JP2643002B2

JP2643002B2 - 粉末成形体の脱脂方法

Info

Publication number: JP2643002B2
Application number: JP2057364A
Authority: JP
Inventors: 禎公清田; 宏大坪
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH03257101A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、金属またはセラミック等の粉末の焼結材料
の製造方法に関するものであり、詳しくは、粉末成形体
の脱脂方法に関するものである。

＜従来の技術＞小型で複雑な形状をした金属、セラミックスあるいは
サーメット等の部品の製造方法のなかで、粉末と成形助
剤との混合物を射出成形あるいは押し出し成形し、成形
体から成形助剤を除去する脱脂工程後、成形体の焼結を
行う方法が製品特性および経済性の観点から有望視さ
れ、工業化されている。

これらの製造方法において、品質および製造コストを
大きく左右する工程は脱脂工程である。そのため、品質
向上、製造コスト削減を目差して、種々の技術改善が行
われてきた。例えば、特公昭61−48563号公報において
は、成形体を多孔質の吸収材上に静置し、ガスを勢いよ
く送風することで、脱脂時間を短縮している。しかし、
この方法では、最終製品の表面性状や形状に問題が残
る。

一方、本発明者らは、真空あるいは減圧を利用して成
形助剤の一部を低温で除去することで、高寸法精度を確
保することに成功した。また、こうしてある一定量の成
形助剤を除去した後は、急速に成形助剤を除去しても欠
陥を生じないため、脱脂処理時間の短縮、すなわち、製
造コスト削減にも有効な手段であることを知り、特許出
願した（特願平１−12724）。

しかし、従来の脱脂方法においては、いずれも、特に
厚物を脱脂する際には、脱脂後に残留するＣ量が0.5wt
％以上と高く十分に低減することができないため焼結に
時間がかかるという問題があった。すなわち、焼結に当
ってはＣを除去する必要があるので、Ｃ量が高いとそれ
だけ余分に時間がかかるのである。また、場合によって
は焼結時にＣ量が低減できないと材料特性例えば耐食
性、磁気特性等が劣化するおそれもある。

＜発明が解決しようとする課題＞本発明は、上述した従来技術の問題点を解消し、脱脂
時に成形体からＣ量を十分に例えば、0.3wt％程度以下
に低減可能な粉末成形体の脱脂方法を提供することを目
的とする。

＜課題を解決するための手段＞脱脂後のＣ量を十分に低減するために、本発明は、原
料粉末に対する成形助剤の体積比率が0.5〜1.5の範囲に
ある粉末成形体から成形助剤を除去する粉末成形体の脱
脂方法であって、予備処理として該粉末成形体を0.1Tor
r以下の減圧下で80℃以上250℃未満の温度領域にて保持
して成形助剤の一部を除去し、その後、予備処理した粉
末成形体を水素ガス雰囲気中にて250〜800℃の温度領域
で残部の成形助剤の除去を行うことを特徴とする粉末成
形体の脱脂方法を提供する。予備処理の方法としては、
減圧下で80℃以上250℃未満に加熱する。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。

本発明は、原料粉末に対する成形助剤の体積比率が、
0.5〜1.5の範囲にある粉末成形体から成形助剤を除去す
る場合に適用される。この体積比率が0.5未満の場合
は、他の脱脂方法によっても十分に低いＣ量となる。ま
た、体積比率が1.5を超えると成形体の形状を崩すこと
なく脱脂することは不可能となる。したがって、脱脂の
対象となる成形体の原料粉末に対する成形助剤の体積比
率は、0.5〜1.5の範囲である。

本発明の脱脂においては、本脱脂として、粉末成形体
が250〜800℃の温度域を通過する過程において、その雰
囲気の一部または全部を水素含有ガス雰囲気とすること
が必要である。

成形助剤を加熱すると、その一部は、溶解後の流出、
蒸発または分解後の蒸発によって除去される。ところ
が、成形助剤の一部は、除去される前に、分子構造が環
化、芳香族化、重縮合し、その結果、もはや除去しがた
い分子構造となる。脱脂後の残留Ｃ量を低減する一つの
方法は、環化、芳香族化、重縮合反応を抑制することで
ある。

これらの反応は、水素、メタンおよび低分子有機物の
いずれかを生成させる反応である。したがって、水素、
メタンおよび低分子有機物のいずれかを加熱時に供給す
ることで、環化、芳香族化、重縮合反応を抑制できる。
しかし、メタンおよび低分子有機物の添加は、分解反応
をも抑制する場合があるため好ましくない。一方、水素
は、分解反応を阻害せず、むしろ、メタン生成反応によ
り分解を促進する。

したがって、脱脂時の雰囲気は、水素含有ガスである
ことが必要である。また、この水素含有ガスの使用によ
る効果は、250℃未満では殆ど期待できない。また、水
素含有ガスを使用することなく、800℃を超えて昇温し
た場合、もはや成形助剤の環化、芳香族化、重縮合反応
は完了しているため、この後に250〜800℃の温度範囲で
水素含有ガスで成形体を処理したとしても炭素を低減す
ることはできない。したがって、脱脂時に粉末成形体が
250〜800℃の温度域を通過する過程で水素含有ガスを使
用することが必要である。特に、水素含有ガスを使用し
なかった場合に成形助剤の環化、芳香族化、重縮合反応
が最も活発に進行する温度域である250℃〜700℃で水素
含有ガスを使用する。250〜550℃の全域で水素含有ガス
を使用するのがさらに好ましい。

また、形状保持および脱脂時間短縮の観点より、あら
かじめ、予備処理、すなわち予備脱脂により成形助剤の
一部を除去する。脱脂時において、形状欠陥のおそれが
あるのは、成形助剤の一部を除去するまでの過程のみで
ある。この過程においては、おおよそ、250℃未満の低
温度に長時間保持する必要があり、この温度域では、水
素含有ガスは炭素低域に寄与しないため、別の方法によ
る方が経済上の観点等から好ましい。

特に、予備処理の方法としては、0.1Torr以下の減圧
下の加熱が粉末成形体の形状上の観点から最も好まし
い。この0.1Torr以下の減圧下の加熱による方法は、本
発明者等が既に開示したものであり（特願平１−1272
4）、本発明と組み合せることで脱脂方法の最良の姿と
することができる。また、予備処理の温度は、形状保持
および脱脂時間短縮の観点より、80℃以上250℃未満と
する。

まず、本発明に使用する粉末は、金属、セラミックお
よびサーメット類の粉末のいずれでもよく、例えば、ア
トマイズ法、還元法、カルボニル法、粉砕法によって得
られる合金あるいは単体金属粉末、およびセラミック粉
末、サーメット類の粉末であり、必要に応じて、これら
の粉末を分級、混合することによって用意できる。ただ
し、還元法、カルボニル法、粉砕法によって製造しうる
粉末組成はかなり限定されるため、アトマイズ法が応用
範囲が広い。また、金属粉末が好ましい。

また、これら粉末の平均粒径は20μｍ以下のものが使
用でき、７〜14μｍ程度のものが、密度が高いこと等、
優れた焼結体特性が得られる利点があるため好ましい。

適用できる組成系は、ステンレス、純鉄、Fe−Ni、Fe
−Si、Fe−Co等の金属系、および、Si−Ｃ、Si−Ｎ、Si
−Ｏ、Ti−Ｃなどのセラミック系の構造材料あるいは磁
性材料用などの広範囲にわたって適用できる。

粉末成形体を例えば射出成形にて作製するには、好ま
しくは平均粒径が20μｍ以下の、射出成形用粉末を、ま
ず、形成助剤としてのバインダと混合・混練し、射出成
形用コンパウンドを調整する。

適用可能なバインダは、熱可塑性樹脂類、ワックス
類、可塑剤あるいはその混合物を主体とする公知のバイ
ンダはいずれも適用可能であり、また必要に応じて潤滑
剤、脱脂促進剤等を添加しても良い。

熱可塑性樹脂としては、アクリル系、ポリエチレン
系、ポリプロピレン系およびポリスチレン系等の一種、
あるいは二種以上を混合および／または共重合して用い
ることができる。

ワックス類としては密ろう、木ろう、モンタンワック
ス等の天然ろう、低分子ポリエチレン、ミクロクリスタ
リンワックス、パラフィンワックス等の合成ろう等の一
種あるいは二種以上を混合して用いることができる。

可塑剤は、バインダの主成分により適宜選択すればよ
く、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル（DOP）、フタル
酸ジエチル（DEP）、フタル酸ジ−ｎ−ブチル（DBP）等
が例示できる。また、ワックス類を可塑剤として兼用で
きる。

潤滑剤としては、高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸
エステル等が適用可能であり、場合によってはワックス
類を潤滑剤として兼用してもよい。

また、必要に応じ、脱脂促進剤として樟脳等の昇華性
物質を添加してもよい。

なお、このようなバインダと原料粉末との混合比は、
通常50:50〜40:60vol％程度である。

原料粉末とバインダとの混練方法は特に制限はなく、
加圧ニーダ、バンバリーミキサー、２軸押出し機等の各
種のニーダ等によればよい。

このようにして調製した射出成形用コンパウンドは、
必要に応じペレダイザー、粉砕器等を用いて造粒を行な
い、ぺレットとしてもよい。

次いで、得られた射出成形用コンパウンドを射出成形
して成形体を作製する。

射出成形は、通常のプラスチック用射出成形機、ある
いは最近市販されるようになったセラミック用、金属粉
末用射出成形機等、通常の射出成形に用いられる射出成
形機を用いて行えばよい。

この際において、射出圧力は通常500〜2500kgf/cm²程
度、温度は100〜180℃程度である。

最後に、得られた成形体の脱脂処理を本発明の脱脂工
程により行う。

本発明の脱脂工程を構成する脱脂予備処理、および、
それに引き続く加熱脱脂処理の方法は、前述の通りであ
る。

本発明においては、このように射出成形にて得られた
脱脂済みの成形体を焼結して金属あるいはセラミックな
どの結晶体を製造する。

前記脱脂後、前記原料粉末がステンレスの場合には、
10^-2〜10^-4Torr中、1050〜1300℃、0.5〜４時間保持し
た後、アルゴン、窒素等の不活性ガスを導入し、1200〜
1370℃、0.5〜２時間保持して焼結するとよい。また他
のFe、Fe−Ni系、Fe−Co系などの酸化性の低い金属のみ
を用いた場合には、水素ガス等の還元性ガス中800〜130
0℃、0.5〜４時間保持して焼結するのがよい。

Fe−Si等の酸化性の高い金属を焼結する場合は、ステ
ンレスと同様の方法で焼結する。

これらの工程を経ることによって本発明では優れた金
属焼結体およびセラミック焼結体などを得ることができ
る。

また、粉末成形体は上記射出成形に限らず、押出し成
形など他の方法によって成形してもよい。

＜実施例＞以下、本発明を実施例にしたがい具体的に説明する。

（実施例１）平均粒径8.5μｍのSUS316組成の原料粉末と10.5wt％
の成形助剤より成る粉末射出成形体を用意した。このと
きの原料粉末に対する成形助剤の体積比率は0.8であっ
た。また、この原料粉末のＣの分析値は、0.04wt％であ
った。ここで使用した成形助剤は、アクリル樹脂10wt
％、エチレン酢酸ビニル共重合体15wt％、ポリエチレン
25wt％、パラフィンワックス25wt％、フタル酸エステル
15wt％、ステアリン酸亜鉛10wt％により構成されるもの
である。射出成形機を用いて粉末成形体を、幅13×長さ
65×厚さ5.5mmの直方体形状に成形した。真空乾燥機中
に粉末射出成形体を置き、0.1Torrの減圧下、80℃で４
時間保持、130℃で３時間保持、さらに180℃で２時間保
持することで、成形体より成形助剤を24％除去し、脱脂
予備処理体を作製した。脱脂予備処理体を、種々の雰囲
気中、第１表に示した条件で昇温、保持、冷却して本脱
脂を行った。

第１表より、明らかなように、水素中、比較的低い温
度域で処理することによって、脱脂体Ｃ量を低減できる
（本発明１〜５）。

一方、窒素のような不活性ガス雰囲気中（従来法１〜
３、比較例１〜２）では、高い残留Ｃが避けられず、た
とえ、長時間を費やそうとも（従来法２）、高温度とし
ようとも（従来法３）、Ｃ量を低減することはできな
い。

水素含有ガスは、広い範囲のものが使用でき、高露点
のガス（本発明６）および水素の含有率の低いガス（本
発明７、８）も使用できる。

水素含有ガスを使用する温度域については、200℃以
下では十分にＣ量を低減できず（比較例２）、300℃で
は、Ｃ量を低減できる（本発明１）。また、250〜800℃
の温度範囲のいずれにおいても水素含有ガスを使用せ
ず、850℃まで昇温した場合（従来法３）、その後、水
素含有ガス中で加熱しても、Ｃ量を低減することはでき
ない（比較例１）。

ところが、水素含有ガス以外の雰囲気を使用する温度
が常温から600℃である場合（従来法１）、その後、水
素含有ガス中で加熱すればＣ量を低減することができる
（本発明９）。したがって、250〜800℃の温度領域を通
過する過程において、水素含有ガスを使用する必要性が
明確になった。

なお、第１表に示した脱脂後の粉末成形体を焼結した
とき、焼結に用した時間について比較すると、本発明に
より得た粉末成形体の焼結時間は従来法の３〜４割減で
あった。

さらに、本発明により得られた脱脂体の焼結後の形状
精度は従来法により得た脱脂体の焼結後の形状精度に比
し高精度であるというメリットもあった。

（実施例２）カルボニル鉄粉、還元Co粉およびFe−50％Ｖ粉の混合
によるFe−49％Co−２％Ｖ組成の平均径6.5μｍの原料
粉末を用意した。原料粉末のＣ量は0.43％であった。実
施例１と同一の成形助剤を原料粉末に対して、12.5wt％
添加した。このとき原料粉末に対する成形助剤の体積比
率は1.0であった。また、この成形原料によりなる、実
施例１と同一形状の粉末射出成形を用意した。実施例１
と同一の方法により、脱脂予備処理体を作製した。これ
を、100％水素（DP:−30℃）中、常温より525℃まで120
℃/minの速度で昇温の後、１時間保持して本脱脂を行っ
た。そのＣ量は0.05％と原料粉末よりも低い値となっ
た。

比較のため、予備脱脂体を、100％窒素中、常温より5
25℃まで120℃/minの速度で昇温の後、１時間保持して
本脱脂を行った。そのＣ量は0.9％と著しく高いもので
あった。さらに、比較のため、粉末射出成形体を、予備
処理を行うことなく、100％水素中および100％窒素中で
各々、常温から150℃までを７℃/h、150℃から250℃ま
でを10℃/h、250℃から450℃までを30℃/h、さらに450
℃から600℃までを100℃/minで昇温した後、２時間保持
して脱脂した。この予備処理を行わない場合、窒素中で
脱脂したものは1.15％のＣが残留していたのに対して、
水素中で脱脂したものには0.05％のＣしか残留していな
かった。

このように、Fe−49％Co−２％Ｖのように、窒素中で
の脱脂では異常に高いＣを残留させる組成に対しても、
本発明の脱脂方法は非常に効果的であることが判った。
また、脱脂予備処理をしない場合にも、本発明は低Ｃと
する方法として適用できる。

以上、本発明の好ましい例のみを示したが、これは本
発明の範囲を制約するものではなく、特に、あらゆる組
成の原料粉末と成形助剤の組合せに対して適用できる。
また、本実施例では粉末射出成形体の脱脂について例示
したがこれに限定されるものではなく、押し出し粉末成
形体等にも適用できるものである。

＜発明の効果＞本発明では、原料粉末に対する成形助剤の体積比率が
0.5〜1.5の範囲にある粉末成形体から成形助剤を除去す
る（脱脂）にあたり、予備処理として該粉末成形体を0.
1Torr以下の減圧下で80℃以上250℃未満の温度領域にて
保持して成形助剤の一部を除去し、その後、予備処理し
た粉末成形体を水素ガス雰囲気中にて250〜800℃の温度
領域で脱脂を行うことにより脱脂体のＣ量を0.3wt％程
度以下まで低減でき焼結時間を短くすることができた。
特に、粉末成形体をあらかじめ減圧下で加熱し予備処理
することにより成形助剤の一部を除去して、脱脂後のＣ
量を更に低減できるために脱脂後の焼結時間を短くする
ことができ、経済性に優れる優秀な脱脂体を得ることが
できるというメリットの他に形状精度にも優れる脱脂体
を得られるメリットがある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭49−61009（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−28303（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−259002（ＪＰ，Ａ) 特開平１−306504（ＪＰ，Ａ) 特開平１−208404（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−259001（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−201673（ＪＰ，Ａ) 特開平２−164008（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】原料粉末に対する成形助剤の体積比率が0.
5〜1.5の範囲にある粉末成形体から成形助剤を除去する
粉末成形体の脱脂方法であって、予備処理として該粉末
成形体を0.1Torr以下の減圧下で80℃以上250℃未満の温
度領域にて保持して成形助剤の一部を除去し、その後、
予備処理した粉末成形体を水素ガス雰囲気中にて250〜8
00℃の温度領域で残部の成形助剤の除去を行うことを特
徴とする粉末成形体の脱脂方法。