JP3721799B2

JP3721799B2 - メガネフレームの製造方法

Info

Publication number: JP3721799B2
Application number: JP26212598A
Authority: JP
Inventors: 英光中山; 輝彦若林
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP2000087105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末を焼結してなる焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属粉末を含む成形体を焼結して金属製品を製造するに際し、成形体の製造方法として、金属粉末と有機バインダーとを混合、混練し、この混練物を用いて射出成形する金属粉末射出成形（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）法が知られている。
【０００３】
このＭＩＭ法により製造された成形体は、脱脂処理（脱バインダー処理）が施されて有機バインダーが除去された後、焼結に供される。
【０００４】
このような方法により製造される金属製品としては、例えば、メガネフレーム、腕時計外装部品、ゴルフクラブのヘッド、歯列矯正用部品、インプラント等の歯科用部品が挙げられるが、メガネフレームのように薄肉、棒状または枠状の部分を有するものでは、強度不足等が原因で脱脂時や焼結時に変形を生じ易く、寸法精度が低いものとなる。
【０００５】
また、このような薄肉、棒状または枠状の部分を有するものでは、金属粉末射出成形時に、成形型のキャビティ内における成形材料の通路が狭く、また、ゲートの位置や断面積に制約を受けるために、成形材料の流動性、拡散性が劣り、よって、成形体の各部の密度が不均一となる。その結果、このような成形体から得られた焼結体は、変形、ワレ、ヒケ等の焼結欠陥が生じ易い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、脱脂時や焼結時における変形を防止し、焼結欠陥のない良好な焼結体を得ることができる焼結体の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（４）の本発明により達成される。
【０００８】
（１）金属粉末と結合材とを用いて金属粉末射出成形法によりメガネフレームを製造する方法において、
前記メガネフレームとなる部分と、前記メガネフレームを補強する補強部材となる部分とを一体的に成形する工程と、
前記成形により得られた成形体に脱脂処理を施す工程と、
前記脱脂処理により得られた脱脂体を焼結して焼結体を製造する工程とを有し、
前記補強部材は、前記メガネフレームを構成する左右のレンズ枠同士を連結するタイバー状のブリッジと、前記メガネフレームを構成する左右のレンズ枠の内部の全体を埋めるように形成された板状部とを有し、前記成形体を成形する工程において、前記板状部に形成されてなるゲートを介して金属粉末と結合材とを注入し、金属粉末射出成形法を行うことを特徴とするメガネフレームの製造方法。
【０００９】
（２）さらに、得られた焼結体から前記補強部材の部分を除去する工程を有する上記（１）に記載のメガネフレームの製造方法。
【００１０】
（３）機械加工、放電加工、レーザ加工、エッチングのうちの少なくとも１つの方法により前記補強部材の部分を除去する上記（２）に記載のメガネフレームの製造方法。
【００１７】
（４）前記板状の補強部材となる部分にリブが形成される上記（１）に記載の焼結体の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の焼結体の製造方法について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の焼結体の製造方法の実施形態を示す工程図、図２および図３は、それぞれ、メガネフレーム（成形体、目的焼結物）の構成を示す正面図および断面図である。以下、焼結体の製造方法の実施形態について、各図を参照しつつ説明する。
【００２０】
［１Ａ］成形体の製造
成形体の製造方法は、特に限定されず、通常の圧粉成形等によるものでもよいが、本発明では、金属粉末射出成形（ＭＩＭ）法により製造されたものが好ましい。
【００２１】
この金属粉末射出成形法は、比較的小型のものや、複雑で微細な形状の金属焼結品を製造することができ、また、その機械的強度も高いという利点を有するので、本発明を適用する上でその効果が有効に発揮され、好ましい。
【００２２】
以下、ＭＩＭ法による成形材料の調製および成形体の製造について説明する。
【００２３】
まず、金属粉末と結合材（有機バインダー）とを用意し、これらを混練機により混練し、混練物（コンパウンド）を得る。
【００２４】
金属粉末を構成する金属材料（以下単に「金属材料」と言う）としては、特に限定されず、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等のうちの少なくとも１種、あるいはこれらのうちの少なくとも１種を含む（主とする）合金が挙げられる。
【００２５】
特に、目的焼結物がメガネフレームである場合、金属粉末としては、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ６３０）に代表されるＦｅ系合金、ＴｉまたはＴｉ系合金が好ましい。
【００２６】
Ｔｉ系合金を構成するＴｉ以外の金属としては、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕのうちの１種または２種以上が挙げられる。この場合、Ｔｉ以外の金属の合計含有量は、６０wt％以下であるのが好ましく、５０wt％未満であるのがより好ましい。
【００２７】
また、金属粉末の平均粒径は、特に限定されないが、１５０μｍ以下が好ましく、通常、０．１〜６０μｍ程度がより好ましい。平均粒径が大き過ぎると、他の条件によっては、焼結密度が低下することがある。
【００２８】
なお、金属粉末の製造方法は、特に限定されず、例えば水またはガスアトマイズ法、還元法、カルボニル法、粉砕法により製造されたものを用いることができる。
【００２９】
結合材としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体などのポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリビニルアルコール、またはこれらの共重合体等の各種樹脂や、各種ワックス、パラフィン、高級脂肪酸（例：ステアリン酸）、高級アルコール、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸アミド等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。
【００３０】
また、混練物中には、可塑剤が添加されていてもよい。この可塑剤としては、例えば、フタル酸エステル（例：ＤＯＰ、ＤＥＰ、ＤＢＰ）、アジピン酸エステル、トリメリット酸エステル、セバシン酸エステル等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。
【００３１】
なお、前記混練に際しては、前記金属粉末、結合材、可塑剤の他に、例えば、潤滑剤、酸化防止剤、脱脂促進剤、界面活性剤等の各種添加物を必要に応じ添加することができる。
【００３２】
混練条件は、用いる金属粉末の金属組成や粒径、結合材、添加剤の組成およびその配合量等の諸条件により異なるが、その一例を挙げれば、混練温度：２０〜２００℃程度、混練時間：２０〜２１０分程度とすることができる。混練物は、必要に応じ、ペレット（小塊）化される。ペレットの粒径は、例えば、１〜１０mm程度とされる。
【００３３】
次に、前記で得られた混練物または該混練物より造粒されたペレットを用いて、射出成形機により射出成形し、所望の形状、寸法の成形体を製造する。この場合、成形金型の選択により、複雑で微細な形状の成形体をも容易に製造することができる。
【００３４】
以下、目的とする焼結物（金属焼結製品）として、メガネフレームを製造する場合について説明する。
【００３５】
図２および図３に示すように、ＭＩＭ法により製造される成形体１は、メガネフレーム（目的焼結物）となる部分（以下、「メガネフレーム部分２」と言う）と、該メガネフレーム部分２を補強する補強部材となる部分とで構成されている。
【００３６】
メガネフレーム部分２は、主に、左右一対のレンズ枠３、４と、レンズ枠３、４の中間に位置し、これらを連結する連結部５とで構成されている。
【００３７】
メガネフレーム部分２を補強する補強部材となる部分は、４箇所設けられている。すなわち、左右のレンズ枠３、４同士をそれらの図２中上部で連結するタイバー状の上ブリッジ（連結部材）６と、左右のレンズ枠３、４同士をそれらの図２中下部で連結するタイバー状の下ブリッジ（連結部材）７と、左レンズ枠３の内部に形成された左プレート（板状の補強部材）８と、右レンズ枠４の内部に形成された右プレート（板状の補強部材）９の４つが、それぞれ、メガネフレーム部分２を補強する補強部材となる部分である。
【００３８】
この場合、左プレート８は、左レンズ枠３の内部（内側部分）の全体を埋めるように形成され、右プレート９は、右レンズ枠４の内部（内側部分）の全体を埋めるように形成されている。このような左プレート８および右プレート９を設けることにより、左レンズ枠３および右レンズ枠４が後述する脱脂時や焼結時に目的形状と異なる形状に変形（以下単に「変形」と言う）することが防止される。
【００３９】
また、上ブリッジ６および下ブリッジ７を設けることにより、メガネフレーム部分２全体の変形が防止され、特に、左右のレンズ枠３、４同士の位置関係を適正にすることができる。
【００４０】
このような上ブリッジ６、下ブリッジ７、左プレート８および右プレート９は、いずれも、金属粉末射出成形により、メガネフレーム部分２と一体的に成形される。
【００４１】
左プレート８および右プレート９の正面側には、それぞれ、リング状の凸部よりなるリブ８１および９１が形成されている。このリブ８１および９１は、主に、左プレート８および右プレート９の厚さ方向の変形を防止する機能を有する。従って、リブ８１、９１を設けることにより、左レンズ枠３および右レンズ枠４の変形をより確実に防止することができる。
【００４２】
また、金属粉末射出成形時の成形材料の成形型内への注入は、左プレート８の中央付近および右プレート９の中央付近の２箇所をゲートとして行われる。従って、図２、図３に示すように、成形体１は、左プレート８および右プレート９の背面側のほぼ中央部に、それぞれ、成形型のゲートに対応する凸状のゲート跡８２および９２が形成されている。これにより、成形材料を左プレート８および右プレート９の部分を経て成形体１の全体に均一に流動、拡散させることができる。また、ゲート断面積、すなわちゲート跡８２および９２の横断面積をより大きくとることができる。このようなことから、成形欠陥を有効に防止できるとともに、成形体１の密度を均一にすることができる。よって、後述する脱脂時や焼結時に成形体（脱脂体）１が変形することが防止されるとともに、ワレ、ヒケ等の焼結欠陥の発生も防止される。
【００４３】
なお、製造される成形体１の形状、寸法は、以後の脱脂および焼結による成形体１の収縮分を見込んで決定される。
【００４４】
金属粉末射出成形の成形条件としては、用いる金属粉末の金属組成や粒径、結合材の組成およびその配合量等の諸条件により異なるが、その一例を挙げれば、材料温度が好ましくは２０〜２００℃程度、射出圧力が好ましくは３０〜１５０kgf/cm²程度とされる。
【００４５】
このようにして得られた成形体１は、結合材中に金属粉末がほぼ均一に分散した状態となっている。
【００４６】
なお、メガネフレーム部分２を補強する補強部材となる部分の形状、設置位置、個数等は、図示のものに限定されない。特に、左レンズ枠３、右レンズ枠４の内部に補強部材を形成する場合、図示のような板状のものに限らず、例えば、その端部が左レンズ枠３、右レンズ枠４に連結、一体化された少なくとも１本の棒状体であってもよい。
【００４７】
メガネフレーム部分２の形状も、図示のものに限定されず、例えば、ナイロールタイプのもの（左レンズ枠３および右レンズ枠４の下半分がないもの）であってもよい。この場合でも、両レンズ枠を連結する連結部材や、両レンズ枠の内側を埋める板状の補強部材を設けるのが好ましい。
【００４８】
なお、目的とする焼結物（金属焼結製品）は、メガネフレームに限らないことは、言うまでもない。
【００４９】
［２Ａ］成形体の脱脂処理
前記工程［１Ａ］で得られた成形体１に対し、脱脂処理（脱バインダー処理）を施す。
【００５０】
この脱脂処理としては、非酸化性雰囲気、例えば真空または減圧状態下（例えば１×１０^−１〜１×１０^−６Torr）、あるいは窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス中で、熱処理を行うことによりなされる。
【００５１】
この場合、熱処理条件としては、好ましくは温度１５０〜７５０℃程度で０．５〜４０時間程度、より好ましくは温度２５０〜６５０℃程度で１〜２４時間程度とされる。
【００５２】
また、このような熱処理による脱脂は、種々の目的（例えば脱脂時間の短縮の目的）で、複数の工程（段階）に分けて行われてもよい。この場合、例えば、前半を低温で、後半を高温で脱脂処理するような方法や、低温と高温を繰り返し行う方法が挙げられる。
【００５３】
なお、この脱脂処理は、結合材や添加剤中の特定成分を所定の溶媒（液体、気体）を用いて溶出させることにより行ってもよい。
【００５４】
前述したように、成形体１の密度が均一となっているため、このような脱脂処理を行った際に、成形体１中からの脱脂が均一になされ、補強部材の補強効果とも相まって、変形が防止される。
【００５５】
［３Ａ］焼結
以上のようにして得られた脱脂体を焼結炉で焼成して焼結し、金属焼結体を製造する。
【００５６】
この焼結により金属粉末が拡散、粒成長して結晶粒となり、全体として緻密な、すなわち高密度、低空孔率の焼結体が得られる。
【００５７】
焼結における焼結温度は、特に限定されないが、例えば、金属組成がＦｅまたはＦｅ系合金の場合、好ましくは９５０〜１４５０℃程度、より好ましくは１１００〜１４００℃程度とされ、ＴｉまたはＴｉ系合金の場合、好ましくは９００〜１３５０℃程度、より好ましくは１０００〜１３００℃程度とされる。
【００５８】
焼結時間は、前述したような焼結温度の場合、好ましくは０．５〜８時間程度、より好ましくは１〜５時間程度とされる。
【００５９】
また、焼結雰囲気は、水素を含まない非酸化性雰囲気とされるのが好ましい。これにより、焼結時の安全性が向上するとともに、焼結体の空孔率の低減に寄与する。
【００６０】
好ましい焼結雰囲気としては、１×１０^−２Torr以下（より好ましくは１×１０^−２〜１×１０^−６Torr）の減圧（真空）下、または１〜７６０Torrの窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気であるのが好ましい。
【００６１】
なお、焼結雰囲気は、焼結の途中で変化してもよい。例えば、最初に１×１０^−２〜１×１０^−６Torrの減圧（真空）下とし、途中で前記のような不活性ガスに切り替えることができる。
【００６２】
以上のような条件で焼結を行うことにより、さらなる空孔率の低減、すなわち焼結体の高密度化に寄与するとともに、高い寸法精度が得られ、また、焼結の効率が良く、より短い焼結時間で焼結を行うことができ、焼結作業の安全性も高く、生産性も向上する。
【００６３】
また、焼結は、２段階またはそれ以上で行ってもよい。例えば、焼結条件の異なる第１の焼結と第２の焼結とを行うことができる。この場合、第２の焼結の焼結温度を、第１の焼結の焼結温度より高い温度とすることができる。これにより、焼結の効率がさらに向上し、空孔率の更なる低減を図ることができる。
【００６４】
前述したように、成形体（脱脂体）１の密度が均一となっているため、このような焼結を行った際に、焼結（粒成長）が均一に進行する。よって、成形体（脱脂体）１は均一に収縮し、補強部材の補強効果とも相まって、変形、ワレ、ヒケ等の焼結欠陥が防止される。
【００６５】
［４Ａ］補強部材の除去
以上のようにして得られた焼結体は、メガネフレームの部分と補強部材の部分とが一体化されたものとなっている。そこで、焼結体から不要部分である補強部材の部分（上ブリッジ６、下ブリッジ７、左プレート８および右プレート９）を除去する。
【００６６】
補強部材の部分を除去する方法は、特に限定されないが、例えば、打ち抜き加工（プレス打ち抜き加工）、切断加工、切削加工、研削加工のような各種機械加工や、放電加工、レーザ加工、エッチングが挙げられ、これらのうちの１または２以上の方法を組み合わせて行うことができる。このなかでも、工程時間の短縮（生産性の向上）のためには、プレス打ち抜き加工、切断加工、切削加工、研削加工のような機械加工や、放電加工、レーザ加工が特に好ましい。
【００６７】
また、必要に応じ、メガネフレームの補強部材が除去された部分に対し、研削加工、研磨加工、薬品処理等の後処理を施すことができる。
【００６８】
なお、本発明においては、任意の目的で、工程［１Ａ］の前工程、工程［１Ａ］〜［４Ａ］の間に存在する中間工程、または工程［４Ａ］の後工程が存在していてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、成形体に目的焼結物を補強する補強部材となる部分を設けたことにより、脱脂時や焼結時における変形を防止し、高い寸法精度の金属焼結品を得ることができる。
【００７０】
特に、金属粉末射出成形により成形体を製造する場合、成形時の成形材料の流動性、拡散性を向上し、成形欠陥を防止することができるとともに、成形体の各部の密度を均一にすることができ、その結果、変形、ワレ、ヒケ等の焼結欠陥を防止することができる。よって、金属焼結品の機械的強度の向上、品質向上が図れる。
【００７１】
また、金属粉末射出成形により成形体を製造する場合、ゲート位置を補強部材となる部分に設定することができ、ゲート位置の制約が少なくなるため、形状の自由度が増す。特に、成形材料の流動、拡散に有利なようにゲート位置を設定したり、ゲート断面積を大きくとったりすることができ、前記効果がより顕著に発現される。
【００７２】
このようなことから、例えばメガネフレームのような薄肉、棒状または枠状の部分を有するもの、強度が不足しがちなもの、複雑な形状を有するもの等を製造する場合には、前記効果がより有効に発揮され、有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼結体の製造方法の実施形態を示す工程図である。
【図２】メガネフレーム（成形体、目的焼結物）の構成を示す正面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１成形体（脱脂体）
２メガネフレーム部分
３左レンズ枠
４右レンズ枠
５連結部
６上ブリッジ
７下ブリッジ
８左プレート
８１リブ
８２ゲート跡
９右プレート
９１リブ
９２ゲート跡
１Ａ成形体の製造工程
２Ａ脱脂処理工程
３Ａ焼結工程
４Ａ補強部材の除去工程

Claims

金属粉末と結合材とを用いて金属粉末射出成形法によりメガネフレームを製造する方法において、
前記メガネフレームとなる部分と、前記メガネフレームを補強する補強部材となる部分とを一体的に成形する工程と、
前記成形により得られた成形体に脱脂処理を施す工程と、
前記脱脂処理により得られた脱脂体を焼結して焼結体を製造する工程とを有し、
前記補強部材は、前記メガネフレームを構成する左右のレンズ枠同士を連結するタイバー状のブリッジと、前記メガネフレームを構成する左右のレンズ枠の内部の全体を埋めるように形成された板状部とを有し、前記成形体を成形する工程において、前記板状部に形成されてなるゲートを介して金属粉末と結合材とを注入し、金属粉末射出成形法を行うことを特徴とするメガネフレームの製造方法。
さらに、得られた焼結体から前記補強部材の部分を除去する工程を有する請求項１に記載のメガネフレームの製造方法。
機械加工、放電加工、レーザ加工、エッチングのうちの少なくとも１つの方法により前記補強部材の部分を除去する請求項２に記載のメガネフレームの製造方法。
前記板状の補強部材となる部分にリブが形成される請求項１に記載のメガネフレームの製造方法。