JP3099357B2

JP3099357B2 - 金属、セラミックス等の粉体の成形方法

Info

Publication number: JP3099357B2
Application number: JP02288385A
Authority: JP
Inventors: 浩明西尾; 道貴佐藤; 朗高瀬
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1990-05-29
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 2000-10-16
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: JPH04127998A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は金属、セラミックス等の粉体から異方収縮
の少ない成形体を効率よく得る方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

冷間静水圧プレス法（以下CIP法と略称する。）は金
属、セラミックス等の粉体をゴム等の弾性モールド内に
充填、密閉し、水、油等の加圧媒体を用い常温で静水圧
をかけ均一な成形体を作製する方法として、よく知られ
ている。しかし、所望の形状の成形体を得るためには粉
体の重量により弾性モールドに変形を生じないような工
夫が要求される。

このために弾性モールドにある程度の厚みと強度を持
たせる方法が知られている。

一方、特公昭62−297402号公報では、所定形状の薄肉
の弾性モールド及び、これと相似の内面形状を有する通
気性のモールド支持体を用意し、モールド支持体の内部
に薄肉の弾性モールドを挿入して使用する方法を開示し
ている。この方法においては、モールド支持体を負圧に
保持することによって薄肉の弾性モールドをモールド支
持体内面に密着させて形状保持したモールドに、原料粉
体を充填し、脱気し密閉した後前記通気性モールド支持
体を外し、薄肉弾性モールドを冷間静水圧プレス処理
し、薄肉弾性モールドを除去し、成形体を作製する方法
が記載されている。

また、本発明者らは成形所望形状の模型の表面に少な
くとも１個所の開口部を有する薄肉弾性モールドを形成
し、ついでその外面に密着するように軽接着性のモール
ド支持体を形成し、前記模型を薄肉弾性モールドから除
去して得られたキャビティに前記開口部から金属、セラ
ミックス等の成形材料粉体を充填し、脱気、封入を施し
てから冷間静水圧プレス処理することを特徴とする金
属、セラミックス等の粉体の成形方法を既に完成してい
る（特願平１−96458号明細書）。

〔発明が解決しようとする課題〕

弾性モールドに厚みと強度をもたせる方法は弾性モー
ルドの加圧に対する収縮の程度が内部の粉体の充填体の
加圧に対する収縮の程度と異なるので、弾性モールド、
充填体とも等方収縮しない。このため、所望の形状、寸
法精度を得るために、成形体に多大の機械加工を加える
必要がある。

一方、薄肉の弾性モールドの外側を通気性モールド支
持体で支持する方法を用いると、前記のある程度の厚み
と強度を有する弾性モールドを用いてCIPする場合と比
較すれば、著しい精度の向上が見られる。しかし、差圧
を利用して薄肉弾性モールドを拡げ通気性モールド支持
体内面に密着させているので薄肉弾性モールドが相似形
状の通気性モールド支持体内面の対応する位置に移動し
ないまま拡がる現象がしばしば起きる。これをそのまま
CIP処理を施すと異方収縮し、しわ発生の原因となる。
この問題は所望の形状が複雑になればなるほど顕著とな
る。

また、本発明者らが既に完成した成形方法は、封止性
能に優れた薄肉弾性モールドを形成するのに労力と時間
がかかる。例えば薄肉弾性モールドはゴムの原液の塗布
と乾燥を５〜20回繰り返して形成される。この労力とと
もに５〜20時間の長時間を必要とする。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたも
のであり、成形所望形状の模型の表面に少なくとも１箇
所の開口部を有する塑性モールドを形成し、模型を除去
して得られた該塑性モールドもキャビティに、前記開口
部から金属、セラミックス等の成形材料粉体を充填し、
これを圧媒容器により封止してから冷間静水圧プレス処
理することによって解決される。

成形所望形状の模型は、単体あるいは分割によって塑
性モールド内から取出し可能な場合は、変形しにくい材
料であればよく、きわめて広範な材料選択の可能性があ
る。金属、セラミックス、プラスチック、木材等が対象
となる。

一方、分割しても取出しが困難な場合は、塑性モール
ドの機能に支障をきたさない範囲で、溶融、溶解、昇華
等によって取出しあるいは消失可能な材料を選ぶ。ワッ
クス等溶融により除去できる材料、PVA、PVB、PEG、M
C、CMC、尿素、尿素樹脂、水溶性ワックス等、水あるい
は有機溶媒に溶解させて除去できる材料、ナフタリンの
ように昇華により消失できる材料等が適用できる。ま
た、強度、剛性等の調節のために、これらの材料に金
属、セラミックス、プラスチック、木材等の粉を混合し
てもよい。

これらの材料を所望形状の模型にする方法に特に制約
はない。大塊を機械加工してもよい。材料を溶融して所
望形状のモールドに鋳込んでもよい。溶融あるいは半凝
固状態で射出成形してもよい。

塑性モールドを溶融分離する場合、溶融体が成形体の
空隙に侵入する恐れがあるときは、塑性モールド形成に
先立って、模型表面に侵入防止用の膜を形成させておく
ことが好ましい。例えば、パラフィンワックスで塑性モ
ールドを形成する場合、ナイロン、シリコーンゴム、天
然ゴム等の原液を模型表面に塗布するのが効果的であ
る。

塑性モールドは冷間静水圧プレス処理等に外部から加
えた圧力を内部に充填された粉体に伝達する役割を担う
が、粉体層が変形を開始する圧力よりも低い圧力で塑性
変形を開始する材料で構成されねばならない。

さもないと粉体層の等方収縮が保証されず、したがっ
て寸法精度の高い成形体は得られないからである。特に
粉体が微粉を造粒した顆粒にしてある場合には塑性モー
ルドは0.5kg/cm²程度の低い圧力で塑性変形を開始せね
ばならない。

塑性モールド用の材料としては上記の条件を満たせば
特にそれ以上の限定はなく広範な材料の適用が可能であ
る。例えばみつろう、ラノリン、鯨ろう、モンタンワッ
クス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワッ
クス、ポリエチレンワックス、フィッシャー・トロプシ
ュワックス、モンタンワックス誘導体、パラフィンワッ
クス誘導体、マイクロクリスタリンワックス誘導体等の
各種ワックス、ラウリン酸、パルミチン酸、ステアリン
酸、セロチン酸等の飽和モノカルボン酸、フマル酸、マ
レイン酸等の不飽和カルボン酸、あるいはこれらを主成
分とした混合物、油土、低融点合金が挙げられる。

模型が取出しが困難な形状の場合には、模型の崩壊除
去が必要になるが、崩壊除去によって塑性モールドが損
傷を受けない材料が選択されねばならない。例えば、模
型が水溶性の材料で構成され、水によって溶解除去され
る場合には、塑性モールドには水に侵されず、かつ適用
される温度で軟化あるいは溶融しない材料が選択されね
ばならない。例えば、模型を加熱によって溶融除去する
場合には、適用される温度で同様の制約が課せられる。

CIP処理時、外圧は塑性モールドを介して粉体に伝え
られるが、粉体との接触界面において塑性モールドは、
粉体を構成する粒子の隙間に侵入しようとする。侵入す
ると、離型が困難になる。すなわち、塑性モールドを機
械的に破壊して除去する場合、成形体表面が剥離する。

また、加熱溶融により塑性モールドを除去する場合に
は成形体表面の粒子が同時に流出するのである。この塑
性モールドの成形体への侵入を防ぐ手段として、塑性モ
ールド材料を有機高分子粒子に吸収させた膨潤粒子集合
体を塑性モールドとする方法は有効である。膨潤粒子の
粒径を50〜5000μｍとすることにより、成形体への侵入
は防止される。好ましい粒径は200〜1000μｍである。

このような塑性モールドには、例えば塑性モールド材
料として尿素80重量％、水20重量％の融液を調製し、こ
れをアクリル酸ソーダ重合体粒子0.5重量％に吸収させ
て得た膨潤粒子が適用できる。また、塑性モールド材料
として例えば、セチルアルコールを採用し、これをアク
リル系吸油樹脂粒子に吸収させて得た膨潤粒子も適用で
きる。

この塑性モールドは少なくとも１箇所の開口部を有す
る。この開口部は金属、セラミックス等の成形材料粉体
を投入するためのものであり、成形材料粉体を成形形状
に充填することができれば開口部の位置、大きさ、形状
等は問わない。

塑性モールドは模型を用いて公知の手段に従って形成
することができる。例えば模型を適当な容器内に吊り下
げて前記の塑性モールド用材料を溶融状態で流し込めば
よい。

こうして得られた塑性モールドのキャビティに金属、
セラミックス等の成形材料粉末を塑性モールドの開口部
から充填する。金属、セラミックス等の種類はCIPによ
って成形可能なものであればよく、例えば、ステンレス
鋼粉、高速度鋼粉、タングステンカーバイト・コバルト
混合粉、アルミナ粉、窒化ケイ素粉、炭化ケイ素粉、２
ホウ化チタン粉等である。これらは必要により２種以上
を混合して使用することもできる。粒径は10〜1000μｍ
程度のものが好ましい。

10μｍ未満の粉体は凝集し易く均一な充填密度を得る
ことが困難なので、造粒することにより適用が可能とな
る。微粉を造粒し、顆粒として利用するために、有機バ
インダーを添加する場合、従来、成形用粉体100容積部
に対して２〜８容積部の有機バインダーが添加されてい
た。ところが、本発明者らは10〜100容積部、好ましく
は20〜80容積部の有機バインダーを添加することによっ
て前述のCIP処理時の塑性モールドの成形体への侵入を
防止することができることを見出した。すなわち、上述
のように有機バインダーを成形用粉体100容積部に対し
て20〜80容積部添加しておくことによって、CIP処理時
の圧密により顆粒が崩れて一次粒子に戻り、一次粒子の
間隙を有機バインダーが埋めるようになる。この結果、
間隙を埋めた有機バインダーが、塑性モールドの侵入を
防ぐのである。20容積部未満だとこの効果は不十分とな
り、また80容積部を越えると有機バインダーが粉体の圧
密を阻害するようになるので好ましくない。有機バイン
ダーとしてパラフィンワックス、PVA、PVB、CMC、酢酸
ビニル等が適用できる。

また、10〜1000μｍ程度の金属粉体を成形する場合に
は、成形材料粉体として見掛け密度が真密度の20％以上
60％以下、すなわち80〜40％の気孔を有する多孔質粉体
を適用することが好ましい。すなわち、このような粉体
は圧密によって粒子が変形し、粒子同士がからみあい、
保形強度の高い成形体が得られる。この結果、表面から
塑性モールドが侵入しても離型時に表面に欠陥を生じに
くくなるのである。このような金属粉体はいろいろな方
法で得られるが、例えば水アトマイズ法によって製造さ
れた鉄粉、銅粉、空気アトマイズ法によって製造された
アルミニウム粉がある。スポンジチタン粉も好適であ
る。

塑性モールド材料には、要求される物性等に応じて種
々の添加剤、例えば窒化ケイ素の場合、アルミナ、イッ
トリア等を添加することもできる。

封止手段としては、圧媒容器を使用することができ
る。圧媒容器は、CIPで使用される加圧媒体である水、
油等を浸透させずに内部の塑性モールドに圧力を伝達す
る働きをし、形状復帰能力のある弾性容器であっても形
状復帰能力のない薄肉袋であってもよい。前者の弾性容
器は天然ゴム、またはスチレンブタジエンゴム、ポリイ
ソピロピレンゴム、イソブチレンゴム、イソプレンゴ
ム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の合成ゴムから作
る。後者の薄肉袋は、上記のゴムのほか、ナイロン、ポ
リエチレン、EVA等の軟質のプラスチックでもよい。

弾性容器の場合、容器本体と蓋とから構成し、容器本
体内に塑性モールドと成形材料粉体収納後、蓋をして封
入が完成する。薄肉袋の場合には、成形材料粉体入りの
塑性モールドを収納後、袋の口を治具で挟圧あるいはし
ばって封入が完成する。封入の前に脱気して粉体の空隙
の空気を除去してもよい。

圧媒容器により封止する代わりに、別の封止方法を採
用してもよい。すなわち、塑性モールドのキャビティに
成形材料粉体を充填後、開口部を塑性材料（塑性モール
ド材料と同一材料であってもよいし、また異なってもよ
い。）を溶融または半溶融状態にして封止してもよい。
そして、このままCIP処理してもよいし、さらに圧媒容
器に入れて２重に封止してもよい。

CIPにおける塑性モールドの塑性変形を容易にするた
めにCIPに先立って加熱を行ってもよい。また、CIP処理
中の温度低下を避けるために、あらかじめ熱媒液を入れ
た容器中に処理物を浸漬し、所定の温度に調節後、熱媒
液容器ごとCIP処理してもよい。

CIPは公知のCIP処理装置を用いて行えばよい。処理条
件も公知の方法と同様でよく、100〜10000kg/cm²、好ま
しくは1000〜5000kg/cm²程度で１〜30分程度最高圧で加
圧すればよい。加圧媒体は必要により加温することがで
きる。加温する場合には塑性モールドの軟化点以下にと
どめる。CIP処理後は、内容物を取り出し、成形体と塑
性モールドを分離する。塑性モールドが阻害しない場合
にはそのまま成形体を取り出せばよい。塑性モールドが
取り出しを阻害する場合には、機械的に塑性モールドを
破壊してもよい。また、加熱して溶融後、成形体を取り
出してもよい。

〔作用〕

モールドに塑性材料を使用することにより冷間静水圧
プレス時に、外部にかかる液圧を内部の成形体に伝え、
成形体に等方的な圧力を付与している。

〔実施例〕

実施例１第４図に示す直径40mm、長さ100mmのシャフト、直径1
20mm、厚さ40mmのディスク及び直径120mm、厚さ40〜60m
mの異形ディスクの組合せからなるキャビティを有する
シリコーンゴム製のモールドを用意した。100℃の沸騰
水の浴にステンレス鋼製ビーカーを入れ、水15重量部及
び尿素85重量部を投入して溶解した。この水溶液を第４
図のモールド１に流し込み、１時間放冷した。そして脱
型して水溶性の模型を得た。

この模型を第１図に示すウレタンゴム製弾性容器２に
吊るした。融点48℃から50℃のパラフィンワックスを60
℃に調節して融液を得、これを間隙に流し込んで放冷し
て塑性モールド３を得た。ついでこれを40℃の温水に浸
漬し30分放置したところ模型の溶出が確認された。乾燥
後、これを振動テーブルにのせ、振動を与えながら粒径
0.7μｍのアルミナ粉を造粒したPVA25容積％を含有する
アルミナ顆粒を充填し、充填層４を得た。そしてウレタ
ンゴム製蓋５をかぶせて封入した。これを圧力5000kg/c
m²でCIP処理した。処理物を取り出して熱風乾燥機で60
℃に加熱したところ塑性モールド３が溶け落ちた。こう
して成形体が得られた。

この成形体は模型に対して線収縮率で28.6％であり、
均等収縮し転写性も良好であった。

実施例２実施例１と同様にして得た模型を金属製の容器に吊る
した。融点48℃から50℃のパラフィンワックスを60℃に
調節して融液を得、これを間隙に流し込んで放冷し、塑
性モールド３を得た。ついでこれを40℃の温水に浸漬
し、30分間放置したところ模型の溶出が確認された。乾
燥後、これを振動テーブルにのせ、振動を与えながらPV
A25容積％を含有するアルミナ顆粒を充填し、充填層４
を得た。これを第２図のように天然ゴム製の袋６に入れ
て、止め金７で口を封入した。

これを圧力5000kg/cm²でCIP処理した。処理物を袋６
から取り出して熱風乾燥機で60℃に加熱したところ塑性
モールド３が溶け落ちた。こうして成形体が得られた。

実施例３実施例１と同様にして得た模型４個を第３図に示すウ
レタンゴム製弾性容器２に吊るした。融点48℃から50℃
のパラフィンワックスを60℃に調節して融液を得、これ
を間隙に流し込んで放冷して塑性モールド３を得た。つ
いでこれを40℃の温水に浸漬し30分放置したところ模型
の溶出が確認された。乾燥後、これを振動テーブルにの
せ、振動を与えながらPVA25容積％を含有するアルミナ
顆粒を充填し、充填層４を得た。そしてウレタンゴム製
蓋５をかぶせて封入した。これを圧力5000kg/cm²でCIP
処理した。処理物を取り出して熱風乾燥機で60℃に加熱
したところ塑性モールド３が溶け落ちた。こうして成形
体４個が得られた。

これらの成形体は模型に対して線収縮率で28.5〜28.7
％の範囲にあり、均等収縮し転写性も良好であった。

実施例４みつろう100重量部を90℃に加熱して融液とし、これ
に粒径300μｍのアクリル系樹脂粉15重量部を加えて５
時間加熱しながら撹拌を続けたところ、みつろうが吸収
され膨潤粒子が得られた。

次に、実施例１と同様にして水溶性の模型を得た。こ
の模型を第１図に示すウレタンゴム製弾性容器２に吊る
した。そして、この間隙に上述の膨潤粒子を流し込んで
放冷して塑性モールド３を得た。ついで、これを40℃の
温水に浸漬して30分放置したところ、模型の溶出が確認
された。乾燥後、振動テーブルにのせ、振動を与えなが
らPVA4容積％含有するアルミナ顆粒を充填し、充填層４
を得た。そして、ウレタンゴム製蓋５を被せて封入し、
圧力5000kg/cm²でCIP処理した。処理物を取り出して熱
風乾燥機で110℃に加熱したところ、塑性モールド３が
溶け落ちた。こうして、成形体が得られた。

この成形体は模型に対して線収縮率28.6％であり、均
等収縮し転写性も良好であった。

比較例１実施例１と同様にして得た塑性モールド１に、PVA4容
積％含有するアルミナ顆粒を充填し、充填層４を得た。
そして、ウレタンゴム製蓋５を被せて封入し、圧力5000
kg/cm²でCIP処理した。処理物を取り出して熱風乾燥機
で60℃に加熱したところ、塑性モールド３が溶け落ち
た。しかし、同時に表面に剥離が多数生じ、膚荒れも観
察された。

実施例５実施例１と同様にして得た塑性モールド１に見掛け密
度1.1g/cm³、平均粒径55μｍのスポンジチタン粉末を振
動を与えながら充填し、充填層４を得た。これにウレタ
ンゴム製蓋５をかぶせて封入し、圧力5000kg/cm²でCIP
処理した。処理物を取り出して熱風乾燥機で60℃に加熱
したところ、塑性モールド１が溶け落ちた。こうして、
成形体が得られた。

この成形体は模型に対して線収縮率で35.0％であり、
均等収縮し、転写性も良好であった。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、容易に成形できる
塑性モールドを適用したので、従来５〜20時間かかった
モールド形成工程を約１時間に短縮できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はいずれも本発明の実施例においてCIP
装置に装入する直前の状態を示す断面図であり、第４図
は実施例で使用した模型を製造するモールドの断面図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−136902（ＪＰ，Ａ) 特開平１−108302（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B30B 11/00 B22F 3/04 B28B 3/00 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】成形所望形状の模型の表面に少なくとも１
箇所の開口部を有する塑性モールドを形成し、模型を除
去して得られた該塑性モールドのキャビティに、前記開
口部から金属粉体、セラミック粉体等の成形材料を充填
し、これを封止してから冷間静水圧プレス処理すること
を特徴とする金属、セラミックス等の粉体の成形方法
【請求項２】塑性モールド材料を有機高分子粒子に吸収
させた膨潤粒子集合体を塑性モールドとすることを特徴
とする請求項（１）に記載の方法
【請求項３】成形材料が金属、セラミックス等の微粉と
該微粉100容積部に対して、20容積部以上80容積部以下
の量の有機バインダーとからなる顆粒である請求項
（１）に記載の方法
【請求項４】成形材料が見掛け密度が真密度の20％以上
60％以下の多孔質の金属粉体である請求項（１）に記載
の方法