JP2820476B2 - スリップキャスティング用鋳型およびスリップキャスティング方法 - Google Patents

スリップキャスティング用鋳型およびスリップキャスティング方法

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敬一郎 磯村
敏彦 船橋
良治 内村
一紀 小笠原
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川崎製鉄株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は微細な気孔を有し、良好な吸水性、長寿命、
高強度、すぐれた離型性を有するスリップキャスティン
グ用鋳型、およびこの鋳型を用いるスリップキャスティ
ング方法に関するものである。
背景技術 スリップキャスティングは粉末の成形技術の1種で、
特にセラミックス分野で応用され、古来より衛生陶器、
陶磁器などに利用された。近年この技術はアルミナ(Al
2O3)、窒化珪素(Si3N4)などを用いるファインセラミ
ックス分野にも応用され、工業用部品の成形技術として
期待されている。
スリップキャスティング用鋳型としては、最も古くか
ら知られている石膏鋳型が一般的である。その理由は、
優れた吸水性、離型性、寸法精度と、安価で大型の複雑
な形状までできることなどである。
しかしながら、石膏鋳型は反面、耐水性、耐圧強度、
耐摩耗性に弱くかつ石膏中のCa2+イオンが溶出し素地に
混入するなどの欠点も有している。また石膏鋳型は、鋳
型毎に気孔率、気孔径分布が異なり、吸水性がばらつ
き、成形条件が一定にならないという問題点もある。更
にこの鋳型は生産性を向上するために加圧下の成形に使
用する場合、強度不足であり、鋳型を大量に並行使用し
なければならないという欠点もある。
このような背景から、石膏鋳型の欠点を克服する目的
で、他の材質の鋳型が種々開発されている。主な材質と
しては、樹脂、樹脂とセラミックスの複合材、金属とセ
ラミックスの複合材、金属などである。(素木洋一:
『セラミック製造プロセス』技報堂出版:昭和53年10月
10日発行、特開昭60−166405号公報、特開昭49−53216
号公報)。
しかしながら、これらの鋳型は次のような欠点を有し
ている。
(1) 気孔径が3μmより大きく、微粒子をスリップ
キャスティングするとき、型が目詰まりを生じる。
(2) 鋳型と素地の離型性が悪く、気体通過などによ
って強制脱型する必要があり、成形物が損傷し易い。ま
た離型性を向上させるために、型の表面にCa2+のような
イオン交換し易い多価陽イオンを含有させると、これが
素地内に混入してしまう。
(3) 鋳型の加工が容易ではないため、製品の面の精
度を出したり、極薄肉の部分または極細部を有するよう
な複雑な形状の製品を寸法精度良く仕上げるには加工コ
ストが高くなる。
発明の開示 本発明は前述の石膏鋳型およびそれ以外の鋳型の問題
点を解決することを目的とする。
本発明は下記に示す特性を有するスリップキャスティ
ング用鋳型およびこの鋳型を用いるスリップキャスティ
ング方法を提供することにある。
ファインセラミックス用の超微粉を用いても目詰ま
りを起さない微細な気孔径を有すること。
多数回使用しても型の表面が変質したり、摩耗した
りしない耐水性および耐圧強度に優れる長寿命の鋳型で
あること。
常圧成形のみならず、加圧成形も可能である高強度
の鋳型であること。
更に素地と濡れにくい離型性のよい鋳型であるこ
と。
本発明は、窒化硼素(BN)と、1種または2種以上の
他のセラミックス成分とから構成され、かつ通気性を有
するスリップキャスティング用鋳型である。また本発明
方法はスリップを調製し、このスリップを前記鋳型に流
し込み、着肉成形させるスリップキャスティング方法で
ある。前記鋳型は、BNと他のセラミックス成分の合計重
量に対するBNの重量比率が10〜50%、平均気孔径が0.1
〜2μm、かつ気孔率が10〜40%であるものが好まし
い。
図面の簡単な説明 第1図はSi3N4−BN系複合焼結体の常温での3点曲げ
強度のBN含有依存性を示す線図、 第2図は上記焼結体のショア硬度のBN含有量依存性を
示す線図、 第3図は同じく上記焼結体の気孔率のBN含有量依存性
を示す線図、 第4図の(a)、(b)は、それぞれBN含有量20およ
び50重量%のSi3N4−BN系複合焼結体の気孔径分布を示
す線図、 第5図は本発明による鋳型を用いた場合の加圧力とス
リップキャスティングでの着肉速度との関係を示す線図
である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは粉末の主要な成形方法の1つであるスリ
ップキャスティング用鋳型として種々の材料を比較、検
討した。その結果、窒化硼素と他のセラミックス成分と
からなる複合焼結体を用いて、従来にない、非常に優れ
た特性を有するスリップキャスティング用鋳型が得られ
ることを見出し、本発明を完成した。
本発明者らはまず鋳型の材質を検討した。耐摩性、耐
圧強度の観点から、セラミックスの中から材質を選定す
ることにした。
素地と濡れにくく、易加工性を有するという点よりBN
がベースとして考えられた。BNはしかしながら、難焼結
で、通常、HP法により焼結することと、耐摩耗性が低い
ことが問題である。
そこで、本発明者らは、BNと、常圧または雰囲気加圧
焼成で緻密に焼結し、耐摩耗性、耐圧強度に優れる他の
セラミックス成分とを組み合わせることを考えた。その
意図するところは、次の複合結果である。
(1) BNは他セラミックスの焼結を阻害し、その際、
焼結物には気孔が生成する。
(2) BNのメリットを生かしつつ、耐摩耗性を補う。
なお、鋳型の十分な吸水性を確保するためには、上記
気孔は鋳型の内外面を結ぶ連続気孔でなければならず、
鋳型は通気性を有する必要がある。
次に、BNと他のセラミックスとしてSi3N4を用いた本
発明の実験に基づき説明する。
Si3N4は平均粒径0.8μm、α相率93%の粉末を出発原
料とし、BNは平均粒径0.2μm、純度97%の粉末を出発
原料とした。
この2種の粉末(Si3N4の焼結助剤を含む)はエタノ
ールを用いてボールミルにより混合され、乾燥後、スリ
ップキャスティングにより、縦50mm、横50mm、厚さ10mm
のテストピースが成形された。この成形物はN2中9atmで
1800℃にて焼結された。Si3N4とBNの重量比率はSi3N4/B
N=100/0、90/10、80/20、70/30、60/40、50/50、40/60
とした。この焼結体の諸物性を評価した。第1図、第2
図、第3図はそれぞれ常温での、3点曲げ強度
(σb3)、ショア硬度、気孔率のBN含有量依存性を示
す。第4図は、(a)はBN含有量20重量%、(b)は50
重量%の焼結体についての気孔径分布を示す。
第1図〜第4図の結果より、BN含有量が増すと、鋳型
としての強度、硬度は低下するが、気孔律は増す。また
気孔径はBN含有量にかかわらず、平均気孔径約0.2μm
で分布域は非常にシャープであることが分かる。このこ
とより、BNはSi3N4の焼結を阻害し、BN含有量が増す
と、その阻害程度が増すものと思われる。また耐圧強度
も石膏型の強度10〜50kg/cm2に比べれば十分に高強度で
あり、常圧下のみならず加圧下でも成形可能である。
さらに気孔径が非常に微細で分布もシャープであるこ
とから、鋳型の吸水性も十分でまた均一であると判断さ
れる。気孔径を小さくすることができるのは出発原料が
微粒のためと思われる。
以上のテストピース実験から本発明の鋳型を用いる
と、微粒子を用いたスリップキャスティングでも目詰ま
りを生ずることなく、脱型性も良好で、かなりの高圧成
形が可能であり、量産性を向上させることが予想され
る。また耐摩耗性に優れるので、成形物の面精度も一定
にすることができる。これにより、例えば自動車部品の
ような品質要求の厳しい製品にも使用することが可能と
なる。
BNと複合させる他のセラミックス成分は、Si3N4のほ
かにも、例えばSiC、Sialon、ZrO2、Al2O3、AlN、ムラ
イトなどのように耐摩耗特性の優れた材料を使用するこ
とが可能である。これらのそれぞれとBNとの複合効果は
Si3N4と同様であった。またAl2O3−ZrO2などのように目
的に応じて2種以上の材料を複合した場合も同様であ
る。更に、気孔径、気孔率は、出発原料の粒度および含
有量によって任意に定めることができるので、成形する
材料の粒度、含有量を調整すればよい。BN含有量はBNが
多いほど、離型性、加工性は良好となるが、耐圧強度、
硬度は低下するので、成形する材料に応じて任意に定め
ればよい。
そこで本発明者らは、実際に次の2種の(A)、B)
のスリップを準備し、本発明に係る鋳型の性能を調べ
た。
(A) 出発原料として0.8μmのアルミナ(昭和電工
製Al160SG−4)100重量部と水25重量部とを混合し、ポ
リカルボン酸を解膠剤として粘性を調整して得た粘度約
500cpsのファインセラミックス用スリップ。
(B) 出発原料として組成が陶石:50重量%、粘土:25
重量%、長石:25重量%であって、その粒度構成が10μ
m以下50%である陶磁器材料60重量部と水40重量部とを
混合し、水ガラスを解膠剤として粘度をコントロールし
て得た粘度約1000CPSの陶磁器用スリップ。
これらのスリップを、前述と同様にして焼結したSi3N
4−BN鋳型(内径40mm、深さ100mm、肉厚40mmの有底円筒
形)を用いて常圧(P=0kg/cm2)下および加圧(P=1
0、20kg/cm2)下でスリップキャスティングにより成形
し、着肉速度等の成形性について評価した。種々の試験
結果を第1表に示す。鋳型の摩耗は50回のテストの後の
摩耗量を示したものである。
また、Si3N4/BN重量比率を70/30とし、BNの粒径変化
により平均気孔径を変化させた本発明の鋳型についても
同様に試験した。その結果を第2表に示す。
これらの結果より、目詰まりすることなく、加圧によ
る量産性向上も顕著で、離型性、耐摩耗性が最適なBN含
有量を選定すればよいことが分かった。更に、スリップ
を加圧して供給すれば量産性も向上する。BN含有量が高
いほど気孔率が増すので量産性は向上する。
なお、BNの重量比率が10%未満となると離型しにくく
なり、50%を越えると耐摩耗性が劣ってくる。
また、平均気孔径が0.1μm未満だと成形速度が過小
となり、2μmを越えると目詰りする傾向が出てくる。
さらに、気孔率が10%未満だと成形速度が過小になり40
%を越えると鋳型の強度が不十分となる。
次に本発明の鋳型を用いたスリップキャスティング方
法では高能率に製品を成形することができる。
一般にスリップの鋳型内における着肉速度はスラリー
の経時変化がない場合、次式の関係があることが知られ
ている。
L2/t=k ただし L:着肉厚み(mm) t:時間(分) k:定数 上式中のkは着肉速度係数と名づけられている。本発
明者らの研究によるとSi3N4−SN鋳型を用いた場合、こ
のkの値はスラリーの加圧力pにほぼ比例していること
が判明した。第5図はこのことを示すグラフである。
第5図はSi3N4−BN系(Si3N4:BN=70:30,BN粒径0.5μ
m)の鋳型を用いてAl2O3スラリーをスリップキャステ
ィングした例を示すものである。スラリーの加圧力を増
加させることにより、着肉速度が大きく増大する。この
結果、製品の成形能率を著しく高めることができる。な
お、鋳型の強度から見て、さらに高い圧力例えば500kg/
cm2以上でも操業可能と考えられる。
従来の石膏鋳型ではスラリー加圧力が10kg/cm2を越え
ると破壊を起こすので高圧の加圧力を加えることができ
ない。エポキシ樹脂系でも50kg/cm2程度までである。
従って本発明の鋳型を用いたスリップキャスティング
方法では、これらに比し、高圧、高能率操業が可能であ
る。
実施例1 以下に本発明の実施例について説明する。
本発明による鋳型として、それぞれBNを重量比率で30
%含有するSiC−BN、ZrO2−BN、Al2O3−BN、ムライト−
BN、Sialon−BN、Al2O3−ZrO2−BN(Al2O3/ZrO2重量比
率=80/20)の組成の鋳型を準備した。比較例として石
膏型、エポキシ樹脂型を準備した。鋳型の形状は前述と
同様で、諸物性を第3表に示す。
製品のスリップキャスティングは前述のAl2O3スリッ
プを用いて、常圧下および10、20kg/cm2の加圧下にて行
なった。試験は50回繰返し、その結果を第4表に示す。
第4表の結果より明らかなように、本発明の鋳型はす
べての項目について良好であった。それに対してエポキ
シ樹脂型では目詰まりが速く、寿命が短い。また石膏型
は成形圧力10kg/cm2が限度で量産性は低く、摩耗が速
い。
実施例2 以下本発明のスリップキャスティング方法の実施例に
ついて説明する。
スリップキャスティングの条件は次の通りである。
実施例鋳型: 材質:Si3N4−BN系の鋳型(Si3N4:BN=70:30) 寸法:20mmφ×100mml 比較例鋳型: 材質:石膏およびエポキシ樹脂の2種類 寸法:実施例と同じ 成形原料:陶磁器原料(陶石:50重量%、粘度:25重量
%、長石:25重量%) Al2O3(平均粒径0.8μm) Si3N4(平均粒径0.8μm) 成形圧力:0、10、50、100、200kg/cm2 成形体を焼成条件: 陶磁器:1300℃ 空気中 Al2O3:1600℃ 空気中 Si3N4:1800℃ 9kg/cm2 N2中 第5表〜第7表に成形体の離型性、表面状態、かさ密
度を示した。さらに、それぞれ焼結するに必要な条件に
て焼成して得た焼結体についてもかさ密度、3点曲げ強
度を測定し、それぞれの鋳型についてのスリップキャス
ティング成形性を評価した。評価結果を同じく第5表〜
第7表に示す。
第5表〜第7表の結果から明らかなように、本発明の
Si3N4−BN系の複合焼結体の鋳型を用いてスリップキャ
スティング成形することにより、高能率で表面状態が良
好で欠陥のない成形体が得られた。また成形体のかさ密
度、焼結体のかさ密度、曲げ強度も石膏鋳型、エポキシ
樹脂鋳型による製品と比べて同等以上の成績であった。
産業上の利用可能性 本発明によれば、窒化硼素と他のセラミックス成分と
から構成される鋳型を用いることにより、従来の石膏
型、樹脂型に比べて格段に優れたスリップキャスティン
グ用鋳型を得ることができる。また、この鋳型を用いて
スリップキャスティングすることにより、セラミックス
製品等の成形を高い生産性で、目詰まりなく、離型性良
く行うことが可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小笠原 一紀 東京都千代田区内幸町2丁目2番3号 川崎製鉄株式会社 東京本社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B28B 1/00 - 1/54

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化硼素と、1種または2種以上の他のセ
    ラミックス成分とからなり、かつ通気性を有することを
    特徴とするスリップキャスティング用鋳型。
  2. 【請求項2】窒化硼素と前記他のセラミックス成分の合
    計重量に対する窒化硼素の重量比率が10〜50%、平均気
    孔径が0.1〜2μm、かつ気孔率が10〜40%である請求
    項1記載のスリップキャスティング用鋳型。
  3. 【請求項3】窒化硼素と、1種または2種以上の他のセ
    ラミックス成分とからなり、かつ通気性を有するスリッ
    プキャスティング用鋳型を準備し、スリップを調製し、
    該スリップを前記スリップキャスティング用鋳型に流し
    込んで着肉成形させることを特徴とするセラミック製品
    のスリップキャスティング方法。
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