JPH0543308A

JPH0543308A - 透光性セラミツクスの製造方法

Info

Publication number: JPH0543308A
Application number: JP3225191A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Enboku; 正和遠北
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明の透光性セラミックスの製造法は、0.
01〜0.2 重量％の酸化マグネシウム粉末、0.01〜0.2 重
量％の酸化イットリウム粉末及び酸化アルミニウム粉末
との混合粉末にポリビニルアルコールを混合した後に、
軟化点が50〜90℃のワックス類と MFRが 100〜300 ｇ／
10分の熱可塑性プラスチックとから成るバインダー材を
加えて射出成形用混練物を調製し、次いで射出成形、脱
バインダー及び焼結を行なうことにより製造される。【効果】射出成形用の粉末混練物において、微量配合
される酸化マグネシウム粉末及び酸化イットリウム粉末
が酸化アルミニウム粉末中に均一に分散され、この結果
として透光性に優れた複雑形状セラミックス製品を製造
することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可視光領域で透光性を
示すセラミックスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、透光性セラミックスは、セラミッ
クス粉末をプレス成形した後に焼結を行なうことにより
製造されている。しかし、この方法では、三次元的に複
雑な形状を有する製品や薄肉部を有する製品を製造する
ことが困難であった。また、複雑な形状を有する製品を
得るために、焼結後に、機械研磨により焼結体を削るこ
とが行なわれていたが、機械研磨の条件によっては、焼
結体表面にヘアークラックと称する微細なクラックが形
成され、製品の機械的強度、靱性を著しく低減するとい
う問題があり、さらに機械研磨に多大な時間を要し、そ
の結果、製品価格が高くなるという問題もある。このよ
うな従来の方法の欠点を解消するために、酸化アルミニ
ウム粉末、酸化マグネシウム粉末及び酸化イットリウム
粉末から成る混合粉末に有機バインダーを配合した混合
物を所定形状の金型内に射出成形し、得られた射出成形
体を加熱して脱バインダーを行なった後、焼結処理を施
して透光性セラミックス製品を製造することが試みられ
ている。この方法によれば、複雑な形状の製品を製造す
ることが可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、射出成
形を行う上記の方法では、金属酸化物の混合粉末に加え
て有機バインダーを使用するために、特に少量使用され
る酸化マグネシウム粉末及び酸化イットリウム粉末を酸
化アルミニウム粉末中に均一に分散させることが非常に
困難となり、このために得られる焼結体の組成分布が不
均一となり、この結果として、満足し得るような透光性
を得ることができないという問題がある。

【０００４】従って本発明は、透光性に優れ且つ複雑な
形状を有するセラミックス成形品を製造することが可能
な方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を達成するための手段】本発明によれば、(a) 0.
01〜0.2 重量％の酸化マグネシウム粉、0.01〜0.2 重量
％の酸化イットリウム粉及び残部が酸化アルミニウム粉
の組成となるように混合粉末を調製する工程、(b) 前記
混合粉末に、ポリビニルアルコールを全体の１〜10重量
％となるように混合して、酸化マグネシウム粉及び酸化
イットリウム粉を酸化アルミニウム粉中に均一に分散さ
せる工程、(c) 酸化マグネシウム粉及び酸化イットリウ
ム粉が均一に分散された前記混合粉末に、バインダー材
を、該バインダー材と前記ポリビニルアルコールとの合
計量が全体の35〜70容量％となるように添加して混練す
る工程、(d) 前記混練物を所定形状の成形体に射出成形
する工程、(e) 前記成形体から、前記ポリビニルアルコ
ール及びバインダー材を除去する工程、及び、(f) 前記
ポリビニルアルコール及びバインダー材が除去された成
形体を、水素雰囲気または真空中において、1600〜2000
℃で焼結する工程、から成る透光性セラミックスの製造
方法が提供される。

【０００６】従来の射出成形による方法においては、酸
化マグネシウム、酸化イットリウム及び酸化アルミニウ
ムの各金属酸化物粉末と、バインダー材とを同時に混合
していたために、少量使用される酸化マグネシウム及び
酸化イットリウムを酸化アルミニウム中に均一に分散さ
せることができず、この結果として透光性に優れたセラ
ッミクスを得ることができなかった。しかし、上記の本
発明によれば、予め、ポリビニルアルコールを金属酸化
物の混合粉末に加えることにより、酸化マグネシウム及
び酸化イットリウムが均一に分散され、次いでバインダ
ー材を加えて射出成形及び焼結等の工程を行うことによ
り、透光性に優れたセラッミクスを得ることが可能とな
ったものである。

【０００７】工程(a);本発明においては、先ず酸化マグ
ネシウムと酸化イットリウム及び酸化アルミニウムとの
混合粉末を調製し、この混合粉末を出発原料として使用
する。この混合粉末の組成は、酸化マグネシウム粉末が
0.01〜0.2 重量％、及び酸化イットリウム粉末が0.01〜
0.2 重量％であり、残部を酸化アルミニウム粉末とする
ことが重要であり、この範囲外の組成とするときには、
満足すべき透光性を得ることができない。即ち、透光性
を発現させるためには、後述する焼結により得られる焼
結体の相対密度を少なくとも99％とすることが必要であ
る。酸化マグネシウムは、焼結の最終段階での結晶粒の
成長を抑制し、これにより結晶粒界内部のポアの消滅の
促進及び焼結密度の向上に寄与し、また結晶粒の大きさ
を揃えるように作用する。従って、酸化マグネシウム
は、透光性向上に大きな役割を果たすものである。例え
ば、酸化マグネシウム含量が、0.01重量％未満では、こ
のような効果を発揮するには不十分であり、焼結体の密
度が充分に高くならず、満足な透光性が得られない。ま
た 0.2重量％よりも多い場合には、焼結体の結晶粒界
に、酸化マグネシウムあるいはこれと他の金属酸化物と
の複合酸化物が形成され、光散乱の原因となり、透光性
が低下するという不都合を招くことになる。さらに酸化
イットリウムは、酸化マグネシウムの焼結助剤としての
効果を著しく高める作用を有するが、その含有量が0.01
重量％未満では、このような効果が充分に発揮されず、
焼結体の密度が充分に高くならず、例えばインライン透
過率が70％以上の透光性を得ることができない。また
0.2重量％よりも多い場合には、焼結体の結晶粒界に、
酸化イットリウムあるいはこれと他の金属酸化物との複
合酸化物が形成され、上記と同様に透光性の低下を招
く。

【０００８】本発明において、この混合粉末の調製に使
用する各金属酸化物粉末としては、それぞれ市販のもの
を用いることができるが、透光性を発現させるために、
高純度のものを使用することが好適である。また、焼結
密度を向上させ、良好な透光性を発現させるためには、
これらの平均粒径はサブミクロンのオーダー、例えば0.
8μm 以下の範囲にあることが望ましい。

【０００９】工程(b);本発明においては、次いで、上記
混合粉末にポリビニルアルコールが混合される。このポ
リビニルアルコールは、界面活性剤的な作用を有するも
のであり、これを用いることにより、酸化マグネシウム
粉末及び酸化イットリウム粉末が、酸化アルミニム粉末
中に均一に分散される。

【００１０】このポリビニルアルコールは、得られる混
合物全体当たり１〜10重量％、特に２〜６重量％の割合
で使用する。ポリビニルアルコールの使用量が１重量％
未満あるいは10重量％を超えるときには、酸化マグネシ
ウム及び酸化イットリウムが均一に分散されず、その結
果として、最終製品（焼結体）の透光性がその部分によ
って異なってしまう。

【００１１】またこのポリビニルアルコールとしては、
平均重合度が 500〜2500、及び平均ケン化度が66％以上
のものが好適に使用される。このポリビニルアルコール
と、工程(a) で調製された混合物との混合は、それ自体
公知の種々の方法により行うことができるが、ファイン
セラミックスでしばしば用いられるスプレードライヤー
により顆粒粉を作製する方法が最も好適である。

【００１２】工程(c);この工程(c) においては、工程
(b)で得られた酸化マグネシウム及び酸化イットリウム
が均一に分散された混合粉末にバインダー材を加えて混
練を行う。この工程で使用されるバインダー材は、後述
する射出成形を有効に行うために使用されるものであ
り、通常、射出成形後の成形体の形状保持に寄与する熱
可塑性プラスチックと射出成形時の流動性に寄与する熱
可塑性プラスチックとが組み合わせで使用される。

【００１３】この形状保持に寄与する熱可塑性プラスチ
ックとしては、メルトフローレート（MFR, ASTM D 123
6, 230℃）が 100〜300 ｇ／10分の範囲にある熱可塑
性樹脂、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチ
レン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリレート共
重合体、ポリスチレン等を例示することができる。 MFR
が 100ｇ／10分よりも低い場合には、射出成形性が不満
足なものとなり、また 300ｇ／10分よりも高い場合に
は、射出成形体の強度や形状保持性が低くなる。

【００１４】また射出成形時の流動性に寄与する熱可塑
性プラスチックとしては、ビカット軟化点 (JIS K 720
6) が50〜90℃の範囲にあるもの、例えばパラフィンワ
ックス、マイクロクリスタリンワックス、低分子量ポリ
エチレンワックス、変性ワックス、アタクチックポリプ
ロピレン等のワックス類を挙げることができる。この軟
化点が50℃よりも低い場合には、射出成形のサイクルタ
イムが長くなり、また軟化し易いために成形時の作業性
が悪くなる等の不都合を生じる。さらに軟化点が90℃よ
りも高い場合には、流動性が低下し、また熱分解点が高
くなるので、脱バインダー性が低下する。

【００１５】これらの形状保持に寄与する熱可塑性プラ
スチックと射出成形時の流動性に寄与する熱可塑性プラ
スチックとは、その種類によっても異なるが、一般に重
量基準で、４：１〜１：４、特に３：１〜１：３の割合
で使用されることが好適である。

【００１６】本発明において、上述したバインダー材
は、前述したポリビニルアルコールとの合計量で、混練
物当たり、35〜70容量％の割合で使用されることが必要
である。35容量％よりも少ないと、混練物の流動性が低
下して射出成形が困難となり、また70容量％を超える
と、脱バインダーが非常に困難となり、最終製品の透光
性が低下する等の不都合を生じる。またバインダー材と
の混練は、ニーダー、各種ミキサー等の混練装置を用い
て容易に行うことができる。

【００１７】工程(d);次いで、前記工程(c) で調製され
た混練物を所望の型を有する金型内に射出し、目的とす
る型を有する成形体を得る。この射出成形は、通常のプ
ラスチックの射出成形で用いられている設備、装置をそ
のまま利用して行うことができる。射出条件は、一般に
加熱温度80〜200 ℃、射出圧力 500〜2000kg／cm²とす
ることが望ましい。

【００１８】工程(e);次いで、上記成形体について脱バ
インダーを行い、成形体に含まれているポリビニルアル
コール及びバインダー材の除去を行う。この脱バインダ
ーは、通常、大気中あるいは窒素ガス等の不活性雰囲気
中での加熱により行われる。加熱温度は、一般的に 400
〜600 ℃の範囲である。

【００１９】工程(f);上記の脱バインダーに引き続いて
焼結処理が行われる。本発明においては、この焼結を水
素雰囲気中あるいは真空中で行うことが必要である。一
般に、焼結の最終段階では、通常、結晶粒内に小さいポ
アが存在しており、このポアを消滅することが透光性を
向上させる上で重要となる。即ち、水素中で焼結を行う
と、このポア内には水素が残存することになるが、水素
は拡散性に優れてているために、容易にポアから結晶粒
界を通って焼結体から排出される。この結果として、ポ
アはイオンの拡散により、容易に消滅することになる。
また真空中ではポア内には殆ど気体が存在しないため
に、同様にして、ポアはイオンの拡散により容易に消滅
するのである。従って、水素雰囲気中あるいは真空中で
の焼結により、透光性に優れたセラミックスが得られる
のである。

【００２０】また焼結温度は1600〜2000℃、特に1700〜
1850℃の範囲とされる。1600℃よりも低い温度では、得
られる焼結体の相対密度が充分に向上せず、その結果と
して、透光性が低下し、また2000℃より高い温度で焼結
を行うと、焼結体表面からマグネシウムが蒸発し、その
結果として焼結体表面の相対密度が向上せず、透光性と
ならずに白色化することになる。かかる焼結は、焼結体
の相対密度が99％以上となる程度に行われる。

【００２１】かくして得られるセラッミクスは、酸化マ
グネシウムが 0.01〜0.2 重量％、酸化イットリウムが
0.01〜0.2重量％及び残部が酸化アルミニウムという
組成を有しており、可視光領域における透光性が極めて
優れている。例えば、後述の実施例から明らかな通り、
インライン透過率が70％以上の範囲にあるものである。
このインライン透過率は、一定厚さの試料に対して、一
定強度の平行光線を入射した時の入射光強度に対する一
定角度内に入射する透過光強度の比率を示すものであ
る。

【００２２】

【実施例】実施例１平均粒径が0.15μm の酸化マグネシウム粉末及び平均粒
径が0.15μm の酸化イットリウム粉末と、平均粒径が0.
53μmの酸化アルミニウム粉末とを用いて、酸化マグネ
シウム含量及び酸化イットリウム含量がそれぞれ0.05重
量％の混合粉末を調製した。次いで、ポリビニルアルコ
ール（平均重合度：1700、平均ケン化度：88％）を、表
１に示す様に、その添加量を種々変えて上記混合粉末に
添加し、遠心式スプレードライヤーを用いて顆粒化し、
均一分散物を調製した。調製された均一分散物（顆粒）
の中心粒径は、何れもほぼ50μm である。これら均一分
散物の各々に、バインダー材として各種熱可塑性プラス
チックを加え、プラネタリーミキサーで混練物を調製し
た。用いた熱可塑性プラスチックの種類及びその添加量
は表１に示した通りである。尚、この熱可塑性プラスチ
ックとポリビニルアルコールとの合計量での容量％も併
せて表１に示した。この混練物を、射出成形機にて、射
出温度90℃及び射出圧 600kg／cm²の条件で射出成形
し、直径が10mm、厚さ２mmの円盤状の成形体を得た。次
いで、空気気流中で、この成形体を加熱しながら（加熱
温度； 500℃）脱バインダーを行い、さらに水素気流中
において、1800℃の温度で６時間焼結を行った。得られ
た焼結体表面をダイヤモンドで研磨し、厚さを１mmの揃
えた後、吸光度計を用いて可視光領域（ 300nm〜1100n
m）でインライン透過率を測定した。測定結果を表１に
示す。

【００２３】実施例２〜６金属酸化物の混合粉末における酸化マグネシウム含量及
び酸化イットリウム含量を表１に示す様に種々変え、さ
らに用いる熱可塑性プラスチックの種類及び配合量を表
１に示す様に変更した以外は、実施例１と同様にして円
盤状の射出成形体を作成した。さらに、焼結を水素気流
中で行った以外は実施例１と同様にして焼結体を作成し
た。得られた焼結体のインライン透過率を表１に示す。

【００２４】比較例１〜６比較のために、前記酸化マグネシウム粉末、酸化イット
リウム粉末、ポリビニルアルコール及びバインダー材で
ある熱可塑性プラスチックの使用量を種々に変えた以外
は、上記実施例２〜６と同様にして焼結体を作成し、そ
のインライン透過率の測定を行った。測定結果を表２に
示す。尚、比較例１〜３は、酸化マグネシウム及び酸化
イットリウムの使用量が本発明の範囲外であり、比較例
４は、ポリビニルアルコールの使用量が本発明の範囲外
であり、比較例５及び６は、ポリビニルアルコールと熱
可塑性プラスチックの配合量の合計量が本発明の範囲外
の例である。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】上記表中、ポリビニルアルコール及びバイ
ンダー材の添加量は、それぞれ当該成分を添加して得ら
れたときの混合物あたりの重量％で示した。

【００２８】

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、射出成形法
を使用して、三次元的に複雑な形状を有し且つ透光性に
優れたセラミックス成形品を有効に製造することが可能
となる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】(a) 0.01〜0.2 重量％の酸化マグネシウム
粉、0.01〜0.2 重量％の酸化イットリウム粉及び残部が
酸化アルミニウム粉の組成となるように混合粉末を調製
する工程、 (b) 前記混合粉末に、ポリビニルアルコールを全体の１
〜10重量％となるように混合して、酸化マグネシウム粉
及び酸化イットリウム粉を酸化アルミニウム粉中に均一
に分散させる工程、 (c) 酸化マグネシウム粉及び酸化イットリウム粉が均一
に分散された前記混合粉末に、バインダー材を、該バイ
ンダー材と前記ポリビニルアルコールとの合計量が全体
の35〜70容量％となるように添加して混練する工程、 (d) 前記混練物を所定形状の成形体に射出成形する工
程、 (e) 前記成形体から、前記ポリビニルアルコール及びバ
インダー材を除去する工程、及び、 (f) 前記ポリビニルアルコール及びバインダー材が除去
された成形体を、水素雰囲気または真空中において、16
00〜2000℃で焼結する工程、から成る透光性セラミック
スの製造方法。