(57)【要約】【課題】機械加工時におけるアンダーカットを有する３次元形状の加工性が良好であり、本焼成後に得られたマイクロ精密部品の変形が少なく、形状精度及び緻密性に優れたセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法を提供する。【解決手段】アンダーカットを有する３次元形状のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法である。密度分布が均一なグリーン成形体を成形する成形工程と、成形工程で得られたグリーン成形体を仮焼する仮焼工程と、仮焼工程で得られた仮焼体を、その少なくとも表面層の開気孔に、仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質を含浸した後、所定の形状に機械加工する加工工程と、加工工程で得られた加工体を本焼成することにより、緻密なセラミックスの焼結体を得る焼成工程と、を備えたものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンダーカットを有する３次元形状のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法であって、
密度分布が均一なグリーン成形体を成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた前記グリーン成形体を仮焼する仮焼工程と、
前記仮焼工程で得られた仮焼体を、その少なくとも表面層の開気孔に、仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質を含浸した後、所定の形状に機械加工する加工工程と、
前記加工工程で得られた加工体を本焼成することにより、緻密なセラミックスの焼結体を得る焼成工程と、
を備えたセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【請求項２】
前記仮焼工程は、前記グリーン成形体を、前記グリーン成形体の本焼成時に得られる緻密体の８０〜９５％のかさ密度になるように仮焼する請求項１に記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【請求項３】
前記仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質が、シリコーンオイルである請求項１に記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックスの焼結体が、翼部を備えた３次元タービン形状の回転体であり、その直径が１０〜２５ｍｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【請求項５】
前記セラミックスが、窒化珪素、炭化珪素及びアルミナのいずれか１種、もしくは複合材料である請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超小型ガスタービンに好ましく使用されるセラミックスロータ等のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス製マイクロ精密部品を製造する方法としては、大きく２つに分類できる。
【０００３】
第一の製造方法としては、焼結した緻密体セラミックスをベース材として、機械加工を施すことで所望の部品形状を付与する方法である。しかしながら、一般的にセラミックスは硬く、且つ脆いため複雑な形状の機械加工が困難であり、特に窒化珪素などの難加工セラミックスにおいては実用的な加工方法が無かった。
【０００４】
例えば、ＥＤＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）法によって、アンダーカットを有する３次元形状の直径２０ｍｍの窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックス製タービン部品の製作方法が開示されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
この方法は、電極と被加工物の間で放電させて加工する方法であり、緻密セラミックスを直接加工することができる。しかしながら、被加工物に導電性を付与することが必要であり、ＴｉＮを複合化することで導電性を付与しているが、それによって耐熱性が低下するとともに、滑らかな表面状態が得られない等の問題があり、また加工用の電極の消耗が激しく、１つのタービン部品を加工するために、１０個の加工用電極が必要であるという問題があった。
【０００６】
第二の製造方法としては、グリーン成形体の段階で、形状を付与する射出成形法がある。しかしながら、３次元形状のタービン部品などのアンダーカットを有する形状の部品を製造するには、金型の構造が複雑となるのに加えて、部品サイズが小さくなると、金型内にスラリーを充填する際の圧力不均一により、グリーン成形体の密度分布が不均一となりやすく、脱脂・焼成工程で変形が生じて、形状精度が低下しやすいという問題があった。
【０００７】
【非特許文献１】Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  ＰｏｗｅｒＭＥＭＳ２００７，  ｐｐ．２２９−２３２，２００７．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、機械加工時におけるアンダーカットを有する３次元形状の加工性が良好であり、本焼成後に得られたマイクロ精密部品の変形が少なく、形状精度及び緻密性に優れたセラミックス製マイクロ精密部品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】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明は、以下のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法を提供するものである。
【００１０】
［１］  アンダーカットを有する３次元形状のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法であって、
密度分布が均一なグリーン成形体を成形する成形工程と、
前記成形工程で得られた前記グリーン成形体を仮焼する仮焼工程と、
前記仮焼工程で得られた仮焼体を、その少なくとも表面層の開気孔に、仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質を含浸した後、所定の形状に機械加工する加工工程と、
前記加工工程で得られた加工体を本焼成することにより、緻密なセラミックスの焼結体を得る焼成工程と、
を備えたセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【００１１】
［２］  前記仮焼工程は、前記グリーン成形体を、前記グリーン成形体の本焼成時に得られる緻密体の８０〜９５％のかさ密度になるように仮焼する［１］に記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【００１２】
［３］  前記仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質が、シリコーンオイルである［１］に記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【００１３】
［４］  前記セラミックスの焼結体が、翼部を備えた３次元タービン形状の回転体であり、その直径が１０〜２５ｍｍである［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【００１４】
［５］  前記セラミックスが、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミナのいずれか１種、もしくは複合材料である［１］〜［４］のいずれかに記載のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法によれば、機械加工時におけるアンダーカットを有する３次元形状の加工性が良好であり、且つ本焼成後に得られるマイクロ精密部品の変形が少なく、形状精度及び緻密性に優れたマイクロ精密部品を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係るセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法をその実施形態に基づき詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１７】
本発明は、アンダーカットを有する３次元形状のセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法であり、密度分布が均一なグリーン成形体を成形する成形工程と、成形工程で得られた前記グリーン成形体を仮焼する仮焼工程と、仮焼工程で得られた仮焼体を、その少なくとも表面層の開気孔に、仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質を含浸した後、所定の形状に機械加工する加工工程と、加工工程で得られた加工体を本焼成することにより、緻密なセラミックスの焼結体を得る焼成工程と、を備えたものである。
【００１８】
ここで、本発明に係るセラミックス製マイクロ精密部品の製造方法の主要な特徴としては、焼結した緻密体セラミックス（焼結体）から、アンダーカットを有する３次元形状のマイクロ精密部品を加工して作製するのではなく、仮焼体の表面層の開気孔に、仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質を含浸した後に予めアンダーカットを有する３次元形状（例えば、翼部を備えた３次元タービン形状）に機械加工した後、本焼成することにより、焼結体を得ることにある。
【００１９】
本発明の成形工程では、得られたグリーン成形体の密度分布を均一にすることができる成形方法を用いるとともに、ハンドリングが容易な形状（例えば、円柱形状）に加工しておくことが好ましい。
【００２０】
そして、本発明の仮焼工程では、望ましくは、本焼成時に得られる緻密体の８０〜９５％（より好ましくは、８５〜９３％、更に好ましくは、８８〜９２％）のかさ密度を有する仮焼体とする。これは、前記かさ密度が８０％未満の場合、仮焼体の機械強度が低くて脆すぎるため、機械加工を行うことが困難であるからである。一方、前記かさ密度が９５％を超過する場合、ほぼ焼結体に近い機械強度となるため、複雑な形状の機械加工が困難であり、且つその生産性や歩留まりも悪化するからである。仮焼温度としては、１０００〜１５００℃である。
【００２１】
次いで、本発明の製造方法における最も大きな特徴として、加工工程前に、仮焼体の少なくともその表面層の開気孔に、仮焼体表面からの異種物質の進入を防止するため、仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質（含浸液）を含浸することがある。
【００２２】
これは、仮焼体が焼結により緻密化が進行する途中段階であり、開気孔（外気に接続した気孔）が多く存在するため、機械加工の際、切削油や水等の異種物質を使用すると、それが仮焼体内部に侵入して、機械加工中に強度が低下して破損したり、機械加工後の本焼成の際に、内部残留し、焼結体の緻密化を阻害するなどの弊害が生じるからである。
【００２３】
本発明で用いる含浸液（仮焼温度以下の熱処理で容易に消失する物質であり、本焼成時に容易に消失する。）は、特に限定されないが、例えば、本発明で用いるセラミックスが窒化珪素や炭化珪素の場合、シリコーンオイルであることが好ましい。これは、シリコーンオイルが仮焼温度よりも充分低い１０００℃以下の温度で熱分解するため、除去が容易であり、仮に微量成分が残留した場合であっても、同じシリコン系であるため焼成体の緻密化に影響を及ぼしにくいからである。
【００２４】
次に加工工程では、アンダーカットを有する３次元形状等の複雑な形状の機械加工を実現することができ、特に限定されないが、例えば、翼部を備えた３次元タービン形状の回転体であり、その直径が１０〜２５ｍｍ、翼枚数６〜１６枚、最小翼厚０．１〜０．３ｍｍのような複雑な加工体であっても好適に得ることができる。
【００２５】
次いで本発明の焼成工程では、加工工程で得られた加工体を本焼成することにより、緻密なセラミックス焼結体を得ることができ、得られた焼結体の変形が少なく、形状精度（±５０μｍ程度）にも優れている。
【００２６】
尚、本発明で用いるセラミックスとしては、特に限定されないが、窒化珪素、炭化珪素及びアルミナのいずれか１種、もしくは複合材料を好適に用いることができる。ここで、前記複合材料は、特に限定されないが、窒化珪素、炭化珪素及びアルミナのいずれか１種を基材として、セラミックス、金属、樹脂などの第２成分を複合化して、強度、耐熱性、耐食性などを改良したものが望ましく、例えば、窒化珪素に部分安定化ジルコニアを添加して靭性を向上させた材料などを例示できる。また、本発明で用いるセラミックスが窒化珪素である場合、本焼成温度が約１８００℃であり、仮焼温度が約１０００〜１５００℃が好適である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２８】
（実施例１及び実施例２、比較例１〜４）
冷間静水圧成形（ＣＩＰ）した窒化珪素セラミックスのグリーン成形体（約５０ｍｍ×５０ｍ×３０ｍｍ）を、表１に示す条件で、窒素雰囲気下、仮焼したブロックから乾式研削によってφ２５ｍｍの円柱形状を削りだしたものを、表１に示す含浸液でその表面を含浸させた後、直径２０ｍｍ、翼枚数１０枚、最小翼厚０．３ｍｍの３次元タービン形状の研削加工（機械加工）を行い、加工体をそれぞれ得た。このときの各加工体の研削加工結果を、表１に示す。
【００２９】
尚、機械加工は、ダイヤモンド電着の先端φ０．５ｍｍのエンドミル工具を使用して、研削液としては水を使用して、スピンドル回転速度５００００ｒｐｍ、切り込み深さ０．１ｍｍ、送り速度０．５ｍｍ／ｓｅｃの条件で、５軸ＮＣ加工装置を用いて実施した。
【００３０】
次いで、それぞれ得られた加工体を、窒素雰囲気下、１８００℃、５時間で本焼成を行った。それぞれ得られた焼結体の本焼成後形状の結果を、表１に示す。
【００３１】
【表１】
2009215141.tif 000002
【００３２】
（考察）
表１の結果から分かるように、実施例１及び実施例２では、窒化珪素セラミックスの仮焼温度が１０００〜１５００℃の範囲であるため、本焼成時に得られる緻密体の８０〜９５％のかさ密度を有する仮焼体を得ることができ、且つ、含浸液を予め含浸した仮焼体を用いて研削加工を行うことにより、研削加工結果も良好であった。尚、実施例１及び実施例２における加工条件では、１０サンプルの研削加工を実施した後も、アンダーカットを有する３次元形状の加工性が良好であり、工具の磨耗劣化等の変化は認められなかった。また、実施例１及び実施例２の本焼成後の形状も良好であった。
【００３３】
一方、比較例１の場合、実施例１と同様の仮焼体を使用しているが、含浸液を含浸した仮焼体を用いていないため、研削加工中に強度が低下してサンプル破損が発生することを確認した。比較例２の場合、仮焼を行わないため、研削加工時に強度が低下してサンプル破損が発生することを確認した。比較例３では、仮焼温度が低すぎるため、仮焼体の機械強度が低く、脆すぎるため、研削加工中にサンプル破損が発生することを確認した。比較例４の場合、仮焼温度が高すぎるため、ほぼ焼結体に近い機械強度となるため、研削加工中に工具破損が発生することを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の製造方法は、機械加工時におけるアンダーカットを有する３次元形状の加工性が良好であり、本焼成後に得られる焼結体の変形が少なく、形状精度及び緻密性に優れるため、超小型ガスタービンに適用できるセラミックスロータ等のセラミックス製マイクロ精密部品の製造に好適に用いることができる。