JPS60218401A - 金属粉末の凍結成形法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属粉末の凍結法（フリーズモールド法）によ
る成形法に関する。

金属粉末を原料とする成形品は溶製材の加工によるもの
に比べ種々の利点があることから汎用される傾向にあシ
、その大量生産手段とじて□金型を用いた圧縮成形法が
採用されている。しかし、この圧縮成形法は成形できる
形状が単純なものに限られ、複雑形状ことに加圧方向に
段差のあるたとえばがツクス状のものなどは、局部的に
粗譜が生ずるため、成形を行えないという不具合があっ
た。

これを改善するため射出成形法が提案されているが、原
料粉末に流動性が乏しいため、複雑形状の場合にはキャ
ビティの隅々まで均一に原料粉末が光填されず、また、
粉末と型面との摩擦によシ実質的に十分な成形圧を加え
ることができない。そこでこの対策として、原料粉末に
バインダとしてプラスチック粉を添加して複合化し、加
熱によシ溶融したプラスチックの流動性を利用して成形
することが行われている。

しかしこの方法では、多量のグラスチックを配合するこ
とが必要なため、焼結時の収縮代がきわめて大きく、形
状、寸法精度の低下、残置低下などの新たな問題が生じ
、複雑かつ高精度を要求される製品には対応できない。

さらに、脱ろうのための予備焼結などを必要とし、熱エ
ネルギーを多量に消費することから、製造コストも高価
となる。

本発明は上記のような従来の問題を解消するため研究を
重ねて創案されたもので、その目的とするところは、形
状が複雑で強度などの機械的性質も良好な金属粉末成形
品を、簡単かつ低コストで量産できる新規な金属粉末成
形品製造法を提供することにある。

この目的を達成すふため、本発明者は研究と実験を重ね
、金属粉末を成形形状に固化させるには、粉末粒子を粘
着性質物で機械的に接着させることが必須であるとして
いた従来の発想を転換し、水をはじめとする流体（とく
に液体）の７流動性を利用することで目的形状への成形
の容易性を確保すると共に、凍結性を利用することで粉
末粒子を結合させ、目的形状ままの固化と離形を行うよ
うにしたものであシ、これにょシ、複雑形状への対応が
自在なうえに完全なグラスチックバインダレス化が可能
となシ、あるいは−少なくともグラスチックバインダ１
吏用量を大幅に減少させることが可能となる。

すなわち本発明の特徴とするところは、製造すべき成形
品の原料粉末に低温凝固性流体を添加して混線物を作夛
、次いで、この混線物を所望形状に成形すると共に急冷
し、これにょシ混練物中の流体分を凝固させその凝固粒
子の接合作用で成形体を固化し、固化した成形体を乾燥
またはこの工程を経ないで焼結して成形品とすることに
ある。

以下本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。

第１図は本発明による金属粉末の凍結成形法の工程を例
示するもので次の工程からなる。

夏、原料粉末１と低温で凝固する性質を備えた流体２の
混練ｖｌＪ３を得る工程 ■、混線物３を成形手段４に注型し、好ましくは混線物
３に圧力を作用させ、所望形状の粉末成形体５を得る工
程 ■、・粉末成形体５を離型前に急冷して成形品中の低温
凝固性流体を凝固させ、凍結成形体５′を得る工程 ■、凍結成形体５′を乾燥しまたは乾燥することなく加
熱炉６に装入して焼結し製品１を得る工程 まず、混線物３を得る工程は、具体的には、成形すべき
原料粉末またとえばｌ橿又は２種以上からなる金属粉末
あるいは少なくともそれらを主成分とする混合ないし複
合粉を低温で凝固する性質を備えた流体（以下低温凝固
性流木と−いう）２を均一に混練することで行われる。

原料粉末１は短繊維を含んでいてもよい。

本発明の場合、上記原料粉末１と低温凝固性流体２だけ
で成形体を得るのが基本であるが、成形性などの面から
、慣用の粘結剤を微量添加してもよい。また、凍結促進
効果のある物質を適量添加してもよい。

低温凝固性流体２は比較的常温に近い温度で凝固する物
性を備えていることが必要である。

さらに、原料粉末１と反応しないか少なくとも品質劣化
を生じさせず、凍結後に揮発ないし蒸発しやすく、焼結
工程を経た成形品に残留しない性質を痢えていることが
望まれ名。

この低温凝固性流体２は原料粉末フの材質に応じて選定
されるが、原料粉末１が酸化しにくいものである場合に
は、水（工業用水、蒸留水、イオン交換水等）を用いる
ことができる。その　□はか無機物、有機物及びそれら
の１４Ｉｉ又は２（蓋取上の化合物や混合物である液状
体を用いることができる。

有機物の液状体としては、たとえば、アニリン、ベンゼ
ン、ニトロベンゼンナトテ代表すレる芳香族化合物が好
適であるが、そのはかグリセリン、ジオキサン、シクロ
ヘキサノール、シクロヘキサンなどで代表されるアルコ
ール′％−エーテル、オキシド、メルカプタン、あるい
は酢酸で代表される有機酸、ジクロルエタンで代表され
る脂肪族炭化水素のハロダン誘導体を用いることもでき
る。

また、無機物の例としては、過酸化水素で代表される無
機化合物、硫酸液、塩酸液、硝酸液で代表される無機酸
、アンモニア水で代表されるアルカリが挙げられる。

低温凝固性流体２の原料粉末１への添加量は、少なくと
も、＠、冷冷時混練物外層にシェル的な凍結結晶を形成
して粉末粒子１１１Ｊを十分に結合させ、離型後も型く
ずれを起させず適正な形状保持を行えるだけのものは必
要であり、原料粉末の種類と性質、成形法ならびに成形
条件、成形品形状、寸法などにより適当に設定する。多
めな配合としても成形時に屋から流出するため問題はな
く、成形圧力で調整が可能である。

次いで、混線物３を成形する。その成形法は任意であシ
、公知の金型を柑いた圧縮成形法、射出成形法、遠心成
形法、リングローリ−リング法、静水圧成形法、押出成
形法、鋳込成形法などすべて用いることができる。

第１図と第２図（、）　（ｂ）は金型圧縮成形の実施例
を、第３図は射出成形の実施列を、第４図と第５図は粉
末リング成形の実施例を示す。いずれの場合も、混＃Ｉ
物３は所望形状に構成されたキャビティ８に注入され、
キャビティ８に所定の圧力が加えられることによシ成形
さ・れ、離型後成形体として取出される。本発明のＪＪ
Ａ会、低温凝固性流体２を含むため、流動性がよく、キ
ャビティのすみずみまで充填することができる。

第２図（、）の場合には一方の型９ａに混練物３を注型
後、型締めブロック９Ｃを下し、次いで他方の型９ｂを
移動して混線物３に圧縮力を作用させ、一定時間後に型
締めブロック９Ｃと型９ｂを離し、ノックアクト１５に
よシ成形体を取出す。第２図（ｂ）の場合は段付きの型
９ｂを他方のＢ＆９ａに圧入して成形する。余剰の流体
は第２図（、）の場合型締めブロック９Ｃとｉｊｌ　９
　ａ　。

９ｂのすき間から流出する。

第３図の場合は、型９ａ、９ｂを図示しない型締め装置
で組合せた状態で、ホッパ１０から射出シリンダ１１に
充填されている混線物３をグランシャ１２によシノズル
１３を通してキャビティ８に高圧で流入させ、一定時間
後に、型５ａ１ｓｂを開き、エノエクタ１４にょシ成形
体を取出す。

第４図と第５図の場合は、外型９ａと内型９ｂとを同心
状にした状態で混練物３ｔキヤビテイ８に注入し、次い
で内型９ｂを偏心させながら外型９ａと相対的に回転さ
せ、外型９ａと内型９ｂとの最接近部位で混線物３を圧
縮して逐次的にリング状に成形する。成形後は再び内型
９ｂと外ＪＪ１９　ａとを同心に戻し、成形体を取出す
。

このような成形法そのものは金属粉末成形法として公知
であるが、本発明は、上記のような成形工程において、
離型までの間の時期に、混線物３をこれに含まれる低温
凝固性流体の凝固温度以下に急冷する。急冷開始時期は
、具体的には、注型後成形圧が付加されて一定形状に成
形が行われた段階、あるいは成形が完了したのち離型さ
れるまでの間の段階である。

急冷方法は、ｍ面など型を介しての間接冷却であっても
よいし、混合物ないし成形体に直接冷却材を作用させる
直接冷却であってもよい。

図示するものでは、型９ａ又Ｖｉ／及び９ｂに通路や冷
却器（蒸発器）などの急冷手段２０．２０′を内設し、
圧縮機、凝縮機、ドライヤ、キャピラリチューブ、膨張
弁などの冷凍機ユニット（図示せず）と接続しておシ、
急冷手段２０．２０に、液体望素、７０ン〃ス、液体炭
酸あるいはアルコールや油などの媒体を固形炭素などの
寒村で冷却したものなど所望の冷却材２１を通し、キャ
ビティ内に低温を作用させている。冷却手段２０′はユ
ニットとして着脱できるようになっている。第４図と第
５図の成形法あるいは遠心成形法の場合には、型内の隙
間から冷却材２１を成形混線物面に噴霧させることも可
能である。

いずれにしても、混練物３は型９ａ、９ｂによシ成形力
が加えられ、これによシ原料粉末粒子１００，１００は
第６図（ａ）のごとく互いに接近し、低温凝固性流体２
００は成形体の表面に相当する領域に押出され、次いで
冷却材で冷却されることによシ、液相から固相へと変化
し、細かい凍結晶粒子２０１となる。そしてこの多数の
凍結晶粒子２０１．２０１が原料粉末粒子１００．１０
０間のすきまを埋めるように相互に結合するため原料粉
末粒子１００．１００は通盾のバインダで□結合したと
きと同じように成形形状のまま固化（剛化）される。さ
きの凝固は必ずしも成形体の中心部まで及ぶ必要はなく
、成形体表面から所要厚さにわたる範囲でいわばシェル
のように形成されていてもよい。この凍結範囲は低温凝
固性流体の１重頓と敵、急冷時間、急冷湯度などにより
コントロールが可能である。

上記の１俣で凍結成形体５′が得られるので次に型９ａ
、９ｂ′ｔ−離間させ、型９ａ、９ｂから取出しを行う
。この工程は凍結成形体５′が十分な形状保持力ないし
自立性を有しているためノックアウトビン、エゼクタピ
ンによシ非常に容易に実施でき、薄肉の場合にもハンド
リング性が良好である。なお、この離型工程では、型９
ｍ、９ｂが低１Ｉｊｉｌ固性流体の余剰分の凍結で接着
されていることもあるため、型面ｍ反を適度に上昇させ
ることが望ましい。これは冷却材２１の供給制御などで
簡便に行える。

次いで、取出した凍結成形体５′を乾燥して解凍するか
、あるいは乾燥しないまま焼結する。

乾燥は自然乾燥であってもよいし、加熱による強制乾燥
であってもよい。焼結はこの種金属粉末成形体の製造に
用いられている通常の方法で行えば十分である。この焼
結は有機バインダを用いないで済むため容易であシ、炉
構造もコンパクトなもので足シる。

焼結の終ったものはそのまま製品とされるか、または必
要な加工を施されることにより目的製品となる。本発明
においては、有機バインダを用いずに断むため寸法積度
の低下や強度低下などが生じに＜＜、かつまた、低温凝
固性流体によシ流動性が向上すると共に成形後の形状保
持力が良好なため複雑形状の製品とすることができる。

次に本発明の具体的な実施例を示す。

実施例１ １、原料粉末としてカルブニル鉄粉を用い、低１凝固性
流体としてアニリンを用い、３０（１）ｘ　３０　（ｗ
）ｘ　２０　（ｈ）ｘ　３　ｍ（ｔ）のぎツクス状体を
製造した。

原料粉末の粒径と分布率は、０〜５μｍが６８、１　％
、５〜１０１１ｍが３０．６％、１０μｍ以上が１．３
チで、この原料粉末にｌＱｗｔ　％のアニリン（ｆ夜）
を６５加し、ミキサーで均一に混練した。

■、成形は圧縮成形慎（１ｏ　Ｏ）ン油圧プレス）を用
いた。金型は５ＫＤ−１１で、金型内にアルミニウム製
冷却器を埋設し、フッ素系冷媒を用いた冷凍機と接続し
、冷凍能力−３０℃を得た。

混線物を常温条件でキャビティに充填し、次いで１８０
　＃ｆ／、−の成形圧力を加え、成形行程の終了と同時
に型温度が−２０〜−２５℃となるように冷凍機を作動
させ、５分間保持した。

次いで型温度を一１５℃まで上昇させて離型を行い、エ
ゼクタ−にょシ成形体を取出した。

■、成形体は完全に凍結して固化しておシ、次いでこの
成形体を乾燥慎に装入して２００℃Ｘ　１５　ｍｉｎの
乾燥を行った。この乾燥て低温凝固性流体１ｄ偵発し、
成形体にＩＡｗしなかった。成形体を水素雰囲気中、９
００１：：ｘ６０ｍｌｎで焼結した。

得られた成形品は、グラスチックバインダを全く用いな
いにもかかわらず各部で粗密のない均゛繊、堅牢な？ツ
クス伏木となっておシ、寸法変化もきわめて微少であっ
た。

実施例２ ■、実施例１と同じ原料粉末と低温凝固性流体を用い、
化学機器用ファンを試作した。試作化学機用ファンは外
径１１０ｍφ、羽根数９、羽根外径９４龍φ、羽根高さ
３ｏ朋、羽根厚さ４ＩＩｍである。

低温凝固性流体は原料粉末に対し２０　ｗｔチ添加し、
ミキサーで均一に混練した。

■、成形は直圧式射出成形機を用い、金型（ＳＫＤ−１
１）に冷却材通路を埋設し、液体窒素を流して一２５℃
の冷凍能力を得るようにした。

混練物を常扁で注型し、型締め圧５０ｔ、射出圧４００
１１／　ｔｎｍ”で射出し、射出後型湛を約−２０℃ま
で急、冷し、５分間保持後、型烏を約−１５℃まで上げ
、離形した。離形後の乾燥、焼結は実施例１と同条件で
行った。

この結果、ち密かつ堅牢で寸法変化も少ない所期のファ
ン状焼結体が得られた。

以上説明した本発明によるときには、金属粉末の成形品
を得るにあたって、低部凝固性流体を金属粉末に添加混
練し、この混練物の持つ流動性と凍結性を利用して成形
と成形体の固化、離形を行うので、プラスチック系バイ
ンダを用いずに棲雑な形状の製品を得ることができ、し
かも焼結時の収判６代が少なく形状寸法の安定性の良い
、強度の高い製品とすることができる。

さらに、グラスチック系バインダを用い・ないため、予
備焼結を省略することができると共に脱ろう用の熱エネ
ルギーが節減され、低コストで良品質の金属粉末成形品
を製造することができるなどのすぐれた効果が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属粉末の凍結成形法の工程を例
示する説明図、第２図（ａ）　（ｂ）は圧縮成形法を採
用した場合の成形状態を示す断面図、第３図は射出成形
法を用いた場合の断面図、第４図（ａ）、（ｂ）と第５
図（＆）、（ｂ）ｔ；ｔリング成形法を採用した場合の
Ｋｆｒ面図、第６図（ａ）、（ｂ）は本発明における成
形体の状態を模式的に示す拡大図である。 １・・・原料粉末、２・・・低温凝固性流体、３・・・
混線物、５′・・・凍結成形体、７・・・成形品、２０
．２０′・・・急冷手段、２１・・・冷却材。 第　４−　図 （α） （，８） 第　６′″　図 （ａ−） Ｃ！ｊ−ン 図 （す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ、原料粉末に低温凝固性流体を添加して混練し、混線
   物を所望形状に廣形すると共に冷却して成形体を凍結固
   化させ°、離形後成形体を焼結することを特徴とする粉
   末凍結成形法。 ２、原料粉末が金属粉またはこれを主成分とする粉末で
   ある特許請求の範囲第１項記載の無機粉末凍結成形法。 ３、低温凝固性流体が、水、無機質又は有機質の液体も
   しくはそれら１種又は２種以上の混合物又は化合物から
   選択される特許請求の範囲第１項記載の無機粉末凍結成
   形法。