JPS5964579A

JPS5964579A - 粉末成形体の加工方法

Info

Publication number: JPS5964579A
Application number: JP17390882A
Authority: JP
Inventors: 仲　克; 安藤　元英; 尚登広崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-10-05
Filing date: 1982-10-05
Publication date: 1984-04-12
Also published as: JPH0211401B2

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】本発明は、有機バインダーを成形助剤として用いた粉末
成形体を加工するのに適用される粉末成形体の加工方法
に関する。

従来、セラミック等の粉末成形体を加工するに際しては
、第１図に示すように、被加工物である粉末成形体ｌを
加工機のチャック冶具２に直接固定して、加工工具３に
より機械加工する方法や、第２図に示すように、空洞状
の粉末成形体１内に高分子月利又は木材等から成る緩衝
材４を挿通し、この緩衝材４を介して加工機のチャック
冶具２に固定して加工］二具３により機械加工する方法
が一般に知られている。しかしながら、前記の方が：で
は、粉末成形体をチャック冶具２に固定する際に、その
締伺力が粉末成形体１に直接加わることになり、また、
加工時には加工応力が直接粉末成形体１に加わるために
、粉末成形体１が亀裂しあるいは残留歪が残り、粉末成
形体１を脱脂・焼結した後において焼結割れや焼結帯等
の欠陥が生じて健全な焼結製品が得られないという問題
点があった。また、後者の方法では、緩衝拐４を加工ま
たは製作するのに必要な費用が嵩みまた粉末成形体ｌの
加工と同時に緩衝材４をも加工する場合が多く、緩衝材
４を繰り返して使用できないため工数がかかるという問
題点があった。

その他の従来方法としては、粉末成形体１そのものの強
度を向」ニさせる目的で、粉末中に熱硬化性樹脂をバイ
ンダーとして混合した後成形し、次いで、加熱硬化処理
したのちに、機械加工に供するという方法が知られてい
る。この方法によれば、粉末成形体１の強度を一層高め
ることができ、上記の緩衝材４との併用により、脱脂・
焼結した後の良品歩留りをある程度上昇することができ
る。

しかしながら、この方法では炭素質の不揮発成分が残る
熱硬化性樹脂をバインダーとして用いるため、脱脂・焼
結後の炭素質が残留する。そのため、炭素質が焼結体の
特性に悪影響を及ぼす窒化工Ｊ：素系材質及び炭素量の
微妙な制御が必要な常圧焼結炭化珪素系材質に対しては
適用できないという問題点があった。

木発明は上記の問題点を一切解消するためになされたも
ので、固定冶具や緩衝材を必要とせず、または成形体に
加工荷重を加えずに非接触的にクラックまたは歪を回避
して加工することができる新規な粉末成形体の加工方法
を提供することを目的とする。

すなわち木発明は熱可塑性樹脂等の有機バイングーを成
形助剤として用いた粉末成形体を加工するに際し、前記
粉末成形体の被加工部を高エネルギ密度熱源で照射して
前記有機バインダーの分解、揮発温度以上に加熱すると
共に当該加熱部にジェットガスを送給することにより加
熱部分の粉末を飛散除去するようにしたことを特徴とし
ている。

次に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

第３図は本発明により粉末成形体を加工する方法の説明
図である。図中１１はセラミック成形体、１２は高エネ
ルギ密度熱源発生装置１３のノズル部、１４は熱源、１
５はジェットガスである。

上記セラミック粉末成形体１１は、窒化珪素。

炭化珪素等の珪化物または酸化物等の従来既知のセラミ
ック粉末に、成形助剤として有機バインダーたとえば熱
可塑性樹脂を添加し、更に焼結助剤として酸化マグネシ
ウムあるいは酸化アルミニウム等の酸化物を加えて混合
し、該混合物を既存の成形手法を用いて成形したもので
ある。

上記有機バインダーには熱可塑性樹脂たとえばポリプロ
ピレン、ポリスチレンアミドなどの多くの樹脂がこれに
含まれる。この熱可塑性樹脂は押出成形または射出成形
などによって能率的に強―形加工ができ、さらに成形不
良品によるスクラ・ンプを再利用できる長所を兼ね備え
ている。さらに、加熱により情性変形性を増し、所定の
温度以上で分散、揮発して散逸するという性質をもって
いる。図における１２は高エネルギ密度熱源発生装置１
３のノズル部であり、熱源１４例えばレーザビーム１４
の照射口とジエ・ントガス１５の噴ｄ’ｒ口とを兼用し
ている。しかし、これは、本発明の此）須の構成要素で
はなく、ノズル１２とは別個の＠１（分にジェットガス
ノズルを設けてもよｌ／）。上記した高エネルギ密度熱
源１４としては、レーザビ゛−ム、電子ビーム、イオン
ビームなどがあるが、例えば、レーザビームを用いる加
工とは、位相のそろった可干渉性のレーザ光をレンズで
集束させて被加工物に照射し、高いノくワー密度の熱エ
ネルキによって瞬間的に粉末成形体１１を部分重重こ蒸
発または溶融させて加工する方法であり、一般番とＣ０
２レーザ、ルビーレーザ等が良く用ｌ／）られる。また
ジェットガス１５は、セラミック粉末力く窒化物あるい
は炭化物等のような酸化を嫌うものを主成分とする場合
には、Ｎ２　、ＣＯ２、Ａｒ。

Ｈｅ、又はＮｅ等の不活性なガスのうち一種以上のガス
とし、粉末成形体１１の被加工部をシールドして、酸化
を防止するようになすのが良１．）。このジェットガス
１５はレーザビーム等の熱ｓ１４の照射により局部的に
前記有機ノくイングーの分解、揮発温度以上に加熱させ
て結合力を失った粉末を噴出力によって飛散させて除去
する働きをするものである。このジェットガス１５とし
ては、照射したレーザエネルギに対する粉末の除去量の
観点からは、比重の大きいＨｅガスを使用するのが最適
である。また高価なＨｅカスの代りに安価なＮ２ガスも
しくはＣ０２ガスを使用するのも任意である。一方、セ
ラミック粉末が酸化物たとえばＡＪＺ２０３ｔと（７）
場合には、Ｎ２　＋　ＣＯ２＋Ａｒ、Ｈｅ、又はＮｅの
うち一種以上のガスに、０２もしくは空気を混合した混
合ガスを使用すれば、加工効率及びガスの価格の低減の
面から有効である。上記の０２あるいは空気を混合する
場合の混合割合は０２においては２０％以下あるいは空
気においては６０％以下とするのが望ましい。

これは０２２０％超過及び空気６０％超過では粉末成形
体ｌｌの被加工部の有機バインダーが急激に酸化燃焼し
て加工量の損傷となるおそれがでてくる一方、加工量の
制御が難しくなり精密加工ができなくなるおそれがある
という不都合が生ずるからである。

次にジェッＩ・ガスの流量についてはレーザビーム等の
熱源１４の照射面積１　ｍｍ２当り１〜１０１／分にす
るのがより望ましい。この理由は流量をＬｉ２．７分未
満とすればシールド効果が不充分となる一方、粉末の飛
散ができなくなるおそれが生ずるからであり、１ｏｌｌ
１分超過ではガス供給量が過剰となり粉末成形体１１を
固定する必要が生じ、かつ製品の製造コスト高につなが
るからである。このガス流量は実際には、ノズル１２と
粉末成形体１１の被加工部との距離、ノズル噴出口の面
積及び形状、照射ビームのエネルギ密度、照射面積及び
ビーム走査速度等により決定されるものである。

本発明は上記の構成から成るもので、レーザビーム等の
高エネルギ密度熱源１４の照射により粉末成形体１１の
被加工部１１ａが局部的に加熱され、粉末間の有機バイ
ンダー１６が分散、揮発されて、被加工部外に散逸し、
粉末間の結合力を急激に消失する。このような状態で、
シェドガス１５が所要の流量で被加工部に噴出されるの
で、結合力を失った粉末をガスの飛散力により、被加工
部外に飛散させることができる。以上のような粉末の除
去作用が順次にくり返されることにより加工が進行する
ことになる。

次に本発明の実施例を挙げてさらに具体的に説明する。

実施例１この実施に供する粉末成形体は、窒化珪素を主成分とす
るセラミック粉末に焼結助剤として酸化マグネシウムを
重量比で６％、酸化アルミニウムを重量比で３％添加し
、さらに成形助剤である有機バインダーとしてポリプロ
ピレンを重量比で１８％、及びステアリン酸を重量比で
２％添加し、混合した後、射出成形法により作製したも
のである。その寸法は１０１０Ｘ２０Ｘ７５の板状のも
のとした。加工条件はレーザビームの容量を５００Ｗ、
ジェットガスをＮ２とし、レーザビーム照射面積１ｍｍ
２当りの流量を３ｉ／分とした。このときの加工の様子
を第４図に示す。

第１表は上記の条件をベースに、照射ビーム径、パワー
電度、ビーム走査速度を種々変えて加］ニした場合の加
工幅及び加工深さを示した表である。

１ｙ開’ａ５９−　［１４５７９（４）表から明らかな
ようにパワー密度とビーム走査速度を適当に彦定すれば
種々の形状の加工たとえは切断加工、穴あけ、溝加工等
が可能となる。このとき、加工部の底部形状はレーザビ
ームのエネルギ密度分布に対応した形状となり、本実施
例ではガウス分布ビームを用いたので半円状となった。

したがってレーザビームのエネルギ密度分布を種々コン
トロールすれば分布に対応する任意の形状が得られるこ
とになる。上記の加工した粉末成形体を窒素カス雰囲気
中で常１晶がらｇｏｏ’ｃまで５°Ｃ／時間の加熱速度
で加熱、脱脂を行ったが、何らの変形や加工面の欠陥は
全く認められなかった。なお、比較するために加工条件
として、被加］二部表面積１ｒｎｒｎ２当りのジェット
ガス流量を０．５Ｊｌ１分と少なくしてレーザ加工を行
った。

その結果、加工時に被加工部の有機バインダーが燃焼し
、美麗な加工面が得られなかった。このことは本実施例
においてレーザビーム照射面積１ｍｍ２当り１〜１ｏｉ
ｙ分とするのがよいことが明らかである。

実施例２セラミンク粉末として酸化物（Ａ　Ｊ２２０３　）を用
いた場合の本発明の実施例を以下述べる。

実施に供するセラミック粉末成形体は、まず酸化物（Ａ
　Ｊ−２０３）粉末に成形助剤としてポリスチレンを重
量比で１８％、およびステアリンｍを重量比で２％添加
し、混合した後に射出成形機により１０１０Ｘ２０Ｘ７
５の寸法に成形したものである。

またビーム加工に用いるジェットガスをＮ２　：９０％
、０２；１０％の混合ガスとし、他の条ヂ１４は前述し
た実施例１と同様にして、第４図に示すように上記セラ
ミック粉末成形体１１にビーム加工を行った。

第２表は被加工部表面でのビーム径、パワー密度、ビー
ム走査速度を変えた場合の加工幅及び加工深さを示した
表である。

覗腺第２表を第１表と比較して見ると、同一の被加下部表面
でのパワー密度及びビーム走査速度において、ジエンｌ
’カスに０２刀゛スを４昆合することにより、力１ピ］
二効率が向」ニすることが分かる。これはセラミック粉
末が醇化物である場合には、０２を１昆合することが加
工効率の向上に有効であることが判明した。さらに比較
のため、０２のン昆合比を３０％まで」−げて同一条件
でビーム加工すると、被加」二部の有機バインダーが燃
焼し、美麗な加工面が得られなかった。したがって、セ
ラミンク粉末が酸化物である場合においてはガスがＮ２
＋ＣＯ２・Ａｒ・Ｈｅ又はＮｅのうちの一種以上のガス
に２０％以下の０２、もしくは６０％以下の空気を混合
することが有効であることが判明した。さらに、ビーム
加工したセラミック粉末成形体を大気中で５℃／時間の
加熱速度で常温から８ｏｏ”ｃまで加熱する脱脂処理を
施したか、成形体の変形もなく、かつ加工面にも欠陥が
全く認められなかった。

裏施刻」この実施例では実際にガスタービン燃焼筒のセラミンク
部品を製造した例を示す。

まず、セラミック粉末として炭化珪素に黒鉛を重量比で
２５％添加し、更に有機バインターとしてアビセルを重
量比で３％添加し４Ｉ配合した後に、ラバープレスで肉
厚２ｍｍのガスタービン燃焼筒の中間成形体を作成した
。次に第５図に示すように、上記中間成形体２１を台２
７」二に置き、この中間成形体２１の側面に空気孔２３
を本発明により切断加工した。実施に用いたレーザ装置
は出力５００ＷのＣＯ２レーザ装置であり、加工条件は
第３表に示す。

７″ ／′ 第３表口次いで、ビーム加］ニした中間成形体２１を脱脂処理し
た後に珪化反応焼結したところ、欠陥１士皆無であり、
実際の製造に応用できることカー半１ｊ明した。

実施例４本実施例では、第６図に示すようにレーザビ゛−ム用ノ
ズル３２とは別個にジエ・ントガス用ノズ゛ル３６を設
けて、このノズル３６よりジエ・ントカ゛ス３５を流す
と同時にノズル３２よりレーザビ゛−ム３４を照射し、
粉末成形体３１に対して幅広の！清３７をレーザ加工し
た。この方法へよっても、力１１工条件を適当に選べば
、任意の幅広の溝を加］ニすることができる。

実施例５実施例４に述べた方法を実際にセラミ・ンク粉末を射出
成形したラジアルローター軸のセラミ・ンク部品の外周
面にシール−リング溝をレーザ加工した場合を第７図に
示す。第７図に示すようしこ、ラジアルローター軸４１
を回転させながら、幅広な溝３７をレーザ加工すること
かでＳだ。

上述の詳細な説明から明らかなようしこ、本発明によれ
ば、有機バインダーを成形助剤として用ｌ／）た粉末成
形体を治具に固定することなく、力）つ力１１荷重を加
えることなく非接触で前記粉末成形体に切断、穴あけ、
または溝等の加工を施すことができると共に、粉末成形
体にクラ１．り及び歪等の欠陥を発生することなく精密
かつ効率よく加工することができる。

さらに従来法では成形体を粗加工するに際し、緩衝相の
ような特殊治具、熱硬化性樹脂をバインダーとする硬化
処理または仮焼成の工程を必要とするところ、本発明に
よれば、−切不要となり、１業的意義は大きいものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来法による粉末成形体の粗加工方
法を説明する縦断面図、第３図は本発明による粉末成形
体の加工方法を説明する断面模式図、第４図から第７図
までは本発明の各実施例を示す説明図である。１１．２１，３１．４１・・・粉末成形体、１４゜２４
．３４・・・熱源（レーザビーム）、１２，２２．３２
・・・熱源用ノズル、１５，２５．３５・・・ジェット
ガス、３６・・・ジェットガスノズル。特許出願人　　１］産自動車株式会社代理人弁理士　小　　塩　　　豊図面第１ｍｌ第２図第４図第６図Ｗｊ７ＦＩ！Ｉ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）４１機パイターを成形助剤として用いた粉末成形
体を加工するに当り、前記粉末成形体の被加工部を高エ
ネルギ密度熱源で照射して前記有機バインダーの分解、
揮発温度以上に加熱すると共に当該加熱部にジェットガ
スを送給することを特徴とする粉末成形体の加工方法。
（２）ジェッ）・ガスが、Ｎ２　、Ｃ０２、Ａｒ。Ｈｅ又はＮｅのうちの一種以上のガスであり、そのガス
の流星を高エネルギ密度熱源の照射面積１ｍｍ２当り１
〜１０Ａ／分とする特許請求の範囲第（１）項に記載の
粉末成形体の加工方法。
（３）ジェットガスが、Ｎ２　、Ｃｏ２　、Ａ、ｒ　。Ｈｅ又はＮｅのうちの一種以上のガスに２０％以下の０
２、もしくは６０％以下の空気を添加した混合カスであ
り、そのガスの流量を高エネルギ密度熱源の照射面積１
　ｍｍ２当り１〜Ｌｏｌｌ／分とする特許請求の範囲ｆ
ｉＳ（１）項に記載の粉末成形体の加工方法。