JP3198920B2

JP3198920B2 - セラミックス製品及びその製造方法

Info

Publication number: JP3198920B2
Application number: JP14925996A
Authority: JP
Inventors: 尚郎上田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JPH09327811A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックス製品及
びその製造方法に係り、特にカードラン（β−１，３−
グルカン）を添加したスラリーの圧力鋳込成形によるセ
ラミックス製品及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスの鋳込成形品は、セラミッ
クス原料粉末を分散剤及びバインダーと共に水に分散さ
せてなるスラリーを石膏型等の吸水性の成形型内に供給
し、スラリー中の固形分を成形型の内面に堆積（即ち着
肉）させることにより製造されている。

【０００３】しかして、この鋳込成形用スラリーに保水
添加剤としてカードランを添加するセラミックス製品の
製造例は数多く報告されている（特開平７−３３０４３
８号、同８−３４６７４号）。カードランは、水と接す
るとゲル化する性質を有しており、このゲルが成形体中
に含まれることにより次のような効果が奏される。

【０００４】（ｉ）吸水により膨潤、ゲル化した水に
不溶性のカードラン微粒子が原料中に均質分散すること
で材料に保水性が付与され、成形体に可塑性が発現す
る。（ii）この保水作用によって成形体の乾燥時の急激な
水分蒸発が抑制され、ヒビ割れ等の発生が防止される。

【０００５】従来のようなカードランの添加方法として
は、原料に適量のカードランを添加し、水を加え、室温
にて混合処理する方法が一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の鋳込成形品で
は、成形体の脱型や乾燥工程、更にはその後の焼成工程
における割れ、欠け、ヒビ等の欠陥の発生の問題があ
り、製品の歩留りが悪く、特に、複雑形状の製品や大型
の製品を歩留り良く製造することができないという欠点
があった。

【０００７】鋳込成形用スラリーにカードランを添加す
ることにより、上記ヒビ割れ等がある程度改善される
が、その添加効果は十分ではなく、また、カードランを
添加した場合には、着肉速度が遅くなるという新たな問
題が生じる。

【０００８】本発明は上記従来の問題点を解決し、複雑
形状又は大型／厚肉のセラミックス製品であっても、鋳
込成形により短時間で歩留り良く製造することができる
セラミックス製品及びその製造方法を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス製
品は、セラミックス原料粉末、バインダー、分散剤及び
カードランを含み、ｐＨ９以上のアルカリ性とし、更に
加熱処理することにより該カードランを溶解状態として
あるスラリーを用いて、圧力鋳込により成形し、焼成し
てなることを特徴とする。

【００１０】本発明のセラミッックスの製造方法は、セ
ラミックス原料粉末、バインダー、分散剤及びカードラ
ンを含み、ｐＨ９以上のアルカリ性とし、更に加熱処理
することにより該カードランを溶解状態としてあるスラ
リーを用いて、圧力鋳込により成形し、その後焼成する
ことを特徴とする。

【００１１】カードランは、水分を吸収して膨潤しゲル
化する（形状：顆粒状の微粒子）が、水（分散媒）に対
しては不溶であり、水との混合に当り、更に物理的な摩
砕力を負荷して混練・混合した場合でも、カードランの
ゲル化粒子が微粒化されるのみで、水には溶解しない。
即ち、従来の使用方法では、カードランは鋳込成形用ス
ラリー中に溶解されることなく添加混合されていた。

【００１２】これに対して、本発明において鋳込成形に
用いるスラリーでは、溶解状態にあるカードランによっ
てセラミックス粒子が凝集し、これにより着肉速度が大
きくなる。このため、成形効率が向上する。そして、こ
のように着肉速度が大きいスラリーを圧力鋳込成形する
ため、より一層生産性が高められる。

【００１３】また、着肉成形時間が短く、短時間で成形
可能となるため、成形体内部での密度分布が均質にな
る。この結果、複雑形状品や大型／厚肉品であっても、
脱型、乾燥、その後の焼成工程での割れ、欠け、ヒビ等
の欠陥の発生が防止され、歩留りが向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００１５】まず、本発明で用いる鋳込成形用スラリー
及びその製造方法について説明する。

【００１６】本発明で用いる鋳込成形用スラリーは、セ
ラミックス原料粉末、バインダー、分散剤及びカードラ
ンを含み、ｐＨ９以上のアルカリ性とし、加熱処理する
ことにより該カードランを溶解状態としてあるものであ
る。

【００１７】セラミックス原料粉末としては、酸化物、
炭化物、窒化物、硫化物、珪化物などのいずれであって
も良い。この原料粉末の平均粒径は５０μｍ以下とりわ
け０．０１〜１０μｍとくに０．１〜５μｍが好まし
い。

【００１８】カードランは、セラミックス原料粉末１０
０重量部（乾燥重量）に対し０．１〜２重量部とりわけ
０．１〜１重量部添加するのが好ましい。特に、比較的
高密度の成形体の成形には、カードランの添加量をセラ
ミックス原料粉末１００重量部（乾燥重量）に対し０．
１〜０．２重量部とするのが好ましく、また、比較的低
密度の多孔質成形体の成形にはカードランの添加量をセ
ラミックス原料粉末１００重量部（乾燥重量）に対し
０．３〜１．０重量部とするのが好ましい。

【００１９】バインダーとしては、糖類が好ましい。こ
のバインダーは、セラミックス原料粉末１００重量部
（乾燥重量）に対し０．１〜１０重量部とりわけ０．５
〜３重量部添加するのが好ましい。

【００２０】分散剤としてはポリカルボン酸系のアンモ
ニウム塩が好ましい。分散剤は、セラミックス原料粉末
１００重量部（乾燥重量）に対し０．０５〜５．０重量
部とりわけ０．１〜１．０重量部添加するのが好まし
い。

【００２１】上記のセラミックス原料粉末に水を加え、
スラリーの体積が１００容量部（固形分＋水）となるよ
うにする。このとき、水の添加割合は、４０〜８０容量
部となるよう添加する。とりわけ、４５〜６５容量部の
水を添加するのが好ましい。

【００２２】水とセラミックス原料粉末等を混合する場
合、ボールミル等の媒体を有する撹拌装置を用いるのが
好ましい。

【００２３】このような撹拌装置で撹拌することによ
り、本発明に係る鋳込成形用スラリを製造するには、ま
ず、セラミックス原料粉末、バインダー、分散剤、カー
ドラン及び水を３５℃よりも低い温度、好ましくは３０
℃よりも低い温度（通常は室温）にて撹拌混合し（第１
混合工程）、その後３５℃以上の温度に加熱してカード
ランを溶解させながら混合する（第２混合工程）のが好
ましく、この第１混合工程又は該第２混合工程にアルカ
リ剤を加えることによりｐＨを９以上とするのが好まし
い。

【００２４】この第１混合工程において、カードランは
水を吸収してゲル化する。撹拌装置内ではセラミックス
原料粉末同士がこのゲルと十分に混合される。なお、セ
ラミックス原料粉末として２種類以上の原料粉末を用い
た場合、この原料粉末同士も第１混合工程において十分
に混合される。第１混合工程では、カードランがゲル状
となっているため、スラリーの粘性はそれ程高くない。
従って、原料粉末とカードランゲルが十分に混合され
る。

【００２５】なお、この第１混合工程においてアルカリ
剤を添加しておいても良い。アルカリ性とすることによ
りカードランは溶解し易くなるが、第１混合工程では温
度が３５℃よりも低いため、カードランは殆ど溶解せ
ず、ゲル状のままとなる。

【００２６】アルカリ剤としては、焼成により揮散ない
し分解するアンモニアが好適である。アルカリ剤の添加
量は、スラリーのｐＨが９以上、好ましくは９〜１２、
より好ましくは９．５〜１１となる量とする。

【００２７】上記第１混合工程は１時間以上とりわけ３
時間以上行うのが好ましい。

【００２８】第１混合工程後の第２混合工程において
は、スラリー温度を３５℃以上、好ましくは３５〜８０
℃とくに４０〜７０℃に加温して混合する。なお、第１
混合工程でアルカリを添加しなかったときには、この第
２混合工程においてアルカリを添加して、スラリーのｐ
Ｈを９以上、好ましくは９〜１２、より好ましくは９．
５〜１１とする。

【００２９】ｐＨ９以上かつ温度３５℃以上の条件下で
混合を継続すると、やがてカードランが徐々に溶解し始
め、さらに混合を継続することによりカードランのほぼ
全量が溶解する。カードランが溶解することによりスラ
リーの粘度が高くなる。また、このカードランによって
分散されたセラミックス原料粒子が凝集し、大きな二次
粒子を形成する。この二次粒子は、後の着肉工程で水が
容易に分離するという性質を有する。

【００３０】この第２混合工程は、好ましくは上記撹拌
装置を用いて１時間以上好ましくは３時間以上行われ
る。

【００３１】この第２混合工程により、カードランが溶
解した高粘度のスラリーが得られ、このようなスラリー
を用いる圧力鋳込成形によれば、成形体を高い生産性の
もとに、歩留り良く製造することが可能となる。本発明
においては、このスラリーを成形型に供給し、加圧下で
着肉させて成形体を製造する。

【００３２】ここで、鋳込用成形型としては、多孔質で
吸水性を有する成形型、例えば、石膏、高分子系樹脂、
セラミックス製成形型、或いは、このような吸水性の成
形型と非吸水性の高分子系樹脂や金属等の成形型とを組
み合わせた複合タイプの多分割式型の成形型を用いるこ
とができる。

【００３３】成形に当っては、圧力鋳込成形装置を用い
て４０Ｋｇ／ｃｍ²以下、特に２〜２０Ｋｇ／ｃｍ²の
圧力でスラリーを加圧注入するのが好ましい。具体的
には、予め１Ｋｇ／ｃｍ²以下の低圧でスラリーを成形
鋳型内部に完全充填した後（この際、成形型内部を減圧
し、気泡の混入を防止する）、所定圧力まで加圧し、一
定時間保持した後、減圧し、成形型より成形体を取り出
す。この成形に要する時間は、成形体の大きさ等によっ
ても異なるが、本発明によれば、カードランが溶解して
いないスラリーを用いる従来法に比べて、成形時間を半
減することができる。

【００３４】このような本発明における作用効果の詳細
は次の通りである。

【００３５】即ち、前述の如く水に溶解したカードラン
は、鋳込成形用のスラリーの粘度を著しく増加させる。

【００３６】この粘度の増加は、セラミックスに吸着し
たカードランにより生じるものであり、これはスラリー
中のセラミックス粒子が、再凝集されるために生じたも
のである。即ち、第１混合工程において分散剤によって
均質に分散されたセラミックスの一次粒子が、第２混合
工程において、適度な大きさを持つ二次粒子へと凝集す
る。この凝集した二次粒子は、圧力鋳込成形時の鋳型面
で固形分と水の分離・濾過を促進させるため、スラリー
の着肉速度が大幅に増大し、成形時間が大幅に短縮す
る。

【００３７】さらに、成形体は、カードランと、セラミ
ックス粒子間（造粒された粒子の隙間）に包含された水
分によって、湿潤時の成形体の強度が高いものとなり、
また、これによって成形体に可塑性も付与される。

【００３８】このように、本発明の鋳込成形用スラリー
を使用した場合、着肉速度が速いため生産性が向上す
る。更に着肉成形時間が短く、短時間で成形可能となる
ため、成形体内部での密度の分布が均質になる。この結
果、乾燥や焼成時の割れが減少し、生産性（歩留り）が
向上する。また、成形直後の湿潤状態にある成形体に可
塑性が付与されるため、成形体のハンドリング強度が大
幅に向上し、脱型に伴う負荷に対して、割れ、ヒビ、欠
けの発生が大幅に抑制される。

【００３９】本発明は、特に、複雑形状を有したセラミ
ックス製品、例えば、自動車エンジン関連部品（チャン
バー等）、タービン翼等に極めて有効である。即ち、本
発明によれば、成形体に可塑性が付与されることと湿潤
時の成形体のハンドリング強度を大幅に向上すること
で、鋳型からの脱型時に、割れ、ヒビ、欠けが生じ易い
複雑形状品であっても高歩留りで成形できるようにな
る。

【００４０】本発明はまた、大型／厚肉製品、例えば、
研磨用定盤、定盤、ターゲット、ローラー、ダイス等に
極めて有効である。即ち、大型／厚肉製品の場合、着肉
・成形に長時間を要し、成形体内部での密度分布に差異
（中心と表層部との密度差）が生じ、結果として乾燥割
れや、焼成時の割れ等が生じ易いが、本発明によれば、
着肉速度が速いので、着肉成形が短時間で済み、成形体
密度差に起因した割れが減少し、歩留りが向上する。

【００４１】更に、本発明は、微細で均質な気孔を有し
た多孔体の製造にも利用可能である。即ち、カードラン
添加量と水分量を調整して、高粘度・高含水率のスラリ
ーとし、これを圧力鋳込成形することで多孔体製品を製
造できる。

【００４２】このようにして得られた成形体を乾燥し、
脱脂焼成及び本焼成することにより、セラミックス製品
（焼結体）が得られる。

【００４３】

【実施例】

実施例１〜５以下の手順に従ってサイアロン製ホットチャンバーを製
造した。

【００４４】Ｉ．鋳込成形用スラリーの製造原料配合窒化珪素（スタルク社ＬＣ−１０）８６重量部に、焼
成後、Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z（Ｚ＜４．２）のサイ
アロン組成となるよう焼結助剤としてＡｌＮ（スタルク
社グレードＣ）２．３重量部、Ｙ₂Ｏ₃（信越化学
ＲＵ）７．０重量部、Ａｌ₂Ｏ₃（住友電工ＡＫＰ−
３０）４．６重量部を配合し、セラミックス原料粉末の
総量を１００重量部とした。

【００４５】このセラミックス原料粉末をポットミル
（容量１０リットル）に投入し、この中にカードラン
β−１，３−グルカン（武田薬品工業ビオポリーＰ１
０３）をセラミックス固形分１００重量部に対して、表
１に示す割合で添加した。

【００４６】さらに、セラミックス原料粉末１００重量
部に対して、水（室温、この場合２０℃）３５重量部と
分散剤（中京油脂Ｄ−３０５）０．２重量部、及びバ
インダー（花王ソルビトール）１．０重量部を添加し
た。また、若干のアンモニアを添加しｐＨ１０とした。

【００４７】第１混合工程このポット中にアルミナボールを加え、ボールミリング
によって５時間、室温にて混合した。これにより、セラ
ミックス原料粉末を均質分散させたスラリーとした。

【００４８】第２混合工程ポットを電気ヒーターによって外部から加熱し、スラリ
ー温度を４０℃とした。この状態で５時間ボールミリン
グした。

【００４９】II．圧力鋳込成形図２に示す多分割式成形型を用いて、図１（ａ）（平面
図）、図１（ｂ）（斜視図）及び図１（ｃ）（図１
（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図）に示す形状のチャンバ
ーを成形した。

【００５０】なお、図１中、１はチャンバー、２は噴口
である。また、図２中、１１は樹脂製上型、１２は脱型
用分割型、１３は石膏製中型、１４は石膏製下型であ
り、１５は鋳込み口である。

【００５１】まず、圧力鋳込成形装置を用いて、１Ｋｇ
／ｃｍ²以下の低圧でスラリーを、予め真空引きしてエ
アの巻き込みを防止した成形鋳型内に完全充填し、その
後、８Ｋｇ／ｃｍ²で加圧し、表１に示す時間保持した
後、減圧して成形鋳型より成形体を取り出した。

【００５２】その後、８０℃で２４時間乾燥し、６００
℃まで昇温し、１２時間脱脂し、１７００℃で４時間焼
成して焼結体を得た。

【００５３】III. 評価脱型時の割れの有無、得られた成形体の密度、乾燥及び
その後の脱脂焼成時の割れの発生状況、製品歩留りを調
べ、結果を表１に示した。

【００５４】比較例１スラリー調製に当り、カードランを添加しなかったこと
以外は実施例１と同様にして成形及び評価を行って、結
果を表１に示した。

【００５５】比較例２スラリー調製に当り、第２混合工程で加熱を行わなかっ
たこと以外は実施例２と同様にして成形及び評価を行っ
て、結果を表１に示した。

【００５６】

【表１】

【００５７】表１より次のことが明らかである。

【００５８】即ち、カードランを添加していない比較例
１では成形に３０分を要した。また、カードランを添加
していても、混合工程で加熱を行わず、カードランを溶
解させていない比較例２では、成形に２７分を要し、カ
ードラン無添加の比較例１と殆ど変わらない。

【００５９】これに対し、カードランを添加してこれを
溶解させた実施例、例えば実施例２では、成形時間は１
４分と約１／２に短縮された。

【００６０】また、比較例１のカードラン無添加の成形
体の場合、成形−脱型直後に乾燥収縮による割れが生じ
易く、脱型中に割れが出た。更に、乾燥工程でも割れが
生じ易く、製品の歩留りは非常に低かった。しかし、カ
ードランを添加し加熱処理したスラリーを使用した実施
例１〜５では、脱型、乾燥、脱脂−焼成工程における割
れが生じ難くなり、製品の歩留りは約９０％まで向上し
た。

【００６１】なお、カードランを添加しても、非加熱の
スラリーを使用した比較例２では、乾燥時の割れは若干
改善されているものの、カードラン無添加の比較例１と
大差はなかった。

【００６２】

【発明の効果】以上の通り、本発明のセラミックス製品
及びその製造方法によれば、複雑形状又は大型／厚肉の
セラミックス製品であっても、短時間で効率的に歩留り
良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例及び比較例で製造したチャンバーを示す
図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は
（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

【図２】実施例及び比較例で用いた成形型を示す断面図
である。

【符号の説明】

１チャンバー２噴口１１樹脂製上型１２脱型用分割型１３石膏製中型１４石膏製下型１５鋳込み口

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス原料粉末、バインダー、分
散剤及びカードランを含み、ｐＨ９以上のアルカリ性と
し、更に加熱処理することにより該カードランを溶解状
態としてあるスラリーを用いて、圧力鋳込により成形
し、焼成してなるセラミックス製品。
【請求項２】セラミックス原料粉末、バインダー、分
散剤及びカードランを含み、ｐＨ９以上のアルカリ性と
し、更に加熱処理することにより該カードランを溶解状
態としてあるスラリーを用いて、圧力鋳込により成形
し、その後焼成することを特徴とするセラミックス製品
の製造方法。