JPH02194104A - 金属粉末成形焼結用バインダーと同バインダーを使用した焼結体の製造法 - 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〕 本発明は、金属粉の成形焼結体製造用バインダーとその
バインダーと金属粉を混練し、これを射出成形した後、
脱バインダーを行い、しかる後焼結することにより製品
を得る金属粉末射出成形焼結法に関する。

〔従来の技術〕

このような射出成形焼結法は、アトマイズ粉やカーボニ
ル鉄およびニッケル粉、酸化物粉を水素還元して得られ
た高融点金属粉から、人工関節のような生体材料部品、
タービンブレードのような航空機部品、バルブ、タイプ
ライタのインクヘッドなど高緻密化された焼結体を得る
のに好適な製造法であることは広く知られている。

そして、粉体粉末冶金協会昭和６２年度春期大会におけ
る「金属粉を射出成形するに際しての焼結緻密化を支配
する因子について」の発表には、かかる射出成形焼結に
おける緻密化の要因が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、Ｔｌ５Ｍ０１Ｗのような比較的高融点の金属
に射出成形を適用するに際しては、高融点のため出発金
属粉の球状化が難しく、成形しにくい、脱バインダー時
に型崩れし易い、バインダー中の炭素や酸素等と粉末が
反応して炭化物や酸化物を形成しやすいなどの原因で、
その適用に困難があり、充分な射出成形による緻密化の
効果が得られていないのが実情である。

本発明において解決すべき課題は、かかる高融点金属粉
末を射出成形に適用するに当たっての上記問題を解決し
て、高融点金属粉末の射出成形による緻密化の効果を導
き出す条件を見出すことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ等の金属粉の成形に際して、
バインダーとしてアクリル系樹脂を主成分とする有機バ
インダーを用いることによって上記の課題を解決した。

〔作用〕

バインダーの主成分であるアクリル樹脂は金属粉末の主
結合剤として機能し、金属粉末の射出成形時の流動性を
確保するとともＫ、脱バインダー処理時の気散性が良く
、焼結時に緻密性を阻害することはない。

このアクリル樹脂には成形体の保形のための金型との離
型性を良くするためにパラフィンワックスを配合し、ま
た、かかるワックスを配合したとき、ワックス類とアク
リル樹脂とを結合するためのアククチツクポリプロピレ
ン（ＡＰＰ）を配合する。これによって、脱バインダー
性を阻害することなく、射出成形時の金属粉末と分離す
ることなく、均一に緻密化した成形体を得ることができ
る。

また、このバインダーの金属粉末中への配合量と脱バイ
ンダーの条件は使用する金属粉の態様、配合したバイン
ダーの組成によって異なるが、その成形性と脱バインダ
ーの点から一般的に金属粉１００重量部に対して、５〜
２０重量部が好ましい。

さらＫ、上記金属粉には、元素周期律表のＩＡ族（Ｌｉ
、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）、ＩＩＡ族（Ｍｇ、　Ｃａ、
　Ｓｒ、　Ｂａ）　、ＩＩＩＡ族（Ｓｃ、Ｙ、ランタノ
イド、アクチノイド）、ＩＶＡ族（Ｔｉ、Ｚｒ。

Ｈｆ）、ＶＡ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、Ｃｒ、Ｎｉ。

Ｃｕ、Ｐｂの各元素から選ばれた１種または２種以上の
水素化物を有効成分として含有せしめることによって、
脱バインダー時、あるいは焼結時に金属水素化物から発
生した水素によって鎖状に結合した高分子の分解が一層
進行することとなって、脱バインダーが促進される。

このうち、とくに好ましいのは、Ｉ［［Ａ族（Ｓｃ。

Ｙ、ランタノイド、アクチノイド）、ＩＶ／！族（Ｔ　
ｉ。

Ｚｒ、Ｈｆ）　、ＶＡ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）　、Ｎｉの
１種または２種以上のものの金属水素化物である。

金型から取り出した中間製品を構成するバインダーを取
り除くため、加熱によって脱バインダーを行う。脱バイ
ンダーは、酸化雰囲気中で、例えば空気中で、２００〜
３００℃に加熱して行う。

本願発明で用いるバインダーは、加熱によりモノマーと
なりやすいアクリル系樹脂を主成分としているので、脱
バインダーが効果的に推進されるのである。脱バインダ
ーが終了した段階で、外観形状に変わりはないが気孔率
は２０〜３０％となっている。

さらＫ、脱バインダーを酸素雰囲気中で行うとともＫ、
前記焼結時の加熱をサーマルサイクルにて行うことが好
ましい。

前記金属粉とバインダーとを混練する工程を不活性ガス
雰囲気中で行うと一層好ましいものとなる。

この後、真空中または不活性ガス雰囲気中で焼結を行う
。金属水素化物の種類によっては、焼結工程で水素を発
生するものもあり、その場合、発生する水素により残留
しているバインダーの分解が促進される。

なお、この場合、一定の温度範囲を上下させるサーマル
サイクル方式の加熱を行うと、焼結密度が高まり、機械
的強度が高くなる他、焼結温度を低くできるなど、利点
が多い。この焼結工程により前述の中間製品は体積が収
縮し、実質的に最終製品の形状であるネットパシエイブ
のものが得られる。

金属粉末中に金属水素化物を配合することによって、脱
バインダー温度で同化合物が分解されて水素が発生し、
この水素が有機バインダーと反応して、加熱による有機
バインダーの分解を一層促進させることとなる。

成形の後処理として、さらに高い寸法精度を要求される
製品については仕上げ加工を施してもよいし、製品の使
用目的によっては着色などの表面処理を行うこともでき
る。

〔実施例〕

実施例　１ 平均粒子径４．１μｍ、タップ密度２７％のＭ。

粉末１００重量部Ｋ、第−工業製の特殊アクリル樹脂（
Ｇ７０３６）　：イーストマンコダック社製へＰＰ：ワ
ックスを２：１：１の割合で含有するバインダー７．７
重量部を混合して、ラボブラストミルを用いて熱間混練
した。キャピラリーフローテスターを用いて流動性を評
価した。第１図はせん断速度と粘性の関係を示す。同図
から、両者の対数間に直線関係が認められ、良好な成形
性を有していることが判った。

この混合物は、安定な混合特性と流動特性を示した。

これを、ノズル温度１４０℃、射出圧力６６０ｋｇ　／
　ｃａｔの条件で射出成形をした６Ｘ６Ｘ８０　（鮒）
の大きさを有する試料片を得た。その流動特性は、ビン
ガム流動の特性を有するもので射出成形には問題はなか
った。

また、比較のためＫ、ＰＰ（ポリプロピレン）−ＡＰＰ
−ワックスからなるバインダーを使用したところ、混練
および射出成形は問題なくできたが、脱バインダー時に
成形体に変形、フクレ等が発生して射出成形に適してい
ないものであった。

さらＫ、上記のバインダーを使用して得た射出成形体に
第１表のＡ−Ｃに示す３種の脱バインダー処理を施した
。各処理後の状態を同表の右欄に示す。

さらＫ、上記Ａの条件下で脱バインダーした成形体を水
素気流中、１７００℃Ｘ１９時間焼結した。

これによって、９３〜９３．５％の相対密度、それぞれ
４６と２２４９９ｍのｃ、ｏ、１度を有する焼結体が得
られた。その焼結体の圧縮特性は第２図の通りであり、
変形量が７０％まで破壊することがなく、型プレス焼結
ＭＯのそれと同等の特性を有していることが判った。

第１表 実施例　２ 第２の実施例は、本発明をＴｉ　　に適用した例を示す
が、Ｔｉ　の場合、その焼結性からとくに８重量％以下
のＦｅ粉末を含有させておくのが望ましい。

平均粒径３０μｍのＴｉ　粉末９５重量部と平均粒径５
μｍのカーボニルＦｅ粉末５重量部をミキサーを用いて
混合し、この混合粉末１００重量部に対して、アクリル
：ＡＰＰ：ワックス：　ＤＢＰの割合が重量比で８．０
　　：４．０　　：４．０　　：１．５で含有するバイ
ンダー１７．５重量部を混合して、ラボブラストミルを
用いて熱間混練し、実施例１と同様の条件で射出成形を
行った。この混練物は射出成形には全く支障のないもの
で、均一な成形体を得た。

−脱バインダーは大気中で略２００℃に加熱して２０％
の有機物を除き、さらに真空中で４００℃まで昇温しで
残りのバインダーを分解除去するとともに予備焼結を行
って取扱い可能な強度とした。

その後、ｉ　ｔ＋−’　ｔｏｒｒ　（７）真空下で１３
００℃テ焼結した。

Ｆｅ粉末を添加配合することによって焼結が促進され、
相対密度９７％以上の焼結体を得ることができた。さら
Ｋ、焼結体の強度は上記の２段の脱バインダーを適用す
ることによって焼結体の曲げ強度は約２倍になることが
判った。また、圧縮強度、強度変形量共２段の脱バイン
ダーを適用することによって大幅に向上した。

また、従来のＴｉ　焼結体にはＴｉＣの微粒子が観察さ
れたが、２段の処理を行うことによって、はぼ完全な脱
バインダーが可能になり、炭素は残存せず本発明の焼結
体にはＴｉＣの存在は認められなかった。

実施例　３ 原料として、チタン水素化物を６０容量％、有機バイン
ダーを４０容量％の割合の配合とした。

このときのチタン水素化物の粒径は約３０μｍであった
。他方、バインダーは、上記４０容量％のうちわけとし
て下記の組成のものを用いた。

単位：容量％ ・第−工業製の特殊アクリル樹脂（Ｇ７０３６）　　２
０・イーストマンコダック社のＡＰＰ　樹脂　　　１０
・ワックス　　　　　　　　　　　　　　　　１０混練
はプラストミルを用いて、毎分５０回転の回転速度で回
転しながら１００〜１５０℃の温度で加熱を行った。こ
の混練物を造粒機を用いてペレット状に造粒し、ついで
射出成形によりグＩＪ　−ンを作成した。

このグリーンを熱風循環式加熱炉で３００℃に毎時１０
℃の昇温速度で加熱し、到達後冷却した。

この段階で約８５％のバインダーが消失していた。

脱バインダー処理を行った後、真空中で１０００℃に加
熱焼結した。

この焼結により、バインダーはほぼ全量消失するととも
Ｋ、充填度が９５〜・９８％という良好な焼結体が得ら
れた。

実施例　４ 原料中のバインダーとして、下記組成のものを用いた点
が異なる他、実験例１と同様である実験を行った。

単位：容量％ ・三洋化成製のアクリル樹脂（ＣＢ−１）　　　　２０
・ポリスチレン　　　　　　　　　　　　　１０・ワッ
クス　　　　　　　　　　　　　　　　１０このように
して作成した焼結体についても実験例１と同様に良好な
焼結体が得られた。

実施例　５ 原料中の有機バインダーとして、下記組成のものを用い
た点が異なる他、実施例３と同様である実験を行った。

単位：容量％ ・第−工業製の特殊アクリル樹脂（Ｇ７０３６）　　２
０・トーソー性ＢＶＡ　樹脂（口ＩＥ６３３）　　　　
　　　　１０（エチレン酢酸ビニル樹脂） ・ワックス　　　　　　　　　　　　　　　　１０この
ようにして作成した焼結体についても実施例３と同様に
良好な焼結体が得られた。

実施例　６ 焼結を８００℃を中心としてその上下１０口ないし２０
０℃の温度範囲に繰り返し加熱冷却する、いわゆるサー
マルサイクル方式で行った。サーマルサイクルは、到達
温度で５〜１０分保持するようにして温度の上昇、下降
を５〜６回実施した。

その他の条件は実施例３と同様である。

この場合は、焼結温度が低いにもかかわらず、実験例１
の場合よりも一層高い充填度（９８〜９９％）のものが
得られ、機械的性質に優れていた。

〔発明の効果〕

本発明によって以下の効果を奏する。

（１）金属粉末との馴染み流動性が改善され、また脱バ
インダーも残留炭素を多く残すことなく比較的簡単に行
うことができる。

（２）　　Ｍｏ　ＳＷ、　Ｔｉ　等の金属への射出成形
焼結が実質的に可能となり、高密度の複雑な形状の焼結
体を得ることができる。

（３）本発明によって得られた焼結体は高緻密性を有し
、とくに圧縮強度に優れたものである。

【図面の簡単な説明】

添付図は本発明をＭｏ粉末に適用した例を示すもので、
第１図は混練物の成形性を示し、第２図は焼結体の圧縮
特性を示す図である。 特許出願人　日本タングステン株式会社代　　理　　人
　　小　　堀　　　益 ３　憾 一四Ｒ Σ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アクリル系樹脂を主成分とする有機バインダーから
   なる金属粉末成形焼結用バインダー。 ２、請求項１の記載において、アクリル樹脂を主成分と
   する有機バインダーがワックス類と、アクリル樹脂とワ
   ックス類との分離防止剤を含有してなる金属粉末成形焼
   結用バインダー。 ３、金属粉とバインダーとを混練し、これを射出成形し
   た後、脱バインダーを行い、しかる後焼結することによ
   り製品を得る金属粉末射出成形焼結法において、前記バ
   インダーとしてアクリル系樹脂を主成分とする有機バイ
   ンダーを用いる金属粉末射出成形焼結法。 ４、請求項３の記載において、前記脱バインダーを酸素
   雰囲気中で行うとともに、前記焼結時の加熱をサーマル
   サイクルにて行う金属粉末射出成形焼結法。 ５、請求項３の記載において、金属粉がＭｏ粉末であっ
   て、Ｍｏ粉末１００重量部にアクリル樹脂を主体とする
   バインダーを５〜１０重量部配合した混練物を射出成形
   した後、大気中で加熱して脱バインダー処理したのち、
   水素気流中で焼結することを特徴とする金属粉末射出成
   形焼結法。 ６、請求項３の記載において、金属粉がＴｉ粉末単体ま
   たはＴｉ粉末と８重量％以下のＦｅ粉末との混合粉末で
   あって、同混合粉末１００重量部にアクリル樹脂を主体
   とするバインダーを１５〜２０重量部配合した混練物を
   射出成形した後、大気中で加熱して部分的に脱バインダ
   ーし、次いで、真空中で５００℃程度に加熱したのち、
   真空中で焼結することを特徴とする金属粉末射出成形焼
   結法。 ７、請求項３の記載において、金属粉が元素周期律表の
   I Ａ族（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）、IIＡ族（Ｍ
   ｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、IIIＡ族（Ｓｃ、Ｙ、ランタ
   ノイド、アクチノイド）、IVＡ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）
   、ＶＡ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｂ
   の各元素から選ばれた１種または２種以上の水素化物を
   有効成分として含有せしめる金属粉末射出成形焼結法。