JP2003213304A - 粉末射出成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】寸法精度が優れた、かつ製造コストが安価な粉
末射出成形方法を得ることにあり、金属粉末等をより微
細化した粉末としても、バインダーを増量することな
く、寸法精度が優れた品質良好な金属製品あるいはセラ
ミック製品を安価な製造コストで製造可能とする。 【解決手段】金属粉末またはセラミック粉末にバインダ
ーを加えて混練りして混和物とし、この混和物をペレッ
トととし、このペレットを射出成形して射出成形品を得
た後、脱バインダーし、焼結して焼結成形品を得る粉末
射出成形方法において、前記射出成形時にバインダーを
発泡させて射出成形品内に気泡を形成せしめる。この発
泡には、プロパン等の揮発性液化ガスからなる発泡剤を
用い、この発泡剤をペレットに加圧含浸するか、あるい
は二酸化炭素等の不活性ガスからなる発泡剤を用い、こ
れをガス状態又は超臨界ガス状態で射出成形時に、射出
成型機内に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属粉末またはセ
ラミック粉末とバインダ−との混和物を射出成形した
後、これを焼結して、所望する形状の金属製品またはセ
ラミック製品を得る粉末射出成形方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、金属製品あるいはセラミック
製品を得る一方法として、粉末射出成型法と称する方法
が知られている。この方法は、例えば所定の金属粉末あ
るいはセラミック粉末と、樹脂又はワックス等のバイン
ダーとを混練機で混合して混和物とした後、これを造粒
機にかけてペレットとし、次いでこのペレットを所望す
る形状の成形型を配した射出成型機に導入して所望形状
の成形品を得る。

【０００３】次いで、この成形品を加熱炉において加熱
してバインダーを除去したのち、さらに加熱、焼結して
焼結成形品を得た後、適宜仕上後処理加工を施して、所
望する形状の金属製品あるいはセラミック製品を製造す
るものである。

【０００４】ところで、この粉末射出成形方法における
金属粉末等に混合するバインダーの量は、混和物全体に
対して約３０〜７０容量％とされている。そのため、焼
結成形品の体積は、焼結前の成形品に比べて、大きく減
少する。そこで、金属製品等の寸法精度や焼結性を高め
るために粒径の小さい金属粉末等を用いることが考えら
れるが、金属粉末等の粒径を小さくすると、図３に示す
ごとく金属粉末等の表面積が大きくなるために、バイン
ダーの量が多く必要となる。

【０００５】すなわち、図３（Ａ）に図示するように、
本来半径ｒの金属粉末ｎ個で、全容量Ｗを占める金属粉
末１を、図３（Ｂ）のように該粉末の半径を１／ｚの小
径にすると、同容量Ｗの粉末の全表面積は、本来の半径
ｒの金属粉末の表面積のｚ倍となる。そこで、金属粉末
１の粒径を小さくすると、これらを結合せしめるための
バインダー２が多く必要となり、バインダー２の量が少
ないと射出成型機での成形の際、金属粉末１が滑らかに
流れなくなって、所望する形状を首尾良く出すことが出
来なかったり、ショートショットになったり、クラック
が発生したりする不都合が起きることとなっていた。

【０００６】一方、成形時に使用されるバインダー２の
量が増えると、その増加量はそのまま製造コストに影響
することとなり、その上、加熱炉での脱バインダー工程
時にバインダーの分解物が増加し、その処理装置や回収
装置をより大型化する必要が生じることとなる、問題が
あった。

【０００７】さらに、バインダー量が増加すると、バイ
ンダーの主成分が樹脂であるので、射出成型機での成形
の際、特に厚みがあるものにあっては、樹脂成分の成形
収縮によって「ヒケ」が発生する。これは、成形物の厚
みが増せば増すほど大きくなり、変形が大きくなった
り、平面度を適切に確立することが出来ないという問題
が発生することとなっていた。このような不都合は、酸
化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコ
ニウムなどのセラミック粉末を原料とする粉末射出成形
方法においても同様であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、寸法
精度が優れた、かつ製造コストが安価な粉末射出成形方
法を得ることにあり、そのために金属粉末等を、より微
細化した粉末としても、バインダーを増量せしめること
なく、寸法精度が優れた品質良好な金属製品あるいはセ
ラミック製品を安価な製造コストで製造可能とする粉末
射出成形方法を提供することを本発明の解決すべき課題
とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、金属粉末またはセラミッ
ク粉末とバインダーとの混和物を射出成形し、ついでこ
れを焼結して成形品を得る粉末射出成形方法において、
前記射出成形時に前記混和物を発泡させることを特徴と
する粉末射出成形方法である。請求項２にかかる発明
は、発泡がプロパン、ブタン、ヘキサン等の揮発性液化
ガスからなる発泡剤を用いるものであって、この発泡剤
を混和物に加圧含浸することを特徴とする請求項１に記
載の粉末射出成形方法である。

【００１０】請求項３にかかる発明は、発泡が窒素、二
酸化炭素等の不活性ガスからなる発泡剤を用いるもので
あって、これをガス状態又は超臨界ガス状態で射出成形
時に、射出成型機内に供給することを特徴とする請求項
１または２に記載の粉末射出成形方法である。請求項４
にかかる発明は、射出成形後の成形品における気泡の占
有率が成形品の体積の１／２以下であることを特徴とす
る請求項１、２または３に記載の粉末射出成形方法であ
る。請求項５にかかる発明は、発泡時の気泡の平均直径
が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１、２、
３または４に記載の粉末射出成形方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の粉末射出成形方法
の実施の形態について、金属粉末を用いた例により詳し
く説明する。本発明の粉末射出成形方法の第一の例は、
まず所定の金属粉末と樹脂又はワックス等のバインダー
とを混練機に導入してこれらを混練して混和物とする
（混練工程）。次いで、この混和物を造粒機にかけてペ
レットとする（ペレット化工程）。

【００１２】その後、このペレット化工程で得られたペ
レットに発泡剤を含浸せしめる（発泡剤含浸工程）。こ
の発泡剤含浸工程で使用する発泡剤としてはプロパン、
ブタン、ヘキサン等の低沸点の炭化水素等の揮発性液化
ガスが使用され、例えばオートクレープに前記ペレット
を収容して前記発泡剤を加圧液化状態にして導入して、
ペレットに液状の発泡剤をバインダー重量に対して５〜
２０ｗｔ％含浸せしめる。この含浸時の揮発性液化ガス
の圧力は、５〜２０ＭＰａとされ、温度は１０〜４０℃
とされる。

【００１３】次いで、この発泡剤を含浸せしめたペレッ
トを、所望形状の成形型を配した射出成型機内に導入し
て所望する形状の成形品を得る（射出成形工程）。この
射出成形工程では、金属粉末のバインダーによる所望形
状の形状保持と共に、前記含浸工程で含浸せしめられた
発泡剤が射出成型時の熱でペレット内で気化膨張して、
図１に図示する射出成形品の構造モデル図のようにバイ
ンダー２を壁とした気泡３が生じる。

【００１４】この結果、金属粉末間の結合のために必要
な実質的なバインダーの量が少なくて済む。しかも、発
泡しながら成形せしめるので、バインダーの量が少なく
ても、金属粉末とバインダーの混和物は、流れが良好に
保たれて射出され、成形型への充填は不足することなく
充分満足し得る状態で行うことが出来る。

【００１５】次いで気泡を有する成形品を加熱炉に収容
して、加熱してバインダーを除去するとともに脱気泡す
る（脱バインダー工程）。その後、さらに水素等の非酸
化性雰囲気中で加熱し、金属粉末を焼結せしめて焼結成
形品を得る（焼結工程）。そして、該焼結成形品を、適
宜必要に応じて仕上後加工を施して、所望する形状の金
属製品を製造する。

【００１６】そして、上記射出成形工程での発泡による
気泡３の形成に当たって、気泡３の平均径を５０μｍ以
下、好ましくは３０μｍ以下にすることが好ましく、こ
の気泡３が５０μｍを越えると、焼結工程での焼結後の
金属粉末同士の結合が弱くなり、強度が低下する不都合
が生ずる。又、射出成形工程で形成せしめる気泡３の成
形品の全体積中に占める割合として、成形品の全体積の
１／２以下、好ましくは 〜 にすることが好まし
く、１／２を越えると、焼結の際、焼結成形品の密度が
上がらず脆弱となる。

【００１７】次に、本発明の粉末射出成形方法の第２の
例を説明する。この第２の例の粉末射出成形方法におけ
る特徴は、上記第１の例での粉末射出成形方法が、発泡
剤の添加を、ペレットへの揮発性液化ガスの含浸によっ
て行っていたのに対して、この第２の例では、この含浸
工程を省略して、発泡剤をペレット化工程で得られたペ
レットを射出成形する射出成型機のシリンダー内に直接
供給して成形すると同時にバインダーに気泡を形成せし
める点にある。

【００１８】この時の発泡剤としては、窒素や二酸化炭
素の不活性ガスを用い、これを高圧状態あるいは超臨界
状態でシリンダー内に圧入、供給する。この不活性ガス
の圧入時の圧力は、成型機の内部圧力よりも１〜５ＭＰ
ａ高い値、温度は成型機中の材料温度とほぼ同じ温度と
され、シリンダー内への圧入量はバインダー重量に対し
て６〜８ｗｔ％とされる。具体的な圧入は、不活性ガス
の加圧供給装置からの導管を直接射出成型機のシリンダ
ーの中間部に連結し、これを経由してシリンダー内に送
り込むことで行われる。

【００１９】これにより、射出成型機より導出される射
出成形品中に、図１に図示するような気泡３が形成さ
れ、気泡３を有する射出成形品が得られる。しかも、こ
の実施の形態で形成される気泡３は、その径がきわめて
小さく均一な状態で形成されて、後工程の焼結工程を経
て得られる成形金属製品として密度の高い上品質の製品
を得ることが出来る。

【００２０】この第２の実施の形態においても、上記第
１の例と同様に、射出成形工程での発泡による気泡３の
形成に当たって、気泡３の平均径を５０μｍ以下、好ま
しくは３０μｍ以下にすることが好ましく、この気泡３
が５０μｍを越える、焼結工程での焼結後の金属粉末同
士の結合が弱くなり、強度が低下する不都合が生ずる。
又、射出成形工程で形成せしめる気泡３の成形品の全体
積中に占める割合として、成形品の全体積の１／２以
下、好ましくは 〜 にすることが好ましく、１／
２を越えると、焼結の際、焼結成形品の密度が上がらず
脆弱となる。

【００２１】本発明の粉末射出成形方法は上記した実施
の形態で実施されるが、金属粉末としては、鉄、チタ
ン、ニッケル、ステンレス、コバール等のあらゆる金属
材料単独又は複数種混合して用いられ、更にジルコニ
ア、アルミナ、シリカ、チタニア等のセラミック材料の
成形にも適用し得る。又、バインダーとして使用できる
樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレ
フィン系、アクリル系、スチレン系、アセタール系樹脂
等の一般的な粉末射出成形に用いられる熱可塑性樹脂が
挙げられる。また、バインダーとして、上記樹脂にパラ
フィンワックス等のワックスを混合して使用することも
好ましい。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例として、図２に図示するコバ
ール合金製の器物を、第１の例による射出成形方法によ
って製造し（実施例１）、また第２の例の射出成形方法
によっても製造した（実施例２）。 ＜実施例１＞実施例１の製造方法の各工程の操作仕様諸
元は以下の通りである。 ●混練化工程 ・金属粉末：コバール（ＫＯＢＡＲ）合金 Ｆｅ粉末：平均粒径２μｍ、５４ｗｔ％ Ｃｏ粉末：平均粒径２μｍ、１７ｗｔ％ Ｎｉ粉末：平均粒径２μｍ、２９ｗｔ％ ・バインダー：アクリル樹脂＋パラフィンワックス 金属粉末を６６容量％に対してバインダーを３４容量％
の割合で混合混練して混和物とした。

【００２３】●ペレット化工程 上記混和物を造粒機にかけて粒径２ｍｍのペレットを得
た。 ●発泡剤含浸工程 このペレットをオートクレープ内に収容して、これに発
泡剤として加圧した液化ブタンを導入して、ペレットに
バインダー重量に対して１０ｗｔ％含浸せしめた。

【００２４】●射出成形工程 発泡剤として液化ブタンを含浸せしめたペレットを射出
成型機に導入し、温度１８０℃に加熱して、成形品中に
形成される気泡Ｖの大きを平均径３０μｍとし、かつ該
気泡３が成形品中に占める割合を２５容量％になるよう
調整して射出成形した。

【００２５】●焼結工程 平均径３０μｍの気泡３が占有容量２５容量％で形成さ
れている成形品を加熱炉に収容して、窒素雰囲気中で５
５０℃の温度に加熱してバインダーを除去し脱気泡した
後、水素雰囲気に置換し、水素雰囲気下で１４００℃の
温度に加熱処理して金属材料粉末を焼結せしめて焼結成
形品を得た。 ●仕上げ後加工工 焼結成形品表面を仕上げ修正処理加工して、図２に図示
する形状のコバール合金製製品Ｍを得た。

【００２６】以上の実施例１での射出成形方法では、使
用した平均粒径２μｍの金属粉末で焼結せしめるのに必
要とされるバインダーの量より約１／２の使用量で充分
目的製品を製造可能であることが確認し得た。又、焼結
工程での加熱炉におけるバインダーの除去に使用する有
機物吸収フィルターの寿命を２倍に延長せしめることが
出来た。その上、バインダーの量が少なくて済むことか
ら焼結成形品のヒケが小さくなり、焼結成形品の底面の
平面度を三次元測定器で測定したところ平均７μｍの低
い値であり、焼結製品の平面度が向上し、形状が安定し
た状態で得られる効果が得られた。

【００２７】＜実施例２＞実施例２の製造方法の各工程
の操作仕様諸元は以下の通りである。 ●混練化工程 ・金属粉末：コバール（ＫＯＢＡＲ）合金 Ｆｅ粉末：平均粒径２μｍ、５４ｗｔ％ Ｃｏ粉末：平均粒径２μｍ、１７ｗｔ％ Ｎｉ粉末：平均粒径２μｍ、２９ｗｔ％ ・バインダー：アクリル樹脂＋パラフィンワックス 金属粉末を６６容量％に対してバインダーを３４容量％
の割合で混合混練して混和物とした。

【００２８】●ペレット化工程 上記混和物を造粒機にかけて粒径２ｍｍのペレットを得
た。 ●射出成形工程 ペレット化工程で得られたペレットを射出成型機に導入
すると共に、発泡剤として、圧力２０ＭＰａ、温度１８
０℃の超臨界状態の炭酸ガスを射出成型機のシリンダー
内に圧入し、射出成形品中に平均径２０μｍの大きさの
気泡Ｖを形成せしめると共に、該気泡３の成形品中に占
める割合を２５容量％になるよう調整して射出成形し
た。

【００２９】●焼結工程 平均径２０μｍの気泡Ｖが占有容量２５容量％で形成さ
れている成形品を加熱炉内に収容して、窒素雰囲気中で
５５０℃の温度に加熱してバインダーを除去し脱気泡し
た後、水素雰囲気に置換し、水素雰囲気下で１４００℃
の温度に加熱処理して金属粉末を焼結せしめて焼結成形
品を得た。 ●仕上げ後加工工程 焼結成形品の表面を仕上げ修正処理加工して、図２に図
示する形状のコバール合金製製品Ｍを得た。

【００３０】以上の実施例２での射出成形方法では、実
施例１と同様に、使用した平均粒径２μｍの金属粉末を
効果的に結合せしめるのに必要とされるバインダーの量
より約１／２の使用量で充分目的製品を製造可能である
ことが確認し得た。又、焼結工程での加熱炉におけるバ
インダーの除去に使用する有機物吸収フィルターの寿命
を２倍に延長せしめることが出来た。その上、バインダ
ーの量が少なくて済むことから焼結成形品のヒケが小さ
くなり、焼結成形品の底面の平面度を三次元測定器で測
定したところ平均５μｍの低い値であり、焼結成形品の
平面度が向上し、形状が安定した状態で得られる効果が
得られた。

【００３１】

【発明の効果】本発明の粉末射出成形方法は、射出成形
工程において、発泡剤により射出成形品内に気泡を形成
せしめるようにしたので、バインダーの使用量を低減せ
しめることが出来て製造コストを安価にするが出来るば
かりでなく、バインダーの使用量が少なくても射出成型
機内や、成形金型内で混和物の流動性が良好に保たれて
密度の高い成形製品を得ることが出来る。

【００３２】また、本発明の成形方法では、射出成形工
程で、発泡剤により射出成形品内に気泡空孔を形成せし
めるようにしたので、微細な金属粉末等を使用してその
表面積が増加しても、バインダーを増量せしめることな
く成形製品を得ることが出来る。これにより微細な金属
粉末等の使用が可能になり、成形方法寸法精度が優れ
た、品質良好な成型製品を安価な製造コストで製造可能
とすることが出来る。しかもヒケの問題も解決して平面
度の高い製品を得ることが出来る効果を奏する。

【００３３】さらに、バインダーの使用量の低減によ
り、脱バインダーで発生する有機物質の処理装置や回収
装置の使用寿命を延長せしめることが出来るばかりでな
く、これら装置の装置規模をコンパクトにすることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粉末射出成形方法で得られる成形品の
構造モデル図である。

【図２】実施例で製造した焼結金属製品の斜視図であ
る。

【図３】従来の粉末射出成形方法で得られる成形品の構
造モデル図である。

【符号の説明】

１・・・金属粉末、２・・・バインダー、３・・・気
泡、Ｍ・・・製品

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属粉末またはセラミック粉末とバイン
   ダーとの混和物を射出成形し、ついでこれを焼結して成
   形品を得る粉末出成形方法において、前記射出成形時に
   前記混和物を発泡させることを特徴とする粉末射出成形
   方法。
2. 【請求項２】 発泡がプロパン、ブタン、ヘキサン等の
   揮発性液化ガスからなる発泡剤を用いるものであって、
   この発泡剤を混和物に加圧含浸することを特徴とする請
   求項１に記載の粉末射出成形方法。
3. 【請求項３】 発泡が窒素、二酸化炭素等の不活性ガス
   からなる発泡剤を用いるものであって、これをガス状態
   又は超臨界ガス状態で射出成形時に、射出成型機内に供
   給することを特徴とする請求項１または２に記載の粉末
   射出成形方法。
4. 【請求項４】 射出成形後の成形品における気泡の占有
   率が成形品の体積の１／２以下であることを特徴とする
   請求項１、２または３に記載の粉末射出成形方法。
5. 【請求項５】 発泡時の気泡の平均直径が５０μｍ以下
   であることを特徴とする請求項１、２、３または４に記
   載の粉末射出成形方法。