JPH0225225A - ホイスカー強化セラミック材料製加工工具 - Google Patents

ホイスカー強化セラミック材料製加工工具

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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) 本発明を工材料を成形または他の方法で加工するだめの
ホイスカー強化セラミック工具の製法に関する。本発明
は特に金属加工工具、殊に管状ケーシングおよびこれに
類する物品、たとえば二個構成(two−piece 
)飲料缶の製造に用いられる工具の製造に利用される。
(発明の背景) 材料に目的とする形状、模様または仕上げな付与するた
めの工具、たとえはダイ、バンチなどは著しい硬度、圧
縮強さおよび8b性を備え℃いたけれはならない。これ
は企画またはこれに類する材料を造形する際に特に必要
である。組立てライン大量生産用の商業的材料加工工具
は反復および連続した応力および摩擦による摩耗、浸食
およびチヴビングに対して抵抗性でもなければならない
またこれらの工具は広範な操作条件にわたろて許容差に
近接しかつ寸法安定性を維持すべく設計および機械加工
しうる材料から製造されなげればならない。
金属、炭化タングステンおよび通常のセラミックスを含
む各種材料からバンチ、ダイ、深絞り工具、およびこれ
らに類する材料加工工具を製造することは知られている
。これら既知の材料はすべて、一定の望ましくない制限
を有する。金属製品特に二個構成飲料缶などの管状ケー
シングな成形するだめの工具を製造する場合、従米知ら
れている材料がもつ問題点は特に著しくなる。
飲料缶は一般に三個構成(three−piece J
缶または二m構成缶として製造される。通常の三個構成
飲料缶の場合、適宜な寸法の本体ブランクを大きな金属
板から切取り、そしてはんだ付はサイドシームを有する
円筒管状に曲ける。この管の各末端にフランジを付ける
。端面クロージヤ一部材または蓋を本体の一端に取付け
る。@2の端面クロージヤ一部材は缶が充填されたのち
に施される。
本体および2個の端面クロージヤーか三個構成缶を構成
する。印刷された缶については金属板を各寸法のブラン
クに切断する前に板に印刷する。
二個構成飲料缶は一体成形された密閉端面を備えた本体
、および1個の端面クロージヤ一部材を有する。二個構
成飲料缶は三個構成缶の場合と根本的に異なる方法によ
り製造される。三個構成缶は1970年代初年代後得ら
れるようになったにすぎない。本発明は特に二個構成飲
料缶の製造に際し著しい利点を与える。ただし以下の本
発明の説明から容易に理解されるように、本発明は多種
多様な形状の物品、特に管状ケーシング、たとえば万年
筆および乾電池ケーシングの製造のために幅広い利用性
をもつ。
三個構成缶は絞りおよび側面アイアニングにより製造さ
れ、これにより二個構成品、すなわち本体と底の組合わ
せ、および端面クロージヤーが得られる。一般に三個構
成缶は金属円板を金属板から打抜くことにより製造され
る。この円板をカップ成形ダイ中に保持し、このカップ
成形ダイ中へカップ成形パンチを移動させろことにより
、金属“力ヴプ”が成形される。次いでこの成形された
カップを本体製造装置へ移し、ここでこれらは複数の環
状リングー一般に絞り用、再綬り用およびアイアニング
用リングとして知られている−からなる本体成形ダイ中
へ本体成形パンチにより押込まれる。本体成形パンチと
複数のリングの間のクリアランスは次第に小さくなり、
その結果カップ側面は薄い切片状にアイアニングされる
。次いで強度を増すためにドーマ−(domer )パ
ンチが缶の底を凹形にプレスする。
本体が形成されたのち、缶の開放端が正確な目的の長さ
にトリムされる。次いで缶は洗浄、乾燥され、そしてネ
ッキング、すなわち開放端にネックを形成する工程のた
めに調製される。ただし、ラベルを印刷すべき缶につい
℃は、ネッキングの前に缶をマルチステーションプリン
ターへ移すコとができる。缶はプリンターマンドレルへ
乗せられ、これか缶をペイントローラーとかみ合わせる
印刷後に缶は乾燥炉へ移動される。
三個構成缶の形成における最終工程はネッキングおよび
フランジ付けである。これらの工程により缶の頂部は充
填後に蓋を受容すべく調製されろ。
一般にこれは、缶の開放端?ネックインするためのネッ
カーダイ(necker die )および缶のネック
インされた開放端にフランジを形成するためのディスク
を含む多段ダイ型ネッキング装置により行われる。この
ディスクは一般に°スピンネッカー(5pinneCk
er J″デイスク呼ばflル。
二個構成飲料缶を製造するプロセス全体において種々の
特殊な工具が必要である。許容できろ缶を製造するため
には、この工具は十分に強靭、摩擦抵抗性であり、かつ
不活性でなければならな−・。
1986年には700億個の金属製飲料缶が米国内で製
造された。これらの缶は1200〜2000個/分の速
度で缶を製造する生産ラインで製造された。
これらの缶のうち95%はアルミニウム製であり。
残りはスチール製である。本発明はアルミニウム缶およ
びスチール缶の双方、ならびに他の金属および非金属製
品の製造に使用できる。
毎年製造される飲料缶が大量であるため、製法のわずか
な改良かそれぞれ著しい節約となる。たとえば長年にわ
たって工業界では材料費を低下させるべく、缶の取量を
減少させるためにあらゆる努力かなされてきた。196
5年には1000個のアルミニウム飲料缶の重さは約2
3.4Kq(51,6ポンドノであった。これに対し1
986年には10001固のアルミニウム臥科缶の重さ
は約12.5Kq (27、5ポントノであった。技術
の進歩に伴って、強度、寸法精度、および仕上げの質も
著しく改良された。しかしなおいっそうの改良が求めら
れている。
二個構成飲料缶の製造過程で用いられる各種工具−カッ
プ成形ダイおよびカップ成形パンチ、本本成形ダイおよ
び本体成形パンチ、ネッカーダイおよびスビンネ7カー
ティスクを含む−のための最も一般的な材料は、通常は
焼入れされた工具用鋼本体中に保持された炭化タングス
テンである。しかし炭化タングステン製缶用工具はかな
り摩耗し、頻繁に交換または再加工しなければならない
。さらにアルミニウム缶を製造する際に炭化タングステ
ン工具はアルミニウム缶の表面に酸化アルミニウムを形
成し、これは缶に飲料を充填する前に除去されなけれは
ならない。また特にアルミニウム缶の場合、一般に用い
られる炭化タングステン製缶用工具は缶本体の表面に引
かききずを残す。これらのきすは応力集中部位を形成し
、−般にわ丁か0.102ax(,004インチノの厚
さである缶側面の強度を著しく低下させる。肉厚が均一
であるほど、段積み強さは大きくなり、圧潰が少なくな
り、かつ缶からの漏出が少なくなる。これらのきすは缶
の白衣および外表の仕上げをもより困難にする可能性が
ある。平滑な仕上げ面でないため、缶の内側を被覆する
のに有意に多量のエポキシ樹脂被膜を使用しなければな
らない。缶の外側の印刷も不利な影響を受ける。
炭化タングステン部品は製缶過程で摩擦によってかなり
多量の熱をも発生する。摩擦により発生する熱は肉厚を
も含め1缶の寸法に者しい変異度を生じる。摩擦な欧少
させるためには、合成潤滑剤を便用するのが一般的であ
る。しかしこれらの潤滑剤は、それらな除去するために
缶な徹底的に洗浄する必要かある。これは困難な、費用
および時間のかかる工程である。
本発明は二個構成缶の製造に際して用いられる炭化タン
グステン部品の欠点を克服することを特に目的とする。
ただし以下の説明から容易に理解されるように、本発明
は他の物品の製造にも幅広く利用できる。
(発明の要約〕 本発明は材料の成形に用いられるホイスカー強化セラミ
ック工具の製法に関する。好ましくは本方法はアルミナ
、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素、
またはニホウ化チタンよりなる群から選はれるセラミッ
クマトリックスを使用することよりなる。このマトリッ
クスは好ましくは炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタン
、炭化チタン、窒化アルミニウムまた(エアルミナより
なる群から選ばれる単結晶“ホイスカー7によって強化
されている。本発明は単結晶ホイスカーを使用し、これ
らは多結晶質のフィラメント短繊維と区別すべきである
。ホイスカーは隣接原子の結合力に相当する機械的強度
をもつ一群の単結晶材料の総称であると定義される。ホ
イスカーの著しい強度は、それらが本質的に完全な結晶
であるという事実に由来する。それらはきわめて小さな
直径をもつため、より大型の結晶の強度を低下させる欠
陥の余地がほとんどない。
本発明の好ましい形態においては、本発明は管状ケーシ
ング、特に二個構成缶の製造に用いられろ工具または部
品の製法に関する。本発明は管状ケーシングまたは缶自
体の製法にも関する。
本発明の好ましい形態は、全体に2〜40容惜%の炭化
ケイ素ホイスカーな分布含有する複合セラミヴク材料製
の工具からなる。本発明の好ましい実施態様に用いられ
るこの材料から製造された製缶部品または工具にはカッ
プ成形ダイ、カップ成形パンチ、本体成形ダイ、本体成
形パンチ、ドーマ−素子、印刷マンドレル、ネッカーダ
イおよびスピンネ7カーディスクが含まれる。好ましく
はこのマトリックス材料はアルミナまたは窒化ケイ索か
らなる。しかしこのマトリックスは60谷量%以下のジ
ルコニア、イツトリア、ハフニア、マグネシア、ランタ
ナもしくは他の希土類酸化物、窒化ケイ素、炭化ナタン
、窒化チタン、またはそれらの混合物を含有していても
よい。
本発明方法に用いられるホイスカー強化セラミンク複合
材料部品は1匹敵する炭化タングステン部品より生じる
摩擦が少なく、従って熱が少ない。
発生する熱が少ないため、真円度および肉厚を含めた缶
の寸法の変異度が最小限に抑えられる。肉厚の精度は缶
の負荷強度に寄与し、一方真円度は缶に対する末端クロ
ージヤーの効果的な組立てをも容易にする。摩擦が少な
いため、費用のかかる潤滑処理を最小限に抑えることか
でき、場合によっては先金に省くことかできるー。これ
により潤滑剤溜めおよびアプリケーターも不必要になる
ため、製缶のための機械加工が単純化される。また潤滑
剤を除去するために缶を徹底的に洗浄する必要もない。
炭化タングステンと異なりホイスカー強化セラミック複
合材料は1本発明の好ましい形態の場合のようにアルミ
ナマトリックスを用いた場合ですら、アルミニウム缶の
表面に酸化アルミニウムを形成することはないであろう
。これは製缶に際して著しい利点である。酸化アルミニ
ウムは缶から洗浄除去されなければならず、また部品上
に蓄積し℃それらの性能に不都合な彩管を与えるからで
ある。アルミナはアルミニウムと相互作用すると考えら
れていたので、アルミニウム製品の製造にアルミナマト
リックスは許容されないであろうと当初は考えられてい
た。しかし本発明の好ましい形態において炭化ケイ累ホ
イスカー強化アルミナマトリックスはアルミニウムと相
互作用を示さす、事実炭化タングステン部品より缶およ
び部品または工具の表面に形成される酸化アルミニウム
が少ないことが見出された。
本発明に用いられるホイスカー強化セラミ、lり材料の
摩耗速度の低下および平滑性のため、缶の内側および外
側における単損(Scoring )の量が伝統的な材
料を用いた場合に生じるものより著しく少ない。表面仕
上げが改良されることにより缶の強度が増大する。また
缶の表面ははるかに平滑な、より“艶のある”外観を呈
し、内側においては掬脂またはビニル被膜を施すことに
よる、また外表においては表面装飾を施すことによる仕
上けが、はるかに容易に、かつ安価に行われる。さらに
本発明に用いられるホイスカー強化セラミック複合材料
は一般に、匹敵する炭化タングステン部品のものより2
〜3倍長い有効寿命をもつ。
通常の部品と比較して本発明に用いられるホイスカー強
化セラミック複合材料部品がもつ他の著しい改良点は、
部品自体が軽量であることである。
より軽量であることは、二個構成缶を製造する際に用い
られる本本成形パンチなどの工具にとって特に本要であ
る。頻繁に方向転換しながら高速で操作される本Km形
バンチは、支持機械構造に大きなG5刀を生じる。より
軽量なパンチはど支持機械構造に与える応力が著しく減
少する。さらにより軽量なパンチはど、パンチがそのサ
イクルに従り℃移動するのに伴5片持ばりのたわみの蓋
が減少する。このたわみは帰り行程に際して工具に損傷
を与え、結果的に不均等な摩耗および不均一な肉厚とな
る可能性がある。
本発明のホイスカー強化セラミック工具または部品は伝
統的な炭化タングステン製の対応品より目的とする最終
形状に研削または仕上げするQも著しく容易である。こ
れは精密機械工具を製造する際に特に軍装である。
缶をホイスカー強化セラミック部品でトリムすると、炭
化タングステン部品を用いた場合−毛羽立った端が残る
−より整った。より鋭利な、またはより直線的な端が得
られろことも見出された。
図面について簡単に説明する。
第1図は一般的な飲料缶の断面図である。
第2図は製缶の絞り成形およびアイアニング工程におけ
るカッピング操作を表わす図である。
第6図は絞り用、再絞り用およびアイアニング用リング
を有する本体成形ダイ、ならびにドーマ−素子を含む1
缶の本本裂造装置を表わ丁図である。
第4図は缶の外表に印刷するだめのマルチステーション
プリンターのプリンターマンドレルヲ表わす図である。
第5Aおよび5B図はネノカーダイアセンブリーを有す
るネックインーステーンヨンおよびスビンネヴカーディ
スクを有するフランジ付与ステーションを含む多段ダイ
型ネヴキングステーションを表わす図である。
第6A図は炭化タングステン製アイアニングリングを用
い”l造したアルミニウム缶の100倍拡大写真である
第6B図は本発明によるアルタフ(ARTUFF、登録
商標ノホイスカー強化セラミック製アイアニングリング
を用いて製造したアルミニウム缶の100倍拡大写真で
ある。
第7図は本発明によるホイスカー強化セラミック部品の
製法を示す模式図である。
(好ましい形態の詳細な説明) 本発明をダイ、パンチその他の製缶用工具を製造するだ
めの好ましい形態に関して説明する。本発明を特に二個
構成飲料缶の製造用工具または部品に関して説明するが
1本発明は他の物品造形用工具または部品の装造にも一
般に利用される。本発明は特に管状物品、たとえはペン
ケーシング、電池ケーシングなどの製造に利用される。
本発明を金属、非金属および複合物体いずれの成形また
は他の加工にも利用しうろことは自明であろう。
本発明方法により製造された一船釣二個構成缶10の一
体成形本体の断面を第1図に示すっ缶10は外側に反っ
たフランジ14を有するネック12を含む。端面クロー
ジヤー(図示されていない)は飲料その他の目的とする
充填物が缶に充填されたのち7ランジ14にはめられる
。一般にネック12の肉厚は約0.178ax(,00
フインチノである。
缶10は缶本体側面16を含む。缶本体側面16の厚さ
は約0.102aa(,004インチノである。
缶の強度にとってこの厚さが一定に保たれることが重要
である。のちに詳述するように、一般に缶本体は本体成
形バンチな側面アイアニング用の複数のリングを備えた
本本成形ダイ中へ伸ばすことにより形成される。通常の
炭化タングステン製゛バンチは約5.4k(12ポント
ノの重量かある。このように大きな重量を正確に移動さ
せるのは不安定であるため、そのパンチは帰り行程でそ
の目的コースかられずかにずれる可能性かある。このた
わみによってパンチにわずかな損傷またはチッピングが
生じ、その結果不均等に摩耗し、これによって不均等な
肉厚が生じる。これに対し本発明方法により炭化ケイ素
ホイスカーを全体に分布含有するアルミナセラミックマ
トリックスからなる複合材料を用い℃製造された本体成
形パンチはわすカ約1.4 Lq (3ポントノの重量
であり1、従ってそノ走行コースにおける垂れ下りまた
は位置の変動をきわめて生じにくく、従っで摩耗がより
少ない。
こうして製造された側面はより一定の厚さをもち、より
強靭である。
缶10の底18は一般に約0.305m(−012イン
チ)の肉厚をもち、強度な付加するために凹形の形状を
もつ。
缶10は一般に第2〜5図に示すように紋りおよびウオ
ールアイアニング法として知られている方法により製造
される。この方法は通常、大きなコイル状の薄板金から
これをカッピングプレスへ供給するのに伴って打抜かれ
た個々のディスクから開始する。多くの二1rM構成缶
はアルミニウム製であるか、不発明方法は他の金属およ
び非金属材料にも利用できる。一般に金属素材は約0.
305aa (、012インナノの厚さをもつ。金属デ
ィスクを第2図に一般的に示すカップ成形ダイ20に取
付ける。カップ成形パンチ22が力ヴプ成形ダイ中は移
動し又ディスクを開放端23.閉鎖底面28、および閉
鎖底面に実質的に垂直に伸びる一体側面60を備えた°
カップ″24に成形する。こうして成形されたカップは
約8.9eM(3,5インナノの直径、および約3.0
rIn(1,3インナノの深さ、および約0.305M
JI(,012インチノの肉厚なもつ。
カップ成形ダイ20およびカップ成形バンチ22は双方
とも、のちに詳述するようにホイスカー強化セラミック
マトリックスから作成することができる。
次いで、成形されたカップ24を¥6図に一般的に示す
ように本体製造装置へ移す。本体製造装置は一般に本体
成形パンチ32.本tjk−収形ダイ34、およびドー
マ−索子66からなる。本本成形ダイ34は一般に絞り
用再絞り用およびアイアニング用リングと呼ばれる複数
のリングからなる。
これらのリングは周知のように通常のダイ支持材中に支
持されている。本体成形パンチ62は絞り用再絞り用お
よびアイアニング用リング中を移動して、カップ24の
側面30を薄くかつ長くする。
これは一般に側面を1アイアニングする”と呼ばれる。
絞り用、再絞り用およびアイアニング用リング(工水体
成形バンチ32とのクリアランスを徐々に減少させ、こ
れによりカップ24はその目的の形状にアイアニングさ
れる。絞り用、再絞り用およびアイアニング用リングは
缶のネック、側面および底に必要な形状および異なる厚
さを正確に与える形状および寸法をもたなければならな
い。
本体製造装置で成形された時点で、カップ24はほぼ直
径約6.4ctn(2,5インテフおよび深さ12.7
crn(5,0インテフの缶に造形されている。
本体製造装置は缶の底に凹形の形状を付与するドーマ−
素子36をも含む。
本本成形バンチ622本体成形ダイ34−絞り用、再絞
り用および/またはアイアニング用リングな含み、これ
らがダイ64を構成するーならびにドーマ−素子36は
それぞれホイスカー強化セラミックマトリックスから作
成しうる。
側面をアイアニングし、底をドーム形成したのち、缶の
開放端な正確な目的の長さにトリムする。
次いで缶を洗浄し、乾燥させる。
缶に外装ラベルを印刷したい場合、第4図に一般的に示
すように缶をマルチステーションプリンターへ移すこと
ができる。缶をプリンターマンドレル3乙に乗せると、
これが缶本体を移動させてプリントローラー65と印刷
状態にかみ合わせる。
プリンターマンドレル63もホイスカー強化セラミック
マトリックスから作成されていてもよい。
印刷が施されたのち、缶は多段ダイ型ネヴキンクステー
ションへ移されろ。一般にこのステーションは2種の機
能を行う。すなわちこれは缶の開放端にネックを形成し
、かつ缶の開放端にフランジを形成する。ネックは第5
A図に一般的に示すように、缶の開放端をネッカーダイ
ろ8に向かって押しつけ、これにより半径の縮小したネ
ックを形成することにより形成される。多段ダイ型ネク
キングステーションでは、缶本体の開放端に隣接する缶
本体側面をスビンネヴカーディスク40に向かって押し
つけることにより、ネックインした缶本体の開放端上に
フランジをも形成する。スピンネッカーディスクは缶に
外側へ向かうフレアな形成する缶工具素子である。ネッ
カーダイおよびスビンネ1カーダイは本発明方法に従っ
てホイスカー強化複合材料から作成することができる。
フランジ形成後に、缶の内側に適宜な被膜を吹き付ける
。次いで缶は開放端面用クロージヤー素子と戎に、充填
および密封のために送られる。
絞り用、再絞り用およびアイアニング用リングを含むホ
イスカー強化セラミック製の本体成形ダイは先行技術に
よる炭化タングステン製の対応品より与えろ摩擦が少な
いので、製造される缶の温度(工有意に低く、結果的に
側面変形がより少ない。
その結果、缶はそれらの形状、すなわち真円度をより良
好に維持する。さらに、製造過程で缶に潤滑剤を使用す
る必要性が最小限に抑えられ、または除かれる。
ホイスカー強化セラミックは缶に優れた仕上がりおよび
平滑性を与える。これらの平滑な表面は缶の内側および
外側の双方を仕上ける際に著しい利点をもたらす。第6
A図は標準的な炭化タングステン製アイアニングリング
を用いて製造されたアルミニウム缶の側面の100倍拡
大図を示す。
明らかなとおり著しい引かききすがあり、これらは側面
の強度を低下させ、かつ平滑、均一な被膜馨噴霧するの
を困難にする。第6B図は本発明による炭化ケイ素ホイ
スカー強化アルミナ製アイブニングリングを用いて製造
されたアルミニウム缶側面の100倍拡大図を示す。よ
り平滑な表面は著しく高められた強度を与え、缶の外側
の印刷または内側の被覆の付与を容易にする。より平滑
な側面は、材料が捕捉されろ隙間がないため、洗浄する
のもより容易である。
本発明による製缶に関与する各種部品の製造に用いられ
るホイスカー強化セラミック複合材料は、ホイスカー強
化セラミックマトリンクスからなる。
このセラミック複合材料は著しい硬度、圧縮強さおよび
剛性、ならびに著しく改良された=Iaを合わせもつこ
とを特色とする。この材料(工摩擦による摩耗および浸
食に対する抵抗性な備え、かつ熱崩壊または化学崩壊に
耐えろ性能をもつことが認められた。この桐材はほぼ不
活性である。
セラミックマトリヴクスはアルミナ、窒化ケイ素、炭化
ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素またはニホウ化チタン
よりなる群から選ぶことかできる。
これらのセラミヴクマトリックスは単独で(すなわち認
められる不純物を除いて、他の物質を含まな(・〕使用
するか、あるいはこれを少量(すなわち約60%以下)
の@性強化成分(tougheningCOmpOn8
nt Jまたは焼結助剤、たとえばジルコニア、イツト
リア、ハフニア、マグネシア、ランタナもしくは他の希
土類酸化物、窒化ケイ素、炭化チタン、窒化チタン、ま
たはそれらの混合物と組合わせてもよい。本発明のきわ
めて好ましく・形態においてはアルミナマトリックスを
使用する。
窒化ケイ素マトリックスも好ましい。アルミニウム缶の
製造における問題点の1つは酸化アルミニウムの形成で
あ、るため、アルミナマトリックス系セラミックはアル
ミニウム缶の製造には使用できな(゛であろうと考えら
れていた。アルミナマtlックスハ缶のアルミニウムに
対し親和性を有し、酸化アルミニウムの存在を除くより
むしろ高めるであろうと考えられていたからである。実
際にはそうでない。
強化用ホイスカーは炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アル
ミニウム、窒化チタン、炭イヒテクンまたはアルミナよ
りなる群から選ぶことかできる。本発明に用いられるホ
イスカーは単結晶構造をもつ。
本発明の好ましい形態においては炭化ケイ素が用いられ
る。この種のホイスカーはもみ殻から製造され、一般に
、65〜.65μmの直径、および15〜150のオー
ダーの縦横比をもつ。長さは一般に70,000にq/
cm2(100万pSi] のオーダーであり、引張弾
性率は400万〜700万kg/crn2(6000万
−10000万psi)のオーダーである。炭化ケイ素
ホイスカーは少なくとも1760’C(12007Jま
で熱安定性である。
本発明に用いられる単結晶ホイスカーは多結晶質型の短
繊維材料と区別すべきである。多結晶質フィラメントま
たはテヨッグトファイバーは直径がはるかに太き(、た
とえば10ミクロン以上である。さらに本発明方法に用
いられる単結晶ホイスカーと異なり、多結晶質繊維は約
1250°C以上の温度では結晶粒成長のためかなりの
分解が起こり、これによって高温加工法、たとえはほぼ
理論的密度のセラミック複合材料な製造するためのホッ
トプレス法にこれらを用いることは著しく制限される。
のちに詳述するように、本発明はホットプレス法により
部品を製造する方法をも包含する。またこれらの多結晶
質繊維がセラミック複合材料に与える亀裂抵抗性は不十
分である。亀裂線または破断面を横切る繊維が有する引
張強度は、持((複合拐科かホットプレスに際して高め
られた圧力および@度下に置かれろことにより加工され
たのちには、亀裂か複合材料中を成長するのを1泪止す
るのに十分なものでないからである。従って単結晶”ホ
イスカー”と多結晶質繊維には明瞭な区別が認められる
っ 本発明に用いられるホイスカーはマトリ7クスを強化す
る様式でマトリックス中に結合しなければならない。ホ
イスカー含1・がホイスカー/マトリックス複合材料の
約2〜40容肴%である場合に、結合は満足すべきもの
であり、好適な強fヒか得られる。その結果もちろんマ
トリックス材料の割合は60〜98%となる。一般にホ
イスカー含量が約40%を越えると、ホイスカーの添加
か複合セラミック材料の靭性にとって有害になることが
見出された。これは、ホイスカー濃厚帯域自体の靭性が
制限されるほどに、またはマトリックスの凝集性が低下
する時点をセラミック材料が生じるほどにホイスカー含
量か高くなることによると考えられる。約2%未満では
ホイスカー含量は適切な強化を与えるのに不十分である
本発明方法により製造されるダイ、パンチ、または他の
工具もしくは部品は、まず適切な割合の粉末状セラミッ
クマトリックスをホイスカーとフレンドすることにより
製造される。粒状固体の混合については多種多様なシス
テムが知られている。
フレンド処理はホイスカーが粒状セラミックマトリック
ス材料全体に分散するものでなければならないが、ホイ
スカーが著しく崩 解ずろほど激しくてはならない。現
在好まし−・方法は米国特許第4.463,058号明
細書に記載されている。好ましい材料およびホイスカー
含量範囲は、製造すべき個々の部品、およびその最終用
途に依存するであろう。部品の製法がコールドプレス法
またはホットプレス法のも・ずれであるかは、ホイスカ
ー含量ならびに目的とする強度および破壊靭性に依存す
るであろう。
本発明により部品を製造する際に使用する個々の方法は
主としてホイスカー含有率、ならびに目的とする強度お
よび破壊靭性に依存する。ホイスカー含量2〜12容量
%については、コールドプレス法−非加圧焼結法を含む
−を採用しうる。
二個栴成飲料缶な製造するための工具の作成に関しては
、コールドプレス法−非加圧焼結法を含む−が缶本本パ
ンチ、ドーマ−素子、ダイネッカー スピンネ1カー、
およびプリンターマンドレルの製造に適し℃いる。これ
らはすべてホイスカー含量約8.7容量%を採用するこ
とが好ましい。
コールドプレス法−非加圧焼結法を含む−を用いる場合
、第7図に示すようにホイスカー強化セラミックの適宜
なブレンドを等圧コールドプレス法または軸方向プレス
法によりその目的の形状に成形する。コールドプレスさ
れた材料を次いで焼結する。焼結されたコールドプレス
処理材料を次いで等圧ホットプレス処理する。この部品
を次いで研削してその目的とする最終形状にする。コー
ルドプレスされた材料を数種の方法のうちのい1゛れか
により成形しうる。これを等圧コールドプレスし、そし
て10〜20,000 psi  の圧力下に周囲温度
で成形することかできる。あるいは部品を10〜25,
000 psiで機械的にプレスおよび造形することに
より乾式プレスすることかできる。
部品を押出しまたは射出成形1°ることもできる。
これら4種のコールドプレス処理のいずれかののち、部
品を1500〜1700℃で加圧せずに12〜48時間
焼結する。
ホットプレス法は一般にホイスカー含量12〜40容量
%を採用した部品に適しくいる。二個構成缶の製造に用
いられる部品に関しては、ホットプレス法はカップ成形
バンチおよびカップ成形ダイ、ならびに散り用、再絞り
用およびアイアニング用リングを含む本体成形ダイの製
造に適している。これらはすべてホイスカー含量約29
容量%をもつことが好ましい。
コールドプレス法およびホットプレス法共に、成形され
た部品を研削して最終形状となす。
以上に詳述されなかったが明らかに本発明の範囲内にあ
る多種多様な実施態様があることは明らかであろう。従
って以上の説明は例示にすぎず、本発明の範囲は特許請
求の範囲の記載のみによって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
第1図は一般的な飲料缶の断面図である。 第2図は製缶の絞り成形およびアイアニング工程におけ
るカッピング操作を表わす図である。 第6図は絞り用、再絞り用およびアイアニング用リング
を有する本体成形ダイ、ならびにドーマ−素子を含む、
缶の本体製造装置を表わす図である。 第4図は缶の外衣に印刷するだめのマルチステーション
プリンターのプリンターマンドレルヲ表わす図である。 第5Aおよび5B図はネッカーダイアセンブリーを有す
るネックインーステーションおよびスピンネッカーディ
スクを有するフランジ付与ステーションを含む多段ダイ
型ネヴキングステーションを表わす図である。 faE6Aおよび6B図はそれぞれ炭化タングステン製
アイアニングリングおよび本発明によるホイスカー強化
セラミック裂アイアニングリング?用いて製造したアル
ミニウム缶の金属組織を示す100倍拡大写真である。 第7図は本発明によるホイスカー強化セラミック部品の
製法を示す模式図である。 各図において番号は下記のものを表わす。 10=缶、  12:ネック、  14:フランジ、1
6:側面、 18:底面、 20:カップ成形ダイ、 
 22ニカツプ成形パンチ、  24:カップ、 26
:開放端、 28:閉鎖底面、 60:側面、  62
:本体成形パンチ、  33:ブリンターマンドレル、 34:本体成形ダイ、 65ニブリントローラー 66 ニ ド−マー素子、 68:ネッカーダイ、 40:ネッカーディスク。 (外4名) f7θ4 F/θ5A IG 5B 図面の序♂(内容に変更なし) FI6.7 向 手 続 補 正 書 平成朗和 元年6 月λ9日 2、発明の名称 ホイスカー強化セラミック材料製加工工具5、補正をす
る者 事件との関係

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.成形すべき材料を材料保持装置に,保持し;成形す
    べき材料を成形素子とかみ合わせる 工程からなる材料成形法において、成形素子が本質的に
    2〜40容量%のホイスカーを全体に分布含有するセラ
    ミックマトリックスからなるホイスカー強化複合セラミ
    ック材料から製造されたものである方法。 2.セラミックマトリックスがアルミナ、窒化ケイ素、
    炭化ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素、および二ホウ化
    チタンよりなる群から選ばれる、請求項1に記載の方法
    。 3.ホイスカーが炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタン
    、炭化チタン、窒化アルミニウム、およびアルミナより
    なる群から選ばれる、請求項1に記載の方法。 4.複合材料がマトリックス60〜87容量%およびホ
    イスカー13〜40容量%からなる、請求項1に記載の
    方法。 5.複合材料がマトリックス88〜98容量%およびホ
    イスカー2〜12容量%からなる、請求項1に記載の方
    法。 6.マトリックスかさらに、ジルコニア、イットリア、
    ハフニア、マグネシア、希土類酸化物、窒化ケイ素、炭
    化チタン、窒化チタン、およびそれらの混合物よりなる
    群から選ばれる添加物30容量%以下を含有する、請求
    項2に記載の方法。 7.成形素子がダイ、パンチ、ディスク、またはドーマ
    ー素子からなる、請求項1に記載の方法。 8.加工物を成形ダイに保持し;そして 成形パンチを成形ダイ中へ移動させる 工程からなり、その際成形ダイおよび成形パンチのうち
    少なくとも一方は、2〜40容量%のホイスカーを全体
    に分布含有するホイスカー強化複合セラミックマトリッ
    クスからなる、管状ケーシングの製法。 9.セラミックマトリックスがアルミナ、窒化ケイ素、
    炭化ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素、および二ホウ化
    チタンよりなる群から選ばれる、請求項8に記載の方法
    。 10.ホイスカーが炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタ
    ン、炭化チタン、窒化アルミニウム、およびアルミナよ
    りなる群から選ばれる、請求項8に記載の方法。 11.複合材料がマトリックス60〜87容量%および
    ホイスカー13〜40容量%からなる、請求項8に記載
    の方法。 12.複合材料がマトリックス88〜98容量%および
    ホイスカー2〜12容量%からなる、請求項8に記載の
    方法。 15.マトリックスがさらに、ジルコニア、イットリア
    、ハフニア、マグネシア、希土類酸化物、窒化ケイ素、
    炭化チタン、窒化チタン、およびそれらの混合物よりな
    る群から選ばれる添加物30容量%以下を含有する、請
    求項9に記載の方法。 14.金属板をカップ成形ダイに取付け、そしてカップ
    成形パンチをカップ成形ダイ中へ移動させることにより
    金属板から1個構成金属カップを成形し、この成形され
    たカップは閉鎖底面、開放端面、および閉鎖底面に対し
    実質的に垂直方向に伸びた一体側面を有し; 該カップを本体成形ダイに取付け、そして本体成形パン
    チを本体成形ダイ中へ移動させて、これによりカップの
    側面をアイアニングすることにより、カップから缶本体
    を形成し; ドーマー素子を缶本体の閉鎖底面に向かつて押しつける
    ことにより、缶本体にドーム状底面を形成し; 缶本体の開放端に近接した缶本体側面をネッカーダイに
    向かって押しつけて、これにより直径の縮小したネック
    を形成することにより、缶本体の開放端にネックを形成
    し;そして 缶本体の開放端に近接した缶本体側面をスピンネッカー
    ディスクに向かって押しつけることにより缶の開放端に
    フランジを形成する 工程からなる製缶法において、上記のカップ成形ダイ、
    カップ成形パンチ、本体成形ダイ、本体成形パンチ、ド
    ーマー素子、ネッカーダイ、およびスピンネッカーディ
    スクのうち少なくとも1種は、本質的に2〜40容量%
    のホイスカーを全体に分布含有するセラミックスからな
    るホイスカー強化複合セラミック材料から作成されたも
    のである点において改良された方法。 15.セラミックマトリックスがアルミナ、窒化ケイ素
    、炭化ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素、および二ホウ
    化チタンよりなる群から選ばれる、請求項14に記載の
    方法。 16.ホイスカーが炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタ
    ン、炭化チタン、窒化アルミニウム、およびアルミナよ
    りなる群から選ばれる、請求項14に記載の方法。 17.複合材料がマトリックス60〜87容量%および
    ホイスカー13〜40容量%からなる、請求項14に記
    載の方法。 18.複合材料がマトリックス88〜98容量%および
    ホイスカー2〜12容量%かちなる、請求項14に記載
    の方法。 19.マトリックスがさらに、ジルコニア、イットリア
    、ハフニア、マグネシア、希土類酸化物、量化ケイ素、
    炭化チタン、窒化チタン、およびそれらの混合物よりな
    る群から選ばれる添加物30容量%以下を含有する、請
    求項15に記載の方法。 20.本質的に2〜40容量%のホイスカーを全体に分
    布含有するセラミックマトリックスからなるホイスカー
    強化複合セラミック材料を調製し;そして 該ホイスカー強化複合セラミック材料を型内でホットプ
    レスして目的の形状となす 工程からなる、物品成形用工具の製法。 21.本質的に2〜40容量%のホイスカーを全体に分
    布含有するセラミックマトリックスからなるホイスカー
    強化複合セラミック材料を調製し;該ホイスカー強化複
    合セラミック材料をコールドプレスして目的の形状とな
    し;そして コールドプレスされた材料を焼結する 工程からなる、物品成形用工具の製法。 22.さらに、焼結およびコールドプレスされた材料を
    等圧ホットプレスする工程を含む、請求項21に記載の
    方法。 23.本質的に2〜40容量%のホイスカーを全体に分
    布含有するセラミックマトリックスからなるホイスカー
    強化複合セラミック材料を調製し;該ホイスカー強化複
    合セラミック材料をコールドプレスして目的の形状とな
    し;そして コールドプレスされた材料を焼結する 工程からなる、加工物を保持するためのマンドレルの製
    法。 24.さらに、焼結およびコールドプレスされた材料を
    等圧ホットプレスする工程を含む、請求項23に記載の
    方法。 25.セラミックマトリックスがアルミナ、窒化ケイ素
    、炭化ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素、および二ホウ
    化チタンよりなる群から選ばれる、請求項20,21ま
    たは23に記載の方法。 26.ホイスカーが炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタ
    ン、炭化チタン、窒化アルミニウム、およびアルミナよ
    りなる群から選ばれる、請求項20,21または26に
    記載の方法。 27.複合材料がマトリックス60〜87容量%および
    ホイスカー13〜40容量%からなる、請求項20に記
    載の方法。 28.複合材料がマトリツクス88〜98容量%および
    ホイスカー2〜12容量%からなる、請求項21または
    23に記載の方法。 29.マトリックスがさらに、ジルコニア、イットリア
    、ハフニア、マグネシア、希土類酸化物、窒化ケイ素、
    炭化チタン、窒化チタン、およびそれらの混合物よりな
    る群から選ばれる添加物30容量%以下を含有する、請
    求項25に記載の方法。 30.本質的に2〜40容量%のホイスカーを全体に分
    布含有するホイスカー強化セラミック材料からなる、物
    品成形用工具。 31.セラミックマトリックスがアルミナ、窒化ケイ素
    、炭化ケイ素、ジルコニア、炭化ホウ素、および二ホウ
    化チタンよりなる群から選ばれる、請求項30に記載の
    工具。 32.ホイスカーが炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタ
    ン、炭化チタン、窒化アルミニウム、およびアルミナよ
    りなる群から選ばれる、請求項30に記載の工具。 33.複合材料がマトリックス60〜87容量%および
    ホイスカー13〜40容量%からなる、請求項30に記
    載の工具。 34.複合材料がマトリックス88〜98容量%および
    ホイスカー2〜12容量%からなる、請求項30に記載
    の工具。
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