JPH05139816A - 粉末の射出成形用バインダ及び脱バインダ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック射出成形体の脱脂時の“ふくれ”
及び割れを防止できると共に、射出成形による大型・厚
肉品の製作を可能にする射出成形に使用するバインダ及
びそのバインダの除去方法を得る。 【構成】 バインダは熱可塑性で、かつ水溶性の尿素単
独或いは尿素にポリビニルアルコールを２０部以下配合
した混合物からなる。この混合物をセラミック粉末或い
は金属粉末１００部に対して７〜２５部配合し、１３０
〜１７０℃に加熱して混練する。この粉末をスラリ化
し、このスラリを射出成形した成形体を水中に浸漬、保
持することにより水溶性のバインダを溶出除去する。次
いで大気圧又は加熱雰囲気中にて残りのバインダを除去
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属粉末或いはセラミッ
ク粉末の射出成形に使用するバインダ及びそのバインダ
の除去方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属粉末或いはセラミック粉末を射出成
形する為には粉末をスラリ状にする必要があり、従来一
般的には熱可塑性のワックス、プラスチック、各種無機
化合物、或いはこれ等の混合物がバインダとして使用さ
れている。粉末をスラリ化する為に一般的なバインダの
量は４０体積％前後であり、このまま急速に昇温して焼
結するとバインダが急速に気化する為、成形体に“ふく
れ”或いは割れが発生する。その為、成形体を高温で焼
成する前に予め成形体中のバインダを除去する脱バイン
ダ（脱脂）工程が必要である。脱脂方法としては、成形
体を常圧或いは加圧雰囲気中で加熱し、成形体中のバイ
ンダを気化して除去するのが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の金属粉末或いは
セラミック粉末の射出成形用バインダ及び脱バインダ
（脱脂）方法の概略は前記の通りであるが、この方法で
は一般に加熱により気化して脱脂する為、以下のような
問題があった。 （１）成形体を加熱することによりバインダを気化して
除去する為、気化・膨張の圧力により成形体に“ふく
れ”、或いは割れが発生し易い。 （２）前記の“ふくれ”、或いは割れを防止する為に
は、バインダが急激に気化しないように、徐々に昇温し
て脱脂する必要があり、その為脱脂に多大の時間（５〜
７日）を要していた。 （３）特に成形体の肉厚が厚くなると脱脂しにくく、厚
さが約１０mm以上の製品では割れ、或いは“ふくれ”を
完全に防止した脱脂は殆ど不可能である。 （４）成形体中にバインダが存在する状態で、可塑化温
度以上に加熱する為成形体が変形し、寸法精度が疎外さ
れる。

【０００４】このようなことから本発明は、熱可塑性
で、かつ水溶性のバインダ（尿素、ポリビニルアルコー
ル）を使用して金属粉末或いはセラミック粉末と混練、
加熱することにより同粉末をスラリ化し、このスラリを
射出成形した成形体を水中に浸漬、保持することによっ
て該水溶性のバインダを溶出、除去すると共に、その後
大気圧又は加圧雰囲気中にて残りのバインダを除去する
ことにより、 （１）セラミック射出成形体の脱脂時の“ふくれ”或い
は割れの防止 （２）射出成形による大型・厚肉品の製作 （３）脱脂時間の短縮 （４）脱脂時の変形防止（寸法精度の向上） を図ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため本発明の第１の
技術解決手段は、セラミック粉末或いは金属粉末に配合
するバインダであって、同バインダは尿素単独或いは尿
素にポリビニルアルコールを２０部（以下全て重量割
合）以下配合した混合物からなり、この混合物をセラミ
ック粉末或いは金属粉末１００部に対して７〜２５部配
合し、１３０〜１７０℃に加熱して混練することを特徴
とするものであり、また第２の技術解決手段は、尿素単
独或いは尿素にポリビニルアルコールを２０部（以下全
て重量割合）以下配合した混合物を、セラミック粉末或
いは金属粉末１００部に対して７〜２５部配合し、１３
０〜１７０℃に加熱して混練したものを射出成形した形
態を、水中に浸漬して一部のバインダを除去し、その後
大気圧又は加圧雰囲気中にて残りのバインダを除去する
ことを特徴とするものであり、これらを課題解決のため
の手段とするものである。

【０００６】

【作用】熱可塑性で、かつ水溶性のバインダ（尿素、ポ
リビニルアルコール）を使用して金属粉末或いはセラミ
ック粉末と混練、加熱して同粉末をスラリ化し、このス
ラリを射出成形して成形体を形成する。成形体を水中に
浸漬、保持することにより、水溶性のバインダを溶出、
除去する。その後、大気圧又は加圧雰囲気中にて残りの
バインダを成形体から除去する。

【０００７】

【実施例】以下本願発明を実施例について説明する。本
発明は金属粉末或いはセラミック粉末の射出成形用バイ
ンダとして、熱可塑性、かつ水溶性の尿素或いは尿素と
ポリビニルアルコールの混合物を使用することに特徴が
ある。バインダとして使用する尿素とポリビニルアルコ
ールは相溶性であり、また共に水溶性の物質である。尿
素の融点は約１３０℃であり、尿素中にポリビニルアル
コールを配合すると僅かではあるが融点は低下する。こ
の尿素単独或いは尿素とポリビニルアルコールを配合し
たバインダの適当量と金属粉末或いはセラミック粉末の
混合物を１３０℃以上に加熱して混練すれば、金属粉末
或いはセラミック粉末はスラリ化して射出成形が可能と
なる。バインダとしては尿素単独でも良く、或いは製品
によっては射出成形体の強度が不足する場合があるが、
ポリビニルアルコールを適当量配合することにより成形
体の強度が増大する。

【０００８】また前述の如く、尿素とポリビニルアルコ
ールは水溶性であり、この混合物もまた水溶性である。
従って水中にこの成形体を浸漬、保持することによりバ
インダが水中に溶出し、除去される。これは気化を伴う
脱脂ではないので、バインダの膨張による“ふくれ”或
いは割れが発生することはない。またバインダの溶融温
度即ち成形体の軟化温度以上に加熱する必要がない為、
脱脂時の成形体の変形も非常に少ない。従って本発明で
は、成形体のバインダとして熱可塑性で、かつ水溶性の
尿素、ポリビニルアルコールを使用するため、脱脂時の
成形体のふくれや割れ又は変形を確実に防止するこがで
きる。

【０００９】以下単純形状試験片での金属粉末、或いは
セラミック粉末の射出成形及び射出成形体の脱脂、焼成
の実施例の態様を図面に基づいて説明する。平均粒径１
５μｍのステンレス粉末（ＳＵＳ３０４相当組成）１０
０部に対して表１に示す配合組成及び量のバインダを添
加して、これを１４０℃に加熱した加圧式混練機（加圧
ニーダ）にて３０分間混練してスラリ化した。これを高
化式フローテスタにて温度を変化させて動粘性係数を測
定した例を図１に示す。ステンレス粉末１００部に対し
てバインダの配合量が７部以下では充分にスラリ化せず
動粘性係数の測定が不可能であった。即ち、射出成形も
不可能と判断される。またバインダの配合量が１５重量
部以上になると粘性係数が非常に小さくなって、高化式
フローテスタにて圧力を作用しなくても自然にノズルか
らスラリが流出し、動粘性係数の測定が不可能であっ
た。この場合も射出成形が困難と判断される。従って本
発明では、バインダの配合量は金属粉末の大きさ及び形
状にもよって異なるが、バインダの適正配合割合は金属
粉末１００部に対して７〜１５部である。

【００１０】次にバインダ自体は尿素のみでも充分であ
るが、尿素にポリビニルアルコールを配合すると、ポリ
ビニルアルコールの配合割合が増加するに従って強度が
増大する。しかし逆にポリビニルアルコールの配合割合
が増加すると、尿素中へのポリビニルアルコールの溶解
性は低下して、尿素とポリビニルアルコールが分離する
現象が認められ、ポリビニルアルコールは尿素１００部
に対して２０部が限界である。また必要強度に関して
は、成形体の大きさ及び形状にもよるが、金型から射出
成形体を取出す時の必要ハンドリング強度の観点から、
ポリビニルアルコールの配合が必要であり、尿素に対し
て２０部以下であれば適当な量のポリビニルアルコール
を配合すればよい。

【００１１】次に図２に示すような連続的に厚さを変化
させた形状の品物を、常温の金型中に表２に示す成形条
件にて射出成形し、これを常温の水を満たした容器中に
入れて放置し、脱脂を行なった。所定時間脱脂した後、
成形体を１２０℃に加熱した大気雰囲気の炉中にて１時
間乾燥した後、重量測定を行なった。脱脂前後の重量変
化から計算した脱脂率の経時変化の１例を図３に示す。
水中にて２時間脱脂した成形体を窒素ガスにて８kgf/cm
² に加圧した炉中で昇温速度を５０℃／ｈにて５００℃
まで加熱し、１時間保持した後に冷却した。この時の脱
脂率は９７％であった。脱脂時間は水中での抽出脱脂に
２時間、乾燥に１時間及び加圧加熱脱脂に約１４時間
で、合計１７時間であった。この脱脂した金属粉末の成
形体を真空中（圧力は５×１０^-4Torr以下）にて昇温速
度２５０℃／ｈにて１２８０℃まで加熱し、２時間保持
して焼結を行なった。焼結後の成形体の相対密度は９５
％であり、特に“ふくれ”或いは割れ等の欠陥は発生し
ておらず、良好な品質の焼結体を製造できた。

【００１２】平均粒径１０μｍの溶融シリカ８０部と、
平均粒径６μｍのアルミナ２０部を混合した後、尿素９
５部及びポリビニルアルコール５部を配合したバインダ
をセラミック混合粉末１００部に対して１２〜３０部配
合して、これを１４０℃に加熱した加圧式混練機にて３
０分間混練してスラリ化した。これを実施例１の金属粉
末の場合と同様に高化式フローテスタにて動粘性係数を
測定した。測定例を図４に示す。セラミック粉末１００
部に対してバインダ配合割合が１５部以下では動粘性係
数の測定が不可能であり、射出成形も困難と判断され
た。またバインダの配合割合が２５部以上になると動粘
性係数が非常に小さくなって、実施例１の場合と同様に
ノズルからスラリが自然流出し、動粘性係数の測定が不
可能であり、この場合も射出成形が困難と判断された。
適正なバインダの配合割合はセラミック粉末の粒径及び
形状によって若干異なるが、適正バインダ配合割合はセ
ラミック１００部に対して１５〜２５部である。

【００１３】次に実施例１と同様に、図２に示した形状
の品物を第２表に示した条件にて射出成形し、これを常
温の水を満たした容器中に入れて２時間放置し、その後
この成形体を１２０℃に加熱した大気雰囲気の炉中にて
１時間乾燥した。この時の重量変化から求めた脱脂率は
８５％であった。更に乾燥後の成形体を実施例１の金属
粉末の場合と全く同様に、窒素ガスにて８kgf/cm² に加
圧した炉中で昇温速度を５０℃／ｈにて５００℃まで加
熱し、１時間保持した後に冷却した。この時の最終的な
脱脂率は９５％であった。この脱脂したセラミック粉末
の成形体を、大気雰囲気炉にて昇温速度３００℃／ｈに
て１３００℃まで加熱し、１時間保持して焼成を行なっ
た。焼成後の成形体には“ふくれ”或いは割れ等の欠陥
は発生しておらず、良好な品質の焼成体を製造できた。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明した如く、本発明の金属
粉末或いはセラミック粉末の射出成形用バインダ及び脱
バインダ（脱脂）方法は、従来一般的に用いられている
バインダ及びその脱脂方法に比較して以下の利点及び優
れた効果を有している。 （１）バインダとして熱可塑性、かつ水溶性の尿素或い
は尿素とポリビニルアルコールの混合物を使用すること
により短時間で脱脂が可能となった。例えば従来の加熱
による脱脂方法では脱脂に５日ないし７日間要していた
のが、約１７時間で脱脂が完了し、約１／７から１／１
０に短縮できる。 （２）加熱脱脂法ではバインダを気化して除去する為に
気化時の体積膨張により成形体内部の圧力が上昇し、そ
れに伴う応力にて脱バインダ時に成形体中に“ふくれ”
及び割れが発生し易い。特に成形体の厚さが１０mm以上
になると、加熱・昇温速度を小さくしても前記“ふく
れ”或いは割れの防止は実質的に不可能であるが、本発
明法では１０mm以上の成形体でもその脱脂が比較的短時
間で可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る金属粉末スラリと粘
性係数との関係を示す線図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る射出成形体の形状・
寸法図である。

【図３】本発明の第１実施例に係る水中浸漬時の脱脂率
と経時変化の関係を示す線図である。

【図４】本発明の第１実施例に係るセラミック粉末スラ
リと粘性係数の関係を示す線図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｘ 8924−4Ｇ 35/64 ３０１ 7305−4Ｇ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック粉末或いは金属粉末に配合す
   るバインダであって、同バインダは尿素単独或いは尿素
   にポリビニルアルコールを２０部（以下全て重量割合）
   以下配合した混合物からなり、この混合物をセラミック
   粉末或いは金属粉末１００部に対して７〜２５部配合
   し、１３０〜１７０℃に加熱して混練したことを特徴と
   する金属粉末或いはセラミック粉末の射出成形用バイン
   ダ。
2. 【請求項２】 尿素単独或いは尿素にポリビニルアルコ
   ールを２０部（以下全て重量割合）以下配合した混合物
   を、セラミック粉末或いは金属粉末１００部に対して７
   〜２５部配合し１３０〜１７０℃に加熱して混練したも
   のを射出成形した成形体を、水中に浸漬して一部のバイ
   ンダを除去し、その後大気圧又は加圧雰囲気中にて残り
   のバインダを除去することを特徴とする金属粉末或いは
   セラミック粉末射出成形体の脱バインダ方法。