JP2005531689A - 最終輪郭に近い高多孔質金属成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】
本発明は、以下の方法段階を含む、高多孔質の金属製成形体の製造方法に関する：
−原料として使用される金属粉末をプレイスホルダーと混合する、
−この混合物からグリーンボディーをプレス成形する、
−このグリーンボディーを慣用の機械加工に付す、
−プレイスホルダー材料を空気雰囲気でまたは減圧下にまたは保護ガス雰囲気でグリーン ボディーから熱的に除去し、
−そのグリーンボディーを焼結して成形体とする。

Description

本発明は、多孔質の、特に高多孔質の構成要素を最終輪郭に近似した状態で製造できる手段による方法に関する。

多孔質金属成形体を製造するために金属粉末をプレス成形することは公知である。所望のポロシティーを得るために、この場合には、所望のポロシティーを安定化することを可能とするために、いわゆるプレイスホルダー材料（Place-holder material:ダミー材料) を金属粉末に添加してもよい。粉末混合物からグリーンボディーをプレス成形した後に、次いでプレイスホルダー材料はグリーンボデーから除かれ、その結果グリーンボデーは骨格構造内に空間を有する残留金属粉末骨格だけで構成される。従ってグリーボディーは後で成形体中に認めることのできる多孔質構造を既に有している。プレイスホルダー材料を排除する際に金属粉末骨格を保持したままとすることに注意しなければならない。このベースボディーを後で焼結することによって高多孔質成形体が生じ、その際に粉末粒子がそれら相互の接触面で焼結によって互いに拡散結合される。

多孔質金属成形体を形成するためのプレイスホルダー材料としては、蒸発または熱分解（クラッキング）および生じるクラッキング生成物の適当な溶剤による溶解によってグリーンボディーから除去される比較的に高融点の有機化合物が公知である。この場合には、粉末冶金法で使用されるあらゆる金属、例えばチタン、アルミニウム、鉄、クロム、ニッケル等と実質的に反応して高濃度の不純物を残すプレイスホルダー材料およびクラッキング材料の除去の際に著しい時間が掛かるという問題がある。グリーンボディーを加熱することによって除かれるべき熱可塑性樹脂は、ガラス転移点で膨張することでグリーンボディーの必要な安定性にマイナスの影響を及ぼす。

場合によっては、プレイスホルダー材料として高融点無機化合物、例えばアルカリ金属塩および低融点金属、例えばマグネシウム、錫、鉛等も使用される。かゝるプレイスホルダー材料は減圧状態でまたは保護ガス雰囲気で約６００〜１０００℃の温度で多大なエネルギーおよび消費時間をかけてグリーンボディーから除かれる。これらのプレイスホルダー材料の場合にはグリーンボディー中に残留する不純物を回避することができない。これらの不純物は特に反応性金属粉末、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉよりなる成形体の場合には有害である。

ドイツ特許第１９６３８９２７号明細書（Ｃ２）からは、最初に金属粉末とプレイスホルダーを混合し、次いでプレス成形してしら地を得る、高多孔質金属成形体の製造方法が公知である。この場合には一軸プレス成形および静水圧プレス成形の両方を使用することができる。プレイスホルダー（またはダミー）を熱で排除しそしてグリーンボディーを次いで焼結す。粉末−プレイスホルダー混合物をバインダーによって安定化する場合には、原則として比較的に複雑な形状の構造物も多軸プレス成形（maltiaxial pressing)によって直接的に実現することが可能である。しかしながらこの目的のためには適当なプレス用成形型を製造するのに多大な費用が掛かりかつそれが困難である。それ故に特に小さい一連の加工品のためには、最初に融通性のある形状( 例えば円筒状または板状) を有する半製品を製造しそしてこれを後続の機械加工によって所望の最終輪郭にするのが有利である。 現在の従来技術によれば最終形状は焼結後に初めて慣用の機械的方法、例えば旋削、ミーリング（フライス削り）、穿孔または研削によって高多孔質成形体をもたらしている。これらの後からこ機械加工の欠点は、既に焼結された半製品(blank) が局所的な材料変形に関係してしまうことである。可塑性変形であるために、一般に孔が汚してしまう。これによって成形体の所望の開放ポロシティーが一般に所望の表面域において正確には失われる。このことは成形体の機能的性質にマイナスの影響を及ぼす。更にこの加工品は高度なポロシティーのために、圧縮のもとで非常に安定していないので非常に注意して固定しそして機械加工しなければならない。多孔質の成形体の不均一な表面は比較的に高い工具摩擦を発生させる。

本発明の課題は特に非常に複雑な形状を有する高多孔質金属成形体を製造しそして上述の欠点、例えば表面のポロシティーへの悪影響のような欠点ない、簡単な方法を提供することである。

本発明の対象は、高多孔質金属成形体を製造する方法である。この方法は以下の方法段階を包含している：原料として使用すべき金属粉末をプレイスホルダー（またはダミー材料）と混合する。その際に金属粉末は例えばチタンおよびそれの合金、鉄およびそれの合金、ニッケルおよびそれの合金、銅、ブロンズ、モリブデン、ニオブ、タンタルおよびタングステンでもよい。

プレイスホルダーとして適する材料は、最高３００℃までの温度でグリーンボディーから残りなく除去することができる例えばカルバミドＣＨ₄ Ｎ₂ Ｏ（Ｈ₂ Ｎ−ＣＯ−ＮＨ₂ ）、ビュレットＣ₂ Ｈ₅ Ｎ₃ Ｏ₂ 、メラミンＣ₃ Ｈ₆ Ｎ₆ 、メラミン樹脂、炭酸アンモニウム、（ＮＨ₄ ）ＣＯ₃ Ｈ₂ Ｏおよび重炭酸アンモニウムＮＨ₄ ＨＣＯ₃ である。プレイスホルダーとしては既に約６５℃で空気中に排除することができる重炭酸アンモニウムが特に有利である。プレイスホルダー材料の粒子サイズ、即ち粒度および粒子形状は成形体中に形成するべきポロシティーを決める。プレイスホルダー材料の一般的な粒度は５０μｍ〜２ｍｍである。プレイスホルダーの適切な選択並びに金属粉末に対するプレイスホルダーの量の適切な選択によって高度で均一な開放ポロシティーを最終成形体中に生じさせることができる。

混合物からグリーンボディー、特に簡単な形態のグリーンボディーをプレス成形する。このグリーンボディーは例えば円筒状または板状でもよい。プレス成形法としては多軸プレス成形および冷間静水圧プレス成形を使用することができる。多軸プレス成形は決められた外部輪郭を有する寸法安定性の半製品（すなわちブランク）をもたらす。離型の際の壁摩擦が、可塑的に変形された金属粉末粒子から形成されるいわゆるプレス・スキン（press skin) の生成をひき起こす。このプレス・スキンは、更にグリーン加工を必要としない程度に、焼結処理前に機械加工によって除去することができる。壁摩擦は長さと直径の比を２：１に制限する。この値の上ではプレス成形ボディーにおいて大き過ぎる密度差を生じさせる。冷間静水圧プレス成形は例えばゴム型中で実施される。圧力伝達媒体としては、粉末が充填されたゴム型が沈められている油含有エマルジョンが使用できる。離型の際の壁摩擦がこれによって排除されるので、2:1 より大きい長さと直径との比を有する半製品も十分に均一な密度分布で製造することを可能とする。外部輪郭の寸法安定性が幾分か制限されるという欠点があるが、しかし後続のグリーン加工にほとんど影響を及ぼさない。

次いでグリーンボディーは、被加工物にそれの最終形状をもたらす慣用の機械加工に付される。その際に焼結工程の間の収縮が考慮される。プレイスホルダーが未だ存在するグリーン状態で行なう機械加工は、被加工物が非常に簡単に加工できそして多孔質が悪影響を受けないという長所を有している。その時の工具磨耗は一般に低く抑えられる。非常に複雑な賦形さえもこの方法でもたらすことができる。未だ存在するプレイスホルダーは、後続の機械加工のために固定することができるために、加工すべき被加工物を圧力に対して十分に安定にする。

最終形状を生成する場合には、プレイスホルダー材料を空気中でまたは減圧下にまたは保護ガス雰囲気でグリーボディーから熱で除去する。使用される雰囲気は選択されるプレイスホルダー材料（すなわちダミー材料）に左右される。例えば雰囲気としての空気は６５℃以上の温度でプレイスホルダーとしての重炭酸アンモニウムを除くのに十分である。次いでグリーンボディーを焼結して成形体とする。

焼結前の機械加工は、製造するべき成形体の複雑な形態をも、多孔質に悪影響を及ぼすことなく且つ多大な工具磨耗もなしに、簡単にかつ最終輪郭に近似した状態で製造することを有利にも可能とする。

この方法は均一な多孔質の成形体を製造することに制限されることなく、異なったポロシティー、例えば傾斜ポロシティーを有する成形体を製造することも可能とする。

粗大原料粉末を用いる場合には、一般に一種類の粒子は、焼結ブリッジが不完全でしかないので、焼結網状化物への結合が弱い。この場合には負荷が小さくても一般に崩壊し得る。しかしながらある種の用途にとっては許容することができない。この不利な効果を避けるためには、粗大原料粉末よりなる高多孔質加工品は本来の使用の前に有利には研磨または研磨平滑化する。この方法では弱く付着し合った粒子は表面から研磨段階によって一般に除かれる。

有利な実施の態様：
以下において本発明の対象を図面および実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１：多軸プレス成形によっておよび冷間水圧プレス成形によって製造される半製品の可 能な実施態様を示している。
図２：ステンレス鋼１．４４０４（３１６Ｌ）から本発明の方法に従って製造された色々 な金属製形状物を示している。
図３：プレイスホルダー材料（すなわちダミー材料）によって製造されたマクロポロシテ ィー、および焼結段階で生じたミクロポロシテーを示している。

本発明の方法の代表的な方法段階を以下に示す：
１．最初に半製品をドイツ特許出願公開第１９６３８９２７号明細書に記載の通り製造す る。この目的のために金属粉末、特にステンレス鋼１．４４０４（３１６Ｌ）またはチ タンのそれをプレイスホルダー、特に重炭酸アンモニウムと混合しそして一軸プレス成 形または冷間静圧プレス成形する。プレス被加工品次第で後続加工のために半製品、例 えば円筒状物または板状物を適当な金型内で製造する。図１は多軸プレス成形または冷 間静圧プレス成形によって製造された半製品の可能な実施形態を示している。
２．未焼結の半製品のグリーン加工は慣用の機械加工（鋸引き、穿孔、旋盤加工、ミーリ ング、研磨加工・・・）によって行なう。プレイスホルダーは有利には半製品のグリー ン強度を増強し、それ故に加工性に有利に作用する。機械加工の他の長所は切削力が低 くてもよく、それ故に工具磨耗が少ないことである。孔の塗り潰しも避けられる。
３．プレイスホルダーまたはダミーの除去および焼結は通例の通り、セラミックの平らな 焼結面上でまたはセラミック製ボールの床において実施できる。プレイスホルダー（ダ ミー物質）を除去するためのパラメータはドイツ特許第１９６３８９２７号明細書（Ｃ ２）に記載されるものである。

ドイツ特許第１９６３８９２７号明細書（Ｃ２）の補充として、プレイスホルダーの炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウムの除去を空気雰囲気で行なうことができることを指摘しておく。ボール床での焼結は、加工品との接触面が限定され、その結果加工品とセラミック製ボールとの接着が回避されるという長所を有している。更にボール床はボールの向き変更によって焼結収縮を容易に相殺し、その結果焼結表面との均一な接触が全焼結工程の間保証される。このことが焼結の間に生ずる加工品の歪みを回避させる。オプションとして表面品質を向上させるために成形体は研磨してもよい。

図２は、本発明に従っておよび以下に記載する方法段階でステンレス１．４４０４（３１６Ｌ）から製造される種々の金属形態を図示している。原料として水噴霧加工粉末（water-atomized powder)（粒度＜５０μｍ）を使用する。この鋼粉末をプレイスホルダーまたはダミー物質の重炭酸アンモニウム（粒子フラクション３５５〜５００μｍ）と一緒に４５：５５（容量％）の鋼粉末と重炭酸アンモニウムとの比で混合する。これは８０．５：１９．５（重量％）の鋼粉末と重炭酸アンモニウムとの比に相当する。この混合物を４２５ＭＰａの圧縮圧で多軸プレス加工して３０ｍｍの直径および２２ｍｍの長さを有する円筒状物とする。この円筒状物を旋盤および穿孔によりグリーンボディーの状態で機械加工する。穿孔の他に、この円筒状物は直角のおよび円形にされたショルダーをモデル形状物中に配備している。プレイスホルダーの重炭酸アンモニウムの除去は１０５℃の温度で空気雰囲気で行なう。プレイスホルダーまたはダミーの崩壊が既に６５℃で生じるが、分解生成物の水を気体状態で追い出すために、更に高い温度を選択する。焼結はアルゴン雰囲気で２時間にわたって１１２０℃で実施する。金属製成形体は約４％の収縮を示す。製造された加工品の最終ポロシティーは約６０％である。これはプレイスホルダー材料によって導入されるマクロポロシティーと焼結段階の間に生じるミクロポロシティーの両方で構成されている。ミクロポロシティーは金属粒子の不完全焼結に由来している。ミクロポロシティーを減少させるためには、更に細かい原料粉末を用いるかまたは更に高い温度で焼結することによって得ることができる。

図１は多軸プレス成形によっておよび冷間水圧プレス成形によって製造される半製品の実施例を示している。 図２はステンレス１．４４０４（３１６Ｌ）から本発明の方法に従って製造された色々な金属製形状物を示している。 図３はプレイスホルダー材料またはダミー材料によって製造されたマクロポロシティー、および焼結段階で生じたマクロポロシテーを示している。

Claims (7)

1. 以下の方法段階を含む、高多孔質の金属製成形体の製造方法：
   −原料として使用される金属粉末をプレイスホルダーと混合する、
   −この混合物からグリーンボディーをプレス成形する、
   −このグリーンボディーを慣用の機械加工に付す、
   −プレイスホルダー材料を空気雰囲気でまたは減圧下にまたは保護ガス雰囲気でグリーン ボディーから熱的に除去し、
   −そのグリーンボディーを焼結して成形体とする。
2. プレイスホルダーとしてカルバミド、ビュレット、メラミン、メラミン樹脂、炭酸アンモニウムまたは重炭酸アンモニウムを使用する、請求項１に記載の方法。
3. プレイスホルダーを３００℃以下、好ましくは１０５℃以下、特に好ましくは７０℃以下の温度で除く、請求項１に記載の方法。
4. ステンレス鋼１．４４０４（３１６Ｌ）またはチタンを金属原料粉末として使用する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 成形体をグリーンボディー状態で鋸引き、穿孔、旋盤、ミーリングまたは研磨によって最終輪郭状態で製造する、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 焼結をセラミック製ボールの床において実施する、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 成形体を焼結後に研磨または研磨平滑化する、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。