JP2017109890A

JP2017109890A - セラミック焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2017109890A
Application number: JP2015243827A
Authority: JP
Inventors: 惟葛葉; Yui Kuzuha
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: JP6355615B2

Abstract

【課題】原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む圧粉体を得る成形工程において、圧粉体における気孔の形成を抑制することにより、内部欠陥の形成が抑制されたセラミック焼結体の製造方法の提供。【解決手段】原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む顆粒７を形成する顆粒形成工程と、顆粒７を成形型１に投入し、顆粒７を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る成形工程と、前記圧粉体を焼成してセラミック焼結体を得る焼成工程と、を有するセラミック焼結体の製造方法。前記顆粒形成工程において、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒を含む顆粒７を形成し、前記成形工程において、顆粒７を成形型１に投入した後、顆粒７の充填されている空間を気密にした状で加温するセラミック焼結体の製造方法。【選択図】図１

Description

この発明は、セラミック焼結体の製造方法に関する。

セラミック製品は、通常、原料粉末とバインダーとを含むワークを圧縮成形及び射出成形等により成形体として、これを焼成することにより製造される。

例えば、特許文献１には、原料粉末を含むスラリーを作製するステップと、作成したスラリーにバインダーを添加するステップと、これをスプレードライヤーで乾燥して顆粒を作製するステップと、顆粒をプレス成形して成形体を得るステップと、成形体の脱脂を行い、脱脂体を得るステップと、脱脂体の目視検査を行うステップと、脱脂体の焼成を行い、焼結体を得るステップと、焼結体の研磨加工を行い、切削インサートを得るステップとを有するセラミック焼結体の製造方法が開示されている（特許文献１の００２３欄〜００２９欄）。

特許文献２には、４０〜６５体積％の無機粉末と３５〜６０体積％のバインダーとを混合した組成物をペレット化し、これを溶融して軟らかく流動性のある状態にして、あらかじめ加熱してある射出金型へ注入し、射出金型の温度を下げることにより、組成物を冷却して圧粉体を得て、圧粉体を溶媒中で前処理して、触媒的にバインダーを除去して焼成することにより焼成部品を得る方法が開示されている（特許文献２の請求項１及び００７０欄〜０１０３欄等）。

特許文献３には、寒天バインダーでペレット化したセラミック及び金属粉末を加熱し、軟らかく流動性のある状態にして、あらかじめ加熱してある射出金型へ注入し、射出金型の温度を下げた後に、完成品を射出金型から取り出す射出成形の方法が開示されている（特許文献３の請求項１及び００１１欄〜００１６欄）。

特開２０１３−２３０９５９号公報特開２０１４−５１４１８３号公報特開平８−３５００１号公報

特許文献２に例示される射出成形で圧粉体を得る方法では、複雑な形状を有するセラミック焼結体が得られる一方で、バインダーの量が多いので、脱脂に時間がかかり、また、得られたセラミック焼結体に変形及び割れ等が発生し易いという問題がある。

特許文献３に例示される寒天バインダーを用いた射出成形で圧粉体を得る方法では、従来のプラスチックバインダーによる射出成形では困難であった大型部品の成形が可能である一方で、得られたセラミック焼結体が多孔質であり、用途が限定される。

特許文献１に例示されるプレス成形で圧粉体を得る方法では、圧粉体に粗大な気孔が残ってしまうことがある。圧粉体に粗大な気孔が残っていると、セラミック焼結体にも粗大な内部欠陥が残り易くなり、これがセラミック焼結体の強度低下等の製品性能の低下、及び寿命低下の原因となる。

この発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、この発明は、原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む圧粉体を得る成形工程において、圧粉体における気孔の形成を抑制することにより、内部欠陥の形成が抑制されたセラミック焼結体を製造し、それによって、強度低下等の製品性能の低下及び寿命の低下を抑制したセラミック焼結体を提供することができるセラミック焼結体の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段は、
（１）原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む顆粒を形成する顆粒形成工程と、
前記顆粒を成形型に投入し、前記顆粒を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る成形工程と、
前記圧粉体を焼成してセラミック焼結体を得る焼成工程と、
を有することを特徴とするセラミック焼結体の製造方法である。

前記（１）の好ましい態様として、次の態様を挙げることができる。
（２）前記顆粒成形工程において、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む顆粒を形成し、
前記成形工程において、前記顆粒を成形型に投入した後に、前記顆粒が充填されている空間を気密にした状態で、前記顆粒を前記温度Ｔにする。
（３）前記（１）又は前記（２）に記載のセラミック焼結体の製造方法において、前記成形型は、開口部を有すると共に前記顆粒が充填される空間を有する本体部と、前記開口部から挿入して前記圧縮成形の際に前記空間を移動するパンチとを有する金型であり、
前記成形工程において、前記空間に前記パンチを配置した状態で、かつ前記顆粒を圧縮成形する前に、前記本体部及び前記パンチを加熱することにより、前記顆粒が充填されている空間を気密にした状態で、前記顆粒を前記温度Ｔにする。

この発明に係るセラミック焼結体の製造方法は、原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む顆粒を成形型に投入し、前記顆粒を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る成形工程を有するので、顆粒に含まれる熱可塑性樹脂が軟らかい状態で圧縮成形されるから、顆粒が潰れ易くなり、隣接する顆粒同士が隙間なく密着し、圧粉体の内部に粗大な気孔が残るのを抑制することができ、それによって、内部欠陥が少ないセラミック焼結体を提供することができる。したがって、この発明によると、強度低下等の製品性能の低下及び寿命の低下を抑制したセラミック焼結体を提供することができるセラミック焼結体の製造方法を提供することができる。

この発明に係るセラミック焼結体の製造方法は、成形工程において、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む顆粒が充填されている空間を気密にした状態で、前記顆粒を前記温度Ｔにするので、顆粒を前記温度Ｔに加熱する際に顆粒に含まれる溶媒が揮発するのを抑制することができる。熱可塑性樹脂に加えて溶媒を含む顆粒を前記温度Ｔにすると、顆粒がより一層柔らかくなるので、圧縮成形の際に顆粒が潰れ易く、隣接する顆粒同士が隙間なく密着し、圧粉体の内部に粗大な気孔が残るのをより一層抑制することができる。その結果、内部欠陥がより一層少ないセラミック焼結体を提供することができる。したがって、この発明によると、強度低下等の製品性能の低下及び寿命の低下を抑制したセラミック焼結体を提供することができるセラミック焼結体の製造方法を提供することができる。

図１は、この発明に係るセラミック焼結体の製造方法の成形工程の一例で使用する金型の一例を示す断面説明図である。図２は、この発明に係るセラミック焼結体の製造方法における成形工程の一例を示す説明図である。図３は、この発明に係るセラミック焼結体の製造方法の成形工程の一例で使用する金型の別の一例を示す断面説明図である。図４（ａ）は、この発明に係るセラミック焼結体の製造方法の成形工程の一例で使用する金型の別の一例を示す断面説明図である。図４（ｂ）は、この発明に係るセラミック焼結体の製造方法の成形工程の一例で使用する金型のさらに別の一例を示す断面説明図である。図５は、この発明に係るセラミック焼結体の製造方法の成形工程の一例で使用する金型のさらに別の一例を示す断面説明図である。

［第１実施形態］
この発明に係るセラミック焼結体の製造方法の一例を、製造工程に沿って説明する。
この実施形態のセラミック焼結体の製造方法は、原料粉末と熱可塑性樹脂とを含むスラリーを作製するスラリー作製工程と、顆粒を形成する顆粒形成工程と、前記顆粒を成形型に投入し、前記顆粒を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上、融点未満の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る成形工程と、前記圧粉体の脱脂を行う脱脂工程と、脱脂した圧粉体を焼成してセラミック焼結体を得る焼成工程とを有する。

（スラリー作製工程）
まず、セラミック焼結体の原料粉末と熱可塑性樹脂とを含むスラリーを作製する。スラリーは、原料粉末と熱可塑性樹脂と所望により溶媒とをボールミル等で混合することにより得ることができる。この実施形態では、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを混合してスラリーを得る。原料粉末、熱可塑性樹脂、及び溶媒の混合方法は特に限定されず、原料粉末と溶媒とを混合した後に、これに熱可塑性樹脂を添加する方法、熱可塑性樹脂と溶媒とを混合して、エマルジョン又は溶液の状態にして、これと原料粉末とを混合する方法等を挙げることができる。

原料粉末の種類は、焼成することによりセラミック焼結体が得られる限り特に限定されない。原料粉末としては、例えば、アルミナ粉末、ジルコニア粉末、マグネシア粉末、及びフェライト粉末等の金属酸化物の粉末、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン等の金属炭化物の粉末、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の金属窒化物の粉末、及びチタン、タングステン、ニオブ等の金属粉末等を挙げることができる。原料粉末としては、例えば、これらのうちの少なくとも１種を用いることができる。原料粉末の平均粒径は、特に限定されないが、０．１μｍ〜５．０μｍが例示される。この平均粒径は日機装株式会社製のマイクロトラック粒度分布測定装置（ＭＴ−３０００）によりレーザ回折法で測定した値である。

熱可塑性樹脂は、公知のバインダーを使用することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂等を挙げることができる。熱可塑性樹脂の添加率の好ましい範囲は、熱可塑性樹脂の種類により異なるが、熱可塑性樹脂の添加率が多くなるほど後述する脱脂に必要な時間が長くなり、また脱脂・焼成に伴う体積変化も大きくなることから変形やワレが発生しやすくなるので、原料粉末の全質量に対して１５質量％以下であるのが好ましく、３質量％以下であるのがより好ましい。また、後述する圧粉体の形状を保持するためにはスラリーに熱可塑性樹脂を添加する必要があり、０．５質量％以上添加するのが好ましい。

溶媒は、公知の溶媒を使用することができ、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類等の有機溶媒、水等を挙げることができる。溶媒の添加率は、溶媒の種類により異なるが、通常、原料粉末の全質量に対して１００質量％程度である。

（顆粒成形工程）
得られたスラリーをスプレードライヤーで噴霧乾燥して造粒することにより、顆粒を作製する。顆粒における溶媒の含有率の好ましい範囲は、溶媒の種類により異なるが、顆粒形成工程後の原料粉末の全質量に対して０．５質量％以上５質量％以下であるのが好ましい。溶媒の含有率が５質量％より多いと、後述する圧粉体の内部に多量の気孔が残留し易くなる。溶媒は、熱可塑性樹脂を軟らかくするので、熱可塑性樹脂と共に含有するのが好ましく、１質量％以上含有するのがより好ましい。顆粒における溶媒の含有率は、スプレードライをする際のスラリーの温度、スプレードライ後の顆粒の乾燥条件等により調整することができる。顆粒における溶媒の含有率は、顆粒の質量ｍ_１と、顆粒を加熱して溶媒を除去した後の質量ｍ_２とを測定し、次の式（１）によって算出することができる。
（ｍ_１−ｍ_２）／ｍ_１×１００（％）・・・（１）
顆粒の平均粒径は、特に限定されないが、通常、原料粉末より大きく、１．０μｍ〜２００μｍが例示される。この平均粒径は日機装株式会社製のマイクロトラック粒度分布測定装置（ＭＴ−３０００）によりレーザ回折法で測定した値である。

（成形工程）
得られた顆粒を成形型に投入し、顆粒を熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る。顆粒を前記温度Ｔにした状態で圧縮成形すると、顆粒に含まれる熱可塑性樹脂が軟らかい状態で圧縮成形されるから、顆粒が潰れ易くなり、隣接する顆粒同士が隙間なく密着し、得られた圧粉体の内部に粗大な気孔が残るのを抑制することができる。そのため、内部欠陥が少ないセラミック焼結体を提供することができる。なお、前記温度Ｔは、通常融点未満である。

成形方法としては、金型プレス成形法及びラバープレス法すなわち静水圧成形法等の圧縮成形を挙げることができる。以下においては、金型プレス成形法により圧粉体を得る方法の一例を説明する。図１に示す金型１は、軸線Ｏ方向に沿って圧縮成形する一軸方式の金型の一例である。金型１は、２つの開口部４ａ，４ｂを有すると共に顆粒７が充填される空間６を有する円筒形の筒部２と、一方の開口部４ａから挿入して圧縮成形の際に空間内６を移動させることにより顆粒７を押圧する円柱形の第１パンチ３と、他方の開口部４ｂから挿入して開口部４ｂを閉塞する円盤形の第２パンチ５とを有する。常温において、第１パンチ３の外径は筒部２の内径より僅かに小さく、第１パンチ３の外周面と筒部２の内周面との間に適度な隙間を有するので、第１パンチ３を開口部４ａから挿入して軸線Ｏ方向に移動させることができる。第２パンチ５は、開口部４ｂを気密に閉塞している。図１に示す金型１では、顆粒７を圧縮成形する際に、第２パンチ５は軸線Ｏ方向に可動せずに筒部２の開口部４ｂに挿入された状態で固定されているので、第１パンチ３とは機能が異なる。したがって、圧縮成形する際に固定された状態で顆粒７を充填する空間６を形成する、筒部２と第２パンチ５とを総称して本体部８と称する。

筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の形状は、筒部２と第１パンチ３及び第２パンチ５とが互いに相補的な形状又は嵌合可能な形状を有する限り特に限定されない。第１パンチ３及び第２パンチ５の断面形状は円形以外に、多角形、及び楕円形等でもよく、目的とするセラミック焼結体の形状に合わせて適宜選択することができる。
図１に示す筒部２は、円筒形の一体物であるが、複数の領域に分割可能に形成されていてもよい。また、筒部２の内周面の断面形状は、円形以外に、多角形、及び楕円形等でもよい。

顆粒７を前記温度Ｔにした状態で圧縮成形する方法は、特に限定されず、投入前に顆粒７を前記温度Ｔに加熱する方法、予め加熱した金型１に顆粒７を投入して顆粒７を前記温度Ｔにする方法、及び顆粒７を投入した後に金型１を加熱することにより顆粒７を前記温度Ｔにする方法を挙げることができる。例えば、投入前に顆粒７を前記温度Ｔに加熱する方法では、予め顆粒７を炉等に入れて温度Ｔに加熱しておいて、これを速やかに本体部８に投入し、第１パンチ３を開口部４ａから挿入して軸線Ｏ方向に押圧することにより、顆粒７を圧縮成形して圧粉体を得る。この方法では、顆粒７を投入する前に筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の少なくとも一つを常温から前記温度Ｔまでの適宜の温度にしておいてもよい。これらが前記温度Ｔ程度に維持されていると、投入した顆粒７を前記温度Ｔに維持し易い。
圧縮成形するときのプレス圧は、特に限定されず、原料粉末の種類、粒径、熱可塑性樹脂の種類、添加率等に応じて適宜設定される。
顆粒７を圧縮成形した後に金型１から圧粉体を取り出すことにより圧粉体が得られる。

（脱脂工程）
得られた圧粉体を加熱することにより脱脂を行う。脱脂により、圧粉体に含まれる熱可塑性樹脂及び溶媒等が取り除かれる。脱脂工程では、熱可塑性樹脂を完全に取り除く加熱温度及び加熱時間、または、脱脂後の圧粉体に熱可塑性樹脂の分解物である炭素が残留する程度の加熱温度及び加熱時間で、圧粉体を加熱する。

（焼成工程）
脱脂した圧粉体を焼成することにより、セラミック焼結体が得られる。焼成温度及び焼成時間は、原料粉末の種類、粒径等により、適宜設定される。

この発明に係るセラミック焼結体の製造方法により製造されるセラミック焼結体は、圧縮成形により形成可能な形状を有するものを挙げることができ、例えば、板状、円盤状、円柱状、円筒状、多角柱状、リング形状、棒状等の形状を有する。前記セラミック焼結体としては、例えば、切削インサート、軸受及びカム等の機械部品、タイル、耐火物等を挙げることができる。

この実施形態のセラミック焼結体の製造方法によると、原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む顆粒７を金型１に投入し、顆粒７を熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る成形工程を有するので、顆粒７に含まれる熱可塑性樹脂が軟らかい状態で圧縮成形されるから、顆粒が潰れ易くなり、隣接する顆粒同士が隙間なく密着し、圧粉体の内部に粗大な気孔が残るのを抑制することができ、それによって、内部欠陥が少ないセラミック焼結体を提供することができる。したがって、この実施形態のセラミック焼結体の製造方法によると、強度低下等の製品性能の低下及び寿命の低下を抑制したセラミック焼結体を提供することができるセラミック焼結体の製造方法を提供することができる。

［第２実施形態］
この実施形態のセラミック焼結体の製造方法は、顆粒形成工程において、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む顆粒を形成し、成形工程において、顆粒７を本体部８に投入した後に、顆粒７が充填されている空間６を気密にした状態で、顆粒７を前記温度Ｔにすること以外は、第１実施形態のセラミック焼結体の製造方法と同様である。具体的には、空間６に第１パンチ３を配置した状態で、かつ顆粒７を圧縮成形する前に、同じ材質で形成された、本体部８と第１パンチ３とを異なる温度に加熱することにより顆粒７が充填されている空間６を気密にした状態で、顆粒７を前記温度Ｔにする。以下では、第１実施形態のセラミック焼結体の製造方法とは異なる点を中心にして説明する。

この実施形態では、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含むスラリーを、第１実施形態のスラリー作製工程と同様にして作製する。次いで、第１実施形態の顆粒形成工程と同様にして、得られたスラリーを造粒して顆粒を作製する。熱可塑性樹脂及び溶媒の種類、添加率等、原料粉末及び顆粒の粒径等については、第１実施形態と同様である。

この実施形態の成形工程は、図２に示すように、得られた顆粒７を、本体部８の空間６に投入する工程（投入工程）と、空間６に第１パンチ３を配置した状態で、かつ顆粒７を圧縮成形する前に、本体部８と第１パンチ３とを異なる温度に加熱することにより、顆粒７が充填されている金型１の内部空間６を気密にした状態で、顆粒７を前記温度Ｔにする工程（加熱工程）と、第１パンチ３を冷却することにより、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面との間に間隙を設けて気密状態を解除する工程（気密状態解除工程）と、第１パンチ３を軸線Ｏ方向に移動させて顆粒７を押圧することにより、顆粒７を圧縮成形して圧粉体を得る工程（圧縮成形工程）と、を有する。

投入工程において、顆粒７は常温であってもよいし、顆粒７に含まれる溶媒が揮発しない程度の温度で予め加熱されていてもよい。また、本体部８は、通常、常温であるが、顆粒７に含まれる溶媒が揮発しない程度の温度に維持されていてもよい。熱可塑性樹脂に加えて溶媒を含む顆粒７を前記温度Ｔにすると、顆粒７がより一層軟らかくなり、圧縮成形の際に潰れ易くなる。顆粒７を金型１の内部空間６に密閉する前に顆粒７に含まれる溶媒が揮発してしまうと、溶媒を添加することにより顆粒７を軟らかくし、圧縮成形の際に顆粒７を潰れ易くなる効果が低減し、圧粉体の内部に粗大な気孔が形成され難くなる効果が低減してしまう。したがって、顆粒７が金型１の内部空間６に充填されて密閉されるまで、顆粒７は溶媒が揮発しない程度の温度に維持されているのが好ましい。

加熱工程では、開口部４ａから第１パンチ３を挿入し、空間６内の適宜の位置に第１パンチ３を配置した状態で、かつ顆粒７を圧縮成形する前に、第１パンチ３の温度が筒部２の温度よりも高くなるように金型１を加熱する。開口部４ａから第１パンチ３を挿入するとき、筒部２と第１パンチ３とは、少なくとも顆粒７に含まれる溶媒が揮発し難い温度に維持され、通常、常温である。したがって、筒部２と第１パンチ３とは、常温で適度な間隙を有して第１パンチ３を筒部２に挿入できる大きさを有する。筒部２と第１パンチ３とは同じ材料で形成されているので、第１パンチ３の温度が筒部２の温度よりも高くなるように加熱すると、第１パンチ３は筒部２よりも熱膨張して筒部２に比べて体積が大きくなる。加熱は、第１パンチ３の外周面と筒部２の内周面との間の少なくとも一部が接触し、第１パンチ３の外周面と筒部２の内周面との間の間隙がなくなり、顆粒７が充填されている空間６が気密になるように、行われる。このような気密な空間６で顆粒７を前記温度Ｔにすることにより、顆粒７に含まれる溶媒が揮発するのを抑制することができる。第１パンチ３の外周面と筒部２の内周面との間に間隙がある状態で本体部８に投入された顆粒７を前記温度Ｔに加熱した場合、空気と接している面すなわち解放面にある顆粒７から溶媒が揮発し易い。そのため、解放面にある顆粒７は他の領域にある顆粒７に比べて硬くなり、圧縮成形する際に潰れ難くなるので、圧縮成形した後の圧粉体は解放面付近の密度がその他の領域に比べて小さくなる。圧粉体に密度分布の偏りがあると、焼成工程を経て得られるセラミック焼結体の変形及び強度の低下を引き起こすおそれがある。したがって、本体部８に投入された顆粒７を、金型１を加熱することにより前記温度Ｔにする場合には、空間６に第１パンチ３を配置した状態で、かつ顆粒７を圧縮成形する前に、筒部２及び第１パンチ３を適宜の温度で加熱して顆粒７が充填されている空間６を気密にすることが好ましい。

なお、この実施形態では、第２パンチ５を筒部２と同じ温度に加熱しているが、常温で第２パンチの外周面と筒部の内周面との間に間隙を有する場合には、第１パンチ３の場合と同様に、第２パンチの温度を筒部の温度よりも高くなるように加熱して、顆粒７が充填されている空間６を気密にした状態で顆粒７を前記温度Ｔに加熱することが好ましい。

筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の材質は、特に限定されず、従来公知の材質を挙げることができる。筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の材質としては、例えば、ＳＵＳ３０３、及びＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼、炭素鋼、ダイス鋼、ハイス鋼、超硬合金等を挙げることができる。

筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の加熱方法は、顆粒７が充填されている空間６を気密にした状態で顆粒７を温度Ｔにすることができる限り特に限定されない。図２には、筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の内部に予め設けておいた流路９ａ〜９ｃに温めた液体、例えば温水及び温オイル等を流して加熱する方法が示されている。この他に、筒部、第１パンチ、及び第２パンチにヒータを巻き付けておき、ヒータにより加熱する方法、金型をオーブン等の高温雰囲気に載置した状態で、さらに第１パンチ及び／又は第２パンチを、流路９ｂ，９ｃに流す液体やヒータ等で加熱する方法等を挙げることができる。

例えば、筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の材質がすべてＳＵＳ４４０Ｃであり、常温における、筒部２の内径が１０ｍｍ（公差Ｈ７）、第１パンチ３の外径が１０ｍｍ（公差ｇ６）である場合、ＳＵＳ４４０Ｃの０℃〜１００℃における線熱膨張係数は１０．２×１０^−６（ｄｅｇ^−１）であるので、筒部２及び第２パンチ５を７０℃に加熱し、第１パンチ３を１００℃に加熱すると、計算上、筒部２の内径は１０．０２０ｍｍ（公差を考慮した最大値）に、第１パンチ３の外径は１０．０６７ｍｍ（公差を考慮した最小値）になる。なお、加熱した後の筒部２の内径及び第１パンチ３の外径は、以下の式（１）により、筒部２の内周の長さの変化量及び第１パンチ３の外周の長さの変化量を算出し、これを径寸法に換算することにより求めた。
ΔＬ＝Ｌ×α×ΔＴ・・・・（１）
（ΔＬ：前記内周又は前記外周の長さの変化量、Ｌ：常温（２０℃）における前記内周又は前記外周の長さ、α：線熱膨張係数、ΔＴ：常温（２０℃）との温度差）
このように、筒部２と第１パンチ３とが同じ材質である場合、第１パンチ３の温度が筒部２の温度よりも高くなるように加熱することにより、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面とを接触させて顆粒７が充填されている空間６を気密にすることができる。

気密状態解除工程では、第１パンチ３を冷却することにより、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面との間に間隙を設けて、顆粒７が充填されている空間６の気密状態を解除する。これによって、第１パンチ３の軸線Ｏ方向の移動が可能になる。

第１パンチ３の冷却方法は、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面との間に間隙を形成することができる限り特に限定されず、例えば、図２に示すように、第１パンチ３の内部に予め設けておいた流路９ｂに冷媒を流して冷却する方法等を挙げることができる。冷媒としては、例えば、第１パンチ３の加熱温度よりも低い温度の液体や気体、例えば、冷却水、オイル、空気等を挙げることができる。

圧縮成形工程では、気密状態を解除した後に速やかに第１パンチ３を軸線Ｏ方向に移動させて顆粒７を押圧することにより、顆粒７を圧縮成形して圧粉体を得る。

脱脂工程及び焼成工程は、第１実施形態と同様にして行うことにより、セラミック焼結体が得られる。

この実施形態のセラミック焼結体の製造方法によると、成形工程において、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む顆粒が充填されている空間６を気密にした状態で、顆粒７を前記温度Ｔにして圧縮成形するので、顆粒７に含まれる溶媒が揮発することを抑制することができる。熱可塑性樹脂に加えて溶媒を含む顆粒７を前記温度Ｔにすると、顆粒７がより一層柔らかくなるので、圧縮成形の際に顆粒７が潰れ易く、隣接する顆粒７同士が隙間なく密着し、圧粉体の内部に粗大な気孔が残るのをより一層抑制することができる。その結果、内部欠陥がより一層少ないセラミック焼結体を提供することができる。したがって、この実施形態のセラミック焼結体の製造方法によると、強度低下等の製品性能の低下及び寿命の低下を抑制したセラミック焼結体を提供することができるセラミック焼結体の製造方法を提供することができる。

［第３実施形態］
この実施形態のセラミック焼結体の製造方法は、成形工程において、顆粒７を本体部８に投入した後に、空間６に第１パンチ３を配置した状態で、かつ顆粒７を圧縮成形する前に、異なる材質で形成された、本体部８と第１パンチ部３とを略同じ温度に加熱することにより顆粒７が充填されている空間６を気密にした状態で、顆粒７を前記温度Ｔにすること以外は、第２実施形態のセラミック焼結体の製造方法と同様である。以下では、第２実施形態のセラミック焼結体の製造方法とは異なる点を中心にして説明する。

まず、第２実施形態と同様にして、スラリー作製工程と顆粒形成工程とを行うことにより、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含有する顆粒を作製する。

成形工程は、第２実施形態と同様に、投入工程と加熱工程と気密状態解除工程と圧縮成形工程とを有する。
この実施形態の成形工程で使用される金型１は、第１パンチ３の材質が筒部２に比べて熱膨張率が大きい材質であり、加熱工程で筒部２と第１パンチ３とを略同じ温度に加熱すること以外は第２実施形態のセラミック焼結体の製造方法と同様である。この実施形態の金型１は、第１パンチ３の材質が筒部２に比べて熱膨張率が大きい材質であるので、筒部２と第１パンチ３とを略同じ温度に加熱した場合に、第１パンチ３は筒部２よりも熱膨張して筒部２に比べて体積が大きくなる。筒部２及び第１パンチ５それぞれの材質は、筒部２と第１パンチ３とを略同じ温度に加熱したときに、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面との間の少なくとも一部が接触し、第１パンチ３の外周面と筒部２の内周面との間の間隙がなくなり、顆粒７が充填されている空間６が気密になるように、適宜選択される。このような気密な空間６で顆粒７を前記温度Ｔにすることにより、顆粒７に含まれる溶媒が揮発するのを抑制することができる。

筒部２、第１パンチ３、及び第２パンチ５の加熱方法は、第２実施形態で例示した加熱方法を挙げることができる。また、これら以外に、金型１をオーブン等の高温雰囲気に載置して加熱する方法を挙げることができる。

例えば、筒部２の材質がＳＵＳ４４０Ｃ、第１パンチ３の材質がＳＵＳ３０３であり、常温における、筒部２の内径が１０ｍｍ（公差Ｈ７）、第１パンチ３の外径が１０ｍｍ（公差ｇ６）である場合、ＳＵＳ４４０Ｃの０℃〜１００℃における線熱膨張係数は１０．２×１０^−６（ｄｅｇ^−１）であり、ＳＵＳ３０３の０℃〜１００℃における線熱膨張係数は１７．３×１０^−６（ｄｅｇ^−１）であるので、筒部２及び第１パンチ３を共に７０℃に加熱すると、計算上、筒部２の内径は１０．０２０ｍｍ（公差を考慮した最大値）に、第１パンチ３の外径は１０．０７２ｍｍ（公差を考慮した最小値）になる。なお、加熱した後の筒部２の内径及び第１パンチ３の外径は、第２実施形態と同様にして、式（１）により求めた。このように、第１パンチ３が筒部２に比べて熱膨張率が大きい材質である場合、第１パンチ３と筒部２とを共に同じ温度で加熱することにより、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面とを接触させて顆粒７が充填されている空間６を気密にすることができる。

気密状態解除工程では、第１パンチ３のみを冷却するか、或いは第１パンチ３と本体部８とを冷却することにより、筒部２の内周面と第１パンチ３の外周面との間に間隙を設けて、顆粒７が充填されている空間６の気密状態を解除する。これによって、第１パンチ３の軸線Ｏ方向の移動が可能になる。気密状態解除工程は、第１パンチ３のみを冷却することにより空間６に気密状態を解除すると、顆粒７を圧縮成形する際に顆粒７を前記温度Ｔに維持し易いので、第１パンチ３のみを冷却することが好ましい。第１パンチ３、筒部２、及び第２パンチ５の冷却方法は、第２実施形態と同様である。

次いで、第１実施形態と同様にして、脱脂工程及び焼成工程を行うことにより、セラミック焼結体が得られる。

この発明に係るセラミック焼結体の製造方法は、前述した実施形態に限定されることはなく、この発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。

例えば、図１に示す金型１は、第２パンチ５を固定した状態で第１パンチ３を軸線Ｏ方向に移動して圧縮成形する片押し型の金型であるが、図３に示すように、第１パンチ１０３と第２パンチ１０５との両方を軸線Ｏ_１方向に移動して圧縮成形する両押し型であってもよい。図３に示す第２パンチ１０５は、円柱形である。図３に示す第２パンチ１０５は、筒部１０２に固定されているのではなく、軸線Ｏ_１方向に移動して顆粒１０７を圧縮成形するので、第１パンチ１０３と同様の機能を有する。したがって、常温において、第２パンチ１０５の外周面と本体部１０２の内周面との間に、第２パンチ１０５を移動可能な程度の適度な間隙を有する。よって、図３に示す金型１０１を用いて第２実施形態の製造方法によりセラミック焼結体を製造する場合には、加熱工程において、第１パンチ１０３と同様に第２パンチ１０５の温度も本体部１０２の温度よりも高くなるように加熱することにより、顆粒１０７が充填されている空間１０６を気密にした状態で顆粒１０７を前記温度Ｔに加熱する。また、図３に示す金型１０１を用いて第３実施形態の製造方法によりセラミック焼結体を製造する場合には、第１パンチ１０３と同様に第２パンチ１０５の材質を筒部１０２に比べて熱膨張率が大きい材質とする。なお、図３に示す金型１０１は、圧縮成形する際に、第１パンチ１０３及び第２パンチ１０５が共に軸線Ｏ_１方向に移動し、圧縮成形に寄与するので、筒部１０２を本体部１０８と称することもある。

また、第１パンチ３，１０３及び第２パンチ５，１０５の形状は、軸線Ｏ方向に沿って径が変化せずに同一である場合に限定されない。例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１パンチ２０３，３０３は、顆粒２０７，３０７に接触する部分が筒部２０２，３０２の内径と略同一の外径を有する円盤体２１３，３１３であり、それ以外の部分が筒部２０２，３０２の内径より小さい外径を有する棒状体２２３，３２３であってもよい。図４（ａ）に示すように、第２パンチ２０５は、顆粒２０７に接触する部分が筒部２０２の内径と略同一の外径を有する円盤体２１５であり、それ以外の部分が筒部２０２の内径より大きい外径を有し、筒部２０２の端面に接触する円盤体２２５であってもよい。図４（ｂ）に示すように、第２パンチ３０５は、顆粒３０７に接触する部分が筒部３０２の内径と略同一の外径を有する円盤体３１５であり、それ以外の部分が筒部３０２の内径より小さい外径を有する棒状体３２５であってもよい。

また、図１に示す金型１は、第１パンチ３及び第２パンチ５をそれぞれ一つ有するが、第１パンチ３及び第２パンチ５の数は特に限定されず、複数のパンチで構成されてもよい。例えば、図５に示すように、第１パンチ４０３が軸線Ｏ_４を含む領域に配置されるパンチ４０３ａとこのパンチ４０３ａの外周部に配置される円筒状のパンチ４０３ｂとの２つのパンチで構成されてもよい。

１、１０１、２０１、３０１、４０１金型
２、１０２、２０２、３０２、４０２筒部
３、１０３、２０３、３０３、４０３第１パンチ
４ａ、４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、２０４ａ、２０４ｂ、３０４ａ、３０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ開口部
５、１０５、２０５、３０５、４０５第２パンチ
６、１０６、２０６、３０６、４０６空間
７、１０７、２０７、３０７、４０７顆粒
８、１０８、２０８、３０８、４０８本体部
９ａ、９ｂ、９ｃ流路
２１３、３１３、２１５、３１５、２２５円盤体
２２３、３２３、３２５棒状体

Claims

原料粉末と熱可塑性樹脂とを含む顆粒を形成する顆粒形成工程と、
前記顆粒を成形型に投入し、前記顆粒を前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上の温度Ｔにした状態で圧縮成形して圧粉体を得る成形工程と、
前記圧粉体を焼成してセラミック焼結体を得る焼成工程と、
を有することを特徴とするセラミック焼結体の製造方法。
前記顆粒成形工程において、原料粉末と熱可塑性樹脂と溶媒とを含む顆粒を形成し、
前記成形工程において、前記顆粒を成形型に投入した後に、前記顆粒が充填されている空間を気密にした状態で、前記顆粒を前記温度Ｔにすることを特徴とする請求項１に記載のセラミック焼結体の製造方法。
前記成形型は、開口部を有すると共に前記顆粒が充填される空間を有する本体部と、前記開口部から挿入して前記圧縮成形の際に前記空間を移動するパンチとを有する金型であり、
前記成形工程において、前記空間に前記パンチを配置した状態で、かつ前記顆粒を圧縮成形する前に、前記本体部及び前記パンチを加熱することにより、前記顆粒が充填されている空間を気密にした状態で、前記顆粒を前記温度Ｔにすることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミック焼結体の製造方法。