JPH11117004A

JPH11117004A - 金属粉末焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH11117004A
Application number: JP28047797A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kodama; 卓弥児玉; Jun Inahashi; 潤稲橋; Shoji Yamamoto; 昇司山本; Hiroshi Yamaguchi; 博史山口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 1999-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】グリーンパーツを脱脂する際の変形を防止す
る。【解決手段】金属粉末と有機バインダーからなるコン
パウンドを所望の形状に射出成形する工程と、射出成形
された成形品から有機バインダーを脱脂する工程と、こ
の脱脂した成形品を焼結する工程とからなる金属粉末焼
結体の製造方法であって、製造される金属粉末焼結体が
孔部４を有し、この孔部４に脱脂温度領域で成形品の熱
膨張率よりも大きな熱膨張率を有した素材からなる中子
６を挿入し、この挿入状態で脱脂を行うことにより、脱
脂時の変形を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属粉末焼結体の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】形状が複雑であり、切削加工等の従来の
加工法では量産が困難な形状の金属部品を製造する場
合、金属粉末と有機バインダーとの混合物を射出成形に
より所望の形状に成形した後、成形品を脱脂、焼結して
所望の金属部品とする金属粉末射出成形（Ｍｅｔａｌ
ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ：以下ＭＩＭとい
う）によって行われている。このＭＩＭでは、所望の複
雑形状が射出成形されても、脱脂や焼結時に重力の影響
を受けて変形したり、成形時に加えられた圧力による集
中応力が脱脂や焼結時に解放されることにより変化が生
じている。このため、円筒形状や円孔形状が真円を保て
なくなることが発生する。

【０００３】このため、従来では特開昭５９−２２９４
０３号公報に記載された方法が用いられている。この方
法は、金属粉末と混合される有機バインダーを変形しに
くい素材や組成に改良するものである。また、この方法
以外にも、変形が発生した場合に対して、焼結体をサイ
ジングして強制的に変形を修正する方法も開発されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有機バ
インダーを改良する方法では、変形に対しては効果があ
っても、成形性が低下するため、変形防止以前に所望形
状の射出成形体（グリーンパーツ）を成形できない不都
合がある。又、有機バインダーに改良を加えた場合は、
重力による変形を軽減することはできても、変形を完全
に防止することが不可能となっている。このため、有機
バインダーを改良しただけでは、不充分であり、その後
におけるサイジング等の矯正が必要になっている。この
ため、製品がコストアップしたり、矯正により金属組織
に歪みが生じて機械的強度や耐蝕性が低下する問題を有
している。

【０００５】本発明は、この様な従来の問題点を考慮し
てなされたものであり、成形品の変形を完全に防止し
て、矯正等の後工程を不要とし、これにより機械的強度
や耐蝕性が低下することがなく、しかも金属粉末焼結体
を低コストで製造することが可能な金属粉末焼結体の製
造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、金属粉末と有機バインダーから
なるコンパウンドを所望の形状に射出成形する工程と、
射出成形された成形品から有機バインダーを脱脂する工
程と、この脱脂した成形品を焼結する工程とからなる金
属粉末焼結体の製造方法であって、製造される金属粉末
焼結体が孔部を有し、この孔部に脱脂温度領域で前記成
形品の熱膨張率よりも大きな熱膨張率を有した素材から
なる中子を挿入し、この挿入状態で前記脱脂を行うこと
を特徴とする。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１の発明であっ
て、前記中子は、前記脱脂工程の最高到達温度におい
て、前記孔部の内径と略一致する外形を有していること
を特徴とする。

【０００８】請求項３の発明は、金属粉末と有機バイン
ダーからなるコンパウンドを所望の形状に射出成形する
工程と、射出成形された成形品から有機バインダーを脱
脂する工程と、この脱脂した成形品を焼結する工程とか
らなる金属粉末焼結体の製造方法であって、脱脂した成
形品の長手方向が鉛直方向と一致する向きで、且つ成形
品の重心よりも上方を保持した状態で焼結することを特
徴とする。

【０００９】図１〜図３は、以上の請求項１〜３の概要
であり、図１は射出成形体（グリーンパーツ）１を示
す。グリーンパーツ１は金属粉末と有機バインダーとの
混合物からなるコンパウンドを射出成形することによっ
て成形される。このグリーンパーツ１は、長尺な筒部２
と、筒部２の一端側で鍔状に拡がるフランジ部３とを有
していると共に、これらに孔部４が貫通した略パイプ形
状となっている。

【００１０】図２は、グリーンパーツ１を脱脂する脱脂
工程の状態を示し、フランジ部３を下端側として、脱脂
用ベース台５上に起立される。また、孔部４には中子６
が貫通するように挿入されている。

【００１１】中子６は、グリーンパーツ１を脱脂する際
の脱脂温度領域におけるコンパウンドの熱膨張率（ａ×
１０^-6Ｋ^-1）よりも大きい熱膨張率（ｂ×１０^-6Ｋ^-1）
の素材により、脱脂時の最高到達温度で熱膨張している
グリーンパーツ１の孔部４の内径寸法と略一致するよう
に常温時では孔部４の内径寸法よりも小さい外径寸法と
なるように成形されている。

【００１２】この中子６をグリーンパーツ１の孔部４内
に挿入し、所定の条件で脱脂を行い、ブラウンパーツ１
０とする。そして、脱脂工程が終了し、焼結工程に移行
する前に内径部に挿入した中子を取り除き、焼結を行
う。

【００１３】図３は焼結の状態を示す。焼結の際には、
アルミナ等のセラミックスからなる焼結治具８を用い
る。この焼結治具８の上端面の支持面７にブラウンパー
ツ１０のフランジ部３を支持させることにより、ブラウ
ンパーツ１０における長手方向を重力方向と一致させる
ような向きとし、長手方向の最も長い部位を支持面７よ
りも重力方向に向けて焼結する。

【００１４】パイプ形状のような製品をＭＩＭにより製
造する場合、脱脂による変形は曲がりや倒れが主であ
る。又、製品が距離を有する程、すなわち長いほど成形
時に加わる圧力の分布に差が生じるため、脱脂によるア
ニール効果により、応力が解放されて変形が生じ、真円
が保てなくなる。本発明では、孔部４に中子６を挿入し
て脱脂を行うため、中子６に倣って脱脂される。このた
め、曲がり、倒れ、偏心等の変形を確実に防止すること
ができる。

【００１５】ＭＩＭにおいては、焼結時に大きな収縮が
あるため、中子６を存在すると収縮することができず、
焼結の妨げになる。このため、焼結の前には、中子６を
ブラウンパーツ１０から除去するものである。

【００１６】又、中子６は脱脂時のみしか使用しない
が、脱脂においては製品、中子共に熱が加えられるため
熱膨張する。従って、脱脂により熱膨張した製品の孔部
４の内径寸法よりも、挿入した中子６の外径寸法が熱膨
張により大きくなると製品が割れる。本発明では、脱脂
温度領域におけるグリーンパーツ１の熱膨張率に対して
中子６の熱膨張率が大きく（ａ＜ｂ）、かつ、脱脂時の
割れを防止するために脱脂時の最高到達温度で熱膨張中
の孔部４の内径寸法と中６の子外径寸法が一致するよう
に設定するものである。この寸法関係では、常温では孔
部４の内径寸法と中子６の外径寸法にはクリアランスが
生じているため、中子６の挿入及び除去を円滑に行うこ
とができる。

【００１７】焼結においては、脱脂で変形を防止して
も、重力が作用しているため、変形、特に重力による変
形が生じる可能性がある。この場合、重力を相殺するこ
とは不可能であるが、重力を変形する方向に利用するこ
とは可能である。本発明において、図３に示すように製
品の設置端面（フランジ部３）に対して距離を有する部
位（筒部２）を端面（フランジ部３）よりも重力方向に
向けて設置している。このため、長手部分（筒部２）は
重力により下方向に引っ張られるため、設置端面に対し
て倒れることがなく、従来のような変形が発生すること
がなくなる。

【００１８】この場合、形状的に長手方向に対して設置
できる端面が存在しない場合には、端面を設けるような
形状に設計し、焼結後に切削加工により、この部位を除
去することによっても、コスト効果に対して品質的な効
果を得ることは充分可能である。

【００１９】以上の発明では、脱脂時に変形することが
ないため、変形を矯正する必要がなく、矯正に起因した
機械的強度や耐蝕性の低下がなくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）平均粒径８μｍのＳＵＳ３１６Ｌの水
アトマイズ粉末と、ワックス・ポリスチレン（ＰＳ）・
アクリル（ＰＭＭＡ）・エチレン−酢酸ビニル共重合体
（ＥＶＡ）を主成分とした有機バインダーとを重量比で
１００：１１で混練してコンパウンドとした。

【００２１】このコンパウンドを射出成形して、図４に
示すグリーンパーツ１１を成形した。グリーンパーツ１
１は、薄肉の筒部１２の一端にフランジ部１３を有し、
さらに孔部１４が貫通した薄肉パイプ形状となってい
る。

【００２２】図５はグリーンパーツ１１を脱脂する状態
を示し、フランジ部１３が脱脂用ベース台１５に支持さ
れ、孔部１４には円柱状の中子１６が貫通状に挿入され
ている。脱脂はグリーンパーツ１１を、最高到達温度３
５０℃として行う。この最高到達温度までの温度領域で
のグリーンパーツ１１（コンパウンド）の熱膨張率は
８．７×１０^-6［Ｋ^-1］であるため、挿入する中子１６
としては、この熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有して
いるＳＵＳ３０３（熱膨張率１８．４×１０
^-6［Ｋ^-1］）を使用した。

【００２３】又、中子１６が挿入される孔部１４の内径
寸法は、常温で直径４．９ｍｍであり、脱脂時の３５０
℃到達時には約１４μｍ大きくなり、直径４．９１４ｍ
ｍとなることが予想されるため、中子１６は３５０℃で
この寸法となるような外径を設定した。これにより中子
１６は、常温で直径４．８８２ｍｍの外径の円柱状とし
た。

【００２４】中子１６を挿入したグリーンパーツ１１
を、３５０℃を最高到達温度として脱脂してブラウンパ
ーツ１８とし、このブラウンパーツ１８から中子１６を
抜き取り、焼結を行った、図６は焼結時の状態を示し、
アルミナからなる焼結治具１７の上端面にフランジ部１
３を支持させると共に、このフランジ部１３を基準とし
て最も距離（長さ）を有した筒部１２を、フランジ部１
３よりも重力方向下向きに配置した。この状態で、真空
下で１３２０℃まで加熱して焼結した。

【００２５】焼結の後、フランジ部１３に対する円筒
度、直角度を測定したところ、共に０．０１以下と良好
な結果であった。

【００２６】（実施の形態２）平均粒径５μｍのＳＵＳ
３１６Ｌのガスアトマイズ粉末と、ワックス・ポリスチ
レン（ＰＳ）・アクリル（ＰＭＭＡ）・ポリプロピレン
（ＰＰ）を主成分とした有機バインダーとを重量比で１
００：７で混練してコンパウンドとし、このコンパウン
ドを射出してグリーンパーツを成形した。

【００２７】図７は、グリーンパーツ２１を示し、長尺
な筒部２２と、筒部２２の長さ方向の中間部分にフラン
ジ部２３が一体的に突出し、さらに筒部２２の孔部２４
が貫通した薄肉パイプ形状となっている。

【００２８】図８はグリーンパーツ２１を脱脂する状態
を示し、脱脂用ベース台２５には、フランジ部２３を支
持する支持部２５ａが段状に高く形成されている。グリ
ーンパーツ２１は支持部２５ａにフランジ部２３が支持
されると共に、その孔部２４には、円柱状の中子２６が
貫通した状態で脱脂される。

【００２９】脱脂はグリーンパーツ２１を、最高到達温
度３５０℃として行う。この最高到達温度までの温度領
域でのグリーンパーツ２１（コンパウンド）の熱膨張率
は１０．４×１０^-6［Ｋ^-1］であるため、挿入する中子
２６としては、この熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有
しているＳＵＳ３０３（熱膨張率１８．４×１０^-6［Ｋ
^-1］）を使用した。

【００３０】又、中子２６が挿入される孔部２４の内径
寸法は、常温で直径４．０２ｍｍであり、脱脂時の３５
０℃到達時には約１４μｍ大きくなり、直径４．０３４
ｍｍとなることが予想されるため、中子２６は３５０℃
でこの寸法となるような外径を設定した。これにより中
子２６は、常温で直径４．００８ｍｍの外径の円柱状と
した。

【００３１】中子２６を挿入したグリーンパーツ１１
を、３５０℃を最高到達温度として脱脂してブラウンパ
ーツ２８とし、このブラウンパーツ２８から中子２６を
抜き取り、焼結を行った、図９は焼結時の状態を示し、
アルミナからなる焼結治具２７の上端面にフランジ部２
３を支持させると共に、このフランジ部２３を基準とし
て最も距離（長さ）を有した筒部２２を、フランジ部２
３よりも重力方向下向きに配置した。この状態で、真空
下で１３５０℃まで加熱して焼結した。

【００３２】焼結の後、フランジ部２３に対する円筒
度、直角度を測定したところ、共に０．００５以下と良
好な結果であった。

【００３３】（実施の形態３）平均粒径８μｍの１７−
４ＰＨの水アトマイズ粉末、とワックス・ポリスチレン
（ＰＳ）・アクリル（ＰＭＭＡ）・エチレン−酢酸ビニ
ル共合体（ＥＶＡ）・ポリプロピレン（ＰＰ）を主成分
とした有機バインダーとを重量比で１００：９．５で混
練してコンパウンドとし、このコンパウンドを射出して
グリーンパーツを成形した。

【００３４】図１０は成形されたグリーンパーツ３１を
示す。このグリーンパーツ３１は、直径３．５ｍｍの内
径の孔部３４ａが形成されている第１の筒部３２と、直
径５．９ｍｍの内径の孔部３４ｂが形成されている第２
の筒部３３とが連設された段付きパイプ形状となってい
る。

【００３５】図１１はグリーンパーツ３１を脱脂する状
態を示し、脱脂用ベース台３５には、第２の筒部３３の
端面が支持されることによって脱脂用ベース台３５が起
立している。このグリーンパーツ３１には、中子３６が
挿入されて脱脂される。中子３６は第１の筒部３２の孔
部３４ａに挿入される第１の軸部３６ａと、第２の筒部
３３の孔部３４ｂに挿入される第２の軸部３６ｂとが連
設されることによって形成されている。

【００３６】脱脂はグリーンパーツ２１を、最高到達温
度３７０℃として行う。この最高到達温度までの温度領
域でのグリーンパーツ３１（コンパウンド）の熱膨張率
は９．６×１０^-6［Ｋ^-1］であるため、挿入する中子３
６としては、この熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有し
ているＳＵＳ３０３（熱膨張率１８．４×１０
^-6［Ｋ ^-1］）を使用した。

【００３７】又、第１の筒部３２の孔部３４ａ及び第２
の筒部３３の孔部３４ｂの内径寸法は、脱脂時の３７０
℃到達時にはそれぞれ直径３．５２２ｍｍ及び５．９３
８ｍｍとなることが予想されるため、中子は３７０℃で
この寸法となるように、第１の軸部３６ａが常温で直径
３．５ｍｍ、第２の軸部３６ｂが常温で直径５．９ｍｍ
となるように成形する。

【００３８】中子３６を挿入したグリーンパーツ３１
を、３７０℃を最高到達温度として脱脂してブラウンパ
ーツ３８とし、このブラウンパーツ３８から中子３６を
抜き取り、焼結を行った、図１２は焼結時の状態を示
し、アルミナからなる焼結治具３７の上端面に第２の筒
部３３の端面を支持させると共に、この第２の筒部３３
を基準として最も距離（長さ）を有した第１の筒部３２
を、第２の筒部３３よりも重力方向下向きに配置した。
この状態で、真空下で１３２０℃まで加熱して焼結し
た。

【００３９】焼結の後、円筒度、直角度を測定したとこ
ろ、共に０．００５以下と良好な結果であった。

【００４０】（比較例１）実施の形態１で成形したグリ
ーンパーツ５１を、図１３に示すように焼結治具５５上
に設置して同条件で脱脂・焼結を行った。グリーンパー
ツ５１はそのフランジ部５３が焼結治具５５から起立す
るだけの支持状態である。得られた焼結体５７は図１４
に示すように、設置面に対して倒れが発生し、変形量を
測定するまでもなかった。又、パイプ断面が楕円形状と
なった。

【００４１】（比較例２）実施の形態２で成形したグリ
ーンパーツ６１を図１５に示すように設置し、同条件で
脱脂を行ったところ、脱脂の段階で既に完全に曲がって
しまっており、焼結工程に投入するまでもなかった。

【００４２】（比較例３）実施の形態３で成形したグリ
ーンパーツ７１を図１６に示すように設置し、同条件で
脱脂・焼結・熱処理を行ったところ、この比較例では、
第１の筒部７３の孔部７４と第２の筒部７３の孔部７５
とが同軸度が０．５程度となる変形であった。

【００４３】さらに、以上の実施の形態１〜３で得られ
た金属粉末焼結体及び比較例１〜３で得られた金属粉末
焼結体の内、サイジング等の矯正が可能な変形レベルの
ものを矯正して、これらの機械的強度（引張試験）、酸
による耐蝕試験を行ったところ、引張試験ではサイジン
グを施したものは、実施の形態１〜３で得られたものに
対して約５％の強度低下があった。また、耐蝕試験にお
いては、サイジングを施したものの方が明らかに腐食範
囲が広く、特に矯正した部分に集中して発生していた。

【００４４】以上の説明から本発明は、以下の発明を包
含するものである。

【００４５】（１）金属粉末と有機バインダーからな
るコンパウンドを所望の形状に射出成形してグリーンパ
ーツとする工程と、このグリーンパーツを脱脂してブラ
ウンパーツとする工程と、ブラウンパーツを焼結して焼
結体とする工程とからなる金属粉末焼結製品の製造方法
において、グリーンパーツの孔部に、常温で孔部内径よ
りも小さく、且つ脱脂温度領域で製品の熱膨張率よりも
大きな熱膨張率の中子を挿入して脱脂することを特徴と
する金属粉末焼結体の製造方法。

【００４６】（２）脱脂の最高到達温度において、孔
部内径と一致する外径を有した中子を挿入して脱脂する
ことを特徴とする上記（１）記載の金属粉末焼結体の製
造方法。

【００４７】（３）金属粉末と有機バインダーからな
るコンパウンドを所望の形状に射出成形してグリーンパ
ーツとする工程と、このグリーンパーツを脱脂してブラ
ウンパーツとする工程と、このブラウンパーツを焼結し
て焼結体とする工程とからなる金属粉末焼結製品の製造
方法において、製品が互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸のい
ずれかの方向に距離を有する形状であって、距離を有す
る軸方向を重力方向と一致させると共に、製品の設置可
能な端面に対して最も長い部位を設置部位よりも重力方
向に向けて焼結することを特徴とした金属粉末焼結体の
製造方法。

【００４８】（４）上記（１）〜（３）のいずれかに
記載の方法によって製造されたことを特徴とする金属粉
末焼結体。

【００４９】（５）中子がステンレス合金からなるこ
とを特徴とする請求項（１）〜（３）のいずれかに記載
の金属粉末焼結体の製造方法。

【００５０】（６）金属粉末と有機バインダーからな
るコンパウンドを所望の形状に射出成形する工程と、こ
の成形品から有機バインダーを脱脂する工程と、脱脂し
た成形品を焼結する工程とからなり、孔部を有する金属
粉末焼結体の製造方法であって、上記脱脂工程の最高到
達温度において、上記孔部内径と一致する外径を有し、
且つ脱脂温度領域で上記成形品の熱膨張率よりも大きな
熱膨張率を有する素材からなる中子を、上記孔部に挿入
して脱脂し、この脱脂後に中子を除去し、その後、成形
品の長手方向が鉛直方向に一致する向きで、且つ成形品
の重心よりも上部を保持して焼結することを特徴とする
金属粉末焼結体の製造方法。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、射出成形された成形品の孔部の中子を挿入して
脱脂するため、脱脂時の変形がなく、変形を矯正する必
要がないため、機械的強度が大きく、耐蝕性を有した金
属粉末焼結体を製造することができる。

【００５２】請求項２の発明によれば、脱脂の最高到達
温度で孔部の内径と一致する外径の中子を使用するた
め、脱脂の熱膨張で過度の応力が作用しないため、脱脂
時に割れることがなくなる。

【００５３】請求項３の発明によれば、成形品の長手方
向が鉛直方向と一致し、且つ成形品の上方を支持して焼
結するため、焼結時に変形することがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で射出成形したグリーンパーツの断面図
である。

【図２】脱脂時の断面図である。

【図３】焼結時の断面図である。

【図４】実施の形態１で成形されたグリーンパーツの断
面図である。

【図５】実施の形態１の脱脂時の断面図である。

【図６】実施の形態１の焼結時の断面図である。

【図７】実施の形態２で成形されたグリーンパーツの断
面図である。

【図８】実施の形態２の脱脂時の断面図である。

【図９】実施の形態２の焼結時の断面図である。

【図１０】実施の形態３で成形されたグリーンパーツの
断面図である。

【図１１】実施の形態３の脱脂時の断面図である。

【図１２】実施の形態３の焼結時の断面図である。

【図１３】比較例１の脱脂及び焼結時の断面図である。

【図１４】比較例１で製造された焼結体の断面図であ
る。

【図１５】比較例２で製造された焼結体の断面図であ
る。

【図１６】比較例３で製造された焼結体の断面図であ
る。

【符号の説明】

１グリーンパーツ２筒部３フランジ部４孔部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口博史東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属粉末と有機バインダーからなるコン
パウンドを所望の形状に射出成形する工程と、射出成形
された成形品から有機バインダーを脱脂する工程と、こ
の脱脂した成形品を焼結する工程とからなる金属粉末焼
結体の製造方法であって、製造される金属粉末焼結体が孔部を有し、この孔部に脱
脂温度領域で前記成形品の熱膨張率よりも大きな熱膨張
率を有した素材からなる中子を挿入し、この挿入状態で
前記脱脂を行うことを特徴とする金属粉末焼結体の製造
方法。
【請求項２】前記中子は、前記脱脂工程の最高到達温
度において、前記孔部の内径と略一致する外形を有して
いることを特徴とする請求項１記載の金属粉末焼結体の
製造方法。
【請求項３】金属粉末と有機バインダーからなるコン
パウンドを所望の形状に射出成形する工程と、射出成形
された成形品から有機バインダーを脱脂する工程と、こ
の脱脂した成形品を焼結する工程とからなる金属粉末焼
結体の製造方法であって、脱脂した成形品の長手方向が鉛直方向と一致する向き
で、且つ成形品の重心よりも上方を保持した状態で焼結
することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法。