JP2021195614A - 金属製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度に優れる金属製品の製造方法の提供。【解決手段】金属粉末を含む成形体を熱処理して焼結体を得る工程を有し、前記熱処理は、前記成形体の寸法変化率を調節するための部材の上に前記成形体を配置した状態で行われる、金属製品の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、金属製品の製造方法に関する。

金属製品を製造する方法として、原料の金属粉末を金型に充填して作製した成形体を熱処理し、金属粉末を焼結させる方法（粉末冶金）が知られている。粉末冶金は同じ形状の製品を大量に製造するのに適しており、種々な形状および材質の金属製品を製造する方法として採用されている。たとえば、特許文献１にはオーステナイト系ステンレス鋼を主成分とした焼結部品を製造することが記載されている。

特開２０２０−３７７３５号公報

粉末冶金により金属製品を製造する場合、金属粉末が焼結する際に体積が変化する。このため、上下が非対称であるなど複雑な形状の製品を粉末冶金により作製すると、製品の部位によって寸法変化の度合いに差が生じ、高度な寸法精度が要求される製品の基準に対応できないおそれがある。
本発明は上記事情に鑑み、寸法精度に優れる金属製品の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞金属粉末を含む成形体を熱処理して焼結体を得る工程を有し、前記熱処理は、前記成形体の寸法変化率を調節するための部材の上に前記成形体を配置した状態で行われる、金属製品の製造方法。
＜２＞前記成形体の寸法変化率の調節は、前記部材が前記成形体と接する領域の表面粗さの調節によって行われる、＜１＞に記載の焼結体の製造方法。
＜３＞前記成形体は、熱処理時に前記部材と接触する面Ａの面積が、面Ａに対向する面Ｂの面積と異なる、＜１＞又は＜２＞に記載の焼結体の製造方法。
＜４＞前記成形体は、熱処理時に前記部材と接触する面Ａの面積が、面Ａに対向する側の面Ｂの面積よりも大きい、＜１＞〜＜３＞のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
＜５＞前記部材はセラミックスを含む、＜１＞〜＜４＞のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
＜６＞前記部材が前記成形体と接する領域の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ〜５．０μｍである、＜１＞〜＜５＞のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
＜７＞前記金属粉末はＦｅを含む、＜１＞〜＜６＞のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。

本発明によれば、寸法精度に優れる金属製品の製造方法が提供される。

実施例で作製した成形体の平面図である。 実施例で作製した成形体の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。

本明細書において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。

本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。

本開示の金属製品の製造方法は、金属粉末を含む成形体を熱処理して焼結体を得る工程を有し、前記熱処理は、前記成形体の寸法変化率を調節するための部材（以下「寸法変化率調節部材」ともいう）の上に前記成形体を配置した状態で行われる、金属製品の製造方法である。
本開示における「寸法変化」は、焼結前の寸法より焼結後の寸法が大きくなる場合（膨張）と焼結前の寸法より焼結後の寸法が小さくなる場合（収縮）のいずれも含む概念である。

上記方法では、成形体が焼結する際の寸法変化率が、成形体が配置されている寸法変化率調節部材によって調節される。このため、成形体の寸法変化率が部位によって異なっていても、寸法精度に優れる金属製品が得られる。
また、上記方法では成形体を寸法変化率調節部材の上に配置するのみで寸法変化率を調節できる。このため、焼結後に研磨、切削などを行って寸法を調節する場合に比べ、簡便な方法で寸法精度に優れる金属製品を得ることができる。

成形体の形状としては、上下非対称である形状が挙げられる。
上下非対称な形状としては、成形体を寸法変化率調節部材の上に配置したとき、成形体が寸法変化率調節部材と接する側の面Ａ（下面）における、成形体が寸法変化率調節部材と接触している面積ａと、面Ａに対向する側の面Ｂ（上面）の面積ｂとが異なる（ａ≠ｂ）形状が挙げられる。
上記において「面Ｂの面積ｂ」とは、成形体の面Ｂが寸法変化率調節部材と接するように成形体を配置したとき、成形体が寸法変化率調節部材と接触している面積を意味する。

成形体を熱処理して得られる金属製品の寸法精度をより効果的に改善する観点からは、成形体の形状は、成形体の面Ａ（下面）の面積ａが、面Ａに対向する側の面Ｂ（上面）の面積ｂよりも大きい（ａ＞ｂ）ことが好ましい。

成形体の形状がａ＞ｂの関係を満たす場合、この成形体を寸法変化率調節部材の上に配置しない状態で熱処理を行うと、成形体の面Ａ（下面）の寸法変化率が面Ｂ（上面）の寸法変化率より相対的に大きい傾向にある。この寸法変化率の差に起因して、熱処理後に得られる金属製品の寸法精度が低下するおそれがある。

一方、ａ＞ｂの関係を満たす形状の成形体を寸法変化率調節部材の上に配置した状態で焼結すると、寸法変化率調節部材と接している面Ａ（下面）の寸法変化が相対的に抑制される。このため、上面と下面における成形体の寸法変化率の差を小さくでき、寸法精度に優れる製品が得られる。

成形体の形状がａ＞ｂの関係を満たす場合、ａとｂとの比率は特に制限されないが、例えば、ａ／ｂの値が１．０よりも大きく５より小さい範囲内にあってもよい。

寸法変化率調節部材を用いて成形体の寸法変化率の調節を行う方法は、特に制限されない。例えば、寸法変化率調節部材が成形体と接する領域の表面粗さを調節することによって寸法変化率の調節を行ってもよい。
寸法変化率調節部材の表面粗さを調節する方法は、特に制限されない。例えば、寸法変化率調節部材の表面に傷、突起等を形成する、エッチングで粗化する等の方法により、表面粗さを調節してもよい。あるいは、メッシュ状、多孔質などの表面が平滑でない物体を寸法変化率調節部材として用いてもよい。

寸法変化率調節部材の材質は、熱処理の温度に対する耐熱性を有するものであれば特に制限されない。
例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、陶器、磁器等のセラミックス、金属、石材、カーボンなどが挙げられる。これらの中でもセラミックスを含むことが好ましく、材質の取り扱いやすさの観点からは、アルミナを含むことがより好ましい。

寸法変化率調節部材の表面粗さを定量化する方法は、特に制限されない。例えば、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３に規定される粗さ曲線の算術平均高さ（Ｒａ）により定量化してもよい。Ｒａの範囲は特に制限されないが、例えば、成形体の成分、成形体の面Ａの面積ａと面Ｂの面積ｂの比率などを考慮して選択する。例えば、０．１μｍ〜５μｍの間であってもよい。

成形体に含まれる金属粉末の種類は特に制限されず、金属製品の用途等に応じて選択できる。具体的には、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｗｏ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｎ、Ｎｂ、これらの元素を含む合金などが挙げられる。金属粉末の好ましい組成としては、Ｆｅと、Ｓｉ、Ｐ及びＭｇからなる群から選択される少なくとも１種とを含む組成が挙げられる。
金属粉末は、１種を単独で使用しても２種以上を組み合わせてもよい。
必要に応じ、成形体は樹脂、潤滑剤等の有機物、Ｓｉ、Ｐ等の非金属成分をさらに含んでもよい。

金属粉末の粒子径は、特に制限されない。例えば、レーザー回折・散乱法で測定される体積平均粒子径（Ｄ５０）が５０μｍ〜１００μｍの範囲であってもよい。

金属粉末を含む成形体を得る方法は特に制限されず、金型内に金属粉末等を充填して加圧するなどの一般的な方法を採用できる。

成形体を熱処理して焼結体を得る方法は特に制限されず、トンネル炉、プッシャー炉、真空炉などの公知の装置を用いて行うことができる。

生産性の観点からは、熱処理はトンネル式、プッシャー式等の、連続式の熱処理装置を用いて行うことが好ましい。
連続式の熱処理装置は内部の搬送ベルト上に配置した成形品を移動させながら熱処理を実施するため、大量の成形体の熱処理を効率的に行うことができる。
熱処理装置の構成は特に制限されず、一般的な構成のものを使用できる。

熱処理の温度は特に制限されず、成形体の大きさ、金属粉末の種類等に応じて設定できる。例えば、熱処理装置内の最高到達温度が１０００℃〜１２００℃となる範囲であってもよい。
熱処理の時間は特に制限されず、成形体の大きさ、金属粉末の種類等に応じて設定できる。例えば、熱処理装置内の温度が１０００℃以上になる時間が４０分〜６０分の範囲であってもよい。

熱処理により得られる焼結体は、必要に応じて研磨、切削、化成処理等の処理を施してもよい。

以下、実施例に基づき上記実施形態をさらに詳細に説明する。なお、本開示は以下の実施例によって限定されるものではない。

＜実施例１＞
下記に示す組成の金属粉末を金型に充填し、加圧して図１及び図２に示す形状の成形体を作製した。図１は成形体の平面図であり、図２は成形体を線Ｘに沿って切断したときの断面図である。
図１及び図２に示すように、成形体１０は円筒形であり、中央に位置する貫通孔１と、貫通孔１の周囲に位置する溝２とを有している。また、成形体の高さ方向の寸法は２０ｍｍ、線Ｘ方向の寸法（直径）は４０ｍｍであり、面Ａの面積ａが面Ｂの面積ｂよりも大きい。

（金属粉末の組成）
Ｆｅ・・・９３〜９７質量％
Ｓｉ・・・１〜３質量％
Ｐ・・・１〜３質量％

得られた成形体を、面Ａが下面となるようにアルミナ板（Ｒａ：０．４８μｍ）の上に載せた状態で、トンネル炉で熱処理（最高到達温度：１０００℃〜１２００℃）を行い、焼結体を得た。

＜実施例２＞
実施例１と同様にして得た成形体を、面Ａが下面となるようにアルミナ板（Ｒａ：３．７２μｍ）の上に載せたこと以外は実施例１と同様にして、焼結体を得た。

＜実施例３＞
成形体の面Ｂが下面となるようにアルミナ板（Ｒａ：３．７２μｍ）の上に載せたこと以外は実施例２と同様にして、焼結体を得た。

＜比較例１＞
実施例１と同様にして得た成形体をアルミナ板の上に載せなかったこと以外は実施例１と同様にして、焼結体を得た。

＜寸法精度の評価＞
実施例１〜３及び比較例１で得た焼結体の線Ｘの方向における下面の長さｘ１を測定し、焼結前の成形体の線Ｘの方向における下面の長さｘ２に対する寸法変化率Ｘを下記式により算出した。
寸法変化率Ｘ（％）＝｛（ｘ２−ｘ１）／ｘ２｝×１００

実施例１〜３及び比較例１で得た焼結体の線Ｙの方向における下面の長さｙ1を測定し、焼結前の成形体の線Ｙの方向における下面の長さｙ２に対する寸法変化率Ｙを下記式により算出した。
寸法変化率Ｙ（％）＝｛（ｙ２−ｙ１）／ｙ２｝×１００

実施例１〜３及び比較例１で得た焼結体の線Ｚの方向における下面の長さｚ１を測定し、焼結前の成形体の線Ｚの方向における下面の長さｚ２に対する寸法変化率Ｚを下記式により算出した。
寸法変化率Ｚ（％）＝｛（ｚ２−ｚ１）／ｚ２｝×１００

寸法変化率Ｘ、寸法変化率Ｙ及び寸法変化率Ｚの算術平均値を求め、実施例１〜３および比較例１の寸法変化率（％）とした。成形体が焼結により収縮する場合は寸法変化率の値がプラスになり、成形体が焼結により膨張する場合は寸法変化率の値がマイナスになる。結果を表１に示す。

表１に示すように、成形体をアルミナ板の上に載せた状態で熱処理を行った実施例１〜３の焼結体は、成形体をアルミナ板の上に載せない状態で熱処理を行った比較例１の焼結体に比べて下面の寸法変化率が小さく、焼結による寸法変化が抑制されている。
実施例２と実施例３の比較に示すように、下面の面積が上面の面積よりも大きい実施例２は、下面の面積が上面の面積よりも小さい実施例３に比べて下面の寸法変化率が小さく、焼結による寸法変化が抑制されている。
実施例１と実施例２の比較から、アルミナ板の表面粗さを変更することで下面の寸法変化率を調節できることがわかる。

１０…成形体、１…貫通孔、２…溝

Claims (7)

1. 金属粉末を含む成形体を熱処理して焼結体を得る工程を有し、前記熱処理は、前記成形体の寸法変化率を調節するための部材の上に前記成形体を配置した状態で行われる、金属製品の製造方法。
2. 前記成形体の寸法変化率の調節は、前記部材が前記成形体と接する領域の表面粗さの調節によって行われる、請求項１に記載の焼結体の製造方法。
3. 前記成形体は、熱処理時に前記部材と接触する面Ａの面積が、面Ａに対向する面Ｂの面積と異なる、請求項１又は請求項２に記載の焼結体の製造方法。
4. 前記成形体は、熱処理時に前記部材と接触する面Ａの面積が、面Ａに対向する側の面Ｂの面積よりも大きい、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
5. 前記部材はセラミックスを含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
6. 前記部材が前記成形体と接する領域の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ〜５．０μｍである、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
7. 前記金属粉末はＦｅを含む、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。

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