WO2021106533A1 - 酸化物含有セラミック焼結体の製法及び離型シート - Google Patents
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- C04B35/645—Pressure sintering
Definitions
- the present invention relates to a method for producing an oxide-containing ceramic sintered body and a release sheet.
- a hot press method As a method for firing ceramics, a hot press method is known in which a sample (ceramic powder or ceramic molded product) is fired while being pressurized at a high temperature.
- a spacer is generally arranged between the sample and the press member in order to protect the sample and the press member.
- This spacer is often made of the same material as the other member in order to avoid stress concentration due to the difference in thermal expansion coefficient from the other member.
- all members are generally made of graphite
- all members are generally made of alumina or silicon carbide.
- a graphite sheet In an inert atmosphere or a vacuum atmosphere, it is common to use a graphite sheet as a mold release material.
- a graphite sheet release material when used, the sample and the release material may react with each other and affect the characteristics of the sample.
- the carbon and the sample may react with each other, causing the sample to evaporate, melt, or become carbide.
- the reaction between the mold release material and the sample proceeds, the mold release material is lost, and the sample may come into direct contact with the spacer and stick to it.
- the present invention has been made to solve such a problem, and the main object of the present invention is to suppress the reaction between the oxide-containing ceramic molded product and the mold release material in hot press firing of the oxide-containing ceramic sintered body. And.
- the method for producing the oxide-containing ceramic sintered body of the present invention is as follows. (A) A step of producing an oxide-containing ceramic molded product before firing it into an oxide-containing ceramic sintered body, and (B) The oxide-containing ceramic molded body is sandwiched between a pair of release sheets and placed in a hot press firing furnace, and the oxide-containing ceramic molded body is added with a pair of punches via the pair of release sheets. The step of obtaining the oxide-containing ceramic sintered body by hot-press firing while pressing, and It is a manufacturing method of an oxide-containing ceramic sintered body containing The release sheet is formed of carbides or nitrides of at least one element selected from the group consisting of Group 4, Group 5, and Group 6 elements in the periodic table.
- the release sheet is formed of carbides or nitrides of at least one element selected from the group consisting of Group 4, Group 5, and Group 6 elements in the periodic table. ,
- the release sheet has low reactivity with the oxide-containing ceramic molded body, and the reaction with the oxide-containing ceramic molded body is suppressed. Therefore, the influence on the characteristics of the obtained sintered body can be suppressed.
- the release sheet is preferably formed of at least one compound selected from the group consisting of WC, TiC, TaC and NbC.
- the thickness of the release sheet is preferably 0.1 mm or more and 5 mm or less. If the release sheet is too thin, the oxide-containing ceramic molded body may diffuse through the gaps in the release sheet to reach the punch and react with the punch. On the other hand, when the thickness is 0.1 mm or more, the reaction between the oxide-containing ceramic molded product and the punch can be suppressed. If the thickness of the release sheet is too thick, the ratio of the release sheet in the hot press firing furnace becomes large, so that the productivity of the oxide-containing ceramic sintered body decreases. On the other hand, when the thickness of the release sheet is 5 mm or less, it is possible to suppress a decrease in the productivity of the oxide-containing ceramic sintered body.
- a spacer may be interposed between the release sheet and the punch. In this way, the oxide-containing ceramic molded body and the punch can be protected.
- the release sheet is preferably one obtained by molding a slurry containing a release sheet raw material powder, a binder and a dispersion medium into a sheet and then degreasing it. By doing so, a release sheet having a large area can be obtained at low cost, so that an oxide-containing ceramic sintered body having a large area can be manufactured at low cost.
- the particle size of the release sheet raw material powder is preferably 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. If the particle size of the release sheet raw material powder is too small, the powder may not be uniformly dispersed in the slurry, and an inhomogeneous release sheet may be produced. On the other hand, when the particle size of the release sheet raw material powder is 0.1 ⁇ m or more, the release sheet raw material powder is uniformly dispersed in the slurry, and a homogeneous sheet can be prepared. On the other hand, if the particle size of the release sheet raw material powder is too large, the components of the oxide-containing ceramic molded product may diffuse into the gaps in the release sheet. On the other hand, when the particle size of the release sheet raw material powder is 10 ⁇ m or less, a release sheet having denseness can be obtained, and diffusion of sample components into the gaps in the release sheet can be suppressed.
- the release sheet of the present invention is A mold release sheet used when hot-press firing an oxide-containing ceramic sintered body.
- the release sheet is formed of carbides or nitrides of at least one element selected from the group consisting of Group 4, Group 5, and Group 6 elements in the periodic table.
- this release sheet is formed of carbides or nitrides of at least one element selected from the group consisting of Group 4, Group 5, and Group 6 elements in the periodic table, it is reactive with the oxide-containing ceramic molded body. It is possible to obtain a release sheet having a low value and capable of suppressing the reaction with the oxide-containing ceramic molded body.
- the release sheet of the present invention is preferably formed of at least one compound selected from the group consisting of WC, TiC, TaC and NbC. By doing so, it is possible to obtain a release sheet capable of sufficiently suppressing the reaction with the oxide-containing ceramic molded product.
- the thickness of the release sheet is preferably 0.1 mm or more and 5 mm or less. If the release sheet is too thin, the oxide-containing ceramic molded body may diffuse through the gaps in the release sheet to reach the punch and react with the punch. On the other hand, when the thickness is 0.1 mm or more, the reaction between the oxide-containing ceramic molded product and the punch can be suppressed. If the thickness of the release sheet is too thick, the ratio of the release sheet in the hot press firing furnace becomes large, so that the productivity of the oxide-containing ceramic sintered body decreases. On the other hand, when the thickness of the release sheet is 5 mm or less, it is possible to suppress a decrease in the productivity of the oxide-containing ceramic molded product.
- the method for producing the oxide-containing ceramic sintered body of the present embodiment is as follows. (A) A step of producing an oxide-containing ceramic molded product before firing it into an oxide-containing ceramic sintered body, and (B) The oxide-containing ceramic molded body is sandwiched between a pair of release sheets and placed in a hot press firing furnace, and the oxide-containing ceramic molded body is heated while being pressed by a pair of punches via the pair of release sheets. The process of press firing to obtain an oxide-containing ceramic sintered body, Is included.
- an oxide-containing ceramic molded product before being fired into the oxide-containing ceramic sintered body is produced.
- the oxide-containing ceramic sintered body include ceramic sintered bodies containing oxides such as alumina, yttria, Samaria, magnesia, and zirconia.
- the oxide-containing ceramic sintered body may be a ceramic sintered body containing an oxide as a main component (a component occupying 50% by mass or more (including 100% by mass) of the whole) or an oxide as a sub component (a component of the whole).
- a ceramic sintered body containing less than 50% by mass) may be used.
- the ceramic sintered body of the oxide and secondary components for example, a ceramic sintered body comprising an oxide as auxiliary components (oxide ceramic, AlN, such as a non-oxide ceramics such as Si 3 N 4, SiC) and ceramic sintered body having an oxide film on the raw material powder surface (AlN, etc. Si 3 N 4, SiC) and the like.
- oxide ceramic AlN, such as a non-oxide ceramics such as Si 3 N 4, SiC
- ceramic sintered body having an oxide film on the raw material powder surface AlN, etc. Si 3 N 4, SiC
- the oxide-containing ceramic molded product may be produced by filling the mold with the raw material powder of the oxide-containing ceramic sintered body and then performing uniaxial press molding at a predetermined pressure. ..
- a slurry in which the raw material powder of the oxide-containing ceramic sintered body is mixed with a binder and a dispersion medium may be prepared, and the slurry may be molded to prepare an oxide-containing ceramic molded product. Since such an oxide-containing ceramic molded product may contain a carbon component, it is preferable to use it after degreasing.
- the degreasing temperature may be set to a temperature at which organic substances contained in the oxide-containing ceramic molded product are removed by heat.
- binder examples include ethyl cellulose-based or butyral-based organic compounds.
- the dispersion medium examples include alcohols such as 2-ethylhexanol, octanol, tarpineol and butyl carbitol, and aromatic compounds such as xylene, which can be used alone or in combination of two or more.
- a plasticizer, a dispersant, a sintering aid, or the like may be added.
- the plasticizer include organic compounds such as phthalates and adipates, and examples of the dispersant include esters of polyhydric alcohols such as sorbitan trioleate and fatty acids.
- the sintering aid include AlF 3 , MgO, MgF 2 , V 2 O 3 , CaO, CuO, and La 2 O 3 when the ceramic is alumina, and can be added alone or in combination of two or more.
- an oxide-containing ceramic molded product may be produced by mold casting.
- a ceramic rally containing the raw material powder, solvent, dispersant and gelling agent of the oxide-containing ceramic sintered body is poured into a molding mold, and the gelling agent is chemically reacted to gel the ceramic rally, thereby oxidizing the ceramic rally.
- a material-containing ceramic molded product may be produced.
- the solvent is not particularly limited as long as it dissolves the dispersant and the gelling agent, but may be a polybasic acid ester (for example, dimethyl glutarate), a polyhydric alcohol acid ester (for example, triacetin, etc.) It is preferable to use a solvent having two or more ester bonds.
- the dispersant is not particularly limited as long as it uniformly disperses the raw material powder of the oxide-containing ceramic sintered body in the solvent, but a polycarboxylic acid-based copolymer, a polycarboxylic acid salt, or the like may be used. Is preferable.
- the gelling agent may include, for example, isocyanates, polyols and a catalyst. Among these, isocyanates are not particularly limited as long as they are substances having an isocyanate group as a functional group, and examples thereof include tolylene diisocyanate (TDI), diphenylmethane diisocyanate (MDI), and modified products thereof.
- the polyols are not particularly limited as long as they are substances having two or more hydroxyl groups capable of reacting with isocyanate groups, and for example, ethylene glycol (EG), polyethylene glycol (PEG), propylene glycol (PG), polypropylene glycol (PPG). And so on.
- the catalyst is not particularly limited as long as it is a substance that promotes the urethane reaction between isocyanates and polyols, and examples thereof include triethylenediamine, hexanediamine, and 6-dimethylamino-1-hexanol.
- the gelation reaction is a reaction in which isocyanates and polyols undergo a urethane reaction to form a urethane resin (polyurethane).
- the ceramic slurry due to the reaction of the gelling agent, and the urethane resin functions as an organic binder.
- the release sheet used in the step (b) is a material that does not react with the constituent members of the hot press firing furnace and does not deteriorate the characteristics of the ceramic molded body, and is a group consisting of groups 4, 5, and 6 of the periodic table.
- Group 4 includes, for example, Ti, Zr, and Hf
- Group 5 includes, for example, V, Nb, and Ta
- Group 6 includes, for example, Cr, Mo, and W.
- the release sheet is preferably a sheet formed of at least one compound selected from the group consisting of WC, TiC, TaC and NbC, and is formed of at least one compound selected from the group consisting of TaC and NbC. Sheets are more preferred.
- the release sheet may be a mixture of at least two or more compounds selected from the group consisting of WC, TiC, TaC and NbC.
- the release sheet may be a molded sheet obtained by molding the raw material powder of the release sheet into a sheet, a sintered sheet obtained by sintering the molded sheet, or a single crystal sheet, but in terms of cost. A molded sheet is preferable.
- a molded sheet or a sintered sheet is used as the release sheet, it is sintered as long as it does not affect the reactivity with the oxide-containing ceramic, the sinterability of the oxide-containing ceramic, and the characteristics of the sintered body. It may contain impurities such as auxiliaries.
- As the release sheet a sheet (flat sheet) having both front and back surfaces flat is preferable.
- examples of the molding method include uniaxial press molding, tape molding, extrusion molding, casting molding, and injection molding. Of these, uniaxial press molding or tape molding is preferable.
- the raw material powder of the release sheet may be molded as it is, or may be molded using a slurry prepared together with a binder or a dispersion medium. Specific examples of the binder and the dispersion medium are as described above.
- a plasticizer, a dispersant, a sintering aid, and the like may be added as appropriate, and specific examples thereof are as described above.
- the release sheet may be produced by filling the mold with the raw material powder of the release sheet and then performing the uniaxial press molding at a predetermined pressure.
- the release sheet contains a carbon component
- the particle size of the raw material powder of the release sheet is preferably 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less, in order to improve the compactness of the release sheet. If the release sheet is highly dense, the oxide-containing ceramic molded body is diffused into the release sheet when the oxide-containing ceramic molded body is sandwiched between the pair of release sheets and fired by hot pressing in the step (b). Can be prevented.
- the particle size of the raw material powder of the release sheet is preferably 0.1 ⁇ m or more, more preferably 0.5 ⁇ m or more in order to improve the dispersibility when the release sheet is molded using the slurry of the raw material powder. ..
- the oxide-containing ceramic molded body is sandwiched between a pair of release sheets, placed in a hot press firing furnace, and the ceramic molded body is pressed by a pair of punches through the pair of release sheets.
- Hot press firing is performed to obtain an oxide-containing ceramic sintered body.
- a spacer may be interposed between the release sheet and the punch.
- spacers may be arranged at arbitrary positions so as to be in contact with the release sheet.
- the thickness of the release sheet is not particularly limited, but when a molded sheet is used as the release sheet, if the thickness is too thin, the oxide-containing ceramic molded body is contained in the release sheet in step (b).
- the thickness of the release sheet is preferably 0.1 mm or more, preferably 0.2 mm or more, in order to prevent the oxide-containing ceramic molded product from diffusing the gaps in the release sheet and reaching the punches and spacers. Is more preferable.
- the thickness of the release sheet is preferably 5 mm or less, and more preferably 2 mm or less.
- FIG. 10 A cross-sectional view of a graphite furnace 10 which is an example of a hot press firing furnace is shown in FIG.
- the graphite furnace 10 includes a graphite mold 12 having a heater function, and a graphite sleeve 14 arranged inside the graphite mold 12 and vertically divided into two.
- the oxide-containing ceramic molded body 16 is hot-press fired in the graphite furnace 10
- the oxide-containing ceramic molded body 16 is sandwiched between a pair of release sheets 18 and 18, and further sandwiched between a pair of graphite spacers 20 and 20.
- the oxide-containing ceramic molded body 16 is heated while being pressurized by a pair of graphite punches 22 and 22.
- the firing atmosphere in hot press firing is not particularly limited, but an inert gas such as nitrogen or Ar, or a vacuum atmosphere is preferable.
- the pressure is preferably 50 kgf / cm 2 or more, 200 kgf / cm 2 or more is more preferable.
- the firing temperature (maximum temperature reached) is preferably 1700 to 2050 ° C, more preferably 1750 to 2000 ° C. When the temperature is lowered from the maximum reached temperature, it is preferable to apply a press pressure of 50 kgf / cm 2 or more up to a predetermined temperature (a temperature set in the range of 1000 to 1400 ° C. (preferably 1100 to 1300 ° C.)).
- the timing of decompression of the press pressure is preferably 1200 ° C. during temperature reduction from the viewpoint of suppressing cracks.
- the release sheet is a carbide or nitride of at least one element selected from the group consisting of Group 4, Group 5, and Group 6 elements in the periodic table. Formed of things. Therefore, the release sheet has low reactivity with the oxide-containing ceramic molded product, and the reaction with the oxide-containing ceramic molded product is suppressed. Therefore, the influence on the characteristics of the obtained sintered body can be suppressed.
- the release sheet is preferably formed of at least one compound selected from the group consisting of WC, TiC, TaC and NbC.
- the thickness of the release sheet is preferably 0.1 mm or more and 5 mm or less. If the release sheet is too thin, the oxide-containing ceramic molded body may diffuse through the gaps in the release sheet to reach the spacer (punch if there is no spacer, the same shall apply hereinafter) and react with the spacer. is there. On the other hand, when the thickness is 0.1 mm or more, the reaction between the oxide-containing ceramic molded product and the spacer can be suppressed. If the thickness of the release sheet is too thick, the ratio of the release sheet in the hot press firing furnace becomes large, so that the productivity of the oxide-containing ceramic sintered body decreases. On the other hand, when the thickness of the release sheet is 5 mm or less, it is possible to suppress a decrease in the productivity of the oxide-containing ceramic sintered body.
- the spacer is interposed between the release sheet and the punch, the oxide-containing ceramic molded body and the punch can be protected.
- the release sheet is obtained by molding a slurry containing the release sheet raw material powder, a binder and a dispersion medium into a sheet and then degreasing it.
- a release sheet having a large area can be obtained at low cost, so that an oxide-containing ceramic sintered body having a large area can be manufactured at low cost.
- the particle size of the release sheet raw material powder is preferably 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. If the particle size of the release sheet raw material powder is too small, the powder may not be uniformly dispersed in the slurry, and an inhomogeneous release sheet may be produced. On the other hand, when the particle size of the release sheet raw material powder is 0.1 ⁇ m or more, the release sheet raw material powder is uniformly dispersed in the slurry, and a homogeneous sheet can be prepared. On the other hand, if the particle size of the release sheet raw material powder is too large, the sample component may diffuse into the gaps in the release sheet. On the other hand, when the particle size of the release sheet raw material powder is 10 ⁇ m or less, a release sheet having denseness can be obtained, and diffusion of sample components into the gaps in the release sheet can be suppressed.
- Example 1 (1) Preparation of Alumina Mold A commercially available alumina powder having an average particle size (D50) of 0.6 ⁇ m is used as a raw material, and a press mold having a diameter of 20 mm and a thickness of 8 mm is obtained by uniaxial press molding using a die. It was. The press pressure was 200 kgf / cm 2 . The average particle size (D50) of each powder was measured using a particle size distribution measuring device (Nikkiso Co., Ltd., MT3300II).
- mold release sheet A commercially available tantalum carbide (TaC) powder with an average particle size (D50) of 1.6 ⁇ m is used as a raw material, and a press having a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm is formed by uniaxial press molding using a die. Two molded bodies were produced and used as a TaC release sheet (flat sheet) used when hot-press firing the alumina molded body. The press pressure was 200 kgf / cm 2 .
- TaC tantalum carbide
- Hot press firing A three-layer structure (TaC release sheet / alumina molded body / TaC release sheet) in which the TaC release sheet produced in (2) is laminated on the upper and lower surfaces of the alumina molded body produced in (1). ) was hot-press-fired in the graphite furnace 10 of FIG. 1 in argon at a firing temperature (maximum ultimate temperature) of 1700 ° C. for 4 hours under the condition of a surface pressure of 200 kgf / cm 2 to obtain an alumina sintered body. After firing, the TaC release sheet and the alumina sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TaC release sheet and the alumina sintered body.
- the cross section of the cut sample was smoothed by lapping with diamond abrasive grains, and mirror-finished by chemical mechanical polishing (CMP) using colloidal silica.
- CMP chemical mechanical polishing
- a cross-sectional observation of the alumina sintered body was carried out using an SEM / EDS apparatus (JSM-6390 manufactured by JEOL Ltd.). As a result, Ta and C components were not detected inside the alumina sintered body, and it was shown that the alumina and the TaC release sheet did not react during firing.
- Example 2 An alumina sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 1 except that a commercially available niobium carbide (NbC) powder having an average particle size (D50) of 2.3 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet, and reactivity was produced. was evaluated. As a result, after firing, the NbC release sheet and the alumina sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the NbC release sheet and the alumina sintered body. Further, SEM / EDS observation of the surface and cross section of the alumina sintered body also showed that the Nb and C components were not detected, indicating that the alumina and the NbC release sheet did not react during firing.
- NbC niobium carbide
- Example 3 An alumina sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 1 except that a commercially available tungsten carbide (WC) powder having an average particle size (D50) of 2.2 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet, and reactivity was produced. Was evaluated. As a result, after firing, the WC release sheet and the alumina sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the WC release sheet and the alumina sintered body. In addition, SEM / EDS observation of the surface and cross section of the alumina sintered body also showed that the W and C components were not detected, indicating that the alumina and the WC release sheet did not react during firing.
- WC tungsten carbide
- Example 4 An alumina sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 1 except that a commercially available titanium carbide (TiC) powder having an average particle size (D50) of 2.1 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet, and the reactivity was obtained. Was evaluated. As a result, after firing, the TiC release sheet and the alumina sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TiC release sheet and the alumina sintered body. Further, SEM / EDS observation of the surface and cross section of the alumina sintered body also showed that the Ti and C components were not detected, indicating that the alumina and the TiC release sheet did not react during firing.
- TiC titanium carbide
- Example 5 An alumina sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 1 except that an expanded graphite sheet (Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.), which is a commercially available graphite sheet, was used as the release sheet, and was reactive. Was evaluated. As a result, after firing, the expanded graphite sheet disappeared due to the reaction with the alumina sintered body. Further, the alumina sintered body was thinned, and the formation of a reaction product of C (carbon) and the alumina component was observed. As a result of SEM / EDS observation of the deposits, it was suggested that the deposits were metallic aluminum and aluminum carbide produced by the reduction of the alumina component by C.
- an expanded graphite sheet Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.
- TaC release sheet flat sheet
- Hot press firing A three-layer structure (TaC release sheet / Y 2 O 3 ) in which the TaC release sheet produced in (2) is laminated on the upper and lower surfaces of the Y 2 O 3 molded body produced in (1).
- the molded product / TaC mold release sheet) was hot-press fired in N 2 at a firing temperature (maximum ultimate temperature) of 1950 ° C. for 4 hours under the condition of a surface pressure of 200 kgf / cm 2 in the graphite furnace 10 of FIG.
- a 2 O 3 sintered body was obtained.
- the TaC release sheet and the Y 2 O 3 sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TaC release sheet and the Y 2 O 3 sintered body.
- Example 7 A Y 2 O 3 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 6 except that a commercially available niobium carbide (NbC) powder having an average particle size (D50) of 2.3 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, the NbC release sheet and the Y 2 O 3 sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the NbC release sheet and the Y 2 O 3 sintered body.
- NbC niobium carbide
- Example 8 A Y 2 O 3 sintered body was prepared by the same method as in Experimental Example 6 except that a commercially available tungsten carbide (WC) powder having an average particle size (D50) of 2.2 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, it was found that the Y 2 O 3 sintered body and the WC release sheet were fixed to each other after firing. The obtained three-layer structure (WC release sheet / Y 2 O 3 sintered body / WC release sheet) was cut so as to pass through the center of the substrate in a direction perpendicular to the plate surfaces.
- WC tungsten carbide
- the cross section of the cut sample was smoothed by lapping with diamond abrasive grains, and mirror-finished by chemical mechanical polishing (CMP) using colloidal silica.
- CMP chemical mechanical polishing
- the obtained cross-sectional sample was observed around the interface of the WC release sheet / Y 2 O 3 sintered body using an SEM / EDS device (JSM-6390 manufactured by JEOL Ltd.).
- SEM / EDS device JSM-6390 manufactured by JEOL Ltd.
- Example 9 A Y 2 O 3 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 6 except that a commercially available titanium carbide (TiC) powder having an average particle size (D50) of 2.1 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, it was found to be fixed to the Y 2 O 3 sintered body and TiC release sheet. The resulting 3-layer structure with respect to (TiC release sheet / Y 2 O 3 sintered body / TiC release sheet) was cut so as to pass through the center of the substrate in a direction perpendicular to the plate surfaces.
- TiC titanium carbide
- the cross section of the cut sample was smoothed by lapping with diamond abrasive grains, and mirror-finished by chemical mechanical polishing (CMP) using colloidal silica.
- CMP chemical mechanical polishing
- the obtained cross-sectional sample was observed around the TiC release sheet / Y 2 O 3 sintered body interface using an SEM / EDS device (JSM-6390 manufactured by JEOL Ltd.).
- SEM / EDS device JSM-6390 manufactured by JEOL Ltd.
- Y 2 O 3 sintered body / of TiC release sheet interface of trace in the range of the thickness direction of about 9 ⁇ m of Y 2 O 3 sintered body portion Ti, the C component is detected. From these results, it was found that Y 2 O 3 and the TiC release sheet hardly reacted during firing, and the TiC release sheet could be used as a release material.
- processing is required to separate the TiC release sheet after firing, and the TiC component is slightly diffused inside Y 2 O 3 , and the diffused region needs to
- Example 10 A Y 2 O 3 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 6 except that a commercially available expanded graphite sheet (Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) was used as the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, the expanded graphite sheet disappeared by the reaction with the Y 2 O 3 sintered body. In addition, the Y 2 O 3 sintered body was thinned, and the formation of a reactant between C and the Y 2 O 3 component was observed.
- a commercially available expanded graphite sheet Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.
- reaction product was metal yttrium, yttrium carbide, and yttrium nitride produced by the reduction and reduction nitriding of the Y 2 O 3 component by C.
- the obtained slurry was dried and then sieved through a # 100 sieve to obtain a press-molded article having a diameter of 20 mm and a thickness of 8 mm by uniaxial press molding using a mold.
- the press pressure was 200 kgf / cm 2 .
- release sheet With 100 parts by mass of commercially available tantalum carbide (TaC) powder having an average particle size (D50) of 1.6 ⁇ m, 3.2 parts by mass of an acrylic binder (Oricox # 2434T, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) , 1.3 parts by mass of bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP, manufactured by J-PLUS) as a plasticizer, and 0.2 parts by mass of amine polyether esterate (DA-234, manufactured by Kusumoto Kasei) as a dispersant. , Xylene and 1-butanol were added and mixed as a dispersion medium.
- TaC tantalum carbide
- the amount of the dispersion medium was adjusted so that the slurry viscosity was 20000 cP.
- the slurry thus prepared was tape-molded on a PET film by a doctor blade method so as to have a thickness of 200 ⁇ m after drying to obtain a molded sheet.
- This molded sheet is placed in a degreasing furnace while being sandwiched between alumina setters, degreased in nitrogen at 500 ° C. for 6 hours, and the TaC mold release sheet used when hot-press firing the Si 3 N 4 molded product. (Flat sheet).
- Hot press firing A three-layer structure (TaC release sheet / Si 3 N 4 molding) in which the TaC release sheet produced in (2) is laminated on the upper and lower surfaces of the Si 3 N 4 molded body produced in (1).
- body / TaC release sheet by graphite furnace 10 of Figure 1, in nitrogen, the firing temperature (maximum temperature) for 4 hours at 1800 ° C., and hot press firing under the conditions of a surface pressure of 200kgf / cm 2, Si 3 N 4 Sintered products were obtained.
- the TaC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TaC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body.
- Example 12 A Si 3 N 4 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 11 except that a commercially available niobium carbide (NbC) powder having an average particle size (D50) of 2.3 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, the NbC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the NbC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body. In addition, Nb and C components were not detected by SEM / EDS observation of the surface and cross section of the Si 3 N 4 sintered body, and Si 3 N 4 and the auxiliary components Al 2 O 3 and Y 2 O 3 were found during firing. It was shown that the NbC release sheet did not react.
- NbC niobium carbide
- Example 13 A Si 3 N 4 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 11 except that a commercially available tungsten carbide (WC) powder having an average particle size (D50) of 2.2 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, the WC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the WC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body. In addition, the W and C components were not detected by SEM / EDS observation of the surface and cross section of the Si 3 N 4 sintered body, and Si 3 N 4 and the auxiliary components Al 2 O 3 and Y 2 O 3 were found during firing. It was shown that the WC release sheet did not react.
- WC tungsten carbide
- Example 14 A Si 3 N 4 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 11 except that a commercially available titanium carbide (TiC) powder having an average particle size (D50) of 2.1 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, the TiC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TiC release sheet and the Si 3 N 4 sintered body. In addition, the Ti and C components were not detected by SEM / EDS observation of the surface and cross section of the Si 3 N 4 sintered body, and Si 3 N 4 and the auxiliary components Al 2 O 3 and Y 2 O 3 were found during firing. It was shown that the TiC release sheet did not react.
- TiC titanium carbide
- Example 15 A Si 3 N 4 sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 11 except that a commercially available expanded graphite sheet (Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) was used as the release sheet. , Reactivity was evaluated. As a result, after firing, the expanded graphite sheet and the Si 3 N 4 sintered body were not separated. A part of the expanded graphite sheet disappears by the reaction with the sintering aids Al 2 O 3 and Y 2 O 3 in the Si 3 N 4 sintered body, and C and Al 2 O 3 and Y 2 O The formation of a reactant with the three components was observed. As a result of SEM / EDS observation of the reactants, it was suggested that the reactants were metallic aluminum, aluminum carbide, metallic yttrium, and yttrium carbide.
- release sheet With 100 parts by mass of commercially available tantalum carbide (TaC) powder having an average particle size (D50) of 1.6 ⁇ m, 3.2 parts by mass of an acrylic binder (Oricox # 2434T, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) , 1.3 parts by mass of bis (2-ethylhexyl) phthalate (DOP, manufactured by J-PLUS) as a plasticizer, and 0.2 parts by mass of amine polyether esterate (DA-234, manufactured by Kusumoto Kasei) as a dispersant. , Xylene and 1-butanol were added and mixed as a dispersion medium.
- TaC tantalum carbide
- the amount of the dispersion medium was adjusted so that the slurry viscosity was 20000 cP.
- the slurry thus prepared was tape-molded on a PET film by a doctor blade method so as to have a thickness of 200 ⁇ m after drying to obtain a molded sheet.
- This molded sheet is placed in a degreasing furnace while being sandwiched between alumina setters, degreased in nitrogen at 500 ° C. for 6 hours, and a TaC release sheet (flat sheet) used when hot-press firing the SiC molded product. ).
- Hot press firing A three-layer structure (TaC release sheet / SiC molded body / TaC release sheet) in which the TaC release sheet produced in (2) is laminated on the upper and lower surfaces of the SiC molded body produced in (1). ) was hot-press-baked in argon in the graphite furnace 10 of FIG. 1 at a firing temperature (maximum ultimate temperature) of 2000 ° C. for 4 hours under the condition of a surface pressure of 200 kgf / cm 2 to obtain a SiC sintered body. After firing, the TaC release sheet and the SiC sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TaC release sheet and the SiC sintered body.
- Example 17 A SiC sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 16 except that a commercially available niobium carbide (NbC) powder having an average particle size (D50) of 2.3 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet, and reactivity was produced. was evaluated. As a result, after firing, the NbC release sheet and the SiC sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the NbC release sheet and the SiC sintered body.
- NbC niobium carbide
- Example 18 A SiC sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 16 except that a commercially available tungsten carbide (WC) powder having an average particle size (D50) of 2.2 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet, and reactivity was produced. Was evaluated. As a result, after firing, the WC release sheet and the SiC sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the WC release sheet and the SiC sintered body. Further, even in the SEM / EDS observation of the surface and cross section of the SiC sintered body, the W and C components were not detected, and the SiC and the auxiliary agent components AlN and Y 2 O 3 reacted with the WC release sheet during firing. It was shown not.
- WC tungsten carbide
- Example 19 A SiC sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 16 except that a commercially available titanium carbide (TiC) powder having an average particle size (D50) of 2.1 ⁇ m was used as a raw material for the release sheet, and reactivity was produced. Was evaluated. As a result, after firing, the TiC release sheet and the SiC sintered body were separated, and no visual reaction was observed between the TiC release sheet and the SiC sintered body. Further, even in the SEM / EDS observation of the surface and cross section of the SiC sintered body, the Ti and C components were not detected, and the SiC and the auxiliary agent components AlN and Y 2 O 3 reacted with the TiC release sheet during firing. It was shown not.
- TiC titanium carbide
- Example 20 A SiC sintered body was prepared using the same method as in Experimental Example 16 except that an expanded graphite sheet (Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.), which is a commercially available graphite sheet, was used as the release sheet, and reactivity was produced. Was evaluated. As a result, the expanded graphite sheet and the SiC sintered body were not separated after firing. A part of the expanded graphite sheet disappeared by the reaction with Y 2 O 3 which is a sintering aid in the SiC sintered body, and the formation of a reactant between C and the Y 2 O 3 component was observed. As a result of SEM / EDS observation of the reaction product, it was suggested that the reaction product was metal yttrium or yttrium carbide.
- an expanded graphite sheet Nika film FL-400, manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.
- the present invention can be used when hot-press firing an oxide-containing ceramic sintered body.
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Abstract
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法は、(a)酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する工程と、(b)酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成炉内に配置し、一対の離型シートを介して酸化物含有セラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して酸化物含有セラミック焼結体を得る工程と、を含む酸化物含有セラミック焼結体の製法であって、離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されたものである。
Description
本発明は、酸化物含有セラミック焼結体の製法及び離型シートに関する。
セラミックの焼成方法として、試料(セラミック粉体あるいはセラミック成形体)を高温下で加圧しながら焼成するホットプレス法が知られている。ホットプレス法でセラミックを製造する場合、一般的には試料とプレス部材の保護のために、試料とプレス部材との間にスペーサが配置される。このスペーサは、他部材との熱膨張率差による応力集中を避けるために他部材と同一の材質を用いることが多い。例えば不活性雰囲気では部材はすべて黒鉛製に、酸化雰囲気ではすべてアルミナか炭化ケイ素とするのが一般的である。しかし、この手法では試料とスペーサが直接接触するため、試料とスペーサとが反応し、固着したりスペーサが割れたりする問題があった。そのため、試料とスペーサとの間に離型材を設ける手法が提案されている(例えば特許文献1~3)。
不活性雰囲気や真空雰囲気では黒鉛製シートを離型材に利用することが一般的である。しかし、高温でのホットプレス焼成では黒鉛製シートの離型材を用いた場合、試料と離型材とが反応し、試料の特性に影響与えることがある。特に、離型材としてカーボンシートを用いて酸化物セラミックの試料を焼成した場合、カーボンと試料とが反応して、試料が蒸発、融解したり、炭化物となったりすることがある。また、離型材と試料との反応が進んで離型材が失われ、試料がスペーサと直接接触し、固着することもある。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、酸化物含有セラミック焼結体のホットプレス焼成において、酸化物含有セラミック成形体と離型材との反応を抑制することを主目的とする。
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法は、
(a)酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する工程と、
(b)前記酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成炉内に配置し、前記一対の離型シートを介して前記酸化物含有セラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して前記酸化物含有セラミック焼結体を得る工程と、
を含む酸化物含有セラミック焼結体の製法であって、
前記離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されたものである。
(a)酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する工程と、
(b)前記酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成炉内に配置し、前記一対の離型シートを介して前記酸化物含有セラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して前記酸化物含有セラミック焼結体を得る工程と、
を含む酸化物含有セラミック焼結体の製法であって、
前記離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されたものである。
この酸化物含有セラミック焼結体の製法では、離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されるため、離型シートは、酸化物含有セラミック成形体との反応性が低く、酸化物含有セラミック成形体との反応が抑制される。したがって、得られる焼結体の特性に与える影響を抑制できる。
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法において、前記離型シートは、WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成されるものが好ましい。こうすれば、離型シートと酸化物含有セラミック成形体との反応を十分に抑制できるため、得られる焼結体の特性に与える影響を十分に抑制できる。
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法において、前記離型シートの厚みは、0.1mm以上5mm以下が好ましい。離型シートの厚みが薄すぎると、酸化物含有セラミック成形体が離型シート内の隙間を拡散してパンチに到達し、パンチと反応する場合がある。これに対し、厚みが0.1mm以上であれば、酸化物含有セラミック成形体とパンチの反応を抑制することができる。離型シートの厚みが厚すぎると、ホットプレス焼成炉内に占める離型シートの割合が大きくなるため、酸化物含有セラミック焼結体の生産性が低下する。これに対し、離型シートの厚みが5mm以下であれば、酸化物含有セラミック焼結体の生産性の低下を抑制することができる。
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法において、前記工程(b)では、前記離型シートと前記パンチとの間にスペーサを介在させてもよい。こうすれば、酸化物含有セラミック成形体とパンチを保護することができる。
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法において、前記離型シートは、離型シート原料粉末、バインダー及び分散媒を含むスラリーをシート状に成形したあと脱脂したものが好ましい。こうすれば、低コストで面積の大きい離型シートを得ることができるため、面積の大きい酸化物含有セラミック焼結体を低コストで製造できる。
本発明の酸化物含有セラミック焼結体の製法において、前記離型シート原料粉末の粒径は、0.1μm以上10μm以下が好ましい。離型シート原料粉末の粒径が小さすぎると、スラリー内で粉末が均一に分散せず、不均質な離型シートが作製されてしまう場合がある。これに対し、離型シート原料粉末の粒径が0.1μm以上であれば、離型シート原料粉末がスラリー内で均一に分散し、均質なシートを作成できる。一方、離型シート原料粉末の粒径が大きすぎると、離型シート内の隙間に酸化物含有セラミック成形体の成分が拡散する場合がある。これに対し、離型シート原料粉末の粒径が10μm以下であれば、緻密性を有する離型シートが得られ、離型シート内の隙間に試料成分が拡散することを抑制できる。
本発明の離型シートは、
酸化物含有セラミック焼結体をホットプレス焼成する際に用いられる離型シートであって、
前記離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されたものである。
酸化物含有セラミック焼結体をホットプレス焼成する際に用いられる離型シートであって、
前記離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されたものである。
この離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されるため、酸化物含有セラミック成形体との反応性が低く、酸化物含有セラミック成形体との反応を抑制できる離型シートを得ることができる。
本発明の離型シートにおいて、前記離型シートは、WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成されるものが好ましい。こうすれば、酸化物含有セラミック成形体との反応を十分に抑制できる離型シートを得ることができる。
本発明の離型シートにおいて、前記離型シートの厚みは、0.1mm以上5mm以下が好ましい。離型シートの厚みが薄すぎると、酸化物含有セラミック成形体が離型シート内の隙間を拡散してパンチに到達し、パンチと反応する場合がある。これに対し、厚みが0.1mm以上であれば、酸化物含有セラミック成形体とパンチとの反応を抑制することができる。離型シートの厚みが厚すぎると、ホットプレス焼成炉内に占める離型シートの割合が大きくなるため、酸化物含有セラミック焼結体の生産性が低下する。これに対し、離型シートの厚みが5mm以下であれば、酸化物含有セラミック成形体の生産性の低下を抑制することができる。
本実施形態の酸化物含有セラミック焼結体の製法は、
(a)酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する工程と、
(b)酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成炉内に配置し、一対の離型シートを介して酸化物含有セラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して酸化物含有セラミック焼結体を得る工程と、
を含むものである。
(a)酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する工程と、
(b)酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成炉内に配置し、一対の離型シートを介して酸化物含有セラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して酸化物含有セラミック焼結体を得る工程と、
を含むものである。
工程(a)では、酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する。酸化物含有セラミック焼結体としては、例えば、アルミナ、イットリア、サマリア、マグネシア、ジルコニア等の酸化物を含有するセラミック焼結体が挙げられる。酸化物含有セラミック焼結体は、酸化物を主成分(全体の50質量%以上(100質量%を含む)を占める成分)とするセラミック焼結体でもよいし、酸化物を副成分(全体の50質量%未満の成分)とするセラミック焼結体でもよい。酸化物を副成分とするセラミック焼結体とは、例えば、酸化物を助剤成分として含むセラミック焼結体(酸化物セラミック、AlN、Si3N4、SiC等の非酸化物セラミックなど)及び原料粉末表面に酸化被膜を有するセラミック焼結体(AlN、Si3N4、SiCなど)が挙げられる。
工程(a)では、酸化物含有セラミック焼結体の原料粉末を金型に充填し、続いて、所定の圧力で一軸プレス成形を行うことで、酸化物含有セラミック成形体を作製してもよい。あるいは、酸化物含有セラミック焼結体の原料粉末をバインダー及び分散媒と共に混合したスラリーを調製し、そのスラリーを成形して酸化物含有セラミック成形体を作製してもよい。こうした酸化物含有セラミック成形体は、炭素成分を含むことがあるため、脱脂したあと用いることが好ましい。脱脂温度は酸化物含有セラミック成形体に含まれる有機物が熱により除去される温度に設定すればよい。バインダーとしては、例えばエチルセルロース系あるいはブチラール系の有機化合物が挙げられる。分散媒としては、例えば2-エチルヘキサノール、オクタノール、ターピネオール、ブチルカルビトール等のアルコール類、キシレン等の芳香族化合物などが挙げられ、単独あるいは複数種組み合わせて使用できる。その他に可塑剤や分散剤、焼結助剤などを添加してもよい。可塑剤としては、例えばフタル酸エステルやアジピン酸エステル等の有機化合物が挙げられ、分散剤としては、例えばトリオレイン酸ソルビタンなどの多価アルコールと脂肪酸とのエステルが挙げられる。焼結助剤としては、例えばセラミックがアルミナの場合、AlF3、MgO、MgF2、V2O3、CaO、CuO、La2O3などが挙げられ、単独あるいは複数種組合わせて添加できる。
あるいは、工程(a)では、モールドキャスト成形により酸化物含有セラミック成形体を作製してもよい。この場合、酸化物含有セラミック焼結体の原料粉末、溶媒、分散剤及びゲル化剤を含むセラミックラリーを成形型に流し込み、ゲル化剤を化学反応させてセラミックラリーをゲル化させることにより、酸化物含有セラミック成形体を作製してもよい。溶媒としては、分散剤及びゲル化剤を溶解するものであれば、特に限定されないが、多塩基酸エステル(例えば、グルタル酸ジメチル等)、多価アルコールの酸エステル(例えば、トリアセチン等)等の、2以上のエステル結合を有する溶媒を使用することが好ましい。分散剤としては、酸化物含有セラミック焼結体の原料粉末を溶媒中に均一に分散するものであれば、特に限定されないが、ポリカルボン酸系共重合体、ポリカルボン酸塩等を使用することが好ましい。ゲル化剤としては、例えば、イソシアネート類、ポリオール類及び触媒を含むものとしてもよい。このうち、イソシアネート類としては、イソシアネート基を官能基として有する物質であれば特に限定されないが、例えば、トリレンジイソシアネート(TDI)、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)又はこれらの変性体等が挙げられる。ポリオール類としては、イソシアネート基と反応し得る水酸基を2以上有する物質であれば特に限定されないが、例えば、エチレングリコール(EG)、ポリエチレングリコール(PEG)、プロピレングリコール(PG)、ポリプロピレングリコール(PPG)等が挙げられる。触媒としては、イソシアネート類とポリオール類とのウレタン反応を促進させる物質であれば特に限定されないが、例えば、トリエチレンジアミン、ヘキサンジアミン、6-ジメチルアミノ-1-ヘキサノール等が挙げられる。ここでは、ゲル化反応とは、イソシアネート類とポリオール類とがウレタン反応を起こしてウレタン樹脂(ポリウレタン)になる反応である。ゲル化剤の反応によりセラミックスラリーがゲル化し、ウレタン樹脂は有機バインダーとして機能する。
工程(b)で使用する離型シートは、ホットプレス焼成炉の構成部材と反応せず、セラミック成形体の特性を劣化させない材料であり、周期表の4族、5族及び6族からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成されるシートである。4族としては、例えばTi,Zr,Hfが挙げられ、5族としては、例えばV,Nb,Taが挙げられ、6族としては、例えばCr,Mo,Wが挙げられる。離型シートとしては、WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成されるシートが好ましく、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成されるシートがより好ましい。WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも2種類以上の化合物の混合物でもよい。また、離型シートとしては、離型シートの原料粉末をシート状に成形した成形シートでもよいし、その成形シートを焼結した焼結シートでもよいし、単結晶シートでもよいが、コストの面から成形シートが好ましい。なお、離型シートとして、成形シートや焼結シートを用いる場合、酸化物含有セラミックとの反応性や、酸化物含有セラミックの焼結性、焼結体の特性に影響を与えない限り、焼結助剤等の不純物を含んでいてもよい。離型シートとしては、表裏両面が平坦なシート(フラットシート)が好ましい。
離型シートとして、離型シートの原料粉末をシート状に成形した成形シートを用いる場合、その成形方法としては、例えば、一軸プレス成形、テープ成形、押し出し成形、鋳込み成形、射出成形が挙げられるが、このうち一軸プレス成形又はテープ成形が好ましい。離型シートの原料粉末は、そのまま成形してもよいし、バインダーや分散媒と共に調製したスラリーを用いて成形してもよい。バインダーや分散媒の具体例については、上述したとおりである。また、その他に適宜可塑剤や分散剤、焼結助剤などを添加してもよいが、それらの具体例についても、上述したとおりである。例えば、一軸プレス成形を採用する場合、離型シートの原料粉末を金型に充填し、続いて、所定の圧力で一軸プレス成形を行うことで、離型シートを作製してもよい。離型シートに炭素成分が含まれている場合には、離型シートを脱脂して炭素成分を除去してから使用するのが好ましい。離型シートの原料粉末の粒径は、離型シートの緻密性を高めるためには、10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましい。離型シートの緻密性が高いと、工程(b)で酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成する際に、離型シートへの酸化物含有セラミック成形体の拡散を防止することができる。離型シートの原料粉末の粒径は、原料粉末のスラリーを用いて離型シートを成形する場合の分散性を良好にするためには、0.1μm以上が好ましく、0.5μm以上がより好ましい。
工程(b)では、酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んで、ホットプレス焼成炉内に配置し、一対の離型シートを介してセラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して酸化物含有セラミック焼結体を得る。この場合、離型シートとパンチとの間にスペーサを介在させてもよい。また、複数のセラミック成形体を焼成する場合、任意の位置に離型シートと接するようにスペーサを配置してもよい。離型シートの厚みは、特に限定されるものではいが、離型シートとして成形シートを用いた場合、その厚みが薄すぎると、工程(b)で酸化物含有セラミック成形体が離型シート内の隙間を拡散してパンチに到達し、パンチと反応することがある。また、離型シートとパンチとの間にスペーサが配置されている場合には、スペーサと反応することがある。酸化物含有セラミック成形体が離型シート内の隙間を拡散してパンチやスペーサに到達しないようにするために、離型シートの厚みは、0.1mm以上であることが好ましく、0.2mm以上であることがより好ましい。一方、離型シートの厚みが厚すぎると、ホットプレス焼成炉内に占める離型シートの割合が大きくなり、酸化物含有セラミック焼結体の生産性が低下する。酸化物含有セラミック焼結体の生産性を低下させないために、離型シートの厚みは5mm以下であることが好ましく、2mm以下であることがより好ましい。
ホットプレス焼成炉の一例である黒鉛炉10の断面図を図1に示す。黒鉛炉10は、ヒータ機能を有する黒鉛モールド12と、その黒鉛モールド12の内部に配置され縦に2分割された黒鉛スリーブ14とを備えている。酸化物含有セラミック成形体16をこの黒鉛炉10でホットプレス焼成する場合、酸化物含有セラミック成形体16を一対の離型シート18,18で挟み、更に一対の黒鉛スペーサ20,20で挟んだ状態で黒鉛スリーブ14の内部に配置し、一対の黒鉛パンチ22,22で酸化物含有セラミック成形体16を加圧しながら加熱する。酸化物含有セラミックがアルミナの場合、ホットプレス焼成における焼成雰囲気は特に限定されないが、窒素、Ar等の不活性ガス、又は真空雰囲気が好ましい。圧力は、50kgf/cm2以上が好ましく、200kgf/cm2以上がより好ましい。焼成温度(最高到達温度)は1700~2050℃が好ましく、1750~2000℃がより好ましい。最高到達温度からの降温時において、所定温度(1000~1400℃(好ましくは1100~1300℃)の範囲で設定された温度)まで50kgf/cm2以上のプレス圧を印加することが好ましい。所定温度未満の温度域では50kgf/cm2未満の圧力まで除圧することが好ましい。このようにすることで、焼結体中にクラックが入ることを抑制することができる。プレス圧の除圧のタイミングは、クラック抑制の観点から降温中の1200℃とするのが好ましい。
以上説明した本実施形態の酸化物含有セラミック焼結体の製法では、離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成される。そのため、離型シートは、酸化物含有セラミック成形体との反応性が低く、酸化物含有セラミック成形体との反応が抑制される。したがって、得られる焼結体の特性に与える影響を抑制できる。
また、離型シートは、WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成されるのが好ましい。こうすれば、離型シートと酸化物含有セラミック成形体との反応を十分に抑制でき、得られる焼結体の特性に与える影響を十分に抑制できる。
更に、離型シートの厚みは、0.1mm以上5mm以下とするのが好ましい。離型シートの厚みが薄すぎると、酸化物含有セラミック成形体が離型シート内の隙間を拡散してスペーサ(スペーサがない場合にはパンチ、以下同じ)に到達し、スペーサと反応する場合がある。これに対し、厚みが0.1mm以上であれば、酸化物含有セラミック成形体とスペーサとの反応を抑制することができる。離型シートの厚みが厚すぎると、ホットプレス焼成炉内に占める離型シートの割合が大きくなるため、酸化物含有セラミック焼結体の生産性が低下する。これに対し、離型シートの厚みが5mm以下であれば、酸化物含有セラミック焼結体の生産性の低下を抑制することができる。
更にまた、工程(b)では、離型シートとパンチとの間にスペーサを介在させているため、酸化物含有セラミック成形体とパンチを保護することができる。
そして、離型シートは、離型シート原料粉末、バインダー及び分散媒を含むスラリーをシート状に成形したあと脱脂したものとするのが好ましい。こうすれば、低コストで面積の大きい離型シートを得ることができるため、面積の大きい酸化物含有セラミック焼結体を低コストで製造できる。
そしてまた、離型シート原料粉末の粒径は、0.1μm以上10μm以下とするのが好ましい。離型シート原料粉末の粒径が小さすぎると、スラリー内で粉末が均一に分散せず、不均質な離型シートが作製されてしまう場合がある。これに対し、離型シート原料粉末の粒径が0.1μm以上であれば、離型シート原料粉末がスラリー内で均一に分散し、均質なシートを作成できる。一方、離型シート原料粉末の粒径が大きすぎると、離型シート内の隙間に試料成分が拡散する場合がある。これに対し、離型シート原料粉末の粒径が10μm以下であれば、緻密性を有する離型シートが得られ、離型シート内の隙間に試料成分が拡散することを抑制できる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
以下には、酸化物含有セラミック焼結体を具体的に作製した例を実施例として説明する。実験例1~4,6~9,11~14,16~19が本発明の実施例に相当し、実験例5,10,15,20が比較例に相当する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実験例1]
(1)アルミナ成形体の作製
原料に平均粒径(D50)0.6μmの市販のアルミナ粉末を使用し、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。なお、各種粉末の平均粒径(D50)は粒度分布測定装置(日機装製、MT3300II)を用いて測定した。
(1)アルミナ成形体の作製
原料に平均粒径(D50)0.6μmの市販のアルミナ粉末を使用し、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。なお、各種粉末の平均粒径(D50)は粒度分布測定装置(日機装製、MT3300II)を用いて測定した。
(2)離型シートの作製
原料に平均粒径(D50)1.6μmの市販の炭化タンタル(TaC)粉末を使用し、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ2mmのプレス成形体を2体作製し、アルミナ成形体をホットプレス焼成する際に用いるTaC離型シート(フラットシート)とした。プレス圧は200kgf/cm2とした。
原料に平均粒径(D50)1.6μmの市販の炭化タンタル(TaC)粉末を使用し、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ2mmのプレス成形体を2体作製し、アルミナ成形体をホットプレス焼成する際に用いるTaC離型シート(フラットシート)とした。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(3)ホットプレス焼成
(1)で作製したアルミナ成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した3層構造体(TaC離型シート/アルミナ成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、アルゴン中、焼成温度(最高到達温度)1700℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、アルミナ焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、TaC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(1)で作製したアルミナ成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した3層構造体(TaC離型シート/アルミナ成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、アルゴン中、焼成温度(最高到達温度)1700℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、アルミナ焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、TaC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(4)アルミナ焼結体の評価
アルミナ焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いてTaC離型シートと接触していたアルミナ焼結体表面のEDS分析を実施した。その結果、アルミナ焼結体表面にTa、C成分は検出されなかった。また、TaC離型シートとアルミナ焼結体との反応の有無を調べるため、得られたアルミナ焼結体に対し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げとした。SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いて、アルミナ焼結体の断面観察を実施した。その結果、アルミナ焼結体内部にはTa、C成分が検出されず、焼成中にアルミナとTaC離型シートとが反応していないことが示された。
アルミナ焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いてTaC離型シートと接触していたアルミナ焼結体表面のEDS分析を実施した。その結果、アルミナ焼結体表面にTa、C成分は検出されなかった。また、TaC離型シートとアルミナ焼結体との反応の有無を調べるため、得られたアルミナ焼結体に対し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げとした。SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いて、アルミナ焼結体の断面観察を実施した。その結果、アルミナ焼結体内部にはTa、C成分が検出されず、焼成中にアルミナとTaC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例2]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、NbC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、アルミナ焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Nb、C成分は検出されず、焼成中にアルミナとNbC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、NbC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、アルミナ焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Nb、C成分は検出されず、焼成中にアルミナとNbC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例3]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、WC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、WC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、アルミナ焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、W、C成分は検出されず、焼成中にアルミナとWC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、WC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、WC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、アルミナ焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、W、C成分は検出されず、焼成中にアルミナとWC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例4]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、TiC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、TiC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、アルミナ焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Ti、C成分は検出されず、焼成中にアルミナとTiC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、TiC離型シートとアルミナ焼結体とは分離し、TiC離型シートとアルミナ焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、アルミナ焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Ti、C成分は検出されず、焼成中にアルミナとTiC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例5]
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートはアルミナ焼結体との反応で消失していた。また、アルミナ焼結体は減肉しており、C(炭素)とアルミナ成分との反応物の形成が認められた。付着物のSEM/EDS観察を実施した結果、付着物はCによるアルミナ成分の還元によって生じた金属アルミニウム及び炭化アルミニウムであることが示唆された。
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例1と同様の方法を用いてアルミナ焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートはアルミナ焼結体との反応で消失していた。また、アルミナ焼結体は減肉しており、C(炭素)とアルミナ成分との反応物の形成が認められた。付着物のSEM/EDS観察を実施した結果、付着物はCによるアルミナ成分の還元によって生じた金属アルミニウム及び炭化アルミニウムであることが示唆された。
[実験例6]
(1)Y2O3成形体の作製
原料に平均粒径(D50)0.4μmの市販のY2O3粉末を使用し、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(1)Y2O3成形体の作製
原料に平均粒径(D50)0.4μmの市販のY2O3粉末を使用し、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(2)離型シートの作製
実験例1と同様の方法でTaC離型シート(フラットシート)を作製した。
実験例1と同様の方法でTaC離型シート(フラットシート)を作製した。
(3)ホットプレス焼成
(1)で作製したY2O3成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した、3層構造体(TaC離型シート/Y2O3成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、N2中、焼成温度(最高到達温度)1950℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、Y2O3焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとY2O3焼結体とは分離し、TaC離型シートとY2O3焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(1)で作製したY2O3成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した、3層構造体(TaC離型シート/Y2O3成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、N2中、焼成温度(最高到達温度)1950℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、Y2O3焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとY2O3焼結体とは分離し、TaC離型シートとY2O3焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(4)Y2O3焼結体の評価
Y2O3焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、実験例1と同様の方法でY2O3焼結体表面及びY2O3焼結体断面のSEM/EDS観察を実施した。その結果、Y2O3焼結体表面及びY2O3焼結体内部からTa、C成分は検出されず、焼成中にY2O3とTaC離型シートとが反応していないことが示された。
Y2O3焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、実験例1と同様の方法でY2O3焼結体表面及びY2O3焼結体断面のSEM/EDS観察を実施した。その結果、Y2O3焼結体表面及びY2O3焼結体内部からTa、C成分は検出されず、焼成中にY2O3とTaC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例7]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとY2O3焼結体とは分離し、NbC離型シートとY2O3焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Y2O3焼結体表面、断面のSEM/EDS観察でも、焼結体表面及びY2O3焼結体内部からNb、C成分は検出されず、焼成中にY2O3とNbC離型シートとは反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとY2O3焼結体とは分離し、NbC離型シートとY2O3焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Y2O3焼結体表面、断面のSEM/EDS観察でも、焼結体表面及びY2O3焼結体内部からNb、C成分は検出されず、焼成中にY2O3とNbC離型シートとは反応していないことが示された。
[実験例8]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、Y2O3焼結体とWC離型シートとは固着していることが判明した。得られた3層構造体(WC離型シート/Y2O3焼結体/WC離型シート)に対し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げとした。得られた断面試料に対し、SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いてWC離型シート/Y2O3焼結体界面周辺の観察を実施した。その結果、Y2O3焼結体/WC離型シート界面からY2O3焼結体内部の厚さ方向約7μmの範囲で微量のW、C成分が検出された。これらの結果から焼成中におけるY2O3とWC離型シートとはほとんど反応せず、WC離型シートは離型材として使用できることがわかった。しかし、焼成後にWC離型シートを分離するには加工が必要であること、WC成分がY2O3内部にわずかに拡散しており、拡散した領域を研削などで除去する必要があることが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、Y2O3焼結体とWC離型シートとは固着していることが判明した。得られた3層構造体(WC離型シート/Y2O3焼結体/WC離型シート)に対し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げとした。得られた断面試料に対し、SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いてWC離型シート/Y2O3焼結体界面周辺の観察を実施した。その結果、Y2O3焼結体/WC離型シート界面からY2O3焼結体内部の厚さ方向約7μmの範囲で微量のW、C成分が検出された。これらの結果から焼成中におけるY2O3とWC離型シートとはほとんど反応せず、WC離型シートは離型材として使用できることがわかった。しかし、焼成後にWC離型シートを分離するには加工が必要であること、WC成分がY2O3内部にわずかに拡散しており、拡散した領域を研削などで除去する必要があることが示された。
[実験例9]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、Y2O3焼結体とTiC離型シートとは固着していることが判明した。得られた3層構造体(TiC離型シート/Y2O3焼結体/TiC離型シート)に対し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げとした。得られた断面試料に対し、SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いてTiC離型シート/Y2O3焼結体界面周辺の観察を実施した。その結果、Y2O3焼結体/TiC離型シート界面からY2O3焼結体内部の厚さ方向約9μmの範囲で微量のTi、C成分が検出された。これらの結果から焼成中におけるY2O3とTiC離型シートとはほとんど反応せず、TiC離型シートは離型材として使用できることがわかった。しかし、焼成後にTiC離型シートを分離するには加工が必要であること、TiC成分がY2O3内部にわずかに拡散しており、拡散した領域を研削などで除去する必要があることが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、Y2O3焼結体とTiC離型シートとは固着していることが判明した。得られた3層構造体(TiC離型シート/Y2O3焼結体/TiC離型シート)に対し、板面と直交する方向で基板の中心部を通るように切断した。切断した試料に対してダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工にて断面を平滑化し、コロイダルシリカを用いた化学機械研磨(CMP)により鏡面仕上げとした。得られた断面試料に対し、SEM/EDS装置(日本電子製、JSM-6390)を用いてTiC離型シート/Y2O3焼結体界面周辺の観察を実施した。その結果、Y2O3焼結体/TiC離型シート界面からY2O3焼結体内部の厚さ方向約9μmの範囲で微量のTi、C成分が検出された。これらの結果から焼成中におけるY2O3とTiC離型シートとはほとんど反応せず、TiC離型シートは離型材として使用できることがわかった。しかし、焼成後にTiC離型シートを分離するには加工が必要であること、TiC成分がY2O3内部にわずかに拡散しており、拡散した領域を研削などで除去する必要があることが示された。
[実験例10]
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートはY2O3焼結体との反応で消失していた。また、Y2O3焼結体は減肉しており、CとY2O3成分との反応物の形成が認められた。反応物のSEM/EDS観察を実施した結果、反応物はCによるY2O3成分の還元及び還元窒化によって生じた金属イットリウム、炭化イットリウム、窒化イットリウムであることが示唆された。
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例6と同様の方法を用いてY2O3焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートはY2O3焼結体との反応で消失していた。また、Y2O3焼結体は減肉しており、CとY2O3成分との反応物の形成が認められた。反応物のSEM/EDS観察を実施した結果、反応物はCによるY2O3成分の還元及び還元窒化によって生じた金属イットリウム、炭化イットリウム、窒化イットリウムであることが示唆された。
[実験例11]
(1)Si3N4成形体の作製
平均粒径(D50)0.7μmの市販のSi3N4粉末100質量部に対し、平均粒径(D50)0.6μmの市販のAl2O3粉末3質量部と、平均粒径(D50)0.4μmの市販のY2O3粉末5質量部を焼結助剤として添加した後、エタノール中で24時間ポットミル混合した。得られたスラリーを乾燥後、#100の篩で篩通しし、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(1)Si3N4成形体の作製
平均粒径(D50)0.7μmの市販のSi3N4粉末100質量部に対し、平均粒径(D50)0.6μmの市販のAl2O3粉末3質量部と、平均粒径(D50)0.4μmの市販のY2O3粉末5質量部を焼結助剤として添加した後、エタノール中で24時間ポットミル混合した。得られたスラリーを乾燥後、#100の篩で篩通しし、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(2)離型シートの作製
平均粒径(D50)1.6μmの市販の炭化タンタル(TaC)粉末100質量部に対し、アクリルバインダー(オリコックス#2434T、共栄社化学製)3.2質量部と、可塑剤としてフタル酸ビス(2-エチルヘキシル)(DOP、ジェイ・プラス製)1.3質量部と、分散剤としてポリエーテルエステル酸アミン(DA-234、楠本化成製)0.2質量部と、分散媒としてキシレン及び1-ブタノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚さが200μmとなるようにテープ成形し、成形シートを得た。この成形シートを、アルミナセッターで挟んだ状態で脱脂炉中に入れ、窒素中500℃で6時間の条件で脱脂を行い、Si3N4成形体をホットプレス焼成する際に用いるTaC離型シート(フラットシート)とした。
平均粒径(D50)1.6μmの市販の炭化タンタル(TaC)粉末100質量部に対し、アクリルバインダー(オリコックス#2434T、共栄社化学製)3.2質量部と、可塑剤としてフタル酸ビス(2-エチルヘキシル)(DOP、ジェイ・プラス製)1.3質量部と、分散剤としてポリエーテルエステル酸アミン(DA-234、楠本化成製)0.2質量部と、分散媒としてキシレン及び1-ブタノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚さが200μmとなるようにテープ成形し、成形シートを得た。この成形シートを、アルミナセッターで挟んだ状態で脱脂炉中に入れ、窒素中500℃で6時間の条件で脱脂を行い、Si3N4成形体をホットプレス焼成する際に用いるTaC離型シート(フラットシート)とした。
(3)ホットプレス焼成
(1)で作製したSi3N4成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した3層構造体(TaC離型シート/Si3N4成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、窒素中、焼成温度(最高到達温度)1800℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、Si3N4焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、TaC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(1)で作製したSi3N4成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した3層構造体(TaC離型シート/Si3N4成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、窒素中、焼成温度(最高到達温度)1800℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、Si3N4焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、TaC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(4)Si3N4焼結体の評価
Si3N4焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、実験例1と同様の方法でSi3N4焼結体表面及びSi3N4焼結体断面のSEM/EDS観察を実施した。その結果、Si3N4焼結体表面及びSi3N4焼結体内部からTa、C成分が検出されず、焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とTaC離型シートとが反応していないことが示された。
Si3N4焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、実験例1と同様の方法でSi3N4焼結体表面及びSi3N4焼結体断面のSEM/EDS観察を実施した。その結果、Si3N4焼結体表面及びSi3N4焼結体内部からTa、C成分が検出されず、焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とTaC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例12]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、NbC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Si3N4焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Nb、C成分は検出されず焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とNbC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、NbC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Si3N4焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Nb、C成分は検出されず焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とNbC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例13]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、WC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、WC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Si3N4焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、W、C成分は検出されず焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とWC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、WC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、WC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Si3N4焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、W、C成分は検出されず焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とWC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例14]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、TiC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、TiC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Si3N4焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Ti、C成分は検出されず焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とTiC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、TiC離型シートとSi3N4焼結体とは分離し、TiC離型シートとSi3N4焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、Si3N4焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Ti、C成分は検出されず焼成中にSi3N4及び助剤成分であるAl2O3、Y2O3とTiC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例15]
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートとSi3N4焼結体とは分離しなかった。膨張黒鉛シートの一部はSi3N4焼結体中の焼結助剤であるAl2O3およびY2O3との反応で消失しており、CとAl2O3およびY2O3成分との反応物の形成が認められた。反応物のSEM/EDS観察を実施した結果、反応物は金属アルミニウム、炭化アルミニウム、金属イットリウム、炭化イットリウムであることが示唆された。
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例11と同様の方法を用いてSi3N4焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートとSi3N4焼結体とは分離しなかった。膨張黒鉛シートの一部はSi3N4焼結体中の焼結助剤であるAl2O3およびY2O3との反応で消失しており、CとAl2O3およびY2O3成分との反応物の形成が認められた。反応物のSEM/EDS観察を実施した結果、反応物は金属アルミニウム、炭化アルミニウム、金属イットリウム、炭化イットリウムであることが示唆された。
[実験例16]
(1)SiC成形体の作製
平均粒径(D50)0.7μmの市販のSiC粉末100質量部に対し、平均粒径(D50)0.5μmの市販のAlN粉末18質量部と、平均粒径(D50)0.4μmの市販のY2O3粉末12質量部を焼結助剤として添加した後、エタノール中で24時間ポットミル混合した。得られたスラリーを乾燥後、#100の篩で篩通しし、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(1)SiC成形体の作製
平均粒径(D50)0.7μmの市販のSiC粉末100質量部に対し、平均粒径(D50)0.5μmの市販のAlN粉末18質量部と、平均粒径(D50)0.4μmの市販のY2O3粉末12質量部を焼結助剤として添加した後、エタノール中で24時間ポットミル混合した。得られたスラリーを乾燥後、#100の篩で篩通しし、金型を用いた一軸プレス成形にて直径20mm、厚さ8mmのプレス成形体を得た。プレス圧は200kgf/cm2とした。
(2)離型シートの作製
平均粒径(D50)1.6μmの市販の炭化タンタル(TaC)粉末100質量部に対し、アクリルバインダー(オリコックス#2434T、共栄社化学製)3.2質量部と、可塑剤としてフタル酸ビス(2-エチルヘキシル)(DOP、ジェイ・プラス製)1.3質量部と、分散剤としてポリエーテルエステル酸アミン(DA-234、楠本化成製)0.2質量部と、分散媒としてキシレン及び1-ブタノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚さが200μmとなるようにテープ成形し、成形シートを得た。この成形シートを、アルミナセッターで挟んだ状態で脱脂炉中に入れ、窒素中500℃で6時間の条件で脱脂を行い、SiC成形体をホットプレス焼成する際に用いるTaC離型シート(フラットシート)とした。
平均粒径(D50)1.6μmの市販の炭化タンタル(TaC)粉末100質量部に対し、アクリルバインダー(オリコックス#2434T、共栄社化学製)3.2質量部と、可塑剤としてフタル酸ビス(2-エチルヘキシル)(DOP、ジェイ・プラス製)1.3質量部と、分散剤としてポリエーテルエステル酸アミン(DA-234、楠本化成製)0.2質量部と、分散媒としてキシレン及び1-ブタノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が20000cPとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってPETフィルムの上に乾燥後の厚さが200μmとなるようにテープ成形し、成形シートを得た。この成形シートを、アルミナセッターで挟んだ状態で脱脂炉中に入れ、窒素中500℃で6時間の条件で脱脂を行い、SiC成形体をホットプレス焼成する際に用いるTaC離型シート(フラットシート)とした。
(3)ホットプレス焼成
(1)で作製したSiC成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した3層構造体(TaC離型シート/SiC成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、アルゴン中、焼成温度(最高到達温度)2000℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、SiC焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとSiC焼結体とは分離し、TaC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(1)で作製したSiC成形体の上下面に(2)で作製したTaC離型シートを積層した3層構造体(TaC離型シート/SiC成形体/TaC離型シート)を図1の黒鉛炉10にて、アルゴン中、焼成温度(最高到達温度)2000℃で4時間、面圧200kgf/cm2の条件でホットプレス焼成し、SiC焼結体を得た。焼成後、TaC離型シートとSiC焼結体とは分離し、TaC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。
(4)SiC焼結体の評価
SiC焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、実験例1と同様の方法でSiC焼結体表面及びSiC焼結体断面のSEM/EDS観察を実施した。その結果、SiC焼結体表面及びSiC焼結体内部からTa、C成分が検出されず、焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とTaC離型シートとが反応していないことが示された。
SiC焼結体とTaC離型シートとの反応性を評価するため、実験例1と同様の方法でSiC焼結体表面及びSiC焼結体断面のSEM/EDS観察を実施した。その結果、SiC焼結体表面及びSiC焼結体内部からTa、C成分が検出されず、焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とTaC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例17]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとSiC焼結体とは分離し、NbC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、SiC焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Nb、C成分は検出されず焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とNbC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.3μmの市販の炭化ニオブ(NbC)粉末を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、NbC離型シートとSiC焼結体とは分離し、NbC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、SiC焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Nb、C成分は検出されず焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とNbC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例18]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、WC離型シートとSiC焼結体とは分離し、WC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、SiC焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、W、C成分は検出されず焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とWC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.2μmの市販の炭化タングステン(WC)粉末を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、WC離型シートとSiC焼結体とは分離し、WC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、SiC焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、W、C成分は検出されず焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とWC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例19]
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、TiC離型シートとSiC焼結体とは分離し、TiC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、SiC焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Ti、C成分は検出されず焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とTiC離型シートとが反応していないことが示された。
離型シートの原料に平均粒径(D50)2.1μmの市販の炭化チタン(TiC)粉末を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、TiC離型シートとSiC焼結体とは分離し、TiC離型シートとSiC焼結体との間で目視上反応した様子は認められなかった。また、SiC焼結体表面及び断面のSEM/EDS観察でも、Ti、C成分は検出されず焼成中にSiC及び助剤成分であるAlN、Y2O3とTiC離型シートとが反応していないことが示された。
[実験例20]
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートとSiC焼結体とは分離しなかった。膨張黒鉛シートの一部はSiC焼結体中の焼結助剤であるY2O3との反応で消失しており、CとY2O3成分との反応物の形成が認められた。反応物のSEM/EDS観察を実施した結果、反応物は金属イットリウム、炭化イットリウムであることが示唆された。
離型シートに市販のグラファイトシートである膨張黒鉛シート(ニカフィルムFL-400、日本カーボン製)を使用した以外は、実験例16と同様の方法を用いてSiC焼結体を作製し、反応性を評価した。その結果、焼成後、膨張黒鉛シートとSiC焼結体とは分離しなかった。膨張黒鉛シートの一部はSiC焼結体中の焼結助剤であるY2O3との反応で消失しており、CとY2O3成分との反応物の形成が認められた。反応物のSEM/EDS観察を実施した結果、反応物は金属イットリウム、炭化イットリウムであることが示唆された。
本出願は、2019年11月28日に出願された日本国特許出願第2019-215374号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、酸化物含有セラミック焼結体をホットプレス焼成する場合に利用可能である。
10 黒鉛炉、12 黒鉛モールド、14 黒鉛スリーブ、16 セラミック成形体、18 離型シート、20 黒鉛スペーサ、22 黒鉛パンチ。
Claims (9)
- (a)酸化物含有セラミック焼結体に焼成する前の酸化物含有セラミック成形体を作製する工程と、
(b)前記酸化物含有セラミック成形体を一対の離型シートで挟んでホットプレス焼成炉内に配置し、前記一対の離型シートを介して前記酸化物含有セラミック成形体を一対のパンチで加圧しながらホットプレス焼成して前記酸化物含有セラミック焼結体を得る工程と、
を含むセラミック焼結体の製法であって、
前記離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成される、
酸化物含有セラミック焼結体の製法。 - 前記離型シートは、WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成される、
請求項1に記載の酸化物含有セラミック焼結体の製法。 - 前記離型シートの厚みは、0.1mm以上5mm以下である、
請求項1又は2に記載の酸化物含有セラミック焼結体の製法。 - 前記工程(b)では、前記離型シートと前記パンチとの間にスペーサを介在させる、
請求項1~3のいずれか1項に記載の酸化物含有セラミック焼結体の製法。 - 前記離型シートは、離型シート原料粉末、バインダー及び分散媒を含むスラリーをシート状に成形したあと脱脂したものである、
請求項1~4のいずれか1項に記載の酸化物含有セラミック焼結体の製法。 - 前記離型シート原料粉末の粒径は、0.1μm以上10μm以下である、
請求項5に記載の酸化物含有セラミック焼結体の製法。 - 酸化物含有セラミック焼結体をホットプレス焼成する際に用いられる離型シートであって、
前記離型シートは、周期表の4族、5族及び6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種類の元素の炭化物又は窒化物で形成される、
離型シート。 - 前記離型シートは、WC、TiC、TaC及びNbCからなる群より選ばれる少なくとも1種類の化合物で形成される、
請求項7に記載の離型シート。 - 前記離型シートの厚みは、0.1mm以上5mm以下である、
請求項7又は8に記載の離型シート。
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JPS5879872A (ja) * | 1981-11-07 | 1983-05-13 | 住友電気工業株式会社 | 非酸化物セラミツクスのホツトプレス方法 |
JP2002338370A (ja) * | 2001-05-10 | 2002-11-27 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 加圧焼結装置の焼結型 |
JP2008031020A (ja) * | 2006-07-31 | 2008-02-14 | Toyo Tanso Kk | 離型用シート |
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- 2020-11-09 JP JP2021561263A patent/JP7556880B2/ja active Active
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