JPH02172852A - セラミックスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックスの製造方法に関するものであり
、詳しくは坏土を用い射出成形するセラミックスの製造
方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来タービンホイール等の複雑な形状を有する構造用セ
ラミック部品の成形法としては、鋳込成形法、射出成形
法が知られている。

鋳込成形法は、石膏等の鋳込型にセラミックス粉体の泥
漿を流し込み、固化させて成形体を得る方法である。石
膏等の鋳込型は、複雑形状の成形が可能であるが、型の
精度及び−成形体の精度が悪くなることがあった。また
、媒体として一般に多量の水が用いられるため、成形に
長時間を必要とする。

射出成形法は、通常セラミックス粉体に可塑剤として１
種または数種の熱可塑性高分子即ち有機バインダーを添
加し、混合加熱し、金型に射出し冷却固化させて成形体
を得る方法である。この射出成形法は複雑形状の成形が
可能で量産にも適しているが、有機バインダー除去いわ
ゆる脱脂工程において、成形体の亀裂、変形防止のため
通常１００時間以上の長時間の加熱を要し、その上肉薄
の部品にしか適用できなかった。また得られた成形体を
乾燥、脱脂、焼成する過程においてヒビ割れ等が多く、
改良が望まれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記した従来技術の欠点をなくし、坏土を用い
た射出成形により成形体を得て、乾燥及び有機バインダ
ーを除去、焼成するセラミックスの製造方法において工
程日数を減らし、さらに乾燥、バインダー除去及び焼成
からなる工程を通しセラミックスの歩留の向上を目的と
する。

そのため発明者らは、従来射出成形には用いられていな
かった主に水を可塑化媒体とし、有機バインダーを可塑
剤として使用した坏土を射出成形に適用するとともに従
来の製造工程について鋭意検討した結果、本発明に至っ
た。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、セラミックス粉末、焼結助剤、水及び
有機バインダーを含む坏土を射出成形して得られた成形
体を乾燥、バインダー除去し、次いで焼成することより
なるセラミックスの製造方法であって、前記バインダー
除去前に静水圧等方加圧することを特徴とするセラミッ
クスの製造方法が提供される。

〔作　用〕

本発明は、焼結助剤を含む無機固体材料等セラミックス
粉末に可塑剤として水及び有機バインダーを添加し得ら
れた坏土を用いて射出成形し、成形体を寸法精度よくか
つ離型歩留りよく製造し、その後乾燥、有機バインダー
除去、焼成するセラミックスの製造であって、従来の射
出成形によるセラミックスの製造においては、有機バイ
ンダーの除去即ち脱脂の工程後にラバープレス等により
静水圧等方加圧を施した後に焼成していたのに対し、有
機バインダー除去前に静水圧等方加圧を実施するもので
ある。本発明は、有機バインダー除去前に静水圧等方加
圧を実施することによりバインダー除去及び焼成工程に
おけるセラミックスの歩留りの向上が図れる。

本発明の坏土に用いるセラミックス粉体は、炭化ケイ素
、窒化ケイ素、サイアロン、窒化ホウ素等の炭化物、窒
化物等の非酸化物系及びジルコニア等酸化物のいずれの
セラミックス原料でもよい。

セラミックス原料は、得られる成形部品の使用目的に応
じ、単独または２種以上を組合せて用いる。

製造する成形部品が特に構造用セラミックス部品等耐高
熱性で機械的強度が要求される場合には、窒化ケイ素を
主成分として用いるのが好ましい。

本発明で用いるセラミックス粉体は、（１）水及び有機
バインダーとの混合性に優れ、真空土練により成形性、
保形性のよい均質な坏土となること、（２）粉体粒子間
のすべり抵抗が小さく、流動性に優れ、流動模様等の欠
陥を成形体に発生させないこと、（３）乾燥及びバイン
ダー除去の際、欠陥が発生せず、焼結体の強度を低下さ
せないこと等の要件を備えるものがよい。これらの要件
を満たすセラミックス粉末としては下記■弐で示される
範囲内の粒子であることが好ましい。

尚、本発明おいて上記０式の粒度分布による平均粒子径
は、例えばリーズ＆ノーストラップ社製マイクロトラッ
ク７９９５−３０型粒度分布測定装置にて測定されたレ
ーザー回折式による粒度分布に基づくものである。また
上記０式の吸着法による比表面積粒子径は、例えば島津
製作所製フローソーブ・２３００形比表面積測定装置に
て測定されたＢＥＴ吸着法による比表面積から下記０式
に基づき得たものである。この場合、密度は用いるセラ
ミックス粉体により定まり、例えば窒化ケイ素（ＳｉＪ
４）は３．１８である。

吸着法による比表面積粒子径 ＝６／密度・比表面積−・−■ 上記■弐で示される以下のセラミックス粉体を用いた坏
土は成形性に優れ、得られる成形体に欠陥の発生がなく
、焼結体にも欠陥がないものである。上記範囲が５を越
える場合には坏土の流動性が悪くなり成形体に成形時の
流動模様が残ったり、ボアーやクラックが発生する。

本発明で用いる焼結助剤はアルミナ、マグネシア、ベリ
リア、酸化セリウム、酸化ストロンチウム、チタニア、
ジルコニア、イツトリア等の酸化物、チタン酸ベリウム
、チタン酸ジルコン酸鉛等の複合酸化物、ムライト、チ
タン酸アルミニウムジルコン等の多成分系酸化物等の酸
化物である。

焼結助剤は好ましくはセラミックス粉体と同様の粒子形
状とするのがよい。

セラミックス粉体に可塑化媒体として添加する水等は、
射出成形に供する坏土中のセラミックス粉体１００重量
部に対し１０〜５０重量部である。

水分が１０重量部未満では、混練性が悪く均質な坏土が
得られず、５０重量部を超えるとスラリー状態となり成
形時に脱水処理が必要となり好ましくない。

本発明に用いる有機バインターは水溶性または吸水性有
機化合物、例えばメチルセルロース、ヒドロキシプロピ
ルメチルセルロース等の水溶性セルロースエーテル誘導
体、ポリビニルアルコール、ポリエチレンングリコール
等の水溶性高分子及びそれらの誘導体の吸水性高分子等
を用いる。好ましくは少なくとも熱ゲル硬化（熱ゲル硬
化とは、例えば昭和５９年２月開催［ニューセラミック
ス接着技術講演会」における資料°“メチルセルロース
を使ったニューセラミックスの押出成形についてパに記
載されている現象をいう。）可能なもので例えばメチル
セルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ア
ルキレンオキシドセルロース誘導体等が用いられる。有
機バインダーは、本発明で用いる坏土の保水性をよくし
可塑性維持に作用するとともに、熱ゲル硬化可能のもの
を使用すれば、射出成形の際、熱ゲル硬化し保形性を高
めると共に離型性が向上する。

坏土中の有機バインダー含有量はセラミックス粉体１０
０重量部に対し０．１〜１５重量部が好ましい、０゜１
重量部未満では成形体強度が低く保形性が劣り、１５重
量部を越えるとバインダー除去時間が長くなると共に成
形体にクラックが発生しやすくなり好ましくない。

上記のセラミックス粉体、焼結助剤、水及び有機バイン
ダーの各成分を調合した後混練し真空土練により坏土を
調製する。各成分の調合は全成分を混合し坏土としても
よいが、好ましくは先ずセラミックス粉体と焼結助剤と
を調合するのがよい。

この場合粉砕した上記粒子形状のセラミックス粉体と焼
結助剤とを混合してもよいが、セラミックス粉体と焼結
助剤との調合物を一緒に粉砕混合し、本発明に用いる粒
子形状とするのがよい。粉砕混合は例えば窒化ケイ素等
の玉石を用いて水を添加してアトライター等で行うこと
ができる。

セラミックス粉体と焼結助剤との粉砕混合物は次いで乾
燥する。必要ならば、乾燥前に脱鉄してもよい。脱鉄は
例えば湿式フェロフィルター等を用いて行うことができ
る。乾燥は好ましくはスプレードライヤーにて噴霧乾燥
するのがよい。スプレードライヤーにおける処理は乾燥
と同時に造粒することができ、後の有機バインダー除去
が容易となる利点がある。乾燥後必要ならば振動篩等で
整粒することもできる。

乾燥した上記粉砕混合物に水と有機バインダーとを添加
し、調合物を混練する。混練物を真空土練機を用いて脱
泡し、例えば円柱形状の坏土を得る。坏土調製用土練機
（押出機）は例えばバングミル、真空バッグミル、オー
ガマシン、ピストン型押出機等があり、またこれらを組
み合わせた土練機でもよい。真空土練機により通常は均
質な坏土が調製されるが、均質な坏土が得られにくい場
合はラバープレス機により坏土を静水圧等方加圧してさ
らに脱泡すると共に十分に均質化してもよい。上記のよ
うにして得られた坏土は射出成形に供されるが、暗冷所
にてわかした後射出成形に供してもよい。

本発明の射出成形（例えば縦型、横型のプランジャー型
及びインラインスクリュー型を用いる。

）とは、射出成形用ノズルを介して閉塞した金型等成形
型即ち射出スプルー、射出ランナー及び射出ゲートから
なる、または射出スプルー及び射出ゲートからなる成形
型射出導入部及び成形体型内に坏土を注入して行うこと
をいう。射出成形用ノズルはいずれでもよく、公知のも
のを使用できる。

射出導入部の形状は特に制限されないが、好ましくは射
出スプルー及び射出ランナーが射出ゲートからある角度
を持つテーパー状に形成されているものを用いるのがよ
い。−船釣にテーパー角度は５〜ＩＯ度とされる。

射出成形は使用する坏土、射出機、成形型等の種類によ
って成形条件を選択すればよい。本発明においては通常
加圧圧力５０〜１０００　ｋｇ／ｃ＋ｆｌ、加圧時間１
〜２００秒、射出速度５０〜１０００ｃｃ／ｓｅｃ、で
行えばよい。また坏土温度は通常５〜２０°Ｃである。

成形体型内に注入された坏土は、成形体型にて成形体に
形成される。この場合熱ゲル硬化可能有機バインダーを
添加した坏土を用いた場合は、添加した有機バインダー
の作用により熱ゲル硬化される。予め金型を熱ゲル硬化
する有機バインダーの熱ゲル硬化温度付近に加熱するこ
とにより、成形体の保形性を付与することができるため
短時間での離型ができ、熱ゲル硬化により成形体に強度
が付与されているため成形体の寸法精度がよく、ハンド
リングも容易となり成形歩留り高く成形体を製造するこ
とができる。この場合の成形型例えば金型の条件等は、
添加有機バインダーの種類及び添加量、坏土の注入温度
及び含水量、成形品の形状、大きさにより適当に選択す
る。−船釣には熱ゲル硬化可能有機バインダーの熱ゲル
硬化温度の一１０°Ｃから＋２５°Ｃに金型温度を設定
しておけばよい。例えば、メチルセルロースを有機バイ
ンダーとして用いた場合には、金型を予め加温して処理
しておくことによりゲル硬化することができ、通常約４
５〜７５”Ｃで行う。

成形型は好ましくはその内表面が撥水処理されているも
のがよい。撥水処理は、水との接触角が約８０°以上と
なるものが好ましく、撥水処理はシリコーン処理したも
のでもよいし、テフロン加工されたものを用いてもよい
。これら撥水処理された金型を用いると成形体の寸法精
度がよく、成形体表面粗さが小さく、かつ離型歩留りが
高くなる。

射出成形後、乾燥、仮焼し、水分及び有機バインダーを
除去した後、焼成して成形製品を得る。

乾燥は調湿乾燥、誘電乾燥、電流乾燥、誘導加熱乾燥等
で行われ、通常は恒温恒温乾燥機を用いて調湿乾燥を行
う。乾燥温度は成形体の大きさ等により異なるが一般に
は４０〜１００°Ｃで行われる。

乾燥は湿度約１０％迄行う。

乾燥した射出成形体を静水圧等方加圧を施す。

静水圧等方加圧は、成形体をゴム等の可撓性の容器（ゴ
ム型）に封入し、これに液体を経て均一な圧力を付すも
のであり、成形体の全般に均一な圧力をかけることがで
きる。この静水圧等方加圧において付与する圧力は、１
〜Ｌｏｔ／ｃａｔが好ましく、さらに好ましくは２．５
〜３ｔ／ｃｎｌである。成形体中に含まれる水が乾燥に
より除去され、成形体は多孔質となりこの静水圧等方加
圧により成形体は約７％程度収縮した。

従来の射出成形の乾燥・脱脂即ちバインダー除去・焼成
工程においては、静水圧等方加圧の前にバインダー除去
処理が行われ、成形体にクラックが生じ歩留は高くなか
った。また本発明で用いる坏土を同様に実施すると従来
の射出成形より歩留が向上するものの、まだ不十分であ
った。本発明のように静水圧等方加圧後にバインダー除
去処理を行う場合には、成形体にクラックが生ぜず、バ
インダー除去処理後の成形体の強度は、静水圧等方加圧
前にバインダー除去処理したバインダー除去後の成形体
に比し約３倍となり、その後の焼成等においてクランク
等が生じることなく歩留がさらに向上する。

静水圧等方加圧処理後、成形体より有機バインダーを除
去する。有機バインダー除去は成形体の種類にもよるが
、通常、約５００°Ｃで５〜ＩＯ時間成形体を加熱する
ことにより行われ、有機バインダーを除去する。有機バ
インダー除去後必要に応じさらに静水圧等方加圧処理を
してもよい。

有機バインダー除去後、成形体を焼成し焼結体を得る。

焼成条件はセラミックスの種類、使用目的等により適宜
決定される。例えば窒化ケイ素焼結体を製造する場合、
常圧焼成では１６００〜１８００°Ｃ１加圧焼成では１
７００〜２０００°Ｃで窒素ガス雰囲気中で焼成するの
が好ましい。また炭化ケイ素焼結体を製造する場合には
、常圧焼成で１９００〜２２００°Ｃのアルゴン雰囲気
中で行うのが好ましい。さらに部分安定化ジルコニア焼
結体を製造する場合には、常圧、１３００〜１５００゛
Ｃの空気雰囲気中で焼成するのが好ましい。

［実施例〕 以下に実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。

但し、本発明は本実施例に限定されるものでない。

（坏土の調製） 窒化ケイ素１００重量部、酸化ストロンチウム２重量部
、マグネシア３重量部、酸化セリウム３重量部をアトラ
イターにて湿式粉砕混合した。粉砕後の粉砕混合物の平
均粒径は０．６μｍ、比表面積６．３ｒｒｆ／ｇであっ
た。この場合の前記０式の値は、窒化ケイ素の密度３．
１８として２．０であった。粉砕後湿式フェロフィルタ
ーミニシフターにて、粉砕混合物から脱鉄し、その後ス
プレードライヤーにて脱水乾燥した。

上記のようにして得られた乾燥した粉砕混合物１００重
量部、メチルセルロース（商品名：５Ｍ４００）７重量
部、及び海面活性剤（商品名：セドランＦＦ−２００）
１重量部、水３０重量部をオーブンニーダ−で冷却しな
がら混練した。次いで真空土練機を用いて真空度が７０
ｍｍｔ１ｇ以上で３回押出しし、直径５２ｍｍ、長さ５
００ｍｍの円柱形状の坏土とした。さらにラバープレス
機にて、圧力２、５　ｔ／ｃＪでプレスし、均質な坏土
を得た。（射出成形） 前記の坏土を１２゛Ｃの冷蔵庫で一夜わかした後、射出
成形に用いた。

（１）　　タービンホイール焼結体 第１図に示した工程図に沿って第２図に示した直Ｐｌ−
１３０ｍｍタービンホイール焼結体を製造した。

成形体は、第３図に模式図的に示した方式で一体射出成
形した。用いた金型は、上型及び下型共にその内側を厚
さ２０μｍのテフロン加工したもので、水との接触角が
１０５度のものであった。坏土温度１２°Ｃ１金型温度
６０°Ｃに予め加温し、加圧力３００ｋｇ／ｃ艷、加圧
時間１０秒、射出速度３００ｃｃ／ｓｅｃで成形し、熱
ゲル硬化のため３分間放置した。

射出成形後、成形体を型から取出し乾燥した。

乾燥は６０゛Ｃに加温した恒温恒温器内で６０°Ｃで２
時間保持しその後１０°Ｃ／ｈｒで昇温し１００°Ｃで
３時間保持して行った。恒温恒温器内の湿度は、当初９
８％であったが、約１０％／ｈｒで降湿し、湿度２０％
まで乾燥した。

乾燥後、成形体を７むの圧力でラバープレスにて静水圧
等方加圧を施した。

ラバープレス後、有機バインダー除去処理した。

バインダー除去処理は空気中で５０°Ｃ／ｈｒ昇温して
５００°Ｃで５時間加熱し、有機バインダーを除去した
。得られた成形体を焼成した。焼成は窒素雰囲気中７０
０°Ｃ／ｈｒで昇温し、１６５０°Ｃで約１時間行い、
タービンホイール焼結体を得た。上記全工程に要した日
数は１０日間であった。この場合の乾燥、バインダー除
去、焼成を通じての歩留は１００％であった。結果を表
−１に示した。

（比較例〕 静水圧等方加圧を成形体のバインダー除去後に行った以
外は、実施例と同様にしてタービンホイール焼結体を得
た。結果を表−１に示した。

表 〔発明の効果］ 本発明によれば、可塑化媒体として主に水を使用してい
るため可塑剤としての有機バインダーの使用量を少量と
することができる。有機バインダーとして水溶性または
吸水性の高分子を使用し、好ましくはゲル化可能で水溶
性または吸水性高分子例えばメチルセルロースを用いた
坏土を射出成形して、乾燥、バインダー除去、焼成する
ことによりセラミックスを得る工程において、静水圧等
方加圧処理をバインダー除去前に実施することでバイン
ダー除去後の歩留がほぼ１００％に向上する。

また、従来の射出成形では一体成形が不可能であった複
雑形状であり肉厚部を有する成形体をも成形性、保形性
が良く一体的に射出成形して得たうえで、最終的セラミ
ックスを極めて高い歩留で製造することができる。

さらに、本発明の方法によれば従来の射出成形では長期
間要した脱脂を約２日間で終了することができ、その上
、従来の射出成形品と同等の精度、性能を有するセラミ
ックスを歩留よく得ることができる。また、本発明では
上記したように従来の射出成形より肉厚の成形品焼結体
も製造でき、複雑形状の構造用セラミック部品を射出成
形により得ることができ、工業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のセラミックス焼結体の製造方法の工
程ブロック図である。第２図はタービンホイール成形体
断面図であり、第３図は、射出成形方式の断面模式図で
ある。 １・・・坏土、２・・・ピストン、３・・・シリンダー
４・・・ノズル、５・・・可動盤、６・・・金型上型、
７・・・金型下型、８・・・成形体、９・・・排気孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．セラミックス粉末、焼結助剤、水及び有機バインダ
   ーを含む坏土を射出成形して得られた成形体を乾燥、バ
   インダー除去し、次いで焼成することよりなるセラミッ
   クスの製造方法であって、前記乾燥、バインダー除去前
   に静水圧等方加圧することを特徴とするセラミックスの
   製造方法。