JP2003073707A - 水溶性バインダーを用いた金属射出成形法 - Google Patents

水溶性バインダーを用いた金属射出成形法

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JP2003073707A
JP2003073707A JP2001259341A JP2001259341A JP2003073707A JP 2003073707 A JP2003073707 A JP 2003073707A JP 2001259341 A JP2001259341 A JP 2001259341A JP 2001259341 A JP2001259341 A JP 2001259341A JP 2003073707 A JP2003073707 A JP 2003073707A
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Homare Wakabayashi
誉 若林
Junichi Matsunaga
純一 松永
Ryuji Ninomiya
隆二 二宮
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 グリーン体の脱脂が容易であり、射出成形温
度を低温とすることができ、高圧をかける必要もなく、
エネルギー消費の少ない金属粉末射出成形法であって、
コンパウンドの軟化温度を高くし,金型での固化時間を
短縮した金属射出成形法を提供する。 【解決手段】タンパク質系物質と一価のアルカリ金属塩
を水に溶解した水溶性バインダーを用いて、これに金属
粉末またはセラミックス粉末とを混練し、この混練物を
射出成形して成形体を形成し、この射出成形体を脱バイ
ンダー処理した後、焼結する金属射出成形法である。ま
た、タンパク質系物質と一価のアルカリ金属塩を水に溶
解した水溶性バインダーに更に、多価アルコール、界面
活性剤、防腐剤を添加し、これに金属粉末またはセラミ
ックス粉末とを混練し、この混練物を射出成形して成形
体を形成し、この射出成形体を脱バインダー処理した
後、焼結する金属射出成形法である。また、 脱バイン
ダー処理を真空加熱によって行う前記記載の金属射出成
形法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属またはセラミ
ックス粉末と水溶性バインダーを混練し、この混練物を
射出成形した後、脱脂・焼結して部品を製造することに
関する。
【0002】
【従来の技術】従来、金属製品は、金属の溶融体の流し
込み、金属体の切削加工、プレス加工等の種々の方法に
よって製造されている。また、金属体粉末を用いた粉末
冶金法又は金属粉末射出成形(Metal Injection Moldin
g 、MIM)法によって金属体製品を製造することも提
案されている。
【0003】金属粉末射出成形法による製品の製造方法
は一般的には経済性及び量産性に優れていると言える。
この金属粉末射出成形法では、金属粉末とバインダー
とを混練してコンパウンドにする混練工程、このコン
パウンドを射出成形機で射出成形し、所望の立体形状を
有する成形体(グリーン体)とする射出成形工程、グ
リーン体中のバインダーのみを除去する脱脂工程、脱
脂された金属粉を焼結させる焼結工程を経て、焼結部品
を得る。
【0004】このような金属粉末射出成形法で一般的に
用いられている有機バインダーとしてはポリアセタール
や、パラフィンワックス、またポリエチレン、ポリプロ
ピレン等のポリオレフィン系ポリマー等を挙げることが
できる。
【0005】このような有機バインダー(水に不溶な熱
可塑性樹脂)を用いた従来方法では、金属またはセラミ
ックス粉末との混練に200℃程度の加熱が必要であ
る。また、このバインダーからなる混練物(コンパウン
ド)は、射出成形する際に、200℃程度で加熱しなが
ら行なう必要がある。また、1〜2日の脱脂時間が必要
であるなどの不具合がある。
【0006】また、例えば特公平7−68566号公報
には寒天と水を主成分とするバインダーの記載がある。
しかし、寒天は保水性が悪く、寒天と水とからなるコン
パウンド中の水分が抜け易い。また、寒天と水を混練す
るため90℃程度にまで加熱する必要があり、水分コン
トロールが難しい。また、射出成形する際にも90℃程
度にまで加熱する必要があるなどの不具合がある。
【0007】また、例えば特開平11−43701号公
報には、水に溶解してゾル−ゲル可逆反応を示すタンパ
ク質系物質と多価金属塩とを水に溶解したバインダーが
示されており、さらに水に溶解してゾル−ゲル可逆反応
を示すタンパク質系物質の一例としてゼラチンが示され
ている。また、多価金属塩としてアルミニウム,銅,チ
タンなどの2価以上のイオン価を持つ金属の塩化物や硫
酸塩が示されている。しかし、ゼラチンを用いた場合,
コンパウンドの軟化温度が低く,金型での固化時間がか
かる不具合がある。ゼラチンに多価金属塩を添加したコ
ンパウンドでも軟化温度の改善は見られない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、グリーン体
の脱脂が容易であり、混練温度、射出成形温度を低温と
することができ、高圧をかける必要のない金属粉末射出
成形法であって、コンパウンドの軟化温度を高くし,金
型での固化時間を短縮した金属粉末射出成形法を提供す
ることを課題としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記の課題
を達成するために種々検討を重ねた結果、本発明を完成
した。
【0010】即ち、本発明は、タンパク質系物質と一価
のアルカリ金属塩を水に溶解した水溶性バインダーを用
いて、これに金属粉末またはセラミックス粉末とを混練
し、この混練物を射出成形して成形体を形成し、この射
出成形体を脱バインダー処理した後、焼結する金属射出
成形法である。タンパク質系物質としては、ゼラチン、
にかわ、カゼイン等が好適に用いられる。タンパク質系
物質は、温水に可溶であり、その水溶液は温度変化に伴
って、可逆的なゾルゲル変態を起こすものである。
【0011】また、一価のアルカリ金属塩としてはナト
リウム、カリウム、リチウム、アンモニウムなどのクエ
ン酸塩、酒石酸塩などの弱酸・強塩基や弱電解質と呼ば
れる物質を指し、水中で電離したタンパク質系物質のカ
ルボキシル基(−COO)とイオン結合することによ
り、タンパク質系物質の架橋を助ける。また、この一価
のアルカリ金属塩はコンパウンドの軟化温度(ゲルから
液状に変化する)を室温から40℃程度に上げる役目を
担っている。室温のままではコンパウンドが成型機で固
化するのに時間がかかってしまうのでこの一価のアルカ
リ金属塩を添加する必要がある。タンパク質系物質に一
価のアルカリ金属塩を添加することにより,コンパウン
ドの軟化温度が高くなるメカニズムは不明だが,多価の
金属塩では起こらないなんらかの化学反応が起きている
と考えられる。
【0012】また本発明は、タンパク質系物質と一価の
アルカリ金属塩を水に溶解した水溶性バインダーに更
に、多価アルコール、界面活性剤、防腐剤を添加し、こ
れに金属粉末またはセラミックス粉末とを混練し、この
混練物を射出成形して成形体を形成し、この射出成形体
を脱バインダー処理した後、焼結する金属射出成形法で
ある。多価アルコールは、エチレングリコール、グリセ
リンなどを指し、タンパク質系物質のアミノ基(−NH
2)と水素結合することで、タンパク質系物質の架橋を
助けると共に、コンパウンドに流動性をさらに付加す
る。界面活性剤としてはステアリン酸、パルチミン酸、
ラウリル酸などの脂肪酸等が好適に用いられる。また、
防腐剤としては安息香酸、ソルビン酸などが好適に用い
られる。
【0013】また本発明は、脱バインダー処理を真空、
もしくは窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で行
う前記記載の金属射出成形法である。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の金属射出成形法
について具体的に説明する。本発明の金属射出成形法
は、タンパク質系物質と一価のアルカリ金属塩を水に溶
解した水溶性バインダーを用いて、これに金属粉末また
はセラミックス粉末とを混練し、この混練物を射出成形
して成形体を形成し、この射出成形体を脱バインダー処
理した後、焼結する金属射出成形法である。この方法に
よると,グリーン体の脱脂が容易であり、混練温度、射
出成形温度を低温とすることができ、高圧をかける必要
がなく、コンパウンドの軟化温度を高くし,金型での固
化時間を短縮することができる。
【0015】本発明のバインダーは、水100重量部に
対して、タンパク質系物質25〜50重量部、一価のア
ルカリ金属塩5〜30重量部、あるいはこれに多価アル
コール10〜40重量部を溶解した物であり、これに防
腐剤である安息香酸やソルビン酸、界面活性剤であるス
テアリン酸などを必要に応じて添加することができる。
【0016】一価のアルカリ金属塩が5重量部未満で
は、バインダーとして使用することが難しく、またコン
パウンドの軟化温度が上昇しない。一方、30重量部よ
り多いと除去することが難しい。また、多価アルコール
は10重量部未満では、コンパウンドの流動性が悪く、
射出成形が難しい。一方、40重量部より多いと流動性
が上がりすぎて射出成形が難しい。即ち、金型からの取
り出しが困難である。
【0017】
【実施例】以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明
を具体的に説明する。 実施例1 平均粒径(D50)5μmのSUS316Lステンレス鋼粉末と4
8容積%の水溶性バインダーとを加圧式ニーダーを用い
て70℃で混練し、80℃、40MPaで射出成形して
コンパウンドを作製した。ここで、水溶性バインダーは
水100重量%に対して、ゼラチン50重量%、クエン
酸ナトリウム20重量%を混合したものである。このコ
ンパウンドの軟化温度は40℃であった。射出成形の後
の金型からの取り出しは、金型の冷却温度が20℃の場
合,約30秒で取り出しができた。この後,真空加熱脱
脂焼結炉を用いて、このグリーン体の脱バインダー及び
焼結(1350℃)を14時間で一貫して行った。このよ
うに、低温で雰囲気を真空にすることによって、すばや
く脱脂される。これを冷却して焼結体を得た。得られた
焼結体の密度を測定したところ、95.1%であった。
これは、特開平11−43701号公報に記載の焼結部
品の相対密度97.3%にほぼ匹敵するものである。
【0018】実施例2 平均粒径(D50)5μmのSUS316Lステンレス鋼粉末と4
8容積%の水溶性バインダーとを加圧式ニーダーを用い
て70℃で混練し、80℃、40MPaで射出成形して
グリーン体を作製した。ここで、水溶性バインダーは水
100重量%に対して、ゼラチン40重量%、グリセリ
ン30重量%、クエン酸ナトリウム15重量%、安息香
酸0.1重量%を混合したものである。このコンパウン
ドの軟化温度も40℃であった。射出成形の後の金型か
らの取り出しは、金型の冷却温度が20℃の場合,約3
0秒で取り出しができた。真空加熱脱脂焼結炉を用い
て、このグリーン体の脱バインダー及び焼結(1350
℃)を14時間で一貫して行った。このように、低温で雰
囲気を真空にすることによって、すばやく脱脂される。
これを冷却して焼結体を得た。得られた焼結体の密度を
測定したところ、95.3%であった。これは、特開平
11−43701号公報に記載の焼結部品の相対密度9
7.3%にほぼ匹敵するものである。
【0019】比較例1 平均粒径(D50)5μmのSUS316Lステンレス鋼粉末と4
8容積%の水溶性バインダーとを加圧式ニーダーを用い
て70℃で混練し、80℃、40MPaで射出成形して
コンパウンドを作製した。ここで、水溶性バインダー
は、特開平11−43701号公報記載内容に基づき、
水100重量%に対して、ゼラチン50重量%、クエン
酸鉄(3価の金属塩)20重量%を混合したものであ
る。このコンパウンドの軟化温度は25℃であった。軟
化温度が低いため,射出成形の後の金型からの取り出し
は、金型の冷却温度が20℃の場合,約90秒かかっ
た。
【0020】比較例2 平均粒径(D50)5μmのSUS316Lステンレス鋼粉末と4
8容積%の水溶性バインダーとを加圧式ニーダーを用い
て70℃で混練し、80℃、40MPaで射出成形して
コンパウンドを作製した。ここで、水溶性バインダー
は、特開平11−43701号公報記載内容に基づき、
水100重量%に対して、ゼラチン50重量%、塩化亜
鉛(2価の金属塩)20重量%を混合したものである。
このコンパウンドの軟化温度は25℃であった。軟化温
度が低いため,射出成形の後の金型からの取り出しは、
金型の冷却温度が20℃の場合,約90秒かかった。
【0021】比較例3 平均粒径(D50)5μmのSUS316Lステンレス鋼粉末と5
0容積%の有機バインダー(ポリアセタール)とを加圧
式ニーダーを用いて200℃で混練し、200℃、10
0MPaで射出成形してコンパウンドを作製した。この
後,真空加熱脱脂焼結炉を用いて、このグリーン体の脱
バインダー及び焼結(1350℃)を24時間で一貫し
て行った。このように、有機バインダーを用いた場合
は、実施例と同程度の焼結体密度を得ようとすると、混
練温度、射出温度、及び射出圧を高くする必要があり、
脱脂焼結時間も長時間となる。
【0022】
【発明の効果】本発明の製造方法により、グリーン体の
脱脂が容易であり、混練温度、射出成形温度を低温とす
ることができ、高圧をかける必要もなくエネルギー消費
の少ない金属粉末射出成形法を提供することができる。
また、射出圧力を大幅に低減して成形ができるために金
型の寿命が長くなる。また、コンパウンドの軟化温度が
高いため,金型での固化時間を短縮できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G052 BA02 BB03 4K018 AA33 BA17 CA07 CA29 DA03 DA11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】タンパク質系物質と一価のアルカリ金属塩
    を水に溶解した水溶性バインダーを用いて、これに金属
    粉末またはセラミックス粉末とを混練し、この混練物を
    射出成形して成形体を形成し、この射出成形体を脱バイ
    ンダー処理した後、焼結する金属射出成形法。
  2. 【請求項2】タンパク質系物質と一価のアルカリ金属塩
    を水に溶解した水溶性バインダーに更に、多価アルコー
    ル、界面活性剤、防腐剤を添加し、これに金属粉末また
    はセラミックス粉末とを混練し、この混練物を射出成形
    して成形体を形成し、この射出成形体を脱バインダー処
    理した後、焼結する金属射出成形法。
  3. 【請求項3】脱バインダー処理を真空、もしくは窒素、
    アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で行う請求項1また
    は請求項2に記載の金属射出成形法。
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