JP2013028057A

JP2013028057A - セラミックス焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2013028057A
Application number: JP2011165255A
Authority: JP
Inventors: Ryo Naganuma; 諒長沼; Kenichiro Shimizu; 健一郎清水
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】本発明は、除去すべき余肉の少ない球状または円柱状のセラミックス焼結体を製造可能な製造方法を提供することを、その目的としている。
【解決手段】本発明は、セラミックスグリーンシートを巻回して球状または円柱状の素体を形成する素体形成工程と、素体形成工程で形成された素体を焼結する焼結工程とを含むことを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法である。空孔の生成を抑制してセラミックス焼結体の密度を高めるためには、素体形成工程の後に、素体を加圧する加圧工程を含むことが望ましく、さらに加圧工程では、素体の形状を保持しつつ加圧することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス焼結体の製造方法に関する発明である。

ベアリング用ボールを代表的な用途とする球状のセラミックス焼結体の製造方法の一例が、下記特許文献１に開示されている。特許文献１には、「セラミック粉末を球状に予備成形した予備成形体をゴム型内に収容し、該ゴム型を介して内部の予備成形体を加圧することによって該予備成形体を高密度化した球状成形体を得る成形工程と、その球状成形体を焼成する焼成工程とを含み、前記予備成形体を収容するゴム型のゴムの硬さが６５以下であることを特徴とするセラミックボールの製造方法」が開示されている。

特開２００２−３６２１６号公報

上記特許文献１に開示された、セラミックス粉末を金型プレス成形により成形した予備成形体を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）成形で高密度化する球状のセラミックス焼結体の製造方法は、現在、耐摩耗性と耐破損性が必要とされるベアリング用ボールの素球としてのセラミックス焼結体の製造方法として広く利用されている。しかしながら、特許文献１のセラミックス焼結体の製造方法のように、金型プレス成形でセラミックス焼結体を形成した場合には、いわゆる「帯」と呼ばれる、その中央部を包囲するように球面から環状に突起する部分が必然的に形成される。この帯は製品とならない余肉であるため、通常、焼結後に研削等で除去加工されているが、焼結後のセラミックスは難加工材であるため除去加工に長時間を費やす必要があり、除去すべき余肉の少ない球状または円柱状のセラミックス焼結体の製造方法の開発が要請されていた。

本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、除去すべき余肉の少ない球状または円柱状のセラミックス焼結体を製造可能な製造方法を提供することを、その目的としている。

上記目的を達成する、本発明の態様は、セラミックスグリーンシートを巻回して球状または円柱状の素体を形成する素体形成工程と、素体形成工程で形成された素体を焼結する焼結工程とを含むことを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法である。

なお、空孔の生成を抑制してセラミックス焼結体の密度を高めるためには、素体形成工程の後に、素体を加圧する加圧工程を含むことが望ましく、さらに加圧工程では、素体の形状を保持しつつ加圧することが好ましい。この加圧工程においては、金型プレスにより素体を加圧することが好ましい。金型プレスに替えて冷間静水圧プレスにより素体を加圧してもよい。

さらに、球状のセラミックス焼結体を形成するため素体が球状である場合であって、セラミックスの真球度を高めるためには、素体形成工程において、略三角形状のセラミックスグリーンシートを使用することが望ましい。

本発明によれば、その課題を解決することが可能となる。

本発明に係わる製造方法で形成されたセラミックス焼結体を示す図である。発明に係わるセラミックス焼結体の製造方法の製造工程を示す図である。

本発明について、球状のセラミックス焼結体の製造方法に係わる実施態様に基づき、図１および図２を参照しつつ説明する。なお、本発明でいう「球状」および「円柱状」の素体には、完全に球状化・円柱状化した素体のみならず、例えば球状の場合には長軸と短軸を有する断面が略楕円形状の素体、表面に凹凸を有する素体など実質的に外観が球状または円柱状の素体が含まれ得る。また、本発明は、下記説明する実施態様に限定されることなく、その技術的思想において同一の範囲で適宜変形して実施することが可能である。

本実施態様の製造方法により製造された球状のセラミックス焼結体の斜視図を図１（ａ）に、その中心を鉛直に通る図示Ｂ平面に沿う断面図を図１（ｂ）に示す。なお、図１（ｂ）において点線は、焼結工程において消失するため焼結体では確認できないセラミックスグリーンシート１の密着面を理解のため示している。図１（ａ）・（ｂ）に示すように、本態様の製造方法により製造されたセラミックス焼結体１０は、その外周面に段部１０ａを有している。高さがｔ１である段部１０ａは、図２を参照して詳述するように、本態様の製造方法が、厚みがｔ２であるセラミックスグリーンシート（以下、シートという場合がある。）１を球状に巻回してセラミックス焼結体１０を製造することに起因して形成される。この段部１０ａは除去すべき余肉となるが、シート１の厚みｔ２を適切に選択することによりその量を低減することができる。

上記セラミックス焼結体１０の製造方法について、その製造工程を示す図２を参照して説明する。まず、シート１を準備する。ここで、シート１の形状はセラミックス焼結体１０の形状や求められる精度により適宜設定されるが、真球度の高い焼結体１０を形成するためには、図２（ａ）に示すように３辺１ａ〜１ｃを有する略三角形状とすることが好ましく、底辺１ａの両端から延びる左辺１ｂおよび右辺１ｃの長さが同一である２等辺三角形状とすることがより望ましい。また、シート１は、その厚みｔ２が５０〜５００μｍであることが望ましい。シート１の厚みｔ２が５０μｍ未満の場合には、薄いシート１を形成するのにコストがかかるとともにシート１の強度が低く、シート１を巻回して球体を形成する球体形成工程においてシート１が破断しやすくなり歩留まりが低下する。一方で、シート１の厚みｔ２が５００μｍを超える場合には、余肉となるセラミックス焼結体１０の段部１０ａが大きくなり、段部１０ａを除去するコストが増加する。なお、シート１の厚みｔ２は、１００〜３００μｍであることがより好ましく、１５０〜２００μｍであれば好適である。

上記シート１は、例えば乾式成形であるプレス成形やＣＩＰ、湿式成形である鋳込成形、射出成形などで略三角形状となるよう一葉の形態で形成してもよい。しかしながら、セラミックス原料粉末、水または有機溶剤からなる溶媒および結合材・可塑剤・潤滑剤その他の成形助剤を混合した原料スラリーをテープ成形法（ドクターブレード法）で成形して長尺のシートを製造し、その長尺のシートから裁断または打抜き、その後乾燥させてシート１を形成することが、薄いシート１を低コストで生産するためには望ましい。

次いで、シート１を巻回して球状の素体１１を形成する素体形成工程を行う。本態様の素体形成工程では、その好ましい一例の断面図である図２（ｂ）に示すように、略半球状の凹部２ａを有する形成冶具２を用いてシート１を巻回して素体１１を形成する。具体的には、まず、左辺１ｂと右辺１ｃの交わるシート１の先端１ｄを、形成冶具２の凹部２ａの表面に接触させ、その後シート１を形成冶具２の方向に送りこむ。すると、形成冶具２の凹部２ａの表面の曲率に倣いシート１は丸まっていき、その左辺１ｂと右辺１ｃが内方に織り込まれつつ図示Ａ方向にシート１は巻回され、その結果、球状の素体１１が形成される。

上記のように素体形成工程で形成された素体１１は、その後脱脂工程を行い含まれるバインダーを除去した後、焼結工程において焼結してもよい。しかしながら、焼結後のセラミックス焼結体に含まれる空孔の抑制および素体１１の密度のバラツキによる焼結時の変形抑制のためには、素体形成工程の後に、素体１１を加圧する加圧工程を設け、素体１１をより緻密化することが望ましい。なお、加圧工程においては、素体１１の形状を保持しつつ素体１１を加圧することが好ましい。加圧工程を設ける場合には、脱脂工程は、加圧工程の前後いずれで行ってもよい。この加圧工程の具体例を図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）に示す加圧工程は、収納容器３に収納された球体１１を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）で加圧する例である。具体的には、収納容器３は、一面同士が密着するように重ね合わされたときに素体１１を収納可能な球状の収納部３ｃが形成される弾性を有するゴム製の上型３ｂおよび下型３ａとで構成されており、収納部３ｃに素体１１が収納された収納容器３は密封されたゴム製の袋体３ｄに収められてＣＩＰ装置の中に配置され、収納容器３を介して周囲から等方的に圧力Ｐが加えられ素体１１は加圧処理される。なお、上記ＣＩＰによる加圧処理に替え、素体１１を圧密可能なキャビティーを有する金型でプレスすることによる加圧処理を行ってもよい。

上記加圧工程の後に、所定の温度で素体１１を焼結することにより図１に示す球状のセラミックス焼結体１０が形成される。そして、本発明によれば、適切な厚みｔ２を有するシート１を使用することにより、歩留まりよく余肉である段部１０ａの少ないセラミック焼結体１０を得ることができる。

なお、円柱状のセラミックス焼結体は、準備するシートの形状を短冊状とし、形成冶具の凹部を略半円柱形状とすれば、基本的には上記球状のセラミックス焼結体と同様にして製造することができる。

１セラミックスグリーンシート
２形成冶具
３収納容器

Claims

セラミックスグリーンシートを巻回して球状または円柱状の素体を形成する素体形成工程と、前記素体形成工程で形成された素体を焼結する焼結工程とを含むことを特徴とするセラミックス焼結体の製造方法。
前記素体形成工程の後に、素体を加圧する加圧工程を含む請求項１に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
前記加圧工程において、金型プレスにより素体を加圧する請求項２に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
前記加圧工程において、冷間静水圧プレスにより素体を加圧する請求項２に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
前記素体は球状であり、前記素体形成工程において、略三角形状のセラミックスグリーンシートを使用する請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス焼結体の製造方法。