JPH0829533B2

JPH0829533B2 - セラミツクス柱状物の製造方法

Info

Publication number: JPH0829533B2
Application number: JP4018987A
Authority: JP
Inventors: 修中川; 俶博松本; 幸一小野
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1987-02-25
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPS63207607A

Description

【発明の詳細な説明】〔定義〕本明細書で使用する用語を以下のとおり定義する。

セラミックス粉末：セラミックス製造用原料粉末。

セラミックス泥漿：セラミックス粉末に水および必要に
応じて分散剤，バインダー等の樹脂分を加えてえられた
スラリーであって、泥漿鋳込成形法の原料スリップ。

セラミックス成形体：セラミックス粉末に水および必要
に応じて分散剤，バインダー等の樹脂分を加えてえられ
た成形用組成物を成形処理してえられたもの。

これを焼結することにより、焼結体（セラミックス）が
えられる。

一方向性凝固法：一部の面のみが吸水性材料からなり、
残りは水不透過性材料からなる成形型を使用する泥漿鋳
込成形法。吸水、すなわち凝固が一方向のみになされ
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、セラミックス柱状物を製造する方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

柱状のセラミックス成形体は、プレス成形法，押出し
成形法，射出成形法，鋳込成形法等の、いずれの成形法
によっても製造することができる。プレス成形法は小物
から大物まで製造範囲は広いが、一般に旋盤加工やフラ
イス盤加工等の仕上げ加工を必要とし、特に複雑な形状
になればなる程、多様な仕上げ加工を必要とする。押出
し成形法は、円柱状物，角柱状物等、単純柱状物の成形
に有利であり；射出成形法は、複雑な形状のものの製造
に適用される例が多いが、両者とも、バインダー，可塑
剤等の多量の樹脂分を添加して成形を行うため、成形条
件（温度，圧力等）と脱脂条件を中心に多くの技術的ノ
ウハウが要求される。そして、厚物（大物）になればな
る程、所定の寸法，形状のセラミックスをうるのがむつ
かしくなる。鋳込成形法においては、簡便かつ安価な設
備で複雑な形状のものや大型品が仕上げ加工を行うこと
なく成形できること、かつ添加樹脂分が少ないため脱脂
工程が短縮できることなど多くのメリットを有する。し
かし同時に問題点もある。

すなわちセラミックス粉末の泥漿を用いた固形鋳込み
成形体をえる場合、セラミックス粉末に分散剤，バイン
ダー，水等を加えてpH及び粘度調整を行いながら充分混
合を行い、得られた泥漿を吸水性のある多孔質成形型の
所望の形状をしたキャビティ内に、加圧下もしくは常圧
下に鋳込むことにより、成形を行っている。しかし、成
形型がすべて石膏等の非弾性の多孔質体の場合、特に形
状が複雑になったり、肉厚になったりすると、泥漿の着
肉が均一になるように鋳込ゲートを含めた成形型の設計
に工夫が要求されるし、脱型時にキレや欠けが生じやす
い形状物においては脱型を容易にするため多分割成形型
にしなければならない。多分割型にすると当然ながら成
形体にバリが生じ、これがキレを生じさせたりして製品
の歩留りに多大の悪影響を与える。このため、できるだ
け分割型にしないで複雑形状成形体をえる方法が望まれ
ている。

この従来の泥漿鋳込成形法の改良法として、一方向性
凝固法が提案されている。（特開昭60−92806号公報，
同60−230804公報，同61−252102公報，同61−274903号
公報等）。しかし、この方法による場合、柱状の成形体
はえられても、それを焼結するとえられるセラミックス
が柱状とならないことを本発明者らは見出した。すなわ
ち、製品の複雑な形状の部分の成形型を水不透過性の軟
質ゴム型で製作し、製品の平坦部、もしくはそれに類す
る単純な形状の部分の成形型を石膏や多孔性を有する金
属，樹脂等で製作し、この部分において泥漿の脱水を行
わせることにより、複雑な形状の部分の成形型を多分割
型にすることなく、バリの発生を防ぐ一方で、ゴムの弾
性を利用して成形品の取出しをスムーズに行うことがで
きる。成形型の作製方法としては乾燥，焼結による収縮
率を考慮した実物のモデル（原型もしくはマスターと称
する）を作製してから、複雑形状部に液状ゴム等を、単
純形状部に石膏等を流し込んだ後、これを硬化させて成
形型をえる方法が簡便である。

ところが本発明者らが、この一方向性凝固法によって
セラミックス柱状物の製作を試みたところ、以下のよう
な致命的な問題があることがわかった。すなわち、一方
向性凝固法の場合、吸水性材料の面から遠くなる程着肉
充填密度が小さくなり、このため焼結における収縮が著
しくなる傾向があり、微細な粉末を使用した場合程、こ
の傾向が強い。このため焼結品の寸法精度が悪く、例え
ば均一径を有する円柱状物を原型にして成形品をえてこ
れを焼結した場合、柱状物の上底部の径が下底部の径よ
り小さくなる現象が生じる。これは焼結体の密度は均一
であるが、上記のように成形体密度が上底部にゆくほど
小さくなり、このため収縮率が上底部では大きく下底部
では小さくなるためである。この結果図５に示すように
製品にテーパーが生じる。

このテーパーの角度は、製品が大きくなる程大きくな
る傾向にある。このため必要に応じて仕上げ研削を行わ
ねばならないが、大変面倒である。

そこで本発明者らは、焼結後に生じるテーパー角度を
あらかじめ考慮して、その逆方向のテーパーを有する原
型を作製した後、この原型をもとにして成形型を作製
し、鋳込成形を行ったところ均一な径を有する柱状物が
えられることがわかった。しかし、単純な柱状物におい
ては若干のテーパーを有する原型を作製することは必ず
しも不可能ではないが、複雑形状物においてこの原型を
作製することはきわめて困難であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記従来法がもつ欠点を解消するこ
と、すなわち形状が単純であっても、また複雑であって
も寸法精度のよいセラミックス柱状物を簡単に製造する
ことができる方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の要旨は、（ａ）柱状の原型によって下底面以外の面が水不透過性
材料からなる成形型を製作し、（ｂ）下底面が吸水性材料からなり、残りが（ａ）でえ
られた水不透過性材料の成形型からなる成形型を使用し
て、泥漿鋳込成形法によって、セラミックス成形体を製
作し、（ｃ）（ｂ）でえられた成形体を焼結して、焼結体を製
作し、（ｄ）（ｃ）でえられた焼結体を、その大きいほうの底
面を上にし、小さいほうの底面を下にして、これを原型
として下底面以外の面が水不透過性材料からなる成形型
を製作し、（ｅ）下底面が吸水性材料からなり、残りが（ｄ）でえ
られた水不透過性材料の成形型からなる成形型および
（ｂ）で使用したのと実質的に同じ組成のセラミックス
泥漿を使用して、泥漿鋳込成形法によってセラミックス
成形体を製作し、（ｆ）（ｅ）でえられた成形体を、（ｃ）と実質的に同
じ焼結条件で焼結して焼結体を製作することからなるセ
ラミックス柱状物の製造方法にある。

この方法は焼結体を２段階でえる方法であり、収縮を
２度考慮せねばならない為、原型のサイズが大きくなる
が、複雑形状柱状物に対し広範囲に適用可能である。

本発明によれば、円柱，三角柱，四角柱等の単純な形
状のものは勿論、たとえば歯車，ダイス等として使用し
うるような複雑な形状のものをも製造することができ
る。上記（ａ）で使用する柱状の原型は、目的とするセ
ラミックス柱状物と同じ形状のものにすればよいが（焼
結体を研削，研磨して仕上げることを考慮して、似た形
状でよい場合もある。）、（ｃ）および（ｆ）の２回の
焼結によって収縮するので、原型の大きさはこの縮み代
を考慮して設定しなければならない。この原型の材料
は、たとえば金属，木材，合成樹脂等いずれでもよい
が、寸法精度および表面精度のよいセラミックス柱状物
をうるためには、表面に傷がつきにくく、かつ寸法精度
等をあげることができるという理由で金属がよい。

（ｂ）と（ｅ）とにおけるセラミックススラリーの組成
および（ｃ）と（ｆ）とにおける焼結条件は、互に実質
的に同じでなければならない。そうでなければ、（ｆ）
で寸法精度のよい柱状物がえられないからである。セラ
ミックススラリー中のセラミックス粉末としては、アル
ミナ質，ジルコニア質，ムライト質，窒化珪素質，炭化
珪素質等泥漿鋳込成形法を適用しうるいずれのものでも
よい。（ｂ）および（ｅ）におけるセラミックススラリ
ー中のセラミック粉末以外の成分・組成ならびに（ｂ）
および（ｆ）における焼結は、それぞれセラミックス粉
末の種類およびセラミックス成形体の組成に応じて、い
ずれも慣用の泥漿鋳込成形法および焼結条件を選べばよ
い。

（ｂ）および（ｅ）で使用される吸水性材料は、泥漿鋳
込成形法で慣用されている石膏や連続空隙をもつ金属，
合成樹脂等でよい。（ｂ）と（ｅ）とにおけるこの材料
は、かならずしも同種のものでなくともよいが、別種の
ものとすべき理由はない。むしろ、同種のものとしたほ
うが収縮率等が同一になりしかも簡便である。

（ａ）および（ｄ）において、水不透過性の成形型を製
作する際に原型を載せる材料は、平らな面をもつもので
あれば何でもよいが、ただ吸水性材料を使用して、それ
をそのまま次の（ｂ）および（ｅ）で使用してもさしつ
かえない。

（ａ）および（ｄ）における水不透過性材料は、次の
（ｂ）および（ｅ）でキャビティが柱状を保つものであ
ればよい。（もっとも、（ａ）と（ｄ）とにおけるもの
が同種である必要はない。）しかし、これを軟質ゴムと
すれば、前述のとおり、原型が複雑な形状であって、成
形型が多分割型でなくとも、その成形型を壊すことな
く、原型や（ｂ）および（ｅ）においてセラミックス成
形体を容易に取出すことができ、したがって、（ｂ）お
よび（ｅ）でバリ，キレ，欠け等を生じさせることなく
セラミックス成形体をうることができる。また、（ｂ）
および（ｅ）における吸水完了後成形体がわずかながら
収縮する。成形型が硬質であると、この収縮により、成
形体が型から離型し始める。このとき成形体形状が複雑
であると成形体の一部が型に接触し、収縮が進むにつ
れ、この部分に大きな応力が加わるためキレが生じやす
くなる。しかし成形型が上記のような軟質のもの、とく
にゴムであれば、上記のような成形体の収縮があって
も、成形体表面と成形型表面とが密着した状態で、ゴム
型自身も縮むため、上記のようなキレは生じない。（凝
固完了後は、成形体表面を傷つけることなく、成形型か
ら容易にはずすことができる。）さらに、（ｄ）および
（ｅ）において、成形型から原型または成形体をはずす
際の成形型のキャビティ，原型および成形体はいずれも
下底面が上底面よりも小さく、かつ成形型が原型または
成形体の側面および上底面を覆っているので（図６およ
び図７参照）、単純な形状の場合でも成形型が硬質であ
ると、多分割型でなければ成形型を壊すことなく原型ま
たは成形体からはずすことはできない。成形型が上記の
ような軟質のものとくにゴムであれば、複雑な形状の場
合でも、多分割型でなくても容易にはずすことができる
のである。

上記の水透過性材料の成形型をうるには、たとえば、
粉末または液状の合成高分子物質、このましくは液状シ
リコーンゴム，液状ウレタン，液状クロロプレン等の液
状ゴムを硬化剤とともに、原型のまわり（側面および上
底面）に注いで硬化させればよい。

前述から明らかなように（ｃ）の焼結によって、上底
面が下底面より小さい、極端に表現すれば、錐台体がえ
られる。（ｄ）では、これを逆にして成形型をつくるの
で、この成形型を用いて（ｅ）でえられる成形体は、大
きいほうの底面に近いほど、焼結によってより縮みやす
いものとなる。かくして（ｆ）において、寸法精度のよ
い柱状体がえられるのである。

実施例１歯数20,モジュール1.5,歯底円直径26mm,ピッチ円直径
30mm,歯先円直径33mm,高さ15mmの市販のSUS304製平歯車
（図１）および外径56mm,内径50mm,高さ30mmのアクリル
樹脂製円筒を直径100mm,高さ80mmの充分乾燥した円柱状
石膏型の上に、上記平歯車および円筒の各中心線が石膏
型の中心線にくるように置いた（図２）。

つぎに、硬化剤を1wt％添加した液状シリコーンゴム
（ダウ・コーニング社製シラスコンRTV8000）を、充
分脱泡させてから、上記のアクリル円筒内に流し込んだ
（図３）。

ゴムが硬化したのち、原型歯車を取出し、えられたゴ
ム型の上底面の中央部にセラミックススラリーの流し込
み口、すなわちゲートをカッターで切り取り、再び石膏
型の中央部に置いた。

次にY₂O₃モル％を含むジルコニア粉末（東洋曹達工業
（株）製 TZ−3YS）470g,ポリカルボン酸系分散剤（東
亜合成（株）製 A6114。固形分40wt％）5.7g,アクリル
エマルジョン系バインダー（三井東圧（株）製 WA32
0。固形分40wt％）5.7g、および純水110gを１ナイロ
ン製ポット中で、直径15mmのアルミナボールで16時間混
合して泥漿をえた。これを充分脱泡させて、上記ゲート
から注ぎ込んだ（図４）。着肉が完了したのち、ゴム型
から成形体を取出し、乾燥したのち、脱バインダーを行
って、1500℃で２時間空気中で焼結した。えられた焼結
体の線収縮率は、下底部で18.0％，上底部で18.7％であ
った。高さは、12mmに縮んでいた。

この上底部を平面研削によって平らにしたのち、この
面を上記石膏型に接するように設置して（図６）、上記
の成形型の作製から焼結までの操作を繰返して、歯数2
0,モジュール1.0,歯底円直径17.3mm,ピッチ円直径20mm,
歯先円直径22.0mm,高さ9mmの柱状のジルコニアセラミッ
クス製の平歯車をえた。

実施例２柱状原型として、SUS304を素材として放電加工によっ
て製作した歯数14,外径99.3mm,歯底円直径79.5mm,ピッ
チ円直径66.2mm,歯先円直径56.7mm,厚み20mmのインタナ
ルギア；セラミックススラリーとして、アルミナ粉末
（住友化学（株）製 AKP−30）3kg,アクリル系分散剤2
2.5g（日本化薬（株）製Ｃ−34N。固形分40wt％），
アクリルエマルジョン系バインダー（三井東圧（株）製
WA320。固形分40wt％）37.5gおよび純水720gからなる
ものを7.5lアルミナポット中で、直径25mmのアルミナボ
ールで16時間混合したもの；石膏型として、直径200mm,
高さ100mmのもの；アクリル樹脂製円筒として、外径138
mm,内径130mm,高さ40mmのものを用いる以外は、実施例
１と同じ条件で歯数14,モジュール3.5,外径73.5mm,歯底
円直径58.8mm,ピッチ円直径49.0mm,歯先円直径42.0mm,
高さ14.8mmの柱状のアルミナセラミックス製インタナル
ギアを製作した。

最終製品をえるための原型となったアルミナ焼結体
は、線収縮率が下底部で13.2％，上底部で14.7％であ
り、高さは17mmであった。その外側部，歯底部および歯
先部の側線のテーパー角度は、それぞれ2.5°,2.0°お
よび1.5°であった（図９）（このように、各部のテー
パー角度が異なる原型を、従来の加工法で製作すること
は、きわめて困難である。）

【図面の簡単な説明】

図１は、実施例１で使用した原型のSUS304製平歯車の歯
底，ピッチおよび歯先の位置を示し、歯の詳細を省略し
た平面図および立面図である。図２は石膏型の上にアク
リル樹脂製円筒を、その中に上記原型を置いた状態を示
す概念図である。図３は、上記状態の円筒の中に液状シ
リコーンゴムを注ぐ状態を示す概念図である。図４は、
実施例１における、硬化させてえられたゴム型内にジル
コニア泥漿を注ぐ状態を示す概念図である。図５は、実
施例１において、柱状型からえられた成形体を焼結して
えられた焼結体の概念図である。図６は、上記焼結体を
上下逆にして、石膏型の上に置いた状態を示す概念図で
ある。図７は、該焼結体を原型としてえられた成形型の
概念図である。図８は、実施例２で使用した原型のSUS304製インタナル
ギアの外側，歯底，ピッチおよび歯先の位置を示し、歯
の詳細を省略した平面図および立面図である。図９は、
実施例２における、柱状型からえられた成形体を焼結し
てえられた焼結体の外側部，歯底部および歯先部の側線
のテーパー角度を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）柱状の原型によって下底面以外の面
が水不透過性材料からなる成形型を製作し、（ｂ）下底面が吸水性材料からなり、残りが（ａ）でえ
られた水不透過性材料の成形型からなる成形型を使用し
て、泥漿鋳込成形法によってセラミックス成形体を製作
し、（ｃ）（ｂ）でえられた成形体を焼結して、焼結体を製
作し、（ｄ）（ｃ）でえられた焼結体を、その大きいほうの底
面を上にし、小さいほうの底面を下にして、これを原型
として、下底面以外の面が水不透過性材料からなる成形
型を製作し、（ｅ）下底面が吸水性材料からなり、残りが（ｄ）でえ
られた水不透過性材料の成形型からなる成形型および
（ｂ）で使用したのと実質的に同じ組成のセラミックス
泥漿を使用して、泥漿鋳込成形法によってセラミックス
成形体を製作し、（ｆ）（ｅ）でえられた成形体を、（ｃ）と実質的に同
じ焼結条件で焼結して、焼結体を製作することからな
る。セラミックス柱状物の製造方法。
【請求項２】（ａ）および（ｄ）において、液状ゴムを
硬化させることによって水不透過性材料からなる成形型
を製作する、特許請求の範囲１）項記載のセラミックス
柱状物の製造方法。