JPH09111307A - 超硬合金および粉末冶金に於ける薄板製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】粉末成型金型のコスト削減、成型歩留り向上、
焼結後の機械・研削加工等のコスト削減と薄板素材の生
産。 【解決手段】混合粉砕・吟味した超硬合金粉末、或いは
金属粉末に、バインダーの高分子樹脂、その溶解用有機
溶剤、潤滑剤・剥離剤の油脂、ニーダー、又は擂潰機で
充分に練った練塊をロール又は棍棒等で薄板の生地の所
定の厚さに引伸し、圧延し、収縮係数加味素材寸法にナ
イフ等で裁断成形し、焼結前の成形素材を得、円盤板、
異形状についてはクッキー抜型様抜型でトリミングす
る。連続的に厚さ、幅が安定した長尺薄板を得るには、
押出しシリンダー１３に練塊を充填し、圧力を加えてダ
イスより押出して調整された圧延ロール１５，１６の間
を通過させ、引伸し、等速で移動するコンベアー１８上
の板に受けて成形品１４を得、乾燥、脱脂、焼結して１
ｍｍ以下の粉末冶金素材を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】［発明の属する技術分野］粉末冶金による
製品は広氾に産業界に使われている。 （１）電子工業界に於けるセラミック部品、電気接点部
品、タングステン・モリブデン製品、フェライト製品、
マグネット製品等、（２）機械工業界に於けるギヤー部
品、各種構造用部品等、（３）切削工具業界に於ける粉
末ハイス、超硬合金等、（４）金型工業界に於ける超硬
合金、軸受部品等で、本発明はこの粉末冶金の成形に関
わる新たな開発技術である。 【０００２】［従来の技術］粉末冶金に於いて広くは粉
末にバインダー（例えばパラフィン、ワックス、ピクリ
ン酸等）を加えて金型に充填し圧力を加える、いわゆる
粉末圧縮成型法が使われる。この技術分野で重要な事は
粉末を如何に均一に金型に充填するかにあるが、その為
に粉末を顆粒状態にして流動性を良くし、粉末相互の摩
擦を減らして圧縮粉体密度の均一な成型体を得ようとす
る努力が成される。 【０００３】顆粒出来ない、又は顆粒しても流動性が良
くはならない粉末に於いてはゴム、或いはラテックスで
作った筒状の容器に粉末を充填し、液体の中に沈めて密
閉容器にし、液体に高圧の圧力を加えて圧縮成型する、
冷間静圧プレス（ＣＩＰ）法が行われる。 【０００４】材質的にバインダーを嫌う粉末、或いは高
温・高圧での焼結条件を求められる組成を有する種類に
ついては、高温・高圧に耐えられる強度と構造を持つ材
質の成形型に粉末を充填し、圧力を架けながら焼結する
ホットプレス法で成形した焼結体を得る。 【０００５】粉末ハイス、超硬合金等で作られるドリ
ル、エンドミル、リーマー等の丸棒状の切削工具、及び
塗装で使われる芯が中空のスプレーノズル、或いは粉末
冶金で作られる線材等の素材の製造については押出し成
形法が使われている。この製造法は高分子樹脂（例えば
ポリスチレン、エポオキシ樹脂）を揮発性の有機溶剤
（例えばトルエン、キシロール）に溶解させ、原料とな
る金属又は金属様の粉末を加えて擂潰機、ニーダー等の
混合機で混合・混練して、粉末と樹脂が均質に練合わさ
れた練塊を得た後で、この練塊を成形ノズルを装着した
シリダーに充填し、シリダーに圧力を加えて成形ノズル
より粉末と樹脂が混練した練塊を押出して、ダイスのノ
ズルの口径に等しい丸棒状の成型品を得る方法である。 【０００６】これら各種の成形法は粉末冶金の原料の物
理特性、得ようとする製品の最終的な形状、製品の材質
要求等により選択される。しかしいずれの成形法も薄い
板状の製品を得ようとする時、各種の技術的制約を受け
て１ｍｍ以下の製品の製造は困難であった。その事が新
たな粉末冶金製品の物性を生かした商品の展開を阻んで
いた。本発明は従来の技術に加えて新たな発想により非
常に困難とされる１ｍｍ以下の粉末冶金製品、特に超硬
合金製品の素材を提供する事を可能にするものである。
勿論、１ｍｍ以上の素材についても提供を妨げるもので
はないから、有効であるなら厚さについて制限するもの
ではない。 【０００７】［発明が解決しようとする課題］粉末圧縮
成型法は粉末冶金の成形法としては最も一般的である。
技術的なポイントは成形金型に均等に万遍なく粉末を充
填する事と、上下均等に圧力を加える事であるが板材の
面積が大きく成れば成るほど難しい。グリーンコンパク
トの内部密度が一定でないと金型からノックアウトして
圧力を解放した時、グリーンコンパクト自身のスプリン
グバックによりバラバラに分解してしまう。仮に成形出
来て焼結したとしても焼結の際の密度のバラツキに起因
する収縮の違いによって著しく変形してしまい、最終製
品を完成させる事を不可能にしてしまう。この方法によ
る薄板製品の製作を可能にする方法は、成型可能な厚さ
に圧縮成型して焼結後に機械加工により必要寸法に仕上
げることである。例えば超硬合金については０．５ｍｍ
ｘ５０φの製品を得ようとする時、先ず圧縮成型可能な
厚さ、例えば１．５ｍｍｘ５０φの焼結素材を製作して
後に、ダイアモンド砥石の研削加工により仕上げ寸法ま
で研削しなければならない。この場合には製品歩留まり
は３０％以下となり、損失する高価な原材料の方が多く
て採算性は非常に悪いものとなる。又この取代を落とす
ための時間ロス、労力、消耗品のロス等によりこの種の
製品のコストを非常に高いものにしている。 【０００８】冷間静圧プレス（ＣＩＰ）法は均一なグリ
ーンコンパクトを得る為には有効な方法である。この方
法によって薄板を製造する特許（例えば出願番号、平２
−２２５６００３参照）も出願されているが、焼結後の
素材で１ｍｍ程度が限度とされる。一般的に行われてい
る方法としては、１−３ｍｍ程度で作られたゴム、又は
ウレタンで出来たチューブに粉末を充填し、充填口を塞
いで水が侵入しないような処置をした後で、耐圧容器に
入れ密閉した容器に高圧の水を注入して、静水圧で圧縮
を行い加圧した不定形の粉末の圧縮塊を得る。圧縮塊は
真空炉、又は雰囲気炉で脱脂をしてある程度の機械加工
が可能な硬さに温度を上げて半焼結をする。半焼結後に
不定形の形を整えるための機械加工を行う。形の定まっ
たインゴット状の半焼結品について、メタルソー、或い
は薄い電着ダイアモンドソーで希望する厚さにスライス
する。大きさにも拠るがこの方法でスライス出来る薄板
の厚さは１ミリ程度で生産性も良くない。そして最大の
問題点は成型時のロスが多く、投入原料に対して素材と
して得られる製品の歩留りが３０％以下と非常に悪く、
経済的でないと言う事情がある。 【０００９】ホットプレス法は理論的にはどんなに薄い
板材でも製作可能かもしれない。しかしこの方法は高価
な付加価値の付いた製品の製造にしか適用されない。焼
結温度下で加圧すると成型の為の型材を製品の製作の都
度傷めてしまうし、焼結終了後に型から製品を円滑に取
出すために塗布する剥離剤の選択にも問題がある。技術
的にもコスト的にも生産と製品価格とが両立できる製品
群に適用される。 【００１０】押出し成形法は粉末冶金に於ける丸い棒状
の素材、線材の製品を得るときに広く使われている方法
で、超硬合金、粉末ハイス等で出来た切削工具（例えは
ドリル、エンドミル、リーマー）、耐磨耗工具（例えば
ポンチ、プリンター用ドット、ノズル）、ワイヤー、コ
イル等が広く産業界に使われている。この方法で作られ
る製品は成形ノズルの形状の制限を受けるため、製品の
断面が丸い円周であるか、或いはインボリュートに近い
形状でなければならない。矩形断面の物も可能である
が、絞りノズルから押出される練られた材料が圧力から
解放されるときに、均等に力を分散させられる様な縦と
横の寸法の比率を考慮された形状でなければならない。
即ち、縦と横の寸法が極端に違う薄い板は押出すことが
出来ない。本発明はこれまで述べてきた各種成形法で、
薄い板状のしかも長尺の製品を製造する際に問題となる
課題、即ち形状、歩留り、コスト等を解決する手段とし
て考案した。 【００１１】［課題を解決しようとする手段］本発明は
あらゆる種類の粉末冶金で、薄い板状の素材を製造する
際に利用できるが、ここでは超硬合金を例にとって述べ
る。 【００１２】超硬合金の基本的組成はＷＣ（タングステ
ンカーバイド）と３−３０％のＣｏ（コバルト）から成
る。ＷＣ粉末とＣｏ粉末を、求めようとする合金特性に
相わせて秤量・配合し、混合媒体である溶剤（例えばア
ルコール、アセトン）を加えて、混合粉砕機（多くはボ
ールミル機）で均質になるように混合する。充分に混合
・粉砕した後に、ドライの混合粉を得るために、溶剤を
蒸留、或いは乾燥して溶剤と分離し、吟味したＷＣ＋Ｃ
ｏ混合粉を得る。ここまでの製造工程は従来行われてい
る超硬合金の製造法と同じである。 【００１３】混合粉末に対してバインダーとなる高分子
樹脂（例えばポリスチレン、エポオキシ樹脂）を重量比
で２−１０％を計量して容器に入れ、有機溶剤（例えは
トルエン、キシレン）を加えて完全に溶けるまで攪拌
し、樹脂の解けた溶液を作る，樹脂の選択はこの後の工
程で真空炉、或いは還元性雰囲気炉等で脱脂を行う際に
脱脂温度３００−５００°Ｃで分解するか、揮発してし
まう種類の成分のものを選択しなければならない。又、
不揮発性残渣（ＮＢＲ）を残留させてしまうと製品の品
質に影響するので水素、炭素、酸素、窒素等からなる元
素組成の樹脂を選択せねばならない。 【００１４】混合粉末を練機（例えばスクリューニーダ
ー、擂潰機）に投入し、練りながら徐々に樹脂の溶解液
を加える。更に練った粘着質の材料（練塊）が機械の容
器の内側や、作業者の手や、作業道具（平板、ロール、
ヘラ等）に付着してしまうと後の工程の作業の妨げとな
るので剥離剤・潤滑剤としての油脂を重量比で０．５−
３．０％を共に混ぜ合わせる。この油脂は品質的影響が
少ないと言う意昧で植物油（例えば菜種油、サラダオイ
ル）が選択される。ＷＣ＋Ｃｏ混合粉、樹脂、溶剤、油
脂が完全に均質になるまで、充分に練り合わせて練機か
ら取出し練塊を得る。練塊は有機溶剤が含まれ揮発しや
すいので調整された練り具合や塊の硬さを保つため練塊
を終了した直後にラップで包んでしまうと晶質的変化少
なく、有機溶剤の匂いの拡散を防ぐようである。 【００１５】この練塊を得ようとする超硬合金素材の厚
さに圧延、引伸す事により薄板の生地が出来る。但し、
樹脂、溶媒、油脂を含んでいるので、これら揮発成分の
蒸発、脱脂の際の樹脂の揮発を含んだ収縮分を考慮され
なければならない。収縮係数は樹脂の量、種類、溶剤の
量等により異なるので経験的に求める。圧延、引伸ばし
の方法は様々に考えられるが基本的には三種類の方法が
本発明の出願に関わる。 【００１６】（図１）に示すごとく平面を持つ台、又は
板（例えばステンしス磨き板、カーボングラファイト
板）に練塊を載せて、回転ロール（例えば鉄製、有機溶
媒に侵されて膨潤しない材質のゴム製）で強く押し付
け、回転させながら往復運動をさせて圧延、引伸ばしの
生地を得る。手で強く押し付けて行う事も出来るが、押
し付けた表面が凹凸になってしまうし、厚さが定まらな
いので調整が可能な機械的な自動運動をさせた方が良
い。 【００１７】（図２）に示すごとく回転するロールの間
を通し、上ロール、下ロールのクリアランスで練塊の厚
みを調整しながら引伸ばす事により、充分に混合粉末と
樹脂の練り合わされた薄い生地を得ることが出来る。 【００１８】（図１）（図２）の方法では厚さ方向の調
整は出来るが、幅の方向では出来成りの要素が強くて一
定寸法の薄板を得ることは難しい。（図４）に示す方法
は厚さと幅を連続的に得ようとするもので、この方法に
より工業生産が可能になり、コストダウンを計り需要者
に安価な製品を供する事が出来るようになる。充分に練
り合わされた練塊を絞りダイスを装着した押し出しシリ
ンダーの中に充填して圧力を加え丸棒状態に押出す。押
出された丸棒状態の押出し成形物を、回転ロールで連続
的に圧延し、排出された薄い生地をコンベアーに載せた
板状の台の上に受けて、板の長さに裁断する。この際押
出し速さと、ロール回転の周速と、コンベアーの送り速
さとが同じになるように配慮しなければならない。又生
地を受ける台に黒鉛板を使った場合は移し替えの必要が
なくそのまま乾燥、脱脂、焼結を行うことが出来る。 【００１９】以上の方法で圧延した薄い生地を製作した
後に、直線スケール、或いはそれに相当する板様のスケ
ールを当てナイフ、包丁、切断刃等で寸法を計りながら
切り刻み要求する寸法に裁断成形する。円盤状、或いは
変則的な異形の薄物を得ようとする時は、最終製品と同
じ形状に収縮係数を乗じた寸法のクッキー抜型様の抜型
を作り、圧延した薄い生地を抜いて成形する。成形をし
た生地は有機溶剤を含んでいるので柔らかく、取扱いも
難しい状態にあるので、有機溶剤を除去させる為の乾燥
を行う。乾燥を早めるために乾燥器を使っても良いが、
有機溶剤は引火性があり、匂い、そして大量に吸引した
りすると健康を害するか可能性があるものも多いので、
屋外排気装置の付いた乾燥器を選択せねばならないが、
ゆっくり有機溶剤が抜ける自然乾燥が品質的には良い。 【００２０】乾燥が終了すると生地は混入させた樹脂の
物性を若干ながらも持ち、手での取扱い作業にも耐えら
れるようになるので、黒鉛板に移し替え脱脂を行う。脱
脂については真空炉、或いは還元性ガスの雰囲気炉で行
うが樹脂を穏やかに溶解させ分解させる条件の設定が重
要である。あまりに急激に温度を上昇させると成形物が
バラバラに分解したり、焼結後の金属組織の中に巣孔を
残したり、炭素成分を残したりする。脱脂終了後、適応
する固有の焼結温度で焼結し、薄板の超硬合金素材を提
供する。 【００２１】［発明実施の例］本発明による方法で厚さ
０．６ｍｍＸ幅１０ｍｍＸ長さ１００ｍｍの超硬合金素
材を製作し、平行平面研削盤で厚さ方向を研削し、万能
工具研削盤で幅、長さ方向を研削、更に万能工具研削盤
にてナイフ様の目立てを行い、０．４ｍｍ厚さの超硬合
金製薄刃を製作した。 【００２２】［発明の効果］従来の方法によれば、この
様な薄い素材を焼結状態で製作することは非常に難しか
ったので１ｍｍ程度の厚さの素材から研削して製品を作
るより無く、又素材そのものも高価で超硬合金製薄刃の
商品化を阻んでいたが、本発明により研削時間を大幅に
短縮、素材のコストを下げた結果、商品化への道を開い
た。製作された超硬薄刃は非常に切れ味が良く、耐磨耗
性に優れ、これまで切断に非常に苦労していた材料につ
いても容易に切断できるようになり、これまでこの種類
の刃物の主流であった焼入れ鋼の刃物の性能を大幅に上
回る薄刃を作る事が出来た。 【００２３】［発明実施の例］本発明による方法によ
り、厚さ０．４ｍｍＸ外径６０φの素材を製作して、レ
ーザー切断機で５０φ・５°ピッチのメタルソーを型抜
きして、平行平面研削盤で厚さ方向を研削し、万能工具
研削盤で切刃の目立てをおこない、厚さ０．２ｍｍのメ
タルソーを製作した。 【００２４】［発明の効果］これまでは超硬合金をレー
ザー切断機で加工するなどと言う発想は生まれてこなか
ったが、どんな異形状であってもプログラムできる限り
においては、この様な素材を加工できる事を証明した。
従来、超硬合金のこのような加工には放電加工、或いは
ワイヤーカット加工が行われていたが、レーザー切断加
工は非常に能率的な方法であった。更に必要としない所
については余計な加工をしなくても良い手段についての
バラエティを広げる事が出来る様になった。

【図面の簡単な説明】 【図１】平板の上で錬塊をロールで圧延し、引伸ばす方
法の例。 【図２】上ロール、下ロールの間を通し圧延し、引伸ば
しを行う方法のイメージ図。 【図３】生地をナイフで切断、或いはクッキー抜型様の
抜型で円盤、異形の物を抜く方法。 【図４】押出しシリンダーより押出された丸棒状の錬塊
を、ロールの間を通過させ引伸ばし、コンベアー状の板
に受けて、連続的に定寸の生地を得る方法。 【図５】図４で示す定寸の生地をクッキー抜型様の抜型
で円盤、異形の物を抜く方法。 【符号の説明】 １ 錬塊 ２ 平板 ３、５、６、１５、１６、 圧延ロール ４、１７ 生地 ７ スケール ８ ナイフ ９ａ、９ｂ 円盤薄板 １０ａ、１０ｂ 異形薄板 １１ａ、１１ｂ 円盤、異形抜型 １２ 成形ノズル １３ 押出しシリンダー １４ 丸棒状の押出し成形物 １８ ベルトコンベアー １９ 黒鉛板 ２０ 裁断刃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 粉砕混合して吟昧した超硬合金粉末、或
   いは金属粉末にバインダーとしての高分子樹脂、樹脂を
   溶解する揮発性の有機溶剤、潤滑剤・剥離剤としての油
   脂等を加へ、ニーダー、或いは擂潰機等で充分に混練し
   た練塊（１）をステンレス磨板（２）或いはそれに相当
   する平板の上に置く。 【請求項２】 金属製回転ロール（３）、或いは溶剤で
   膨潤したり材質的に影響を受けない材質の回転ロール又
   は円筒、丸棒等で圧延して所定の厚さに引伸ばし調整し
   て混練圧延板（４）を得る。この際底板、圧延ロールに
   混練した練塊片が付着しないよう若干の潤滑剤・剥離剤
   の塗布が必要である。 【請求項３】 厚さが均等な混練圧延板を得るには厚さ
   を決定させる事の出来るクリアランスの調整が可能な上
   ロール（５）、下ロール（６）を持つ圧延装置を利用す
   る。 【請求項４】 所定の厚さに調整した混練圧延板を直線
   のスケール（７）又は矩形のスケールを当てナイフ
   （８）で希望する外郭寸法に裁断し、矩形の薄板を得
   る。 【請求項６】 円盤状（９ａ）、或いは異形をした薄板
   （１０ａ）を得ようとする場合は先端に切断能力を持つ
   クッキー抜型様の抜型（１１ａ）を用いてトリミングす
   る。 【請求項７】 当初から幅と厚さ寸法を決められる混練
   圧延板については、充分に混練した練塊を先端に成形ノ
   ズル（１２）を装着した押出しシリンダー（１３）内に
   充填し、充填した練塊に圧力を加えて押出し、丸棒状の
   成形をした練塊（１４）を得る。 【請求項８】 連続的に押出される丸棒状の練塊を回転
   する上ロール（１５）、下ロール（１６）で受けて圧延
   する。圧延される混練圧延板（１７）の厚さ寸法はロー
   ル間のクリアランスにより決定される。 【請求項９】 連続的に圧延され、押出される混練圧延
   板をベルトコンベアー（１８）上に積載した黒鉛板（１
   ９）、或いは混練圧延板に材質的影響を受けない板材で
   受ける。この際混練圧延板の排出速度とコンベアーの移
   動速度を等速にする事が重要である。 【請求項１０】 コンベアー上に積載され移動する混練
   圧延板を裁断刃（２０）、或いはナイフ等で黒鉛板の切
   れ目で裁断する。混練圧延板の長さは台座となる黒鉛板
   の長さに束縛されるが、コンベアー上から降ろした後で
   必要に応じて裁断を行えば良い。 【請求項１１】 円盤状（９ｂ）、或いは異形をした薄
   板（１０ｂ）を得ようとする場合は先端に切断能力を持
   つクッキー抜型様の抜型（１１ｂ）を用いて黒鉛板上で
   トリミングする。 【請求項１２】 裁断された成形板、或いはトリミング
   された薄板は粘着剤を溶解させた溶媒を揮発・蒸発させ
   るため充分な乾燥を行う。乾燥については温度設定が可
   能で、揮発性有機溶剤が作業域の環境を汚染したり、引
   火性であった場合は火災を引起こさない為の屋外排気装
   置が必要であるが、室内での自然乾燥が品質的に良い方
   法である。 【請求項１３】 有機溶剤が揮発・蒸発し乾燥が進むと
   混練圧延板は柔らかさを失い、粘着剤として入れた樹脂
   の物性を持つようになって容易には曲がったり、何かを
   押しけけても簡単に凹んでしまう様な事はなくなり、例
   えば単品として持っての移動が可能となる。この様な状
   態になった時にバインダーとして混練させた樹脂はその
   役目を終了する。 【請求項１４】 樹脂を取り除くために真空炉、或いは
   雰囲気炉等で脱脂を行う。脱脂温度は混練する時に選択
   した樹脂の固有の溶融・気化・分解温度により設定され
   るが急激な温度上昇は避けねばならない。度々、無理な
   上昇温度の設定により変形したり、樹脂の構成成分であ
   る炭素を超硬合金組織や金属組織の中に残すことにな
   る。 【請求項１５】 脱脂後に真空炉、各種雰囲気炉で焼結
   を行う。焼結炉の種類、焼結の温度・時間等は吟昧され
   た超硬合金、粉末冶金材料の特性により設定される。 【請求項１６】 焼結終了、冷却の後に炉から取出す事
   により、これまで不可能であった超硬合金、粉末冶金材
   料の薄板素材を得ることが出来る。薄板素材の厚さは混
   練する樹脂の種類、混合比率により異なるが混練圧延状
   態の厚さから、収縮係数１．２−１．５の数値を考慮に
   入れなければならない。