JPH1058419A - セラミックス成形加工体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】セラミックス成形加工体を得る際の加工を行う
場合に焼成体では硬過ぎ、半焼成体では寸法精度が低
く、セラミックス材料成形体では強度が弱く、欠陥を生
じ易く、加工用工具に削り粉が付着して加工寸法精度を
低下させる、これらの問題点を改善する。 【構成】セラミックス材料粉末に熱可塑性有機バインダ
ーと可塑剤を含有させてセラミックス材料成形体を成形
し、その成形体を熱可塑性有機バインダーと可塑剤の混
合体の熱可塑温度以上、かつ熱可塑性有機バインダーの
分解・気化温度より低い温度で加熱処理を行った後、加
工し、その加工体を焼成するセラミックス成形加工体の
製造方法。 【効果】上記目的を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工工程を必要と
するセラミックス成形加工体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは電子部品に幅広く用いら
れているが、そのセラミックスはセラミックス材料を用
いて成形され、その成形体を焼成することにより得られ
る。例えばセラミック誘電体材料は、例えば炭酸バリウ
ム、酸化チタン、酸化ジルコニウム等の誘電体原料粉末
を所定の比率で混合粉砕し、ついでこれを仮焼し、Ｂａ
（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ₃ の組成の金属酸化物の材料粉末を得
る。この材料粉末に有機バインダーを加えて水等の溶媒
とともにボールミル等により解砕し、その得られたスラ
リーをスプレードライヤー等で乾燥させて造粒し、この
造粒物を成形する。また、磁性材料として、例えばＮｉ
−ＺｎフェライトやＭｎ−Ｚｎ等のフェライトの粉末を
得るには、構成金属原子の酸化物や炭酸塩の原料粉末を
混合し、その混合物に熱処理を行なう。これにより得ら
れたフェライト材料粉末は上述のように有機バインダー
等が加えられて解砕され、そのスラリーが乾燥されて造
粒され、その造粒物が成形される。

【０００３】このようにセラミックス材料の造粒物を用
いてセラミックス材料成形体を製造し、その成形体を焼
成することにより緻密なセラミックス成形体の焼成体が
得られるが、そのセラミックス成形体の製造方法として
は、加圧成形、押出成形、鋳込成形、シート成形等が知
られている。ところで、例えばコイル用のドラム型コア
のように、複雑な形状にする場合や、高い寸法精度が要
求される場合には、その成形体を焼成するだけでは所定
の部品が得られないので、切断、研削、研磨、切削等の
加工工程が必要になる。一般的に、この加工工程をセラ
ミックスの製品を得る過程の何処に設けるかにより、
緻密に焼成したセラミックス成形体を所定寸法や所定
形状に加工する方法、 セラミックスが緻密化する温
度より１００〜５００℃低い温度、すなわち焼結開始温
度付近で焼成した半焼結状態のセラミックス成形体を加
工する方法、 セラミックス材料成形体を直接加工す
る方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、の緻
密に焼成したセラミックス成形体を加工する場合には、
セラミックス自体の硬度が非常に高いので耐磨耗性が高
く、加工用工具の磨耗が大きくなるため、加工品の寸法
精度は低下し、更に加工時の衝撃も大きくチッピング等
も生じ易くなる。また、の半焼結状態のセラミックス
成形体を加工する場合には、セラミックスは完全には緻
密化していないので、硬度、耐磨耗性は低く、加工性は
向上するが、その半焼結状態をもたらす温度の焼成は生
地が収縮過程にあるので、その途中でこの加工を行った
後、残りの焼成を行って組織の緻密化を行なおうとする
と寸法が大きく変化する。しかも、セラミックス材料成
形体を半焼結状態で焼成してセラミックス成形体とする
場合、セラミックス材料成形体の炉内における設置位置
やセラミック材料成形体の数により、炉内の温度分布が
大きく異なるため、収縮過程にある半焼結状態のセラミ
ックス成形体の寸法精度は低下するので、加工後、再度
緻密に焼成しても、得られたセラミックス成形体の加工
体の焼成体の寸法精度は低下する。また、のセラミッ
クス材料成形体を加工する場合には、上記のセラミッ
クス成形体、の半焼結状態のセラミックス成形体と比
較して成形体の機械的強度が弱いためクラックが入った
り、欠けたりする欠陥を生じ易く、また、セラミックス
材料成形体は有機バインダや可塑剤を含んでいるため、
加工時に発生する削り粉等の粉体がダイヤモンドホイル
等の研削盤、ドリル、バイト、カッター等の加工用工具
に付着してその加工性を低下させ、加工寸法精度の低下
やクラックの発生原因となる。

【０００５】本発明の第１の目的は、加工用工具の磨耗
がなく、加工時の工具の衝撃のないセラミックス成形加
工体の製造方法を提供することにある。本発明の第２の
目的は、加工時の寸法が製品を得る際に大きく変化せ
ず、その寸法精度を低下させないセラミックス成形加工
体の製造方法を提供することにある。本発明の第３の目
的は、加工時に機械的強度が不足して欠陥を生じたり、
加工用工具に削り粉等の粉体が付着してその加工性を低
下させたり、加工寸法精度の低下やクラックを発生させ
ることがないセラミックス成形加工体の製造方法を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）、セラミックス材料粉末を用いて
セラミックス材料成形体を成形するセラミックス材料成
形工程と、該セラミックス材料成形体を加工しセラミッ
クス材料成形体の加工体を得るセラミックス材料成形体
加工工程と、該セラミックス材料成形体の加工体を焼成
するセラミックス材料成形加工体焼成工程を有するセラ
ミックス成形加工体の製造方法において、上記セラミッ
クス材料成形工程におけるセラミックス材料成形体の成
形を上記セラミックス材料粉末に少なくとも熱可塑性有
機バインダー及び該熱可塑性有機バインダーより分解・
気化温度の低い可塑剤を含有させて行い、上記セラミッ
クス材料成形体加工工程における加工を該セラミックス
材料成形体を該熱可塑性有機バインダーの分解・気化温
度より低い温度かつ該可塑剤を含有する該熱可塑性有機
バインダーの熱可塑温度以上で加熱処理を行った後行う
セラミックス成形加工体の製造方法を提供するものであ
る。

【０００７】本発明において、「セラミックス材料粉末
に少なくとも熱可塑性有機バインダー及び該熱可塑性有
機バインダーより分解・気化温度の低い可塑剤を含有さ
せて」とは、上記の「従来の技術」の項で述べたよう
に、セラミックス誘電体材料粉末、セラミックス磁性体
材料粉末を合成した後、ボールミルで解砕し、そのスラ
リーを用いて造粒する際に、例えはそのボールミルで解
砕するときこれらの熱可塑性有機バインダー及び可塑剤
を少なくとも含有させる方法がよく用いられるがこれに
限らず、スラリーにこれらの一部又は全部を加え、攪拌
してもよい。このような熱可塑性有機バインダー及び可
塑剤を少なくとも含有するセラミックス材料粉末は、造
粒された後、あるいはその造粒をしないで上記の「従来
の技術」の項で述べたように、成形され、その成形体は
加工されるが、その加工はその成形体を加熱処理した
後、行う。

【０００８】この加熱処理は、「該熱可塑性有機バイン
ダーの分解・気化温度より低い温度かつ該可塑剤を含有
する該熱可塑性有機バインダーの熱可塑温度以上」であ
り、その加熱温度は例えば５０〜２５０℃が例示され、
その加熱時間は例えば１分間〜１０時間が例示される。
「熱可塑温度以上」は「熱可塑温度又はこれを越える温
度」としてもよい。以下、同様な形式の表現における
「以上」の意味はこれに準ずる。ここで、「熱可塑性有
機バインダーの分解・気化温度」とは、加熱することに
より塑性変形する有機バイダーが分解した場合のその分
解物又はその有機バインダー単体が気化する温度であ
る。本発明ではその温度より低い温度で上記加熱処理を
行うのは、主としてこの熱可塑性有機バインダーのセラ
ミック材料粉末の結合剤としての機能を維持させるため
に、その分解・気化を起こさせないためである。また、
「該可塑剤を含有する該熱可塑性有機バインダーの熱可
塑温度」とは、ガラス転移温度（２次転移点）に相当す
るものであり、熱可塑性有機バインダーとしての例えば
樹脂が可塑剤と併用される場合には、樹脂のみの場合の
ガラス転移温度における分子挙動と同様の分子挙動を示
す温度を指し、可塑剤添加により熱可塑温度は低下す
る。本発明では、その温度以上で上記加熱処理を行うの
は、主としてセラミックス材料成形体の組織の硬さを補
って柔軟にしその機械的強度を維持するためである。ま
た、「該熱可塑性有機バインダーより分解・気化温度の
低い可塑剤」とは、上記加熱処理を行う際に、可塑剤は
その一部又は全部が分解・気化してもよいことを意味
し、このように可塑剤が少ないあるいは存在しない状態
でこの加熱処理を行ったセラミックス材料成形体の上記
した加工を行うと、加工用工具に対する削り粉等の粉体
の付着を防止できる。この点から、本発明において、
「該可塑剤を含有する該熱可塑性有機バインダーの熱可
塑温度以上で加熱処理」を「該可塑剤を含有する該熱可
塑性有機バインダーの熱可塑温度以上かつ該可塑剤の分
解・気化温度以上で加熱処理」としてもよい。なお、可
塑剤の分解・気化は分解した後その分解物が気化しても
よいが、可塑剤そのものが気化してもよい。通常沸点以
上ではその気化は容易である。なお、そのものの気化は
蒸発による気化でもあり、その気化を「蒸発・気化」と
することもできる。

【０００９】このような熱可塑性有機バインダーとして
は、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸エステル、
ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリビニルエーテ
ル、ポリアクリルアミド、ポリビニルアセタール、メチ
ルセルロース（ＭＣ）、ヒドロキシエチルセルロース
（ＨＥＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰ
Ｃ）、エチルセルロース（ＥＣ）、エチルヒドロキシエ
チルセルロース（ＥＨＥＣ）、カルボキシメチルエチル
セルロース（ＣＭＥＣ）、カルボキシメチルセルロース
（ＣＭＣ）、ポリアルキレングリコール（ポリエチレン
グリコール（ＰＥＧ）等）、ワックス（ポリオレフィン
等）、澱粉等とそれらの誘導体、及びその他のビニル系
重合体、共重合体が挙げられ、これらは単独又は２種以
上を混合して用いられる。熱可塑性有機バインダーの分
解・気化する温度としては、例えば熱分析法により測定
した場合に、２２０〜４００℃が好ましい。

【００１０】また、可塑剤としては、水、エタノール，
エチルアルコール，オクチルアルコール，エチレングリ
コール，トリメチレングリコール，トリエチレングリコ
ール，ジエチレングリコール，プロピレングリコール，
グリセリン等のアルコール類、フタル酸ジメチル，フタ
ル酸ジエチル，フタル酸ブチル等のフタル酸エステル
類、ステアリン酸（塩）エマルジョン及びその他の上記
熱可塑性有機バインダーと相溶性のある有機溶剤を挙げ
ることができ、これらは単独又は２種以上混合して用い
られる。可塑剤の蒸発・気化する温度としては５０〜２
５０℃が好ましい。

【００１１】上記可塑剤を含有する熱可塑性有機バイン
ダーの熱可塑温度としては、熱分析法による測定で１０
０℃以下（１００℃を越えない温度あるいは１００℃よ
り大きくない温度）が好ましい。また、その際の熱可塑
性有機バインダーの熱可塑温度は１５０℃以下（１５０
℃を越えない温度あるいは１５０℃より大きくない温
度）が好ましい。

【００１２】その他の添加剤も使用でき、例えば消泡
剤、潤滑剤、ｐＨ調整剤、分散剤、湿潤剤等を併用して
も良い。セラミックス材料としては、上述したセラミッ
クス誘電体材料、セラミックス磁性体材料その他の通常
のセラミックス製品に使用される金属酸化物、非金属の
酸化物及び非酸化物の少なくとも１つの群の少なくとも
１つが挙げられ、単一組成のもの、化合物の状態のもの
を単独又は２種以上混合して使用しても良い。なお、金
属酸化物、非金属酸化物、非酸化物の構成元素は、単元
素あるいは複数の元素から成り立っていても良く、この
際アニオン又はカチオンでも良く、さらに金属酸化物、
非金属酸化物、非酸化物の特性を改善するために他の添
加物を加えたものでも良い。

【００１３】このようにセラミックス材料粉末に上記の
熱可塑性有機バインダー及び可塑剤が少なくとも含有さ
れ、上述のように成形されるが、セラミックス材料粉末
に対して熱可塑性有機バインダーは０．１〜２０重量
％、可塑剤は０．１〜１０重量％が好ましい。熱可塑性
有機バインダーがこれより少ないと十分な成形体強度を
得ることができない。また、熱可塑性有機バインダーが
これより多いと、この有機バインダーを除去する脱バイ
ンダー工程において、発生した分解ガスにより成形体に
クラックや膨れを生じ、緻密な焼結体を得ることができ
ない。また、可塑剤が上記の値より少ないと粒子の可塑
性が低下するため、成形体密度は低下し、緻密な焼結体
が得られない。一方、可塑剤が上記値より多いと、有機
バインダーの好ましい結合効果が得られず、熱処理前の
成形体強度が低下し、カケやチッピング等が発生し、外
観や製品特性等に問題を生じることがある。その成形体
は加熱処理され、その際可塑剤は加熱処理工程で気化す
るものもある。その後加工され、さらに焼成されるが、
可塑剤の残留物及び熱可塑性有機バインダーは焼失さ
れ、緻密なセラミックス成形加工体が製造される。

【００１４】

【発明の実施の形態】詳細は以下の実施例により説明す
るが、セラミックス材料成形体をセラミックス材料１０
０重量部に対して熱可塑性有機バインダーとしてポリビ
ニルアルコール、メチルセルロース、ポリアクリル系樹
脂等を０．１〜２０重量部、可塑剤としてグリセリン、
水、アルコール等を０．１〜１０重量部混合したものか
ら成形し、その成形体を５０〜２５０℃、１分間〜１０
時間で加熱処理を行ってから加工を行う。熱可塑有機バ
インダーの分解・気化する温度は２２０〜４００℃、可
塑剤の蒸発・気化する温度は５０〜２５０℃、可塑剤を
含有する熱可塑有機バインダーの熱可塑温度は１００℃
以下（１００℃を越えない温度あるいは１００℃より大
きくない温度）とすることが好ましい。なお、測定法は
実施例と同じ。熱可塑性有機バインダーと可塑剤を含む
セラミックス材料成形体を、可塑剤を含む熱可塑性有機
バインダーの熱可塑温度以上で加熱することにより、こ
の熱可塑性有機バインダーの分子運動はより低い温度で
大きくなり、相互の結合や絡み合いを生じるためセラミ
ックス材料成形体の機械的強度は向上する。また、可塑
剤は低分子であり、低温にて気化するため、熱可塑性有
機バインダの熱可塑温度以下でセラミックス材料成形体
を加熱すると、セラミックス材料成形体中の熱可塑性有
機バインダーは可塑剤のない状態のその熱可塑性有機バ
インダ本来の熱可塑温度に近くなり、可塑剤のある場合
よりその熱可塑温度は高温化するため、可塑剤のないあ
るいは少ない熱可塑性有機バインダーの粘着性は低下
し、セラミックス材料成形体を加工する際の加工用工具
に対する削り粉等の粉体の付着を防止できる。なお、熱
可塑性有機バインダーの相互の絡み合いが生じた後は、
可塑剤はなくてもセラミックス材料粉末を結合するその
機械的強度は維持される。セラミックス材料成形体の加
熱を熱可塑性有機バインダーの分解・気化温度以上で行
うと、熱可塑性有機バインダーの残留量が少なくなるの
で、バインダー成分のセラミックス材料に対する結合力
低下によりセラミックス材料成形体の機械的強度を低下
させる。

【００１５】

【実施例】

実施例１ フェライト粉１００重量部に対し、ポリビニルアルコー
ル（ＰＶＡ）２重量部、水８０重量部、グリセリン２重
量部をボールミルにて１０時間攪拌してフェライトスラ
リーを得た。なお、熱可塑温度を求めると、熱分析法に
よる測定値でＰＶＡは約６０〜８０℃、上記のグリセリ
ンを含むＰＶＡは１０〜５０℃であった。また、ＰＶＡ
の分解・気化温度は熱分析法で２３０〜３５０℃であっ
た。次にこのフェライトスラリーを加圧噴霧方式のスプ
レードライヤーにて、乾燥温度３００℃で噴霧乾燥しフ
ェライト材料を造粒した粉体を得た。この造粒した粉体
を加圧成形にて直径１０ｍｍ、Ｌ寸法（縦寸法）１０ｍ
ｍの円柱型のフェライト材料成形体を作製し、それぞれ
１００個を５０℃にて１時間、熱風式加熱器で加熱処理
を行った。次に、それぞれ１００個を厚さ５ｍｍのダイ
ヤモンドホイルにて研削加工し、フェライト材料成形体
である図１に示すような芯径５ｍｍのドラム型コアを作
製し、その強度を図１に示すようにして測定した。な
お、図１中、１、２は鍔部、３はその間に設けられた芯
部であり、鍔部１が固定され、鍔部２が横方向に押圧さ
れたときの破壊強度を測定する。また、それぞれ１００
個について１１００℃、２時間焼成を行い、得られた焼
結体からなるフェライト成形加工体であるドラム型コア
の芯径寸法の標準偏差、加工幅の標準偏差を求めた。ま
た、加工性を加工用工具に削り粉が付着する外観を観察
し、◎ 加工性問題なし、△ １００個以降は加工不
可、× 加工不可で評価した。これらの結果を表１に示
す。

【００１６】実施例２〜５ 実施例１において、加熱温度をそれぞれ１００℃、１５
０℃、２００℃、２５０℃にした以外は同様にしてフェ
ライト材料成形体であるドラム型コアを作製し、さらに
実施例１と同様に焼成して焼結体からなるフェライト成
形加工体であるドラム型コアを得た。これらのフェライ
ト材料成形体のドラム型コア、フェライト成形加工体の
ドラム型コアについて実施例１と同様に評価し、測定し
た結果を表１に示す。

【００１７】比較例１ 実施例１において、フェライト材料成形体のドラム型コ
アの加熱処理を行なわないで加工を行った以外は同様に
してフェライト材料成形体であるドラム型コアを作製
し、さらに実施例１と同様に焼成して焼結体からなるフ
ェライト成形加工体のドラム型コアを得、これらのフェ
ライト材料成形体のドラム型コア、フェライト成形加工
体のドラム型コアについて実施例１と同様に評価し、測
定した結果を表１に示す。

【００１８】比較例２ 実施例１において、フェライト材料成形体のドラム型コ
アの加熱処理を行なわず、そのドラム型コアを９００
℃、２時間焼成し、半焼結状態のドラム型コアを作製
し、これを実施例１と同様に加工し、さらに１１００
℃、２時間焼成を行い、得られた焼結体からなるフェラ
イト成形加工体であるドラム型コアを得、これらの半焼
結状態のドラム型コア、フェライト成形加工体のドラム
型コアについて実施例１と同様に評価し、測定した結果
を表１に示す。

【００１９】比較例３ 実施例１において、フェライト材料成形体のドラム型コ
アの加熱処理を行なわず加工も行なわない以外は同様に
してフェライト材料成形体であるドラム型コアを作製
し、さらに実施例１と同様に焼成して焼結体からなるフ
ェライト成形加工体のドラム型コアを得、このフェライ
ト成形加工体のドラム型コアについて実施例１と同様に
加工性を評価した結果を表１に示す。表中、×はコア強
度が大き過ぎ、所定形状に加工できないことを示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】上記実施例においては、加圧成形法を用い
たが、押出成形、鋳込成形、シート成形等一般にセラミ
ックス材料成形体が得られるどのような成形法でもよ
く、その成形体中に熱可塑性有機バインダー及び可塑剤
を含有させことができる成形法ではあれば上記と同様の
効果が得られる。また、上記は熱風式加熱器にて加熱処
理を行ったが、高周波（マイクロ波）加熱、赤外線加
熱、高周波誘導加熱、紫外線加熱、熱風加熱等を単独又
は併用して行ってもよく、これらによっても上記と同様
の効果を得るようにできる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、熱可塑性有機バインダ
ー及び可塑剤を含有させたセラミックス材料粉末を成形
し、その成形体を加熱処理した後、加工し、その加工体
を焼成るするようにしたので、セラミック成形体強度は
向上し、しかもその成形体中のバインダーの粘着性は低
下するため、加工精度が高く、加工時の欠陥の少ないセ
ラミック材料成形体の加工体を製造することができ、そ
の加工体の焼成体であるセラミック成形加工体を製造で
きる。これにより、加工用工具の磨耗がなく、加工時の
工具の衝撃がなく、加工時の寸法が製品を得る際に大き
く変化せず、その製品の寸法精度を低下させず、加工時
に機械的強度が不足して欠陥を生じたり、加工用工具に
削り粉等の粉体が付着してその加工性を低下させたり、
加工寸法精度の低下やクラックを発生させることがない
セラミックス成形加工体の製造方法を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト材料成形体の加工体の強度測定法を
示す説明図である。

【符号の説明】

１ 鍔部 ２ 鍔部 ３ 芯部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス材料粉末を用いてセラミッ
   クス材料成形体を成形するセラミックス材料成形工程
   と、該セラミックス材料成形体を加工しセラミックス材
   料成形体の加工体を得るセラミックス材料成形体加工工
   程と、該セラミックス材料成形体の加工体を焼成するセ
   ラミックス材料成形加工体焼成工程を有するセラミック
   ス成形加工体の製造方法において、上記セラミックス材
   料成形工程におけるセラミックス材料成形体の成形を上
   記セラミックス材料粉末に少なくとも熱可塑性有機バイ
   ンダー及び該熱可塑性有機バインダーより分解・気化温
   度の低い可塑剤を含有させて行い、上記セラミックス材
   料成形体加工工程における加工を該セラミックス材料成
   形体を該熱可塑性有機バインダーの分解・気化温度より
   低い温度かつ該可塑剤を含有する該熱可塑性有機バイン
   ダーの熱可塑温度以上で加熱処理を行った後行うセラミ
   ックス成形加工体の製造方法。