JP3943366B2

JP3943366B2 - セラミックス接合体およびその製造方法

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Publication number: JP3943366B2
Application number: JP2001324449A
Authority: JP
Inventors: 裕司肥塚; 淳上田; 一茂山口; 千一垣内; 宏司大西
Original assignee: Nikkato Corp
Current assignee: Nikkato Corp
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003128473A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合強度に優れた、セラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】
セラミックスは金属に比べて、耐熱性、耐摩耗性および耐食性に優れていることから産業用構造部品などの分野で積極的に採用されつつある。しかしながら、セラミックスは金属に比べて加工性に劣るため、複雑形状部品の製造には非常にコストが高くなるという欠点があった。そのため、セラミックス焼結体同士の接合により複雑形状部品を製造することが検討されている。
【０００３】
セラミックス焼結体で形成されたセラミックス成形体同士の接合は従来から高温加熱法、高融点金属法、有機接着剤法などの方法により行われている。しかしながら、これらの方法で接合したセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体は単一構造のセラミックス焼結体よりなるセラミックス成形体に比べて接合箇所の接合強度、耐食性、耐熱性などが劣り、かつコストが高くなるなどの問題点があり、極限られた用途でしか使用されていない。
【０００４】
一方、これらの欠点を改善する接合方法として、特開平０６−１９１９５９号公報には接合する未焼結のセラミックス成形体と同原料で作製した泥漿を用いて未焼結のセラミツクス成形体同士を接合し、焼結させる方法が開示されているが、接合層厚さや接合部分の強度等についてまで考慮されておらず、産業用機械部品として使用した場合に強度不足や信頼性が十分と言えない問題点などがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、接合強度に優れた、セラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体およびその製造方法を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記のような現状を鑑み鋭意研究を重ねてきた結果、未焼結のセラミックス成形体同士の接合において、接合に用いるセラミックス系スラリー接着剤のセラミックス成分組成がセラミックス成形体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有するセラミックス系スラリー接着剤を用いて、接合層厚さ、セラミックス成形体と接合層の結晶粒径比を制御することにより、優れた接合強度を有する、セラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体を見い出した。
【０００７】
本発明の第１は、本質的に同一組成をもつセラミックス焼結体で形成されたセラミックス成形体同士を接合してなるセラミックス接合体において、接合層はセラミックス成形体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有するセラミックス焼結体であって、その厚さが８７〜５００μｍで、セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径と接合層を形成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径との比が０．５〜２．０、接合層の平均曲げ強さ（σ _Ｊ）とセラミックス成形体のみの平均曲げ強さ（σ _Ｍ）の比率σ _Ｊ／σ _Ｍが０．７５〜０．９３であることを特徴とするセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体に関する。
本発明の第２は、セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体がジルコニア質焼結体である請求項１記載のセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体に関する。。
本発明の第３は、セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体がアルミナ質焼結体である請求項１記載のセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体に関する。
本発明の第４は、本質的に同一のセラミックス成分組成をもつ焼結前のセラミックス成形体同士を、セラミックス系スラリー接着剤を用いて接着、焼成し、セラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体を製造する方法において、該セラミックス系スラリー接着剤におけるセラミックス粒子の成分組成がセラミックス成形体を構成しているセラミックス成分組成を９０重量％以上含有し、その平均粒子径が１．０μｍ以下で、セラミックス系スラリー接着剤の含水率が５〜２５重量％であり、セラミックス系スラリー接着剤を希釈しただけで測定した平均粒子径（Ｄ_ＡＶＥ）と式
【数２】
（式中、Ｓ_ＢＥＴはセラミックス系スラリー接着剤を乾燥させて窒素吸着法に
より測定した比表面積であり、ρはスラリーを構成する粒子密度である。）
を用いて算出した粒子径（Ｄ_ＢＥＴ）との比〔（Ｄ_ＡＶＥ）／（Ｄ_ＢＥＴ）〕が４〜８であるセラミックス系スラリー接着剤を用いて該焼結前のセラミックス成形体同士を接合し、１２５０〜１８００℃で焼成することを特徴とする請求項１記載のセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体の製造方法に関する。
本発明の第５は、請求項４記載の製造方法おいて、相対密度９６％以上の焼結体密度になる温度で焼結した後、該温度±１００℃の温度でＨＩＰ処理することを特徴とするセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体の製造方法に関する。
【０００８】
以下に本発明のセラミックス接合体が充足すべき各要件について詳細に説明する。
【０００９】
（ａ）接合層がセラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有するセラミックス焼結体で構成されている点。本発明においては、接合層を構成するセラミックス焼結体の組成がセラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有することが必要であり、好ましくは９２重量％以上、より好ましくは９５重量％以上含有することが望ましい。接合層を構成するセラミックス焼結体の組成がセラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体のセラミックス成分組成の９０重量％未満の場合には、接合層に多くの第２相を含有するためセラミックス成形体と接合層の焼成収縮率の差や熱膨張差が大きくなりセラミックス焼結体よりなるセラミックス成形体と接合層との界面にクラックの発生や歪みが残存したり、セラミックス焼結体と接合層との界面の接合性が低下するため強度が低くなったり繰り返しの応力負荷がかかった場合にセラミックス成形体同士が外れたりするので好ましくない。なお、「接合層を構成するセラミックス焼結体の組成がセラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有する」とは、たとえば、セラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体が９９．９重量％のアルミナ、０．０５重量％のＭｇＯ、その他の金属酸化物０．０５重量％よりなる組成の場合、接合層は９０（９０≒９９．９×０．９）〜９９．９重量％のアルミナ、０．０４５（０．０４５≒０．０５×０．９）〜０．０５重量％のＭｇＯ、残部がその他の金属酸化物であることを意味している。
【００１０】
（ｂ）接合層厚さが８７〜５００μｍである点。
本発明においては接合層厚さは８７〜５００μｍであることが必要であり、とくに１００〜４００μｍであることが好ましい。接合層厚さが８７μｍ未満の場合は、接合強度が低下するので好ましくなく、５００μｍを越える場合には接合層厚さが厚くなって接合層強度の低下が起こるので好ましくない。
【００１１】
（ｃ）セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径と接合層を構成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径との比が０．５〜２．０である点。
本発明においてはセラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径と接合層を構成するセラミックス焼結体の平均結晶粒径との比（セラミックス成形体平均結晶粒径／接合層平均結晶粒径）が０．５〜２．０であることが必要であり、とくに０．７〜１．５とすることが好ましい。セラミックス成形体平均結晶粒径／接合層平均結晶粒径が０．５未満もしくは２．０を越える場合は、セラミックス成形体と接合層との接合面における結晶粒径差が大きくなり、その結果、強度差が大きくなったり、その他の機械的特性に差が生じて、接合面の耐熱性、耐摩耗性および耐食性の低下につながるので好ましくない。
【００１２】
なお、平均結晶粒径はセラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体およびセラミックス接合層表面を鏡面まで研磨し、次いで熱エッチングもしくは化学エッチングを施した後、走査電子顕微鏡で観察してインターセプト法により１０点測定した平均値とする。算出式は下記の通りである。
【数３】
Ｄ＝１．５×Ｌ／ｎ
〔Ｄ：平均結晶粒径（μｍ）、
ｎ：長さＬ当たりの結晶粒子数、
Ｌ：測定長さ（μｍ）〕
【００１３】
本発明におけるジルコニア質焼結体からなるセラミックス成形体は、ＺｒＯ_２とＹ_２Ｏ_３、ＭｇＯおよびＣａＯ等の安定化剤との合計量が９９．５重量％以上のものであり、アルミナ質焼結体からなるセラミックス成形体はアルミナ含有量が９９重量％以上のものである。なお、本発明におけるＺｒＯ_２にはＨｆＯ_２が含まれていても良く、ＨｆＯ_２量も含めたＺｒＯ_２をＺｒＯ_２量とする。
【００１４】
本質的に同一組成をもつセラミックス焼結体で形成されたセラミックス成形体とは、一方のセラミックス成形体Ａのセラミックス成分組成が他方のセラミックス成形体Ｂのセラミックス成分組成を９０重量％以上含有していることを意味している。したがって、接合層を形成しているセラミックス焼結体のセラミックス成分組成は、セラミックス成形体Ａのセラミックス成分組成を９０重量％以上含有しているとともに、セラミックス成形体Ｂのセラミックス成分組成をも９０重量％以上含有していることが必要である。なお、本明細書の各実施例においては、セラミックス成形体Ａとセラミックス成形体Ｂとは、同一セラミックス成分組成のものを使用している。
【００１５】
つぎに本発明のセラミックス接合体の製造方法について説明する。
セラミックス系スラリー接着剤は、接合するセラミックス成形体を構成するセラミックス焼結体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有する粉体を用い、含水率が５〜２５重量％になるように水もしくは水と有機溶媒の混合物を添加し、必要に応じて所定量の分散剤およびバインダーを添加して粉砕・分散させる。分散剤としてはたとえばポリカルボン酸アンモニウム塩、ＰＶＡなどが使用でき、バインダーとしてはたとえばワックスエマルジョン、ＰＶＡ、アクリル樹脂などが使用できる。
【００１６】
セラミックス系スラリー接着剤の含水率が５重量％未満の場合は、流動性の高いスラリーが得られず、接合ムラが発生したり、接合層にポアが残存したりして、強度低下を引き起こすなどの問題が有り、２５重量％を越える場合は、焼成前の接合層強度が低くなり、ハンドリング性に欠けたり、焼成後の接合層の組織が粗密になったり、焼成時にセラミックス成形体と接合層との間に大きな熱収縮差が発生し、剥離や焼結したセラミックス成形体と接合層との界面にクラックや歪みが発生し、接合面の強度低下や耐久性の低下の原因となるので好ましくない。含水率はより好ましくは５〜２０重量％である。
【００１７】
粉砕・分散したセラミックス系スラリー接着剤を構成するセラミックス粒子の平均粒子径は１．０μｍ以下、より好ましくは０．８μｍ以下である（現状ではセラミックス粒子の下限は約０．０２μｍである）。このセラミックス粒子の平均粒子径はスラリーをそのまま希釈し、粒度分析を行う前に分散剤添加および超音波分散して測定した値である。平均粒子径が１．０μｍを越えると接合部の焼結性が低下するだけでなく、焼成後の接合部にポアなどの欠陥を多く含有したり、セラミックス部との接合性が低下し、強度低下を招くので好ましくない。
【００１８】
また、セラミックス系スラリー接着剤の平均粒子径が上記の要件を満足しているだけでは充分でなく、下記で述べるスラリー中の粉体粒子の分散度も重要である。スラリー中の粉体粒子の分散度は、スラリーを希釈のみの状態で測定した平均粒子径（Ｄ_ＡＶＥ）とスラリーを乾燥させて窒素吸着法により測定した比表面積（Ｓ_ＢＥＴ）と粉体密度（ρ）から下式
【数４】
を用いて算出した粒子径（Ｄ_ＢＥＴ）との比、すなわち（Ｄ_ＡＶＥ）／（Ｄ_ＢＥＴ）が４〜８になるまで粉砕・分散させることが必要である。スラリーを希釈して測定した平均粒子径（Ｄ_ＡＶＥ）／比表面積から求まる粒子径（Ｄ_ＢＥＴ）が４未満の場合はスラリーの分散性が良すぎて接合するセラミックス成形体とのなじみが低下し、焼成前の接合層強度の低下や焼成後の接合強度が低くなるため好ましくなく、８を越える場合にはスラリー中の粉体粒子の凝集が強いために焼成後の接合層に多くのポアを含有したり、焼結したセラミックス成形体と接合層との界面強度が低下し、その結果、強度低下が起こるので好ましくない。
【００１９】
接合に当っては、あらかじめセラミックス成形体の接合面のみに、下記プライマーを塗布し、その後でセラミックス系スラリー接着剤を適用することが好ましい。前記プライマーとしては、接合するセラミックス成形体組成を９０重量％以上含有する粉体スラリー（含水率を５０％以上とする。下記の水のみを用いる場合は含水率１００％に相当している）あるいは水、有機溶媒、水と有機溶媒の混合溶媒を挙げることができる。プライマーである水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合溶媒あるいはスラリーの適用をセラミックス成形体全体に施すと成形体に割れや水、有機溶媒、水と有機溶媒の混合溶媒あるいはスラリーを適用したことによる作業性の低下や崩壊が起こるので、プライマーの適用は、接合面のみとすることが重要である。プライマーの塗布量は、接合面がわずかに湿る程度とし、プライマー塗布後、湿った状態を失わないうちに（それが乾かないうちに）セラミックス系スラリー接着剤を適用する。
【００２０】
接合面にセラミックス系スラリー接着剤を適用した後、セラミックス成形体同士を接合する。接合した成形体は十分に乾燥させた後、１２５０〜１８００℃、より好ましくは１３００〜１７５０℃で焼成する。
【００２１】
さらに、焼成後、Ａｒなどの不活性雰囲気、またはＮ_２もしくはＯ_２雰囲気下１８００℃以下の温度でＨＩＰ処理することにより一層接合強度の高いセラミックス接合体が得られる。
【００２２】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００２３】
実施例１〜５、比較例１〜７
実施例１と５はアルミナ含有量が９９．６重量％、ＭｇＯが０．０５重量％含有し、粒子径が０．５μｍ、比表面積が６ｍ^２／ｇからなるアルミナ粉体をポットミルで溶媒として水を用いて粉砕・分散し、バインダーを添加し、スプレードライヤー乾燥して成形用粉体を作製した。
実施例３はアルミナ含有量が９９．９重量％、ＭｇＯが０．０５重量％含有し、粒子径が０．１８μｍ、比表面積が１４ｍ^２／ｇからなるアルミナ粉体をポットミルで溶媒として水を用いて粉砕・分散し、バインダーを添加し、スプレードライヤー乾燥して成形用粉体を作製した。
また、実施例２と４は、加水分解法により作製した「Ｙ_２Ｏ_３を３ｍｏｌ％含有するＹ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の合計量が９９．８重量％からなるジルコニア粉体」を上記のアルミナ成形用粉体の作製と同様にして成形用粉体を作製した。
このようにして得られたそれぞれの成形用粉体を用いて、１ｔｏｎｆ／ｃｍ^２でプレス成形し、５×５×５０ｍｍの棒状セラミックス成形体（実施例１〜５）を作製した。比較例１〜７のものもこれに準じて作成した。
一方、セラミックス系スラリー接着剤Ｎｏ．１〜１０を表１に示す粉体を用いて作製し、セラミックス成形体と同材質系統のセラミックス系スラリー接着剤を用いて、同材質の未焼成セラミックス成形体２本を長手方向に２倍の長さになるように接合して５×５×１００ｍｍの棒状体とし、これを焼成し、セラミックス接合体を作製した。得られたセラミックス接合体の特性を表２に示す。
なお、比較例７のみは、１４５０℃で焼成した焼結体よりなるジルコニア成形体をセラミックス系スラリー接着剤の代りに室温硬化型エポキシ樹脂接着剤（日本チバガイギー製、商品名アラルダイト）を用いて接合した。
このようにして得られたセラミックス接合体を３×４×４０ｍｍの棒状テストピースに加工し、ＪＩＳ１６０１に準じて４点曲げにより曲げ強さを各１０本測定し、平均値を算出した。なお、セラミックス接合体は、図１に示すように接合層を上スパンの中央部に位置するようにして測定した。表２にセラミックス接合体の接合層の平均曲げ強さおよびセラミックス接合体の接合層の平均曲げ強さとセラミックス成形体の平均曲げ強さとの比を示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
上記実施例からも明らかなように本発明のセラミックス接合体は、接合強度が高いことが明らかである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のセラミックス接合体は接合強度が高く、接合していないセラミックス焼結体特性と同等の耐熱性、耐摩耗性および耐食性を有し、しかも低コストで複雑形状品の作製が可能なため産業用機械部品に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックス接合体の曲げ強さをＪＩＳ１６０１に準じた方法で測定する態様の概略図である。

Claims

本質的に同一組成をもつセラミックス焼結体で形成されたセラミックス成形体同士を接合してなるセラミックス接合体において、接合層はセラミックス成形体のセラミックス成分組成を９０重量％以上含有するセラミックス焼結体であって、その厚さが８７〜５００μｍで、セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径と接合層を形成しているセラミックス焼結体の平均結晶粒径との比が０．５〜２．０、接合層の平均曲げ強さ（σ _Ｊ）とセラミックス成形体のみの平均曲げ強さ（σ _Ｍ）の比率σ _Ｊ／σ _Ｍが０．７５〜０．９３であることを特徴とするセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体。
セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体がジルコニア質焼結体である請求項１記載のセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体。
セラミックス成形体を構成しているセラミックス焼結体がアルミナ質焼結体である請求項１記載のセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体。
本質的に同一のセラミックス成分組成をもつ焼結前のセラミックス成形体同士を、セラミックス系スラリー接着剤を用いて接着、焼成し、セラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体を製造する方法において、該セラミックス系スラリー接着剤におけるセラミックス粒子の成分組成がセラミックス成形体を構成しているセラミックス成分組成を９０重量％以上含有し、その平均粒子径が１．０μｍ以下で、セラミックス系スラリー接着剤の含水率が５〜２５重量％であり、セラミックス系スラリー接着剤を希釈しただけで測定した平均粒子径（Ｄ_ＡＶＥ）と式
（式中、Ｓ_ＢＥＴはセラミックス系スラリー接着剤を乾燥させて窒素吸着法に
より測定した比表面積であり、ρはスラリーを構成する粒子密度である。）
を用いて算出した粒子径（Ｄ_ＢＥＴ）との比〔（Ｄ_ＡＶＥ）／（Ｄ_ＢＥＴ）〕が４〜８であるセラミックス系スラリー接着剤を用いて該焼結前のセラミックス成形体同士を接合し、１２５０〜１８００℃で焼成することを特徴とする請求項１記載のセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体の製造方法。
請求項４記載の製造方法おいて、相対密度９６％以上の焼結体密度になる温度で焼結した後、該温度±１００℃の温度でＨＩＰ処理することを特徴とするセラミックス成形体同士よりなるセラミックス接合体の製造方法。