JPH0891947A - 熱間等方加圧焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理物の比重に拘わらずガラスが液状化す
るような高温下でも優れた対ガス遮蔽効果を示すガラス
カプセルＨＩＰ法を提供する。 【構成】 ガラスカプセルＨＩＰ法による焼結体作製に
際し、被処理物を封入したガラスカプセルを勘合できる
形状の鞘及びその鞘上に設置する蓋でカプセルを収納
し、特に蓋については、圧媒ガス通過用の通気孔を１ヶ
所以上有し、そのうちの１つにはガラス片若しくは高温
でガラス相を生成するガラス物質形成粒子を充填させ
る。この蓋を、鞘に設置固定できるような構造とする
か、十分な重量のものを用いることで高温でのＨＩＰ処
理時に生じるガラス融液中でのガラスよりも比重が低い
状態の被処理物の浮上を蓋下端によって留め、更に蓋の
下面に突起部分を設けることにより常にガラス融液面下
に被処理物を完全に留めておくことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガラスカプセルを用いた
熱間等方加圧（ＨＩＰ）による焼結体の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガラスカプセルＨＩＰ法は被焼成物を、
高温高圧下で破損せず軟化可能なガラスの気体不透過性
容器中に入れて脱気密封したカプセルを加熱し、圧力媒
体気体により数十〜数百ＭＰａ（メガパスカル）のパス
カル圧を加え焼結を行う方法である。処理物のカプセル
化に関しては、既形状のガラス容器中に被処理物を脱気
封入する方法、被処理物を真空下で溶融ガラスで被覆す
る方法及び、被処理物の周囲を加熱中にガラス状態にな
るガラス形成物質で予め完全に覆い囲み、ＨＩＰ装置内
で真空加熱して被処理物周囲に溶融したガラスの気体不
透過性層を形成さす方法がある。このガラスカプセルは
圧媒ガスの被焼理物内への進入を防ぐのが主目的な為、
通気性被処理物の場合は、加圧ガスと被処理物の直接接
触が起こると被処理物に対する等方加圧効果が消失し、
緻密化の進展が妨げられる。

【０００３】加圧ガス中への被処理物の露呈は、温度上
昇に伴いカプセルガラスの粘性が低下し、被処理物周囲
を覆っていたガラスが流れ落ちることによる場合が多い
が、この他の原因として、被処理物が溶融ガラス上に浮
上することにより露呈する場合もある。例えば、被処理
物が比較的大量のガラスで覆われており、かつ鞘等の器
内に設置されている時など、被処理物は、加熱により低
粘性化させたガラス融液中に浸漬された状態になってい
る。その際、被処理物の比重がガラス融液の比重よりも
小さいものでは、被処理物がガラス融液上に浮上し、被
処理物が加圧ガス中に露出する可能性が著しく高まる。
この現象を回避する為、被処理物上に重りを設置したり
する方法がとられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ガラスカプセ
ルＨＩＰ法では、緻密化した焼結体がガラスの比重を上
回るものであっても、被処理物が成形体或いは粉末凝集
体等の状態の場合、その嵩密度は当初ガラスの比重より
も低いものが見られるように、ガラスの比重よりも低い
段階を経由する被処理物については、加圧ガス中への露
呈の可能性を予め正確に把握するのは困難である。なぜ
ならば、被焼成物の浮上防止に影響を及ぼすが、昇温と
共に変化するガラス粘性や表面張力、加圧過程に於ける
被処理物やガラスの体積変化、それらと並行し、被焼理
物の焼結進行に伴い変化する密度、更には処理条件や操
作上の微妙な差などが複雑に関与し、被処理物のガラス
上への露出の可否を決定するからである。このような複
雑な関係からカプセルの対ガス遮蔽効果、及びその結果
としての焼成得率は、かなりの差を生じ易い。

【０００５】一方、ガラスの比重よりも緻密化した焼結
体の比重が低いものであっても、ガラスの粘性が比較的
高い状態のみで焼結が完了するようなものでは露呈には
至らないこともある。しかし、アルミナや窒化珪素とい
ったセラミックスの焼結を行う際に見られるように、一
般にはガラスがかなり低粘性化するような温度まで昇温
する場合が多く、被処理物の比重がガラスよりも低い段
階を経るものでは被処理物がガラス融液中に浸漬された
状態から融液上へ浮上する可能性が強い。融液上への露
呈防止策としては被処理物上に重りを設置し、全体の浮
上抑制を行うのが最も容易な方法であるが、重りと被処
理物の形状、重心、設置位置等により効果が大きく左右
されやすく安定性を欠く。又、重りによってガラス上へ
の浮上こそ無いものの、重りと接触する部位での等方加
圧の効果損失や、全体のガラス量と設置容器によっては
被処理物周囲を覆っていたガラスが融液となって流れ落
ち被処理物上部を中心とした圧力媒体ガス中への露呈が
生じる点等に関しては改善点が残されている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラスカプセ
ルＨＩＰ法に於いて、カプセルガラス、特に低粘性状態
のガラス融液の比重とくらべ低い嵩密度を示す被処理物
に対し、ガラス融液面上への被処理物の浮上による露出
防止並びに被処理物周囲からのガラス融液の流下抑制
を、ＨＩＰ処理室内でカプセルを設置する際に形状構造
に特徴をもたせた蓋付の鞘を用いることで対応したもの
である。即ち、既成形された被処理物をできるだけそれ
との空間が無いような内形状を有するガラス容器内に入
れ、脱気封入し、このガラスカプセル外形とほぼ同様の
内形の耐熱性鞘を用い、カプセルを嵌入した後、この鞘
に対し固定できる、若しくは容易に可動しないような重
量の蓋を取り付け、これら鞘及び蓋によりガラスカプセ
ル全体を出来るだけ隙間無く覆うようにする。尚この
際、被処理物とカプセルガラス材とが所望の高温、高圧
下で反応するような場合は、予め反応防止層を被処理物
とカプセルガラスとの間に介在させておくのが望まし
い。このような反応防止層の一例としては、耐高温離型
剤として通常の焼成操作で活用されている窒化硼素を被
処理物表面に被覆等をすることによって対応できる。

【０００７】一方、上記のような既形状のガラス容器を
用いない場合は、所定の温度でガラス相を生成する粉末
若しくは粒子状のガラス形成物質を、被処理物の周囲を
完全に覆うようにした上で鞘中に十分充填し、この鞘に
上記の如く蓋を取り付ける処理する。或いは予め真空中
で被処理物成形体を、加熱して溶融化したガラスで完全
に被覆したものを冷却することで気体不透過性カプセル
を作製し、それを嵌合できる鞘を用いて上述と同様の操
作を行うことでも対応できる。鞘本体の材質は所望の高
温高圧下で安定なもので少なくとも加圧下でガラスが含
浸しない状態のものとし、蓋も同一材質のものが望まし
いが、使用条件を満たすものであれば異材質でもよい。

【０００８】ここで鞘に取り付けられる蓋には被処理物
が浮上時に入り込まない大きさの通気孔を１ヶ所若しく
は数ヶ所設け、その内最低１ヶ所の孔内には予めガラス
片か高温に於いてガラス層を生成する粉末、粒子等のガ
ラス形成物質を十分入れた状態にしておく。この蓋は加
圧時や浮上時に於いて被処理物の浮上によって蓋自体が
押し上げられない構造、例えばおねじとめねじの関係の
ねじ山を蓋側部と鞘内側上部に設けて蓋を鞘に回し込み
固定する等の手法を用いるか、或いは、被処理物の浮上
に伴って持ち上がることがないような十分な重量を有し
た蓋を設置してもよく、このようにして蓋が可動しない
ような状態に留めておく。又、蓋の下面は被処理物上部
の形状によっては平面のものでも対応可能であるが、複
数の突起部分を備えたものを用いる方が良い。ここで用
いる突起は先端が平面で無いものがよい。

【０００９】ガラスと鞘材質が所望の条件で反応する場
合は蓋下面と通気孔内及び鞘内面にガラス及び鞘の何れ
とも反応を示さない反応防止層を介在させるのが望まし
い。この反応防止層は、膜状、シ−ト状、又は粉末状の
高温高圧下でそれ自体化学的に安定な物質を用いる。最
も簡便な一例としては、窒化硼素粉末を揮発性溶液で混
ぜ鞘内面及び通気孔を含む蓋下面に塗布することでも対
応できる。

【００１０】蓋が取り付けられ鞘内に収められたカプセ
ルはＨＩＰ装置内処理室に設置して真空脱気した後、所
望の条件にてＨＩＰ処理する。ＨＩＰ処理の際の加圧媒
体気体種は通常、装置仕様で認められる範囲のものであ
れば何れでもよい。このようなカプセルＨＩＰを行うこ
とによりガラスよりも比重が低い段階を経る焼結体を十
分な対圧媒ガス遮蔽効果のもと、優れた焼成得率で製造
することが出来る。

【００１１】

【作用】被処理物のガラス溶融物での浮上は、ガラスの
比重よりも被焼成物の比重が低いことと緻密化迄のＨＩ
Ｐ処理期間中圧媒ガス中への露呈に至る浮上をガラス粘
性低下により阻止できないことに起因する。この発明で
は、ガラスの粘度に拘わり無く、又、焼結体密度がガラ
スより低いものに限らず、高いものであっても、更に
は、途中までガラスより低い密度でその後緻密化の進展
と共にガラスより高くなるものであっても適応できる。

【００１２】この発明で、既形状ガラス容器をカプセル
材として用いる場合も、後の高温下でガラス溶融物を生
成するガラス形成物質を用いる場合でも、カプセルをを
設置すべき鞘を用い、その鞘の形状としてカプセル設置
段階で、鞘との隙間が殆ど或いは全く存在させない鞘を
用いることは、ガラスが融液化するような高温でのＨＩ
Ｐ処理に対処できるようにする為のものである。従来技
術との差異は、ガラス融液中での被処理物の浮上そのも
のを完全に抑えることに主体を置いたものではなく、浮
上時の対圧媒ガス中への露呈の阻止を目的とした効果を
付与するものである。これは、蓋に設けられた最低１ヶ
所の通気孔内に予めガラス材或いは、ガラス形成物質を
入れておくことからもわかるように、少なくとも鞘上設
置された蓋と鞘で形成される部分は高温下では被処理物
とガラス融液でのみ満たされている。ここで融液面は少
なくとも通気孔下端部、通常はそれよりも上方の通気孔
内のある位置迄達する。しかるに、被処理物が浮上した
としてもその上部は固定された蓋下部にあたり、それ以
上の浮上はできず、この場合でも常に被処理物上面は融
液面下部に留まる。ここで蓋につけた通気孔の大きさを
被処理物の大きさよりも小さくしたのは、通気孔を通し
て、更に浮上するのを避ける為である。通気孔を設けた
のは、圧媒ガスを直接ガラス面に作用させる為のもので
あり、液体を加圧媒体とするＣＩＰ（冷間等方加圧）効
果の例でも明らかなように液状化したガラス融液によっ
て被処理物周囲にパスカル圧が加わり、等方加圧効果が
十分発現される。

【００１３】蓋に設けられた最低１ヶ所の通気孔内に予
めガラス材或いは、粉末や粒子状のガラス形成物質を存
在させておくのは、当初から僅かに存在する空隙、或い
は、溶融ガラスが形成される段階で生じる、更には、被
処理物の緻密化収縮に伴って生じる鞘と蓋で構成された
内部の空隙部分を完全にガラス融液で満たし続けるため
の補充用ガラス供給源としての作用を示す。又、蓋下面
に突起を設けるのは、被処理物浮上時に、特に被処理物
上面が平面であるような場合では蓋下面も平面である
と、接触部間にガラス相が殆ど存在しなくなるような状
況も考えられ、これを回避する理由からである。先端が
尖った突起物を有する蓋下面は浮上した被処理物上面を
点接触の状態で留めることができるので、被処理物上面
に於いても十分ガラス相で覆われた状態となり、等方加
圧を十分作用させることができる。このような突起は浮
上した被処理物が融液中で傾かないよう安定に留める意
味で同一形状のものを複数個存在させて均衡を保たせる
のがよい。

【００１４】このように本法ではＨＩＰ処理過程中ガラ
ス融液中に被処理物を常に浸漬された状態に留めること
ができる為、溶融時の被処理物からのガラス流下による
露呈や、ガラス上への浮上による露出を十分防ぐことが
でき、優れた対ガス遮蔽効果を発揮することができる。
又、この方法で用いた鞘及び蓋は、その内面にガラスと
の反応防止層を施すことにより、通常の焼成で用いられ
ている殆どの耐熱材を活用できる他、ガラスとの反応や
溶着を防ぐことができる為、ＨＩＰ処理後のガラス塊の
取り出しも容易にでき、かつ鞘や蓋の再利用も可能であ
る。

【００１５】

【実施例】以下この発明を実施例及び、その実施例に基
づく図を用いて説明する。 （実施例１） 図１（Ａ）は出発物質として窒化珪素粉
末を用いて円柱形状の嵩密度２．１の成形体１を金型成
形等で予め作製し、この被処理物成形体１を、それが概
ね隙間無く収納できできるような内面に窒化硼素から成
る反応防止層７を施した円柱形状の嵩比重が２．３のパ
イレックス（商品名）製ガラス容器に入れ、脱気密封し
て作製したカプセル２を、カプセル設置時の隙間が殆ど
無いような円筒形状の底付の黒鉛製の鞘３中に入れる。
この鞘内面には予め窒化硼素を塗布して反応防止層４を
施しておく。次いで、下部面と通気孔に同様の反応防止
層４を施した十分な重量を有する蓋５を鞘３上に設置す
る。蓋５は下面に５カ所の小突起を有し、かつ３ヶ所の
通気孔が空いており、その内の１つにはパイレックスガ
ラス粒子６を蓋上端部迄充填する。これをＨＩＰ装置内
処理室に入れ脱気を行う。次いで、圧力媒体気体として
Ａｒガスを用い、温度１８００℃、圧力２００ＭＰａに
てＨＩＰ処理を行う。ここで最高温度近傍でのＨＩＰ処
理室内部に於ける鞘中での被処理物とガラスとの挙動を
図１（Ｂ）に示す。パイレックスガラスは該温度ではか
なり粘性が低下し、液状化している。このガラス融液１
２中で焼結初期の被処理物１は浮上するが、鞘蓋５の下
面突起端で留まり圧媒ガス中に全く露出することなく一
連のＨＩＰ処理過程を経過した。ＨＩＰ処理後、ガラス
塊中から高緻密で均一性状の窒化珪素焼結体を得ること
ができた。

【００１６】（実施例２） 図２は出発物質として窒化
珪素粉末を用いて円柱形状の成形体１を金型成形等で予
め作製し、この被処理物１を窒化硼素より成る反応防止
層７で被覆し、内面に窒化硼素を塗布して反応防止層４
を施した円筒形状の黒鉛製鞘３内にパイレックスガラス
を生成するガラス物質形成粒子２２で被処理物１を完全
に覆うようにして入れ、５個の小突起を有する黒鉛製蓋
５を取り付けた蓋下面までこのガラス物質形成粒子２２
を充填したものである。円筒形状鞘３の上部内面と蓋５
の側面はねじ山がそれぞれおねじとめねじの関係で切ら
れており、蓋５を鞘３に回し込むことにより蓋を鞘上部
に完全に固定する。この蓋５には被処理物が貫通できな
い大きさの通気孔が３ヶ所空いており、その内の１ヶ所
には鞘内に充填したものと同一のパイレックスガラス成
分に該当するガラス物質形成粒子２２を充填させる。こ
の被処理物が収納された蓋付の鞘を、ＨＩＰ装置内処理
室に入れ、十分脱気を行った後、加圧ガスＡｒを用い、
ガラスが溶融する温度まで殆ど加圧せずに温度１８００
℃、圧力２００ＭＰａにてＨＩＰ処理を行う。被処理物
１は前記実施例１と同様に一連のＨＩＰ処理過程を通じ
て常にガラス融液面下に存在し、圧媒ガス中に露出する
ことは全くなく、ＨＩＰ処理終了後のガラス塊中から高
緻密で優れた性状の窒化珪素焼結体を得ることができ
た。

【００１７】この発明をより詳細に説明する為、従来技
術、若しくは本発明で述べる範囲から外れる比較例を対
比して示す。 （比較例） 実施例と同様の円柱形状窒化珪素成形体を
被処理物とし、実施例１と同様の手法でガラス容器中に
封入したカプセルを鞘中に設置する。この鞘に対し蓋を
用いずに実施例と同一条件でＨＩＰ処理した場合を比較
例１とし、蓋を用いずカプセル上に高温でガラスと反応
しない材質、今回は窒化硼素焼結体よりなる角柱形状の
重りを直接ガラスカプセル上に設置し、実施例と同一条
件でＨＩＰ処理した場合を比較例２とした。カプセル上
方に蓋や重り等何も設置しない比較例１の場合はＨＩＰ
過程中に被処理物がガラス上に露出した。ガラス上に重
りを設置した比較例２の場合は、被処理物が鞘底に沈下
し、ガラス上に露呈することは見られなかったが、鞘底
面並びに重り下面と接触した被処理物面を中心とし、性
状低下が生じ、均一性に欠けるものとなった。尚、表１
には実施例及び比較例に於ける被処理物に対するＨＩＰ
時のカプセルの対ガス遮蔽効果の有無とＨＩＰ後の被処
理物の性状特性を示す。性状特性としては、ＨＩＰ後の
被処理物の嵩密度、相対密度（％）、被処理物上面、中
心部及び下面近傍から部位別にそれぞれ摘出したＪＩＳ
−Ｒ１６０１による試験片での四点曲げ強度値を記し
た。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【発明の効果】この発明によって、特にガラスよりも比
重が低い被処理物のガラスカプセルＨＩＰ時に発生しや
すい溶融ガラス内での浮上による加圧ガス中への被処理
物の露出を防ぎ、ガラス中に常に留めることができる
為、被処理物表面にパスカル圧を十分作用させることが
でき、高緻密で優れた性状の焼結体を高い焼成得率で得
ることができる。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）はこの発明によるＨＩＰ処理開始時
の設置方法の例を説明した断面図であり、図１（Ｂ）は
ＨＩＰ処理中の最高温度近傍でのガラス融液中に於ける
被処理物の状況を説明したものである。

【図２】図２はこの発明によるガラスカプセルＨＩＰ処
理開始時の、図１で説明したものとは異なるカプセル化
で実施した例を説明した設置状態の断面図である。

【符号の説明】

１ 被処理物 ２ ガラスカプセル ３ 鞘 ４ 反応防止層 ５ 蓋 ６ ガラス粒子 ７ 反応防止層 １２ ガラス融液 ２２ ガラス物質形成粒子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理物成形体をその外形状に適合する
   内形状を有するガラス容器中に入れ、脱気密封したカプ
   セルを、そのカプセルが嵌合できる内形状で底部を有す
   る耐熱性鞘中に入れ、被焼成物よりも小さい通気孔を有
   する蓋を鞘上に設置し、蓋の自重若しくは、鞘に固定設
   置することで鞘上の蓋が可動しないようにしたものを熱
   間等方加圧することを特徴とする焼結体の製造方法。
2. 【請求項２】 被処理物成形体を所望の高温下でガラス
   化する粉末、粒子或いは塊状のガラス形成物質で覆い耐
   熱性鞘中に充填し、被焼成物よりも小さい通気孔を有す
   る蓋を充填層上に設置し、蓋の自重若しくは、鞘に固定
   設置することで鞘上の蓋が可動しないようにして熱間等
   方加圧することを特徴とする焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】 真空中で被処理物成形体を溶融ガラスで
   完全に被覆することにより作製したカプセルを用いるこ
   とを特徴とする請求項１記載の焼結体の製造方法。
4. 【請求項４】 鞘に取り付けられた蓋の通気孔内の少な
   くとも１つにカプセルガラスと同一のガラス片若しくは
   粉末や粒子状のガラス形成物質を予め入れておくことを
   特徴とする請求項１記載の焼結体の製造方法。
5. 【請求項５】 先端が平面でない突起を少なくとも１個
   以上、下面に有する蓋を用いることを特徴とする請求項
   １記載の焼結体の製造方法。
6. 【請求項６】 鞘及び蓋とカプセルガラス表面との間に
   鞘及び蓋材質とガラスの何れとも所望の高温、高圧下で
   反応せず、かつそれ自体も安定である物質を介在させる
   ことを特徴とする請求項１記載の焼結体の製造方法。