JPH0153326B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 発明の目的 (1) 産業上の利用分野 本発明は、金属製基体上への金属焼結層の形成
方法に関する。

(2) 従来の技術 従来、この種金属焼結層を形成する場合、自溶
性合金粉と合成樹脂バインダとを混練した可塑性
物を前前記基体上に貼着し、次いで可塑性物に成
形加工を施して成形層を得、その後成形層中の合
成樹脂バインダを熱分解すると共に残置された自
溶性合金粉の粉末層を焼結する、といつた手法が
採用されている。

(3) 発明が解決しようとする問題点 前記形成方法においては、可塑性物より成形層
を成形するので、所定の形状を持つ成形層を容易
に得ることができる反面、焼結前に殆どの合成樹
脂バインダを熱分解により除去しておかないと、
その残留ガスが金属焼結層を腐食して金属焼結層
の品質に悪影響を及ぼす。また粉末層をいきなり
焼結温度に昇温すると気孔率のばらつきが多くな
り均一な気孔率を有する金属焼結層を形成するこ
とができなくなる。さらに焼結強度を向上させる
ためには、自溶性合金の固相線直下から液相線を
越える温度で粉末層を焼結することが必要である
が、このような高温下においては自溶性合金が流
動して金属焼結層の形状維持性および寸法精度が
低下する。その上、基体に対する金属焼結層の剥
離強さを向上させるためには、種々の処理段階に
おいて適切な温度制御が必要となる。また焼結後
金属焼結層の冷却条件によつてはそれにクラツク
等の欠陥が発生することになる。

本発明は上記に鑑み、金属製基体上へ、腐食、
クラツク等の欠陥がなく、また焼結強度および剥
離強さが高く、さらに形状維持性および寸法精度
が良好で均一な気孔率を有する金属焼結層を形成
することのできる前記形成方法を提供することを
目的とする。

Ｂ 発明の構成 (1) 問題点を解決するための手段 本発明は、金属製基体上へ金属焼結層を形成す
るに当り、自溶性合金粉、高融点金属粉および合
成樹脂バインダを混練した可塑性物を前記金属製
基体上に貼着する工程と、前記可塑性物に成形加
工を施して成形を得る工程と、前記成形層を600
〜650℃に保持することにより前記合成樹脂バイ
ンダを熱分解して前記自溶性合金粉と高融点金属
粉よりなる粉末層を残置する工程と、前記粉末層
を900〜1000℃に保持して仮金属焼結層を得る工
程と、前記仮金属焼結層を1100〜1200℃に保持し
て前記金属焼結層を得る工程と1100〜1200℃から
800℃まで最高２℃／分冷却速度で前記金属焼結
層を１次冷却する工程と、800℃から400℃まで最
高３℃／分の冷却速度で前記金属焼結層を２次冷
却する工程と、400℃から常温まで前記金属焼結
層を３次冷却する工程とを用いることを特徴とす
る。

(2) 作用 焼結前に、成形層を前記温度に保持することに
より殆んどの合成樹脂バインダを熱分解により除
去することができる。また粉末層を前記温度に保
持して仮焼結することにより気孔率のばらつきを
防止して均一な気孔率を有し、クラツク等の欠陥
のない金属焼結層を形成することができる。さら
に自溶性合金粉に高融点金属粉を混合することに
より、自溶性合金粉の固相線直下から液相線を超
える温度で粉末層を焼結しても金属焼結層の形状
維持性および寸法精度を良好にすることができ、
また焼結強度および剥離強さの高い金属焼結層を
形成することができる。さらにまた前記冷却条件
にて、金属焼結層におけるクラツク等の欠陥の発
生を防止することができる。

(3) 実施例 第１図は、プレス用金型１を示し、その金型１
は、金属製基体としての金型本体１ｏと、それと
一体化された金属焼結層Ｓよりなるワーク成形部
１ａとにより構成され、その金型１は以下に述べ
る手法により製造される。

可塑性物の製造 自溶性合金粉としてのNi自溶性合金粉80部
と、高融点金属粉としてのMo粉砕粉20部とを
Ｖ−ブレンダにより十分に混合して混合粉を得
る。

四フツ化エチレン樹脂エマルジヨンとアクリ
ル樹脂エマルジヨンを１：１に混合して合成樹
脂バインダを得る。

上記混合粉100部に対し合成樹脂バインダ３
部を添加して卓上ニーダにより十分に混練し、
この混練物を100〜150℃に加熱して合成樹脂バ
インダ中の水分を蒸発させる。得られた混練物
の性状は、合成樹脂バインダにより粘結されて
無数の団塊状を呈する。

上記混練物を80〜100℃に加熱してロール棋
に複数回通しシート状可塑性物を得る。この場
合、ロール機のロールを混練物と同程度に加熱
するシート成形作業が容易に行われる。得られ
たシート状可塑性物は常温において適度な可撓
性と引裂き強度を有する。

プレス用金型の製造 第２図ａに示すように、金型本体１ｏは鋳鉄
（JIS FC30材）より鋳造されたもので、そのワ
ーク成形部１ａを形成するベース面２は完成さ
れた金型１におけるワーク成形部１ａ外面（鎖
線示）よりも５〜30mm低くなるように成形され
ている。金型本体１ｏは鋳放しのまま使用され
るもので、その黒皮を持つベース面２には清掃
後アクリル樹脂接着剤を塗布する。

第２図ｂに示すように、ベース面２にシート
状可塑性物Ｐを貼着する。この場合、所定厚さ
を得るためにはシート状可塑性物Ｐを積層す
る。また金型本体１ｏを80〜100℃に加熱して
おくと、前記シート状可塑性物Ｐ貼着作業が容
易に行われる。

第２図ｃに示すように、可塑性物Ｐを模型Ｍ
により押圧してワーク成形部１ａに対応する成
形層を成形する。

第２図ｄに示すように、金型本体１ｏに囲い
３を取付けて成形層、したがつて可塑性物Ｐの
周りを囲み、また可塑性物Ｐの、表面をセラミ
ツク粉で覆い、その上に直径0.75mmの鋼球４を
載せてバツクアツプを行う。このバツクアツプ
は鋼球４の重さにより後述するNi自溶性合金
−Mo粉末の焼結時金属焼結層Ｓの寸法変化、
即ち、膨脹を抑制するものである。

次いで、上記金型本体１ｏを真空焼結炉５に
設置して第３図に示す加熱−冷却条件で合成樹
脂バインダの分解と金属粉末の焼結を行う。キ
ヤリヤガスは窒素ガスまたは還元性の強い水素
ガスが用いられる。

(A) 第１加熱ゾーン（第３図Ａ） この加熱ゾーンＡは常温から650℃までで
あり、昇温速度は10〜20℃／分である。この
加熱ゾーンＡでは先ず水分が蒸発し、次いで
合成樹脂バインダ中の四フツ化エチレン樹脂
およびアクリル樹脂が分解してガス化する。
これら合成樹脂は300〜400℃でガス化する
が、熱伝導を考慮して600〜650℃に90分間均
熱保持して殆んどの合成樹脂を除去し、Ni
自溶性合金−Mo粉末層を残置する。この合
成樹脂のガス化を真空焼結炉５の真空度の変
化により説明すると、常温では1Torrである
が、650℃で90分間均熱保持したときは最高
2Torrに真空度が低下する。これは主として
合成樹脂の分解ガスの生成による。そして90
分を経過した後は真空度は再び1Torrに上昇
するもので、これは真空焼結炉５内より分解
ガスが除去されたことを意味する。

(B) 第２加熱ゾーン（第３図Ｂ） この加熱ゾーンＢは900〜1000℃の範囲で
あり、Ni自溶性合金−Mo粉末層をNi自溶性
合金の固相線（1010〜1020℃）以下の温度、
例えば950℃に30分間均熱保持して固相焼結
処理を施し、これを仮焼結する。第１加熱ゾ
ーンＡからの昇温速度は10〜20℃／分であ
る。

真空焼結炉５内のNi自溶性合金ｒ−Mo粉
末層は、その表面から、加熱されて昇温する
ので、粉末層全体が均一温度に達するまでは
所定の加熱時間が必要がである。若し焼結温
度1100〜1200℃にいきなり加熱するとNi自
溶性合金ｒ−Mo粉末層の表面部分とベース
面２に接する部分および心部間に温度差がで
きて、気孔率のばらつきが多くなり均一な気
孔率を有する金属焼結層Ｓが得られないだけ
でなく、焼結後クラツク等の欠陥を生じ易く
なる。

第２加熱ゾーンＢでは未分解の微量合成樹
脂が完全にガス化して除去される。このガス
化等により真空焼結炉５内の真空度は一時点
に4Torrに低下するが30分経過後には1Torr
に復帰する。

(C) 第３加熱ゾーン（第３図Ｃ） この加熱ゾーンＣは、Ni自溶性合金の固
相線（1010〜1020℃）直下から液相線（1075
〜1085℃）を越える温度、即ち、1100〜1200
℃の範囲であり、Ni自溶性合金−Mo仮金属
焼結層を、例えば液相線を越える温度である
1100〜1180℃、好ましくは1120℃に120分間
恒温保持してNi自溶性合金の溶融により液
相焼結処理を施し金属焼結層Ｓを形成する。
この場合Ni自溶性合金の流動はMoの存在に
より妨げられ、したがつて形状繊維持性が良
い。

第２加熱ゾーンＢからの昇温速度は15〜20
℃／分であり、Ni自溶性合金−Mo仮金属焼
結層は第２加熱ゾーンＢで既に高温加熱され
ているので、第３加熱ゾーンＣまでの昇温時
間は僅かである。この第３加熱ゾーンＣの保
持時間が不充分であると焼結が完全に行われ
ず、金属焼結層Ｓに欠陥を生ずる。

上記のように焼結温度を1120℃に選定する
理由は、その温度が鋳鉄よりなる金型本体１
ｏの共晶温度以下であるからである。金型本
体１ｏが鋳鋼等の鋼系であれば焼結温度1160
℃が良い。その理由は焼結温度が1200℃程度
となると、金属焼結層Ｓの寸法変化が大きく
なり、また炉温制御が容易でなく、その上炉
内温度がばらつくといつた不具合があり、こ
れらの不具合を除去するための作業温度とし
ては1160℃が適当であるからである。

(D) 冷却ゾーン（第３図Ｄ） この冷却ゾーンＤは、前記焼結温度から略
800℃までの１次冷却ゾーンD₁と、略800℃
から略400℃までの２次冷却ゾーンD₂と、略
400℃から常温までの３次冷却ゾーンD₃とに
分けられる。

１次冷却ゾーンD₁は、金属焼結層Ｓの高
温下における安定域であり、この冷却ゾーン
D₁ではできるだけ熱的な刺激を避け、同時
に冷却効率を考慮して最高２℃／分程度のゆ
つくりした速度で冷却する。この冷却ゾーン
D₁で急冷が行われると金属焼結層Ｓにクラ
ツクが多発する。これは、１次冷却ゾーン
D₁では金属焼結層Ｓの線膨脹係数が14.6×
10^-6／℃であり、一方、金型本体１ｏの線膨
脹係数12.5×10^-6／℃であることに起因す
る。

２次冷却ゾーンD₂では、金型本体１ｏの
線膨脹（線膨脹係数11.0×10^-6／℃）とAr₁
変態における寸法変化を吸収し、また金属焼
結層Ｓの急冷を避けるために最高３℃／分程
度のゆつくりした速度で冷却する。この２次
冷却ゾーンD₂では、金属焼結層Ｓの線膨脹
係数は11.0×10^-6／℃であり、金型本体１ｏ
のそれに近似している。たゞし、この冷却ゾ
ーンD₂で急冷が行われると金属焼結層Ｓに
クラツクが多発する。

３次冷却ゾーンD₃では、水、油等の液冷
以外のガス冷却（空冷を含む）により金属焼
結層Ｓおよび金型本体１ｏの温度を常温まで
冷却する。

かくしてワーク成形部１ａを、Ni自溶性
合金−Moよりなる金属焼結層Ｓによつて形
成されたプレス用金型１が得られる。

金属焼結層Ｓは、金型本体１ｏとの溶着性
が良好、したがつて剥離強さが高く均一な気
孔率（略40％）有し、クラツク、腐食等の欠
陥の発生がなく、また寸法変化も±０〜＋２
mm以内と精度が良く、形状維持性も良好であ
り、焼結強度も高い。したがつて簡単な仕上
げ加工を施すことより直ちにプレス作業に使
用することができる。

第４〜第６図は、前記プレス用金型１の製
造に当り、第１〜第３加熱ゾーンＡ〜Ｃにお
ける加熱温度を変化させた場合の、その加熱
温度と、金属焼結層Ｓの剥離強さおよび気孔
率との関係を示す。

第４図は第１加熱ゾーンＡに該当し、線
x₁，x₂間の斜線部分が剥離強さを、また線ｙ
は気孔率をそれぞれ示す。このときの第２加
熱ゾーンＢにおける加熱温度は950℃に、ま
た第３加熱ゾーンＣにおける加熱温度は1120
℃にそれぞれ設定された。冷却処理におい
て、１次冷却ゾーンD₁では冷却速度２℃／
分、２次冷却ゾーンD₂冷却速度３℃／分、
３次冷却ゾーンD₃ではガス冷却を適用した。

第４図より、第１加熱ゾーンＡにおける加
熱温度を600〜650℃に設定することによつ
て、金属焼結層Ｓの気孔率が略40％と一定に
なり、また剥離強さが高く、そのばらつきも
小さくなることが判る。

たゞし、第１加熱ゾーンＡにおいて、成形
層の加熱温度が600℃未満では、成形層中の
水分および合成樹脂バインダの除去に長時間
を要するため生産性が悪く、一方、650℃を
上回ると、ガス化が急速に進行して金属焼結
層Ｓの表面に微小凹部が発生し、また気孔率
が高くなり、さらに剥離強さが低く、そのば
らつきも大きくなる。

第５図は第２加熱ゾーンＢに該当し、線
x₁，x₂間の斜線部分は剥離強さを、また線ｙ
は気孔率をそれぞれ示す。このときの、第１
加熱ゾーンＡにおける加熱温度は650℃に、
また第３加熱ゾーンＣにおける加熱温度は
1120℃それぞれ設定された。冷却処理の条件
は前記と同じである。

第５図より、第２加熱ゾーンＢにおける加
熱温度を900〜1000℃に設定することによつ
て、金属焼結層Ｓの気孔率が略40％と一定に
なり、また剥離強さが高く、そのばらつきも
小さくなることが判る。

たゞし、第２加熱ゾーンＢにおいて、粉末
層の加熱温度が900℃未満では、粉末層を仮
焼結するための均熱処理に長時間を要するの
で、生産性が悪化し、また金属焼結層Ｓにク
ラツクの発生が見られる。一方、1000℃を上
回ると、金属焼結層Ｓの気孔率が高くなり、
また剥離強さのばらつきも大きくなる。

第６図は第３加熱ゾーンＣに該当し、線ｘ
は剥離強さを、また線ｙは気孔率をそれぞれ
示す。このときの、第１加熱ゾーンＡにおけ
る加熱温度は650℃に、また第２加熱ゾーン
Ｂにおける加熱温度は950℃にそれぞれ設定
された。冷却処理の条件は前記と同じであ
る。

第６図より、第３加熱ゾーンＣにおける加
熱温度を1100〜1200℃に設定することによつ
て金属焼結層Ｓの気孔率が略40％と一定にな
り、また剥離強さが高くなることが判る。

たゞし、第３加熱ゾーンＣにおいて、仮金
属焼結層の加熱温度が1100℃未満では金属焼
結層Ｓの焼結強度が低くなり、一方、1200℃
を上回ると、金属焼結層Ｓに割れが発生する
等形状のくずれが大きくなる。

冷却処理において、各ゾーンD₁〜D₃の条
件は、金属焼結層Ｓにクラツクを発生させな
いための必須要件であつて、冷却速度が前記
速度よりも速まると、金型本体１ｏの線膨脹
率との関係から金属焼結層Ｓにクラツクが発
生する。

金属焼結層Ｓの表面硬度はロツクウエル硬
さＢスケールにおいて20程度であり、この程
度の硬度を持てば通常のプレス作業では何等
問題を生じないが、作業内容によつては金属
焼結層Ｓに高圧が作用することがあり、この
場合金属焼結層Ｓが多孔質であるため座屈す
るおそれがある。

このような不具合に対処するためには金属
焼結層Ｓの高圧作用部分にCu、Ni自溶性合
金等の低融点金属を溶浸させる、またはエポ
キシ樹脂等の合成樹脂を含浸−硬化させて気
孔を埋め、金属焼結層Ｓの硬度を著しく高く
して座屈強度を向上させることが必要であ
る。

自溶性合金粉としては、前記Ni自溶性合
金粉の外にCo自溶性合金、Fe自溶性合金等
を用いることができる。また高融点金属粉と
しては自溶性合金が溶着し易いものが良く、
前記Moの外にＷ、WC、ステンレス鋼等を
用いることができる。

なお、本発明は金型の製造に限らず、他の
部材の製造にも当然に適用される。

Ｃ 発明の効果 本発明によれば、焼結前に成形層を600℃〜650
℃に保持することにより殆どの合成樹脂バインダ
を熱分解により除去して残留ガスによる金属焼結
層の腐食といつた不具合を回避することができ
る。

また粉末層を900〜1000℃に保持して仮焼結す
ることにより気孔率のばらつきを防止して均一な
気孔率を有し、クラツク等の欠陥のない金属焼結
層を形成することができる。

さらに自溶性合金粉に高融点金属粉を混合する
ことにより、自溶性合金の固相線直下から液相線
を越える1100〜1200℃の温度で焼結しても金属焼
結層の形状維持性および寸法精度を良好にするこ
とができ、また焼結強度および剥離強さの高い金
属焼結層を形成することができる。

さらにまた冷却工程を前記のように１次〜３次
に分けることにより、金属焼結層におけるクラツ
ク等の欠陥の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図
はプレス用金型の断面図、第２図ａ乃至ｄは金型
の製造工程説明図、第３図は焼結工程における温
度と時間の関係を示すグラフ、第４〜第６図は各
加熱ゾーンにおける加熱温度と金属焼結層の剥離
強さおよび金属焼結層の気孔率との関係を示すグ
ラフである。 Ｐ……可塑性物、Ｓ……金属焼結層、１……プ
レス用金型、１ｏ……金型本体（金属製基体）、
１ａ……ワーク成形部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属製基体上へ金属焼結層を形成するに当
   り、自溶性合金粉、高融点金属粉および合成樹脂
   バインダを混練した可塑性物を前記金属製基体上
   に貼着する工程と、前記可塑性物に成形加工を施
   して成形層を得る工程と、前記成形層を600〜650
   ℃に保持することにより前記合成樹脂バインダを
   熱分解して前記自溶性合金粉と高融点金属粉より
   なる粉末層を残置する工程と、前記粉末層を900
   〜1000℃に保持して仮金属焼結層を得る工程と、
   前記仮金属焼結層を1100〜1200℃に保持して前記
   金属焼結層を得る工程と、1100〜1200℃から800
   ℃まで最高２℃／分の冷却速度で前記金属焼結層
   を１次冷却する工程と、800℃から400℃まで最高
   ３℃／分の冷却速度で前記金属焼結層を２次冷却
   する工程と、400℃から常温まで前記金属焼結層
   を３次冷却する工程とを用いることを特徴とす
   る、金属製基体上への金属焼結層の形成方法。