JPS5996912A

JPS5996912A - セラミツク製品の製造法

Info

Publication number: JPS5996912A
Application number: JP57207243A
Authority: JP
Inventors: 秀行松岡; 田井　初; 吉田　勇治; 浩一井上; 村山　利治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-11-26
Filing date: 1982-11-26
Publication date: 1984-06-04
Also published as: JPH0134122B2; US4579705A

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】〔発明の技術分野〕本発明は、セラミック製品の製造法、詳細には複雑な形
状にすることのできる機械加工方法によりセラミック材
料を成形し、この成形体を焼成してセラミック製品を製
造する方法に関する。

〔発明の技術的背景および問題点〕

酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、およびケイ化物な
どのセラミック材料の焼結体からなるセラミック製品は
、熱的、化学的、機械的、あるいは電磁気的に優れた特
性を有するため、多（の用途に使用されているほか、そ
の利用分野は拡大されつつある。しかし、これらセラミ
ック製品は一般的に硬（かつ脆いので、焼成後に所望の
形状に成形することが困難であるという加工上の欠点を
有する。そのため焼成前にセラミック材料粉末を所望の
形状に成形し、種々の分野のセラミック製品を得ている
。

従来より、酸化物などのセラミック材料の成形法として
は、鋳込み成形、ラバープレス、射出成形、およびポッ
トプレスなどが用いられているが、複雑な形状を有する
製品を精度よく製造する成形法としては、鋳込み成形お
よび射出成形など限られた成形法があるにすぎない。

鋳込み成形では、セラミック原料配合物を適当な媒液に
混合して泥しようをつくり、泥しように流動性を与えな
がら所望の形状をもつ鋳型に崎込んで成形する。しかし
この成形法では、成形体内部が不均一となりやすく、さ
らに使用する鋳型が高価でありその製作に時間がかかる
ことから、多品種少量生産の場合には製造コストが非常
に高くなる欠点がある。

射出成形では、セラミック原料粉末に少量の可塑剤、離
型剤を配合し、加熱筒内で加熱して可塑性を与え、加圧
プランジャーにより金型に射出して成形する。しかし、
この成形法にも、次のような問題点がある。すなわち、
成形時に内部応力が発生しやすくその後の焼成時に亀裂
を生じること、また鋳込み成形と同様に金型が高価であ
りその製造に時間を要することから多品種少量生産には
適していないこと、である。

これに対し、金属や木材などの加工における機械加工に
よってセラミック成形できれば、セラミック製品の多品
種少量生産にも適することになる。

機械加工による成形法として、従来、セラミック原料粉
末を種々の方法で一次成形し、これを半乾燥、乾燥、あ
るいは素焼してから炭化タングステンや焼結アルミナの
ような耐摩耗材料を用いた切削工具などで旋削し、また
はクラ４ス削りを行なって成形する方法があった。しか
し、従来の機械加工による成形法では、穴、溝、平面、
あるいは回転加工による曲面等の簡単な形状への成形に
限られ、例えばタービンロータのように、複雑でかつ薄
肉部（羽根部）をもつような複雑形状を有するものへの
成形には用いられていなかった。これは、上述したよう
に従来の機械加工法による場合、−次成形体の強度が低
いため、薄い成形部を設けると破損による歩留りの低下
が避けられないこと、ならびに従来のセラミック機械加
工法が上述したような精密成形に適さないことによると
考えられる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、複雑形状の成形も可能なセラミック製
品の製造方法を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上述の目的で研究した結果、セラミック
材料の一次成形体（粗成形体）を一旦仮焼して薄肉部を
形成しても耐久性が得られる程度の強度を有する仮焼成
形体を得、これを機械加工に際する摩擦熱の発生あるい
は被切削体との付着の少ない砥粒を固着した壓の棒状切
削工具を回転させつつ彫刻加工し、その後仕上げおよび
最終焼成を行うことにより複雑形状への精密加工も可能
であることを見出し本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のセラミック製品の製造法は、下記の
工程（イ）〜（ハ）を包含することを特徴とするもので
ある。

（ハ）仮焼したセラミック粗成形体を、砥粒な表面に固
着したチップを端部に有する棒状切削工具をその軸中心
に回転させながら所望の形状に彫刻加工する工程、（ロ）彫刻加工されたセラミック仮焼成形体の彫刻加工
面を研磨仕上げする工程、およびぐう　上記０）および（ロ）の工程による加工後めセラ
ミック仮焼成形体を焼成する工程。

〔発明の実施例〕

本発明を、図面を参照しつつ実施例について詳細に説明
する。

すなわち、第１図で示すタービンロータを第２図で示す
工程順に従って製造する例を説明する。

たとえば、２００〜４００メツシユの窒化ケイ素粉末１
００重量部に対してパラフィン７〜２３重量部を添加混
合してセラミック原料配合物を得、これを２バープレス
により１〜２ｊＯＹｄの圧力で常温圧縮して、はぼ円筒
状の外形を有する一次成形体を得る。次いでこの一次成
形体を、常法により旋削して第３図に示すように上部中
央突起部１ａ、下床がりの裾部を有する円筒状部１ｂ、
直円筒部１ｃ、および底部円筒状突起部１ｄからなる外
形を有するセラミック粗成形体１を得る。このセラミッ
ク粗成形体には、第１図に示すロータの最終形状輪部に
機械加工する際のトリシロおよび後述する仮焼ならびに
最終焼成の縮みシロとして１〜３ｍｍを残す。

次いで上記粗成形体を蟹素雰囲気中２００〜６００℃程
度の温度に加熱してバインダーとしてのパラフィンを分
解除去し、更に、１０００〜１５００℃で３０〜３００
分間仮焼して機械加工に適した硬度の仮焼粗成形体を得
る。この仮焼成形体の仮焼は、過剰であると後述する彫
刻加工用工具の摩耗が激しくなり、過少であると機械加
工による薄肉成形部の強度が保持できなくなる。

しかして仮焼粗成形体の見かけのモース硬度（標準鉱物
によるひつかきにより測定され、化ラミック粒子自体の
硬度に加えて粒子相互間の結合強度も含まれる）が後述
する彫刻加工用工具に固着した砥粒より１〜９度程度低
い状態となるまで仮焼することが好ましい。仮焼度の制
御は仮焼時間にもよるが、仮焼温度が大きな影響を有し
、上記した窒化ケイ素の場合、１４７０〜１４９０℃が
適当である。この際の仮焼温度の変化によるセラミック
成形体の収縮率の変化を第４図に示す。第４図かられか
るように１４７０〜１４９０℃での仮焼による収縮率（
二仮焼前長さ／仮焼径長さ）は約１．０１５〜約１．０
３０であった。

次いで必要に応じて、この段階でさらに旋削工具（超硬
工具あるいは砥粒な固着した型のいずれでもよい）ある
いはパフ仕上げにより第３図のＩＣの下面（および１ｄ
の側面）の平滑化を行い、この面にエポキシ系接着剤を
塗布して仮焼セラミック粗成形体と同一材質からなる共
材２とを接着し、更にこの共材にカーボン製取付材３を
同様に接着し、この取付ベース材３をボルト４を介して
治具５に第５図のように固定する。

共材２は、その後の彫刻加工に際して割れ次げなどを防
止する補強材として用いられ、機械加工前のセラミック
仮焼成形体表面に密着するように固定することが好まし
い。この共材の形状および密着される表面箇所は、目的
とする機械加工によって適宜法められる。この共材の材
質は、切削中、セラミック仮焼成形体と共材との間の急
激な切削抵抗変化が起らないものがよく、好ましくは、
セラミック仮焼成形体と同じ材料から同じ処理をしたも
のである。

取付ベース材３は、これを介して被加工物と工作機械と
を取付けるために使用され、この材質は、たとえばカー
ボン材などのボルト締めが可能で軽いものが好ましい。

。セラミック仮焼成形体と共材および共材と取付ベース材
との固着方法は、機械加工中に確実に固着し、加工後セ
ラミック成形体に割れ欠けなどの影響なく除去できる方
法が好ましい。たとえば、接着剤で固着する場合、機械
加工後加熱して接着剤を分解させて共材および取付ベー
ス材を除去することができる。

必要に応じて共材および取付ベース材を固着したセラミ
ック仮焼成形体の外周を、焼成による縮みと最終仕上げ
のトリシロを考慮して０．４〜０．５ｍｍ残して超硬工
具で更に旋削する。

次いで、本発明忙したがい、端部に８０〜４００メツシ
ユのダイヤモンド砥粒を固着させた第５図にその概形な
示す円錐棒状切削工具を同時多軸制御のＮＣ工作機械に
取りつげ工具の軸を中心に回転しながら工具を多軸制御
してセラミック仮焼成形体を所望の形状に彫刻加工する
。より詳細には、彫刻加工用の工具は、ダイヤモンド砥
粒な分散しとともにダイヤモンド砥粒をチップ表面に電
着したもの（ダイヤモンド電着工具）が好適に用いられ
る。

彫刻加工は、たとえば、第７図（ａ）ないし第７図（ｃ
）に順次示す手順により行う。最初に、第７図（ａ）に
示すように上面の溝入れを約２ｍｍの深さで行なった。

これは、その後の加工で上面がはがれて羽根部に割れ欠
けを生じるのを防止するためである。

次に、第７図ら）に示すように羽根と羽根との間を彫刻
加工し、羽根面に対し０．４ｍｍと０．１　ｍｍとのト
リシロを残すように２回にわたって彫刻加工をした。

最後に、第７図（ｃ）に示すように前工程で削り残した
部分を切削した。

−なお、本発明で彫刻加工とは、端部に刃部を持つ棒状
切削工具をその軸中心に回転しながら、この工具を所望
加工位置に移動制御して彫刻を行うように切削加工する
ことをいい、従来の工具の回転、あるいは直線状移動に
よる一般の旋削加工とは区別され・るものである。

彫刻加工された面は、第７図（イ）のように研磨仕上げ
を行なった。研磨仕上げ工程では、切削工具が焼結タン
グステンカーバイド等の超硬工具である以外は彫刻加工
と同様に加工した。

研磨仕上げは、チップを除いて彫刻加工と同じ工具の形
状、および工作機械を用いることがさらに好ましい。こ
の工具のチップは、タングステンカーバイド、チタンカ
ーバイトまたは酸化アルミニウムを主体とした焼結物お
よびこれに類したものが好ましい。研磨仕上げ後の表面
粗さはセラミックスの強度に強く影響する。下表は、実
施例と同じ窒化ケイ素セラミック成形体の試験片を用い
て刃先がタングステンカーバイドである切削工具（超硬
工具）とダイヤモンド砥粒を電着した切削工具（電着工
具）とによる表面粗さと曲げ強度を示す。

第　　１　　表したがって、研磨仕上げに用いる工具は、仕上げ面の表
面粗さが小さくなるような種類を選ぶことが好ましい。

彫刻加工および研磨仕上げ工程を順次繰り返えして、羽
根部とその隣りの羽根部との間を切削した。所望の形状
に成形を完了した後、２５０℃以上の温度に加熱して共
材と取付ベース材を除去した。

次いで、セラミック仮焼成形体を１７００〜１８００℃
の温度、１〜５時間で焼成し、最後にダイヤモンド砥石
で表面を仕上げて第１図のセラミック製タービンロータ
を児成した。

本発明において共材および取付ベース材の使用は必ずし
も必要ではなく、共材および取付ベース材に相当する部
分を含めた形状のセラミック仮焼成形体とし、本発明の
機械加工の後にその部分を従来の旋削により除去しても
よい。

セラミック成形体の焼成は、セラミック材料、添加物の
種類などにより決める必要がある。

上記において本発明のセラミック製品の製造方法をその
好ましい実施例について説明した力瓢本発明の方法は、
その範囲内で上記実施例を種々変形して実施することが
できる。すなわち、本発明で用いられるセラミック材料
には、窒化ケイ素のほかにたとえば、Ａｌ２Ｏ３，Ｚｒ
Ｏ２、およびＹ２Ｏ３などの酸化物、ＢＮおよびＡＩＮ
などの蟹化物、ＳｉＣ，ＴｉＣおよびＷＣなどの炭化物
、ＬａＢ６　Ｔ！どのホウ化物、Ｍｏ　Ｓ　＋　２など
のケイ化物およびカオリンがある。このセラミック材料
が非可塑性である場合、この材料に可塑性を与えるため
にパラフィンなどのバインダーを添加することが好まし
い。

この添加物は成形後の加熱によって亀裂、膨潤および発
泡などの原因とならないものである必要がある。

一次成形は上述の乾式成形のみならず、たとえばスラリ
ー成形などの湿式成形であってもよい。

彫刻加工する工程で用いる棒状切削工具は、そのチップ
表面に砥粒を固着したものであるが、その砥粒は、好ま
しくは、モース硬さ６以上を有するものであり、たとえ
ば、ダイヤモンドのほか立方晶系窒化ホウ素などがある
。その砥粒の大きさは、８０〜４００メツシユの粒子の
大きさが好ましい。

砥粒をチップ表面に固着する方法としては前述のように
砥粒を分散した金属電解液中にチップを浸漬して、チッ
プ表面への電界金属膜の付着に際し、電界金属膜ととも
に砥粒な固着する方法（電着）が好適に用いられるが、
必要に応じてエポキシ系接着剤等の接着剤により砥粒を
固着してもよい。

また、彫刻加工用工具は、その表面に工具のチップ先端
近傍からその支持部の方向に延在する一以上の溝を有す
るものであることが好ましい。この溝は、切屑を容易に
除去するために形成され、チップ先端近傍からその基部
方向へと直線状またはラセン状に連続的に設けられる。

溝の幅、深さ、またその形状等は、被切削物に適したも
のを選択してよい。第８図には直線状の溝８を形成した
棒状切削工具の例を示す。

〔発明の効果〕

本発明によって、焼成前に機械加工により複雑な形状に
成形してセラミック製品を製造することができ、さらに
この復雑な形状を有するセラミック製品を安価に短期に
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、完成後のタービンロータの斜視図、第２図は
、実施例の工程順を示すブロック図、第３図は、実施例
のセラミック粗成形体の斜視図、第４図は、仮焼温度と
収縮率との関係図、第５図は、セラミック仮焼成形体を
工作機械に取付けた状態を示す図、第６図は、実施例の
彫刻加工および研磨仕上用の切削工具の概形を示す図、
第７図は、実施例の彫刻加工および研磨仕上の工程手順
を示す図、第８図は、溝が設けられた第６図の切削工具
の概形を示す図である。トセラミック仮焼成形体、１ａ・・・上部中央突起部、
１ｂ・・裾部を有する円筒状部、１ｃ・・・直円筒部、
１ｄ・・・底部円筒状突起部、２・・・共材、３・・・
取付ベース材、４・・・ボルト、５・・・治具、６・・
・ダイヤそンド電着工具、７・・・超硬工具、８・・・
溝。第３図第４図第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】１、下記の工程（イ）〜（ハ）を包含することを特徴と
するセラミック製品の製造法。（イ）砥粒を表面に固着したチップを端部に有する棒状
切削工具をその軸中心に回転させながら、仮焼したセラ
ミック粗成形体を所望の形状に彫刻加工する工程、（ロ）彫刻加工されたセラミック仮焼成形体の彫刻加工
面を研磨仕上げする工程、および（ハ）前記（イ）およ
び（ロ）の工程による加工後のセラミック仮焼成形体を
焼成する工程。２、工程（イ）で用いる棒状切削工具が、そのチップ表
面への電着により砥粒を固着したものである、特許請求
の範囲第１項記載の製造法。３、砥粒がモース硬さ６以上を有する、特許請求の範囲
第１項または第２項記載の製造法。４、砥粒がダイヤモンド粒子である、特許請求の範囲第
１項または第２瑣記載の製造法。５、砥粒が８０〜４００のメツシュの粒子の大きさを持
つ、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、または第
４項記載の製造法。６、工程（イ）で用いる棒状切削工具が、その表面にそ
のチップ先端近傍からその支持部の方向に延在する一以
上の溝を有する、特許請求の範囲第１項記載の製造法。