JPS638076B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミツク焼結体の製造方法に係り、
特に窒化珪素、炭化珪素等難焼結性の粉末を用い
た場合に好適な焼結方法に関する。

近年、窒化珪素、炭化珪素等を主体とする焼結
体は、高温強度、高耐熱性、低熱膨脹性、高耐食
性を有し、エンジニアリングセラミツクスとして
その応用が拡大されつつあり、又その技術的進歩
も著しいものがある。

例えばガスタービン機関のバーナー、ノーズコ
ーン、ローター、ステーター、熱交換器、デイー
ゼルエンジンのシリンダーピストン、ターボチヤ
ージヤーローター等の他精密機械工作機器の切削
工具、利ボールベアリング、ローラーベアリン
グ、更に圧延鋼板製造用圧延ローター等数多くの
部材に用いられるようになつてきている。

一般にこれらの部材は複雑な形状や、高い寸法
精度が要求されるものが多い。

一方、窒化珪素、炭化珪素等非酸化物粉末は焼
結性が低いとともに成形性が低い。そのため非酸
化物の原料粉末に焼結助剤として酸化イツトリウ
ム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の金
属酸化物の粉末を添加し、さらに原料粉末に対し
１種又は２種以上の有機物質からなるバインダを
添加し、混練した後成形して複雑な形状や高い寸
法精度の成形品を得るようにしている。

この時添加するバインダとしては、後の工程で
ある焼結工程又は焼結工程に先立つて行われるこ
とがある脱脂工程において、成形品を均一に収縮
させるものであることが要求される。

バインダの選択によつては、これら成形品の焼
成中や脱脂工程中において成形品からバインダが
流出したり、又表面にしみ出たりして原料粉末が
ばらばらに形状がくずれることがある。更にバイ
ンダが部分的に酸化分解・重合分解によつて、成
形品が部分的に膨れたり、ひびが入つたり、不均
等な収縮焼結体が出来るといつた工業上大きな欠
陥が生ずることもある。

従来はバインダの選択に際しては原料有機物質
の分子量、分子構造、粘度等の点から検討し、最
適のものを使用するようにするとともに、更に焼
成工程や脱脂工程の雰囲気、温度上昇速度、設定
温度等も正確に管理運転することによつてこれら
の欠点をある程度防止してきた。しかしながら原
料粒度の変化等により上述のような欠陥が生じや
すいとともに、このような厳格な製造工程の管理
は製品コストを上昇させるものである。又形状、
厚さ等の異なる成形品を同時に焼成脱脂工程で行
う事は困難であつて、生産効率の面でも不利であ
つた。

本発明者は鋭意研究を重ねた結果、原料粉末に
添加し成形工程において成形品を得るためのバイ
ンダの引火点最近接温度における表面張力を
20dyn／cm以上とすることによつて、膨れ、割
れ、ゆがみ、空孔等の欠陥の発生を防止できるこ
とを見出した。

本発明はこのような知見に基いてなされたもの
であり、セラミツクス粉末に、１種又は２種以上
の有機物質からなるバインダを添加し混練した後
成形する工程と、該工程で得られた成形品を加熱
し含まれるバインダを除去する工程と、を含むセ
ラミツクス焼結体の製造方法において、前記バイ
ンダの引火点最近接温度における表面張力が
20dyn／cm以上になるものをバインダとして用い
ることを特徴とするセラミツクス焼結体の製造方
法である。

以下本発明について詳述する。

セラミツクス原料粉末としては、すべてのセラ
ミツクス粉末を用いることができるが、本発明は
離焼結性のセラミツクス粉末とりわけ窒化珪素、
炭化珪素等の著しく難焼結性の非酸化物粉末を焼
結するに好適である。これら原料粉末の粒度は焼
結のしやすさの点でなるべく微粉のものが好まし
く、具体的には平均粒径5μｍ以下、とりわけ3μ
ｍ以下であることが好ましい。

窒化珪素、炭化珪素等はそれ自体では焼結しに
くい材料であるのでこの場合は焼結を促進するた
めに適量の焼結助剤が必要である。これら焼結助
剤としては酸化イツトリウム、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化ジル
コニウム、酸化珪素等の酸化物の他、ボロン、炭
化ボロン、炭素、炭化タングステン等を用いるこ
とができる。特に酸化物は焼結促進性が高く好ま
しいが、この中でも特に酸化イツトリウム、酸化
アルミニウム、酸化マグネシウムは焼結促進性に
優れるとともに、焼結部材の高温強度を低下させ
ることが少なく特に好ましい。これらの焼結助剤
の粒度も微粉である事が好ましい。

バインダとしてはワツクス、木ろう、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ブタジ
エン共重体、シエラツク、ポリビニールアルコー
ル、ポリ酢酸ビニール、メチルセルロース、酢酸
セルロース、ポリアクリレート、ポリメタアクリ
レート、ポリスチレン、ポリエステル樹脂、更に
は樟脳、ナフタリン、ステアリン酸、オレイン
酸、パルミチン酸、リノール酸、アントラセン、
カルバミン酸及びそれ等の誘導体の中から１種又
は２種以上選ばれたものが用いられる。

しかし、バインダの持つ諸性質（重合度、分岐
度、引火点、空間的構造等）は、同一種類のバイ
ンダであつても、個々において異なる。同一種類
のバインダでも、引火点最近接温度における表面
張力は、上記性質によつて、微妙に異なることが
推察される。故に、同一種類のバインダでも引火
点最近接温度における表面張力が20dyn／cm以上
のものと未満のものが混在している。したがつ
て、上記列挙されたバインダの中から、引火点最
近接温度における表面張力が20dyn／cm以上のも
のを適宜選択する必要がある。後述の実施２，３
及び比較例２によれば、同一のバインダ（アタク
チツクポリプロピレン）でも、引火点最近接温度
における表面張力が異つていることがわかる。

本発明によつて焼結体を製造するに際しては、
上述のセラミツクス原料粉末にバインダを添加
し、均一になるように混練する。次にこの混練物
を成形体とするのであるが、成形する方法として
は常法のいかなる方法も採用可能である。

例えばプレス成形、鋳込成形、ラバープレス成
形、射出成形等の方法が任意に採用されうる。

これらの成形法によつて得られた成形品は、通
常の焼成方法によつて焼結される。但し窒化珪
素、炭化珪素等非酸化物原料を用いた成形品の場
合はその焼結が高温でしかも窒素、アルゴン、ヘ
リウム、水素等酸素が存在しない雰囲気で行われ
るため、この焼成工程に先立つて、前記バインダ
を解重合、酸化分解、燃焼等によつて成形品より
除去することが好ましい。この除去工程は通常仮
焼工程、脱脂工程或いは予備焼成と呼ばれている
ものである。

このようなバインダを除去する工程において、
バインダの表面張力が引火点最近接温度において
20dyn／cm以上であると、該バインダがセラミツ
クス原料紛末の表面に均一に被覆され、また一気
に流出することなく保持されて適度な気孔が生
じ、これを通じてバインダが分解する際に発生す
るガスを逃がすようにでき、不良品の発生を低減
できる。

以下、実施例及び比較例に基いて本発明を更に
詳細に説明する。

実施例 １ 平均粒径3μｍ以下の窒化珪素粉末95重量部、
酸化アルミニウム粉末５重量部に対しバインダと
してワツクスを30重量部添加しボールミルを用い
て混練した後射出成形法（成形圧50Kg／cm²）によ
つて５×５×10cmの成形品を30個成形した。この
バインダの引火点は387℃であり、380℃における
表面張力は測定の結果24dyn／cmであつた。

この成形品を400℃で空気中で仮焼しバインダ
を酸化分解して除去したところ、すべての成形品
について何ら亀裂、膨れ、部分崩解等が無かつ
た。次にこの仮焼物を1800℃で２時間窒素雰囲気
中で焼結したところ、部留り100％で焼結体を得
ることができた。

比較例 １ （従来法） 実施例１と同様にSi₃N₄とAl₂O₃からなる原料
粉末100重量部に対し、パラフイン（引火点最近
接温度の297℃における表面張力18dyn／cm）を
30重量部添加し、同様にして成形した。

この成形品を同様にして仮焼したところ、供試
品30個のうち５個に亀裂と部分崩解が生じた。残
りの25個について同様にして焼結したところ５個
について方向によつて収縮度が異なる焼結不良が
生じ、そのうち２個については亀裂が発生した。
このため最終部留りは67％に止まつた。

実施例 ２ 平均粒径1.5μｍ以下の窒化珪素粉末90重量部、
酸化イツトリウム５重量部、スピネル５重量部よ
りなる混合粉100重量部にバインダとして、アタ
クチツクポリプロピレン25重量部を添加し、高温
ニーダにより混練し、ガスタービンエンジン用ラ
ジアルタービンを射出成形によつて成形する。

この時のアタクチツクポリプロピレンは170℃
の溶融粘度は480C.P（センチポイズ）であり、ク
リーブランド開放式引火点測定法（JIS−Ｋ−
2265）での引火点は258℃であり引火点に近い245
℃での表面張力は測定の結果23dyn／cmであつ
た。

この成形体を400℃の窒素雰囲気中で脱脂処理
を行いバインダを除去したところ、すべての脱脂
体について、何ら亀裂、膨れが無つた。次にこの
脱脂体を1600℃で４時間窒素中で焼結したところ
歩留り100％で良い焼結体が得られた。

実施例 ３ 実施例２と同様の混合粉100部に、170℃に於け
る溶融粘度が580C.Pであり、引火点が240℃であ
り、234℃での表面張力が21dyn／cmであるアタ
クチツクポリプロピレン25重量部を添加して、混
練する。続いて実施例２と同様の条件で射出成
形、脱脂、焼成を行つたところ歩留り98％で同じ
く良好な焼結体が得られた。

比較例 ２ （従来例） 実施例２，３と同様の混合粉100部に、170℃に
於ける溶融粘度が600C.Pであり、引火点が235℃
であり、230℃の表面張力が18dyn／cmである。
アタクチツクポリプロピレン25重量部を添加して
混練する。続いて実施例２，３と同様、ガスター
ビン用ラジアルタービンを射出成形を行う。成形
後の正確な検査では実施例２，３の成形体と同じ
く何ら欠陥がなかつた。続いて実施例と同じく、
400℃の窒素雰囲気中で脱脂処理を行い、脱脂体
を検査したところ85％の脱脂体に膨れや、亀裂が
生じていた。続いて外見上欠陥のない残る15％の
脱脂体を実施例２と同様に窒素中で焼結処理を行
つた。内部検査した結果全てに空隙、ポアの欠陥
があり、歩留り０％であつた。

以上詳述したように本発明の方法によれば、セ
ラミツクス焼結体の製造部留りが著しく向上する
と同時に、製造工程の管理も極めて容易になり更
に生産効率も向上する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ セラミツクス粉末に、１種又は２種以上の有
   機物質からなるバインダを添加し混練した後成形
   する工程と、該工程で得られた成形品を加熱し含
   まれるバインダを除去する工程と、を含むセラミ
   ツクス焼結体の製造方法において、前記バインダ
   として引火点最近接温度における表面張力が
   20dyn／cm以上になるものを用いることを特徴と
   するセラミツクス焼結体の製造方法。