(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス粉末の乾式静水圧加圧成形に用いられるマンドレルであって、
所定形状に形成された鉄系材質からなる母材と、
該母材の最表面に形成され、最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下で且つ水に対する接触角が７５°以上のダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）からなる最表面層と、
を備えた乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項２】
前記最表面層は、最大高さＲｍａｘが０．３μｍ以下である、
請求項１に記載の乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項３】
前記母材の最大高さＲｍａｘは、前記最表面層の最大高さＲｍａｘと一致する、
請求項１又は２に記載の乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のマンドレルであって、
前記母材と前記最表面層との間にクロムを主成分とする中間層
を備えた乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項５】
前記中間層は、厚みが３μｍ以上である、
請求項４に記載の乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項６】
焼成前成形体長さが３００ｍｍ以上のセラミックス粉末からなる有底中空管形状の成形体を成形するのに用いられる、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項７】
前記セラミックス粉末は、アルミナである、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【請求項８】
前記最表面層は、ボール・オン・プレート法により直径１０ｍｍのアルミナからなるボールに２００ｇｆの加重を加えた状態で湿度２０％の空気中で移動幅１０ｍｍで１０００回往復動させた際に測定した摩擦係数が０．２以下である、
請求項７に記載の乾式静水圧加圧成形用マンドレル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式静水圧加圧成形用マンドレルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、乾式静水圧加圧成形（以下、「ＣＩＰ成形」という）は、粉末充填、加圧、減圧、成形体取り出しの各工程からなり、圧力容器内に成形用のゴム型を備えたＣＩＰ成形装置を用いることによりセラミックス粉末等の成形を好適に行うことができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図１に示すように、ＣＩＰ成形装置１０として、圧力容器１２内において成形用のゴム型１４の内周面とマンドレル１６の外周面とボトムパンチ１８の外表面によって形成される成形空間２０を有しているものが開示されている。このＣＩＰ成形装置１０では、まず、供給ノズル２２によりセラミックス粉末Ａを成形空間２０に充填する。次いで、図２に示すように、トップパンチ２４に突設されたトップゴム栓２６により成形空間２０を閉塞し、圧力容器１２の媒体出入口２８から圧力媒体を注入する。すると、圧力媒体は、中空筒状の加圧ゴムホルダ３２の周壁に開けられた多数の孔３２ａを通過して加圧ゴムホルダ３２の内側に流入し、上下両端が加圧ゴムホルダ３２に固定された筒状の加圧ゴム３０を外周側から圧縮する。これにより、ゴム型１４も外周側から圧縮されるため、成形空間２０に充填されたセラミックス粉末Ａは有底中空管形状の成形体３４に成形される。続いて、図３に示すように、加圧ゴム３０内の圧力媒体を媒体出入口２８から流出させ、ゴム型１４を復元させることにより、ゴム型１４を成形体３４から分離させる。その後、トップパンチ２４を上昇させ、ボトムパンチ１８を下降させることにより、成形体３４を圧力容器１２から取り出す。
【特許文献１】特開２０００-５２０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、こうしたＣＩＰ成形装置１０では、成形回数の増加に伴ってセラミックス粉末がマンドレル１６の外周面に機械的あるいは静電的に付着する現象が発生した。このようにして付着したセラミックス粉末をそのままにしておくと、成形体３４の内面がマンドレル１６の表面に固着し、成形体３４の内面が剥離する成形不良になることから、マンドレル１６の清掃作業が必要になるが、こうした清掃作業は時間がかかるため生産効率が低下する一因となっていた。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、セラミックス粉末の付着を有効に防止可能なＣＩＰ成形用マンドレル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】
一般に、ＣＩＰ成形を繰り返すうちにマンドレル表面には機械的あるいは静電的にセラミックス粉末が付着する。本発明者らは、このセラミックス粉末の付着を防止するには、マンドレルに最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下のＤＬＣからなる最表面層を備えることが有効であることを見いだしたが、それだけでは付着防止効果は十分とはいえなかった。そこで、更に鋭意研究を重ねた結果、その最表面層の水に対する接触角を７５°以上としたときに、その付着防止効果が一段と高まることを見いだし、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明のＣＩＰ成形用マンドレルは、
セラミックス粉末のＣＩＰ成形に用いられるマンドレルであって、
所定形状に形成された鉄系材質からなる母材と、
該母材の最表面に形成され、最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下で且つ水に対する接触角が７５°以上のダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）からなる最表面層と、
を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルによれば、セラミックス粉末の付着を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルにおいて、母材は、所定形状に形成されている。ここで、所定形状とは、特に限定されるものではないが、例えば中実棒形状やパイプ形状などが挙げられる。また、母材は鉄系材質からなるが、鉄系材質としては、ＳＵＳ材、ＳＫＤ材（ダイス鋼）又はＳＫＨ材（ハイスピード鋼）が好ましい。ＳＵＳ材としては、例えば鉄−クロム系のＳＵＳ４１０やＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０などが挙げられる。ＳＫＤ材としては、例えばＳＫＤ１１やＳＫＤ６１などが挙げられる。ＳＫＨ材としては、例えば、ＳＫＨ２やＳＫＨ１０，ＳＫＨ５１，ＳＫＨ５５などが挙げられる。このうち、ＳＫＤ材が特に好ましい。
【００１０】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルにおいて、最表面層は、水に対する接触角が７５°以上で且つ最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下のダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）からなる。ここで、最大高さＲｍａｘは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−１９８２に則って測定した値である。また、水に対する接触角は、本明細書では、協和界面科学（株）製の接触角計ＤＭ１００を使用して測定した値とした。ＤＬＣとは、ダイヤモンドに近い特性を持ち、主として炭化水素又は炭素の同素体から成る非晶質（アモルファス）の硬質膜である。ＤＬＣは、硬質炭素膜やアモルファスカーボン膜と呼ばれることもあり、その硬さは一般的にはナノインデンテーション法による硬度測定で１０ＧＰａ以上である膜をいう。製法は、プラズマＣＶＤ法またはＰＶＤ法が一般的に用いられる。
【００１１】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルにおいて、最表面層の最大高さＲｍａｘは、１．０μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下である。１．０μｍを超えると、セラミックス粉末の付着を有効に防止できなくなるため、好ましくない。
【００１２】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルにおいて、最表面層の水に対する接触角は、７５°以上である。７５°未満だと、最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下であってもセラミックス粉末の付着を有効に防止できないことがあるため、好ましくない。
【００１３】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルにおいて、母材の最大高さＲｍａｘは、最表面層の最大高さＲｍａｘと同等であることが好ましい。母材の最大高さＲｍａｘは、ＤＬＣをプラズマＣＶＤ法によりＤＬＣからなる最表面層を形成したときにはその最表面層の最大高さＲｍａｘにほぼそのまま反映される。
【００１４】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルは、更に、母材と最表面層との間にクロムを主成分とする中間層を備えていてもよい。こうすれば、マンドレルの金型としての寿命が長くなる。例えば、母材の表面にＤＬＣからなる最表面層を直接形成したマンドレルを使ってセラミックス粉末のＣＩＰ成形を行うと、セラミックス粉末はゴムのように弾性変形するものではないし金属のように塑性変形をするものでもないため、セラミックス粉末がマンドレル表面に食い込んで傷を発生させることがある。こうした傷が発生すると、その後のＣＩＰ成形で得られる成形体にその傷が転写されて不良品となるため、最表面のＤＬＣ膜を剥がして再度コートする必要がある。更に、傷が母材まで達すると、マンドレル自体を使用することができず交換する必要があるため、コスト高になる。これに対して、母材と最表面層との間にクロムを主成分とする中間層を備えたマンドレルを使ってセラミックス粉末のＣＩＰ成形を行うと、母材への傷の発生を防止することができ、マンドレルの寿命が長くなる。ここで、中間層は、厚みが３μｍ以上であることがマンドレルの寿命を十分長くすることができるため好ましい。なお、中間層は、例えばクロムめっきとしてもよい。こうすれば、使用済みのマンドレルのクロムめっきを薬液により除去したあと再度クロムめっきを施せばマンドレルを再使用することができる。
【００１５】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルは、焼成前成形体長さが３００ｍｍ以上のセラミックス粉末からなる有底中空管形状の成形体を成形するのに用いられるものとしてもよい。この場合、マンドレルから成形体を引き抜く際に成形体とマンドレルとの摺動距離が比較的長くなり、マンドレルに傷がつきやすいことから、本発明を適用する意義が高い。
【００１６】
本発明のＣＩＰ成形用マンドレルにおいて、前記セラミックス粉末を、アルミナ粉末としてもよい。このとき、前記最表面層は、ボール・オン・プレート法により直径１０ｍｍの前記セラミックス粉末と同じ材料からなるボールに２００ｇｆの加重を加えた状態で湿度２０％の空気中で移動幅１０ｍｍで１０００回往復動させた際に測定した摩擦係数が０．２以下であることが好ましい。なお、一般にＤＬＣのアルミナ粉末に対する摩擦係数は０．２以下である。
【実施例】
【００１７】
［実施例１］
高さ５８０ｍｍ、直径６０ｍｍの円柱状の母材をＳＫＤ１１で作製し、母材の表面のバフ研磨を実施し、最大高さＲｍａｘが０．３μｍになるまで精密研磨を行った。具体的には、バフ研磨は、バフ研磨機（レース台）を用い、金型を垂直に押し当てて仕上げ研磨を実施した。研磨剤として、青棒（酸化クロム）を塗布したバフ布を３０００ｒｐｍで回転させ、金型を３回程度研磨した。その後、母材の表面に中間層として３μｍのクロム被膜を電解めっきにより形成した。具体的には、金型の脱脂・活性化を行い、金型を治具に設置した。この金型を横向きの状態でＣｒの薬液の中に入れ、電流を３０分流し、３μｍのクロム皮膜を得た。更に、１０００×１０００×１０００ｍｍサイズの真空容器内でＤＬＣ膜を母材の最表面に積層した。すなわち、まず、真空容器内に中間層を形成した母材をセットし、真空排気を行った。続いて、油回転ポンプ及び油拡散ポンプを順次用いることで、真空圧力を０．０１Ｐａ以下に調整した。その後、アルゴンガスを用い真空圧力１Ｐａにおいて、プラズマ放電により中間層の表面をスパッタクリーニングした。その後、ＤＬＣとの密着を良好にすべく、テトラメチルシランガスを用いてプラズマ放電により中間層にＳｉ元素を含んだＳｉ含有層をコートした。Ｓｉ含有層の膜厚は、０．１μｍであった。次いで、メタンガスを用いて１Ｐａ程度にてプラズマ放電により３時間コーティングを行い、１μｍのＤＬＣにより母材の最表面を被覆することにより、ＣＩＰ成形用マンドレルを得た。ＤＬＣ成膜中に、有機金属系ガスを同時に流し、例えばＳｉ元素を添加してもよい。このＣＩＰ成形用マンドレルの中間層（Ｃｒめっき層）及び最表面層（ＤＬＣ層）の最大高さＲｍａｘを測定したところ、０．３μｍであった。
【００１８】
こうしたＣＩＰ成形用マンドレルの作製時に、このＣＩＰ成形用マンドレルと同じ材質で同じ積層構造のテストピース（３０×３０ｍｍ）を準備し、このテストピースを用いて摩擦係数と水に対する接触角を測定した。最表面層の摩擦係数は、測定装置としてＨＥＩＤＯＮ：ＴＹＰＥ−３２（新東科学（株））を用いて次のようにして測定した。すなわち、ボール・オン・プレート法により直径１０ｍｍのアルミナからなるボールに２００ｇｆの加重を加えた状態で湿度２０％の空気中において移動幅１０ｍｍで１０００回往復動させた際の摩擦係数を測定した。その結果、摩擦係数は０．１であった。最表面層の水に対する接触角は、協和界面科学（株）製の接触角計ＤＭ１００を使用して測定したところ、８０°であった。ナノインデンテーション法により測定した硬度はＤＬＣと十分に呼べる、硬度１７ＧＰａであった。測定はＭＴＳシステムズ社製のナノインデンターＸＰにより実施した。
【００１９】
こうしたＣＩＰ成形用マンドレルを用いて、アルミナからなる有底中空形状管を成形した。具体的には、図１〜図３に示すＣＩＰ成形装置１０を用いて成形した。まず、供給ノズル２２によりアルミナ粉末Ａ（平均粒径１μｍ）を成形空間２０に充填した（図１参照）。次いで、トップパンチ２４に突設されたトップゴム栓２６により成形空間２０を閉塞し、圧力容器１２の媒体出入口２８から圧力媒体（一般作動油）を注入した。圧力媒体は加圧ゴムホルダ３２の周壁に開けられた多数の孔３２ａを通過して加圧ゴムホルダ３２の内側に流入し、上下両端が加圧ゴムホルダ３２に固定された筒状の加圧ゴム３０を外周側から圧縮した（図２参照）。このとき、圧力を２００ＭＰａまで上昇させ、その圧力下で１０秒間保持した。これにより、ゴム型１４も外周側から圧縮されるので、成形空間２０に充填されたアルミナ粉末Ａは有底中空管形状の成形体３４に成形された。成形終了後、圧力容器１２内の圧力媒体を媒体出入口２８から流出させ、ゴム型１４を復元させることにより、ゴム型１４を成形体３４から分離させた（図３参照）。その後、トップパンチ２４を上昇させ、ボトムパンチ１８を下降させることにより、成形体３４を圧力容器１２から取り出した。
【００２０】
こうした有底中空形状管を６０本連続成形し、その連続成形後にＣＩＰ成形用マンドレルの最表面層の全表面積に対する粉末の付着率を求めたところ、０％であった。また、金型寿命として、ＣＩＰ成形用マンドレルの母材に傷が入るまでに成形できる有底中空形状管の本数を調べたところ、１０００本であった。
【００２１】
［実施例２〜５，比較例１〜７］
実施例１に準じて、表１に示す母材、中間層及び最表面層を持つＣＩＰ成形用マンドレルを作製し、各々について実施例１と同様にして付着率と金型寿命を調べた。その結果を表１に併せて示す。なお、比較例１では、最表面層を形成する際にメタンガスの代わりにアセチレンガスを流し、比較例７では、メタンガスとアセチレンガスとを同時に流した。また、比較例３では、最表面層にＣｒＮ膜をＰＶＤ処理によりコーティングし、比較例４では、最表面層にＴｉＮ膜をＰＶＤ処理によりコーティングした。
【００２２】
表１から明らかなように、実施例１〜５のように最表面層として最大高さＲｍａｘが１．０μｍ以下で水との接触角が７５°以上のＤＬＣを形成した場合には、アルミナ粉末の付着を有効に防止することができた。また、実施例１〜４のようにクロムめっきからなる中間層を形成した場合には、実施例５のようにこうした中間層を形成しなかった場合に比べて、金型寿命が格段に向上した。
【００２３】
一方、比較例２，３，４のように最表面層としてクロムめっきやＣｒＮ、ＴｉＮを形成した場合や比較例１，５，６のように最表面層として最大高さＲｍａｘが１．２μｍのＤＬＣを形成した場合には、アルミナ粉末の付着を防止することができなかった。また、比較例７のように最大高さＲｍａｘが０．３μｍであるが水との接触角が７５°未満のＤＬＣを最表面層として形成した場合も、アルミナ粉末の付着を防止することができなかった。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＣＩＰ成形装置１０の使用例を示す説明図である。
【図２】ＣＩＰ成形装置１０の使用例を示す説明図である。
【図３】ＣＩＰ成形装置１０の使用例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  成形装置、１２  圧力容器、１４  ゴム型、１６  マンドレル、１８  ボトムパンチ、２０  成形空間、２２  供給ノズル、２４  トップパンチ、２６  トップゴム栓、２８  媒体出入口、３０  加圧ゴム、３２  加圧ゴムホルダ、３４  成形体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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