JPH0565501A - 金属粉末射出成形用原料および焼結金属材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属粉末射出成形法で作られた焼結体のＣ％
の調整を従来は金属粉にグラファイトを添加して行って
いたが、射出成形時の均質性および焼結収縮の等方向性
が損なわれていた。 【構成】 グラファイトの代替物としてメソフェース球
晶を用いることにより、Ｃ％を適切に調整すると共に焼
結収縮の等方向性を達成し、金型設計を容易化した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焼結金属の原料、詳し
くは、金属粉末の射出成形を利用して製造される焼結材
料の原料ならびにそれを用いた焼結金属材料の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】焼結金属の製造方法として、金属粉末の
射出成形を利用する方法（以下、金属粉末射出成形法と
呼ぶ）は、小型３次元複雑形状の金属部品の量産に有利
であるため、発展しつつある。金属粉末射出成形法で
は、金属粉末と成形助材となる有機バインダとの混合・
混練・造粒による原料をプラスチックスと同様に射出成
形し、成形体より有機バインダを除去して脱脂体とした
後、脱脂体の焼結によって金属部品を得る。

【０００３】ところで、得られた焼結材料の特性は、そ
の含有Ｃ％に大きく左右される。例えば、含有Ｃ％は、
通常の金属材料と同様の効果を持ち、鋼の機械的特性を
大幅に変化させたり、ステンレス鋼の耐食性を支配す
る。ところが、金属粉末射出成形によって焼結部品を製
造する場合、焼結材料のＣ％は、脱脂、焼結条件および
原料粉末のＣ％、Ｏ％、さらに、部品形状に左右され
る。しかし、工程コスト上からは、一律の脱脂、焼結条
件により、所望のＣ％を有する種々の形状の部品が製造
できることが好ましい。言い換えると、原料粉末のＣ
％、Ｏ％によって調整できれば望ましい。ところが、Ｏ
％については、酸化物の添加で調整することができるが
（特開昭63−206706号公報、特開平２-57607号公報）、
Ｃ％については、適切な手段がない。例えば、原料粉末
にグラファイト粉末を添加する方法が開示されている
（特開平３-39402号公報）。

【０００４】しかし、グラファイト粉末は、フレーク形
状であるため、射出成形時には原料の流れる方向に配向
しやすい。その結果、焼結収縮も部品全体にわたって不
均一となり、金型設計が困難である。加えて、グラファ
イトの成形助材となる有機バインダに対する濡れ性は、
金属粉末よりも劣る問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上の実情に鑑みて、
本発明は、金属粉末射出成形法で作られた焼結体のＣ％
を適切に調節することのできる金属粉末射出成形用原料
および焼結金属材料の製造方法を提供することを目的と
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、原料粉末の
Ｃ％を調整するために、金属粉末にメソフェース球晶を
混合し、これらを有機バインダと混練したコンパウンド
を、金属粉末射出成形用原料として提供する。特に、Ｃ
％を厳しく制御する必要のある場合が、本発明の金属粉
末射出成形用原料の有効な使用形態であり、具体的には
金属粉末がCr含有合金である場合にその効果が顕著に発
揮される。

【０００７】本発明は、またこれらの原料を射出成形し
て成形体を得る工程、成形体より有機バインダを除去し
て脱脂体を得る工程、脱脂体を加熱して焼結材料を得る
工程よりなる焼結金属材料の製造方法である。

【０００８】

【作 用】以下、本発明について詳細に説明する。本発
明においては、従来、添加されていたグラファイトに代
わって、メソフェース球晶を添加することが必要であ
る。メソフェース球晶（以下単に球晶と記載する）は、
コールタールピッチなどを350〜500 ℃程度の温度で熱
処理することでピッチ中に生成する粒径数μｍ〜数十μ
ｍの小球体であり、坩堝などの耐熱黒鉛部材の原料とし
て使用されている〔川鉄技報21（1989）４、 335〜339
〕。球晶は、化学的には、芳香族性高分子が堆積した
黒鉛に類似したＣ骨格構造をもつものの、Ｃ以外の元素
として、Ｈ、Ｏ、Ｎを、各々、数wt％程度含むため（黒
鉛前駆体と呼ばれる）、黒鉛と違った性質を持つ。特
に、黒鉛がＣとＣとの結合のみを持つのに対し、球晶は
ＣとＯやＣとＮとの結合をも持つため、球晶の方が黒鉛
よりも有機バインダとの濡れ性に優れる。加えて、金属
粉末も表面に金属元素ＭとＯあるいはOHとの結合を持つ
ため、球晶と金属粉末との有機バインダに対する濡れ性
に大差が無い。そのため、球晶を使用することで、全く
偏析のない金属粉末と有機バインダとの射出成形原料コ
ンパウンドを得ることができる。

【０００９】さらに、球晶の形状は、黒鉛粉がフレーク
形状であるのに対して、全くの球形である。そのため、
黒鉛を使用した原料コンパウンドを射出成形した場合、
原料の流動する方向に黒鉛粒子が配向（黒鉛粒子のフレ
ークの長径方向が流動方向と一致する）するのに対し、
球晶を使用した原料を射出成形した場合は、球晶は球形
であるので配向することはない。黒鉛粒子の配向した成
形体は、脱脂後、焼結の際に、等方的には収縮しないの
で、最終部品の形状に歪みが生じる場合がある。一方、
配向のない球晶を使用した成形体は、脱脂後の焼結にお
いて、等方的に収縮するため、全く形状歪みのない部品
が得られる。

【００１０】以上のように、球晶を使用することではじ
めて均一な射出成形原料が得られ、これを脱脂、焼結す
ることではじめて形状歪みの無い焼結部品が得られる。
また球晶の添加量をコントロールすることによりＣ量の
調節が可能となる。球晶の添加量は、原料金属粉末の
Ｃ、Ｏ含有量および最終焼結体のＣ、Ｏ含有量によって
異なるが、通常、0.02〜５wt％程度添加する。

【００１１】球晶は、Ｃ含有量：90〜98wt％、Ｈ含有
量：２〜４wt％、Ｎ含有量： 0.5〜2.0 wt％、Ｓ含有
量：0.02〜0.4 wt％、Ｏ含有量：１〜３wt％であり、平
均粒径３〜30μｍ程度のものが使用できる。本発明の金
属粉末としては、水アトマイズ粉、ガスアトマイズ粉、
油アトマイズ粉、カルボニル粉、還元粉および粉砕粉な
どの単独または混合粉が使用できる。これらの粉末は、
必要に応じて、分級などによって、平均粒径や粒度分布
を調整して使用する。原料粉末の平均粒径は、射出成形
の容易性を考慮すると、20μｍ以下が好ましい。

【００１２】金属粉末の組成は、Fe、Ni、Co、Cu、Mo、
Crなどの単体金属またはそれらの合金など、種々のもの
が使用できる。特に、鉄合金においては、酸化性が高い
ため真空焼結を利用する必要があり、Ｃの低減や制御の
ために原料粉末のＣ量の管理が不可欠であるCrを含有す
る合金の原料粉末に対して本発明は有利に適用できる。

【００１３】これらの金属粉末と球晶との混合物を原料
粉末とする。この混合は有機バインダとの混合に先立ち
行っても、有機バインダとの混練時に行ってもよい。本
発明においては、これらの原料粉末に有機バインダを添
加混合し、混練して射出成形原料（射出成形用コンパウ
ンド）を得ているが、ここで適用可能な有機バインダと
して、熱可塑性樹脂類、ワックス類、可塑剤あるいはそ
の混合物を主体とする公知のバインダはいずれも適用可
能であり、また必要に応じて潤滑剤、脱脂促進剤等を添
加してもよい。

【００１４】熱可塑性樹脂としては、アクリル系、ポリ
エチレン系、ポリプロピレン系およびポリスチレン系等
の一種、あるいは二種以上を混合および／または共重合
して用いることができる。ワックス類としては、密ろ
う、木ろう、モンタンワックス等の天然ろう、低分子ポ
リエチレン、マイクロクリスタリンワックス、パラフィ
ンワックス等の合成ろう等の一種あるいは二種以上を混
合して用いることができる。

【００１５】可塑剤は、バインダの主成分により適宜選
択すればよく、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル（ＤＯ
Ｐ）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ）、フタル酸ジ−ｎ−
ブチル（ＤＢＰ）等が例示できる。また、ワックス類を
可塑剤として兼用できる。潤滑剤としては、高級脂肪
酸、脂肪酸アミド、脂肪酸エステル等が適用可能であ
り、場合によってはワックス類を潤滑剤として兼用して
もよい。また、必要に応じ、脱脂促進剤として樟脳等の
昇華性物質を添加してもよい。

【００１６】なお、このようなバインダと原料粉末との
混合比は、通常30：70〜70：30 vol％程度である。原料
粉末とバインダとの混練方法は、特に制限はなく、加圧
ニーダ、バンバリーミキサ、２軸押出し機等の各種のニ
ーダ等によればよい。このようにして調整した射出成形
用コンパウンド（成形原料）は、必要に応じペレタイ
ザ、粉砕機等を用いて造粒を行い、ペレットとしてもよ
い。

【００１７】ついで、得られた射出成形用コンパウンド
（成形原料）を射出成形して成形体を作成する。この射
出成形工程には、通常のプラスチック用射出成形機が使
用できる。この際、射出成形圧力は 500〜2500 kgf/cm²
程度、射出成形機のシリンダ温度は 100〜250℃程度で
ある。金型温度は、５〜50℃程度である。得られた射出
成形体は、加熱炉中、公知の方法で脱脂する。加熱炉内
の雰囲気は、大気、窒素やアルゴンなどの不活性ガス、
水素などの還元性ガスや真空が利用できる。脱脂体の形
状を左右する 200℃程度未満の低温では、バインダ除去
を促進するために、真空雰囲気を利用するのが好まし
い。さらに好ましくは、真空排気しながら不活性ガス等
を導入する方法が好ましい。バインダを除去しながら、
最高温度 400〜800 ℃まで昇温し、必要に応じて保持を
行い脱脂を完了する。この際の昇温速度は、通常、10℃
／時間〜10℃／分程度である。

【００１８】このようにして得られた脱脂体は、非酸化
性雰囲気中で焼結する。非酸化性雰囲気としては、Ar、
窒素、水素含有ガスおよび真空雰囲気が利用できる。雰
囲気の選択は、最終焼結体の組成によって異なる。Fe−
Ni、Fe−Ni−Mo合金や純鉄などでは、水素含有ガスが好
ましい。Crを含有するステンレス鋼やSiを含有する鉄合
金などでは、焼結の一部で真空雰囲気を利用するのが好
ましい。

【００１９】焼結温度は、通常、 800〜1400℃で10分〜
５時間程度保持する。これらの条件は、最終焼結体の組
成によって異なる。

【００２０】

【実施例】以下、実施例にしたがって、本発明をさらに
詳細に説明する。 実施例Ａ 平均粒径 9.5μｍ、Ｃ含有量：0.03wt％、Ｏ含有量：0.
75wt％のＳＵＳ 316組成の水アトマイズ粉を用意した。
平均粒径14μｍ、Ｃ含有量：93.2wt％、Ｈ含有量： 3.0
wt％、Ｎ含有量： 1.3wt％、Ｓ含有量：0.25wt％、Ｏ含
有量： 2.2wt％の球晶を用意した。比較材の原料とし
て、平均粒径30μｍの粉末冶金用天然黒鉛を用意した。
ただし、以上に記載した平均粒径は、粉末をアルコール
中に分散させマイクロトラック法によって測定したもの
であるため、黒鉛の粒径は、フレークの長径および短径
の平均に相当する参考値を示している。金属粉末に、0.
35wt％の球晶を混合し、さらに、加圧ニーダにより、原
料粉末 100ｇに対して10.5ｇの有機バインダを添加・混
練して本発明の射出成形用の原料（実施例１）を得た。
使用した有機バインダは、アクリル樹脂30wt％、ポリエ
チレン20wt％、ＤＥＰ15wt％および合成パラフィンワッ
クス35wt％より成るものである。球晶の代わりに同量の
黒鉛を使用した以外実施例１と全く同様にして比較用の
射出成形用の原料（比較例１）を得た。実施例１および
比較例１の射出成形用原料を、 150℃で、幅15mm×厚さ
３mm×長さ40mmの直方体試験片に射出成形した。射出成
形金型は、試験片の幅15mm×厚さ３mmの面の一方より材
料が導入されるように設計した。射出成形体は、いずれ
も、窒素中 250℃まで２日かけて昇温し、さらに、 550
℃まで12時間で昇温し、１時間保持の後、冷却すること
で脱脂を完了した。脱脂体は、 0.001Torrの真空下、＋
５℃／分の速度で、1100℃まで昇温、２時間保持した
後、Ar雰囲気中、＋５℃／分の速度で、1320℃まで昇
温、２時間保持した後、冷却して焼結を完了した。焼結
体の密度、ＣおよびＯ含有量および寸法収縮率を測定し
た。結果を表１にまとめた。

【００２１】

【表１】

【００２２】実施例１および比較例１において、その焼
結密度比および分析値はいずれも好ましいものであっ
た。しかし、幅方向と長さ方向の線収縮率の差について
は、実施例１においてはわずか 0.3％であるのに対し、
比較例１においては 2.8％と大きな値となった。言い換
えると、従来の黒鉛添加による方法では収縮が方向によ
って異なり、新規な部品の焼結収縮率の予測が困難であ
り、金型のキャビティの寸法設計が困難であるばかりで
なく、場合によっては、最終製品の形状が歪む可能性が
高いものとなる。一方、本発明によっては、いずれの方
向に対する収縮も均一であるため、金型設計は容易であ
るばかりでなく、最終製品の形状が歪む可能性が低いも
のと言える。

【００２３】実施例Ｂ 本発明の効果をより確認するために、平均粒径 8.5μ
ｍ、Ｃ含有量：0.04wt％、Ｏ含有量：0.65wt％のＳＵＳ
410組成の水アトマイズ粉を用意した。さらに、平均粒
径 5.2μｍ、Ｃ含有量：0.05wt％、Ｏ含有量：0.25wt％
のFe−４％Ni組成のカルボニルFe粉とカルボニルNi粉の
混合粉を用意した。各々の粉末に 0.6wt％の実施例１と
同じ球晶または比較例１と同じ黒鉛を添加した。さら
に、実施例１と同様に混練を行い、実施例および比較例
用の射出成形用原料を得た。ただし、ＳＵＳ 410粉末に
は、11.0部、Fe−４％Ni粉末には、 9.5部バインダを添
加した。以下、実施例１と全く同様にして、射出成形、
脱脂、焼結を行い特性を評価し、結果を表２にまとめ
た。

【００２４】

【表２】

【００２５】黒鉛を使用しても、球晶を使用しても、高
い密度が得られ、Ｏ量を低減でき、さらに、Ｃ量を制御
したＳＵＳ 410やFe−４％Niを製造することができた。
しかし、黒鉛を使用した場合（比較例２および３）に
は、焼結収縮率の方向差が大きく、本発明の射出原料
（実施例２および３）によってはじめて、方向に関係な
く焼結収縮率が等しい射出成形体が得られることがわか
る。

【００２６】

【発明の効果】金属粉末にメソフェース球晶を混合し、
これらを有機バインダと混練した射出原料コンパウンド
によって、射出成形時の均質性および焼結収縮の等方向
性を損なうことなく、射出原料または原料粉末のＣ％を
適切に調節することを可能にした。さらに、これによっ
て、従来法と比較して、金型設計を容易にするととも
に、焼結時の形状歪みの可能性の低減をも達成すること
ができた。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも金属粉末、有機バインダおよ
   びメソフェース球晶の３種より構成されていることを特
   徴とする金属粉末射出成形用原料。
2. 【請求項２】 金属粉末がCr含有合金であることを特徴
   とする請求項１記載の金属粉末射出成形用原料。
3. 【請求項３】 少なくとも金属粉末、有機バインダおよ
   びメソフェース球晶の３種より構成されている金属粉末
   射出成形用原料を射出成形して成形体を得る工程、成形
   体より有機バインダを除去して脱脂体を得る工程、脱脂
   体を加熱して焼結材料を得る工程よりなることを特徴と
   する焼結金属材料の製造方法。
4. 【請求項４】 金属粉末がCr含有合金であることを特徴
   とする請求項３記載の焼結金属材料の製造方法。