JPH02169239A - 積層焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば一方の面がセラミックス、他面が金
属で、一方の面から多面に進むにつれて金属の比率が増
加する所謂傾斜機能材料を、複数の成形体を積層・焼結
して製造する方法に関する。

この方法は、宇宙航空機用耐熱部材等の製造に利用する
ことができる。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］セラミ
ックス、及び金属材料からなる複合材料を製造する方法
として粉末法が知られている。粉末法は、セラミックス
、及び（又は）金属の粉末をボールミル等の混合手段に
より均一混合し、次いで混合後の原料を成形し、その後
焼結する方法である。

このような粉末法は、安価であり、量産に適していると
いう利点を何している。

しかしながら、粉末法により作成したセラミック成形体
と金属成形体と、又はこれらとこれらの混合成形体とを
積層してセラミックス・金属複合材料焼結体を製造する
場合には、焼結体に反りが発生してしまう。つまり、粉
末法の場合、成形体では通常粉体の粒子と粒子との間に
空隙が形成されているため、焼結後、空隙の消滅に伴っ
て収縮が生じるが、この収縮率の差に起因して反りが発
生してしまうのである。このような反りが生じると、特
に高い寸法精度が必要な用途に関しては実質的に適用す
ることができないという問題点がある。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって
、異種材料の成形体を積層して焼結させた場合に、反り
が発生しない積層焼結体の製造方法を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る積層焼結体の製造方法は、第１に、粉体
又は粒体を成形してなり互いに組成が異なる複数の成形
体を積層し、この積層体を焼結させる積層焼結体の製造
方法であって、前記各成形体は、焼結の際の収縮率が実
質的に同一になるように粒度配合して形成されることを
特徴とする。

第２に、粉状又は粒状のセラミックス、金属、並びに、
セラミックス及び金属の複合体により夫々構成された複
数の成形体を積層し、この積層体を焼結させる積層焼結
体の製造方法であって、前記各成形体は、焼結の際の収
縮率が実質的に同一になるように粒度配合して形成され
ることを特徴とする。

これら第１及び第２の方法において、成形体は、粉状又
は粒状の原料と有機バインダーとを混合し、シート状に
形成することができる。また、第２の方法において、複
数の成形体は、セラミックの含有量が単調に減少又は増
加するように８３層して構成することができる。

［作用］ 粉体又は粒体からなる成形体を焼結させた場合の収縮率
は、これらの粒子間の空隙の量に依存する。この空隙の
量は粉体の粒度に依存し、また異種材料例えばセラミッ
クスと金属とは一般的に平均粒子径が異なるので、材料
が異なる複数の成形体を積層して焼結させると収縮率の
差に起因する反りが発生する。従って、積層すべき各成
形体の収縮率が実質的に同一になるように各成形体の粉
体又は粒体粒度を調整することによりこのような反りを
解消することができる。

［実施例］ 以下、この発明について詳細に説明する。

本願発明者等は、粉末成形法によって形成され、夫々セ
ラミックス、金属、及びこれらの混合体からなる複数の
成形体を積層する場合、通常はセラミックスと金属との
比率により収縮率が異なることを見出した。これは、セ
ラミックス粉末と金属粉末とを比較した場合、粉末の製
造方法の違い、及び素材の特性（延性等）により、一般
的に粉体粒子の大きさが金属粉末のほうが１乃至２オー
ダー大きいことに起因している。具体的には、セラミッ
クスの粒子は一般的に小さく、例えばＺ「０２は平均粒
径がサブミクロンであるのに対し、金属粉末としては平
均粒径が数μｍ乃至数十μｍのものが一般的かつ安価で
ある。従って、セラミック粉末は一般的に嵩高く、成形
体にした場合に空隙が多くなるのに対し、金属粉末は成
形体を形成した際の空隙をセラミック成形体よりも少な
くでき、金属粉末のほうが焼結後の収縮早番小さくする
ことができる。このため、例えば、セラミック成形体を
一方の面とし、金属成形体を他方の面として、これらの
間に１又は２以上のセラミックス及び金属複合体を配す
る所謂傾斜機能材料にお□いて、金属及びセラミックス
の収縮率の差に起因する反りが発生する。

このような収縮率の差について、セラミックスとしてＺ
　ｒ　０２　％金属としてＮｉを使用した場合を例にと
って説明する。第１図は、横軸にＺｒ０２−Ｎｉ系にお
けるＺｒＯ２の体積含有率をとり、縦軸に焼結体の成形
体に対するの幅方向の収縮率をとって、これらの間の関
係を示すグラフである。この第１図において、成形体は
、粉末とバインダーと適量の水とを混合してスラリーを
作成し、このスラリーをドクターブレード法により成形
して作成した。この場合に、ＺｒＯ２粉末としては平均
粒径が０．０３μｍで、Ｙ２Ｏ３を３ｓｏ１９６含む部
分安定化ジルコニアを用い、Ｎｉ粉末としては、平均粒
径５μｍのものを使用した。

また、バインダーとしては水溶性アクリル系のものを用
い、粉体の平均粒径に応じて１０乃至２３！ｆｉＱ　９
ｊｉ添加した。なお、焼成に関しては、１０％の水素を
含むアルゴンガス雰囲気中において、１３５０℃で２時
間保持することにより行なった。

その結果、第１図に示すように、ＺｒＯ２とＮｉとで収
縮率が著しく異なり、また、混合体の場合にはＺ「０２
が２０体積％以上で収縮率が単調増加することが確認さ
れた。従って、異種組成の複合体を反りを発生させずに
焼結させるためには、このような収縮率の差を十分に把
握する必要がある。

この発明は、組成が異なる材料の粉末成形体を積層し、
次いで焼結させる際に発生する反りを抑制するために、
各成形体の収縮率が実質的に同一になるように、成形体
を構成する粉末の粒度配合を行なうものである。ここで
、各成形体は組成が異なっていればよく、構成成分の比
率が互いに異なる場合のみならず、材料が全く異なる場
合も含む。また、セラミックス・金属複合材料の場合の
みならず、例えばセラミックスの異種材料積層体であっ
ても構わない。

粒度配合の方法としては、微粉末原料と、−次粒子を仮
焼結した後粉砕して所望の粒子径にしたものとを適当な
割合で配合する方法、又は、微粉末と、ファイバーを粉
砕して所望の粒径にしたものとを適当な割合に配合する
方法等を採用することができる。

この発明に用いられる成形体としては膜状のものが好ま
しい。上述のような粒度配合した粉体又は粒体を成形し
てこのような膜状の成形体を製造する方法としては、シ
ート成形法及び圧粉法等種々の方法が適用可能であるが
、取扱いの容易さ及び生産性を考慮するとシート成形法
が好ましい。

シート成形法としては、前述の第１図において説明した
ように、所望の割合に粒度配合された原料粉末と、バイ
ンダーと、水等の溶媒とをボールミル等の混合手段によ
り混合してスラリーを製造し、このスラリーをドクター
ブレードにて成形するドクターブレード法を用いること
ができる。この場合に、成形に必要なバインダー量は粉
末の平均粒径によって異なることに注意する必要がある
。

成形体の積層の方法としては、例えば１００℃程度の熱
を供給しつつ正答する方法等を採用することができる。

また、＠！ｉ層する成形体の材料、組成比及び積層順は
材料設計に応じて適宜設定されるが、傾斜機能材料の場
合には、耐熱性が要求される外側層をセラミックス１０
０％の成形体とし、金属１００％の内側層に向けて、各
層の金属含Ｈ率が順次増加するようにする。

積層体の焼成は、金属の融点及び金属の耐酸化性を考慮
して、所定の温度及び所定の雰囲気に調整した炉内で行
われる。これにより所望の焼結体を得ることができる。

このようにして製造された積層焼結体は、上述したよう
に、焼成に際し各成形体が実質的に同一の収縮率を存す
るように粒度配合されているので、反りが発生する虞は
極めて少ない。

次に、この発明の具体的な実施例について説明する。こ
の実施例においては、金属としてＮｉを使用し、セラミ
ックスとしてＹ２Ｏ３を３ｉｏ１９ｃｉ含む部分安定化
Ｚ「０２を使用した。また、Ｎｉ原料としては平均粒径
が５μｍの粉体を使用し、ＺｒＯ２原料としては、平均
粒径が０，０３μｍの微粉末と、ＺｒＯ□ファイバーを
粉砕して平均粒径を１５μｍにした粗粉末とを用いた。

第２図は、ＺｒＯ２における粒度配合の効果を示すグラ
フであり、横軸に微粉末ＺｒＯ２の含Ｈ率をとり、縦軸
に焼結体の成形体に対する幅方向の収縮率をとって、こ
れらの関係を示すグラフである。ここで、成形体は、第
１図の際に説明したのと同様に、水溶性バインダーを用
いてドックブレード法により成形した。この際のバイン
ダー量は粒子径に応じて１０乃至２３重量％の間で変化
させた。また、焼成は大気中において１３５０℃で２時
間保持することにより行なった。その結果、この第２図
に示すように、収縮率は粗粉末の含有率が増加するに従
って、直線的に減少していることが確認された。この傾
向はＺ　ｒ　Ｏ２とＮｆとを混合したものについても同
様であった。このように、粒度配合することにより収縮
率を所望の値に調節できることが確認された。

実際の収縮′３Ａ都については、第３図を参照しながら
説明する。第３図は、Ｚｒ０２−Ｎｉ系におけるＺｒＯ
２の体積含有率と焼結体の成形体に対する幅方向の収縮
率との関係を示すグラフであり、ＺｒＯ２の微粉末と粗
粉末とを種々変化させたものである。この場合に、成形
条件は第２図において説明したのと同様とし、焼成につ
いてはＮｉの厳点及び酸化しやすさを考慮して１０％の
水素を含むアルゴンガス雰囲気中において１３５０’Ｃ
で２時間保持することによって行なった。この第３図に
示すように、Ｚｒ０２ｆｆｌ粉末が２０％以下の場合は
、粗粉末の含を率が低過ぎて収縮率を有効に調節するこ
とができないが、粗粉末が２０％より多い範囲において
は、有効に収縮率を制御することができる。例えば、幅
方向の設定収縮率を１７．５％（回申Ａで示す部分）と
した場合に、Ｚｒ０２−Ｎｉ系におけるＺｒＯ２の含有
率が６０体積％までは、Ｚ「０２粉末において微細粉末
が６０ｆｆｆＥ１％、粗粉末が４０ｍｆ１％の組合わせ
でよく、ＺｒＯ２粉末が６０体積％以上の範囲では、６
０〜５０重量％の微粉末と４０〜５０％の粗粉末とを適
当に組合わせればよいことがわかった。

実際に、収縮率を約１７．５％に設定し、ＺｒＯ２粉末
を前述のように粒度配合して成形体を製造し、積層・焼
成した結果、殆ど反りのない焼結体を得ることができた
。

なお、この実施例においては、Ｚｒ０２−Ｎｉ系の複合
材料について示したが、これに限るものでないことは勿
論である。

なお、ここで説明した収縮率制御方法を応用してニアネ
ットシェーブの複合材料焼結体を製造することも可能で
ある。

［発明の効果］ この発明によれば、組成が異なる複数の成形体を積層し
、焼結させるに際し、焼結に伴う収Ｍ率が各成形体にお
いて実質的に同一になるようにするので、極めて反りの
発生が少ない積層焼結体を得ることができる。

４、図面ノｒＩＲ１ｉｉな説明 第１図はＺｒ０２−Ｎｉ系における組成と収縮率との関
係を示すグラフ図、第シ図はＺｒＯ２の微粉末及び粗粉
末の比率と収縮率との関係を示すグラフ図、第３図はＺ
ｒＯ２の微粉末と粗粉末とを種々変化させた場合におけ
るＺｒ０２−Ｎｉ系のＺｒＯ２含有率と収縮率との関係
を示すグラフ図である。

出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 雪オドＶ栖ｊ９蓼妻金−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）粉体又は粒体を成形してなり互いに組成が異なる
   複数の成形体を積層し、この積層体を焼結させる積層焼
   結体の製造方法であって、前記各成形体は、焼結の際の
   収縮率が実質的に同一になるように粒度配合して形成さ
   れることを特徴とする積層焼結体の製造方法。
2. （２）粉状又は粒状のセラミックス、金属、並びに、セ
   ラミックス及び金属の複合体により夫々構成された複数
   の成形体を積層し、この積層体を焼結させる積層焼結体
   の製造一方法であって、前記各成形体は、焼結の際の収
   縮率が実質的に同一になるように粒度配合して形成され
   ることを特徴とする積層焼結体の製造方法。
3. （３）前記成形体は、粉状又は粒状の原料と有機バイン
   ダーとを混合し、シート状に形成されることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の積層焼結体の製造方法。
4. （４）前記複数の成形体は、セラミックの含有量が単調
   に減少又は増加するように積層されることを特徴とする
   請求項２に記載の積層焼結体の製造方法。