(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料セラミックス粉末の組成及び焼結条件に関係なく、異なった密度のセラミックス多孔体を作製するための加圧焼結装置であって、以下の（１）〜（５）の要件；（１）加圧装置が少なくともモールド、上部パンチ及び下部パンチからなること、（２）上部パンチ及び下部パンチの全部がモールドの中に入った時に、パンチの動きが停止するように、当該パンチの長さとモールドの長さの比を所定の範囲に設定したこと、（３）原料粉末の充填量で、焼結体の密度を決めること、（４）上部パンチと下部パンチの長さの合計をモールドの長さより小さく設定し、モールドの長さとパンチの長さとの差で焼結体の厚さを調整すること、（５）焼結体が一定の寸法に達した際に、その焼結体の加圧が止まること、を満たすようにしたことを特徴とする加圧焼結装置。
【請求項２】
セラミックスが、非酸化物系セラミックス又は酸化物系セラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の加圧焼結装置。
【請求項３】
下記の要件；（１）加圧装置が少なくともモールド、上部パンチ及び下部パンチからなること、（２）上部パンチ及び下部パンチの全部がモールドの中に入った時に、パンチの動きが停止するように、当該パンチの長さとモールドの長さの比を所定の範囲に設定したこと、（３）原料粉末の充填量で、焼結体の密度を決めること、（４）上部パンチと下部パンチの長さの合計をモールドの長さより小さく設定し、モールドの長さとパンチの長さとの差で焼結体の厚さを調整すること、（５）焼結体が一定の寸法に達した際に、その焼結体の加圧が止まること、を満たす加圧焼結装置を用いてセラミックス多孔体を作製する方法であって、真空中又は非酸化雰囲気中でセラミックス試料を一軸加圧しながら焼結して一定の厚さの焼結体を作製することを特徴とする加圧焼結方法によるセラミックス多孔体の製造方法。
【請求項４】
パンチの長さとモールドの長さを調節して、加圧焼結時の試料の変位を制御するとともに原料粉末の充填量を制御することにより、異なった密度のセラミックス多孔体からなる、多孔質の焼結体を製造することを特徴とする請求項３に記載の加圧焼結方法によるセラミックス多孔体の製造方法。
【請求項５】
スペーサーにより試料を軸方向と垂直に分割することを特徴とする請求項３に記載の加圧焼結方法によるセラミックス多孔体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス試料を加圧焼結する時の変位を制御して一定の厚さの焼結体を作製することを可能とする加圧焼結装置と、それによりセラミックス試料を加圧焼結して、特に、難焼結性のセラミックス多孔体を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミックス多孔体は、耐熱性、耐食性、耐熱衝撃性、耐薬品性、軽量性、断熱性などに優れているため、ガス分離、固体分離、除菌、除塵などの各種フィルター、触媒担体、吸音材、断熱材、センサーなどとして、不可欠の工業材料となっている。セラミックス多孔体は、その用途により求められる気孔率が異なるために、気孔率を精緻に制御できる技術が不可欠である。
【０００３】
セラミックス多孔体は、通常、焼結法で製造されることが多い。焼結法は、例えば、特開平９−１００１７９に示されているように、成形体を高温で熱処理して多孔体を作製するものである。この焼結法では、セラミックス多孔体の気孔率は、（１）焼結助剤の増減、（２）焼結温度と雰囲気気圧の高低、によって制御されている。しかし、焼結法では、（１）気孔率の精緻な制御が困難であるとともに、（２）気孔率の制御のために焼結助剤を増減させると、機械的特性が損なわれることが多い。
【０００４】
加圧焼結は、（１）成形・焼結が同時にできる、（２）加圧により拡散が促進され、低い焼結温度、あるいは短い焼結時間でも緻密な焼結体が得られる、等の利点があり、従来から各種セラミックスの製造に広く用いられている。特に、窒化珪素、炭化珪素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、二ケイ化モリブデン等の焼結性の低い非酸化物系セラミックスの焼結によく用いられている。
【０００５】
この加圧焼結で用いる加圧焼結装置は、通常、加圧装置と加熱装置からなり、加圧装置は、少なくともモールド及びパンチとからなる（図１）。この加圧装置を使うと、上記のような緻密な材料を作製できる。しかし、この加圧焼結法では、従来、緻密な焼結体を得ることが主たる目的とされていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような、緻密な焼結体を作製するための通常の加圧焼結法は、セラミックス多孔体の作製には適さない。しかし、圧力や変位を制御することによりセラミックス多孔体の作製も可能である。例えば、圧力を制御することにより密度を変化させることができ、また、記録計で目標とする変位に達した際に圧力を解除することにより密度を変化させることができる。しかし、これらの方法では、試料粉末とモールドとの摩擦、熱膨脹、記録計の精度などに大きく影響され、目標とする密度と得られた試料のそれとの差が大きいことが多い。
そこで、本発明者は、異なる形式の加圧装置により、粉末の添加量に関係なく、寸法が一定になり、セラミックス多孔体を作製できる加圧焼結装置を開発し、提供することを目的として種々研究を重ねて、本発明を完成するに至ったものである。
本発明は、加圧焼結法により、加圧焼結時の変位を制御してセラミックス多孔体を作製することを可能とする加圧焼結装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記加圧焼結装置を用いて、セラミックス試料を加圧焼結して、気孔率を精緻に制御したセラミックス多孔体を作製する方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）原料セラミックス粉末の組成及び焼結条件に関係なく、異なった密度のセラミックス多孔体を作製するための加圧焼結装置であって、以下の１）〜５）の要件；１）加圧装置が少なくともモールド、上部パンチ及び下部パンチからなること、２）上部パンチ及び下部パンチの全部がモールドの中に入った時に、パンチの動きが停止するように、当該パンチの長さとモールドの長さの比を所定の範囲に設定したこと、３）原料粉末の充填量で、焼結体の密度を決めること、４）上部パンチと下部パンチの長さの合計をモールドの長さより小さく設定し、モールドの長さとパンチの長さとの差で焼結体の厚さを調整すること、５）焼結体が一定の寸法に達した際に、その焼結体の加圧が止まること、を満たすようにしたことを特徴とする加圧焼結装置。
（２）セラミックスが、非酸化物系セラミックス又は酸化物系セラミックスであることを特徴とする前記（１）に記載の加圧焼結装置。
（３）下記の要件；１）加圧装置が少なくともモールド、上部パンチ及び下部パンチからなること、２）上部パンチ及び下部パンチの全部がモールドの中に入った時に、パンチの動きが停止するように、当該パンチの長さとモールドの長さの比を所定の範囲に設定したこと、３）原料粉末の充填量で、焼結体の密度を決めること、４）上部パンチと下部パンチの長さの合計をモールドの長さより小さく設定し、モールドの長さとパンチの長さとの差で焼結体の厚さを調整すること、５）焼結体が一定の寸法に達した際に、その焼結体の加圧が止まること、を満たす加圧焼結装置を用いてセラミックス多孔体を作製する方法であって、真空中又は非酸化雰囲気中でセラミックス試料を一軸加圧しながら焼結して一定の厚さの焼結体を作製することを特徴とする加圧焼結方法によるセラミックス多孔体の製造方法。
（４）パンチの長さとモールドの長さを調節して、加圧焼結時の試料の変位を制御するとともに原料粉末の充填量を制御することにより、異なった密度のセラミックス多孔体からなる、多孔質の焼結体を製造することを特徴とする前記（３）に記載の加圧焼結方法によるセラミックス多孔体の製造方法。
（５）スペーサーにより試料を軸方向と垂直に分割することを特徴とする前記（３）に記載の加圧焼結方法によるセラミックス多孔体の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明によれば、少なくともモールド及びパンチからなる加圧焼結装置用加圧装置において、二つのパンチの合わせた長さがモールドの長さより短いことを特徴とする加圧焼結装置用加圧装置が用いられる。
【０００９】
また、本発明によれば、この加圧焼結装置用加圧装置を備えた加圧焼結装置を用い、真空中又は非酸化雰囲気中でセラミックス試料を一軸加圧しながら焼結して一定の厚さの焼結体を作製することを特徴とする加圧焼結方法が用いられる。本発明においては、スペーサーにより試料を軸方向と垂直に分割することができる。ただし、分割される試料は同じ組成であることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、少なくともモールド及びパンチからなる加圧焼結装置用加圧装置において、二つのパンチの合わせた長さとモールドの長さとの差が焼結体の厚さであり、その差以上の緻密化が制限されるため、本発明は、加圧焼結による多孔体の製造に好適に用いることができる。
【００１１】
本発明では、所定の密度に達した後、試料の緻密化が進まないように、加圧焼結装置用加圧装置のモールド及びパンチの長さを調整し、パンチが全部モールドの中に入った時に、パンチの動きが停止するようにしている。
【００１２】
すなわち、加圧焼結装置用加圧装置のモールドの長さとパンチの長さとの差が焼結体の厚さである。従って、モールド及びパンチの長さを調節することで、焼結体の厚さを調整することができる。また、一定の長さのモールドとパンチの組合せで試料を加圧焼結装置で焼結する場合には、一定の厚さの試料が得られる（図２）。また、図３のような形状のパンチも同様の効果を発現する。なお、本発明は、バッチ式の加圧焼結装置のみならず、トンネル炉型加圧焼結装置のような量産用加圧焼結装置の加圧装置にも好適に用いることができる。
【００１３】
この加圧装置は、加圧焼結を行う温度、圧力範囲で試料と化学反応を起こさず、また、耐熱衝撃性が優れている耐熱材料からなることが要求される。セラミックスを作製する場合には、炭素材料を加圧装置として好適に用いることができる。また、従来の焼結方法と同じ焼結プロセスを用いることができ、加圧焼結装置の大きな改造を必要としない。
【００１４】
焼結体の寸法が決まることから、焼結前の原料粉末の充填量は、その焼結体の密度を決める。従って、その充填量を変化させると、原料粉末の組成及び焼結条件に関係なく、異なった密度のセラミックス多孔体を作製できる。焼結温度は、原料粉末の組成及び焼結体に要求する特性から決定する。ただし、焼結温度が高いほど及び密度が低いほど、焼結体の自分自身の収縮が大きいことに注意することが必要である。
【００１５】
また、本発明による加圧焼結方法では、同じ組成及び同じ焼結条件でも、異なった密度を有するセラミックス多孔体が得られることが特徴である。
また、本発明による加圧焼結方法では、スペーサーで試料を、加圧軸に垂直な面で分割することができる。即ち、スペーサーを用いるだけで、一度の焼結で複数の焼結体が得られる。ただし、同じ組成の粉末を利用することが好ましい。
本発明においては、片側の一方向から加圧すると焼結体の密度不均一が大きくなる可能性があるため、両側の二方向から加圧することが好ましい。
【００１６】
本発明においては、その加圧装置の寸法から焼結体の寸法と気孔率が決められるために、モールド及びパンチの長さの寸法精度が高いことが好ましい。また、黒鉛は、最高使用温度が２５００℃で、最高耐圧が７００ｋｇｆ／ｃｍ２  であり、精密加工が可能であるので、モールド及びパンチの材料として好適に用いることができる。この黒鉛材料は高耐圧強度の種類であることが好ましい。
【００１７】
本発明による製造方法で作製するセラミックスは任意であり、特に、制限されるものではない。例えば、窒化珪素、炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タングステン、窒化ボロン、炭化ボロン、珪化モリブデン等の非酸化物系セラミックスに好適に用いられる。また、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム等の酸化物系セラミックスにも適している。
【００１８】
本発明の加圧焼結装置での好適な加熱焼結条件の一例として、好適には、１４００〜２０００℃、１００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ２  で行う。雰囲気は焼結する材料の特性により適正なものを選択する。黒鉛をモールドに用いる場合は、真空中かもしくは窒素、アルゴン等の不活性ガス中で操作するのが好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
（１）装置
図４と図５は、四角形状（４２×１×４５×１ｍｍ）の黒鉛製のモールド２、上部パンチ３及び下部パンチ４からなる加圧装置を備えた、本発明による加圧焼結装置を示すものである。また、本実施例に用いた黒鉛製のモールド２には、図４と図５に示すように、モールド本体２の内側面には、外側面にテーパーがある円筒形状の脱着可能なテーパースリーブ５が備えられている。図４では、加圧装置の上部パンチと下部パンチ先端に厚さ１０ｍｍのスペーサー６があり、厚さ１０ｍｍの焼結体が一つ得られる。図５では、加圧装置の上部パンチと下部パンチの先端に厚さ５ｍｍのスペーサー６が有るとともに、試料間に厚さ１０ｍｍのスペーサー７が有り、厚さ５ｍｍの焼結体が二つ得られる。
【００２０】
（２）混合粉末
本実施例では、窒化珪素からなる試料を作製した。平均粒径約０．５μｍ（α率：９９％）のα型窒化珪素粉末に平均粒径が０．５５μｍの酸化イットリウム粉末及び酸化イッテルビウム粉末を焼結助剤として５．０重量％添加し、メタノールを溶媒としてボールミルを用いて２４時間混合した。得られたスラリーを乾燥した後、粉砕して混合粉末を回収した。
【００２１】
（３）加圧焼結
次に、図４の黒鉛製の加圧装置で、８８．０％の相対密度を所定とした焼結体を得るための重量の上記混合粉末をモールド２に充填し、１８００℃、６大気圧の窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力で加圧焼結をし、焼結体を得た。焼結体は相対密度が８６．０％であった。すなわち、焼結中に２．０％の重量損失があり、相対密度が２．０％低下した。
【００２２】
実施例２
本実施例では、実施例１で調製した混合粉末を用いた。図４の黒鉛製の加圧装置で、９０．０％の相対密度を所定とした焼結体を得るための重量の混合粉末をモールド２に充填し、１８００℃、６大気圧の窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力で加圧焼結をし、焼結体を得た。焼結体は相対密度が８７．５％であった。すなわち、焼結中に２．５％の重量損失があり、相対密度が２．５％低下した。
【００２３】
実施例３
本実施例では、実施例１で調製した混合粉末を用いた。図５の黒鉛製の加圧装置で、９０．０％の相対密度を所定とした焼結体を得るための重量の混合粉末をモールド２に充填し、１８００℃、６大気圧の窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力で加圧焼結をし、二つ焼結体を得た。焼結体は相対密度がそれぞれ９０．５と９１．３％であった。
【００２４】
実施例４
本実施例では、実施例１で調製した混合粉末を用いた。図５の黒鉛製の加圧装置で、８０．０％の相対密度を所定とした焼結体を得るための重量の混合粉末をモールド２に充填し、１８００℃、６大気圧の窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力で加圧焼結をし、二つ焼結体を得た。焼結体は相対密度がそれぞれ８２．６と７５．０％であった。
【００２５】
実施例５
（１）混合粉末
本実施例では、炭化珪素からなる試料を作製した。平均粒径約０．２８μｍのβ型炭化珪素粉末に平均粒径が０．５５μｍの酸化イットリウム粉末を焼結助剤として５．０重量％添加し、メタノールを溶媒としてボールミルを用いて２４時間混合した。得られたスラリーを乾燥した後、粉砕して混合粉末を回収した。
【００２６】
（２）加圧焼結
次に、図４の黒鉛製の加圧装置で、８０．０％の相対密度を所定とした焼結体を得るための重量の上記混合粉末をモールド２に充填し、１９００℃、６大気圧の窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力で加圧焼結をし、焼結体を得た。焼結体は相対密度が８０．７％であった。
【００２７】
実施例６
本実施例では、実施例５で調製した混合粉末を用いた。図４の黒鉛製の加圧装置で、６０．０％の相対密度を所定とした焼結体を得るための重量の混合粉末をモールド２に充填し、１９００℃、６大気圧の窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力で加圧焼結をし、焼結体を得た。焼結体は相対密度が６４．３％であった。
【００２８】
実施例１−６の何れの場合でも、焼結後、焼結体はストレートスリーブ６とは密着せず、容易に焼結体を取り出すことができた。
また、実施例１−６の何れの場合でも、焼結後、焼結体の重量は充填した原料粉末の重量より２−３％を損失した。しかし、実施例６の場合では、所定の密度が低いため、収縮が可能となり、試料の密度は約４％で高くなった。すなわち、粉末の充填量は以下のような経験式で表示できる。
重量＝体積×密度×相対密度×係数
係数は、高密度（＞７５％）の場合には、１．０２であり、低密度（＜７５％）の場合には０．９８である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では、上記加圧焼結装置でセラミックス多孔体の作製が可能である。従って、本発明による製造方法で作製するセラミックスは任意であり、制限されるものではない。また、本発明による加圧焼結方法では、同じ組成及び同じ焼結条件でも、異なった密度を有するセラミックス多孔体を得ることができる。なお、本発明は、バッチ式の加圧焼結装置のみならず、トンネル炉型加圧焼結装置のような量産用加圧焼結装置の加圧装置にも好適に用いることができる。難焼結性材料の焼結や、少量の焼結助剤での焼結に特に好適であり、特に後者の場合、得られる焼結体は高温特性に優れていることが期待できるために、このような加圧焼結装置及びそれを利用した加圧焼結方法は工業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】加圧焼結装置における加圧装置を示す。
【図２】本発明の一実施例の加圧装置の構成を示す。
【図３】本発明の他の実施例の加圧装置の構成を示す。
【図４】黒鉛製のモールド、上部パンチ及び下部パンチからなる加圧装置を備えた加圧焼結装置を示す。
【図５】黒鉛製のモールド、上部パンチ及び下部パンチからなる加圧装置を備えた加圧焼結装置を示す。
【符号の説明】
１  焼結体
２  モールド
３  上部パンチ
４  下部パンチ
５  テーパースリーブ
６  スペーサー
７  スペーサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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