JPS6237302A - 金属又は合金物品の製造方法 - Google Patents

金属又は合金物品の製造方法

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JPS6237302A
JPS6237302A JP61096113A JP9611386A JPS6237302A JP S6237302 A JPS6237302 A JP S6237302A JP 61096113 A JP61096113 A JP 61096113A JP 9611386 A JP9611386 A JP 9611386A JP S6237302 A JPS6237302 A JP S6237302A
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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〕 本発明は金属又は合金粉末を有機バインダー他の物質と
混合混線後、射出成形法によって所望する製品と相似形
の物品を成形し、バインダー他を除去後、焼結法によっ
て圧密化し、高精度で複雑形状を有する金属又は合金物
品の製造方法に関する。
〔従来の技術〕
金属又は合金粉末をプレス成形、CIP成形等の手法で
成形後焼結法によって圧密し、所望する製品形状と特性
を有する金属又は合金物品を得る粉末冶金製品は広く知
られている。しかしこれらの成形手法では、例えばプレ
ス成形法では一軸方向で成形できる形状製品しか製造で
きないこと、CIP成形では3次元形状品が成形できる
が、ゴム型中で成形されるため、精度が上がらないこと
や、量産がむずかしい等の問題点がある。然るに近年プ
ラスチックの射出成形の発展によって、金属又は合金粉
末をプラスチックと混線後射出成形し、複雑形状物品を
高精度で成形する手法が開発された。成形後バインダー
のプラスチックは、熱分解や化学的手法で除去され、焼
結で圧密化されるが、使用するバインダーの選択が成形
性と脱バインダー性にきわめて大きな影響を及ぼす9本
発明はバインダーの使用量が少なく、成形後の強度が高
く、かつ容易に脱バインダーが可能なバインダーと可塑
剤、又は離型剤を最適に組み合わせて、成形条件を含め
た金属又は合金物品の製造法を提供することにある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
金属又は合金粉末を射出成形後、焼結して圧密する際に
有用なバインダーとしては、いくつかの技術が公知であ
る1例えば特公昭51−29170号公報には窯業原料
とアタクチックポリプロピレン、ワックス、パラフィン
等の潤滑剤、ジエチルフタレート等の可塑剤を配合した
射出成形用組成物、特開昭55−113511号公報に
はセラミックス粉末あるいは金属粉末に熱可塑性樹脂と
シラン系カップリング剤又はチタン系カップリング剤を
混合して、射出又は押出成形する方法、特開昭59−2
59403号公報には金属焼結部材の製造法として、エ
チレン酢酸ビニル共重合体および低密度ポリエチレンの
うちの一種又は二種を30〜50%、メタクリル酸エス
テル共重合体19〜32%、ジブチルフタレート、ジエ
チルフタレートおよびステアリン酸のうちの一種7〜1
3%、パラフィンワックス残りからなる配合組成をもつ
ことを特徴とする射出成形用バインダー等数多くのバイ
ンダーが開示されている。
これらはいずれもプラスチックと称される熱可塑性又は
熱硬化性樹脂を粘結剤とし、可塑剤、潤滑剤等を適宜配
合したもので、原料粉末対比容量比で通常50%がバイ
ンダーで占められ、重量比では8〜25%を使用する。
これらのバインダーは、セラミックスの場合は酸化性雰
囲気、金属粉末の場合は非酸化性雰囲気中でプラスチッ
クの熱分解を利用して除去されるが脱バインダ一時のク
ラックの発生やクリープ変形を防止するために通常20
’C/11r以下の加熱速度しかとれないために脱バイ
ンダーに4011r以上、長い場合は10011rにも
及ぶ時間を必要とし、工業的に事実上不可能な工数とエ
ネルギーを消費せざるを得ない実情にある。有機溶剤を
使って、化学的にバインダーを除去する手法も提案され
ているが、成形体が脆弱化し、ハンドリングが困難とな
る。さらには高価なプラスチック樹脂を重量比で10%
以上使用し、かつ脱バインダ一時に回収できないために
製品コストが著しく上昇する問題点が存在する。
また、本願発明と同じく有機バインダー量−用し、全屈
物品を射出成形法により得る手法として米国特許第4,
113,480号に開示されている。
すなわち、常温より高温において溶媒に対する溶解性が
少なくなり、粘度が増加する有機バインダーとしてメチ
ルセルロースを選定し、この有機バインダーにModi
fiersを添加したものを使用して射出成形する手法
、具体的には粒径−325meshのCo基スス−パー
アロイガスアトマイズ粉末重量比でメチルセルロースを
1.5〜3.5%、グリセリン0.25−2.0%、硼
酸(Boric acid) 0.1−1.0%、溶媒
として水を添加混合後射出成形を行なう方法である。
ここでグリセリンは成形助剤、硼酸(r3oric a
cid)は、焼結促進剤として添加され、また射出成形
時の金型温度は170〜190°F(77〜88℃)と
されている。
この手法は熱可塑性プラスチックバインダーを用いる場
合と比較するとバインダーの添加量が少なく脱バインダ
ー速度は速いという特色を有するが、(1)  メチル
セルロースとグリセリンのみでは成形性が悪く、金型細
部まで混練体が充填されないこと。
(2)焼結助剤として添加される硼酸(Boric a
cid)が焼結温度を下げ、焼結促進の効果はあるが、
焼結体中に硼酸が0.05〜3.0%残留し、焼結体を
著しく脆化させる。特に鉄基台C材料では硬脆な鉄−ボ
ロン化合物を生成する致命的な欠陥がある。
かかる問題点のため、セラミックス金属の両分野におい
て、射出成形法の利点は認められないながらも、実際は
ほとんど実施されていない。本発明の目的は、前述の問
題点を完全に解消し、高精度で複雑形状を有する金属又
は合金物品を得ることができる製造法を提供することで
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
本願発明は、 (1)  メチルセルロースの品種を限定し、その2%
濃度水溶液の熱ゲル化後の温度が80℃で3X10”g
/−以上であるメチルセルロースを使用することとその
量を0.5〜2.5%と低くおさえ、(2)成形時の可
塑剤として多価アルコールおよびそのエーテル、エステ
ルとポリプロピレングリコール、ポリエチレンオキシド
の一種又は混合物を0.3〜3.0%添加すること、 (3)  滑剤としてワックスエマルジョン、ステアリ
ン酸エマルジョン、水溶性アクリル樹脂、およびマイク
ロクリスタラインの一種又は複数を0.5〜3.0%含
有すること、 を要旨とし前記問題点を解消するものである。
以下本発明の詳細な説明する。
本発明は複数の水溶性バインダーを用い、それぞれに結
合剤、可塑剤、離型性等の作用を発揮せしめ、極少のバ
インダー量で健全な成形体を得ること、並びに脱バイン
ダー速度を速くすることによって達成される。射出成形
法においては型内でマテリアルハンドリングが可能な強
度を有する強固な成形体を得ることがその基本となる。
このために結合剤が添加されるが、この際メチルセルロ
ースの種類を特定することが肝要である。すなわち、セ
ルロース中に含まれるグルコース残基中に3個のOH基
を有し、そのうち約2個が重量比で27.5−31.5
%の範囲でメトキシ基(−0CH3)で置換されたメチ
ルセルロースが重量比(混練体に対し)で0.5〜2.
5%の範囲で含有させる。この種のメチルセルロースは
ゲル化現象によって30℃以上で硬化現象を示し、これ
で熱硬化性樹脂と同様の手法で成形に利用できる。ゲル
化強度は重合度の高い(分子量が大きい)メチルセルロ
ースはど強くなるが、射出成形に用いる場合重合度が3
40以上(分子量で63,000)の品種を用いること
が好ましい。
添加量は成形体の肉厚、形状、原料粉末の諸元によって
異なるが、0.5%未満では結合力が不十分で3.0%
を越えると成形体強度は上がるが、脱バインダーが困難
となり、経済的にも意味がない。
メチルセルロースのみでは可塑性が不足で、これ以外に
可塑剤として、多価アルコールエーテル化合物のエステ
ル、プロピレン、グリコールおよびポリエチレンオキシ
ドの一種又は複数を重量比で0.5〜3.0%添加する
0代表的物質としては、グリセリン、プロピレングリコ
ール、ポリエチレングリコールが使用できる。0.5%
未満では可塑性が不十分で、3.0%を越えて添加して
も添加量に見合う可塑性の向上はなく不経済である。
この地温滑性の付与、離型性を得るために水溶性のワッ
クスエマルジョン、ステアリン酸エマルジョン、水溶性
アクリル樹脂、およびマイクロクリスタラインの一種又
は複数を0.5〜3.0%添加する。
金型温度を80〜120℃に加熱するため、金型中で急
激な水分の蒸発と飛散が発生する。コンパウンド(混練
体)の水分量が多いと成形体のクラックの発生を防止す
ることがむずかしく、可能な限り含水量を減少させるこ
とが必要になる。この意味でも潤滑剤の添加が必要で、
0.5%未満では効果がなく、3.0%を越えて添加し
ても脱バインダーが困難となり、かつ経済的ではない。
潤滑剤については多種類の物質が市販されており、その
内容が不明なものも多いが、水溶性のワックスエマルジ
ョン(中型油脂(株)、マクセロンA)、ステアリン酸
エマルジョン(中型油脂(株)、セロゾール)、アクリ
ル系樹脂(中型油脂(株)、マーボゾール)、マイクロ
クリスタライン(中型油脂(株)、マクセロンM)等が
使用できる。
また溶剤としての含水量は前述のごとく極力添加量を少
なくすることが好ましい。4.0%未満では成形に必要
な可塑性が全く得られず、12.0%を越えると粘調と
なって、成形体の強度が不足していること、ならびに成
形時のクラックが多発する。
これらのバインダーの選定以外に射出成形前のコンパウ
ンドの温度管理がきわめて重要である。
混線から射出成形機のノズル吐出に到るまでの温度を3
5℃以下とする必要がある。この温度以上ではメチルセ
ルロースのゲル化が進行し、均一な混練が不可能である
また、成形機内のシリンダ一部の温度も同様な意味で3
5℃以下とする必要がある。
成形用金型の温度は最低80℃は、成形体強度を上げる
ために必要で、120℃を越えると水分の蒸発が激しく
、成形体にクラックを発生させる。成形体の肉厚に応じ
て金型温度は適宜選定される。
使用する金属又は合金粉末の諸元は、成形性と脱脂性、
焼結性の3者を加味して決定される。焼結性の観点から
は粒径が微細なほど望ましいが、微細すぎると均一混線
が難しくなることおよび脱脂性が劣化する。好ましくは
5μ以上が望ましい。
また粗粒すざると可塑性が低下し、成形体に欠陥が発生
する。好ましくは30μ以下が望ましい。
Tap密度は成形体の形状が保持できることが限定条件
である6本願発明の有機バインダーの中で熱分解温度が
最も遅いのは、メチルセルロースで約500℃で熱分解
が完了する。この後ハンドリングできることも必要で4
0%以上のTap密度が必要である。
使用する粉末の硬さは本願発明では特に限定されない。
通常のプレス成形、CIP成形では成形性に原料粉末の
硬さが著しく影響し、成形前に焼鈍等の粉末の軟化処理
を必要とするが、本願手法ではこの工程を完全に除去で
きる。実施例の項で詳述するように工具鋼粉末の場合は
、焼結後のミクロ組織は軟化しない粉末の方が微細化で
きるという新しい知見を発見した。
また、水アトマイズされた工具鋼原料粉末の場合、水焼
入された状態にあり、硬さがI(v600以上の高硬度
を示す、5〜30μ粒径の粉末を得る場合にアトリッタ
ー等の粉砕機を用いて機械粉砕を行なうことが望ましい
。この場合水アトマイズ後焼なましによって軟化された
粉末では1機械粉砕によって粉末の形状がフレーク化す
る現象が生ずる。
フレーク化するとタップ密度が急激に低下するのみなら
ず、脱脂ワレ発生の原因となる。
工具鋼粉末のようにI(v600以上、通常I−Iシ8
00以上の粉末が機械粉砕で30μ以下に粉砕可能な新
しい知見を本願発明は開示した。
なお本願発明では、金属又は合金粉末に添加組成物とし
て、炭化物、窒化物、酸化物、硫化物等を添加する事例
において、添加粒子が水分を含む雰囲気下で所望する製
品特性を満足できないほど変質又は溶解現象を生じる添
加組成物を含む物品は製造できない。
この限定を除けば、通常粉末冶金法で焼結圧密化が実施
されている金属又は合金物品は本願発明の対象組成物と
なる。
好ましくは、Cを含む合金組成物が本願製造法に適する
ことを発明者等は発見した。Cを含有する合金組成物で
は、Cを粉末に添加するか、あるいは粉末中に存在する
合金元素としてのC1又はメチルセルロースの熱分解残
留物としてのCが真空焼結過程でCOガスを生成し、C
O+M○→CO□+M(注0Mは金属原子)の反応によ
って、金属酸化物を還元できる事例において、焼結体の
酸素含有量が低く、高密度焼結が可能なることを見出し
た。換言すれば、焼結温度以下でCOガスによる還元が
可能な金属酸化物を含んでも最終組成として許容できる
範囲で所望する組成の金属又は合金組成物を得ることが
できるものであれば良い。
Cを含有することを忌避する金属又は合金組成物の場合
、メチルセルロースの残留によって、焼結体に重量比で
0.1〜0.2%のCが残留する場合があるが、焼結後
の製品で、脱炭反応によってC含有量を0.05%以下
まで低減可能であり、かかる操作を用いれば、Cを含有
しない金属又は合金組成物についても本願発明は適用が
可能である。
更に有機バインダーからの残留Cを加炭剤として利用し
、最終製品のC含有量の調整を行なうことも可能である
その他生として耐摩耗性を付与するために、金属又は合
金組成物に、酸化物、炭化物、窒化物等が適宜添加され
る場合もあるが、既述の発明思想内であれば1本願発明
が適用できることは言うまでもない。
ま−金属、合金物品の原料粉末として構成元素の単独粉
末、予備合金粉末のいずれを使用するが、あるいはこれ
らの混合物を用いるかは、焼結性の問題であり、本願発
明で特定するものではない。
本願発明のバインダーの脱バインダー速度は雰囲気に影
響され、空気) H2) A r ′;真空>N2ガス
の順序となる。空気は最も速いが金属又は合金粉末の場
合、粉末の酸化を生じ焼結性が低下する。
所望する製品特性を損わない温度範囲では空気中脱バイ
ンダーが使用できるが、一般にはN2、Ar、真空、N
2ガス他の非酸化性又は還元性雰囲気が好ましい。
400℃を越えるとほぼバインダーは、完全に除去され
るので脱バインダ一温度の下限は400℃となる。脱バ
インダ一時に有害物質は発生しないので、焼結炉中の昇
温の過程で脱バインダーを行なっても差支えない。
昇温速度は成形体の肉厚によっても適宜変動させる必要
があるが、10mm肉厚材で100’C/llr程度の
昇温か可能である。
〔実施例〕
以下に実施例について本願発明の効果を示す。
(i) 実施例1 市販のカーボニル鉄粉(平均粒径6μ)に重量比でメチ
ルセルロース1.7%(信越化学課5M4000)とグ
リセリン0.8%、ワックスエマルジョン(マクセロン
A) 1.0%、ステアリン酸エマルジョン(セロゾー
ル)0.7%、水を11%添加し、ヘンシェルミキサー
を用いて常温で30分間混練した。該コンパウンドをス
クリュ一方式の射出成形機を用いて、1゜φX 100
 Qの金型で成形圧1100kg/a&の圧力で成形し
た。金型温度は90℃とし、注入後40secで成形体
を抽出した。このグリーンを真空中で100℃/1】r
の速度で昇温し、500℃に1時間保持後炉冷した。
その後10’ Torrの真空中で1300℃X IH
rの焼結を行なった。焼結後の密度比は93%で酸素含
有量は、3500ppmであった。焼結体よりリング状
試験片を削出後、 Wet Il、中で31)rの磁気
焼鈍を施し最大透磁率μm、残留磁化Br、抗磁率II
Cを測定した。μmは2100. Br 11600(
にG)、 )ic 3.3(Oe)の結果が得られ、軟
磁性材料として十分な磁気特性を有する結果が得られた
比較例1 実施例1と同じ原料粉末を用いメチルセルロースとして
メトキシ基が27〜29%、ヒドロキシプロオキシ基、
が4〜7.5%を含むバインダーを使用した以外はまっ
たく同一条件で射出成形を行なった。成形後40sec
で成形体の抽出を試みたが、軟弱で変形した。最高3分
まで金型中で保持後抽出を試みたが、成形体が十分に硬
化せず、原形状では抽出不可能であった。
ここで実施例1で使用したメチルセルロースは、セルロ
ース中に含まれるグルコース残基中に3個の○H基を有
し、そのうち約2個が重量比で27.5〜31.5%の
範囲でメトキシ基(−0CH,)で置換されたもので、
ヒドロキシプロオキシ基は含まないタイプのメチルセル
ロースである。
比較例2 実施例1と使用したメチルセルロースの種類が異なる(
信越化学課5M25)以外は全く同一の条件で射出成形
を実施した。実施例2と同じく最高2分の全型内保持で
も成形体の硬化が十分でなく、原形状での抽出は不可能
であった。
比較例2で使用した5M25は実施例1のメチルセルロ
ースと同じく、ヒドロキシプロオキシ基は含有しないタ
イプのものであるが、ゲル化後の強度が弱いタイプで、
2%水溶液で80℃で10分ゲル化させた場合の強度が
100 g /ciである。これに対し、実施例1の5
M4000は400 g /a#の強度を有する。
比較例3 市販の水アトマイズ鉄粉の平均粒径75μの粉末を用い
た以外は実施例1と全く同じ条件で射出成形テストを実
施した。成形圧1100kg/aJではノズルより混練
体が濡出せず、1500kg/a(で一部濡出したが、
金型に完全には充填できなかった。
実施例2 比較例3のアトマイズ鉄粉をボールミルにかけ平均粒径
40μまで粉砕後、実施例1と全く同一条件で射出成形
テストを実施した。成形、抽出に問題なく100℃/1
1rの速度で昇氾し、500℃に1時間保持後炉冷した
。その後1O−3TOrrの真空中で1300°CX1
llrの焼結を行なった。焼結密度比は91%で酸素含
有量は5700ppmであった。磁気焼鈍後のμmは1
900、Brは10000(KG)、He 3.5(O
e)の結果が得られた。
(ii) 実施例3 重量比でC1,51%、 Cr 4.02%、W 10
.5%、Moo、5%、■5.1%、Co 5.1%残
部鉄および不可避的不純物を含むAl5IT15相当の
高速度鋼の予備合金水アトマイズ粉末を作成した。該粉
末をアトライターで平均粒径17μまで粉砕した。この
時02含有量は5500ppmであった。該粉末に脱酸
剤としてCO,5%、バインダーとして5M4000を
2%、グリセリン1%、アクリル系樹脂(マーボゾール
)1.5%、マイクロクリスタライン1.0%、および
水11%を添加し、ヘンシェルミキサーを用いて混練し
、10φX 100 Qの金型に成形圧700.kg/
afで成形した(°金型温度は90″であった)。本成
形体を真空焼結炉中で500℃まで150℃/l(rの
速度で昇温後、300℃/Hrの速度で1240℃まで
加熱し、11(r保持後炉冷した。焼結体の密度比は1
00%で酸素含有量は23ppmであった。同材料を1
240℃に加熱後油冷し、560°Cで1.HrX3回
焼結処理を行ない抗折力を測定した。
硬さはI(RC67,1で抗折力430kgハfi2が
得られた。
この値は通常溶製法によるAl5IT15相当材の同一
熱処理条件下で硬さHRC66,8、抗折力280kg
/mm”対比きわめて優れている。
(in) 実施例4 重量比で03.1%、Si 0.41%、Cr3.91
%、Wlo、3%、 Mo 12.12%、77.2%
、 Co 9.74%残部鉄および不可避的不純物を含
む予備合金化された水アトマイズ粉末を作成した。該粉
末にCを0.3%と粒径1.2μのTiNを6%添加し
、アトライターで粉砕した。この粉末にメチルセルロー
ス(3M4000)を2.8%、ポリエチレングリコー
ル(PEG)を1.2%、ワックスエマルジョン(マク
セロンA) 1.5%、マイクロクリスタライン0.5
%、および水10.5%を添加し、ヘンシェルミキサー
を用いて混練した。後続工程は実施例6と同一の方法で
成形し、真空炉 中で75℃/Hrで500℃まで昇温
し、200℃/Hrで1200℃まで昇温後1時間保持
し、炉冷した。焼結後の密度比は99.8%で酸素含有
量は73ppmであった。同試料を1200℃で油冷後
560℃で111rX3回焼結処理を行ない゛抗折力を
測定した。HRC72,2の硬さで203kg/nm2
の抗折力が得られた。
〔発明の効果〕
本発明によれば、射出成形を適用した高精度で複雑形状
を有する金属又は合金物品を得ることができるため、工
業的に有用な製造法である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 金属又は合金粉末を有機バインダーと混合・混練後
    、射出成形法によって所望する最終製品の形状と相似形
    の成形体を形成後、有機バインダーを除去し、焼結法に
    よって高密度体を得る金属又は合金物品の製造方法にお
    いて、使用する有機バインダーが、 i)粘結剤としてメチルセルロースの一種類であり、セ
    ルロース中に含まれるグルコース残基中に3個のOH基
    を有し、そのうち約2個が重量比で27.5〜31.5
    %の範囲でメトキシ基(−OCH_3)で置換されたメ
    チルセルロースが重量比(混練体に対し、以下同じ)で
    0.5〜2.5%、 ii)可塑剤として多価アルコールおよびそのエーテル
    、エステル、プロピレングリコール、およびポリエチレ
    ンオキシドの一種又は複数を重量比で0.5〜3.0%
    、 iii)滑剤、離型剤としてワックスエマルジョン、ス
    テアリン酸エマルジョン、水溶性アクリル樹脂、および
    マイクロクリスタラインの一種又は複数を重量比で0.
    5〜3.0%、 iv)溶剤として水を重量比で4.0〜12.0%から
    構成されることを特徴とする金属又は合金物品の製造方
    法。 2 射出成形前の混練体の温度が35℃以下であり、か
    つ射出成形時の金型内温度を80〜120℃の範囲に制
    御する特許請求の範囲第1項記載の金属又は合金物品の
    製造方法。 3 合金物品の組成が重量比でC0.4〜3.0%、C
    r2.0〜12.0%、W+2Mo8.0〜35.0%
    、V0.5〜10.0%、Co15%以下、残部Feお
    よび不可避的不純物よりなる鉄基合金工具材料である特
    許請求の範囲第1項又は第2項記載の金属又は合金物品
    の製造方法。 4 原料粉末が水アトマイズされた合金粉末であり、水
    アトマイズままで硬さがHν600以上の状態で焼なま
    し処理をせずに30μ以下に粉砕されている特許請求の
    範囲第3項記載の金属又は合金物品の製造方法。 5 合金物品が高速度工具鋼の切削工具であり、焼結ま
    まの状態で実質的に真密度である特許請求の範囲第3項
    記載の金属又は合金物品の製造方法。 6 射出成形後の成形体を真空、H_2又は不活性ガス
    中で有機バインダーを熱分解で除去後、残留するカーボ
    ンを加炭剤として使用し、所望する最終組成の合金物品
    のC含有量を調整する特許請求の範囲第1〜第5項のい
    ずれかに記載の金属又は合金物品の製造方法。 7 焼結後96%以上の製品に熱間静水圧処理を施すこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の金属又は合
    金物品の製造方法。
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