冷間等方圧
冷間等方圧（Cold Isostatic Pressing, CIP）は、常温付近で粉末や成形体に静水圧を均一に負荷して高密度のグリーン体を得る粉末成形法である。圧力媒体（油や水）に浸した柔軟な金型（ラバー袋）を介して三次元等方に圧縮するため、単軸プレスで生じやすい密度勾配や層割れを抑制できる。焼結前段の緻密化、脆性材料のプレフォーム作製、異形中空体の均質化などに有効で、セラミックスや金属粉末、複合材、グラファイト等に広く用いられる。
原理とプロセス
冷間等方圧では、粉末を充填した伸縮性バッグを圧力容器内の流体で全方位から加圧する。流体は静水圧状態を保ち、粒子間隙の減少と再配列、塑性変形により見かけ密度が上昇する。保持後に除圧するとスプリングバックが生じるため、目標寸法に対して収縮・弾性回復を見込んだ設計が不可欠である。
装置構成
主要構成は高圧容器、昇圧ポンプ（インテンシファイア）、圧力媒体、バッグ材（ゴム・ポリウレタン等）、シール系、安全インタロックである。圧力容器は高強度鋼で製作され、シリンダ内の流体圧が数百MPa級でも均一場を維持できるように設計される。
ウェットバッグ方式
ウェットバッグは粉末封入バッグを直接圧力媒体に浸す方式で、段取り自由度が高く複雑形状の適用範囲が広い。袋単位で着脱可能である一方、充填・脱気・封止の手順管理が品質安定化の鍵となる。
ドライバッグ方式
ドライバッグは容器内に固定したエラストマ型を用い、ワークを挿脱して繰返し成形する方式である。量産適性とタクトが良いが、型内寸法の自由度はウェット方式に劣る。
材料と適用分野
アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等のファインセラミックス、Fe系粉末冶金部材、超硬合金、磁性材料、固体電解質、燃料電池部材などが代表例である。成形体の均質密度が求められる長尺・中空・薄肉のプレフォームや、後段の機械加工を最小化したニアネット形状の作製に適する。
プロセスパラメータ
- 圧力：一般に100〜400MPa程度。材質・粒度・バインダにより最適値が変わる。
- 保持時間：数十秒〜数分。クリープ的再配列を促し密度を安定化。
- 粉末特性：粒度分布・形状・比表面積が充填率と潤滑挙動を支配。
- バインダ：流動性と脱脂性のバランスを設計。過多は欠陥源になる。
- バッグ物性：硬さ・厚みは圧力伝達と寸法ばらつきに影響。
- 脱気：トラップエアは層割れや内部孔の原因となるため真空封止が有効。
設計と成形性
冷間等方圧の設計では、肉厚均一化、急激な段差回避、フィレット付与、チョーク部の無い粉末供給口形状などが有効である。焼結収縮は等方的に10〜20%程度を見込み、グリーン強度確保のためバインダ量や粒度設計を合わせ込む。必要に応じて予備成形（タップ充填・振動成形）を併用する。
他方式との関係
単軸プレスに比べ密度均一性に優れる一方、金型コストは低いがバッグ消耗費がある。ホットプレスは加熱・単軸で高密度化できるが形状自由度に制約が大きい。HIP（Hot Isostatic Pressing）は高温・高圧で拡散結合と気孔消滅を同時に進め最終緻密化に有効で、冷間等方圧はその前段のグリーン成形として補完関係にある。CIM/MIMは射出で複雑形状に適すが、粉末配合・脱脂・収縮の管理難度が上がる。
欠陥と品質管理
代表欠陥はラミネーション、内部亀裂、密度勾配、端面めくれ、寸法戻りなどである。対策として脱気・封止の徹底、粉末含水の管理、圧力ランプの最適化、バッグ摩耗のモニタが挙げられる。評価にはアルキメデス法の見かけ密度測定、超音波・X線CTによる非破壊検査、焼結後の寸法・硬度・曲げ強度評価を用いる。
プロセスモデルとスケーリング
初期段階では粒子再配列と潤滑支配、続いて塑性・破砕支配に移行する。圧密挙動はHeckel式やCooper–Eaton式で近似され、対数圧と相対密度の関係から最適圧力域を推定できる。スケールアップでは充填高さに伴う摩擦擬似効果や圧力立上りの遅延を補償するため、バッグ厚・ベント位置・圧力プロファイルを再設計する。
プロセス統合と後工程
冷間等方圧で得たグリーン体は、トリミングや軽切削後に脱脂・焼結へ移行する。長孔や中空体はマンドレルを併用して同心度を管理し、焼結時の座屈を防ぐ。必要に応じて焼結後のHIPで残存気孔を除去し、機械特性を最終水準まで引き上げるプロセス統合が一般的である。
安全・運用
高圧流体を用いるため、圧力容器の定期検査、圧力解放手順、オーバープレッシャ保護、媒体の漏洩・劣化管理を厳格に行う。運転ログの取得と圧力・温度（媒体温度）・時間のトレーサビリティ確保が品質安定化に寄与する。
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