(57)【要約】  セラミックツール及びセラミックツールを形成する方法において、物質がセラミックベースにしみ込んでいる。物質としては、金属化合物が良く、好ましくは酸化クロムが良い。物質の化学的配合は、析出率を最適化し且つ所望の表面性能を達成するために変更することができる。しみ込み深さは、好ましくは、０．１ｍｍから１ｍｍであり、特に好ましくは０．２５ｍｍが良い。セラミックツールのモールド表面には蒸気ブラスト又はオートブラストが施される。その結果、セラミックツールは寿命が延び、離型剤が不要になる。
2010510153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に物質が付着されているセラミックツールにおいて、付着した前記物質は前記セラミックツールの表面にしみ込んでいることを特徴とするセラミックツール。
【請求項２】
請求項１におけるセラミックツールは、前記物質が金属系化合物であることを特徴とするセラミックツール。
【請求項３】
請求項２におけるセラミックツールは、前記金属系化合物が酸化クロムであることを特徴とするセラミックツール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックツールは、前記物質のしみ込み深さが、０．１ｍｍと２ｍｍとの間であることを特徴とするセラミックツール。
【請求項５】
請求項４におけるセラミックツールは、前記物質のしみ込み深さが、０．２５ｍｍであることを特徴とするセラミックツール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミックツールは、加熱手段を備えることを特徴とするセラミックツール。
【請求項７】
請求項６におけるセラミックツールは、前記加熱手段が、セラミックツールに形成された複数のボア内に配置された電気加熱線からなることを特徴とするセラミックツール。
【請求項８】
請求項６におけるセラミックツールは、前記加熱手段が、前記セラミックのマス内に配置された炭素繊維マットであることを特徴とするセラミックツール。
【請求項９】
請求項７または８におけるセラミックツールは、前記電気加熱手段が、前記セラミックツールの表面温度を測定する手段を備えることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１０】
請求項９におけるセラミックツールは、前記測定する手段が、１以上の熱電対からなることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のセラミックツールは、前記加熱手段に入力する電力を変更する手段を備えることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１２】
請求項７におけるセラミックツールは、前記電気加熱線の電気抵抗を変更する手段を備えることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１３】
請求項６におけるセラミックツールは、前記加熱手段が加熱油の経路のための複数の油の通路からなる手段を備えることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のセラミックツールは、前記セラミックツールの構造完全性を改善するために、強化繊維又は強化マットが前記セラミックツール内に配置されていることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１５】
請求項１４におけるセラミックツールは、前記強化繊維又は前記強化マットが、馬の毛、ケイ酸塩、セラミック又はアルミナ繊維であることを特徴とするセラミックツール。
【請求項１６】
必要な形にセラミックベースを形成するモールドツール形成方法において、モールドツールのモールド表面に物質を付着させ、付着した前記物質が前記セラミックベースにしみ込むことを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項１７】
請求項１６におけるモールドツール形成方法は、前記セラミックに金属系化合物をしみ込ませることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７におけるモールドツール形成方法は、前記セラミックに酸化クロムをしみ込ませることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載のモールドツール形成方法は、前記物質を０．１ｍｍと２ｍｍの間の深さまでしみ込ませることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２０】
請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載のモールドツール形成方法は、前記物質を０．２５ｍｍの深さまでしみ込ませることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２１】
請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載のモールドツール形成方法は、前記ツールの表面の複数のクレータを最小化するように、温度、熱の変化率、水の含有量、乾燥のシーケンス、焼成及びセラミックの配合がすべて選ばれることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２０のいずれか１項に記載のモールドツール形成方法は、複数のクレータが埋められることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２３】
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載のモールドツール形成方法は、物質の付着前に、前記セラミックツール表面に蒸気ブラストを施すことを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２４】
請求項２３におけるモールドツール形成方法は、前記ブラストが蒸気ブラストであることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２５】
請求項２３におけるモールドツール形成方法は、前記ブラストがオートブラストであることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２６】
請求項２３におけるモールドツール形成方法は、前記ブラストがライト・サンドブラストであることを特徴とするモールドツール形成方法。
【請求項２７】
請求項１２乃至２０のいずれか１項に記載のモールドツール形成方法は、前記モールドツールが加熱されることを特徴とするモールドツール形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックツール(ceramic tooling)に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モールドプロセスにおけるセラミックツールの用途については、本出願の出願人による国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００４１９６に開示されている。従来、金属又は複合材料（composite）により形成されたツール(tooling)を使用する場合には、金型（mould）から成形された部分を取り除き易くするために離型剤が一般的に必要とされ、複合材料の金型(mould)の場合には、金型の寿命は比較的限られている。しかし、高品質なマスター雄型パターンから形成されたセラミックモールド又は直接作られたセラミックモールドを採用した場合、離型剤の必要性はなくなる。また、例えば複合材料のツールの場合、ツール１個当たり約２５０個のモールド製品を成形すれば、ツールは寿命に達していたが、セラミックツールの場合、ツール１個当たり約１万個のモールド製品を成形して寿命に達していた。後者（セラミックツール）の数値は、金属のツールにより得られる生産率に近づいている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、セラミックツールの場合には、表面多孔性(surface porosity)がモールドプロセスに悪影響を与えるという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、この問題を軽減し、除去することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの観点によれば、本発明は、表面に物質(material)が付着されているセラミックツールにおいて、セラミックの表面に物質がしみ込んでいる(infused into the surface of the ceramic)セラミックツールを提供する。
【０００６】
また本発明の別の観点によれば、必要な形にセラミックベース(ceramic base)を形成し、セラミックベースのモールド表面(moulding surface)に物質を付着させる(applying)モールドツール(moulding tool)形成方法において、付着した物質をセラミックの材料(ceramic material)にしみ込ませる方法を提供する。
【０００７】
本発明の好ましい実施の形態において、セラミックの表面に付着させた(applied)物質は、硬く、丈夫で、滑らかな高耐熱性をセラミックツールの表面に与えて、ツールを使用する場合において離型剤の必要性をなくす。この物質としては、金属系化合物(metal based compound)、好ましくは酸化クロム(chrome oxide)が良い。物質のしみこみ深さ(the depth of the infusion)は、０．１ｍｍと２ｍｍとの間であることが好ましく、特に好ましくは０．２５ｍｍが良い。ツールの表面の、複数のクレータを最小化するように、温度、熱の変化率、水の含有量、乾燥のシーケンス、焼成及びセラミック配合(ceramic formulation)がすべて選ばれる。これにより形成されている複数のクレータは埋められる。物質を付着する前で、セラミックツールを部分的にまたは全体的に焼成（fire）した後に、セラミックツールの表面仕上がりを変更するために、セラミックツールの表面に、蒸気ブラスト(vapour blasting)、オートブラスト(oat blasting)、ライト・サンドブラスト(light sand blasting)を施すのが好ましい。またツールは加熱手段を備えるのが好ましい。加熱手段は、セラミックに形成された複数のミクロボア(microbores)内に配置された複数の電気加熱線(electric heater wires)から構成するのが好ましい。複数のミクロボアは、湿鋳造ステージ(wet casting stage)の間、プラスチックの細いチュービング又は複数の棒をセラミック内に配置することにより形成されるのが好ましい。ツールが固まった後、前記プラスチックは複数のミクロボアを残して溶ける。また別の方法では、加熱手段は加熱油(heating oil)の経路のための複数の油の通路(oil galleries)からなる。好ましくは、ツールの表面温度を測定するための複数の熱電対又は他の代替手段が備えられ、素子に入力される電力を変更する手段が備えられる。電気加熱手段は、電気加熱線の電気抵抗を変更する手段を備えているのが好ましい。
【０００８】
セラミックツールの構造完全性（structural integrity）は、馬の毛（horsehair）、シリカセラミック(silicate ceramic)、又はアルミナ繊維(alumina fibre)などからなる強化繊維又は強化マットをツール基板(tool substrate)に含むことにより、著しく改善される。但しこのような含有物の熱特性及び化学特性は主たるセラミックモールド材料と適合性(compatible)があることが大切である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明がより明確に理解されるように、本発明の実施の形態を一例を挙げ、添付されている図を参照し説明する。図はセラミックツールを示す斜視図である。
【００１０】
図のように、ベースとなるセラミックツールは従来からあるものであり、通常の方法で作られたものである。適切なセラミックス(ceramics)はアルミナ又はシリカベースとなったものであるが、ホウ化物(borides)、炭化物(carbides)、又は窒化物(nitrides)のような他のセラミックスを用いても良い。静電析出(electrostatic deposition)、必要な金属系化合物を含有する液状スラリ(liquid slurry)の塗布または必要な金属系化合物を含有する溶液の制御された噴霧（controlled spraying）によって、酸化クロムのような金属系化合物がセラミックの表面に付着される。付着物の厚み(the thickness of the deposition)は、ツールの表面硬さ、ツールの耐久性、及びツールの仕上がりの品質を最適化するために、正確に制御されるのが好ましい。更に、付着される金属系化合物の化学的配合(chemical formulation)は、析出率を最適化し且つ所望の表面性能(surface performance)を達成するために変更することができる。表面仕上がりの品質は、後のいかなる工作設備の使用に対しても、そして製造される複数のモールドパーツに対しても、非常に重要なものとなる。酸化クロム(chrome oxide)が、付着プロセスの間に、セラミックツールの表面内にしみ込まされる。
【００１１】
また別の好ましい方法では、クロム酸(chromic acid)溶液としてセラミックツールの表面に塗布することにより、酸化クロムがしみ込まされる。ツールの表面に溶液を塗布または噴霧して幾つかの層としてもよい。通常、付着ステップは、セラミックツールに施される最初の焼成後で、最後の焼成の前に行われる。このプロセスの間に、クロム酸が蒸発し、ツールのセラミックの表面にしみ込んだ酸化クロムが残る。セラミック内へのクロム酸の典型的な浸透深さ(penetration)は、０．１ｍｍから１ｍｍまでの範囲、好ましくは０．２５ｍｍである。
【００１２】
上記２つの場合における、セラミックの表面内へのクロム酸の析出が、真のしみ込みである。しかし、酸化クロムの小粒子はセラミックツールの表面にある場合があり、ある場合には表面に残った酸化クロムが、表面における被覆を形成する。
【００１３】
ツールが、金属を噴霧されるコンポーネントに使用される場合、その表面は、噴霧された金属がのり、ツールから簡単に部分的に抜け落ちることを妨げる複数の微細なクレータ又は複数のあばた状のマーク(pock marks)がセラミックツールの表面にあってはならない。セラミックツールの表面層の含水量、フリーズ率(rate of freezing)（型／パターンからセラミックを取り除くときに必要とされる）、及びモールドツールの表面の様態(attitude)に応じて、複数の小さなクレータはできる。
【００１４】
しみ込みプロセスは、外気温(ambient temperatures)で起きるのが好ましいが、ツールのデザインと同様に、セラミックの混合具合を慎重に制御し、かつプロセス制御（温度、熱の変化率、水の含有／乾燥のシーケンス制御、焼成、セラミックの配合）を慎重に制御することにより、複数の小さなクレータの数は最小化することができる。複数のクレータは埋めることもできる。
【００１５】
セラミックツールの仕上がり品質は、部分的又は全体的に焼成した後に、かつ酸化クロムを付着する前に、ツールの表面に蒸気ブラスト、オートブラスト、又はライト・サンドブラスト(vapour, oat or light sand blasting)を施すことにより変えることができる。
【００１６】
このブラストにより、一般に３０ミクロンの（ほとんど見えない）寸法を持つ非常に小さな、複数のミクロな起伏(undulations)が表面に残る。このブラスト処理により、噴霧された金属がしっかりと付着できる表面ができる。前記複数のミクロな起伏は、製造されるコンポーネント(the component produced)の噴霧金属表面に転写される。しかし、コンポーネントが塗装されるべきものであるなら、複数のミクロな起伏はペイントののりをよくするので、複数のミクロな起伏を取り除く必要はない。同様に、そのパート(the part)がクラスワンの仕上がり(a class one finish)である必要がなく、又はめっき処理が施される場合には、複数のミクロな起伏はあっても良い。しかしコンポーネントが鏡面仕上がりを必要とする場合には、コンポーネントは通常の金属プレスのように研磨することができる。
【００１７】
オートブラストのプロセスにおいては、複数のオートムギ(oats)の殻(husks)が、処理されるべき表面に向かって進められる。複数の殻の柔軟性(soft nature)により、上述した起伏ができる場合より、ツールの表面に研磨された仕上がりを提供する。複数の殻を用いることは、部分的に焼成されたより軟らかいツールにプロセスを用いることを可能にする。
【００１８】
また金属が噴霧される製品のためにセラミックモールド(ceramic mould)が使用される場合、モールドされた製品の表面層になる金属でモールドの表面が噴霧される場合には、しみ込まされる物質は噴霧される金属を考慮して選択される。例えば酸化クロムは、ステンレス鋼(stainless steel)に対して特に有利であることが知られているが、他物質が銅、アルミニウム、フォレティック鋼(phoretic steel)、及びチタン(titanium)に対して適切な場合がある。
【００１９】
上記のツールを使用してモールド動作を行う前及び行っている間には、ツールを加熱する必要がある。モールドする前には、ツールは１７０℃に加熱することができる。エポキシ樹脂(epoxys)の適切な硬化温度は、約１８０℃である。他の成形材料には他の温度が適切な場合がある。例えば、熱可塑性の材料の場合には、４１０℃の範囲内の硬化温度が必要である。この温度の範囲にわたってモールドの加熱を行い且つ制御するために、モールドは複数の電気加熱線(electrical heater wires)（図にＷを付してある）、又は炭素繊維マットのような他の複数の電気加熱手段を備える。非電気的な代替手段として、油を伝える通路(galleries)をツール内に設けることができる。但し、この油の通路は、電気加熱線と同じくらいの広い温度範囲を得ることは難しい。複数の電気加熱線は、セラミックツールの構造完全性を最大化するために、ツール内の複数のミクロボア(microbores)に取り付けられる複数の細い加熱線が好ましい。複数のミクロボアは、湿鋳造ステージにあるセラミックツール内に、細いプラスチックのチュービング(tubing)又は複数の棒を置くことにより作られる。ツールが固まって(frozen)、パターンから取り除かれた後に、ツールは焼成され、プラスチックは溶けて複数の微細なワイヤホールができる。そして、複数の加熱素子(heating elements)がツール内に入れられる。
【００２０】
炭素繊維マットにより代替する場合には、セラミックの第１層の上に炭素繊維マットが置かれ、焼成前にセラミックの第２層が、トップの上に置かれる。
【００２１】
ツールの表面温度は、複数の熱電対又は他の適切な手段を用いて測定することができ、複数の加熱素子に入力される電力(wattage)は、必要な温度に適合するよう調節される。
【００２２】
前述の技術を採用すれば、選ばれた長さの電気加熱線に必要な熱入力を変えるために電気加熱線の電気抵抗を選択することができるように、複数の加熱素子を変更することができる。
【００２３】
なお、以上の実施の形態において例示のみ行ったが、本発明の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能であることは言うまでもない。例えば、酸化クロムがセラミックツールの表面に付着される金属系化合物として好ましいが、選択された物質により、モールド製品の離型を容易にするような、硬く、丈夫で、滑らかな耐熱性表面を提供できるものであれば、他の物質を使用することができる。
【図１】
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【国際調査報告】
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