JPH08283801A - 金属粉末射出成形体における有機溶媒可溶性バインダーの除去方法および金属粉末射出成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 引火爆発等の危険がなく取扱いが便利で且つ
人体に無害な有機溶媒を用いて、成形品にクラックや割
れ等を発生させることなく、金属粉末射出成形体を製造
することのできる新規な方法を提供する。 【構成】 金属粉末、有機溶媒可溶性バインダー及び有
機溶媒不溶性バインダーを含む射出成形体中の前記有機
溶媒可溶性バインダーの一部または全部を前記有機溶媒
で抽出除去した後、加熱により残りのバインダーを蒸発
除去してから焼結して金属粉末射出成形体を製造する方
法において、前記有機溶媒として、ベンゼン環にＣ総数
が４〜６個の範囲となる様に選択された少なくとも１つ
の低級アルキル基を有する常温液状化合物を用いる方法
である。

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、有機溶媒可
溶性バインダー及び有機溶媒不溶性バインダーを射出成
形して得られた射出成形体から、有機溶媒可溶性バイン
ダーの一部または全部を有機溶媒で抽出除去した後に残
りのバインダーを加熱することにより蒸発除去する方
法、およびこの様にしてバインダーを除去した射出成形
体を焼結して金属粉末射出成形体を製造する方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、金属粉末の成形品は一般工業用材
料から電子部品に至るまで広く利用されているが、それ
に伴って、寸法精度や物性、形状等について、かなり厳
しい要求がなされる様になってきた。

【０００３】この様な要求に対処するために、金属粉末
に有機バインダーを添加して混練した後、この混練物を
射出成形して得られた射出成形体に含まれる有機バイン
ダーを除去（脱脂）し、その後、脱バインダー処理の施
された射出成形体を焼結して金属部品を得る方法が提案
されている。

【０００４】この方法における重要な点は、射出成形時
に成形品にクラックが入らないことは勿論のこと、得ら
れた成形品からクラックや膨れ、割れ等を生じさせるこ
となく如何にして有機バインダーを除去することができ
るかにある。使用した有機バインダーを除去する方法と
しては、具体的には加熱脱脂のみによる方法と、溶
媒脱脂と加熱脱脂を併用する方法が挙げられる。

【０００５】このうち、加熱脱脂法は、加熱のみによ
って有機バインダーを分解除去する方法であるが、昇温
速度が速すぎると成形体表面で有機バインダーが分解・
除去される前に、成形体内部でバインダーの分解による
ガスの発生に伴って内圧が高まり、成形体に割れや膨れ
等が生じてしまうという問題がある。

【０００６】この様な割れや膨れ等を防止するためには
昇温速度を遅くしなければならず、そのために脱脂時間
が長くなるという問題が生じる他、有機バインダー成分
のうち例えばワックス等の低融点バインダーは加熱によ
り溶融・軟化を引き起こすため、成形体が変形するとい
う問題を伴っている。そこで、この様な加熱脱脂法にお
ける問題を解決するために溶媒脱脂と加熱脱脂を併用
する方法が行われている。

【０００７】この方法は、加熱脱脂を行う前に有機溶媒
によりワックス等の低融点バインダーを抽出除去する方
法であるが、この方法においても、使用する有機溶媒の
種類に応じて下記の様な問題を抱えている。

【０００８】（ａ）ポリエチレングリコール、ポリオキ
シメチレン等：これらの有機材料は、低融点バインダー
であるワックス等を溶解するが、吸水しやすく、金属粉
末と混練してペレット状とした場合、金属粉末に錆が発
生し易く、ペレットの安定化が困難である。

【０００９】（ｂ）水：水は、安価で且つ安全であると
いう利点を有するものの、有機溶媒を使用した場合に比
べて、射出成形体に対する浸透度が劣り、ペレットの安
定化が困難である他、原料粉末が鉄系金属や銅系金属の
場合には水と反応して腐食が進行する結果、金属粉末に
錆が発生するので利用できないという欠点がある。

【００１０】（ｃ）ハロゲン化脂肪族炭化水素（例えば
トリクロロエチレン、トリクロロエタン、塩化メチレン
等） これらの化合物は、ヒトの健康に悪影響を及ぼすもので
あり、取扱いに当たって厳重な注意を要する。

【００１１】（ｄ）脂肪族炭化水素（例えばヘプタン、
ヘキサン等）やベンゼン環の環上にＣ総数が３以下の芳
香族炭化水素（例えばベンゼン、キシレン、トルエン
等） これらの化合物は、概して引火点が低く、引火爆発の危
険性が高い。そのために、引火爆発の防止に備えて特別
の施設を設ける必要があり、製造コストが上昇する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な事情
に着目してなされたものであり、その目的は、引火爆発
等の危険がなく取扱いが便利で且つ人体に無害な有機溶
媒を用いて、射出成形体からバインダーを除去する新規
な方法、およびこの様な除去方法を用いて、成形品にク
ラックや割れ等を発生させることなく、金属粉末射出成
形体を製造することのできる新規な方法を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の金属粉末射出成形体における有機溶媒可溶性バイ
ンダーの除去方法とは、金属粉末、有機溶媒可溶性バイ
ンダー及び有機溶媒不溶性バインダーを含む射出成形体
中の前記有機溶媒可溶性バインダーの一部または全部を
前記有機溶媒で抽出除去した後、加熱により残りのバイ
ンダーを蒸発除去する方法において、前記有機溶媒とし
て、ベンゼン環にＣ総数が４〜６個の範囲となる様に選
択された少なくとも１つの低級アルキル基を有する常温
液状化合物を用いる点に要旨を有するものである。

【００１４】また、上記目的を達成し得た本発明の金属
粉末射出成形体の製造方法とは、金属粉末、有機溶媒可
溶性バインダー及び有機溶媒不溶性バインダーを含む射
出成形体中の前記有機溶媒可溶性バインダーの一部また
は全部を前記有機溶媒で抽出除去した後、加熱により残
りのバインダーを蒸発除去してから焼結して金属粉末射
出成形体を製造する方法において、前記有機溶媒とし
て、ベンゼン環にＣ総数が４〜６個の範囲となる様に選
択された少なくとも１つの低級アルキル基を有する常温
液状化合物を用いる点に要旨を有するものである。

【００１５】

【作用】本発明の方法をその工程順序に従って説明す
る。本発明における金属粉末射出成形体を製造するに
は、金属粉末と後述のバインダーを用いる。このうち金
属粉末としては焼結に適したものであれば特に限定され
ないが、焼結性を高めるには、粒径１００μｍ以下（好
ましくは４５μｍ以下）で平均粒径が５〜１０μｍの微
細な金属粉末（例えばシリコン、チタン、ジルコニウ
ム、純鉄、合金鋼等）を用いることが推奨される。この
様な微細な金属粉末は焼結性に優れているので、高密度
（相対密度で９５％程度）の焼結部品を得ることができ
る。

【００１６】また本発明に用いられるバインダーは、射
出成形に必要な流動性と成形体の保形性を得ることを目
的として添加され、実質的に同一有機溶媒に対して不溶
性のバインダーと可溶性のバインダーからなる。このう
ち有機溶媒不溶性バインダーは、射出成形体の形状を保
持するために利用され、一方有機溶媒可溶性バインダー
は、射出成形に当たって混練物の流動性を保持するため
に利用されるものである。

【００１７】上記有機溶媒可溶性バインダーとしては低
融点のものが好ましく、例えばワックス類（例えば変性
ワックス、カルナバワックス、パラフィンワックス、マ
イクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス
等）、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコ
ール、フタル酸系エステル（ジブチルフタレート、ジオ
クチルフタレート、ジエチルフタレート）、脂肪酸系エ
ステル（ステアリン酸、パルミチン酸、ラウリン酸）等
が挙げられる。

【００１８】一方、上記有機溶媒不溶性バインダーとし
ては高融点の熱可塑性樹脂が好ましく、例えばポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロン、エチ
レン酢酸ビニル共重合体、ポリメチルメタクリレート、
ポリアセタール、ポリビニルブチラール等が挙げられ
る。

【００１９】これらの混合比率は特に限定されないが、
成形性の観点からすれば、有機溶媒可溶性バインダー：
有機溶媒不溶性バインダー＝３〜７：７〜３（重量比）
であることが好ましい。より好ましいのは４〜６：６〜
４である。有機溶媒不溶性バインダーに対して有機溶媒
可溶性バインダーの比率が上記範囲を上回ると成形体の
強度低下等の問題があり、一方、上記範囲を下回ると、
混練物の流動性低下等の問題がある。

【００２０】なお、本発明では上記金属粉末とバインダ
ー以外に、流動性を高めることを目的として可塑剤（例
えばジブチルフタレート、ジオクチルフタレート等）、
潤滑剤（例えばステアリン酸、ラウリン酸等）等を併用
しても良い。

【００２１】これらの材料を混合・混練することにより
ペレット状の成形用材料とした後、所定形状の金型へ射
出して成形するが、その方法は特に限定されず、樹脂成
形品等の成形に通常用いられるのと同様の装置や方法を
適用することができる。得られた射出成形品からバイン
ダーを除去する。

【００２２】まず、有機溶媒可溶性バインダー（低融点
バインダー）の一部または全部を有機溶媒により抽出除
去（溶媒脱脂）する。本発明は、この溶媒脱脂工程で使
用する有機溶媒に特徴を有するものであり、バインダー
を抽出する溶媒として、ベンゼン環の環上の任意の位置
（１箇所でも良いし、２箇所以上でも良い）にＣ総数が
４〜６個の範囲となる様に選択された少なくとも１つの
低級アルキル基が置換された常温液状化合物を用いる。
これらの化合物は、沸点が約１８０℃以上と高いので引
火爆発等の危険性が低く、揮発性も低いので人体への悪
影響も少なく、取扱いも非常に容易なものである。これ
に対して、ベンゼン環の環上にＣ総数が３以下の芳香族
炭化水素（例えばトルエン、キシレン等）の場合は、引
火点が室温以下と非常に低く引火爆発の危険性が極めて
高い。一方、Ｃ総数が７以上となるアルキル基を有する
芳香族炭化水素（例えばオクチルベンゼン等）の場合
は、沸点が２５０℃以上と高く、蒸気圧も低いものが多
いので、溶媒脱脂後の有機溶媒の乾燥が困難であり、成
形体内部に形成された気孔中に有機溶媒が残留し易い。
そのため、加熱脱脂時に成形体からガスが揮散しにくく
なって内圧が高まり、成形体に割れや膨れ等の欠陥を招
く様になる。

【００２３】本発明に用いられる有機溶媒としては、ブ
チルベンゼン、ペンチルベンゼン、ヘキシルベンゼン、
ジエチルベンゼン、１−メチル−２−イソプロピルベン
ゼン等が挙げられ、これらの各種異性体も全て本発明の
範囲内に包含される。このうち、抽出能力等の観点から
特に推奨されるのはブチルベンゼンである。これらの有
機溶媒は単独で用いてもよいが、２種以上の有機溶媒を
順次使用し、各溶媒に溶解するバインダーを順次段階的
に溶出してもよく、その方法は使用するバインダーの種
類に応じて適宜選択することができる。

【００２４】溶媒脱脂時における抽出温度は、引火爆発
を確実に防止することを目的として上記有機溶媒の引火
点よりも１５℃低い温度（好ましくは２０℃低い温度で
あり、より好ましいのは２５℃低い温度）で、且つ成形
体の変形防止を図ることを目的として、射出成形体の軟
化開始温度以下（好ましくは１０℃低く、より好ましく
は１５℃低い温度である）の一定温度で行うことが推奨
される。具体的には、例えばブチルベンゼンを用いた場
合には、４５〜５５℃の温度で抽出することが好まし
い。

【００２５】この様にして有機溶媒可溶性バインダーの
一部または全部を除去することにより、成形体表面から
内部に至るまで気孔が形成される様になる。形成された
気孔は、引き続き行われる加熱脱脂工程の際に発生する
高融点バインダー（有機溶媒不溶性バインダー）の分解
ガスの通り道となるので、分解ガスを成形体から速やか
に揮散させることができ、その結果分解ガスによる内圧
の発生を抑制することが可能になる。従って、加熱脱脂
時における割れや膨れ等を有効に防止することができる
のである。更に昇温速度を５０℃／時間以上に高めれ
ば、溶媒脱脂工程を短時間で完了することができる。

【００２６】ここで上記溶媒脱脂工程では有機溶媒可溶
性バインダーの全量を除去する必要はなく、要するに成
形体に割れ等の悪影響を及ぼすことがない量まで除去す
ることができればよいのであり、残りのバインダーは溶
媒脱脂後に行われる加熱脱脂工程で除去することができ
る。

【００２７】次に、残りのバインダー（有機溶媒可溶性
バインダーの一部および有機溶媒不溶性バインダー）を
加熱脱脂するが、ここでは通常用いられる方法を適宜選
択すれば良い。具体的には、加熱温度（３００〜７００
℃）、加熱装置（例えば熱風循環式電気炉等）等の条件
を採用することができる。

【００２８】この様にしてバインダーを除去した後、成
形体を焼結して金属粉末射出成形体を得る。焼結方法
は、使用する金属粉末の種類に応じて適宜設定される
が、通常１０００℃以上に加熱して行う。

【００２９】以下実施例を挙げて本発明をさらに詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を制限するものではな
く、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施するこ
とは全て本発明の技術的範囲に包含される。

【００３０】

【実施例】成形用材料として平均粒径１０μｍのＳＣＭ
４１５粉末９２重量％、パラフィンワックス２．５重量
％、カルナバワックス２．５重量％、ポリエチレン３重
量％を用い、加圧ニーダにより１１０℃で２時間混練す
ることによって３〜５ｍｍのペレット状物を得た。この
ペレットを射出条件（射出圧力＝１０００ｋｇ／ｃｍ
² ，射出率＝４０ｃｍ² ／ｓｅｃ）で射出成形すること
により、５ｔ×１５ｗ×７０Ｌの短矩体を得た。

【００３１】この様にして得られた成形体をブチルベン
ゼン（ベンゼン環の置換基のＣ総数が４）５００ｃｃ中
に５０℃で所定時間（１、４、１０時間）浸漬すること
により溶媒脱脂を行った。また、比較例としてブチルベ
ンゼンの代わりに１−フェニルヘプタン（ベンゼン環の
置換基のＣ総数が７）を用い、同様にして５０℃で４時
間浸漬した。

【００３２】その後、各成形体を５０℃で２４時間乾燥
し、バインダー全重量に対する成形体減量分の百分率
（溶媒脱脂率）、および有機溶媒可溶性バインダー量に
対する成形体減量分の百分率（有機溶媒可溶性バインダ
ーに対する脱脂率）を算出した。

【００３３】得られた結果を図１に示す。この図から明
らかな様に、本発明例であるブチルベンゼンを用いた場
合には、浸漬後１０時間で全バインダー量の約５０％が
脱脂可能であることが分かった。本実施例に使用した全
バインダー中、溶媒可溶性バインダーであるワックス類
の占める割合は約５０％であることから、この操作によ
ってワックス類はほとんど全て除去されていることが分
かる。また、乾燥後の成形体には、割れや変形は認めら
れなかった。一方、１−フェニルヘプタンの場合はブチ
ルベンゼンに比べて溶媒脱脂率が若干減少するものの、
同程度の溶媒脱脂が可能であり、乾燥後の成形体につい
ても欠陥は認められなかった。

【００３４】次に、これらの成形体を窒素中で５０℃／
時間の昇温速度で室温から５００℃まで昇温することに
より残留バインダーを除去した後、１３２０℃で３時間
焼結した。得られた焼結体について、割れや変形等を調
べた。その結果を表１に示す。なお、表中の○は割れや
変形等が全く見られないことを示し、×は割れや変形等
が見られたことを示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】この表から明らかな様に、本発明例である
ブチルベンゼンで溶媒脱脂を行った焼結体には、割れや
変形等が全く認められなかったのに対し、比較例である
１−フェニルヘプタンで溶媒脱脂を行った焼結体には割
れが発生した。

【００３７】

【発明の効果】上述した様に、本発明では引火爆発等の
危険がなく且つ人体に無害な有機溶媒を用いているの
で、取扱いが非常に便利であり、しかも成形品にクラッ
クや割れ等を発生させることなく、射出成形体からバイ
ンダーを効率よく除去して金属粉末射出成形体を製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各種有機溶媒可溶性バインダーを用いた場合の
溶媒脱脂率の結果を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中元 孝契 大阪市中央区備後町４丁目１番３号 株式 会社神戸製鋼所大阪支社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属粉末、有機溶媒可溶性バインダー及
   び有機溶媒不溶性バインダーを含む射出成形体中の前記
   有機溶媒可溶性バインダーの一部または全部を前記有機
   溶媒で抽出除去した後、加熱により残りのバインダーを
   蒸発除去する方法において、 前記有機溶媒として、ベンゼン環にＣ総数が４〜６個の
   範囲となる様に選択された少なくとも１つの低級アルキ
   ル基を有する常温液状化合物を用いることを特徴とする
   金属粉末射出成形体における有機溶媒可溶性バインダー
   の除去方法。
2. 【請求項２】 金属粉末、有機溶媒可溶性バインダー及
   び有機溶媒不溶性バインダーを含む射出成形体中の前記
   有機溶媒可溶性バインダーの一部または全部を前記有機
   溶媒で抽出除去した後、加熱により残りのバインダーを
   蒸発除去してから焼結して金属粉末射出成形体を製造す
   る方法において、 前記有機溶媒として、ベンゼン環にＣ総数が４〜６個の
   範囲となる様に選択された少なくとも１つの低級アルキ
   ル基を有する常温液状化合物を用いることを特徴とする
   金属粉末射出成形体の製造方法。