JP2799064B2

JP2799064B2 - 焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2799064B2
Application number: JP2279700A
Authority: JP
Inventors: 禎公清田; 宏大坪
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH04157103A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、焼結体の製造方法に関し、詳しくは、金属
またはセラミックスなどの粉末の射出成形体を特定の条
件下で脱脂処理することを含む焼結体の製造方法に関す
る。

＜従来の技術＞射出成形を利用した焼結体の製造方法は、複雑な形状
をした金属製、セラミックス製などの部品の製造に好適
である。このような製造方法自体は公知のものであり、
米国特許第2939199号明細書などに開示されている。

ところで、焼結体製造の全工程中、脱脂工程は最終焼
結部品の寸法精度および製造コストを最も左右する工程
である。脱脂工程における技術的な課題は、成形体を変
形させることなく、且ついかに短時間で処理を完了させ
るかにある。

そのため、米国特許第4765950号明細書に記載の発明
では、有機バインダの一部を溶媒によって抽出している
（溶媒抽出法）。また、特公昭61−48563号公報には、
成形体をバインタ吸収体上に置き、送風を十分に行うこ
とが開示されている。

さらに、本発明者等も、脱脂の最初の段階において一
定の減圧条件とすることが最終製品の寸法精度の改良お
よび処理時間の短縮の観点から有効であることを提案し
た（特開平２−194105号公報参照）。

＜発明が解決しようとする課題＞しかしながら、上記のいずれの脱脂方法にも一長一短
がある。

溶媒抽出法は、処理時間の短縮は可能であるが有機溶
媒の取り扱いにおける安全衛生上の管理が煩雑であり、
また成形体を溶媒槽に浸漬するための治具を被脱脂部品
ごとに工夫する必要があり、生産技術的な課題が多く残
されている。

また、吸収材を使用する方法も処理時間の短縮に有効
ではあるが、被脱脂部品の形状ごとに吸収材の形状を変
更する必要があり、被脱脂部品の形状によっては利用で
きない。

送風を利用する場合も処理時間の短縮に有効ではある
が、あまり風量を増加させると被脱脂部品が吹き飛ばさ
れて破損するので、自ら限界がある。

減圧を利用する方法は、最終部品の寸法精度に優れて
いるものの、バインダの蒸気圧が十分に高くない場合に
は処理時間を十分に短縮することはできない。

本発明は、焼結体の製造工程中で減圧を利用した脱脂
工程に広く適用でき、最終的な寸法精度を損ねることな
しで処理時間を短縮することのできる脱脂工程を採用し
た焼結体の製造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＞本発明は上記目的を達成するものであり、本発明の焼
結体の製造方法は、30〜70体積％の無機材料粉末と残部
の有機バインダとからなるコンパウンドを射出成形して
射出成形体を得る工程、該射出成形体から有機バインダ
の一部または全部を除去して脱脂体を得る脱脂工程、該
脱脂体を加熱雰囲気中で焼結して焼結体を得る工程を含
む焼結体の製造方法であって、該脱脂工程において、該
射出成形体を射出成形温度よりも低い温度域で加熱する
と同時に、該射出成形体の存在する系内に該有機バイン
ダに不溶な物質の気体を連続的に添加し、且つ該射出成
形体の存在する系内の添加気体の分圧と有機バインダ蒸
気の分圧とからなる全圧を大気圧よりも低い状態に維持
するように、該添加気体と該有機バインダ蒸気との混合
ガスを該射出成形体の存在する系の外へ連続的に排気す
ることにより、射出成形体中の有機バインダの少なくと
も一部を除去することを特徴とする。

本発明においては、無機材料粉末として金属またはセ
ラミックスの粉末が工業的な材料として好適である。ま
た、有機バインダに不溶な物質の気体である添加気体と
しては空気または不活性ガスが好ましい。

また、添加気体の分圧が該有機バインダ蒸気の分圧の
２倍以上であることが好ましい。さらに、添加気体の分
圧と該有機バインダ蒸気の分圧とからなる全圧が200Tor
r以下であることが好ましい。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。

本発明に係る脱脂工程においては、射出成形体を射出
成形温度よりも低い温度域で加熱することが必要であ
る。本発明においては、有機バインダを蒸気として成形
体より除去するので、有機バインダの蒸気圧を高めるた
めに加熱することは不可欠であり、加熱温度が高いほど
処理時間が短縮されて好ましい。しかし、射出成形体が
可塑性を発現する射出成形温度まで昇温させた場合には
成形体の変形を抑制することは困難となる。従って、加
熱温度は射出成形温度よりも低いことが必要である。加
熱時の変形を抑制しながら効率的に脱脂処理を完了させ
るためには、加熱温度を射出成形温度よりも30〜100℃
低くすることが好ましい。ただし、このような脱脂工程
によって有機バインダの一部を除去した後には、射出成
形温度以上の高温に加熱することも、まったく差し支え
ない。

本発明に係る脱脂工程においては、除去すべき有機バ
インダ量は、最終製品の寸法精度の観点から、添加した
有機バインダの10重量％以上であることが好ましい。

本発明に係る脱脂工程において、射出成形体の存在す
る系内に有機バインダに不溶な物質の気体を連続的に添
加し、且つ該射出成形体の存在する系内の添加気体の分
圧と有機バインダ蒸気の分圧とからなる全圧を大気圧よ
りも低い状態に維持するように、該添加気体と該有機バ
インダ蒸気との混合ガスを該射出成形体の存在する系の
外へ連続的に排気することにより、射出成形体中の有機
バインダの少なくとも一部を除去することが必要であ
る。

連続的に添加する気体は有機バインダに不溶な物質の
気体であることが必要である。有機バインダに溶解する
物質の気体を添加すると有機バインダの蒸気圧が低下す
るので脱脂時間を短縮することができない。連続的に添
加する気体は、有機バインダに不溶性である限りはいか
なる気体も使用できるが、有機バインダに不溶性で且つ
入手が容易なアルゴン、窒素などの不活性ガスまたは空
気が好ましい。

射出成形体の存在する系内で射出成形体から発生する
有機バインダ蒸気に、更に有機バインダ蒸気以外の気体
を添加する理由は、射出成形体の存在する系内の全ガス
圧を高めるためである。これによって、射出成形体の存
在する系内の全ガス圧を大きくすることができる。この
全ガス圧の増加により排気系のコンダクタンスを高める
ことができる（粘性流領域では排気系のコンダクタンス
は、射出成形体の存在する系内の全ガス圧に比例する）
ので、排気系の実効排気速度（単位時間当たりの排気し
うる排気の体積；ガス量に換算するにはガス圧力を乗じ
ればよい）を向上させることができる。

連続的に添加する気体の圧力は該添加気体の分圧と有
機バインダ蒸気の分圧とからなる全圧が大気圧よりも低
くなる範囲であることが必要である。もし、この全圧を
大気圧にしようとすれば、該添加気体の流量を極端に増
加させる必要があり、経済的でないばかりか、前記の特
公昭61−48563号公報に記載の発明の場合と同様に、処
理すべき射出成形体を吹き飛ばしてしまうような問題が
生じる。また、該全圧を大気圧近くまで上昇させようと
すると、ポンプの負荷が増加すると同時にポンプ排気速
度も低下することになる。さらに詳しくは、該全圧が段
々と増加していっても、ポンプ排気速度と排気系コンダ
クタンスとからきまる実効排気速度の増加は最終的には
飽和するので、十分な実効排気速度の増加が期待できる
範囲で低い圧力を選択するのが良い。従って、添加気体
の分圧と有機バインダ蒸気の分圧とからなる全圧が大気
圧よりも低くなる範囲であることが不可欠であり、添加
気体の分圧と該有機バインダ蒸気の分圧とからなる全圧
が200Torr以下であることが好ましい。

また、射出成形体の存在する系内に連続的に添加した
気体の分圧は有機バインダ蒸気の分圧の２倍以上である
ことが好ましい。添加気体の分圧が有機バインダ蒸気の
分圧の２倍未満となると、排気系の実効排気速度の向上
効果は小さい。

以上のように、本発明においては、射出成形体の存在
する系内で射出成形体から発生する有機バインダ蒸気
に、更に有機バインダ蒸気以外の気体を添加することに
よって、有機バインダの蒸気圧又は有機バインダ蒸気の
分圧に影響を及ぼすことなく、排気系の実効排気速度を
向上させることができ、その結果、単位時間当たりに排
気しうる有機バインダ蒸気量（除去しうる有機バインダ
量と等価）を増加させることができる。

本発明における脱脂工程は射出成形体中の有機バイン
ダの少なくとも一部を除去するものであるから、必要に
応じて、本発明における脱脂工程に続いて公知の脱脂を
更に行うことができ、それによって脱脂を完結させるこ
とができる。

公知の脱脂方法としては、大気、不活性ガス、還元性
ガスおよび減圧の各雰囲気が利用できる。その昇温速度
は、通常、10℃／時〜10℃／分程度であり、その加熱最
高温度は、通常、400〜800℃程度である。

本発明で用いる無機材料粉末としては、金属またはセ
ラミックスの粉末が工業的な材料として好適であるが、
金属、セラミックス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の粉
末、およびセラミックス粉末、サーメット類の粉末を用
いることができ、必要に応じて、これらの粉末を分級、
混合して用いてもよい。ただし、金属粉末については、
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ので、アトマイズ法によって製
造する方が応用範囲が広いので好ましい。

また、これらの粉末の平均粒径が20μｍ以下であるこ
とが好ましく、７〜14μｍ程度のものを用いると、密度
が高いこと等の優れた焼結体特性が得られる利点がある
ため一層好ましい。

本発明で用いる無機材料粉末の組成系については、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
ックス系の構造材料あるいは磁性材料などの広範囲にわ
たる。

射出成形によって成形体を作製する際には、好ましく
は平均粒径が20μｍ以下の射出成形用無機材料粉末を成
形助剤としての有機バインダと混合・混練し、射出成形
用コンパウンドを調整する。

有機バインダとしては、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有機
バインダはいずれも適用可能応であり、また必要に応じ
て潤滑剤、脱脂促進剤等を添加してもよい。

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、蜜ろう、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。

可塑剤としては、有機バインダの主成分に応じて適宜
選択すればよく、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル（DO
P）、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、ワックス類を有機バ
インダ兼可塑剤として用いることもできる。

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
類を有機バインダ兼潤滑剤として用いることもできる。
また、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、このような有機バインダと無機材料粉末との混
合比は、体積％比で、通常30:70〜70:30程度である。

無機材料粉末と有機バインダとの混練方法としては、
特には制限がなく、加圧ニーダ、バンバリーミキサ、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、
必要に応じペレタイザ、粉砕機等を用いて造粒を行な
い、ペレットとして用いてもよい。

次いで、その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
出成形に用いられている射出成形機を用いて行えばよ
い。射出成形の際の射出圧力は通常500〜2500kgf/cm²程
度、温度は100〜180℃程度である。

次いで、その得られた成形体の脱脂処理を行う。本発
明における脱脂工程を行ない、必要に応じて、本発明に
おける脱脂工程に続いて公知の加熱脱脂を更に行うこと
ができ、それらの脱脂方法は前述の通りである。

本発明においては、このようにし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スなどの焼
結体を製造することができる。

本発明で用いる無機材料粉末の材質がステンレスであ
る場合には、10^-2〜10^-4Torrの減圧雰囲気中に、1050〜
1300℃で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℃で0.5〜２時間保持
して焼結することが好ましい。また、Fe、Fe−Ni系、Fe
−Co系などの酸化性の低い金属である場合には、水素ガ
ス等の還元性ガス中に800〜1300℃で0.5〜４時間保持し
て焼結することが好ましい。Fe−Si等の酸化性の高い金
属である場合には、ステンレスの場合と同様の方法で焼
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ス焼結体などを得ることが
できる。

＜実施例＞以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

（実施例１）平均粒径９μｍのSUS316組成の水アトマイズ粉末89.5
重量％と有機バインダ10.5重量％とよりなる射出成形体
を用意した。この有機バインダとして、アクリル樹脂20
重量％、ポリエチレン15重量％、エチレン−酢酸ビニル
共重合樹脂15重量％、パラフィンワックス25重量％、フ
タル酸エステル15重量％およびステアリン酸10重量％よ
り成るものを用いた。なお、コンパウンドの全体積に占
める水アトマイズ粉末の体積は54％であった。

射出成形温度は165℃であり、成形体の形状は外径6mm
×長さ35mmの円柱状とした。

真空乾燥器中にこの射出成形体を立てて置き、常温で
0.02Torrまで排気した後、排気バルブを閉じ、85℃まで
昇温させた。この時、真空乾燥器内の圧力は0.6Torrま
で上昇した。排気バルブを閉じたままて真空乾燥器内の
圧力の経時変化を調べたが、真空乾燥器内の圧力の変化
はほとんど認められなかった。従って、85℃での有機バ
インダの蒸気圧はおよそ0.6Torrと推定された。

次に、真空乾燥器内の温度を85℃に維持したままで、
再度排気バルブを開け、同時に、真空乾燥器内にニード
ルバルブを介してアルゴンガスを導入した。真空乾燥器
内の圧力は15Torrまで上昇した。この加熱（温度維
持）、排気およびアルゴンガス導入を６時間継続した
後、排気およびアルゴンガス導入を止め、次いで大気を
導入し、冷却した（本発明例１）。射出成形体を取り出
し、重量測定により、有機バインダ除去率を算出した結
果、その値は15.2重量％であった。

比較のため、アルゴンガス導入を行わなかった以外ま
ったく同様にして、脱脂を行った（比較例１）結果、有
機バインダ除去率は6.3重量％であった。この除去率を
本発明例１なみの15.2重量％まで高めるためには、さら
に加熱・排気を約12時間（合計約18時間）実施する必要
があった。

また、脱脂体の高さを測定した結果、本発明例１およ
び比較例１の各々の脱脂体の高さは、射出成形体の高さ
と有意差がなく、脱脂時の加熱による変形はなかったと
判断できた（注：脱脂時の変形は、成形体から脱脂体へ
の高さの減少として発見できる）。

以上の比較から明確なように、本発明により、脱脂時
の変形を抑制しながら脱脂効率を高めることができ、同
一脱脂時間でより多くの有機バインダを除去することが
できる。

さらに、本発明による効果を明確にするために、前述
のようにして作成した脱脂体（本発明例１および比較例
１）をさらに脱脂し、本発明例２および比較例２の脱脂
体を作成した。この脱脂においては、真空乾燥器内の温
度を85℃から115℃に変更した以外はそれぞれ本発明例
１および比較例１の場合と同様に実施した。

本発明例２および比較例２の場合の脱脂体の有機バイ
ンダ除去率は、各々、34.8重量％と21.6重量％であり、
脱脂体の高さを測定した結果、本発明例２では変形が観
察されなかったが、比較例２では、変形に起因する1.2
％の高さの減少が測定された。

本発明例２の脱脂体については、さらに＋３℃／分で
600℃まで昇温させ、１分間保持して脱脂を完結させ
た。

その後、0.001Torrの減圧下に１時間保持した後、ア
ルゴンガスを導入し、さらに、1340℃まで昇温させ、90
分間保持して焼結を行った。

得られた焼結体の寸法は、射出成形体と相似形のもの
であり、本発明によって寸法精度に優れる焼結部品が得
られることが明確になった。

以上の説明から明らかなように、本発明により寸法精
度に優れる焼結部品を、従来に比較して効率よく製造で
きる。

＜発明の効果＞本発明は以上説明したように構成されているので、成
形体、焼結体の形状を損なうことなしで、脱脂処理に要
する時間を短縮することに成功した。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22F 3/02 - 3/11 C04B 35/638

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】30〜70体積％の無機材料粉末と残部の有機
バインダとからなるコンパウンドを射出成形して射出成
形体を得る工程、該射出成形体から有機バインダの一部
または全部を除去して脱脂体を得る脱脂工程、該脱脂体
を加熱雰囲気中で焼結して焼結体を得る工程を含む焼結
体の製造方法であって、該脱脂工程において、該射出成
形体を射出成形温度よりも低い温度域で加熱すると同時
に、該射出成形体の存在する系内に該有機バインダに不
溶な物質の気体を連続的に添加し、且つ該射出成形体の
存在する系内の添加気体の分圧と有機バインダ蒸気の分
圧とからなる全圧を大気圧よりも低い状態に維持するよ
うに、該添加気体と該有機バインダ蒸気との混合ガスを
該射出成形体の存在する系の外へ連続的に排気すること
により、射出成形体中の有機バインダの少なくとも一部
を除去することを特徴とする焼結体の製造方法。
【請求項２】該無機材料粉末が金属またはセラミックス
の粉末である請求項１に記載の焼結体の製造方法。
【請求項３】該添加気体が空気または不活性ガスである
請求項１または２に記載の焼結体の製造方法。
【請求項４】該添加気体の分圧が該有機バインダ蒸気の
分圧の２倍以上である請求項１〜３のいずれかに記載の
焼結体の製造方法。
【請求項５】該添加気体の分圧と該有機バインダ蒸気の
分圧とからなる全圧が200Torr以下である請求項１〜４
のいずれかに記載の焼結体の製造方法。