JP5183346B2

JP5183346B2 - 金属粉末射出成形用金型装置

Info

Publication number: JP5183346B2
Application number: JP2008198552A
Authority: JP
Inventors: 善三石島
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: KR101032536B1; JP2009091651A; KR20090029659A

Description

本発明は、金属粉末とバインダーからなる可塑性の原料を、金型内部に設けられたキャビティに射出充填して所望の形状の成形体を成形する金属粉末射出成形用金型装置に係わり、特に、肉厚の薄い部位を有する成形体の成形に好適な技術に関する。

粉末冶金法は、金属粉末または金属粉末に非金属粉末を配合した粉末を所定の形状および寸法に固める成形工程により得られた成形体を、融点よりも低い温度で加熱して粉末粒子を強固に結合する焼結工程を経て金属製品を製造する技術であり、複雑形状部品をニアネットシェイプに大量生産できることや、溶製法では得られない複合材料を得られる等の利点により、その適用が拡大している。

このような粉末冶金法は、原料粉末をダイのキャビティ内に充填し、これをパンチで加圧して圧粉成形した後、得られた成形体を焼結する押型成形法と、原料粉末を多量のバインダーとともに混練して可塑性をもたせた原料をモールド内のキャビティに加圧充填し、得られた成形体を加熱してバインダーを除去した後、焼結する射出成形法に大別される。

押型成形法では、原料粉末の流動性および金型に対する潤滑性のため、１質量％以下程度の成形潤滑剤を原料粉末に混入する場合があるが、成形潤滑剤の使用量が少ないため、焼結工程の初めの段階で揮発除去することが容易で、脱脂工程が短くて済むという利点がある。押型成形法では、原料粉末のダイへの充填は、フィーダ（粉箱）と呼ばれる粉末供給装置より原料粉末をダイ等で形成される空間に落とし込む方法で行われるが、この方法では充填量にばらつきが発生することが避けられない。また、肉厚が薄い製品を押型成形法で得ようとすると、キャビティの小さい空隙に原料粉末を充填する必要があるため、原料粉末の粒径が小さいものを用いる必要がある。この場合には、原料粉末の流動性が低下するとともに充填性が低下して、安定した原料粉末の供給が行えない。このため、押型成形法により製品を製造する場合には、ある程度の大きさの製品であることが必要となる。

射出成形法は、原料が可塑性を有するため上記の押型法では成形できないアンダーカット等（オーバーハングした部位）を有する形状にも成形できるという利点がある。また、原料が可塑性を有するため上記の押型成形法に比してキャビティの小さい空隙に原料粉末を充填できるという利点も有する。しかしながら、原料の流動性を確保するため、原料粉末に３０〜７０体積％の熱可塑性樹脂等のバインダーを添加して混練する必要がある。この場合、成形体に多量のバインダーを含有しているため、これを除去する脱バインダー工程に時間がかかるという欠点がある。また、肉厚が極めて薄い製品を得ようとすると、原料を充填するキャビティの空隙が微少であるため、高圧で原料を充填する必要がある。ところが、高圧で原料を射出して充填すると、流動しやすいバインダーのみが微少空隙に流れてしまい、金属粉末を均一に充填することが難しい。このため、射出成形法により肉厚が薄い製品を製造する場合でも、ある程度の薄さまでの製品にしか対応できない。

このような状況の下、押型成形法と射出成形法の長所を兼ね備えた成形法が提案されている（特許文献１等）。特許文献１等に開示された技術は、原料粉末に通常の押型成形法で与える以上の多量のバインダー等を与えた原料を用いて押型成形する方法である。特許文献１によれば、射出成形法では原料を均一に充填できないような微少空隙にも原料を充填でき、肉厚が極めて薄い製品の製造に対応可能である。また、射出成形法に比してバインダーの添加量が少なく、その分脱バインダー時間を短くできるため、射出成形法で製造する場合よりも安価に製造可能である。

特開２００６−３４４５８１号公報

特許文献１の製造方法において、原料は、一般の押型法で扱えるように、ある程度の大きさの造粒粉末として、フィーダ等の粉末供給装置による充填方法を用いて供給される。しかしながら、肉厚が極めて薄い製品を成形する場合、キャビティの空隙が微小であるため、一般の押型法で用いる粉末供給装置に適した粉末の大きさに造粒すると、粒径が大きいため均一かつ緻密に造粒粉末を充填することが難しい。一方、造粒粉末の粒径を小さくすると、原料粉末の流動性が低下する。従って、好適な大きさの造粒粉末に調整することは容易ではない。

特許文献１では、所定の量を充填出来るように原料を１回の充填量に相当する量のペレットとしてまとめ、ペレット単位で原料を供給することを好ましい態様としている。しかしながら、この場合、ペレット作製工程が追加されて工数が増える。また、均質な製品を製造するためには、このペレット作製工程において得られるペレットを均質に管理する必要があり、この管理の手間が増える。さらに、ペレットを作製する際、軟化し易いように原料を加熱するため、ペレットを作製するための余分な熱エネルギーが必要となる。

そこで、本発明は、肉厚が極めて薄い製品をより効率的に製造するため、原料の供給が容易な射出成形用金型装置を提供するものであり、原料である粉末の造粒が容易であり、原料からペレットを作製する工程を追加して管理項目を増やしたり、成形過程における余分な熱エネルギーを必要としない技術を提供することを目的としている。

本発明の金型装置は、固定金型と可動金型とからなる金型内部に設けられたキャビティに、固定金型および可動金型の少なくとも一方に設けられたゲートより、金属粉末とバインダーからなる可塑性の原料を射出充填する金属粉末射出成形用金型において、固定金型と可動金型のうち少なくとも一方が複数の金型に分割され、キャビティに、金属粉末とバインダーからなる可塑性の原料を射出充填した後、複数に分割された金型を駆動することにより、キャビティの容積を一定にしてキャビティを変形させるとともに、キャビティに充填された可塑性の原料を体積一定で変形させて成形体を成形できるようにしたことを特徴とする。上記構成の金型装置にあっては、キャビティに射出充填された原料の体積を一定にして、原料の一部を押し出しして成形体を成形するため、キャビティの小さい隙間に原料を充填する必要がない。従って、原料である粉末の粒径の影響を小さくすることができ、粉末の造粒が容易である。また、一定量の原料を金型内に充填できるため、ペレット作製工程が不要である。

本発明の金型装置において、固定金型と可動金型のうち少なくとも一方に、キャビティ内部に突出する突出パンチと後退する後退パンチとに分割した金型を設けることが好ましい。この場合、キャビティに金属粉末とバインダーからなる可塑性の原料を射出充填した後、突出パンチをキャビティ内に突出させるとともに、後退パンチをキャビティより後退させて、キャビティに射出充填された原料の体積を一定にして、原料の一部を押し出しして成形体を成形する。

具体的には、キャビティは、可塑性の原料の射出充填時に例えば略円柱状とされ、後退パンチは例えば円筒状であり、後退パンチを設けた金型の内周面と摺動自在に嵌合する。突出パンチは例えば円柱状であり、後退パンチの内周面と摺動自在に嵌合する。後退パンチを設けた金型のキャビティによりコップ状成形体の外周を、後退パンチを設けていない金型によりコップ状成形体の底部を、後退パンチによりコップ状成形体の縁部を、突出パンチによりコップ状成形体の内周面および底部をそれぞれ成形する。

後退パンチの肉厚は、例えば０．０５〜０．２６ｍｍである。本発明の金型装置により薄肉製品を成形するにあたり、原料として、金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダーを４０〜６０体積％添加して、加熱混練した可塑性の原料を用いることができる。

本発明の射出成形用金型装置によれば、原料である粉末の造粒が容易であり、原料からペレットを作製する工程を追加して管理項目を増やしたり、成形過程における余分な熱エネルギーの必要がない。これらより、肉厚が極めて薄い製品をより効率的に製造できるという優れた効果を奏する。

以下、薄肉の製品の一例として冷陰極蛍光ランプ用電極の製造を例にとり、図面を参照して本発明の金型装置の構成と動作を説明するとともに、本金型装置を用いた成形体の成形方法について説明する。

図１に示すように、冷陰極蛍光ランプは、ガラス管１内に、端子２で外部に接続された電極３が両端に配置された構造をしており、このガラス管１の内面に蛍光体４を塗布するとともに、希ガスと微量の水銀からなる封入ガス５を封入して構成されている。この両端の電極３に高電界を加えて低圧の水銀蒸気中でグロー放電を発生させ、この放電により励起された水銀が紫外線を発生するとともに、この紫外線によりガラス管１内面の蛍光体４を励起して発光させる。近年、ここで用いられる電極３としては、ホローカソード効果を得るため、図２に示すような底部３ａと円筒部３ｂからなる有底円筒状に形成したものが用いられている。この場合、端子２は有底円筒状電極３の底部３ａにろう付け等で接着されるが、端子２と電極３とが一体形状となっているものもある。

このような構成の冷陰極蛍光ランプは、近年、液晶ディスプレイのバックライト用光源として用いられており、また、最近では、液晶テレビやカーナビゲーションシステムの液晶ディスプレイ等にも適用され、その需要が拡大している。さらに、一つの製品に使用される冷陰極蛍光ランプの本数は、１５インチ以下の液晶ディスプレイ等では、テレビ用で４〜６本、モニタ用で１〜２本であるが、大型モニタやテレビ用では必要な輝度を得るために複数本の冷陰極蛍光ランプが使用される。このため、冷陰極蛍光ランプの需要は急激に拡大している。

上記のような冷陰極蛍光ランプにおいては、近年、液晶ディスプレイ等の低消費電力化、高輝度・高精細化等の性能向上の要求に対応するため、陰極降下電圧の低下、耐スパッタ性等の電極材料の特性向上が求められている。そして、そのような特性向上のために、より薄肉の電極が求められている。

図３は、本発明の金型装置の構成と動作を説明する模式図である。金型装置は、コップ状成形体の底面を成形する金型面１１を有する固定金型１０と、コップ状成形体の外周面を成形する内周面２１を有する可動金型２０と、コップ状成形体の縁部を成形する端面３１を有する円筒状の後退パンチ３０と、コップ状成形体の底部を成形する端面４１およびコップ状成形体の内周面を形成する外周面４２を有する円柱状の突出パンチ４０から構成されている。

固定金型１０と可動金型２０は、一般の射出成形に用いる金型と同様に、各々の端面を密着させて配置され型締めされ、成形体の取り出しにあたっては、可動金型２０が図示していない駆動装置により型開きする。固定金型１０にはゲート５１およびスプルー６１が、可動金型２０にはゲート５２およびスプルー６２がそれぞれ対に形成されている。なお、本実施形態においては、ゲートおよびスプルーを固定金型１０と可動金型２０の両者に形成したが、いずれか一方にのみ形成してもよい。

突出パンチ４０は図示していないシリンダ等の駆動装置により、進退可能に構成されている。後退パンチ３０は図示していないスプリング等により保持され、あるいは別の駆動装置により、突出パンチ４０の突出、後退に応じて進退可能に構成されている。後退パンチ３０の内周面は突出パンチ４０の外周面と摺動自在に嵌合し、後退パンチ３０の外周面は可動金型２０の内周面２１と摺動自在に嵌合しており、固定金型１０に対向している。

上記構成の金型装置は、次のようにして動作する。すなわち、原料Ｍの充填時においては、図３（ａ）に示すように、固定金型１０の金型面１１、可動金型２０の内周面２１、後退パンチ３０の端面３１、突出パンチ４０の端面４１とにより所望の容積のキャビティを形成する。このキャビティにスプルー６１，６２およびゲート５１，５２を介して可塑性の原料Ｍを射出して充填する。

このようにしてキャビティに原料Ｍが充填された後、図３（ｂ）に示すように、突出パンチ４０をキャビティ内に進入させて（図中の下向き矢印の方向）原料Ｍを押圧し、突出パンチ４０の端面４１によりコップ状成形体の底部３ａを形成する。このとき、後退パンチ３０を後退させることにより（図中の上向き矢印の方向）、可動金型２０の内周面２１と、後退パンチ３０の端面３１と、突出パンチ４０の外周面４２とにより形成される円筒状のキャビティに原料Ｍを後方押し出しして、電極の円筒部３ｂを形成する。このため、キャビティの小さい隙間に原料Ｍを充填する必要がなく、原料Ｍである粉末の粒径の影響を小さく出来るため、造粒が容易となる。また、スプルー６１，６２よりキャビティ内に充填した原料Ｍが漏れ出してキャビティ内の原料Ｍの容積が減ることがないように、ゲート５１，５２からキャビティ内では原料Ｍを射出時の圧力において維持する必要がある。さらに、原料Ｍに背圧を加えながら後退パンチ３０を後退させて成形すると、成形体の円筒部３ｂの縁部の高さが均一に成形できるとともに、原料Ｍの密度がキャビティ内に均一に作用して、成形後に得られる成形体の密度が均一となるため好ましい。

上記の充填工程および成形工程においては、原料Ｍは軟化して流動性がある状態で用いられるが、成形完了後の抜き出し工程時において、原料Ｍが軟化したままであると成形体の形状が保持できず、抜き出し時もしくは抜き出し後に型くずれが生じる。このため、抜き出し工程は、バインダー中に含まれる熱可塑性樹脂の軟化点以下の温度に冷却した後に行う。このようにすることで有底円筒状成形体が硬化し、抜き出し時および抜き出し後も成形時の形状が保持され、取扱いも容易になる。

上記の温度に冷却されて成形体Ｐが固化したら、図３（ｃ）に示すように、可動金型２０を固定金型１０との密着状態より開放して、固定金型１０と離間する方向に移動させるとともに、突出パンチ４０を図面上方に退避させ、最後に後退パンチ３０を成形体Ｐの円筒部３ｂの縁部から離間する方向に退避させて、成形体Ｐを成形金型より抜き出す。成形体Ｐの抜き出しが容易になるよう、固定金型１０の金型面１１に抜き出しピンを設けておいてもよい。

上記により得られる成形体Ｐはコップ状成形体Ｐ_１とランナＰ_２からなり、図３（ｄ）に示すように、ランナＰ_２を除去することによりコップ状成形体Ｐ_１が得られる。このとき、成形体Ｐは、金属粉末がバインダにより結着されただけのきわめて脆いものであるため、手作業で容易にコップ状成形体Ｐ_１とランナＰ_２に分離することができる。また、このランナＰ_２の除去作業をより一層容易にするため、一般の射出成形法において行われているように、固定金型１０のゲート５１または可動金型２０のゲート５２として、ゲートの断面積の小さいゲートを用いることは好ましい。これにより、ゲート部分で容易に分離することができる。

上記の本発明の金型装置によれば、射出成形法で成形することが難しい、肉厚が０．０５〜０．２６ｍｍの薄肉製品を成形することが可能である。このような薄肉製品を成形するためには、後退パンチの肉厚を０．０５〜０．２６ｍｍとすればよい。また、上記の本発明の金型装置によれば、特許文献１のようなペレット作製工程が不要であるため工数を低減することができる。また、均一量の原料をキャビティ内に充填できるため、ペレットを均質に管理する手間を省くことができる。さらに、加熱して作製するペレットが不要なため、原料の成形に必要な熱エネルギーを削減することができ、より効率的に薄肉の製品を製造できるという優れた効果を奏する。

上記の本発明の金型装置を用いて冷陰極蛍光ランプ用電極を製造する場合には、原料として、モリブデン粉末および／またはタングステン粉末を主原料とする金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダーを４０〜６０体積％添加して、加熱混練したものを用いることができる。

金属粉末として、モリブデン粉末またはタングステン粉末のみで用いることができ、モリブデン粉末とタングステン粉末を、体積比で、Ｍｏ：Ｗ＝１０：９０〜９０：１０の範囲で混合して用いてもよい。また、モリブデン粉末、タングステン粉末、およびこれらの混合粉末のうちのいずれかに５質量％以下のニッケル粉末を添加して用いてもよい。さらに、チタン炭化物、モリブデン炭化物、タングステン炭化物、バナジウム炭化物、ジルコニウム炭化物、ニオブ炭化物、タンタル炭化物、ハフニウム炭化物等の金属炭化物粉末を１〜５０体積％の範囲で添加してもよい。これらの金属粉末や金属炭化物粉末は、粒径が１０μｍ以下のものが適している。また粉末の形状としては、凹凸の少ないものが適しており、主原料となるモリブデン粉末の場合はタップ密度が３．０Ｍｇ／ｍ^３以上となる粉末、タングステン粉末の場合はタップ密度が、５．６Ｍｇ／ｍ^３以上となる粉末が適している。

バインダーは、原料に可塑性を付与する熱可塑性樹脂および、金属粉末と金型（ダイおよびパンチを含む）との間の摩擦を低減するワックスからなるものが好適である。熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリエチレンビニルアセテート等が用いられ、ワックスとしては、パラフィンワックス、ウレタンワックス、カルナバワックス等が用いられる。また熱可塑性樹脂とワックスは、２０：８０〜６０：４０の範囲で構成すると好適なバインダーとなる。このようなバインダーは、原料をキャビティの微小な空隙に流動させるため４０体積％以上が必要であるが、６０体積％を超えてバインダーを添加すると、原料の成形後に行われる脱バインダー工程が長時間となって製造コストが増加する。このことから、バインダーの添加量は４０〜６０体積％とすると好適である。

また、上記のようにして得られたコップ状成形体は、特許文献１と同様に、バインダー成分の熱分解温度に加熱する脱バインダー工程、および金属粉末どうしを金属的に拡散結合させる焼結工程を経て冷陰極蛍光ランプ用電極となる。このようにして得られる冷陰極蛍光ランプ用電極は、主原料としてモリブデンおよび／またはタングステンを用いているため、陰極降下電圧の低下、耐スパッタ性等の特性が向上している。上記の製造方法によると、電極の小型化が可能であるとともに、より一層効率よく製造できるため、電極を安価に供給できる。従って、本発明の金属粉末射出成形用金型装置及びこれを用いた製造方法は、冷陰極蛍光ランプ用電極の製造に適している。

なお、上記は冷陰極蛍光ランプ用電極の製造例として、薄肉のコップ状成形体を製造する場合の金型装置および成形方法について説明したが、本発明の金型装置および成形方法によれば、図４で示されるカム形状等の成形体も成形可能である。

また、上記では可動金型のみを複数の金型に分割し、可動金型に突出パンチおよび後退パンチを設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５および図６に示すように、固定金型１０および可動金型２０の両方を複数の金型に分割し、固定金型１０に底面形成パンチ５０を設け、可動金型２０に突出パンチ４０および後退パンチ３０を設けてもよい。この場合、底面形成パンチ５０によりコップ状成形体の底面を成形する。また、固定金型１０の内周面および底面形成パンチ５０、可動金型２０の内周面２１、後退パンチ３０の端面３１、突出パンチ４０の端面４１により所望の容積のキャビティが形成される。

さらに、上記では後方押し出しにより原料の成形を行ったが、本発明における原料の押し出し形態はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、キャビティに原料Ｍを充填した後、後退パンチ３０を後退させ（図中の上向き矢印の方向）、同時に底面形成パンチ５０をキャビティ内に進入させて（図中の上向き矢印の方向）、原料Ｍを前方押し出しして成形してもよい。さらに、図６に示すように、キャビティに原料Ｍを充填した後、突出パンチ４０をキャビティ内に進入させ（図中の下向き矢印の方向）、後退パンチ３０を後退させ（図中の上向き矢印の方向）、底面形成パンチ５０をキャビティ内に進入させて（図中の上向き矢印の方向）、原料Ｍを成形してもよい。このとき、原料Ｍは前方押し出しと後方押し出しを同時に行う複合押し出しにより成形される。また、上記と同様に、これらの成形工程は原料Ｍが軟化して流動性のある状態で行われる。

冷陰極蛍光ランプの構造の一例を示す断面図である。冷陰極蛍光ランプ用電極の一例の断面図である。本発明のコップ状成形体を成形するための金型装置の構成と、その動作を説明する断面図であり、図３（ａ）は原料の充填工程、図３（ｂ）は成形工程、図３（ｃ）は抜き出し工程、および図３（ｄ）はランナ除去工程を示す断面図である。本発明の金属粉末射出成形用金型装置により得られる他の製品形状の例を示す模式図である。本発明の金型装置の他の一例を示す断面図であり、図５（ａ）は原料の充填工程、図５（ｂ）は成形工程を示す断面図である。本発明の金型装置の他の一例を示す断面図であり、図６（ａ）は原料の充填工程、図６（ｂ）は成形工程を示す断面図である。

符号の説明

１０…固定金型、２０…可動金型、３０…後退パンチ、４０…突出パンチ、５０…底面形成パンチ、Ｍ…可塑性原料、Ｐ…成形体

Claims

固定金型と可動金型とからなる金型内部に設けられたキャビティに、前記固定金型および前記可動金型の少なくとも一方に設けられたゲートより、金属粉末とバインダーからなる可塑性の原料を射出充填する金属粉末射出成形用金型において、
前記固定金型と前記可動金型のうち少なくとも一方が、前記キャビティ内部に突出する突出パンチと後退する後退パンチとに分割され、
前記キャビティは、前記可塑性の原料の射出充填時に略円柱状とされ、
前記後退パンチが、円筒状であり、前記後退パンチを設けた金型の内周面と摺動自在に嵌合し、
前記突出パンチが、円柱状であり、前記後退パンチの内周面と摺動自在に嵌合し、
前記キャビティに、前記可塑性の原料を射出充填した後、前記突出パンチと後退パンチとに分割された金型を、前記突出パンチを前記キャビティ内に突出させるとともに、前記後退パンチを前記キャビティより後退させて駆動することにより、前記キャビティの容積を一定にして前記キャビティを変形させるとともに、前記キャビティに充填された前記可塑性の原料を体積一定にして、原料の一部を押し出しして変形させて、
前記後退パンチを設けた金型のキャビティでコップ状成形体の外周を、前記後退パンチを設けていない金型でコップ状成形体の底部を、前記後退パンチでコップ状成形体の縁部を、前記突出パンチでコップ状成形体の内周面および底部を、それぞれ成形することを特徴とする金属粉末射出成形用金型装置。
前記後退パンチの肉厚が０．０５〜０．２６ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末射出成形用金型装置。
前記可塑性の原料が、金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダーを４０〜６０体積％添加して、加熱混練した原料から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属粉末射出成形用金型装置。