JP4671501B2

JP4671501B2 - 軽量セラミックス部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP4671501B2
Application number: JP2000398612A
Authority: JP
Inventors: 正博中原; 俊之井原; 裕作石峯
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002226285A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、半導体製造装置等、各産業分野において幅広く利用することができる軽量セラミックス部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造部品に用いられる部材は、従来から金属が用いられているが、近年セラミックスの利用も増えてきている。これは、軽量、高剛性、高硬度、低熱膨張等の金属に対する優位な特性によるものであり、Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物、ＳｉＣ等の炭化物、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化物から目的に応じて選定されている。中でも、構造部材の軽量化は全般的に現代の趨勢である。例えば、ステージ装置のように動く構造物では、軽いほど速く移動させることができ、また軽いほど駆動源への負担が少なくでき、また軽いほど慣性力が小さくなり制御性が高くなることは明らかである。
【０００３】
かかる軽量化の課題を解決すべく、（１）セラミックス粉末に予め粒子状又はビーズ状の有機物を混合して成形した後、或いはスポンジ上の有機物にセラミックス粉末のスラリーを坦持させた後、これらの有機物を焼成と同時に燃焼させることにより気孔を形成させてなる有機物焼失型軽量セラミックス、（２）セラミックス粉末スラリーに発泡剤を添加して発泡させた後、鋳込み成形し、乾燥・脱脂し、焼成してなる焼結体内部が多孔体で表層が緻密層からなる軽量セラミックスが提案されている（特開平５−３１０４８２号、特開平６−２４７７７８号、特開平１０−１８７１６３号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記（１）の軽量セラミックスは、表面部分に存在する有機物の燃焼により、その表面の平滑度は低下する。また、セラミックス粉末に混入させる有機物の微細化にも限界があり、これにより得られるセラミックスは比較的大きな気孔を有しているため強度が低い。
【０００５】
上記（２）の軽量セラミックスは、発泡剤を使用したスラリーの鋳込み成形を用いる為に、気孔が傾斜配向している。この為、厚み方向に対し密度の不均一が発生し、焼成時に反り等の変形を生じる。また、例えば、構造部材において、荷重を受ける部品やねじの締結が必要となる部品等への適用に際しては、気孔が多く存在する部分は強度的にも避けるような設計上の配慮が必要となり、その使用には制限がでてくる。また、これは鋳込み成形が必須のプロセスとなるため、緻密層の厚みを容易に厚くしたり、厚みを制御することは難しく、また内部の多孔体においてもスラリー中の気泡制御が難しい等の生産性に問題がありコストアップにつながるなどの問題点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、構造部材として適用可能な軽量化を実現するセラミックス焼結体の具体的な構成について検討を重ねた結果、気孔率２５〜８０体積％であり、ＭｇＯ：６〜１８質量％、Ａｌ _２Ｏ _３：３４〜４６質量％、ＳｉＯ _２：３６〜６０質量％のコージェライトの多孔質セラミックスからなる基体に、金属珪素を含浸してなる気孔率５体積％以下の表面緻密層を５００μｍ以上の厚みで構成することにより、嵩比重が２以下の軽量化が図れることを見出した。
【０００７】
この表面緻密層の表層にＳｉＯ_２膜が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、ＭｇＯ：６〜１８質量％、Ａｌ _２Ｏ _３：３４〜４６質量％、ＳｉＯ _２：３６〜６０質量％のコージェライトの多孔質セラミックスからなる基体の表面に、金属珪素粉末と溶媒及びバインダーを混合した金属珪素ペーストを塗布した後、金属珪素の融点以上に加熱することで、金属珪素を表層に含浸させ表面緻密層を形成する製造方法を見出したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、多孔質セラミックスからなる基体の表層のみへの含浸を行うことで、内部を多孔体、表層を緻密体とした嵩比重２以下の軽量セラミックス部材の提供を可能にした。
【００１０】
図１に本発明の軽量セラミックス部材の模式的構成図を示す。この図に示すように、本発明の軽量セラミックス部材１は、２５〜８０体積％の気孔率を有する多孔質セラミックスからなる基体２と気孔率５体積％以下を有する表面緻密層３からなり、この基体２をコージェライトで形成し、その表面緻密層３として金属珪素を含浸し強化した構成となり、全体の嵩比重を２以下としてある。
【００１１】
ここで、嵩比重２以下の軽量セラミックス部材１を得る為には、多孔体の気孔率を２５〜８０体積％とする必要がある。気孔率が２５体積％より小さいと嵩比重２以下の達成が困難となり、８０体積％を越えると、気孔が著しく多くなるため金属珪素を基体２の表面に含浸してなる表面緻密層３を備えることが困難となる。本発明に係る多孔質セラミックスは、セラミックス粒子の間隙を利用して気孔を形成する為、焼結体中に均質に気孔を存在させることができる。気孔の形成については、セラミックス材料の焼結時の収縮を小さくすることが好ましく、本発明者は、コージェライトをセラミックス材料に選定した。
【００１２】
このセラミックス材料には、強度や靱性を強化するためのウィスカー等を添加して用いても何ら問題はない。気孔率の制御については、成形時の生密度調整、セラミックス粉末に対する焼成と同時に消失する粒子状又はビーズ状の有機物添加量の調整で行うことができる。
【００１３】
このようにして得られた多孔質セラミックスの表面は平滑性が低くなるために、本発明では気孔率５体積％以下の表面緻密層３を５００μｍ以上の厚みで備える構造とした。気孔率が５体積％より大きいと表面緻密化が不十分となり、平滑性はもとより水中等での使用において、含水等の不具合が生じる。表面緻密層３としては、金属珪素を選定した。金属珪素は、表面塗布後に融点以上に加熱して溶融させることで基体２の表面へ含浸が可能となる。
【００１４】
ここで、表面緻密層３にはウィスカー等を加えて強化しても何ら問題はない。表面緻密層３の気孔率や厚みは、含浸する溶液の粘度や塗布量を調整することで任意に設定できる。粘度が低すぎると、基体２の表面に溶液がとどまらないために、表面緻密層３の気孔率は大きくなる。また、塗布量が多い程、表面緻密層３の厚みを大きくできる。構造部材として、高強度の要求等、使用目的に応じて表面緻密層３の厚みを設計すればよい。
【００１５】
また、構造部材としての使用には、加工等を行う場合があるため本発明では表面緻密層３を５００μｍ以上に設計した。
【００１６】
また、このような要求に対する強化方法としては、基体２の表面に金属珪素を含浸してなる表面緻密層３の表面に加熱処理を施すことでも可能である。これは、表面緻密層３の表層の金属珪素を酸化し、ＳｉＯ_２膜を形成させることで、加工傷等の表面欠陥を小さくすることができるためである。また、金属珪素を溶融含浸させる場合には、金属珪素の融点の１４１０℃まで温度を上げる必要があるが、コージェライトは、融点が窒化珪素や炭化珪素ほど高くないために、金属珪素の含浸時に溶融しない組成比に設定する必要がある。この為、本発明でその組成について検討を重ねた結果、図２（ａ）のハッチング部で示すＭｇＯ：６〜１８重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：３４〜４６重量％、ＳｉＯ_２：３６〜６０重量％の範囲が良好であることを見出した。
【００１７】
このようにして得られる焼結体は嵩比重が２以下であり、従来のセラミックス緻密体にはない軽量化を実現できる。
【００１８】
次に、本発明の製造方法について説明する。
【００１９】
最初に、コージェライトの多孔質セラミックスの作製を行う。コージェライトについては、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２粉末を所望の割合で計量し、分散剤及びイオン交換水をポットミルに投入し、高純度アルミナボール、あるいはジルコニアボールによって均一に混合させる。ここで、収縮を抑えるためにＣａＯ、希土類等の焼結助剤は添加しない。
【００２０】
このようにして得られた泥しょうにバインダーを加えた後、スプレードライヤーにて乾燥造粒して造粒粉末を製作し、この造粒粉末を金型に充填してメカプレスやラバープレス法等の公知の成形法によって製作した成形体に切削加工等を施して所定の形状とする。気孔率を大きくしたいときには、前述したとおり有機物を造粒粉末に添加して混合させたものを用いれば良い。
【００２１】
このようにして得られた成形体を１４００〜１４５０℃で大気焼成を行い、多孔体を得る。本方法によれば、焼成時の変形等もなく良好な多孔質セラミックスからなる基体２を得られる。
【００２２】
次に、表面緻密層３の形成方法について述べる。まず、金属珪素粉末と有機溶媒及び有機バインダーとを混合した金属珪素ペーストを多孔質セラミックスからなる基体２の表面に塗布した後、金属珪素の融点１４１０℃以上に加熱する。このとき、溶融した金属珪素は毛細管現象により基体２の表面へ含浸され、基体２に気孔率５体積％以下の表面緻密層３が形成される。
【００２３】
また、金属珪素を含浸してなる表面緻密層３において、約１１００〜１３００℃で大気中熱処理を施すことにより、ＳｉＯ_２膜が表面緻密層３の表層に形成され、加工傷等の表面欠陥を小さくすることができる。
【００２４】
以上の方法により、内部を多孔質セラミックスからなる基体２、そして基体２の表面に金属珪素を含浸してなる気孔率５体積％以下の表面緻密層３を備えることにより、嵩比重２以下の軽量セラミックス部材を提供することができる。例えば、産業機器関係では動くステージやテーブル、搬送関係では台板やコンテナ等への適用が可能である。
【００２５】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例１
本発明の軽量セラミックス部材の一例を説明する。ＭｇＯ：Ａｌ_２Ｏ_３：ＳｉＯ_２の組成比が１３：３７：５０の質量となるように、Ａl_２Ｏ_３粉末、タルク、カオリンを計量し、上記の方法で原料作製を行った。ここで、気孔率１０〜５０体積％の範囲は、成形時の圧力を調整することで作製できるが、気孔率５０体積％を越える範囲については、有機物の添加が必要であるため澱粉を添加して、気孔率の調整を行った。このようにして得られた原料粉末をラバープレスして、２０×２０×２０ｃｍの成形体を作製した。その後、１４３０℃で焼成を行い、気孔率１０〜９０体積％を有する多孔質セラミックスからなる基体の作製を行った。
【００２６】
このようにして得られた多孔質セラミックスからなる基体の表層に、金属珪素、樹脂、ガラスを用いて各々の表面緻密層を形成した。表面緻密層は、ペーストの塗布量を調整し、気孔率の異なるものを用意した。金属珪素の場合は、金属珪素粉末をイソプロピルアルコールとポリエチレングリコールと混合し、ペースト状にしたものを上記多孔体の表面全体に塗布した。その後、真空中で１４３０℃まで昇温することにより金属珪素を基体の表層に溶融・含浸させ、表面緻密層を得た。
【００２７】
ここで、比較例として、上記コージェライトの泥しょうに発泡剤を添加し、石膏型を用いて、２０×２０×２０ｃｍの成形体を鋳込み成形により作製し、焼成を行った。
【００２８】
上記方法で作製したコージェライトを用いた軽量セラミックス部材の嵩比重測定結果を表１に示す。
【００２９】
嵩比重測定はヘリウムガス置換法で行った。また、表面緻密層の気孔率は、飽水重量と乾燥重量を用いて測定を行った。また、表面緻密層の厚みは試料破断面より測定を行った。
【００３０】
この結果、本発明の軽量セラミックス部材は、表面緻密層の気孔率を５体積％以下とし、内部の多孔質セラミックスからなる基体の気孔率を２５体積％以上とすることで、嵩比重２以下の軽量化を達成できた。ここで、Ｎｏ１に示すように、内部の多孔質セラミックスからなる基体の気孔率が１０体積％では嵩比重２以下とすることはできなかった。また、Ｎｏ１４に示すように、内部の多孔質セラミックスからなる基体の気孔率が９０体積％となると表面緻密層を形成することが困難であった。また、Ｎｏ４，７，１３に示すように、表面緻密層の気孔率が５体積％を越えるものは、表面緻密層の厚みが薄く、加工等を要する場合がある構造部材としての使用には不適と判断した。使用用途に応じて、表面緻密層の厚みを大きくする場合は、内部の多孔質セラミックスからなる基体の気孔率を大きくすることで、嵩比重２以下に調整できる。
【００３１】
また、比較例として作製した発泡剤使用のものは、焼成時に大きな変形が発生した。これは、鋳込み成形時の石膏型に接触する部分と接触しない部分とにおいて密度差が発生する為と考えられる。
【００３２】
【表１】

【００３３】
実施例２
次に、コージェライトは融点が窒化珪素や炭化珪素程高くないために、金属珪素を含浸する上で、溶融しない組成範囲の選定を行った。実施例１と同様の方法で図２（ｂ）に示す丸印の組成比のコージェライト多孔体（気孔率４０体積％）を作製し、加熱炉で１４３０℃迄昇温し、溶融有無を確認した。その結果、図２（ｂ）の白丸の組成のものは溶融しなかったが、黒丸の組成のものは溶融した。これより、図２（ａ）に示すハッチング部、即ちＭｇＯ：６〜１８重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：３４〜４６重量％、ＳｉＯ_２：３６〜６０重量％の範囲が溶融せず良好であることが分かった。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の軽量セラミックス部材は、気孔率２５〜８０体積％であり、ＭｇＯ：６〜１８質量％、Ａｌ _２Ｏ _３：３４〜４６質量％、ＳｉＯ _２：３６〜６０質量％のコージェライトの多孔質セラミックスからなる基体に、金属珪素を含浸してなる気孔率５体積％以下の表面緻密層を５００μｍ以上の厚みで備えることで嵩比重２以下の軽量化を実現し、さらには金属珪素を含浸してなる表面緻密層に熱処理を施しＳｉＯ_２膜を形成することで、強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軽量セラミックス部材の構成を示す概略図である。
【図２】（ａ）は本発明のコージェライトの組成範囲を示し、（ｂ）は（ａ）に示す太枠内の拡大図を示す３成分図である。
【符号の説明】
１：軽量セラミックス部材
２：基体（多孔質セラミックス）
３：表面緻密層

Claims

気孔率２５〜８０体積％であり、ＭｇＯ：６〜１８質量％、Ａｌ _２Ｏ _３：３４〜４６質量％、ＳｉＯ _２：３６〜６０質量％のコージェライトの多孔質セラミックスからなる基体に、金属珪素を含浸してなる気孔率５体積％以下の表面緻密層を５００μｍ以上の厚みで備え、嵩比重が２以下であることを特徴とする軽量セラミックス部材。
上記表面緻密層の表層にＳｉＯ_２膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の軽量セラミックス部材。
ＭｇＯ：６〜１８質量％、Ａｌ _２Ｏ _３：３４〜４６質量％、ＳｉＯ _２：３６〜６０質量％のコージェライトの多孔質セラミックスからなる基体の表面に、金属珪素粉末と溶媒及びバインダーを混合した金属珪素ペーストを塗布した後、金属珪素の融点以上に加熱することで、金属珪素を表層に含浸させ表面緻密層を形成することを特徴とする請求項１記載の軽量セラミックス部材の製造方法。