JP2004156099A

JP2004156099A - 金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004156099A
Application number: JP2002322807A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Terada; 洋文寺田
Original assignee: Teibow Co Ltd
Current assignee: Teibow Co Ltd
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】異なる材質の接合界面における接合強度が高く、材料特性が変化せず、外観上及び寸法精度上の問題が無く、しかも量産に適した金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品１であって、前記部品２、３のいずれか又は複数に、各部品おける収縮挙動を一致可能な収縮挙動調整材を有している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は異なる材質で形成されるコンピューター部品、通信機器部品、医療機器部品、輸送機器部品等に有用な金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品では、部品の接合面部分すなわち界面における接合強度が重要な設計要素になっており、この界面に望ましい接合強度を得るために次の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、各成形体のバインダー添加量と焼結収縮率との関係を予め求めておき、各成形体の焼結収縮率の差が０．５％以内となるように各原料粉末へのバインダー添加量を調整することで、接合強度を得ることが記載されている。
かかる製法では、材質が異なる各成形体の焼結収縮率を制御するものであるが、焼結時における収縮挙動が異なる場合、接合不十分であったり、接合しないという問題があることを知見した。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２０８４０５号公報
【０００４】
また、成形体の接合界面に炭素または硼素源を含む物質を介在させて焼結することで、接合界面に液相を生成することにより接合強度を得る特許文献２記載の製法がある。
ところで、各成形体の接合面に、黒鉛粉等の炭素源となるものを擦り込むか、或いはシート状の炭素源を挟み込むか、または、炭素源の代わりに硼素源を含む粉末或いはシートを挟み込むには、いわば糊付けに等しい製法であるため、その作業が面倒で量産性に欠ける問題があり、特に粉末状の場合には塗布状態にばらつきが生じ易い。
【０００５】
【特許文献２】
特開平５−３２０７１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする課題は、異なる材質の接合界面における接合強度が高く、材料特性が変化せず、外観上及び寸法精度上の問題が無く、しかも量産に適した金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を達成するため、複合機能を有する焼結製品では、異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品であって、前記部品のいずれか又は複数に、各部品における収縮挙動を接合面部分に相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材を有し、前記収縮挙動調整材が黒鉛、シリコン、ボロンから選ばれた１種又は２種以上であると共に、この収縮挙動調整材の添加量が０．２〜１．５ｗｔ％であることを特徴とする。
また、複合機能を有する焼結製品では、異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品であって、前記部品のいずれか又は複数に、各部品における収縮挙動を接合面部分に相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材を有し、前記収縮挙動調整材が部品中のバインダーに含まれる脱脂後の残留炭素であると共に、この収縮挙動調整材の含有量が０．５〜２．０ｗｔ％であることを特徴とする。
そして、かかる複合機能を有する焼結製品の製造方法では、異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法であって、前記いずれか又は複数の部品の原料粉末に、各部品における収縮挙動を接合面部分の相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材としての黒鉛、シリコン、ボロンから選ばれた１種又は２種以上を０．２〜１．５ｗｔ％まで添加して、混練して混練物を得、それぞれの混練物を射出成形または押出成形して成形体を得、次いで、この成形体を組み合わせて複合成形体とした後に脱脂、焼結することを特徴とする。
また、複合機能を有する焼結製品の製造方法では、異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法であって、前記各部品の原料粉末に、有機高分子或いは油脂類からなるバインダーを加えて混練して混練物を得、それぞれの混練物を射出成形または押出成形して成形体を得、次いで、この成形体を組み合わせた複合成形体を脱脂工程で、成形体中のバインダーに含まれる脱脂後の残留炭素が、各成形体における収縮挙動を接合面部分の相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材として０．５〜２．０ｗｔ％残留するように脱脂し、然る後に焼結することを特徴とする。
【０００８】
本発明における金属粉末としては、鉄或いは鉄系合金等であり、鉄系合金には、低合金鋼、炭素鋼、高合金鋼、高速度工具鋼、チタン等が挙げられ、また、非磁性を有するＳＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３０４Ｌ等のオーステナイト系、強磁性を有するＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４１０，ＳＵＳ４２０Ｊ２等のフェライト系、耐摩耗性を有するＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系、耐摩耗性を有するＳＵＳ６３０等の析出硬化型系等の各種ステンレス鋼が含まれる。収縮挙動調整材としては、黒鉛、シリコン、ボロン等である。バインダーとしては、ポリプロピレンやポリエチレン等の各種高分子化合物、ワックス等の各種油脂類が挙げられる。
そして、収縮挙動調整材の添加量が０．２ｗｔ％に満たない場合には、収縮挙動の一致が得られず、接合面部分の相互拡散は見られず、接合強度は不十分なものになる。また、この収縮挙動調整材の添加量が１．５ｗｔ％を超える場合には、材料特性が変化してしまい、目的の異なる材質による複合機能を持つ焼結製品は求められない。
同様に、バインダーに含まれる脱脂後の残留炭素からなる収縮挙動調整材の含有量が０．５ｗｔ％に満たない場合には、収縮挙動の一致が得られず、接合面部分の相互拡散は見られず、接合強度は不十分なものになる。また、この収縮挙動調整材の含有量が２．０ｗｔ％を超える場合には、製品の一部に熔けが発生してしまい外観上及び寸法精度上の面で実用に不適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１および図２には本発明の金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品における実施の１形態を例示しており、焼結製品１は、非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製軸部２と、収縮挙動調整材としての黒鉛０．２〜１．５ｗｔ％を有している強磁性のフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）製フランジ部３で形成されている。
そして、軸部２は先端がフランジ部３の孔４に収まった状態に接合固定されており、この接合面部分５の界面は、焼結時における軸部２の金属粉末と、黒鉛粉末を含むフランジ部３の金属粉末との収縮挙動が一致していることで（図３参照）、軸部２とフランジ部３の金属双方の相互拡散による強固な接合関係状態に一体化している（図４参照）。また、フランジ部３は、強磁性という材料特性に変化がなく、強磁性を維持している。
この接合関係は、軸部２のＳＵＳ３１６Ｌが同系の非磁性を有するＳＵＳ３０４で、フランジ部３のＳＵＳ４３０が同系の強磁性を有するＳＵＳ４１０Ｌである場合においても変わらず、軸部２とフランジ部３の金属双方の相互拡散による強固な接合関係状態に一体化している（図５参照）。また、フランジ部３は、強磁性という材料特性に変化がなく、強磁性を維持している。
【００１０】
次に、本発明の金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法における実施の１形態を前記した図１の態様のもので説明する。
（実施例１）
軸部２用として、平均粒径１０μｍのＳＵＳ３１６Ｌ水アトマイズ合金粉末と、ポリプロピレン：４０ｗｔ％，パラフィンワックス：５０ｗｔ％，カルナバワックス：１０ｗｔ％，ステアリン酸：２ｗｔ％から成るバインダーを、原料粉末／バインダー＝９２／８（重量比）の混合比で各々秤量し、加圧ニーダーを用いて１時間混練し、冷却した後粉砕して、第１の原料混練物を得た。
フランジ部３用として、平均粒径１０μｍのＳＵＳ４３０Ｌ水アトマイズ合金粉末と、ポリプロピレン：４０ｗｔ％，パラフィンワックス：５０ｗｔ％，カルナバワックス：１０ｗｔ％，ステアリン酸：２ｗｔ％から成るバインダーを、原料粉末／バインダー＝９２／８（重量比）の混合比で各々秤量し、加圧ニーダーを用いて１時間混練し、冷却した後粉砕して、第２の原料混練物を得た。その際、第２の原料混練物には、平均粒径３μｍの黒鉛粉末０．２ｗｔ％を混練時に添加した。
【００１１】
次に、かかる材質が異なる第１及び第２の原料混練物を用いて、複合成形体を得る。先ず第１の原料混練物を射出成形して、軸部成形体を得た。次いで、この軸部成形体を金型内キャビティに挿入し第２の原料混練物を射出成形して、複合成形体を得た。
然る後に、この複合成形体は、塩化メチレンによる溶媒抽出脱脂を５時間処理し、室温から３００℃まで平均１０℃／時間の昇温速度により窒素雰囲気中で加熱脱脂し、更に１３５０℃×２時間、アルゴン雰囲気中で焼結し、本発明品Ａの焼結製品１を得た。
【００１２】
このようにして得られた焼結製品１の接合強度、拡散状態、外観状態、材料特性を確認したところ、本発明品Ａでは接合面部分の空隙は見られず、接合面部分付近の相互拡散が確認され、十分な接合強度が得られた。また、フランジ部３には強磁性が維持され、外観状態も良好で寸法精度が高いものであった（表１参照）。
これに対して、比較のため、前記した第１原料混練物と、黒鉛粉末が未添加である点を除いて第２原料混練物と同様に得た第３原料混練物とで同様に作製して得た比較例Ａでは、接合面部分に空隙が生じており、接合面部分付近の相互拡散も見られず、接合強度が不十分で、外観状態も悪く寸法精度が劣るものであった（表１参照）。
【００１３】
（実施例２）
軸部２用として、平均粒径１０μｍのＳＫＨ５１水アトマイズ合金粉末と、ポリプロピレン：４０ｗｔ％，パラフィンワックス：５０ｗｔ％，カルナバワックス：１０ｗｔ％，ステアリン酸：２ｗｔ％から成るバインダーを、原料粉末／バインダー＝９２．５／７．５（重量比）の混合比で各々秤量し、加圧ニーダーを用いて１時間混練し、冷却した後粉砕して、第４の原料混練物を得た。
フランジ部３用として、平均粒径１０μｍのＳＵＳ４１０Ｌ水アトマイズ合金粉末と、ポリプロピレン：４０ｗｔ％，パラフィンワックス：５０ｗｔ％，カルナバワックス：１０ｗｔ％，ステアリン酸：２ｗｔ％から成るバインダーを、原料粉末／バインダー＝９１．５／８．５（重量比）の混合比で各々秤量し、加圧ニーダーを用いて１時間混練し、冷却した後粉砕して、第５の原料混練物を得た。その際、第５の原料混練物には混練時に、平均粒径３μｍの黒鉛粉末０．５ｗｔ％を添加したものと、同じく黒鉛粉末１．５ｗｔ％を添加したものとの二種類にした。
【００１４】
次に、かかる材質が異なる第４及び第５の原料混練物（二種類）を用いて、複合成形体を得る。まず第４の原料混練物を射出成形して、軸部成形体を得た。
次いで、この軸部成形体を金型内キャビティに挿入し第５の原料混練物を射出成形して、収縮挙動調整材としての黒鉛添加量が２タイプ（０．５ｗｔ％と１．５ｗｔ％）の複合成形体を得た。
然る後、この２タイプの複合成形体は、それぞれ塩化メチレンによる溶媒抽出脱脂を５時間処理し、室温から３００℃まで平均１０℃／時間の昇温速度により窒素雰囲気中で加熱脱脂し、更に１３５０℃×２時間、アルゴン雰囲気中で焼結し、本発明品Ｂと本発明品Ｃの焼結製品１を得た。これら焼結製品は焼き入れ焼き戻し熱処理した。
【００１５】
このようにして得られた焼結製品１の接合強度、拡散状態、外観状態、材料特性を確認したところ、本発明品Ｂでは接合面部分の空隙は若干見られるものの、接合面部分付近の相互拡散が一部確認され、必要な接合強度が得られた。本発明品Ｃでは接合面部分の空隙は見られず、接合面部分付近の相互拡散が確認され、十分な接合強度が得られた。また軸部２の硬度、フランジ部３の磁気特性等についても十分な材料特性が得られた。
これに対して、比較のため、前記した第４原料混練物と、黒鉛粉末２．０ｗｔ％を添加した点を除いて第５原料混練物と同様に得た第６原料混練物とで同様に作製して得た比較例Ｂでは、接合面の空隙は見られず、接合面付近の相互拡散が確認され、十分な接合強度が得られたが、フランジ部３の磁気特性が急激に低下して実用には不十分である（表１参照）。
【００１６】
【表１】

【００１７】
（実施例３）
軸部２用として、平均粒径１０μｍのＳＵＳ３１６Ｌ水アトマイズ合金粉末と、ポリプロピレン：４０ｗｔ％，パラフィンワックス：５０ｗｔ％，カルナバワックス：１０ｗｔ％，ステアリン酸：２ｗｔ％から成るバインダーを、原料粉末／バインダー＝９２／８（重量比）の混合比で各々秤量し、加圧ニーダーを用いて１時間混練し、冷却した後粉砕して、第７の原料混練物を得た。
フランジ部３用として、平均粒径１０μｍのＳＵＳ４３０Ｌ水アトマイズ合金粉末と、ポリプロピレン：４０ｗｔ％，パラフィンワックス：５０ｗｔ％，カルナバワックス：１０ｗｔ％，ステアリン酸：２ｗｔ％から成るバインダーを、原料粉末／バインダー＝９２／８（重量比）の混合比で各々秤量し、加圧ニーダーを用いて１時間混練し、冷却した後粉砕して、第８の原料混練物を得た。
【００１８】
次に、かかる材質が異なる第７及び第８の原料混練物を用いて、複合成形体を得る。先ず第７の原料混練物を射出成形して、軸部成形体を得た。次いで、この軸部成形体を金型内キャビティに挿入し第８の原料混練物を射出成形して、複合成形体を得た。
然る後、この複合成形体は、塩化メチレンによる溶媒抽出脱脂を５時間処理し、室温から平均１０℃／時間の昇温速度により窒素雰囲気中で加熱脱脂した。この脱脂工程では、脱脂後の残留炭素量がそれぞれ０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％、２．０ｗｔ％となるように脱脂中の最高温度を２９０℃、２８０℃、２６０℃に調整した。これらは更に１３５０℃×２時間、アルゴン雰囲気中で焼結し、焼結製品１を得た。そして、残留炭素量が０．５ｗｔ％のＳＵＳ３１６Ｌ／ＳＵＳ４３０Ｌ複合成形体を本発明品Ｄとし、残留炭素量が１．０ｗｔ％のＳＵＳ３１６Ｌ／ＳＵＳ４３０Ｌ複合成形体を本発明品Ｅとし、残留炭素量が２．０ｗｔ％のＳＵＳ３１６Ｌ／ＳＵＳ４３０Ｌ複合成形体を本発明品Ｆとした。
【００１９】
このようにして得られた焼結製品１の接合強度、拡散状態、外観状態、材料特性を確認したところ、本発明品Ｄでは接合面部分の空隙は若干見られるものの、接合面部分付近の相互拡散が一部確認され、必要な接合強度が得られた。本発明品ＥおよびＦでは接合面部分の空隙は見られず、接合面部分付近の相互拡散が確認され、十分な接合強度が得られた。また軸部２とフランジ部３の磁気特性等についても十分な材料特性が得られた（表２参照）。
これに対して、比較のため、脱脂後の残留炭素量が０．１ｗｔ％のＳＵＳ３１６Ｌ／ＳＵＳ４３０Ｌ複合成形体からなる比較例Ｃでは、接合面部分に空隙が生じており、接合面部分付近の相互拡散も見られず、接合強度が不十分で、外観状態も悪く寸法精度が劣るものであった。また、脱脂後の残留炭素量が３．０ｗｔ％のＳＵＳ３１６Ｌ／ＳＵＳ４３０Ｌ複合成形体からなる比較例Ｄでは、接合面部分の空隙は見られず、接合面付近の相互拡散が確認され、十分な接合強度を得られたが、一部熔けが発生して外観上及び寸法精度上好ましくない（表２参照）。
【００２０】
【表２】

【００２１】
【発明の効果】
Ａ．請求項１により、収縮挙動調整材を添加して且つその添加量をコントロールされていることで、異なる材質の接合界面における接合強度が高く、材料特性が変化せず、外観上及び寸法精度上の問題が無く、しかも量産に適している焼結製品である。
Ｂ．請求項２により、収縮挙動調整材としての残留炭素量をコントロールされていることで、異なる材質の接合界面における接合強度が高く、材料特性が変化せず、外観上及び寸法精度上の問題が無く、しかも量産に適している焼結製品である。
Ｃ．請求項３により、収縮挙動調整材を添加して且つその添加量をコントロールすることで、異なる材質の接合界面における接合強度が高く、材料特性が変化せず、外観上及び寸法精度上の問題が無い焼結製品を量産することができる。
Ｄ．請求項４により、収縮挙動調整材としての残留炭素量をコントロールすることで、異なる材質の接合界面における接合強度が高く、材料特性が変化せず、外観上及び寸法精度上の問題が無い焼結製品を量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品における実施の１形態を例示している縦断面図。
【図２】図１の（２）−（２）横断面図。
【図３】収縮挙動を示すグラフ。
【図４】エッチング前とエッチング後の顕微鏡写真。
【図５】本発明の金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品における実施の他の１形態を例示しているエッチング前とエッチング後の顕微鏡写真。
【符号の説明】
１焼結製品
２軸部（部品）
３フランジ部（部品）
４孔
５接合面部分

Claims

異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品であって、前記部品のいずれか又は複数に、各部品における収縮挙動を接合面部分に相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材を有し、前記収縮挙動調整材が黒鉛、シリコン、ボロンから選ばれた１種又は２種以上であると共に、この収縮挙動調整材の添加量が０．２〜１．５ｗｔ％であることを特徴とする金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品。
異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品であって、前記部品のいずれか又は複数に、各部品における収縮挙動を接合面部分に相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材を有し、前記収縮挙動調整材が部品中のバインダーに含まれる脱脂後の残留炭素であると共に、この収縮挙動調整材の含有量が０．５〜２．０ｗｔ％であることを特徴とする金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品。
異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法であって、前記いずれか又は複数の部品の原料粉末に、各部品における収縮挙動を接合面部分の相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材としての黒鉛、シリコン、ボロンから選ばれた１種又は２種以上を０．２〜１．５ｗｔ％まで添加して、混練して混練物を得、それぞれの混練物を射出成形または押出成形して成形体を得、次いで、この成形体を組み合わせて複合成形体とした後に脱脂、焼結することを特徴とする金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法。
異なる材質の部品からなる金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法であって、前記各部品の原料粉末に、有機高分子或いは油脂類からなるバインダーを加えて混練して混練物を得、それぞれの混練物を射出成形または押出成形して成形体を得、次いで、この成形体を組み合わせた複合成形体を脱脂工程で、成形体中のバインダーに含まれる脱脂後の残留炭素が、各成形体における収縮挙動を接合面部分の相互拡散による接合関係が得られる程度に一致させることが可能な収縮挙動調整材として０．５〜２．０ｗｔ％残留するように脱脂し、然る後に焼結することを特徴とする金属粉末射出成形による複合機能を有する焼結製品の製造方法。