JPS61287702A - 粉体の成形方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、金属粉あるいはセラミック粉に有機分散媒
を混合し、可塑成形または鋳込成形した後、成形体に不
都合を与えることなく前記分散媒を除去することに関す
るものである。

〔従来の技術〕

２％Ｎｉ−９８％Ｆｅ扮、５ＵＳ３１６粉あるいはステ
ライト粉などの金属粉やアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、ジルコニアなどセラミック粉、さらには炭化タン
グステンーコパル）７ｆｆｉどの金属とセラミンクの混
合粉などを出発原料として複雑な形状め成形体を製造す
る方法として、例えば射出成形法が有効な方法として知
られている。

具体的には１例えば、パーマチック・コーポレーション
（Ｐａｒｍａｔｅｃｈ　Ｃ０ｒｐ、　）　　は、この方
法によって２％Ｎ１−９８％ｒｅまたはステンレスの小
型機械部品を製造している。

また、ザ・カーボランダム・カンパニー（Ｔｈｅ　Ｃａ
ｒｂｏｒｕｎｄｕｍ　Ｃｏｍｐａｎｙ）　　では、炭化
ケイ素のタービン部品製造に射出成形法を使用しており
、さらにＡＳＥＡ社では、窒化ケイ素のガスタービンホ
イール製造にこの方法を採用している。

これらの射出成形法は、概ね次のような工程から成り豆
っている。

（１）　　出発原料＠を有機分散媒と混合して熱可塑性
混合物とする混線工程。

（２）加熱シリンダ中で前記混合物を軟化させたのち金
型中に射出する工程。

（３）金型を開いて成形体を取出す工程。

（４）成形体から有機分散媒を除去する脱脂工程。

（５）成形体の高密度化を図る焼結工程。

これらの工程からなる射出成形法が正常に行われるか否
かは、使用する有機分散媒に大きく依存し、製品歩留り
を左右する程である。

この有機分散媒は、金属粉およびセラミック粉体に成形
性を与え成形性を付与させる目的で使用するものであっ
て、成形性が不良である場合には成形体に銀状痕、溶接
線、引は等による欠陥を生ずる。

成形性を向上させるためには、有機分散媒の添加量を増
せば良いが、その反面当然のことながら脱脂工程で大容
量の有機分散媒が除去されるので成形体に亀裂が入った
り、発泡、変形などの欠陥が生じやすくなる。

従って、有機分散媒の使用は、最小限に抑えると共に脱
脂工程で欠陥を生じない特性を有する有機分散媒の検討
がな１れており、極〈一般的には低分子量ポリエチレン
、ポリスチレン、パラフィン、微細結晶ワックスに熱可
塑性樹脂やオイルを少１添加したもの等が使用されてい
る。

そのほか、ポリプロピレン、ポリビニルアルコ−−ル、
ポリビニルブチラール、ポリエチレングリコール、メチ
ルセルロース、アタクチックポリエチルセルロース、ヒ
ドロキシエチルセルロース、アクリル樹脂等もバインダ
として使用することができるのみならず、成形品の離型
性を良くするために例えばステアリン酸塩を有機分散媒
中に少量配合しておくことも行われている二 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、従来用いられているこれらのバインダには、
次のような問題点を併せもっている。

（１）　　脱脂工程においては１通常４００〜５００℃
程度まで加熱して有機分散媒を分解させ蒸発除去してい
るが、この際成形体を最高温度まで徐々に加熱し、有機
分散媒の分解によって発生するガスの発生速度がガスの
成形体内の空隙を通って外部へ放出する速度を上まわら
ないようにする必要がある。ガスの発生速度が拡散速度
を上まわると成形体内の圧力が高くなり亀裂１発泡、変
形の原因となる。このため、脱脂工程には通常７０〜１
００時間を要し、射出成形技術が本来有している高生産
性の利点を損なう。

（２）脱脂工程において長時間に亘る加熱が必要である
が、一方ではこの熱は前述の如く比較的低温（４００〜
５００℃）であるために経済性に見合った有効熱エネル
ギーとして回収することが困難であり、結局これを浪費
することになる。

（３）脱脂は、有機分散媒の熱分解の達成によって完了
するが、１００％の脱脂は行えず炭素や油脂が若干量残
留しているのが普通である。この残留炭素や油脂は、焼
成後の焼結体の性状を損う原因となる。

（４）脱脂工程で得た油脂等は、有機分散媒の分解生成
物であるため再使用はできず１通常はこれを廃棄してい
ることから製品のコストを上昇させる一因となる。

以上のような解決を迫られている課題は、射出成形技術
に限らず、押出し成形、型鋳造などを含めた一般に利用
されている可塑物成形性全体にいえるものである。

これらのものとは別に、金属粉、セラミック粉あるいは
金属粉とセラミック粉の混合物を成形する方法として鋳
込成形法があり、これは泥漿を吸液性の型に流し込み、
−着肉層を形成させることによって成形体を得る方法で
ある。

ここで使用する原料粉体は、分散媒としての例えば水と
少量の膠着剤などと共にボールミルで粉砕混合して泥漿
とするが、安定した泥漿とするために数日間攪拌を行い
、水分、粘性を調節したのち真空脱泡する。

一方、予め離型剤塗布などの型処理を経たセソコウ型を
型組みし、前述のようにして用意した泥漿をここに流し
込み、型の吸水により型面に溢って着肉層が形成し、時
間と共にこれを成長させるのである。

中空品を成形する場合には、所定の肉厚に達したとき余
剰の泥漿を排出すれば良い。

泥漿を流し込んだ型は、吸水をしつづけるので着肉層中
の水分は徐々に減少し、それに伴って鋳込み体は硬さを
増すと共に収縮して型から離れるようになる。

このような段階において、鋳込み体を脱型し、生加工、
仕上げ加工の後乾燥するのであるが、脱型し次セツコウ
型は、乾燥を行うことによシ繰返しの使用に供すること
ができる。

泥漿液を作る際の分散媒としては、水のほかに各種のア
ルコールを使うことも知られている。

また、型材としては、セラコラの代りに、機械的強度や
耐摩耗性に優れているプラスチック、金属−セラミック
繊維複合材料などからなるｉ過性成形型を使用すること
も知られている。

このほか、型子を挿入して粉体をつき固めた後型子を除
去して圧粉体の型をつくり、脱型はつき壊しにより圧粉
体を粉体に戻して行う方法もあり。

この場合粉体自体は再利用ができる。

このような金属粉およびセラミック粉の鋳込成形法の最
大の問題は、乾燥工程にある。この乾燥工程には、二つ
の主要な段階があり、先ず最初の恒率乾燥段階では水が
鋳込み体の氏面から失なわれ、その減少した水の体積に
相当する収縮が成形体に起こる。

次の減率乾燥段階では、鋳込み成形体内部での水の蒸発
があり、この場合成形体には収縮が起こらないか、起っ
ても僅かなものである。

厚みに分布のある形状の鋳込み体では、厚い部分での恒
率乾燥から減率乾燥への移行が遅れるので収縮は一様に
進行しないし、また、厚肉の鋳込み体では、内部の乾燥
が遅れるので、我層部の収縮が先行することが考えられ
、このような成形体の場合、乾燥工程で鋳込み体にひず
みや亀裂が発生しやすくなる。

ひずみや亀裂を防ぐために低温度でしかも鋳込み体内郡
全体を均一に乾燥させる必要があり、そのためには自然
乾燥がもつともよいと云われているが、この方法による
ときには天候に左右されしかも広い場所と多くの労働力
を必要とするのみならず、長期間に亘る乾燥期間をも必
要とする。

このほか、熱風による乾燥方法があるが、この場合は、
風量、風速、温度、湿度を均一に保持する必要があり、
設定要素が多すぎるので的確な制御を行うことが困難で
ある。

さらに、高周波による乾燥方法も知られており、この方
法では比較的均一に乾燥が進行するが、鋳込み体の内外
層および各部分に熱応力を発生させずに乾燥させること
は困難であり、多かれ少なかれ乾燥ムラ、亀裂、割れ、
ひずみ等を生じ乾燥後の製品の歩留りを低下させるとい
う欠点を有する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、以上に述べたような従来技術における不都合
を解消するべく検討を加えた結果到達したものであって
、金属粉またはセラミック粉を可塑成形ないしは鋳込み
成形して得た成形体から成形の際に使用した有機分散媒
を−３０℃以上〜６１．１℃未満の温度の液体二酸化炭
素の雰囲気で抽出除去することからなる粉体の成形方法
に関するものである。

ここでいう有機分散媒とは、分散媒体のすべであるいは
主要部分をメチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−
７’ロビルアルコール、ｉ−７’ロピルアルコール、ｎ
−７”チルアルコール、ｔ−ブチルアルコール、５ｅａ
−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコールなどの低級
アルコール、アセトンのような有機物で形成しているも
のである。

〔作　用〕

二酸化炭素の臨界温度ｔｉ３１．１℃、臨界圧力は７５
、２　Ｋｐ／、、ｆ　（絶対圧力）であるが、この臨界
温度以上であってかつ臨界圧力以上の流体を一般に超臨
界の二酸化炭素と称している。

本発明は、臨界温度直下の液体二酸化炭素がアルコール
類、ケント類をよく溶解することに基づいてなされたも
のである。

例えば、１００　Ｋｑ／ｌ−ｒ！ｌ、　３５℃の超臨界
二酸化炭素の１００重量部は、ｔ−ブチルアルコールを
６．５重量部しか溶解しないの、に対しｉ　　１ｏｏｂ
ｘ、−ａ、２５℃の条件下では１２．３重量部のｔ−ブ
チルアルコールを溶解する。

なお、この温度が低くなりすぎると、液体二酸化炭素の
拡散速度が低下するので液体二酸化炭素による抽出速度
はかえって低下する。

したがって、臨界温度（３１，１℃）未満であって少な
くとも−３０℃以上であることが必要である。

このような状態の液体二酸化炭素を用いて、成形体中の
有機分散媒の抽出を行う場合には、アルコールまたはケ
トンを成形用分散媒として使用して得た成形体を液体二
酸化炭素雰囲気中に静置すればよく１時間の経過に伴っ
て成形体の粒子間隙にある分散媒を溶解しながら成形体
内部に浸透し、拡散によって分散媒を外部へ取り出すこ
とができ、液体二酸化炭素は遂次分散媒と置換して浸透
する。

分散媒の置換が終ったのちは、雰囲気を徐々に減圧する
ことにより気液共存領域に到達させ１気化δせ、さらに
大気圧までゆっくりと減圧することにより成形体内部の
二酸化炭素を除去する。

二酸化炭素の気化は、高圧でも起きるので気化に伴う体
積増加は小さく、従って成形体に亀裂、割れなどの欠陥
を引き起こすことはない。

液体二酸化炭素による有機分散媒の置換と二酸化炭素の
気化除去からなる親有機分散媒操作に要する時間は、成
形体の寸法、形状によって異なるが１〜１０時間程度で
ある。

〔実施例〕

以下、数例の具体例を示して、本発明をさらに詳細に説
明する。

実施例１゜ 平均粒径０．７μｍのアルミナ扮を内径７５５ｍ、高さ
１００ｍのビーカーに充填後、外径１２頷の試験管をビ
ーカーの中心部に挿入した。次いで試験管周辺部のアル
ミナ扮をつき固めたのちこの試験管を引き抜＠１２■ψ
Ｘ　２０　ｍ深さの鋳凰を作った。

一方、アルミナ粉６０重量部、有機分散媒６９重量部、
ポリエチレングリコール（以下ＰＥＧ）１重量部を２４
時間混合して得た泥漿を前記鋳型に流し込み、８時間放
置して有機分散媒を鋳型に吸収させ着肉を終了させた。

鋳型を掘シ崩して円筒状の鋳込み体を取り出し、上部を
切断して直径１２ｗψ、高さ１５■の円筒成形体とした
。

この操作は、メチルアルコール（以下、Ｍｅｎｕ）　。

エチルアルコール（以下、　ＥｔＯＰｏ、　ｎ　−クロ
ピルアルコ−Ａ／（以下、ｎ−Ｐｒ０Ｈ）、ｉ−プロピ
ルアルコール（以下、ｉ　−ＰｒＯＨ）　、　ｎ−ブチ
ルアルコール（以下、ｎ　−ＢｕＯＨ）　、　ｉ−ブチ
ルアルコール（以下、ｉ　−ＢｕＯＨ）、　５ｅｅ−ブ
チルアルコール（以下、Ｓｅａ　−Ｂｕｆｆ（）　、ア
セトン（以下、ＭｅｔＣＯ）の８種類の有機溶媒につい
てそれぞれ行った。

このようにして得た円筒成形体をそれぞれ２５℃に調節
されている抽出構内に保持し、２５℃に予熱した液体二
酸化炭素を抽出槽へ送り込み抽出槽内を１００　Ｋｇ／
ｆｆｌとして超臨界状態に調節し、液体二酸化炭素を供
給しながら２時間このまま保持して抽出を行い次いで液
体二酸化炭素の供給を止め１時間をかけて槽内圧力を常
圧まで戻した。

なお、この減圧を徐々に行うのは、成形体内の二酸化炭
素の急膨張による成形体破損を防ぐためのものである。

以上のような脱分散媒操作を経たのちの８個の成形体は
、いずれも割れ、亀裂、変形などの変化は認められず、
また分散媒除去前後の重量差から使用した有機溶媒に対
応し九重量減少であること−が認められた。

実施例２ 平均粒径０．７５μ罵−の窒化ケイ素粉９２重量部、イ
ツトリア６重量部、アルミナ２重量部の原料粉混合物７
１重量％、ｔ−ＢｕＯＨ２７重量％　、　ＰＥＧ１重量
％を３０℃に維持されている加圧型ニーダ−で混練する
と同時に脱泡圧密化を図り、１２時間後に可塑化した混
練物を取り出した。これを略直方体に成形して２０℃に
設定されている鍛造金型内におき、直ちに圧縮成形して
６分間そのまま保持したのち離型した。成形体は、ｔ　
−ＢｕＯＨの凝固により離型しやすい状態であった。

このような成形操作により４６．８■Ｘ　１４．８ＦＩ
Ｉ　Ｘ１９．１Ｍおよび４五８雪ｘ　７．４瓢Ｘ１９１
簡の２種類の成形体を作った。

この成形体を抽出槽内にセントし１ｇ、体二酸化炭素を
供給して２５℃に加熱し１００Ｋｇ／−の条件下で２時
間保持してｔ　−ＢｕＯＨの抽出を行った。

その後減圧は実施例１と同様に行い、脱分散媒成形体を
得たが、いずれもその状態には異常が認められなかった
。

なお、脱分散媒操作前後の成形体の重量の差は、成形体
に使用したｔ−ＢｕＯＨＯ量に対応したものであること
が認められた。

実施例五 実施例２におけるニーダ−混線作業の最終段階で、ニー
ダ−に２０℃の冷却水を通して冷却しながら６０分間混
練を行いｔ　−ＢｕＯＨの凝固に基づくベレント状の混
線物を得た。

このペレットをシリンダ一温度３０℃、金型温度２０℃
に設定したスクリューインライン式射出成形機によって
実施例２と同じ形態の２種類の成形体を得た。

このようにして得た成形体を抽出槽にセットし、実施例
２と同様の操作を繰返して抽出、減圧操作を行ったとこ
ろ成形体に亀裂、割れなどの異常は認められなかった。

また、脱分散媒操作前後の成形体の重量差を求めたとこ
ろ、分散媒使用量に対応した重量減少を生じたことが確
認できた。

実施例４゜ 粒径５〜２０μｍの５ＵＳ３１６粉８５重量部、ｔ　−
ｎｕｏａｌ　４重量部、ＰＥ０１重量部の原料混合物か
らなるペレットを実施例３の方法により作り、これを実
施例３と同じ射出成形条件で、同一形態の２種類の成形
体とし、実施例２と同一の操作条件で脱分散媒処理を行
った。

この場合も脱分散媒処理後の成形体には何ら異常は認め
られず、また脱分散媒処理によって減少した重量は成形
体使用量にマツチするものであった。

実施例５゜ 平均粒径１．５μ扉のタングステンカーバイド９０重量
部、平均粒径１．６μｍのコバル）１０重量部からなる
原料混合物を湿式ボールミル（ステンレス製ボッ）、Ｗ
Ｃ−Ｃｏ　　合金製ボール使用）ＷＣ入れアセトンを加
えて４８時間混合扮砕したのち乾燥させた。

このようにして得た原料粉９１重量％、ｔ−ＢｕＯＨ８
重量％、ＰＥＧ１重量％の混合物ペレットを用い実施例
６と同じようにして２種類の成形体を得た。

その後、同じようにして脱分散媒処理した成形体には、
何ら異常は認められず、また脱分散媒処理によって減少
した重量は成形体使用量にマツチするものであった。

〔発明の効果〕 以上、述べた如き、本発明の粉体の成形方法を実施する
ことにより、 （１）成形体に何らの破損を起すことなく、完全に脱分
散媒を行うことができる、 （２）脱分散媒の工程が従来法に比較して約１／３０の
短時間で脱分散媒作業を完了させることができる、 （３）脱分散媒工程では、高温を使用しないので熱エネ
ルギーの節約ができる、 ｌどの効果を発揮するものである。

代理人　弁理士　佐　藤　正　年 手続補正書（賎） 昭和６０年８月２９日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 金属粉またはセラミック粉を可塑成形ないしは鋳込成形
   して得た成形体から成形の際に使用した有機分散媒を−
   ３０℃以上〜３１．１℃未満の温度の液体二酸化炭素に
   より抽出除去することを特徴とする粉体の成形方法。