JP3783316B2

JP3783316B2 - 粉体成形法

Info

Publication number: JP3783316B2
Application number: JP05500697A
Authority: JP
Inventors: 昭宏岡; 勝美鈴木
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2017-03-10
Also published as: JPH10251705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体成形法に係り、特に、セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体などの粉体から成形体を形成するための粉体成形法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体からなる粉体から各種部品の成形体を形成する従来の粉体成形法としては、加圧成形法（乾式加圧、ラバープレス）、鋳込成形法、ドクターブレード法、可塑成形法（押出、射出）などが知られており、実際に様々な成形体が得られている。
【０００３】
ここで、射出成形法は、複雑形状品の成形が可能で、かつ、寸法精度に優れるという長所を有する反面、コストが高くて、成形後のバインダー類の脱脂に長時間を要するといった問題点を有している。
【０００４】
最近、この射出成形法の問題点を解消する新規な粉体成形法が提案されている（特願平６−１８５５３６号参照）。
【０００５】
この粉体成形法は、セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体からなる粉体と、分散剤と、バインダーとなる架橋性化合物と、この架橋性化合物を架橋して硬化させる硬化剤と、この架橋性化合物を均一に分散させて流動性を与える非架橋性化合物とからなるスラリーを、型内に流し込んで所定形状に成形した後、この成形体を抽出液体中に浸漬すると共に、非架橋性化合物のみを抽出除去し、その後、この成形体中の架橋性化合物を加熱除去するものである。
【０００６】
この粉体成形法は、脱脂時間が短く、かつ、良好な成形体を安価に形成することができるという点で優れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この粉体成形法においては、成形体が複雑で非対称形状の場合、非架橋性化合物の抽出除去をかなりゆっくりと行わないと、成形体における表面積が大きい所（複雑形状部）での抽出速度が速いため、成形体が変形したり、割れてしまうおそれがあるといった問題を有していた。
【０００８】
そこで本発明は、上記課題を解決し、複雑で非対称形状の成形体から非架橋性化合物を急速に抽出除去しても、変形や割れのない良好な成形体を形成することが可能な粉体成形法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体からなる粉体と、バインダーとなる架橋性化合物と、その架橋性化合物との分散性又は相溶性を有した非架橋性低分子化合物と、その非架橋性低分子化合物中に分散・溶解する非架橋性高分子化合物を含んだスラリーを、型内に流し込んで所定形状に成形した後、その成形体を抽出液体中に浸漬すると共に、上記非架橋性低分子化合物のみを抽出除去し、その後、その成形体中の上記架橋性化合物および上記非架橋性高分子化合物を加熱除去するものである。
【００１０】
請求項２の発明は、上記粉体１００ｗｔ％に対して、上記架橋性化合物を０．５〜４０ｗｔ％、上記非架橋性高分子化合物を０．５〜４０ｗｔ％、上記非架橋性低分子化合物を１ｗｔ％以上添加・混合する請求項１記載の粉体成形法である。
【００１１】
請求項３の発明は、上記非架橋性高分子化合物が、多糖類、蛋白質、ポリビニルアルコール系高分子化合物、セルロース系高分子化合物のいずれかの単体またはそれらを２種以上混合したものである請求項１または請求項２記載の粉体成形法である。
【００１２】
請求項４の発明は、上記抽出液体が、上記架橋性化合物および上記非架橋性高分子化合物に対する親和性よりも上記非架橋性低分子化合物に対する親和性の方が大きい請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の粉体成形法である。
【００１３】
請求項５の発明は、上記スラリーが、上記架橋性化合物を架橋させると共に、硬化させる硬化剤を含有する請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の粉体成形法である。
【００１４】
上記数値範囲を限定した理由を以下に説明する。
【００１５】
粉体１００ｗｔ％に対する架橋性化合物の添加・混合量を０．５〜４０ｗｔ％と限定したのは、添加・混合量が０．５ｗｔ％未満では非架橋性低分子化合物の抽出除去時の強度が不十分となり、かつ、非架橋性低分子化合物が常温で液体である場合、成形体の保形性が不十分となるためであり、添加・混合量が４０ｗｔ％よりも多いと架橋性化合物の加熱除去時に割れが生じるようになるためである。
【００１６】
粉体１００ｗｔ％に対する非架橋性高分子化合物の添加・混合量を０．５〜４０ｗｔ％と限定したのは、添加・混合量が０．５ｗｔ％未満では成形体が複雑で非対称形状の場合、非架橋性低分子化合物の抽出除去時の変形や割れの発生が顕著となるためであり、添加・混合量が４０ｗｔ％よりも多いと非架橋性高分子化合物の加熱除去時に割れが生じるようになるためである。
【００１７】
粉体１００ｗｔ％に対する非架橋性低分子化合物の添加・混合量を１ｗｔ％以上と限定したのは、添加・混合量が１ｗｔ％未満では架橋性化合物並びに非架橋性高分子化合物の加熱除去時に割れが生じるようになるためである。
【００１８】
以上の構成によれば、セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体からなる粉体と、バインダーとなる架橋性化合物と、その架橋性化合物との分散性又は相溶性を有した非架橋性低分子化合物と、その非架橋性低分子化合物中に分散・溶解する非架橋性高分子化合物を含んだスラリーを、型内に流し込んで所定形状に成形した後、その成形体を抽出液体中に浸漬すると共に、上記非架橋性低分子化合物のみを抽出除去し、その後、その成形体中の上記架橋性化合物および上記非架橋性高分子化合物を加熱除去するため、複雑で非対称形状の成形体から非架橋性化合物を急速に抽出除去しても、変形や割れのない良好な成形体を形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明の粉体成形法のフローチャートを図１に示す。
【００２１】
図１に示すように、先ず、セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体からなる１００ｗｔ％の粉体１に対して、バインダーとなる架橋性化合物２を０．５〜４０ｗｔ％、架橋性化合物２との分散性又は相溶性を有した非架橋性低分子化合物４を１ｗｔ％以上、非架橋性低分子化合物４中に分散・溶解する非架橋性高分子化合物３を０．５〜４０ｗｔ％、および架橋性化合物２を架橋させると共に硬化させる硬化剤５を添加・混合してスラリー６を形成する。
【００２２】
粉体１としては、特に限定するものではなく、例えば、アルミナ粉、部分安定化ジルコニア粉、窒化ケイ素粉などのように、比較的、化学的安定性の高い材質のものが挙げられる。
【００２３】
架橋性化合物２としては、特に限定するものではないが、高分子化することによって粉体１の周囲に不溶析出すると共に、比較的容易に加熱除去できるものが好ましく、例えば、尿素樹脂、メラミン樹脂、マレイン酸樹脂、ウレタン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、グアナミン樹脂などが挙げられる。尚、これらを単独で、或いは、２種以上混合して用いてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
非架橋性低分子化合物４としては、特に限定するものではないが、混練時および成形時に液体であり、かつ、抽出除去が可能な程度の分子量のものが好ましく、例えば、イソプロピルアルコール、ジブチルフタレート、ｔ−ブチルアルコール、パラフィンワックスなどが挙げられる。尚、これらを単独で、或いは、２種以上混合して用いてもよいことは言うまでもない。
【００２５】
非架橋性高分子化合物３としては、特に限定するものではないが、既に高分子化しており、非架橋性低分子化合物４中に溶解・分散し、かつ、混練・成形・抽出除去時に固体であるものが好ましく、例えば、多糖類、蛋白質、ポリビニルアルコール系高分子化合物、セルロース系高分子化合物などが挙げられる。尚、これらを単独で、或いは、２種以上混合して用いてもよいことは言うまでもない。
【００２６】
硬化剤５は、上述した架橋性化合物２の種類に応じて適宜選択されるものであるため、特に限定するものではなく、例えば、キシレンジアミンなどのアミン化合物や、酸無水物などが挙げられる。また、硬化剤５の添加・混合量も、上述した架橋性化合物２の種類に応じて適宜選択されるものである。
【００２７】
抽出液体は、上述した架橋性化合物２、非架橋性高分子化合物３、および非架橋性低分子化合物４の種類に応じて適宜選択されるものであるため、特に限定するものではなく、例えば、トルエン、ジオクチルフタレート、メチルエチルケトンなどが挙げられる。
【００２８】
次に、スラリー６を所定形状の型内に流し込んで成形体７を形成する。この時、スラリー６は極めて良好な流動性を有しており、かつ、混練途中で硬化することがないため、常圧（１ｋｇｆ／ｃｍ²（９．８×１０⁴Ｐａ））での型注入が可能となる。
【００２９】
図１における型注入後の成形体の概念図を図２に示す。尚、図１同様の部材には同じ符号を付している。
【００３０】
図２に示すように、成形体７は、分散した粉体１の周囲に不溶析出した架橋性化合物２と、各架橋性化合物２間に連なって集まった非架橋性化合物９とからなるものである。ここで、非架橋性化合物９は、非架橋性低分子化合物４中に網目状或いは格子状に非架橋性高分子化合物３が連なってなるものである。
【００３１】
図２における成形体から非架橋性低分子化合物を抽出除去する際の概念図を図３に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付している。
【００３２】
次に、図３に示すように、成形体７を抽出液体Ｌ中に浸漬すると共に、その成形体７中の非架橋性化合物９から非架橋性低分子化合物４のみを抽出除去し、成形体７ａとする。この時、非架橋性低分子化合物４のみを抽出除去することで、非架橋性高分子化合物３が成形体７ａの強度を保持するため、成形体７が複雑で非対称形状であっても、変形や割れが生じない。
【００３３】
ここで、抽出液体Ｌとしては、架橋性化合物２および非架橋性高分子化合物３に対する親和性より、非架橋性低分子化合物４に対する親和性の方が大きいものを用い、例えば、架橋性化合物２がエポキシ樹脂、非架橋性高分子化合物３がメチルセルロース、非架橋性低分子化合物４がイソプロピルアルコールの場合、抽出液体Ｌとしてトルエンを用いる。
【００３４】
次に、成形体７ａ中の架橋性化合物２および非架橋性高分子化合物３を加熱除去して成形体７ｂとした後、成形体７ｂに焼結を施して焼結体８を得る。
【００３５】
すなわち、本発明の粉体成形法によれば、非架橋性化合物として架橋性化合物との分散性又は相溶性を有する非架橋性低分子化合物と、非架橋性低分子化合物中に分散・溶解する非架橋性高分子化合物の２種類を用いており、成形体から非架橋性化合物を抽出除去する際に、非架橋性低分子化合物のみを抽出除去し、非架橋性高分子化合物で成形体の強度を保持しているため、複雑で非対称形状の成形体から非架橋性化合物を急速に抽出除去しても成形体の変形や割れがない。
【００３６】
また、成形体から非架橋性化合物を抽出除去するための時間が短縮されるため、製造コストを抑えることができる。
【００３７】
【実施例】
（実施例１）
１００ｗｔ％のアルミナ粉末に対して、架橋性化合物として５ｗｔ％のジアリルフタレートプレポリマー、非架橋性高分子化合物として５ｗｔ％のカルボキシルエチルセルロース、非架橋性低分子化合物として３０ｗｔ％のジブチルフタレートを添加すると共に、ボールミルで湿式混合してスラリーを形成する。
【００３８】
このスラリーに架橋触媒として有機過酸化物を加えた後、１６０℃に温度保持された成形用金属型（Ｌ字形状、厚み５ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）内に常圧で注入する。その後、約３０分間放置してスラリーを硬化させ、型抜して成形体を形成する。この時、成形体の保形性は十分であり、非常に強固であった。
【００３９】
次に、この成形体を、ジオクチルフタレートからなる抽出液体中に１２時間浸漬する。抽出液体中に浸漬後の成形体においては、成形体中から非架橋性低分子化合物であるジブチルフタレートが略完全に抽出除去されており、また、変形や割れも見受けられなかった。
【００４０】
その後、この成形体を５〜１５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して６００℃まで昇温させ、加熱除去加工を施す。加熱除去加工後の成形体においては、成形体中から架橋性化合物であるジアリルフタレートプレポリマーおよび非架橋性高分子化合物であるカルボキシルエチルセルロースが完全に除去されており、また、クラックも見受けられなかった。
【００４１】
最後に、この成形体に焼結加工を施して焼結体を作製する。焼結体においては、密度が３．９８ｇ／ｃｍ³であり、従来の焼結体と比較しても遜色はなく、また、変形や割れもなども皆無であった。
【００４２】
（実施例２）
１００ｗｔ％の部分安定化ジルコニア粉末に対して、架橋性化合物として７ｗｔ％の脂肪族系エポキシ樹脂、非架橋性高分子化合物として４ｗｔ％のエチルセルロース、非架橋性低分子化合物として２５ｗｔ％のｔ−ブチルアルコールを添加すると共に、２０℃に保持しながらディスパーザで湿式混合してスラリーを形成する。
【００４３】
このスラリーに、硬化剤として１．５ｗｔ％のキシレンジアミンを加えた後、７０℃に温度保持された成形用樹脂型（インペラ形状、直径１５０ｍｍ）内に常圧で注入する。その後、約３０分間放置してスラリーを硬化させ、型抜して成形体を形成する。この時、成形体の保形性は十分であり、非常に強固であった。
【００４４】
次に、この成形体を、メチルエチルケトンからなる抽出液体中に２４時間浸漬する。抽出液体中に浸漬後の成形体においては、成形体中から非架橋性低分子化合物であるｔ−ブチルアルコールが略完全に抽出除去されており、また、複雑で非対称形状部であるインペラ翼部においても変形や割れが見受けられなかった。
【００４５】
その後、この成形体を５〜１５℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して６００℃まで昇温させ、加熱除去加工を施す。加熱除去加工後の成形体においては、成形体中から架橋性化合物である脂肪族系エポキシ樹脂および非架橋性高分子化合物であるエチルセルロースが完全に除去されており、また、クラックも見受けられなかった。
【００４６】
最後に、この成形体に焼結加工を施して焼結体を作製する。焼結体においては、密度が６．０４ｇ／ｃｍ³であり、従来の焼結体と比較しても遜色はなく、また、変形や割れもなども皆無であった。
【００４７】
（比較例１）
実施例２において、非架橋性高分子化合物として４ｗｔ％のエチルセルロースを用いずにスラリーを形成し、後は実施例２と同様にして抽出液体中に２４時間浸漬する。抽出液体中に浸漬後の成形体においては、成形体中から非架橋性低分子化合物であるｔ−ブチルアルコールが略完全に抽出除去されているものの、複雑で非対称形状部であるインペラ翼部が大きく変形しており、焼結体の作製まで至らなかった。
【００４８】
本発明の粉体成形法により作製した焼結体は、各種産業用機械、エネルギー機器、航空・宇宙用機器などに適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５０】
（１）非架橋性化合物として非架橋性低分子化合物と非架橋性低分子化合物中に分散・溶解する非架橋性高分子化合物の２種類を用い、成形体から非架橋性化合物を抽出除去する際に、非架橋性低分子化合物のみを抽出除去し、非架橋性高分子化合物で成形体の強度を保持することで、複雑で非対称形状の成形体から非架橋性化合物を急速に抽出除去しても成形体の変形や割れがない。
【００５１】
（２）成形体から非架橋性化合物を抽出除去するための時間を短縮することで、製造コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粉体成形法のフローチャートである。
【図２】図１における型注入後の成形体の概念図である。
【図３】図２における成形体から非架橋性低分子化合物を抽出除去する際の概念図である。
【符号の説明】
１粉体
２架橋性化合物
３非架橋性高分子化合物
４非架橋性低分子化合物
５硬化剤
６スラリー
７，７ａ成形体
Ｌ抽出液体

Claims

セラミック粉、金属粉、あるいはそれらの複合体からなる粉体と、バインダーとなる架橋性化合物と、その架橋性化合物との分散性又は相溶性を有した非架橋性低分子化合物と、その非架橋性低分子化合物中に分散・溶解する非架橋性高分子化合物を含んだスラリーを、型内に流し込んで所定形状に成形した後、その成形体を抽出液体中に浸漬すると共に、上記非架橋性低分子化合物のみを抽出除去し、その後、その成形体中の上記架橋性化合物および上記非架橋性高分子化合物を加熱除去することを特徴とする粉体成形法。
上記粉体１００ｗｔ％に対して、上記架橋性化合物を０．５〜４０ｗｔ％、上記非架橋性高分子化合物を０．５〜４０ｗｔ％、上記非架橋性低分子化合物を１ｗｔ％以上添加・混合する請求項１記載の粉体成形法。
上記非架橋性高分子化合物が、多糖類、蛋白質、ポリビニルアルコール系高分子化合物、セルロース系高分子化合物のいずれかの単体またはそれらを２種以上混合したものである請求項１または請求項２記載の粉体成形法。
上記抽出液体が、上記架橋性化合物および上記非架橋性高分子化合物に対する親和性よりも上記非架橋性低分子化合物に対する親和性の方が大きい請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の粉体成形法。
上記スラリーが、上記架橋性化合物を架橋させると共に、硬化させる硬化剤を含有する請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の粉体成形法。