(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円又は多角形を形成する面を有するセラミックスの最終寸法・形状における該円又は多角形に外接する円の直径が５０ｍｍ以上のサイズを有する大型のアルミナを主成分とするセラミックス焼結体を製造する方法であって、
１）セラミックス粉末、高分子分散剤、高分子結合剤及び高分子潤滑剤を含むスラリー状の懸濁液を噴霧乾燥してセラミックス顆粒を生成すること、２）その際に、該高分子結合剤がセラミックス粉末に対して１重量％を越え３重量％未満で且つ該高分子潤滑剤がセラミックス粉末に対して２〜４重量％であること、３）該セラミックス顆粒を乾式加圧成形した後に、脱脂、焼成せしめて、少なくとも円又は多角形を形成する面に、焼成後の研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっているセラミックス焼結体を作製すること、４）前記高分子結合剤及び高分子潤滑剤として、ポリビニールアルコール及びステアリン酸又はその塩を用いることを特徴とする上記セラミックス焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記高分子結合剤が、ポリビニルアルコールを主成分としている、請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記高分子潤滑剤が、ステアリン酸を主成分としている、請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックス焼結体の少なくとも円又は多角形を形成する同一面内の任意の３点の高低差が、目的とする最終寸法・形状に対して５０μｍ以下である、請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項５】
前記セラミックス焼結体の厚さ又は高さが、１ｍｍから１００ｍｍのサイズを有する、請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の製造方法で製造された、円又は多角形を形成する面を有するセラミックスの最終寸法・形状における該円又は多角形に外接する円の直径が５０ｍｍ以上のサイズを有する大型セラミックス焼結体であって、
１）セラミックス顆粒の乾式加圧成形体を焼結したアルミナを主成分とするセラミックス焼結体であること、２）少なくとも円又は多角形を形成する面に、焼成後の研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっていること、３）前記円又は多角形を形成する面における平坦度が５０μｍ以下であること、前記セラミックス焼結体の少なくとも円又は多角形を形成する同一面内の任意の３点の高低差が、目的とする最終寸法・形状に対して３２．２μｍ以上５０μｍ以下であること、を特徴とするセラミックス焼結体。
【請求項７】
前記セラミックス焼結体の厚さ又は高さが、１ｍｍから１００ｍｍのサイズを有する、請求項６に記載のセラミックス焼結体。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のセラミックス焼結体からなることを特徴とする大型セラミックス部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス焼結体、その製造方法及びセラミックス部材に関するものであり、更に詳しくは、少なくともセラミックスの円又は多角形を形成する面が、焼成後に研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっているセラミックス焼結体、その製造方法及びセラミックス部材に関するものである。本発明は、セラミックスの最終寸法・形状における円又は多角形を形成する面が３０ｍｍ以上のサイズを有する大型セラミックスにおいて、セラミックス原料粉末を顆粒化し、該顆粒を乾式加圧成形してセラミックス成形体を作製し、該セラミックス成形体を焼結することで、少なくとも円又は多角形を形成する面に、焼結後の研削加工・研磨加工を行うことなく、目的とする最終寸法・形状となっているセラミックス焼結体を作製し、提供することを可能とする、大型セラミックス部材を対象とした新しいセラミックス焼結体の製造技術及びその製品を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、セラミックスを成形する方法には、乾式加圧成形法、鋳込み成形法、射出成形法等がある。中でも、単軸加圧による乾式加圧成形法は、極めて短時間でセラミックスの成形が可能であるため、大量に生産する必要のある比較的小さい小型のセラミックス製品のニアネットシェイプ成形に多用されている。通常、単軸加圧による加圧成形法によりセラミックスを成形するためには、セラミックス粉末の均一充填や成形体の密度向上のために、セラミックス粉末を造粒して顆粒状として成形に供している。
【０００３】
それでも、これまでの成形体は、強度不足等の問題があり、それらの問題を解決するために、先行技術として、例えば、強度の不足への対策として、水分や結合剤等を全くあるいは殆ど含まないセラミックス粉体を用いて成形し、焼結体の諸特性を改善する方法、セラミックス原料粉末と特定組成のバインダとの混合物を造粒して得られるセラミックス成形用顆粒（特許文献１、２）や、顆粒間の隙間が成形後に残存するのを防ぐ工夫として、特定のバインダー、成形助剤等を配合したセラミックス顆粒を用いたセラミックス成形方法（特許文献３〜７）、に関する技術が提案されている。
【０００４】
上述の先行技術では、何れも各目的を達成すべく工夫がなされており、小型のセラミックス製品に対しては、それらの工夫が効果的と云える。しかし、例えば、直径３０ｍｍ以上又は外接円の直径が３０ｍｍ以上の円又は多角形の大型セラミックス製品を対象としようとすると、加圧成形後の成形体中における圧力伝達の不均一さが無視できなくなり、成形体内部の部位による成形密度ムラは避けがたくなる。この成形密度ムラは、焼結に伴う収縮の不均一を引き起こし、焼結後の焼結体の歪みに直結する。そのため、従来、焼結後に目的とする最終寸法・形状とするためには、焼結後の研削加工・研磨加工による機械加工を施すことが必要であった。
【０００５】
しかし、セラミックスは、脆性で且つ高硬度のため、難加工性であり、セラミックスの加工は、研削加工や研磨加工に頼らざるを得なかった。特に、大型セラミックス焼結体にこれらの加工を施すことは、非常に困難で且つ長時間を要し、歩留まりが悪く、以て著しくコストの高騰を招いていた。即ち、従来技術では、例えば、直径３０ｍｍ以上又は外接円の直径が３０ｍｍ以上の円又は多角形の大型セラミックス製品を対象として研削加工や研磨加工を省くことができるような先行技術は開発されておらず、どのように対処すれば良いか全く未解明な状態であり、当技術分野においては、大型セラミックス製品に適用可能な新しいセラミックス成形技術の開発が強く要請されていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−８４７２２号公報
【特許文献２】特開２００２−２７４９５４号公報
【特許文献３】特開平１−１６７２７１号公報
【特許文献４】特開平８−１８３６６５号公報
【特許文献５】特開平１０−２９８７１号公報
【特許文献６】特開２０００−７４４３号公報
【特許文献７】特開２００２−１２８５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような状況の中で、本発明者らは、研削加工・研磨加工を行うことなく、目的とする最終寸法・形状のセラミックス焼結体を製造することが可能な新しい技術を開発することを目標として鋭意研究を行った結果、適正な結合剤と潤滑剤及びその添加量が重要な因子となり得ること、それらの成分を水と共にセラミックス原料粉末と混合してスラリーを作製し、該スラリーを噴霧乾燥して顆粒とし、該顆粒を乾式加圧成形してセラミックス成形体を作製し、該セラミックス成形体を焼結することにより、焼結後の研削加工・研磨加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状のセラミックス焼結体が得られること、等の新規知見を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、直径３０ｍｍ以上又は外接円の直径が３０ｍｍ以上の円又は多角形の大型セラミックスにおいて、焼結後の研削加工や研磨加工を行わずに、目的とする最終寸法・形状のセラミックス焼結体とすることができるセラミックス焼結体、その製造方法及びセラミックス部材を提供すること、それにより、セラミックス焼結体の製造コストの大幅な低減を図ること、を可能とするセラミックス焼結体の新しい製造技術及びその製品を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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）円又は多角形を形成する面を有するセラミックスの最終寸法・形状における該円又は多角形に外接する円の直径が５０ｍｍ以上のサイズを有する大型のアルミナを主成分とするセラミックス焼結体を製造する方法であって、
１）セラミックス粉末、高分子分散剤、高分子結合剤及び高分子潤滑剤を含むスラリー状の懸濁液を噴霧乾燥してセラミックス顆粒を生成すること、２）その際に、該高分子結合剤がセラミックス粉末に対して１重量％を越え３重量％未満で且つ該高分子潤滑剤がセラミックス粉末に対して２〜４重量％であること、３）該セラミックス顆粒を乾式加圧成形した後に、脱脂、焼成せしめて、少なくとも円又は多角形を形成する面に、焼成後の研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっているセラミックス焼結体を作製すること、４）前記高分子結合剤及び高分子潤滑剤として、ポリビニールアルコール及びステアリン酸又はその塩を用いることを特徴とする上記セラミックス焼結体の製造方法。
（２）前記高分子結合剤が、ポリビニルアルコールを主成分としている、前記（１）に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
（３）前記高分子潤滑剤が、ステアリン酸を主成分としている、前記（１）に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
（４）前記セラミックス焼結体の少なくとも円又は多角形を形成する同一面内の任意の３点の高低差が、目的とする最終寸法・形状に対して５０μｍ以下である、前記（１）に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
（５）前記セラミックス焼結体の厚さ又は高さが、１ｍｍから１００ｍｍのサイズを有する、前記（１）に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載の製造方法で製造された、円又は多角形を形成する面を有するセラミックスの最終寸法・形状における該円又は多角形に外接する円の直径が５０ｍｍ以上のサイズを有する大型セラミックス焼結体であって、
１）セラミックス顆粒の乾式加圧成形体を焼結したアルミナを主成分とするセラミックス焼結体であること、２）少なくとも円又は多角形を形成する面に、焼成後の研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっていること、３）前記円又は多角形を形成する面における平坦度が５０μｍ以下であること、前記セラミックス焼結体の少なくとも円又は多角形を形成する同一面内の任意の３点の高低差が、目的とする最終寸法・形状に対して３２．２μｍ以上５０μｍ以下であること、を特徴とするセラミックス焼結体。
（７）前記セラミックス焼結体の厚さ又は高さが、１ｍｍから１００ｍｍのサイズを有する、前記（６）に記載のセラミックス焼結体。
（８）前記（６)又は(７)に記載のセラミックス焼結体からなることを特徴とする大型セラミックス部材。
【００１０】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、セラミックスの最終寸法・形状における円又は多角形を形成する面が３０ｍｍ以上のサイズを有する大型セラミックスであって、セラミックス顆粒の乾式加圧成形体を焼結した焼結体であること、少なくとも円又は多角形を形成する面（リング状の同一平面内の面を含む）に、焼成後研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっていること、前記円又は多角形を形成する面における平坦度が５０μｍ以下であること、を特徴とするものである。また、本発明は、セラミックス粉末、高分子分散剤、高分子結合剤及び高分子潤滑剤を含むスラリー状の懸濁液を噴霧乾燥してセラミックス顆粒を生成し、該セラミックス顆粒を乾式加圧成形した後に、脱脂、焼成せしめて、セラミックスの最終寸法・形状における円又は多角形を形成する面が３０ｍｍ以上のサイズを有する大型セラミックス焼結体を製造する方法であって、該高分子結合剤がセラミックス粉末に対して１重量％を越え３重量％未満で且つ該高分子潤滑剤がセラミックス粉末に対して２〜４重量％であること、少なくとも円又は多角形を形成する面に、焼成後の研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっているセラミックス焼結体を作製することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明では、セラミックス粉末と所定の割合の高分子結合剤及び高分子潤滑剤と水とを混合してスラリーを調製し、これを噴霧乾燥して顆粒を作製し、その顆粒を金型に装填して所定の圧力で乾式加圧成形することにより、セラミックス成形体を作製し、このセラミックス成形体を脱脂乃至焼結することにより、大型のセラミックス焼結体であるにもかかわらず、成形密度ムラ、焼結に伴う収縮の不均一、焼結体の歪み等の問題の発生がなく、焼結後の研削加工や研磨加工を施すことなく、所望の最終寸法・形状を有するセラミックス焼結体を製造することが可能となる。
【００１２】
本発明の主要な構成成分の一つである高分子結合剤としては、ポリビニルアルコールあるいは同効成分が主成分であることが重要である。この高分子結合剤は、セラミックス粉末に対し、１重量％を越え３重量％未満の量を添加することが必要である。１重量％以下では、顆粒強度が低く、後述する高分子潤滑剤とのマッチングが不適正となり、焼結後の研削加工や研磨加工を省くことができなくなる。一方、３重量％以上では、顆粒の流動性を悪化させ、また、高分子潤滑剤の効果を薄め、更に、脱脂により長時間を要すのみならず、脱脂により多くの気孔が生成して、密度の低減及び脱脂工程での亀裂の生成を招く可能性がある。上記結合剤の添加量は、好適には、例えば、セラミックス粉末に対し、１．５重量％〜２．５重量％の範囲である。
【００１３】
また、本発明の主要な構成成分のもう一方である高分子潤滑剤としては、ステアリン酸を含むオクタデカン酸に相当する飽和脂肪酸が主成分であることが重要であり、具体的には、ステアリン酸、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸アルミニウムが例示される。この高分子潤滑剤は、セラミックス粉末に対して固形分換算で２〜４重量％を添加することが必要である。２重量％未満では、セラミックス成形体内の密度ムラを抑えることができず、そのため、焼結後に、目的とする寸法・形状のセラミックス焼結体が得られない。一方、４重量％を越えると、脱脂により長時間を要すのみならず、脱脂により多くの気孔が生成して、密度の低減及び脱脂工程での亀裂の生成を招く可能性がある。上記潤滑剤の添加量は、好適には、例えば、セラミックス粉末に対し、２．５重量％〜３．５重量％の範囲である。
【００１４】
本発明においては、セラミックス粉末としては、水性スラリーを適用可能なあらゆるセラミックス粉末が使用できる。例えば、酸化物粉末であれば好適であり、より好適には、アルミナやジルコニアである。水に対して影響を受けなければ非酸化物も選択可能であり、あるいは、何らかの処理を施して耐水性を付与しても良い。これらの場合、具体的には、窒化ケイ素、炭化ケイ素、あるいは窒化アルミニウム等が選択可能である。更に、本発明において、セラミックス焼結体について説明すると、セラミックス焼結体のサイズは、直径３０ｍｍ以上又は外接円の直径が３０ｍｍ以上の円又は多角形を形成する面を有するセラミックスであることが好適であり、５０ｍｍ以上のセラミックスにも適用できるが、これらのサイズより小さいセラミックスにも適用可能である。また、セラミックス焼結体の厚さ又は高さは、１ｍｍから１００ｍｍが好適であるが、このサイズ以外のセラミックスにも適用して差し支えない。
【００１５】
また、本発明のセラミックスでは、その形状については、少なくとも円又は多角形を形成する面が、焼結後の研磨及び／又は研削加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状となっていることを構成要素としているが、例えば、その面内に段が付いていても差し支えない。更には、その形状がリングや円筒状、多角形の筒状であることを妨げない。また、本発明によれば、セラミックス焼結体の少なくとも円又は多角形を形成する同一面内の任意の３点の高低差が、目的とする最終寸法・形状に対して５０μｍ以下を達成できるが、目的とする最終寸法・形状が５０μｍ以下を要求されない場合は、５０μｍ以下である必要はない。
【００１６】
本発明において、「大型セラミックス」とは、セラミックスの最終寸法・形状における円又は多角形を形成する面が３０ｍｍ以上のサイズを有するセラミックスを意味する。また、「平坦度」とは、同一面内において、ミクロの表面粗さを除いた、マクロな高低差を意味するものとして定義される。本発明における乾式加圧成形の方法及び手段は特に制限されるものではなく、適宜の方法及び手段を使用することができる。また、本発明では、所定量の上記高分子結合剤、高分子潤滑剤を配合する構成の他は、通常のセラミックス焼結体の製造技術を利用することが可能である。
【００１７】
従来、小型セラミックス製品においては、セラミックス成形用顆粒を用いて、乾式加圧成形により、セラミックス成形体を作製することが種々試みられていたが、大型セラミックス製品では、成形密度ムラ、焼結に伴う収縮の不均一、焼結体の歪み等の問題が発生し、焼結後の研削加工や研磨加工を施すことなしに、平坦度５０μｍ以下を達成することは困難であった。これに対して、本発明は、大型セラミックス焼結体では、適正な結合剤と潤滑剤及びその添加量が重要な因子となるとの新規知見に基づいて、上記特定の構成を採用することで、大型セラミックスにおいて、上述の問題の発生がなく、しかも、焼結後の研削加工や研磨加工を施すことなしに、上述の平坦度５０μｍ以下を達成することを可能としたものである。本発明のセラミックス焼結体は、例えば、メカニカルシール、リアクトルスペーサ、受圧板、セッター、摺動板等の製品に応用することができるが、これらに限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）従来、不可避的であった大型セラミックス焼結体の焼結後の研削加工や研磨加工を省くことが可能となるため、これらの加工に要する時間及びエネルギーを節約することが可能となる。
（２）研削加工や研磨加工時に発生するセラミックス製品の欠けや亀裂を防ぐことができる。
（３）焼結後の機械加工による歩留まりの低下及び研削加工や研磨加工で発生するセラミックス屑の発生の問題が無く、そのため、廃棄物の処理が不要となる。
（４）同様に、無駄な加工が不要となるため、原料を節約することができる。
（５）本発明の方法を利用することにより、セラミックス焼結体の製造コストを著しく低減することができる。
（６）従来、研削加工や研磨加工が困難な部位、例えば、内面に段の付いたリング状の段部や複雑形状で加工工具が入らないような部位について、焼結後の加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
本実施例では、平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末（昭和電工製）を用い、該アルミナ粉末に対して、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩（中京油脂製）を０．５ｗｔ％、及びアルミナ粉末が３５体積％となるように配合し、これに水を加えて、ボールミルにより、２４時間混合を行った。その後、高分子結合剤としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ：中京油脂製）及び高分子分散剤としてステアリン酸エマルジョンを、固形分換算でそれぞれ１．５重量％及び３重量％を加えて撹拌混合し、熱風入り口温度２５０℃、出口温度１００℃で噴霧乾燥を行った。得られた顆粒は、平均粒径（Ｄ５０）７５μｍ、含水率０．２重量％、粉体嵩密度０．９５ｇ／ｃｍ３であった。この顆粒を約１１０ｇ秤量し、内径７０ｍｍの金型を用いて、１５０ＭＰａで乾式単軸加圧成形を行った。得られた成形体は、高さ約１１．５ｍｍ、密度は２．３８ｇ／ｃｍ３であった。
【００２１】
トンネル炉を用いて、脱脂後、１６００℃で２時間焼結を行って、直径５７ｍｍ、高さ９．５ｍｍ、密度３．９０ｇ／ｃｍ３のセラミックス焼結体を作製した。このセラミックス焼結体の表面を、レーザー式三次元形状測定装置で測定したところ、図１に示すように、平坦度（横）は４７．８μｍであり、５０μｍ以下であった。また、中心を通る縦方向についての高さ（平坦度）は４１．３μｍであり、５０μｍ以下であった。以上のように、本実施例により作製された、直径５０ｍｍ以上、高さ約１０ｍｍの円板状セラミックス焼結体の平坦度は、５０μｍ以下であり、研削加工や研磨加工が不要であった。
【００２２】
実施例２〜９
本実施例では、ポリビニルアルコールとステアリン酸の添加量を変更した他は、実施例１と同様に操作して成形体を作製した。成形体密度、焼結体密度、平坦度を実施例１と共に表１に示す。即ち、本実施例の高分子結合剤及び高分子潤滑剤の添加量で、顆粒を作製して、その顆粒を用いて金型に充填し、乾式加圧成形して得られるセラミックス成形体を、脱脂乃至焼結することにより、何れも平坦度５０μｍ以下の円板状セラミックス焼結体が得られるので、研削加工や研磨加工を省くことができることが分かった。
【００２３】
比較例１〜３
本比較例では、ポリビニルアルコールとステアリン酸の添加量を、本発明の範囲外に変更した他は、実施例１と同様に操作して成形体を作製した。成形体密度、焼結体密度、平坦度を実施例と共に表１に示す。比較例１及び２では、目的とする平坦度が得られず、比較例３では、脱脂乃至焼結の過程でサンプルに水平割れが生じた。これは、高分子結合剤や高分子潤滑剤の添加量が多いため、脱脂乃至焼結過程で、多量のこれらの高分子が離脱するときに、セラミックスにダメージを与えたためと考えられる。このように、セラミックス焼結体に亀裂が生じると、製品とはなり得ないため、焼結後の研削加工や研磨加工を省く意味が無いことになる。
【００２４】
【表１】
0005181198.tif 000002
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上詳述したように、本発明は、セラミックス焼結体、その製造方法及び製品に係るものであり、本発明により、焼結後に研削加工や研磨加工を施すことなく、目的とする最終寸法・形状にすることが可能なセラミックス焼結体の製造方法及びその製品を提供することができる。本発明は、セラミックス産業、特に、酸化物セラミックス産業において、飛躍的な製造コストの削減が見込めるのみならず、従来、研削加工や研磨加工を施すことが困難な形状のセラミックス製品にも適用可能であるため、大型セラミックス部材に関する新技術・新製品を提供するものとして高い技術的意義を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】レーザー式三次元形状測定装置による実施例１で作製したセラミックス焼結体の表面の平坦度を示す図である。
【図１】
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