(57)【要約】【課題】焼結前駆成形体を製造する工程において、型抜きが不可能なような複雑な形状の成形体を安価に成形するに適した型、そのような型を用いた湿式成形法による焼結前駆成形体の製造方法、および焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】セラミックスまたは金属の粉体を、自己硬化性の結合材で湿式成形するに際して用いる非吸水性の型であって、該型は湿式成形に使用する溶媒の沸点より低い融点を有する熱溶融性材料から主に構成されていることを特徴とする、湿式成形用型、および、その型を用いた焼結前駆成形体の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスまたは金属の粉体を、自己硬化性の結合材で湿式成形するに際して用いる非吸水性の型であって、該型は湿式成形に使用する溶媒の沸点より低い融点を有する熱溶融性材料から主に構成されていることを特徴とする、湿式成形用型。
【請求項２】
セラミックスまたは金属の粉体、自己硬化性の結合材および溶媒を含むスラリーを、前記溶媒の沸点より低い融点を有する熱溶融性材料から主に構成される型に充填し、成形して後、前記熱溶融性材料の融点以上、前記溶媒の沸点以下の温度に保持した媒体中で脱型をすることを特徴とする、焼結前駆成形体の製造方法。
【請求項３】
自己硬化性の結合材が、アクリル樹脂、イソシアネート樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ヒマシ硬化油、寒天、アルブミン、メチルセルローズの中から選ばれる少なくとも１種である請求項２に記載の焼結前駆成形体の製造方法。
【請求項４】
自己硬化性の結合材が水硬性であることを特徴とする請求項２に記載の焼結前駆成形体の製造方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかに記載の方法で得られた焼結前駆成形体を焼結することを特徴とする焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス粉体または金属粉体から焼結前駆成形体を湿式成形により得る際に使用する型およびそのような焼結前駆成形体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスまたは金属の粉体を焼結前駆成形体に成形する方法として、アクリル樹脂、イソシアネート樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ヒマシ硬化油、寒天、アルブミン、メチルセルローズなど、加熱、冷却または触媒などにより化学反応で硬化する結合材を使用した成形法や、ρアルミナ、水硬性アルミナ、アルミナセメント、セメント、石膏など、水と反応することで硬化する、いわゆる水硬性の粉体を結合材として使用した成形方法は、石膏などの吸水性のある型でスラリー中の水分を吸収して固化する、いわゆる鋳込み成形法と違い、結合材が化学的・物理的に変化して自らが固化する、いわゆる自己硬化性を利用して成形体を形成できる。
【０００３】
この自己硬化性結合材を用いた成形法では、湿式成形するのが一般的である。ここで、湿式成形とは、粉体を溶媒に分散したスラリーを成形原料として用いるものをいう。自己硬化性結合材を用いた成形法では、スラリーを注入口より型の内部へ移送して充填した後、注入口を閉じ密閉して型内部のスラリーを硬化させるが、この時、スラリーの流動性を向上させるために添加されている溶媒が蒸発したり、型への溶媒の吸収が起きると、成形体が収縮してしまって、型と同一形状の成形体を形成することが困難となる。このような問題を避けるために、吸湿性が実質的に無い金属や樹脂からできた型を使用したり、特開平９−３００３１７号公報では、成形型を多孔質の材料で形成し、その型の内側表面に、ワックス、炭化水素系オイル、シリコーンオイルなどの防水性を有する有機化合物を含浸させることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術により、原理的にはあらゆる形状の焼結前駆成形体を成形可能に見えるが、複雑な形状の成形体を形成しようとすると、金属や樹脂で作られた型では、型と成形体との密着性が高いために、脱型時に成形体を破壊してしまうという問題があり、たとえ特開平９−３００３１７号公報で提案されている技術を採用したとしても、成形が終了した型から成形体を取り出しやすくするため、型に抜き勾配を付けることが必要となり、特に型の内部に広がった様な形状のものを成形するのは不可能であるというような問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の湿式成形に用いる型が有する問題を解決すべくなされたものであり、すなわち、焼結前駆成形体を製造する工程において、従来、型抜きが不可能と考えられていた複雑な形状の成形体を安価に成形するに適した型、そのような型を用いた湿式成形法による焼結前駆成形体の製造方法、および焼結体の製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の湿式成型用型は、上記目的を達成するために、次の構成を有する。すなわち、セラミックスまたは金属の粉体を、自己硬化性の結合材で湿式成形するに際して用いる非吸水性の型であって、該型は湿式成形に使用する溶媒の沸点より低い融点を有する熱溶融性材料から主に構成されていることを特徴とする、湿式成形用型である。
【０００７】
また、本発明の焼結前駆成形体の製造方法は、上記目的を達成するために、次の構成を有する。すなわち、セラミックスまたは金属の粉体、自己硬化性の結合材および溶媒を含むスラリーを、前記溶媒の沸点より低い融点を有する熱溶融性材料から主に構成される型に充填し、湿式成形して後、前記熱溶融性材料の融点以上、前記溶媒の沸点以下の温度に保持した媒体中で脱型をすることを特徴とする、焼結前駆成形体の製造方法である。
【０００８】
さらに、本発明の焼結体の製造方法は、上記目的を達成するために、次の構成を有する。すなわち、前記方法で得られた焼結前駆成形体を焼結することを特徴とする焼結体の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明において、湿式成形に供する粉体としては、アルミナ、ジルコニア等の酸化物系セラミックスや窒化珪素、窒化チタン、炭化珪素等の非酸化物系セラミックスというセラミックスの粉体のみならず、サイアロンや超硬および粉末冶金で使用するＳＵＳ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属の粉体も使用できる。
【００１０】
このような粉体と、アクリル樹脂、イソシアネート樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ヒマシ硬化油、寒天、アルブミン、メチルセルローズなどの自己硬化性を有する結合材と、必要に応じて分散剤を加えて、溶媒に分散してスラリーを得る。溶媒としては液体であれば大抵のものは使用できるが、安全性、取り扱い性などの点から工業的には水を用いるのが一般的である。このようなスラリーは、使用する結合材の種類に応じ、加熱、冷却または触媒作用などにより化学反応で硬化する。自己硬化性結合材としては、ρアルミナ、水硬性アルミナ、アルミナセメント、セメント、石膏など、水と反応することで硬化する、いわゆる水硬性のものも使用できる。その場合溶媒としては水を用いる。
【００１１】
このスラリーを焼結前駆成形体に成形するには型が必要となるが、本発明の型は、熱溶融性材料を主成分として構成されている。熱溶融性材料としては、常温で硬化したときに吸湿性が無く、スラリーに含まれる溶媒の沸点以下で溶融するものであれば特に制限はないが、通常さらにスラリーに含まれる結合材が劣化する温度以下で溶融するものを採用するのが良く、一般には融点が３０〜１５０℃、好ましくは４０〜１００℃、より好ましくは４０〜９０℃であって、具体的には、パラフィン等のワックス、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニル、塩化ビニリデン等の中で上記条件を満たすものを使用することができる。これらの中でも、ワックスは、４０〜１００℃という比較的低い融点を有し、かつ溶融粘度が極めて低いため、成形後に成形体の周りから型を容易に取り除くことができる。特に、スラリーにおける溶媒として水を使用する場合には、常圧（約０．１ＭＰａ）での水の沸点である１００℃より低いので好ましく使用される。特に５０〜９０℃の融点を有するワックスを用いるのが、型を使用する部屋を特別に温度制御する必要が無く、また水をスラリーの溶媒として用いた場合も、脱型時の加熱で水が突沸して成形体が破壊するというような不具合を避けられるといった観点から好ましい。
【００１２】
なお、常圧での溶媒の沸点を越えるような融点を有する熱溶融性材料で型を形成する場合、溶媒を含んだ成形体を型と共にそのまま常圧での溶媒の沸点を越えるような環境にさらすと、成形体内の溶媒の気化が促進され、急激な体積膨張をおこし成形体を破壊してしまうが、この場合でも、成形体が入った型をさらす環境圧力を高くすることで、溶媒の沸点を上昇させれば、常圧での溶媒の沸点を越えるような融点を有する熱溶融性材料でもそれが十分に溶融する温度まで上昇させることができる。たとえば、水の沸点は０．２ＭＰａで約１２０℃、０．５ＭＰａで約１５０℃、１ＭＰａで１８０℃であるので、溶媒として水を用いる場合でも、型を形成するに多くの熱溶融材料が使用可能となる。
【００１３】
また、型内部に溶媒を含んだ成形体が存在した状態のまま、型を溶融させるために大気中で加熱すると、成形体は過剰な乾燥状態にさらされることになる。したがって、成形体が実質的に乾燥収縮しない場合は特に問題とはならないが、成形体が乾燥収縮する場合には、成形体が内部に存在した状態で型を大気中で加熱すると、成形体内部の局部的な収縮量差や、乾燥により収縮しない型との間で発生する成形体内の引っ張り応力により成形体が破壊してしまうことがある。
【００１４】
このような場合には、溶媒を含んだ成形体が入った型を、加熱した液体に浸漬し、型を溶融させることにより、成形体を過剰な乾燥状態にさらすことなく、型を軟化もしくは溶融させて脱型することができる。取り扱いの容易さを考慮すれば、スラリーの溶媒も前記液体も水を使用することが工業的には好ましい。
【００１５】
スラリーの溶媒と脱型に使用する液体の両方とも水を使用した場合、成形体の保形をする結合材である自己硬化する硬化性物質は硬化を完了すると、水に不溶となるものとなるので、成形体を水に浸漬しても成形体が崩壊することはない。また、型に用いる熱溶融性材料は、水に難溶性のものが殆どなので、脱型により成形体から取り除かれた熱溶融性材料は温度を下げることにより固化するので、脱型に使用する水から分離して回収することができる。脱型された成形体は、水中から取り出し、その後乾燥するが、温度が高い状態で成形体を水中から取り出すと、前述の大気中で昇温した場合と同様に成形体が過剰な乾燥状態に晒されることになり、成形体が乾燥割れを起こす可能性が高くなるので、成形体温度が常温に下がるまで待って成形体を水中から取り出すことが重要となる。
【００１６】
このように湿式成形用型を特定融点を有する熱溶融性材料で形成することにより、複雑形状の型を手軽に安価に作製することができ、かつ軟化もしくは溶融して成形体から取り除かれた熱溶融性材料は回収して型に再生することもでき経済性にも優れている。
【００１７】
熱溶融性材料で型を作製するには、少量ならば熱溶融性材料の塊を旋盤やフライス盤などの汎用工作機械で切削加工すればよいし、大量に作製するときには、熱溶融性材料を溶融し射出成形したり、鋳造のような要領で金属型内へ流し込んで固化させればよい。特に複雑形状の型を作製するときには、型を複数に分割した部品として作製した後に個々の部品を組み立てて型としたり、３次元ＣＡＤデータからラピットプロトタイピングなどの装置を用いて直接型を作製しても良い。
【００１８】
また、型として熱溶融性材料の強度や保形性が不足する場合には、熱溶融性材料に粒状や繊維状の補強材を添加することにより、強度や保形性の良好な型とすることもできる。
【００１９】
次に、図面を用いて、本発明をより具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本発明で好適に成形できる成形体の内部透視斜視図である。このような一般には型抜きが不可能と考えられる形状の成形体でも本発明を用いれば精度良く成形することができる。図２は、図１に示す成形体を成形するのに使用できる型部品の内部透視斜視図である。この型２は上型２ａ、下型２ｂ、中子型２ｃからなっており、積み重ねた状態で圧縮機で上型と下型に隙間が無いように押さえた状態にして使用する。図３は本発明に係る湿式成形用型を用いた湿式成形装置の一例である。一次タンク５は、粉体原料と溶媒と自己硬化性結合材を攪拌混合するための攪拌機４を備えており、スラリー３の組成の分散状態を維持できるように攪拌している。この時注意する点として、溶媒が揮発するとスラリーの濃度が変化してスラリーの粘度や成形体の収縮率に影響を与える場合があるので、できるだけ温度が上がらないようにする。またスラリー中に気泡が有ると成形体完成時に欠陥として残るので好ましくなく、一次タンク５内をバキュームポンプ６で軽い低圧状態として、スラリー内の気泡を除去しておく事が望ましい。しかかし、あまりに低圧すぎると溶媒が揮発しやすくなるので適度な低圧状態を保つことが肝要であり、通常水が溶媒の場合、１０ｋＰａ以下の圧力としないのが良く、より好ましくは２０ｋＰａ以下の圧力としないことである。このスラリーは一次タンク５から成形型２へ繋がれたパイプを通じて送泥ポンプ７でスラリー注入口１３より成形型２へ移送される。また成形型２内にスラリーを充填するが、この時成形型２上部のデッドスペースに排出できない空気が溜まり、成形体の形状を型どおりにできなることがあるので、成形内の空気が溜まり易い部分にはエアー抜きの穴を開けておくことが望ましい。このようにして成形型内にスラリーが充填されたらコック９を閉じて成形型内のスラリーが抜けないようにし、スラリーが硬化するまでそのままの状態で保持する。
【００２１】
次に、このような成形体を内包した型から型を外す、いわゆる脱型を行う必要がある。図４は、本発明における脱型工程の一態様を示している。スラリーの溶媒として水を使用し、型を溶融し脱型する際の加熱媒体として水を使用した場合を例にとって次に説明する。成形体が入った型２を、型全体を沈めることができる量の水１１を張った脱型タンク１０内に、成形体を内包した型を入れ、ヒーター１２で水１１ごと型を加熱し、熱溶融性材料である型を軟化、溶融させることで成形体と型を分離する。このとき、脱型タンクの水を沸騰させてしまうと、成形体中に包含されている水が突沸して成形体を破壊してしまうので、水１１の温度は１００℃以下にするか、脱型タンク１１を圧力容器としてタンク内の圧力を上げて水の沸点を熱溶融性材料の融点以上にしておくことが必要である。
【００２２】
脱型工程で、軟化・溶融した熱溶融性材料は成形体と分離すると水との比重差により水の上に浮くか脱型タンクの底に沈むことになる。ここで、成形体は脱型タンクの温度が下がってから水中より取り出すことが前記した理由により望まれるが、成形体と熱溶融材料とが接触していると、成形体に固化した熱溶融材料が再付着してしまうため、脱型後の熱溶融性材料と成形体が接触しないようにしておくことが望ましい。例えば、熱溶融性材料の比重が水より軽い場合には成形体が十分水没できる程度に水の深さが必要であり、熱溶融性材料の比重が水より大きい場合には、溶けた熱溶融性樹脂が脱型タンクの底に溜まっても成形体に接触しないように成形体を底上げしておくことが望ましい。
【００２３】
このようにして得られた焼結前駆成形体は、常法により焼結されて焼結体となる。焼結条件としては、セラミックスの場合ならば通常１２００〜２０００℃で１〜５時間程度が採用されることが多いが、粉体としてアルミナを用いる場合には、例えば１６００℃で１〜３時間程度、粉体としてジルコニアを用いる場合には、１５００℃で１〜３時間程度など、用いる粉体の特性に合わせた焼結条件で焼結すれば良い。焼結方法としては、粉体として使用するセラミックスや金属の特性に合わせ、焼結雰囲気は大気中であっても良いし、減圧下や不活性ガス雰囲気中等でも問題無いが、焼結前駆成形体の厚さや形状を考慮して焼結前に脱脂工程を設けても良い。特に還元雰囲気下で焼結を行うときは脱脂がされにくくなるので、注意が必要である。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
アルミナ粉体として昭和電工（株）製ＡＬ１６０ＳＧ−４を１００重量部、エポキシ樹脂としてポリプロピレングリコールジグリシジルエーテルを５重量部、イオン交換水を１２重量部、分散剤としてポリカルボン酸界面活性剤を１重量部用意し、これらをボールミルにて２４時間湿式混合し、そこに、硬化剤として１−（２−アミノエチル）ピペラジンを１．５重量部加えて更に１０分攪拌してスラリーを得た。このスラリーを、直径２００ｍｍ×高さ２０ｍｍの円柱空間を有する融点６０℃のパラフィンで作製した型のなかに流し込み、型内で８時間保持し、スラリーを自己硬化させた。型が完全に水没させることが可能な大きさの容器を用意し、容器内に水を入れ、成形体が入っている型ごと水没させた後、水を８０℃に加熱して型を水中で溶融させた。パラフィンの比重は水の比重より小さいために、容器内の水の上にパラフィンの層ができた状態となり、成形体からパラフィンが分離し終えたことを確認した後に容器の加熱をやめて常温になるまで放置した。パラフィンは水の上で板状となって固化しており、このパラフィンを取り除いて水中の成形体を取り出し、更にこの成形体を湿度９０％にて１５時間乾燥した。成形体は約３％収縮していた。この成形体を１６００℃で２時間焼結して得られた焼結体には割れやクラックの発生がなく、品位の良好な焼結体を得ることができた。得られた焼結体について、３点曲げ強度試験を行ったところ、３４０ＭＰａの曲げ強度が得られた。なお、３点曲げ試験は、ＪＩＳ　Ｒ−１６０１の方法に従い、焼結体から４×３×４０ｍｍの大きさの試験片を切り出して、米倉製作所製の万能型試験機（形式ＣＡＴＹ２０００）を用いて行った。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、成形品に無理な力を加えることなく脱型することができるので、従来脱型が不可能であったような複雑形状の成形品を成形することができ、焼結前駆成形体を製造する工程において欠陥を発生させる割合をきわめて減少させることで、焼結前駆成形体の生産性、ひいては焼結体の生産性の向上を図ることができる。また、本発明を用いて得られる焼結体は割れやクラックなどの欠陥が少ないため高い強度を発現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で好適に成形できる成形体の一例を示す内部透視斜視図。
【図２】図１に示す成形体を成形するに使用できる型部品の内部透視斜視図。
【図３】本発明に係る湿式成形用型を用いた成形装置の一態様を示す模式図。
【図４】本発明における脱型工程の一態様を示す模式図。
【符号の説明】
１　成形体
２ａ　上型
２ｂ　下型
２ｃ　中子型
３　スラリー
４　圧縮機
５　一次タンク
６　バキュームポンプ
７　送泥ポンプ
８，９　コック
１０　脱型タンク
１１　水
１２　ヒーター
１３　スラリー注入口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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