(57)【要約】【課題】セラミックス成形体の製造方法において、最終成形体の寸法精度、表面性状の向上が図れるとともに、脱脂に要する時間を短縮する。【解決手段】セラミック粉末とバインダーとを含む混合体を固化させて一次成形体を形成する成形工程と、一次成形体を、一次成形体の形状に対応する凹部を有するセッタ２上に配置するセッタ配置工程と、セッタ２上に配置された一次成形体１の周囲を粉体５で覆う被覆工程と、被覆された状態で一次成形体を焼成して最終成形体を形成する焼成工程と、を備えるセラミックス成形体の製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粉末とバインダーとを含む混合体を固化させて一次成形体を形成する成形工程と、
前記一次成形体を、前記一次成形体の形状に対応する凹部を有するセッタ上に配置するセッタ配置工程と、
前記セッタ上に配置された前記一次成形体の周囲を粉体で覆う被覆工程と、
被覆された状態で前記一次成形体を焼成して最終成形体を形成する焼成工程と、を備えるセラミックス成形体の製造方法。
【請求項２】
前記粉体としてシリカ又はシリカを含む複合酸化物を用いる請求項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項３】
前記粉体の周辺空間に酸素の流入を防止するカバーを設ける請求項１又は請求項２に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項４】
前記粉体は球状体からなる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセラミックス成形体の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のセラミックス成形体の製造方法で中子を成形する中子成形工程と、
成形された前記中子を、鋳型内部に配置して鋳込んで鋳造体を形成する鋳造工程と、を備える鋳造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス成形体の製造方法、及び鋳造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばガスタービン動翼／静翼の鋳造の際に用いられるセラミックス中子等のセラミックス成形体は、高い精度が要求されるため、精密鋳造法によって形成される。このような精密鋳造法においては、バインダーが添加されたセラミック粉末を金型中に流し込んで射出成形して一次成形体（生型）を形成し、この一次成形体を脱脂、焼成する方法が一般的である。
【０００３】
セラミックス成形体の焼成方法としては、一次成形体の形状と対応させた形状に形成されたセッタ上に一次成形体を配置して焼成するセッタ方式が知られている（例えば特許文献１参照）。セッタ方式は、一次成形体の形状に対応したセッタに支持されて焼成が起こるため、寸法ばらつきが小さく、良品率が高くなるという点で優れている。
【０００４】
また、セラミックス成形体の焼成方法としては、カオリン粉などの埋め粉の中に一次成形体を埋め込んで焼成するカオリン方式も知られている（特許文献２参照）。カオリン方式は、脱脂時間を短縮することが可能であり、脱脂が容易となるという点で優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７６１８１号公報
【特許文献２】特開昭６３−１０００７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記セッタ方式を用いて焼成を行う場合、脱脂に長時間を有するとともに、ワックスなどのバインダーの量が多い肉厚部分の脱脂が難しいという課題がある。
また、上記カオリン方式を用いて焼成を行う場合、埋め粉の圧密度などの要因により、最終成形体の寸法ばらつきが大きくなるという課題がある。
【０００７】
この発明は、最終成形体の寸法精度、表面性状の向上が図れるとともに、脱脂に要する時間を短縮することができるセラミックス成形体の製造方法、及び鋳造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、セラミックス成形体の製造方法は、セラミック粉末とバインダーとを含む混合体を固化させて一次成形体を形成する成形工程と、前記一次成形体を、前記一次成形体の形状に対応する凹部を有するセッタ上に配置するセッタ配置工程と、前記セッタ上に配置された前記一次成形体の周囲を粉体で覆う被覆工程と、被覆された状態で前記一次成形体を焼成して最終成形体を形成する焼成工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、一次成形体をセッタ上に配置して焼成を行うため、一次成形体の変形がセッタによって抑制され、最終成形体の寸法精度を向上させることができる。また、粉体によって酸素が遮断されるため、低酸素雰囲気となり、脱脂に要する時間を短縮させることができる。また、一次成形体上に均一に粉体の荷重が加わるため、表面の寸法精度を向上させることができる。また、粉体によって酸素が遮断されるため、バインダーが一次成形体の表面で燃焼し難くなり、最終成形体の表面の性状を向上させることができる。
【００１０】
上記セラミックス成形体の製造方法において、前記粉体としてシリカ又はシリカを含む複合酸化物を用いてもよい。
【００１１】
このような構成によれば、シリカ又はシリカを含む複合酸化物が余分なバインダーを吸収する一方で、シリカ又はシリカを含む複合酸化物はセラミックと反応し難いため、最終成形体に膨れや割れ、荒れなどが生じにくくなり、最終成形体の表面の性状を向上させることができる。
【００１２】
上記セラミックス成形体の製造方法において、前記粉体の周辺空間に酸素の流入を防止するカバーを設けてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、更に一次成形体への酸素の流入が抑制されるため、脱脂に要する時間を更に短縮させることができる。
【００１４】
上記セラミックス成形体の製造方法において、前記粉体は球状体からなる構成としてもよい。
このような構成によれば、被覆工程における粉体の充填率を向上させることができる。これにより、一次成形体を拘束する力が増加し、最終成形体の寸法精度を向上させることができる。
【００１５】
本発明の第二の態様によれば、鋳造体の製造方法は、上記いずれかに記載のセラミックス成形体の製造方法で中子を成形する中子成形工程と、成形された前記中子を、鋳型内部に配置して鋳込んで鋳造体を形成する鋳造工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、より短時間で、表面欠陥が少なく、平滑性に優れる鋳造体を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、セラミックス成形体の製造に際し、最終成形体の寸法精度、表面性状の向上が図れるとともに、脱脂に要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態におけるセラミックス成形体の製造方法の工程を説明するフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態のセラミックス成形体の製造方法におけるセッタ配置工程を説明する斜視図である。
【図３】本発明の実施形態のセラミックス成形体の製造方法における被覆工程を説明する斜視図である。
【図４】本発明の実施形態のセラミックス成形体の製造方法における酸素遮断工程を説明する斜視図である。
【図５】本発明の実施形態のセラミックス成形体の製造方法の焼成工程における昇温速度と時間との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態の変形例のセラミックス成形体の製造方法について説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態のセラミックス成形体の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、セラミックス成形体の製造方法をタービン静翼／動翼、航空用エンジン動翼／静翼、等の鋳造体の製造の際に使用される中子（コア）を用いて説明する。
【００２０】
例えばガスタービンの動翼は、高温の作動ガスに曝されることから、内部に冷却媒体を流して、ガスタービン動翼を冷却してガスタービン動翼に負荷される温度をより低く保持する方法が採用されている。
内部に冷却媒体を流すために、ガスタービン動翼には内部冷却構造が設けられている。内部冷却構造を有するガスタービン動翼の製造の際には、冷却媒体の流通路と同形状とされた中子を配置し、鋳造後に中子を取り除いている。
【００２１】
具体的には、鋳造体の製造方法では、本方法によって製造された中子を取得する工程と、鋳型とその内部に設置される中子との間に供給した溶融金属を凝固させた後に、中子を除去することで中空部を有する鋳造体を取得する工程と、を含む。即ち、鋳造体の製造方法では、鋳型との間に溶融金属を供給した後で、中子を除去することによって、この中子に対応する中空部を有する鋳造体を製造する。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態におけるセラミックス成形体の製造方法Ｓ１は、未焼成の一次成形体を形成する成形工程Ｓ１０と、一次成形体をセッタ上に配置するセッタ配置工程Ｓ２０と、キュアリングを行うキュアリング工程Ｓ３０と、セッタに配置された一次成形体を粉体で被覆する被覆工程Ｓ４０と、一次成形体及び粉体をカバーする酸素遮断工程Ｓ５０と、一次成形体の焼成を行う焼成工程Ｓ６０と、を有している。
【００２３】
成形工程Ｓ１０は、セラミック粉末（シリカ粉末）をバインダーを用いて射出成形することにより未焼成の一次成形体を形成する工程である。具体的には、セラミック粉末とバインダーとを混合して混合体とし、この混合体を金型内へ射出した後固化させることによって一次成形体とする。
セラミック粉末としては、溶融シリカ粉末などを用いることができる。
バインダーとしては、パラフィン、プラスチックポリマー、ワックス及びそれらの混合物などを用いることができる。
【００２４】
図２は、セラミックス成形体の製造方法Ｓ１におけるセッタ配置工程Ｓ２０を説明する斜視図である。図２に示すように、セッタ配置工程Ｓ２０は、成形工程Ｓ１０にて形成された一次成形体１を一次成形体１の形状に対応する成形体受け部４を有するセッタ２上に配置する工程である。
セッタ２は、中実の直方体形状の本体部３と、本体部３の上面に形成された複数の成形体受け部４と、を有している。セッタ２は、金属、エンジニアリングプラスチック等の高剛性の材料によって形成されている。
【００２５】
成形体受け部４は、成形工程Ｓ１０にて成形された一次成形体１の第一面１ａに対応する形状を有している。即ち、成形体受け部４は、一次成形体１を第一面１ａが下側となるように、セッタ２に配置した際に、セッタ２と一次成形体１との間に隙間が生じない凹部を有する形状とされている。
【００２６】
キュアリング工程Ｓ３０は、一次成形体１をセッタ２上に配置したまま加熱する工程である。キュアリング工程Ｓ３０においては、例えば、２０℃／時間の加熱速度でセッタ２を加熱し、一次成形体１を軟化させることによって、一次成形体１をセッタ２に沿わせる。
【００２７】
図３は、セラミックス成形体の製造方法Ｓ１における被覆工程Ｓ４０を説明する斜視図である。図３に示すように、被覆工程Ｓ４０は、粉体５を用いてセッタ２上に配置された一次成形体１の周囲を被覆する工程である。具体的には、上部が開放された箱体７の中にセッタ２を配置し、更に、箱体７内に粉体５を充填する。この際、粉体５を押圧することなく、粒状の粉体５間に隙間が生じるように充填を行う。
なお、一次成形体１を被覆するに当たっては、箱体７を用いることなく、少なくとも一次成形体１の全体を覆うように、粉体５を一次成形体１上に載せてもよい。
【００２８】
被覆工程Ｓ４０にて使用される粉体５としては、シリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ２）単体、又はシリカを含む複合酸化物が好ましい。シリカを含む複合酸化物としては、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、カオリン（カオリナイト，Ａｌ４Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）８）、ムライト（Ａｌ６Ｏ１３Ｓｉ２）などを挙げることができる。
また、粉体５の粒度については、適度な流動性を有する所定の粒度とすることが好ましい。さらに、粉体５は、球状体とすることが好ましい。具体的には、粉体５を構成する粒の平均粒径は、２０μｍ〜６０μｍとされている。
【００２９】
図４は、セラミックス成形体の製造方法Ｓ１における酸素遮断工程Ｓ５０を説明する斜視図である。図４に示すように、酸素遮断工程Ｓ５０は、被覆工程Ｓ４０にて使用した箱体７の開口部にカバー８を設ける工程である。カバー８によって、箱体７内の空間を密閉することはせず、カバー８は箱体７の上部に載置するのみでよい。これにより、カバー８と箱体７との間には、僅かな隙間が生じる。
箱体７を使用しない場合には、例えば、下方が開放された箱体７を用いて、一次成形体１を覆うことによって、蓋をしてもよい。
【００３０】
図５は、セラミックス成形体の製造方法Ｓ１の焼成工程Ｓ６０における昇温速度と時間との関係を示すグラフである。焼成工程Ｓ６０は、セッタ２に支持されているとともに、粉体５によって覆われている一次成形体１を加熱することにより、焼成（焼き締め、焼結）する工程である。
具体的には、図５の実線に示すように、一次成形体１を最高温度Ｔまで加熱し、セラミック粉末同士を結合させて緻密化を進行・促進させる。最高温度Ｔは、１，１００℃〜１，３００℃とすることが好ましい。
この際、バインダーが蒸発することによって生じる蒸気が、カバー８と箱体７との間の隙間から漏れ出てくる。バインダーの蒸気が隙間から漏れ出ることによって、外気（酸素）が、隙間から箱体７の内部に流入することがない。
【００３１】
次いで、最終成形体の冷却を行う。この際、最終成形体の収縮を防止するため、急激な冷却をせず、セラミックス成形体に適した降温速度で温度を下げる。
【００３２】
（実施例）
複数種の粉体５を用いて、上記セラミックス成形体の製造方法Ｓ１を実施した。
粉体５の原料として、アルミナ（酸化アルミニウム，Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、カオリン（Ａｌ４Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）８）、ムライト（Ａｌ６Ｏ１３Ｓｉ２）を用いた。このうち、アルミナは、シリカを含まない酸化物であり、ジルコン、カオリン、ムライトは、シリカを含む複合酸化物である。
【００３３】
ここで、実施例により、本実施形態の効果を説明すると、アルミナ粉体、即ち、シリカを含まない粉体を用いて成形体被覆工程Ｓ４０を実施した場合は、アルミナが一次成形体１を構成するセラミックと反応することによって、一次成形体１にアルミナが付着した。即ち、一次成形体１の表面の性状に課題が残った。
一方、シリカ、又はシリカを含む複合酸化物によって形成された粉体５を用いて成形体被覆工程Ｓ４０を実施した場合は、一次成形体１に粉体５が付着することもなく、表面欠陥が少なく、平滑性に優れるセラミックス成形体を製造することができた。
【００３４】
また、図５において、点線は、従来のセッタ方式の焼成工程Ｓ６０における昇温速度と時間との関係を示しており、実線は、本実施形態の焼成工程Ｓ６０における昇温速度と時間との関係を示している。
セッタ方式とは、本実施形態のセッタ２と同様の下部セッタと、一次成形体１の第一面１ａとは反対側の面に対応する形状の上部セッタとの間に一次成形体１を配置した状態で焼成を行う方式である。
【００３５】
図５の点線に示されているように、従来のセッタ方式の場合、混合体から水分やバインダー等を除去するために、徐々に昇温を行っている。即ち、最高温度Ｔに至るまでの脱脂工程により長時間を要する。
一方、図５の実線に示されているように、本実施形態のセラミックス成形体の製造方法Ｓ１では、最高温度Ｔに至るまでの脱脂工程を短縮できる。即ち、本実施形態のセラミックス成形体の製造方法Ｓ１では、一次成形体１を覆う粉体５により、低酸素雰囲気にて焼成することができるため、短時間での脱脂が可能となる。
【００３６】
上記実施形態によれば、一次成形体１をセッタ２上に配置して焼成を行うため、一次成形体１の変形がセッタ２によって抑制され、最終成形体の寸法精度を向上させることができる。また、粉体５によって酸素が遮断されるため、低酸素雰囲気となり、脱脂に要する時間を短縮させることができる。
また、一次成形体１上に均一に粉体５の荷重が加わるため、表面の寸法精度を向上させることができる。また、粉体５によって酸素が遮断されるため、バインダーが一次成形体１の表面で燃焼し難くなり、最終成形体の表面の性状を向上させることができる。即ち、表面欠陥が少なく、平滑性に優れるセラミックス成形体を製造することができる。
【００３７】
また、シリカ又はシリカを含む複合酸化物が余分なバインダーを吸収する一方で、シリカ又はシリカを含む複合酸化物はセラミックと反応し難いため、最終成形体に膨れや割れ、荒れなどが生じにくくなり、最終成形体の表面の性状を向上させることができる。
【００３８】
また、粉体５の周辺空間に酸素の流入を防止するカバー８を設けることによって、更に一次成形体１への酸素の流入が抑制されるため、脱脂に要する時間を更に短縮させることができる。
さらに、粉体５を球状体とすることによって、被覆工程Ｓ４０における粉体５の充填率を向上させることができる。これにより、一次成形体１を拘束する力が増加し、最終成形体の寸法精度を向上させることができる。
【００３９】
本実施形態のセラミックス成形体の製造方法Ｓ１は、タービン静翼／動翼、航空用エンジン動翼／静翼、等の鋳造体の製造の際に使用される精密鋳造用中子の製造に最適である。
このような中子を用いた鋳造体の製造方法は、上記実施形態のセラミックス成形体の製造方法Ｓ１によって製造された中子を取得する工程（中子形成工程）と、鋳型とその内部に設置される中子との間に供給した溶融金属を凝固させた後に、中子を除去することで中空部を有する鋳造体を取得する工程（鋳造工程）と、を含む。即ち、鋳造体の製造方法では、鋳型との間に溶融金属を供給した後で、中子を除去することによって、この中子に対応する中空部を有する鋳造体を製造する。
【００４０】
次に、本実施形態の変形例のセラミックス成形体の製造方法Ｓ１について説明する。
図６に示すように、本変形例のセラミックス成形体の製造方法Ｓ１では、平面視におけるセッタ２Ｂの形状を台形にしたことを特徴としている。
本実施形態のセッタ２Ｂの平面視における形状は、一方向に長さを有するとともに長手方向の第一の側の幅Ｗ１よりも第一の側とは反対側の第二の側の幅Ｗ２が広いセラミックス成形体Ｃの形状に対応した形状となっている。具体的には、台形形状のセッタ２Ｂは、上記した形状を有するセラミックス成形体の第一の側及び第二の側に対応した長さの上底２ａ及び下底２ｂと、上底２ａと下底２ｂとを接続する一対の脚２ｃを有する等脚台形状である。
図６に示すように、本変形例の複数のセッタ２Ｂは、長手方向が揃えられるとともに、隣り合うセッタ２Ｂの長手方向の向きが反対となるように配置される。
【００４１】
本変形例によれば、複数のセッタ２Ｂを同時に焼成する場合において、より少ない設置スペースで焼成を行うことができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  一次成形体
１ａ  第一面
２，２Ｂ  セッタ
３  本体部
４  成形体受け部
５  粉体
７  箱体
８  カバー
Ｓ１  セラミックス成形体の製造方法
Ｓ１０  成形工程
Ｓ２０  セッタ配置工程
Ｓ３０  キュアリング工程
Ｓ４０  被覆工程
Ｓ５０  酸素遮断工程
Ｓ６０  焼成工程
Ｔ  最高温度
【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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