JPH11300713A

JPH11300713A - セラミックスの成形方法

Info

Publication number: JPH11300713A
Application number: JP10122740A
Authority: JP
Inventors: Giichi Umetsu; 義一梅津
Original assignee: Advance Co Ltd
Current assignee: Advance Co Ltd
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-11-02
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JP4116691B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小規模な設備投資で複雑な形状の層と層の間が
連続的に変化する多層構造セラミックス成形体等を得
る。【構成】原料セラミックスを含有したスラリーを極低温
に冷却した金属製鋳型にすばやく注入して瞬間凍結させ
る。この際、２種又はそれ以上のスラリーを連続的に１
つの注入機で吸引し、原材料を混在させておく。得られ
た凍結物を型から取りだし、これを凍結乾燥することに
より、複雑な形状の多層構造セラミックス成形体を得
る。【作用】従来の凍結鋳込み成形とは違い、あらかじめ鋳
型を極低温冷媒にて冷却しておくことにより、注入され
た多層セラミックススラリーを瞬間凍結させ、注入され
た形状を保持したまま凍結乾燥することが可能である。
また、短時間で凍結物を作製可能なので時間の短縮につ
ながる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複雑な形状のセラミック
ス成形技術に属し、大規模な初期投資を必要としない小
規模生産に利用可能である。また、大量生産にも対応可
能である。

【０００２】

【従来の技術】現在セラミックスはいろいろな産業分野
で応用されている。その応用形態は様々でそれにあわせ
た成型法が存在する。最も簡単な方法としては加圧成
型法がある。加圧成形法に利用される製造装置は一般に
自動化されており制御された特性を持つ成形体を得るこ
とができる。多くの電子セラミックス、構造用セラミッ
クスが加圧成型法で製造されている。大量生産を必要と
する部品では5000個/min程度の高速成形が可能である。
しかし、この成形方法は複雑な形状を作製することが極
めて困難であり、高速成形する装置は膨大な設備投資を
必要とする。鋳込み成型法は特別な機械装置を必要と
せず、鋳型があれば簡単に成形体を得ることが可能であ
る。このため、試験的な製品、小規模生産などに利用さ
れる。この方法では複雑な形状を製造することが可能で
あるが、使用するセラミックス粉末の粒径や種類に制限
があり、応用範囲は限られる。また、鋳込み成形には圧
力鋳込み、凍結鋳込み、遠心鋳込み、超音波鋳込み成形
などがある。凍結鋳込みとは普通の鋳込みでは困難な粗
大粒子を含む原料を鋳込むために考えられた方法であ
る。この方法はゴム型を使って成形した後にこれを凍結
させ、凍結乾燥させることにより成形体を得る。この方
法では鋳型であるゴム型ごと凍結させるために成型物は
凍結時に膨張し拡大する。また、大量に生産する場合に
は大量の鋳型が必要である。射出成形はプラスチックの
成形に広く利用されている方法であるが、近年セラミッ
クスの分野でも活躍している。複雑で高精度が要求され
ている製品の製造に適しており、大量生産が可能であ
る。この方法は非可塑性原料に対して15〜50％程度の樹
脂が必要であり、場合によっては使用できないセラミッ
クスがある。また、射出成型機は高価であり、大規模な
初期投資が必要となる。多層構造セラミックスの成型
法は加圧成形法で行うことが可能である。二種類かそれ
以上の粉末を型に入れて圧力を加える方法である。この
方法によれば２層以上の複合セラミックを成形すること
が可能であるが、層と層の界面ではそれぞれの層がはっ
きりと確認することができてしまうので、滑らかに次の
層に変化していくことを要求される製品には向いていな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では少額
の初期投資で複雑な形状のセラミックス成形体を得るこ
とは困難である。唯一、可能性がある方法としては鋳込
み成型法があげれるが、この方法では大量生産及び多層
構造化は困難である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記事項を鑑
み、少額の初期投資で複雑な形状のセラミックス成形体
を得ることが可能な成形方法を提供する。また、装置を
自動化することが容易であり、大量生産、多層構造化に
も対応可能である。

【０００５】本発明によれば、まず始めに原料となるセ
ラミックスに水又は結合剤とそれに適した水溶液を混練
し、スラリーを形成する。

【０００６】原料となるセラミックスは特に規定される
ものではなく一般的なアルミナ、安定化ジルコニア又は
部分安定化ジルコニアなどの各種酸化金属やその化合
物、さらにこれらの混合物でよい。好適に使用されるも
のとしてはアルミナ、安定化ジルコニア、部分安定化ジ
ルコニア、リン酸カルシウム、長石等がある。

【０００７】結合剤としてはポリビニルアルコール、ポ
リエチレンオキシド、澱粉、メチルセルロース、アルギ
ン酸ナトリウム、ヒドロキシエチルセルロースなどが挙
げられる。

【０００８】上述したスラリーを冷却した鋳型に注入す
る際、異なるセラミックスであれば、別々に注入するこ
とで足りるのであるが、図１で示す注入手段の使用によ
り、より簡単で、しかも個々の層の界面が適度に結合す
る様な複合層が得られる注入態様について説明する。
尚、図１は、あくまで一例であり、吸引、押し出し構造
を有すれば形状、構造、材質等は特に限定されるもので
はない。まず、得られたスラリーを注入機に充填する。
充填方法は特に規定されるものではないが、多層構造成
形体を製造する場合、排出口より１種類目のスラリーを
吸入後、連続して２種類目以降のスラリーを吸入するこ
とにより注入機内で適度に混入された状態で注入するこ
とが可能である。これら１種及び２種類以上のスラリー
が充填されている注入機を使用して鋳型に注入する。注
入機は、筒状の内部を長手方向に交互に摺動する摺動体
２と、当該摺動体２の一端と密接して接触し、その他端
を外部入出力を行う入出力口３を形成した貯留部１で形
成されるような注射器的な構造及び動作を有する。即
ち、摺動体２の一方向の摺動により、入出力口３は、吸
引力を発生させ、内部貯留部１の容積が増加すると共
に、外部セラミックススラリー等の液体を吸引貯留し、
摺動体２が逆方向へ摺動すると拡大した容積を持つ貯留
部１を圧迫する為、入出力口３より、貯留部１内の液体
を外部へ、放出する動作を行うものであって、以上一連
の動作を自動乃至手動で行うものである。注入機の大き
さは、一つの成形体が形成される程度の大きさから単一
のセラミックススラリーを使用する場合は、複数の成形
体が形成される程度の量を貯留する程度の大きさが好ま
しく、成形体の大きさにより適宜調整される。

【０００９】鋳型には腐食に強い金属好ましくは各種ス
テンレス合金、チタン、チタン合金、等を使用して、あ
らかじめ鋳型自体を液体窒素等の液体冷媒或いは冷蔵庫
等の電気的な冷却装置その他の冷却手段で極低温好まし
くは-20℃以下で冷却しておく。そして鋳型の上部には
スラリー注入用の注入口を広くあけておく。

【００１０】この極低温に冷却された鋳型のなかにスラ
リーをすばやく注入すると、１分以内に鋳型に則した凍
結物を得ることが可能である。従って、注入後、更に鋳
型を冷却する必要が必ずしもなく、そのまま、鋳型の冷
却状態を解除してもよいが、更に冷媒、冷凍装置による
冷却を継続して行っても良い。また、２種類以上のスラ
リーを注入機に混在させている場合、一番最後に注入機
に吸入したスラリーから順番に鋳型内に注入されてい
く。その結果、極低温に冷却されているために注入と同
時に凍結が開始され、注入した順番に則した多層構造凍
結体を得ることが可能である。この様に予め鋳型を冷や
して行うすばやいセラミックスの凍結操作により、成形
時間を短縮させることができ、更に成形体を鋳型から容
易に取り外し可能とし、次の乾燥工程の時間を短縮させ
ることが可能となる。それと同時に、注入機内ではスラ
リー同士が適度に混ざりあっているために、凍結体の層
と層は滑らかに連結されている。

【００１１】次に、得られた凍結体を室温又は高めに調
整される温度、好ましくは２０Ｐａ以下の減圧下、好ま
しくは２４〜４８時間で水分を昇華させることにより、
目的とする成形体を得る。尚、この様な圧力、温度、
時間の範囲は、目的とする成形体、結合剤、セラミック
スにより、適宜調整されるものであって、上述した値に
限定されるものではない。この工程は一般的な凍結乾燥
における工程を用いる事も可能である。

【００１２】上記のように本発明では注入機内に複数の
セラミックス原料を混在させて成形体を作製することが
可能である。この注入機内に複数のセラミックス原料
（スラリー状）を入れた場合、注入機に原料を注入後、
無振動で鋳型に流し込むことにより注入機に入れた順番
とは逆順で中心に向かって層を形成することが可能であ
る。また、注入機に原料を注入後、注入機に振動、回転
等適度に運動を加えた後に鋳型に流し込むことによりラ
ンダムな層を形成することも可能である。さらに、原料
セラミックスがスラリー状態であることを活かして、強
度強化材及び多孔質化材を均一に混入することが可能で
ある。強度強化材を混入することにより、セラミックス
成形体を焼成し、セラミックス焼結体とした際の強度向
上が期待できる。強度強化材としてはカーボンファイバ
ー、ガラスファイバー、セラミックスファイバー等が好
適に使用される。多孔質化とはセラミックス成形体を焼
成した際に多孔質化材が焼失することにより、セラミッ
クス焼成物が適度な気孔性を有することを意味する。多
孔質化材としてはスチロール、ラテックス、各種高分子
材料が好適に使用される。また、多孔質化材の替わりに
各種発泡剤を混入しても同様の効果を期待できる。当該
成形体は、所望により焼成される。当該焼成は、成形体
の目的により適宜行われるが、生体材料を成形する場合
は、好ましくは大気雰囲気において850〜1500℃の焼成
範囲で、例えば長石であれば、1〜30分、リン酸カルシ
ウムであれば24時間前後かそれ以上で行われることが好
ましいものであるが、これらの数値、炉内雰囲気、炉内
圧力に限定されるものではなく、当該数値、炉内雰囲
気、炉内圧力は、原材料の種類、成形体の大きさ、焼成
体の使用目的等により適宜設定される。

【００１３】

【実施例】実施例１セラミックス原料として長石、結合剤として澱粉水溶液
を適度に混練し、スラリーを作成した。そしてあらかじ
め約−８０℃の冷凍装置で冷却していたステンレス合金
製の鋳型に原料スラーリー３０ｃｃをすばやく注入し、
鋳型に則した凍結体を得た。この凍結体に約１０Ｐａの
減圧下で２４時間、脱水処理を施して乾燥し、図２で示
す成形体を得た。

【００１４】実施例２実施例１のセラミックス原料をリン酸カルシウム、結合
剤をポリビニルアルコールとして同様の操作をしたとこ
ろ良好な成形体を得ることができた。

【００１５】実施例３セラミックス原料Aとして真空焼成時に乳白色となるよ
うに金属を添加した長石、セラミックス原料Bとして真
空焼成時に肌色となるように金属を添加した長石、結合
剤として澱粉水溶液を適度に混練し、スラリー２種類を
作製した。注入機に原料Bを吸入後、連続的に原料Aを吸
入し、注入機内に２種類のスラリーを充填した。そして
あらかじめ液体窒素を用いて冷却していたチタン合金製
の鋳型に原料スラーリーを無振動で、すばやく注入し、
鋳型に則した１０ｇの凍結体を１０個得た。この凍結体
は図３で示すように２層に分離しており、内部に原料
B、これを覆うように原料Aが層となって現れている。こ
の凍結体を次に１０Ｐａの減圧下で２４時間、脱水処理
を施して乾燥させ多層構造成形体を得た。

【００１６】

【発明の効果】上記のように本発明は基本的に特別な
機械装置を用いることなく複雑な形状のセラミックス成
形体を得ることが可能である。また、これら成形体を多
層構造化することも容易で様々な分野での応用が検討で
きる。そして、注入機、鋳型冷却装置、凍結乾燥機等の
装置を自動化することにより、大量生産にも対応可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】注入機の一例を示す図である。

【図２】本発明で製造された成形体の一例を示す図であ
る。

【図３】本発明で製造された成形体の他の一例を示す図
である。

【符号の説明】

１貯留部２摺動部３入出力口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料セラミックススラリーをあらかじめ極
低温冷却しておいた鋳型に注入し、これを瞬間凍結させ
ることにより凍結物を作製し、これを減圧下で水分を昇
華させることにより成形体を作製するセラミックス成形
体の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の原料セラミックスが酸化金
属及びその化合物、またはこれら２種類以上の混合物で
ある請求項１記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項３】単一乃至複数のセラミックススラリーを層
状に貯留した貯留体を形成した後、前記貯留体内の層状
セラミックススラリーを特定の方向で前記鋳型に注入す
る請求項１に記載のセラミックスの成形方法。
【請求項４】前記貯留体は、吸引と押し出しの２つの動
作を行うことが可能な駆動部と前記駆動部に連接する貯
留部とを有し、前記セラミックススラリーを駆動部の吸
引動作により吸引し、貯留部へ貯留させ、これを必要に
応じて繰り返す事により、単一乃至複数のセラミックス
スラリー層を当該貯留部に形成した後、駆動部の押し出
し動作により、貯留部内のスラリーを前記鋳型へ押し出
し注入する請求項３に記載のセラミックスの成形方法。