JPH05345304A

JPH05345304A - セラミックス成形体の成形方法

Info

Publication number: JPH05345304A
Application number: JP15485992A
Authority: JP
Inventors: Michio Taguchi; 教夫田口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-12-27

Abstract

(57)【要約】【目的】押出方向に太さの異なる三次元形状の成形体を
成形でき、かつその成形体の脱脂・乾燥を比較的短時間
で行い得るとともに、表面欠陥がなく高密度に充填され
た成形体を高い歩留りで成形する。【構成・作用】所定割合の混練物４を用意し、金型６を
混練物４の押出方向を軸として回転させつつ、混練物４
を三次元形状のキャビティ６ａ内に押出し、押出の際の
圧力によりキャビティ６ａ内に混練物４を充填するとと
もにキャビティ６ａで混練物４を賦形する。セラミック
粉末は上記割合の混練物４にされることにより、押出の
際の圧力で三次元形状のキャビティ６ａ内に充填される
とともに同キャビティ６ａで賦形されるに適した粘土状
に維持される。また、金型６の回転により負荷される剪
断力にほぼ比例して流動性が大きくなり、押出の際の圧
力でキャビティ６ａ内においてより好適に流動する。さ
らに、射出成形法と比較して多量の有機バインダを採用
しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス成形体の成
形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のセラミックス成形体の成形方法と
しては、押出成形法、射出成形法、一軸プレス成形法、
ＣＩＰ成形法、スリップキャスティング法等が知られて
いる（「セラミックス材料技術集成」昭和５４年４月発
行）。このうち、一般的な押出成形法は、セラミック粉
末；１００体積％に対し、結合剤；１５．０〜３０．０
体積％と、分散剤・可塑剤・滑剤；１０．０〜４０．０
体積％と、水；９０．０〜１６０．０体積％とを含有す
る粘土状の混練物を用意し、この混練物を押出機により
ダイスから押し出して成形する方法である。

【０００３】また、一般的な射出成形法は、セラミック
粉末；１００体積％に対し、ポリスチレン、ＥＶＡ（エ
チレン・酢酸ビニル共重合体）、ポリプロピレン、ＡＰ
Ｐ（アタクチックポリプロピレン）、ワックス等の有機
バインダ；室温で８０〜１００体積％を含有した混合物
を用意し、この混合物を約１６０℃の泥奬物として金型
のキャビティ内に射出成形機で射出して成形する方法で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の押出成形法で
は、混練物におけるセラミック粉末と、バインダとして
の結合剤、分散剤、可塑剤及び滑剤との体積比がセラミ
ック粉末：バインダ＝１：１．２〜２．３であり、残部
を蒸発しやすい水が占めていることから、成形体の脱脂
・乾燥時間にはさほどの長時間を要しない。しかし、こ
の押出成形法により混練物をダイスから押し出して成形
すれば、成形体がパイプ、ハニカム、板類等のように押
出方向に太さの等しい二次元形状のものに限定されてし
まう。かといって、従来の押出成形法に供されていた混
練物を三次元形状のキャビティ内に押出すとすると、成
形体と型との間に溶媒がしみ出し、密着するため、離型
が難しい。更に、保形性が悪く、ハンドリング時に変形
しやすい。このため、従来の混練物で満足な成形体を得
ることは困難である。

【０００５】一方、従来の射出成形法では、所望のキャ
ビティ内に流動性に優れた泥奬物を射出するため、成形
体の形状が限定されることはない。しかし、この射出成
形法では、十分な流動性を付与すべく、泥奬物における
セラミック粉末と有機バインダとの体積比がセラミック
粉末：バインダ＝１：０．８〜１．０であり、有機バイ
ンダが脱脂しにくいものであることから、成形体の脱脂
に長時間を要するとともに脱脂後の冷却時間にも長時間
を要する。特に、脱脂の加熱時には、昇温速度が大きけ
れば有機バインダが膨張して成形体にクラックを生じる
ため、昇温速度を小さくとらざるを得ず、より一層脱脂
時間が長期化し、複雑な設備を要して成形コストの高騰
化をも招来してしまう。

【０００６】そこで、本発明者は、押出方向に太さの異
なる三次元形状の成形体を成形でき、かつその成形体の
脱脂・乾燥を比較的短時間で行い得るセラミックス成形
体の成形方法を提案した（特願平４−１３３９５６
号）。この提案の成形方法は、セラミック粉末；１００
体積％に対し、結合剤；８．０〜１５．０体積％と、分
散剤；２．０〜８．０体積％と、水；７０．０〜１１
０．０体積％とを含有する粘土状の混練物を得る混練工
程と、該混練物を三次元形状のキャビティ内に押出し、
押出の際の圧力により該キャビティ内に該混練物を充填
するとともに該キャビティで該混練物を賦形する型内押
出工程と、からなるものである。

【０００７】しかしながら、上記提案の成形方法では、
上記割合の混練物が硬く、気温等の環境変化によって
は、流動性が十分でないことから、成形体の表面にシワ
が発生したり、複雑形状のキャビティの細部まで完全に
混練物が充填されない場合があり、表面欠陥がなくて高
密度に充填された成形体を高い歩留りで得られにくかっ
た。

【０００８】本発明は、上記従来の提案をより改良すべ
くなされたものであって、押出方向に太さの異なる三次
元形状の成形体を成形でき、かつその成形体の脱脂・乾
燥を比較的短時間で行い得るとともに、表面欠陥がなく
高密度に充填された成形体を高い歩留りで成形できるセ
ラミックス成形体の成形方法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス成
形体の成形方法は、セラミック粉末；１００体積％に対
し、結合剤；８．０〜１５．０体積％と、分散剤；２．
０〜８．０体積％と、水；７０．０〜１１０．０体積％
とを含有する粘土状の混練物を得る混練工程と、該混練
物を金型における三次元形状のキャビティ内に押出し、
押出の際の圧力により該キャビティ内に該混練物を充填
するとともに該キャビティで該混練物を賦形する型内押
出工程と、からなり、該金型を該混練物の押出方向を軸
として回転させつつ該混練物を押出すことを特徴とする
ものである。

【００１０】

【作用】本発明のセラミックス成形体の成形方法では、
セラミック粉末は上記割合の混練物にされることにより
従来のものより硬くなるが、この混練物が高圧力を負荷
することによりチクソトロピー性を大きくしているた
め、キャビティ内において混練物が好適に流動する。

【００１１】また、このとき、金型を混練物の押出方向
を軸として回転させつつ上記割合の硬い混練物を押出し
ているため、金型のキャビティを形成する面と混練物と
の間に摩擦力を生じ、この摩擦力が混練物の表面近傍に
剪断力を負荷する。その混練物は、負荷される剪断力に
ほぼ比例して流動性が大きくなる特性を有しているた
め、種々変化する環境下であっても、押出の際の圧力で
キャビティ内においてさらに好適に流動する。

【００１２】したがって、この混練物は、押出の際の圧
力により、表面にシワを生じることなく、確実にキャビ
ティの細部まで完全に充填され、同キャビティで賦形さ
れる。また、溶媒の型と成形体の間へのしみ出しが少な
く、従来の混練物に比べ、脱型が容易である。更に、得
られる成形体の強度が高いため、ハンドリング等によっ
て変形がない。こうして、混練物は三次元形状の成形体
に成形される。

【００１３】さらに、この成形方法では、混練物におけ
るセラミック粉末と、バインダとしての結合剤及び分散
剤との体積比は、セラミック粉末：バインダ＝１：０．
８〜１．３、好ましくは、セラミック粉末：バインダ＝
１：０．９〜１．１である。このため、射出成形法と比
較すれば、脱脂しにくい多量の有機バインダを採用せ
ず、かつ有機バインダの膨張を考慮して昇温速度を小さ
くする必要がないため、大幅に成形体の脱脂・乾燥時間
が短縮化される。なお、押出成形法と比較すれば、バイ
ンダ量及び水量が低減されており、成形体の脱脂・乾燥
時間はやや短縮化される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明のセラミックス成形体の成形方
法を脱脂・乾燥工程、焼結工程を含めて具体化した実施
例を図面を参照しつつ説明する。｛混練工程｝まず、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末（平均粒径０．２μ
ｍ）１０ｋｇと、Ｙ₂Ｏ₃粉末（平均粒径０．２μｍ）
５００ｇと、Ａｌ₂Ｏ₃粉末（平均粒径０．１μｍ）５
００ｇとを用意する。Ｙ₂Ｏ₃粉末及びＡｌ₂Ｏ₃粉末
はＳｉ₃Ｎ₄粉末に対する焼結助剤である。これらをエ
タノール中で混粉し、乾燥させた後、解砕し、目開き５
００μｍの篩いを通してセラミック粉末とした。

【００１５】セラミック粉末１０ｋｇと、結合剤として
のメチルセルロース（信越化学（株）製ＳＭ４０００）
３００ｇとをエアーミキサーで混合し、混合粉を用意し
た。一方、水２９００ｇに分散剤としてのポリカルボン
酸アンモニウム１００ｇを添加し、分散剤添加水を用意
した。図１に示すように、上記混合粉１を加圧ニーダ２
に投入し、その後分散剤添加水３も投入した。こうし
て、２４時間混練し、粘土状の混練物４を加圧ニーダ２
から取り出し、１０℃で４８時間ねかした後、型内押出
工程に供した。

【００１６】なお、型内押出工程実施直前の混練物４
は、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末４４．９体積％、Ｙ₂Ｏ₃粉末１．
４体積％、Ａｌ₂Ｏ₃粉末１．８体積％、メチルセルロ
ース４．７体積％、ポリカルボン酸アンモニウム１．６
体積％及び水４５．６体積％であり、混練物４における
セラミック粉末とバインダとの体積比は、セラミック粉
末：バインダ＝１：１．１である。｛型内押出工程｝ステム部直径８ｍｍ、全長１２０ｍ
ｍ、傘部直径４０ｍｍのバルブ形状のキャビティ６ａを
もつ金型６を用意した。金型６の傘部底面には透明部材
６ｂが固着されている。また、この金型６にはブラケッ
ト９が接続され、このブラケット９はステム部の延びる
方向を軸とするモータ１０の回転軸に接続されている。

【００１７】この金型６のステム部先端に真空土練押出
機５のノズルをセットした。そして、混練物４を真空土
練押出機５の内部に投入し、スクリューで混練物４を混
練するとともにモータ１０で金型６を回転させつつ混練
物４を押出した。このときの押出圧力は１２０ｋｇ／ｃ
ｍ²、押出速度は１ｃｍ／秒である。また、モータ１０
による金型６の回転数は３０ｒｐｍである。

【００１８】こうして、混練物４がキャビティ６ａ内に
充填されたことを透明部材６ｂから目視により確認し、
その後１０秒経過させることによる保圧で混練物４をキ
ャビティ６ａ内において十分に賦形し、スクリュー及び
金型６の回転を止めた。この後、真空土練押出機５及び
ブラケット９を金型６から外し、金型６を脱型して成形
体７を得た。

【００１９】こうして、実施例の成形方法では、セラミ
ック粉末が上記割合の混練物４にされることにより従来
のものより硬くなるが、この混練物４が高圧力を負荷す
ることによりチクソトロピー性を大きくしているため、
キャビティ６ａ内において混練物４が好適に流動する。
また、このとき、金型６を混練物４の押出方向を軸とし
て回転させつつその混練物４を押出しているため、混練
物４はさらに流動性が大きくされている。したがって、
この混練物４は、押出の際の圧力により、表面にシワを
生じることなく、確実にバルブ形状のキャビティ６ａの
細部まで完全に充填され、同キャビティ６ａで賦形され
る。こうして、混練物４は、表面欠陥がなく、高密度に
充填された押出方向に太さの異なるバルブ形状の成形体
７に高い歩留りで成形される。｛脱脂・乾燥工程｝成形体７を昇温速度５０℃／時間で
５００℃まで加熱し、５００℃で３時間保持して脱脂・
乾燥した後、冷却した。こうして脱脂・乾燥開始から２
４時間で脱脂体８を得た。｛焼結工程｝脱脂体８を１６００℃×４時間、Ｎ₂雰囲
気中で常圧焼結し、焼結体を得た。２０個の焼結体全て
においてシワ、ミクロクラック等の欠陥がなかった。ま
た、焼肌での表面粗さはＲｍａｘ３０Ｓ（ｎ＝２０）、
ステム部の切り出し強度を測定したところ、σ_4b＝９７
０ＭＰａ（ｎ＝２０）であった。（比較例１）射出成形法で同様の焼結体を得るため、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄粉末４９．８体積％、Ｙ₂Ｏ₃粉末１．６体積
％、Ａｌ₂Ｏ₃粉末２．０体積％、ＡＰＰ２１．２体積
％、ＥＶＡ１４．２体積％及びパラフィン１１．２体積
％の混練物を用意した。この泥奬物におけるセラミック
粉末と有機バインダとの体積比は、セラミック粉末：有
機バインダ＝１：０．８である。

【００２０】この泥奬物を金型６のキャビティ６ａ内に
射出し、成形体を得た。なお、このとき、泥奬物は十分
な流動性があるため、金型６は回転させていない。この
成形体を昇温速度１℃／時間で４５０℃まで加熱し、４
５０℃で４時間保持して脱脂・乾燥した後、冷却した。
この場合には、脱脂開始から１４４時間で脱脂体が得ら
れた。

【００２１】この脱脂体を実施例と同様に焼結し、焼結
体を得た。この焼結体におけるステム部の切り出し強度
を測定したところ、σ_4b＝８１０ＭＰａ（ｎ＝２０）で
あった。（比較例２）金型６を回転させない点を除き、実施例と
同様に、成形体、脱脂体及び焼結体を得た。２０個の焼
結体のうち、１個の焼結体に数ｍｍの長さのシワが観察
された。また、焼肌での表面粗さはＲｍａｘ１５０Ｓで
あった。（評価）したがって、実施例の成形方法では、比較例１
の射出成形法と比較すれば、脱脂しにくい多量の有機バ
インダを採用せず、かつ有機バインダの膨張を考慮して
昇温速度を小さくする必要がないため、大幅に成形体の
脱脂・乾燥時間が短縮化できることがわかる。

【００２２】また、実施例の成形方法で得た成形体７
は、比較例１の射出成形法で得た成形体と比較して、有
機バインダ量が低減されているため、焼結体の強度の点
においても優れていることがわかる。さらに、実施例の
成形方法では、比較例２の成形方法と比較して、表面欠
陥がなく、高密度に充填された成形体を高い歩留りで成
形できるため、緻密な焼肌で高強度の焼結体が確実に得
られることがわかる。

【００２３】なお、セラミック粉末としては、Ｓｉ₃Ｎ
₄粉末の他に、ＳｉＯ₂粉末、Ａｌ ₂Ｏ₃粉末等を採用
することができる。結合剤としては、メチルセルロース
等のセルロース類の他に、でんぷん、アルギン酸ソー
ダ、デキストリン、にかわ、カゼイン、ゼラチン等の水
溶性接着剤、ＰＶＡ等の合成ゴム、天然ゴムなどを採用
することができる。ここで、結合剤はセラミック粉末１
００体積％に対して８．０〜１５．０体積％含有され
る。結合剤がセラミック粉末１００体積％に対して８．
０体積％未満であれば、成形体が乾燥後にクラックを生
じやすい。結合剤がセラミック粉末１００体積％に対し
て１５．０体積％を超えれば、結合剤が凝集しやすく、
焼結後のセラミックに強度欠陥が生じやすい。結合剤は
セラミック粉末１００体積％に対して８．０〜１５．０
体積％含有されることが好ましい。

【００２４】分散剤としては、ポリカルボン酸アンモニ
ウム塩の他に、アクリル酸オリゴマーＮＨ₄塩、アルギ
ン酸ソーダ、ポリアクリル酸ソーダ、アクリル酸７０重
量％とアクリル酸メチル３０重量％の共重合体オリゴマ
ーＮＨ₄塩などを採用することができる。ここで、分散
剤はセラミック粉末１００体積％に対して２．０〜８．
０体積％含有される。分散剤がセラミック粉末１００体
積％に対して２．０体積％未満であれば、混練物中でセ
ラミック粉末が分散されにくい。分散剤がセラミック粉
末１００体積％に対して８．０体積％を超えれば、可塑
性が高く、適度な粘土状の混練物が得られにくい。分散
剤はセラミック粉末１００体積％に対して２．０〜８．
０体積％含有されることが好ましい。

【００２５】水はセラミック粉末１００体積％に対して
７０．０〜１１０．０体積％含有される。水がセラミッ
ク粉末１００体積％に対して７０．０体積％未満であれ
ば、混練物が粘土状になりにくい。水がセラミック粉末
１００体積％に対して１１０．０体積％を超えれば、成
形体が乾燥後にクラックを生じやすく、キャビティ内で
賦形されにくい。水はセラミック粉末１００体積％に対
して７０〜１１０体積％含有されることが好ましい。

【００２６】混練物の押出圧力、押出速度、押出時間等
は、混練物のチクソトロピー性、キャビティの形状によ
り選択され得る。このうち、押出圧力は５０〜６００ｋ
ｇ／ｃｍ²を選択することができ、５０〜２００ｋｇ／
ｃｍ²の押出成形法よりも高く選択され得る。金型の回
転数は、１０ｒｐｍ以上が好ましく、３０ｒｐｍ以上が
より好ましい。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のセラミッ
クス成形体の成形方法では、特許請求の範囲記載の構成
を採用しているため、押出方向に太さの異なる三次元形
状の成形体を成形でき、かつその成形体の脱脂・乾燥を
比較的短時間で行い得るとともに、表面欠陥がなく、高
密度に充填された成形体を高い歩留りで成形することが
できる。

【００２８】したがって、この成形方法を採用すれば、
複雑形状かつ高強度のセラミック製品を安価かつ確実に
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の成形方法の工程を示す模式図である。

【符号の説明】４…混練物６…金型６
ａ…キャビティ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック粉末；１００体積％に対し、結
合剤；８．０〜１５．０体積％と、分散剤；２．０〜
８．０体積％と、水；７０．０〜１１０．０体積％とを
含有する粘土状の混練物を得る混練工程と、該混練物を金型における三次元形状のキャビティ内に押
出し、押出の際の圧力により該キャビティ内に該混練物
を充填するとともに該キャビティで該混練物を賦形する
型内押出工程と、からなり、該金型を該混練物の押出方向を軸として回転させつつ該
混練物を押出すことを特徴とするセラミックス成形体の
成形方法。