(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末とバインダとの混合物であって、前記バインダがセラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水にポリビニルアルコールを添加した水の氷であることを特徴とするセラミックス組成物。
【請求項２】
セラミックス粉末とバインダとの混合物であって、前記バインダがセラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水１００重量部あたり、１〜５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の氷であることを特徴とするセラミックス組成物
【請求項３】
セラミックス粉末とバインダとの混合物を射出成形機により、金型内に射出して所定形状のグリーン成形体を作り、そしてこのグリーン成形体からバインダを除去した後、焼成してセラミックス製品を得るとき、
前記バインダとして、セラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水にポリビニルアルコールを添加した水の氷を用いて、０°Ｃ以下の雰囲気でグリーン成形体を作ることを特徴とするセラミックス製品の製造方法。
【請求項４】
セラミックス粉末とバインダとの混合物を射出成形機により、金型内に射出して所定形状のグリーン成形体を作り、そしてこのグリーン成形体からバインダを除去した後、焼成してセラミックス製品を得るとき、
前記バインダとして、セラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水１００重量部あたり、１〜５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の氷を用いて、０°Ｃ以下の雰囲気でグリーン成形体を作ることを特徴とするセラミックス製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックス組成物およびセラミックス製品の製造方法に関し、さらに具体的にはセラミックス粉末とバインダとの混合物からなるセラミックス組成物、およびこのセラミックス組成物からグリーン成形体を作り、そしてこのグリーン成形体からバインダを除去した後焼成してセラミックス製品を得る、セラミックス製品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスは、機械的には耐摩耗性、耐熱性、断熱性等に、電気的には高絶縁性等に優れ、そして化学的には安定しているので、近年多用されている。セラミックス製品の製法は、従来周知で特開平３ー２９０３７４号に開示されているように、射出成形法も知られている。この射出成形法によると、例えばホットプレス法、ラバープレス法、鋳込成形法等に比較して形状の複雑な製品を大量に製造することができ、しかも仕上げ機械加工を殆ど必要としないので、この射出成形法は極めて有利な製造方法といえる。
射出成形法は、セラミックス粉末に流動作用、可塑作用、浸潤作用、硬化作用等を与えるために有機バインダ例えばポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン等を添加して混練し、得られた混合物を金型に射出して所望の形状のグリーン成形体を成形する方法で、このグリーン成形体から有機バインダを除去し、次いで焼成してセラミックス製品を得ている。
ところで、前述の説明からも明らかなように、有機バインダは色々な機能を有するが、主な機能の１つとしては得られたグリーン成形体を炉内で焼成するまで、グリーン成形体を所定の形状に保つ機能であり、有機バインダがグリーン成形体中に残存すれば、焼成時にセラミックス粉末と反応し又は軟化溶融したり、分解によって生成されたガスが内部に閉じ込められたりして、膨れ、クラックあるいは変形等の欠陥が生じ、セラミックス製品に悪影響を与える。そこでグリーン成形体から有機バインダを除去する脱脂工程が焼成前に実施されている。
【０００３】
グリーン成形体から有機バインダを除去する脱脂方法も、文献名を挙げるまでもなく周知で、不活性雰囲気中あるいは真空雰囲気中で加熱して脱脂する方法、溶媒中で脱脂する方法、赤外線を照射して有機バインダを分解する方法等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、有機バインダを使用することにより、セラミックス粉末に流動性、可塑作用、硬化作用等を与えることができ、射出によりグリーン成形体を形成することができる。またグリーン成形体を焼成する前に、周知の有機バインダの脱脂方法を適宜採用することによってセラミックス製品にとって有害な有機バインダを除去することもできる。
しかしながら、有機バインダを使用したセラミックス製品の製造法には色々な問題あるいは欠点がある。例えば、有機バインダとして熱可塑性樹脂を使用する場合は、必要に応じて焼結助剤を添加したセラミックス粉末と、有機バインダとしての熱可塑性樹脂、滑剤および可塑剤とを、熱可塑性樹脂の溶融温度付近の高温で長時間例えば数１０分〜２時間混合混練しなければならない欠点がある。しかも、有機バインダの投入順序を変えたり、混合混練時間を変えると、セラミックス粉末と有機バインダの組成物の流動性が変化し、他の成形条件が同じでも、セラミックス製品の品質が変化し、品質が安定しないという問題がある。
【０００５】
また、セラミックス粉末と有機バインダの組成物を射出成形するときは、適当な熱流動性と、成形性とを与えるために、前述したように有機バインダが使用されているが、有機バインダの選択が難しく、有機バインダの種類によってはセラミックス製品にヒケ、クラック、ウエルド等の欠陥が生じることがある。
さらには、有機バインダとして使用されている熱可塑性樹脂は、一般に溶融粘度が高いため、粒子径の小さいセラミックス粉末との親和性が小さく、有機バインダの添加率を低くすることはできない。すなわち有機バインダの添加量を多くしなければならない。添加量が多くなると、グリーン成形体から有機バインダを除去する脱脂工程において欠陥が生じ易いばかりでなく、セラミックス製品の収縮寸法も大きくなり、寸法にバラツキが生じる。また、高密度のセラミックス製品を得ることができなくなる。
【０００６】
有機バインダの構成元素は、炭素、水素、窒素、酸素等であり、これらの元素はグリーン成形体中に残存すると、セラミックス製品の特性を阻害するので、脱脂されるが、脱脂にも問題がある。脱脂は、前述したように溶媒中で脱脂する方法、赤外線を照射して有機バインダを分解する方法等が知られているが、溶媒の処理の問題、コストの問題等があるので、グリーン成形体を加熱して有機バインダを熱分解し、そして揮発化される方法が一般に有利である。
この方法によりグリーン成形体を急速に加熱すると、グリーン成形体が局部的に加熱され、グリーン成形体中の有機バインダが軟化溶融したり、分解によって生じたガスが内部に閉じ込められる。その結果、グリーン成形体に膨れ、クラックあるいは変形等の欠陥を生じることがある。したがって、脱脂は単位時間当たりの昇温速度を０．５〜１０°Ｃ／Ｈ程度の極めて遅い速度にしなければならず、数十時間から数百時間の長時間をかけて、しかも昇温速度を注意深く制御して脱脂しなければならない。このように脱脂工程は煩雑であり、結果的にセラミックス製品を工業的に大量生産を図る際の大きな阻害要因となっている。
また、脱脂工程では、大量のグリーン成形体を一度に脱脂するため、有機バインダから生じる大量の有害ガスの環境汚染の問題もある。
【０００７】
したがって、本発明はセラミックス製品の製造方法として有利な射出成形法によって製造するにも拘らず、上記したような従来の課題を解決したセラミックス組成物およびセラミックス製品の製造方法を提供することを目的とし、具体的には、得られるセラミックス製品の品質が安定し、ヒケ、クラック、ウエルランド等の欠陥がなく、脱脂工程を省略することができ、さらには大量生産に優れたセラミックス組成物およびセラミックス製品の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した従来の問題点のほとんどが有機バインダに起因しており、水、アルコール等の揮発性の液体をバインダとしてグリーン成形体を成形することが可能ならば、問題の大半は解決できることに着目し、上記液体が氷結すると、グリーン成形体に必要な結合力を有することを見い出だしてなされた。そしてセラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水にポリビニルアルコールを添加した水の氷をバインダとして使用し、もしくは水１００重量部あたり、１〜５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の氷をバインダとして使用し発明の目的を達成しようとするものである。
すなわち、本発明は、上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、セラミックス粉末とバインダとの混合物であって、前記バインダがセラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水にポリビニルアルコールを添加した水の氷で構成される。請求項２記載に発明は、セラミックス粉末とバインダとの混合物であって、前記バインダがセラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水１００重量部あたり、１〜５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の氷で構成される。
請求項３記載に発明は、セラミックス粉末とバインダとの混合物を射出成形機により、金型内に射出して所定形状のグリーン成形体を作り、そしてこのグリーン成形体からバインダを除去した後、焼成してセラミックス製品を得るとき、前記バインダとして、セラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水にポリビニルアルコールを添加した水の氷を用いて、０°Ｃ以下の雰囲気でグリーン成形体を作るように構成される。そして請求項４記載の発明は、セラミックス粉末とバインダとの混合物を射出成形機により、金型内に射出して所定形状のグリーン成形体を作り、そしてこのグリーン成形体からバインダを除去した後、焼成してセラミックス製品を得るとき、前記バインダとして、セラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水１００重量部あたり、１〜５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の氷を用いて、０°Ｃ以下の雰囲気でグリーン成形体を作るように構成される。
【０００９】
【作用】
本発明におけるセラミックス粉末とは、限定するものではないが、酸化物系ではＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２およびＢｅＯ、炭化物系ではＳｉＣ、ＴｉＣおよびＷＣ、窒化物系ではＳｉ３Ｎ４、ＢＮおよびＡｌＮ等で、これらの１種もしくは２種以上の混合物を称する。これらのセラミックス粉末は、いずれもバインダとして水の氷あるいはポリビニルアルコールを添加した水の氷を使用して、射出成形機から金型に射出してグリーン成形体を得ることのできる粉末である。
【００１０】
本発明に適用されるセラミックス粉末は、従来周知の方法により得られるが、その粒径は、焼成できる粒径であれば格別限定されない。しかしながら、グリーン成形体の強度、セラミックス粉末を得るコスト等を考慮すれば、０．１〜５μｍ、好ましくは０．３〜２μｍの粉末を適用するのが好ましい。またセラミックス粉末の種類も問わない。すなわちセラミックス粉末は前記した単体あるいはこれらの１種または２種以上の混合物でも良い。
【００１１】
バインダとしての氷の粒度は、厳密には限定はされないが、セラミックス粉末と同程度の０．１〜５μｍ、好ましくは０．３〜２μｍが望ましい。氷とセラミックス粉末との混合が均一になるからである。このような粒度の氷は、例えば特公平２ー２８４４３号に示されているようにして作ることができる。すなわち水に超音波振動を加え、水を霧化する。そして霧化された水を瞬間的に冷却して作ることができる。
上記のような氷の原料になる水にポリビニルアルコールを添加した水を使用することもできる。ポリビニルアルコールを添加した水を使用すると、乾燥後のグリーン成形体の強度が上がる効果が得られる。
【００１２】
上記のようにして選定されるセラミックス粉末と氷を、０°Ｃ以下の雰囲気に置かれた従来周知の混練機に入れて混合する。これにより、セラミックス粉末と同じ程度の粒度に微粒子化された水の氷、または水１００重量部あたり、１〜５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の氷との混合物であるセラミックス組成物が得られる。このセラミックス組成物を、次に説明するように射出成形機から金型に射出してグリーン成形体を得る。
セラミックス粉末に加える氷の量は、セラミックス粉末の種類、粒径および形状により異なるが、セラミックス粉末に対して８〜１５Ｗｔ％である。
【００１３】
射出成形に必要なホッパ、射出成形機、金型装置等は、従来周知の構造ものが適用されるが、これらの装置は０°Ｃ以下に置かれる。
氷とセラミックスとの混合物である組成物を射出成形機のホッパに入れる。射出成形機のスクリュウを回転駆動して従来周知のようにしてシリンダの先端部に計量する。計量時にセラミックス組成物は、スクリュウにより先端部に送られる過程で加圧される。加圧されると、バインダである氷は、平衡を保つために体積が減少する方向に移動する。すなわち一部が液体になる。バインダが氷であるので、摩擦抵抗が小さく計量時のスクリュウの回転駆動抵抗は小さいが、氷の一部が液体になるので、流動性を持った組成物となり、さらに抵抗は小さくなり、シリンダの先端部に計量される。
【００１４】
所定量計量された組成物を、スクリュウを軸方向に駆動して金型に射出し、グリーン成形体を得る。金型を開いてグリーン成形体を取り出す。射出するときは、組成物は流動しているが、射出を終わると流動が停止し、また圧力も多少低くなるので、液体の水は再び固体の氷となる。したがって、グリーン成形体の強度が増し、グリーン成形体を変形させることなく金型から取り出すことができる。
上記のようにして、機械部品であるターボチャージャロータ、光電磁気部品の光ファイバーコネクターフェルール等の形状が複雑なグリーン成形体を得る。
【００１５】
次に、上記のようにして得られたグリーン成形体から脱水する。本発明によると、バインダは水であるので、脱水工程は色々な方法で実施できる、例えば加熱室に入れ、加熱乾燥をすることも、あるいは室温で自然乾燥することもできる。このとき、蒸発を促進させるために、室内を減圧することもできる。上記のような方法を用いて加えた水の９０％以上を脱水する。
脱水したグリーン成形体を従来周知の方法により焼成してセラミックス製品を得る。
【００１６】
【実施例】
実施例１：［セラミックス粉末の調整］
酸化物系の代表的なセラミックスであるアルミナ、Ａｌ２Ｏ３について実施した。このアルミナ粉末は、市販品を使用した。平均粒径は、０．４μｍであった。
［氷の製造］
水の中に超音波振動子を入れ、水を霧化して霧を得た。この霧を−３０°Ｃの雰囲気中に導き氷結した。霧の大きさは、０．２μｍ程度であるから、氷の粒度はこれより僅かに大きい０．３〜０．５μｍと推量された。アルミナ粉末と、１０Ｗｔ％の氷とを０°Ｃ以下の雰囲気中で混合してアルミナ組成物を得た。
［射出成形］
上記アルミナ組成物を−５°Ｃの雰囲気中に設置した５０トンの射出成形機で計量した。５０トンの射出成形機では、アルミナ組成物は７００〜１０００ｋｇ／ｃｍ２程度に加圧されるので、−５°Ｃの雰囲気中ではバインダである氷の一部は液体の水になっていると考えられる。
次いで、−２０°Ｃの雰囲気中に置いた金型にスクリュウを駆動して、射出した。金型を開いて縦４５ｍｍ、横４．８ｍｍ、厚さ３．６ｍｍの板状のグリーン成形体を得た。金型内で水は氷となり、グリーン成形体は所定の強度になっていた。同様にして複数個のグリーン成形体を得た。
［乾燥」
（１）グリーン成形体を室温２５°Ｃ、湿度６０％の雰囲気中で１５時間自然乾燥した。グリーン成形体の重量は、乾燥前は２．３グラムで、乾燥後は２．０９グラムであった。したがって、９０％脱水したことになる。
（２）他のグリーン成形体を１２０°Ｃの乾燥炉で３時間乾燥した。このとき、昇温管理はしなかった。同様に、乾燥前の重量と、乾燥後の重量を測定した結果、３時間の乾燥で９２％脱水されていた。
上記のうに９０〜９２％脱水したが、グリーン成形体の強度は充分でその後の取扱いに支障を来すようなことはなかった。
［焼成］
（１）および（２）の方法で脱水した後のグリーン成形体を、焼成炉で１６００°Ｃの温度で、２時間焼成して製品を得た。得られた製品には、いずれにもクラック、変形等の欠点は認められなかった。
これにより、乾燥時間、乾燥コスト等を考慮して、いずれの乾燥方法も採用できることが判明した。
【００１７】
実施例２：［セラミックス粉末の調整］
窒化物系の代表的なセラミックスである窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４について実施した。
この窒化ケイ素粉末は、市販品を使用した。平均粒径は、０．６μｍであった。
［氷の製造］
水１００重量部あたり、５重量部のポリビニルアルコールを添加した水の中に超音波振動子を入れ、水を霧化して霧を得た。この霧を−３５°Ｃの雰囲気中に導き氷結した。霧の大きさは、０．２μｍ程度であるから、氷の粒度はこれより僅かに大きい０．３〜０．５μｍと推量された。窒化ケイ素粉末と、１３Ｗｔ％の氷とを０°Ｃ以下の雰囲気中で混合して窒化ケイ素組成物を得た。
［射出成形］
上記窒化ケイ素組成物を−５°Ｃの雰囲気中に設置した１００トンの射出成形機で計量した。１００トンの射出成形機では、窒化ケイ素組成物は７００〜１０００ｋｇ／ｃｍ２程度に加圧されるので、−５°Ｃの雰囲気中ではバインダである氷の一部は液体の水になっていると考えられる。
次いで、−２０°Ｃの雰囲気中に置いた金型にスクリュウを駆動して、射出した。金型を開いて直径１５ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状のグリーン成形体を得た。金型内で水は氷となり、グリーン成形体は所定の強度になっていた。同様にして複数個のグリーン成形体を得た。
［乾燥」
（１）グリーン成形体を室温２５°Ｃ、湿度６０％で２４時間自然乾燥した。グリーン成形体の重量は、乾燥前は２０．３グラムで、乾燥後は１７．８グラムであった。したがって、９５％脱水したことになる。
（２）他のグリーン成形体を１２０°Ｃの乾燥炉で５時間乾燥した。このとき、従来の脱脂工程のように昇温管理はしなかった。同様に、乾燥前の重量と、乾燥後の重量を測定した結果、５時間の乾燥で９７％脱水されていた。
上記のうに９５〜９７％も脱水したが、ポリビニルアルコールを添加した水の氷を使用していたので、グリーン成形体の強度は充分であった。
［焼成］
（１）および（２）の方法で脱水した後のグリーン成形体を、焼成炉で１７５０°Ｃの温度で、１時間焼成して製品を得た。得られた製品には、いずれにもクラック、変形等の欠点は認められなかった。ポリビニルアルコールを添加した水の氷を使用すると、９５〜９７％も脱水できるので、製品の品質は良好であった。
【００１８】
水にポリビニルアルコールを添加する理由は、グリーン成形体の強度を増すためであるが、添加量が大きすぎると、セラミックス製品にポリビニルアルコールの影響が出て好ましくない。これに対し少なすぎると、効果も小さくなる。したがって、ポリビニルアルコールの添加量は、水１００重量部あたり１〜５重量部が望ましいが、この添加量に限定されることなく、本発明が実施できることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、セラミックス組成物のバインダとして微粒子の氷を使用しているので、従来使用されている有機バインダに比較して、より少ない添加率で射出成形してもグリーン成形体にヒケ、クラック等の欠陥を生じるようなことがない。したがって、安価な氷を使用しているにも拘らず、品質の高いセラミックス製品を得ることができるという本発明特有の効果が得られる。
また、成形時にはバインダは一時的に水になるので粘性抵抗が小さく、グリーン成形体中でのセラミックス粉末の密度分布が均一となり、焼成時に起こる表面剥離等の欠陥をなくすことができる。
さらには、バインダが水であるので、安価な乾燥工程ですみ、従来の有機バインダを使用しているときのように高価な脱脂炉を使用する必要もなく、しかも、脱脂工程に要した時間に比較して短時間に乾燥することができる。したがって、本発明によると、セラミックス製品の製造時間を大幅に短縮することができ、工業的な大量生産が可能となる。また、バインダが水であるので、有機バインダのように環境を汚染するようなこともない。
また、水にポリビニルアルコールを添加した水の氷を使用すると、上記効果に加えてグリーン成形体の強度が増し、取扱いが容易になる効果が得られる。