【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成26年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)/革新的設計生産技術 高付加価値セラミックス造形技術の開発委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
焼結用セラミックスからなる物品の表面に、炭素粉末を含む層を形成し、次いで、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下において、得られた積層物における前記炭素粉末含有層にレーザーを照射する焼結用セラミックスの焼結方法において、
前記炭素粉末含有層の表面にレーザー透過部材を載置することを特徴とする、焼結用セラミックスの焼結方法。
焼結用セラミックスからなる非焼結部を備える物品の該非焼結部の表面に、炭素粉末を含む層を形成する工程と、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下において、得られた積層物における前記炭素粉末含有層にレーザーを照射して、照射部の下地側に位置する焼結用セラミックスを焼結させる工程とを、順次、備える、焼結部を有する物品の製造方法において、
前記炭素粉末含有層の表面にレーザー透過部材を載置することを特徴とする、焼結部を有する物品の製造方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
焼結用セラミックスに、直接、レーザーを照射すると、十分に焼結することができず、例えば、焼結用セラミックス板の表面にレーザーを照射して、十分に粒成長させようとする場合、長時間の照射が不可欠であった。そこで、本発明者らは、焼結用セラミックス板の表面に炭素粉末を含む層を形成し、レーザーを照射して焼結の促進が可能かどうか検討を進めてきた。
本発明の目的は、焼結用セラミックスを効率よく焼結する方法、及び、焼結用セラミックスからなる非焼結部を備える物品(以下、「原料物品」ともいう)における、該非焼結部の所望の部分を焼結部とした物品(以下、焼結部が一部であっても、全体であっても「焼結物」ともいう)を効率よく製造する方法を提供することである。
【0005】
また、薄い板又は層を構成する焼結用セラミックス部に炭素粉末を含む層を形成した状態でレーザーを照射した場合、熱衝撃で亀裂や割れが発生することがあった。本発明の他の目的は、亀裂、割れ等の不具合を発生させずに、焼結する方法及び焼結物の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、以下に示される。
1.焼結用セラミックスからなる物品の表面に、炭素粉末を含む層を形成し、次いで、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下において、得られた積層物における上記炭素粉末含有層にレーザーを照射することを特徴とする、焼結用セラミックスの焼結方法。
2.上記焼結用セラミックスが、酸化物、窒化物及び酸窒化物から選ばれた少なくとも1種である上記項1に記載の焼結方法。
3.上記レーザーの波長が400nm〜11μmである上記項1又は2に記載の焼結方法。
4.上記炭素粉末含有層の表面にレーザー透過部材を載置する上記項1乃至3のいずれか一項に記載の焼結方法。
5.上記レーザー透過部材が石英ガラスを含む上記項4に記載の焼結方法。
6.焼結用セラミックスからなる非焼結部を備える物品の該非焼結部の表面に、炭素粉末を含む層を形成する工程と、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下において、得られた積層物における上記炭素粉末含有層にレーザーを照射して、照射部の下地側に位置する焼結用セラミックスを焼結させる工程とを、順次、備えることを特徴とする、焼結部を有する物品の製造方法。
7.上記焼結用セラミックスが、酸化物、窒化物及び酸窒化物から選ばれた少なくとも1種である上記項6に記載の製造方法。
8.上記レーザーの波長が400nm〜11μmである上記項6又は7に記載の製造方法。
9.上記炭素粉末含有層の表面にレーザー透過部材を載置する上記項6乃至8のいずれか一項に記載の製造方法。
10.上記レーザー透過部材が石英ガラスを含む上記項9に記載の製造方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明の焼結方法によれば、より短時間で焼結用セラミックスを焼結することができる。また、本発明の焼結方法によれば、酸素ガスを含む雰囲気において、焼結用セラミックスの表面に形成された炭素粉末含有層に、レーザーを照射する場合に比べて、表面から深さ方向に十分に粒成長された焼結物を得ることができる。
また、薄い板又は層を構成する焼結用セラミックス部にレーザーを照射する場合に、炭素粉末含有層の表面にレーザー透過部材を載置しておくことにより、レーザー照射による亀裂、割れ等の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明の焼結方法は、焼結用セラミックスからなる物品の表面に、炭素粉末を含む層を形成し、次いで、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下において、得られた積層物における炭素粉末含有層にレーザーを照射することを特徴とする。
【0010】
図1(A)は、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下としたチャンバー20内において、焼結用セラミックスからなる物品12の表面に形成された炭素粉末含有層14の所定位置にレーザーを照射する説明図であり、
図1(B)及び(C)は、レーザー照射により、炭素粉末含有層14におけるレーザー照射部の下地側の焼結用セラミックスが焼結されて、焼結部16が形成されたことを示す説明図である。上記物品12及び炭素粉末含有層14からなる積層物10における炭素粉末含有層14にレーザーを照射すると、レーザー照射部では、炭素粉末がレーザーのエネルギーを吸収して発熱するが、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下でレーザー照射を行うため、消失することはない。そして、熱源となった炭素粉末含有層14は、下地側の焼結用セラミックスを800℃以上(推定温度)に加熱して粒子の結晶成長を促進して、焼結部16を形成する。尚、物品12の厚さ、レーザーの照射条件等により、焼結深さを調節することができ、例えば、
図1(B)又は(C)に示す焼結部16が得られる。
【0011】
上記物品12を構成する焼結用セラミックスは、好ましくは、酸化物、窒化物、酸窒化物等であり、これらのうち、1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。
酸化物としては、酸化アルミニウム、ムライト、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム等を用いることができる。
窒化物としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化鉄等を用いることができる。
酸窒化物としては、サイアロン、酸窒化珪素等を用いることができる。
【0012】
上記物品12は、焼結用セラミックス粒子の集合体からなることが好ましい。この場合、粒子の形状及び大きさは、特に限定されない。粒子形状は、いずれも中実体の、球状、楕円球状、多面体状、線状、板状、不定形状等とすることができる。粒子の平均粒子径は、好ましくは10nm〜100μm、より好ましくは100nm〜10μmである。上記物品12に含まれる粒子の密度は、形成される焼結部の強度、焼結時間等の観点から、好ましくは40体積%以上、より好ましくは70体積%以上である。
【0013】
上記物品12の形状は、特に限定されず、平板状、曲板状、棒状、筒状、塊状、又は、これらの組み合わせ若しくはこれらの変形形状とすることができる。レーザーが照射される部分は、凹部又は凸部を有してもよい。
上記物品12は、溶射法、電子ビーム物理蒸着法、レーザー化学蒸着法、コールドスプレー法、焼結用セラミックス粒子、分散媒及び必要に応じて用いられる高分子バインダーを含むスラリーを塗布した後、乾燥を行い、更に脱脂する方法等の、従来、公知の方法で得られたものとすることができる。
【0014】
上記物品12の表面への炭素粉末含有層14の形成方法は、特に限定されない。炭素粉末のみ、又は、炭素粉末と、バインダーとを含有する組成物、又は、炭素粉末と、有機溶剤とを含有する組成物を用いて、スプレー等による散布法、スクリーン印刷等の印刷法、ドクターブレード法、スピンコート法、カーテンコーター法等の塗布法等により、上記物品12の表面における所望の位置(一部又は全面)に炭素粉末含有層14を形成することができる。炭素粉末含有層14を形成する場合の雰囲気は、空気及び不活性ガスのいずれでもよい。
上記炭素粉末含有層14に含まれる炭素粉末の含有割合は、円滑な焼結性の観点から、好ましくは50質量%以上、より好ましくは80質量%以上である。
【0015】
上記炭素粉末含有層14の厚さは、特に限定されないが、円滑な焼結性の観点から、好ましくは5nm〜30μm、より好ましくは100nm〜10μmである。
【0016】
上記炭素粉末含有層14にレーザーを照射する場合、円滑な焼結性の観点から、500nm〜11μmの波長のレーザーを用いることが好ましい。例えば、Nd:YAGレーザー、Nd:YVOレーザー、Nd:YLFレーザー、チタンサファイアレーザー、炭酸ガスレーザー等を用いることができる。
【0017】
レーザーの照射条件は、焼結用セラミックスの種類、焼結面積、焼結深さ等により、適宜、選択される。レーザー出力は、円滑な焼結性の観点から、好ましくは50〜2000W/cm
2、より好ましくは100〜500W/cm
2である。また、照射時間は、好ましくは1秒間〜60分間、より好ましくは5秒間〜30分間である。
本発明において、上記炭素粉末含有層14にレーザーを照射する場合の雰囲気は、酸素ガスの含有を限りなく抑制した不活性ガス雰囲気又は真空である。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等が挙げられる。
レーザーを照射する場合、照射前の上記物品12又は炭素粉末含有層14に対して、予熱しておいてもよい。予熱する場合、その温度は、好ましくは300℃以上、より好ましくは400℃以上であり、上限は、通常、焼結用セラミックスの融点より200℃以上低い温度である。予熱方法は、特に限定されず、赤外線ランプ、ハロゲンランプ、抵抗加熱、高周波誘導加熱、マイクロ波加熱等とすることができる。
積層物10における炭素粉末含有層14の全面にレーザー照射を行った場合には、炭素粉末含有層14におけるレーザー照射部の下地側の全面を焼結部16とすることができるので、上記物品12に対して大面積の焼結を行う場合、積層物10を固定した状態でレーザーをスキャンさせながら若しくは光拡散レンズを介して光路を変化させながら照射する方法、又は、積層物10を移動させながら、光路を固定したレーザーを照射する方法を適用することができる。
【0018】
積層物10における炭素粉末含有層14にだけでなく、炭素粉末含有層が形成されていない焼結用セラミックスに対して、レーザーを照射すると、そのエネルギー積算量が高いほど、深さ方向に十分な焼結を進めることができる。しかしながら、表面から、例えば、10μm以上の深さまでの表面層、又は、炭素粉末含有層における照射部の下地側であって、1面側から他面側に渡る断面部分全体において、十分に粒成長された焼結物を得るための照射時間は、大きく異なる。本発明の方法は、炭素粉末含有層が形成されていない焼結用セラミックスに対して、レーザーを照射する方法、及び、炭素粉末含有層14を備える積層物10に、酸素ガスを含む雰囲気において、レーザーを照射する方法よりも、短時間化が可能であり、有用である。
【0019】
尚、上記のレーザー照射条件を、例えば、平板状の積層物10に適用した場合、表面から300μm程度の深さまでの焼結を効率よく行うことができる。従って、積層物10を固定した状態でレーザーをスキャンさせながら若しくは光拡散レンズを介して光路を変化させながら照射する方法、又は、積層物10を移動させながら、光路を固定したレーザーを照射する方法においても、特定の部分において、表面から所望の深さまでの焼結を行うことができる。
【0020】
上記のように、物品12は、種々の形状を有するものとすることができるが、例えば、厚さが0.1mm以下の薄肉部にレーザーを照射した場合、レーザー照射部に亀裂又は割れが発生することがある。このような不具合を抑制するため、
図2に示すように、積層物10における炭素粉末含有層14の表面にレーザー透過部材40を載置することが好ましい。そして、物品12の形状保持のため、レーザーが照射される物品12の表面形状に関わらず、凸部又は凹部を有する場合であっても、物品12の表面形状に沿った構造を有するレーザー透過部材40を用いることが特に好ましい。
【0021】
上記レーザー透過部材40の構成材料は、特に限定されないが、石英ガラスが好ましい。
【0022】
本発明の焼結物の製造方法は、焼結用セラミックスからなる非焼結部を備える物品(原料物品)の該非焼結部の表面に、炭素粉末を含む層を形成する工程と、不活性ガス雰囲気又は真空の条件下において、得られた積層物における炭素粉末含有層にレーザーを照射して、照射部の下地側に位置する焼結用セラミックスを焼結させる工程とを、順次、備える。原料物品における非焼結部を構成する焼結用セラミックスは、上記のように、酸化物、窒化物、酸窒化物等とすることができる。また、原料物品における非焼結部の表面に炭素粉末含有層を形成する方法、及び、レーザーの照射方法(レーザーの種類、波長、照射条件、雰囲気等)もまた、上記の通りである。
【0023】
以上のように、本発明により、表面から深さ方向に十分に粒成長された焼結物を製造することができる。
【実施例】
【0024】
以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態を更に具体的に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。
【0025】
比較例1
粒子径が1〜5μmの範囲にあるα型酸化アルミニウム粒子を加圧成形し、直径10mm及び厚さ2mmの円板状焼結用セラミックスを得た。その後、この円板状焼結用セラミックスの表面に、日本船舶工具有限会社製エアゾール乾性黒鉛皮膜形成潤滑剤「DGFスプレー」(商品名)の吹き付けを約1秒間行った。そして、これを、30秒間放置して、厚さが約5μmの炭素粉末含有層を備える積層物を得た。
次に、
図1(A)に示すように、積層物(10)を、SUS304からなる台座(25)の上に載置した。そして、チャンバー(20)の内部を大気雰囲気とし、積層物(10)の真上に配置したNd:YAGレーザーの光源(30)から、波長1064nm、出力300Wのレーザーを、積層物(10)の表面に対して、ビーム径が1000μmとなるように、且つ、
図3の矢印方向に速度500mm/秒で、40秒間に渡って、(A)、(B)、(C)、(D)、(E)・・・の順にスキャンさせながら照射した。尚、(A)及び(B)の間隔(他も同じ)は0.1mmであり、照射面積は3mm×3mmである。
その後、チャンバー(20)から積層物を回収し、炭素粉末含有層を除去したところ、焼結物のレーザー照射部に小さな亀裂が見られた。
レーザー照射部における亀裂のない焼結部を破断させ、焼結部の表面層のSEM観察を行った(
図4参照)。
図4の画像によれば、レーザー照射部は、酸化アルミニウムは焼結されているものの、結晶が明瞭でないことが分かる。
また、レーザー照射部のXRD測定を行った(
図5参照)。
図5のX線回折像を解析したところ、無配向性を示すα−アルミナであることが分かった。
【0026】
実施例1
チャンバー(20)の内部をアルゴンガス雰囲気とした以外は、比較例1と同じ操作を行った。
その後、チャンバー(20)から積層物を回収し、炭素粉末含有層を除去したところ、焼結物のレーザー照射部に小さな亀裂が見られた。
レーザー照射部における亀裂のない焼結部を破断させ、焼結部の表面層のSEM観察を行った(
図6参照)。
図6の画像によれば、レーザー照射部は、粒成長が十分に進行し、柱状晶で緻密化されていることが分かる。
また、レーザー照射部のXRD測定(線源:Cu Kα、スキャン速度:2°/分、温度:25℃)を行った(
図5参照)。
図5のX線回折像を解析したところ、(104)面に配向性を示すα−アルミナであることが分かった。
【0027】
実施例2
粒子径が1〜5μmの範囲にあるα型酸化アルミニウム粒子を加圧成形し、直径10mm及び厚さ約1mmの円板状焼結用セラミックスを得た。その後、この円板状焼結用セラミックスの表面に、日本船舶工具有限会社製エアゾール乾性黒鉛皮膜形成潤滑剤「DGFスプレー」(商品名)の吹き付けを約1秒間行った。そして、これを、30秒間放置して、厚さが約5μmの炭素粉末含有層を備える積層物を得た。
次に、
図2(A)に示すように、積層物(10)を、SUS304からなる台座(25)の上に載置し、厚さ3mmの石英ガラス板(レーザー透過部材)を積層物(10)の上に載置した。そして、チャンバー(20)の内部をアルゴンガス雰囲気とし、積層物(10)の真上に配置したNd:YAGレーザーの光源(30)から、波長1064nm、出力300Wのレーザーを、積層物(10)の表面に対して、ビーム径が1000μmとなるように、且つ、
図3の矢印方向に速度500mm/秒で、45秒間に渡って、実施例1と同様にしてスキャンさせながら照射した。
その後、チャンバー(20)から積層物を回収し、炭素粉末含有層を除去したところ、焼結物のレーザー照射部に亀裂及び割れは見られなかった。
焼結物のレーザー照射部(焼結部)の表面のSEM観察を行った(
図7参照)。
図7の画像によれば、十分に焼結されたことが分かる。
また、焼結物のレーザー照射部(焼結部)を破断させ、焼結部の表面層のSEM観察を行った(
図8参照)。
図8の画像によれば、表面から深さ約300μmまでの範囲において、粒成長が十分に進行し、柱状晶で緻密化されていることが分かる。
【0028】
実施例3
実施例2で作製した積層物(10)を用いた。
図2(A)に示すように、この積層物(10)を、SUS304からなる台座(25)の上に載置し、厚さ3mmの石英ガラス板(レーザー透過部材)を積層物(10)の上に載置した。そして、チャンバー(20)の内部をアルゴンガス雰囲気とし、積層物(10)の真上に配置したNd:YAGレーザーの光源(30)から、波長1064nm、出力300Wのレーザーを、積層物(10)の表面の同じ位置に対して、ビーム径が10mmとなるように、30秒間に渡って、照射した。
その後、チャンバー(20)から積層物を回収し、炭素粉末含有層を除去したところ、焼結物のレーザー照射部に亀裂及び割れは見られなかった。
焼結物のレーザー照射部(焼結部)の表面のSEM観察を行った(
図9参照)。
図9の画像によれば、十分に焼結されたことが分かる。
また、焼結物のレーザー照射部(焼結部)を破断させ、焼結部の表面層のSEM観察を行った(
図10参照)。
図10の画像によれば、表面から深さ約100μmまでの範囲において、酸化アルミニウムが十分に焼結され、緻密化されていること、及び、深さ約100μmから300μmまでの範囲において、粒径約20μmの酸化アルミニウム粒子で構成される緻密焼結組織が見られることが分かる。