JPH0442441B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は焼結体の原料となる粉末を含む組成物
及び該組成物を使用する焼結体製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

金属粉末を焼結して希望の形状の焼結体を得る
従来の方法は二種類に大別される。その一は古く
から実施されているもので、粉末原料を加圧成形
してから焼結する方法である。その二は比較的新
しい技術で、主原料の微粒子の他に結合剤を含む
熱可塑性の原料組成物を成形してから結合剤を除
去し、その後焼結する方法である。この種の方法
は、例えば米国特許第2939199号、第4197118号、
第4404166号ならびに第4445936号及びカナダ特許
第1177290号に記載されている。この種の方法で
焼結性を良くして焼結密度を高めるためには、熱
可塑性結合剤と混合して原料組成物にする主原料
が粒径約4μｍ程度の微粒子であることが必要と
されている。原料組成物を成形し、結合剤を除去
してから周知の方法で焼結することによつて引張
強度及び伸びが高い焼結体が得られる。然し、前
記のような微粒子は、粉末原料の加圧成形体を焼
結するという古くからの方法で使用する比較的大
径の粒子と比較すると非常に高価である。従つて
微粒子を使用する原料組成物と同様に成形性と焼
結性が良好で、粗粒子を使用する加圧成形体焼結
用原料と同程度に低コストの焼結用原料の開発が
望まれている。然し、現在までの技術では熱可塑
性結合剤を使う前記の方法に粗粒材料を使うこと
はできない。

前述の熱可塑性原料組成物は、焼結前の成形段
階では一般の熱可塑性材料と同様に挙動し、成形
後に結合剤の除去が容易であり、しかも、通常の
焼結条件で焼結すると高密度で細孔が不連続な焼
結体となることが要求される。一般的に言えば、
焼結体の伸び等の機械的特性は類似組成の鍛造物
の特性の90％以上でなければならない。従来の方
法では、このような要求を満たすために、焼結現
象に関与する各化学成分の拡散距離の約25％に相
当する粒径の粉末原料を使用している。より大き
い粒径の粉末原料の使用を可能にするために、セ
ラミツクス及び粉末冶金の分野で普及している粒
度分布の考えを利用して、原料の粒度を不均一に
して比較的大径の粒子間の間〓を小径の粒子が埋
めるようにすることによつて末焼結原料の密度を
高めることが試みられている。セラミツクス及び
粉末冶金の分野ではこの方法によつて焼結体の物
性向上を達成しているが、実際に成功しているの
は焼結時に作用する力が粒子の表面自由エネルギ
ーによる力だけの場合である。

粉末原料を加圧成形してから焼結する粉末冶金
においては、密度を高める作用をする力は粉末の
粒子を機械的に砕いて粉末相を全体的に圧縮する
力であつて、この場合の焼結の効果は単に粒子同
士の融着に過ぎない。その理由は、一般的な粉末
冶金法では粒径が大きいので粒子間の拡散距離が
粒径よりはるかに短くなるためである。そのた
め、粒子同士の融着は起きても、密度は殆ど高ま
らない。即ち、二粒子間で物質の交換が生じて各
粒子の中心が互いに近付くという現象は殆ど起こ
らない。

必ずしも限定はしないが、特に金属のように拡
散性が強い物質の粉末で粒径が拡散距離の25％程
度の物を原料にする場合には、焼結時に粒子の表
面自由エネルギーによる固体拡散が起こり、その
結末焼結体の物性が向上する。この技術は前記の
米国及びカナダ特許で代表されるように周知であ
り、即に企業化されている。然し、粉末を加圧成
形して焼結する粉末冶金法で使う比較的粗い粉末
と比較すると、粒径が非常に小さく粒度分布範囲
も非常に狭い粉末の一定重量当たりのコストが極
めて高いことがこの技術の欠点である。微粒金属
粉末として現在使用されている物は平均粒径が約
4μｍで、粒径が5μｍを越える粒子や2μｍ未満の
粒子を殆ど含まない。全粒子が同一粒径であるこ
とが理想的で、この理想状態からの偏差が大きく
なるに従つて焼結体の密度及び機械的特性が低下
し、伸びも引張強度も低下することになる。従つ
て、全粒子の粒径が4μｍ±50％以内であること
が好ましいとされている。

〔発明が解決しようする問題点〕

焼結用主原料の粉末の他に結合剤を含む前述の
原料組成物において、微粒粉末が高価なことが用
途の制限等の原因になつている。本発明はこの種
の焼結用原料組成物として比較的安価で、しかも
焼結体の物性は良好になる物を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は、或る点に配慮することによつて、
微粒子を主成分とする原料組成物にかなりの量の
比較的大径の粒子を加えて組成物全体のコストを
大幅に低減することが、原料組成物自体の物性や
焼結体の特性の低下を殆ど伴わずに可能であるこ
とを見出して本発明を完成した。

本発明による焼結用原料組成物は、体積で一定
量の焼結可能な元素、合金又は化合物の微粒子、
体積で一定量の前記微粒子に融着可能な物質の比
較的大径の粒子及び一定量の結合剤の混合物であ
つて、比較的大径の粒子が粒子の機械的変形を起
こすことなく最密充填状態である時の各粒子間の
間〓の全体積より前記微粒子と結合剤の合計体積
が大きいことを特徴とする。

本発明における微粒子とはその物質の焼結時の
拡散時の拡散距離より小さい直径の粒子と定義で
き、一般的には直径約10μｍ以下の粒子である。
このことは、焼結中に拡散が起きる段階では微粒
子の全粒子が拡散に関与することを意味する。一
方、大径の粒子は、その物質の焼結中の拡散距離
より大きい直径の粒子と定義できる。このこと
は、拡散が起きる段階でも大径の粒子は拡散に関
与できないことを意味する。従つて、大径の粒子
は微粒子のように相互に拡散して合体することは
なく、単に相互に融着する傾向を示す。

本発明の原料組成物を得るためには大径の粒子
を微粒子に分散させるが、その際、大径の粒子が
各々分離して（即ち、大径の粒子同士が接触しな
いで）、結合剤を含む微粒子の連続相で囲まれる
ようにする。なお、微粒子は粒径がほぼ均一な物
である。本発明の原料組成物は微粒子だけを使う
従来の原料組成物と同様に成形可能であり、結合
剤の除去後に焼結することによつて高密度で引張
強度、伸び等の特性が勝れた焼結体が得られる。
この焼結体の特性は微粒子だけを使う原料組成物
から得られる焼結体の特性と同等である。

粒径が小さくなるに従つて、粒子と結合剤の界
面エネルギーに由来する全自由エネルギー（単位
体積当たり）は増大する。粒径が小さくなるに従
つて原料組成物が含有可能な粒子の量（容量）は
減少し、その度合は前記の全自由エネルギーの値
によつて定まる。微粒子だけを用いる場合、粒径
の実際的下限界は、原料組成物中の粒子量が約45
容量％に止まるような粒径になる。その場合は結
合剤が原料組成物の55％を占めることになる。前
記の如く拡散距離より粒子直径が大きい大径粒子
を微粒子と結合剤の系に分散させることによつて
原料組成物のコストを低減することができる。本
発明者は、可能最大限の容量の微粒子を含有する
原料組成物に大径粒子を導入して微粒子の約60容
量％以下、好ましくは約50容量％を同容量の大径
粒子で置き換え、その際大径粒子同士の接触が実
質的には起きないようにすれば、大径粒子を含ん
だ組成物が結合剤除去及び焼結の観点からは大径
粒子を含まない時と殆ど変り無い挙動をすること
を見出した。その組成物から得た焼結体は、引張
強度と伸びにおいて微粒子だけを使つた組成物か
ら得た同形の焼結体と殆ど同等である。

本発明で用いる微粒子は、成形して焼結できる
物であれば、いかなる元素、合金あるいは化合物
でも良い。各種金属、ある種のセラミツクス及び
大部分のサーメツトが有用な材料に含まれる。微
粒子は球形粒子又はなるべく球に近い形の粒子で
あることが好ましい。何れにしてもここで用いる
微粒子自体は公知の物である。

大径の粒子としては、微粒子と同物質の粒子を
使用するか、あるいは、焼結過程での大径粒子又
は微粒子の化学的変化によつて微粒子と大径粒子
が同物質になるように粒子材料を選定するのが普
通である。焼結過程で微粒子と大径粒子の両者が
化学的に変化して第三の物質になるようにするこ
ともできる。

焼結が終つた時には微粒子と大径の粒子が同一
物質になつていることが好ましいが、その時点で
も両者が異なつた物質である場合も本発明の範囲
に含まれる。

本発明で用いる結合剤は単一成分の物であつて
も、融点の異なる二種類以上の混合物であつても
良い。何れにしても公知の結合剤を利用するので
あり、例えば前記の米国及びカナダ特許に記載の
物を用いる。結晶性の結合剤の使用が好ましい。

作 用 本発明の原料組成物を成形して結合剤を除去し
た後に焼結する際、組成物中の大径粒子はあたか
もパウンドケーキ中の干しブドウのように挙動
し、一方微粒子相はパウンドケーキの基本体のよ
うに焼結中に体積が減縮する。焼結中に大径粒子
と微粒子の界面に作用する力によつて被焼結相が
その界面でゆがみ、微粒子相は体積を減じるが大
径粒子の寸度は変化しない。そのため、大径粒子
は収縮する微粒子相に引かれて移動するに過ぎな
い。従つて、系全体としての収縮の様子は微粒子
だけを使つた場合と実質的に変らない。本発明の
原料組成物では体積で約50％を大径粒子が占め、
残りの約50％を微粒子と結合剤が占めることが好
ましい。微粒子の割合をもつと多くすることは可
能であるが、原料組成物のコストを高くすること
になる。従つて、不都合を生じない限り大径粒子
の割合を多くすることが望ましい。大径粒子は微
粒子よりかなり安価であるから、大径粒子を含む
系は微粒子だけを使う系と比較して大幅なコスト
低減になり、しかも焼結体の機械的特性は殆ど低
下しない。大径粒子としては−325メツシユの粒
子、即ち最大粒径が44μｍで平均粒径が約30μｍ
の粒子が好ましい。

本発明の原料組成物は、微粒子、結合剤及び大
径の粒子を適切に定めた割合で混合することによ
つて得られる。粉状の混合物を結合剤の融点以上
の温度まで加熱して、例えばシグマブレードミキ
サーを使つて全体が均質になるまで混合する。混
合物を冷却して固化させた後、砕いて粒状にする
が、又はペレツトにして成形機等に供給し易い形
にする。

以下実施例について本発明を更に説明するが、
本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

実施例 １ 微粒子として、平均粒径が４〜7μｍで比表面
積が0.34m²／ｇのほぼ球形のニツケル粒子
（Inco123ニツケル粉末）を使用した。このニツケ
ル微粒子315ｇを−325メツシユでほぼ球形のニツ
ケル粒子315ｇ及び結合剤35.2ｇと混合した。こ
の場合の結合剤は、融点約150℃のポリプロピレ
ン7.0ｇ、融点約85℃のカルナウバろう3.5ｇ及び
融点50℃のパラフイン24.7ｇの組み合わせであつ
た。容量約1500の実験室用Hobart型をミキサ
を使つて、混合物を170℃で更に混合してポリプ
ロピレンを完全に混入させた。その後温度を150
℃まで下げて更に30分間混合を続けた。その結果
均質で適当な粘度のプラスチゾルを得たので、そ
れをミキサから取り出して１時間放冷して結合剤
を固化させた。固化した組成物をプラスチツク用
粉砕機で砕いて粒状にした。

実施例 ２ 微粒子として、平均粒径が４〜6μｍでほぼ球
形の鉄粒子を使用した。この微粒子278.19ｇを−
325メツシユの鉄粒子278.19ｇ及び実施例１の場
合と同じ結合剤と混合し、実施例１の場合と全く
同じ手順で加熱混合してプラスチゾルとし、それ
を放冷して固化させた後砕いて小粒状にした。

〔発明の効果〕

以上の説明から判るように、本発明は熱可塑性
結合剤を使う焼結用原料組成物の大幅なコスト低
減を焼結体の機械的特性を犠牲にすることなく達
成した。本発明の原料組成物では、大径の粒子が
約50％の場合には結合剤の量を微粒子だけを使う
場合の約1/2にすることが可能であり、その結果、
組成物の成形後に除去しなければならない量が減
少する。また、結合剤量が少くなるために成形後
の結合剤除去工程に要する時間が短くなり、結
局、焼結体製造のための全所要時間が短縮するこ
とになる。従つて、微粒子の使用量削減による原
料組成物のコスト低減のみならず、その原料組成
物を使う焼結体製造作業のコスト低減も達成され
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 体積で一定量の焼結可能な金属元素又は合金
   の粒径10μm以下の微粒子、体積で一定量の前記
   微粒子に融着可能な金属又は合金の粒径が10μm
   より大きく44μm以下の比較的大径の粒子及び一
   定量の熱可塑性結合剤の混合物であつて、前記比
   較的大径の粒子が前記混合物の60容量％以下であ
   り、前記比較的大径の粒子が粒子の機械的変形を
   起こすことなく最密充填状態にある時の各粒子間
   の間〓の全体積より前記微粒子と前記結合剤の合
   計体積が大きく、前記比較的大径の粒子の各々が
   互いに接触しないように分散していることを特徴
   とする熱可塑性の焼結用原料組成物。 ２ 前記比較的大径の粒子が前記混合物の約50容
   量％である特許請求の範囲第１項に記載の焼結用
   原料組成物。 ３ 前記微粒子は拡散距離が粒子直径より大きい
   物であり、前記比較的大径の粒子は拡散距離が粒
   子直径より短い物である特許請求の範囲第１項又
   は第２項に記載の焼結用原料組成物。 ４前記微粒子と前記比較的大径の粒子が化学的に
   は同一物質である特許請求の範囲第１項から第３
   項までの何れかに記載の焼結用原料組成物。 ５ 前記微粒子が化学的に２種類以上の物質の粒
   子の混合物である特許請求の範囲第１項又は第４
   項に記載の焼結用原料組成物。 ６ 体積で一定量の焼結可能な金属元素又は合金
   の粒径10μm以下の微粒子、体積で一定量の前記
   微粒子に融着可能な金属又は合金の粒径が10μm
   より大きく44μm以下の比較的大径の粒子及び一
   定量の熱可塑性結合剤の混合物であつて、前記比
   較的大径の粒子が前記混合物の60容量％以下であ
   り、前記比較的大径の粒子が粒子の機械的変形を
   起こすことなく最密充填状態にある時の各粒子間
   の間〓の全体積より前記微粒子と前記結合剤の合
   計体積が大きく、前記比較的大径の粒子の各々が
   互いに接触しないように分散している熱可塑性の
   原料組成物を加熱、加圧して希望の形状に成形す
   る工程、成形体から一定量の結合剤を除去する工
   程、及び結合剤を除去した成形体を焼結して前記
   比較的大径の粒子を前記微粒子に融着させるとと
   もに前記微粒子の各粒子を相互に拡散させる工程
   を含むことを特徴とする焼結体製造方法。