結助剤とに分離しない。この
ため、遠心成形工程で均質で緻密なグリーン成形体が得
られる。そして、均質で緻密なグリーン成形体を焼結す
ることにより均質で緻密な焼結体を容易に製造すること
ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の高密度セラミックスの製
造方法は仮焼工程と遠心成形工程と焼結工程とよりなる
ことを特徴とする。仮焼工程は難焼結性セラミックス粉
末と焼結助剤との混合粉末を仮焼して一体化する工程で
ある。本発明で難焼結性セラミックス粉末としては窒化
珪素粉末を挙げることができる。窒化珪素粉末に使用さ
れる焼結助剤としてはＹ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃の
１種または２種以上を挙げることができる。なお、２種
類以上の焼結助剤を予め一体化したものでもよい。具体
的にはＭｇＯとＡｌ₂ Ｏ₃ とを一体化したスピネルを例
示することができる。

【００１１】他の難焼結性セラミックス粉末の炭化ケイ
素に対する焼結助剤としてはＹ₂ Ｏ ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ホ
ウ素、カーボンを、窒化アルミニウムに対する焼結助剤
としてはＹ₂ Ｏ₃ 、ＨｆＯ₂ 、ＣａＯなどを挙げること
が出来る。仮焼工程は難焼結性セラミックス粉末と焼結
助剤とを一体化するもので、少なくとも両粉末が互いに
反応したり、液相で接合されて見掛けの比重が均等にな
り、遠心力で分離されない程度まで仮焼する。なお、仮
焼により焼結助剤が難焼結性セラミックス粉末と反応
し、焼結助剤としてＸ線的に検出されないものでも良
い。窒化珪素粉末ではその焼結助剤を予め窒化珪素の粒
表面に存在するＳｉＯ₂と反応させて、ガラス化させて
おくことにより後の焼結がより容易となる。

【００１２】仮焼に必要な温度および時間は難焼結性セ
ラミックス粉末とその焼結助剤により適宜決定すること
が出来る。遠心成形工程は仮焼工程で得られた焼結性粉
体と溶媒とから泥漿をつくり、この泥漿を遠心成形法に
より成形体をつくる工程である。焼結性粉体は仮焼工程
で得られた粉末をそのまま使用することもできる。仮焼
工程で得られた粉末が大きく固化している場合には、こ
れを粉砕して適当な粒径とし、これを焼結性粉体とする
ことができる。

【００１３】この焼結性粉体にアルコールあるいは水な
どの溶媒を加え、更には適当なバインダーおよび界面活
性剤等を加えて泥漿とする。泥漿の調製方法は従来の方
法をそのまま採用できる。遠心成形法も従来の遠心成形
法をそのまま採用できる。すなわち、成形型に泥漿を注
ぎ、遠心力で成形型に焼結性粉体を沈降積層させ、焼結
性粉体が均一かつ緻密に詰め込まれた成形体を得るもの
である。

【００１４】焼結工程は得られたグリーン成形体を焼結
する工程であり、従来の焼結工程をそのまま採用でき
る。なお、焼結に際して酸化して変質するようなグリー
ン成形体に対しては、焼成雰囲気を比酸化性あるいはそ
の他の雰囲気ガスを使用する等、従来の焼結方法と同じ
条件で焼結する。次に難焼結性セラミックスの典型的な
例として窒化珪素を取り上げて説明する。

【００１５】窒化珪素の焼結においては焼結助剤とし
て、ＭｇＯとＡｌ₂ Ｏ₃ 、あるいはＹ ₂ Ｏ₃ とＡｌ₂ Ｏ
₃ を各々２〜６重量％の割合で添加して、通常アルコー
ルを溶媒としてボールミルで混合したのち、スプレード
ライヤー等で乾燥し、プレス等で成形して仮焼結する。
窒化珪素をボールミルで粉砕する際、溶媒として水を使
用すると窒化珪素と水が反応してアンモニアを発生する
ので、短時間の混合以外では、これを避けるためアルコ
ールを用いる。

【００１６】仮焼結することにより、窒化珪素粉末の表
面に不可避的に存在するＳｉＯ₂ と焼結助剤とが反応
し、化合物が液相となる。この液相は冷却するとガラス
になり、このガラスは窒化珪素粉末と結合して分離しな
くなる。仮焼結の温度は、ＭｇＯとＡｌ₂ Ｏ₃ を焼結助
剤とするときは９５０℃〜１２５０℃、Ｙ₂ Ｏ₃ とＡｌ
₂ Ｏ₃ が助剤の場合は１０５０℃〜１３５０℃が好まし
い。この範囲より温度が低いと前記焼結可能な反応が充
分になされず、また温度が高すぎると、焼結が進み過ぎ
るため、仮焼結後の粉砕が困難になる。

【００１７】泥漿の原料となる焼結性粉体の粒径は０．
２〜０．６μｍ程度がよい。泥漿を得るために用いる溶
媒としてはアルコールが好ましい。焼結性粉体１００重
量部に対して溶媒は５０〜２００重量部が適当である。
なお、焼結性粉体と溶媒との濡れ性を高めるため界面活
性剤の使用が好ましい。遠心成形は所定の遠心型に調製
した泥漿を注ぎ、遠心力を作用させることにより成形体
が得られる。遠心力としては０．１〜２０ＫＧ程度か好
ましい。

【００１８】遠心成形の後、分離した溶媒を流し去り、
型より成形体を取り出す。そして、溶媒を乾燥したのち
焼結を行う。焼結は１６００〜１８００℃程度で２〜４
時間加熱して行う。なお、雰囲気ガスとしては、窒素雰
囲気中で行う。これにより均質で緻密な窒化珪素焼結体
が得られる。

【００１９】

【作用】本発明の高密度セラミックスの製造方法では、
まず難焼結性セラミックス粉末に所要量の焼結助剤を添
加し、均一に混合したのち仮焼結し、難焼結性セラミッ
クス粉に焼結助剤が結合した焼結性粉体を得る。これを
必要により再粉砕して適切な粒度の粉末とし、溶媒を加
えて泥漿とする。そしてこの泥漿を遠心成形法で成形体
とし、その後焼結して、目的の高密度セラミックスであ
る焼結体を得るものである。

【００２０】

【実施例】窒化ケイ素 ９２重量％、Ｙ₂ Ｏ₃ ６重量
％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ２重量％となるように原料粉末を秤量
し、ボールミルによりアルコ−ルを溶媒として混合し、
乾燥して混合粉末を得た。この粉末の一部をそのまま試
料Ｎｏ．１とした。そして残りの粉末の一部をアルミナ
製の容器に入れ窒素雰囲気中で９００、１０５０、１２
００、１３５０、１５００℃の各温度で２時間仮焼結し
た。仮焼結した粉末を再度ボールミルで２４時間粉砕し
た。

【００２１】１５００℃で仮焼した粉末は手ではほぐせ
ない程度に固まっていたのでボールミルに入れる前に乳
鉢でつぶしてからボールミルに入れた。これにより試料
Ｎｏ．２ないし試料Ｎｏ．６の５種類の粉末を得た。仮
焼していない試料Ｎｏ．１の粉末は、溶媒として水を加
え、１時間ボールミルで混合して水を溶媒とするスラリ
ーを作成した。また、試料Ｎｏ．２ないし試料Ｎｏ．６
の粉末は溶媒としてアルコールを加え泥漿とした。これ
らのスラリーの粉体の濃度はいずれも５０重量％とし
た。

【００２２】これらのスラリーを直径１０ミリの型で長
さが約３０ミリになるように５ＫＧの遠心力で成形し
た。得られた各成形体の両端から少量の成形体を削り取
り、イットリュウム量を分析した。残りの成形体は乾燥
した後、窒素雰囲気の炉で１７００℃で２時間焼結して
Ｓｉ₃ Ｎ₄ の焼結体を得た。仮焼していない試料Ｎｏ．
１の粉末は成形体中のイットリュムの濃度が成形体の両
端で大きく異なり、その結果焼結体は部分的に緻密にな
らない部分が生じた。９００℃で仮焼した試料Ｎｏ．２
の粉末では、仮焼していない粉末ほどではないがイット
リュムの濃度に差があり、成形体は全体として焼結して
いるが亀裂が生じた。

【００２３】１０５０ー１３５０℃で仮焼した試料Ｎ
ｏ．３ないし試料Ｎｏ．５の粉末は、成分もほぼ均一で
緻密で亀裂のない焼結体が得られた。これに対し、１５
００℃で仮焼した試料Ｎｏ．６の粉末では、粉末が硬く
充分細かく粉砕されなかったために、得られた焼結体の
緻密化が充分でなかった。これらの結果を纏めて表１に
しめす。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【発明の効果】本発明の高密度セラミックス製造法で
は、難焼結性セラミックス粉末と焼結助剤とが反応した
粉末の泥漿と遠心成形法を用いるので、乾式プレス法や
通常の泥漿法に比べ、高密度のグリーン成形体が得られ
る。焼成は常圧または高々数気圧の雰囲気で行うことが
出来るので、多量の製品を一括焼成することが出来き、
したがって、低コストの高密度セラミックスの製造が可
能となる。特に形状が軸対称の製品に適応すれば効果は
大きい。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 難焼結性セラミックス粉末と焼結助剤と
   の混合粉末を仮焼結して焼結性粉体とする仮焼工程と、 得られた焼結性粉体と溶媒とから泥漿をつくり、この泥
   漿を遠心成形法により成形体をつくる遠心成形工程と、 得られた成形体を焼結する焼結工程と、よりなることを
   特徴とする高密度セラミックスの製造方法。
2. 【請求項２】 前記難焼結性セラミックス粉末は窒化珪
   素粉末であり、前記焼結助剤はＹ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ、Ａｌ
   ₂ Ｏ₃ の１種または２種以上である請求項１記載のセラ
   ミックスの製造方法。
3. 【請求項３】 前記仮焼工程は、前記焼結助剤のＸ線回
   折線が検出されなくなる焼結性粉体とする工程である請
   求項２記載のセラミックス製造方法。