CN1287897A - 金属烧结体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够容易地进行切削加工、材料选择范围宽、能够得到具有高烧结密度的金属烧结体的金属烧结体的制造方法。在本发明的金属烧结体的制造方法中,例如,经过使用粉浆浇注法制造包含金属粉末的成形体的工序(1)、对该成形体进行切削加工的工序(2)、以及烧结已加工的成形体得到烧结体的工序(3)而制成成形体。

Description

金属烧结体的制造方法
本发明是关于金属烧结体的制造方法。
迄今为止，金属制的纪念标牌采用烧结热硬性的铸造砂而制作砂型的壳型铸模法，或使用蜡模型(蜡型)的失蜡造型法等的铸造法进行铸造。
然而，这些制造方法，容易产生裂纹或孔隙等铸造缺陷，因而和空气的接触面积变大，容易氧化，也容易生锈。另外，在铸造法的情况下，必须照顾铸型的脱膜性，尤其，为了确保良好的脱膜性，需要拔出锥度或在角部带有大曲率半径的R，因此受形状的制约。另外，还有不能将文字或花纹微细地制作成明确的形状的缺点，存在在数年后刻在标牌上的文字或花纹已发生变化的问题。
另外，铸造后的纪念标牌的铸件表面粗糙，利用喷砂处理等机械加工的最终加工成为必要。
进而，上述两种铸造方法，在是高熔点的金属材料、后处理困难的硬质材料、难以金属化的材料等时，是不可能制造或者制造是困难的，需要通常以上的时间和劳力。因此，在要制造的金属制品中受到材料上的制约。
本发明的目的在于，提供能够容易进行切削加工、材料选择的幅度广、能够得到具有高的烧结密度的金属烧结体的金属烧结体制造方法。
为了达到上述的目的，本发明的金属烧结体的制造方法具有：
制备含有至少一种金属粉末的流动性混合物的步骤；
使用上述流动性混合物，利用粉浆浇注法形成成形体的步骤；
对上述成形体进行切削加工的步骤；以及
将己进行切削加工的上述成形体进行烧结，由此得到金属烧结体的步骤。
由此，能够制造具有高烧结密度、微细地明确制作文字或花纹等图案的金属烧结体。另外，因为使用粉浆浇注法，所以能够容易地制造比较大型的金属制品，或者即使一品制作物的金属制品也能够容易制造。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述流动性混合物包含由不同组成构成的2种以上的金属粉末。
由此，通过适当选择所用的金属粉末的种类，以往铸造困难的合金组成的材料，或以往加工困难的硬质材料，即使较高熔点的材料也能够制造，达到金属烧结体的用途、机能的扩大。另外，通过所用的金属粉末的组合，也能够制造新功能性或多种功能的金属烧结体。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述金属粉末的平均粒径是150μm以下。
由此，促进烧结时的致密化，得到更高密度的烧结体。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述最终得到的烧结体的孔隙率低于7％。
由此，达到烧结体的高密度化，并且，得到高强度、高尺寸精度、防止烧结缺陷、良好的外观性。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，在上述混合物中，上述金属粉末是混合物全体的70～97重量％。
由此，既充分地确保浇入成形模时的流动性，又能够抑制烧结成形体时的收缩率的增大。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，在上述混合物中，有机粘结剂是混合物全体的0.2～5重量％。
由此，脱水后，既充分地确保构成成形体的金属粉末彼此间的结合力，又防止浆的流动性降低，能够更有效地防止成形体的缺陷发生或空隙率的增大。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述有机粘结剂主要是以水溶性的物质构成。
由此，在粉浆浇注法中使用的多孔质、具有吸水性的铸型中，有机粘结剂与水分一起高效地被吸收。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，在混合物中包含增塑剂。
由此，能够提高混合物的流动性，在粉浆浇注时，得到更均匀的成形体。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，从成形模中取出时，成形体(=脱模时的成形体)中的含水率是8％以下。
由此，成形体不发生变形、不破碎，能够容易地从成形模中取出。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述切削加工是雕刻。
由此，在成形体表面能够将微细且明确的文字和复杂且线条分明的花纹等图案照原样地形成。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述烧结体是伴随脱脂处理的烧结。
由此，不需要另外设置脱脂处理工序，可以简化工序，提高生产效率。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述烧结体是一种精美制作物。
本发明由于可以按任意的图案对成形体进行切削加工，因此特别适合用于精美制作物的金属制品的制造。
在本发明的金属烧结体的制造方法中，优选的是，上述精美制作物是纪念标牌。
尤其，在精美制作物中，适合制造纪念标牌。
纪念标牌从其使用状态看，长时间暴露在大气中，因此要求耐蚀性、耐候性，本发明通过选择金属粉末，或者由于得到致密且无缺陷的金属烧结体，适合制造具备这样的性质的纪念标牌。
另外，在纪念标牌上形成文字时，不需要像以往的铸造法那样在铸型上雕刻反文字，可以在成形体上直接雕刻正文字，因此提高了作业性，有助于制造效率的提高，同时能够形成微细且鲜明的文字。
图1是表示本发明的金属烧结体制造方法的第1实施方式的工序图。
图2是表示在本发明的金属烧结体制造方法中使用的粉浆浇注的成形模-例的纵断面图。
以下，详细地说明本发明的金属烧结体的制造方法。
图1是表示本发明的金属烧结体制造方法的第1实施方式的工序图。图2是表示在本发明的金属烧结体制造方法中使用的粉浆浇注的成形模-例的纵断面图。
首先，说明金属烧结体的制造方法的第1实施方式。以被制造的金属烧结体作为纪念标牌加以说明。
(1)成形体的制造
在本发明中，使用包含金属粉末的流动性混合物(以下称为“浆”)和成形模，采用粉浆浇注法制造成形体。
首先，用金属粉末、有机粘结剂(分散剂)和水构成淤浆。使用混合器(搅拌机)等搅拌这些淤浆，使金属粉末均匀地分散。
构成金属粉末的金属材料(以下简单地称为“金属材料”)没有特别的限制，例如可举出Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Zn、Pt、Au、Ae、Cu、Pd、Al、W、Ti、V、Mo、Nb、Zr等中的至少一种，或者(主要)包含它们中的至少一种的合金。
在本发明中使用的金属粉末的种类可以适当选择。另外，本发明可以使用具有各种形状的成形模(下面叙述)。由于这样的原因，在本发明中，可以使用在以往的方法中难以使用的金属材料，制造纪念标牌等金属制品。例如，在本发明中，为了制造金属制品，能够使用较高硬度的材料、难加工的材料、高熔点材料、合金化困难的材料等。
纪念标牌多在室外使用。而且，在这样的场合，纪念标牌要长时间暴露在大气中。因此，作为构成纪念标牌的金属粉末的构成材料，最好使用高耐蚀性、耐候性优良的金属材料。
作为这样的金属材料的具体例子，可举出Fe系耐蚀性合金(例如不锈钢：SUS304、SUS310S、SUS316L、SUS317、SUS329J1、SUS410、SUS430、SUS440、SUS630)。另外，可举出Ti或者Ti系合金、Ni或者Ni系合金等。
另外，在本发明中，可以将组成不同的2种以上的金属粉末混合使用。通过使用这样的金属粉末，能够制造由在以往的铸造法中不能使用的合金构成的金属制品。另外，能够容易制造具有新功能或多功能的金属烧结体，其结果，能够达到金属烧结体用途的扩大。
此外，在本发明中使用的金属粉末的平均粒径没有特别的限制。但是，金属粉末的平均粒径以150μm以下为好，0.5～80μm程度更好，1～60μm最好。如果平均粒径过大，不能进行烧结时的致密化，难以得到高密度的金属烧结体。而平均粒径如果过小，金属粉末的总表面积变大，其结果，向浆中必须添加的有机粘结剂的量增加。在这样的情况下，烧结后的收缩率变大。
金属粉末的含量较好是浆全体的70～97重量％，最好是80～95重量％。在不到70重量％时，烧结成形体时的收缩率增大，尺寸精度降低。另外，超过97重量％时，有机粘结剂和水的含量相对减少，因此缺乏注入成形模时的流动性，不能或者难以制造成形体，或者成形体的组成不均匀。
金属粉末的制造方法没有特别的限制，例如可以使用水或者气体雾化法、还原法、羰基法、粉碎法进行制造的方法，以雾化法最佳。
有机粘结剂起到将金属粉末彼此粘结的粘结剂的机能。另外，在浆中，有机粘结剂起到使金属粉末均匀地分散在浆中的作用。
这样的有机粘结剂(分散剂·粘结剂)例如可举出淀粉、琼脂等有机物；以及聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、水溶性尼龙等水溶性树脂等等。可以使用这些之中的一种，或者可以混合二种以上使用。
有机粘结剂的含量是淤浆总量的0.2～5重量％为宜，最好是0.2～3重量％。在不到0.2重量％时，脱水后，构成成形体的金属粉末彼此间的结合较弱，成形体变脆。超过5重量％时，浆的流动性降低，在成形体中容易发生缺陷，同时脱脂和烧结后，金属烧结体内部的空隙率增大。
另外，还可以添加增塑剂。这样的增塑剂，例如可举出邻苯二甲酸酯(如DOP、DEP、DBP)、己二酸酯、偏苯三酸酯、癸二酸酯等，可以使用这些之中的一种或者可以混合二种使用。
另外，除上述金属粉末、有机粘结剂、增塑剂之外，根据需要，在浆中例如可以添加防止氧化剂、脱脂促进剂、表面活性剂等各种添加物。
在浆中，上述金属粉末、有机粘结剂等以外的其余部分是水。
搅拌条件随所用金属粉末的金属组成或粒径、粘结剂、添加剂的组成及其配合量等诸条件不同而异，但如果举出其一例，则可以规定为搅拌温度是5～80℃左右，搅拌时间是5～90分钟左右。
接着，在成形模中注入以上述得到的浆，采用粉浆浇注法制造所希望的形状、尺寸的成形体。
如图2所示，成形模11是由上型12和下型13构成。上型12和下型13以接合面15对合。在成形模11的内部形成对应于要制造的纪念标牌形状的型腔(成形空间)16。另外，例如在成形模11的上型12上，形成用于注入浆的注入口14。
在本实施方式中，在成形模11上形成的型腔16具有板状的形状(该板状的形状对应于要制造的纪念标牌的形状)。
具有这样的型腔的成形模11，最好是采用由石膏构成的石膏型之类多孔质材料构成。通过使用这样的材料，浆中的水分被成形模吸收，其结果，能够形成成形体。
下面，说明使用上述成形模11的成形体的制造方法。
首先，通过注入口14向成形模11注入浆，以使上述型腔16被浆充满。在浆的注入结束后，放置至浆中的水分被成形模11吸收至某种程度。接着，将成形模11分开成上型12和下型13，从型腔16中取出板状的成形体。
较好是该成形体中的含水率成为8％以下时，从成形模11中取出成形体，另外，最好是成形体中的含水率成为5％以下时取出。但是，在成形体中的含水率是8％以上时从成形模11中取出成形体时，成形体的操作变得困难，而且成形体容易发生变形、缺陷、崩溃等。另外，在这样的场合，对成形体进行后述的切削加工成为不可能，或者往往变得困难。
在本发明中，型腔16可以形成任何形状，其结果，能够得到具有所希望的形状的成形体。另外，在本发明中，在粉浆浇注中使用的成形模由石膏等构成，因此，与使用金属模的注射成形法(MIM法)相比，能够容易且廉价地制造大型的成形模。即，在本发明中进行的粉浆浇注法适合于制造比较大型的金属制品或一品制作物的金属制品。
另外，按照所述的粉浆浇注法，与金属注射成形法(MIM法)相比，能够减低成形体的脱脂(脱粘结剂)量。即，按照本发明，使用更少量的粘结剂就能够制造金属制品。
再者，在本发明中，使用成形模11制造的成形体的形状、尺寸，要注意考虑由以后的烧结而形成的成形体的收缩部分而决定。
(2)对成形体的切削加工
对按上述工序(1)得到的板状的成形体进行切削加工。该切削加工，通过在上述成形体上形成给定的图案、形状、文字等进行。
在对成形体进行这样的切削加工时，例如可以使用以带马达的切削机驱动的立铣刀或不要驱动的雕刻刀等。在本实施方式中，使用立铣刀，在成形体上明确而且正确地形成复杂且微细的文字和图案，由此制造形成文字和图案的纪念标牌。
根据需要，对进行过切削加工的成形体，也可以附加进行切除飞边、研磨等加工。
对成形体进行的切削加工的程度，考虑以后的脱脂和由烧结产生的成形体的收缩部分来决定。
烧结前的成形体，与烧结体相比，硬度低，因此不管金属粉末的组成如何，都能够容易地进行这样的机械加工。例如，即使对以往作业困难的较高熔点的材料或硬质材料也能够进行机械加工。由于这样的加工性优良，因此容易控制形状或尺寸，对具有文字或花纹等的微细且复杂的图案是有利的。
在纪念标牌的场合，在以往用铸型进行制造时，必须按反文字设计文字，但在该切削加工中，能够直接设计文字，因此能够提高作业性。
(3)成形体的烧结
将上述进行加工过的成形体在烧结炉中烧结，制造金属烧结体。此时，一边脱脂(脱粘结剂)，一边进行烧结。
通过烧结，金属粉末进行扩散，颗粒成长，成为晶粒。此时，孔隙消失，得到作为整体致密的、即高密度、低空隙率的烧结体。
烧结中的烧结温度，例如在Fe或Fe系合金的场合，较好是1000～1500℃左右，最好是1050～1450℃左右；在Ti或Ti系合金的场合，较好是950～1500℃左右，最好是1000～1450℃左右；在Ni或Ni系合金的场合，较好是950～1500℃左右，最好是1000～1450℃左右。
烧结温度在上述的范围内或者范围外可以随时问变动(上升或者下降)。
烧结时间，在如上述的烧结温度时，较好是0.5～8小时左右，最好是1～5小时左右。
烧结氛围没有特别的限制，但最好在减压下、真空下或者非氧化性氛围下完成烧结。由此，防止由金属的氧化而引起的特性劣化，同时有助于降低烧结体的空隙率。
作为优选的烧结氛围，以1托以下(最好1×10-2～1×10-6托)的减压(真空)下最好，或者最好是1～760托的氮气、氩气等惰性气体氛围，或者是1～760托的氢气氛围。
烧结氛围可以在烧结途中变化。例如，最初是在1×10-2～1×10-6托的减压下，在途中可以替换成像上述的惰性气体。
通过在以上那样的条件下进行烧结，能够减低烧结体的空隙率。该烧结体的空隙率较好是低于7％，最好是5％以下。空隙率的减低有助于烧结体的高密度化，同时，可以得到高强度、高尺寸精度、防止烧结缺陷、良好的外观性，并且，烧结的效率良好，能够以更短的烧结时间进行烧结，从而提高生产率。
另外，烧结可以分2阶段或者2阶段以上进行。例如，可以进行烧结条件不同的一次烧结和二次烧结。此时，可以将二次烧结的烧结温度规定为高于一次烧结的烧结温度。由此，提高烧结的效率，能够达到空隙率的更加减低。
通过这样的烧结，作为一品制作物得到的金属烧结体，不限于上述的纪念标牌，例如也可举出铜像、胸像、印鉴、门牌、号码牌、浮雕(美术品、工艺品)等。
另外，这样的金属烧结体的形状和尺寸，可以根据由脱脂和烧结而引起的成形体的收缩部分来决定加工。
在本发明中，以任意的目的，可以存在工序(1A)的前工序、工序(1A)～(3A)之间存在的中间工序，或者存在工序(3A)的后工序。
下面，说明本发明的烧结体的制造方法的具体实施例。
实施例1
在本实施例中，按以下所述制作纪念标牌(金属烧结体)。
作为金属粉末，采用水雾化法制造的平均粒径12μm的不锈钢(SUS316L，组成：Fe-18重量％Cr-12重量％Ni-2重量％Mo合金)粉末。
将不锈钢粉末与由聚乙烯醇和邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂)构成的有机粘结剂及水混合，在搅拌机中、在15℃×30分钟的条件下将上述混合物搅拌，得到浆。
在表1中示出实施例1中的浆的构成材料的重量％。
表1
    构成材料     (重量％)
    金属材料     不锈钢粉末     81
    有机粘结剂     聚乙烯醇(PVA)     1
    有机粘结剂(增塑剂) 邻苯二甲酸二丁酯(DBP)     0.2
    分散溶剂     水     余量
接着，在粉浆浇注的成形模中注入这种浆，在常温、常压下以给定的时间保持至成形体的水分被成形模吸收，将成形模分开成上型和下型，从成形模中取出成形体。此时的成形体的含水率是4％。成形体的尺寸是长345mm、宽345mm、厚41mm(烧结后的目标尺寸：长250mm、宽250mm、厚30mm)。
随后，对上述的成形体进行切削加工(雕刻)。雕刻工具使用雕刻用立铣刀，在板状的成形体的表面雕刻规定的文字和图案。
然后，对已加工的成形体进行伴随脱脂的烧结。得到一品制作物的金属烧结体(纪念标牌)。脱脂条件是在10托的氮气氛围中500℃×3小时，然后连续地升温，进行烧结。烧结条件是在760托(常压)的氩气氛围中1350℃×3小时。
实施例2
在本实施例中，使用2种以上的金属粉末，按以下所述制作，纪念标牌(金属烧结体)。
作为金属粉末，利用羰基法制造平均粒径3μm的镍粉末，利用电解法制造平均粒径29μm的钴粉末，以及利用羰基法制造平均粒径39μm的铁粉末(纯铁)。
将镍粉末、钴粉末、铁粉末、与由聚乙烯基吡咯烷酮和邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂)构成的有机粘结剂以及水混合，在搅拌机中、在20℃×1小时的条件下搅拌上述混合物，得到浆。
在表2中示出实施例2中的浆的构成材料的重量％。
表2
    构成材料     (重量％)
    金属材料     镍粉末     80
    金属材料     钴粉末     2
    金属材料     铁粉末     2
  有机粘结剂     聚乙烯吡咯烷酮(PVP)     2
有机粘结剂(增塑剂)     邻苯二甲酸二丁酯(DBP)     0.4
    分散溶剂     水     余量
接着，向粉浆浇注的成形模中注入这种浆，在常温、常压下以给定的时间保持至成形体的水分被成形模吸收，将成形模分开成上型和下型，从成形模中取出成形体。此时的成形体的含水率是3％。成形体的尺寸是长350mm、宽350mm、厚42mm(烧结后的目标尺寸：长250mm、宽250mm、厚30mm)。
随后，对上述的成形体进行切削加工(雕刻)。雕刻工具使用雕刻用立铣刀，在板状的成形体的表面雕刻规定的文字和图案。
然后，对已加工的成形体进行伴随脱脂的烧结。得到一品制作物的金属烧结体(纪念标牌)。脱脂条件是在1×10-2托的减压下450℃×3小时，然后，连续地升温，进行烧结。烧结条件是在10托的氢气氛围中1380℃×3小时。
品质的评价
沿多方向将实施例1、2中得到的金属烧结体切断，目视观察这些切断面。为了证实在所得到的金属烧结体上是否产生烧结缺陷而进行这种目视观察。在表3中示出该观察结果。
另外，目视观察在实施例1、2中得到的各金属烧结体，证实了在所得到的金属烧结体上形成的文字和图案的状态。在表3中示出其观察结果。
表3
实施例     烧结缺陷 形成的文字、图案的外观
实施例1(不锈钢)     良好
实施例2(镍、钴、铁)     无     良好
如表3所示，实施例1、2的各金属烧结体，都没有看到烧结缺陷，证实是良好品质的金属烧结体。另外，在实施例1、2的各金属烧结体的表面上雕刻的文字或花纹是微细且明确的，因此其结果可知，在成形体上形成的这些文字或图案，特别保持没有变形。
按照上述的本发明，能够制造具有高的烧结密度、具有所希望的微细且明确的文字或花纹的金属烧结体。密度
另外，使用粉浆浇注法，能够廉价地制造金属制品，尤其，即使比较大型的金属制品或一品制作物的金属制品也能够容易地制造。
此外，按照本发明，能够制造由以往的方法中不能使用的硬质材料或较高熔点的材料构成的纪念标牌等金属制品。其结果，按照本发明的方法，能够扩大金属烧结体的用途。
另外，通过混合使用数种金属粉末，能够制造新功能或多功能的金属烧结体。
这样的金属制品，例如用于纪念标牌、铜像、胸像、印鉴、门牌、号码牌、浮雕(美术工艺品)等的制造时，特别有效地发挥上述效果。

Claims (13)

1．金属烧结体的制造方法，其特征在于，具有：
制备包含至少一种金属粉末的流动性混合物的步骤；
使用所述流动性混合物，采用粉浆浇注法形成成形体的步骤；
对上述成形体进行切削加工的步骤；以及
将已进行切削加工的上述成形体烧结，由此得到金属烧结体的步骤。
2．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，上述流动性混合物包含由不同组成构成的2种以上的金属粉末。
3．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，上述金属粉末的平均粒径是150μm以下。
4．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，上述最终得到的烧结体的空隙率低于7％。
5．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，在上述混合物中，金属粉末含量是混合物全体的70～97重量％。
6．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，在上述混合物中，有机粘结剂含量是混合物全体的0.2～5重量％。
7．权利要求6所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，上述有机粘结剂主要由水溶性的物质构成。
8．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，在上述混合物中含有增塑剂。
9．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其特征在于，从成形模中取出时，成形体(=脱模时的成形体)中的含水率是8％以下。
10．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其中，上述切削加工是雕刻。
11．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其中，上述烧结是伴随脱脂处理的烧结。
12．权利要求1所述的金属烧结体的制造方法，其中，上述烧结体是一种精美制作物。
13．权利要求12所述的金属烧结体的制造方法，其中，上述精美制作物是纪念标牌。
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