JPH04280854A - 遠心鋳込成形法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属やサーメットの粉末
冶金及びセラミックス粉末の焼成の前段階として、これ
ら粉末より型内に予備成形する方法に関し、さらに詳し
くは、遠心力を利用するこれら粉末の鋳込成形方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス、とくにファインセラミッ
クスは、その粉末を所望の形状に成形した後、得られた
成形体を焼結することにより、必要な特性を有する各種
の製品や部品が製造されている。その成形方法を大別す
ると、鋳込成形法、可塑成形法、加圧成形法などがある
。

【０００３】一般の鋳込成形法、たとえば振動鋳込成形
法は成形時間が長く、排泥量が多いために歩留りが悪く
、高密度の成形体が得にくく、また成形体の寸法精度が
悪い。押出成形法に代表される可塑成形法では、成形助
剤として有機結合剤、ワックス、有機溶剤などの有機物
を大量に用いるため、これらを除去するための煩雑な脱
脂工程が必要である。また、プレス成形法、射出成形法
などの加圧成形法は、設備費がかさむうえに、成形の際
に未焼結の成形体の機械的強度、粉体間及び粉体と金型
との間の滑り性、金型からの離型性などが必要になる。

【０００４】金属及びサーメットの粉末冶金における予
備成形でも、同様な方法が用いられている。押出成形法
は、金属粉を粘着力のあるペースト状混合物にするため
に、有機結合剤を多量に用いる必要がある。そのため、
加圧力が小さいと巣が発生するし、それを避けるために
真空下に押出すこともなされているが、装置、操作とも
に複雑となる。プレス成形法は設備が大型になり、型の
設計がむずかしいなどの問題がある。

【０００５】このような各種成形法の欠点をなくし、軸
対称性の成形体を容易に得るために、遠心鋳込成形法が
提案されている。たとえば特開昭６０−１２２１０８号
公報には、とくにセラミックスについて、回転する型の
中に、成形品の体積に対応する分量の粉末を含有する泥
漿（スリップ）を注入し、その後、スリップを固化する
ことによって成形体を得る方法を開示している。このこ
とによって、肉厚精度の良い成形体を歩留り良く、かつ
容易に得ることが可能になった。また、軸線方向に肉厚
を徐々に変化させた成形体、厚さ方向の密度を変化させ
た成形体、及び異種材料を積層させた成形体を得ること
も可能になった。

【０００６】特開昭６１−１５８４０４号公報には、内
部が石膏からなる回転型に水性のスリップを鋳込み、第
１段階では該型内面上の遠心力が１．２〜４Ｇの範囲で
水分を石膏に吸収させ、第２段階で回転速度を上げてス
リップ中の残存水分を滲出させ、第３段階で回転速度を
さらに高めて粉末層を圧縮・緻密化することにより、充
填密度の高い成形体を得ることを開示している。

【０００７】また特開平１−１７９７４８号公報には、
解膠剤（分散剤）として水ガラス又は各種の無機ナトリ
ウム塩を用い、回転する吸水性の型に、含水率が１５〜
３３％のスリップを鋳込むことにより、２価金属塩を含
むセラミックスの成形体を得ることを開示している。

【０００８】一方、特開昭５８−１０１００６号公報に
は、解膠剤としてポリアクリル酸又はポリアクリル酸ア
ンモニウムを用い、有機結合剤を用いて、中性で鋳込み
成形する方法が開示されている。これらの遠心鋳込成形
法は、スリップを排出する必要がないので歩留りが良く
、水のほかに少量の解膠剤（分散剤）を用いるだけであ
るから脱脂工程の必要がなく、優れた成形方法といえる
。しかし、これらの従来法は、せいぜい厚さ１５ｍｍま
での成形体しか得られず、肉厚製品は得られなかった。

【０００９】

【発明の解決すべき課題】本発明の目的は、従来の遠心
鋳込成形法では不可能であった、厚さ１５ｍｍを越える
肉厚成形体を均質かつ容易に得る方法を提供することで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題について研究を重ねた結果、スリップの組成と性状を
特定の範囲に選択し、スリップを大きな流動ヒステリシ
ス性を呈する非ニュートン性流動体にすることによって
、上述の目的を達成しうることを見出して、本発明をな
すに至った。

【００１１】すなわち本発明は、金属、サーメット及び
／又はセラミックスの粉末、又は該粉末とウィスカーと
からなる被成形物質を、水及び有機分散剤からなる水溶
液に分散させて流動ヒステリシス性の成形用混合物を調
製し、ついで該混合物を回転中の型に鋳込成形するか、
鋳込と同時又は鋳込後に型を回転させて成形することを
特徴とする遠心鋳込成形法に関する。

【００１２】本発明において、該混合物は、次に示す方
法で測定、作図した流動ヒステリシス曲線の内包する部
分の比較対照値（Ａ）が１００〜８００θ・ｒｐｍ　で
ある。

【００１３】上記Ａは、温度２０℃において、粘度測定
範囲１１０　ｍＰａ・ｓから２２０×１０３　　ｍＰａ
・ｓまで、３．７θ（ｄｙｎ／ｃｍ２）　の流動応力を
用いて、流動速度０．３５Ｎ（ｓ−１）　の増加速度で
増加させ、ついで、流動速度０．３５Ｎ（ｓ−１）の減
少速度で下降させたときの指示値を測定して、流動応力
θ（％）−流動速度Ｎ（ｒｐｍ）　を座標軸とするグラ
フ上に、上記粘度範囲で得た流動速度の範囲を１００等
分した各流動速度について、それぞれ流動速度増加時及
び下降時の流動応力をプロットし、その差の総和として
表される。

【００１４】本発明の第１工程は、金属、サーメット及
び／又はセラミックス（以下、金属等という）、好まし
くはセラミックスの粉末又は該粉末とウィスカーからな
る被成形物質を、水及び有機分散剤からなる水溶液に分
散させて、泥漿状の成形用混合物（スリップ）を調製す
る工程である。

【００１５】金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、
アルミニウム、チタン、亜鉛など；及びそれらを主成分
とする合金が例示される。サーメットとしては、Ｎｉ−
Ｃｏ−Ｃｒ合金−炭化チタン、コバルト−炭化タングス
テンのような超硬合金など、金属とセラミックスを組合
せてなる各種の材料がある。

【００１６】セラミックスとしては、酸化アルミニウム
（アルミナ）、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニ
ウム（ジルコニア）、酸化マグネシウム、酸化イットリ
ウム（イットリア）のような酸化物；酸化アルミニウム
−酸化マグネシウム、酸化アルミニウム−酸化ジルコニ
ウム、酸化アルミニウム−酸化チタン、酸化アルミニウ
ム−酸化イットリウム、酸化ジルコニウム−酸化イット
リウム、ムライト、コージライト、フェライト類のよう
な複合酸化物；窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケ
イ素のような窒化物；炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タ
ングステンのような炭化物が例示され、またＳＩＡＬＯ
Ｎ、酸化アルミニウム−炭化チタンのように、これらを
横断した各種の組合せも用いられる。これらのうち、酸
化アルミニウム、酸化ジルコニウム及びこれらを主成分
とする複合セラミックスがとくに好ましい。

【００１７】金属等の粉末の平均粒径は、通常、セラミ
ックスの焼結や粉末冶金における予備成形に用いられる
範囲で任意であるが、通常、０．１〜２０μｍのものが
用いられ、０．４〜５μｍの範囲が好ましい。

【００１８】被成形物質は、このような金属等の粉末だ
けでも、成形体に高い機械的強度を与えるために、ウィ
スカーを配合してもよい。ウィスカーとしては、酸化ア
ルミニウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカー、
酸化チタン・チタン酸カリウム系ウィスカー、チタン酸
カリウム・酸化スズ・酸化アンチモン系導電性ウィスカ
ー、ホウ酸アルミニウムウィスカー、炭化ケイ素ウィス
カー、窒化ケイ素ウィスカー、炭化チタンウィスカーな
どが例示される。

【００１９】本発明に用いられる有機分散剤としては、
ポリアクリル酸類のような高分子の酸のほか；ポリアク
リル酸類、カルボン酸又はスルホン酸の水溶性のアンモ
ニウム塩もしくはアルカリ金属塩が挙げられる。塩とし
ては、一般にアンモニウム塩又はナトリウム塩が好まし
く、アンモニウム塩がさらに好ましい。

【００２０】これらの酸又は塩は、単独で用いることも
でき、例えば系のｐＨを制御するために、２種以上を併
用しても差支えない。

【００２１】ポリアクリル酸類又はその塩としては、ア
クリル酸やその塩の単独重合体でも、相互の共重合体で
もよい。またアクリル酸と共重合が可能な他のモノマー
、たとえばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタ
クリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、
メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ヒドロキシエチルな
どとの共重合体やその塩でもよい。このような重合体は
、平均分子量が２，０００〜１０，０００という、分子
量が比較的に低い領域のものが好ましい。

【００２２】カルボン酸塩としては、シュウ酸、マレイ
ン酸のような二塩基性酸の塩が例示される。

【００２３】スルホン酸塩としては、ベンゼンスルホン
酸アンモニウム、ベンゼンスルホン酸ナトリウム、ｐ−
トルエンスルホン酸アンモニウム、ｐ−トルエンスルホ
ン酸ナトリウムなどが例示される。

【００２４】これらのうち、少量の添加で良好な解膠状
態を呈するために着肉への影響がなく、また金属粉等の
等電点に関係なく解膠状態が得られることから、ポリア
クリル酸もしくはアクリル酸系共重合体、又はそれらの
アンモニウム塩やナトリウム塩が好ましく、ポリアクリ
ル酸又はそのアンモニウム塩がとくに好ましい。

【００２５】分散剤は弱酸性又は弱アルカリ性のものも
使用可能であるが、中性のもの、すなわち、用いる水性
液のｐＨを６．５〜７．５にするものが、セッコウ型を
痛めず、優れた寸法精度が得られる点で好ましい。

【００２６】このような有機分散剤の量は、用いる金属
等の種類や粉末の平均粒子径、表面状態などにもよるが
、一般に被形成物質１００重量部に対して０．０５〜１
．０重量部が好ましく、０．０５〜０．５重量部がさら
に好ましい。０．０５重量部未満では粉体に対する解膠
作用が弱く、長時間放置すると再び凝集することがある
。また、分散剤の添加量が多いほど着肉に悪影響を与え
、また成形体の密度が低下する傾向があり、１．０重量
部を越えることは、とくに肉厚成形体を目的とする場合
には好ましくない。

【００２７】水の量は、用いる金属等の種類や粉末の平
均粒子径によっても異なるが、一般に金属等の粉末１０
０重量部に対して５〜２０重量部が好ましい。水の量が
２０重量部を越え、たとえば一般の鋳込み成形に用いら
れている２５〜４０重量部では、スリップはニュートン
流動を呈し、ないしはダイラタント流動又はビンガム流
動となって流動ヒステリシス性を示さず、肉厚製品が得
られない。また水の量が５重量部未満では、成形が困難
になる。

【００２８】成形用混合物には、このほか、必要に応じ
て、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロー
スのような結合剤、ポリシロキサン−ポリエーテルグラ
フト共重合体のような湿潤剤などの添加剤を配合しても
よい。

【００２９】本発明の成形用混合物の特徴は、大きな流
動ヒステリシス性を有することである。すなわち、応力
を一定の上昇速度で増加していき、ついで減少させて得
た流動ヒステリシス曲線の内包する面積の大きい成形混
合物である。具体的には、本発明者らの見出したところ
によると、次のような方法で測定、作図して算出した比
較対照値（Ａ）が１００〜８００θ・ｒｐｍ　、好まし
くは３００〜６００θ・ｒｐｍ　になるような、大きな
流動ヒステリシス性を示すことが必要である。

【００３０】すなわち、温度２０℃において、粘度測定
範囲１１０　ｍＰａ・ｓから２２０×１０３ｍＰａ・ｓ
まで、３．７θ（ｄｙｎ／ｃｍ２）　の流動応力を用い
て流動速度０．３５Ｎ（ｓ−１）　の増加速度で増加さ
せ、ついで、流動速度０．３５Ｎ（ｓ−１）　の減少速
度で下降させたときの指示値を測定して、図１に示すよ
うに、流動応力θ（％）−流動速度Ｎ（ｒＰｍ）　を座
標軸とするグラフを作成する。その上に、上記粘度範囲
で得た流動速度の範囲を１００等分した各流動速度につ
いて、それぞれ流動速度増加時及び下降時の流動応力θ
１，θ２，……，　θ９９及びθ’１，　θ’２，　…
…，θ’９９　をプロットし、その差θ１　−θ’１，
　θ２　−θ’２，　……，　θ９９−θ’９９　の総
和をＡとする。

【００３１】

【図１】

【００３２】上記の流動ヒステリシス曲線の内包比較対
照値（Ａ）が１００θ・ｒｐｍ　未満であるか、あるい
はニュートン流動又はダイラタント流動やビンガム流動
を呈する場合は、遠心鋳込み成形において十分な肉厚の
成形体を得ることができない。また、Ａが８００θ・ｒ
ｐｍ　を越えると、成形が困難である。

【００３３】このような本発明の目的に適した流動ヒス
テリシス性を示すには、室温において、応力を加えない
状態の動粘度が一般に２，０００　ｍＰａ・ｓ以上であ
ることが好ましく、２，５００〜２０，０００　ｍＰａ
・ｓの範囲がさらに好ましい。

【００３４】このような混合物を調製する際に、混和の
直前又は混和と同時に粉砕を行ってもよい。

【００３５】このようにして調製した成形用混合物を、
必要に応じて、鋳込む前にエージングを行ってもよい。

【００３６】本発明の第２工程は、第１工程で得られた
成形用混合物を、回転する型に鋳込む工程である。この
場合、鋳込みは１回で行っても、複数回に分けて行って
もよい。鋳込みと同時又は回転中に、あるいは鋳込みが
終了してから、型を高速で回転させて、型の成形体形成
面に遠心力を与え、混合物を型面に押しつけて、成形体
を型の内面に順序形成していく。

【００３７】形成面に加える遠心力は、２０Ｇ以上が好
ましく、３０Ｇ以上がより好ましく、５０〜１００Ｇが
さらに好ましい。この遠心力が小さいと、厚さ２０ｍｍ
以上の、均質で高密度の成形体を制御よく、かつ効率よ
く得ることが困難である。

【００３８】複数回に分けて鋳込みを行う場合、組成、
平均粒径などの異なる複数個の成形用混合物を調製して
、順次鋳込むとともに、それぞれの組成等や目的とする
密度に応じてＧ値を変化させることにより、遠心方向の
組成、平均粒径及び／又は密度を任意に変化させた成形
体を得ることも可能である。

【００３９】

【発明の効果】本発明により、遠心鋳込成形法を用いて
厚さが１５ｍｍ以上、とくに２０ｍｍ以上の、円筒形そ
の他の中空な形状の肉厚成形体が得られる。また、同様
な形状の高密度かつ均質な成形体が得られる。一方、成
形体形成部位にかかる遠心力を時系列的に変化させるこ
とによって、密度傾斜を有する成形体を、また鋳込むス
リップの組成を同様に変化させることによって、積層成
形品を得ることができる。

【００４０】本発明の方法によって得られる成形体を焼
成することにより、各種の金属、サーメット又はセラミ
ックスの中空な肉厚成形品が得られ、それらは機械部品
、磁性材料、電気絶縁材料、耐熱材料、切削チップその
他の各種の用途に供することができる。

【００４１】

【実施例】以下、本発明の特徴を実施例ならびに比較例
によってより具体的に説明する。本発明の範囲はこれら
の実施例によって限定されるものではない。なお、実施
例及び比較例中、とくに記さないかぎり、部は重量部を
表わす。

【００４２】流動ヒステリシス曲線は、次のようにして
求めた。すなわち、連続変速式回転粘度計を用い、２．
５ｍｌの試料をサンプルカップにとり、外部循環式恒温
槽より熱媒を循環させてスリップを一定温度（２０℃）
に保持し、粘度計ロータの回転数（０．５、１、２．５
、５、１０、２０、５０、及び１００　ｒｐｍ／ｍｉｎ
）を低い方から順次増加させて、最高回転数（１００　
ｒｐｍ／ｍｉｎ）に達したのち逆に回転数を順次下降さ
せて各回転数での指示値を観測する。この指示値に流動
応力３．７θ（ｄｙｎ／ｃｍ２）　、流動速度０．３５
Ｎ（ｓ−１）　を用いて、θ（％）−Ｎ（ｒＰｍ）　の
関係を求め、座標軸にプロットすると、上昇曲線と下降
曲線とでは同じ経路をたどらず下降曲線が上昇曲線の下
方を通り、流動ヒステリシス曲線を描く。

【００４３】その例を図２に示す。図２において、Ａ１
　及びＡ２　は本発明のスリップの流動ヒステリシス曲
線であり、その比較対照値（Ａ）はそれぞれ４０３θ・
ｒｐｍ　及び１１４θ・ｒｐｍ　、図面上の内包面積は
それぞれ１４．５ｃｍ２　及び４．４ｃｍ２　である。 それに対して、Ａ３　は十分な流動ヒステリシス性を示
さないスリップの流動曲線で、比較対照値（Ａ）は５．
４θ・ｒｐｍ　内包面積は０．２０ｃｍ２　に過ぎない
。

【００４４】

【図２】

【００４５】実施例１、比較例１、２ 純度９９．５％、平均粒子径０．４μｍのアルミナ粉末
に５００　ｐｐｍのマグネシアを添加した粉末１００部
に、表１に示す分散剤と水を添加して均一になるまで撹
拌・混合し、本発明による成形用混合物と、流動ヒステ
リシス曲線の内包比較対照値（Ａ）が少ない、又は流動
ヒステリシスを示さない比較例混合物を調製した。これ
らの混合物の常温における粘度、ｐＨ及び流動ヒステリ
シス曲線の比較対照値（Ａ）を表１に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】このようにして得られた成形用混合物をそ
れぞれ、吸水性のよい成形用型を用いて、回転中の型に
鋳込み、表１に示すような遠心力を与えつつ、表１に示
す時間をかけて遠心鋳込成形を行った。得られた成形体
の着肉の厚さを表１に示す。

【００４８】本発明による成形用混合物からは、良好な
肉厚成形体が得られた。これに対して、流動ヒステリシ
ス曲線の内包面積比較対照値（Ａ）が少ない、ないし０
である比較例混合物を用いた場合は、本発明の混合物と
同じ遠心力を３．５〜５．５倍の長時間かけても、スリ
ップのかなりの部分は型の内部にそのまま残り、肉厚成
形体を得ることができなかった。

【００４９】実施例２、比較例３ 平均粒子径１μｍの窒化ケイ素に、アルミナ５重量％、
イットリア５重量％を添加して得た混合粉末１００部に
、表２のように分散剤と水を添加して均一になるまで撹
拌・混合し、本発明による成形用混合物と、流動ヒステ
リシスを示さない比較例混合物を調製した。

【００５０】この成形用混合物を用いて、成形条件を変
えた以外は実施例１と同様にして遠心鋳込成形を行った
。混合物の性質、成形条件及び得られた成形体の肉厚を
表２に示す。

【００５１】

【表２】

【００５２】実施例３、比較例４ 平均粒子径０．３μｍのジルコニア粉末に平均粒子径０
．４μｍのアルミナ粉末を４０重量％添加して得た混合
粉末１００部に、表３のように分散剤と水を添加して均
一になるまで撹拌・混合し、成形用混合物を調製した。

【００５３】この成形用混合物を用いて、成形時間を変
えた以外は実施例１と同様にして遠心鋳込成形を行った
。混合物の性質、成形条件及び得られた成形体の肉厚を
表３に示す。

【００５４】

【表３】

【００５５】実施例４、比較例５、６ イットリア３モル％を加えて安定化した平均粒子径０．
３μｍのジルコニア粉末１００重量部に対して、表４の
ように分散剤と水を添加して均一になるまで撹拌・混合
し、成形用混合物を調製した。

【００５６】この成形用混合物を用いて、成形条件を変
えた以外は実施例１と同様にして遠心鋳込成形を行った
。混合物の性質、成形条件及び得られた成形体の肉厚を
表４に示す。

【００５７】

【表４】

【００５８】比較例７ 平均粒子径１μｍのアルミナ粉末１００部に水１０部を
加え、分散剤を用いないで成形用混合物を調製した。混
合物は完全なスリップ状にはならず、粉末に近い形状を
呈し、粘性を示さなかった。この成形用混合物を用い、
実施例１と同じ方法で遠心鋳込成形を行い、Ｇ値を７０
まで上げて１．２時間かけたが、成形体の肉厚は８ｍｍ
しか得られず、また空孔や巣を生じていた。

【００５９】比較例８ 純度９９．５％、平均粒子径０．５μｍのアルミナ粉末
１００部に、ポリアクリル酸０．４４部と水３５部を加
えて均一になるまで撹拌・混合し、成形用混合物を調製
した。このものの粘度は３００　ｍＰａ・ｓで、非ニュ
ートン性流動のダイラタント流動及びビンガム流動とな
り、流動ヒステリシスを示さなかった。この混合物によ
って実施例１と同じ方法で遠心鋳込成形を行い、Ｇ値を
６０まで上げて２．５時間かけたが、成形体の肉厚は８
ｍｍで、着肉しないスリップが型内に残存していた。

【図面の簡単な説明】

【図１】流動ヒステリシス曲線の比較対照値（Ａ）の算
出方法の概念図である。

【図２】流動ヒステリシス曲線の代表例を示す図である
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属、サーメット及び／又はセラミッ
   クスの粉末、又は該粉末とウィスカーとからなる被成形
   物質を、水及び有機分散剤からなる水溶液に分散させて
   、流動ヒステリシス性の成形用混合物を調製し、ついで
   該混合物を回転中の型に鋳込成形するか、鋳込と同時又
   は鋳込後に型を回転させて成形することを特徴とする遠
   心鋳込成形法。ここに、該混合物は、次に示す方法で測
   定、作図した流動ヒステリシス曲線の内包する部分の比
   較対照値（Ａ）が１００〜８００θ・ｒｐｍである。上
   記Ａは、温度２０℃において、粘度測定範囲１１０　ｍ
   Ｐａ・ｓから２２０×１０３　　ｍＰａ・ｓまで、３．
   ７θ（ｄｙｎ／ｃｍ２）　の流動応力を用いて、流動速
   度０．３５Ｎ（ｓ−１）　の増加速度で増加させ、つい
   で、流動速度０．３５Ｎ（ｓ−１）　の減少速度で下降
   させたときの指示値を測定して、流動応力θ（％）−流
   動速度Ｎ（ｒｐｍ）　を座標軸とするグラフ上に、上記
   粘度範囲で得た流動速度の範囲を１００等分した各流動
   速度について、それぞれ流動速度増加時及び下降時の流
   動応力をプロットし、その差の総和として表される。
2. 【請求項２】　　粉末がセラミックスである請求項１記
   載の遠心鋳造法。
3. 【請求項３】　　成形用混合物が被成形物質１００重量
   部に対して水５〜２０重量部及び有機分散剤０．０５〜
   １．０重量部からなり、該有機分散剤がポリアクリル酸
   又はそのアンモニウム塩からなる請求項１記載の遠心鋳
   造法。
4. 【請求項４】　　水性液のｐＨが６．５〜７．５である
   請求項１記載の遠心鋳造法。