(57)【要約】【課題】粉末成形体を乾燥、脱脂、焼成することにより焼結体を製造するに際し、特殊な設備を用いることなく、従来法に比して脱脂時間を大幅に短縮可能な焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも粉末材料と有機物と溶媒とを出発物質とし、これらの混合物から所定形状の成形体を成形し、それを乾燥させた後、脱脂し、続いて焼成する焼結体の製造方法であって、脱脂開始から脱脂終了までの昇温の過程で、膨張（初期膨張）、収縮、膨張（後期膨張）という一連の挙動を少なくとも１サイクル起こす成形体に対し、収縮を起こす温度域での加熱時間に比して、初期膨張を起こす温度域での加熱時間と後期膨張を起こす温度域での加熱時間との合計時間が同等以下となるように脱脂を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも粉末材料と有機物と溶媒とを出発物質とし、これらの混合物から所定形状の成形体を成形し、それを乾燥させた後、脱脂し、続いて焼成する焼結体の製造方法であって、
脱脂開始から脱脂終了までの昇温の過程で、膨張（初期膨張）、収縮、膨張（後期膨張）という一連の挙動を少なくとも１サイクル起こす成形体に対し、収縮を起こす温度域での加熱時間に比して、初期膨張を起こす温度域での加熱時間と後期膨張を起こす温度域での加熱時間との合計時間が同等以下となるように脱脂を行う焼結体の製造方法。
【請求項２】
脱脂開始温度が１００℃以上で脱脂終了温度が４５０℃である請求項１に記載の焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末成形体を乾燥、脱脂、焼成することにより焼結体を製造する方法に係り、更に詳しくは、脱脂の工程において、特殊な設備を用いることなく、従来法に比して大幅に脱脂時間を短縮可能な焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックスや金属の粉末を成形し、最終的に焼成して製品（焼結体）を製造する場合には、まず、少なくとも粉末材料（セラミックスや金属の粉末）と有機物（結合剤（バインダー）、分散剤、邂逅剤、可塑剤等）と溶媒（水や有機物溶液）とを出発物質とし、これらの混合物から所定形状の成形体を成形し、それを乾燥させた後、脱脂し、続いて焼成するという工程を経るのが一般的である。
【０００３】
成形体の乾燥後に実施される脱脂は、１００℃程度から４５０℃程度まで徐々に昇温しながら成形体を加熱することにより、成形体からバインダー等の有機物や乾燥後にも残存する溶媒を除去するために行われるものであるが、一般に製品の寸法が大きくなるほど処理に時間を要し、大型製品の脱脂を行う場合には、その中心部分のバインダーや溶媒等を除去するのに数百時間という長い時間を要する場合も多々ある。
【０００４】
脱脂にこのような長い時間を要するのは、単純に急昇温して短時間で脱脂しようとすると、成形体の表層部と内部との温度差が大きくなるため脱脂の進行速度に差が生じ、これに起因して成形体内部に歪みが発生し、クラックが生じるからである。このクラックは脱脂後の状態では検知困難なほど僅かなものであっても、その後の焼成により焼結体となったときに顕在化し、製品の不良となる。
【０００５】
しかしながら、このように脱脂に長時間を要すると、生産効率が悪く、加熱に多くのエネルギーが必要になることに加え、通常、脱脂時の加熱方式として用いられるガス加熱においては、地球環境にとって好ましくない炭酸ガスも多量に排出される。なお、従来の焼結体の製造における脱脂の工程は、脱脂開始から脱脂終了まで一定の昇温速度で昇温し、製品が大型になるほど昇温速度を低くして時間をかけて脱脂を行うことが一般的であり、脱脂時間の短縮化を目的として、昇温途中で昇温速度を段階的に変化させることも検討されてはいるが、顕著な効果が得られていないのが実状である（これら従来技術に関する先行技術文献は特に見当たらない。）。また、超臨界抽出法などの特殊な方法を用いれば比較的短時間で脱脂を行うことも可能ではあるが、これには高価な設備が必要となるといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、粉末成形体を乾燥、脱脂、焼成することにより焼結体を製造するに際し、特殊な設備を用いることなく、従来法に比して脱脂時間を大幅に短縮可能な焼結体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】
【０００７】
本発明によれば、少なくとも粉末材料と有機物と溶媒とを出発物質とし、これらの混合物から所定形状の成形体を成形し、それを乾燥させた後、脱脂し、続いて焼成する焼結体の製造方法であって、脱脂開始から脱脂終了までの昇温の過程で、膨張（初期膨張）、収縮、膨張（後期膨張）という一連の挙動を少なくとも１サイクル起こす成形体に対し、収縮を起こす温度域での加熱時間に比して、初期膨張を起こす温度域での加熱時間と後期膨張を起こす温度域での加熱時間との合計時間が同等以下となるように脱脂を行う焼結体の製造方法、が提供される。
【０００８】
なお、本発明における「膨張」及び「収縮」は、それぞれ寸法で０．０２％以上の膨張及び収縮を意味する。また、本発明において「脱脂」とは、被焼結粉末（粉末材料）を成形するために添加した有機物の除去工程のことを意味する。この脱脂において、前記有機物は、温度上昇に伴い、かつ、雰囲気のガス、特に酸素の濃度と密接な関係を伴いながら、（１）熱分解、（２）酸化、（３）発熱、という３つの挙動を経て成形体から除去される。また、本発明において「脱脂終了」とは、添加された有機物質量の５０％以上が成形体から除去された状態を言う。ここで、５０％以上としたのは、例えば、前記有機物がフェノール樹脂である場合、残炭率が５０％近くあるためである。なお、前記有機物が、その他の一般的な有機物、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、メチルセルロース（ＭＣ）等である場合には、添加された有機物質量の８０％以上が成形体から除去された状態をもって、「脱脂終了」とみなすようにするのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、脱脂の工程において、成形体が収縮を起こす温度域での加熱時間に比して、初期膨張を起こす温度域での加熱時間と後期膨張を起こす温度域での加熱時間との合計時間が同等以下となるようにすることにより、高価で特殊な設備を要することなく脱脂時間を大幅に短縮することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、少なくとも粉末材料と有機物と溶媒とを出発物質とし、これらの混合物から所定形状の成形体を成形し、それを乾燥させた後、脱脂し、続いて焼成する焼結体の製造方法であり、その特徴的な構成として、脱脂開始から脱脂終了までの昇温の過程で、膨張（初期膨張）、収縮、膨張（後期膨張）という一連の挙動を少なくとも１サイクル起こす成形体に対し、収縮を起こす温度域での加熱時間に比して、初期膨張を起こす温度域での加熱時間と後期膨張を起こす温度域での加熱時間との合計時間が同等以下となるように脱脂を行うものである。
【００１１】
本発明者等は、前記のような出発物質から成形された成形体について、脱脂中の膨張・収縮の挙動を詳細に調査したところ、図１に示すように、脱脂開始から脱脂終了までの昇温の過程において、ある温度Ｔ１まで膨張した後、挙動が収縮に変化し、更にある温度Ｔ２から再び挙動が膨張に変化するような成形体が多く存在することが確認された。
【００１２】
そして、この膨張及び収縮の要因について検討したところ、脱脂の開始温度から温度Ｔ１に昇温されるまでに起こる最初の膨張（初期膨張）は、主に成形体を構成する材料自身の熱膨張によるものであり、温度Ｔ１から温度Ｔ２に昇温されるまでに起こる収縮は、成形体中の有機物、特にバインダーの燃焼（酸化・分解）、乾燥工程で除去しきれなかった溶媒の蒸発、及び結晶水の除去によるものであり、更に昇温されて温度Ｔ２を超えた後の膨張（後期膨張）は、初期膨張と同様に材料自身の熱膨張によるものであることがわかった。
【００１３】
また、この脱脂の工程における、初期膨張、収縮、後期膨張という一連の挙動において、クラックが発生しやすい温度域は、成形体が収縮を起こす温度域（Ｔ１〜Ｔ２）であることがわかった。成形体が収縮を起こしているときは、前記のとおり、バインダーが成形体中から燃焼除去されて行くため成形体の強度が低下して行く。また、成形体は外側から加熱されるため、内部よりも表層部の方が温度が高く、速く収縮しようとするので、成形体内部に歪みが発生し、クラックが生じやすい状態となっている。特に大型の製品の場合は、内部と表層部との温度差が大きくなりやすいので、クラックの発生を防ぐためには、低い昇温速度で時間をかけて昇温する必要がある。
【００１４】
これに対し、成形体が初期膨張を起こす温度域（脱脂開始温度〜Ｔ１）においては、成形体中にまだ多量のバインダーが残存しているため、成形体は比較的高い強度を有しており、また、後期膨張を起こす温度域（Ｔ２〜脱脂終了温度）においては、バインダーの酸化／発熱に起因した熱が成形体の中心部に保持されているため、外側から速い速度で加熱しても成形体の内部と表層部との温度差がつきにくく、収縮を起こす温度域に比してクラックが発生しにくい状態にある。
【００１５】
すなわち、前述のような膨張・収縮の挙動を示す成形体の脱脂の工程において、特に低い昇温速度で長い時間をかけながら加熱する必要があるのは、成形体が収縮を起こす温度域であり、成形体が初期膨張や後期膨張を起こす温度域においては、より速い昇温速度で比較的短時間で加熱を行うようにしても、クラックは発生しにくい。従来の一般的な脱脂の工程は脱脂開始から脱脂終了まで一定の昇温速度で昇温していたため、初期膨張や後期膨張を起こす温度域でも、収縮を起こす温度域と同じ低い昇温速度で脱脂が行われ、特に大型製品の脱脂には長時間を要することが避けられなかった。
【００１６】
これに対し、本発明においては、成形体が収縮を起こす温度域では、従来法と同程度の昇温速度で時間をかけて加熱を行うが、初期膨張及び後期膨張を起こす温度域では、より速い昇温速度で短時間で加熱を行う。具体的には、収縮を起こす温度域での加熱時間に比して、初期膨張を起こす温度域での加熱時間と後期膨張を起こす温度域での加熱時間との合計時間が同等以下となるように脱脂を行う。これにより、本発明では、従来法に比して脱脂時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００１７】
例えば、脱脂の開始温度が１００℃、脱脂の終了温度が４５０℃であり、成形体が収縮を起こす温度域（Ｔ１〜Ｔ２）が１５０〜２５０℃で、当該温度域においてクラックの発生を防止するためには、昇温速度を１０℃／時間とする必要がある場合、従来法のように昇温速度を一定（１０℃／時間）として脱脂を行うと、３５時間を要する。これに対し、例えば成形体が収縮を起こす１５０〜２５０℃の温度域のみ昇温速度を従来法と同じ１０℃／時間とし、残りの１００〜１５０℃の温度域（初期膨張を起こす温度域）と２５０〜４５０℃の温度域（後期膨張を起こす温度域）は２５℃／時間で昇温するようにすれば、脱脂時間は全体で２０時間とすることができる。
【００１８】
本発明おいて、脱脂の対象となる成形体は、脱脂開始から脱脂終了までの昇温の過程で、膨張（初期膨張）、収縮、膨張（後期膨張）という一連の挙動を少なくとも１サイクル起こす成形体である。成形体が脱脂の工程において、どのような膨張・収縮の挙動を示すかは、その材料の種類や配合比等により異なるため、成形体の実物又はそれと同一の材料からなり、なるべく実物に近い大きさを有するような試料を作製して実際に脱脂を行い、その間の膨張・収縮の挙動を調べることが望ましい。
【００１９】
成形体を作製するための出発物資のうち、粉末材料とは、成形体の主成分であるセラミックスや金属の粉末である。有機物とは、この種の成形体の作製において、結合材（バインダー）、分散剤、邂逅剤、可塑剤等として通常使用される有機物である。また、溶媒には、水や有機物溶液を使用する。これら粉末材料、有機物及び溶媒の種類、配合比、粒度等は、それらの混合物から成形された成形体が前記のような膨張・収縮の挙動を示すものである限り、特に限定されない。また、本発明において、脱脂以外の工程（成形、乾燥、焼成等）は、特にその実施条件が限定されるものではなく、それぞれ焼結体の製造法として従来一般的に行われているような周知の方法により実施することができる。脱脂開始温度及び脱脂終了温度についても、特に限定されるものではなく、成形体の材質や寸法に応じて適宜決定すればよいが、一般的には、脱脂開始温度を１００℃以上、脱脂終了温度を４５０℃とすることが好ましい。
【００２０】
本発明を実施するに当たっては、成形体の挙動が初期膨張から収縮へ変化する温度Ｔ１と、収縮から後期膨張に変化する温度Ｔ２とを予め知っておく必要がある。Ｔ１は収縮開始温度、Ｔ２は収縮終了温度であり、Ｔ１〜Ｔ２が成形体が収縮を起こす温度域となる。このＴ１及びＴ２を知るには、実際に脱脂を行いながら膨張・収縮を測定する必要があり、そのための測定装置として、例えば図２に示すような構成の測定装置が好適に使用できる。
【００２１】
この測定装置は、本体が小型の管状炉２からなり、内部に測定用の試料１の位置ズレを防止するためのストッパー３を有し、また、炉壁には炉内雰囲気を乱さないような直径３ｍｍ程度の貫通孔４が穿設されている。測定用の試料１は、膨張・収縮の挙動を知りたい成形体と同一の材料で作製された柱状の成形体であり、その一方の端部には深さ１０ｍｍ程度の穴が開けられ、この穴にセラミック焼結体からなる棒状の測定治具５が差し込まれ固定される。測定治具５は、試料１が測定位置にセットされた時に、その先端が貫通孔４から炉外に突き出た状態となる。この測定治具５の先端には、後述するレーザー変位計での変位の測定を容易にするため板状体６が取り付けられることが好ましい。試料１はその自重や摩擦によって膨張・収縮が妨げられないよう横置きでコロ７に載せられ、また、炉体を台座８で傾斜させてストッパー３の有る側を幾分低くすることにより、試料１の測定治具５が差し込まれた側と反対側の端部が常にストッパー３と接触して位置ズレを起こさないようにされる。
【００２２】
炉の加熱手段には、温度制御が容易な熱電対９が設けられ、これにより昇温速度を制御しながら試料１を加熱し脱脂を行う。炉の外部には測定精度が１０μｍ程度のレーザー変位計１０が設けられ、このレーザー変位計１０で脱脂中における測定治具５の先端の変位を連続的に測定することより、試料１の膨張・収縮の挙動を調べる。
【００２３】
なお、この測定装置において、レーザー変位計で直接試料の変位を測定せず、試料に取り付けた測定治具の先端の変位を炉の外部から測定するようにしているのは、レーザー変位計を炉内の高温雰囲気中に設置することができないこと、及び、炉の外部から直接試料の変位を測定するには炉壁に炉内雰囲気を乱すような大きな覗き窓を設けざるを得ないため、高精度な測定が困難であることによる。本測定装置のように、レーザー変位計１０を高温雰囲気に曝されない炉の外部に設け、炉壁に穿設された小さな貫通孔４から炉の外部に突き出した測定治具５の先端の変位を測定するようにすれば、試料１の膨張・収縮の挙動を高精度に測定することが可能であり、Ｔ１やＴ２を正確に求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明に係る焼結体の製造方法は、粉末成形体を乾燥、脱脂、焼成することにより焼結体を製造する際に使用でき、特に脱脂に長い時間を要するような大型の製品を製造するのに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】脱脂の工程における成形体の膨張・収縮の挙動を示すグラフである。
【図２】成形体の膨張収縮を測定するための測定装置の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…試料、２…管状炉、３…ストッパー、４…貫通孔、５…測定治具、６…板状体、７…コロ、８…台座、９…熱電対、１０…レーザー変位計。
【図１】
2006282405.tif 000003
【図２】
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