JPH0571533B2

JPH0571533B2 -

Info

Publication number: JPH0571533B2
Application number: JP63037206A
Authority: JP
Inventors: Kimya Kato
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1993-10-07
Also published as: JPH01212263A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］本発明はセラミツクスの加工方法、特に低コス
トで加工能率のアツプしたセラミツクスの加工方
法に関する。［従来の技術］窒素珪素、炭化珪素、部分安定化ジルコニアな
どのセラミツク材料は高耐熱性、高耐摩耗性、高
硬度、高耐食性等の優れた特性を有している為、
機械部品の一部として使用されてる、これらのセ
ラミツクスは相次ぐ改良、および設計の適性化な
どによつてその利用分野は広がりつつある。しか
し、これらのセラミツク材料は本質的に硬脆性で
ある為加工が困難で、その結果加工の信頼性が不
足したり、加工コストが高くなる等の問題があ
り、実用化の完全な成功に至つていない。このようなセラミツク材料を所望の形状に成
形、加工する方法として、従来よりセラミツクス
を焼成した後、湿式研削加工する方法、あるいは
セラミツク成形体を仮焼後、乾式切削加工を施
し、次いでこれを焼成する方法が行われている。［発明が解決しようとする課題］しかしながら、セラミツクスを焼成後、湿式研
削加工する方法によれば、焼成後のセラミツクス
は緻密に焼結してあるので、研削点への冷却媒体
のかかりが悪く、その結果一般に用いられている
ダイヤモンド砥石に焼付きが生じて、継続して加
工する事が困難となる問題があり、度々ダイヤモ
ンド砥石のドレツシングあるいはトルーイングを
必要とした。またセラミツクスを焼成後湿式研削加工する方
法によれば、焼成後のセラミツクスは緻密に焼結
してあり、かつJISR1601に従つて測定した四点
曲げ強度（以下、強度という）は通常40〜150
Kg／mm²、スープ硬度（以下、硬度という）は1500
〜2500Kg／mm²を有するので、切込を大きくしてセ
ラミツク焼結体に一度に多量の脆性破壊を引き起
こす事が難しく、その結果セラミツクの研削加工
は加工能率の低い加工法に甘んじなければならな
いという問題があつた。またセラミツクスを焼成後湿式研削加工する方
法によれば、セラミツクスの研削加工は本質的に
脆性破壊をセラミツクスに起こしつつ進行する
為、粒径の大きい砥粒を用いた砥石を用いると加
工表面に脆性破壊で生じたクラツクが残留した
り、加工変質層が生成したりする問題があつた。またセラミツクスを焼成後湿式研削加工する方
法によれば、焼成後のセラミツクスは緻密に焼結
してあり、かつ強度は40〜150Kg／mm²、硬度は
1500〜2500Kg／mm²を有する硬脆材料であるので、
ダイヤモンド砥石の砥粒切刃をセラミツクスに深
く食い込ませて研削加工を行う為には、用いる研
削機械は剛性の高い装置が要求され、その結果高
額な設備投資を必要とする問題があつた。一方、セラミツク成形体を仮焼したセラミツク
仮焼体に乾式加工を施し、次いでこれを焼成する
方法によれば、一般に加工工具として超硬製のバ
イトガ好ましく用いられるが、セラミツク仮焼体
の切屑は粉状である為切屑によるバイトの摩耗が
激しく、度々バイトのトルーイングをする必要が
あるという問題があつた。また、セラミツク成形体を仮焼したセラミツク
仮焼体に乾式加工を施し、次いでこれを焼成する
方法によれば、セラミツク仮焼体は脆いが軟らか
いので機械加工は容易となるが、工具刃先がすぐ
に摩耗する結果、切削点で素材にチツピングが発
生し易く、その結果セラミツク仮焼体にクラツク
やチツピングが残存する問題があり、従つて焼成
後のセラミツクスは加工代を沢山残しておく必要
があつた。また、セラミツク成形体を仮焼したセラミツク
仮焼体に乾式加工を施し、次いでこれを焼成する
方法によれば、超硬製のドリル等を用いる穴あけ
加工では切屑の排出が悪く、刃先に堆積し刃を摩
耗させると同時に、切屑が互いにころがり素材を
砂摺りするので、寸法形状精度が悪くなる問題が
あつた。以上述べた諸問題がエンジニアリングセラミツ
クスの機械部品にあるので、加工費の占める割合
は40〜70％に達すると云われており、ここにエン
ジニアリングセラミツクスの利用分野に限定があ
るという問題があつた。［課題を解決するための手段］そこで本発明者は上記従来の問題点を解決する
為鋭意研究した結果、セラミツク仮焼体を湿式加
工する方法を確立することにより、前記欠点を解
消できることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明によれば、セラミツク成形体を
仮焼して、仮焼後におけるセラミツク仮焼体の平
均細孔径が0.04〜0.3μｍ、全細孔容積が0.1〜0.3
c.c.／ｇで、且つ四点曲げ強度を２〜20Kg／mm²とし
た後湿式加工し、次いで焼成することから成るセ
ラミツクスの加工方法、が提供される。本発明においては、セラミツク成形体を特定の
物性を有するごとく仮焼した後湿式加工を施すこ
とに特徴がある。即ち、セラミツク成形体を平均
細孔径が0.04〜0.3μｍ、好ましくは0.04〜0.2μｍ
であり、しかも全細孔容積が0.1〜0.3c.c.／ｇで、
セラミツク仮焼体から切り出した試験片を
JISR1601に従つて測定した四点曲げ強度が２〜
20Kg／mm²となるように仮焼し、このセラミツク仮
焼体を湿式加工するのである。ここで湿式加工とは研削油、水等から選択され
た冷却媒体を研削点に供給しつつダイヤモンド砥
石によりセラミツクスを研削加工することをい
う。研削はフライス盤、平面研削盤、内面研削
盤、円筒研削盤、マシニングセンター等の装置を
用いて行うことができる。また、上記平均細孔径や全細孔容積の測定は、
水銀圧入式ポロシメーターを用いて行つた。セラミツク仮焼体の平均細孔径が0.04μｍより
小さい場合は、セラミツク仮焼体を構成するセラ
ミツク粒子同志の結合力が弱く、加工中に脱粒に
よる空洞が湿式加工面に生じたり、又仮焼体の強
度が小さので仮焼体の保持方法が難しいという問
題があつて好ましくない。一方、セラミツク仮焼体の平均細孔径が0.3μｍ
より大きい場合は、冷却水中に浮遊する削り屑や
鉄錆等の不純物が細孔中に入り焼成後、不良の原
因となる為好ましくない。またセラミツク仮焼体の全細孔容積が0.1c.c.／
ｇより小さい場合、仮焼体はより緻密に焼結した
状態になつて仮焼体に強度が賦与される為研削比
が小さくなるという問題があり好ましくない。一方、セラミツク仮焼体の全細孔容積が0.3
c.c.／ｇより大きい場合は、仮焼体の強度が著しく
小さくな仮焼体をチヤツク保持する時に仮焼体に
クラツクが入るので好ましくない。また、セラミツク仮焼体の四点曲げ強度が２
Kg／mm²以下である場合は、セラミツク仮焼体は加
工中に破損したり、取扱い中にクラツクが入る等
の問題があるため好ましくない。更にセラミク仮焼体の四点曲げ強度が20Kg／mm²
以上である場合は、研削比が著しく低下するため
高能率な加工が得られず好ましくない。本発明によるセラミツク仮焼体な適度な強度を
持ち、かつポーラスであるので湿式加工の際、研
削点まで冷却水が侵入することにより、切刃を充
分に冷却できるのであり、その結果ダイヤモンド
砥粒の焼付きが生せず、ダイヤモンドの切刃は健
全な状態を維持できる為、研削比としては焼結体
の湿式加工に比べて５〜30倍も増大するのであ
る。さらに、研削速度（即ち、除去速度）を大き
くし、負荷をかけて加工した場合であつても、セ
ラミツク仮焼体がポーラスで冷却が充分行われる
為、焼結体の湿式加工に比べてはるかに研削能率
は向上するのである。更に、セラミツク仮焼体は
ポーラスであるので、例えクラツクが生じてもす
ぐに気孔にトラツプされて大きなクラツクが生じ
難くなる。また、一度用いた冷却水を循環して用いた場合
に見られるように、汚れた冷却水を用いて加工し
ても焼結体に異物が発生する事はない。これは細
孔径が異物の径より小さい為、異物は仮焼体表面
で濾過され内部に浸透しない為と考えられる。従つてセラミツク成形体の仮焼は、セラミツク
仮焼体の平均細孔径が0.04〜0.3μｍ、全細孔容積
が0.1〜0.3c.c.／ｇで且つ四点曲げ強度が２〜20
Kg／mm²になるように仮焼する条件を決めて仮焼す
る事が重要である。このような細孔持性及び強度特性をセラミツク
仮焼体に付与するための仮焼温度としては、セラ
ミツクスとして常圧窒化珪素を用いる場合は、
800〜1450℃、好ましくは1000〜1350℃の範囲が
採用される。また炭化珪素を用いる場合は1000〜
1700℃、好ましくは1400〜1600℃の範囲、さらに
部分安定化ジルコニアを用いる場合は700〜1200
℃、好ましくは800〜1100℃の範囲が採用される。なお、仮焼温度が低くすぎる場合は、湿式加工
中に研削液圧の影響で仮焼体にピンホールや欠け
が発生するため好ましくない。また、このような細孔特性及び強度特性をセラ
ミツク仮焼体に発現させる為には、成形工程でポ
リビニールアルコール、メチルセルロース等の有
機バインダーを過多に配合する等の手法により行
う事も可能である。また、本発明に用いるセラミツクスとしては窒
化珪素、炭化珪素、部分安定化ジルコニアより選
ばれる、いわゆる難削材と呼ばれるセラミツクス
が好ましい。これらのセラミツクスは焼成後の強
度が非常に高い為に、特に本発明において有効で
ある。また本発明の仮焼の温度範囲ではセミツク
ス仮焼体の収縮率は、0.2％程度であるので、予
め焼成後の収縮率を確認して、その収縮率を見込
んだ寸法にセラミツクス仮焼体を加工すれば、寸
法精度の高い焼成体を得る事が可能となる。ま
た、焼成体の焼成面には加工による有害な欠陥が
発生しにくいため、高品質の表面を得る事が可能
になるので、焼成後に必要部位のみ湿式研削加工
をすればすむ為、セラミツクの加工コストの低減
に大いに寄与するものである。以上の通り、本発明ではセラミツク成形体を仮
焼後、湿式加工することにより所望の形状に加工
するのであるが、次いで焼成を行う。そしてその焼成条件はセラミツクの種類、使用
目的などに応じて適宜決定される。例えば、窒化
珪素焼結体を使用する場合は焼結温度が1600〜
1800℃で、窒素ガス雰囲気中での焼成が好まし
い。また炭化珪素焼結体を使用する場合は、焼成
温度が1900〜2200℃でアルゴン雰囲気中での焼成
が好ましい。また部分安定化ジルコニア焼結体を使用する場
合は1300〜1500℃で空気中での焼成が好ましい。またセラミツク成形体の製法としては、押出成
形、射出成形、プレス成形、鋳込成形のいずれの
方法にも適用可能である。［実施例］以下、実施例に基ずいて本発明を更に詳細に説
明するが、本発明がこれら実施例に限定されない
ことは明らかであろう。（実施例、比較例）粒子径1.0μｍの窒化珪素粉末90重量部に、焼結
助剤として酸化マグネシウム粉末６重量部、酸化
セリウム粉末４重量部、炭酸ストロンチウム粉末
２重量部を配合したセラミツク原料粉末100重量
部に、成形助剤としてポリビニールアルコール３
部、水40重量部を添加したスラリーを調製し、噴
霧乾燥法により顆粒を調製した。顆粒を金型に入
れ、圧力200Kg／cm²で一軸加圧し、60×60×15^tmm
の試料に成形して、次にラバープレス法により
2.5ton／cm²の圧力をかけた後、空気中500℃でバ
インダーを飛散除去し、更に窒素雰囲気下で950
℃、1150℃、1250℃、1400℃で仮焼しセラミツク
仮焼体を得た。セラミツク仮焼体の細孔特性及び
強度特性を表−１に示す。次にセラミツク仮焼体を平面研削盤を用い、切
込量30μｍ／回、クロスフイード量1.5mm／回、被
削材速度20ｍ／minの条件でレジノイドダイヤモ
ンド砥石（砥粒粒度＃140）により湿式トラバー
ス研削加工を行い研削比を求めた。一方、前記試料を仮焼せずに、窒素雰囲気下
1650℃で１時間焼成し、密度3.2ｇ／cm³の緻密な
焼結体を得、前記した加工を行い研削比を測定
し、セラミツク仮焼体の研削比と比較した。さら
に950℃で仮焼したセラミツク仮焼体を乾式で加
工しその加工性を調べた。その結果、本発明によるセラミツク仮焼体の湿
式研削加工の方が焼結体の研削加工より研削比と
して10〜25倍優れていた。また乾式加工では砥石
に目詰まりが生じ加工できなかつた。次に湿式加
工したセラミツク仮焼体の試験片を窒素雰囲気下
1650℃で１時間焼成し、密度3.2ｇ／cm³の緻密な
焼結体を得た。試料の外観を観察したところ、異
物の混入やクラツク等の有害欠陥は検出されず、
全て健全な焼結体であつた。次に、粒子径0.7μｍの炭化珪素粉末96重量部
に、焼結助剤としてアモルフアスカーボン粉末３
重量部、炭化硼素粉末１重量部を配合したセラミ
ツク原料粉末100重量部に、成形助剤としてポリ
ビニールアルコール２部、水35重量部を添加した
スラリーを調製し、噴霧乾燥法により顆粒を調製
した。顆粒を金型に入れ、圧力200Kg／cm²で一軸
加圧し、60×60×15^tmmの試料を成形した。次に
ラバープレス法により2.5ton／cm²の圧力を加えた
後、Arガス中300℃でバインダーを飛散除去し、
更にArガス中で1500℃、1600℃、1700℃で仮焼
しセラミツク仮焼体を得た。セラミツク仮焼体の
細孔特性、強度特性を表−１に示す。次にセラミツク仮焼体を前記の湿式トラバース
研削にかけ研削比を求めた。一方、前記試料を仮焼せずにAr雰囲気下、
2100℃で１時間生焼成し、密度3.1ｇ／cm³の緻密
な焼結体を得、同様の方法で研削比を測定しセラ
ミツク仮焼体の研削比と比較した。その結果、本発明によるセラミツク仮焼体の湿
式加工の方が、焼結体の研削加工より研削比とし
て15〜24倍優れていた。次に湿式加工したセラミ
ツク仮焼体の試験片をAr雰囲気下2100℃で１時
間焼成し、密度3.1ｇ／cm³の緻密な焼結体を得た。
試料の外観を観察したところ、異物の混入やクラ
ツク等の有害欠陥は検出されず、全て健全な焼結
体であつた。次に、粒子径0.5μｍのジルコニア粉末96.5モル
％に酸化イツトリウム3.5モル％を配合したセラ
ミツク原料粉末100重量部に、成形助剤としてポ
リビニールアルコール１部、水40重量部を添加し
たスラリーを調製し、噴霧乾燥法により顆粒を調
製した。顆粒を金型に入れ、圧力200Kg／cm²で一軸加圧
し、60×60×15^tmmの試料を成形した。次にラバ
ープレス法により2.5ton／cm²の圧力を加えた後、
空気中850℃、950℃、1050℃で仮焼し、セラミツ
ク仮焼体を得た。セラミツク仮焼体の細孔特性、強度特性を表−
１に示す。次にセラミツク仮焼体を前記の湿式トラバース
研削にかけ研削比を求めた。一方、前記試料を仮焼せずに空気中1430℃で２
時間焼成し、密度5.9ｇ／cm³の緻密な焼結体を得、
同様の方法で研削比を測定し、セラミツク仮焼体
の研削比と比較した。その結果、本発明によるセラミツク仮焼体の湿
式加工の方が焼結体の研削加工により研削比とし
て８〜11倍優れていた。次に湿式加工したセラミ
ツク仮焼体の試験片を空気中1430℃で２時間焼成
し、密度5.9ｇ／cm³の緻密な焼結体を得た。試料
の外観を観察したところ、異物の混入やクラツク
等の有害欠陥は検出されず、全て健全な焼結体で
あつた。

【表】

【表】［発明の効果］以上説明したように、本発明のセラミツスの加
工方法によれば、加工能率が大幅にアツプすると
ともに、研削比が大きく、低コストの加工を行う
ことができるという利点がある。さらに、本発明によれば容易に加工できるの
で、低剛性の装置が使用できるというメリツトも
ある。さらに、本発明によれば、欠陥の少ない高品質
の加工面を得ることが出来る。

Claims

【特許請求の範囲】

１セラミツク成形体を仮焼して、仮焼後におけ
るセラミツク仮焼体の平均細孔径が0.04〜0.3μ
ｍ、全細孔容積が0.1〜0.3c.c.／ｇで、且つ四点曲
げ強度を２〜20Kg／mm²とした後湿式加工し、次い
で焼成することから成るセラミツクスの加工方
法。