セラミック射出成形の脱脂・焼結工程：寸法精度と密度を安定させるポイント

セラミック射出成形の脱脂・焼結工程：寸法精度と密度を安定させるポイント

セラミック射出成形（CIM）では、射出成形を終えた生形体はまだ工程の半分です。続く脱脂・焼結が最終的な寸法、密度、強度を決めます。図面に書かれた寸法不良の多くは、実はこの二つの熱工程の管理に原因があります。本記事では、脱脂と焼結の役割、発生しやすい不良、収縮の補正方法、サプライヤー選定時に確認すべき記録を解説します。CIMが製造システムのどこに位置するかは精密製造プロセス総覧をご覧ください。

バインダーをきれいに取り除く脱脂

CIMのフィードストックは体積比でセラミック粉末が45〜65%、残りがバインダーです。脱脂は、焼結前にバインダーの大部分を除去し、割れや変形を起こさないようにする工程です。

• 触媒脱脂は量産で最も一般的です。主成分がポリオキシメチレン（POM）の場合、110〜150℃で硝酸蒸気を通し、POMを解重合してホルムアルデヒドガスとして排出します。数時間で完了し、生形体の変形が少ないのが特徴です。
• 熱脱脂はゆっくり昇温してバインダーを段階的に蒸発させます。設備は簡単ですが時間がかかり、肉厚部ではガスが抜けず割れやすくなります。
• 溶剤脱脂は熱脱脂の前段で行い、ワックス成分を先に溶かして熱脱脂を短縮します。

脱脂が不十分だと炭素が残留します。酸化ジルコニアやアルミナなどの酸化物セラミックスでは、炭素残留が色や密度を変え、焼結後に不良となる場合があります。サプライヤーには脱脂方式と脱脂後の重量減少データを確認することをお勧めします。

密度と結晶粒径を決める焼結

脱脂後の素地は多孔質です。焼結により粒子同士が結合し、気孔が抜けて最終寸法まで収縮します。

• ジルコニア（3Y-TZP）は大気中およそ1400〜1550℃で焼結し、理論密度の99%以上に達します。
• アルミナ（95%以上）は通常1550〜1650℃で、昇温速度と保持時間が結晶粒径を左右します。
• 窒化ケイ素は非酸化物のため、1700〜1800℃で窒素雰囲気の加圧焼結が必要です。雰囲気が違えば全数不良になります。

焼結は高温・長時間なら良いわけではありません。温度が高すぎると結晶粒が粗大化して強度が下がり、保持が足りないと密度が不足します。炉内の温度分布と測温点の数は重要な評価項目で、同一炉内でも位置により色や寸法がばらつきます。触媒脱脂の原理や焼結炉の選定は、CIM量産エンジニアリングガイドで詳しく説明しています。

収縮補正は金型設計から始まる

焼結時の線収縮は通常15〜25%です。金型キャビティはその分だけ大きく設計します。この係数は推測ではなく、粉末ロット、フィードストックの充填率、焼結カーブの実測データから決まります。

• 粉末ロットごとに収縮確認試験を行い、係数を金型設計に反映します。
• 混ロットを避け、同一ロットで生産します。
• 量産での安定した焼結公差は±0.3〜0.5%が一般的で、複雑形状は±0.5%を見込みます。
• さらに厳しい重要寸法は焼結後の研削・ホーニングで±0.01mmレベルまで追い込めます。

設計側の協力も欠かせません。肉厚は0.5〜5mmで均一にし、厚さの差が大きいと収縮差による反りが発生します。材料選定の考え方はジルコニアセラミック射出成形の解説も併せてご参照ください。

代表的な不良と対策

脱脂・焼結で発生しやすい不良は、ほぼ工程パラメータに原因を遡れます。

焼結後のセラミックスは再加工がほぼできません。脱脂・焼結中のプロセス管理が最終検査より重要で、毎炉の温度記録と密度データはサプライヤーが提示すべき項目です。

サプライヤー選定で確認すること

図面を渡す前に、次の3点を確認してください。フィードストックから脱脂・焼結まで自社内で一貫しているか。外部委託が多いほどロット間の安定性は下がります。密度・寸法・組織の測定設備があるか。品質管理が量産向けに設計されているか。材料と試験方法はMPIF粉末射出成形規格で照合できます。御嘉鑫科技（Yujiaxin Tech）は1998年から自社内でフィードストック、成形、脱脂・焼結、検査まで一貫し、ISO 9001認証を取得しています。加工可能な範囲は製品能力ページをご覧ください。

まとめ

脱脂・焼結はセラミック射出成形の成否を決める工程です。サプライヤーを評価する際は、サンプル1個ではなく、脱脂方式、焼結炉の能力、収縮データの蓄積、プロセス記録を見てください。図面、年間需要、重要公差をメーカーに送るのが最も早い確認方法です。御嘉鑫科技のエンジニアが材料・金型・プロセスの観点から提案します。お気軽に図面による無償技術評価をご依頼ください。