JP2008069385A

JP2008069385A - 焼結金属部材の製造方法

Info

Publication number: JP2008069385A
Application number: JP2006247130A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Mizuno; 利行水野
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】高い空孔率を有する焼結金属部材を、アルミニウム粉末に限ることなく、用途に合わせた金属粉末で製造する。加えて、この焼結金属部材を、環境負荷を極力小さく抑えつつも低コストに量産する。
【解決手段】Ｎａｃｌ粉末２と、Ｎａｃｌ粉末２の融点以上かつ沸点未満で焼結可能な金属粉末１とを混合した混合粉末３を圧粉成形する。圧縮成形により得た圧粉成形体４を加熱して、Ｎａｃｌ粉末２を液化除去すると共に、金属粉末１の焼結とを行うことで多孔質の焼結金属部材を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼結金属部材の製造方法に関する。

この種の焼結金属部材は、高い成形自由度を有しかつ安価に製造可能であることから、例えば軸受スリーブなど、種々の機械用部品として実用化されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、焼結金属に特有の多孔質構造を利用して、例えばフィルタを焼結金属で形成したものが提案され、実用化に向けた検討がされている（例えば、特許文献２を参照）。

ところで、この種の焼結金属部材を焼結形成する場合、特に焼結金属部材をフィルタに適用する場合には、焼結金属部材全体に対して内部空孔の占める割合（空孔率ともいう。以下同じ。）を所要の値まで高める必要があるが、現実にそれを実行するのは容易ではない。

すなわち、なるべく内部空孔を多く残して焼結しようとする場合、例えば原料となる金属粉末を完成品の形状に合わせた金型に充填し、これを加圧せずに焼結する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、充填粉末を金型ごと焼結炉に入れて焼結する必要があるため、一度の製造プロセスでは当該金型の数しか製造することができない。これでは、生産性が悪く大量生産には不向きである。

金型に充填した原料粉を一旦加圧成形した後、かかる圧粉成形体を金型から取り出して焼結するようにすれば、大量生産は可能である。しかしながら、この方法では、圧粉成形体の強度を確保するため（ハンドリング性を確保するため）に、ある程度高密度に加圧成形する必要が生じる。そのため、この方法では、フィルタのように高い空孔率を有する焼結金属部材の製造には適さない。

例えば、樹脂粉末などをスペーサとして金属粉末と混合したものを原料粉末として用いれば、比較的高密度な成形体が得られ、さらにこれを焼結することでスペーサとしての樹脂粉末が焼失除去されるため、空孔率の高い焼結金属部材を得ることは可能である。しかしながら、通常、金属粉末の焼結温度は樹脂粉末の焼失温度より高いため、焼結時に樹脂粉末が熱分解し、分解ガスを生じる恐れがある。そのため、環境面を考慮すると好ましい方法とはいえない。

例えば特開２００４−１５６０９２号公報（特許文献３）には、スペーサとして食塩等の水溶性粉末材料を用い、このスペーサ粉末を金属粉末としてのアルミニウム粉末と混合したものをパルス通電加圧することで成形、焼結した後、スペーサ粉末を水により溶出させて焼結体の多孔質化を図る方法が開示されている。
特開平１１−１８２５５１号公報特開２００２−２０４９１３号公報特開２００４−１５６０９２号公報

しかしながら、特許文献３に開示の方法は、スペーサ粉末の融点より低温で焼結可能な金属粉末（アルミニウム粉末）を使用してはじめて成立するものである。むしろ、使用する金属粉末によっては、焼結時にスペーサ粉末がガス化（蒸発）し、これが加熱容器の内壁に付着することで却って設備環境の負荷を増大させる結果となり好ましくない。

また、上述の方法では、スペーサを混合したアルミニウム粉末の放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）による焼結を実現可能とするために食塩をスペーサの一例として選択したのであって、そもそも環境負荷の低減を狙ったものではない。

また、上記方法のように、混合粉末を放電プラズマ焼結法を用いて焼結したのでは、既述の問題点、すなわち一度の製造プロセスで設置金型の数しか製造することができず、生産性が不足する問題が解消されない。

以上の事情に鑑み、本発明では、高い空孔率を有する焼結金属部材を、アルミニウム粉末に限ることなく、用途に合わせた金属粉末を使用して製造すること、および、この焼結金属部材を、環境負荷を極力小さく抑えつつも低コストに量産することを技術的課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、Ｎａｃｌ粉末と、該Ｎａｃｌ粉末の融点以上かつ沸点未満で焼結可能な金属粉末とを混合したものを圧粉成形した後、該圧粉成形体を加熱して、前記Ｎａｃｌ粉末の液化除去と、前記金属粉末の焼結とを行うことで多孔質の焼結金属部材を得る、焼結金属部材の製造方法を提供する。

このように、本発明では、スペーサ粉末としてＮａｃｌ粉末を用いると共に、金属粉末としてＮａｃｌ粉末の融点以上かつ沸点未満で焼結可能なものを用い、かつ、焼結時、圧粉成形体からＮａｃｌ粉末を液化除去するようにした。このような方法でＮａｃｌ粉末を除去すれば、液化したＮａｃｌを圧粉成形体の下部で確実に回収することができる。そのため、Ｎａｃｌ粉末が気化して容器内壁に付着することによる容器への負荷を解消することができ、これによりはじめてスペーサ粉末としてＮａｃｌ粉末を使用することによる環境負荷の低減効果を余すことなく得ることができる。また、実質的にＮａｃｌ粉末の除去工程を焼結工程と兼ねることができるため、工程を増加させずに済む。もちろん、焼結体の洗浄も最小限で済むため、非常に経済的である。仮に焼結体にＮａｃｌ粉末が残存していたとしても、Ｎａｃｌ粉末は水溶性であるため、通常の洗浄により容易に除去可能である。また、処理液の廃棄に際しても、処理液は基本的には食塩水であるため環境負荷が非常に小さく好ましい。

加えて、本発明に係る方法であれば、スペーサとしてのＮａｃｌ粉末を混合することで高強度の圧粉成形体を得ることができ、これにより生産性の向上を図ることができる。また、本発明に係る製造方法であれば、アルミニウム粉末に限らず、比較的多くの金属粉末が使用可能となり、これにより焼結金属部材の使用可能な用途を拡張することができる。さらに、混合したＮａｃｌ粉末を上述の如く除去することで、空孔率の大きい多孔質焼結金属部材を形成することができ、使用可能な用途を増やすことができる。具体的には、フィルタなど非常に大きな空孔率が求められる用途にも好適に適用することが可能となる。

以上より、本発明によれば、高い空孔率を有する焼結金属部材を、アルミニウム粉末に限ることなく、用途に合わせた金属粉末で製造することができる。また、この焼結金属部材を、環境負荷を極力小さく抑えつつも低コストに量産することができる。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る焼結金属部材の製造方法の一例を概念的に示している。この製造方法は、原料となる金属粉末とＮａｃｌ粉末とを混合する工程（ａ）、混合粉末を成形金型内に充填し、圧粉成形する工程（ｂ）、圧粉成形体を加熱して、圧粉成形体中のＮａｃｌ粉末を除去し、Ｎａｃｌ粉末を除去した状態の圧粉成形体を焼結する工程（ｃ）とを含む。以下、各工程を時系列順に説明する。

（ａ）粉末混合工程
まず、図１（ａ）に示すように、最終的な製品の原料となる金属粉末１と、Ｎａｃｌ粉末２とを混合する。ここで、金属粉末１としては、混合するＮａｃｌ粉末２の融点以上かつ沸点未満の温度で焼結可能なもの（例えばＦｅ粉末）を使用する。また、この際、使用する金属粉末１としては、Ｎａｃｌ粉末２に比べて粒径の大きいものが好ましい。Ｎａｃｌ粉末２を除去した状態で、金属粉末１同士の接触面積をなるべく確保するためである。

（ｂ）圧粉成形工程
次に、工程（ａ）で得られた混合粉末３を、成形金型内部に充填し、これを圧縮成形することで圧粉成形体４を得る。成形金型は、この図示例では、図１（ｂ）に示すように、混合粉末３の充填空間を形成するダイ５および下パンチ６と、ダイ５および下パンチ６に対して相対的に上下動が可能な上パンチ７とで構成される。ダイ５および下パンチ６とで区画形成される空間に混合粉末３を充填し、当該空間に充填された混合粉末３を上パンチ７により圧縮することで、成形金型（ここではダイ５および上下パンチ６、７）の区画空間に倣った形状の圧粉成形体４が得られる。この際、ダイ５に対する下パンチ６の相対位置を調整することで、混合粉末３の充填量が設定でき、また、下パンチ６に対する上パンチ７の近接量を調整することで、圧粉成形体４の圧縮比を適宜設定することが可能である。もちろん、圧粉成形体４の形状は、上記金型５〜７の形状、構成を変更することで適宜調整可能である。

（ｃ）加熱工程
上述の工程（ｂ）で得られた圧粉成形体中を加熱して、圧粉成形体４中のＮａｃｌ粉末２を液化除去すると共に、Ｎａｃｌ粉末２を除去した圧粉成形体を焼結する。この実施形態では、図１（ｃ）に示すように、圧粉成形体４を炉８内に供給配置し、圧粉成形体４を金属粉末１の焼結温度まで加熱する。ここで、金属粉末１の焼結温度は、Ｎａｃｌ粉末２の融点以上かつ沸点未満であることから、炉８内の温度がＮａｃｌ粉末２の溶融温度に達すると、Ｎａｃｌ粉末２は液化し、圧粉成形体４の外へと流れ出す。流れ出たＮａｃｌは圧粉成形体４の下部に集められ、回収される。この実施形態では、圧粉成形体４は、炉８内に配置した保持部９（例えば金網）上に圧粉成形体４を保持すると共に、加熱により圧粉成形体４から流れ出た液状のＮａｃｌを、保持部９の下部に配置した容器１０で回収するようになっている。

このようにして、圧粉成形体４中のＮａｃｌ粉末２を液化除去すると共に、炉８内を金属粉末１の焼結温度まで加熱することで、Ｎａｃｌ粉末２を空孔に置換した状態の焼結体（焼結金属部材）が得られる。

このように、スペーサ粉末としてＮａｃｌ粉末２を用い、かつ金属粉末１としてＮａｃｌ粉末の融点以上でかつ沸点未満で焼結可能なものを用いた。また、加熱により、圧粉成形体４中からＮａｃｌ粉末２を液化除去すると共に、内部からＮａｃｌ粉末２を取り除いた圧粉成形体４を焼結するようにした。このような方法でＮａｃｌ粉末２を除去すれば、液化したＮａｃｌを圧粉成形体４の下部（ここでは容器１０）で確実に回収することができる。そのため、Ｎａｃｌ粉末２が気化して炉８の内壁に付着することによる炉８への負荷を解消することができる。よって、スペーサ粉末としてＮａｃｌ粉末２を使用することにより生じる問題点を解消して、環境負荷の低減効果を十分に発揮することができる。また、この実施形態のように、加熱工程（ｃ）のみで、実質的にＮａｃｌ粉末２の除去工程を焼結工程とを兼ねることができるため、工程を増加させずに済み、製造コストの低減化を図ることができる。もちろん、焼結後の製品（焼結金属部材）の洗浄も最小限で済むため、非常に経済的である。また、処理液の廃棄に際しても、処理液は基本的には食塩水であるため環境負荷が非常に小さく好ましい。

加えて、本発明に係る方法であれば、スペーサとしてのＮａｃｌ粉末２を混合することで高強度な圧粉成形体４を得ることができる。そのため、加熱工程（ｃ）に到るまでのハンドリング性を確保することができる。また、本発明に係る製造方法であれば、アルミニウム粉末に限らず、比較的多くの金属粉末が使用可能となり、これにより焼結金属部材の使用可能な用途を拡張することができる。さらに、混合したＮａｃｌ粉末２を焼結時に除去することで、空孔率の大きい焼結金属部材（多孔質金属部材）を形成することができるので、フィルタなど非常に大きな空孔率が求められる用途にも好適に適用することが可能となる。

また、焼結金属部材の空孔率は、Ｎａｃｌ粉末２の金属粉末１に対する配合比を変更することで、内部空孔の大きさは、使用する金属粉末１やＮａｃｌ粉末２の粒径を適宜選択することでそれぞれ容易かつ高精度に調整可能である。

また、Ｎａｃｌ粉末２との間で上述の関係を満たすものであれば、任意の金属粉末１を使用することができるので、用途に応じて、あるいは必要とされる特性に合わせて適当な材料を選択することができる。例えば、上記方法で製造された焼結金属部材を、腐食性ガスや腐食性流体を濾過対象とするフィルタに適用する場合には、ＳＵＳ粉末など防蝕性に優れた粉末を金属粉末１として使用することができる。

また、以上の説明では、Ｎａｃｌ粉末２以外の、焼結金属部材の原料（構成材料）として１種類の金属粉末１からなるものを使用した場合を説明したが、２種類以上の金属粉末１からなるものを焼結金属部材の原料として使用することも可能である。あるいは、金属以外の材料粉末を、金属粉末１に加えたものを原料として使用することも可能である。例えば、圧粉成形体４の成形金型５、６からの取出しを破損なくスムーズに行うために、若干の潤滑剤を混入することもできる。この場合、かかる潤滑剤は、焼結後も製品内に残存するものであっても構わない。あるいは、Ｎａｃｌ粉末２の液化除去（加熱工程）の際、共に除去されるものでも構わない。

本発明に係る焼結金属部材の製造方法の一例を概念的に示す図である。

符号の説明

１金属粉末
２Ｎａｃｌ粉末
３混合粉末
４圧粉成形体
５ダイ
６下パンチ
７上パンチ
８炉
９保持部
１０容器

Claims

Ｎａｃｌ粉末と、該Ｎａｃｌ粉末の融点以上かつ沸点未満で焼結可能な金属粉末とを混合したものを圧粉成形した後、該圧粉成形体を加熱して、前記Ｎａｃｌ粉末の液化除去と、前記金属粉末の焼結とを行うことで多孔質の焼結金属部材を得る、焼結金属部材の製造方法。