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技術 セラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法、及びセラミックス焼結体の製造方法

出願人 黒崎播磨株式会社
発明者 佐藤裕海野裕人石飛圭吾
出願日 2008年9月16日 (12年3ヶ月経過) 出願番号 2008-236833
公開日 2010年4月2日 (10年8ヶ月経過) 公開番号 2010-070397
状態 未査定
技術分野 セラミックスの接合
主要キーワード ポリビニルアルコール結合剤 バインダー含有率 加工成形体 セラミックス原料粉体 収縮部分 接合中間層 一軸圧力 四点曲げ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (2)

課題

接合部の欠陥密度の不均一等が母材と同程度に少なく、かつ接合していない加圧成形体と同様の機械的加工が可能な高強度の接合強度を有する一体化された加圧成形体を作製するための加圧成形体の接合方法を提供する。

解決手段

セラミックス原料粉末及びバインダーの混合物加圧成形して得た複数の加圧成形体を接合する方法であって、第1の加圧成形体の接合面と第2の加圧成形体の接合面の間に、接合中間層として前記セラミックスと同種又は異種のセラミックス原料粉末を含む成形体を挟む工程、および前記接合中間層の成形体を介して第1の加圧成形体と第2の加圧成形体とを加圧して接合する工程を含み、前記接合中間層とする成形体は、第1の加圧成形体及び第2の加圧成形体の弾性率よりも小さい弾性率を有することを特徴とする、セラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

概要

背景

従来から、所望の形状のセラミックス焼結体を得るための、複数のパーツ部品)を接合して作製する方法として、パーツであるセラミックス原料粉末加圧成形体を接合した後に焼成して接合する第1の方法、及び、予めパーツである加圧成形体の焼結体を作製し、当該パーツの焼結体を接合する第2の方法がある。

第2の方法である焼結体を接合する方法としては、金属系のロウ材ガラス等を接合材として用いる方法が一般的である。しかし、接合後の各焼結体の間の接合層母材(焼結体)であるセラミックス材質が異なるため、母材(セラミックス)固有の特性が損なわれてしまう。

一方、上記の接合部材による接合層ができない接合方法として、複数の焼結体同士を直接に接触させて接合する拡散接合等が知られている。しかし、セラミックスの拡散が起こるのは高温なので、拡散接合法による焼結体の接合には高温での処理が必要となるという問題点がある。また、当該接合法では、焼結体それぞれの接合面を密着するように高精度に加工しても未接合の空隙が残り易いという問題点等もある。

これに対し、第1の方法は、セラミックス原料粉末の加圧成形体であるパーツ同士を接合した後に焼成して接合するので、接合部の空隙を焼成過程である程度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。
例えば、特許文献1には、複数の加圧成形体をCIP(冷間静水圧成形)により直接に接合する方法が開示されている。しかしながら、加圧成形体同士を直接合わせて接合するので、2つの加圧成形体の接合面の間(接合部)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。焼結体で当該空隙を減らすためには、接合面に隙間が生じないように加圧成形体それぞれの接合面を密着するように高い精度で加工する必要がある。ところが、焼結体と異なり空隙を含む加圧成形体では、高い精度で接合面の形状を加工するのが一般的に困難である。

また、特許文献2には、加圧成形体の接合面にセラミックスの原料粉末溶剤等とからなるスラリーを塗布した後に、2つの加圧成形体を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、スラリーに含まれるセラミックスの原料粉末の濃度と成形体に含まれる当該原料粉末の濃度とが大きく異なる。すなわち、スラリーを塗布した部分(すなわち接合中間層)の原料粉末濃度充填密度)が低いため、2つ又はそれ以上の加圧成形体をスラリーを介して接合し焼成したとき、接合部の密度が低くなり易く、空隙が残り易い。さらに、原料粉末の濃度の低いスラリーを用いる場合は、加圧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加圧成形体の接合面を密着するように精度を高く仕上げておく必要がある。

また、特許文献3には、セラミックス原料粉末のペースト接合剤として用いる接合方法が開示されている。当該ペーストの場合、前記スラリーよりもセラミックス原料粉末濃度が高くできることから、加圧成形体同士を直接接合する場合やスラリーを用いる場合よりも、加圧成形体の接合面の加工精度は低くても、空隙が少なく良好な接合は可能である。しかしながら、セラミックスのペーストも加工成形体を直接に接合するときに比べると、セラミックス原料粉末の濃度が低いため空隙が残り易く、接合部の密度が低くなり易いという問題があった。

なお、本願においては、セラミックスとはAl2O3、ZrO2、SiCやSi3N4などの材質又は物質を表し、セラミックス焼結体(又は単に焼結体とも記す)とはセラミックスの粉末焼結して得られる部材を表す。
特開昭59−108801号公報
特開昭54−144407号公報
特開昭57−88201号公報

概要

接合部の欠陥や密度の不均一等が母材と同程度に少なく、かつ接合していない加圧成形体と同様の機械的加工が可能な高強度の接合強度を有する一体化された加圧成形体を作製するための加圧成形体の接合方法を提供する。セラミックス原料粉末及びバインダーの混合物加圧成形して得た複数の加圧成形体を接合する方法であって、第1の加圧成形体の接合面と第2の加圧成形体の接合面の間に、接合中間層として前記セラミックスと同種又は異種のセラミックス原料粉末を含む成形体を挟む工程、および前記接合中間層の成形体を介して第1の加圧成形体と第2の加圧成形体とを加圧して接合する工程を含み、前記接合中間層とする成形体は、第1の加圧成形体及び第2の加圧成形体の弾性率よりも小さい弾性率を有することを特徴とする、セラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

目的

以上のような、セラミックス原料粉末の加圧成形体である複数のパーツを接合し、その後に焼成して所望の形状の焼結体を作製する従来技術の問題に鑑みて、本発明はなされたものである。すなわち、本発明は、接合部の欠陥や密度の不均一等が母材と同程度に少なく、かつ接合していない加圧成形体と同様の機械的加工が可能な高強度の接合強度を有する一体化された加圧成形体を作製するための加圧成形体の接合方法を提供することを第1の目的とし、当該接合方法で接合した加圧成形体を焼成した、接合部の強度が母材程度に大きなセラミックス焼結体の製造方法を提供することを第2の目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

セラミックス原料粉末加圧成形して得た複数の加圧成形体接合する方法であって、第1の加圧成形体の接合面と第2の加圧成形体の接合面の間に、接合中間層として前記セラミックスと同種又は異種のセラミックス原料粉末を含む成形体を挟む工程、および前記接合中間層の成形体を介して第1の加圧成形体と第2の加圧成形体とを加圧して接合する工程を含み、前記接合中間層とする成形体は、第1の加圧成形体及び第2の加圧成形体の弾性率よりも小さい弾性率を有することを特徴とする、セラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法

請求項2

前記接合中間層とする成形体の弾性率は、150MPa以下であることを特徴とする、請求項1記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

請求項3

前記加圧成形体の弾性率は、150MPaを超え、300MPa以下であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

請求項4

前記第1の加圧成形体、第2の加圧成形体および接合中間層とする成形体は、バインダーを含み、前記第1の加圧成形体と第2の加圧成形体のバインダー含有率Cb1と、前記接合中間層とする成形体のバインダー含有率Cb2とは、2×Cb1<Cb2の関係を満たすことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

請求項5

前記第1の加圧成形体、前記第2の加圧成形体、及び、前記接合中間層とする成形体それぞれを構成するセラミックス原料粉末は、いずれも同じ組成であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

請求項6

前記セラミックス原料粉末は、アルミナであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法。

請求項7

請求項1〜6のいずれか1項に記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法により、複数の加圧成形体を接合して一体化した加圧成形体を作製する工程、および前記一体化した加圧成形体を焼成して焼結体を得る工程を含むことを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、セラミックス原料粉末加圧成形体及び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、複数のセラミックス原料粉末の加圧成形体を接合する方法、及び接合された加圧成形体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

従来から、所望の形状のセラミックス焼結体を得るための、複数のパーツ部品)を接合して作製する方法として、パーツであるセラミックス原料粉末の加圧成形体を接合した後に焼成して接合する第1の方法、及び、予めパーツである加圧成形体の焼結体を作製し、当該パーツの焼結体を接合する第2の方法がある。

0003

第2の方法である焼結体を接合する方法としては、金属系のロウ材ガラス等を接合材として用いる方法が一般的である。しかし、接合後の各焼結体の間の接合層母材(焼結体)であるセラミックス材質が異なるため、母材(セラミックス)固有の特性が損なわれてしまう。

0004

一方、上記の接合部材による接合層ができない接合方法として、複数の焼結体同士を直接に接触させて接合する拡散接合等が知られている。しかし、セラミックスの拡散が起こるのは高温なので、拡散接合法による焼結体の接合には高温での処理が必要となるという問題点がある。また、当該接合法では、焼結体それぞれの接合面を密着するように高精度に加工しても未接合の空隙が残り易いという問題点等もある。

0005

これに対し、第1の方法は、セラミックス原料粉末の加圧成形体であるパーツ同士を接合した後に焼成して接合するので、接合部の空隙を焼成過程である程度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。
例えば、特許文献1には、複数の加圧成形体をCIP(冷間静水圧成形)により直接に接合する方法が開示されている。しかしながら、加圧成形体同士を直接合わせて接合するので、2つの加圧成形体の接合面の間(接合部)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。焼結体で当該空隙を減らすためには、接合面に隙間が生じないように加圧成形体それぞれの接合面を密着するように高い精度で加工する必要がある。ところが、焼結体と異なり空隙を含む加圧成形体では、高い精度で接合面の形状を加工するのが一般的に困難である。

0006

また、特許文献2には、加圧成形体の接合面にセラミックスの原料粉末溶剤等とからなるスラリーを塗布した後に、2つの加圧成形体を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、スラリーに含まれるセラミックスの原料粉末の濃度と成形体に含まれる当該原料粉末の濃度とが大きく異なる。すなわち、スラリーを塗布した部分(すなわち接合中間層)の原料粉末濃度充填密度)が低いため、2つ又はそれ以上の加圧成形体をスラリーを介して接合し焼成したとき、接合部の密度が低くなり易く、空隙が残り易い。さらに、原料粉末の濃度の低いスラリーを用いる場合は、加圧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加圧成形体の接合面を密着するように精度を高く仕上げておく必要がある。

0007

また、特許文献3には、セラミックス原料粉末のペースト接合剤として用いる接合方法が開示されている。当該ペーストの場合、前記スラリーよりもセラミックス原料粉末濃度が高くできることから、加圧成形体同士を直接接合する場合やスラリーを用いる場合よりも、加圧成形体の接合面の加工精度は低くても、空隙が少なく良好な接合は可能である。しかしながら、セラミックスのペーストも加工成形体を直接に接合するときに比べると、セラミックス原料粉末の濃度が低いため空隙が残り易く、接合部の密度が低くなり易いという問題があった。

0008

なお、本願においては、セラミックスとはAl2O3、ZrO2、SiCやSi3N4などの材質又は物質を表し、セラミックス焼結体(又は単に焼結体とも記す)とはセラミックスの粉末焼結して得られる部材を表す。
特開昭59−108801号公報
特開昭54−144407号公報
特開昭57−88201号公報

発明が解決しようとする課題

0009

以上で説明したように、従来のセラミックス原料粉末の加圧成形体同士を直接接合する方法は、均質接合体が得られる可能性がある。しかし、現実的には、各加圧成形体の接合面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。

0010

また、接合中間層として、加圧成形体と同組成原料粉体を用いたスラリーやペーストを用いる場合、接合中間層では原料粉体の濃度が低い(充填密度が低い)ため、焼成して得られた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、接合部の強度等の機械的特性が、加圧成形体自体の母材と同じものを得ることは困難であった。

0011

このように、焼結後の接合部に空隙等の欠陥が残ったり、接合部の密度が加圧成形体自体の母材に比べて低かったりした場合、接合体の機械的な強度等に関する信頼性は著しく損なわれる。一般にセラミックスは、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、複数の加圧成形体を上記の接合方法で接合して作製された加圧成形体では、焼成前の接合部の強度が十分ではないため、接合のない加圧成形体と比べて機械的には弱く、同様の方法で加工を行うことが難しいという問題があった。

0012

以上のような、セラミックス原料粉末の加圧成形体である複数のパーツを接合し、その後に焼成して所望の形状の焼結体を作製する従来技術の問題に鑑みて、本発明はなされたものである。すなわち、本発明は、接合部の欠陥や密度の不均一等が母材と同程度に少なく、かつ接合していない加圧成形体と同様の機械的加工が可能な高強度の接合強度を有する一体化された加圧成形体を作製するための加圧成形体の接合方法を提供することを第1の目的とし、当該接合方法で接合した加圧成形体を焼成した、接合部の強度が母材程度に大きなセラミックス焼結体の製造方法を提供することを第2の目的とする。

課題を解決するための手段

0013

前記の課題は、本発明により解決される。本発明の要旨は、以下の通りである。
(1)本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法は、
第1の加圧成形体の接合面と第2の加圧成形体の接合面の間に、接合中間層として前記セラミックスと同種又は異種のセラミックス原料粉末を含む成形体を挟む工程、および
前記接合中間層の成形体を介して第1の加圧成形体と第2の加圧成形体とを加圧して接合する工程を含み、
前記接合中間層とする成形体は、第1の加圧成形体及び第2の加圧成形体の弾性率よりも小さい弾性率を有することを特徴とする。
(2)本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法は、(1)において、前記接合中間層とする成形体の弾性率が、150MPa以下であることを特徴とする。
(3)本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法は、(1)または(2)において、前記加圧成形体の弾性率が、150MPaを超え、300MPa以下であることを特徴とする。
(4)本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法は、(1)〜(3)のいずれかにおいて、前記第1の加圧成形体、第2の加圧成形体および接合中間層とする成形体は、バインダーを含み、
前記第1の加圧成形体と第2の加圧成形体のバインダー含有率Cb1と前記接合中間層とする成形体のバインダー含有率Cb2とが、2×Cb1<Cb2の関係を満たすことを特徴とする。
(5)本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法は、(1)〜(4)のいずれかにおいて、前記第1の加圧成形体、前記第2の加圧成形体、及び、前記接合中間層とする成形体それぞれのセラミックス原料粉末いずれも同じ組成であることを特徴とする。
(6)本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法は、(1)〜(5)のいずれかにおいて、前記セラミックス原料粉末が、アルミナであることを特徴とする。
(7)本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、(1)〜(6)のいずれかに記載のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法により、複数の加圧成形体を接合して一体化した加圧成形体を作製する工程、および
前記一体化した加圧成形体を焼成して焼結体を得る工程を含むことを特徴とする。

発明の効果

0014

本発明によると、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原料粉末の加圧成形体を得ることが可能となる。さらに、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

0015

本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法、及びセラミックス焼結体の製造方法を実施するための形態を詳細に説明する。
所望の形状のセラミックス焼結体を得るために、予めセラミックス原料粉末を加圧成形して、2つ又はそれ以上の複数のパーツ(被接合体)である加圧成形体を作製する。次に以下で詳細に説明するように、各被接合体の加圧成形体を接合して所望の形状の加圧成形体を作製し、その後当該加圧成形体を焼成してセラミックス焼結体を得る。

0016

被接合体である加圧成形体を作製するセラミックスの原料粉末としては、特に材質は限定されない。例えば、セラミックス作製用の材料として公知または周知のアルミナ、ジルコニアコーディエライト、及びムライト等の酸化物系セラミックス原料粉末、並びに、窒化ケイ素及び炭化ケイ素等の非酸化物系セラミックス原料粉末を使用することが可能である。後で記載する実施例では酸化物系セラミックス原料粉末を用いたときの例を示す。
被接合体(パーツ)である加圧成形体は、セラミックスの原料粉末を金型プレス成形、CIP(冷間静水圧成形)、一軸加圧成形等の加圧成形方法により作製したものを使用できる。

0017

そして、2つの被接合体それぞれの接合面の間に、同種または異種のセラミックス原料粉末の成形体を接合中間層として挟んで、2つの被接合体を接合して1個の加圧成形体を得る。加圧接合の概略図を図1に示す。図1は、2つの直方体形状の被接合体1、2を、接合中間層3を挟んで、一軸圧力7、8を印加して接合する際の各部材の配置を示す。なお、図1において6は2つの接合面4、5、およびその間の接合中間層3からなる接合部である。

0018

被接合体の加圧成形体の原料は、バインダーを含んでいることが好ましい。その理由の一つとして、接合した後で、被接合体である加圧成形体と、接合中間層として用いるセラミックス原料粉末の成形体との結合を強め、接合した加圧成形体を加工等でハンドリングするときに十分な接合強度を有することが可能となるからである。

0019

また、別の理由としては、被接合体の加圧成形体の弾性率は、主にバインダーの添加量含有率)により変化させて調節することが可能であることである。すなわち、被接合体である加圧成形体の弾性率を低くすることにより、接合時に接合中間層との隙間を無くし、接合中間層との結合を強固にすることが可能となる。しかしながら、バインダー添加量が多すぎると、セラミックスの原料粉末とバインダーとを一様にまぜて加圧成形して加圧成形体を作製したあと、加熱によりバインダーを分解、揮発させて除去する脱脂の工程で加圧成形体に割れが生じて、健全な接合体を得ることが困難となる場合がある。加圧成形体に添加されるバインダーの添加量が、固形分換算で10質量%を越えると脱脂の際に割れが生じやすくなる。よって、バインダーの添加量は、セラミックスの原料粉末に対して10質量%以下がより好ましい。

0020

以上のように、加圧成形体のバインダーの添加量を増やして弾性率を下げるのが好ましいが、前記脱脂割れが生じないバインダーの添加量の上限値があり、そのときの加圧成形体の弾性率が望ましい弾性率の下限値である。すなわち、バインダーの添加量は、加圧成形体の弾性率を指標として決定できる。本発明において弾性率は、式(1)から算出した曲げ弾性率Eを用い、成形体の三点曲げ試験により得られた曲げ荷重変位量から式(1)により算出した値を用いる。

0021

E=9.8×P×L3/(4×b×h3×x) (1)
ここで、E:弾性率(MPa)
P:曲げ荷重(kgf)
L:支点間距離(mm)
b:サンプル幅(mm)
h:サンプル厚み(mm)
x:変位量(mm)である。

0022

具体的には、加圧成形体の弾性率は、150MPaを越えることが望ましい。言い換えれば、加圧成形体の弾性率を150MPa以下とするには、バインダー添加量を多くする必要があり、脱脂割れが生じる場合がある。一方、加圧成形体の弾性率の上限は、圧接時に加圧成形体が変形して、被接合体と接合中間層とを隙間なく接合できるという観点から300MPa以下であることが望ましい。

0023

上記のバインダーとしては、ポリビニルアルコールポリアクリル酸エステル等が代表的である。しかしながら、被接合体の加圧成形体のセラミックス原料粉末の種類に応じて、当該セラミックス原料粉末に混合した際に、弾性を付与できるバインダーであれば、これらに限らず適宜選択して使用することができる。
なお、この他に、加圧成形体の弾性率は、セラミックス原料粉末の種類や、粒径、形状等により調整してもよい。

0024

上記の接合中間層として用いるセラミックス原料粉末の成形体は、所望の弾性率となるように、種類や形状が最適化された公知のセラミックス原料粉末を用いてよい。しかしながら、被接合体と同じセラミックス原料粉末とバインダーの混合物を、被接合体と同様に金型プレス成形、CIP、一軸加圧成形等の加圧成形法の他に、射込成形射出成形ドクターブレードシート成形)等の成形方法により作製したものを使用することが好ましい。弾性率の調整が容易だからである。接合中間層の成形体の弾性率は、上記被接合体である加圧成形体の弾性率よりも小さくする。接合中間層の弾性率を被接合体の弾性率より小さくすることにより、接合部における欠陥を無くし、強固な接合部を形成できる。

0025

接合中間層は、曲げ試験における荷重変位曲線から前記式(1)で算出される弾性率が被接合体の弾性率よりも小さいものが良く、さらに当該弾性率が150MPa以下である成形体を用いるのが好ましい。弾性率が150MPaより大きい成形体を接合中間層とした場合、加圧による接合時に被接合体の接合面形状に合わせて接合中間層が変形することが難しいため、被接合体との接合界面に空隙を生じやすく、欠陥のない接合部を得ることができない場合がある。

0026

弾性率が150MPa以下の成形体を得る方法としては、添加するバインダーの量を制御する方法がある。バインダーとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸エステル等が代表的であるが、セラミックス原料粉体に混合した際に、弾性を付与できるバインダーであれば、これらに限らず使用することができる。ポリビニルアルコールやポリアクリル酸エステルなどのバインダーを用いた場合、これらの添加量(含有率)を増やすことにより、接合中間層となる成形体の弾性率が下がり、前記成形体が、接合時に被接合体(加圧成形体)の接合面形状に合わせて変形することが可能となる。

0027

適切なバインダーの添加量は、用いるセラミックス原料粉体の形状、サイズ等により異なる。例えばアルミナ原料粉末では、平均粒径0.5μmのセラミックス原料粉末を用いる場合、バインダーの添加量は、バインダーを固形物換算した値でセラミックス原料粉末に対して2.4質量%以上とすることで、弾性率を150MPa以下の低弾性率の成形体とすることが可能である。

0028

また、接合中間層とする成形体の弾性率には、下限はなく、自重で変形してしまい、曲げ試験による弾性率が測定できない成形体でも、被接合体の間に挟んで保持することが可能であれば中間層として使用可能である。但し、前記成形体を接合中間層として、被接合体に挟み込み作業のしやすさから、5MPa程度以上の弾性率がより好ましい。

0029

そして、被接合体である加圧成形体のバインダーと、接合中間層として用いる成形体のバインダーとの比率は、加圧成形体のバインダー含有率Cb1と接合中間層として用いる成形体のバインダー含有率Cb2との比率を、2×Cb1<Cb2の関係を満たすようにすることにより、より良好な接合体が得られる。バインダー含有率の比率が、2×Cb1≧Cb2の場合、接合中間層の弾性率が十分低くないため、接合面で隙間を生じやすくなるため、健全な接合体を得ることができない場合がある。
加圧成形体のバインダー含有率Cb1は、成形体中のバインダーの質量%で定義される。同様に、接合中間層として用いる成形体のバインダー含有率Cb2も、成形体中のバインダーの質量%で定義される。
なお、被接合体である加圧成形体は、通常は複数存在するが、この場合、総ての加圧成形体のバインダー含有率Cb1は同じであることが好ましい。

0030

2つの被接合体を接合する際には、上記の低弾性率の接合中間層の成形体を、被接合体である加圧成形体の接合面それぞれの間に挟み、加圧して接合(加圧接合)を行う。接合に用いる加圧方法としては、一軸加圧あるいは静水圧加圧が適用できる。加圧成形により作製した被接合体を接合する場合の接合時に印加する圧力は、被接合体の加圧成形時の圧力以上とすること望ましい。例えば、98MPaで加圧成形して得た被接合体を、98MPa以上の圧力で接合して作製した一体化された加圧成形体は、通常の加工時に負荷される応力に十分耐えうるような強度を有する。

0031

2つの被接合体(加圧成形体)の間に挟む接合中間層の加圧接合前の厚さは、被接合体のサイズや接合面の加工精度によって異なるので、これらに基づき適宜設定するが、例えば被接合体である加圧成形体の一般的な面精度の場合、10μm〜5cmの範囲とするのが好ましいことが多い。加圧接合後の接合中間層は、接合部の欠陥や空隙をなくせる程度の厚さが有れば十分である。したがって、加圧接合後の接合中間層の厚さは、0.5μm以上の厚さが好ましい。しかしながら、接合部の強度を十分保つためには加圧接合後の接合中間層の厚さは、0.8μm以下がより好ましい。

0032

接合中間層として用いる成形体のセラミックス原料粉末は、被接合体の加圧成形体と同組成のセラミックス成分からなる原料粉末であることが望ましい。これにより加圧接合された加圧成形体の焼成後の接合焼結体は、各加圧成形体を焼成した母材と同組成の接合部を有する接合焼結体となるため、母材と同等の強度等の機械的特性を有する接合部を得ることが可能となる。また、同組成の粉末を用いることにより、加圧成形体と接合中間層の加圧接合体の焼成時の収縮が同様に起こるため、焼成時の接合面の剥離及び亀裂等の破損が起こりにくくなる。

0033

更に、接合する2つの加圧成形体も、同じ組成のセラミックス原料粉末の加圧成形体であることがより好ましい。上記の被接合体(加圧成形体)と接合中間層との接合の場合と同様に、焼成時の接合面の剥離が起こりにくいからである。

0034

また、接合中間層の成形体と被接合体の接合面に、成形体に添加するバインダーもしくは同等の機能を有する別の種類のバインダーを直接あるいは水等の溶媒に溶かした溶液で塗布することにより、より接合強度の高い接合体を得ることが可能となる。これにより、焼成前の接合部の強度が高くなり、ハンドリングが容易になると共に、接合した加圧成形体を機械加工するとき、加工時の破損を防ぐ効果が得られる。

0035

被接合体の加圧成形体および接合中間層として用いる成形体それぞれの接合面は、互いに密着する形状に加工することが好ましい。被接合体の接合面に接合中間層となる成形体を挟み、一軸加圧あるいはCIPにより接合した後、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して焼結体を得る。特に、構造用材料として用いる場合、焼成後の焼結体の接合部の密度は、理論密度に対して95%以上に緻密化することが望ましい。

0036

以上述べた方法により、複数の被接合体の加圧成形体と同じ種類のセラミックス原料粉末、又は焼成後に当該セラミックス原料と強固に結合することが可能なセラミックス粉末を原料とした接合中間層を準備し、かつその弾性率を上記のように適切に調節し、当該接合中間層を挟んで被接合体を加圧接合してセラミックス焼結体を得ることにより、接合部の強度が母材の強度と比べても劣らない複雑形状の焼結品、肉厚な焼結品、長尺な焼結品が、従来品と比べて安価で容易に作製することが可能となる。

0037

特に本発明の効果が顕著である例として、次のような場合が挙げられる。(1)最終加工されるセラミックス焼結体が複雑な形状のために加圧成形体の接合部に応力集中しやすく、その部分の接合強度向上の要求が高い場合。(2)CIPをはじめとする加圧成形のための容器または装置の寸法が同一の場合。
本発明により、第一の加圧成形体と第二の加圧成形体は既に加圧収縮後の状態で新たに接合中間層を介して加圧接合できるから、当該工程での加圧収縮部分が接合中間層のみに限定されるため、一段階で加圧成形体を作る場合に比べて、より大型の加圧成形体の製作が可能になる。
本発明は近年、大型化、無欠陥高強度化ニーズが高まっている静電チャックステージ装置半導体製造装置をはじめとする各種精密機器の部品に用いるセラミックス焼結体の製造に特に有用であるが、それらの対象物に限定されず広くセラミックス焼結体の製造に適用できる。

0038

以下、本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法、及びセラミックス焼結体の製造方法の実施例として、セラミックス原料粉末を用いて加圧成形体を作製し、2つの加圧成形体を加圧接合して一体化した加圧接合体を作製し、さらに焼成して焼結体を得た。以下では、本発明の製造方法で作製した焼結体を「実施例」と記す。そして、本発明の製造方法と異なる製造方法、又は、本発明の製造方法の条件から外れた条件で作製した焼結体を「比較例」と記す。

0039

(実施例)
加圧成形体のセラミックス原料粉末としてアルミナ粉末(平均粒径0.6μm)を用い、当該アルミナ粉末と、バインダー(結合剤)としてポリビニルアルコールとを、加圧成形体中の固形分換算で表1の各試料について示すバインダー添加量になるように蒸留水を溶媒として混合して混合物を得た。前記混合物を、乾燥後、50mm(W)×50mm(L)×20mm(T)のサイズの直方体に98MPaで加圧成形した加圧成形体を2個作製した。

0040

また、接合中間層として同じくアルミナ粉末に、ポリビニルアルコールを、成形体中の固形物換算で表1の各試料について示すバインダー添加量になるように水溶媒とともに混合した。この混合物を乾燥して得た粉末を50mm(W)×50mm(L)×5mm(T)のサイズに成形した。

0041

これらの加圧成形体の接合面(50mm(W)×50mm(L))と接合中間層とする成形体の接合面とを#400の砥石研削加工した後、2つの加圧成形体の間に厚さ5(mm)の接合中間層となる成形体を挟み、147MPaの圧力で加圧接合した。得られた接合体を、大気中、1600℃×8時間の条件で焼成し、セラミックス焼結体を得た。

0042

得られた焼結体(接合焼結体)について、目視および光学顕微鏡により接合部の欠陥の有無を観察した。また、目視や光学顕微鏡で接合部に欠陥が見られなかった焼結体については、接合断面を鏡面研磨した後、リン酸によるエッチング処理を施し、走査型電子顕微鏡により接合部を観察した。また、接合部に欠陥が見られなかったサンプルについては、接合部が試験片の長さ方向の中心になるように3×4×40mmの試験片に加工した後、四点曲げ試験法により接合部の強度を測定した。

0043

表1に、実施例又は比較例である試料1〜19についての加圧成形体の説明、接合中間層の説明、及び評価結果の一覧表を示す。接合状態の評価では、接合面で分離あるいは割れを生じたものを×とし、目視もしくは光学顕微鏡、SEM観察で接合部で隙間などの明らかな欠陥が見られたものを△、接合に起因すると考えられる欠陥が見られなかったものを○として記述した。

0044

表1に示したように、本発明の範囲外である成形体よりも弾性率が低くない接合中間層を用いた、比較例である試料No.1、8および9は、脱脂あるいは焼成時に接合部から分離もしくは割れが生じてしまい、接合体を得ることが出来なかった。

0045

一方、本発明による接合方法を用いたものは、いずれの脱脂あるいは焼成時に割れや分離を起こすことなく接合体を得ることが出来た。
これらの健全な接合体が得られた焼結体を切断し、接合断面を鏡面研磨後、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。

0046

本発明による接合焼結体のうち、接合中間層の弾性率が150MPaより大きい試料No.2、3、4では、走査型電子顕微鏡による観察の結果、数十μmのポアが接合界面に見られ、接合部の強度は母材の平均強度が460MPaであるに対して350〜370MPaとやや低い強度であった。しかし、試料No.2、3、4は、十分実用に資する程度の接合強度を有していた。

0047

一方、加圧成形体のバインダー含有率Cb1と接合中間層として用いる成形体のバインダー含有率Cb2との比率が2×Cb1<Cb2の関係を満たさない試料No.15、16は、接合部に目立った欠陥は見られず、接合部の強度は380〜390MPaであった。
また、310MPaと弾性率の高い加圧成形体を用いた試料No.18のサンプルでは、接合部に目立った欠陥は見られず、接合部の強度は370MPaであった。

0048

加圧成形体のアルミナ原料に対して、MgO換算で0.1質量%となるように水酸化マグネシウムを添加した粉末を他の接合中間層と同じ方法で作製して接合中間層に用いた試料No.19では、走査型電子顕微鏡による観察の結果、数十μmのポアが接合界面に見られ、接合部の強度は370MPaであった。

0049

接合中間層の弾性率が150MPa以下であり、かつ加圧成形体のバインダー含有率Cb1と接合中間層として用いる成形体のバインダー含有率Cb2との比率が2×Cb1<Cb2を満たす試料No.5〜7、10〜14および17は、走査型電子顕微鏡による観察の結果、接合界面には目立った欠陥は見られず、接合部の強度は380〜415MPaであった。

0050

0051

(他の比較例1)
アルミナ粉末(平均粒径0.6μm)とポリビニルアルコール結合剤体積比で45:55になるように混合しペーストを作製した。実施例と同様の方法で作製した被接合体の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真空封止した後、1.5ton/cm2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。
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点曲げ試験法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と強度が大きく低下しており、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。

0052

(他の比較例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分散剤、ポリビニルアルコール結合剤を添加したスラリーを作製した。実施例1と同様の方法で作製した2つの被接合体の成形体の接合面にこのスラリーを塗布した。次に、前記被接合体同士の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。
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点曲げ試験法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と大きく低下していた。

図面の簡単な説明

0053

本発明のセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法を説明するための概略配置

符号の説明

0054

1 第1の加圧成形体(被接合体)
2 第2の加圧成形体(被接合体)
3接合中間層
4 第1の加圧成形体の接合面
5 第2の加圧成形体の接合面
6 接合部
7、8 一軸圧力

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