JP2019199079A - Method for manufacturing ceramic molding for sintering and method for manufacturing ceramic sintered body - Google Patents
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Abstract
【課題】残存空隙が極めて小さく、残留応力もない、緻密で良好な各種特性を有するセラミック焼結体を作製することのできる焼結用セラミックス成形体の作製方法を提供する。【解決手段】セラミックス粉末とTgが室温より高い熱可塑性樹脂とを含む原料粉末を用いて静水圧加圧して成形する焼結用セラミックス成形体の作製方法であって、セラミックス粉末及び熱可塑性樹脂を該熱可塑性樹脂がセラミックス粉末及び熱可塑性樹脂の合計質量に対して2質量%以上40質量%以下となるように溶媒に添加して原料粉末スラリーを調製し、該原料粉末スラリーを用いて湿式鋳込みして鋳込み成形体を形成した後、乾燥し、これを熱可塑性樹脂のTgよりも低い温度で第1段の静水圧加圧成形して第1段加圧成形体を形成し、次いでこの第1段加圧成形体を熱可塑性樹脂のTg以上に加熱して第2段の静水圧加圧成形としてWIP成形を行ってセラミックス成形体を作製する。【選択図】なしPROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a ceramics compact for sintering capable of producing a dense and excellent ceramic sintered body having extremely small residual voids and no residual stress. A method for producing a ceramics compact for sintering, which comprises hydrostatically pressing a raw material powder containing a ceramics powder and a thermoplastic resin having a Tg higher than room temperature. A raw material powder slurry is prepared by adding the thermoplastic resin to a solvent so as to be 2% by mass or more and 40% by mass or less with respect to the total mass of the ceramic powder and the thermoplastic resin, and wet casting using the raw material powder slurry. To form a cast molded product, which is then dried and subjected to a first-stage hydrostatic pressure molding at a temperature lower than the Tg of the thermoplastic resin to form a first-stage pressure molded product. The one-stage pressure-molded body is heated to Tg or higher of the thermoplastic resin and subjected to WIP molding as the second-stage hydrostatic pressure molding to produce a ceramic molded body. [Selection diagram] None
Description
本発明は、成形時の圧力伝達と塑性流動とを両立させることにより残存空隙が小さく、かつ量も低減した焼結用セラミックス成形体の作製方法、及びこの作製方法で作製された成形体を用いたセラミックス焼結体の製造方法に関する。 The present invention uses a method for producing a sintered ceramic molded body having a small residual void and a reduced amount by achieving both pressure transmission and plastic flow during molding, and a molded body produced by this production method. The present invention relates to a method for producing a sintered ceramic body.
一般に、どのようなセラミックスでも、その焼結体内部の残留気泡を減らすことができると、機械的強度、熱伝導率、光透過性、電気的特性、長期信頼性等が向上するため好ましい。また、肉厚なセラミックスを歩留り良く作製するための方法としては、従来から粉末を加圧成形する方法が広く用いられている。最も古典的な方法としては、一軸プレスしてから冷間静水圧加圧(冷間等方圧プレスともいう。Cold Isostatic Press(CIP))成形する方法、乃至はゴム型等に原料粉末を充填して直接CIP成形する方法があり、今日でも広く工業的に利用されている。なお、成形時の保形性を向上させたり、成形や焼結時のクラックを防止する目的で、セラミックス粉末出発原料(原料粉末)中には多くの場合、熱可塑性樹脂(いわゆるバインダー)が混合されている。 In general, it is preferable to reduce the residual bubbles inside the sintered body of any ceramic because mechanical strength, thermal conductivity, light transmission, electrical characteristics, long-term reliability, and the like are improved. In addition, as a method for producing thick ceramics with a high yield, conventionally, a method of pressure-forming powder has been widely used. The most classic method is a method of forming a uniaxial press and then cold isostatic pressing (also called cold isostatic press, Cold Isostatic Press (CIP)), or filling a raw material powder into a rubber mold or the like. Thus, there is a method for direct CIP molding, which is still widely used industrially today. In many cases, thermoplastic resin (so-called binder) is mixed in the ceramic powder starting material (raw material powder) for the purpose of improving shape retention during molding and preventing cracks during molding and sintering. Has been.
この熱可塑性樹脂を原料粉末に混合添加する工程を用いると、2次凝集原料粉末や、造粒した場合の顆粒原料の圧壊強度を高め、肉厚なセラミックスを加圧成形する際に成形体内部まで十分に圧力伝達させることを可能とし、それにより成形密度を向上させることができる。更にまた、成形体の保形性を向上して後工程でのクラックや変形を防止することもできる。こうして比較的成形密度の高い成形体を歩留り良く、狙い通りの形状に成形させることが可能となる。ただしその一方で、一軸プレスやCIP成形時の原料粉末や原料顆粒の塑性流動を阻害し、成形時に大きな内部残留応力を生じたり、原料粉末のブリッジングや顆粒間空隙を誘発させてしまう問題もはらんでいる。そのため、該成形体を焼結等により緻密化させた場合に、残留応力や残留気泡が内部に存在し、さまざまな特性が低下することが知られている。 When the process of mixing and adding this thermoplastic resin to the raw material powder is used, the crushing strength of the secondary agglomerated raw material powder and granulated raw material when granulated is increased, and the inside of the molded body is pressed when thick ceramics are pressed. It is possible to sufficiently transmit the pressure until the molding density is improved. Furthermore, it is possible to improve the shape retention of the molded body and prevent cracks and deformation in the subsequent process. In this way, a molded body having a relatively high molding density can be molded into a desired shape with a high yield. However, on the other hand, there are problems that the plastic flow of the raw powder and raw granule during uniaxial pressing and CIP molding is hindered, causing large internal residual stress during molding, and bridging of the raw powder and intergranular voids are induced. I am in trouble. Therefore, it is known that when the molded body is densified by sintering or the like, residual stress and residual bubbles exist inside, and various characteristics are deteriorated.
そこで、セラミックス粉末原料に混合添加された熱可塑性樹脂の塑性流動性を向上させてセラミックス成形時の緻密化を促進する方法として、温間静水圧加圧(温水等方圧プレスともいう。Warm Isostatic Press(WIP))成形が提案されている。例えば、特許文献1(特許第2858972号公報)には、セラミックス粉末に熱可塑性樹脂を混合し、この混合物を一次成形後ゴム被膜をつけ二次的に静水圧加圧する成形を行ったり、または直接ゴム型等にこの混合物を入れることによって静水圧加圧成形する場合において、静水圧加圧時に熱可塑性樹脂が熱的に軟化する温度域まで昇温することを特徴とするセラミックス成形体の製造方法が開示されている。そして、熱可塑性樹脂が熱的に軟化する温度域まで昇温調節可能な静水圧加圧装置を「Warm Isostatic Press(W.I.P)」と呼んでいる。 Therefore, as a method of improving the plastic fluidity of the thermoplastic resin mixed and added to the ceramic powder raw material to promote densification during ceramic molding, warm isostatic pressing (also called warm isostatic pressing. Warm isostatic press. Press (WIP)) molding has been proposed. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2858972), a ceramic resin is mixed with a thermoplastic resin, and after the primary molding, a rubber coating is applied and then a secondary hydrostatic pressure is applied. A method for producing a ceramic molded body characterized in that, when the mixture is put into a rubber mold or the like and subjected to hydrostatic pressure molding, the temperature is raised to a temperature range in which the thermoplastic resin is thermally softened at the time of hydrostatic pressure. Is disclosed. A hydrostatic pressurizing apparatus capable of adjusting the temperature rise to a temperature range where the thermoplastic resin is thermally softened is referred to as “Warm Isostatic Press (WIP)”.
なお、粉末全体を均一に低温加熱する温間静水圧加圧装置、いわゆるWIP装置自体は、非常に古くから知られており、例えば特許文献2(特公昭54−14352号公報)のような公知文献で確認することができる。また、より実用的な構造に改良された外部循環加熱式WIP装置も、特許文献3(特開昭61−124503号公報)で提示されている。 Note that a warm isostatic press for heating the entire powder uniformly at a low temperature, a so-called WIP device itself, has been known for a very long time, for example, as in Patent Document 2 (Japanese Patent Publication No. 54-14352). It can be confirmed in the literature. An external circulation heating type WIP apparatus improved to a more practical structure is also disclosed in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 61-124503).
このようなWIP装置を用いた、熱可塑性樹脂を混合したセラミックスの成形技術は、その後、積層セラミックスの圧着工程用技術として応用されるようになっている。例えば特許文献4(国際公開第2012/060402号)には、全固体電池の積層グリーンシートの成形方法として、静水圧プレス(WIP)を利用できる例が開示されており、80℃の温度で1トンの圧力で熱圧着する公知例が示されている。あるいはまた、特許文献5(特開2014−57021号公報)には、積層セラミックコンデンサなどの積層セラミック電子部品のプレス成形方法として温間静水圧プレス(WIP)を行う実施形態が開示されており、積層シートを真空パックされた状態で所定の温度に予熱した後、温度70℃で温間静水圧プレスする形態が例示されている。 The molding technology for ceramics mixed with a thermoplastic resin using such a WIP device is subsequently applied as a technology for pressure bonding processes of laminated ceramics. For example, Patent Document 4 (International Publication No. 2012/060402) discloses an example in which an isostatic press (WIP) can be used as a method for forming a laminated green sheet of an all-solid battery. A known example of thermocompression bonding with a ton pressure is shown. Or patent document 5 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-57021) has disclosed the embodiment which performs warm isostatic pressing (WIP) as a press molding method of multilayer ceramic electronic components, such as a multilayer ceramic capacitor, An example is shown in which the laminated sheet is preheated to a predetermined temperature in a vacuum-packed state and then subjected to warm isostatic pressing at a temperature of 70 ° C.
ところが、一般的に熱可塑性樹脂をガラス転移温度以上に加熱した状態で加圧すると、塑性変形や塑性流動が支配的に起こり、加えられた圧力を成形体内部まで伝達させる力が非常に弱まるという問題がある。そのため、せっかく熱可塑性樹脂を混合添加することにより保形性や圧壊強度を高め、圧力伝達性を向上させた原料粉末であっても、WIP処理することにより成形体内部への圧力伝達が急速に減衰してしまい、特に肉厚成形体の内部にかえって多量のボイドを残存させてしまうとう致命的な欠陥があった。 However, in general, when a thermoplastic resin is pressurized at a temperature higher than the glass transition temperature, plastic deformation and plastic flow occur predominantly, and the force that transmits the applied pressure to the inside of the molded body is very weak. There's a problem. Therefore, even if the raw material powder has improved shape retention and crushing strength by mixing and adding a thermoplastic resin and improving pressure transmission, pressure transmission to the inside of the molded body is rapidly achieved by WIP treatment. There was a fatal defect that attenuated, and in particular left a large amount of voids inside the thick molded body.
そのため、WIP装置自体は非常に古くから知られていたにもかかわらず、前述のように厚さの薄い(肉薄)シート成形体を作製する際に利用されるにとどまり、前述の特許文献1以降では、なかなか肉厚セラミックスの成形技術としてWIPが活用される例が出てこなかった。 Therefore, although the WIP apparatus itself has been known for a long time, it is only used for producing a thin (thin) sheet molded body as described above, and the above-mentioned Patent Document 1 and later. However, it has been difficult to use WIP as a thick ceramic molding technology.
また、乾式原料の他に、セラミックス原料を熱可塑性樹脂と湿式で混練スラリー化して、それを湿式のまま成形する鋳込み成形法や押出し成形法も知られている。これらの成形法で成形された湿式成形体は、該工程を経た時点で、既に粗大空隙の少ない、かなり良好な成形体となる傾向が見られる。そのため、これで十分との判断がなされてきており、当該成形体をさらにアフタープレス成形するような公知例も見当たらない。
しかしながら、以上のような鋳込み成形法などによる従来の方法で製造されたセラミックス焼結体にも光透過性等の各種特性において更なる向上が求められていた。
In addition to dry raw materials, there are known a casting method and an extrusion molding method in which a ceramic raw material is kneaded and slurryed with a thermoplastic resin in a wet manner and then molded in a wet state. The wet molded body molded by these molding methods has a tendency to become a considerably good molded body with few coarse voids already after the above process. Therefore, it has been judged that this is sufficient, and there is no known example in which the molded body is further subjected to after press molding.
However, the ceramic sintered body produced by the conventional method such as the casting method as described above has been required to further improve various properties such as light transmittance.
なお、特許文献6(特許第5523431号公報)には実施形態の例示がなされているが、原料粉の成形方法として、一軸加圧成形のプレス成形、等方加圧成形の冷間等方加圧成形型(CIP)、温間等方加圧成形型(WIP)、熱間等方加圧成形型(HIP)、一軸加圧成形後に等方加圧成形、のいずれかを任意に選択することが例示されると共に、それ以外の例として、鋳込み成形や押し出し成形などの型成形であってもよい、と例示されている。ただし、前者の成形工程と後者の成形工程とを組み合わせるような特段の記載は見当たらない。また、鋳込み成形法などによる湿式成形体を、更にその後CIP成形したり、WIP成形したりすると、該プロセスは成形体の特性にどう作用するのか、についての知見は先行文献には見当たらない。 Although Patent Document 6 (Japanese Patent No. 5523431) exemplifies an embodiment, as a raw material powder molding method, uniaxial pressure molding press molding or isotropic pressure molding cold isostatic pressing is described. Any one of a pressure forming die (CIP), a warm isostatic pressing die (WIP), a hot isostatic pressing die (HIP), and an isotropic pressing after uniaxial pressing is arbitrarily selected. In addition to this, as another example, it is exemplified that it may be mold forming such as cast molding or extrusion molding. However, there is no special description that combines the former molding process and the latter molding process. In addition, there is no knowledge in the prior literature on how the process affects the properties of a molded body when a wet molded body by a casting method or the like is further subjected to CIP molding or WIP molding.
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、残存空隙が極めて小さく、残留応力もない、緻密で良好な各種特性を有するセラミック焼結体を作製することのできる焼結用セラミックス成形体の作製方法、及び該焼結用セラミックス成形体の作製方法で作製したセラミックス成形体を用いた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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of producing a ceramic sintered body for sintering capable of producing a dense and excellent ceramic sintered body having extremely small residual voids and no residual stress. It is an object of the present invention to provide a method for producing a ceramic sintered body using the ceramic molded body produced by the method and the method for producing a sintered ceramic molded body.
本発明は、上記目的を達成するため、下記の焼結用セラミックス成形体の作製方法及びセラミックス焼結体の製造方法を提供する。
1.
セラミックス粉末とガラス転移温度が室温より高い熱可塑性樹脂とを含む原料粉末を用いて静水圧加圧して所定形状に成形する焼結用セラミックス成形体の作製方法であって、前記セラミックス粉末及び熱可塑性樹脂を該熱可塑性樹脂がセラミックス粉末及び熱可塑性樹脂の合計質量に対して2質量%以上40質量%以下となるように溶媒に添加して原料粉末スラリーを調製し、該原料粉末スラリーを用いて所定形状に湿式鋳込みして鋳込み成形体を形成した後、乾燥し、これを前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で第1段の静水圧加圧成形して第1段加圧成形体を形成し、次いでこの第1段加圧成形体を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱して第2段の静水圧加圧成形として温間静水圧加圧(WIP)成形を行ってセラミックス成形体を作製する焼結用セラミックス成形体の作製方法。
2.
前記第1段の静水圧加圧成形が冷間静水圧加圧(CIP)成形である1記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法。
3.
前記第1段加圧成形体を形成した後、第1段の静水圧加圧状態を維持したまま、該第1段加圧成形体の加熱を開始し、引き続き前記第2段の静水圧加圧成形としてWIP成形を行う1記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法。
4.
前記WIP成形の加圧媒体が水又はオイルである1〜3のいずれかに記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法。
5.
前記熱可塑性樹脂は、室温より高く、且つWIP成形の加圧媒体の沸点よりも低い温度のガラス転移温度を有する1〜4のいずれかに記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法。
6.
前記熱可塑性樹脂が、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコールとポリ酢酸ビニルの共重合体、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、ポリプロピオン酸ビニル及びポリビニルアルコールとポリプロピオン酸ビニルの共重合体からなる群から選択される少なくとも1つである1〜5のいずれかに記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法。
7.
前記鋳込み成形体が、前記原料粉末スラリーを遠心鋳込み成形により固液分離して成形したものである1〜6のいずれかに記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法。
8.
1〜7のいずれかに記載の焼結用セラミックス成形体の作製方法で作製したセラミックス成形体を用いて、不活性雰囲気中又は真空中で焼結処理を行い、更に熱間等方加圧(HIP)処理してセラミックス焼結体を得るセラミックス焼結体の製造方法。
9.
前記焼結処理の前にセラミックス成形体の脱脂処理を行う8記載のセラミックス焼結体の製造方法。
10.
前記HIP処理の後に、更にアニール処理を行う8又は9記載のセラミックス焼結体の製造方法。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following method for producing a sintered ceramic molded body and method for producing a ceramic sintered body.
1.
A method for producing a ceramic molded body for sintering, wherein a raw material powder containing a ceramic powder and a thermoplastic resin having a glass transition temperature higher than room temperature is pressed under hydrostatic pressure to form a predetermined shape, the ceramic powder and the thermoplastic A raw material powder slurry is prepared by adding a resin to a solvent so that the thermoplastic resin is 2% by mass or more and 40% by mass or less based on the total mass of the ceramic powder and the thermoplastic resin, and the raw material powder slurry is used. After forming a cast molded body by wet casting into a predetermined shape, it is dried, and this is first-stage hydrostatic pressure-molded at a temperature lower than the glass transition temperature of the thermoplastic resin. Forming a body, and then heating the first-stage pressure-molded body to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the thermoplastic resin to perform warm isostatic pressing (WIP) molding as second-stage hydrostatic pressure molding. The method for manufacturing a sintered ceramics molded body to manufacture a ceramic molded body.
2.
The method for producing a sintered ceramic body according to 1, wherein the first hydrostatic pressure molding is cold isostatic pressing (CIP) molding.
3.
After forming the first-stage pressure molded body, heating of the first-stage pressure molded body is started while the first-stage hydrostatic pressure is maintained, and then the second-stage hydrostatic pressure is applied. 2. The method for producing a sintered ceramic molded body according to 1, wherein WIP molding is performed as pressure molding.
4).
4. The method for producing a sintered ceramic molded body according to any one of 1 to 3, wherein the pressure medium for WIP molding is water or oil.
5.
The said thermoplastic resin is a manufacturing method of the ceramic molded object for sintering in any one of 1-4 which has a glass transition temperature higher than room temperature and lower than the boiling point of the pressurization medium of WIP shaping | molding.
6).
The thermoplastic resin is a group consisting of polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, a copolymer of polyvinyl alcohol and polyvinyl acetate, methyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl butyral, vinyl polypropionate, and a copolymer of polyvinyl alcohol and vinyl propionate. The method for producing a sintered ceramic molded body according to any one of 1 to 5, which is at least one selected from:
7.
The method for producing a sintered ceramic molded body according to any one of 1 to 6, wherein the cast molded body is formed by solid-liquid separation of the raw material powder slurry by centrifugal casting.
8).
Using the ceramic molded body produced by the method for producing a sintered ceramic molded body according to any one of 1 to 7, a sintering treatment is performed in an inert atmosphere or vacuum, and hot isostatic pressing ( HIP) A method for producing a ceramic sintered body obtained by processing to obtain a ceramic sintered body.
9.
9. The method for producing a ceramic sintered body according to 8, wherein the ceramic molded body is degreased before the sintering treatment.
10.
The method for producing a ceramic sintered body according to 8 or 9, wherein an annealing treatment is further performed after the HIP treatment.
本発明によれば、セラミックス成形体、特に肉厚なセラミックス成形体をプレス成形する際に、成形体内部への圧力伝達と熱可塑性樹脂の塑性流動とを効果的に両立させることができ、残存空隙が極めて小さく且つ残留応力が解消された、緻密なセラミックス成形体を作製できる。また、このセラミックス成形体を焼結処理することにより、残存気泡の極めて少ない、真に高密度なセラミックス焼結体を作製できる。その結果、機械的強度、熱伝導率、光透過性等が向上した従来よりも特性の良好な高品質のセラミックス焼結体を提供できる。 According to the present invention, when press-molding a ceramic molded body, particularly a thick ceramic molded body, pressure transmission into the molded body and plastic flow of the thermoplastic resin can be effectively made compatible, and the remaining It is possible to produce a dense ceramic molded body in which the voids are extremely small and the residual stress is eliminated. Further, by sintering this ceramic molded body, a truly high-density ceramic sintered body with extremely few remaining bubbles can be produced. As a result, it is possible to provide a high-quality ceramic sintered body having better characteristics than the conventional ones with improved mechanical strength, thermal conductivity, light transmittance, and the like.
[焼結用セラミックス成形体の作製方法]
以下に、本発明に係る焼結用セラミックス成形体の作製方法について説明する。なお、ここでいう室温は焼結用セラミックス成形体の成形工程における環境温度であり、通常25±5℃である。
本発明に係る焼結用セラミックス成形体の作製方法は、セラミックス粉末とガラス転移温度が室温より高い熱可塑性樹脂とを含む原料粉末を用いて静水圧加圧して所定形状に成形する焼結用セラミックス成形体の作製方法であって、前記セラミックス粉末及び熱可塑性樹脂を該熱可塑性樹脂がセラミックス粉末及び熱可塑性樹脂の合計質量に対して2質量%以上40質量%以下となるように溶媒に添加して原料粉末スラリーを調製し、該原料粉末スラリーを用いて所定形状に湿式鋳込みして鋳込み成形体を形成した後、乾燥し、これを前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で第1段の静水圧加圧成形して第1段加圧成形体を形成し、次いでこの第1段加圧成形体を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱して第2段の静水圧加圧成形として温間静水圧加圧(WIP)成形を行ってセラミックス成形体を作製することを特徴とするものである。
以下、本発明の詳細について説明する。
[Method for producing sintered ceramic body]
Below, the preparation methods of the ceramic molding for sintering which concerns on this invention are demonstrated. The room temperature referred to here is the environmental temperature in the molding process of the ceramic molded body for sintering, and is usually 25 ± 5 ° C.
The method for producing a sintered ceramic molded body according to the present invention is a sintering ceramic that is molded into a predetermined shape by hydrostatic pressure using a raw material powder containing ceramic powder and a thermoplastic resin having a glass transition temperature higher than room temperature. A method for producing a molded body, wherein the ceramic powder and the thermoplastic resin are added to a solvent so that the thermoplastic resin is 2% by mass or more and 40% by mass or less based on a total mass of the ceramic powder and the thermoplastic resin. The raw material powder slurry is prepared and wet cast into a predetermined shape using the raw material powder slurry to form a cast molded body, and then dried, and this is dried at a temperature lower than the glass transition temperature of the thermoplastic resin. A first-stage pressure-molded body is formed by hydrostatic pressure molding of the first stage, and then the first-stage pressure molded body is heated to a temperature higher than the glass transition temperature of the thermoplastic resin. It is characterized in making a warm isostatic pressing as pressing (WIP) performing molded ceramic body.
Details of the present invention will be described below.
(原料粉末スラリー)
本発明で用いる原料粉末スラリーは、少なくともセラミックス粉末、熱可塑性樹脂(バインダー)及び溶媒を必須成分とするものであり、セラミックス粉末を60質量%以上98質量%以下、ガラス転移温度が室温より高い熱可塑性樹脂(バインダー)を2質量%以上40質量%以下含むように溶媒に添加して調製されたものである。
(Raw material powder slurry)
The raw material powder slurry used in the present invention contains at least ceramic powder, a thermoplastic resin (binder) and a solvent as essential components. The ceramic powder is 60% by mass to 98% by mass and the glass transition temperature is higher than room temperature. It is prepared by adding a plastic resin (binder) to a solvent so as to contain 2% by mass or more and 40% by mass or less.
これらのうち、セラミックス粉末は、目的のセラミックス焼結体を構成するものである。その組成はその目標特性に合わせて選定され、本発明では特に限定されない。即ち、セラミックス粉末は酸化物でも構わないし、窒化物やフッ化物でも構わない。更に金属間化合物のような金属系材料であっても、本発明は好適に利用できる。 Among these, the ceramic powder constitutes a target ceramic sintered body. The composition is selected according to the target characteristics and is not particularly limited in the present invention. That is, the ceramic powder may be an oxide, or may be a nitride or fluoride. Furthermore, the present invention can be suitably used even for a metal material such as an intermetallic compound.
例えば、ファラデー回転子用透明セラミックス焼結体を製造する場合、好ましいテルビウム含有酸化物材料を選定すると、以下の3種が挙げられる。
即ち、
(i)TbとAlを主成分として含みその他の成分としてScを含む酸化物ガーネット(TAG系複合酸化物)の焼結体からなるテルビウム含有ガーネット型酸化物透明セラミックス、
(ii)Tb3Ga5O12の組成式のTGG複合酸化物の焼結体からなるテルビウム含有ガーネット型酸化物透明セラミックス、
(iii)下記式(A)で表されるテルビウム含有ビックスバイト型酸化物透明セラミックスである。
(TbxR1-x)2O3 (A)
(式(A)中、xは、0.4≦x≦0.7であり、Rは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも1つの元素を含む。)
For example, when producing a transparent ceramic sintered body for a Faraday rotator, when a preferable terbium-containing oxide material is selected, the following three types may be mentioned.
That is,
(I) A terbium-containing garnet-type oxide transparent ceramic comprising a sintered body of oxide garnet (TAG-based composite oxide) containing Tb and Al as main components and Sc as another component,
(Ii) a terbium-containing garnet-type oxide transparent ceramic comprising a sintered body of a TGG composite oxide having a composition formula of Tb 3 Ga 5 O 12 ,
(Iii) A terbium-containing bixbite type oxide transparent ceramic represented by the following formula (A).
(Tb x R 1-x ) 2 O 3 (A)
(In the formula (A), x is 0.4 ≦ x ≦ 0.7, and R includes at least one element selected from the group consisting of lanthanoid elements other than scandium, yttrium, and terbium.)
前記(i)の材料について、さらに敷衍する。
(i)の透明セラミックスは、TbとAlを主成分とし、その他の成分としてScを含むテルビウム含有酸化物であって、構造としてはガーネット構造をもつ。
ガーネット構造においては、テルビウムの構成比率が高いと単位長さ当りのファラデー回転角(ベルデ定数)が大きくなるため好ましい。またアルミニウムの構成比率が高いとテルビウムの結晶場のゆとりが生まれ、テルビニウムイオンの歪みが小さくなるため好ましい。さらにアルミニウムはガーネット構造を有する酸化物中で安定に存在できる3価のイオンのなかで最小のイオン半径を有するため、テルビニウムイオンの構成比率をそのまま維持しつつ、ガーネット構造の格子定数を小さくできるため、単位長さ当りのファラデー回転角(ベルデ定数)が大きくなるため好ましい。さらにガーネット型酸化物中のアルミニウム構成比率が高いと系全体の熱伝導率も向上するため好ましい。
The material (i) is further spread.
The transparent ceramic (i) is a terbium-containing oxide containing Tb and Al as main components and Sc as other components, and has a garnet structure as a structure.
In the garnet structure, a high terbium composition ratio is preferable because the Faraday rotation angle (Verde constant) per unit length increases. Further, it is preferable that the composition ratio of aluminum is high because the terbium crystal field is freed and the distortion of terbium ions is reduced. Furthermore, since aluminum has the smallest ionic radius among the trivalent ions that can exist stably in oxides having a garnet structure, the lattice constant of the garnet structure can be reduced while maintaining the composition ratio of terbium ions. Therefore, the Faraday rotation angle (Verde constant) per unit length is increased, which is preferable. Further, it is preferable that the aluminum composition ratio in the garnet-type oxide is high because the thermal conductivity of the entire system is improved.
なお、系全体のカチオンサイトをテルビウムとアルミニウムだけで占有させてしまうと、ペロブスカイト型構造がより安定化してしまい、ペロブスカイト型異相発生の原因となってしまう。ここで、スカンジウム(Sc)は、ガーネット構造を構成するテルビウムのサイトにもアルミニウムの一部のサイトにも固溶することのできる中間的なイオン半径を有する材料であり、テルビウムとアルミニウムとの配合比が秤量時のばらつきによって化学量論比からずれた場合に、ちょうど化学量論比に合うように、そしてこれにより結晶子の生成エネルギーを最小にするように、自らテルビウムサイトとアルミニウムサイトへの分配比を調整して固溶することのできるバッファ材料でもある。そのためガーネット組成単相の焼結体を安定して得られるため、スカンジウムは添加することが好ましい元素である。 If the cation sites of the entire system are occupied only by terbium and aluminum, the perovskite structure becomes more stable, which causes the generation of perovskite heterogeneous phases. Here, scandium (Sc) is a material having an intermediate ionic radius that can be dissolved in both the terbium site constituting the garnet structure and a part of the aluminum site, and a combination of terbium and aluminum. When the ratio deviates from the stoichiometric ratio due to variations in weighing, it is necessary for the terbium site and the aluminum site to match the stoichiometric ratio and thereby minimize the crystallite formation energy. It is also a buffer material that can be dissolved by adjusting the distribution ratio. Therefore, scandium is a preferable element to be added because a garnet composition single-phase sintered body can be stably obtained.
そこで、例えばTAG基本組成式(Tb3Al5O12)においてテルビウムのサイト全体量3のうちの0以上0.08未満の部分と、アルミニウムのサイト全体量5のうちの0以上0.16未満の部分について、スカンジウム(Sc)で置換するとガーネット型構造がより安定化するため好ましい。 Therefore, for example, in the TAG basic composition formula (Tb 3 Al 5 O 12 ), a portion of 0 to less than 0.08 of the total amount of terbium sites 3 and 0 to less than 0.16 of the total amount of sites 5 of aluminum It is preferable to substitute the above part with scandium (Sc) because the garnet structure is more stabilized.
更にまた、テルビウムのサイトの一部をイットリウムやルテチウムで置換してもかまわない。イットリウムもルテチウムも、共にテルビウムよりイオン半径が小さく、ガーネット構造がより安定化するため邪魔にならない。さらにイットリウム、ルテチウムは一般的なファイバーレーザーシステムの発振波長帯0.9μm以上1.1μm以下で吸収ピークをもたないため、置換しても邪魔にならない。 Furthermore, part of the terbium site may be replaced with yttrium or lutetium. Both yttrium and lutetium have a smaller ionic radius than terbium, and the garnet structure is more stable, so it does not get in the way. Furthermore, since yttrium and lutetium do not have an absorption peak in the oscillation wavelength band of 0.9 μm or more and 1.1 μm or less of a general fiber laser system, even if they are replaced, they do not get in the way.
前記(ii)のTb3Ga5O12からなるガーネット型酸化物材料について説明する。
本材料はテルビウム(Tb)とガリウム(Ga)の酸化物で構成されたガーネット構造材料である。この構造でもテルビウムの構成比率が高く、単位長さ当りのファラデー回転角(ベルデ定数)は大きいため好ましい。またガリウムの構成比率が高いと融点が大きく下がり、製造温度を下げられ、低コスト化が可能となるため好ましい。さらにTb3Ga5O12は従来からファイバーレーザーシステム用ファラデー回転子として広く採用実績があり、長期信頼性データが蓄積されているため好ましい。
The garnet-type oxide material composed of Tb 3 Ga 5 O 12 (ii) will be described.
This material is a garnet structure material composed of oxides of terbium (Tb) and gallium (Ga). This structure is also preferable because the composition ratio of terbium is high and the Faraday rotation angle (Verde constant) per unit length is large. A high gallium composition ratio is preferable because the melting point is greatly lowered, the production temperature can be lowered, and the cost can be reduced. Further, Tb 3 Ga 5 O 12 has been widely used as a Faraday rotator for fiber laser systems, and is preferable because long-term reliability data is accumulated.
前記(iii)の式(A)で表されるビックスバイト構造の酸化物材料について説明する。
本材料はセスキオキサイド型の酸化テルビウム構造を骨格とし、テルビウムイオンサイトを大量の、すなわち式(A)中の1−x(0.4≦x≦0.7)の範囲で、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも1つの元素でテルビウムイオンを置換する構造の酸化物材料である。
The oxide material having a bixbite structure represented by the formula (A) in (iii) will be described.
This material has a sesquioxide type terbium oxide structure as a skeleton, and a large amount of terbium ion sites, that is, in the range of 1-x (0.4 ≦ x ≦ 0.7) in the formula (A), scandium, yttrium, The oxide material has a structure in which terbium ions are substituted with at least one element selected from the group consisting of a group of lanthanoid elements other than terbium.
セスキオキサイド構造に占めるテルビウムイオン濃度は、幾つかあるテルビウム酸化物構造のなかで最も高められる構造である。そのためテルビウムの構成比率が高く、単位長さ当りのファラデー回転角(ベルデ定数)が大きくなるため好ましい。 The terbium ion concentration in the sesquioxide structure is the highest structure among several terbium oxide structures. Therefore, the composition ratio of terbium is high, and the Faraday rotation angle (Verde constant) per unit length is large, which is preferable.
またテルビウムイオンの一部を式(A)中の1−x(0.4≦x≦0.7)の範囲で他のイオンに置換したとしても、依然として単位長さ当りのファラデー回転角(ベルデ定数)を高く維持できるため、吸収の存在するテルビウムイオンの替わりに吸収の存在しない他のイオンで一部を置換することで単位格子あたりのテルビウムイオン由来の吸収密度を低減できるため好ましい。 Even if a part of the terbium ion is replaced with another ion in the range of 1−x (0.4 ≦ x ≦ 0.7) in the formula (A), the Faraday rotation angle per unit length (Verde (Constant) can be maintained high, and the terbium ion-derived absorption density per unit cell can be reduced by substituting partly with other ions that do not have absorption instead of terbium ions that have absorption.
式(A)中、xの範囲は0.4≦x≦0.7が好ましく、0.4≦x≦0.6がさらに好ましい。xが0.4未満になると、単位長さ当りのファラデー回転角(ベルデ定数)が小さくなってくるため好ましくない。またxが0.7を超えると、テルビウム由来の吸収量が無視できないレベルに増大するため好ましくない。 In the formula (A), the range of x is preferably 0.4 ≦ x ≦ 0.7, more preferably 0.4 ≦ x ≦ 0.6. When x is less than 0.4, the Faraday rotation angle (Verde constant) per unit length becomes small, which is not preferable. Further, when x exceeds 0.7, the amount of terbium-derived absorption increases to a level that cannot be ignored, which is not preferable.
本発明で対象となる各種透明セラミックス焼結体(テルビウム含有複合酸化物焼結体)は、上記で表される複合酸化物を主成分として含有する。ここで「主成分として含有する」とは、上記いずれかの複合酸化物を90質量%以上含有することを意味する。上記いずれかの複合酸化物の含有量は99質量%以上であることが好ましく、99.9質量%以上であることがより好ましく、99.99質量%以上であることが更に好ましく、99.999質量%以上であることが特に好ましい。 Various transparent ceramic sintered bodies (terbium-containing composite oxide sintered bodies) that are the subject of the present invention contain the composite oxide represented above as a main component. Here, “containing as a main component” means that 90% by mass or more of any of the above complex oxides is contained. The content of any one of the above complex oxides is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.9% by mass or more, still more preferably 99.99% by mass or more, and 99.999. It is particularly preferable that the content is at least mass%.
また更に副成分として、焼結助剤としての役割をはたす金属酸化物を適宜添加することが好ましい。材料種にも依存するが、代表的な焼結助剤にSiO2、ZrO2、HfO2、CaO、BaO、LiF、MgO等、また金属酸化物以外にはカーボン(C)等がある。これらを0質量%から0.5質量%の範囲で添加することが好ましい。これらの焼結助剤を主成分であるテルビウム含有酸化物焼結体に添加すると、緻密化の促進、残留気泡の低減、異相析出の抑制ができるため好ましい。 Further, it is preferable to appropriately add a metal oxide serving as a sintering aid as a subsidiary component. Although depending on the material type, typical sintering aids include SiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , CaO, BaO, LiF, MgO and the like, and besides metal oxides, there are carbon (C) and the like. These are preferably added in the range of 0 to 0.5% by mass. It is preferable to add these sintering aids to the terbium-containing oxide sintered body, which is the main component, because it can promote densification, reduce residual bubbles, and suppress heterogeneous precipitation.
本発明の対象となる透明セラミックス焼結体(テルビウム含有複合酸化物焼結体)は、上記の主成分と副成分とで構成されるが、更に他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、ナトリウム(Na)、燐(P)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)等が典型的に例示できる。 The transparent ceramic sintered body (terbium-containing composite oxide sintered body) which is the subject of the present invention is composed of the above-mentioned main component and subcomponents, but may further contain other elements. Examples of other elements typically include sodium (Na), phosphorus (P), tungsten (W), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and the like.
その他の元素の含有量は、Tbの全量を100質量部としたとき、10質量部以下であることが好ましく、0.1質量部以下であることが更に好ましく、0.001質量部以下(実質的にゼロ)であることが特に好ましい。 The content of other elements is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 0.1 parts by mass or less, and 0.001 parts by mass or less (substantially) when the total amount of Tb is 100 parts by mass. It is particularly preferable that it is zero).
ここで、上記テルビウム含有複合酸化物焼結体の製造で用いるセラミックス粉末としては、テルビウムを含み、種々の複合酸化物組成を構成するための元素をすべて合わせた、これら元素群の金属粉末、ないしは硝酸、硫酸、尿酸等の水溶液、あるいは上記一連の元素の酸化物粉末等が好適に利用できる。
また、上記粉末の純度は99.9質量%以上が好ましい。
Here, the ceramic powder used in the production of the terbium-containing composite oxide sintered body includes terbium, a metal powder of these element groups including all elements for constituting various composite oxide compositions, or An aqueous solution of nitric acid, sulfuric acid, uric acid or the like, or an oxide powder of the above series of elements can be suitably used.
The purity of the powder is preferably 99.9% by mass or more.
それらの元素を所定量秤量し、混合してから焼成して所望の構成のテルビウム含有酸化物、具体的にはアルミニウム系のガーネット型(上記(i))、ガリウム系のガーネット型(上記(ii))、テルビウム以外の元素と固溶させたビックスバイト型(上記(iii))の酸化物を主成分とする焼成原料を得る。 A predetermined amount of these elements are weighed, mixed, and fired to terbium-containing oxide having a desired configuration, specifically, an aluminum garnet type (above (i)), a gallium garnet type (above (ii) )), A calcined raw material mainly composed of a bixbite type (above (iii)) oxide dissolved in an element other than terbium.
このときの焼成温度は、組成によっても微調整する必要があり、一概には言及できないが、少なくとも900℃以上、かつこの後に行われる焼結温度よりも低い温度が好ましく、1000℃以上、かつこの後に行われる焼結温度よりも低い温度がより好ましい。なお、原料によってはある温度以上に加熱すると急激に癒着凝集が悪化する場合がある。そのような原料を利用する場合は、注意深く上限温度を調整し、癒着凝集が悪化しない温度範囲で焼成することが好ましい。また、焼成時の昇温レート、降温レートはあまり気にする必要はないが、保持時間については注意が必要である。不必要に焼成保持時間を延ばすと、ゆるやかに癒着凝集が進行する。そのため、保持時間の上限範囲についてもある程度注意して選定する必要がある。 The firing temperature at this time needs to be finely adjusted depending on the composition and cannot be generally mentioned, but is preferably at least 900 ° C. or higher and lower than the sintering temperature performed thereafter, 1000 ° C. or higher, and A temperature lower than the sintering temperature performed later is more preferable. In addition, depending on the raw material, when heated to a certain temperature or more, adhesion aggregation may deteriorate rapidly. When using such a raw material, it is preferable to carefully adjust the upper limit temperature and to calcinate in a temperature range in which adhesion aggregation does not deteriorate. In addition, it is not necessary to pay much attention to the temperature rise rate and temperature drop rate during firing, but attention should be paid to the holding time. If the firing holding time is unnecessarily extended, adhesion aggregation proceeds gradually. For this reason, the upper limit range of the holding time must be selected with some care.
なお、ここでいう「主成分とする」とは、焼成原料の粉末X線回折結果から得られる主ピークが所望の材料の結晶系由来の回折ピークからなることを指す。なお、異相の存在濃度が1%未満である場合、実質的に粉末X線回折パターンは主相由来のパターンのみが明瞭に検知され、異相由来のパターンは、ほぼバックグラウンドレベルに埋もれることが多い。 Here, “main component” means that the main peak obtained from the powder X-ray diffraction result of the fired raw material is a diffraction peak derived from the crystal system of the desired material. When the presence concentration of the heterogeneous phase is less than 1%, the powder X-ray diffraction pattern is substantially clearly detected only from the main phase, and the heterogeneous pattern is often buried in the background level. .
次いで、得られた焼成原料を粉砕、ないしは分級して、粒度分布を所定範囲内に管理したセラミックス粉末を得る。セラミックス粉末の粒度は特に限定されないが、1次粒子の表面が、なるべくファセット面の出ていない粉末を選定すると、焼結性が向上するため好ましい。また、購入した原料そのままを用いるのではなく、湿式ボールミル粉砕、湿式ビーズミル粉砕、湿式ジェットミル粉砕、乾式ジェットミル粉砕等の粉砕処理を施すと、粗大粒や粗大気孔の発生を抑制し、緻密な成形体を作製できるため好ましい。更に純度としては3N以上の高純度出発原料粉末を選定すると、焼結工程での緻密化が促進され、かつ不純物によるさまざまな特性劣化が防止できるため好ましい。 Next, the obtained fired raw material is pulverized or classified to obtain a ceramic powder whose particle size distribution is controlled within a predetermined range. The particle size of the ceramic powder is not particularly limited, but it is preferable to select a powder having a facet surface as small as possible on the surface of the primary particles because the sinterability is improved. In addition, when the raw materials purchased are not used as they are, pulverization treatment such as wet ball milling, wet bead milling, wet jet milling, dry jet milling, etc. can be applied to suppress the generation of coarse particles and coarse atmospheric pores. Since a molded object can be produced, it is preferable. Further, it is preferable to select a high-purity starting material powder of 3N or higher as the purity because it can promote densification in the sintering process and prevent various characteristic deterioration due to impurities.
なお、その際の粉末形状については特に限定されず、例えば角状、球状、板状の粉末が好適に利用できる。また、二次凝集している粉末であっても好適に利用できるし、スプレードライ処理等の造粒処理によって造粒された顆粒状粉末であっても好適に利用できる。 In addition, it does not specifically limit about the powder shape in that case, For example, square, spherical, and plate-shaped powder can be utilized suitably. Moreover, it can use suitably even if it is the powder which carried out secondary aggregation, and it can use suitably also if it is the granular powder granulated by granulation processes, such as a spray-dry process.
更に、これらのセラミックス粉末の調製工程については特に限定されない。共沈法、粉砕法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法、その他あらゆる合成方法で作製されたセラミックス粉末が好適に利用できる。また、得られたセラミックス粉末を適宜湿式ボールミル、ビーズミル、湿式ジェットミルや乾式ジェットミル、ハンマーミル等によって処理してもよい。 Furthermore, the process for preparing these ceramic powders is not particularly limited. Ceramic powders produced by a coprecipitation method, a pulverization method, a spray pyrolysis method, a sol-gel method, an alkoxide hydrolysis method, or any other synthesis method can be suitably used. Further, the obtained ceramic powder may be appropriately treated by a wet ball mill, a bead mill, a wet jet mill, a dry jet mill, a hammer mill or the like.
更に、1次粒子の過度な凝集を防止する目的で湿式粉砕処理中に各種の分散剤を添加しても良い。また1次粒子が非晶質で過度にふわふわしている場合や、板状や針状のようなアスペクト比が大きく嵩ばっている出発原料を用いる場合には、粉砕処理後に更に仮焼工程を加えることで、その1次粒子の形状を整えてもよい。 Furthermore, various dispersants may be added during the wet pulverization treatment in order to prevent excessive aggregation of the primary particles. Further, when the primary particles are amorphous and excessively fluffy, or when using a starting material having a large aspect ratio such as a plate shape or a needle shape, a calcination step is further performed after the pulverization treatment. By adding, the shape of the primary particles may be adjusted.
複合組成のセラミックス焼結体を作製する目的で、複数種類のセラミックス粉末を混合して成形する場合がある。本発明においては、このような混合セラミックス粉末を用いることも構わない。ただし、焼成前によく混合する目的で、溶媒中に分散させた湿式スラリーとし、これについて湿式ボールミル混合、湿式ビーズミル混合、湿式ジェットミル乳化等のブレンド処理をおこなうことが好ましい。更に、複数種類の出発原料を混合した後に、仮焼して目的とする化合物に相変化させてもよい。 In order to produce a ceramic sintered body having a composite composition, a plurality of types of ceramic powders may be mixed and molded. In the present invention, such a mixed ceramic powder may be used. However, for the purpose of mixing well before firing, it is preferable to use a wet slurry dispersed in a solvent, and subject to a blending process such as wet ball mill mixing, wet bead mill mixing, or wet jet mill emulsification. Furthermore, after mixing a plurality of types of starting materials, it may be calcined to change the phase to the target compound.
また、その他の透明セラミックス焼結体として、例えばスピネル(MgAl2O4)焼結体が挙げられる。詳しくは、紫外用窓材、可視域用高強度窓材、赤外用窓材等で使用可能な高度に透明なスピネル焼結体であって、透明性を向上する目的で幾つかの焼結助剤が添加されることが多い。ただし、最も焼結性向上が容易なフッ化リチウムは紫外域での吸収があるため使用できず、代わりに酸化マグネシウムをMgAl2O4に対して好ましくは0.08質量%以上1質量%以下の範囲で、より好ましくは0.1質量%程度で添加することが好ましい。また当該添加剤は母材中に均質に細かく分散していると緻密化が促進されるため好ましい。 Further, as another transparent ceramic sintered body, for example, a spinel (MgAl 2 O 4 ) sintered body can be mentioned. Specifically, this is a highly transparent spinel sintered body that can be used for ultraviolet window materials, high-strength window materials for visible regions, infrared window materials, etc., and has several sintering aids for the purpose of improving transparency. Agents are often added. However, lithium fluoride, which is most easily improved in sinterability, cannot be used because it absorbs in the ultraviolet region. Instead, magnesium oxide is preferably 0.08% by mass to 1% by mass with respect to MgAl 2 O 4 . In this range, it is more preferable to add at about 0.1% by mass. Further, it is preferable that the additive is uniformly and finely dispersed in the base material because densification is promoted.
また、例えばフッ化カルシウム・フッ化リチウム焼結体が挙げられる。詳しくは、光学レンズ等で使用可能な高度に透明なフッ化カルシウム焼結体であって、透明性を向上する目的でカルシウムに対して好ましくは0.08質量%以上3質量%未満、より好ましくは0.08質量%以上1質量%以下、特に好ましくは0.1質量%程度のフッ化リチウムが添加される。ただし、フッ化リチウムは母材であるフッ化カルシウムのなかに均質に細かく分散している必要がある。また、3質量%以上のフッ化リチウムを添加してしまうと、たとえブレンド処理を施しても、もはや均質分散混合は困難となるため注意が必要である。 Further, for example, a calcium fluoride / lithium fluoride sintered body can be mentioned. Specifically, it is a highly transparent calcium fluoride sintered body that can be used in an optical lens or the like, and preferably 0.08% by mass or more and less than 3% by mass with respect to calcium for the purpose of improving transparency. Is 0.08% by mass or more and 1% by mass or less, and particularly preferably about 0.1% by mass of lithium fluoride is added. However, lithium fluoride needs to be uniformly and finely dispersed in calcium fluoride as a base material. In addition, if 3% by mass or more of lithium fluoride is added, even if a blending process is performed, it is no longer possible to perform homogeneous dispersion mixing.
また、窒化ケイ素系セラミックス焼結体として、例えば窒化ケイ素粉末に酸化物系助剤(酸化マグネシウム粉末及び酸化イットリウム粉末)を配合したものが挙げられる。詳しくは、放熱基板用として利用可能な高度に熱伝導率の高い窒化ケイ素セラミックス焼結体であって、熱伝導率を向上する目的でケイ素に対して好ましくは0.01質量%以上1質量%未満、より好ましくは0.05質量%以上0.8質量%以下の酸化マグネシウム粉末を添加する。且つ、絶縁体圧や曲げ強度を向上する目的でケイ素に対して好ましくは0.01質量%以上1質量%未満、より好ましくは0.05質量%以上0.8質量%以下の酸化イットリウム粉末を添加する。これらの酸化物添加剤は母材中に均質に細かく分散していると緻密化が促進されるため好ましい。 Examples of the silicon nitride ceramic sintered body include a silicon nitride powder blended with an oxide auxiliary agent (magnesium oxide powder and yttrium oxide powder). Specifically, it is a silicon nitride ceramic sintered body having a high thermal conductivity that can be used for a heat dissipation substrate, and is preferably 0.01% by mass or more and 1% by mass with respect to silicon for the purpose of improving the thermal conductivity. Less than, more preferably 0.05 mass% or more and 0.8 mass% or less of magnesium oxide powder is added. In addition, for the purpose of improving the insulator pressure and bending strength, preferably 0.01% by mass or more and less than 1% by mass, more preferably 0.05% by mass or more and 0.8% by mass or less of yttrium oxide powder with respect to silicon. Added. These oxide additives are preferably dispersed uniformly and finely in the base material because densification is promoted.
これらの複数種類のセラミックス粉末を混合して原料粉末スラリーの調製に供することが好ましい。本発明においては、このような混合セラミックス粉末を用いることも構わない。ただし、よく混合する目的で、原料粉末スラリー用の溶媒中に分散させた湿式スラリーとし、これについて湿式ボールミル混合、湿式ビーズミル混合、湿式ジェットミル乳化等のブレンド処理をおこなうことが好ましい。 It is preferable to mix these plural types of ceramic powders and prepare them for the raw material powder slurry. In the present invention, such a mixed ceramic powder may be used. However, for the purpose of mixing well, it is preferable to use a wet slurry dispersed in a solvent for the raw material powder slurry, and to perform a blending process such as wet ball mill mixing, wet bead mill mixing, or wet jet mill emulsification.
原料粉末スラリーに添加されるバインダーは、ガラス転移温度が室温より高い、好ましくは室温よりも3℃以上高い熱可塑性樹脂であり、その種類は特に限定されないが、一般的に利用されるポリビニルアルコール(ガラス転移温度Tg=55〜85℃;鹸化度、重合度による。)、ポリ酢酸ビニル(ガラス転移温度Tg=25〜40℃;鹸化度、重合度による。)、ポリビニルアルコールとポリ酢酸ビニルの共重合体(ガラス転移温度Tg=30〜80℃;鹸化度、重合度による。)、メチルセルロース(ガラス転移温度Tg=−90〜120℃;水和度合、置換度合による。本発明では室温より高いガラス転移温度となるように調整する。)、エチルセルロース(ガラス転移温度Tg=70〜160℃;置換度合による。)、ポリビニルブチラール(ガラス転移温度Tg=60〜110℃;鹸化度、重合度による。)、ポリプロピオン酸ビニル(ガラス転移温度Tg=10〜45℃;鹸化度、重合度による。本発明では室温より高いガラス転移温度となるように調整する。)、ポリビニルアルコールとポリプロピオン酸ビニルの共重合体(ガラス転移温度Tg=15〜75℃;鹸化度、重合度による。本発明では室温より高いガラス転移温度となるように調整する。)から選択することが好ましい。これらはいずれも適度に粘着性が備わり、且つそのガラス転移温度が室温よりも高く(又は室温より高くなるように調整され、好ましくは室温よりも3℃以上高くなるように調整され)、後述するWIP成形における加圧媒体(水あるいはオイル)の沸点よりも低い範囲にある(又はその沸点より低くなるように調整され、好ましくはその沸点よりも5℃以上低くなるように調整される)ため、取扱いが容易であり好ましい。上記熱可塑性樹脂のガラス転移温度Tgは、具体的には35〜100℃が好ましく、40〜90℃がより好ましく、45〜85℃が更に好ましい。
なお、ガラス転移温度Tgは、通常、示差走査熱量測定(DSC)により熱可塑性樹脂を測定したときの中間点ガラス転移温度値である。例えば、ガラス転移温度Tgは、昇温速度10℃/分、測定温度−50〜250℃の条件で熱量変化を測定し、JIS K7121:1987に準拠した方法で算出した中間点ガラス転移温度である。なお、試料中の水分がガラス転移温度Tgに影響する場合には該試料を一旦150℃まで加熱して乾燥させた後に測定を行うとよい。
The binder added to the raw material powder slurry is a thermoplastic resin having a glass transition temperature higher than room temperature, preferably higher than room temperature by 3 ° C. or more, and the kind thereof is not particularly limited, but generally used polyvinyl alcohol ( Glass transition temperature Tg = 55 to 85 ° C .; depends on saponification degree, polymerization degree), polyvinyl acetate (glass transition temperature Tg = 25-40 ° C .; depends on saponification degree, polymerization degree), polyvinyl alcohol and polyvinyl acetate Polymer (glass transition temperature Tg = 30 to 80 ° C .; depends on saponification degree, polymerization degree), methylcellulose (glass transition temperature Tg = −90 to 120 ° C .; depends on hydration degree and substitution degree. In the present invention, glass higher than room temperature Adjusted to be a transition temperature), ethyl cellulose (glass transition temperature Tg = 70 to 160 ° C., depending on the degree of substitution), polyvinyl Tyral (glass transition temperature Tg = 60-110 ° C .; depending on saponification degree, polymerization degree), vinyl polypropionate (glass transition temperature Tg = 10-45 ° C .; depending on saponification degree, polymerization degree. In the present invention, glass higher than room temperature And a copolymer of polyvinyl alcohol and vinyl polypropionate (glass transition temperature Tg = 15 to 75 ° C .; depending on saponification degree and polymerization degree. In the present invention, a glass transition temperature higher than room temperature) It is preferable to select from the above. All of these are moderately tacky and have a glass transition temperature higher than room temperature (or adjusted to be higher than room temperature, preferably adjusted to be 3 ° C. or higher than room temperature), which will be described later. In the range lower than the boiling point of the pressure medium (water or oil) in WIP molding (or adjusted to be lower than the boiling point, preferably adjusted to be 5 ° C. or more lower than the boiling point), It is easy to handle and preferable. Specifically, the glass transition temperature Tg of the thermoplastic resin is preferably 35 to 100 ° C, more preferably 40 to 90 ° C, and still more preferably 45 to 85 ° C.
The glass transition temperature Tg is usually a midpoint glass transition temperature value when a thermoplastic resin is measured by differential scanning calorimetry (DSC). For example, the glass transition temperature Tg is a midpoint glass transition temperature calculated by a method according to JIS K7121: 1987 by measuring a change in calorie under conditions of a heating rate of 10 ° C./min and a measurement temperature of −50 to 250 ° C. . In the case where moisture in the sample affects the glass transition temperature Tg, the measurement may be performed after the sample is heated to 150 ° C. and dried.
上記熱可塑性樹脂の添加には予め溶媒、例えばエタノール溶媒に適当な濃度(質量%)となるように溶かしたもの(熱可塑性樹脂溶液)か、溶けずに分離するとしても濃度(質量%)を適当な数値となるように調合した熱可塑性樹脂粉末をエタノールなどの溶媒中に分散させたもの(熱可塑性樹脂分散液)を用いるとよく、その濃度は例えば5質量%〜40質量%であることが好ましい。 For the addition of the thermoplastic resin, the concentration (mass%) of a solvent (for example, an ethanol solvent) dissolved in advance to an appropriate concentration (mass%) (thermoplastic resin solution) or separated without melting is used. A thermoplastic resin powder prepared so as to have an appropriate numerical value dispersed in a solvent such as ethanol (thermoplastic resin dispersion) may be used, and its concentration is, for example, 5% by mass to 40% by mass. Is preferred.
熱可塑性樹脂の添加量は、目的とするセラミックス焼結体の組成や、その最終用途によっても変化するため、予備実験で最適割合を決定する必要がある。本発明では、上記セラミックス粉末及び熱可塑性樹脂を原料粉末成分として溶媒に添加してなる原料粉末スラリーを用いて鋳込み成形することから、該原料粉末スラリーをスプレードライして得た顆粒を一軸プレス成形する場合や直接CIP成形する場合よりも熱可塑性樹脂の添加量を多めにして鋳込み成形時の保形性を向上させることが好ましい。例えば、原料粉末スラリー調製時にセラミックス粉末及び熱可塑性樹脂の合計質量に対して2質量%以上40質量%以下、好ましくは3.5質量%以上20質量%以下となる量を添加してやると、高品質な成形体、並びに焼結体が得られる。 Since the addition amount of the thermoplastic resin varies depending on the composition of the objective ceramic sintered body and its final use, it is necessary to determine the optimum ratio in a preliminary experiment. In the present invention, the powder obtained by spray-drying the raw material powder slurry is uniaxially press-molded using a raw material powder slurry obtained by adding the ceramic powder and thermoplastic resin as raw material powder components to a solvent. It is preferable to increase the shape retention during casting by increasing the amount of thermoplastic resin added compared to the case of performing direct CIP molding. For example, when an amount of 2% to 40% by mass, preferably 3.5% to 20% by mass, is added to the total mass of the ceramic powder and the thermoplastic resin when preparing the raw material powder slurry, A compact and a sintered body can be obtained.
即ち、原料粉末スラリーに含まれる原料粉末成分として、上記セラミックス粉末を60質量%以上98質量%以下、上記熱可塑性樹脂(バインダー)を2質量%以上40質量%以下含み、好ましくは上記セラミックス粉末を80質量%以上96.5質量%以下、上記熱可塑性樹脂(バインダー)を3.5質量%以上20質量%以下含む。このとき、セラミックス粉末と熱可塑性樹脂との合計が100質量%となる。 That is, as a raw material powder component contained in the raw material powder slurry, the ceramic powder is contained in an amount of 60% by mass to 98% by mass and the thermoplastic resin (binder) is contained in an amount of 2% by mass to 40% by mass, preferably the ceramic powder. 80 mass% or more and 96.5 mass% or less and the said thermoplastic resin (binder) is 3.5 mass% or more and 20 mass% or less. At this time, the total of the ceramic powder and the thermoplastic resin is 100% by mass.
本発明では、上記セラミックス粉末を溶媒中に分散させて湿式スラリーとし、更に上記熱可塑性樹脂を添加して原料粉末スラリーとする。 In the present invention, the ceramic powder is dispersed in a solvent to form a wet slurry, and the thermoplastic resin is further added to form a raw material powder slurry.
セラミックス粉末をスラリー化するための溶媒の選定も、本発明においては特に限定されない。ただし、一般的には水、エタノール及び有機溶媒(エタノール以外のアルコール、アセトンなど)から選ばれる1種又は2種以上の混合物が好適に選定され、これらのうちエタノールが好ましい。なお、溶媒として水を選択する場合には、分散剤、消泡剤等を併せて混合添加することが好ましい。この時のそれぞれの添加量は、予備実験で最適範囲を探す必要がある。
また、バインダーとして添加される熱可塑性樹脂が溶解する溶媒、溶解しない溶媒のいずれも用いることができるが、熱可塑性樹脂が溶解する溶媒を選択する方が好ましい。
The selection of the solvent for slurrying the ceramic powder is not particularly limited in the present invention. However, in general, one or a mixture of two or more selected from water, ethanol and an organic solvent (alcohol other than ethanol, acetone, etc.) is preferably selected, and among these, ethanol is preferable. In addition, when selecting water as a solvent, it is preferable to mix and add a dispersing agent, an antifoamer, etc. together. In this case, it is necessary to search for an optimum range for each addition amount in a preliminary experiment.
Moreover, although the solvent in which the thermoplastic resin added as a binder melt | dissolves can be used, it is more preferable to select the solvent in which a thermoplastic resin melt | dissolves.
原料粉末スラリーの調製に当たって、熱可塑性樹脂溶液又は熱可塑性樹脂分散液をセラミックス粉末を溶媒中に分散させた湿式スラリーに添加後、さらにボールミル混合、ビーズミル混合、湿式ジェットミル混合等をおこなってよく撹拌することが好ましい。ただし、セラミックス粉末の形状や結晶性、平均1次粒子径を変化させる目的で仮焼処理をおこなう場合には、熱分解や熱変性、熱揮散を防止するために、該仮焼処理後にセラミックス粉末を溶媒中に分散させて湿式スラリーとし、更に熱可塑性樹脂溶液又は熱可塑性樹脂分散液を添加する必要がある。 In preparing the raw material powder slurry, after adding the thermoplastic resin solution or thermoplastic resin dispersion to the wet slurry in which the ceramic powder is dispersed in the solvent, the mixture is further stirred by ball mill mixing, bead mill mixing, wet jet mill mixing, etc. It is preferable to do. However, when the calcination treatment is performed for the purpose of changing the shape, crystallinity, and average primary particle diameter of the ceramic powder, the ceramic powder is used after the calcination treatment in order to prevent thermal decomposition, thermal denaturation, and heat volatilization. Must be dispersed in a solvent to obtain a wet slurry, and a thermoplastic resin solution or a thermoplastic resin dispersion must be added.
なお、本発明で用いる原料粉末スラリー中には、その後のセラミック製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤(上記バインダーとしての熱可塑性樹脂を除く)を添加してもよい。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。ただし、これらの有機添加剤としては、不要な金属イオンが含有されない、高純度のタイプを選定することが好ましい。更に、ある種の分散剤は熱可塑性樹脂のガラス転移温度を低下させる効果を有するため、その添加量には注意が必要である。 In addition, in the raw material powder slurry used in the present invention, various organic additives (excluding the thermoplastic resin as the binder) are added for the purpose of quality stability and yield improvement in the subsequent ceramic manufacturing process. Also good. In the present invention, these are not particularly limited. That is, various dispersants, lubricants, plasticizers and the like can be suitably used. However, it is preferable to select a high-purity type that does not contain unnecessary metal ions as these organic additives. Furthermore, since certain dispersants have the effect of lowering the glass transition temperature of the thermoplastic resin, attention must be paid to the amount of the dispersant added.
(成形工程)
続いて、本発明における焼結用セラミックス成形体の成形手順について説明する。
(鋳込み成形)
まず上記のようにして調製された原料粉末スラリーを用い、前記原料粉末成分を所定形状に湿式鋳込みした鋳込み成形体を得る。
(Molding process)
Then, the shaping | molding procedure of the ceramic molded object for sintering in this invention is demonstrated.
(Casting)
First, a raw material powder slurry prepared as described above is used to obtain a cast molded body obtained by wet casting the raw material powder components into a predetermined shape.
ここで、前記鋳込み成形体が、前記セラミックス粉末及び熱可塑性樹脂を原料粉末成分として溶媒に添加してなるスラリー(原料粉末スラリー)を遠心鋳込み成形により固液分離して成形したものであることが好ましい。更に詳しくは、前記原料粉末スラリーを沈降させて得た凝集沈殿物を遠心チューブの容器に充填し、これを遠心分離処理(遠心鋳込み成形)して得られた所定形状の固形分を前記鋳込み成形体として得るものであることがより好ましい。 Here, the cast molding is formed by solid-liquid separation and molding a slurry (raw material powder slurry) obtained by adding the ceramic powder and the thermoplastic resin as a raw material powder component to a solvent. preferable. More specifically, the aggregated precipitate obtained by settling the raw material powder slurry is filled in a centrifuge tube container, and this is subjected to a centrifugal separation process (centrifugal casting), and the solid content of a predetermined shape is obtained by the above casting molding. More preferably, it is obtained as a body.
このような遠心鋳込み成形に用いられる遠心鋳込み成形機は、遠心分離機と同じ構成のものであり、型となる容器に原料粉末スラリーを充填し、該容器を高速で回転させてその遠心力で原料粉末スラリーを固液分離させて成形するものである。このときの遠心分離処理の遠心力は1000G以上が好ましく、2000G以上がより好ましい。また、遠心分離処理時間は20〜240分間が好ましく、30〜180分間がより好ましい。 The centrifugal casting machine used for such centrifugal casting is the same structure as the centrifugal separator, and is filled with raw material powder slurry in a container to be a mold, and the container is rotated at high speed by the centrifugal force. The raw material powder slurry is formed by solid-liquid separation. At this time, the centrifugal force of the centrifugal separation treatment is preferably 1000 G or more, and more preferably 2000 G or more. Further, the centrifugation time is preferably 20 to 240 minutes, more preferably 30 to 180 minutes.
次いで、得られた鋳込み成形体について好ましくは室温〜110℃、1〜4日間、より好ましくは40〜75℃、2〜4日間の乾燥を行い、原料粉末成分からなる鋳込み乾燥成形体を得る。 Next, the obtained cast molded body is preferably dried at room temperature to 110 ° C. for 1 to 4 days, more preferably 40 to 75 ° C. for 2 to 4 days to obtain a cast dry molded body made of raw material powder components.
鋳込み乾燥成形体の形状は、目的の焼結体形状に対応するものであり、例えば直径10〜60mm、長さ5〜40mmの円柱形状である。あるいは、幅10〜85mm、厚み2〜30mm、長さ10〜130mmの立方体形状である。 The shape of the cast dry molded body corresponds to the target sintered body shape, and is, for example, a cylindrical shape having a diameter of 10 to 60 mm and a length of 5 to 40 mm. Or it is the cube shape of width 10-85mm, thickness 2-30mm, and length 10-130mm.
(第1段静水圧加圧成形)
次に、上記のようにして得られた鋳込み乾燥成形体を直接ゴム型に挿入し、又は防水フィルムで真空パックして封止した状態で前記原料粉末成分に含まれる熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で第1段の静水圧加圧成形して第1段加圧成形体を作製する。
(First stage hydrostatic pressure molding)
Next, a glass transition temperature of the thermoplastic resin contained in the raw material powder component in a state where the cast dry molded body obtained as described above is directly inserted into a rubber mold or vacuum-packed with a waterproof film and sealed. The first stage hydrostatic pressure molding is performed at a lower temperature to produce a first stage pressure molded body.
ここで、この第1段の静水圧加圧成形が冷間静水圧加圧(CIP)成形であることが好ましい。即ち、上記鋳込み乾燥成形体を直接ゴム型に挿入したもの、又は防水フィルムで真空パックして封止したものをCIP装置に装着し、第1段の静水圧加圧成形を行うことが好ましい。この場合の加圧媒体は水又はオイルである。 Here, it is preferable that the first hydrostatic pressure molding is cold isostatic pressing (CIP) molding. That is, it is preferable to perform the first-stage hydrostatic pressure molding by mounting the cast dry molded body directly inserted in a rubber mold or vacuum-packed with a waterproof film and mounting it on a CIP device. The pressure medium in this case is water or oil.
このときの印加圧力、加圧保持時間は選定されるセラミックス組成や、目的とする最終製品の用途によって変化するため、適宜調整する必要がある。ただし、印加圧力として一般的に40MPa以上に加圧しないと成形体密度が上がらず、高品質な焼結体を得ることは難しい。印加圧力の上限については特に制限はないが、あまり加圧しすぎるとラミネーションクラックが発生するため好ましくない。ほとんどのセラミックス材料の場合、400MPa以下の印加圧力で十分な場合が多い。
また、加圧保持時間は、例えば1〜10分間であることが好ましく、1〜3分間であることがより好ましい。
The applied pressure and pressurization holding time at this time vary depending on the ceramic composition selected and the intended use of the final product, and therefore need to be adjusted as appropriate. However, unless the applied pressure is generally increased to 40 MPa or more, the density of the molded body does not increase, and it is difficult to obtain a high-quality sintered body. Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of an applied pressure, If too much pressure is applied, since a lamination crack will generate | occur | produce, it is not preferable. In most ceramic materials, an applied pressure of 400 MPa or less is often sufficient.
Further, the pressure holding time is preferably, for example, 1 to 10 minutes, and more preferably 1 to 3 minutes.
また、プレス時の成形体の温度は原料粉末成分に含まれる熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも低い温度に維持されており、例えば原料粉末成分に含まれる熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも10℃以上低い温度で維持されていることが好ましく、特に、成形体を加熱することなく室温に維持されていることが好ましい。 Further, the temperature of the molded body at the time of pressing is maintained at a temperature lower than the glass transition temperature of the thermoplastic resin contained in the raw material powder component, for example, 10 times higher than the glass transition temperature of the thermoplastic resin contained in the raw material powder component. It is preferable to be maintained at a temperature lower by at least ° C., and it is particularly preferable that the molded body is maintained at room temperature without heating.
なお、このCIP処理では、プレス時に原料粉末成分に含まれる熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満に維持されているため、原料粉末中で予め熱可塑性樹脂がセラミックス粉末(1次粒子)間の隙間をよく(密に)埋めた状態で硬く固化しており、原料粉末を加圧成形する際に成形体表面にかかる圧力が隣接する硬い熱可塑性樹脂と硬いセラミックス粉末(1次粒子)間で順次伝達され、結果として成形体内部にまでしっかりと圧力がかかるため好ましい。 In this CIP treatment, since the temperature is kept below the glass transition temperature of the thermoplastic resin contained in the raw material powder component at the time of pressing, the thermoplastic resin in the raw material powder previously has gaps between the ceramic powders (primary particles). Hardly solidified in a well-filled state, when the raw material powder is pressed, the pressure applied to the surface of the compact is sequentially transmitted between the adjacent hard thermoplastic resin and hard ceramic powder (primary particles). As a result, pressure is firmly applied to the inside of the molded body, which is preferable.
(第2段静水圧加圧成形)
次いで、得られた第1段加圧成形体について前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加熱して第2段の静水圧加圧成形として温間静水圧加圧(WIP)成形を行ってセラミックス成形体を作製する。
(Second stage hydrostatic pressure molding)
Next, the obtained first-stage press-molded body is heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the thermoplastic resin and subjected to warm isostatic pressurization (WIP) molding as second-stage hydrostatic pressure press-molding. A molded body is produced.
この第2段静水圧加圧成形を次の手順で行うことが好ましい。
(S1)まずWIP成形に用いるWIP装置において、WIP成形用加圧容器部及び加圧媒体の温度を原料粉末成分に含まれる熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上となるように予め加温し、安定させておく。
(S2)そのように加温した状態のWIP装置において前記第1段加圧成形体をゴム型に充填し、あるいは第1段加圧成形体を防水フィルムで真空パックして封止した状態で装填する。
(S3)第1段加圧成形体を充填した状態のまま、第1段加圧成形体を保持して該第1段加圧成形体を加温してあるWIP装置と同程度の温度になるまで加熱し、その後に第2段の静水圧加圧成形としてWIP成形する。
The second-stage hydrostatic pressure molding is preferably performed according to the following procedure.
(S1) First, in a WIP apparatus used for WIP molding, the temperature of the pressure vessel portion for WIP molding and the pressure medium is preheated so as to be equal to or higher than the glass transition temperature of the thermoplastic resin contained in the raw material powder component, and stable. Let me.
(S2) In the heated WIP apparatus, the first-stage pressure molded body is filled in a rubber mold, or the first-stage pressure molded body is vacuum-packed with a waterproof film and sealed. Load it.
(S3) While maintaining the state in which the first-stage pressure molded body is filled, the first-stage pressure molded body is held and heated to the same temperature as the WIP device that heats the first-stage pressure molded body. Then, WIP molding is performed as the second hydrostatic pressure molding.
なお、上記S3において、第1段加圧成形体を充填した後に、該第1段加圧成形体をWIP装置と同程度の温度まで加熱しながら第2段の静水圧加圧成形としてWIP成形するようにしてもよい。 In S3, after filling the first-stage pressure molded body, WIP molding is performed as the second-stage hydrostatic pressure molding while heating the first-stage pressure molded body to the same temperature as the WIP device. You may make it do.
ここで、WIP成形用加圧容器部及び加圧媒体の温度、即ち第1段加圧成形体を加熱する温度は、原料粉末成分に含まれる熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上であり、該熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも5℃以上高いことが好ましい。なお、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度が50℃以下の場合、第1段加圧成形体を加熱する温度をそのガラス転移温度よりも10℃以上高くすることが好ましい。また、第1段加圧成形体を加熱する温度の上限は130℃以下であることが好ましい。 Here, the temperature of the pressure vessel part for WIP molding and the pressure medium, that is, the temperature at which the first-stage pressure molded body is heated is equal to or higher than the glass transition temperature of the thermoplastic resin contained in the raw material powder component. It is preferably 5 ° C. or more higher than the glass transition temperature of the plastic resin. In addition, when the glass transition temperature of the said thermoplastic resin is 50 degrees C or less, it is preferable to make the temperature which heats a 1st step | paragraph press-molded body 10 degreeC or more higher than the glass transition temperature. Moreover, it is preferable that the upper limit of the temperature which heats a 1st step | paragraph press-molded body is 130 degrees C or less.
また、使用する加圧媒体は水又はオイルが好ましく、水又は沸点が100℃超のオイルであることがより好ましい。このとき、選択される熱可塑性樹脂の種類により異なるが、熱可塑性樹脂のガラス転移温度が91℃以上である場合には、加圧媒体として水を利用すると突沸の可能性があり危険である。そこで沸点が100℃超のオイルを加圧媒体として選択することが好ましい。なお、オイルにもさまざまな種類があるので、目的とする温度まで加温しても突沸する危険のないオイルを適宜選定することが好ましい。 The pressure medium used is preferably water or oil, more preferably water or oil having a boiling point of more than 100 ° C. At this time, although it varies depending on the type of the thermoplastic resin selected, if the glass transition temperature of the thermoplastic resin is 91 ° C. or higher, use of water as the pressurizing medium may cause bumping and is dangerous. Therefore, it is preferable to select oil having a boiling point of more than 100 ° C. as the pressure medium. In addition, since there are various types of oil, it is preferable to select an oil that does not have a risk of bumping even when heated to a target temperature.
WIP成形における印加圧力、加圧保持時間は選定されるセラミックス組成、熱可塑性樹脂の種類、添加割合、目的とする最終製品の用途によって変化するため、適宜調整する必要がある。ただし、印加圧力として一般的に40MPa以上に加圧しないと、ガラス転移温度を超えて温められた熱可塑性樹脂が、パッキングされたセラミックス成形体の隙間をぬって塑性流動を起こすことが困難なため、前記CIP工程で加圧されて内部応力を蓄えた状態である成形体内部の原料再配列が起こらず、残留応力の低減や粗大空洞を塞いでさらに緻密化させることが難しい。上限については特に制限はないが、一般にWIP装置の最大到達圧力はCIP装置のそれよりも低いことが知られている。これは加温による装置全体の熱膨張を含めて装置を安全に動作させるための装置作製上の制約である。具体的には、一般的なWIP装置の最大印加圧力は200MPa程度であるが、本発明においては、この程度の印加圧力が加えられれば十分に効果を発現することが可能である。 The applied pressure and pressurization holding time in WIP molding vary depending on the selected ceramic composition, the type of thermoplastic resin, the addition ratio, and the intended use of the final product, and therefore need to be adjusted as appropriate. However, unless the applied pressure is generally increased to 40 MPa or more, it is difficult for the thermoplastic resin heated above the glass transition temperature to cause plastic flow through the gaps in the packed ceramic molded body. The raw material rearrangement inside the molded body, which is in a state where the internal stress is accumulated by being pressurized in the CIP process, does not occur, and it is difficult to reduce the residual stress and block the coarse cavity to make it denser. The upper limit is not particularly limited, but it is generally known that the maximum ultimate pressure of the WIP device is lower than that of the CIP device. This is a limitation in manufacturing the device for safely operating the device, including thermal expansion of the entire device due to heating. Specifically, the maximum applied pressure of a general WIP device is about 200 MPa, but in the present invention, if such an applied pressure is applied, the effect can be sufficiently exhibited.
また、加圧保持時間は、例えば1〜10分間であることが好ましく、1〜3分間であることがより好ましい。 Further, the pressure holding time is preferably, for example, 1 to 10 minutes, and more preferably 1 to 3 minutes.
なお、上述した第1段静水圧加圧成形及び第2段静水圧加圧成形の実施形態に代えて、次のように行ってもよい。
(第1段静水圧加圧成形)
上記鋳込み乾燥成形体をゴム型に挿入したもの、又は防水フィルムで真空パックして封止したものをWIP装置に装着し、上記第1段静水圧加圧成形の条件で成形を行う(第1段加圧成形体の作製)。
(第2段静水圧加圧成形)
前記第1段加圧成形体を作製した後、第1段の静水圧加圧状態を維持したまま(即ち、第1段加圧成形体をWIP装置に装着し加圧したまま)、該第1段加圧成形体の加熱を開始し、引き続き上記第2段静水圧加圧成形の条件でWIP成形を行う。
Instead of the first-stage hydrostatic pressure molding and the second-stage hydrostatic pressure molding described above, the following may be performed.
(First stage hydrostatic pressure molding)
A product obtained by inserting the cast dry molded body into a rubber mold or vacuum-packed and sealed with a waterproof film is mounted on a WIP device and molded under the conditions of the first hydrostatic pressure molding (first Production of a step-pressure molded body).
(Second stage hydrostatic pressure molding)
After producing the first-stage pressure-molded body, the first-stage hydrostatic pressure is maintained (that is, the first-stage pressure-molded body is attached to the WIP apparatus and pressurized), Heating of the first-stage pressure molded body is started, and then WIP molding is performed under the conditions of the second-stage hydrostatic pressure molding.
本発明においては前記第1段加圧成形(前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度より低い温度での静水圧加圧成形、好ましくはCIP成形)工程と前記第2段静水圧加圧成形(WIP成形)工程とをこの順序で両方行うことが必須である。
例えば、前記鋳込み成形、乾燥後の鋳込み乾燥成形体におけるセラミックス粉体とバインダー(熱可塑性樹脂)の分布状態を見た場合、セラミックス粉体とバインダー(熱可塑性樹脂)は比較的均一に分散した状態、又はセラミックス粉体間の隙間を埋めるようにバインダー(熱可塑性樹脂)が存在する状態であるが、その成形体密度は比較的低い状態である。
次に前半の第1段加圧成形(前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度より低い温度での静水圧加圧成形、好ましくはCIP成形)工程では、この鋳込み乾燥成形体に対して印加圧力を肉厚な成形体の内部にまで伝達させる働きを担っている。このとき、第1段加圧成形体において鋳込み乾燥成形体におけるセラミックス粉体とバインダー(熱可塑性樹脂)が比較的均一に分散した状態、又はセラミックス粉体間の隙間を埋めるようにバインダー(熱可塑性樹脂)が存在する状態が維持されたまま、第1段加圧成形体密度が鋳込み乾燥成形体密度よりもある程度大きくなる。
次に更に後半の第2段静水圧加圧成形(WIP成形)工程では、前記第1段加圧成形工程で生じたマイナス作用、即ち第1段加圧成形体に対して成形体の内部応力歪みや部分的な粗大空隙の発生を塑性流動、再配列により取り除く働きを担っている。このとき、セラミックス成形体において、第1段加圧成形体におけるセラミックス粉体とバインダー(熱可塑性樹脂)が比較的均一に分散した状態、又はセラミックス粉体間の隙間を埋めるようにバインダー(熱可塑性樹脂)が存在する状態が維持されたまま、セラミックス成形体密度が第1段加圧成形体密度よりも更に大きくなっている。
この第1段及び第2段の静水圧加圧成形の一連の作用が正しく働いている限り、この2つの静水圧加圧成形工程で種々設定される条件の範囲は任意である。
In the present invention, the first stage pressure molding (hydrostatic pressure molding at a temperature lower than the glass transition temperature of the thermoplastic resin, preferably CIP molding) and the second stage hydrostatic pressure molding (WIP molding). ) It is essential to carry out both steps in this order.
For example, when looking at the distribution of ceramic powder and binder (thermoplastic resin) in the cast and dried cast body after drying, the ceramic powder and binder (thermoplastic resin) are relatively uniformly dispersed. Alternatively, the binder (thermoplastic resin) is present so as to fill the gaps between the ceramic powders, but the density of the compact is relatively low.
Next, in the first stage pressure molding (hydrostatic pressure molding at a temperature lower than the glass transition temperature of the thermoplastic resin, preferably CIP molding) in the first half, an applied pressure is applied to the cast dry molded body. It has a function to transmit even to the inside of a thick molded body. At this time, the binder (thermoplasticity) is formed so that the ceramic powder and the binder (thermoplastic resin) in the cast dry molded body are relatively uniformly dispersed in the first-stage pressure molded body, or the gap between the ceramic powders is filled. While the state where the resin is present is maintained, the density of the first-stage pressure-formed body becomes somewhat higher than the density of the cast dry-formed body.
Next, in the second half hydrostatic pressure molding (WIP molding) process in the latter half, the negative effect generated in the first stage pressure molding process, that is, the internal stress of the molded body with respect to the first stage pressure molded body. It is responsible for removing strain and the occurrence of partial coarse voids by plastic flow and rearrangement. At this time, in the ceramic molded body, the ceramic powder and the binder (thermoplastic resin) in the first-stage pressure molded body are relatively uniformly dispersed, or the binder (thermoplastic The density of the ceramic molded body is still higher than the density of the first-stage pressure molded body while the state where the resin is present is maintained.
As long as a series of actions of the first and second hydrostatic pressure moldings are working correctly, the range of conditions set in the two hydrostatic pressure molding processes is arbitrary.
ただし、正しくこの一連の作用が働いていることを確認、検証することが必要である。この確認、検証は以下の方法により行うことが好ましい。
即ち、第1の確認方法としては、前記第1段加圧成形工程及び第2段加圧成形工程後のこの第1段及び第2段の静水圧加圧成形の一連の作用が正しく働いた成形体(セラミックス成形体)の密度dCIP+WIPは、必ず前記第1段加圧成形工程直後の成形体密度dCIPよりも大きくなっていることから、成形体密度dCIP+WIP>成形体密度dCIPであることを確認することである。
また、第2の確認方法としては、比較のために鋳込み乾燥成形体について前記第1段加圧成形を行わずに第2段加圧成形(WIP成形)のみを行ったサンプルを作製してみるとこのWIP成形のみを行った成形体の密度dWIPが、成形体密度dCIP+WIPよりも低くなることから、成形体密度dCIP+WIP>成形体密度dWIPであることを確認することである。なお、このように前記第1段加圧成形を行わずに第2段加圧成形(WIP成形)のみを行った成形体では、その内部に粗大なボイドが形成されている。
However, it is necessary to confirm and verify that this series of actions is working correctly. This confirmation and verification is preferably performed by the following method.
That is, as a first confirmation method, a series of actions of the first and second stage hydrostatic pressure molding after the first stage pressure molding process and the second stage pressure molding process worked correctly. Since the density d CIP + WIP of the molded body (ceramic molded body) is always larger than the molded body density d CIP immediately after the first-stage pressure molding step, the molded body density d CIP + WIP > the molded body. It is to confirm that the density is d CIP .
Further, as a second confirmation method, for comparison, a sample in which only the second-stage pressure molding (WIP molding) is performed on the cast dry molded body without performing the first-stage pressure molding is tried. density d WIP of the molded bodies where only WIP molding Toko is, since lower than the green density d CIP + WIP, confirming that compact density d CIP + WIP> a compact density d WIP It is. In addition, in the molded body in which only the second-stage pressure molding (WIP molding) is performed without performing the first-stage pressure molding as described above, coarse voids are formed therein.
以上のように、本発明の焼結用セラミックス成形体の作製方法により、セラミックス成形体、特に肉厚なセラミックス成形体をプレス成形する際に、成形体内部への圧力伝達と熱可塑性樹脂の塑性流動とを効果的に両立させることができ、残存空隙が極めて小さく且つ残留応力が解消された、緻密なセラミックス成形体が得られる。 As described above, when a ceramic molded body, particularly a thick ceramic molded body, is press-molded by the method for producing a sintered ceramic molded body of the present invention, pressure transmission to the inside of the molded body and plasticity of the thermoplastic resin are achieved. It is possible to obtain a dense ceramic molded body that can effectively balance the flow, has a very small residual void, and eliminates residual stress.
[セラミックス焼結体の製造方法(セラミックスの緻密化処理)]
本発明に係るセラミックス焼結体の製造方法は、本発明の焼結用セラミックス成形体の作製方法により作製されたセラミックス成形体を用いて焼結処理を行い、更に熱間等方加圧(HIP)処理して更に緻密化を行いセラミックス焼結体を得るものである。
このとき、前記焼結処理の前にセラミックス成形体の脱脂処理を行うことが好ましい。また、前記HIP処理の後に、更にアニール処理を行うことが好ましい。
具体的には以下のような処理を行う。
[Method of manufacturing sintered ceramics (densification of ceramics)]
The method for producing a ceramic sintered body according to the present invention includes a sintering treatment using the ceramic molded body produced by the method for producing a sintered ceramic molded body according to the present invention, and hot isostatic pressing (HIP). ) To further densify and obtain a ceramic sintered body.
At this time, it is preferable to degrease the ceramic molded body before the sintering treatment. Further, it is preferable to perform an annealing process after the HIP process.
Specifically, the following processing is performed.
(脱脂)
本発明の製造方法においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、一般的な加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、酸素含有混合ガス、水素、フッ素、フッ酸ガス、窒素、アンモニアガス等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、添加される熱可塑性樹脂、並びに分散剤その他の有機物が添加されている場合には、それらすべての有機成分が完全に分解消去できる温度まで昇温、並びに保持することが好ましい。
(Degreasing)
In the production method of the present invention, a normal degreasing step can be suitably used. That is, it is possible to go through a temperature rising degreasing process using a general heating furnace. Also, the kind of the atmospheric gas at this time is not particularly limited, and air, oxygen, oxygen-containing mixed gas, hydrogen, fluorine, hydrofluoric acid gas, nitrogen, ammonia gas, and the like can be suitably used. The degreasing temperature is not particularly limited, but when added thermoplastic resin, dispersant and other organic substances are added, the temperature is raised to and maintained at a temperature at which all these organic components can be completely decomposed and eliminated. It is preferable.
(焼結)
本発明の製造方法においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されず、不活性ガス、酸素ガス、水素ガス、フッ素ガス、フッ酸ガス、アルゴンガス、窒素ガス、アンモニアガス等の各種雰囲気、あるいはまた、減圧下(真空中)での焼結も可能である。ただし、取り扱うセラミックス材料の品種ごとに相性の良いガスは異なるため、正しく対応することが好ましい。例えば酸化物セラミックスであれば酸素系のガス群ないしは減圧雰囲気から選択することが好ましく、フッ化物セラミックスであればフッ素、フッ酸系のガス群、あるいはアルゴン、窒素などの不活性ガス、ないしは減圧雰囲気から選択することが好ましく、窒化物セラミックスであれば窒素、アンモニア系のガス群ないしは減圧雰囲気から選択することが好ましい。また、使用するガス種に合わせて、炉の材質選定や気密性管理を徹底することは言うまでもない。
(Sintering)
In the production method of the present invention, a general sintering process can be suitably used. That is, a heating and sintering process such as a resistance heating method or an induction heating method can be suitably used. The atmosphere at this time is not particularly limited, and various atmospheres such as inert gas, oxygen gas, hydrogen gas, fluorine gas, hydrofluoric acid gas, argon gas, nitrogen gas, ammonia gas, or also under reduced pressure (in vacuum) Sintering is also possible. However, since the compatible gas differs depending on the type of ceramic material to be handled, it is preferable to correspond correctly. For example, in the case of oxide ceramics, it is preferable to select from an oxygen-based gas group or a reduced-pressure atmosphere, and in the case of fluoride ceramics, fluorine, hydrofluoric acid-based gas groups, or an inert gas such as argon or nitrogen, or a reduced-pressure atmosphere. In the case of nitride ceramics, it is preferable to select from a nitrogen or ammonia gas group or a reduced pressure atmosphere. In addition, it goes without saying that furnace material selection and airtightness management will be thorough according to the type of gas used.
本発明の焼結工程における焼結温度は、選択される組成、結晶系により、適宜調整する必要がある。一般的には、目的とする最終組成のセラミックス材料の融点から数十度ないしは数百度低い温度帯で焼結処理をすることが好ましい。また該焼結工程における焼結保持時間は数時間程度で十分な場合が多い。ただしもしもポーラスな焼結体を意図的に作製するのではない場合には、焼結体の相対密度は最低でも95%以上に緻密化させる必要がある。また、焼結処理を10時間以上長く保持して焼結体の相対密度を99%以上に緻密化させると、透明セラミックス焼結体において最終的な透明性が向上するため、更に好ましい。 The sintering temperature in the sintering step of the present invention needs to be appropriately adjusted depending on the composition and crystal system selected. In general, it is preferable to perform the sintering treatment in a temperature range that is several tens or hundreds of degrees lower than the melting point of the ceramic material having the final composition. In many cases, a sintering holding time of several hours is sufficient in the sintering step. However, if the porous sintered body is not intentionally produced, the relative density of the sintered body needs to be densified to 95% or more. Further, it is more preferable to keep the sintering treatment for 10 hours or longer to densify the relative density of the sintered body to 99% or more because the final transparency of the transparent ceramic sintered body is improved.
なお焼結工程における昇温レートの選定はかなり重要となる。可能な限り小さな昇温レートを選定することが好ましいが生産性やコストの制約で限界もある。そこで、最低でも100℃/hrを確保できると好ましい。昇温レートを小さくできると、緻密化の促進、透明性の向上、偏析やクラックの抑制ができるため好ましい。 In addition, selection of the temperature increase rate in a sintering process becomes quite important. Although it is preferable to select a temperature increase rate as small as possible, there are limitations due to productivity and cost constraints. Therefore, it is preferable that at least 100 ° C./hr can be secured. It is preferable to make the temperature increase rate small because it can promote densification, improve transparency, and suppress segregation and cracks.
(熱間等方圧プレス(HIP))
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス(HIP(Hot Isostatic Pressing))処理を行う。
(Hot isostatic pressing (HIP))
In the production method of the present invention, an additional hot isostatic pressing (HIP (Hot Isostatic Pressing)) is performed after the sintering process.
なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はAr−O2が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、50〜300MPaが好ましく、100〜300MPaがより好ましい。圧力50MPa未満では緻密化向上効果が得られない場合があり、300MPa超では圧力を増加させてもそれ以上の緻密化向上が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のHIP装置で処理できる196MPa以下であると簡便で好ましい。 Incidentally, the pressurized gas medium type in this case, argon, an inert gas such as nitrogen or Ar-O 2 can be used suitably. The pressure applied by the pressurized gas medium is preferably 50 to 300 MPa, and more preferably 100 to 300 MPa. If the pressure is less than 50 MPa, the densification improvement effect may not be obtained. If the pressure exceeds 300 MPa, further densification improvement cannot be obtained even if the pressure is increased, and there is a risk that the load on the device becomes excessive and the device is damaged. . The applied pressure is preferably 196 MPa or less, which can be processed with a commercially available HIP device, for convenience and convenience.
なお、選択される焼結体がフッ化物である場合には、軟鋼のカプセルなどで封止したうえでHIP処理する、いわゆるカプセルHIP処理を施すことが好ましい。 In addition, when the sintered compact selected is a fluoride, it is preferable to perform what is called a capsule HIP process in which a HIP process is performed after sealing with a soft steel capsule or the like.
また、HIP処理の際の温度(所定保持温度)は1000〜1800℃、好ましくは1100〜1700℃の範囲で設定される。熱処理温度が1800℃超では媒体ガスが焼結体に侵入したり、焼結体とHIP炉とが溶融固着するなどのリスクが増大するため好ましくない。また、熱処理温度が1000℃未満では焼結体の緻密化向上効果がほとんど得られない。なお、熱処理温度の保持時間については特に制限されないが、あまり長時間保持すると焼結体内部の欠陥が徐々に蓄積されるため好ましくない。典型的には1〜3時間の範囲で好適に設定される。 The temperature (predetermined holding temperature) during the HIP process is set in the range of 1000 to 1800 ° C, preferably 1100 to 1700 ° C. If the heat treatment temperature is higher than 1800 ° C., there is an increase in risk that the medium gas enters the sintered body and the sintered body and the HIP furnace are melted and fixed. Further, when the heat treatment temperature is less than 1000 ° C., the effect of improving the densification of the sintered body is hardly obtained. In addition, the holding time of the heat treatment temperature is not particularly limited, but if the holding time is too long, defects inside the sintered body are gradually accumulated, which is not preferable. Typically, it is suitably set in the range of 1 to 3 hours.
なお、HIP処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、ないしはモリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(Pt)が好適に利用でき、処理容器としてさらに酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、炭化ケイ素、炭化タンタルも好適に利用できる。なお、HIP処理温度が1500℃以下の比較的低温条件である焼結体群である場合、ヒーター材、断熱材、処理容器として、白金(Pt)が使用できるため、選択される雰囲気の選定自由度が上がり、得られる焼結体中の点欠陥濃度が低減できるため好ましい。また、処理温度が1500℃以上である場合には、ヒーター材、断熱材としてグラファイトが好ましい。 The heater material, the heat insulating material, and the processing container for HIP processing are not particularly limited, but graphite, or molybdenum (Mo), tungsten (W), and platinum (Pt) can be suitably used. Gadolinium, silicon carbide, and tantalum carbide can also be suitably used. In the case of a sintered body group having a relatively low temperature condition of HIP processing temperature of 1500 ° C. or less, platinum (Pt) can be used as a heater material, a heat insulating material, and a processing container, so that the selection of the atmosphere to be selected is free. It is preferable because the degree of point defects in the sintered body obtained can be reduced and the point defect concentration can be reduced. Further, when the treatment temperature is 1500 ° C. or higher, graphite is preferable as the heater material and the heat insulating material.
(アニール)
本発明の製造方法において、透明セラミックス焼結体を製造するとき、HIP処理を終えた後に、得られた透明セラミックス焼結体中に点欠損が生じてしまい、薄灰色や黒灰色の外観を呈する場合がある。そのような場合には、前記HIP処理温度以下、典型的には1000〜1500℃にて、酸化物であれば酸素雰囲気下で、フッ化物であればフッ素あるいはフッ酸雰囲気下で、窒化物であれば窒素あるいはアンモニア雰囲気下で、アニール処理(欠損回復処理)を施すことが好ましい。この場合の保持時間は、点欠損が回復するのに十分な時間を確保する必要があるため、3時間以上かけることが好ましい。なお、該アニール処理工程の設定温度を1500℃を超えて上げ過ぎたり、保持時間を数十時間という長さまで延ばし過ぎてしまうと、リバウンド現象と言う、透明セラミックス材料中のそこここに気泡が再発生してくるため好ましくない。
(Annealing)
In the production method of the present invention, when producing a transparent ceramic sintered body, after completion of the HIP treatment, point defects are generated in the obtained transparent ceramic sintered body, and a light gray or black gray appearance is exhibited. There is a case. In such a case, at a temperature below the HIP treatment temperature, typically 1000 to 1500 ° C., an oxide is an oxygen atmosphere, a fluoride is a fluorine or hydrofluoric acid atmosphere, and a nitride is used. If present, it is preferable to perform an annealing process (defect recovery process) in a nitrogen or ammonia atmosphere. The holding time in this case is preferably 3 hours or more because it is necessary to secure a sufficient time for the point defect to recover. In addition, if the set temperature of the annealing process is excessively increased to over 1500 ° C., or if the holding time is extended to a length of several tens of hours, bubbles are regenerated in the transparent ceramic material, which is called a rebound phenomenon. Since it occurs, it is not preferable.
(光学評価)
本発明の製造方法において、透明セラミックス焼結体を製造する場合、上記一連の製造工程を経た焼結体について、その光学的な品質を評価する目的で、最低でもある一面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は特に制限されない。ただし、光学面のワープがあまり激しいと正しい光学評価が困難となるため、たとえば測定波長λ=633nmの場合、λ以下が好ましく、λ/2以下がさらに好ましく、λ/4以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(Optical evaluation)
In the production method of the present invention, when producing a transparent ceramic sintered body, it is possible to optically polish one surface, which is the minimum, for the purpose of evaluating the optical quality of the sintered body that has undergone the above series of production steps. preferable. The optical surface accuracy at this time is not particularly limited. However, if the optical surface warp is too severe, correct optical evaluation becomes difficult. For example, when the measurement wavelength is λ = 633 nm, λ or less is preferable, λ / 2 or less is more preferable, and λ / 4 or less is particularly preferable. Note that it is possible to further reduce the optical loss by appropriately forming an antireflection film on the optically polished surface.
以上のようにして、光学研磨された面を通して内部を顕微鏡観察することで、残留気泡や粗大空洞、クロスニコル像を介して残留歪みの有無などを観察評価することが可能となる。 As described above, by observing the inside through the optically polished surface with a microscope, it is possible to observe and evaluate residual bubbles, coarse cavities, and the presence or absence of residual strain through a crossed Nicol image.
以上のように、本発明のセラミックス焼結体の製造方法によれば、残存気泡の極めて少ない、真に高密度なセラミックス焼結体を作製でき、その結果、機械的強度、熱伝導率、光透過性、電気的特性、長期信頼性等が向上した従来よりも特性の良好な高品質のセラミックス焼結体が得られる。 As described above, according to the method for producing a ceramic sintered body of the present invention, a truly high-density ceramic sintered body with extremely few remaining bubbles can be produced. As a result, mechanical strength, thermal conductivity, light A high-quality ceramic sintered body with improved characteristics, such as permeability, electrical characteristics, and long-term reliability can be obtained.
以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the examples.
[実施例1]
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化スカンジウム粉末、及び大明化学(株)製の酸化アルミニウム粉末を入手した。さらにキシダ化学(株)製のオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)の液体を入手した。純度は粉末原料がいずれも99.9質量%以上、液体原料が99.999質量%以上であった。
上記原料を用いて、混合比率を調整して表1に示す最終組成となるガーネット型酸化物原料(混合原料No.1)を作製した。
即ち、テルビウムとアルミニウム、及びスカンジウムのモル数がそれぞれ表1の組成のモル比率となるよう秤量した混合粉末を用意した。続いてTEOSを、その添加量がSiO2換算で表1の質量%(0.01質量%)になるように秤量して原料に加えた。その後、エタノール中でアルミナ製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は15時間であった。
なお、別途上記混合原料No.1についてさらにスプレードライ処理を行って、平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製し、この顆粒状原料をイットリアるつぼに入れ高温マッフル炉にて1200℃にて保持時間3時間で焼成処理し、得られた焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析したところ(XRD分析)、X線回折パターンのリファレンスデータと測定パターンとの比較からこの焼成原料はガーネット単相(立方晶)のみと確認された。
[Example 1]
Terbium oxide powder, scandium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., and aluminum oxide powder manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd. were obtained. Furthermore, a liquid of tetraethyl orthosilicate (TEOS) manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. was obtained. The purity was 99.9% by mass or more for the powder material and 99.999% by mass for the liquid material.
A garnet type oxide raw material (mixed raw material No. 1) having the final composition shown in Table 1 was prepared by adjusting the mixing ratio using the above raw materials.
That is, a mixed powder weighed so that the number of moles of terbium, aluminum, and scandium each had a molar ratio of the composition shown in Table 1 was prepared. Subsequently, TEOS was weighed and added to the raw material so that the amount added was in mass% (0.01 mass%) in Table 1 in terms of SiO 2 . Thereafter, dispersion and mixing were performed in an ethanol ball mill apparatus in ethanol. The processing time was 15 hours.
In addition, the above mixed raw material No. 1 is further spray-dried to produce a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm. The granular raw material is placed in an yttria crucible and fired at 1200 ° C. in a high-temperature muffle furnace for 3 hours, When the obtained fired raw material was analyzed by a diffraction X-ray diffractometer manufactured by Panalical (XRD analysis), it was found that the fired raw material was a garnet single phase (cubic crystal) from comparison of the reference data and measurement pattern of the X-ray diffraction pattern. ) Only confirmed.
前記混合原料No.1につき、再度エタノール中でナイロン製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は20時間であった。こうして得られた湿式スラリーを2つのグループに分け、一方には、バインダーとして日本酢ビポバール(株)製のポリビニルアルコールとポリ酢酸ビニルの共重合体(ガラス転移温度48℃)をエタノール中に20質量%となるように溶解させた熱可塑性樹脂溶液を原料粉末全体(混合原料No.1+バインダー)の質量に対してポリビニルアルコールとポリ酢酸ビニルの共重合体が4質量%となるように秤量して添加し、その後3時間バインダー添加スラリー(原料粉末スラリー(1))を撹拌混合した。他方には同じ熱可塑性樹脂溶液を原料粉末全体(混合原料No.1+バインダー)の質量に対してポリビニルアルコールとポリ酢酸ビニルの共重合体が1質量%となるように秤量して添加し、その後3時間バインダー添加スラリー(原料粉末スラリー(2))を撹拌混合した。原料粉末スラリー(1)、(2)においていずれのバインダーもスラリー中で溶解していた。
これら2つのグループに分けた原料粉末スラリー(1)、(2)を、いずれも24時間静置して沈降、沈殿させ、凝集沈殿物を形成させた。それぞれ上澄み液を除去し、残った凝集沈殿物を直径10mmφの丸底遠心チューブに充填して遠心分離機にセットし、これらの丸底遠心チューブを最大遠心力3000Gで1時間(60分間)回転させて、丸底遠心チューブに充填した凝集沈殿物を遠心分離した。遠心分離終了後に、再び上澄み液を除去してから固形成形体(遠心鋳込み成形体)を回収した。回収した固形成形体を48時間かけて60℃でオーブン乾燥させることで鋳込み乾燥成形体を得た。
The mixed raw material No. 1 was again dispersed and mixed in ethanol in a nylon ball mill. The processing time was 20 hours. The wet slurry thus obtained was divided into two groups. On one side, 20 mass of a polyvinyl alcohol-polyvinyl acetate copolymer (glass transition temperature 48 ° C.) made by Nippon Vinegar Bipovar Co., Ltd. as a binder in ethanol. % Of the thermoplastic resin solution dissolved so as to be 4% by mass of the copolymer of polyvinyl alcohol and polyvinyl acetate with respect to the mass of the entire raw material powder (mixed raw material No. 1 + binder). After that, the binder added slurry (raw material powder slurry (1)) was stirred and mixed for 3 hours. On the other side, the same thermoplastic resin solution was weighed and added so that the copolymer of polyvinyl alcohol and polyvinyl acetate was 1% by mass with respect to the mass of the entire raw material powder (mixed raw material No. 1 + binder), and then The binder added slurry (raw material powder slurry (2)) was stirred and mixed for 3 hours. In the raw material powder slurries (1) and (2), both binders were dissolved in the slurry.
The raw material powder slurries (1) and (2) divided into these two groups were allowed to stand for 24 hours to be settled and precipitated to form an aggregated precipitate. Each supernatant was removed, the remaining aggregated sediment was filled into a round bottom centrifuge tube with a diameter of 10 mmφ, and set in a centrifuge. These round bottom centrifuge tubes were rotated at a maximum centrifugal force of 3000 G for 1 hour (60 minutes). The aggregated sediment filled in the round bottom centrifuge tube was centrifuged. After completion of the centrifugation, the supernatant was removed again, and the solid molded body (centrifugal cast body) was recovered. The collected solid molded body was oven-dried at 60 ° C. for 48 hours to obtain a cast dry molded body.
得られた鋳込み乾燥成形体を、更に表2に示すように5つのグループ(実施例1−1、比較例1−1〜1−4)に分けた。そして表2に示す条件の成形工程(鋳込み乾燥−CIP処理−WIP処理、鋳込み乾燥−CIP処理、鋳込み乾燥−WIP処理の3水準)でセラミックス成形体サンプルを作製した(表中、〇印はそのプレス処理を行っており、−印はそのプレス処理を行っていないことを示す(以下、同じ))。
なお、この成形工程における室温は20℃であった。CIP条件は、加圧媒体:水、加圧媒体温度:20℃、印加圧力196MPa、加圧時間:2分間とした。また、WIP条件は、加圧媒体:水、加圧媒体温度:60℃、CIP成形体加熱温度:60℃、印加圧力196MPa、加圧時間:2分間とした。
The obtained cast dry molded bodies were further divided into five groups (Example 1-1, Comparative Examples 1-1 to 1-4) as shown in Table 2. And the ceramic molded object sample was produced in the molding process (three levels of casting drying-CIP processing-WIP processing, casting drying-CIP processing, casting drying-WIP processing) under the conditions shown in Table 2 A press process is performed, and a minus sign indicates that the press process is not performed (hereinafter the same).
In addition, the room temperature in this shaping | molding process was 20 degreeC. The CIP conditions were: pressurizing medium: water, pressurizing medium temperature: 20 ° C., applied pressure of 196 MPa, pressurizing time: 2 minutes. The WIP conditions were as follows: pressurized medium: water, pressurized medium temperature: 60 ° C., CIP compact heating temperature: 60 ° C., applied pressure of 196 MPa, pressurized time: 2 minutes.
得られたセラミックス成形体サンプルについて、各々のサンプルの重さw(g)を測定し、さらに直径r(mm)と長さL(mm)も測定して、それぞれの成形体密度を以下の式で計算により求めた。
成形体密度(g/cm3)=(4000w)/(πr2L)
また、セラミックス成形体サンプルの外観を目視で観察した。
About the obtained ceramic molded object sample, the weight w (g) of each sample is measured, diameter r (mm) and length L (mm) are also measured, and each molded object density is expressed by the following formula. It was obtained by calculation.
Molded body density (g / cm 3 ) = (4000 w) / (πr 2 L)
Moreover, the external appearance of the ceramic molded body sample was visually observed.
次に、おのおののセラミックス成形体をいずれもマッフル炉中で1000℃、2時間の条件にて脱脂処理した。続いて、当該脱脂済セラミックス成形体を酸素雰囲気炉に仕込み、1730℃で3時間の焼結処理を行って焼結体を得た。更にこれら各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar雰囲気中、加圧力200MPa、加熱温度1600℃、保持時間2時間の条件でHIP処理を行った。続いて、得られた各HIP処理済焼結体を酸素雰囲気炉に仕込み、加熱温度1350℃にて保持時間4時間のアニール処理を行って酸素欠損を回復させたセラミックス焼結体を得た。
こうして得られた各セラミックス焼結体を、直径5mm、長さ15mmとなるように研削及び研磨処理し、更にそれぞれのセラミックス焼結体の光学両端面を光学面精度λ/2(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨して評価用サンプルを得た。
Next, each ceramic compact was degreased in a muffle furnace at 1000 ° C. for 2 hours. Subsequently, the degreased ceramic formed body was charged into an oxygen atmosphere furnace, and sintered at 1730 ° C. for 3 hours to obtain a sintered body. Further, each of these sintered bodies was charged into a carbon heater HIP furnace and subjected to HIP treatment in an Ar atmosphere under a pressure of 200 MPa, a heating temperature of 1600 ° C., and a holding time of 2 hours. Subsequently, each of the obtained HIP-treated sintered bodies was charged into an oxygen atmosphere furnace, and an annealing treatment was performed at a heating temperature of 1350 ° C. for a holding time of 4 hours to obtain a ceramic sintered body in which oxygen deficiency was recovered.
Each ceramic sintered body thus obtained was ground and polished so as to have a diameter of 5 mm and a length of 15 mm, and the optical end faces of each ceramic sintered body were subjected to optical surface accuracy λ / 2 (measurement wavelength λ = The sample for evaluation was obtained by final optical polishing in the case of 633 nm.
次に各サンプルについて全光線透過率及び前方散乱率を次のように測定した。ここでサンプルのn数は各々3個ずつとし、測定結果の平均値を各サンプルの測定値とした(以下同じ)。
(全光線透過率、前方散乱率の測定方法)
日本分光(株)製の分光光度計V−670を用いて、波長1064nmにおける全光線透過率を測定した。測定方法としては、まず該分光光度計V−670に評価用サンプルをセットせずに分光器で分光させた光(波長1064nmの光(以下同じ))を照射し、該光を予め装置にセットされている積分球で受けて、集光された光を検知器で受光する。得られた照度をI0とし、続いて評価用サンプルを装置にセットして、今度は分光させた光を評価用サンプルに入射し、透過してきた光を再度積分球で集めて検知器で受光する。得られた照度をIとして式(1)により全光線透過率を求めた。
更に前方散乱率を続けて測定した。即ち積分球のセットアップを、直線透過光を除去するモードに切り替えて、評価用サンプルをセットしたままの状態で再び分光させた光を評価用サンプルに入射し、透過してきた光のうちの直線透過光以外の光を積分球で集めて検知器で受光した。得られた照度をIsとして式(2)により前方散乱率を求めた。
全光線透過率(%/15mm)=I/I0×100 ・・・・式(1)
前方散乱率 (%/15mm)=Is/I0×100 ・・・式(2)
以上の結果を表2にまとめて示す。
Next, the total light transmittance and the forward scattering rate of each sample were measured as follows. Here, the n number of samples was 3 each, and the average value of the measurement results was the measured value of each sample (hereinafter the same).
(Measurement method of total light transmittance and forward scattering rate)
The total light transmittance at a wavelength of 1064 nm was measured using a spectrophotometer V-670 manufactured by JASCO Corporation. As a measuring method, firstly, the spectrophotometer V-670 was irradiated with light (wavelength 1064 nm light (hereinafter the same)) dispersed with a spectroscope without setting an evaluation sample, and the light was previously set in the apparatus. Received by the integrating sphere, and the collected light is received by the detector. The obtained illuminance is set to I 0, and then an evaluation sample is set in the apparatus. This time, the dispersed light is incident on the evaluation sample, and the transmitted light is collected again by the integrating sphere and received by the detector. To do. The total light transmittance was calculated | required by Formula (1) by using the obtained illumination intensity as I.
Further, the forward scattering rate was continuously measured. In other words, the integration sphere setup is switched to a mode that removes the linearly transmitted light, and the light that is split again with the evaluation sample set is incident on the evaluation sample, and the linearly transmitted light out of the transmitted light is transmitted. Light other than light was collected by an integrating sphere and received by a detector. Using the obtained illuminance as Is, the forward scattering rate was determined by equation (2).
Total light transmittance (% / 15 mm) = I / I 0 × 100 (1)
Forward scattering rate (% / 15 mm) = Is / I 0 × 100 (2)
The above results are summarized in Table 2.
上記結果から、バインダー(熱可塑性樹脂)を4質量%添加した原料粉末スラリーを用いて、鋳込み乾燥−CIP処理−WIP処理の成形工程を行った実施例1−1が最も成形体密度が向上し、焼結後の全光線透過率が最大となり、前方散乱率が最少となっていた。同じくバインダーを添加した原料粉末スラリーであっても、鋳込み乾燥−CIP処理、鋳込み乾燥−WIP処理の成形工程を行った比較例1−1、1−2では、成形体密度が上がりにくく、全光線透過率も実施例1−1よりも若干低下し、前方散乱率も悪化していた。なお、比較例1−1と比較例1−2との比較から、鋳込み乾燥−WIP処理の成形条件の方が鋳込み乾燥−CIP処理の成形条件よりも成形体密度が高めとなるが、焼結してみると全光線透過率と前方散乱は劣っていることが確認された。また、バインダー添加量1質量%の原料粉末スラリー(比較例1−3、1−4)では、鋳込み乾燥−CIP処理、鋳込み乾燥−CIP処理−WIP処理のいずれの成形条件においても、ある程度の成形体密度を示したが、セラミックス成形体に一部クラックが生じ、全光線透過率、前方散乱率がともにあまりよくなかった。これは、せっかく添加したバインダーの多くが鋳込み乾燥中に系外に排出されてしまい、成形体中に残存する正味のバインダー量が1質量%を大きく割り込んだためと推定される。 From the above results, Example 1-1 in which the molding step of casting drying-CIP treatment-WIP treatment was performed using the raw material powder slurry to which 4% by mass of a binder (thermoplastic resin) was added had the highest density of the compact. The total light transmittance after sintering was maximized, and the forward scattering rate was minimized. Similarly, even in the case of the raw material powder slurry to which the binder has been added, in Comparative Examples 1-1 and 1-2 in which the molding steps of casting drying-CIP processing and casting drying-WIP processing were performed, it is difficult to increase the density of the molded body. The transmittance was also slightly lower than in Example 1-1, and the forward scattering rate was also deteriorated. In addition, from comparison between Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2, the molding density of the casting drying-WIP process is higher than the molding condition of the casting drying-CIP process. As a result, it was confirmed that the total light transmittance and forward scattering were inferior. In addition, in the raw material powder slurry (Comparative Examples 1-3 and 1-4) with a binder addition amount of 1% by mass, a certain amount of molding is performed under any molding conditions of casting drying-CIP processing, casting drying-CIP processing-WIP processing. Although the body density was shown, some cracks occurred in the ceramic molded body, and the total light transmittance and the forward scattering rate were not so good. This is presumably because most of the added binder was discharged out of the system during casting and drying, and the net amount of binder remaining in the molded body greatly exceeded 1% by mass.
[実施例2]
大明化学工業(株)製のスピネル(MgAl2O4)粉末を入手した。純度は99.99質量%以上であった(4N−MgAl2O4と表記する)。更に宇部マテリアルズ(株)製の酸化マグネシウム粉末も入手した。純度は99.99質量%以上であった。
上記原料を用いて、4N−MgAl2O4に対して酸化マグネシウム粉末をMgO換算で0.1質量%になるように秤量して混合し、出発原料を準備した後、エタノール中でアルミナ製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は15時間であった。その後更にスプレードライ処理を行って、平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。
上記顆粒状原料をアルミナるつぼに入れマッフル炉にて650℃にて保持時間3時間で焼成処理して焼成原料(焼成原料No.1)を得た。得られた焼成原料をパナリティカル社製粉末X線回折装置で回折パターン解析した(XRD分析)ところ、X線回折パターンのリファレンスデータと測定パターンとの比較から当該試料がスピネル単相のみからなることを確認した。
[Example 2]
Spinel (MgAl 2 O 4 ) powder manufactured by Daimei Chemical Industry Co., Ltd. was obtained. The purity was 99.99% by mass or more (denoted as 4N—MgAl 2 O 4 ). Furthermore, magnesium oxide powder made by Ube Materials Co., Ltd. was also obtained. The purity was 99.99% by mass or more.
Using the above raw materials, magnesium oxide powder was weighed and mixed so as to be 0.1% by mass in terms of MgO with respect to 4N-MgAl 2 O 4 to prepare a starting raw material, and then an alumina ball mill in ethanol Dispersion / mixing processing was performed in the apparatus. The processing time was 15 hours. Thereafter, spray drying treatment was further performed to prepare a granular raw material having an average particle diameter of 20 μm.
The granular raw material was placed in an alumina crucible and fired in a muffle furnace at 650 ° C. for a holding time of 3 hours to obtain a fired raw material (firing raw material No. 1). When the obtained fired raw material was subjected to a diffraction pattern analysis with a powder X-ray diffractometer manufactured by Panalical (XRD analysis), it was found that the sample consisted of only a spinel single phase based on a comparison between the reference data of the X-ray diffraction pattern and the measurement pattern It was confirmed.
当該焼成原料につき、再度エタノール中でアルミナ製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は20時間であった。こうして得られた湿式スラリーを2つのグループに分け、一方には、バインダーとして日本酢ビポバール(株)製のポリビニルアルコール(ガラス転移温度60℃)をエタノール中に20質量%となるように溶解させた熱可塑性樹脂溶液を原料粉末全体(焼成原料No.1+バインダー)の質量に対してポリビニルアルコールが4質量%となるように秤量して添加し、その後3時間バインダー添加スラリー(原料粉末スラリー(1))を撹拌混合した。他方には同じ熱可塑性樹脂溶液を原料粉末全体(焼成原料No.1+バインダー)の質量に対してポリビニルアルコールが1質量%となるように秤量して添加し、その後3時間バインダー添加スラリー(原料粉末スラリー(2))を撹拌混合した。原料粉末スラリー(1)、(2)においていずれのバインダーもスラリー中で溶解していた。 The fired raw material was again dispersed and mixed in ethanol using an alumina ball mill. The processing time was 20 hours. The wet slurry thus obtained was divided into two groups, and on one side, polyvinyl alcohol (glass transition temperature 60 ° C.) manufactured by Nippon Vinegar Bipoval Co., Ltd. as a binder was dissolved in ethanol so as to be 20% by mass. The thermoplastic resin solution was weighed and added so that the polyvinyl alcohol was 4% by mass with respect to the mass of the entire raw material powder (calcined raw material No. 1 + binder), and then the binder added slurry (raw material powder slurry (1)) for 3 hours. ) Was mixed with stirring. On the other hand, the same thermoplastic resin solution was weighed and added so that the polyvinyl alcohol would be 1% by mass with respect to the mass of the whole raw material powder (firing raw material No. 1 + binder), and then the binder added slurry (raw material powder) Slurry (2)) was mixed with stirring. In the raw material powder slurries (1) and (2), both binders were dissolved in the slurry.
これら2つのグループに分けた原料粉末スラリー(1)、(2)を、いずれも24時間静置して沈降、沈殿させ、凝集沈殿物を形成させた。それぞれ上澄み液を除去し、残った凝集沈殿物を直径10mmφの丸底遠心チューブに充填して遠心分離機にセットし、これらの丸底遠心チューブを最大遠心力2000Gで3時間(180分間)回転させて、丸底遠心チューブに充填した凝集沈殿物を遠心分離した。遠心分離終了後に、再び上澄み液を除去してから固形成形体(遠心鋳込み成形体)を回収した。回収した固形成形体を48時間かけて60℃でオーブン乾燥させることで鋳込み乾燥成形体を得た。 The raw material powder slurries (1) and (2) divided into these two groups were allowed to stand for 24 hours to be settled and precipitated to form an aggregated precipitate. Each supernatant was removed, and the remaining aggregated precipitate was filled into a round bottom centrifuge tube having a diameter of 10 mmφ and set in a centrifuge. These round bottom centrifuge tubes were rotated at a maximum centrifugal force of 2000 G for 3 hours (180 minutes). The aggregated sediment filled in the round bottom centrifuge tube was centrifuged. After completion of the centrifugation, the supernatant was removed again, and the solid molded body (centrifugal cast body) was recovered. The collected solid molded body was oven-dried at 60 ° C. for 48 hours to obtain a cast dry molded body.
得られた鋳込み乾燥成形体を、更に表3に示すように5つのグループ(実施例2−1、比較例2−1〜2−4)に分けた。そして表3に示す条件の成形工程(鋳込み乾燥−CIP処理−WIP処理、鋳込み乾燥−CIP処理、鋳込み乾燥−WIP処理の3水準)でセラミックス成形体サンプルを作製した。
なお、この成形工程における室温は20℃であった。CIP条件は、加圧媒体:水、加圧媒体温度:20℃、印加圧力196MPa、加圧時間:2分間とした。また、WIP条件は、加圧媒体:水、加圧媒体温度:70℃、CIP成形体加熱温度:70℃、印加圧力196MPa、加圧時間:2分間とした。
The obtained cast dry molded bodies were further divided into five groups (Example 2-1 and Comparative Examples 2-1 to 2-4) as shown in Table 3. And the ceramic molded object sample was produced in the shaping | molding process (3 levels of casting dry-CIP process-WIP process, casting dry-CIP process, casting dry-WIP process) of the conditions shown in Table 3.
In addition, the room temperature in this shaping | molding process was 20 degreeC. CIP conditions were as follows: pressurized medium: water, pressurized medium temperature: 20 ° C., applied pressure of 196 MPa, pressurized time: 2 minutes. The WIP conditions were as follows: pressurized medium: water, pressurized medium temperature: 70 ° C., CIP compact heating temperature: 70 ° C., applied pressure of 196 MPa, pressurized time: 2 minutes.
得られたセラミックス成形体サンプルについて、各々のサンプルの重さw(g)を測定し、さらに直径r(mm)と長さL(mm)も測定して、それぞれの成形体密度を以下の式で計算により求めた。
成形体密度(g/cm3)=(4000w)/(πr2L)
また、セラミックス成形体サンプルの外観を目視で観察した。
About the obtained ceramic molded object sample, the weight w (g) of each sample is measured, diameter r (mm) and length L (mm) are also measured, and each molded object density is expressed by the following formula. It was obtained by calculation.
Molded body density (g / cm 3 ) = (4000 w) / (πr 2 L)
Moreover, the external appearance of the ceramic molded body sample was visually observed.
次に、おのおののセラミックス成形体をいずれもマッフル炉中で800℃、3時間の条件にて脱脂処理した。続いて、当該脱脂済セラミックス成形体を酸素雰囲気炉に仕込み、1450℃で3時間の焼結処理を行って焼結体を得た。更にこれら各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar雰囲気中、加圧力200MPa、加熱温度1550℃、保持時間2時間の条件でHIP処理を行った。続いて、得られた各HIP処理済焼結体を酸素雰囲気炉に仕込み、加熱温度1100℃にて保持時間4時間のアニール処理を行って酸素欠損を回復させたセラミックス焼結体(スピネル焼結体)を得た。
こうして得られた各セラミックス焼結体を、直径5mm、長さ15mmとなるように研削及び研磨処理し、更にそれぞれのセラミックス焼結体の光学両端面を光学面精度λ/2(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨して評価用サンプルを得た。
こうして得られた各サンプルについて、実施例1と同様の測定条件にて全光線透過率、ならびに前方散乱率を測定した。得られた結果を表3にまとめて示す。
Next, each ceramic compact was degreased in a muffle furnace at 800 ° C. for 3 hours. Subsequently, the degreased ceramic molded body was charged into an oxygen atmosphere furnace, and sintered at 1450 ° C. for 3 hours to obtain a sintered body. Further, each of these sintered bodies was charged into a carbon heater HIP furnace and subjected to HIP treatment in an Ar atmosphere under a pressure of 200 MPa, a heating temperature of 1550 ° C., and a holding time of 2 hours. Subsequently, each of the obtained HIP-treated sintered bodies was charged into an oxygen atmosphere furnace, and annealed at a heating temperature of 1100 ° C. for a holding time of 4 hours to recover oxygen deficiency (spinel sintering) Body).
Each ceramic sintered body thus obtained was ground and polished so as to have a diameter of 5 mm and a length of 15 mm, and the optical end faces of each ceramic sintered body were subjected to optical surface accuracy λ / 2 (measurement wavelength λ = The sample for evaluation was obtained by final optical polishing in the case of 633 nm.
With respect to each sample thus obtained, the total light transmittance and the forward scattering rate were measured under the same measurement conditions as in Example 1. The results obtained are summarized in Table 3.
上記結果から、バインダー(熱可塑性樹脂)を4質量%添加した原料粉末スラリーを用いて、鋳込み乾燥−CIP処理−WIP処理の成形工程を行った実施例2−1が最も成形体密度が向上し、焼結後の全光線透過率が最大となり、前方散乱率が最少となっていた。同じくバインダーを添加した原料粉末スラリーであっても、鋳込み乾燥−CIP処理、鋳込み乾燥−WIP処理の成形工程を行った比較例2−1、2−2では、成形体密度が上がりにくく、全光線透過率も実施例2−1よりも若干低下し、前方散乱率も悪化していた。なお、比較例2−1と比較例2−2との比較から、鋳込み乾燥−WIP処理の成形条件の方が鋳込み乾燥−CIP処理の成形条件よりも成形体密度が高めとなるが、焼結してみると全光線透過率と前方散乱は劣っていることが確認された。また、バインダー添加量1質量%の原料粉末スラリー(比較例2−3、2−4)では、鋳込み乾燥−CIP処理、鋳込み乾燥−CIP処理−WIP処理のいずれの成形条件においても、セラミックス成形体にクラックが生じ、全光線透過率、前方散乱率の測定ができなかった。即ち、バインダー添加量が1質量%では、実施例1でも考察したとおり、セラミックス成形体の保形性が不足するためと考えられる。 From the above results, Example 2-1 in which the molding step of casting drying-CIP treatment-WIP treatment was performed using the raw material powder slurry to which 4% by mass of a binder (thermoplastic resin) was added had the highest density of the compact. The total light transmittance after sintering was maximized, and the forward scattering rate was minimized. Similarly, even in the raw material powder slurry to which the binder is added, in Comparative Examples 2-1 and 2-2 in which the molding process of casting drying-CIP processing and casting drying-WIP processing is performed, the density of the molded body is difficult to increase, The transmittance was also slightly lower than in Example 2-1, and the forward scattering rate was also deteriorated. From comparison between Comparative Example 2-1 and Comparative Example 2-2, the molding density of the casting drying-WIP process is higher than the molding condition of the casting drying-CIP process. As a result, it was confirmed that the total light transmittance and forward scattering were inferior. Moreover, in the raw material powder slurry (Comparative Examples 2-3 and 2-4) having a binder addition amount of 1% by mass, a ceramic molded body under any molding conditions of casting drying-CIP processing and casting drying-CIP processing-WIP processing. Cracks occurred in the film, and total light transmittance and forward scattering rate could not be measured. That is, it is considered that when the added amount of the binder is 1% by mass, the shape retention of the ceramic molded body is insufficient as discussed in Example 1.
以上、本実施例で示した通り、セラミックス粉末を成形するに当たり、原料粉末成分として予め熱可塑性樹脂を2質量%以上40質量%以下添加して原料粉末スラリーを調製し、該原料粉末スラリーを用いて湿式鋳込みして鋳込み成形体を作製し、乾燥した後、この鋳込み乾燥成形体を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満の室温下にて冷間静水圧加圧(CIP)成形し、しかる後に該CIP成形体を、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上に加温しながら温間静水圧加圧(WIP)成形することにより、残存空隙が極めて小さく、且つ残留応力の解消された、緻密で良好なセラミックス成形体を作製することができる。また、このセラミックス成形体を用いて焼結処理することにより、残存気泡の極めて少ない、真に高密度なセラミックス焼結体を作製できる。その結果、光透過性、機械的強度、熱伝導率が向上した、従来よりも特性の良好な高品質セラミックス焼結体を提供することができる。 As described above, in forming the ceramic powder as shown in this example, a raw material powder slurry is prepared by adding 2% by mass to 40% by mass of a thermoplastic resin in advance as a raw material powder component, and using the raw material powder slurry. After wet casting to produce a cast molded body and drying, the cast dry molded body is subjected to cold isostatic pressing (CIP) molding at room temperature below the glass transition temperature of the thermoplastic resin, and thereafter The CIP compact is warm and isostatically pressed (WIP) while being heated above the glass transition temperature of the thermoplastic resin, so that the residual voids are extremely small and the residual stress is eliminated. A good ceramic molded body can be produced. Moreover, by carrying out a sintering treatment using this ceramic molded body, a truly high-density ceramic sintered body with extremely few remaining bubbles can be produced. As a result, it is possible to provide a high-quality ceramic sintered body having improved light transmittance, mechanical strength, and thermal conductivity and better characteristics than conventional ones.
なお、これまで本発明を上記実施形態をもって説明してきたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the present invention has been described with the above embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and those skilled in the art can conceive other embodiments, additions, changes, deletions, and the like. It can be changed within the range, and any embodiment is included in the scope of the present invention as long as the effects of the present invention are exhibited.
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