(57)【要約】【課題】  本発明は、冷間静水圧加圧成形ならびに熱間静水圧加圧処理を用いたセラミックス部品の製造方法に関し、部品の高密度化を達成する方法を提供する。【解決手段】  セラミックス粉末の成形、および、セラミックス焼結体の熱間静水圧加圧処理に関し、静水圧加圧（以下、ＣＩＰ）時、および、熱間静水圧加圧（以下、ＨＩＰ）時に超音波加振を行い、ブリッジングによる欠陥発生や空孔（ポア）の形成を抑制するＣＩＰ装置またはＨＩＰ装置を用いることによって、粉体の充填性や焼結体の緻密化が促進される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末、あるいは、セラミックス粉末と可塑性樹脂の混合物を顆粒化した粉末を、一次成形後、収縮性を有する風袋に充填して、二次的により高圧で静水圧加圧成形をする際に、または、
前記の粉末、あるいは、前記顆粒化した粉末を収縮性を有する風袋に充填し、その後、静水圧加圧成形する際に、
静水圧加圧成形時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とする超音波を用いた緻密質セラミックス成形体の製造方法。
【請求項２】
一次焼成によって得られたセラミックス焼結体を、一次焼成時より高圧の熱間静水圧加圧処理によって二次焼成を行う際に、
熱間静水圧加圧処理時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とする超音波を用いた緻密質セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項３】
セラミックス粉末、あるいは、セラミックス粉末と可塑性樹脂の混合物を顆粒化した粉末を、一次成形後、ゴム被膜を外装し二次的により高圧で静水圧加圧成形をする際に、または、
前記の粉末、あるいは、前記顆粒化した粉末を収縮性を有する風袋に充填し、その後、静水圧加圧成形する際に、
静水圧加圧成形時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与した後、
一次焼成を行い、その後、より高圧の熱間静水圧加圧処理によって二次焼成を行う際に、
熱間静水圧加圧処理時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とする超音波を用いた緻密質セラミックス焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静水圧加圧（以下、ＣＩＰとも略記する）または熱間静水圧加圧（以下、ＨＩＰとも略記する）を用いた緻密質セラミックスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、より高圧でのＣＩＰ処理を行ったり、顆粒の可塑性を制御したり、ＨＩＰではより高圧での処理を行ったり、圧力パターンを制御したり、ＨＩＰ前の密度をできるだけ高くするなどの対策がとられてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１で開示されているようにＨＩＰ時に鍛造加工を併行して行ったり、特許文献２で開示されているようにＣＩＰ時に圧力媒体（圧媒）を加温し顆粒の可塑性を増大させるなどが試みられている。
【特許文献１】特開平３−１３５０６号公報
【特許文献２】特開平４−２４７９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような方法では、装置への負担が大きく、粉体調製や一次焼成時の制御パラメータが多く再現性に乏しいなどの課題を有していた。例えば、特許文献１で開示されているＨＩＰ時に鍛造加工を併行する際には装置が大掛かりになる一方で、複雑形状に対応できないという課題を有し、特許文献２で開示されているＣＩＰ時に圧力媒体（圧媒）を加温する場合も短時間の処理が困難であり、熱軟化する設定８０℃以上の維持には操業上の費用負担もかなり大きくなるなどの課題を有していた。
【０００５】
そこで、本発明は従来の問題点に鑑み創案されたもので、その目的とするところは、簡便に緻密なセラミックスを製造する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る緻密質なセラミックスの製造方法は、各種セラミックスを製造する際に頻繁に用いられるＣＩＰ成形および／またはＨＩＰ処理の製造設備において、それぞれの圧力容器内にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とするものである。
【０００７】
即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
【０００８】
（１）  セラミックス粉末、あるいは、セラミックス粉末と可塑性樹脂の混合物を顆粒化した粉末を、一次成形後、収縮性を有する風袋に充填して、二次的により高圧でＣＩＰ成形をする際に、または、前記の粉末、あるいは、前記顆粒化した粉末を収縮性を有する風袋に充填し、その後、ＣＩＰ成形する際に、ＣＩＰ成形時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とする超音波を用いた緻密質セラミックス成形体の製造方法。
【０００９】
（２）  一次焼成によって得られたセラミックス焼結体を、より高圧のＨＩＰ処理によって二次焼成を行う際に、ＨＩＰ処理時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とする超音波を用いた緻密質セラミックス焼結体の製造方法。
【００１０】
（３）  セラミックス粉末、あるいは、セラミックス粉末と可塑性樹脂の混合物を顆粒化した粉末を、一次成形後、ゴム被膜を外装し二次的により高圧でＣＩＰ成形をする際に、または、前記の粉末、あるいは、前記顆粒化した粉末を収縮性を有する風袋に充填し、その後、ＣＩＰ成形する際に、ＣＩＰ成形時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与した後、一次焼成を行い、その後、より高圧のＨＩＰ処理によって二次焼成を行う際に、ＨＩＰ処理時の圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することを特徴とする超音波を用いた緻密質セラミックス焼結体の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るセラミックスの製造方法を、例えば、アルミナ、サイアロン、ジルコニア、炭化珪素などの製造時に適用すれば、欠陥の少ない、緻密なセラミックスの安定製造が可能になる。また、装置への組み込みも容易で、操業コスト面での負荷も極めて少ない。さらに、高いコストを必要とせず、簡便にセラミックス材料の高緻密化ができる。このことにより、高品質、安定生産が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明者らは、上記の目的を達成するために、種々検討した結果、ＣＩＰまたはＨＩＰの圧力容器内にセットした超音波発振装置により、超音波加振を付与することで、成形中のブリッジングや空孔（ポア）の形成を抑制したり、二次焼成処理の閉気孔の消失を促進するはたらきを有することを見い出した。本発明者等は、超音波加振をセラミックスの代表的な製造プロセスへの適用について鋭意検討し、その具体的な手法を提供するに至ったものである。
【００１３】
これまで、アルミナ、サイアロン、ジルコニアの他、窒化珪素や炭化珪素などの大型構造体の成形前には、セラミックス粉末にポリエチレンやポリビニルアルコール等の熱可塑性樹脂を混合し、この混合物を噴霧造粒または凍結乾燥などによる３０〜８０μｍ程度に顆粒化し、収縮性を有する風袋に充填した後にＣＩＰ成形する方法が一般的に用いられてきた。
【００１４】
本発明は、ＣＩＰ成形する際に、図１に示すように、圧力容器１の内部または外部にセットした超音波発振装置（例えば、超音波発振子４）により、超音波加振を付与するものであり、これによりＣＩＰ成形時に粉体の流動性をより活発化させ、成形時の欠陥生成を抑制することが可能となる。なお、図１は、後述する実施例で用いるために、一般的なＣＩＰ装置において、超音波加振用の振動子（具体的には超音波発振子）を組み込んだＣＩＰ装置を模式的に表した断面概略図である。図１中の符号２は昇降ピストンを表わし、符号３は試料のセッター用デーブルを表す。
【００１５】
本発明のセラミックス粉末としては、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素質、炭化珪素質、コーディエライト等が例示でき、サイズは中心粒径として０．１〜１０μｍ程度のものであることが多い。
【００１６】
また、本発明のセラミックス粉末の混合方法としては、回転式ポットミル、遊星型ボールミル、アトリッションミル、振動ボールミル、等の方法を用いることができ、アルミナ、ジルコニア、ムライト、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素等のファインセラミックスを母相とするセラミックス焼結体の製造に用いることが可能である。
【００１７】
用いるポットやボールとしては、実質的に混合する粉体と同組成の焼結体を用いることが好ましいが、摩耗の少ない他材質や樹脂被覆されたボールを使用することも可能である。
【００１８】
得られた混合粉末の所望の形状への成形方法としては、本発明の超音波加振を用いる場合には一軸方向のプレス成形後のＣＩＰ成形、または直接ゴム型、ビニル、紙型などの収縮性を有する風袋に充填し、その後ＣＩＰ成形することが好ましい。
【００１９】
ＣＩＰ成形の際に、圧力容器内部または外部にセットした超音波発振装置により、超音波加振を適切に付与することで、混合粉体が流動し圧密化し易くなることにより、成形中のブリッジングや空孔（ポア）の形成を抑制でき、緻密なセラミックス成形体を製造することができる。
【００２０】
その他の代表的なセラミックス成形法である鋳込み成形、押し出し成形、ドクターブレード成形や射出成形などにも超音波加振は展開が可能である。
【００２１】
また、本発明は、セラミックス粉末をそのまま収縮性を有する風袋に充填して、ＣＩＰ成形を行う場合にも適用できる。さらに、セラミックス粉末、あるいは、セラミックス粉末と可塑性樹脂の混合物を顆粒化した粉末を、一次成形した後に、収縮性を有する風袋に充填して、一次成形よりも高圧で二次的にＣＩＰ成形を行う場合にも適用できる。
【００２２】
また、本発明の超音波加振の付与は、一次焼成によって得られたセラミックス焼結体を、一次焼成時より高圧のＨＩＰ処理によって二次焼成を行う際にも適用できるものである。
【００２３】
なお、通常、アルミナ、サイアロン、ジルコニアの他、窒化珪素や炭化珪素などの、各種一次焼成後に得られるセラミックス焼結体は、理論密度に対する焼結体の嵩密度の割合である相対密度が９５％以上に緻密化されたものである。即ち、一次焼成によって実質的に閉気孔によって相対密度９５％以上に焼成・緻密化されたセラミックス焼結体といえるものである。
【００２４】
さらに、一次焼成時より高密度化及び高強度化するための二次焼成手段として最も一般的な手法であるＨＩＰ処理の際にも、本発明の超音波加振の付与により、混合粉体が流動し圧密化し易くなることにより、前記の各種一次焼成時の内部欠陥をより効率的に消失させることを可能とするため、ＨＩＰ処理室内での超音波加振の併用という新たな手法を提供するものである。
【００２５】
ＨＩＰ処理の際に、図２に示すように、圧力容器１の内部または外部にセットした超音波発振装置（例えば、超音波発振子４）により、超音波加振を適切に付与することで、二次焼成処理の閉気孔の消失を促進でき、緻密なセラミックス焼結体を製造することができる。なお、図２は、後述する実施例で用いるために、一般的なＨＩＰ装置において、超音波加振用の振動子（具体的には超音波発振子）を組み込んだＨＩＰ装置を模式的に表した断面概略図である。図２中の符号３は試料のセッター用デーブルを表わし、符号５はＨＩＰ用のヒーターを表す。
【００２６】
焼結方法としては、常圧焼結法、ガス圧焼結法、ホットプレス法の他に、誘導加熱焼結などがあげられるが、本発明の二次緻密化焼結であるＨＩＰ法と同様に超音波加振の展開が可能である。
【００２７】
本発明の焼結雰囲気としては、セラミックス化合物組成に応じ、酸化物系は基本的に大気中、非酸化物系はＡｒガスやＮ２ガスなどの不活性雰囲気ガス中もしくは真空中であることが好ましい。この理由は、セラミックス原料粉が雰囲気ガスとの反応を抑制するためである。
【００２８】
また、前記のＣＩＰ成形時に超音波加振を付与した後、一次焼成を行い、その後、一次焼成よりも高圧でＨＩＰ処理によって二次焼成を行う際にも、超音波加振を付与すると、その効果はより大きくなる。
【００２９】
本発明の超音波の加振は、圧力容器の外周から付与する定在波でも、内部に振動子を装填した構造でも構わない。出力や周波数は、成形体や焼結体の厚さなどのサイズで適宜調整することが、より効率的である。
【００３０】
ＣＩＰでもＨＩＰでも、数ｃｍサイズの角板または円柱では外部からでも内部からでも３〜１０Ｗ程度の出力範囲で十分効果的であるが、より好ましくは５Ｗ以上である。また、同様に数十ｃｍサイズの角板または円柱では外部からでも内部からでも１０〜３０Ｗ程度の出力範囲で十分効果的であるが、より好ましくは２０Ｗ以上である。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。
【００３２】
（実施例１〜３）
窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末  （β化率９０％以上、純度９７％、平均粒径０．８μｍ）、
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末  （平均粒径１．５μｍ）、
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末  （平均粒径０．６μｍ）、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末  （平均粒径０．４μｍ）、
酸化ジルコニウム（Ｚｒ２Ｏ）粉末  （平均粒径１．２μｍ）、
を表１に示す所定量（質量％）添加し、分散媒として精製水またはアセトンを用い、窒化珪素セラミックスを内貼りしたボールミルで２４時間混練した。精製水またはアセトンの添加量は、セラミックス全粉末原料１００ｇに対し１４０ｇとした。
【００３３】
次いで、得られた混合粉末を１２０ｍｍ×１２０ｍｍの金型に入れ、圧力２０ＭＰａで、１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×ｔ２０ｍｍに一軸成形後、超音波加振（出力１０Ｗ）付きのＣＩＰ装置で高圧成形した。ＣＩＰ圧は１２０ＭＰａとし、１１０ｍｍ×１１０ｍｍ×厚さ１８ｍｍの板状成形体を得た。
【００３４】
焼結条件としては、実施例１については窒素ガス流通中にて、表１中に示す各温度で８時間保持、実施例２〜３については大気中の無加圧焼結を行った。その後、超音波加振（出力１５Ｗ）付きのＮ２ガス中のＨＩＰ装置で二次焼成処理した。ＨＩＰ圧は１８０ＭＰａとし、８６ｍｍ×８６ｍｍ×厚さ１４ｍｍの板状の緻密質焼結体を得た。
【００３５】
（実施例４〜９）
実施例４〜９は、実施例１〜３と同一原料を用い、同一組成で、同じ精製水またはアセトンで調製したが、超音波加振なしのＣＩＰ成形と超音波加振（出力１５Ｗ）ありのＨＩＰ処理を行った場合（実施例４〜６）、超音波加振あり（出力１０Ｗ）のＣＩＰ成形と超音波加振なしのＨＩＰ処理を行った場合（実施例７〜９）である。
【００３６】
焼結体密度は、アルキメデス法により測定した。得られた焼結体から機械的性質評価用の試験片を切り出し、その特性を評価した。抗折強度はＪＩＳ  Ｒ１６０１準拠の試験片でクロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｓｅｃにて測定し、硬さは、押込荷重９．８Ｎにてビッカース硬さとして測定した。靭性についてはＪＩＳ  Ｒ１６０７準拠のＳＥＰＢ法により室温にて破壊靭性値（ＫＩＣ）を測定した。
【００３７】
（比較例１０〜１２）
超音波加振なしのＣＩＰ成形とＨＩＰ処理を行った場合（比較例１０〜１２）である。
【００３８】
【表１】
2006334976.tif 000003
【００３９】
【表２】
2006334976.tif 000004
【００４０】
以上より、本発明の焼結体は、密度、強度、硬さ、靭性のいずれも超音波加振なしに比べ優れた値を有するという結果が得られた。本発明は、様々なセラミックス材種に対して、汎用的に適用が可能と判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】超音波加振用の振動子を組み込んだＣＩＰ装置を表す概略図である。
【図２】超音波加振用の振動子を組み込んだＨＩＰ装置を表す概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    圧力容器、
２    昇降ピストン、
３    試料のセッター用テーブル、
４    超音波発振子、
５    ＨＩＰ用のヒーター。
【図１】
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【図２】
2006334976.tif 000006