JP4963217B2

JP4963217B2 - セラミックスの成形方法

Info

Publication number: JP4963217B2
Application number: JP2006305403A
Authority: JP
Inventors: 中村　　浩章; 知之小倉
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: JP2008119926A

Description

本発明は、セラミックスの成形方法に関するもので、特に、大型肉厚セラミックスに好適な成形方法を提供するものである。

従来、セラミックスの成形方法として、石こう等の多孔質体の成形型を用い、多孔質体の吸水作用により成形型表面にセラミックスを着肉させる鋳込み成形方法が採られている。その中でも、箱型の石こう成形型にスラリーを加圧して注入し、その圧力と成形型の毛管吸水作用を利用した加圧鋳込みが一般的であった。しかし、加圧鋳込み法では、成形型へのセラミックスの着肉が均一でなく、得られたセラミックス成形体に密度ムラが生じ、成形体を焼結すると反りやクラックが発生して、歩留まりが悪くなるという問題があった。

このような反りやクラックは、着肉が進むにつれて着肉層の密度が低下すること、すなわち着肉層の厚み方向の密度ムラを要因とするものである。密度ムラが大きくなれば、反りに止まらずクラックが生じてしまう。そこで、このような密度ムラの問題を無くすために、大気圧以上の高い圧力と真空吸引による減圧を併用して均一な着肉を図る成形方法が試みられている。例えば、鋳込み成形型の外枠と下面を石こうとし、成形型の下部よりホースで連通された真空ポンプとからなる鋳込み成形装置を使用し、スラリー上面には大気圧より高い圧力を作用させ、スラリー下面には真空吸引による低い圧力を作用させて、高い圧力と低い圧力の圧力差を調節しながら鋳込む方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平１−１８６３０３号公報

このような鋳込み成形装置を用いて行う方法によれば、小型肉薄形状であれば問題なく成形でき、反りやクラックの少ないセラミックス焼結体を得ることができる。しかしながら、大型肉厚形状となると、着肉の不均一による成形体の密度ムラが生じやすくなり、歩留まりが著しく低下するという問題があった。

また、上記従来の成形方法により得られた大型肉厚形状の焼結体には、着肉層の厚み方向の密度ムラによる焼結体全体におよぶ反りやクラックに加えて、局部的に焼結体表面が滑らかでなく凹凸が生じるというこれまでに見られなかった問題も生じていた。このような焼結体の反りや凹凸はセラミックス部材の製造で一般的に行われている生加工により形状を整えても生じるため、コストのかかる焼結体の加工を行わざるを得ない。したがって、製品形状のセラミックス部材を得るためには焼結体の研削加工しろを大きく設定しなければならず、特に大型肉厚形状では莫大な原料コストおよび研削加工コストがかかるという問題が招来していた。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、大型肉厚形状であっても反りや凹凸、クラックの生じないセラミックスの成形方法を提供するものである。

本発明のセラミックスの成形方法は、すなわち、吸水性材料からなる底部を備える成形型にセラミックス粉末を分散させたスラリーを注型し、前記吸水性材料の吸水とともにセラミックス粉末を着肉させるセラミックスの成形方法であって、スラリーを補充することにより、成形型内のスラリー濃度を一定に保持しながら着肉させることを特徴とするものである。

また、本発明は、スラリーを補充することにより、成形型内のスラリーの液面を着肉層から所定範囲の高さに保持しながら着肉させることを特徴とする。

さらに、前記底部の吸水性材料を真空吸引すること、また、前記成形型は、非吸水性材料からなる側壁部を備えることを特徴とする。

上述のように、小型肉薄形状であれば問題なく成形できる方法であっても、大型肉厚形状になると、着肉の不均一による成形体の密度ムラが生じやすくなり、着肉層の厚み方向の密度ムラによる焼結体全体におよぶ反りに加えて、局部的な凹凸が生じていた。この原因は、大型肉厚形状になると、成形が長時間化することから圧力差の調節を加えたとしてもスラリー中のセラミックス粉末の沈降、凝集や水分の蒸発が起きるためスラリーの濃度および粘度が変化し、その結果着肉の不均一が生じたためと考えられた。

本発明は上記考察に基づくものであり、本発明によれば、スラリーを補充することにより、成形型内のスラリー濃度および粘度を一定に保持しながら着肉させることで着肉の均一化が図られる結果、反りや凹凸のない平滑な焼結体を得ることができる。

本発明において、スラリーを補充することにより、成形型内のスラリーの液面を着肉層から所定範囲の高さに保持しながら着肉させるのは、スラリー濃度、粘度変化を抑制するためである。着肉層からのスラリー液面の高さが変化すると、液面からの水分の蒸発、およびセラミックス粉末の着肉のバランスが崩れて、スラリーの増粘、凝集が生じてしまう。特に、着肉層からの高さが１．０ｍｍ未満となると、スラリーの液面付近は、吸水性材料への吸水および水分の蒸発の影響が大きいため粘度の上昇が著しく、着肉による固化部と乾燥凝集による固化部が生じ、それぞれの固化部は粉末の充填状況が異なるため、成形体に密度ムラが発生しやすくなる。一方、スラリー液面の着肉層からの高さを十分量確保すれば前記したような問題は生じず、濃度の変化もある程度抑制することができるが、過剰にスラリーを使用するため、原料コストが大きくなる。また、スラリーの液面が高すぎる（例えば３０ｍｍ超）と、スラリーの全てが着肉するまでに長時間を要するため、スラリーの沈降凝集が起きやすくなり好ましくない。特に大型肉厚形状を成形する場合には、必要なスラリー量が大量であるため沈降凝集の問題が生じやすい。このような観点から本発明において、より確実に焼結体の反り、凹凸およびクラックを無くすためには、スラリー液面は１ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の高さにすることが望ましい。

スラリーの補充は、スラリーが均一分散された攪拌槽からスラリー管または成形型に設けたスラリー供給口を通してなされる。スラリー管やスラリー供給口の位置は特に限定はないが、スラリーが飛散せず、着肉を阻害しない位置に設置することが望ましい。これは、スラリーを勢いよく注ぎ込むとスラリーの流れが生じて着肉を阻害するためである。したがって、スラリー管やスラリー供給口をスラリー液面下に設置したり、成形型の側壁を伝わらせたりする等の方法を用い、かつ少量ずつ補充することが好ましい。

補充するスラリーの量は、予め実験等により求めた着肉速度およびスラリー液面の減少速度により、成形型内のスラリー量を算出し、算出した量に基づいて調整することができる。同様に予め実験等により求めた成形型内のスラリー濃度変化を測定することにより補充するスラリー濃度を調整することも可能である。なお、スラリーの濃度変化がほとんどない場合は、成形型内のスラリーと補充するスラリーが同一であっても、スラリーの液面高さをある程度確保すれば密度ムラを抑えることができる。しかし、液面高さが低いほどスラリーの濃度変化が大きいので、セラミックス粉末の使用量を少なくして原料コストを抑えたいときは、スラリーの濃度調整が有効である。

吸水性材料からなる底部を備える成形型を用いるのは、セラミックス粉末を略平面形状の底部に一方向で着肉させることで、未着肉部を無くすためである。底部に加えて側壁部にも着肉させる方法や、固形鋳込みによる方法では、対向する着肉層どうしが結合する際に、結合部へのスラリーの十分な供給が困難なため、未着肉部が生じてしまう。一方、本発明は一方向で着肉させるため未着肉部が生じることはなく、大型肉厚形状の成形に好適である。

したがって、本発明における成形型は、非吸水性材料からなる側壁部を備える成形型とすることが望ましい。これは上述のような、一方向での着肉は側壁部を非吸水性材料とすることで容易になるからである。なお、底部に加えて側壁部にも着肉させる方法、すなわち側壁部が吸水性材料であっても、着肉層どうしの結合を伴わずに所望の形状の成形体が得られるのであれば、本発明を適用することができる。

また、本発明は、底部の吸水性材料を真空吸引する構成を採用できる。底部の吸水性材料の裏面、すなわちセラミックス粉末が着肉する側の反対側、または吸水性材料内部に設けた真空吸引のためのトンネル状の空間より真空吸引を行うことにより、吸水を促進することができる。真空吸引効率を高めるために吸水性材料の裏面に溝を形成しても良い。

上述のように本発明のセラミックス粉末の成形方法によれば、スラリーを補充することにより成形型内のスラリー濃度を一定に保持しながら着肉させることでセラミックス粉末の着肉が均一化し、密度ムラのない成形体を得ことができる。その結果、スラリーの使用量を抑えることができ、また、セラミックス焼結体の反りや凹凸を低減できるので、原料コストや研削加工コストを抑えたセラミックス部材を提供することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係るセラミックスの成形方法の概略を示す模式断面図を示す。吸水性材料からなる底部１と非吸水性材料からなる側壁部４を備える成形型にセラミックス粉末を分散させたスラリーを注型し、底部１の着肉面１ａにセラミックス粉末を着肉させる。攪拌槽８からスラリー管９を通してスラリー５が補充され、成形型内のスラリー３が一定濃度に保たれることにより、均一な着肉層（成形体）２が得られる。スラリー管９の注ぎ口は常に着肉層の上面２ａよりも上側に位置し、着肉を阻害することはない。

攪拌槽８のスラリー５は攪拌されており、沈降や凝集が起きることはない。ただし、大型成形になると成形時間が長時間化するため、成形当初から大量のスラリーを攪拌すると、攪拌中にセラミックス粉末の粉砕により凝集しやすくなる恐れがあることから、図２に示したように、溶媒１２とセラミックス粉末１５とを攪拌槽８に補充する方法が採用できる。また、スラリー濃度を調整する場合には、予め実験で求めた成形型内スラリー３の濃度変化を基に攪拌槽８のスラリー５の濃度を調整することができる。また、成形中にスラリー３の濃度を測定し、その測定結果に基づいて、溶媒槽１０のバルブ１１、セラミックス粉末槽１３のバルブ１４を調整しても良い。

スラリー量の調整は攪拌槽８に設けられたバルブ６により行うことができる。スラリーの着肉層上面２ａからの高さＨは、乾燥凝集固化および沈降凝集による成形体の密度ムラの発生を抑えるために、バルブ６を調整して所定範囲の高さに保持される。前述のように、着肉層の上面２ａからの高さは１〜３０ｍｍが望ましい範囲である。スラリーは、１〜３０ｍｍの範囲内で所定高さを維持しながら連続的に補充してもよいし、スラリー高さの下限、上限を設けて、下限に達したら上限までスラリーを補充する方法を採用しても良い。

本発明の成形方法は、一辺が５００ｍｍ以上、または直径５００ｍｍ以上の大型肉厚形状の成形に特に適しており、肉厚は５０ｍｍ以上のものを成形することが可能である。成形形状は、角板や円板等の板状部材の他、柱状、棒状、中子を用いて減肉したリブ形状等、種々の形状に適用できる。従来の固形鋳込み成形や、圧力差を調節しながら鋳込む成形方法では、このような大型肉厚形状を成形した場合、焼結体の反りやクラックに加えて、表面の凹凸が生じていたが、本発明により得られた成形体を焼結しても、反りや凹凸は生じない。

成形型の底部１を形成する吸水性材料としては、鋳込み成形で一般的に用いられている石こうが好適であるが、その他、エポキシやポリエステル等からなる樹脂、セラミックス、金属等の多孔体を用いることができる。側壁部４を構成する非吸水性材料としては、ステンレス鋼や硬質プラスチック等が好適であるが、必要に応じ、上記吸水性材料を成形型の側壁部４に採用しても良い。

底部１の吸水性材料を真空吸引する場合には、底部１の吸水性材料の裏面１ｂの下側に真空ポンプと連結された気密空間を設ける方法が採用できる。この場合、図３に示したような、底部１に吸気のための溝１ｃを設けたり、底部１の内部に気密空間に連結されたトンネル状の溝や穴を設けたりする構造としても良い。

セラミックス粉末としては、アルミナ、炭化ケイ素、窒化珪素、ジルコニア、スピネル、イットリア等、種々のセラミックスが適用でき、溶媒は水、アルコール等、公知のものが使用できる。成形に用いられるバインダーも特に限定されず、ポリビニルアルコールやアクリルエマルジョン等公知のものが使用でき、分散剤についてもポリカルボン酸系等の一般的な材料を適用できる。これらの配合は、公知の鋳込み成形方法に用いられる配合を採用できる。

本発明のセラミックス部材は、本発明の方法により得られたセラミックス成形体を、所定温度で焼結することにより得られるものである。本発明の成形方法によれば、焼結体の反りや凹凸が無いので、研削加工しろを少なくすることができ、原料コストおよび加工コストを抑えたセラミックス部材を作製することができる。

以下、本発明の実施例と比較例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。

スラリーは、セラミックス粉末として市販のアルミナ粉末を用い、アルミナ粉末７８ｗｔ％と、いずれも市販のバインダー４ｗｔ％、分散剤１ｗｔ％、およびイオン交換水１７ｗｔ％を配合し、アルミナ粉末が分散されたスラリーを調整した。

図３に示したような、箱型の成形型（内側寸法；幅５００ｍｍ、奥行き５００ｍｍ、深さ２００ｍｍ）を用い、底部１の着肉面が水平になるように成形型を水平な場所に設置して成形を行った。成形型は石こうからなる吸水性材料の底部１と硬質プラスチックからなる非吸水性材料の側壁部４および底部の下面を支える底板４´とからなり、側壁部４と底板４´の連結部等はスラリーが漏れないように接着されている。真空吸引のための溝１ｃが底部１に形成されており、溝１ｃはそれぞれ連通し、真空源（図示しない）に連結されている。

スラリーを底部１の着肉面から所定高さまで注型し、攪拌槽からスラリーを連続または断続して補充した。断続して補充する場合は、スラリー液面高さの下限を設定し、液面が下限に達したら、初期高さまで補充する方法を繰り返し行った。真空吸引は、−０．０９ＭＰａの真空度（ゲージ圧）とし、着肉厚さが５０ｍｍに到達したところで着肉層上にある余剰スラリーを排出し、成形体を脱型した。得られた成形体を４０℃にて乾燥した後、フライス盤等の公知の加工方法により４８０×４８０×４５ｍｍの形状とし、大気中１６００℃の温度で焼成を行った。表１に結果を示す。

本発明の範囲内である実施例１〜５は得られた焼結体に反りや凹凸は見られなかった。スラリー液面高さが大きいため本発明の範囲外である比較例１〜３は、スラリーの沈降分離により成形体の密度ムラが生じ、焼結体にクラック（比較例２、３）、または凹凸や反り（比較例１）が生じた。凹凸や反りが生じた比較例１では焼結体が緻密化しなかった。スラリー液面の高さが低いため本発明の範囲外である比較例４は、密度ムラが著しく、成形体を乾燥したところクラックが発生した。

本発明のセラミックス成形方法の一例を示す模式断面図である。本発明のセラミックス成形方法の他の例を示す模式断面図である。本発明のセラミックス成形方法の他の例を示す模式断面図である。

符号の説明

１：吸水性材料からなる底部
１ａ：着肉面
１ｃ：溝
２：着肉層（成形体）
２ａ：着肉層の上面
３：スラリー
３ａ：スラリーの液面
４：側壁部
４´：底板
５：補充スラリー
６、１１、１４：バルブ
７：攪拌装置
８：攪拌槽
９：スラリー管
１２：溶媒
１５：セラミックス粉末
Ｈ：スラリー高さ
Ｌ：成形型の内寸

Claims

吸水性材料からなる底部を備える成形型にセラミックス粉末を分散させたスラリーを注型し、前記吸水性材料の吸水とともにセラミックス粉末を着肉させるセラミックスの成形方法であって、スラリーを補充することにより、成形型内のスラリー濃度を一定に保持しながら着肉させることを特徴とするセラミックスの成形方法
成形型内のスラリーの液面を着肉層から所定範囲の高さに保持しながら着肉させることを特徴とする請求項１記載のセラミックスの成形方法
前記底部の吸水性材料を真空吸引することを特徴とする請求項１〜２記載のセラミックスの成形方法
前記成形型は、非吸水性材料からなる側壁部を備えることを特徴とする請求項１〜４記載のセラミックスの成形方法