JPH0832410B2

JPH0832410B2 - セラミックスコイルばねの成形方法

Info

Publication number: JPH0832410B2
Application number: JP26833087A
Authority: JP
Inventors: 隆二安達; 雅彦中谷; 繁美佐藤; 豊之東野; 秀埜村; 隆介安達
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 1987-10-26
Filing date: 1987-10-26
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPH01110907A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はセラミックスコイルばねの成形方法に関す
る。

〔従来の技術〕

コイルばねは各種機械にとって重要な部品として用い
られている。こうしたコイルばねは金属材料から製造さ
れてきたが、金属性コイルばねは耐熱性、耐食性、耐摩
耗性等の特性に劣るため、近年、これらの特性を改善し
得るセラミックス製のコイルばねの製造が試みられてい
る。

セラミックスコイルばねの製造方法としては、セラミ
ックス粉体原料に成形性を付与する有機材料とその溶剤
とを混練し、この混練物を押し出して得られるセラミッ
クス線材を用いて目的とするコイル形状のコイルばねを
得る方法が行なわれている。

成形性を付与する有機材料として水溶性のものを、そ
の溶剤として水を使用してコイルばねを製造した場合、
以下の問題が生じる。

線材に含まれる水分が多い場合（高含水率の線材）コイリング自体は容易であるが、コイリング用の芯棒
に巻きつけるとコイリング時に内側（内径）がつぶれや
すい。また、この状態で乾燥させると、水分の蒸発に伴
う乾燥収縮で線切れ、及び更にコイル内径のつぶれが生
じる。なお、高含水率の線材を用いてコイリングした場
合、コイリング直後に芯棒から成形体を取り外すと、保
形性がなくコイル形状を保持しない。

逆に線材に含まれる水分が少ない場合セラミックス押出原料の混練時に添加水分量を少なく
するか、又は押し出した線材を乾燥させて水分量を少な
くし、コイリング後の乾燥収縮をできるだけ小さくしよ
うとすると、線材が硬くなり、その後のコイリング作業
が困難でコイリング時に線切れを生じる。また、雰囲気
（温度、湿度等）によってコイリングの状態が大きく影
響されるため、コイリング可能な条件が限定される。ま
た、微量な水分量の変化により、乾燥後の形状ばらつき
が大きい、したがって、線径1mm以下の細線のコイリン
グ及びD/d（D:コイル平均径、d:線径）の小さいコイリ
ングが困難である。

そこで、一般的に考えられるセラミックスコイルばね
の製造方法としては、例えば以下のような方法が知られ
ている。

セラミックス粉体原料と、メチルセルロース、界面活
性剤、多価アルコール及び水とを混練し、押出成形して
線材を得た後、芯棒にコイリングし、そのまま仮焼結
し、その後芯棒を取り外して本焼結する方法（特開昭62
−7659号公報）。

上記方法を改良して等ピッチのコイルばねを得るため
に、セラミックス粉体を主原料とする押出加工された線
材を水分調整し、該線材と同様な熱収縮特性を有する芯
棒に、間隔保持用コイル材とともに巻き付け、アルミナ
粉末中に埋め込んで仮焼結を行ない、仮焼結された線材
を芯棒から取り外して本焼結する方法（特開昭62−2501
3号公報）。

なお、これらの方法をブロック図で示すと第２図のよ
うになる。第２図に示すように、これらの方法では原料
の混練物を押出成形して線材を得た後、乾燥操作により
線材を所定の水分率まで、一般に約３％以下の値まで低
下させることにより、セラミックスコイルばねの成形が
可能なように線材の可塑性を調整している。なお、線材
の可塑性が乾燥後（水分調整後）においても有利に保持
し得るように界面活性剤、多価アルコールを多添加して
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の方法には以下のような問題がある。

コイリング後の線切れ等を発生させないような線材を
得るために、乾燥による水分調整に微妙なコントロール
を必要とする。

線材の可塑性が乾燥後においても有利に保持し得るた
め、コイリング後の保形性に乏しい。したがって、該線
材と同様な熱収縮特性を有する芯棒に巻いたまま焼結す
る必要がある。

芯棒として線材と同様な熱収縮特性を有するものを用
いているため、線切れやコイルの内側の変形をある程度
防止することができるが、仮焼結まで行なうため再使用
することができず、芯棒に要するコストが高くなる。

以上のように従来の方法はコスト、歩留り等の観点か
ら量産性の乏しい方法である。

本発明は上記問題点を解決し、細線のコイリングやD/
dの小さいコイリングが可能で、線材の線切れや変形等
を防止でき、形状ばらつきも小さくすることができる、
量産性のあるセラミックコイルばねの成形方法を提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段と作用〕

本発明のセラミックスコイルばねの成形方法は、セラ
ミックス粉体に成形性を付与する有機材料及びその溶剤
である水を加えて混練して線材に成形した後、該線材を
乾燥する工程と、乾燥された線材を溶媒に浸漬して可塑
性を付与するとともに成形乾燥後の保形性を改善する工
程と、該線材をコイリングする工程とを具備したことを
特徴とするものである。

本発明において、原料となるセラミックス粉体は、酸
化物系セラミックスでもよいし、非酸化物系セラミック
スでもよい。酸化物系セラミックスとしては、例えばア
ルミナ、ムライト、部分安定化ジルコニア等が挙げられ
る。また、非酸化物系セラミックスとしては、例えば窒
化ケイ素、炭化ケイ素、サイアロン等が挙げられる。な
お、非酸化物系セラミックスを用いる場合、水とのぬれ
性を改善するために、シラン系カップリング剤、アルミ
系カップリング剤、チタン系カップリング剤等を用いて
粉体の表面処理をすることが望ましい。

本発明において、添加する有機材料（一般にバインダ
ーとも呼ばれる）は、セラミックス粉体のような非可塑
性原料の成形において可塑性、保形性を付与し、しかも
焼結により分解、飛散して焼結体に不純物などの残渣を
残さないという特長を有している。

使用される有機材料には結合剤、可塑剤、分散剤など
がある。これらは一般的に以下の機能を持つことが知ら
れている。

結合剤はグリーン成形体の強度保持として機能するも
のであり、その配合量が少な過ぎると、得られる混練物
がもろくなって押出成形やコイル状への加工が困難とな
る。また、その配合量があまりにも多くなると、ダイス
（ノズル）からの押出成形が困難となるなどの問題を発
生する。

可塑剤は可塑性、柔軟性を与える機能で、押出成形や
押出成形して得られた線材に良好な柔軟性を与える。そ
の配合量が少な過ぎると、混練物の粘性が高くなり、押
出が困難となる問題を発生し、またその配合量があまり
にも多すぎると、混練物の強度が低下し、コイル形状の
保形性がなくなるなどの問題を発生する。

分散剤はセラミックス粉体と有機材料を混練したとき
の均一分散及び有機材料の溶剤の添加量を低減させる機
能をもつ。

本発明において、結合剤としては水溶性であるが、コ
イリング時の溶媒に溶解しにくいもの、例えばメチルセ
ルロースが用いられる。また、可塑剤としては水溶性
で、かつコイリング時の溶媒に溶解しやすいもの（両親
媒性のもの）が選択される。こうした可塑剤としては、
分子構造としてCH₂CH₂O_ｎ（ただし、ｎは１以上）
を有するものが望ましく、例えばポリエチレングリコー
ルが挙げられる。また、ポリエチレングリコールの一端
又は両端を、−OCH₃、−COCH₃、−COOH、−NH₂、−CN、
−NHCONH₂等の親水基で置換したものでもよい。なお、
ｎは１以上であればよいが、４以上であることがより望
ましい。可塑剤としては、このほかグリセリン等が用い
られる。更に、セラミックス粉体と有機材料との分散状
態を良好にするために、分散剤としてポリカルボン酸塩
等を添加してもよい。

以上の各原料は、適当な配合比で配合され、混練され
る。各原料は、セラミックス粉体100重量部に対して、
結合剤１〜20重量部（好ましくは３〜10重量部、可塑剤
１〜25重量部（好ましくは５〜20重量部）、分散剤０〜
10重量部（好ましくは0.01〜３重量部）、適量の水とい
う配合比で配合される。これらの混練物は、線材に成形
された後、水分をほとんど除去し、充分に乾燥収縮した
状態まで乾燥される。この状態ではコイリングに必要と
される充分な可塑性はない。なお、混練物を線材に成形
する方法はどのような方法でもよいが、適当な方法とし
ては例えば押出成形が挙げられる。

本発明において、乾燥した線材をコイリングする前に
可塑性を付与するために用いられる溶媒（以下、コイリ
ング溶媒と記す）としては、セラミックス粉体粒子間に
浸透しやすく、有機材料を軟化させて可塑性を付与させ
るものが用いられる。すなわち、水溶性結合剤であるメ
チルセルロースを軟化はさせるが溶解させにくく、可塑
成分を溶解させる作用を有するものが用いられる。この
ようなコイリング溶媒としては、アルコール、エステ
ル、ケトン、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、脂環族
炭化水素、塩素化炭化水素の群から選択される単独溶媒
もしくは２種以上の混合溶媒、又はアルコールと少量の
水との混合溶媒が挙げられる。特に、エステル、ケトン
又は塩素化炭化水素との混合溶媒、アルコールと塩素化
炭化水素との混合溶媒等が望ましい。上記のような有機
系のコイリング溶媒は表面張力が小さく、線材表面の空
孔等からセラミックス粉体粒子間に入り込みやすいの
で、可塑化効果により、また有機材料の軟化により線材
の可塑性を付与するのに有利である。また、コイリング
溶媒として混合溶媒を用いれば、その組成比により有機
材料の軟化度合（結合剤、可塑剤の溶解性）を調整で
き、また乾燥時の溶媒の蒸発速度を調整できるので、コ
イリング条件の選択の幅が広くなる。

本発明において、線材をコイリングするには、旋盤式
コイリングマシンの芯棒にコイリングしてもよいし、自
動コイリングマシンを用いてもよい。なお、本発明にお
けるセラミックスコイルばねの成形を連続的に行なうに
は、コイリングマシンの前段にコイリング溶媒を収容し
た溶媒槽を設け、この溶媒槽に乾燥した線材を浸漬すれ
ばよい。更に、溶媒槽の前段に押出成形機及び成形され
た線材を乾燥する乾燥炉を設けてもよい。

このようにして得られたコイル状成形体を乾燥し、芯
棒から取り外した後、脱バインダ及び焼結することによ
りセラミックスコイルばねが製造される。

本発明方法では、水分を除去して乾燥収縮させた線材
をコイリング溶媒に浸漬する際に、線材表面の空孔等か
らコイリング溶媒がセラミックス粉体粒子間及び有機材
料に吸収され、線材のコイリングに必要な可塑性が付与
される。そして、線材の乾燥後にはコイリング溶媒によ
って可塑成分（ポリエチレングリコール等）が溶出し、
かつ水溶性の結合剤（メチルセルロース）はコイリング
溶媒によって軟化するだけで、ほとんど溶解、膨潤して
いないので、コイリング溶媒乾燥後には良好な保形性が
得られる。したがって、従来のように線材中に含まれる
水分及び有機材料（結合剤、可塑剤等）により、線材の
コイリングに必要な可塑性を付与する場合と異なり、
水分調整がいらない、保形性がよい、線材と同様な
熱収縮特性を有する芯棒に巻いたまま焼結する必要がな
い、従来の金属ばねと同様にコイリングマシンが使用
できる。量産性がある、等の効果が得られる。そし
て、細線のコイリングやD/dの小さいコイリングが可能
で、線材の線切れ等を防止でき、成形体の形状ばらつき
も小さくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明方法を実施例に基づいてより詳細に説明
する。なお、以下の実施例では、第１図にブロック図で
示す工程に従い、各操作を行なった。

実施例１第１表に示す原料を同表に示す配合比で配合して原料
を調整し、混練した後、口径2.9mmのダイスを用いて押
出成形して線材を作製し、この線材を充分に乾燥収縮す
るまで乾燥した。次に、乾燥した線材を第１表に示すコ
イリング溶媒に浸漬した。

まず、線材をコイリング溶媒に５分間浸漬した後の乾
燥挙動を調べた結果を第３図に示す。第３図において線
材を取り出した直後の重量の増加分は、線材に吸収され
たコイリング溶媒によるものであり、これによりコイリ
ングに必要な可塑性が付与される。また、線材の乾燥後
の重量の減少分は可塑成分が溶出したことによるもので
ある。なお、用いられたコイリング溶媒は水溶性の結合
剤であるメチルセルロースに対して貧溶媒であるため、
メチルセルロースは軟化するだけでほとんど溶解しな
い。このことから、コイル形状の成形体の乾燥後の保形
性が向上する。

次に、コイリング溶媒に浸漬して可塑性を付与した線
材を直径25mmの芯棒にコイリングして乾燥後、コイル形
状の成形体を芯棒から取り外した。この成形体に関して
は、コイリング後の乾燥収縮はほとんどなく、線切れ、
コイル内側の変形は少なく、多数の成形体を比較しても
形状ばらつきは少なかった。次いで、コイル形状の成形
体を脱バインダした後、空気中、1450℃で焼結してセラ
ミックスコイルばねを製造した。こうして得られたセラ
ミックスコイルばねは、線径2.2mm、コイル径20mm、有
効巻数６巻、焼結体密度6.09g/cm³、ばね定数ｋ＝0.43k
gf/mm、せん断強度τ＝45kgf/mm²（平均値）であった。

これと比較するために、上記と同一の原料を使用し、
混練して線材を押出成形した後、線材中の水分量を調整
して芯棒にコイリングし、その後脱バインダ及び焼結を
行なうという従来の方法でセラミックスコイルばねを製
造した。その結果、コイリング後のコイル状成形体は乾
燥収縮のため、線切れ、形状ばらつき等の発生により、
上記実施例１より歩留りが約70％低かった。また、焼結
後のセラミックスコイルばねのせん断強度は形状ばらつ
きのために上記実施例１の場合よりもばらつきが大き
く、せん断強度の平均値も42kgf/mm²と若干小さい値で
あった。

実施例２第２表に示す原料を同表に示す配合比で配合して原料
を調整し、混練した後、押出成形して線材を作製し、こ
の線材を充分に乾燥収縮するまで乾燥した。次に、乾燥
した線材を第２表に示すコイリング溶媒に浸漬した。

まず、線材をコイリング溶媒に５分間浸漬した後の乾
燥挙動を調べた結果を第４図に示す。第４図も第３図の
場合と同様な乾燥挙動を示しており、上述したのと同様
な議論が可能である。なお、線材をコイリング溶媒から
取り出した直後の重量の増加分は第４図の方が第３図の
場合よりも大きく、実施例２で用いたコイリング溶媒の
方が線材に可塑性を付与するのに有利である。

次に、コイリング溶媒に浸漬して可塑性を付与した線
材を芯棒にコイリングした。この場合、線材の可塑性が
良好であるため、D/d＝５の形状のコイル状成形体を容
易に得ることができた。

これと比較するために、上記と同一の原料を使用し、
混練して線材を押出成形した後、線材中の水分量を調整
して芯棒にコイリングした。この場合、D/d＝５のコイ
ル形状に成形しようとすると、線切れが生じた。そこ
で、第２表の場合よりも、可塑剤であるポリエチレング
リコール及びグリセリンを増加したところ、D/d＝５の
コイル形状に成形することができた。しかし、この成形
体は芯棒から取り外した時の保形性が乏しいものであっ
た。したがって、焼結の際には、線材と同様な熱収縮特
性を有する芯棒にコイリングして焼結する必要があっ
た。

実施例３第３表に示す原料を同表に示す配合比で配合して原料
を調整し、混練した。なお、窒化ケイ素粉体について
は、シランカップリング剤 CH₃O（CH₂CH₂O）nCH₂CH₂Si（OMe）_３（ｎ≒８）を用いて表面処理して親水性を高めた。その
後、口径3.1mmのダイスを用いて押出成形して線材を作
製し、この線材を充分に乾燥収縮するまで乾燥した。次
に、乾燥した線材を第３表に示すコイリング溶媒に浸漬
して可塑性を付与し、芯棒にコイリングして乾燥後、コ
イル形状の成形体を芯棒から取り外した。次いで、コイ
ル形状の成形体を脱バインダした後、N₂ガス中、1850℃
で焼結してセラミックスコイルばねを製造した。こうし
て得られたセラミックスコイルばねは、線径2.2mm、コ
イル径20mm、有効巻数６巻、焼結体密度3.23g/cm³、ば
ね定数ｋ＝0.7kgf/mm、せん断強度τ＝48kgf/mm²（平均
値）であった。

実施例４第４表に示す原料を同表に示す配合比で配合して原料
を調整し、混練した。なお、窒化ケイ素粉体について
は、シランカップリング剤 CH₃O（CH₂CH₂O）nCH₂CH₂Si（OM）_３（ｎ≒８）を用いて表面処理して親水性を高めた。その
後、口径4.76mmのダイスを用いて押出成形して線材を作
製し、この線材を充分に乾燥収縮するまで乾燥した。次
に、乾燥した線材を第４表に示すコイリング溶媒に浸漬
して可塑性を付与し、芯棒にコイリングした。

上記線径4mm以上の線材をコイリングする場合には、
線材への浸透速度が速く（表面張力が小さく）、水溶性
結合剤であるメチルセルロースを非常に溶解しにくい貧
溶媒である。第４表のコイリング溶媒が適していた。

実施例５〜８第５表〜第８表に示す原料及びコイリング溶媒を用
い、上記実施例１〜４と同様にしてセラミックスコイル
ばねの成形を行なったところ、実施例１〜４と同様な結
果が得られた。

〔発明の効果〕本発明方法によれば、水分を除去して乾燥収縮させた
線材をコイリング溶媒に浸漬し、線材にコイリング溶媒
を吸収させてコイリングに必要な可塑性を付与してお
り、線材の乾燥後にはコイリング溶媒によって可塑成分
（ポリエチレングリコール等）が溶出して保形性が向上
し、かつ水溶性の結合剤（メチルセルロース）はコイリ
ング溶媒によって軟化するだけでほとんど溶解しにくく
膨潤しにくいので以下のような効果を得ることができ
る。

1.線材からのコイリング溶媒の蒸発速度を調節でき、コ
イリングに必要とされる線材の可塑性を維持できるの
で、細線のコイリングやD/dの小さいコイリングが可能
となる。この場合、線材の可塑性はコイリング溶媒の組
成や可塑剤の分子構造によって調節することができ、ば
ね特性に応じたコイリング条件を選択できる。

2.コイリング後の乾燥収縮が小さいので、線切れやコイ
ル内側の変形を防止できる。しかも、線材には大きな伸
びが要求されず、従来よりも有機材料及びその溶剤であ
る水の添加量が少なくてすみ、かつコイリング溶媒に浸
漬すると、可塑成分が一部溶出されているので、乾燥後
芯棒から取り外しても良好な保形性を示し、形状ばらつ
きも小さくすることができる。更に、有機材料の添加量
が少なくてよいので、高グリーン密度のセラミックスコ
イルばねを成形でき、その結果焼結体密度の向上が期待
できる。したがって、歩留り及びばねの性能を大幅に向
上することができる。

3.線材の水分調整が不要で、線材を充分に乾燥収縮させ
ればよいので、線材の押出成形からコイリングまで連続
的に作業でき、更にはコイリングマシンを利用して金属
ばねと同様な方法でコイリングできる。この結果、作業
能率が大幅に向上する。なお、従来のようにコイリング
用の芯棒として、線材と同程度に熱収縮特性を有するも
のを用いる必要は全くない。逆に、乾燥した線材を保管
しておき、必要に応じて随時コイリングすることもでき
るので、多品種少量のセラミックスコイルばねを安価に
製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるセラミックスコイルば
ねの成形方法を示すブロック図、第２図は従来のセラミ
ックスコイルばねの成形方法を示すブロック図、第３図
及び第４図はそれぞれ実施例１及び２におけるコイリン
グ溶媒に浸漬した後の線材の乾燥挙動を示す特性図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東野豊之神奈川県横浜市磯子区新磯子町１番地株式会社日発グループ中央研究所内 (72)発明者埜村秀神奈川県横浜市磯子区新磯子町１番地株式会社日発グループ中央研究所内 (72)発明者安達隆介神奈川県横浜市磯子区新磯子町１番地株式会社日発グループ中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス粉体に成形性を付与する有機
材料及び水を加えて混練して線材に成形した後、該線材
を乾燥する工程と、乾燥された線材を溶媒に浸漬して可
塑性を付与する工程と、該線材をコイリングする工程と
を具備したことを特徴とするセラミックスコイルばねの
成形方法。