(57)【要約】【課題】本発明は、成形体の接合面の高精度の加工が不要であり、成形体と同様の加工が可能な高強度の接合強度を有すると共に、焼成前及び焼成後において、欠陥や密度の不均一等が無い母材と同等の特性の接合部を有する成形体とすることのできるセラミックス粉末成形体の接合方法を提供することを目的とする。【解決手段】セラミックス粉末の成形体の接合面に接合中間層としてセラミックス粉を挟み、接合面を加圧することにより、成形体同士を一体化することを特徴とするセラミックス粉末成形体の接合方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末の成形体の接合面に接合中間層としてセラミックス粉を挟み、接合面を加圧することにより、成形体同士を一体化することを特徴とするセラミックス粉末成形体の接合方法。
【請求項２】
接合中間層にセラミックス粉を用いるセラミックス粉末成形体の接合において、中間層を挟んだ接合体をＣＩＰにより接合することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【請求項３】
接合中間層であるセラミックス粉に、セラミックス粉と溶媒、結合剤、分散剤を混合したスラリーを乾燥した粉末を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【請求項４】
接合中間層であるセラミックス粉に、セラミックス粉と溶媒、結合剤、分散剤を混合したスラリーをスプレードライにより乾燥した造粒粉を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【請求項５】
接合中間層であるセラミックス粉に、セラミックス粉末成形体と同組成の粉末を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【請求項６】
成形体の主成分がアルミナであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の方法で接合したセラミックス粉末成形接合体を焼成することを特徴とする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、セラミックス粉末の成形体及びセラミックス焼結体の製造方法に関し、複雑形状品、肉厚品、長尺品を得るためのセラミックス粉末成形体の接合方法、及びこれを焼成して得られるセラミックス焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックスの接合方法としては、成形体を接合する方法及び焼結体を接合する方法がある。焼結体を接合する方法としては、金属系のロウ材やガラス等を用いる方法が一般的であり、接合層が母材のセラミックスと異なるため、母材セラミックス固有の特性が損なわれてしまう。
接合層がない接合方法として、焼結体同士を直接接合させる拡散接合等が試みられているが、セラミックスの拡散が起こる高温での処理が必要となる、接合面を高精度に加工しても未接合の空隙が残り易い等の欠点がある。
【０００３】
これに対して、成形体を接合する場合、接合した成形体を焼成するため、接合部の空隙を焼成過程で減らすことが可能であり、より信頼性の高い接合が得られる可能性がある。
特許文献１には、成形体を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行い焼成して接合一体化した接合方法が開示されている。
しかしながら、接合の中間層を用いずに接合する場合、成形体の接合面に空隙が残り易く、焼成過程でこの空隙を完全に除くことは困難である。焼結体での空隙を減らすためには、接合面を隙間が生じないように高い精度で加工する必要があるが、焼結体と異なり空隙を含む成形体の場合、高い精度で加工するのが困難である。
【０００４】
また、特許文献２には、接合面にセラミックス粉のスラリーを塗布した後に接合する技術が開示されている。接合面にスラリーを塗布する場合、スラリーと成形体に含まれる粉体の濃度が大きく異なり、スラリー部分の粉体濃度が低いため、焼成後の接合部の密度が低くなり易く、空隙が残り易い。
また、粉体濃度の低いスラリーを用いる場合は、成形体を直接接合する場合と同様に、接合部に空隙が残らないように接合面の精度を高く仕上げる必要がある。
【０００５】
また、特許文献３には、セラミックス粉のペーストを接合剤として用いる接合方法が開示されている。ペーストの場合、スラリーよりも粉体濃度が高くできることから、直接接合する場合やスラリーを用いる場合よりも、接合面の精度は低くても接合は可能である。
しかしながら、セラミックスのペーストも成形体に比べると粉体濃度が低いため、接合部に密度が低くなり易く、空隙が残り易い欠点がある。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１０８８０１号公報
【特許文献２】特開昭５４−１４４４０７号公報
【特許文献３】特開昭５７−８８２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、セラミックス粉末成形体の接合方法を提供することを目的とする。
従来の技術では、成形体を直接接合する場合、接合部も成形体と同組成であることから、均質な接合体を得られる可能性があるが、現実的には接合部を完全に密着させて接合することが困難であるため、接合部に欠陥が残り易く、接合部の強度が母材よりも大きく低下する等の問題があった。
また、接合中間層として成形体と同組成の粉体を用いたスラリーやペーストを用いる場合、成形体は粉体が高い密度で充填されているのに対して、粉体濃度が低いため、焼成後のセラミックス焼結体の接合部に空隙が残ったり、母材部分と接合部の密度が異なったりするため、接合部の特性が母材と同じものを得ることは困難であった。
【０００８】
このように、接合部に空隙等の欠陥が残ったり、接合部の密度が母材に比べて低かったりした場合、接合体の機械的な信頼性は著しく損なわれてしまう。セラミックスは、金属材料に比べて、靭性が低い材料であるため、空隙等の欠陥や密度に敏感な材料であり、このような欠陥や不均質部分から破壊が起こり易くなってしまう。
また、これらの接合方法では、焼成前の接合部の強度が十分ではないため、成形体と同様の方法で加工を行うことは困難である。
【０００９】
本発明は、このような課題に対して、成形体の接合面の高精度の加工が不要であり、成形体と同様の加工が可能な高強度の接合強度を有すると共に、焼成前及び焼成後において、欠陥や密度の不均一等が無い母材と同等の特性の接合部を有する成形体とすることのできる、セラミックス粉末成形体の接合方法、及びセラミックス焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）  セラミックス粉末の成形体に接合面に接合中間層としてセラミックス粉を挟み、接合面を加圧することにより成形体を一体化することを特徴とするセラミックス粉末成形体の接合方法。
（２）  接合中間層にセラミックス粉を用いるセラミックス粉末成形体の接合において、中間層を挟んだ接合体をＣＩＰにより接合することを特徴とする（１）に記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【００１１】
（３）  接合中間層であるセラミックス粉に、セラミックス粉と溶媒、結合剤、分散剤を混合したスラリーを乾燥した粉末を用いることを特徴とする（１）又は（２）に記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
（４）  接合中間層であるセラミックス粉に、セラミックス粉と溶媒、結合剤、分散剤を混合したスラリーをスプレードライにより乾燥した造粒粉を用いることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
【００１２】
（５）  接合中間層であるセラミックス粉に、セラミックス粉末成形体と同組成の粉末を用いることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
（６）  成形体がアルミナであることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載のセラミックス粉末成形体の接合方法。
（７）  （１）乃至（６）のいずれかに記載の方法で接合したセラミックス粉末成形接合体を焼成することを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の接合方法によると、母材と同等の密度、機械特性の接合部を有するセラミックス接合体を得ることが可能となり、これを焼結することで接合部も母材と同等の特性を有するセラミックス焼結体が得られ、複雑形状や大型の信頼性の高いセラミックス材料を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明を詳細に説明する。
セラミックス成形体としては、特に材質を限定するものではなく、アルミナ、ジルコニア、コーディエライト、ムライト等の酸化物系セラミックス、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の非酸化物を使用することが可能である。
これらの成形体は、金型プレス成形、ＣＩＰ成形、射込成形、射出成形等の方法により作製したものを使用できる。また、これらの成形体は結合剤を含んでいることが望ましい。これは、接合中間層として用いるセラミックス粉末との結合を強め、接合した成形体がハンドリングするのに十分な接合強度を保つために重要である。
【００１５】
また、接合中間層として用いるセラミックス粉末は、流動性を有する乾燥した粉末を用いる。流動性を有する粉末を用いることによって、加圧により接合した際に、接合部が成形体と同等の充填構造となり、欠陥のない接合体を得ることが可能となる。
また、粉末に含まれる水分量は２０体積％以下であることが望ましい。水分量が２０体積％より多いと、接合体を乾燥、焼成する際に、水分の蒸発による欠陥を生じる可能性があるためである。
接合中間層として用いるセラミックス粉末は、成形体と同組成のセラミックス成分からなる粉末であることが望ましい。これにより焼成後の接合体は、母材と同組成の接合部を有する接合体となるため、母材と同等の特性を有する接合部を得ることが可能となる。
【００１６】
また、接合中間層として用いるセラミックス粉末は、結合剤を含むことが望ましい。結合剤を含むことにより、成形体とセラミックス粉末が接合により、強固に結合することが可能となり、焼成前の接合部の強度を高くなり、ハンドリングが容易になると共に、成形体の加工が必要な場合、加工時の破損を防ぐ効果が得られる。
また、接合中間層のセラミックス粉末としては、スプレードライ粉末を用いることが望ましい。スプレードライ粉末は、粉末と水や有機溶媒等の溶媒、分散剤、結合剤を加えて、十分に混合した後、スプレードライにより造粒することで、組成の均一な乾燥粒子を得ることが可能である。これにより、焼成後の接合部も均一な組成となり、接合部での特性の低下を防ぐことが可能となる。
【００１７】
接合する成形体の接合面は、それぞれが接合面で密着する形状に加工する。接合面にセラミックス粉末を挟み、一軸加圧あるいはＣＩＰにより接合する。接合時の圧力は、接合中間層であるセラミックス粉末が母材の成形体と同等の密度になる圧力とすることが望ましい。得られた接合体は、母材のセラミックスが目的とする密度に緻密化する焼成条件で焼成する。
以上述べた方法でセラミックス接合体を得ることにより、複雑形状品、肉厚品、長尺品が安価で容易に作製することが可能となる。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。尚、本発明はこれに限られるものではない。
（実施例１）
成形体の原料として、アルミナ粉末(平均粒径0.6μm)を50mm×50mm×20mmのサイズに成形したものを２個作製した。成形体の50mm×50mm面に、成形に用いたのと同じアルミナ粉末を均一な厚みになるように１g載せ、その上にもう一つの成形体を載せた後、一軸加圧により９８MPaの圧力で接合した。得られた接合体を大気中1600℃×８時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００１９】
得られた焼結体を切断し、接合断面を鏡面研磨後、光学顕微鏡により観察した結果、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、切断面を鏡面研磨後、リン酸によるエッチング処理を行い、走査型電子顕微鏡により接合部を観察した結果、母材部分とほぼ同じ粒径の結晶粒からなることを確認し、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。
また、接合部の強度を測定するために、断面が３mm×４mmの角棒に加工し、接合部を中心した４点曲げ試験により接合強度を測定した。母材の平均強度が４６０MPaであるのに対して、接合体の平均強度は４１５MPaのものが得られた。
【００２０】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で、アルミナ粉末の成形体にアルミナ粉を載せた上に、もう一つの成形体を載せ、ビニルシートで真空封止した後、ＣＩＰにより１３７MPaの圧力で接合した。得られた接合体を大気中1600℃×８時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度４６０MPaに対して、接合体の平均強度は４２０MPaのものが得られた。
【００２１】
（実施例３）
アルミナ粉末(平均粒径0.6μm)に、溶媒として水を用い、これにポリカルボン酸系の分散剤、ＰＶＡ系の結合剤を添加し、ボールミルにより混合したスラリーを100℃で乾燥した後、乳鉢で粉砕して、接合中間層として用いる粉末を作製した。実施例１と同様の方法で作製した成形体に、この粉末を１g均一な厚みで載せた上に、もう一つの成形体を載せ、ビニルシートで真空封止した後、ＣＩＰにより１３７MPaの圧力で接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、大気中1600℃×８時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００２２】
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度４６０MPaに対して、接合体の平均強度は４３０MPaであった。
【００２３】
（実施例４）
成形体の原料として、アルミナ粉末(平均粒径0.6μm)に、溶媒として水を用い、これにポリカルボン酸系の分散剤、ＰＶＡ系の結合剤を添加し、混合した粉末をスプレードライにより造粒し、水分量０．８質量％のセラミックス粉末を得た。このセラミックス粉末を50mm×50mm×20mmのサイズに成形したものを２個作製した。成形体の50mm×50mm面に、成形に用いたのと同じスプレードライ粉を均一な厚みになるように１g載せ、その上にもう一つの成形体を載せた後、ＣＩＰにより接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、大気中1600℃×８時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００２４】
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度４６０MPaに対して、接合体の平均強度は４５０MPaとほぼ母材と同じ強度の接合体が得られた。
【００２５】
（実施例５）
成形体の原料として、ジルコニア粉末(平均粒径0.3μm、３mol%イットリア含有)に、溶媒として水を用い、これに分散剤、結合剤を添加し、混合した粉末をスプレードライにより造粒し、水分量１．０質量％のセラミックス粉末を得た。このセラミックス粉末を50mm×50mm×20mmのサイズに成形したものを２個作製した。成形体の50mm×50mm面に、成形に用いたのと同じスプレードライ粉を均一な厚みになるように１g載せ、その上にもう一つの成形体を載せた後、ＣＩＰにより接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、大気中1450℃×４時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００２６】
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度１２００MPaに対して、接合体の平均強度は１１００MPaとほぼ母材と同じ強度の接合体が得られた。
【００２７】
（実施例６）
成形体の原料として、コーディエライト粉末(平均粒径１μm)に、溶媒として水を用い、これに分散剤、結合剤を添加し、混合した粉末をスプレードライにより造粒し、水分量１．０質量％のセラミックス粉末を得た。このセラミックス粉末を50mm×50mm×20mmのサイズに成形したものを２個作製した。成形体の50mm×50mm面に、成形に用いたのと同じスプレードライ粉を均一な厚みになるように１g載せ、その上にもう一つの成形体を載せた後、ＣＩＰにより接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、大気中1320℃×４時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００２８】
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度２５０MPaに対して、接合体の平均強度は２４０MPaとほぼ母材と同じ強度の接合体が得られた。
【００２９】
（実施例７）
成形体の原料として、窒化ケイ素粉末(平均粒径0.3μm)にイットリア粉末とアルミナ粉末を５質量%ずつ添加し、溶媒として水を用い、これに分散剤、結合剤を添加し、混合した粉末をスプレードライにより造粒し、水分量１．２質量％のセラミックス粉末を得た。このセラミックス粉末を50mm×50mm×20mmのサイズに成形したものを２個作製した。成形体の50mm×50mm面に、成形に用いたのと同じスプレードライ粉を均一な厚みになるように１g載せ、その上にもう一つの成形体を載せた後、ＣＩＰにより接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、窒素中1750℃×４時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００３０】
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度７５０MPaに対して、接合体の平均強度は７００MPaとほぼ母材と同じ強度の接合体が得られた。
【００３１】
（実施例８）
成形体の原料として、炭化ケイ素粉末(平均粒径0.6μm)に炭化ホウ素粉末0.3重量%とカーボン粉末１質量%添加し、溶媒として水を用い、これに分散剤、結合剤を添加し、混合した粉末をスプレードライにより造粒し、水分量１．０質量％のセラミックス粉末を得た。このセラミックス粉末を50mm×50mm×20mmのサイズに成形したものを２個作製した。成形体の50mm×50mm面に、成形に用いたのと同じスプレードライ粉を均一な厚みになるように１g載せ、その上にもう一つの成形体を載せた後、ＣＩＰにより接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、窒素中1750℃×４時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００３２】
接合面の光学顕微鏡観察により、接合部に割れや亀裂が無いことを確認した。また、エッチング後の走査型電子顕微鏡観察により、母材と接合部がほぼ同様の構造をもつことを確認した。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度４５０MPaに対して、接合体の平均強度は４２０MPaとほぼ母材と同じ強度の接合体が得られた。
【００３３】
（比較例１）
アルミナ粉末(平均粒径0.6μm)とＰＶＡ系の結合剤を体積比で45:55になるように混合し、ペーストを作製した。実施例１と同様の方法で作製したアルミナ成形体の接合面に、このペースト1.5gを均一な厚みで載せ、もう一つの成形体を載せたものをビニルシートで真空封止した後、ＣＩＰにより１３７MPaの圧力で接合した。得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、大気中1600℃×８時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００３４】
接合面の光学顕微鏡観察の結果、接合部に結合剤が抜けた跡と考えられる長さ100〜200μmの細長い欠陥が観察された。また、４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度４６０MPaに対して、接合体の平均強度は２８０MPaと強度が低下しており、破壊が接合部の欠陥を起点としていることが確認された。
【００３５】
（比較例２）
成形体の原料として、アルミナ粉末(平均粒径0.6μm)に、溶媒として水を用い、これにポリカルボン酸系の分散剤、ＰＶＡ系の結合剤を添加したスラリーを作製した。このスラリーをスプレードライにより造粒した粉末を用いて50mm×50mm×20mmサイズの成形体を２個作製し、それぞれの成形体の50mm×50mm面に、スプレードライに用いたものと同じスラリーを塗布し、スラリー塗布面を貼り合わせた。これをＣＩＰにより接合し、得られた接合体を大気中600℃で脱脂した後、大気中1600℃×８時間の条件で焼成し、焼結体を得た。
【００３６】
接合面の光学顕微鏡観察の結果、接合面に10〜30μmの隙間が観察された。４点曲げ試験による接合強度測定では、母材の平均強度４６０MPaに対して、接合体の平均強度は３１０MPaと低下していた。