JP3720106B2 - セラミック製品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コストで、特に複雑形状で、多品種、少量の製品の製造に有利なセラミック製品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックは、金属材料に比ベて耐熱性、耐摩耗性、耐食性等に優れた特性を有し、エンジン部品あるいは部材としてその用途が広がりつつある。しかし、一般にセラミック製品の製造においては、製品を所定の形状に仕上げるために焼成後研削加工を行うが、セラミックの焼結体は非常に硬く、加工が困難であるためにコストがかかり過ぎるいう問題がある。この問題を解決するためには、セラミックを焼成前に、最終形状に近い形状に加工する生加工を行い、最終工程での加工工数を低減する必要がある。
【０００３】
一方、ターボチャージャーローターやタービンローター等の複雑な形状のセラミック部品は加工が困難であるために、射出成形等により最終形状に成形することで、焼成前及び焼成後の加工を少なくする方法が用いられている。例えば、特公平２ー３ｌ６４８号公報には、セラミック粉末に熱可塑性樹脂や潤滑材からなる射出成形用助剤を混合し、この混合物を最終形状より部分的に厚肉に射出成形した後、最終形状に生成形体切削加工し、その後脱脂及び焼成するセラミック製造方法が提案されている。
【０００４】
また、特開平５ーｌ６９４１１号公報では、上記公報記載の方法において脆い生の成形体の加工対象部を切削加工するときクラックが発生し易いとし、この点を改良するものとして、射出成形用金型を用いて最終形状に近い形状まで成形した後、更に加工が必要な部分について成形体を液体窒素等の冷却媒体によって冷却固化させ、前記加工対象部を切削加工する方法が開示されている。しかし射出成形の場合、成形用金型を作製しなければならない。こうした金型は一体作製するのに高額のコストが必要であるため、多品種少量のセラミック部品の製造には不利である。しかも射出成形法にて成形されたセラミック成形体はバインダー成分が多量に含まれるため、脱脂工程にかなり長い時間を必要とする。
【０００５】
ところが、金型等を使用することなくターボチャージャーローターやタービンローター等の複雑形状のセラミック部品を作製するためには、焼結体からの研削加工による削り出しは不可能であるため、焼成前に最終形状まで加工する必要がある。しかし焼成前のセラミック成形体は非常に脆く、特にターボチャージャーローターやタービンローター等の肉薄部の生加工時に破損する可能性が大きく、未だ十分とは云えない。
【０００６】
さらに特開平４ー２８０８５５号公報には、セラミック成形体を平均細孔径、全細孔容積、四点曲げ強度に関して特定の物性となるように例えばゴム型を用いて円筒形状に成形したセラミック成形体を仮焼し、得られた仮焼体を最終形状に湿式機械加工（切削加工）し、次いで本焼成をおこなってセラミック部品を製造する方法が開示されている。しかしセラミックの製造工程に上記の様な仮焼工程を導入することは製造工数を増やし、製造方法全体のコストを引き上げることになってしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における上記のような諸欠点をなくし、セラミック成形体から複雑形状部品を生加工するに際して、成形に用いるセラミック原料にワックス系バインダー及び樹脂系バインダーを添加することによりセラミック成形体の強度を増し、クラックの発生を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック粉末にワックス系バインダーと樹脂系バインダーを合計４〜１０ｗｔ％添加混合し、次いでその混合物を等方静水加圧成形することによって、その成形体の生強度を４点曲げ強度で１．５ＭＰａ以上、好ましくは１．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａとした後、最終形状まで生加工し、脱脂及び焼成することを特徴とするセラミック部品の製造方法である。
【０００９】
本発明のセラミック部品の製造方法は、セラミック粉末、バインダー、溶媒等から成形用原料を調合する原料調合工程と、成形用原科を用いて成形し、生成形体を得る成形工程と、生成形体を脱脂及び焼成する前に最終形状に加工する加工工程を含むセラミック部品の製造方法において、まず原料調合工程において、ワックス系バインダーと樹脂系バインダーを上記のとおり所定最適量添加することによって、生成形体に切削加工に耐えうるに充分な強度とともに粘りを持たせ、クラックの発生を防止することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明においては、原料調合工程においてセラミック粉末にワックス系バインダーと樹脂系バインダーからなる成形用バインダーを添加した原料を噴霧乾燥した後、等方静水加圧にてセラミック成形体の４点曲げ強度を上記のとおり１．５ＭＰａ以上、好ましくは１．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａとした後、生加工を行い、次いで脱脂及び焼成することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
原料調合工程で用いるセラミック粉末は、生成形体の主原料となるもので、例えば窒化珪素、アルミナ、炭化珪素等の粉末を用いることができる。この主原料セラミック粉末には、それら各主原料の種類に対応した種々の焼結助剤を用いることができる。また溶媒としては水系のものや、非水系のものを使用することができ、非水系溶剤としては例えばトリクレン、エタノール等が使用できる。
【００１２】
成形工程は、原料調合工程で調合された原料を噴霧乾燥した造粒粉を用いる。噴霧乾燥された成形用造粒粉は、所定形状のゴム型等に充填され、ドライバックや等方静水加圧成形等によって生成形体を得る。ここで生成形体とは、脱脂及び焼成していない生の成形体を称している。本発明においては、セラミックの生成形体に生加工に耐えうる強度と粘りを持たせるごとく調整されたバインダーを添加する調合工程及び成形工程に最も特徴がある。
【００１３】
すなわち成形用バインダーとして、成形体の生強度を向上させる樹脂系バインダーと、生成形体を生加工する際に成形体に粘りをもたせ、バイトのすべりを良くするワックス系バインダーを適当量添加し、これによってターボチャージャーローターやタービンローターなどの複雑且つ薄肉形状品の生加工を可能にする。本発明で使用するワックス系バインダーとしてはパラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックスなどが使用でき、また樹脂系バインダーとしては、例えばアクリル樹脂などが使用できる。
【００１４】
本発明においては、セラミック成形体に生加工に適する物性を有するごとく調整された原料を調合すること特徴がある。そこでワックス系及び樹脂系の両バインダー間の量的割合については、ワックス系バインダーに対する樹脂系バインダーの比率が大きくなると、バイトのすべりが悪くなり生加工性が低下し、生成形体表面精度が劣化したり、成形体に粘りがないためにチッピングが発生し、生加工中あるいは生加工後の脱脂および焼成工程で破損に至る可能性がある。逆に、ワックス系バインダーに対する樹脂系バインダーの比率が小さくなると、成形体の生強度が不十分で、生加工時の加工応力に耐え切れず、破損に至る。
【００１５】
そこで、本発明では、原料調合工程においてワックス系バインダー及び樹脂系バインダーを合わせて４〜１０ｗｔ％添加し、尚且つワックス系バインダーの、樹脂系バインダーに対する比率を６〜１５程度に調整したバインダーを添加した後、噴霧乾燥された造粒粉を４点曲げ強度１．５ＭＰａ以上になるよう等方静水加圧成形した後、生加工するものである。ここで生加工とは研削油、水等の冷却媒体を用いずにセラミックの生成形体を切削加工することを言う。切削加工用工具としては超鋼バイトの他、ＣＢＮバイト等が使用できる。
【００１６】
本発明において、セラミック成形体の４点曲げ強度が１．５ＭＰａより小さい場合、セラミック成形体を構成するセラミック粒子間の結合力が弱く、生加工中の加工応力に耐える事ができない。セラミック成形体の生強度を向上させるためには樹脂系バインダーが用いられる。樹脂系バインダーはセラミック粒子間の結合力を高め、セラミック成形体の強度を向上させることができる。
【００１７】
一方、セラミック成形体の生強度は成形時の加圧力を高くすれば強くなるが、生強度が高すぎても生加工効率が悪いという問題もある。また、生強度が上記の１．５ＭＰａ以上であっても強度を向上させるだけでは生加工中にクラックやチッピングが発生する可能性が高い。そこで本発明においては、セラミック成形体の滑りを良くし粘りを持たせるために、ワックス系バインダーを、樹脂系バインダーと同時に添加する。
【００１８】
上記バインダーの添加割合については、総添加量が４ｗｔ％未満の場合、成形体の粒子間の結合力が弱く、成形体の強度が１．５ＭＰａに達せず、生加工が不可能である。一方、総添加量が１０ｗｔ％を越えると、生加工後の脱脂工程に時間がかかり過ぎると同時に、脱脂後の生成形体中にバインダーの抜け出した気孔の残存量が多く、セラミックスの焼結を阻害し、また焼成による収縮が大きく、寸法精度の要求されるセラミックス部品、特に焼成後の研削加工が不可能な複雑形状セラミックス部品の製造には適さない。
【００１９】
さらに上記ワックス系バインダーの添加量が樹脂系バインダーの添加量の６倍未満の場合、成形体の生強度が１．５ＭＰａを越えて生加工に充分耐えうるが、粘りがないためにチッピングが発生しやすいなどの問題がある。また、切削工具の摩耗が早く、頻繁にドレッシングする必要があり、加工効率が悪く好ましくない。一方、上記ワックス系バインダーの添加量が樹脂系バインダーの添加量のｌ６倍を越えると、樹脂系バインダーの添加量が不足し、その結果、成形体の生強度は１．５Ｍｐａ未満となり、生加工が困難となる。
なお、上記のバインダー添加量及び比率で生強度を１．５ＭＰａ以上にするための成形圧力としては１５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの範囲が好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないことは勿論である。
【００２１】
《実施例１》平均粒径０．８μｍの窒化珪素粉末９１モル％に、焼結助剤としてアルミナ５モル％、酸化イットリウム４モル％を配合したセラミック原料粉末に、成形助剤のうち、ワックス系バインダーとしてマイクロクリスタリンワックス〔中京油脂（株）製、「Ｇ−７６７」：商品名〕を４．８ｗｔ％、５．３ｗｔ％、５．５ｗｔ％、樹脂系バインダーとしてアクリル樹脂エマルジョン〔中京油脂(株)製、「ＷＥ−５１８」：商品名〕を１．０ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．３ｗｔ％、水４０ｗｔ％を添加し、さらに解膠剤としてボリカルボン酸アンモニウム塩を１．９ｗｔ％、滑剤としてメチロールステアリン酸アミドを３．５ｗｔ％添加したスラリーを調整し、スプレードライヤー法により顆粒を作製した。
【００２２】
顆粒を金型に入れ、圧力２０ＭＰａで一次成形した後、加圧力ｌ００ＭＰａ、ｌ５０ＭＰａ、２００ＭＰａ及び２５０ＭＰａで等方静水加圧成形を施し、５０×２５×ｌ５ｍｍの大きさに成形した。次に、上記セラミック成形体より試験片を切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して４点曲げ強度を測定した。さらに、セラミック成形体をマシニングセンタによりＧ種超硬刃具を用い、工具回転数２，０００ｒｐｍ、送り速度１００ｍｍ／ｍｉｎの加工条件下で、成形体にφ７ｍｍの穴加工を実施し、１本のバイトで穴入口及び出口部に目視的にチッピングの大きさが１ｍｍ以上の大きさになるまで生加工を続けた。
【００２３】
表１はこれらの結果を示すものである。実験１乃至実験１２ともに各々２０個について実施した中で、４点曲げ強度及び加工テストによって加工可能な成形体個数を示す。試験の結果、実験６及び実験７の生加工試験に優位性を確認した。さらに一連の実験により以下の事が確認された。実験５及び実験９の結果、成形圧力が１００ＭＰａの場合、４点曲げ強度が１．５ＭＰａ以下で、強度が低すぎるために生加工性に劣ることがわかる。さらに実験７と実験８との比較により、成形圧力を２５０ＭＰａとすると（実験８）、生加工性が劣化した。これは生強度が３．５ＭＰａをこえたために切削性が悪くなり、バイトの磨耗が速く進行したためである。
【００２４】
また、実験１〜４の結果より、ワックス系バインダーの比率が４．８では、生強度が１．５ＭＰａ以上であっても成形体に粘りがないため、チッピングが発生しやすいことがわかる。さらに実験９〜１２の結果より、ワックス系バインダーの比率が１８．３では、成形体の生強度が１．５ＭＰａ未満のため、生加工時の加工応力に耐え切れず、成形体が破損に至ることが確認された。
【００２５】
【表 １】

【００２６】
《実施例２》平均粒径０．８μｍの窒化珪素粉末９２モル％、焼結助剤としてアルミナ５モル％、酸化イットリウム３モル％を配合したセラミック原料粉末に対して、成形助剤としてパラフィンワックス〔日本精蝋（株）製、「パラフィンワックス」：商品名〕を５〜１０．４ｗｔ％、マイクロクリスタリンワックス〔中京油脂（株）製、「Ｇ−７６７」〕を３．６〜５．４ｗｔ％、アクリル樹脂エマルジョン〔中京油脂（株）製、「ＷＥ−５１８」〕を０．３〜１．３ｗｔ％、水４０ｗｔ％、さらに解膠剤としてボリカルボン酸アンモニウム塩を１．９ｗｔ％、滑剤としてメチロールステアリン酸アミドを３．５ｗｔ％添加したスラリーを調整しスプレードライヤー法により顆粒を作製した。
【００２７】
また、同様に配合したセラミック原料にパラフィンワックス〔日本精蝋（株）製、「パラフィンワックス」〕を７．８ｗｔ％、アクリル樹脂エマルジョン〔中京油脂(株)製、「ＷＥ−５１８」〕を０．６〜１．６ｗｔ％、トリクレン１２５ｗｔ％添加し、さらに解膠剤としてアルミニウムアルコキシドをｌ．２ｗｔ％、滑剤としてステアリン酸アミドを３．５ｗｔ％添加したスラリーを調整し、スプレードライヤー法により顆粒を作製した。
【００２８】
この坏土をφ２０ｍｍの金属製マンドレルの入ったゴム型に充填し、等方静水加圧１５０ＭＰａにてφ５３ｍｍ×２０ｍｍの円筒形状に成形した後、本成形体をＣＮＣ旋盤にて、周速度１２０ｍ／ｍｉｎ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み１．０ｍｍ／Ｒにて内径部をφ３８．７ｍｍまで中ぐり加工を２回ずつ行った。この時の仕上げ面粗さ及びバイトの摩耗量を測定、比較した。ただし仕上げ面粗さは双眼顕微鏡を用いて目視にて評価を行った。また、測定後の成形体からは試験片を切り出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して４点曲げ強度を測定した。さらに残った成形体を脱脂後、窒素ガス圧０．９ＭＰａ、最高温度１７５０℃、保持時間４．５時間の条件下で焼成を行い、焼成後の嵩密度を測定した。
【００２９】
【表 ２】

【００３０】
表２はこれらの結果である。表２から明らかなとおりマイクロクリスタリンワックス〔中京油脂（株）製、「Ｇ−７６７」〕とアクリル樹脂エマルジョン〔中京油脂（株）製、「ＷＥ−５１８」〕の総添加量が４ｗｔ％に満たない場合（実験ＮＯ．４）、成形体の強度が不十分で、生加工に耐えられないことがわかる。またワックス系バインダー添加量が樹脂系バインダー添加量の６倍未満の場合（実験ＮＯ．１及び実験ＮＯ．９）、生加工時のバイトの滑りが悪く、加工面が荒れ、バイトの摩耗量も多いことが確認された。さらにワックス系バインダーと樹脂系バインダーの総添加量が１０ｗｔ％を越えると（実験ＮＯ．３）、焼成後の嵩密度が急激に下がることがわかった。
【００３１】
《実施例３》平均粒径０．７５μｍの窒化珪素粉末９２モル％に、焼結助剤としてアルミナ５モル％、酸化イットリウム３モル％を配合したセラミック原料粉末に、成形助剤としてマイクロクリスタリンワックス〔中京油脂（株）製、「Ｇ−７６７」〕４．５ｗｔ％、アクリル樹脂エマルジョン〔中京油脂（株）製、「ＷＥ−５１８」〕０．７５ｗｔ％、トリクレン１２５ｗｔ％添加したスラリーを調整し、スプレードライヤー法により顆粒を作製した。作製された顆粒を内径２１０ｍｍ、高さ１９０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円筒状のゴム型に充填し、等方静水加圧法により１５０ＭＰａの圧力をかけ、φ１７０×１５０ｍｍの生成形体を作製した。
【００３２】
このセラミック成形体を同時５軸ＮＣマシニングセンターにてＣＢＮバイトを用いて切削加工することにより図１に示す様なセラミックタービンローターを生加工した。次いで大気雰囲気中温度５５０℃にて脱脂した後、１８５０℃、窒素加圧力３０ＭＰａで１時間焼成し、密度３．２ｇ／ｃｍ³ のセラミックタービンローターを得た。セラミックタービンローターの外観を観察したところ、クラック等の発生は確認されず、さらに各部位における焼成収縮は約２０％と均一で、寸法精度に関しても問題はなかった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、ワックス系バインダーと樹脂系バインダーとを同時に使用し、原料調合工程におけるワックス系バインダーと樹脂系バインダーの比率を調整することで、セラミックの生成形体に充分な強度とすべり性を持たせ、ターボチャージャーやタービンローター等の肉薄部が存在する複雑形状のセラミック製品を金型等を用いずに、生加工にて加工工程を終了することが可能となった。本発明によれば、低コストで、複雑形状かつ多品種少量のセラミック部品を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例３で作製したセラミックタービンローターの概略図。

Claims (4)

1. 脱脂及び焼成する前に金型を使用せずに最終形状まで生加工をしてセラミック部品を製造する方法であって、セラミック粉末に、ワックス系バインダーと樹脂系バインダーを合計４〜１０ｗｔ％添加混合し、次いでその混合物を等方静水加圧成形することによって、その成形体の生強度を４点曲げ強度で１．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａとした後、最終形状まで生加工をし、脱脂及び焼成することを特徴とするセラミック部品の製造方法。
2. 前記ワックス系バインダーと樹脂系バインダーの合計量４〜１０ｗｔ％のうち、ワックス系バインダーの、樹脂系バインダーに対する比率が６〜１５の範囲にある請求項１に記載のセラミック部品の製造方法。
3. 前記混合物を等方静水加圧成形する加圧力が１５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下である請求項１又は２に記載のセラミック部品の製造方法。
4. 前記セラミック部品がタービンローターまたはターボチャージャーローターである請求項１、２又は３に記載のセラミック部品の製造方法。

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