特許 6840281 金型、及びセラミックス成形体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6840281

(24)【登録日】2021年2月18日

(45)【発行日】2021年3月10日

(54)【発明の名称】金型、及びセラミックス成形体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B28B 7/38 20060101AFI20210301BHJP

   B28B 3/02 20060101ALI20210301BHJP

【ＦＩ】

   B28B7/38

   B28B3/02 F

【請求項の数】9

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2020-139810(P2020-139810)

(22)【出願日】2020年8月21日

【審査請求日】2020年8月21日

(31)【優先権主張番号】特願2019-175511(P2019-175511)

(32)【優先日】2019年9月26日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】水木 一博

(72)【発明者】

【氏名】藤崎 真司

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 小川 武

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２６９７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−００１５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１８８１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７９１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５３３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３５３７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０２０−１３１７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５１−０６１３４６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２８Ｂ ７／３８

Ｂ２２Ｄ １３／１０

Ｂ２２Ｄ １７／００

Ｂ２２Ｄ １７／２０

Ｂ２８Ｂ ３／０２

Ｂ２９Ｃ ３３／５８

Ｃ０３Ｂ ４０／０２

Ｃ１０Ｎ ４０／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

成形用スラリーを固化させることによってセラミックス成形体を成形するために用いられる金型であって、
前記成形用スラリーが注入される内部空間、及び前記内部空間を画定する内壁面、を含む金型本体と、
前記内壁面上を被覆する離型層と、
を備え、
前記内壁面は、前記離型層によって被覆された被覆領域と、前記離型層から露出する露出領域とを有し、
前記内壁面は、第１主面と、前記第１主面に対向する第２主面と、側面と、を含み、
前記側面は、前記被覆領域と前記露出領域とを有する、
金型。

【請求項2】

前記第１主面は、前記被覆領域と前記露出領域とを有する、
請求項１に記載の金型。

【請求項3】

前記側面は、対向する一対の側面を含み、
前記対向する一対の側面のそれぞれに、前記被覆領域と前記露出領域とを有する、
請求項１又は２に記載の金型。

【請求項4】

前記第２主面は、前記被覆領域と前記露出領域とを有する、
請求項１から３のいずれかに記載の金型。

【請求項5】

前記露出領域の最大面積は、０．０１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の金型。

【請求項6】

前記内壁面は、複数の前記露出領域を有し、
前記各露出領域の面積は、０．０１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下である、
請求項１から５のいずれかに記載の金型。

【請求項7】

前記第１主面を縦方向及び横方向のそれぞれで２等分してなる４つの領域のうち、少なくとも対角に位置する各領域は、前記露出領域を有する、
請求項１から６のいずれかに記載の金型。

【請求項8】

成形用スラリーを固化させることによってセラミックス成形体を成形するために用いられる金型であって、
前記成形用スラリーが注入される内部空間、及び前記内部空間を画定する内壁面、を含む金型本体と、
前記内壁面上を被覆する離型層と、
を備え、
前記内壁面は、前記離型層によって被覆された被覆領域と、前記離型層から露出する露出領域とを有し、
前記露出領域の最大面積は、０．０１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下であり、
前記内壁面は、第１主面と、前記第１主面に対向する第２主面と、側面と、を含み、
前記側面は、前記被覆領域と前記露出領域とを有する、
金型。

【請求項9】

請求項１から８のいずれかに記載の金型に前記成形用スラリーを注入する工程と、
注入された前記成形用スラリーを固化させることによって前記セラミックス成形体を成形する工程と、
を備えるセラミックス成形体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金型、及びセラミックス成形体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、セラミックス部材は、例えば、電気化学素子用の支持体、フィルター、センサ、触媒担体、断熱材、防音材、防震材、及び生体材などの幅広い用途に利用されている。セラミックス部材は、所定形状のセラミックス成形体を焼成することによって作製される。

【0003】

セラミックス成形体の製造方法としては、鋳込み成形法の一つであるモールドキャスト法が知られている（例えば、特許文献１参照）。モールドキャスト法は、セラミック粉末、分散媒及びゲル化剤などを含有する成形用スラリーを金型に注入した後、成形用スラリーを固化（ゲル化）させることによってセラミック成形体を製造する方法である。固化したセラミックス成形体を金型から取り出しやすくするために、金型の内壁面は離型層によって被覆されている。

【0004】

モールドキャスト法は、流動性の高い成形用スラリーを金型に注入して固化させる手法であるため、金型の内壁面によって規定される成形型をセラミックス成形体に精度よく転写することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−３３５３７１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

成形用スラリーが固化する際、金型の内壁面を被覆する離型層上をセラミックス成形体が滑りやすく、セラミックス成形体に収縮が生じやすい。このため、セラミックス成形体の外形寸法精度を向上させるにも限界がある。

【0007】

本発明は、セラミックス成形体の外形寸法精度を向上可能な金型、及びセラミックス成形体の製造方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１側面に係る金型は、成形用スラリーを固化させることによってセラミックス成形体を成形するために用いられる。金型は、金型本体と、離型層とを備える。金型本体は、成形用スラリーが注入される内部空間、及び内部空間を画定する内壁面、を含む。離型層は、内壁面上を被覆する。内壁面は、被覆領域と露出領域とを有する。被覆領域は、離型層によって被覆されている。露出領域は、離型層から露出する。内壁面は、第１主面と、第１主面に対向する第２主面と、側面と、を含む。第１主面及び側面の少なくとも一方は、被覆領域と露出領域とを有する。

【0009】

この構成によれば、セラミックス成形体を露出領域に付着させて状態で固化させることができる。したがって、セラミックス成形体が離型層上を滑りながら固化することを抑制できるため、セラミックス成形体の収縮を抑制することができる。この結果、セラミックス成形体の外形寸法精度を向上させることができる。

【0010】

好ましくは、第１主面は、被覆領域と露出領域とを有する。

【0011】

好ましくは、側面は、被覆領域と露出領域とを有する。

【0012】

好ましくは、第２主面は、被覆領域と露出領域とを有する。

【0013】

好ましくは、露出領域の最大面積は、１ｍｍ^２以下である。この構成によれば、露出領域において金型内壁面と成形体とが強く付着することを回避できる。この結果、成形体を金型から離型する際に発生し得る成形体表面の欠陥（クラック、欠け等）を抑制できるという効果を得ることもできる。

【0014】

好ましくは、内壁面は、複数の露出領域を有し、各露出領域の面積は、１ｍｍ^２以下である。

【0015】

本発明の第２側面に係る金型は、成形用スラリーを固化させることによってセラミックス成形体を成形するために用いられる。金型は、金型本体と、離型層とを備える。金型本体は、成形用スラリーが注入される内部空間、及び内部空間を画定する内壁面、を含む。離型層は、内壁面上を被覆する。内壁面は、被覆領域と露出領域とを有する。被覆領域は、離型層によって被覆されている。露出領域は、離型層から露出する。露出領域の最大面積は、１ｍｍ^２以下である。

【0016】

本発明の第３側面に係るセラミックス成形体の製造方法は、上記いずれかの金型に成形用スラリーを注入する工程と、注入された成形用スラリーを固化させることによってセラミックス成形体を成形する工程と、を備える。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、セラミックス成形体の外形寸法精度を向上可能な金型、及びセラミックス成形体の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態に係る金型１００の断面図である。

【図2】第１金型本体の底面図。

【図3】別の実施形態を示す第１金型本体の底面図。

【図4】さらに別の実施形態を示す第１金型本体の底面図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

［金型１００の構成］
本実施形態に係る金型１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、金型１００の断面図である。

【0020】

金型１００は、鋳込み成形法の一つであるモールドキャスト法によって、成形用スラリーを固化（ゲル化）してセラミック成形体を成形するために用いられる。セラミック成形体は、焼成によりセラミックス部材となる。セラミックス部材としては、電気化学素子（例えば、燃料電池セル、電解セルなど）の支持体が挙げられるが、これに限らず幅広い用途に利用され得る。セラミック成形体の製造方法については後述する。金型１００は、金型本体２及び離型層３を備える。

【0021】

［金型本体２］
金型本体２は、第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂによって構成される。ただし、金型本体２は、成形されたセラミック成形体を取り出すことができる構造であればよく、例えば、３つ以上の金型本体によって構成されていてもよい。金型本体２の材質は、金属（アルミニウム、アルミニウム合金、ＳＵＳ鋼、ニッケル合金など）である。

【0022】

第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂそれぞれは、凹部を有する。第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂは、互いの凹部を合わせるように連結される。第１金型本体２ａは、第２金型本体２ｂ上に配置される。第１金型本体２ａには、成形用スラリーを注入するための注入口２１と、成形用スラリーの注入時に空気及び余剰の成形用スラリーを排出するための排出口２２とが形成されている。

【0023】

金型本体２は、内部空間４及び内壁面５を有する。内部空間４には、成形用スラリーが注入される。内部空間４は、第１金型本体２ａの凹部と第２金型本体２ｂの凹部とが合わさることによって構成される。内壁面５は、内部空間４を画定する。本明細書において、内壁面５は、注入口２１及び排出口２２それぞれの開口部を含まれないものとする。

【0024】

内壁面５は、第１主面５ａ、第２主面５ｂ、及び側面５ｃを備える。第１主面５ａは、第１金型本体２ａに形成された凹部の底面である。第２主面５ｂは、第２金型本体２ｂに形成された凹部の底面である。第２主面５ｂは、第１主面５ａと対向する。側面５ｃは、第１主面５ａ及び第２主面５ｂに連なる。側面５ｃは、環状である。側面５ｃは、第１金型本体２ａに形成された凹部の側壁と、第２金型本体２ｂに形成された凹部の側壁とが合わさることによって形成されている。図１では、第１主面５ａ、第２主面５ｂ及び側面５ｃのそれぞれが平面状に形成されているが、これらのうち少なくとも１つの面には、必要に応じて凹凸が形成されていてもよい。

【0025】

［離型層３］
離型層３は、内壁面５上を被覆している。離型層３の厚さは、例えば、０．１〜１００μｍ程度とすることができる。離型層３は、内壁面５上に離型剤を塗布することによって形成されている。離型層３を構成する離型剤としては、フッ素系、シリコーン系、ウレタン系などの被膜剤を用いることができる。

【0026】

離型層３は、金型本体２の内壁面５を部分的に被覆していない。そのため、金型本体２の内壁面５は、被覆領域５１と、露出領域５２とを有している。被覆領域５１は、離型層３によって被覆されている。露出領域５１は、離型層３から露出している。露出領域５２は、内壁面５のうち被覆領域５１以外の領域である。

【0027】

このように、離型層３によって被覆されていない露出領域５２が内壁面５に設けられているため、セラミックス成形体の一部を露出領域５２に付着させた状態で固化させることができる。従って、セラミックス成形体が離型層３上を滑りながら固化することを抑制できるため、セラミックス成形体に収縮が生じることを抑制できる。その結果、セラミックス成形体の外形寸法精度を向上させることができる。

【0028】

図１において、内壁面５には、８つの露出領域５２が設けられているが、露出領域５２の個数は特に制限されず、１以上の露出領域５２が設けられていればよい。

【0029】

内壁面５のうち側面５ｃに、少なくとも１つの露出領域５２が配置されることが好ましい。すなわち、側面５ｃは、被覆領域５１と露出領域５２との両方を有している。これにより、セラミックス成形体の外周部分を側面５ｃに付着させた状態で保持できるため、セラミックス成形体の収縮をより抑制できる。なお、本実施形態のように側面５ｃが４つある場合、対向する一対の側面５ｃのそれぞれに露出領域５２が配置されていることがより好ましい。

【0030】

また、内壁面５のうち第１主面５ａ及び第２主面５ｂのそれぞれに、少なくとも１つの露出領域５２が配置されていることが好ましい。すなわち、第１主面５ａは、被覆領域５１と露出領域５２との両方を有している。また、第２主面５ｂも、被覆領域５１と露出領域５２との両方を有している。これにより、セラミックス成形体のうち実際に収縮する部位を第１主面５ａ及び第２主面５ｂに付着させた状態で保持できるため、セラミックス成形体の収縮をより抑制できる。

【0031】

図２に示すように、内壁面５の第１主面５ａを縦方向及び横方向のそれぞれで２等分してなる４つの領域のうち、対角に位置する領域のそれぞれに露出領域５２が形成されている。なお、図３に示すように、上記４つの領域のそれぞれに露出領域５２が形成されていてもよい。また、図４に示すように、１つの領域内に、複数の露出領域５２が形成されていてもよい。

【0032】

同様に、内壁面５の第２主面５ｂにおいて、露出領域５２は、第２主面５ｂの対角位置のそれぞれに形成されている。

【0033】

内壁面５において全ての露出領域５２が占める面積割合は、０．０１％以上が好ましい。これにより、セラミックス成形体が離型層３上を滑ることをより抑制できる。全ての露出領域５２が占める面積割合は、０．０２％以上がより好ましく、０．０３％以上が特に好ましい。

【0034】

内壁面５において全ての露出領域５２が占める面積割合は、１％以下が好ましい。これにより、セラミックス成形体が内壁面５に付着して取り出しにくくなることを抑制できる。全ての露出領域５２が占める面積割合は、０．８％以下がより好ましく、０．６％以下が特に好ましい。

【0035】

内壁面５において全ての露出領域５２が占める面積割合は、第１主面５ａ、第２主面５ｂ及び側面５ｃそれぞれの平面視において測定した全ての露出領域５２それぞれの面積の合計値を内壁面５の全面積で除することによって算出される。各露出領域５２の面積は、顕微鏡観察等を用いて測定することができる。

【0036】

内壁面５の平面視において、露出領域５２それぞれの面積は、０．０１ｍｍ^２以上が好ましい。これにより、セラミックス成形体が離型層３上を滑ることをより抑制できる。露出領域５２それぞれの面積は、０．０３ｍｍ^２以上がより好ましく、０．０５ｍｍ^２以上が特に好ましい。

【0037】

内壁面５の平面視において、露出領域５２それぞれの面積は、１ｍｍ^２以下が好ましい。すなわち、複数の露出領域５２のうち、最大の露出領域５２の面積を１ｍｍ^２以下とすることが好ましい。これにより、金型と成形体が強く付着することを抑制し、成形体を金型から離型する際の成形体の破損を抑制することができる。露出領域５２それぞれの面積は、１ｍｍ^２以下がより好ましく、０．８ｍｍ^２以下が特に好ましい。

【0038】

（セラミックス成形体の製造方法）
次に、セラミックス成形体の製造方法について説明する。

【0039】

まず、第１金型本体２ａに形成された凹部の底面及び側壁のうち露出領域５２を設ける領域にマスクを施す。また、第２金型本体２ｂに形成された凹部の底面及び側壁のうち露出領域５２を設ける領域にもマスクを施す。マスクは、離型剤が塗布されないようにできるものであればよく、例えば、粘着テープ、磁石、樹脂部材などを用いることができる。マスクのサイズ及び個数を調整することによって、全露出領域５２が占める面積割合と露出領域５２の面積とを制御できる。

【0040】

次に、第１金型本体２ａに形成された凹部の底面及び側壁に離型剤を塗布する。また、第２金型本体２ｂに形成された凹部の底面及び側壁にも離型剤を塗布する。離型剤の塗布方法は特に制限されず、例えば、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法などを用いることができる。以上により、離型層３が形成される。

【0041】

次に、第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂのそれぞれからマスクを取り外す。これにより、金型本体２の内壁面５に被覆領域５１と露出領域５２とが設けられる。

【0042】

次に、セラミックス粉末、分散媒、及びゲル化剤を混合して成形用スラリーを調製する。セラミックス粉末は、セラミックス部材に必要とされる特性に応じて適宜選択される。

【0043】

次に、第２金型本体２ｂ上に第１金型本体２ａを連結して、第１金型本体２ａの注入口２１から内部空間４に成形用スラリーを注入する。

【0044】

次に、一定時間（例えば、０．１〜２４時間）放置して、成形用スラリーを固化（ゲル化）させることによって、セラミックス成形体を形成する。この際、金型本体２の内壁面５には、離型層３によって被覆されていない露出領域５２が設けられているため、セラミックス成形体の収縮が抑制されて、セラミックス成形体の外形寸法精度を向上させることができる。

【0045】

次に、第２金型本体２ｂから第１金型本体２ａを取り外して、セラミックス成形体を取り出す。

【0046】

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0047】

上記実施形態では、第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂのそれぞれが凹部を有することとしたが、これに限られない。第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂの一方には、凹部が形成されていなくてもよい。この場合、第１金型本体２ａ及び第２金型本体２ｂの一方に形成された凹部の側壁が、内部空間４の内壁面５の側面５ｃとなる。

【実施例】

【0048】

以下において、本発明の実施例を説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。

【0049】

まず、図１に示すような構成の金型１００を以下のように作製した。

【0050】

まず、金型本体２を準備した。金型本体２の材質は、金属である。なお、実施例１〜９、比較例１では、金型本体２の材質をアルミニウム合金としたが、金型本体２の材質がアルミニウム、ＳＵＳ鋼、ニッケル合金であっても同様の結果となることを確認した。内壁面５によって画定される内部空間４のサイズは、幅３００ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ１０ｍｍである。

【0051】

次に、金型本体２の内壁面５に離型層３を形成した。具体的には、まず、幅方向を向く一対の側面５ｃのそれぞれにマスクを１カ所ずつ施した。マスクとしては、フォトレジスト材料を使用した。このマスクの面積が露出領域５２の面積となる。この各露出領域５２の面積は、実施例１〜９、比較例１において異なる。この各露出領域５２の面積は、表１に示す通りである。

【0052】

次に、マスクが施された内壁面５に離型剤を塗布した。具体的には、スプレー塗布法によってフッ素系樹脂を内壁面５に塗布した。以上により、離型層３が形成された。

【0053】

次に、内壁面５からマスクを取り外した。これにより、金型本体２の内壁面５に被覆領域５１と露出領域５２とが形成された。この露出領域５２の面積は、表１に示す通りである。

【0054】

［評価方法］
以上のように作製した実施例１〜９、比較例１の金型１００を用いてセラミックス成形体をそれぞれ作製した。具体的には、セラミックス粉末（ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３）、多塩基酸エステル（分散媒）、及びヘキサメチレンジイソシアナート（ゲル化剤）を混合して成形用スラリーを調製した。そして、この成形用スラリーを金型１００の内部空間４内に注入し、３時間放置して、成形用スラリーを固化させることによって、成形体を形成した。なお、成形用スラリーのセラミックス粉末の材質として、ＺｒＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２など他のセラミックス粉末を使用したものであっても同様の結果となることを確認した。また、成形用スラリーを固化する時間を２４時間としても、同様の結果となることを確認した。

【0055】

以上のようにして作成した各実施例及び比較例の成形体に対して、外形寸法精度及び表面状態を評価し、その結果を表１に示した。なお、表１の外形寸法精度における「〇」は、成形体の長手方向の寸法が設計値に対して１％以内であることを意味し、「×」は成形体の長手方向の寸法が設計値に対して１％を超えていることを意味する。

【0056】

また、表１の表面状態とは、金型から取り出した成形体の表面状態を意味する。この表１の表面状態における「〇」は、成形体の表面に欠け及びクラックなどの欠陥が生じていないことを意味する。一方、表１の表面状態における「×」は、成形体の表面に欠け及びクラックなどの欠陥が生じていることを意味する。なお、実施例１〜９、及び比較例１において、露出領域５２の面積を除き、同じ条件で外形寸法精度及び表面状態を評価した。

【0057】

【表1】

【0058】

表１に示すように、露出領域５２を形成することによって、セラミックス成形体の外形寸法精度が向上したことが分かった。

【0059】

また、各露出領域５２の面積を１ｍｍ^２以下としたことによって、成形体の表面に欠陥が発生することを防止できることが分かった。なお、実施例８では成形体の表面に欠けが発生し、実施例９では成形体の表面にクラックが発生した。

【符号の説明】

【0060】

２ 金型本体
３ 離型層
４ 内部空間
５ 内壁面
５１ 被覆領域
５２ 露出領域

【要約】

【課題】セラミックス成形体の外形寸法精度を向上可能な金型及びセラミックス成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】金型１００は、金型本体２と、離型層３とを備える。金型本体２は、成形用スラリーが注入される内部空間４、及び内部空間４を画定する内壁面５、を含む。離型層３は、内壁面５上を被覆する。内壁面５は、被覆領域５１と露出領域５２とを有する。被覆領域５１は、離型層３によって被覆されている。露出領域５２は、離型層３から露出する。内壁面５は、第１主面５ａ、第２主面５ｂ、及び側面５ｃを含む。第１主面５ａ及び側面５ｃの少なくとも一方は、被覆領域５１と露出領域５２とを有する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】