JPH07157807A - 精密粉末焼結品の製造用素材及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】精密な形状をした粉末焼結品を製造するための
素材及びその製造方法の提供。 【構成】金属及び／又はセラミツクの焼結性粉末にバイ
ンダー溶液を混合した原料粉末を素材形状に成形した後
溶媒の蒸発乾燥をして少量のバインダーを含む粉末固化
素材４を得、この粉末固化素材を彫刻機、３次元加工ロ
ボツト等のコンピユータ制御による精密３次元加工機に
チヤツク５を介して取り付け加工用刃具６で精密加工
し、この精密加工された粉末固化素材をバインダーを取
り除くための脱脂をした後焼結する。 【効果】粉末固化素材はバインダーにより適度の強度が
与えられているので加工機への取り付けと精密加工とが
円滑に行え、しかもバインダーの配合量が少ないので脱
脂の際にも引けやそり等の欠陥が生じないで精密焼結品
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属又はセラミツク粉
末並びに金属とセラミツクとの混合粉末等の焼結性粉末
から精密な形状をした粉末焼結製品を製造するための素
材及びこの素材を基にして粉末焼結製品を製造する方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、金属又はセラミツク粉末並び
に金属とセラミツクとの混合粉末等の焼結性粉末を原料
粉末としてこれを造形し、この造形体を焼結して粉末焼
結製品を製造することが広く行われている。

【０００３】従来の粉末焼結製品を製造する方法として
は、金型に充填された原料粉末をプレス成形してまず圧
粉体を形成し、次いで、この圧粉体を焼結炉に入れて所
定の温度で加熱して焼結させて粉末焼結製品とする、い
わゆる圧粉成形を利用して造形する方法が多く用いられ
ていた。

【０００４】しかしながら圧粉成形により造形する場合
は、成形方向が２方向であるので成形できる製品形状が
制約され、極めて単純な形状の製品しか製造できなかっ
た。

【０００５】このため近年、金属及び／又はセラミツク
粉末の焼結製品を得る技術として、粒径１０μｍ以下程
度の原料微粉末に熱可塑性合成樹脂やワツクス等の熱可
塑性のバインダ−を配合し、熱可塑性合成樹脂の成形と
同様に射出成形して造形し、次いで、この射出成形品を
加熱してバインダ−を溶融、分解して除去した後焼結し
て焼結製品とする、金属粉末射出成形法いわゆるＭＩＭ
法が開発された。

【０００６】ＭＩＭ法によると、造形が射出成形によつ
て行われるので、圧粉成形の場合と異なって、どのよう
に複雑な形状の製品でも精度良く容易に造形できるよう
になつた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たようなＭＩＭ法を利用しても精密粉末焼結品を製造す
るに、製品の精度、コスト等、多くの問題があった。

【０００８】ＭＩＭ法では原料粉末を熱可塑性バインタ
ーと共に射出成形するには成形時の流動性を良くするた
めにこの熱可塑性バインダーの配合量を原料粉末に対し
て重量として１０％程度、容量としては５０％以上と多
量に配合する必要があり、焼結の前にこの多量の熱可塑
性バインダーを成形品から脱脂により取り除くので、変
形、引け、そり、割れ、巣等の各種の欠陥が焼結品に生
じ易い。

【０００９】このため、成形用の金型の設計に様々な工
夫をしたり、脱脂には１００時間程度と非常に長い時間
を掛けたりして、前記したような欠陥が生じるのを少し
でも防ごうとしているが、前記したような欠陥を完全に
防ぐのは極めて難しい。

【００１０】また焼結品すなわちシルバーボデイを機械
加工して欠陥を修正し精密な製品に仕上げようとの試み
もあるが、これには様々な問題があってし実際上不可能
であった。

【００１１】すなわち、シルバーボデイはすでに製品形
状をしているので機械に取り付けるためのチャツク部分
がなかったり、加工の基準面を作ったりするのが難し
く、さらに硬いのでこの加工は非常に難しく、タングス
テン、チタン、超硬等の難削性材料粉末の場合は全く加
工できないからである。

【００１２】またこのようにシルバーボデイの機械加工
が難しいので、射出成形品すなわちグリーンボデイの段
階や脱脂品すなわちブラウンボデイの段階で機械加工す
ることも考えられる。

【００１３】グリーンボデイは前記したように熱可塑性
バインダーが多量に含まれているので機械加工にの際に
加工面がむしれてしまって精密な加工ができず、さらに
前記したように脱脂の際にさらに変形してしまったりす
るので、単なる穴空け加工程度ならともかく表面形状を
定めるような精密加工は無理でり、またブラウンボデイ
はバインダーが脱脂により取り除かれてしまっていて強
度が極めて弱いので機械加工はできない。

【００１４】したがつてＭＩＭ法によって胸像やアクセ
サリーのような装飾品、人工股関節の骨頭や入れ歯の歯
列床のような人工補綴具といった真に精密度が要求され
る焼結製品を得るのは非常に難しく、特に、タングステ
ン、チタン、超硬等の難削性材料を用いて精密粉末焼結
品を得ることは全く不可能であった。

【００１５】さらに、ＭＩＭ法の場合は極めて精密に加
工した高価な金型を利用しなければならず、得ようとす
る精密焼結品が多品種少量生産の場合には金型費により
製品のコストが非常に高くなってしまう。

【００１６】本発明は、このような従来技術の欠点を解
消し、極めて容易にしかも低コストで、タングステン、
チタン、超硬等の難削性材料を含めてあらゆる粉末で精
密粉末焼結品が得られるようにすることを目的とするも
のである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、金属
及び／又はセラミツク粉末から成る焼結性粉末にバイン
ダー溶液を混合した原料粉末を形成する工程、この原料
粉末を成形しブロツク状、板状等の素材形状の粉末成形
体を形成する工程、及びこの素材形状の粉末成形体を溶
媒の蒸発乾燥により固化させ粉末固化素材を形成する工
程により製造されたことを特徴とし、好ましくは、前記
焼結性粉末が平均粒径３０ミクロン以下の微粉末であ
り、バインダーの配合量が原料粉末に対して０．５乃至
２０容量％であり、原料粉末の成形法が機械的もしくは
静水圧的な加圧成形法又はスラリー注型法であることを
特徴とする精密粉末焼結品の製造用素材であり、又、前
記精密粉末焼結品製造用素材としての粉末固化素材を製
品形状に精密機械加工する工程、この精密機械加工粉末
固化素材を加熱しバイダーを取り除いて脱脂をする工
程、及びこの脱脂精密機械加工粉末固化素材をさらに加
熱して焼結をする工程により製造されることを特徴とす
る精密粉末焼結品の製造方法である。

【００１８】

【発明の作用】本発明は以上のように構成され、精密粉
末焼結品の製造用素材を製造するに当たり、焼結性粉末
にはバインダーを水或いは有機溶剤のような溶媒に溶解
した溶液として配合するので、バインダーが均一に混合
した原料粉末が容易に得られる。

【００１９】このバインダーが均一に混合された原料粉
末は成形体を加熱するなどして溶媒を蒸発させるだけで
バインダーの接着力で焼結性粉末相互が結合されて固化
し、機械加工のためのチヤツキングに十分耐える強度を
持ち、円筒或いは角柱のブロツク状、或いは板状等の各
種の形状をした精密粉末焼結品の製造用素材が容易に得
られる。

【００２０】この精密粉末焼結品の製造用素材を形成す
るに際して、焼結性粉末を平均粒径３０ミクロン以下の
微粉末とすると緻密な素材を形成することができ、バイ
ンダーの配合量を０．５乃至２０容量％でも、焼結性粉
末相互は、機械加工に際してのチヤツキングには十分耐
えるものの機械加工は容易な程度の強度を持つ素材とな
るような適度の結合力で結合する。

【００２１】また、素材中のバインダーの配合量は余り
多くないので、機械加工の際にバインダーが工具に融着
してむしれ加工面が荒れたりするようなことはなく、前
記したように強度が適当であることと相俟って非常に機
械加工性の優れた素材となる。

【００２２】さらに、原料粉末の成形を機械的もしくは
静水圧的加圧法又はスラリー注型法で行えば、バインダ
ーの配合量が少なく、射出成形の場合のように加熱によ
って成形材料に流動性を持たせられなくても任意の形状
に容易に均一な密度で成形ができる。

【００２３】このような緻密で、適度の強度を持ち加工
性に優れ、バインダー配合量の少ない素材を用いると、
比較的低価格の彫刻機或いは加工ロボツトのような剛性
の少ない３次元加工機を用いコンピユータ制御によって
容易に製品形状を精密に加工でき、しかもこの機械加工
品を引け、そり等の欠陥を生じさせないで脱脂できるの
で、精密粉末焼結品が容易に得られる。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例について精密粉末焼結品
製造用素材を製造する方法から説明すると、この製造工
程は図１に示す通りであり、まず第１工程でバインダー
溶液を形成する。

【００２５】このバイダー溶液は、ＣＭＣ、ＰＶＡ、澱
粉、アルギン酸ナトリウム等の水溶性バインダーを水に
溶かすか、或いは、アクリル、酢酸セルローズ等の有機
溶剤可溶性のバインダーを有機溶剤に溶かすかして形成
するが、このバイダー溶液の１例は、ＰＶＡの５重量％
水溶液である。

【００２６】次に第２工程として、金、銀、白金、銅、
チタン、鉄、ステンレス、タングステン等の金属粉末、
又はアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等のセラミツク
粉末、或いはこれらの金属とセラミツクとの混合粉末と
いった焼結性粉末にバインダー溶液を配合し良く混練す
る。

【００２７】この配合例を示すと次のようである。 配合例１ 焼結性粉末 平均粒径３０ミクロンのＴｉ粉末 １００重量部 バインダー ＰＶＡ５重量％水溶液 １０ 〃 配合例２ 焼結性粉末 平均粒径５ミクロンの Ｗ−５ｗｔ％Ｃｕ−２ｗｔ％Ｎｉ粉末 １００重量部 バインダー 澱粉１０重量％水溶液 １０ 〃

【００２８】このような原料粉末を形成するに当たって
は、焼結性粉末の粒径と、この原料粉末におけるバイン
ダーの配合量を、素材の必要強度を維持ししかも機械加
工性を良くし、又バインダーを脱脂により取り除いた際
に引けやそり等の欠陥を生じさせないために検討する必
要がある。

【００２９】焼結性粉末の粒径は直接形成される素材の
密度に影響し、精密焼結品を作るために密度が高く緻密
な素材を形成するためには焼結性粉末は細かなものであ
ることが必要で、平均粒径は３０ミクロン以下であるこ
とが好ましい。

【００３０】又バインダーの配合量は、これが少なけれ
ば当然加工機への取り付けに必要な強度が得られない
が、これが多くなると強度が強くなりすぎて加工性が悪
くなり、同時にバインダーが加工用の工具に融着してむ
しれて加工面が荒れてしまい、さらに脱脂によってバイ
ンターを取り除いた際に体積が大幅に減少するので引け
やそり等の欠陥が生じ易くなる。

【００３１】前記したようなことを考慮すると、バイン
ダーの配合量は、原料粉末中で容量で０．５乃至２０％
ととすることが好ましく、前記配合例では２〜１０％程
度である。

【００３２】第３工程では前記したようにして形成し、
わずかに湿気を帯びた程度の状態になった原料粉末を、
円筒、角柱、板等のチヤツキング部を含めた得ようとす
る素材の形状をした型に充填し、第４工程でこの成形を
行い粉末成形体を形成する。

【００３３】成形は、金型に充填された原料粉末を機械
的加圧するか或いはゴム型に充填された原料粉末を静水
圧的に加圧する加圧成形法によるか、又は前記した配合
の原料粉末にさらに水を加えた原料粉末をスラリー状と
し、このスラリーを石膏のような多孔性の型に注入する
スラリー注型法によるのが好ましい。

【００３４】なぜなら、このような成形法によると、原
料粉末中に配合されているバインダーの量が少なくなく
ても、密度が均一で所定の強度を持った良好な成形が容
易にできるからである。

【００３５】例えば、上下パンチ、ダイより構成される
フローテイング方式の金型で１平方センチメートル当た
り１乃至２ｔｏｎの圧力で冷間プレス成形すると、バイ
ンダー量をかなり減らしても適当な強度を持ち、密度が
均一な成形ができる。

【００３６】又、石膏型のような多孔性型にスラリーを
注入するスラリー注型法によると、水分が型に吸収され
ることによる体積の減少や、造膜時における適当なスラ
リーの排泥によって型の表面に原料粉末の皮膜が適当な
厚さで形成された中空状の粉末成形体も作れる。

【００３７】前記したようにして素材形状の粉末成形体
が形成されたなら、第５工程として粉末成形体を中に含
まれる溶媒の蒸発乾燥をして固化させるが、バインダー
が水溶液の場合は、８０乃至１５０℃程度で約１時間蒸
発乾燥させて固化させ、最終的な粉末固化素材を得る。

【００３８】次に前記したようにして形成された粉末固
化素材を用いての粉末焼結品の製造工程について図２に
より説明する。

【００３９】加工をコンピユータ制御の３次元加工機で
行うため、まず加工用のデータの作成が常法により行わ
れる。

【００４０】例えば加工したい製品模型がある場合に
は、第１工程として、図３に示すように、レーザ式測定
器の検出ヘツド１からレーザ光２を製品模型３に当てな
がら製品形状の３次元測定をする。

【００４１】製品形状の測定が終わったなら第２工程で
製品形状データを作成し、第３工程でこの製品形状デー
タに基づいて機械加工用のデータを作成する。

【００４２】勿論製品形状がＣＡＤで設計されたなら、
このデータに基づいて機械加工用データは作成される。

【００４３】以上のようにして機械加工データが作成さ
れたなら、第４工程として粉末固化素材を精密加工機に
取り付け、第５工程として機械加工用のデータに基づい
て粉末固化素材を３次元に精密加工する。

【００４４】この場合利用する精密加工機は、素材の加
工性が極めて優れているので、彫刻機や３次元加工ロボ
ツトのような小型で剛性が低く比較的安価なもので良
く、一般に硬質材料のコンピユータ制御に基づく加工に
利用されるマシニングセンターのような大型で剛性が高
く高価な機械である必要はない。

【００４５】この加工の例を説明すると、図４に示すよ
うな直径４０ｍｍ、長さ５０ｍｍの前記配合例１の原料
粉末から形成したＴｉ粉末固化素材４を用意し、図５に
示すように、この粉末固化素材４を卓上型彫刻機にチヤ
ツク５で取り付け、エンドミルのような加工用刃具６で
人工股関節の骨頭７を加工する。

【００４６】図６に示すのは、前記配合例２の原料粉末
から形成されたヘビーメタルの円筒状素材８を３次元加
工ロボツトにチヤツク９で掴んで取り付け、ロボツトア
ーム１０の先端に取り付けられた加工用刃具１１で胸像
１２を加工する例である。

【００４７】精密機械加工の終わった粉末固化素材は、
次に第６工程でバインダーを加熱分解して取り除くいわ
ゆる脱脂を行い、この脱脂の終わった精密機械加工され
た粉末固化素材を第７工程で粉末の焼結温度に加熱して
焼結する。

【００４８】この脱脂と焼結は雰囲気焼結炉で連続的に
行われ、配合例１のＴｉ粉末素材の焼結の場合の脱脂及
び焼結条件は図７に示す通りである。

【００４９】すなわち、脱脂は、アルゴン雰囲気中で５
時間掛けて５００℃に加熱した後この温度に２時間保持
して行い、その後雰囲気を真空雰囲気として温度を焼結
温度である１３００℃に４時間掛けて上げ、この温度に
１時間保持して焼結し、焼結が終わったなら再び雰囲気
をアルゴン雰囲気に戻して冷却する。

【００５０】また配合例２のヘビーメタル粉末素材の場
合は、脱脂及び冷却はＴｉ粉末素材の場合と同じ条件で
行い、焼結はＴｉ粉末素材の場合と同じ昇温速度で１４
００℃に上げて１時間保持する条件で行う。

【００５１】以上のような製造工程により、全く真球の
人工股関節の骨頭が耐食性に優れると同時に軽いＴｉ焼
結製品として得られ、また模型を精密に模写し重厚感の
ある胸像がヘビーメタルの焼結製品として得られる。

【００５２】

【発明の効果】本発明は以上のような構成及び作用のも
のであり、比較的低価格でしかも精密な加工が可能な彫
刻機、３次元加工ロボツトのようなコンピユータ制御に
よる３次元加工機により自在に加工できる粉末固化素材
がまず提供され、この素材を前記加工機で加工した後焼
結することによって精密な焼結品が得られる。

【００５３】これにより、ヘビーメタル、チタン或いは
セラミツクといった鋳造や機械加工ができないために焼
結以外に造形の方法が無かった材料を含めて、あらゆる
焼結性の材料を用い、従来の焼結や精密鋳造の技術等で
は製造できなかった装飾品、医療用補綴具、その他の真
に精密度が要求される製品が比較的容易にしかも安価に
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 素材製造工程、

【図２】 製品製造工程、

【図３】 模型寸法測定、

【図４】 粉末固化素材、

【図５】 粉末素材加工例１、

【図６】 粉末素材加工例２

【図７】 脱脂、焼結条件。

【符号の簡単な説明】

４ 粉末固化素材 ５ 彫刻機チヤツク ６ 加工用刃具 ７ 人工股関節骨頭 ８ 粉末固化素材 ９ ３次元加工ロボツトチヤツク １０ ロボツトアーム １１ 加工用刃具 １２ 胸像

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２８Ｂ 1/26 3/00 １０２ Ｃ０４Ｂ 35/64 Ｃ０４Ｂ 35/64 Ｚ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属及び／又はセラミツク粉末から成る焼
   結性粉末にバインダー溶液を混合した原料粉末を形成す
   る工程、この原料粉末を成形しブロツク状、板状等の素
   材形状の粉末成形体を形成する工程、及びこの素材形状
   の粉末成形体を溶媒の蒸発乾燥により固化させ粉末固化
   素材を形成する工程により製造されたことを特徴とする
   精密粉末焼結品の製造用素材。
2. 【請求項２】焼結性粉末が平均粒径３０ミクロン以下の
   微粉末であることを特徴とする請求項１記載の精密粉末
   焼結品の製造用素材。
3. 【請求項３】バインダーの配合量が原料粉末に対して
   ０．５乃至２０容量％であることを特徴とする請求項１
   及び２記載の精密粉末焼結品の製造用素材。
4. 【請求項４】原料粉末の成形法が機械的もしくは静水圧
   的な加圧成形法又はスラリー注型法であることを特徴と
   する請求項１乃至３記載の精密粉末焼結品の製造用素
   材。
5. 【請求項５】請求項１乃至４記載の精密粉末焼結品製造
   用素材としての粉末固化素材を製品形状に精密機械加工
   する工程、この精密機械加工粉末固化素材を加熱しバイ
   ンダーを取り除いて脱脂をする工程、及びこの脱脂精密
   機械加工粉末固化素材をさらに加熱して焼結をする工程
   により製造されることを特徴とする精密粉末焼結品の製
   造方法。