(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記工程を含むことを特徴とする、セラミック物品(３０)の製造方法：
−着肉層(２０)を形成するためにスリップ(８)を加圧下に鋳込み型(１２)に鋳込む工程、
−形成された着肉層(２０)を通して、解膠剤を含有する溶液(１０)を濾過する工程。
【請求項２】
スリップ(８)が凝集しているものであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
スリップ(８)がカオリンを含有していることを特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
スリップが粘土（クレー）を含有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
スリップ(８)が石英を含有していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
解膠剤の量が物品(３０)の３質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
解膠剤の量が溶液(１０)の５質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
解膠剤の量が溶液(１０)の０.２０〜３質量％であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
鋳込み型(１２)とスリップ(８)を入れるのに適した第１タンク(４)とを備えたセラミック物品(３０)の製造装置であって、溶液(１０)を入れるのに適した第２タンク(６)と、第１タンクからのスリップと第２タンクからの溶液とを交互に鋳込み型(１２)に加圧下に注入するための手段(１４)をさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１０】
スリップの鋳込み型への注入のたびに、その前に注入手段(１４)を浄化する手段(１６)を備えることを特徴とする、請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック物品の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スリップ（セラミックの「処方組成物」を構成する各種鉱物材料の水性懸濁液）の加圧鋳込み成形（プレッシャー・ダイ・キャスティング）(ＰＤＣ)は、食器および衛生陶器製造といった伝統的なセラミック製品領域において広く使用されてきた技術である。この技術は、複雑形状の鋳込み部品の生産に使用されてきた昔からの方法である、伝統的な石膏型への鋳込みから派生したものである。しかし、この種の製造技術には、次に述べるように、加圧鋳込み成形では部分的には解決される多くの欠点がある：
−固化(setting)（鋳込み品の生成）が遅い；
−脱型が遅れる（脱型の前に型内の鋳込み品が硬化してしまうまで待つ必要がある）；
−鋳込み型を数回使用した後に乾燥しなければならない；
−鋳込み型の使用寿命が短い（１５０回より少ない）；
−かなりのスペースが必要（鋳込み型のストック）。
【０００３】
加圧鋳込み成形技術は、石膏型鋳込み技術の場合に使用するのと同じスリップから物品を形成するものである。この場合には、鋳込み型が多孔質樹脂から製作され、スリップは加圧下に注入される。圧力はほぼ８〜４０×１０5Ｐａの範囲内でよい。この時の着肉は、当初はセラミックの各種成分を懸濁状態にするのに使用された水の大部分が鋳込み型を通して濾去されてしまうことにより生ずる。従って、鋳込み品の生成はスピードアップされ、鋳込み品が生成したらすぐに、脱型操作を行うために鋳込み型を開けることができる。この操作が終了した後すぐに、新たな鋳込みサイクルのために鋳込み型を再び閉じることができる。鋳込み型は乾燥の必要がなく、その平均寿命は２０,０００サイクルであり、鋳込み品の種類ごとに余分に１以上の鋳型を保管しておく必要がないので、作業場のスペースの必要性はかなり小さくなる。
【０００４】
加圧鋳込み成形のサイクル特性はスリップのレオロジー特性におおいに依存する。スリップのレオロジー特性は解膠剤と呼ばれる添加剤によって調整することができる。解膠剤の作用は完全に静電的なものでもよく、あるいは完全に立体的または電気立体的(electrosteric)でありうる。スリップの特性は、可及的に速い鋳込みサイクルを得ることが可能であると同時に、なおかつ鋳込みにより生成した鋳込み品の良好な機械的挙動を維持することができるものでなければならない。これは、生成したばかりの鋳込み品が脱型および仕上げ工程が必要とする各種の取扱い操作に耐えるのに十分な強度を有していなければならないことを意味する。スリップが解膠不足であったならＰＤＣはより良好な歩留りを与えると思われるのに、これらの制約により、時間の大部分が、伝統的な鋳込みに対するのと同じやり方でＰＤＣについてスリップを調整することに費やされている。残念ながら、これらのスリップの使用は、鋳込み品をより迅速に形成することを可能にするにもかかわらず、鋳込み型内でのセラミックの硬化が不十分で、鋳込み品を脱型する時にそれらの修復不可能な変形を生じてしまう。
【０００５】
加圧鋳込み成形中の着肉層（堆積物）の構造および形成速度は、懸濁状態のスリップの解膠の程度に依存した２種類のメカニズムの結果であることをここで指摘しておくべきである。
【０００６】
解膠した懸濁液中では鉱物粒子間の斥力（反発力）が高く、粒子は互いに無関係に動くことができる。従って、それら粒子は個々にばらばらに堆積することができ、より緻密で（相対密度が高く、気孔率の低い）、非圧縮性で均質な着肉層（堆積物）として再配置されうる。しかし、着肉層の高度の緻密さのために鋳込み速度は低くなる。
【０００７】
凝集（凝膠）した懸濁液中では、粒子間の引力が高く、粒子は凝集体として移動し、かつ堆積する。こうして形成された着肉層は、密度が小さく（気孔率が高く）、圧縮性で（圧力を加えると粒子が再配置されうる）、不均質である。対照的に、この場合は気孔率が高いため、鋳込み速度はより高くなる。
【０００８】
さらに、全てのスリップが鋳込み中に同じように挙動するとは限らない。構成成分の鉱物学的性質はレオロジー特性に関して非常に重要な役割を果たす。問題を簡単に説明すると、カオリンから製造されたスリップ（磁器または熔化磁器用など）は伝統的な鋳込み成形の状況では「良く流れる」。これは、これらが解膠し易く、得られる固化（凝固）速度が高いことを意味する。これに対して、粘土（クレー）系のスリップ（陶器または石器用など）は良く流れない。これは、これらが解膠し難く、得られる固化速度が低いことを意味している。伝統的なセラミック製品領域内で加圧鋳込み成形により製造される製品の大部分が磁器および熔化磁器であるのは、これが理由である。陶器および石器の生産者は、それらの懸濁液の固有のひどいレオロジー特性のため、この技法を一般には利用しない。
【０００９】
ユーザーの目標は、機械の収益性を高めるように、着肉層（堆積物）の生成速度を加速することである。現状では、この加速は生成した着肉層が示す残留水分を除去し、こうして鋳込み型を開ける時に物品を掴むことができるようにする能力、により制限される。これは、着肉層の生成速度が可及的に早くなるようにスリップを「調整」した場合には、変形させずに物品を脱型することが不可能になる（それがチキソトロピー性固体として挙動するため）ことを意味する。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の１目的は、脱型時に鋳込み品の機械的強度をおびやかさずに、加圧鋳込み成形による生産を加速することである。本発明の別の目的は、加圧鋳込み成形により従来のセラミック物品を製造可能にすることである。
【００１１】
この目的を達成するために、本発明は、下記工程を含むことを特徴とする、セラミック物品の製造方法を提供する：
−着肉層を形成するためにスリップを加圧下に鋳込み型に鋳込む工程、
−形成された着肉層を通して、解膠剤を含有する溶液を濾過する工程。
【００１２】
こうして、濾過工程は、前工程で形成された比較的密度の低い着肉層を緻密化することを可能にする。この後処理は、解膠剤を含有する溶液を着肉層に通して通過させることからなる。この後処理の濾過プロセス中に、解膠剤の分子が鉱物粒子の表面に吸着され、こうして斥力を増大させることができるのではないかと推測される。それにより、粒子は「移動」することが可能となり、圧力の助けを借りてより緻密な着肉層（未焼成の鋳込み成形体の機械的一体性が高まる）として再配置されうるようになる。それにより、鋳込み物は脱型と仕上げ処理を可能にするのに適した十分な機械的性質を有するようになる。
【００１３】
本発明に係る方法は下記特徴のいずれか少なくとも１つをさらに有していてもよい：
−スリップが凝集している；
−スリップがカオリンを含有している；
−スリップが粘土（クレー）を含有している；
−スリップが石英を含有している；
−解膠剤の量が物品の３質量％以下である；
−解膠剤の量が溶液の５質量％以下である；
−解膠剤の量が溶液の０.２０〜３質量％である。
【００１４】
本発明はさらに、本発明の方法により製造されたセラミック物品にも関する。
この物品は、磁器(porcelain)、熔化磁器(vitreous china)、陶器(earthenware)または石器(stoneware)でよい。
【００１５】
本発明はまた、本発明の方法の２工程の後に鋳込み型から得られた生成物である、セラミック物品を製造するための中間製品にも関する。
本発明はさらに、鋳込み型、スリップを入れるのに適した第１タンク、溶液を入れるのに適した第２タンク、および第１タンクからのスリップと第２タンクからの溶液とを交互に鋳込み型に加圧下に注入するための手段を備える、セラミック物品の製造装置も提供する。
【００１６】
好ましくは、この製造装置は、スリップの鋳込み型への注入のたびに、その前に注入手段を浄化する手段を備える。
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照した以下の説明から明らかとなろう。以下の説明は、特に制限を意図しない実施例としての好適態様を提示するものである。
【００１７】
本発明の本態様の製造装置２を図１に説明図として示す。
この装置は、２つのタンク（槽）４および６を備える。タンク４はスリップ８を収容するのに適しており、タンク６は解膠剤を含有する濾過用溶液１０を収容するのに適している。
【００１８】
本装置は、慣用のタイプの加圧鋳込み成形用の鋳込み型１２を備える。この型は水平または垂直方向の分割線（合わせ目）を有していてもよい。この装置は、スリップ８と溶液１０を交互に鋳込み型１２に加圧下に注入することができる手段１４をさらに備える。この手段は、上流側の２つの別個の回路内にある、それぞれスリップ８と溶液１０を注入するように割り当てられた２つの独立したインジェクタにより構成することができる。
【００１９】
本装置は溶液注入手段を鋳込み型１２に接続する下流側の回路を浄化または洗浄するための手段１６を備える。
図７により詳細に示されているのは、図１の鋳込み型１２である。鋳込み型１２は、２つの端面部材、すなわち、上面部材１３および底面部材１５を備える。上面および底面部材のそれぞれは、その中にスプルー（注ぎ口）が達している内部チャンバを有する。該スプルーは、鋳込み型の外部からきていて、注入手段１４を構成する。上面部材１３はキャビティ３３を有し、底面部材は、２つの型部材を雄雌形式アセンブリとして一緒に組み合わせて結合した時にキャビティ３３に突入することができるヘッド２５を有する。この結合状態において、図７に示すように、ヘッド２５はキャビティ３３の一部しか占めていないので、キャビティ３３の残りの部分が成形すべき製品３０を形成するための成形チャンバを構成する。
【００２０】
この成形チャンバに接している上面および底面部材の部分は、多孔質部材から製作される。上面および底面部材のそれぞれには数個のランナー（流路）２９が設けられている。ランナー２９はまっすぐに伸び、互いに平行であって、同一間隔で相互に離間している。それらのランナーの向きは方向３７に沿っている。この方向３７は、形成された鋳込み品を鋳込み型から抜き出すことができるようにするため、それに沿って上面と底面の２つの部材が相互に動く方向である。上面と底面の両方の部材において、ランナー２９はキャビティ３３に対して直角に通っているが、ただし、キャビティには達していないので、それらはいずれも一端が閉じている。底面部材１５のランナーはヘッド２５の内部にまで達している。上面と底面の各部材において、ランナー２９は主部スプルーを多孔質材料のコアと接続している。鋳込み型１２はさらに横方向ランナー３９も備えており、このランナー３９は、上面と底面の一方または他方の部材、例えば、上面部材１３の内部を、その外部からチャンバ３３に直接出てくるように通っている。
【００２１】
本発明のこの態様では、着肉層２０を形成するためにスリップ８を鋳込み型１２の中に加圧下に注入（噴射）し、次いで溶１０を鋳込み型に注入する。
第１工程では、鋳込みが２０×１０5Ｐａの圧力下で行われる。スリップ８は、水溶液中に懸濁状態で粉末を含有している。粉末は、本例ではカオリン５０％と石英５０％とからなる。粉末の中間粒径はｄp50＝7μｍとなるものであり、ＢＥＴ比表面積はＳBET＝６.９ｍ2／ｇとなるものである。固相はスリップの７０質量％を占める。スリップの密度は１.７７である。水溶液は、Zschimmer & Schwartz社からＰＣ６７なる商品名で市販されている解膠剤をごく少量含有しているので、上記懸濁液は解膠不足であると考えられる。この場合、解膠剤はスリップの０.０６質量％を占める。
【００２２】
スリップを、この場合は横方向ランナー３９から注入すると、水分は多孔質材料と次にランナー２９を通って除去される。
このスリップの注入により、水分の一部が鋳込み型の壁面から抜き出された後に、比較的低密度の着肉層２０を得ることができる。
【００２３】
第２工程において、２０×１０5Ｐａの圧力下で再び注入を行う。注入する溶液１０は、解膠剤ＰＣ６７の水溶液であり、この解膠剤は溶液の０.１０〜４.７０質量％を占める（例えば、最終物品３０の１質量％までの量）。溶液１０は、本例では横方向ランナー３９から注入される。この第２工程において、溶液は着肉層２０を通って流れ、水分は鋳込み型の壁面から垂直方向ランナー２９を通って抜ける。
【００２４】
適当な時間の経過後、鋳込み型を開き、鋳込み型の２部材から形成された鋳込み品を分離するために水および圧縮空気を注入する。この注入はランナー２９を経て行われる。中間製品２０が、それを仕上げる目的で鋳込み型から取り出される。仕上げ処理は、図６に示した物品３０を得るために本技術分野で公知の方法（例、焼成など）により行われる。
【００２５】
質量濃度（溶液１０の合計質量に対する解膠剤の質量％）について、０％から４.７０％（すなわち、固体の質量に対して０％〜１％）の各種の濃度を試験した。各試験ごとに、濾過速度を評価し（経過時間ごとに集められた濾液の質量を測定し、比抵抗、すなわち、水の流れに対する抵抗、を算出することにより）、そして得られた着肉層の構造（気孔率、細孔径、機械的強度）を評価した。
【００２６】
図４は、解膠剤濃度が０％から４.７０％までに及ぶ解膠剤溶液１０の着肉層２０を通る濾過速度を示す。２種類の挙動が観察されうる。
解膠剤が存在しないと、濾液は着肉層を非常にすばやく通過する。濾液の流出が始まるまでの待ち時間（デッドタイム）はない。
【００２７】
解膠剤の存在下では、着肉層の全体を通過した濾液の流出は、解膠剤濃度が０.１０、０.４５、０.６５および４.７０質量％の場合でそれぞれ１１４、１６９、２２２および１２８秒後にしか有効にならない。従って、この待ち時間は、解膠剤濃度が最高濃度である場合を除いて、解膠剤濃度につれて増大する。
【００２８】
濾液流出速度の変動についても、着肉層を通した解膠剤溶液の濾過の全過程にわたって検討した。溶液の解膠剤濃度は０％から４.７０％までの範囲であった。待ち時間が過ぎた後の時間については、濾液の流出速度は時間とは無関係であるが、解膠剤濃度に伴ってわずかに変動する。
【００２９】
図５は、処理の前後での着肉層の比抵抗（固有抵抗）を示す。処理後の着肉層の抵抗（実線で示される曲線）は鋳込みのみにより得られたそれ（点線で示される曲線）の約２倍であることが明らかである。この結果は、着肉層の多孔質構造が処理により変化した（粒子がより緻密な構造に再配置された）ことを実証している。
【００３０】
処理および乾燥後の着肉層について機械的曲げ強度試験も実施した。結果を次の表に示す。溶液中の質量％としての解膠剤濃度をＣDとして示し、３点曲げ強度（単位ＭＰａ）をσとして表示する。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
４.７０％の解膠剤を含有する溶液の濾過後に得られた着肉層の機械的強度は、残りの着肉層について得られたものの約２倍になることが明らかとなった。この機械的強度の顕著な変化は、着肉層の構造が変化したことを示している。
【００３３】
これらの後処理濾過試験は下記の点を実証している：
解膠剤を含有する溶液１０の流出は、全く待ち時間なしに流出が起こる水の場合とは違って、１００〜２００秒後にしか有効にならない。この結果は、解膠剤の存在下では、溶液の流れによって、これが着肉層の全厚を通って流出することができるようになるまでに着肉層の多孔質構造に変化を生ずることを示している。水だけでは、その流出が待ち時間が全くないまま起こることから、着肉層の厚みを通過する流出により構造の変化は起こらない。
【００３４】
処理後に、着肉層の比抵抗がその機械的強度と同様に増大する。この増大は、低密度の着肉層を通過した解膠剤溶液の流出により、粒子がより緻密な（機械的により強く、より均質な）構造に再配置（再編）されることを示している。
【００３５】
従って、この後処理濾過法は、この処理中の粒子の再配置によって、より緻密な着肉層を得るのを可能にする。
着肉層の緻密化のメカニズムは次のように説明することができる。図２は、凝集した懸濁液８を鋳込んだ後の着肉層２０を示す。そのゼロ電荷点（等電点）がｐＨ２付近にある粗大な石英粒子２２は、ｐＨが７〜８前後の懸濁液中で負に帯電している。従って、これらの粒子は静電（クーロン）反発力により反発しあっている。しかし、小さなカオリン粒子２４はゼロ電荷点がｐＨ８〜９付近にある。懸濁液中のこれらの帯電していない粒子は、それぞれ引きつけあうファンデルワース力およびクーロン力のために、これら同士の間で凝集し、あるいは石英粒子２２の周囲に集まる。従って、この懸濁液を鋳込んだ後に得られる着肉層は、カオリンで包囲された石英粒子のブロックから構成され、気孔率が高いため、液相の急速な粒子が起こる。
【００３６】
図３は、溶液１０の注入後の着肉層を示す。この溶液に含有される解膠剤は、カオリン粒子２４に吸着され、それらを負に帯電させることができる。解膠剤は負に帯電している（ポリアクリレートの場合はＣＯＯ-基）。それにより、カオリン粒子は反発（電気立体的）力により反発することができるようになるので、個々に再配置されてより緻密な着肉層（より気孔率が低く、機械的強度が高い）になる。
【００３７】
これらの２図面において、矢印２６は濾液の流出を示す。
スリップ、好ましくは凝集したスリップの加圧鋳込み成形とその後の残りの製造工程に供することができるように粒子着肉層を再編するための後処理により、ＰＤＣに関して或る種の見込みが開かれる。
【００３８】
これは、一つには「うまく鋳込める」スリップで製造される製品（磁器、熔化磁器）の製造歩留りが改善されるからである。こうして、凝集したスリップの注入と次の現場での後処理による解膠の実施によって鋳込みサイクルの継続時間を実質的に低減することが可能となる。
【００３９】
本発明の別の適用は、陶器や石器用のスリップのような「うまく鋳込めない」スリップ、または粘土を高い割合で含有する他のスリップに本発明の原理を適用することからなる。ここに述べた本発明の方法は、実際にそのようなＰＤＣスリップに使用することができるのに対し、このことは、従来は方法および機械の設計においてそうではなかった。
【００４０】
既存の加圧鋳込み成形機械への本発明の適用は比較的簡単である：
ポンプ搬送および加圧送給システム１４は、従来技術で普通に採用されている粘度より高い粘度の懸濁液を搬送することができるものであることが好ましい。
【００４１】
解膠剤溶液を搬送するシステム部分の浄化（パージ）は、新たにスリップの注入を行う前に完了しておかなければならない。これは、該新たなスリップの意図しない解膠を生じないようにするためである。従って、後処理として溶液１０の注入を行った後は、その回路部分を清浄化するために浄化手段１６を作動させた後に、次回のスリップ８を送給しなればならない。
【００４２】
もちろん、本発明の範囲を逸脱せずに本発明に多くの変更を加えることができる。
本発明は任意の種類のセラミックに適用可能である。例えば、食器や衛生陶器用に使用されている伝統的な粘土系のセラミックに本発明を適用することができる。また、例えば、電子部品の基板や耐火材の製造のための高機能性セラミック（例えば、窒化ケイ素系または炭化ケイ素系のものなど）に本発明を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の装置の１態様の説明図である。
【図２】本発明の方法の第１工程後の物品の構造の微視的スケールでの説明図である。
【図３】本発明の方法の第２工程後の図２と同様の説明図である。
【図４】各種組成の濾過用溶液について濾液量と経過時間との関係を示すグラフである。
【図５】中間製品の比抵抗と解膠剤濃度との関係（後処理の前後での比抵抗の変化）を示すグラフである。
【図６】本発明により得られた物品の断面図である。
【図７】図１の鋳込み型のより詳しい断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
２：製造装置、４、６：タンク、８：スリップ、１０：解膠剤溶液、１２：鋳込み型、１３：上面部材、１４：加圧注入手段、１５：底面部材、１６：浄化手段、２０：着肉層（中間鋳込み品）、２２：石英粒子、２４：カオリン粒子、２５：ヘッド、２６：濾液流出経路、２９、３９：ランナー、３０：セラミック物品（製品）、３３：キャビティ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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