JPH10317007A - 圧粉体の成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 粉体を出発原料として成形する金属、セラミ
ックス材料の新しい成形方法の提供。少量多品種の生産
体系における金型コストを低減することと金型では製作
出来ない複雑形状の成形体を無金型にて行える、新しい
成形方法の提供。 【解決手段】 粉粒体を出発原料とし圧粉体に成形する
方法において、発泡フォーム成形型を用いることを特徴
とする圧粉体の成形方法。アクリル樹脂系およびまたは
スチレン樹脂系のプラスチックフォームまたは発泡フォ
ーム成形型である。発泡フォーム成形型を用いて冷間等
方圧加圧法により行うことを特徴とする。発泡フォーム
成形型を用いその型の収縮を利用することを特徴とす
る。型外部から内部への圧力媒体が侵入しないような発
泡フォーム成形型である。発泡フォーム成形型が容易に
離型できる性質を持つものである。圧粉体の離型に際
し、ポリエチレンラップフィルム、シリコーンなどの樹
脂等を利用する、あるいは熱処理によって、発泡フォー
ムを脱脂する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業の属する技術分野】本発明は、各種金属並びにセ
ラミックス粉末などの成形方法に関する。さらに詳しく
は、本発明は、各種金属並びにセラミックス粉末等の成
形において、複雑形状または薄板などの形状を持つ異形
のものの成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスや金属材料を利用して、部
品または部材を作る際の方法の一つとして、粉粒体を出
発原料として成形する方法がある。これは、金属材料や
セラミックス材料をある形状に成型し、焼成、加工の工
程を経て、部品を作製する方法である。従来の金属材料
では、溶解−鋳造（インゴット）−熱間加工−冷間加工
を施し、板や棒などの半製品として出荷した後、機械加
工等で部品に仕上げ組み立てていた。しかし、新材料の
出現と共に、金属材料においても、高融点材料や易反応
性材料などが多くなってきており、溶解プロセスを行う
ことが困難な材料が数多く見られる。このような材料
は、粉体を出発原料とすることが多く、セラミックスの
成形プロセスに近くなっている。しかし、金属の特徴は
依然として失われておらず、焼結した後、塑性加工によ
って賦形するというセラミックスのプロセスとは逆の順
序で製品化されている。

【０００３】粉体を出発原料として成形を行う方法は、
セラミックスなどでは、従来から行われており、その成
形方法には、多種多様な方法が存在している。例えば、
粉体を水などの溶媒と混合し、多孔質型に流し込み、何
らかの方法で固化させ成形体を作る鋳込み成形や、粉体
と水もしくは他の溶媒とを混練し可塑性のある坏土を特
定の口金から押し出すことによって一定の断面形状を有
する成形体を得られる塑性成形、同様の方法において有
機バインダーを溶媒として複雑形状の型に可塑化し、成
形する射出成形法、粉粒体型に入れて、一軸加圧、静水
加圧、振動加圧、衝撃加圧等々の色々な加工を行う加圧
成形法などがある。

【０００４】上述した、金型を用いた各種成形法では、
粉体と金型面あるいは粉体相互の摩擦に起因するブリッ
ジ現象によって圧粉体に成形密度の不均一を生じやす
く、特に加圧成形を利用して、高密度または高均質の焼
結体を得るためには、初期の充填密度を高くしなければ
ならない。初期の充填密度を高めるためには、通常冷間
等方圧加圧プレス（ＣＩＰ）を利用することがある。こ
の方法は、単軸プレスまたは複雑形状に加工した圧粉体
を、ゴム状の袋でくるみ液体を満たした圧力容器内に挿
入し、等方液圧を加えることによって、初期の充填密度
を高めるものである。例えば、セラミックスなど、塑性
変形しにくい材料などはこの方法を用いて初期密度を高
めて、焼成を行う。金型プレス成型は、薄肉品あるいは
小型部品の成形に適しているのに対し、ＣＩＰ成形は大
型肉厚部品や長尺部品の成形に適した方法である。ま
た、ＣＩＰ法を利用した成形方法の中には、金型の所望
の形状を満足させる成形方法としてＮｅａｒ−Ｎｅｔ−
Ｓｈａｐｅ ＣＰＩ法などがある。

【０００５】ＣＩＰ成形法には、粉末を充填したゴム型
を直接浸漬して、加圧する湿式法とダイヤフラムを介し
て成形ゴム型に圧力を加える乾式法がある。湿式法では
完全な等方圧加圧が行われるが、乾式法においては上下
面からは加圧されないので、疑似等方圧加圧となる。湿
式法が少量多品種生産あるいは試作研究に適しているの
に対し、乾式法は自動化が容易で、大量生産向きのプロ
セスである。また、加圧媒体には前者で水またはエマル
ジョン、後者では油が主に使用されている。ＣＩＰ成形
に使用する原料粉末は、ゴム型への充填性を考慮して１
００μｍ程度の顆粒にするのが普通である。

【０００６】ゴム型の材料には、天然ゴム、クロロプレ
ンゴム、シリコンゴム、ウレタンゴムのほか、塩化ビニ
ルなども用いられている。ゴム型に求められる条件は、
粉末充填の際に形状を保持することができて、可能な限
り、薄いことである。ゴム型が厚いと、ゴム自体の剛性
のために粉末への等方圧がかかりにくくなったり、成形
後の減圧時にゴムの復元によって圧粉体を破壊したりす
ることが多くなる。また、例えばゴム型を利用して薄肉
円盤を製作しようとする場合には、成形後の形状を保つ
ためにはゴムの肉厚を厚くする必要があるため、実際に
薄肉円盤用のゴム型を適用してＣＩＰ成形を行っても、
成形体の筒部分が変形しにくいために、上板、下板から
より大きな力が加わってくるので、寸法精度または均質
性に欠ける圧粉体となってしまう。したがって、成形後
の形状や大きさなどに応じたゴム材質・ゴム硬度の選択
が必要になってくる。ＣＩＰ法では事前に他の成形方法
によって予備成形した圧粉体を、高密度・高均質化の目
的で再加圧する場合もある。このときはゴム型に形状の
保持を担わせる必要が無いので薄いゴムの袋などが用い
られる。

【０００７】ゴム型に充填された粉粒体は、昇圧・保持
・降圧の過程を経て圧粉体となる。このスケジュールで
最も注意が必要なのは降圧過程である。１０ＭＰa以下
の低圧域では、ゴム型の復元力とそれに続く圧粉体との
分離、さらには圧粉体内に閉じ込められていた空気の膨
張などによる力などが原因となって圧粉体が破壊するこ
ともあり、ゴム内に圧力媒体であるエマルジョン等の液
体が流入して成形体が崩れることもある。この様にＣＩ
Ｐ条件やゴム型の種類の選定を十分に吟味して行う必要
がある。

【０００８】このように、粉体を成形する方法は、多種
多様で存在する。しかしながら、すべての成形法におい
て、成形を行う際に、金型の存在がある。大量少品種生
産を行う製品の成形に関しては、金型を製作すること
は、それほどの不利益をもたらさないが、少量多品種の
生産を行うためには、金型の製作は、製作コストに大き
なウェイトを占めることになる。特に複雑形状の製品に
関しては、その金型の作製に多大な労力を必要とするた
め、成型品・製品のコストを下げるためには、金型の設
計・製作のコスト低減が望まれる。現状では、金型設計
・製作はＮＣなどを用いて、異形状、複雑形状の金型ま
で容易に製作でき、コスト面においても、ぎりぎりの状
況にある。更なる製品コストの低減を考えるならば、現
状の金型を利用する成形プロセスに変わる新しい成形プ
ロセスの開発が望まれる。これが少量多品種の生産体系
を維持する有効な方法であると考える。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、粉体を出発
原料として成形する金属、セラミックス材料の新しい成
形方法の提供を目的とする。更に詳しくは、本発明は、
少量多品種の生産体系における金型コストを低減するこ
とと金型では製作できない複雑形状の成形体を無金型に
て行える、新しい成形方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、粉粒体を出発原料とし圧
粉体に成形する方法において、発泡フォーム成形型を用
いることを特徴とする圧粉体の成形方法を要旨とする。
一般に成形において金型を使用する目的は、所望する形
状に圧粉体を成形するためである。金型には主に金属材
料が用いられるが、粉粒体を圧縮する際に、その形状が
維持できさえすれば成形は可能であり、金属などの高強
度材を使用する必要は無いものと考えられる。本発明で
は、上記問題を鑑みて、形状を保持する目的のために、
高価な金型を適用するのではなく、簡単に異形状または
薄板などが作れる発泡フォームを適用して圧粉体の成形
を行うものである。

【００１１】また本発明は、粉粒体を出発原料とし圧粉
体に成形する方法において、発泡フォーム成形型を用い
て冷間等方圧加圧法により行うことを特徴とする圧粉体
の成形方法を要旨とする。さらにまた本発明は、粉粒体
を出発原料とし圧粉体に成形する方法において、発泡フ
ォーム成形型を用いその型の収縮を利用することを特徴
とする圧粉体の成形方法を要旨とする。プラスチックフ
ォームに静水圧を加えると、フォーム自体は静水圧によ
って圧縮され、フォームの気泡膜が破れ、フォーム内の
空気または各種気体が、フォームの外側に放出される。
フォームはもとの大きさより、排出された気体分だけ収
縮することになる。この現象を利用して、本発明では、
金型の代わりにプラスチックフォームを利用して、好ま
しくは冷間等方圧加圧法により粉粒体の成形を行う。プ
ラスチックフォームを所望の形状に加工し、そのフォー
ムの中に粉粒体を充填し、フォームごと静水圧中に挿入
することによって、フォームは収縮し、粉粒体に静水圧
を加えることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の構成を具体的に説
明する。本発明の対象とする粉粒体は、金型を用いて圧
粉体に成形することのできる粉粒体であれば何でもよ
い。セラミックス材料、金属などの粉粒体が例示され
る。また、本発明の対象とする圧粉体の成形手段は、粉
粒体を出発原料とし圧粉体に成形する従来からよく知ら
れているいかなる手段でもよく、冷間等方圧加圧法が好
ましい手段として例示される。

【００１３】本発明の成形方法において用いる発泡フォ
ーム成形型は、発泡ポリスチレン、アクリル樹脂フォー
ムなどのスチレン樹脂系のおよびまたはアクリル樹脂系
のプラスチックフォームまたは発泡合成樹脂フォーム成
形型である。発泡ポリスチレン、アクリル樹脂フォーム
などの各種発泡プラスチックフォーム系材料は、簡単
に、安価に入手でき、また局部的に熱を加えることによ
って容易に形状を整えられ、また加工も容易に行え、量
産も可能であるなどの利点を有している。

【００１４】本発明の圧粉体の成形方法は、発泡フォー
ム成形型の成形時における収縮を利用する方法である。
プラスチックフォームを所望の形状に加工し、そのフォ
ームの中に粉粒体を充填し、フォームごと静水圧中に挿
入することによって、フォームは収縮し、粉粒体に静水
圧を加えることができる。通常のゴム型などでは昇圧
後、降圧する際に弾性戻り現象があり、内部の圧粉体が
破壊することもしばしば見られるが、プラスチックフォ
ームの場合は、種類または加えた静水圧力にもよるが、
フォーム中に含まれる各種の気体が外部に放出されたな
らば、圧縮後の弾性戻り現象を低く抑えることができ、
成形した圧粉体が破壊することなく得ることができる。

【００１５】本発明の発泡フォーム成形型は、型外部か
ら内部への圧力媒体が侵入しないような発泡フォーム成
形型であることが望ましい。プラスチックフォームの特
徴は、上記した易加工性、収縮現象だけではなく、フォ
ーム内部は、ポリマーの連鎖結合による極微細気孔形態
と液体との難吸収性とも相まって、圧力媒体が内部に浸
透しにくい状態になっており、発泡フォームに充填され
た粉粒体を直接、液中に挿入しても粉粒体が濡れる心配
もなく、通常の静水圧加圧の成形プロセスを短縮するこ
とができる。しかし、この際には、フォームとフォーム
の接触部分のシールが必要であり、使用する圧縮媒体に
侵食されない、または反応しないシリコーンなどの接着
剤によって隙間をふさぐ必要がある。フォームとフォー
ムの接触部分のシールができない場合は、通常のＣＩＰ
法で使用されているゴムシート製の袋を利用し、粉粒体
が充填された発泡フォームをゴムシートに包んでゴムシ
ートの入り口部分を塞ぎ、またこのときゴムシート内は
減圧しておくことが望ましい。これを、圧力媒体内に挿
入し、ＣＩＰ成形を行うことによって、粉粒体が圧力媒
体から侵食されず、圧粉体を成形することができる。

【００１６】発泡フォーム成形型は、好ましくは容易に
離型できる性質を持つものである。圧粉体の離型に際
し、ポリエチレラップフィルム、シリコーンなどの樹脂
等を利用することができる。また、圧粉体の離型に際
し、熱処理によって、発泡フォーム成形型を脱脂するこ
とができる。発泡フォームを使用して成形した場合、圧
粉体の成形表面に発泡フォームの表面形状が転写され、
凹凸がつく場合がある。発泡フォームの気孔径がそのま
ま圧粉体に転写される形となるため、加圧成形する前に
前処理を行う必要がある。前処理の方法には、発泡フォ
ームの表面にシリコーングリースまたは各種樹脂などを
塗布し、表面の凹凸を極力少なくする。また、粉粒体と
の接触面が平面の場合には、ポリエチレンラップフィル
ムで覆うことによって凹凸をなくすることと、離型性を
高めることができる。その他に、発泡フォームは、可燃
性のものが多く、圧粉体との脱枠、離型を行わずに３０
０〜１０００℃の温度で熱処理することによって、発泡
フォームを脱脂、昇華させることも可能である。また圧
粉体は、焼成・焼結処理を行うために、それと同時に、
脱脂を行うこともまた可能である。

【００１７】

【実施例】本発明を実施例によって説明する。本発明は
これらの実施例によって何ら限定されることはない。

【００１８】実施例１ 粉粒体としてステンレス鋼、粒径６０μｍ、成形用型に
発泡スチロール型、直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を
用意し、型内にステンレス鋼粉粒体を挿入し、ゴムシー
トによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気
圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ
圧力５００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクション時間３
００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。その結果、相対密
度７５％のステンレス鋼圧粉体が成形できた。このとき
の寸法減少割合は、円周方向５０％、厚み方向５０％と
共に同様な割合で減少し、ステンレス鋼圧粉体に等方圧
が加わったことが確認できた。

【００１９】実施例２ 粉粒体として銅、粒径１５μｍ以下、成形用型に発泡ス
チロール、型寸法直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を用
意し、型内に銅粉粒体を挿入し、ゴムシートによって発
泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、
入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力３００Ｍ
Ｐａ、保持時間６０ｓ、サクション時間３００ｓにおい
てＣＩＰ成形を行った。その結果、相対密度８０％、気
孔率２０％の銅粉粒体が成形できた。このときの寸法減
少割合は、円周方向６０％、厚み方向６０％と共に同様
な割合で減少し、銅圧粉体に等方圧が加わったことが確
認できた。この実施例の場合、圧粉体表面に、発泡スチ
ロールの凹凸が転写されていた。そのために発泡スチロ
ールと圧粉体である銅板の離型性に問題があった。

【００２０】実施例３ 粉粒体として銅、粒径１５μｍ以下、成形用型に発泡ス
チロール、型寸法直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を用
意した。この型の上面、下面、外周面（圧粉体が接触す
るところ）にポリエチレンラップフィルムを貼りつけた
後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接着した。この
準備した型内に銅粉粒体を挿入し、次に上板をかぶせて
ゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシー
ト内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシート
をＣＩＰ圧力３００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクセシ
ョン時間３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。その結
果、実施例２と同様に相対密度８０％、気孔率２０％の
銅圧粉体が成形できた。こときの寸法減少割合は、円周
方向６０％、厚み方向６０％と共に実施例２と同様な割
合で減少し、銅圧粉体に等方圧が加わったことが確認で
きた。この実施例の場合、圧粉体表面に、発泡スチロー
ルの凹凸が転写されていたが、発泡スチロール型と銅圧
粉体との離型性は非常に良かった。

【００２１】実施例４ 粉粒体としてステンレス鋼、粒径６０μｍ以下、成形用
型に発泡スチロール、型寸法直径２００ｍｍ×厚さ１５
ｍｍの型を用意した。この型の上面、下面、外周面（圧
粉体が接触するところ）にポリエチレンラップフィルム
を貼りつけた後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接
着した。この準備した型内にステンレス鋼粉粒体を挿入
し、次に上板をかぶせてゴムシートによって発泡スチロ
ール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を
塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力５００ＭＰａ、保
持時間６０ｓ、サクセション３００ｓにおいてＣＩＰ成
形を行った。その結果、実施例１と同様に相対密度８０
％、気孔率２０％のステンレス鋼圧粉体が成形できた。
このときの寸法減少割合は、円周方向６０％、厚み６０
％と共に実施例１同様な割合で減少し、ステンレス鋼圧
粉体に等方圧が加わったことが確認できた。この実施例
の場合、圧粉体表面に、発泡スチロールの凹凸が転写さ
れていたが、発泡スチロール型とステンレス鋼圧粉体の
離型性は非常に良かった。この様に通常のゴム型では作
りにくい形状の圧粉体を簡単に作製できた。

【００２２】実施例５ 粒粉体としてアルミナ、粒径０．５μｍ、成形用型に発
泡スチロール、型寸法直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型
を用意した。この型の上面、下面、外周面（圧粉体が接
触するところ）にポリエチレンラップフィルムを貼りつ
けた後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接着した。
この準備した型内にアルミナ粉粒体を挿入し、次に上板
をかぶせてゴムシートによって発泡スチロール型を包
み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。こ
のゴムシートをＣＩＰ圧力３００ＭＰａ、保持時間６０
ｓ、サクション時間３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行っ
た。その結果、相対密度５８％、気孔率４２％のアルミ
ナ圧粉体が成形できた。塑性変形を起こさないアルミナ
粉末に対しても、金属粉末と同様に薄肉円盤を作製する
ことができた。

【００２３】

【発明の効果】発泡フォームを型として使用することに
よって、従来、ゴム型を用いたＣＩＰ成形では難しいと
されている薄肉円盤を容易に作製することがでいる。発
泡フォーム型は、熱によって簡単に装飾でき、異形状
や、複雑形状の型も簡単に作製することができる。これ
は、多品種少量生産において大きなウェイトを占めてい
た金型作製の時間、並びにコストを大幅に低減できるも
のと考える。特に、金型を作製しても、次に使用の予定
のない金型を作製する必要もなく、色々な形状、寸法に
成形できるこの方法は、有効であると考える。また、塑
性変形を起こしやすい金属粉末だけでなく、アルミナな
ど、セラミックス材料もまた同様な考えが適用でき、コ
ストだけでなく、セラミックスなどの成型加工に有効な
手段であると考える。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石崎 幸三 新潟県長岡市長峰町513番地193 (72)発明者 黒木 博憲 福岡県北九州市八幡西区陣山２−９−１

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉粒体を出発原料とし圧粉体に成形する
   方法において、発泡フォーム成形型を用いることを特徴
   とする圧粉体の成形方法。
2. 【請求項２】 冷間等方圧加圧法により行う請求項１の
   圧粉体の成形方法。
3. 【請求項３】 発泡フォーム成形型が、アクリル樹脂系
   およびまたはスチレン樹脂系のプラスチックフォームま
   たは発泡フォーム成形型である請求項１または２の圧粉
   体の成形方法。
4. 【請求項４】 発泡フォーム成形型の収縮を利用し、粉
   粒体に等方圧加圧を加える請求項１、２または３の圧粉
   体の成形方法。
5. 【請求項５】 発泡フォーム成形型が、型外部から内部
   への圧力媒体が侵入しないような発泡フォーム成形型で
   ある請求項１ないし４のいずれかの圧粉体の成形方法。
6. 【請求項６】 発泡フォーム成形型が容易に離型できる
   性質を持つものである請求項１ないし５のいずれかの圧
   粉体の成形方法。
7. 【請求項７】 圧粉体の離型に際し、ポリエチレラップ
   フィルム、シリコーンなどの樹脂等を利用する請求項１
   ないし６のいずれかの圧粉体の成形方法。
8. 【請求項８】 圧粉体の離型に際し、熱処理によって、
   発泡フォームを脱脂する請求項１ないし７のいずれかの
   圧粉体の成形方法。