JP6187810B2 - セラミック焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック粉末とバインダを含んで形成されているセラミック成形体を用いるセラミック焼結体の製造方法に関する。

セラミック成形体は、一般に、セラミック粉末とバインダを含み、射出成形法や鋳込み成形法によって形成されている。これらの成形法において、成形に必要な流動性や可塑性を得るためのバインダは、脱脂工程において加熱により溶融、分解、気化され、セラミック成形体から除去される。脱脂後のセラミック成形体（脱脂体）は、焼成工程においてセラミック粉末が焼結する温度まで加熱され、セラミック焼結体に形成される。このように形成されたセラミック焼結体は、硬くて脆いため機械加工が難しい。したがって、セラミック焼結体を製造する場合は、目標とする外形寸法に対する寸法バラツキができる限り小さいことが望まれる。

セラミック焼結体の外形寸法のバラツキを低減することを目的とし、種々の製造方法が検討されている。例えば、特許文献１乃至３には、セラミック成形体を専用容器（サヤ）内に入れた敷粉の中に埋設し、加熱してバインダなどを除去（脱脂工程）し、さらに加熱してセラミック粉末を焼結する（焼成工程）方法が開示されている。この方法によれば、敷粉を用いてセラミック成形体の表面を被覆することにより、脱脂工程や焼成工程におけるセラミック成形体や脱脂体の変形が抑制できるとされる。

また、例えば、特許文献４には、匣鉢（サヤ）内にセラミック成形体と同じ材質の敷粉を層状に敷き詰め、その上にセラミック成形体を載置した状態で焼成する方法が開示されている。この方法によれば、敷粉を用いてセラミック成形体とサヤの間の摩擦抵抗を軽減することにより、焼成工程における脱脂体の不均一な収縮変形が抑制できるとされる。

また、例えば、特許文献５、６には、タービンブレードなどの中空の翼形状を有する鋳物の製造に使用するセラミック中子の製造方法が開示されている。この方法は、焼成工程において敷粉ではなくセッターを使用し、その寝床の受け面をセラミック成形体に有する翼形状に対応する形状に形成するとされる。また、その寝床は、剛性のある材料で構成するとされ、具体的に、セラミック粉末（例えばアルミナ、シリカ、ジルコンおよび／またはジルコニア粉末）とその他の液体結合剤や添加剤を含んでなる混合物を用いて成形体を形成し、その成形体を焼結体に形成して寝床に使用する一例が記載されている。このような記載からして、その寝床の受け面は、一般のセラミック焼結体と同等の構造を有し、同程度に硬くかつ緻密に形成されていると推量される。

また、例えば、特許文献７には、焼成治具（サヤ）内に入れたセラミック粉体をタッピングして粉体ベッド（寝床）を形成し、さらにその寝床の上にセラミック成形体と同程度の収縮率を有する好ましくは同じ材質の成形板を設置する方法が開示されている。そして、焼成工程において、その成形板の上にセラミック成形体を載置し、セラミック粉末を焼結するとされる。この方法によれば、成形板がセラミック成形体とともに焼結して収縮することでセラミック成形体とサヤの間の摩擦抵抗が軽減され、焼成工程における変形やクラックを抑制できるとされる。

特開昭６１−１１７１６４号公報 特開昭６３−１０００７４号公報 特開昭６３−２４８７７５号公報 特開２００８−９４６３１号公報 特開２００３−１７６１８１号公報 特開２００９−１３６９２２号公報 特開平１０−２５１０７３号公報

上述した特許文献１乃至３に開示される方法では、セラミック成形体の形状や敷粉への埋設状態によっては、焼成工程において、脱脂体が焼結して収縮するときに表面を被覆する敷粉がその収縮に追従できず、脱脂体の収縮を妨げてしまう問題があった。また、セラミック成形体がサヤに直接接触していると、脱脂や焼結の過程において、セラミック成形体や脱脂体がサヤの表面形状に倣うように変形してしまう問題があった。

また、上述した特許文献４に開示される方法では、セラミック成形体と同じ材質の敷粉がセラミック成形体に付着したまま焼結する問題があった。また、脱脂の過程で溶融したバインダが層状に形成された敷粉の内部に浸透する際に、バインダが浸透した敷粉層の表面が変形することがあり、セラミック成形体がその変形した敷粉層の形状に倣うように変形してしまう問題があった。

また、上述した特許文献５、６に開示される方法では、セラミック焼結体でなる緻密で空隙率がかなり小さい硬い寝床の受け面にセラミック成形体を載置するため、脱脂の過程で溶融したバインダが寝床の内部にほとんど浸透せず、セラミック成形体と寝床の受け面との間に、つまりセラミック成形体の表面近傍に残留してしまう。このため、セラミック成形体の表面近傍に残留しているバインダが分解し気化する過程で、セラミック成形体に膨れや割れあるいは変形を生じる問題があった。

また、上述した特許文献７に開示される方法では、セラミック成形体と同程度の収縮率を有する好ましくは同じ材質の成形板にセラミック成形体を載置するため、成形板が焼結の過程で脱脂体とともに収縮して焼結し、セラミック焼結体の取り外しが困難になる、相互に固着するなどの問題があった。また、脱脂の過程で溶融したバインダがセラミック成形体と成形板の間に残留した場合には、脱脂体に膨れや割れを生じる問題があった。

本発明の目的は、脱脂工程や焼成工程において、セラミック成形体や脱脂体に生じる膨れや割れあるいは変形といった問題を解決でき、目標とする外形寸法に対する寸法バラツキがより小さいセラミック焼結体の製造方法を提供することである。

本発明者は、脱脂工程や焼成工程におけるセラミック成形体や脱脂体の載置方法に着目し、セラミック成形体や脱脂体を載置する寝床とその受け面の適正化により、上述した課題が解決できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、セラミック粉末とバインダを含んで形成されているセラミック成形体を、脱脂工程および／または焼結工程において寝床に設けた受け面で支持する、ガスタービン翼の鋳造に用いる翼形部とダブテールを有するセラミック中子を形成するためのセラミック焼結体の製造方法であって、前記セラミック成形体の被載置部に対応する形状の転写部を有する模型を容器内に設置し、前記セラミック成形体の焼結処理条件において焼結されない粉末材料を前記転写部を被覆するように前記容器内に充填して振動を加えることにより、前記寝床の前記受け面を、前記セラミック成形体の前記被載置部に対応する形状であって、被測定箇所に対して垂直方向に測定した表面硬さが０．２〜４０ｋＰａの範囲内であるように形成する、ことを特徴とする。

本発明において、前記寝床を形成する粉末材料には、体積粒度分布におけるメジアン径ｄ_５０が３〜４０μｍの粉末を用いることが好ましい。
また、前記寝床を形成する粉末材料には結晶性シリカ粉末を用いることが好ましい。

また、前記脱脂工程は、バインダが分解し始めてから目標温度（２３０〜３５０℃）に到達するまでの低温脱脂工程より高い温度による高温脱脂工程とを有することが好ましい。
また、前記低温脱脂に用いる寝床（低温脱脂用寝床）の受け面における表面硬さを０．２〜１０ｋＰａとし、前記高温脱脂に用いる寝床（高温脱脂用寝床）の受け面における表面硬さを２〜４０ｋＰａとする、ことが好ましい。
また、前記低温脱脂は、前記セラミック成形体に含まれる前記バインダの残量が、前記低温脱脂工程前後のバインダ質量比で１０〜２０％になるように行う、ことが好ましい。
また、前記低温脱脂は、前記バインダが分解し始めた後は、昇温速度を５℃／ｈ以下に設定する、ことが好ましい。
また、前記低温脱脂工程と前記高温脱脂工程の間で前記寝床を交換し、前記高温脱脂工程に続いて前記焼結工程を行うことが好ましい。
また、前記低温脱脂工程に用いる寝床の受け面における表面硬さよりも前記高温脱脂に用いる寝床の受け面における表面硬さが硬いことが好ましい。

本発明によれば、脱脂工程や焼成工程において、セラミック成形体や脱脂体に生じる膨れや割れあるいは変形といった欠陥の発生を抑制でき、目標とする外形寸法に対する寸法バラツキが小さいセラミック焼結体を形成することができる。

本発明に用いられる寝床の形成方法の一例を説明する図である。 図１に続く図である。 図１、２に示す形成方法を用いて形成した寝床にセラミック成形体を載置した状態を示す断面図である。 本発明の適用が好ましいセラミック成形体の一例を示す図である。

本発明における重要な特徴は、脱脂工程や焼成工程において、セラミック成形体や脱脂体を載置するための寝床とその受け面を適正化したことである。具体的には、以下を特徴とする。
（１）寝床をセラミック成形体の焼結処理条件において焼結されない粉末材料を用いて形成する。
（２）寝床の受け面をセラミック成形体の被載置部に対応する形状に形成する。

以下、本発明に用いられる寝床について、詳細に説明する。
本発明に用いられる寝床は、セラミック粉末とバインダを含んで形成されているセラミック成形体を、脱脂工程および／または焼結工程において載置するためのものであり、粉末材料を用いて形成する。粉末材料を用いて形成した寝床は、毛細管現象が起こりやすく、脱脂過程でセラミック成形体から溶融したバインダの浸透を容易にすることができる。これにより、セラミック成形体の表面の極近傍にバインダが残留することを防止し、バインダの溶融、分解、気化に起因するセラミック成形体の膨れや割れあるいは変形を抑止することができる。なお、本発明の適用が好ましいセラミック成形体の一例を図４で示す。このセラミック成形体は、ガスタービン翼の鋳造に用いる翼形部８とダブテール９を有するセラミック中子に形成され、該セラミック中子はガスタービン翼の内部で中空構造となる冷却孔の形成に必要となる。このような薄肉で孔部や曲面部を有する複雑な形状を有するようなセラミック成形体への本発明の適用は特に好ましい。

また、本発明に係る寝床に用いる粉末材料は、前記（１）に示すように、対象とするセラミック成形体の焼結処理条件において焼結されない粉末材料を選定することが重要である。その理由は、上述した焼結処理条件において焼結しない粉末材料であれば、その粉末材料がたとえセラミック成形体や脱脂体の表面に付着していたとしても、最終的にセラミック焼結体の表面に異物となって固着することがないからである。

また、本発明においては、上述した寝床に対し、セラミック成形体や脱脂体に接触してこれを支持する受け面を設ける。その受け面は、前記（２）に示すように、対象とするセラミック成形体の被載置部に対応する形状に形成することが重要である。すなわち、受け面の形状を被載置部の形状を忠実に倣った形状あるいは大まかに倣った形状に形成するのである。被載置部に、例えば凹部や孔部あるいは突出高さの小さい凸部を有していたとしても、受け面としては必ずしも倣わなくてすむ場合もある。これにより、セラミック成形体と寝床の間に不要な隙間がなくなり、脱脂過程では、セラミック成形体や脱脂体の表面の極近傍へのバインダの残留が抑止でき、および、バインダの軟化により変形しやすくなったセラミック成形体がより的確に支持でき、脱脂体の有害な膨れや割れあるいは変形を抑止できる。また、焼成過程では、脱脂体を的確に支持できるため、セラミック粉末の焼結により収縮していく脱脂体の有害な変形を抑止できる。よって、目標とする外形寸法に対する寸法バラツキがより小さいセラミック焼結体を形成できる。

本発明に係る上述した寝床は、被測定箇所に対して垂直方向に測定した表面硬さが０．２〜４０ｋＰａの分布となる受け面を有するように形成することが好ましい。当該表面硬さの測定方法については実施例で詳述するが、セラミック成形体の被載置部が接触する寝床の受け面において数点を選び、その円錐圧子を被測定箇所に対して垂直方向に押し当てて所定の深さだけ埋め込んだときの荷重を測定し、各測定点について測定した荷重値を円錐圧子の接触面積（円錐圧子における底面を除く表面積）で除した値を表面硬さとして用いている。寝床の受け面の表面硬さが上記範囲であれば、粉末材料の相互の係合によって形成される空隙が好適な状態で形成される。このため、寝床は、セラミック成形体から溶融したバインダの浸透性と、セラミック成形体の重さを受けるための機械的強度の両方を、好適に備えることができる。また、寝床の受け面が変形する可能性は重力の作用方向や受け持つ負荷の程度にもよるが、受け面の表面硬さが０．２ｋＰａ未満であると、バインダの浸透性は高まるもののバインダの浸透による変形が大きくなりやすい。また、受け面の表面硬さが４０ｋＰａを超えると、受け面の機械的強度は高まるもののバインダの浸透性が低下しやすくなる。

上述した寝床をなす粉末材料は、メジアン径ｄ_５０が３〜４０μｍの粉末を用いることが好ましい。粉末のメジアン径ｄ_５０が上記範囲内であれば、粉末の相互連結により形成される空隙の大きさ（細孔径）やその空隙の割合（空隙率）が好ましくなる。寝床が、適度に小さな細孔径と、適度に大きな空隙率とを有して形成されていると、毛細管現象の発現によりバインダが浸透しやすくなり、しかもバインダが浸透しても崩れて変形し難くなる。特に、受け面の表面近傍の内部形態の影響は大きい。その粉末のメジアン径ｄ_５０が３μｍ未満になると空隙率が大きくなるため、バインダが浸透すると崩れやすくなる。また、その粉末のメジアン径ｄ_５０が４０μｍを超えると細孔径が大きくなるため、毛細管現象によるバインダの浸透性が低下しやすくする。なお、粉末が３０μｍ以下のメジアン径ｄ_５０であると、バインダの浸透性や耐変形性がより好ましくなる。なお、本発明でいうメジアン径ｄ_５０は、体積粒度分布（横軸が粒径、縦軸が累積）における粒径の中央値である。

また、上述した粉末材料としては、一般に入手性のよい結晶性シリカ粉末を用いることが好ましい。結晶性シリカ粉末は、セラミック成形体を構成する各種のバインダや、例えば、溶融シリカ、アルミナ、ジルコニアなどからなるセラミック粉末との反応性が低い。このため、脱脂工程の後の脱脂体や焼成工程の後のセラミック焼結体を、寝床から容易に分離することができる。また、セラミック焼結体の表面に結晶性シリカ粉末が異物となって固着することもない。

また、上述した結晶性シリカとしては、脱脂や焼結における処理温度を考慮し、二酸化ケイ素の結晶多形のひとつで高温域でも安定なクリストバライト（クリストバル石、方珪石）の粉末が使用できる。この他にも、トリジマイトや石英などが使用できる。なお、結晶性シリカ粉末には、一般に、Ａｌ_２Ｏ_３やＦｅ_２Ｏ_３といった成分が含まれることがあり、これらは本発明においては添加を意図しない不可避的不純物として取り扱う。これらは、結晶性シリカ粉末および不可避的不純物の全体量あたり０．２質量％以下の含有量に抑えることが好ましい。

次に、本発明に係る上述した寝床の好ましい形成方法について説明する。
本発明に用いられる寝床の形成方法としては、例えば、サヤ内に充填した粉末材料の表面に、セラミック成形体を直接押し付けて形状を転写することで、受け面の形状を得る簡便な方法がある。
また、例えば、セラミック成形体の被載置部に対応する形状の転写部を有する模型を使用する方法がある。この場合、サヤ内に充填した粉末材料の表面に、その模型の転写部を直接押し付けて形状を転写することで、受け面の形状を得ることができる。この方法は、セラミック成形体の表面が損傷する可能性のある粉末材料への直接の押し付けを要さないため好ましい。

また、上述した模型を容器内に設置し、その転写部を被覆するように粉末材料を充填し、その後に容器に振動を加えることにより、容器内の粉末材料を密な充填状態にする方法がある。加振を適用すれば、好適な充填状態の寝床を安定して作製できる。また、加振を制御することにより、被測定箇所に対して垂直方向に測定した受け面における表面硬さを制御することも可能である。

次に、本発明に係る上述した寝床の好ましい使用について説明する。
本発明に係る寝床を用い、セラミック粉末とバインダを含んで形成されているセラミック成形体を、脱脂工程および焼結工程において前記寝床に設けた受け面で支持し、セラミック焼結体を形成できる。その際に、前記脱脂工程は、バインダが分解し始めてから後述する目標温度に到達するまでの低温脱脂工程と、前記低温脱脂工程より高い温度による高温脱脂工程とを行う２段階の脱脂工程とすることが好ましい。

本発明において、低温脱脂とは、雰囲気温度をバインダの分解開始温度を超えて目標温度まで昇温する過程において、あるいは昇温から目標温度到達後にその温度を保持する過程において、セラミック成形体に含まれるバインダを除去する処理（脱脂）をいう。その際の目標温度は、バインダの材質や昇温速度および目標温度到達後の保持時間など諸条件を考慮して調整できる。バインダの材質を考慮した場合の目標温度は２３０〜３５０℃が好ましく、例えば、パラフィンワックス系であれば２３０〜２７０℃、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）系であれば３００〜３５０℃が好ましい。また、上述した昇温速度、目標温度、保持時間などは、後述する低温脱脂後のセラミック成形体（半脱脂成形体）の残留バインダ量（低温脱脂前後のバインダ質量比）を考慮して決めることが好ましい。

また、高温脱脂とは、低温脱脂よりも雰囲気温度の目標を高く例えば６００℃に設定し、その目標温度に昇温する過程において、あるいは前記目標温度に到達後に適正な時間保持する過程において、半脱脂成形体に残存するバインダをさらに除去する処理（脱脂）をいう。例えば、低温脱脂を経た半脱脂成形体を焼結炉内に載置し、半脱脂成形体に含まれるセラミック粉末を焼結させる前段の昇温過程で脱脂（高温脱脂）し、引き続き焼結温度まで昇温してセラミック粉末の焼結を行う場合、高温脱脂工程から焼結工程までを一つの焼結炉で行う工程といえる。

低温脱脂を行う場合、寝床（低温脱脂用寝床）の受け面における表面硬さを０．２〜１０ｋＰａとすることが好ましい。当該表面硬さが０．２ｋＰａ未満である場合、セラミック成形体から溶融されたバインダを吸収する高い浸透性を有することができるものの、セラミック成形体の重さを受けるために必要な機械的強度が損なわれやすい。低温脱脂中に寝床が好ましくない変形を生じてしまうと、脱脂途中にあるセラミック成形体が寝床の変形形状に倣うように変形してしまうことがあるため好ましくない。また、当該表面硬さが１０ｋＰａを超える場合、寝床の受け面とセラミック成形体との接触による摩擦抵抗が小さくなるためセラミック成形体が寝床の受け面上を摺動しやすくなる。このため、寝床の受け面がセラミック成形体を拘束する作用が弱まり、セラミック成形体に含まれるバインダの溶融や膨張によってセラミック成形体が大きな変形を生じやすくなる。脱脂途中にあるセラミック成形体の大きな変形は、予測外の好ましくない形状に形成されることがあるため好ましくない。寝床の受け面の表面硬さの適正化は、セラミック成形体の予測外の好ましくない変形を抑制する効果があり、セラミック成形体が大型になるほど効果的である。

低温脱脂を経て、バインダの量が低減して半脱脂の状態になったセラミック成形体（半脱脂成形体）は、次いで高温脱脂を行う際に損傷、崩壊、変形といった不具合を生じやすくなる。そこで、高温脱脂を行う場合、あるいは高温脱脂からそのまま焼結を行う場合、表面硬さよりも表面の滑りやすさを重視した受け面を有する寝床が好ましい。この場合、寝床（高温脱脂用寝床）の受け面における表面硬さを２〜４０ｋＰａであると、寝床の受け面が滑りやすい傾向を示すようになる。なお、当該表面硬さが２ｋＰａ未満であると、低温脱脂後の半脱脂成形体の保形が容易でなくり、当該表面硬さが４０ｋＰａを超えると、高温脱脂から焼結する工程において割れが生じることがある。上述した表面の滑りやすさの観点から言えば、半脱脂成形体の自重が大きく作用する寝床の受け面の底部などでは、当該表面硬さを１０〜４０ｋＰａと高目に設定し、当該底部と半脱脂成形体の間の摩擦抵抗を下げておくことが好ましい。これにより、半脱脂成形体が高温脱脂から焼結を経て大きな収縮をしながら緻密化されていく間に、予測外の好ましくない変形の発生を低減することができる。

上述した低温脱脂においては、セラミック成形体に含まれるバインダの残量が、低温脱脂前後のバインダ質量比で１０〜２０％になるように行うことが好ましい。これにより、ハンドリングのために少なくとも必要な機械的強度を有する半脱脂成形体に形成できるため、その後の例えば高温脱脂前に寝床の交換などを行う場合など、半脱脂成形体のハンドリングなどの取り扱いが容易になる。

また、上述した低温脱脂において、バインダが分解し始めた後は、昇温速度を５℃／ｈ以下に設定することが好ましい。より好ましくは３℃／ｈ以下である。セラミック成形体に含まれるバインダは、昇温に伴って膨張し、分解温度を超えると急激に膨張しつつ気化し始めると考えられる。よって、低温域であっても速すぎる昇温は、セラミック成形体に膨れ、割れ、変形といった不具合を生じやすくなり、その後の高温脱脂や焼結において前記不具合を引き起こす微細な起点が形成されやすくなる。一方、バインダが分解し始める以前は、あまりにも急激な昇温はセラミック成形体の変形を誘発する可能性があることや、量産として常識的な処理時間（タクトタイム）になることなどを考慮し、昇温速度を５℃／ｈ〜１０℃／ｈに設定することが好ましい。より好ましくは７℃／ｈ以下である。

また、前記低温脱脂工程と前記高温脱脂工程の間で前記寝床を交換し、前記高温脱脂工程に続いて前記焼結工程を行うことが好ましい。低温脱脂工程と高温脱脂工程の間で寝床を交換する場合、低温脱脂を行う場合に用いる寝床の受け面における表面硬さよりも、高温脱脂を行う場合に用いる寝床の受け面における表面硬さを高くすることが好ましい。このように低温脱脂工程後に寝床を交換することで、高温脱脂工程においても本発明に係る寝床による上述した作用効果を改めて得ることができる。

次に、本発明に係るセラミック焼結体の製造方法について、図１〜図３を用いて説明する。また、本発明に係る製造方法を適用した実施例１、２、４、６を表１に示す。なお、表１に実施例１、２、４、６として示す脱脂体、並びにセラミック焼結体には、以下の手順で同様に作製したセラミック成形体を用いた。

まず、図３に断面で示すセラミック成形体１を、セラミック成形体の主成分である溶融シリカ粉末にアルミナ粉末やジルコン粉末などを添加した混合粉（セラミック粉末）とパラフィンワックス系バインダを含む射出成形用組成物を用い、射出成形法によって作製した。なお、射出成形用組成物について、実施例１と、実施例２と、実施例４と、実施例６とでは溶融シリカ（結晶性シリカ）粉末のメジアン径ｄ_５０を違え、その他の粉末やバインダは一定とした。得られたセラミック成形体１の寸法は、概ね、長さ３００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚肉部の厚さ１５ｍｍである。

次に、セラミック成形体１を脱脂工程および焼成工程において載置する図３に断面で示す受け面２ａを有する寝床２を、以下の手順で作製した。
まず、図１に示すように、板４上に環状の枠５を配置し、その枠５の中にセラミック成形体１の被載置部に対応する形状の転写部７ａを有する押し型７を設置する。さらに、その枠５の中に、結晶性シリカ粉末２’（粉末材料）を押し型７との間に隙間ができないように充填し、サヤ３の底板６を用いて蓋をした。そして、図２に示すように押し型７が上側で底板６が下側になるように反転し、サヤ３内の結晶性シリカ粉末２’ができるだけ均一な充填状態になるように、その状態で振動を加えた。その後、押し型７を取り外すことで、セラミック成形体１の被載置部に対応する形状の受け面２ａを有する図３に示す寝床２を得た。このような手段によれば、寝床２の受け面２ａにセラミック成形体１を載置したとき、セラミック成形体１の自重が大きく作用する受け面２ａの底部やその近傍では表面硬さが高くなり、表１で示す範囲（最小〜最大）の表面硬さの範囲を有する寝床２の受け面２ａを得ることができる。また、加える振動の大きさや周波数を変えることで、寝床の受け面を表１で示す表面硬さに形成した。

なお、寝床を形成する結晶性シリカ粉末の粒度は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した。また、寝床２の受け面２ａの表面硬さは、先端に円錐圧子（底面直径４．５ｍｍ、高さ６ｍｍ）を取り付けたデジタルフォースゲージにより測定した荷重値を用いて算出した。具体的には、セラミック成形体の被載置部が接触する寝床の受け面において１５点を選び、その円錐圧子を被測定箇所に対して垂直方向に押し当てて６ｍｍだけ埋め込んだときの荷重を測定した。そして、各測定点について、測定した荷重値を円錐圧子の接触面積（円錐圧子における底面を除く表面積）で除し、その値を表面硬さとした。

次に、脱脂工程および焼成工程を経て、セラミック成形体１を用いてセラミック焼結体を作製した。具体的には、以下の手順で行った。
（第１の実施形態）
まず、図３に示すように、セラミック成形体１をその被載置部が寝床２の受け面２ａに対応するように載置した。そして、セラミック成形体１と寝床２およびサヤ３を図３に示す状態で脱脂炉に入れ、所定の脱脂条件（温度５８０℃で保持６ｈ）で処理して僅かなバインダが残存して保形するセラミック脱脂体に形成し、そのまま炉冷した。その後、そのセラミック脱脂体を焼成炉に移し替え、所定の焼成条件（温度１３００℃で保持２ｈ）で処理してセラミック粉末を焼結し、そのまま炉冷してセラミック焼結体を得た。なお、セラミック焼結体は寝床から容易に分離できた。作製したセラミック焼結体の寸法は、三次元デジタイザ（ＧＯＭ社製ＡＴＯＳ）を用いて測定した。

以上の結果、表１中「脱脂体」で示すセラミック脱脂体について、実施例１、２、４では、明確かつ有害な膨れや割れが認められなかった（表１中「○」で示す）。また、実施例６では、割れが認められた（表１中「△」で示す）ものの軽微で有害という程ではなく、補修により使用できた。また、表１で示す実施例２で用いたセラミック成形体と同等のセラミック成形体を、寝床２と同等の溶融シリカ粉末を平坦に敷き詰めて表面硬さを１５〜２０ｋＰａの範囲内に形成したサヤの上に静置し、実施例２と同等の脱脂工程で処理したところ、得られたセラミック脱脂体は割れが原因と推測できる損壊が発生した。

セラミック焼結体においては、実施例１、２、４では、有害な膨れや割れが認められず（表１中「○」で示す）、外形寸法バラツキ（変形）も小さかった（±２．２ｍｍ）。実施例６では、膨れや割れが認められた（表１中「△」で示す）ものの軽微で有害という程ではなく、補修により使用できた。また、実施例６では、外形寸法バラツキ（変形）は小さかった（±１．９ｍｍ）。外形寸法バラツキについて、実施例２、４、６はそれぞれ±０．９、±１．４、±１．４と小さくなった。これは、寝床の受け面における表面硬さが０．２〜４０ｋＰａの範囲であること、並びに、寝床を形成する粉末材料の体積粒度分布におけるメジアン径ｄ_５０が３〜４０μｍであることによると推測できる。
また、いずれのセラミック焼結体に対しても、寝床を形成している結晶性シリカ粉末が固着するようなことがなかった。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態で用いたセラミック成形体よりも大きい、長さ４００ｍｍ、幅１１０ｍｍ、厚肉部の厚さ１５ｍｍのセラミック成形体を用い、第１の実施形態とは別の手順により、脱脂工程および焼成工程を経て、セラミック焼結体を作製した。以下、第２の実施形態に係る説明においては、便宜上、上述した第１の実施形態で用いた各図および各部品の名称や番号をそのまま引用する。

まず、第２の実施形態においても同様に、図３に示すように、セラミック成形体１をその被載置部が寝床２の受け面２ａに対応するように載置した。寝床２には、受け面２ａにおける表面硬さを１．８〜４．４ｋＰａに形成したもの（後述する表２中「実施例９」で示す）と、３．５〜１３．９ｋＰａに形成したもの（後述する表２中「実施例１０」で示す）を用いた。そして、セラミック成形体１と寝床２およびサヤ３を図３に示す状態で脱脂炉に入れて、低温脱脂を行った。まず、脱脂炉の昇温速度を６℃／ｈに設定し、セラミック成形体１に含まれるパラフィンワックス系バインダを含む射出成形用組成物（以下、「バインダ」という。）が分解し始める雰囲気温度に至るまで昇温した。次いで、脱脂炉の昇温速度を３℃／ｈに変更し、雰囲気温度が２４０℃に至るまでさらに昇温し、２４０℃到達後は特段の温度保持をしないで降温した。この低温脱脂により、セラミック成形体１に含まれるバインダを除去し、セラミック脱脂体（半脱脂成形体）を形成した。セラミック脱脂体（半脱脂成形体）におけるバインダの残量は、［バインダの残量］（％）＝（［脱脂前のセラミック成形体に含まれるバインダの質量］−［脱脂後のセラミック成形体（半脱脂成形体）に含まれるバインダの質量］）／［脱脂前のセラミック成形体に含まれるバインダの質量］×１００、として算定した。

上述した低温脱脂の後、寝床２を別の寝床に交換した。交換後の寝床には、受け面における表面硬さを実施例９、１０ともに３．５〜１３．９ｋＰａに形成したものを用いた。なお、実施例１０は交換前後で同じ表面硬さであるが、交換後の寝床には低温脱脂によるバインダの付着や浸透がないため、高温脱脂においても本発明に係る寝床による作用効果を改めて得ることができるはずである。そして、セラミック脱脂体（半脱脂成形体）と新たな寝床およびサヤ３を焼結炉に入れ、所定の条件で昇温（途中、設定温度４００℃で２ｈ保持）しつつセラミック脱脂体（半脱脂成形体）からバインダを除去（高温脱脂）し、そのままさらに昇温（設定温度１３００℃で２ｈ保持）してセラミック粉末を焼結した。炉冷後、セラミック焼結体は寝床から容易に分離でき、本発明の実施例となるセラミック中子を得ることができた。なお、上述した焼結炉において、常温から４００℃までは１００℃／ｈで昇温し、その後は焼結保持温度１３００℃に至るまで２５℃／ｈで昇温した。

上述のようにして作製したセラミック焼結体の寸法は、三次元形状測定機（ミツトヨ製ＣＲＹＳＴＡ―ＡＰＥＸ）を用いて測定した。第２の実施形態を適用した実施例９、１０を表２に示す。

以上の結果、表２中「脱脂体」で示すセラミック脱脂体について、実施例９では、明確かつ有害な膨れや割れが認められなかった（表２中「○」で示す）。実施例１０では、割れが認められた（表２中「△」で示す）ものの軽微で有害という程ではなく、補修により使用できた。また、実施例９、１０で示すセラミック脱脂体のハンドリング等の取扱いは容易であったが、それぞれのバインダの残量が１２．０％、１３．５％であったためと推測される。

セラミック焼結体においては、実施例９では、有害な膨れや割れが認められず（表２中「○」で示す）、外形寸法バラツキ（変形）も小さかった（±１．２ｍｍ）。実施例１０では、割れが認められた（表２中「△」で示す）ものの軽微で有害という程ではなく、補修により使用でき、外形寸法バラツキ（変形）は小さかった（±１．３ｍｍ）。
また、いずれのセラミック焼結体（実施例９、１０）に対しても、寝床を形成している結晶性シリカ粉末が固着するようなことがなかった。

（第３の実施形態）
上述した第２の実施形態で用いたセラミック成形体と同様に、長さ４００ｍｍ、幅１１０ｍｍ、厚肉部の厚さ１５ｍｍのセラミック成形体を用い、第１および第２の実施形態とは別の手順により、脱脂工程を経て、セラミック脱脂体（半脱脂成形体）を作製した。以下、第３の実施形態に係る説明においても同様に、便宜上、上述した第１の実施形態で用いた各図および各部品の名称や番号をそのまま引用する。

まず、第３の実施形態においても同様に、図３に示すように、セラミック成形体１をその被載置部が寝床２の受け面２ａに対応するように載置した。寝床２には、受け面２ａにおける表面硬さを３．５〜１３．９ｋＰａに形成したもの（後述する表３中「実施例１１〜１３」で示す）を用いた。そして、セラミック成形体１と寝床２およびサヤ３を図３に示す状態で脱脂炉に入れて、低温脱脂を行った。この際に、脱脂炉の昇温速度を６℃／ｈに設定し、セラミック成形体１に含まれるパラフィンワックス系バインダを含む射出成形用組成物（以下、「バインダ」という。）が分解し始める雰囲気温度に至るまで昇温した。次いで、脱脂炉の昇温速度を後述する表３中の実施例１１〜１３それぞれで３℃／ｈ、１０℃／ｈ、３０℃／ｈに設定を変更し、それぞれの雰囲気温度が２４０℃に至るまでさらに昇温し、２４０℃到達後は特段の温度保持をしないで降温した。この低温脱脂により、セラミック成形体１に含まれるバインダを除去し、セラミック脱脂体（半脱脂成形体）を形成した。セラミック脱脂体（半脱脂成形体）におけるバインダの残量は、［バインダの残量］（％）＝（［脱脂前のセラミック成形体に含まれるバインダの質量］−［脱脂後のセラミック成形体（半脱脂成形体）に含まれるバインダの質量］）／［脱脂前のセラミック成形体に含まれるバインダの質量］×１００、として算定した。

上述のようにして作製したセラミック脱脂体の寸法を、三次元形状測定機（ミツトヨ製ＣＲＹＳＴＡ―ＡＰＥＸ）を用いて測定し、もとのセラミック成形体からの寸法変化を求めた。実施例１１〜１３を表３に示す。

以上の結果、表３中「脱脂体」で示すセラミック脱脂体について、実施例１１〜１３すべてに割れが認められた（表３中「△」で示す）ものの軽微で有害という程ではなく、補修により使用できた。また、実施例１１、１２で示すセラミック脱脂体のハンドリング等の取扱いは容易であったが、それぞれのバインダの残量が１２．８％、１４．２％であったためと推測される。また、実施例１３のバインダの残量は２４．５％であったが、実施例１１、１２と同様に、寝床から取り外すといった取扱いをすることができた。

また、セラミック脱脂体の形状バラツキは、脱脂炉の昇温速度が遅いほど小さく、その後の焼成において、最終的に得られるセラミック焼成体の形状バラツキを制御しやすくなることが確認できた。

１ セラミック成形体
２ 寝床
２ａ 受け面
２’ 結晶性シリカ粉末
３ サヤ
４ 板
５ 枠
６ 底板
７ 押し型
７ａ 転写部
８ 翼形部
９ ダブテール

Claims (9)

1. セラミック粉末とバインダを含んで形成されているセラミック成形体を、脱脂工程および／または焼結工程において寝床に設けた受け面で支持する、ガスタービン翼の鋳造に用いる翼形部とダブテールを有するセラミック中子を形成するためのセラミック焼結体の製造方法であって、
   前記セラミック成形体の被載置部に対応する形状の転写部を有する模型を容器内に設置し、前記セラミック成形体の焼結処理条件において焼結されない粉末材料を前記転写部を被覆するように前記容器内に充填して振動を加えることにより、前記寝床の前記受け面を、前記セラミック成形体の前記被載置部に対応する形状であって、被測定箇所に対して垂直方向に測定した表面硬さが０．２〜４０ｋＰａの範囲内であるように形成する、ことを特徴とするセラミック焼結体の製造方法。
2. 前記寝床を形成する粉末材料には、体積粒度分布におけるメジアン径ｄ_５０が３〜４０μｍの粉末を用いる、ことを特徴とする記載の請求項１に記載のセラミック焼結体の製造方法。
3. 前記寝床を形成する粉末材料には結晶性シリカ粉末を用いる、ことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック焼結体の製造方法。
4. 前記脱脂工程は、バインダが分解し始めてから２３０〜３５０℃に到達するまでの低温脱脂工程と、前記低温脱脂工程より高い温度による高温脱脂工程とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミック焼結体の製造方法。
5. 前記低温脱脂に用いる寝床の受け面における表面硬さを０．２〜１０ｋＰａとし、前記高温脱脂に用いる寝床の受け面における表面硬さを２〜４０ｋＰａとする、ことを特徴とする請求項４に記載のセラミック焼結体の製造方法。
6. 前記低温脱脂は、前記セラミック成形体に含まれる前記バインダの残量が、前記低温脱脂工程前後のバインダ質量比で１０〜２０％になるように行う、ことを特徴とする請求項４または５に記載のセラミック焼結体の製造方法。
7. 前記低温脱脂は、前記バインダが分解し始めた後は、昇温速度を５℃／ｈ以下に設定する、ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のセラミック焼結体の製造方法。
8. 前記低温脱脂工程と前記高温脱脂工程の間で前記寝床を交換し、前記高温脱脂工程に続いて前記焼結工程を行うことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載のセラミック焼結体の製造方法。
9. 前記低温脱脂工程に用いる寝床の受け面における表面硬さよりも前記高温脱脂に用いる寝床の受け面における表面硬さが硬いことを特徴とする請求項８に記載のセラミック焼結体の製造方法。