JPH11256205A - 粉末成形体の脱脂用溶剤および粉末成形体の脱脂方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 粉末成形体の脱脂におけるバインダーの膨潤
を抑え、割れや膨れ等の欠陥のない成形体を得られ、さ
らに短時間で脱脂を完了することができる溶剤および成
形体の脱脂方法。 【解決手段】 焼結可能な粉末原料と有機バインダーの
混合物の成形体から、ナフテンを主体とする溶剤を用い
て、前記有機バインダーの一部を抽出し、次いで残った
有機バインダーを加熱除去することにより、良好な製品
を得ることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックスあるい
は金属粉末から焼結製品を得る過程に適用されるセラミ
ックス粉末あるいは金属粉末と有機バインダの混合物の
成形体から有機バインダを除去するために用いられる溶
剤および有機バインダを除去する脱脂方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、セラミックスあるいは金属製品の
複雑形状製品を得る方法として、粉末原料とバインダの
混合物から製品形状に近似させた形状の成形体に成形
し、この成形体から形状を保持した状態でバインダを除
去した後、焼結する方法が実用化され、各種精密部品等
に適用され始めている。上述した方法において、成形体
を得るための量産性に優れた成形法としては、プレス成
形、押し出し成形あるいは射出成形法が知られており、
この中で特に射出成形法は３次元的形状に成形できる方
法として注目されている。

【０００３】この射出成形法は、粉体に流動性を持たせ
るために種々の有機物でなるバインダを添加し、混練の
後、これを成形用原料として金型内に射出することによ
り成形し、得られた成形体からバインダを除去する脱脂
工程を経て焼結することにより、焼結体製品を得るもの
である。欠陥の無い焼結体を得るためにもっとも重要な
工程は脱脂工程であり、現在行なわれている脱脂方法と
しては、成形体を加熱し、成形体に含まれる有機バイン
ダを加熱分解およびガス化して除去する加熱分解法、お
よび有機溶媒を用いて射出成形体から有機バインダを溶
出してから残りのバインダの加熱分解およびガス化をす
る溶剤抽出法が主として使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した加熱分解法に
より有機バインダを除去する脱脂方法では、成形体中に
欠陥を生じないように脱脂するには有機バインダの加熱
分解およびガス化が短時間に集中しないようにする必要
がある。これは有機バインダの加熱分解およびガス化が
短時間に集中すると成形体内部に圧力がかかり、脱脂後
の成形体に割れや膨れを発生する原因になるためであ
る。

【０００５】このような割れ・ふくれを生じないように
するためには有機バインダーの加熱分解およびガス化が
徐々に行なわれるように脱脂時間を長くする必要があ
る。特に、薄肉微細な製品を得ようとする場合には、原
料とする粉末の粒径を小さくする必要があり、このため
に粉末の比表面積が大きくなることで成形を行なう際の
流動性を安定して保つためには、必要とされる有機バイ
ンダの量を多くする必要があり、ますます脱脂時間が長
くなるという問題がある。このような加熱分解法を使用
する方法に対して、有機溶媒を用いて成形体から有機バ
インダの一部を溶出する溶剤抽出法では、ひきつづいて
行われる加熱分解およびガス化の際に、溶媒によって除
かれた有機バインダの部分が通り道となり、残りの有機
バインダが速やかに系外に排出されるため、脱脂時間が
短くても脱脂の際の割れ膨れ等の欠陥が生じにくいとい
う利点がある。

【０００６】溶媒抽出法においては、成形体の有機バイ
ンダとして鉱油・脂肪酸系油・天然油等の液体原料を使
用する場合には、成形体からバインダが滲み出すことが
多く、長期の成形体の保管においても油の滲み出し、成
形体では表面に移行した油により抽出脱脂時に割れ膨れ
を生じることが多い。これに対して有機バインダとして
固体原料を使用する場合には、上述した油の滲み出しの
問題はなくなるという利点がある。しかし、有機バイン
ダとして固体原料を使用し、溶剤による抽出を行う場
合、溶剤浸漬時に使用するバインダ組成によっては膨潤
が生じ、バインダの溶出経路がふさがれ、抽出率向上が
望めない場合がある。膨潤の度合が著しい場合には、溶
出経路をふさぐだけでなく、製品に膨れが生じてしまい
所望の形状の製品を得ることが出来なくなってしまうこ
ともある。塩素系溶剤は溶解力が高く、高分子の樹脂に
対する膨潤が小さいため抽出用溶剤として適している
が、環境面で法的な規制がかかり今後継続して大量に使
用することは困難である。

【０００７】本発明の目的は、粉末成形体の脱脂におけ
るバインダの膨潤を抑え、割れや膨れ等の欠陥のない成
形体を得られ、さらに短時間で脱脂を完了することがで
きる溶剤および成形体の脱脂方法を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、脱脂時間を
短縮できる溶剤抽出法に用いられる溶剤と有機バインダ
の関係を詳細に検討し、ナフテンを主体とする溶剤を使
用すれば、塩素系有機溶剤に匹敵する有機バインダの抽
出能力が得られ、さらに成形体中のバインダの膨潤によ
る膨れ等の欠陥発生、及び抽出率低下を防ぐことを見い
だし、本発明に到達した。すなわち本発明は、ナフテン
を主体とすることを特徴とする粉末成形体の脱脂用溶剤
であり、焼結可能な粉末原料と有機バインダの混合物の
成形体から、ナフテンを主体とする本発明の溶剤を用い
て、前記有機バインダの一部を抽出し、次いで残った有
機バインダを加熱除去することを特徴とする粉末成形体
の脱脂方法である。

【０００９】なお、本発明において使用する有機バイン
ダはナフテンを主体とする溶剤に易溶性のバインダと難
溶性のバインダの混合物であることが好ましい。また、
本発明の溶剤および脱脂方法は特に成形体製造時に高い
流動性が要求され、多量のバインダが必要とされる射出
成形法に適用することが有効である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の最も特徴とするところ
は、膨潤しにくく、且つ優れた抽出能力が得られる溶剤
抽出法の溶剤として、ナフテンを主体とする溶剤を選択
したことである。本発明において、ナフテンを主体とす
る溶剤とは、少なくとも５０重量％以上のナフテンを含
む溶剤である。ナフテンとはシクロパラフィンの別称
で、一般式ＣｎＨ２ｎで表される環式飽和炭化水素であ
り、ナフタリンの水素化物であるテトラリンやデカリン
に比べて融点が低く、流動性に優れるという利点があ
る。さらに本発明者の検討によれば有機バインダをもち
いて成形した成形体から、有機バインダを除去する際
に、上記ナフテンを主体とする溶剤を用いれば、溶剤が
成形体内のバインダに膨潤をもたらし、成形体に膨れを
発生してしまうという問題を解決できることを見い出し
たのである。これは、特に３０ｖｏｌ％以上もの有機バ
インダが粉末に混合される射出成形体の脱脂を行なう上
で複雑な３次元形状を確保することができ有用である。
なお、本発明で使用するナフテンを主体とする溶剤とし
ては、ナフテン以外にパラフィンや芳香族等の炭化水素
を混合して使用しても良い。

【００１１】本発明においては、前記有機バインダの一
部を抽出し、次いで残った有機バインダを加熱除去する
必要がある。これは、溶剤抽出によってすべての有機バ
インダを除去したのでは、成形体形状が保たれないため
である。有機バインダは若干の焼結作用が働く温度ま
で、成形体の形状を保持する必要があり、残留したバイ
ンダはその加熱の際に加熱分解により除去することが有
効である。なお、本発明でいう焼結可能な粉末原料とし
ては、各種セラミックス、サーメット、金属粉末を適用
することができる。

【００１２】本発明において、有機バインダの一部を抽
出するには、有機バインダとしてナフテンに少なくとも
一部は可溶である必要がある。もちろん全部可溶である
有機バインダを使用してもよいが、その時は有機バイン
ダを残留させるために抽出温度や抽出時間の管理を極め
て正確に行う必要がある。そのため、有機バインダとし
てナフテンを主体とする溶剤に易溶性のバインダと難溶
性のバインダの混合物を使用すれば、溶媒抽出により抽
出するバインダ量の管理が極めて容易になる。しかも成
形体内部まで、易溶性のバインダ分のみが抽出されるこ
とになり、成形体に均一なガスの抜ける通り道を形成で
きるという利点もある。

【００１３】ナフテンに易溶性の有機バインダとしては
例えばパラフィンワックス・カルナバワックス・蜜蝋・
ポリエチレンワックス・脂肪酸系エステル・フタル酸系
可塑剤・ウレタン化ワックス等の比較的低融点のもの
と、高分子化合物としてポリビニルブチラール・アクリ
ル樹脂・スチレン−ブタジエンゴム等が利用できる。ま
た前記溶剤に難溶性の有機バインダとしてはポリエチレ
ン・ポリプロピレン・エチレン酢酸ビニル共重合体・ア
タクチックポリプロピレン・ポリアミド樹脂・ポリアセ
タール等が利用できる。

【００１４】有機バインダの抽出には、成形体を前記溶
剤中に浸漬し、連続して攪はんするか、もしくは成形体
に対して前記溶剤を連続して噴霧することが抽出時間を
短縮させる面からも望ましい方法といえる。有機バイン
ダの抽出操作の後、成形体を常圧・減圧・真空のいずれ
かの雰囲気中で加熱することにより、成形体中の有機バ
インダを除去できる。

【００１５】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明するが、本発明
はこれに限定されるものではない。原料粉末として、平
均粒径 ５μｍ、最大粒径 １０μｍのカルボニル鉄粉
と、平均粒径 １１μｍ、最大粒径 ２５μｍのＪＩＳ
ＳＵＳ３１６Ｌのステンレス粉を準備し、それぞれの
粉末原料６０ｖｏｌ％に対して、ポリプロピレン１０ｖ
ｏｌ％、エチレン酢酸ビニル共重合体５ｖｏｌ％、ポリ
ブチルメタアクリレート５ｖｏｌ％、パラフィンワック
ス２０ｖｏｌ％でなる有機バインダ４０ｖｏｌ％を配合
し、加圧ニーダーを用いて１６０℃にて４０分間混練
し、取り出した後混練物を粉砕し、成形用組成物を得
た。次にこの組成物を、成形温度１４０℃〜１８０℃
で、金型内に射出することによって、厚さ４ｍｍ、幅６
ｍｍ、長さ２５ｍｍの平行部の両端に厚さ ４ｍｍ、幅
１６ｍｍ、長さ１６ｍｍの広幅部を有するダンベル形
状の成形体を得た。

【００１６】このようにして得られた原料粉末が異なる
２種の成形体に対して、本発明の溶剤の一例として、７
５％のナフテンを含有した日本石油化学株式会社製のナ
フテゾールＭを使用して抽出を行った。溶剤抽出の条件
は７０℃の溶剤中に成形体を１０〜１２０分間浸漬した
後、真空乾燥を６０分行うものである。真空乾燥後の重
量から、次式により抽出率を算出し、溶媒への浸漬時間
を抽出時間とし、抽出時間と抽出率の関係を求めた。原
料としてカルボニル鉄粉を使用した場合の結果を図１に
示し、原料としてＳＵＳ３１６Ｌ粉を使用した場合の結
果を図２に示す。 抽出率(%)=（抽出されたバインダ重量×１００）／成形
体中のバインダ重量

【００１７】

【表１】

【００１８】また、比較例としてテトラリンおよびデカ
リンを用いた溶剤抽出も行なった。溶剤温度を変えた以
外は実施例と同様の溶剤抽出を行った結果も図１および
図２に付記する。これらの比較例においては、デカリン
は引火点が多少低く、安全性を考慮して引火点より高い
温度での作業を避け、溶剤の温度は５０℃とした。

【００１９】図１および図２に示すように、本実施例で
使用したナフテン系溶剤のナフテゾールＭは，引火点以
下の７０℃の抽出であるにもかかわらず、比較例の溶剤
に対して同等レベルの抽出率が得られている。それぞれ
の溶剤で抽出した抽出体について、それぞれ１００個の
試料の表面を観察し、２ｍｍφ以上の凸状の膨れ欠陥が
発生した試料数をカウントした。（膨れ発生数と称す
る） 結果を表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２に示すように、ナフテン系溶剤では膨
れ発生数がテトラリンやデカリンに対して、著しく低減
できた。この膨れの発生は、溶剤の著しい膨潤によるも
のであり、この結果からナフテン系溶剤を使用すること
により膨潤が抑えられていることが確認出来る。実施例
において抽出溶媒にナフテゾールＭを使用し１２０分浸
漬した抽出脱脂後の成形体の加熱脱脂を１００℃／ｈｒ
の条件で不活性ガス雰囲気でおこない、真空中で１２５
０℃の条件で焼結をおこなったところ、割れ膨れ等の欠
陥のない健全な焼結体が得られた。したがって、ナフテ
ン系溶剤は、テトラリンやデカリンと同等のバインダ抽
出率を得られるとともに、膨れの発生を大きく抑制する
ことができたのであり、製品の膨れ欠陥不良を低減する
ことができることが判った。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、粉末射出成形法におい
て溶剤抽出法を用いてバインダを抽出するときに、溶剤
によるバインダの膨潤を抑え、優れた抽出率を得ること
が出来る為、脱脂工程の時間を短縮し、膨れのない良好
な焼結体を得る脱脂方法として有効である。さらに本発
明は、塩素系有機溶剤を使用しないため、毒性や環境破
壊の問題がないという利点もあり、将来ともに有望であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】原料粉末にカルボニル鉄粉を用いた場合のバイ
ンダの抽出率と抽出時間の関係の一例を示す図である。

【図２】原料粉末にＳＵＳ３１６Ｌ粉を用いた場合のバ
インダの抽出率と抽出時間の関係の一例を示す図であ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ナフテンを主体とすることを特徴とする
   粉末成形体の脱脂用溶剤。
2. 【請求項２】 焼結可能な粉末原料と有機バインダの混
   合物の成形体から、ナフテンを主体とする溶剤を用い
   て、前記有機バインダの一部を抽出し、次いで残った有
   機バインダを加熱除去することを特徴とする粉末成形体
   の脱脂方法。
3. 【請求項３】 有機バインダはナフテンを主体とする溶
   剤に易溶性のバインダと難溶性のバインダの混合物であ
   ることを特徴とする請求項２に記載の粉末成形体の脱脂
   方法。
4. 【請求項４】 成形体は射出成形法により得ることを特
   徴とする請求項２ないし３に記載の粉末成形体の製造方
   法。