JPH04182102A - 粉体成形品の製造方法 - 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、無機、有機、金属等の各種粉体を湿式成形し
て製品又は半製品である粉体成形品を製造する方法に関
し、特に充填率の大きな粉体成形品を製造する方法に関
する。

（従来の技術） 金属、焼結材料、水硬性材料等の各種素材から医薬品、
食料品に至るまで、多くの製品はその製造過程で、原材
料、中間生成物に粉体を用いている。これ等の粉体は所
望の形状に成形されて製品又は半製品となる。

これ等の粉体成形品の物性に影響を及はす重要な特性と
して充填特性が挙げられるか、二の充填特性には均一性
と充填率の２つの側面がある。

例外的に、例えば傾斜機能性材料を作りたい場合のよう
に不均一な方か、又、成形品の多孔性を利用したい場合
のように充填率か小さい方か好ましい場合もあるが、多
くの場合は均一かつ高充填の粉体成形品が好ましいとさ
れている。これは均一な充填は均一な物性を意味するた
めであり、又高充填の成形品は機械的強度が強いためで
ある。

又、セラミック粉体成形品のように成形工程の後に焼成
工程をもち、成形品（焼成品）の充填率が１に近くなる
ものについては、成形品の気孔率かそのまま焼成収縮率
となるため、高充填の成形品は焼成収縮か小さく、寸法
安定性に優れた複雑な形状の製品の製造か可能となる。

更には炭化珪素等の自己焼結性の小さなセラミックにつ
いては、高充填の成形品を作ることにより焼成温度を低
くすることもてきる。

このような粉体の成形には粉体をそのまま型に充填して
高圧をかける乾式法と、粉体と溶媒とを混合し、この混
合物を所望の形状に成形し、成形中及び／又は成形後に
溶媒を除去する湿式法とかあるか、本発明はこの内の湿
式法を対象とする。

ここで、湿式法による粉体の成形は第２図に示す過程を
経て製造される。即ち、 （Ｉ）粉体と溶媒とを混合して成形品の原料となる粉体
と溶媒との混合物を形成した段階：この時の混合物中の
粉体の体積分率をＦｌとする。

（Ｉ［）所望の形状に成形した直後の段階、成形中に溶
媒の一部が除去され、粉体の体積分率はＦ２となる。

（Ｉ［）乾燥段階；この段階で除かれた溶媒の分だけ成
形品が収縮し、粉体の体積分率はＦ３となる。

（ＩＶ）乾燥後の製品段階；この段階では（Ｉ［Ｉ）の
段階における残留溶媒が空気に置換され、成形品におけ
る粉体の体積分率、即ち充填率はＦ３である。

尚、以上は通常の製造過程における溶媒と粉体の体積分
率との関係を示したものであって、この関係から外れる
、例えば（ＩＩ［）の段階における残留溶媒か除去され
る過程で一部の残留溶媒が空気に置換されずに成形品を
収縮させたり、残留溶媒が空気ではなく別の溶媒に置換
されたり、（ＩＩＩ）の段階で製造工程が終了する場合
もある。また、コンクリートの注型や吸水性型を使用し
ない時のキャスタブルの成形等のように水利に用いられ
た水分を粉体の体積分率に含めないで考えると、Ｆｌ　
＃Ｆ２４Ｆ３の場合もあるか、本発明で取扱うのはＦｌ
＜Ｆ３の場合である。

従来、充填率の高い粉体成形品を製造するため、粗い粒
子の隙間に細かい粒子が充填され、この細かい粒子の隙
間にさらに細かい粒子が充填されるような粒度分布を有
する粉体を用い、成形中の粉体と溶媒との混合物を粘性
流動状態（いわゆるチクソトロピー状態）として成形品
を最密充填に近付ける方法が採用されている。

この内の成形中の粉体と溶媒との混合物の流動性につき
更に詳しく説明すると、粉体と溶媒との混合物はダイラ
ント流動と粘性流動を含む様々な流動パターンを示すか
、この内のタイラント流動とは第３図の曲線Ａ１及びＡ
２に示すように粉体と溶媒との混合物に剪断応力を与え
た時に剪断応力の増加とともに増加する剪断速度の増加
率か減少するものを意味し、粘性流動は同図の曲線Ｂ１
及びＢ２に示すように剪断速度の増加率が増大するもの
を意味し、実際の粉体と溶媒との混合物の流動性は上記
２種類の流動性を含む９ケの流動パターンが連結された
ものであり、いわゆる“タイラント流動”、“粘性流動
”というのは、その他の流動パターンが縮退したものだ
とされている。

そして本発明でいうダイラント流動性は、上記粘性流動
領域からダイラント流動領域への遷移領域を含む粉体と
溶媒との混合物中の粉体の体積分率の高い領域を意味し
、混練や攪拌の作業性、あるいは流し込み作業性等を阻
害するために最も嫌われている性状のものであり、従っ
てダイラント流動性を積極的に利用しようとする試みは
緩衝剤や接着剤といった特殊な用途を除いてこれまてな
されていない。

従って、このことと関連して通常のセラミックの鋳込成
形で用いられる粉体と溶媒との混合物であるスリップの
前記Ｆ１の値は０４５前後の場合か多く、０５５を越え
る場合はなかった。

ここで言う鋳込成形とはセラミック粉体、金属粉体等を
溶媒に分散してスラリーを調製し、このスラリーを多孔
質の型に流し込み、スラリー中の溶媒の一部を型の細孔
部における毛細管現象、スラリーの自重、スラリーに直
接圧力をかける場合の加圧力、型を回転させる場合の遠
心力等を利用して多孔質の型内に吸収させて成形体を作
る成形方法を意味する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述したような前記Ｆ１の値か小さい粉
体と溶媒との混合物中の粉体の粒度分布をコントロール
して成形品を最密充填に近付ける方法は粒度分布のコン
トロールが難しい上に、例え原料粉体の粒度分布がコン
トロールできたとしても粉体と溶媒との混合物中で粉体
か凝集してしまい所望の効果が上からす、充填率の高い
粉体成形品か得られない場合が多い。

こうした理由により、上述したように前記Ｆ１の値を０
５５以下としてこのような方法で比較的充填率の高い粉
体成形品を得ることかできる鋳込成形を行なった場合に
おいてもこの成形品における充填率は例えばセラミック
粉体を石膏型を用いて大気圧下で鋳込成形を行なった場
合には０．５５〜０７程度がその上限であり、サブミク
ロン領域のファインセラミック粉体ては０．４５〜０．
６５程度かその上限であった。

なお、近年研究が進んでいるセラミックの射出成形では
かなりＦｌの大きなスラリーを用いているが、この成形
法は超高粘性の高温スラリーをプランジャー、スクリュ
ー等を用いて型内に強引に射出していくもので、スラリ
ーを高温にしなければならない、装置が大掛りになるな
どの欠点かある。

従って、近年例えばセラミックエンジンやセラミック製
機械部品等の複雑な形状の製品を製造する場合にはより
一層充填率が高く、従って焼成収縮率の小さな粉体成形
品を簡単に製造できる粉体成形品の製造方法が望まれて
いるのが現状である。

（課題を解決するための手段） 本発明は、粉体成形品を湿式法により、成形中の粉体と
溶媒との混合物における両者の混合比を調節し、この混
合物をダイラント流動性として製造することにより上記
課題を解決したものであり、同様に、セラミック粉体を
原料粉体として鋳込成形を行なう際の成形中の混合物中
におけるセラミック粉体の混合比を体積分率で０５８〜
０７５とすることにより上記課題を解決したものである
。

本発明が適用されるのは既に従来の技術で説明したよう
に第２図のＦｌ　＜Ｆ３の場合（第５頁第６〜７行参照
）であり、その中でもＦｌ　＜Ｆ２の場合に適用するの
が好ましい。

第２図の（１）の段階から（ＩＩ）の段階に至る過程で
Ｆｌ　＜Ｆ２となるものとしては鋳込成形、抄造成形、
テープ成形、圧搾成形、浸漬成形（いわゆるとぶ漬は成
形）が挙げられ、中でも鋳込成形において本発明方法か
好適に使用される。

ここで、本発明においては原料として無機、有機、金属
等のあらゆる粉体か使用でき、又、粉体に限らず、短繊
維、ウィスカー等の粉体としての取り扱いが可能なもの
も使用できる。

セラミックの鋳込成形を行なう場合のセラミックとして
は、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、ジル
コニア、ムライト、コージェライト等のいわゆるファイ
ンセラミックから、粘土、陶石、長石、珪石等の天然原
料を主として用いるいわゆるオールドセラミックを含む
全てのセラミックが使用できる。

他方、溶媒としては粉体とはとんと反応することなく粉
体を混合、分散する溶媒が使用され、粉体の種類に応じ
て水、各種有機溶剤が適用される。

更に粉体と溶媒との混合物には必要に応じて分散剤、凝
集剤、解膠剤、結着剤、界面活性剤、滑剤等を加えるこ
ともできる。

本発明は成形中の粉体と溶媒との混合物の混合比を調節
し、この内の溶媒の比率を小さくすることにより成形中
の粉体と溶媒との混合物をタイラント流動性とすること
かできる。この粉体と溶媒との混合物の混合比の調節は
、通常、原料の粉体に投入する溶媒の比率で行なうか、
これにより混合物の粘性が高くなりすぎて続いて行なわ
れる粉砕、混合、攪拌等の操作に支障をきたす場合には
原料の粉体に溶媒を所定の比率より多く投入し、前記各
操作を終了して混合物を型に投入する前に蒸発、濾過、
フィルタープレスケーキの再混合等の手段で多めの溶媒
を除去して行なうこともできる。

また、原料粉体の粒度分布を、例えば粒度分布をある特
定の粒度域に集中させたり、微粒成分を除去したり、あ
るいは粗粒成分を添加したりして調節することにより前
記成形中の混合物をダイラント流動性とすることができ
る。この方法はキャスタブル製造の分野でダイラント流
動性のないキャスタブルを製造する手法の逆を行なうも
のであり、前者方法によってダイラント流動性を得るこ
とか難しい場合、例えば粉体と溶媒との混合物中の溶媒
の比率を小さくすると粘性か高くなりすぎて作業性が悪
くなる場合や可塑性の粘土を大量に含みダイラント流動
性が発現しない場合なとに特に有効である。

尚、上記ダイラント流動性は、例えば第３図に示す流動
曲線において任意の点における剪断応力を８１剪断速度
をＶとして、次式 ％式％ で表わされるｎが大きい程強く、ｎか小さい程粘性流動
性が強い。そして、このダイラント流動性は多くの場合
、例えば粉体と溶媒との混合物を攪き回そうとすると粘
性が上昇して攪き回すのに強い力を必要としたり、場合
によっては攪き回すことかできなくなったりするので触
感、即ち攪拌時の抵抗感により感知することができる。

後で詳しく説明するように、本発明は成形中の粉体と溶
媒との混合物をタイラント流動性とじたり、セラミック
粉体を原料粉体とする鋳込成形の際の成形中の粉体と溶
媒と混合物中における粉体の混合比を体積分率で０５８
〜０７５とすることにより粉体成形品の充填率を高めた
ものであるか、このようにして粉体成形品の充填率か高
まる理由は以下のように推定される 即ち、このように成形中の粉体比率の高い粉体と溶媒と
の混合物は、粒子構造か粗な状態で凝集し、粒子構造内
に自由溶媒を保有している。この混合物に成形のための
外力を付加した場合、粒子構造の再編成が起こり、自由
溶媒が吐き出されるとともに粒子構造か密になり、結果
的に高い充填率の成形品かできる。

この場合の外力の付加方法として、粉体溶媒混合物に振
動を与える方法を用いれば、非常に高粘性であるため取
扱いが難しい粉体溶媒混合物の成形を行なうことができ
る。これは例えばフィルタープレスにより製造したプレ
スケーキのような、Ｆｌが大きく、−見殆ど流動性を持
たないような粉体溶媒混合物に振動を与えると、粒子構
造の再編成が起こり、自由溶媒が吐き出されるために、
粉体溶媒混合物が見掛は上流動性を持つようになり、そ
の為に例えば型内への流し込みが容易になる。

尚、ここで述へた粉体溶媒混合物に振動を与える成形方
法は、従来の振動成形（チクソトロピー成形とも呼ばれ
る。）とは全く異なる原理のものである。チクソトロピ
ー成形とは、本方法とは逆に極めてチクソトロピー性の
高い粉体溶媒混合物を用い、これに振動を与えることに
より、高い剪断応力を付加してその粘性を下げて流し込
み、流し込み終了後、振動を止めて粉体溶媒混合物を固
化させるものである。

これに対して本方法で用いる粉体溶媒混合物は、ダイラ
ント流性が高く、剪断応力を付加することによって粘性
が高くなることに特徴がある。従って、振動によって見
掛は上流動性を持つようになった粉体溶媒混合物は、流
動はするか流動中に触れると極めて固い感触を示す。

（実施例） 以下に実施例を示し、本発明を更に詳しく説明する。

粉体と溶媒との混合物である真比重３９２、平均粒径１
μｍのアルミナ−水系のスリップ中のアルミナの体積分
率Ｆｌ　　（このＦｌについては第４頁第８行〜１０行
参照）を第１表のように変化させて調製した９種類のス
リップを石膏型を用いて大気圧下で鋳込成形した場合の
前記Ｆｌと成形品（乾燥品）の充填率Ｆ３　　（このＦ
３については第４頁第１７行〜第４頁第２０行参照）及
び原料スリップの粘度との関係を同表に、ＦｌとＦ３の
関係を第１図に示す。

第１表 第１表のＮα、７のスリップはその中に撹拌棒を入れて
攪拌しようとした時にかすかな抵抗を感じ、Ｎ０９８の
スリップではかなりの抵抗を感じ、Ｎｏ、　、　　　　
２９のスリップでは撹拌棒の周囲にスリップが固化して
撹拌棒を動かすことができなくなり、Ｎｏ、、６　　　
（のスリップとＮ０９７のスリップとの間で流動性か変
化し、この境よりＮｏ、、　　７側のスリップ領域でタ
イラント流動性を示すことが知見される。

なお、第１表Ｎｏ、９ではスリップに振動を与えること
により、型内にスリップを充填した。スリップ容器及び
スリップ容器真下に載置した石膏型には、共に６０Ｈ２
の振動が与えられた。

他方、第１図から明らかなように、Ｎα、６とＮｏ。

７のスリップに相当するＦｌの値が０．６〜０６５の間
でＦ３が急激に上昇しており、従って以上の結果を合せ
るとダイラント流動性を示すスリップはそうでないスリ
ップに比較して充填率Ｆ３の極めて高い粉体成形品を得
ることができる。

このように充填率Ｆ３が急上昇するＦｌの値は原料粉体
の種類、粒度分布により様々である。

例えば粒度分布を全体的に粗い方向にすらすと二のＦ３
か急上昇するＦｌの値は小さくなる場合つく多く、前記
スリップ中のアルミナの平均粒径を２１μｍとした場合
のＦｌとＦ３の関係は第２表り通りとなる。

第２表 第２表の結果はアルミナの平均粒径を２．１μｍとした
場合の充填率Ｆ３か急上昇するＦｌの値は０５６〜０５
８の間となり、アルミナの平均粒径が１μｍの場合の充
填率Ｆ３か急上昇するＦｌの値は０．６〜０６５の間で
あるから、粒度分布を全体的に粗い方向にすらすことに
よりＦ３か急上昇するＦｌの値か小さくなっていること
か分かる。

また、平均粒径０，６μｍの部分安定化ジルコニア−水
系のスリップ中でＦｌとＦ３の関係を同様にして求め、
第３表に示す。

第３表 第３表の結果では、Ｆ３が急上昇するＦｌの値は０．６
０〜０．６３の間にある。

このようにＦｌの値が高いスリップを用いれば充填率Ｆ
３の高いセラミック成形品を得ることができるが、あま
りＦｌの大きなスリップを用いると粘性が高くなりすぎ
て攪拌の操作が困難になるため、一般にはスリップのＦ
ｌの値は０７５程度が上限である。

ところで従来のＦｌの値が０．５５以下のスリップに対
しては第１図から明らかなようにＦｌを大きくするとセ
ラミック成形品の充填率Ｆ３は大きくなるどころか、ス
リップの単位体積当り多くの粒子を含んでいるためにこ
れ等の粒子が凝集して粗な構造のフロックを形成し易く
、このためコンクリート注型のようなＦｌ　＃Ｆ３とな
る成形方法とは逆にＦ３が減少し、このことから本発明
のように鋳込成形を行なう場合にＦｌを大きくしてＦ３
を大きくすることは従来の技術では考えられないことで
あることが分かる。

なお、Ｆｌの値が０．５５以下の従来の技術で用いられ
ているスリップでもＦｌか大きくなるとＦ３かわずかで
はあるが大きくなる場合かある。これはスリップの凝集
を防ぐために大量の分散剤を加えるなとの操作により分
散性の改良を行なったために、あるいはＦｌの小さなス
リップは着肉が遅いために着肉の間にスリップが凝集し
てしまったためにこのようになったものであって、第３
表のＦｌが０．４０〜０５０の間ではこのような傾向を
示している。但し、これは本発明のように意図的にＦ３
を大きくしたものではなく、また、第１図に見られるよ
うにＦ３が飛躍的に大きくなるものでもない。

〈実施例〉 以下に本発明の更に詳しい実施例を示す。

下記組成物： アルミナ　　　　　　　　　　・・・５０重量部（住友
化学社製ＡＥＳ−２１） アルミナ　　　　　　　　　　・・・５０重量部（住友
化学社製ＡＬ−４３Ｍ） ポリカルボン酸アンモニウム塩・・・０３重量部（中東
油脂社製セルナＤ−３０５） アクリル系エマルジョン　　　・・０８重量部（中東油
脂社製ＷＡ−３２０） 炭酸マグネシウム　　　　　　　０１重量部（和光純薬
社製） 水　　　　　　　　　　　　　　　・１２５重量部をア
ルミナ製ボールと共にアルミナ製ポットに投入し、４８
時間のボールミル粉砕を行なってスリップを調製した。

主原料であるアルミナの真比重は３９２であり、このス
リップにおける粉体の体積分率Ｆ１は０６７１である。

また、このスリップの粒度を光散乱式粒度分布計で測定
すると１μｍ以上が１８　、８Ｖｏ１％、０，５μｍ〜
１μｍが４３．５Ｖｏ１％、０２μｍ〜０５μｍか２８
．２Ｖｏ１％、０．２μｍ以下が９．５　Ｖｏ１％であ
る。

上記実施例に係るスリップに水を添加してアルミナ１０
０重量部に対して水が２７重量部となるように調整し、
防乾しながら２４時間攪拌し、スリップにおける粉体の
体積分率Ｆ１が０．４８６である比較例に係るスリップ
を得た。なお、比較例に係るスリップを独立して粉砕し
て調製しないで実施例に係るスリップに水を加えて調製
したのはＦ１以外の条件を全て同じにして両者を比較し
易くするためである。

以上の実施例及び比較例に係るスリップを２日間のねか
し期間の後に流動性の測定、成形、焼成及び充填率を含
む実施例及び比較例の成形品の特性の測定を順次行なっ
た。

この内の実施例のスリップは撹拌棒で攪き回すと、かす
かに抵抗を感じたが、成形に際しての型内の流し込みに
は全くさしつかえなかった。

流動性の測定は、スリップに加える剪断応力と剪断速度
との関係を３点にわたって測定することにより行なった
。また、スリップの粘度は剪断速度１２．６ｓｅｃ−１
における見かけ粘度で表示した。

成形は１５ｍｍＸ　１５ｍｍＸ　１５０ｎｏｎの内寸の
石膏型に流し込んで行なった。着肉終了後、脱型し、１
２０°Ｃの温度で完全に乾燥させて実施例及び比較例の
粉体成形品を得た。

この実施例及び比較例の粉体成形品につき、アルキメデ
ス法により成形品の充填率Ｆ３を測定した。また、３点
曲げ試験法により乾燥強度を測定した。

次いでこれ等の粉体成形品を１７００°Ｃで焼結して理
論密度にほぼ等しい緻密さを得、線方向収縮率をＦ３か
ら次式： ％式％） により計算して求めた。

以上の結果を第４表に示す。

第４表 （発明の効果） 以上の第４表を含む実施例からも明らかなように、本発
明に拠れば、成形品の充填率Ｆ３が従来のものに比較し
て格段に大きく、このため乾燥強度が大きく、焼成収縮
率の小さな粉体成形品が得られる。

また、成形時、粘性が高い溶媒混合物に振動を与えるこ
とにより流動性を付与でき取扱いが容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るスリップ（成形中の原料粉体と溶
媒との混合物）の体積分率Ｆ１と粉体成形品の充填率Ｆ
３との関係を示すグラフ、第２図は本発明に係る粉体成
形品の各製造段階における粉体と溶媒との混合物中にお
ける粉体の体積分率を説明するための図面、第３図は本
発明に係るタイラント流動性及び従来技術に係る粘性流
動性を示すグラフである。 特許出願人　　　　　　　東陶機器株式会社代理人　　
弁理士　　　　下　１）容一部間　　　弁理±　　１　
大　橋　邦　度量　　　弁理士　　　　小　山　　　有
０．４　　　　　０．５　　　　０．６　　　　０．７
剪断応力一−

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料粉体と溶媒とを混合し、この混合物を所望の
   形状に成形し、成形中及び／又は成形後に溶媒を除去す
   る粉体成形品の製造方法において、成形中の前記混合物
   をダイラント流動性とすることを特徴とする粉体成形品
   の製造方法。
2. （２）前記成形中の混合物における粉体と溶媒との混合
   比を調節してこの混合物をダイラント流動性とする請求
   項１記載の粉体成形品の製造方法。
3. （３）前記原料粉体の粒度分布を調節して前記成形中の
   混合物をダイラント流動性とする請求項１記載の粉体成
   形品の製造方法。
4. （４）前記粉体成形品の成形を鋳込成形によって行なう
   請求項１ないし３のいずれか１項記載の粉体成形品の製
   造方法。
5. （５）前記混合物に成形時に振動を与える請求項１ない
   し３のいずれか１項記載の粉体成形品の製造方法。
6. （６）セラミック粉体を原料粉体とする鋳込成形の際の
   成形中のセラミック粉体と溶媒と混合物中におけるセラ
   ミック粉体の混合比を体積分率で０．５８〜０．７５と
   したことを特徴とする粉体成形品の製造方法。
7. （７）前記混合物に成形時に振動を与える請求項６記載
   の粉体成形品の製造方法。