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ファインセラミックスは、最先端技術の進歩発展を支える高機能材料です。

ファインセラミックスの製造工程

多くの工程を経て製品が完成する

高精度に制御された原料から高機能製品が誕生

ファインセラミックスの原料は、無機質の固体粉末で、純度、粒子径、粒子分布などが高精度に制御されたものが使われています。製品用途に合わせて調合した原料は、さらにバインダーと呼ばれる粘結剤と混合されます。設計通りに精密成形や切削加工が施され、温度制御された焼成炉によって高温で焼かれます。
この焼成の過程で、原料に含まれる水分やバインダーが取り除かれます。さらに加熱することにより、粉末粒子同士が融合し、空隙が減少して焼き固まり、緻密で非常に硬い製品ができあがります。

ファインセラミックスの主な製造工程

図:指 各項目をクリックすると詳細をご覧になれます。

図:ファインセラミックスの製造工程(代表例)
図:ファインセラミックスの製造工程(代表例)

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ファインセラミックスをビジネスで
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原料調合・粉砕・混合

写真:原料調合・粉砕・混合
図:原料調合・粉砕・混合

ファインセラミックスの製造プロセスにおいて、原料調合・粉砕・混合工程は、製品の材料特性や品質安定性を決める重要な工程です。
セラミックボールが充填されたミルと呼ばれる装置に、原料粉末を水などの溶媒とともに入れ、粒子径や粒子分布を揃えるために、装置に回転や振動を加えます。さらに、バインダー(粘結剤)の添加などが行われます。
混合されたものをスラリーといいます。

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噴霧・乾燥

写真:噴霧・乾燥 写真:噴霧・乾燥イメージ

原料調合・粉砕・混合工程で調整されたスラリーは、スプレードライヤーと呼ばれる熱風を発生させる装置の中で噴霧します。次にスラリーを乾燥させ、原料の詰まった球状の顆粒体に造粒します。

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ラバープレス

写真:ラバープレス

ゴム型に粉末を充填し、高圧筒の中で水圧を加えて素材を成形します。

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加圧成形

写真:加圧成形

乾燥・造粒された顆粒状の原料を金属製の金型に充填し、圧力を加えて、製品に近い形状にする成形方法の一つです。
上下から圧力を加えて(一軸加圧)、高密度な成形体を作ります。寸法精度が求められる、かなり複雑な機械部品などの量産に適しています。

図:加圧成形
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押出成形

写真:押出成形

乾燥・造粒された顆粒状の原料に、水とバインダー(粘結剤)、可塑(かそ)剤、分散剤を加えて粘土状にし、圧力を加えながら口金(金型)を通して押出し、製品に近い形状にする成形方法の一つです。
口金を通して押出すため、同一断面形状を持つ長尺品に適しています。

図:押出成形
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射出・鋳込成形

写真:射出成形

乾燥・造粒された顆粒状の原料に添加物を加え、流動性を持たせて、型内に加圧充填し、製品に近い形状にする成形方法の一つです。
原料に樹脂を混合し、加熱溶融して流動性を持たせ、金型の中に射出し、固める射出成形と、原料に溶媒と分散剤を加え、吸水性の型に流し込み固める鋳込成形があります。
いずれも高い寸法精度が求められる、複雑な三次元形状の製品に適しています。

射出・鋳込成形

射出成形

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切削加工

写真:切削加工

ファインセラミックスは、たいへん硬く、焼結後に加工するためには、ダイヤモンド砥石などを用いなければなりません。 そのため、焼結前に変形(収縮)を考慮して、最終形状に近い形に切削加工を施します。この加工では、超硬合金製の刃物やドリルが用いられます。

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ホットプレス

写真:ホットプレス

高温で成形体に圧力を加えて、気孔(すき間)などの少ない緻密な焼結体を得る方法です。
カーボン型などに充填し、加熱と同時に上下から型を通して加圧します。単純形状のものしか得られません。

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焼成

写真:焼成 写真:焼成

成形されたファインセラミック原料(充填率約60%)を、その融点以下で加熱し、粉末粒子同士を融合させることで緻密化が進みます。高温のファインセラミック粉体は、粒子の接触点を通じて互いに物質移動を起こし、あたかも水滴が接触するとひとつになるように、一体化します。真空中、大気中や非酸化雰囲気中など、目的に応じてさまざまな方法があります。

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熱間静水圧加圧焼結(HIP)

写真:熱間静水圧加圧焼結(HIP)

高温下で等方的に圧力を加えて、高密度な焼結体を作る方法です。
予備焼結し、密度を理論値の95%程度まで高めた後、加熱炉を組み込んだ圧力容器に入れます。加熱とともにアルゴンガスなどを用いて、1,000~2,000気圧の圧力を等方的に加えて焼成します。

HIP:Hot Isostatic Press

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研削・研磨

写真:研削・研磨

主にダイヤモンド砥石などを使って、寸法精度の高い製品や鏡面に研磨された製品を作る重要な工程です。
ファインセラミックスは高硬度であることから、最も硬いダイヤモンド砥石を使って、さらに高寸法精度の加工を行います。

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メタライジング

写真:メタライジング

焼結体表面に金属層を設け、導体パターンの形成や気密封止を行うための工程です。
焼結体表面に金属粉末やファインセラミックスなどの混合粉末からなるペーストを塗布し、高温で熱処理することでファインセラミックスの表面に金属層を焼きつける方法やメッキ処理により金属層を設ける方法があります。

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接合・接着

写真:接合・接着

ファインセラミック製品同士やファインセラミック製品と金属・樹脂を一体化させ、複合製品として付加価値を高める重要な工程です。
機械的に結合する方法や接着剤、ガラス、ロウ材を用いて結合させる方法があります。

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検査

写真:検査

お客様に安心して製品を使用していただくために、厳しい検査が行われます。

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製品

写真:製品

生活のさまざまなシーンでファインセラミックスが活躍しています。

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テープ成形

原料粉末にバインダーと溶媒を加えたスラリーから薄い成形体を連続的に作る成形方法の一つです。
一般に均質なスラリーをフイルム上に薄く延ばして形成するドクターブレード法が用いられます。薄いテープを積層して作るIC用のセラミックパッケージや積層セラミックコンデンサなどの製造に適しています。

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