JP2006088522A

JP2006088522A - 成形体の製造方法

Info

Publication number: JP2006088522A
Application number: JP2004276875A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Tadenuma; 隆之蓼沼
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】成形体の品質低下を招く事なく、プレス成形体を金型から容易に取り出すことができる、プレス成形体の製造方法の提供にある。
【解決手段】原料と樹脂系バインダとの混練素地を金型に入れ、該混練素地を加熱する工程と、加圧冷却で固化する工程とを経て得られる成形体を前記金型から離型する成形体の製造方法において、前記冷却固化後に前記金型を微小時間加熱し、前記成形体を前記金型から離型する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミクロン単位の高い寸法精度が要求されるセラミックス成形体の製造方法に関するものである。

近年、セラミックス焼結体は、高強度、耐磨耗性、高剛性、低熱膨張性、耐熱性、高硬度などの特性を利用して、機械材料として工作機械部品、測定装置、エンジン、送風機、軸受け、工具、潤滑剤、もしくは光通信用部品等に用いられてきている。また化学的な安定性を利用して化学装置や断熱性あるいは伝熱性を利用した機器への応用も図られてきている。

この中で、精密機械や精密測定器のように、常温環境下で使用される精密機器の重要要素部品にセラミックス焼結体が採用されるようになってきた。その背景には、半導体に代表される電子部品の超精密化、微細化が急速に進み、それらを製造する加工機や測定器にサブミクロンもしくはそれ以下の精度が要求されるようになってきたからである。これら精密機器の構造用部材として従来は、ステンレス、アルミ系合金、防錆処理した鉄系材料及び石材が使われてきた。

しかし、加工精度がμｍ以下を要求する超精密や超微細加工分野においては、構造体の自重による変形や温度、湿度変化による微小な変形も問題になるほど要求仕様が厳しく、しかも能率化のために機械の高速化、軽量化の要求も高い。

このような、高性能の品質要求にたいし、従来の材料では様々な問題点が指摘され、セラミックス焼結体が使われ始めている。

また、前記セラミックス焼結体は射出成形やプレス成形により製造されていた。一方で、上記した製法で得られた成形体は、金型から該成形体をそのまま離型しようとすると、成形体が金型の成形面に付着して取り出し難く、無理に取り出そうとすると破損するという問題があったので、従来より、金型に離型剤を塗布していた。しかしながら、離型剤を塗布すると、成形体の離型後に金型成形面が汚れるため、毎回、金型成形面を清掃して離型剤を塗布し直す必要があったため、生産性が著しく低下していた。

そこで、生産性を向上させるために、成形体の加圧開始から離型終了まで金型を所定の温度で加熱し、成形体の金型との接面の原料を乾燥させ、滑りを良くすることにより成形体の離型をスムーズに行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１１４８１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法は樹脂系バインダを用いた混練素地では、数百度まで加熱した後に冷却して成形体を作製するため、最終的にそれを冷却しなければならないため、時間とコストが掛かってしまう欠点があった。

本発明の目的は、成形体の品質低下を招く事なく、プレス成形体を金型から容易に取り出すことができる、プレス成形体の製造方法の提供にある。

上記の問題に鑑み本発明は、原料と樹脂系バインダとの混練素地を金型に入れ、該混練素地を加圧して製造される射出成形体または、プレス成形体を前記金型から取り出す、成形体の製造方法において、加圧終了から離型開始迄、前記金型を加熱する事を特徴とする。

さらに、前記金型の熱膨張率が、１．５×１０^―６／Ｋ以上であることを特徴とする。

さらに、前記金型の熱伝導率が、２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。

さらに、前記金型の前記成形体との接触面の算術平均粗さＲａが５μｍ以下であることを特徴とする。

さらに、前記金型と前記熱源の当接面から前記成形体までの最短距離が、前記成形体外径の１０倍以上であることを特徴とする。

本発明によれば、成形体の冷却固化後に金型を微小時間加熱し、前記成形体を前記金型から離型することにより、前記金型が熱膨張して成形体と金型に微小な空隙が生じるため、前記成形体を前記金型から容易に離型することができる。
すなわち、加圧成形した後に冷却しただけでは、金型内の微細な空孔に成形体が入り込むことでアンカー効果が生じる。そのため、成形体の金型への付着が強固なものになっているが、冷却後、離型工程の前に、金型を微小時間１〜５秒加熱することにより、金型を膨張させ、金型と成形体に空隙を作ることにより上記したアンカー効果を弱めることができるため、成形体の離型時に破損させることなく、所望の成形体を得ることができる。これにより、製品歩留りが大幅に向上してコストの低減を実現できる。

また、前記金型に熱源を当接させて微小時間加熱することにより、微小時間の制御を容易にするとともに、簡易に効率よく加熱することができる。

また、前記金型の熱膨張率を１．５×１０^―６／Ｋ以上、または、熱伝導率を２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることにより、金型に施す微小時間加熱の温度制御を容易にするとともに、金型と成形体のアンカー効果を効率よく抑制することができる。

また、前記金型の前記成形体との接触面の算術平均粗さＲａを５μｍ以下とすることにより、金型と成形体に生じるアンカー効果の発生を予め防止することができる。

本発明の成形体の製造方法を以下に示す実施形態に基づき説明する。

図１は、成形体の製造に用いられる金型の斜視図である。金型１０は、図１に示すように、混練素地１を投入する貫通孔２ａを具備した上金型２、端面保持部３ａを具備した下金型３、及び粉末原料１を成形するための加圧ピン４を備えている。そして、下金型３を図示しないアームによって上金型２に対して相対的に移動させ、端面保持部３ａを貫通穴２ａに挿入し、上金型２と組み合わせた状態で使用する。

ここで、上金型２と下金型３のクリアランスは、１μm以下が望ましく、それよりも大きなクリアランスでは、バリの発生とともに加圧力の分散が起こり、成形体の緻密化が図れないためである。

また、加圧ピン４と貫通穴２ａのクリアランスについても、１μm以下が望ましい。１μｍを超えるクリアランスでは、前述の理由とともに、発生したバリが、成形体の離型の際の妨げになるからである。

また、端面保持部３ａに微小な空気穴を設けることが望ましい。これにより、当該空気穴から混練素地１の投入直前まで真空引きを行うことができるため、貫通孔２ａ内の空気を効率よく脱気することができるので、成形体に混入する気泡を低減することができる。

次に、金型１０を用いて成形体を形成し、金型１０から前記成形体を離型する工程を説明する。

先ず、原料と樹脂系バインダを用いて混練素地１を作製する。原料は、例えば、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素等のセラミック粉末を用いることができ、均一な成形体を作るためには、セラミック粉末の粒径が１００μｍ以下であることが望ましい。一方で、樹脂系バインダは、ベンゼン系、エステル系樹脂等を用いることができ、該樹脂に各種溶媒を混合したものである。そして、前記原料と樹脂系バインダを混ぜ合わせることで混練素地を作製することができる。尚、混練素地１はペレタイザで極小粒状にしたものを用いてもよく、これにより、金型内の隅々まで原料を充填することが可能となり、成形体をより緻密にすることができる。

次に、上記で得られた混練素地１を貫通穴２ａへ投入し、下金型３の端面保持部３ａが貫通穴２ａに挿入するように下金型３を移動させて上金型２に組み合わせる。

そして、上金型２の外周面に高温に加熱された治具を接触させ、外周面から混練素地１を加熱して軟化させる。ここで、加熱用治具５は、例えば、銅ブロックにニッケル合金やニクロム線等の発熱抵抗体を埋設させることにより作製される。また、この時の加熱用治具５の温度は１２０℃以上３００℃以下が望ましい。なぜなら、樹脂系バインダを含んだ混練素地の軟化温度は、通常８０℃以上であるため、前記軟化温度よりも高温度を有する治具で、且つ該治具の体積も上金型２の２倍以上あるものが望ましい。

次に、軟化した混練素地１を、加圧ピン４を使って加圧成形する。加圧ピン４は、貫通穴２ａ上部から挿入し、成形体の離型工程まで所定の圧力を保持するように制御する。このとき、冷却しながら成形体を加圧するのは、成形体を冷却すると、収縮により金型形状よりも小さくなってしまうため、成形体が形状変化しなくなる温度まで圧力をかけ続けて金型に転写された成形体を得るためである。

ここで、冷却用治具６は、上記した加熱用治具と同様の治具を用意し、発熱抵抗体の代わりに冷却管を埋設させ、該冷却管に冷媒を通すことで冷却用治具６を構成し、該冷却用治具６を上金型２に接しせしめることで、金型を冷却しながら成形することが可能になる。冷却する温度は、原料の軟化温度以下で、さらには、樹脂バインダ中のWAX成分のガラス点移転以下まで冷却することが望ましい。これにより、成形体１ａの離型時に、成形体１ａに離型ピン７の跡が付くことなく充分な剛性を維持することができるため、高精度な成形体を作製することができる。

尚、上記では、加熱用治具５および冷却用治具６を金型１０に当接することにより成形体１ａの加熱および冷却を行っているが、上金型２に加熱および冷却機構を備えた金型１０を用いて成形体１ａを作製してもよい。また、他の加熱方法として、高周波誘導加熱を用いてもよい。これは、金型１０の外周にコイルを巻きつけ通電し、その渦電流にて熱を発生させて混練湿地１を成形する方法である。

そして、本発明の成形体の製造方法では、成形体を加圧冷却で固化後に加圧ピン１と下金型３を外し、上金型２の外周面を微小時間加熱し、成形体１ａを金型２から離型する。これは、金型１０を微小時間加熱させることなく成形体１ａを離型させると、貫通穴２ａの内周面と成形体１とのアンカー効果により、貫通孔２ａと成形体１の接合力が増大してしまうため、離型する際に多大な力を作用させる必要がある。また、その力により成形体１ａの側面に破損が生じ、成形体１ａの寸法精度を劣化させてしまう。

ここで、成形体１の微小時間加熱は、超鋼からなる金型１０であり、その肉厚が２０ｍｍで２００℃に保持する場合、１秒程度が望ましい。尚、微小時間加熱では金型１０のみを加熱膨張させているため、混練素地１の種類に微小時間は影響されない。

また、前記微小時間加熱は、上述したように、金型１０に備えられた加熱機構や高周波による誘導加熱でもよいが、上金型２に熱源８を当接させてすることが好ましい。これは、上金型２に発熱抵抗体を埋設させて加熱すると、上金型２の昇温に時間がかかり作業効率が低下したり、上金型２の昇温時間を抑制するのが困難になり、成形体１に熱が伝導して成形体１が膨張する場合がある。これに対して、熱源８を金型１０に当接させれば、微小時間加熱を簡易に施すことができる。

尚、熱源８としては、銅のブロックに、発熱抵抗体を組み込んだものが望ましく、ニッケル合金や、ニクロム線などで、目的温度に温調可能なものが好ましい。

また、金型１０と熱源８の当接面から成形体１までの最短距離Lが、成形体１ａ外径の１０倍以上であることが好ましい。これは、最短距離Ｌが１０倍未満であると、微少時間加熱により、金型１０のみならず成形体１ａまでも加熱してしまい、金型１０と同時に成形体１ａも膨張し、金型１０と成形体１ａ間に生じるアンカー効果が増大して、離型圧力が増大する可能性がある。

また、金型１０の熱膨張係数が１．５×１０^−６／Ｋ以上であることが好ましい。これは、熱膨張係数が１．５×１０^−６／Ｋ未満であると、微小時間加熱により、金型のみならず、成形体までも加熱してしまい、金型１０と同時に成形体１ａも膨張し、金型１０と成形体１ａ間に生じるアンカー効果が増大して、離型圧力が増大する可能性がある。

また、金型１０の熱伝導率が２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。これは、熱伝導率が２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であると、微少時間加熱により、金型のみならず、成形体１ａまでも加熱してしまい、金型１０と同時に成形体１ａも膨張し、金型１０と成形体１ａ間に生じるアンカー効果が増大して、離型圧力が増大する可能性がある。

尚、上述したような熱膨張係数や熱伝導率を得るためには、金型１０を超鋼、SKD１１、およびDC５３等で作製すればよい。

また、上金型２の成形体１ａとの接触面の算術平均粗さＲａが平均５μｍ以下であることが好ましい。これは、表面粗さＲａが平均５μｍを超えると、成形体１ａと貫通穴２ａの内周面とのアンカー効果による結合力が飛躍的に大きくなり、金型１０の熱膨張によって生じる微小の空隙が極めて小さくなり、離型圧力が増大する可能性がある。

以下、本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に示すように、貫通孔２ａを具備した上金型２、端面保持部３ａを具備した下金型３、及び混練素地１を成形するための加圧ピン４を備えた金型１０を超鋼で作製した。尚、上金型２の肉厚（今回は金型１０と熱源８の当接面から成形体１までの最短距離L）が２０〜６０ｍｍまでのものを用意し、また、金型１０の貫通穴２ａの内径を４ｍｍとした。

次に、ジルコニア粉体とエステル系樹脂バインダを混合し、ペレタイザにて直径４ｍｍのペレット状にした混練素地１を作製した。この時の原料混合比率は、ジルコニアが４５ｖｏｌ％であり、バインダ中の樹脂成分のガラス転移点は４７℃である。このようにして作製した混練素地１を０．５ｇずつ貫通穴２ａに投入した。

そして、予め２００℃に加熱した加熱用治具を上金型２に当接させ、混練素地１を７０℃まで加熱した。加熱用治具を上金型２からはずし、加圧ピン４で混練素地１を加圧成形した。この時の加圧力は、単位面積当り６００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力が保持されるようにした。所定圧力に到達後、２０℃で保持した冷却用治具を上金型２に当接させ、３５℃まで成形体を加圧し続けながら冷却して成形体１ａを作製した。尚、冷却用治具は、冷却チラーにより２０℃に冷やされた冷却水を循環させてなるものである。

次に、冷却用治具を上金型２からはずし、２００℃の加熱用治具（熱源）で上金型２を微小時間加熱後、離型ピン７を貫通孔２ａに挿入し、成形体１ａを上金型２から押出し離型した。そして、前記微少時間は０〜３秒まで変化させて成形体１にかかる離型圧力を測定した。結果は表１に示すとおりである。

この表１から、比較例である試料番号１〜５の製造方法では、金型１０を微小時間加熱していないため、金型１０と成形体１ａのアンカー効果を低減できず、大きな離型圧力が必要となったとともに、成形体１ａに欠けが生じた。

これに対して、本発明の製造方法を用いた試料番号６〜３０では、金型１０を微小時間加熱したため、金型１０が熱膨張して金型１０が有する開気孔がなくなることで成形体１ａとの間に微小な空隙が生じ、低い離型圧力で高精度な成形体１ａを金型１０から離型することができた。

さらに、前記微小時間が１〜２秒であると、成形体１ａに熱源８からの熱が伝導しにくいため、成形体１ａの熱膨張を防止して高い寸法精度を維持することができる。

本発明の成形体の製造方法に用いる金型の斜視図である。成形体を離型するときの金型の断面図である。

符号の説明

１：混練素地
１ａ：成形体
２：上金型
２ａ：貫通穴
３：下金型
４：加圧ピン
５：加熱用治具
６：冷却用治具
７：離型ピン
８：熱源

Claims

原料と樹脂系バインダとの混練素地を金型に入れ、該混練素地を加熱する工程と、加圧冷却で固化する工程とを経て得られる成形体を前記金型から離型する成形体の製造方法において、前記冷却固化後に前記金型を微小時間加熱し、前記成形体を前記金型から離型することを特徴とする成形体の製造方法。
前記金型に熱源を当接させ微小時間加熱することを特徴とする請求項１記載の成形体の製造方法。
前記金型と前記熱源の当接面から前記成形体までの最短距離が、前記成形体外径の１０倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の成形体の製造方法。
前記金型の熱膨張係数が１．５×１０^−６／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成形体の製造方法。
前記金型の熱伝導率が２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成形体の製造方法。
前記金型の前記成形体との接触面の算術平均粗さＲａが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成形体の製造方法。