ジルコニアセラミックスの9つの精密成形プロセス

ジルコニアセラミックスの9つの精密成形プロセス
成形工程は、セラミック材料の製造工程全体において連結的な役割を果たし、セラミック材料および部品の性能信頼性と生産再現性を確保する上で重要な鍵となる。
社会の発展に伴い、伝統的な陶磁器の伝統的な手練り法、ろくろ成形法、充填法などは、現代社会の生産・精製ニーズを満たせなくなったため、新たな成形プロセスが誕生しました。ZrO2ファインセラミック材料は、以下の9種類の成形プロセス（乾式成形法2種類、湿式成形法7種類）で広く使用されています。

1. ドライモールディング

1.1 乾式プレス

乾式プレス成形は、圧力を利用してセラミック粉末を特定の形状に成形する成形方法です。その本質は、外部からの力によって粉末粒子が金型内で互いに接近し、内部摩擦によってしっかりと結合して一定の形状を維持することにあります。乾式プレス成形された成形体の主な欠陥は剥離であり、これは粉末間の内部摩擦と粉末と金型壁との摩擦によって成形体内部の圧力が失われることが原因です。

乾式プレス成形の利点は、成形体の寸法精度が高く、操作が簡単で、機械化が容易であることです。また、成形体中の水分とバインダーの含有量が少なく、乾燥・焼成時の収縮が小さいという利点もあります。主に形状が単純でアスペクト比の小さい製品の成形に用いられます。一方、金型摩耗による生産コストの増加は、乾式プレス成形の欠点です。

1.2 等方圧プレス

静水圧プレス成形は、従来の乾式プレス成形をベースに開発された特殊な成形方法です。流体伝達圧力を利用して、弾性金型内の粉末に全方向から均一な圧力を加えます。流体の内部圧力が一定であるため、粉末はあらゆる方向から同じ圧力を受けることになり、成形体の密度のばらつきを防ぐことができます。

等方圧プレスは、湿式バッグ等方圧プレスと乾式バッグ等方圧プレスに分けられます。湿式バッグ等方圧プレスは複雑な形状の製品を成形できますが、断続的にしか動作しません。乾式バッグ等方圧プレスは自動連続運転が可能ですが、正方形、円形、管状断面などの単純な形状の製品しか成形できません。等方圧プレスは、均一で緻密な成形体を得ることができ、焼成収縮が小さく、あらゆる方向への収縮が均一ですが、設備が複雑で高価であり、生産効率が高くないため、特殊な要件を持つ材料の生産にのみ適しています。

2. 湿式成形

2.1 グラウト注入
グラウト成形プロセスはテープキャスティングと似ていますが、違いは成形プロセスに物理的脱水プロセスと化学的凝固プロセスが含まれる点です。物理的脱水では、多孔質の石膏型枠の毛細管現象によってスラリー中の水分が除去されます。表面のCaSO4の溶解によって生成されたCa2+はスラリーのイオン強度を高め、スラリーの凝集を引き起こします。
物理的脱水と化学的凝固の作用により、セラミック粉末粒子が石膏型壁に付着する。グラウト法は複雑な形状の大型セラミック部品の製造に適しているが、成形体の形状、密度、強度などの品質が劣り、作業員の労働強度が高く、自動化された作業には適さない。

2.2 熱間ダイカスト
熱間鋳造とは、セラミック粉末とバインダー（パラフィン）を比較的高温（60～100℃）で混合して熱間鋳造用のスラリーを得る工程である。このスラリーを圧縮空気の作用下で金属金型に注入し、圧力を維持する。冷却後、脱型してワックスブランクを得る。ワックスブランクを不活性粉末の保護下で脱ロウしてグリーンボディを得る。このグリーンボディを高温で焼結して磁器とする。

熱間ダイカストで成形されたグリーンボディは、寸法精度が高く、内部構造が均一で、金型摩耗が少なく、生産効率が高く、様々な原材料に適しています。ワックススラリーと金型の温度を厳密に制御する必要があり、そうしないと射出不足や変形が生じるため、大型部品の製造には適していません。また、2段階の焼成工程が複雑で、エネルギー消費量も多くなります。

2.3 テープキャスティング
テープキャスティングとは、セラミック粉末に多量の有機系バインダー、可塑剤、分散剤などを十分に混合して流動性のある粘性スラリーを作製し、そのスラリーをキャスティングマシンのホッパーに投入し、スクレーパーで厚さを調整しながら供給ノズルを通してコンベアベルト上に流し出し、乾燥後にフィルム状の成形品を得る工程である。

このプロセスはフィルム材料の製造に適しています。柔軟性を高めるために多量の有機物を添加しますが、プロセスパラメータを厳密に管理しないと、剥離、筋状の欠陥、フィルム強度の低下、剥離困難などの不具合が生じやすくなります。使用される有機物は有毒であり、環境汚染を引き起こすため、環境汚染を低減するために、無毒または低毒性のシステムを可能な限り使用する必要があります。

2.4 ゲル射出成形
ゲル射出成形技術は、1990年代初頭にオークリッジ国立研究所の研究者によって初めて開発された、新しいコロイドを用いたラピッドプロトタイピングプロセスです。その核心は、有機モノマー溶液が重合して、高強度で横方向に連結したポリマー・溶媒ゲルを形成することにあります。

有機モノマー溶液に溶解させたセラミック粉末のスラリーを型に流し込み、モノマー混合物を重合させてゲル状体を形成する。側鎖で連結したポリマー溶媒は、ポリマー含有量が10～20%（質量分率）と少ないため、乾燥工程でゲル状体から溶媒を容易に除去できる。同時に、ポリマーが側鎖で連結しているため、乾燥工程中にポリマーが溶媒とともに移動することもない。

この方法は、単相および複合セラミック部品の製造に使用でき、複雑な形状の準ネットサイズのセラミック部品を形成でき、グリーン強度は20～30Mpa以上と高く、再加工も可能です。この方法の主な問題点は、緻密化プロセス中に胚体の収縮率が比較的高く、胚体の変形につながりやすいこと、一部の有機モノマーに酸素阻害があり、表面が剥がれたり脱落したりすること、温度誘起有機モノマー重合プロセスにより、温度削り出しが発生し、内部応力が発生してブランクが破損するなどです。

2.5 直接凝固射出成形
直接凝固射出成形は、チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）が開発した成形技術です。溶剤である水、セラミック粉末、有機添加剤を完全に混合して、静電的に安定で低粘度、高固形分濃度のスラリーを形成します。このスラリーは、スラリーのpHや電解質濃度を高める化学物質を添加することで調整でき、その後、非多孔質の金型に射出されます。

プロセス中の化学反応の進行を制御する。射出成形前の反応はゆっくりと行い、スラリーの粘度を低く保ち、射出成形後に反応を加速させ、スラリーを固化させて流動状のスラリーを固体に変える。得られたグリーン体は優れた機械的特性を持ち、強度は5kPaに達する。グリーン体を脱型し、乾燥、焼結することで、所望の形状のセラミック部品が形成される。

利点としては、有機添加剤が不要、または少量（1%未満）しか必要としないこと、成形体の脱脂が不要であること、成形体の密度が均一であること、相対密度が高いこと（55%～70%）、そして大型で複雑な形状のセラミック部品を成形できることが挙げられます。欠点としては、添加剤が高価であること、そして反応中に一般的にガスが発生することが挙げられます。

2.6 射出成形
射出成形は、プラスチック製品の成形や金属金型の成形に長年用いられてきた。このプロセスでは、熱可塑性有機材料の低温硬化、または熱硬化性有機材料の高温硬化を利用する。粉末と有機キャリアは専用の混合装置で混合され、その後、数十から数百MPaの高圧で金型に射出される。高い成形圧力により、得られる成形品は精密な寸法、高い平滑性、そして緻密な構造を有する。また、専用の成形装置を使用することで、生産効率が大幅に向上する。

1970年代後半から1980年代初頭にかけて、射出成形法がセラミック部品の成形に応用されるようになりました。この方法は、多量の有機物を添加することで、無機質な材料をプラスチック成形するものであり、一般的なセラミックプラスチック成形法です。射出成形技術では、熱可塑性有機物（ポリエチレン、ポリスチレンなど）、熱硬化性有機物（エポキシ樹脂、フェノール樹脂など）、または水溶性ポリマーを主バインダーとして使用することに加えて、セラミック射出懸濁液の流動性を向上させ、射出成形品の品質を確保するために、可塑剤、潤滑剤、カップリング剤などの加工助剤を一定量添加する必要があります。

射出成形プロセスは、自動化の度合いが高く、成形体の寸法精度が高いという利点があります。しかし、射出成形されたセラミック部品の成形体には、50体積％もの有機物が含まれています。これらの有機物は、後続の焼結プロセスで除去するのに数日から数十日もの長い時間を要し、品質不良の原因となりやすいという問題があります。

2.7 コロイド射出成形
従来の射出成形プロセスにおける、添加される有機物の量が多いことや、除去が困難であるという問題を解決するため、清華大学はセラミックスのコロイド射出成形という新しいプロセスを独創的に提案し、無垢セラミックスラリーの射出成形を実現するコロイド射出成形プロトタイプを独自に開発しました。

基本的な考え方は、コロイド成形と射出成形を組み合わせ、独自の射出装置とコロイドインサイチュ固化成形プロセスによって提供される新しい硬化技術を用いることです。この新しいプロセスでは、有機物の使用量は4重量％未満です。水性懸濁液中の少量の有機モノマーまたは有機化合物は、金型への射出後、有機モノマーの重合を迅速に誘発し、セラミック粉末を均一に包み込む有機ネットワーク骨格を形成します。これにより、脱ガム時間が大幅に短縮されるだけでなく、脱ガム時のひび割れの可能性も大幅に低減されます。

セラミックスの射出成形とコロイド成形には大きな違いがあります。主な違いは、前者がプラスチック成形の範疇に属し、後者がスラリー成形、つまりスラリーに可塑性がなく不毛な材料である点です。コロイド成形ではスラリーに可塑性がないため、従来のセラミックス射出成形の概念は適用できません。コロイド成形と射出成形を組み合わせることで、独自の射出装置とコロイドインサイチュ成形プロセスによって提供される新しい硬化技術を用いて、セラミックス材料のコロイド射出成形が実現されます。

セラミックスのコロイド射出成形という新しいプロセスは、一般的なコロイド成形や従来の射出成形とは異なります。高度な成形自動化という利点は、コロイド成形プロセスの質的な向上につながり、ハイテクセラミックスの工業化への希望となるでしょう。