(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼成対象物を焼成するホットプレス炉に用いられる治具であって、
前記焼成対象物の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する外型と前記焼成対象物との間に配置され、応力を緩和する空間である緩和部が外周面に形成されており、
前記緩和部は、前記治具と焼成冷却後の前記焼成対象物との接触部分における前記緩和部の厚さＹが、前記治具の焼成前の内径Ｄ、前記焼成対象物の焼成冷却後の外径Ｆとしたときに、外径Ｆと内径Ｄとの差分値Ｇ（Ｇ＝Ｆ−Ｄ）の１／２倍以上を満たす（Ｙ≧Ｇ／２）、治具。
【請求項２】
前記緩和部は、焼成後の前記焼成対象物よりも長い長さに形成されている、請求項１に記載の治具。
【請求項３】
前記緩和部は、前記治具の全周に亘って形成されている、請求項１又は２に記載の治具。
【請求項４】
焼成対象物を焼成するホットプレス炉に用いられる成形型であって、
前記焼成対象物の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する外型と、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の治具と、
を備えた成形型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、治具及び成形型に関し、より詳しくは、ホットプレス炉に用いられる治具及び成形型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ホットプレス炉に用いられる成形型としては、例えば、複数の筒を互いにテーパ嵌合したものが提案されている。さらに、それぞれ内側の筒の熱膨張率がその外側の筒の熱膨張率より大きくされている成形型では、内側の筒が外側の筒に締められて内側の筒に圧縮応力を生じさせることができるとしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実用新案登録第２５５３８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、成形型では、成形型自身の熱膨張によって焼成中（高温中）に成形型の内径が広がることから、焼成対象物の直径が設計値よりわずかに大きくなることがある。その後降温すると成形型は熱収縮により元の内径に戻る。このとき、焼成対象物の熱膨張率が小さい場合などには、冷却後の焼成物の直径が成形型の内部空間の直径よりも大きくなるため、成形型が元の内径まで縮めず成形型に内圧が生じて成形型が破損することがあった。また、その内圧により成形型が太鼓状に変形した場合は、焼成対象物を取り出せないことや、成形型から取り外す際に大きな力が必要となり成形型が破損する場合ことがあった。また、焼成物にも大きな圧縮がかかってしまい、損傷することがあった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ホットプレス炉に用いられる外型の不具合や、それによる焼成物への不具合の発生をより抑制することができる治具及び成形型を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した主目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、例えば、焼成対象物と外型との間に応力を緩和する空間を設けることによって、ホットプレス炉に用いられる外型の不具合の発生をより抑制することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の治具は、
焼成対象物を焼成するホットプレス炉に用いられる治具であって、
前記焼成対象物の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する外型と、前記焼成対象物との間に介在し、応力を緩和する空間である緩和部が外周面に形成されているものである。
【０００８】
本発明の成形型は、
焼成対象物を焼成するホットプレス炉に用いられる成形型であって、
前記焼成対象物の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有する外型と、
上述した治具と、
を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の治具及び成形型は、ホットプレス炉に用いられる外型の不具合の発生をより抑制することができる。この理由は、例えば、治具には焼成対象物と外型との間に応力を緩和する空間である緩和部が形成されている。このため、外型が焼成対象物よりも大きな熱膨張率を有している場合でも、治具が変形することでこの応力を緩和することができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ホットプレス炉１０の構成の概略を示す説明図。
【図２】成形型２０の分解斜視図。
【図３】焼成前の成形型２０の断面図。
【図４】焼成冷却後の成形型２０の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である成形型２０を備えたホットプレス炉１０の構成の概略を示す説明図である。図２は、成形型２０の分解斜視図である。図３は、焼成前の成形型２０の断面図である。図４は、焼成冷却後の成形型２０の断面図である。
【００１２】
焼成対象物１１は、例えば、セラミックス材料であるものとしてもよい。セラミックス材料は、熱膨張率が比較的小さく、本発明を適用する意義が高い。焼成対象物１１としては、例えば、コージェライト、シリカ、ムライト、βユークリプタイト、βスポジュメン、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等のケイ素含有材料や、チタン酸アルミニウム、ジルコン、リン酸ジルコニウム系化合物などが挙げられ、このうち特にコージェライト、チタン酸アルミニウム、窒化ケイ素、サイアロンが熱膨張率が小さい材料であり、適性が高い。焼成対象物１１の熱膨張率は、例えば、０．１ｐｐｍ／Ｋ以上３ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるものとしてもよい。また、焼成対象物１１の熱膨張率は、例えば、成形型２０の熱膨張率に応じて、３ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるものとしてもよい。
【００１３】
ここで、熱膨張率は、押し棒式膨張計を用い４０℃〜１０００℃の範囲で測定した値を各材料の代表値とする。熱膨張率の測定は、試料の寸法変化を試料端面に接触させた押し棒を介して外部に置かれた変位検出器で検出することにより行われる。変位検出器としては差動トランスを用い、押し棒を含む試料支持部の材質としては石英ガラスまたはアルミナを用いるものとする。
【００１４】
ホットプレス炉１０は、図１に示すように、炉内の外周側に配設されたヒーター１２と、焼成対象物１１を押圧する上パンチ１４及び下パンチ１６と、焼成対象物１１を収容した成形型２０と、を備えている。ホットプレス炉１０は、例えば、５０ＭＰａ以下の範囲で焼成対象物１１を加圧しながら２５００℃以下で焼成する耐熱性を有して構成されている。
【００１５】
成形型２０は、最外周に配置されるダイス２１と、ダイス２１の内周に配置されるスリーブ２２と、焼成対象物１１とスリーブ２２との間に配置され本発明の治具に相当する緩和部材２４とを備えている。ダイス２１は、耐熱性部材により構成された円筒型であり、スリーブ２２がはめ込まれる内部空間の内周面がテーパ面に形成されている。耐熱部材は、熱的及び化学的に安定な材質であることが好ましく、例えば、カーボン、ジルコニア、アルミナなどが挙げられ、このうちカーボンであることが好ましい。例えば、ダイス２１がカーボンの場合の熱膨張率は、３ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるものとしてもよい。スリーブ２２は、耐熱性部材により構成された円筒型であり、その外周面がダイス２１の内周面に合うようテーパ面に形成されている。スリーブ２２は、円筒形の緩和部材２４がはめ込まれる空間が内側に形成されている。スリーブ２２、緩和部材２４は、半円状（１８０°）に二分割、或いは三分割（１２０°）、四分割（９０°）のように分割された構造になっていてもよい。ダイス２１及びスリーブ２２は、同種材料で形成されてもよいし、異種材料で形成されてもよい。スリーブ２２がカーボンの場合の熱膨張率は、３ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるものとしてもよい。このダイス２１及びスリーブ２２が成形型２０の外型２９を構成する。この外型２９は、焼成対象物１１の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有するものとする。
【００１６】
緩和部材２４は、外型２９と焼成対象物１１との間に配置されるものであり、応力を緩和する空間である緩和部２６が外周面２５に形成されている。この緩和部材２４は、耐熱性部材により構成された円筒型（前述の分割された構造を含む）であり、円柱状の内部空間２７に焼成対象物１１を収容し、上パンチ１４及び下パンチ１６がこの内部空間２７に挿入される。緩和部材２４は、外型２９と同種材料で形成されてもよいし、異種材料で形成されてもよい。緩和部材２４がカーボンの場合の熱膨張率は、３ｐｐｍ／Ｋ以上１０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるものとしてもよい。
【００１７】
緩和部２６は、図２に示すように、緩和部材２４の外周に亘って凹状に形成されている。この緩和部材２４がスリーブ２２にはめ込まれた際に、スリーブ２２の内周面と緩和部材２４の外周面との間に空間（緩和部２６）が形成される。なお、緩和部２６は、緩和部材２４の外周全てに形成されていることが好ましいが、緩和部材２４の外周に一部形成されていない箇所があってもよい。緩和部材２４の厚さ、特に緩和部２６の形成されている領域の壁部２８の厚さＴ（図３参照）は、昇温時のプレス圧ではあまり変形せずに、降温時の外型２９と焼成対象物１１との熱膨張差により生じる応力を吸収することができる厚さにすることが好ましい。
【００１８】
緩和部２６は、図４に示すように、焼成冷却後の焼成対象物１１の長さＬよりも長い長さＸに形成されていることが好ましい。この緩和部２６では、外型２９と焼成対象物１１との熱膨張差により生じる応力を吸収しやすい。緩和部２６は、緩和部材２４の焼成前の内径Ｄ、焼成対象物１１と外型２９との熱膨張差によって求められる焼成対象物１１の焼成冷却後の外径Ｆに対して、緩和部材２４と焼成冷却後の焼成対象物１１との接触部分における緩和部２６の厚さＹが、外径Ｆと内径Ｄとの差分値Ｇ（Ｇ＝Ｆ−Ｄ）の１／２倍以上を満たす（Ｙ≧Ｇ／２）ことが好ましい。厚さＹがＧの１／２倍以上を満たすと、外型２９と焼成対象物１１との熱膨張差により生じる応力を緩和部２６で吸収しやすい。
【００１９】
次に、このように構成されたホットプレス炉１０の動作、特に成形型２０での熱膨張、収縮に関する動作について説明する。まず、ダイス２１、スリーブ２２、緩和部材２４を組み付けて成形型２０とする。成形型２０は、すべてカーボンにより形成されているものとしてもよい。次に、この成形型２０をホットプレス炉１０の内部に配設し、緩和部材２４の内部空間２７に下パンチ１６を挿入する。次に、緩和部材２４の内部空間２７に焼成対象物１１の原料粉体（例えばコージェライト）の成形物を入れ、緩和部材２４の内部空間２７に上パンチ１４を挿入する（図３参照）。次に、上パンチ１４及び下パンチ１６により所定圧（例えば５ＭＰａ）を加えながら、焼成温度（例えば１４２５℃）までヒーター１２により昇温する。このとき、成形型２０の熱膨張が最大を示し、その熱膨張している内部空間２７の大きさで焼成対象物１１が押圧焼成される。続いて、所定時間経過後、室温まで降温させる。このとき、焼成対象物１１は、熱膨張が小さいため、冷却による収縮が成形型２０に比して小さく、成形型２０に内圧が発生するが、その内圧を緩和部２６により吸収することができる（図４参照）。
【００２０】
以上説明した本実施形態の成形型２０によれば、ホットプレス炉１０に用いられる外型２９の不具合の発生をより抑制することができる。この理由は、例えば、緩和部材２４（治具）には焼成対象物１１と外型２９との間に応力を緩和する空間である緩和部２６が形成されているため、外型２９が焼成対象物１１よりも大きな熱膨張率を有している場合でも、緩和部材２４が変形することでこの応力を緩和することができるためである。
【００２１】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００２２】
例えば、上述した実施形態では、緩和部材２４を備える成形型２０として説明したが、特にこれに限定されず、本発明の治具としての緩和部材２４としてもよい。緩和部材２４は、外型２９と組み合わせて使用すれば上述した実施形態と同様の効果を得られる。
【実施例】
【００２３】
以下には、本発明の治具（緩和部材２４）を有する成形型２０を具体的に製造した例を実施例として説明する。
【００２４】
［成形型の作製］
高さ２５０ｍｍ×外径２５０ｍｍのダイスをカーボン（熱膨張率５．６ｐｐｍ／Ｋ）を用いて作製した。また、このダイスに挿入される高さ２５０ｍｍ×外径１３．５〜１４．５ｍｍのスリーブをカーボンを用いて作製した。また、スリーブに挿入される高さ２５０ｍｍ×外径１２５ｍｍの緩和部材をカーボンを用いて作製した。緩和部の長さＸは、焼成冷却後の焼成対象物の長さの７倍とした。また、緩和部材と焼成冷却後の焼成対象物との接触部分における緩和部の厚さＹは、焼成対象物の焼成冷却後の外径Ｆと緩和部材の焼成前の内径Ｄとの差分値Ｇの１／２倍以上とした。このようにして、図１〜４に記載の成形型を作成した。
【００２５】
焼成対象物をコージェライト（熱膨張率１．５ｐｐｍ／Ｋ）とし、原料粉末５００ｇを直径１０５ｍｍ、高さ５０ｍｍ程度の円柱状に成形して、上記成形型の緩和部材の内部空間に入れ、昇温速度５０Ｋ／ｈｒ、焼成温度１４２５℃、保持時間５時間、プレス圧５．０ＭＰａの条件で焼成した。焼成後、プレスフリーで、降温速度２００Ｋ／ｈｒの条件で冷却した。焼成した結果、ダイス及びスリーブ（外型）を容易に取り外すことができ、外型に不具合は生じなかった。焼成体は、直径１０５．５ｍｍ程度、高さ２３ｍｍ程度の円柱状になり、損傷等の不具合は生じなかった。この理由は、成形型と焼成対象物との熱膨張差により生じる応力を緩和部材（本発明の治具）の緩和部により十分に緩和することができたためであると推察された。
【００２６】
なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、ホットプレス焼成を行う焼成関連の技術分野に利用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ホットプレス炉、１１  焼成対象物、１２  ヒーター、１４  上パンチ、１６  下パンチ、２０  成形型、２１  ダイス、２２  スリーブ、２４  緩和部材、２５  外周面、２６  緩和部、２７  内部空間、２８  壁部、２９  外型、Ｄ  内径、Ｆ  外径、Ｇ  差分値、Ｌ，Ｘ  長さ、Ｔ，Ｙ  厚さ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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