JPH06287601A - 金属粉末の射出成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ゲル状態での強度を増強して、すぐれた成形
体の生強度を得、焼結後の焼結体の残留酸素・炭素量の
低減、ポアー、ボイドの低減を図った金属粉末の射出成
形方法の提供。 【構成】 ゾル・ゲル変態を起こすメチルセルロースお
よび／または寒天を射出成形用バインダーとした場合の
ゲル状態での強度を増強させるために、バインダーを添
加する前の金属粉末に樹脂を被覆することによりゲル状
態での強度を増強して、すぐれた生強度を有する成形体
を得て、焼結後の焼結体の残留酸素・炭素量、ポアー、
ボイドを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属粉末から種々形
状の金属部品を成形する金属粉末の射出成形方法に係
り、予め金属粉末表面に樹脂を被覆した後、バインダー
としてメチルセルロースおよび／または寒天と水とを加
えて混練し、混練物のゲル状態でのゲル強度を増強さ
せ、成形体の生強度の向上ならびに焼結後の焼結体の残
留酸素・炭素量、ポアー、ボイドの低減を図った金属粉
末の射出成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、射出成形方法は、例えば高分子樹
脂を用いて、高精度で複雑形状品の作製が可能なため、
種々分野で利用されている。また、金属粉末から金属部
品を成形する場合、通常、所要の型に圧縮成形した後焼
結する方法が採られていたが、より複雑形状品を製作す
るのに射出成形方法の利用が考えられている。

【０００３】金属粉末から金属部品を形成する金属粉末
の射出成形方法では、金属粉末とバインダーとの混練物
の粘度はもとより、金属粉末の粒度やバインダーの種類
などによって、得られる成形体の強度が決定され、該強
度と成形体重量との関係により目的形状が得られなくな
る場合がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ゾル・ゲル変
態を起こすメチルセルロースや寒天は、メチルセルロー
スの場合であれば、水に溶解した後約５０℃前後に加熱
すると弾性のあるゲル状物質となって固化し、約３５℃
以下に冷却すると粘性のあるゾル状物質となる。また寒
天の場合であれば、水を含むと８０〜９５℃の温度では
ゾル状態になり、３０〜４０℃の温度に下げると、半固
形状のゲル状態に変態を起こす。これらゾル・ゲル変態
を利用した金属射出成形法では、総バインダー中の８０
％以上が水であるために、通常の有機バインダーを利用
した場合に比較して、バインダーの一部である水分が気
化、蒸発し易いために脱脂速度が速くなる長所はある
が、反面射出成形後の成形強度が弱いために、成形重量
の重い大型品の作製が困難であること、また高精度で複
雑形状品の作製が困難であることなどの問題がある。

【０００５】これらの問題は全てゲル状態での低いゲル
強度に起因している。またゾル・ゲル変態を利用した金
属射出成形法では、一般に焼結後の焼結体にポアーもし
くはボイドが発生し易いために、高密度を要求される電
子部品等への応用は現時点ではまだ難しく、実用化され
ていない。また、成形体強度を増強するためにバインダ
ー量を増加させると、焼結後の焼結体中の残留酸素や炭
素量並びにポアー、ボイドが増加する傾向にあり、成形
体強度の増強とともに焼結体中の残留酸素・炭素量、ポ
アー、ボイドの低減を両立させることが必要である。

【０００６】この発明は、ゾル・ゲル変態を起こすメチ
ルセルロースおよび／または寒天をバインダーとした金
属粉末の射出成形方法を目的とし、ゲル状態での強度を
増強して、すぐれた成形体の生強度を得、焼結後の焼結
体の残留酸素・炭素量の低減、ポアー、ボイドの低減を
図った金属粉末の射出成形方法の提供を目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、焼結後の焼
結体中のポアー、ボイドを低減させるために、種々検討
した結果、金属粉末に混合するバインダーとしてゾル・
ゲル変態を起こすメチルセルロースおよび／または寒天
の粉末粒径を小さくして、水に溶解させて射出成形する
ことにより、緻密な焼結体が得られることを確認した。
しかし、寒天のゲル強度は、水に溶解させる前の粉末粒
径に大きく依存し、その粉末粒径を小さくするほど、ゲ
ル強度は低下する傾向にあるために、緻密化を図るため
には成形体の生強度を犠牲にしなければならない。そこ
で、ゾル・ゲル変態を起こすメチルセルロースおよび／
または寒天を射出成形用バインダーとした場合のゲル状
態での強度を増強させることについてさらに検討した結
果、バインダーを添加する前の金属粉末に樹脂を被覆す
ることによりゲル状態での強度を増強して、すぐれた生
強度を有する成形体を得て、焼結後の焼結体の残留酸素
・炭素量、ポアー、ボイドを低減できることを知見し、
この発明を完成した。

【０００８】すなわち、この発明は、予め金属粉末（但
しＲ−Ｆｅ−Ｂ系合金粉末は除く）の表面に樹脂を被覆
しておき、所定温度によりゾル・ゲル反応を起こすメチ
ルセルロースおよび／または寒天と水を主成分とするバ
インダーと混練した後、混練物を射出成形することを特
徴とする金属粉末の射出成形方法である。また、この発
明は、上記の構成において、金属粉末に対して０．１〜
３．０ｗｔ％の樹脂にて金属粉末表面が被覆され、バイ
ンダーに潤滑剤が金属粉末に対して０．１〜１．０ｗｔ
％添加されていることを特徴とする金属粉末の射出成形
方法を提案する。

【０００９】この発明において、金属粉末としては、Ｒ
−Ｆｅ−Ｂ系合金を除く鉄や鉄を主成分とする合金が好
ましく、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合
金、ステンレス合金などが挙げられる。金属粉末の製造
方法やその粒径などについては、該金属の組成や状態な
どに応じて、最適の条件を適宜選定するとよい。

【００１０】この発明において、金属粉末の表面に樹脂
を被覆することは、金属粉末と射出成形用バインダーと
を混練した混練物の、ゲル状態でのゲル強度を増強さ
せ、射出成形して得られた成形体の生強度を向上させ
て、焼結後の焼結体の残留酸素量・炭素量の低減、並び
に焼結体中のポアー、ボイドを低減することができ、ま
た金属粉末の酸化防止及び脱酸効果も期待できる。金属
粉末の表面に被覆する樹脂としては、ポリメチルメタク
リレート（ＰＭＭＡ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭ
Ａ）などのメタクリル樹脂、ポリプロピレン、ポリスチ
レン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレ
ン、ポリアクリロニトリルなどの熱可塑性樹脂の単独ま
たは複合したものが好ましい。また、上記樹脂の添加量
は、金属粉末に対して０．１〜３．０ｗｔ％が好まし
い。これは金属粉末に被覆した際の樹脂被覆膜厚の５０
〜１０００Åに相当する。すなわち、樹脂の添加量が
０．１ｗｔ％未満では樹脂被覆膜厚が５０Å未満とな
り、ゲル強度の向上効果が望めなくなり、３．０ｗｔ％
を超えると樹脂被覆膜厚が１０００Åを超え、ゲル強度
の向上効果が飽和するとともに、焼結後の焼結体中の残
留酸素量及び炭素量が増加し、得られる金属の特性など
を劣化させるため好ましくない。

【００１１】この発明において、金属粉末への前記樹脂
の被覆方法としては、公知のいずれの被覆方法も採用で
きるが、特に均一な被覆を行なうには、メカノフュージ
ョンシステムあるいはハイブリダイゼーションシステム
と呼ばれる被覆処理方法や、ボールミルなどを用いるこ
とが有効である。メカノフュージョンシステム（メカノ
フュージョン装置）とは、主要部が高速回転する容器と
その内面に固定された半円柱状のアームヘッドからな
り、主要部の容器内へ投入された金属粉末と樹脂は、遠
心力により容器内面に押しつけられ、容器とともに高速
回転移動するとともにアームヘッドと容器内面との間で
圧縮および剪断等の力学的作用を受ける構造になってお
り、これが処理時間中に繰り返されて、金属粉末表面に
樹脂が被覆される。なお、ハイブリダイゼーションシス
テムとはメカノフュージョンシステムの別の呼び名であ
り、基本的な構成は上記のメカノフュージョンシステム
と同様である。また、ボールミルにより被覆するには、
ステンレス鋼や鉄などからなるボールミル容器に、所要
材質、形状のボールと金属粉末と樹脂とを所要量挿入
し、該容器内を不活性ガスなどで置換したのち、容器を
密閉して該ボールを所要時間回転させることにより、金
属粉末表面に樹脂が被覆される。上述のように、表面に
樹脂を被覆した金属粉末は、酸素に対して安定となるた
め、射出成形時にリサイクルが可能になり、また、混練
時に必ずしも潤滑剤を添加しなくても射出成形できると
いう利点がある。

【００１２】この発明において、射出成形用のバインダ
ーには、所定温度によりゾル・ゲル変態を起こすメチル
セルロースまたは寒天あるいはそれらを複合したものに
水を添加したものを用いる。バインダーとして、メチル
セルロースを単独で用いる場合の添加量は、金属粉末に
対して０．２〜４．０ｗｔ％が好ましく、寒天を単独で
用いる場合の添加量は０．６〜４．０ｗｔ％が好まし
く、またメチルセルロースと寒天を複合して用いる場合
は、０．２〜４．０ｗｔ％が好ましい。いずれの場合に
も、添加量が下限値未満になると成形時の強度が著しく
低下するとともに成形金型と成形体との離型性が悪化す
るため好ましくなく、また添加量が上限値を超えると焼
結後の焼結密度が低下するとともに残留炭素量と酸素量
が増加して得られる金属の特性が劣化し好ましくない。
上記のメチルセルロースおよび／または寒天によるゾル
・ゲル変態は、被覆樹脂の添加量などに関係なく、温度
に対して可逆的であることを確認した。

【００１３】また、上記メチルセルロースおよび／また
は寒天と混合して用いる水の添加量は、金属粉末に対し
て８〜２０ｗｔ％が好ましく、８ｗｔ％未満では成形時
の流動性が悪くなり、ショート・ショットが発生しやす
くなり、２０ｗｔ％を越えると実質総バインダー量が増
加するために、焼結後の焼結密度が低下すると同時に残
留酸素量が増加し、得られる金属の特性が劣化する場合
がある。より好ましくは１０〜１８ｗｔ％である。

【００１４】また潤滑剤として、グリセリン、ワックス
エマルジョン、ステアリン酸のうち少なくとも１種を添
加することも有効であり、添加する場合は、金属粉末に
対して０．１〜１．０ｗｔ％が好ましい範囲である。添
加量が０．１ｗｔ％未満では成形体の密度の均一性向上
効果が現れず、また１．０ｗｔ％を越えると成形体の強
度が強度が低下する場合がある。

【００１５】この発明において、射出条件はバインダー
の添加量に応じて変動するが、バインダーとしてメチル
セルロースを用いた場合は、金型温度は７０〜９０℃が
好ましく、７０℃未満では成形後の取出時に固化が不十
分で変形する恐れがあり、９０℃を超えると混練物の流
動性が悪くなる。また、バインダーとして寒天を用いた
場合、金型温度は１０〜３０℃が好ましく、１０℃未満
ではショートショットが発生し易くなり、また３０℃を
超えると成形後の成形体の固化が不十分になることがあ
る。さらに、バインダーとして寒天を用いた場合の射出
温度は、７５〜９５℃が好ましく、７５℃未満では流動
性が不十分となりショートショットが発生し易くなり、
また９５℃を超えると成形体中に水の蒸発による気泡が
発生し、焼結後の焼結体中にボイドが発生する原因とな
るため好ましくない。いずれのバインダーの場合でも、
射出成形圧力は、３０ｋｇ／ｃｍ²未満ではウエルドが
発生し成形密度が不均一になり、焼結後に曲がりやうね
りが発生し、また５０ｋｇ／ｃｍ²を超えるとばりが発
生して好ましくないため、圧力は３０〜５０ｋｇ／ｃｍ
²が好ましい。

【００１６】この発明において、射出成形した成形体
は、脱水処理を行なった後脱バインダー処理を行ない、
次いで焼結する。脱水処理は、公知のいずれの方法でも
よく、昇温乾燥させる場合、水の添加量により変動する
が少なくとも２０〜１００℃までの昇温速度を９０℃／
ｈｒ以下にすることが好ましい。昇温速度が９０℃／ｈ
ｒを超えると水の急激な気化蒸発のため、処理品にひ
び、割れを生じるためことがある。水は、１００℃まで
の昇温中にほとんどが蒸発してしまう。

【００１７】脱バインダー処理は、バインダーの添加
量、潤滑剤の有無などに応じて公知の方法を用いて行な
うことができ、通常は１００〜２００℃／時間の速度で
昇温すれば脱バインダー処理ができる。この発明におい
ては、バインダーにメチルセルロースおよび／または寒
天を使用するので、通常の有機バインダーを用いた場合
に比べ、脱バインダー処理時間を大幅に短縮することが
できる。

【００１８】焼結は、脱バインダー処理に引き続いて行
なうことができ、焼結温度、焼結時間、昇温速度、焼結
後の冷却条件などは、金属の組成やその用途などに応じ
て適宜選定し、最良の方法で行なうことが好ましい。

【００１９】

【作用】この発明は、金属粉末を射出成形して、種々形
状の金属部品を成形する方法において、予め表面に樹脂
を被覆した金属粉末と、射出成形用バインダーとしてゾ
ル・ゲル変態を起こすメチルセルロースおよび／または
寒天と水とを混練することにより、該混練物のゲル状態
でのゲル強度を増強させ、成形後の成形体の生強度を大
幅向上、並びに焼結後の焼結体のポアー、ボイドの低減
を実現することができる。この発明による金属粉末の射
出成形方法は、バインダー中に水を多く含有するため、
相対的にバインダー中の炭素量を低減することができ
る。また、成形直後の成形体は多量に水を含んでいるの
で、次工程ではまず低温で水分を気化、蒸発させる脱水
処理を行なうが、その脱水処理の際に水分の抜けた跡も
しくは水分の通路が、脱水処理後に行なう脱バインダー
処理におけるバインダー及び金属粉末表面に被覆した樹
脂の通路になることから、脱バインダー処理を効率よ
く、かつ時間を大幅に短縮できる利点がある。

【００２０】

【実施例】

実施例１ 平均粒径５μｍのカーボニル鉄粉３００ｇに、表１に示
す平均粒径からなる疎水性のポリメチルメタクリレート
（ＰＭＭＡ）粉末を０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．
７ｗｔ％添加したものを、それぞれメカノフュージョン
装置の容器内に投入し、温度を７０℃に保持し、容器の
回転数を最高１８００ｒｐｍで１０分間処理して、約１
００Å厚みの樹脂を被覆した金属粉末を得た。次に、金
属粉末重量に対して２．０ｗｔ％の寒天粉末（清水食品
社製ＭＡ２０００）に１６ｗｔ％の水を添加し、撹拌し
ながら９０℃まで加熱した後、６０℃まで自然冷却しそ
のまま保温した中に、前記の樹脂被覆金属粉末と潤滑剤
としてグリセリン水溶液を０．５ｗｔ％添加して、さら
に混練した。次に該混練物を、射出温度９０℃、金型温
度２０℃（室温）で、２０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍの板
に成形した。また、上記成形体を真空中で室温から１０
０℃までを５０℃／ｈｒで昇温して、１時間保持し脱水
処理した後、５００℃までを１００℃／ｈｒで昇温し脱
バインダー処理を行ない、さらに加熱して１３５０℃で
２時間保持して焼結を行なった。得られた焼結体を観察
したがヒビ、ワレ、変形などは見られなかった。上記工
程における、成形時の成形体の生強度、焼結後の焼結体
の酸素量・炭素量、焼結体の密度を表１に示す。なお、
成形体の生強度の測定は、上記工程において、射出成形
機内に生じるスプール部分（３ｍｍ径×４０ｍｍ）の自
重による曲がり変形量を図１に示す方法で行なった。ま
た樹脂被覆を施さない以外は実施例１と全く同様の方法
で得られたものを比較例として表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】実施例２ 実施例１と同様の方法により得た、表面に樹脂を被覆し
たカーボニル鉄粉に、０．４ｗｔ％のメチルセルロース
粉末を添加して室温で混練し、さらに１４ｗｔ％の水を
添加するとともに、グリセリンを０．２ｗｔ％添加して
室温で混練した。次に該混練物を、射出温度２５℃、金
型温度８０℃で、２０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍの板に成
形した。上記成形体を真空中で室温から１００℃までを
５０℃／ｈｒで昇温して、１時間保持し脱水処理した
後、５００℃までを１００℃／ｈｒで昇温し脱バインダ
ー処理を行ない、さらに加熱して１３５０℃で２時間保
持して焼結を行なった。得られた焼結体を観察したがヒ
ビ、ワレ、変形などは見られなかった。上記工程におけ
る、成形時の成形体の生強度、焼結後の焼結体の酸素量
・炭素量、焼結体の密度を表２に示す。なお、成形体の
生強度の測定は、実施例１と同様の方法で行なった。ま
た樹脂被覆を施さない以外は実施例２と全く同様の方法
で得られたものを比較例として表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】表１及び表２から明らかなように、金属
粉末をゾル・ゲル変態を起こすメチルセルロースおよび
／または寒天と水、あるいはそれらに所要の潤滑剤を添
加したバインダーを用いて射出成形するに際して、予め
金属粉末表面に樹脂を被覆したこの発明による金属粉末
の射出成形方法により、該金属粉末と該バインダーを添
加、混練後の混練物のゲル状態でのゲル強度が大幅に向
上し、成形後の成形体の生強度が大幅に向上するととも
に、焼結後の焼結体の残留酸素量及び残留炭素量が低減
でき、さらに高密度は焼結体を得られることから、ポア
ー、ボイドの低減も可能となる。すなわち、バインダー
にメチルセルロースおよび／または寒天と水とを用いる
ことから、総バインダー中の炭素量を実質的に低減する
ことができ、かつ、金属粉末を樹脂で被覆するために、
金属粉末の酸化が大幅に抑制できるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】成形体の生強度の測定方法を示す説明図であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予め金属粉末（但しＲ−Ｆｅ−Ｂ系合金
   粉末は除く）の表面に樹脂を被覆しておき、所定温度に
   よりゾル・ゲル反応を起こすメチルセルロースおよび／
   または寒天と水を主成分とするバインダーと混練した
   後、混練物を射出成形することを特徴とする金属粉末の
   射出成形方法。
2. 【請求項２】 金属粉末に対して０．１〜３．０ｗｔ％
   の樹脂にて金属粉末表面が被覆され、バインダーに潤滑
   剤が金属粉末に対して０．１〜１．０ｗｔ％添加されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末の射出
   成形方法。