JP2009542905A - 金属射出成形による合金部品の製造方法及びその合金部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、焼結温度が低く、優れた硬度を有し、量産性に優れた高付加価値用の精密部品を低コストで製造するのに適した製造方法及びその部品を提供することを目的とする。
上記目的を果たすために本発明は、ＦｅとＦｅ及びＣｏの組合物からなる群から選ばれた４０〜７５重量％の材料、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、及びＮｉの群から選ばれた２０重量％以上の材料、Ｂ、Ｃ、Ｃｕ、及びＳｉからなる群から選ばれた２〜１４重量％の材料及びその他不可避の不純物を含む組成を有する合金粉末とバインダとを混合するステップと、前記混合物を射出成形して部品の形状に成形するステップと、前記射出成形物から前記バインダを除去するステップと、前記バインダが除去された射出成形物を焼結するステップとを含む製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属射出成形法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）及びその方法によって製造された部品に関し、より詳しくは、Ｆｅ−Ｃｒ系合金粉末を用いて金属射出成形法によって部品を製造する方法及びその部品に関するものであって、部品の大きさに制約が少なく、生産性が向上し、従来の製造方法に比べて低コストで優れた物性を有する部品を提供し得る金属射出成形法及びその部品に関する。

自動車、コンピュータ、電子部品、産業部品、医療機器、耐磨耗部品などに使われる複雑な形状の精密部品を製造する方法として、切削加工、ダイキャスト、精密鋳造及び粉末冶金などが挙げられる。しかし、これらの方法は、製造コストが多くかかったり、量産性が悪かったり、使用可能な合金の成分が制限されて、所望する物性が得られないか、又は３次元の複雑な形状の製造ができないなどの理由で適用に困難な実情にある。

このような成形性、加工性及び量産性などの問題を解決するために、金属射出成形法、即ち、粉末とバインダとを混合する工程、混合物を射出成形する工程、射出成形品からバインダを除去する工程、脱脂した射出成形品を焼結して成形する工程などを経て、後加工をほとんど必要としない整形（Ｎｅｔ Ｓｈａｐｅ）に製品を製造する方法が知られている。

一方、金属射出成形法によって製造された部品は、耐食性、高強度及び高硬度の高品質の機械的化学的特性が要求される耐磨耗性及び耐久性が要求される携帯電話のヒンジなど高付加価値の精密部品に主に使われているが、これらの部品は、従来は鉄、ニッケル又はステンレス系粉末を用いて製造していた。

ところが、鉄、ニッケル又はステンレス系粉末の場合、最終の成形工程における焼結温度が約１３５０℃と非常に高く、焼結工程にかかる電力費用と焼結設備にかかる設備費が非常に高いという問題点があった。また、従来の粉末材料の場合、用途によっては適用に十分な物性が得にくいという問題点もある。

このため、焼結温度を下げ、且つ成形精密度を高めるために使われる粉末の大きさを極めて小さくする、いわゆる「マイクロ−ＰＩＭ法」が試されているが、この方法の場合、粉末の大きさを小さくすることで、焼結温度は従来に比べて約１００℃下げることができるが、粉末価格が従来に比べて著しく上昇するので、製造コストの低減が期待しにくいという問題点がある。

粉末射出成形法には、金属、セラミックス、超硬など多様な材料が使われているが、このうちステンレスなどの鉄系が占める割合は、全材料の４０％以上である。中でもＳＴＳ３１６Ｌの応用が最も多いが、粉末射出成形部品が形状を主とする部品から、航空機、自動車、医療器具など機械的特性が要求される構造材としての部品に徐々に変わることによって、高強度のＳＴＳ６３０（１７−４ＰＨ）が漸次に多く使われている。ＳＴＳ６３０は、マルテンサイト系析出硬化型合金であって、高強度合金のうち最も耐腐食性に優れた材料の一つである。しかし、ステンレスの場合、焼結温度が高いため、生産コストが非常に高くなるという問題点がある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために案出されたものであって、焼結温度が低く、優れた硬度を有し、低コストで量産性に優れ、高付加価値用の精密部品に適した製造方法を提供することを課題とする。

上記本発明の課題を解決するために本発明は、ＦｅとＦｅ及びＣｏの組合物からなる群から選ばれた４０〜７５重量％の材料、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、及びＮｉの群から選ばれた２０重量％以上の材料、Ｂ、Ｃ、Ｃｕ、及びＳｉからなる群から選ばれた２〜１４重量％の材料、及びその他不可避の不純物を含む組成を有する合金粉末とバインダとを混合するステップと、前記混合物を射出成形して部品の形状に成形するステップと、前記射出成形物から前記バインダを除去するステップと、前記バインダが除去された射出成形物を焼結するステップとを含む合金部品の製造方法及びその製造方法によって製造された合金部品を提供する。

また、低硬度合金部品用としては、前記合金粉末の組成において、Ｃｒ：２０〜３５重量％、Ｓｉ：１〜２．５重量％、Ｃ：０．５重量％以下、Ｃｕ：０．１〜３重量％、Ｂ：２〜５重量％、Ｍｏ：０．１〜８重量％、Ｎｉ：１４〜２２重量％、Ｃｏ：４〜１５重量％であるのが好ましい。

また、高硬度合金部品用としては、前記合金粉末の組成において、Ｃｒ：４０〜５０重量％、Ｓｉ：１〜２．５重量％、Ｃ：０．５重量％以下、Ｂ：５．６〜６．２重量％であるのが好ましい。

また、前記焼結ステップは、真空、還元性ガス又は不活性ガス雰囲気下で１１００℃〜前記合金の溶融点未満の温度で実施したり、１１５０℃以上又は１２００℃以上で実施することができるが、製造コストと要求される物性によって異ならせて設定することができる。焼結雰囲気は、焼結時に合金粉末の表面に存在する酸化物などを除去し得る雰囲気であれば差し支えないが、好ましくは高純度水素雰囲気下で実施するようにする。

一方、焼結温度は、１１００℃から前記合金粉末の溶融点である約１２５０℃の範囲内で焼結を行う。これにより、ステンレス系粉末の焼結温度である１３５０℃に比べて焼結温度を約１００℃〜２５０℃低く設定することができるので、焼結工程にかかる電力費用などエネルギ費用を大幅に減らすことができる。

また、前記合金粉末の平均粒径は０．０１〜１００μｍのものを使う。平均粒径が０．０１μｍ未満では粉末の製造コストが著しく上昇して、製品の単価上昇の原因となり、１００μｍ以上では十分な精密度と物性が得にくいので、前記粒径範囲内の粉末を使用する。

なお、前記バインダ除去ステップは、還元性ガス雰囲気下で３００℃〜７００℃の温度範囲で加熱し、０．５〜５時間維持して行う。

更に、前記製造方法によって製造された部品において、気孔率は、体積比率で７％以下であるのが好ましく、より好ましくは５％以下である。気孔率が７％を超えると、硬度など物性が低下して部品に適用しにくいためである。

以上で説明したように、本発明に係る金属射出成形法によって製造された金属部品は、製造方法の特性上、その大きさに制約が少なく、連続生産が可能で、特に従来のステンレス系合金粉末を用いた金属射出成形品に比べて、同等以上の硬度を示しつつ、焼結温度を著しく下げることができる。即ち、高品質、高付加価値の部品を価格競争力をつけて製造することができるので、自動車、コンピュータ、電子部品、産業部品、医療機器、耐磨耗部品など全産業にわたって有効に使用できる。

また、本発明に係る金属射出成形法によれば、気孔を最小化して緻密度に優れた整形（ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）製品を製造することができる。

本発明に係る製造工程を図式的に示す概路図である。 本発明の一実施例によって製造した金属部品の緻密度を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 本発明の他の実施例によって製造した金属部品の緻密度を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。

本実施例に使われた合金粉末の化学組成は次の通りである。

（表１）
合金粉末の化学組成

前記表１に示すように、本発明に係る金属射出成形法では、ＦｅにＣｒ、Ｎｉ、Ｃｏなどを主成分として含ませる「Ｃ」で表される合金組成と、ＦｅにＣｒ、Ｂを主成分として含ませる「Ｍ」で表される合金組成の粉末を使用した。このように、ＦｅにＣｒを２０〜５０重量％以上含有させることで、焼結温度を大幅に下げることができ、下記試験結果から分かるように、機械的物性も従来のステンレス粉末射出成形品に比べて同等又は著しく優れた部品を製造できるようになる。

図１は、本発明の実施例による金属射出成形法の製造過程を示している。図示のように、金属射出成形は、粉末とバインダとの混合工程、混合物の射出成形工程、射出した成形物からバインダを熱分解によって除去する脱脂工程、脱脂した成形物を焼結する工程を通じて整形部品を製造する。

前記混合工程において、合金粉末の形状は、球状に近いほど好ましく、高い焼結密度と数値精密度のためには、粉末の平均粒径は１００μｍ以下であるのが好ましく、本発明の実施例では４０μｍ以下の粒子を使用した。

また、混合工程において、適切なバインダの選択が最も重要な作業の一つであるが、混合と射出成形が容易で、且つ射出成形後、使われたバインダを除去したとき所望する物性の材料が得られるものではなければならない。バインダは、結合（保形）剤、潤滑剤、可塑剤及び界面活性剤などから２種ないし５種を組み合わせて使用するが、射出成形時の成形性が確保されれば、脱脂焼結時の変形防止のために全バインダ量は少ない方が好ましく、体積比は５０％〜３０％の範囲が適切である。

本発明の実施例ではバインダとして、２０重量％のエチレンビニルアセテートと８０重量％のパラフィンワックスの混合物を使用した。合金粉末とバインダとの混合工程は、合金粉末をバインダと共に一定比に秤量した後、シグマブレードミキサーで温度１３０℃〜１６０℃の範囲で２時間混合した。

混合物の射出工程は、粉末混合体を２７トン容量の金属射出成形機に装入した後、４５０ｂａｒの圧力及び１２０℃の温度で所定形状を有する金属製鋳型（ｍｏｌｄ）に射出して行った。

射出成形物からバインダを除去するための脱脂工程は、成形物を管状炉（ｔｕｂｅ ｆｕｒｎａｃｅ）に装入し、高純度水素雰囲気中で２℃／ｍｉｎの速度で３００℃まで昇温した後１時間維持し、３℃／ｍｉｎの速度で５００℃まで昇温した後１時間維持し、３℃／ｍｉｎの速度で７００℃まで昇温した後１時間維持する方法を通じて行い、このような工程を通じて完全なバインダ除去が可能であった。

前記表１に示す組成を有するそれぞれの合金粉末に対する示差熱分析（ＤＴＡ）を通じて液相転移温度を測定した後、前記焼結工程は１１５０℃〜液相転移温度範囲未満の温度範囲で下記表２のような条件で焼結を実施した。

（表２）
焼結条件

表２に示す試片種類Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、組成が同じで焼結温度のみ異なるものであり、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３も同様である。焼結は、前記表２に示す１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１２５０℃の目標温度まで５℃／ｍｉｎの速度で昇温した後、３０分間高純度水素雰囲気下に維持する方法を使用した。このように、還元性ガス雰囲気下で焼結を実施することで、合金粉末の表面に形成された酸化物層が除去され、拡散によって粒子間の結合が進むようになる。

図２及び図３は、前記焼結温度によって製造された金属部品の微細組織を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。図示のように、焼結温度が増加するほど結晶粒界に形成された気孔の体積分率が大きく減少し、その大きさも小さくなる傾向を示す。また、部品の気孔率と相対密度、即ち緻密度を測定した結果は下記表３の通りである。

（表３）
部品の気孔率及び相対密度の評価結果

表３に示すように、１１００℃で焼結したＣ１の場合、緻密度が９５．６８％と比較的高く、焼結温度の増加によって大半９９％以上の高い緻密度を示す。

前記実施例による部品の硬度を測定した結果は、下記表４の通りである。

（表４）
部品の硬度評価結果

表４に示すように、本発明の実施例によるＣ１の場合、ＳＴＳ３１６Ｌに比べて非常に低い焼結温度で焼結しても硬度はほぼ同じく、Ｃ２は多少優れ、そしてＣ３及びＭ２は、ＳＴＳ３１６Ｌに比べて３倍ほど高く、ＳＴＳ６３０に比べて同等以上の硬度を示すことが分かる。即ち、ステンレス粉末射出成形品に比べて低コストで高い物性を有する部品を製造し得るので、本発明の前記実施例は、従来のＳＴＳ３１６Ｌ及びＳＴＳ６３０に代わることができる。

また、本発明のＭ３及びＭ４は、ステンレス粉末に比べて焼結温度が低くても、そのビッカース硬度が７４７及び１０５９とステンレス粉末射出成形品に比べて一層優れていることが分かる。

本発明は、粉末射出成形分野に適用できる。

Claims (11)

1. ＦｅとＦｅ及びＣｏの組合物からなる群から選ばれた４０〜７５重量％の材料、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、及びＮｉの群から選ばれた２０重量％以上の材料、Ｂ、Ｃ、Ｃｕ、及びＳｉからなる群から選ばれた２〜１４重量％の材料、及びその他不可避の不純物を含む組成を有する合金粉末とバインダとを混合するステップと、
   前記混合物を射出成形して部品の形状に成形するステップと、
   前記射出成形物から前記バインダを除去するステップと、
   前記バインダが除去された射出成形物を焼結するステップとを含む、合金部品の製造方法。
2. 前記合金粉末の組成において、Ｃｒ：２０〜３５重量％、Ｓｉ：１〜２．５重量％、Ｃ：０．５重量％以下、Ｃｕ：０．１〜３重量％、Ｂ：２〜５重量％、Ｍｏ：０．１〜８重量％、Ｎｉ：１４〜２２重量％、Ｃｏ：４〜１５重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の合金部品の製造方法。
3. 前記合金粉末の組成において、Ｃｒ：４０〜５０重量％、Ｓｉ：１〜２．５重量％、Ｃ：０．５重量％以下、Ｂ：５．６〜６．２重量％であることを特徴とする、請求項１に記載の合金部品の製造方法。
4. 前記焼結ステップは、真空、還元性ガス又は不活性ガス雰囲気下で１１００℃〜前記合金の溶融点未満の温度で実施することを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の合金部品の製造方法。
5. 前記焼結温度は、１１５０℃〜前記合金の溶融点未満の温度で実施することを特徴とする、請求項４に記載の合金部品の製造方法。
6. 前記合金粉末の平均寸法が０．０１〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の合金部品の製造方法。
7. 前記バインダの除去は、還元性ガス、不活性ガス、又は還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気下で３００〜７００℃の温度範囲で加熱し、前記温度を０．５〜５時間維持して行うことを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の合金部品の製造方法。
8. ＦｅとＦｅ及びＣｏの組合物からなる群から選ばれた４０〜７５重量％の材料、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、及びＮｉの群から選ばれた２０重量％以上の材料、Ｂ、Ｃ、Ｃｕ、及びＳｉからなる群から選ばれた２〜１４重量％の材料、及びその他不可避の不純物を含む組成を有する合金粉末とバインダとを混合するステップと、
   前記混合物を射出成形して部品の形状に成形するステップと、
   前記射出成形物から前記バインダを除去するステップと、
   前記バインダが除去された射出成形物を焼結するステップとで製造された、合金部品。
9. 前記合金粉末の組成において、Ｃｒ：２０〜３５重量％、Ｓｉ：１〜２．５重量％、Ｃ：０．５重量％以下、Ｃｕ：０．１〜３重量％、Ｂ：２〜５重量％、Ｍｏ：０．１〜８重量％、Ｎｉ：１４〜２２重量％、Ｃｏ：４〜１５重量％であることを特徴とする、請求項８に記載の合金部品。
10. 前記合金粉末の組成において、Ｃｒ：４０〜５０重量％、Ｓｉ：１〜２．５重量％、Ｃ：０．５重量％以下、Ｂ：５．６〜６．２重量％であることを特徴とする、請求項８に記載の合金部品。
11. 前記部品の気孔率が体積比率で７％以下であることを特徴とする、請求項８ないし請求項１０の何れか１項に記載の部品。

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