JP6448421B2

JP6448421B2 - セラミック成形体の製造方法およびセラミック成形体

Info

Publication number: JP6448421B2
Application number: JP2015051413A
Authority: JP
Inventors: 正樹村松
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: JP2016168796A

Description

本発明は、射出成形法を用いたセラミック成形体の製造方法、および、該製造方法を用いて製造されたセラミック成形体に関する。

セラミックなどの成形体を成形する方法として、射出成形が知られている。一般的に、射出成形では、成形型内のキャビティに、成形材料を射出し、成形型内で成形材料を冷却することによって、成形体の成形が行われる（例えば、特許文献１）。

特開２００１−１７０９６５号公報

しかしながら、上記技術では、成形体において、成形型の分割線（パーティングライン）に対応する位置に、線状のバリが発生する場合があった。この結果、成形体の外観や形状特定が損なわれる可能性があった。

本明細書は、射出成形法を用いて成形されるセラミック成形体において、成形型の分割線に起因して発生するバリを抑制する技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、以下の適用例または形態として実現することが可能である。
［形態１］
複数個に分割され、型締めされた状態で内部にキャビティを形成する内面を備える成形型を用いた射出成形によって、セラミック成形体を成形する工程を含むセラミック成形体の製造方法であって、
前記成形型を型締めした状態で、前記キャビティを形成する前記成形型の内面の少なくとも前記成形型の分割線を含む部分をコーティングするコーティング層を、樹脂を含む材料を用いるブロー成形によって形成する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記成形型を型締めした状態で、前記キャビティにセラミックを含む成形材料を射出する第２工程と、
を備え、
前記キャビティを形成する前記成形型の内面は、前記分割線に沿った面取り部を含み、
前記キャビティを形成する前記成形型の内面において、前記面取り部によって形成される溝の深さより、前記コーティング層が厚いことを特徴とする、セラミック成形体の製造方法。

［適用例１］複数個に分割され、型締めされた状態で内部にキャビティを形成する内面を備える成形型を用いた射出成形によって、セラミック成形体を成形する工程を含むセラミック成形体の製造方法であって、
前記成形型を型締めした状態で、前記キャビティを形成する前記成形型の内面の少なくとも前記成形型の分割線を含む部分をコーティングするコーティング層を、樹脂を含む材料を用いるブロー成形によって形成する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記成形型を型締めした状態で、前記キャビティにセラミックを含む成形材料を射出する第２工程と、
を備えることを特徴とする、セラミック成形体の製造方法。

上記製造方法によれば、キャビティを形成する成形型の内面のうち、成形型の分割線を含む部分が樹脂でコーティングされた後に、キャビティに成形材料が射出される。この結果、セラミック成形体において、成形型の分割線に起因して発生するバリを抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載のセラミック成形体の製造方法であって、
前記キャビティを形成する前記成形型の内面は、前記分割線に沿った面取り部を含み、
前記キャビティを形成する前記成形型の内面において、前記面取り部によって形成される溝の深さより、前記コーティング層が厚いことを特徴とする、セラミック成形体の製造方法。

上記製造方法によれば、面取り部によって形成される溝の深さより、コーティング層が厚いので、成形型の分割線に起因して発生するバリを十分に抑制することができる。

なお、本技術は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、上記のセラミック成形体の製造方法を用いて製造されたセラミック成形体などの態様で実現することができる。

セラミック成形体の製造方法のフローチャートである。セラミック成形体の製造方法の説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、実施形態のセラミック成形体の製造方法のフローチャートである。図２は、実施形態のセラミック成形体の製造方法の説明図である。本実施形態では、射出成形によって、略円柱形状のセラミック成形体が製造される。セラミック成形体の外径は、例えば、５ｍｍ〜３０ｍｍであり、セラミック成形体の軸線方向の長さは、例えば、３０ｍｍ〜１００ｍｍである。セラミック成形体の形状は、一例であり、略円柱形状とは異なる形状、例えば、略角柱形状、略円筒形状であっても良い。

Ｓ１では、成形型が準備される。図２（Ａ）には、セラミック成形体の成形に用いられる成形型５００の一例が図示されている。図２（Ａ）には、軸線ＣＯ（後述）を含み、成形型５００の合わせ面ＭＳ１、ＭＳ２（後述）と垂直な平面で、成形型５００を切断した断面図が示されている。成形型５００は、複数個の型に分割されている。具体的には、本実施形態では、成形型５００は、第１の型５１０と、第２の型５２０と、を備えている。第１の型５１０および第２の型５２０は、例えば、金属、具体的には、熱膨張係数が１．７〜２．０×１０^−５（１／Ｋ）のステンレス鋼によって形成されている。

第１の型５１０は、第２の型５２０との合わせ面ＭＳ１を有し、第２の型５２０は、第１の型５１０との合わせ面ＭＳ２を有している。

第１の型５１０は、セラミック成形体の形状に対応した形状のキャビティＣＶを形成する第１のキャビティ形成面ＩＳ１を有する。第２の型５２０は、セラミック成形体の形状に対応した形状のキャビティを形成する第２のキャビティ形成面ＩＳ２を有する。第１の型５１０の合わせ面ＭＳ１と第２の型５２０の合わせ面ＭＳ２とが接するように、成形型５００（第１の型５１０と第２の型５２０）が型締めされた状態で、第１のキャビティ形成面ＩＳ１と第２のキャビティ形成面ＩＳ２とによって、セラミック成形体の外形、すなわち、略円柱形状を有するキャビティＣＶが成形型５００の内部に形成される。以下では、第１のキャビティ形成面ＩＳ１と第２のキャビティ形成面ＩＳ２との全体、すなわち、キャビティＣＶを形成する成形型５００の内面を、単に、「キャビティ形成面ＩＳ」とも呼ぶ。

キャビティ形成面ＩＳは、合わせ面ＭＳ１、ＭＳ２と交差する位置に現れる成形型５００の分割線ＰＬ（パーティングラインとも呼ぶ）を含んでいる。キャビティ形成面ＩＳには、分割線ＰＬに沿って面取り部Ｃ１、Ｃ２が形成されている。すなわち、第１の型５１０には、合わせ面ＭＳ１と、第１のキャビティ形成面ＩＳ１と、が交差する稜線に、面取り部Ｃ１が形成されている。そして、第１の型５１０には、合わせ面ＭＳ２と、第２のキャビティ形成面ＩＳ２と、が交差する稜線に、面取り部Ｃ２が形成されている。このために、成形型５００が型締めされた状態で、キャビティ形成面ＩＳには、分割線ＰＬに沿って、面取り部Ｃ１、Ｃ２によって形成される溝を有している。この溝の深さΔＶは、例えば、１００μｍ〜４００μｍである。なお、面取り部Ｃ１、Ｃ２が形成されていない場合であっても、第１の型５１０と第２の型５２０との微少な位置ずれに起因して、型締めされた状態で、分割線ＰＬに沿って溝が形成される。第１の型５１０と第２の型５２０との微少な位置ずれに起因する溝の深さは、例えば、５μｍ〜１００μｍである。したがって、面取り部Ｃ１、Ｃ２がある場合とない場合との両方を考慮した場合に、想定される溝の深さは、例えば、５μｍ〜４００μｍである。

図２（Ａ）の軸線ＣＯは、略円柱形状のキャビティＣＶの軸線である。以下では、軸線ＣＯに平行な方向を軸線方向と呼ぶ。そして、軸線方向のうち、図２（Ａ）の上方向を単に上方向と呼び、図２（Ａ）の下方向を単に下方向と呼ぶ。

図２（Ａ）に示すように、第１の型５１０の上方には、第１の投入孔形成面ＩＯ１が形成されており、第２の型５２０の上方には、第２の投入孔形成面ＩＯ２が形成されている。そして、成形型５００が型締めされた状態で、第１の投入孔形成面ＩＯ１と第２の投入孔形成面ＩＯ２とによって、投入孔ＩＯが形成される。投入孔ＩＯは、例えば、軸線ＣＯに沿った円柱形状の孔であり、下端がキャビティＣＶと連通し、上端が外部の連通している。投入孔ＩＯは、後述するブロー成形および射出成形において、材料をキャビティＣＶ内に投入するために用いられる。

図１のＳ２では、成形型５００は、型締めされる。具体的には、成形型５００は、成形機に取り付けられ、第１の型５１０と第２の型５２０とが閉じられて、内部にキャビティＣＶが形成された状態（すなわち、図２（Ａ）に示す状態）にセットされる。

Ｓ３では、成形型５００のキャビティ形成面ＩＳにコーティング層を、樹脂を含む材料を用いて形成する。コーティング層は、ブロー成形によって成形される。例えば、先ず、図２（Ｂ）に示すように、所定の樹脂材料、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（熱膨張係数１６〜２０×１０^−５（１／Ｋ））で形成されたプリフォーム２０ｐが準備され、成形型５００にセットされる。プリフォーム２０ｐは、例えば、有底の筒形状（例えば、試験管に類似した形状）を有している。プリフォーム２０ｐの外径は、例えば、セラミック成形体の外径より小さく、投入孔ＩＯの径とほぼ等しい。図２（Ｂ）に示すように、プリフォーム２０ｐの上方側の部分は、成形型５００の投入孔ＩＯに固定される。プリフォーム２０ｐの下方側の部分は、キャビティＣＶ内に位置する。そして、プリフォーム２０ｐを所定の温度に加熱した状態で、プリフォーム２０ｐ内に、エアノズル（図示省略）を用いて、所定圧の圧縮空気を供給することによって、ブロー成形が行われる（図２（Ｃ））。プリフォーム２０ｐの所定の温度は、例えば、摂氏１００度〜摂氏３５０度に設定される。圧縮空気の所定圧は、例えば、５００ｋＰａ〜８５０ｋＰａに設定される。この結果、プリフォーム２０ｐは、キャビティＣＶ内で延伸されて、キャビティ形成面ＩＳに圧着される。これによって、図２（Ｃ）に示すように、キャビティ形成面ＩＳの全体をコーティングするコーティング層２０が形成される。コーティング層２０の厚さΔｔは、上述した面取り部Ｃ１、Ｃ２によって形成される溝の深さΔＶより厚いことが好ましい。例えば、コーティング層２０の厚さΔｔ（具体的には、キャビティ形成面ＩＳ上の平均厚さ）は、１００μｍ〜５００μｍの範囲で、上述した溝の深さΔＶより厚い設定値で形成される。

Ｓ４では、セラミック成形体の材料が準備されて、投入孔ＩＯからキャビティＣＶ内に射出される。セラミック成形体の材料は、例えば、セラミックス粉末とバインダとを、ボールミルを用いて、粉砕および混合することによって作製される。セラミックス粉末は、中間成形体１０の主成分であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の粉末と、焼結助剤（例えば、Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ）の粉末と、を含んでいる。バインダには、例えば、ポリアミド系樹脂や、セルロース系樹脂が用いられる。セラミックス粉末とバインダとの重量比は、例えば、７：３〜９：１である。セラミック成形体の材料は、例えば、図示しないヒータによって所定の温度（例えば、摂氏８０度〜摂氏１２０度）に加熱されて、図示しないインジェクタによって投入孔ＩＯから所定の圧力（例えば、６００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２）でキャビティＣＶ内に射出される（図２（Ｄ））。

Ｓ５では、材料がキャビティＣＶ内に射出された後、材料がキャビティＣＶ内で冷却されて、固化することによって、中間成形体１０が成形される（図２（Ｄ））。中間成形体１０は、コーティング層２０の内側に形成される分、キャビティＣＶのサイズより僅かに小さい。

Ｓ６では、成形型５００の型開きが行われて、成形型５００から中間成形体１０が取り出される。図２（Ｅ）に示すように、取り出された中間成形体１０の外面は、コーティング層２０に覆われている。コーティング層２０の外面には、成形型５００の分割線ＰＬに対応する位置に線状のバリＢｒが発生し得る。

Ｓ７では、大気雰囲気の熱循環炉において、中間成形体１０を所定時間に亘って加熱することによって、成形体の脱脂を行う。脱脂工程によって、中間成形体１０の内部からバインダが除去されるとともに、中間成形体１０を覆うコーティング層２０が除去される（図２（Ｆ））。例えば、毎時１０度の加熱速度で、炉内の温度を常温（例えば、摂氏３０度）から所定の脱脂温度（例えば、摂氏５００度〜摂氏８００度）まで上昇させることによって、中間成形体１０の脱脂が行われる。

Ｓ８では、焼成炉を用いて、脱脂後の中間成形体１０を焼結することによって、セラミック成形体が生成される。例えば、炉内の温度を２時間に亘って摂氏１３００度〜摂氏１８００度に保持することによって、焼結が行われる。

以上説明したセラミック成形体の製造方法は、キャビティＣＶを形成する成形型５００の内面（キャビティ形成面ＩＳ）をコーティングするコーティング層２０を、樹脂を含む材料を用いるブロー成形によって形成する工程（図１のＳ３）を備える。そして、セラミック成形体の製造方法は、この工程の後に、成形型５００を型締めした状態で、キャビティＣＶにセラミックを含む成形材料を射出する工程（図１のＳ４）を備える。この結果、例えば、図２（Ｆ）に示すように、脱脂後の中間成形体１０において、成形型５００の分割線ＰＬに対応する位置Ｐｔに、バリが発生することを抑制することができる。引いては、最終的に製造されるセラミック成形体において、成形型５００の分割線ＰＬに起因して発生するバリを抑制することができる。これは、成形型５００の分割線ＰＬに、セラミックの成形材料が直接接触せず、成形型５００の分割線ＰＬには、コーティング層２０が直接接触するからである。このために、成形型５００の分割線ＰＬに起因して発生するバリＢｒは、コーティング層２０の外表面に発生し得る（図２（Ｃ））が、中間成形体１０の外周面には発生し難い。

さらに、本実施形態の製造方法では、面取り部Ｃ１、Ｃ２によって形成される溝の深さΔＶより、コーティング層２０の厚さΔｔが厚い。この結果、コーティング層２０の厚さを十分に確保できるので、中間成形体１０の外周面にバリが発生する可能性をさらに抑制するこができる。したがって、最終的に製造されるセラミック成形体の外表面に、分割線ＰＬに起因してバリが発生することを十分に抑制することができる。

また、射出成形を用いて中間成形体１０を形成するので、中間成形体１０の形状を、成形すべきセラミック成形体と同じ形状に高い精度で成形することができる。そして、上述したように、中間成形体１０の表面にバリが発生することを抑制できるので、バリを研削する必要性が低い。この結果、研削ローラ（砥石）を用いて、外周面を研削することによって、焼結前の中間成形体１０の形状を整える研削工程を廃止または低減することができる。例えば、セラミックの粉末を加圧成形することによって中間成形体１０を形成する場合には、十分な精度を有する成形体を得ることができないので、比較的研削量が多い研削工程を行う必要があった。また、中間成形体１０の表面にバリが発生する場合にも、当該バリを除去するための研削工程を行う必要があった。

Ｂ．変形例
（１）上記実施形態で用いられる材料は、一例であり、これに限られない。例えば、コーティング層２０を形成するための材料は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ナイロン、ポリプロピレン、熱可塑性エラストマー、などの他の樹脂材料であっっても良い。中間成形体１０を形成するための材料の主成分であるセラミックは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に代えて、ＡｌＮ、ＺｒＯ_２、ＳｉＣ、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３のうちの１個あるいは複数個が用いられても良い。同様に、中間成形体１０を形成するための材料に含まれる焼結助剤やバインダの種類や量は、適宜に変更され得る。

（２）コーティング層２０を形成するためのブロー成形法としては、上述したプリフォーム２０ｐ（有底パリソン）を用いるブロー成形に限らず、他の種類のブロー成形が用いられても良い。例えば、プリフォーム２０ｐの延伸させる際に、圧縮空気に加えて延伸棒を用いる延伸ブロー成形法や、筒状のパリソンの下端を成形型で挟んで固定した後にブロー成形を行うブロー成形法（例えば、ホットパリソン法やコールドパリソン法）が採用されても良い。いずれのブロー成形が採用されるかは、例えば、コーティング層２０に用いられる材料の種類や、形成すべきコーティング層２０の厚さに応じて、適宜に選択される。

（３）図２の成形型５００の具体的な構造は一例であり、これに限られない。例えば、成形型５００は、軸線方向に沿って並ぶ３個以上の型に分割されていても良い。

（４）上記実施形態のブロー成形や射出成形の各種の条件（例えば、材料の加熱温度や、材料や圧縮空気の投入圧力）は、一例であり、これに限られない。これらの条件は、使用される材料の種類や、成形される中間成形体１０の形状、使用される成形機の種類、成形型５００の構造などに応じて適宜に変更され得る。

以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

１０...中間成形体、２０...コーティング層、２０ｐ...プリフォーム、５００...成形型、５１０...第１の型、５２０...第２の型、Ｃ１、Ｃ２...面取り部、ＰＬ...分割線、ＣＯ...軸線、ＩＳ...キャビティ形成面、ＣＶ...キャビティ、Ｂｒ...バリ

Claims

複数個に分割され、型締めされた状態で内部にキャビティを形成する内面を備える成形型を用いた射出成形によって、セラミック成形体を成形する工程を含むセラミック成形体の製造方法であって、
前記成形型を型締めした状態で、前記キャビティを形成する前記成形型の内面の少なくとも前記成形型の分割線を含む部分をコーティングするコーティング層を、樹脂を含む材料を用いるブロー成形によって形成する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記成形型を型締めした状態で、前記キャビティにセラミックを含む成形材料を射出する第２工程と、
を備え、
前記キャビティを形成する前記成形型の内面は、前記分割線に沿った面取り部を含み、
前記キャビティを形成する前記成形型の内面において、前記面取り部によって形成される溝の深さより、前記コーティング層が厚いことを特徴とする、セラミック成形体の製造方法。