(57)【要約】【課題】耐熱衝撃性及び強度に優れたセラミックス焼成体及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のセラミックス焼成体は、平均気孔径Ｄと平均ネック径ｄとの比（ｄ／Ｄ）を０．０２〜０．７５である鉄亜鈴型開気孔を有することを特徴とするものである。さらに、この材質が、アルミナ質又はアルミナ−ジルコニア質である場合は、相対密度を７５〜８５％にすることが好ましく、ムライト質である場合は、相対密度を５５〜８５％にすることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均気孔径Ｄと平均ネック径ｄとの比（ｄ／Ｄ）が０．０２〜０．７５である鉄亜鈴型開気孔を有するセラミックス焼成体。
【請求項２】
材質が、アルミナ質又はアルミナ−ジルコニア質であり、相対密度が７５〜８５％である請求項１に記載のセラミックス焼成体。
【請求項３】
材質が、ムライト質であり、相対密度が５５〜８５％である請求項１に記載のセラミックス焼成体。
【請求項４】
平均気孔径Ｄが５μｍ〜５０μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス焼成体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス焼成体の製造方法であって、気孔形成剤を用いて鉄亜鈴型開気孔を形成するセラミックス焼成体の製造方法。
【請求項６】
原料粉末に対して１０〜４５ｖｏｌ％の気孔形成剤を含むスラリーを用いて形成する請求項５に記載のセラミックス焼成体の製造方法。
【請求項７】
気孔形成剤は、アクリル系樹脂粒子である請求項５又は６に記載のセラミックス焼成体の製造方法。
【請求項８】
鋳込成形又は顆粒を調製してプレス成形する請求項５〜７のいずれかに記載のセラミックス焼成体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品焼成用治具などに用いるのに好適なセラミックス焼成体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス焼成体は、耐食性、耐熱衝撃性などに優れるため、セッター、棚板、匣鉢等の電子部品焼成用治具などに用いることが好適である。
セラミックス焼成体は、相対密度を高くつまり緻密質にすると、急激な温度変化による熱衝撃に弱く、割れが発生しやすくなり、相対密度を低くつまり多孔質にすると、緻密質の場合よりも熱衝撃に強くなるものの、機械的強度が弱くなる傾向がある。
【０００３】
耐熱衝撃性、強度及び耐食性を優れたものにしたセラミックス焼成体としては、平均気孔径、平均結晶粒径、相対密度などを所定の範囲にしたセラミックス製熱処理用部材などが開発されている（下記特許文献１〜３参照）。
【０００４】
また、上記のような多孔質のセラミックス焼成体は、例えば、スラリーに気孔形成剤としてアクリル系樹脂球状粒子または多糖類球状粒子を混合し、焼成して製造することができる（下記特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３０２３３７号公報
【特許文献２】特開２００２−１２８５６３号公報
【特許文献３】特開２００３−４０６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような多孔質セラミックス焼成体は、気孔が閉気孔になっているため、強度が高く、熱衝撃性に強いという利点があった。上記文献では、各々の気孔がつながると気孔径が大きくなり、強度が低下し、耐熱衝撃性が低下する問題が触れられている（上記特許文献２の段落［００１０］参照）。
しかし、製造におけるバラツキを考慮したとき、すべての気孔が単独に存在する組織を得ることは難しく、一部連結して粗大化した気孔を起点に熱衝撃割れを生じる問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、連結した気孔を有していても高い耐熱衝撃性を備えたセラミックス焼成体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一般に、熱衝撃性と材料パラメータは、以下の［式１］の式で関連付けられている。
【式１】
【０００９】
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【００１０】
ここに、σ：強度、ｒ：ポワソン比、Ｅ：弾性率、α：熱膨張係数、ｋ：熱伝導率である。
これより、熱膨張係数を調整することは困難なため、耐熱衝撃性を高めるためには弾性率を小さく、強度を高めることが有効であることが判る。
【００１１】
本発明者は、鋭意研究の結果、鉄亜鈴型に気孔を連結させ、欠陥の粗大化を抑制することによって、弾性率を効果的に下げ、高い耐熱衝撃性を得られるという結論に達した。
【００１２】
本発明のセラミックス焼成体は、平均気孔径Ｄと平均ネック径ｄとの比（ｄ／Ｄ）が０．０２〜０．７５である鉄亜鈴型開気孔を有することを特徴とする。
【００１３】
前記セラミックス焼成体において、材質が、アルミナ質又はアルミナ−ジルコニア質である場合は、相対密度は７５〜８５％が好ましい。
【００１４】
前記セラミックス焼成体において、材質が、ムライト質である場合は、相対密度は５５〜８５％が好ましい。
【００１５】
前記セラミックス焼成体において、平均気孔径Ｄが５μｍ〜５０μｍであることが好ましい。
【００１６】
また、上記セラミックス焼成体の製造方法としては、気孔形成剤を用いて鉄亜鈴型開気孔を形成する方法を挙げることができる。
【００１７】
前記製造方法において、原料粉末に対して１０〜４５ｖｏｌ％の気孔形成剤を含むスラリーを用いて形成することが好ましい。
【００１８】
前記製造方法において、気孔形成剤は、アクリル系樹脂粒子であることが好ましい。
【００１９】
前記製造方法において、鋳込成形又は顆粒を調製してプレス成形することが好ましい。
【００２０】
本発明のセラミックス焼成体は、所定形状の鉄亜鈴型開気孔を有するため、耐熱衝撃性に優れ、急激な温度変化に対しても割れなどが発生しにくいものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】鉄亜鈴型開気孔の一例を模式的に示した図である。
【図２】実施例３の研磨面を拡大したＳＥＭ写真である。
【図３】実施例３の気孔連結状態を示した模式図である。
【図４】比較例１の研磨面を拡大したＳＥＭ写真である。
【図５】比較例１の気孔連結状態を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明のセラミックス焼成体の一実施形態を説明する。なお、本発明の範囲は、この実施形態に限定されるものではない。
【００２３】
本発明の一実施形態のセラミックス焼成体は、少なくとも２つの気孔がくびれを有するように立体的に結合した鉄亜鈴型開気孔（図１参照）を有するものであり、平均気孔径Ｄ（図１参照）と平均ネック径ｄ（図１参照）との比（ｄ／Ｄ）が０．０２〜０．７５、好ましくは０．２０〜０．４５の範囲であることを特徴とするものである。
【００２４】
鉄亜鈴型開気孔の平均気孔径Ｄは、特に限定するものではないが、５μｍ〜５０μｍ、好ましくは７μｍ〜２０μｍである。
平均気孔径Ｄが５０μｍを超える範囲では、粗大欠陥による強度低下が顕著になり、耐熱衝撃性の低下をきたす。一方、平均気孔径Ｄが５μｍ未満では、後述する気孔形成剤の分散が困難となり、鉄亜鈴型開気孔が得られず、耐熱衝撃性が得ることができなくなる。
平均気孔径Ｄ及び平均ネック径ｄは、ＳＥＭ写真を観察して１００個の平均を算出して測定することができる。
【００２５】
本焼成体は、特に限定するものではないが、アルミナ質、ムライト質、アルミナ−ジルコニア質などから形成することができる。
【００２６】
本焼成体は、アルミナ質とする場合は、アルミナを９５．０重量％以上、より好ましくは９７．０重量％以上、さらに好ましくは９９．０重量％以上含み、マグネシアを０．０１〜１．００重量％含むのが好ましい。
【００２７】
ムライト質とする場合は、アルミナとシリカとの重量比を７０：３０〜９０：１０の割合で含み、これを９０．０重量％以上、好ましくは９５．０重量％以上含むものである。
【００２８】
アルミナ−ジルコニア質とする場合は、アルミナとジルコニアとの重量比を７０：３０〜９４：６の割合とし、これを９０．０重量％以上、好ましくは９５．０重量％以上含むのが好ましい。ジルコニアとしては、イットリウムで安定化したジルコニアが好ましい。
【００２９】
相対密度は、５５〜９５％にするのが好ましく、材質がアルミナ質又はアルミナ−ジルコニア質の場合は６５〜９５％、特に６８〜８０％、ムライト質の場合は５５〜８５％、特に５８〜８２％にするのが好ましい。
相対密度５５％未満では、気孔が連結し、顕著な強度低下を示すため、耐熱衝撃性の低下につながり、一方、相対密度９５％を超える範囲では、弾性率が高い緻密体となるため、クラックが伸びやすくなり、耐熱衝撃性の低下につながる。
相対密度は、（焼結体かさ密度／理論密度）×１００（％）で算出することができる。
【００３０】
以下、本発明のセラミックス焼成体の製造方法の一例を説明する。
鉄亜鈴型開気孔は、例えば、ｐＨ調整して凝集させた原料スラリー中に樹脂粒子などの気孔形成剤を添加して成形することにより形成することができる。
この際、粘性をほどよく高めることが重要である。スラリーの粘性が低いと、気孔形成剤が分散するため鉄亜鈴型開気孔が形成されず、一方、スラリーの粘性が高いと、気孔形成剤が凝集するため鉄亜鈴型開気孔が形成されなくなる。
スラリーの粘性は、３〜１５ｄＰａ・ｓｅｃ、特に４〜１２ｄＰａ・ｓｅｃに調製して焼成体を形成するのが好ましい。
【００３１】
また、平均気孔径Ｄは、気孔形成剤の粒径で調製することができ、添加する気孔形成剤の平均粒径は、好ましくは７μｍ〜５３μｍ、特に好ましくは１０μｍ〜４０μｍである。
【００３２】
より具体的には、本発明のセラミックス焼成体は、例えば、アルミナなどの原料粉末に対して気孔形成剤を１０〜４５ｖｏｌ％、好ましくは２０〜４０ｖｏｌ％含むスラリーを用い、これを成形して成形体を形成し、１５００〜１８００℃で焼成して製造することができる。
【００３３】
この際、気孔形成剤は、アクリル系樹脂粒子などを用いることができる。
【００３４】
成形する場合は、鋳込成形やスラリーをスプレードライヤーなどで乾燥させながら顆粒状にしてプレス成形することなどにより適宜形状に成形することができる。
【００３５】
本発明のセラミックス焼成体は、所定形状の鉄亜鈴型開気孔を有するものであり、このようなセラミックス焼成体は耐熱衝撃性に優れたものとなる。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明のセラミックス焼成体の実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は、この実施例に限定されるものではない。
【００３７】
実施例１〜１１及び比較例１〜１２のセラミックス焼成体を以下のとおり作製した。
【００３８】
（実施例１〜４及び８，９）
アルミナ原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき粘性を、それぞれ４ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例１）、４ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例２）、４ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例３）、１２ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例４）、８ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例８）、１０ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例９）に調製した。
さらに、このスラリーに、気孔形成剤としてアクリル系樹脂粒子を添加し、ボールミルで混合した。この際、添加したアクリル系樹脂粒子の平均粒径及び添加量は下記表１に示す。
そして、このスラリーを、スプレードライヤーで乾燥させながら粒径５０μｍ〜１００μｍに顆粒化し、この顆粒をプレス機にて成形圧６０ＭＰａで成形して焼成し、１２０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００３９】
（実施例５，６）
アルミナ粉末７２重量部とシリカ粉末２８重量部とからなる原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき粘性を、４ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例５）、５ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例６）に調製した。
さらに、このスラリーに、気孔形成剤としてアクリル系樹脂粒子を添加し、ボールミルで混合した。この際、添加したアクリル系樹脂粒子の平均粒径及び添加量は下記表１に示す。
そして、このスラリーを、スプレードライヤーで乾燥させながら粒径５０μｍ〜１００μｍの範囲に顆粒化し、この顆粒をプレス機にて成形圧６０ＭＰａで成形して焼成し、１２０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００４０】
（実施例７）
アルミナ粉末８０重量部とジルコニア粉末２０重量部とからなる原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき粘性を、５ｄＰａ・ｓｅｃに調製した。
さらに、このスラリーに気孔形成剤としてアクリル系樹脂粒子を添加し、ボールミルで混合した。この際、添加したアクリル系樹脂粒子の平均粒径及び添加量は下記表１に示す。
そして、このスラリーを、スプレードライヤーで乾燥させながら粒径５０μｍ〜１００μｍの範囲に顆粒化し、この顆粒をプレス機にて成形圧６０ＭＰａで成形して時間焼成し、１２０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００４１】
（実施例１０，１１）
アルミナ原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき粘性を、それぞれ６ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例１０）、４ｄＰａ・ｓｅｃ（実施例１１）に調製した。
さらに、このスラリーに、気孔形成剤としてアクリル系樹脂粒子を添加し、ボールミルで混合した。この際、添加したアクリル系樹脂粒子の平均粒径及び添加量は下記表１に示す。
そして、このスラリーを、石膏型に流し込み、差圧鋳込みで成形して焼成し、１５０ｍｍ×１００ｍｍ×厚み５．０ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００４２】
（比較例１〜４，７〜１０）
アルミナ原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき、それぞれ１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例１）、１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例２）、１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例３）、１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例４）、２Ｐａ・ｓｅｃ（比較例７）、１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例８）、１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例９）、２ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例１０）に調製した。
さらに、このスラリーに、気孔形成剤としてアクリル系樹脂粒子を添加し、ボールミルで混合した。この際、気孔形成剤の平均粒径及び添加量は下記表２に示す。
そして、このスラリーを、スプレードライヤーで乾燥させながら平均粒径５０μｍ〜１００μｍの範囲に顆粒化し、この顆粒をプレス機にて成形圧６０ＭＰａで成形して焼成し、１２０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００４３】
（比較例５，６）
アルミナ粉末７２重量部とシリカ粉末２８重量部とからなる原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき粘性を１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例５）、１ｄＰａ・ｓｅｃ（比較例６）に調製した。
さらに、このスラリーに、気孔形成剤であるアクリル系樹脂粒子を添加し、ボールミルで混合した。この際、添加したアクリル系樹脂粒子の平均粒径及び添加量は下記表１に示す。
そして、このスラリーを、スプレードライヤーで乾燥させながら粒径５０μｍ〜１００μｍの範囲に顆粒化し、この顆粒をプレス機にて成形圧６０ＭＰａで成形して焼成し、１２０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００４４】
（比較例１１）
アルミナ原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水を加え、これらをボールミルで混合してスラリーを形成した。
このスラリーに酸性溶液を添加し、粘性を調製した。このとき、１ｄＰａ・ｓｅｃに調製した。
さらに、このスラリーに、気孔形成剤として多糖類を添加し、ボールミルで混合した。この際、気孔形成剤の平均粒径及び添加量は下記表２に示す。
そして、このスラリーを、スプレードライヤーで乾燥させながら平均粒径５０μｍ〜１００μｍの範囲に顆粒化し、この顆粒をプレス機にて成形圧６０ＭＰａで成形して焼成し、１２０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍの平板状焼成体を形成した。
【００４５】
（比較例１２）
アルミナ原料粉末に対して、分散剤、バインダー、水、気孔形成剤としてアクリル系樹脂粒子を加え、これらを三本ロールで混錬した。この際、気孔形成剤の平均粒径及び添加量は下記表２に示す。
練った坏土を押出成形機で幅１２０ｍｍ×長さ２００ｍｍ、厚み５．０ｍｍに成形し、乾燥させて焼成し、平板状焼成体を形成した。
【００４６】
（物性値）
上記各焼成体について以下の物性値を測定した。これらの測定結果は下記表１及び表２に示す。
【００４７】
（相対密度）
相対密度は、焼成体かさ密度／理論密度×１００（％）で算出した。
【００４８】
（強度Ｓ）
強度Ｓは、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に基づき、３点曲げ試験によって行った。
【００４９】
（弾性率Ｅ）
弾性率Ｅは、ＪＩＳ  Ｒ１６０２に基づき、３点曲げ試験の試験片の変位測定によって求めた。
【００５０】
（Ｓ／Ｅ）
上記強度Ｓと上記弾性率Ｅから強度／弾性率（Ｓ／Ｅ）を算出した。
【００５１】
（平均気孔径Ｄ，平均ネック径ｄ）
平均気孔径Ｄと平均ネック径ｄは、図２，４に示すように、実施例及び比較例の表面を研磨してＳＥＭで観察し、図３，５に示すように、球状気孔の直径（寸法Ｄ）と、それらの結合部分（寸法ｄ）とを測定し、それら１００個の平均から算出した。
なお、図２は実施例３のＳＥＭ写真、図４には比較例１のＳＥＭ写真を示す。
【００５２】
（耐熱衝撃性）
上記実施例及び比較例のセラミックス焼成体を用いて、以下のように耐熱衝撃試験を行った。
上記実施例及び比較例のセラミックス焼成体を、９０ｍｍ□×厚み２．５ｍｍに加工したものを４枚作成し、これらをセラミックス台板上に、長さ１０ｍｍ×幅５ｍｍ×高さ５ｍｍの支柱を４点に配置しながら４段積みにした。
次に、電気炉を所定の温度に昇温して３０分保持した後、上記試験体を炉内に投入した。
その温度で３０分保持後、試験体を炉外に取り出し放冷し、試験体に割れがないか目視にて確認した。
以上の操作を、５００℃より５０℃ずつ温度を昇温させて行い、割れの生じない温度の上限を、耐熱衝撃性ΔＴとした。
【００５３】
（結果）
耐熱衝撃性試験の結果を下記表１及び表２に示す。
【００５４】
【表１】
2010202472.tif 000004
【００５５】
【表２】
2010202472.tif 000005
【００５６】
（結果）
実施例１〜１１のセラミックス焼成体は、耐熱衝撃性ΔＴが７５０℃以上であり、良好な結果が得られた。一方、比較例１〜１２のセラミックス焼成体は、耐熱衝撃性ΔＴが６５０℃以下であり、実用できるものではなかった。
実施例から、平均気孔径Ｄと平均ネック径ｄの比（ｄ／Ｄ）は、０．０３（実施例１）〜０．７０（実施例４）の範囲が好適な結果が得られ、また、比較例から、比（ｄ／Ｄ）が０．０１（比較例１など）や０．７７以上（比較例６）の範囲では、不適な結果となることが見出せた。
これら結果から、比（ｄ／Ｄ）は、０．０２〜０．７５の範囲であると好適なセラミックス焼成体になると思われる。
【００５７】
また、材質が、アルミナ質又はアルミナ−ジルコニア質である場合は、相対密度が７５％〜８５％であると、耐熱衝撃性ΔＴが９００℃以上になることが見出せた（実施例２，７，８）。
材質が、ムライト質である場合は、耐熱衝撃性ΔＴが９００℃以上になることが見出せた（実施例５，６）。
【図１】
2010202472.tif 000006
【図２】
2010202472.tif 000007
【図３】
2010202472.tif 000008
【図４】
2010202472.tif 000009
【図５】
2010202472.tif 000010