JPH04224604A

JPH04224604A - 金属粉末またはセラミック粉末から部品を製作する方法

Info

Publication number: JPH04224604A
Application number: JP3049892A
Authority: JP
Inventors: Heinrich Feichtinger; ハインリッヒ・フアイヒテインゲル
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 1992-08-13
Also published as: US5217664A; EP0446665A1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料またはセラミ
ック材料から複雑な部品を製作する方法に関する。この
場合、出発材料としては粉末が使用される。収縮の観点
から、焼結と高温静水圧のプレスが問題である。

【０００２】本発明は、比較的に複雑な型によって部品
を製造するための粉末冶金的製作方法を、発展、改善お
よび簡単化することに係わる。この場合、焼結時の収縮
の問題が重要となる。適用分野は特にタービン装置の部
品の範囲である。

【０００３】本発明は狭い意味では、さらさらした粉末
または粉末混合物から出発して、ガス流によって搬送さ
れた粉末を、低い圧力下にあるネガティブの型の内壁に
投げつけることにより、および予備圧縮された成形体を
焼結することにより、充填した成形体を生じることによ
り、金属粉末またはセラミック粉末から成形体を作るこ
とによって、部品を製作するための方法に関する。

【０００４】

【従来の技術】冶金工業およびセラミック工業の多くの
製作方法の場合、粉末から出発している。粉末冶金の方
法は、実際に任意の形状を得ることができるという利点
がある。高い加工コストを部分的にまたは全面的に節約
できるようにするために、部品を粉末冶金で完成部品と
して作る計画がある。部品の正味の形状またはほぼ正味
の形状を得るための公知の方法はすべて、結合剤を使用
して、溶媒内に粉末を沈澱（スリップ、ペースト）させ
ることから出発している。粉末混合物の添加物として次
のものが使用される。 −　　水＋結合剤＋添加剤（スリップ鋳込み、冷凍乾燥
）−　　水＋セルロース〔リバース（Ｒｉｖｅｒｓ）プ
ロセスによる金属−粉末−射出成形（ＭＩＭ）〕 −　　熱可塑性物質（金属−粉末−射出成形）このすべ
ての湿式機械方法の場合には、質、形状の自由度、再生
産可能性および組成の選択について、多くの難点がある
。 −　　粉末と結合剤および溶媒に混合する際に、気泡を
発生する。 −　　部品の壁厚が制限される（例えばＭＩＭの場合最
大５〜１０ｍｍ）。なぜなら、結合剤をもはや完全に除
去できないからである。 −　　結合剤残渣（例えば炭素）が発生する。この残渣
は結合剤の燃焼の後でも部品内にとどまり、その組成に
悪影響を与える。 −　　異なる形状およびまたは組成の部品を移行すると
きに、結合剤を新たに選択／新たに開発する必要がある
。

【０００５】金属射出成形（ＭＩＭ）の場合には、突き
固められる金属粉末からなる混合物が、射出成形技術に
対応する適当な熱可塑性物質と共に、型に鋳込まれる。金属射出成形の方法の要約は金属ハンドブックの章に記
載されている。

【０００６】この技術の特別な問題は一方では、一般的
に、粉末冶金学において普通の粉末よりも微細な粉末を
使用しなければならないことにある。他方では、固有の
結合剤をコストのかかるプロセスによって本来の焼結プ
ロセスから遠ざけなければならないことにある。これは
プロセスのコストをかなり増大させる。

【０００７】鋳造技術によって、真空成形方法が知られ
ている。この成形方法は、耐火性の粒状型材料、通常は
珪砂から鋳型を製造するために役立つ。シートで囲んだ
、結合剤を含まない砂の堆積体から空気を排気するため
に、この堆積体に負圧が生じる。それによって、外側に
作用するガス雰囲気の圧縮圧力が、シートを介して、砂
堆積体に加えられる。それによって生じる粒子間の押圧
応力が、粒子相互の運動を阻止する。それによって、く
ずれる堆積体から、機械的な抵抗力がある、所定の形の
物体が生じる。

【０００８】続けて焼結を行う成形体を製作する場合に
は、成形体のあらゆる個所で、粉末層が均一であること
が重要である。なぜなら、局部的な収縮量、ひいては形
状精度が局部的な見掛け密度の関数であるからである。

【０００９】粉末冶金学の分野から方法が知られている
。この場合、金属粉末の混合物は、液化された有機的な
相で、射出成形法に従って、型に射出される。充填工程
の後で、同じ厚さの緻密な連結体が生じる。本来の焼結
プロセスを行う前に、有機的な結合剤を除去しなければ
ならない。

【００１０】他の方法では、ほぼ乾燥した粉末が真空の
下で型に充填される。この工程は例えば、適当な振動工
程または揺動工程によって補助することができる。勿論
、粉末の摩擦抵抗のために、形状を複雑にすることには
限りがあり、また粉末の異なる粒部分が粉末運動の影響
によって、特に振動の作用によって分離し、不均質な焼
結体が生じる危険がある。

【００１１】例えば成形体を一方法で製作する場合には
、さらさらした成形材料が搬送ガスによって流動化され
、これにより負圧状態の型の内室に達する。型は所定の
個所に、搬送ガス排出用の吸い出し開口を含んでいる。この方法の重要な点は、吸い出し口の最適な採寸および
配置、あるいは吹き込みプロセスと吸い出しプロセスの
最適な時間的経過である。なぜなら、幾何学的な配置と
時間的な経過が、均一な厚さを有する成形体を得るため
に重要であるからである。流動化した粉末が型の内室に
侵入するときに、ガスが膨張し、それによって粉末粒子
が加速され、型の壁に突き当たることになる。型の壁が
大部分ガスを透過しないので、粒子の運動エネルギーよ
ってのみ壁がコーティングされる。排気通路の早すぎる
閉塞を、この方向に飛ぶ粉末によって回避するために、
特別な手段を講じなければならない。

【００１２】技術水準として次の刊行物が挙げられる。 −　　英国特許出願第２０８８４１４号明細書。 −　　ヨーロッパ特許出願第０１９１４０９号明細書。 −　　ドイツ連邦共和国特許第３１０１２３６号明細書
。 −　　ドイツ連邦共和国特許第３１２８３４７号明細書
。 −　　ドイツ連邦共和国特許第３１２８３４８号明細書
。 −　　ドイツ連邦共和国特許第３５４２３３２号明細書
。 −　　Ｒ．Ｂｉｌｌｅｔ著、”　塑性金属：　射出成形
Ｐ／Ｍ　材料についてのフィクションから真実まで（Ｆ
ｒｏｍ　Ｆｉｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｒｅａｌｉｔｙ　ｗｉ
ｔｈ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｅｄ　Ｐ／Ｍ　Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓ）”Ｐａｒｍａｔｅｃｈ　Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ　，　Ｓａｎ　Ｒａｆａｅｌ　，　Ｃａｌ
ｉｆｏｒｎｉａ　，　Ｐ／Ｍ−８２ｉｎ　Ｅｕｒｏｐｅ
ｉｎｔ．　ＰＭ−Ｃｏｎｆ．　Ｆｌｏｒｅｎｃｅ　Ｉ　
１９８２　。 −　　Ｇｏｅｒａｎ　Ｓｊｏｅｂｅｒｇ　著、“粉末鋳
造および金属射出成形（Ｐｏｗｄｅｒ　Ｃａｓｔｉｎｇ
　ａｎｄＭｅｔａｌ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｕｌｄ
ｉｎｇ　）”Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ　ｓｕｂｍｉｔｔｅ
ｄ　ｔｏ　Ｍｅｔａｌ　ＰｏｗｄｅｒＲｅｐｏｒｔ　１
９８７　年９　月。 −　　Ｈｅｎｒｙ　Ｈ．　Ｈａｕｓｎｅｒ著　”金属粉
末のスリップ鋳造（Ｓｌｉｐ　Ｃａｓｔｉｎｇ　ｏｆ　
Ｍｅｔａｌ　Ｐｏｗｄｅｒｓ　）”　　、ｉｎ　”Ｐｅ
ｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ　　ｉｎ　　Ｐｏｗｄｅｒ　　Ｍ
ｅｔａｌｌｕｒｇｙ　”　Ｈａｕｓｎｅｒ　ｅｔ　ａｌ
．　Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ　１９６７。

【００１３】この公知の方法は改めるべき点がある。従
って、粉末冶金／粉末セラミック的な製作方法の改良と
開発が要求されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の根底をなす課
題は、さらさらした金属粉末またはセラミック粉末から
出発し、比較的に複雑な形状をしていて横断面形状が任
意で、壁厚が制限されない部品を製作することができる
方法を提供することである。その際、未加工品のために
、他の加工のために充分な強度を得るようにしなければ
ならない。この方法は再現可能な製作結果をもたらし、
このようにして製作された物はもはや加工しなくてもよ
いかまたは少しだけ加工すればよい。粉末加工の場合、
気泡や不所望な有害残渣を回避すべきである。方法は、
製作すべき部品の形状や組成の選択に関して、最大の自
由度および普遍性を保証すべきである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この課題は冒頭に述べた
方法において、粉末がガスを通過させる型に入れられ、
型がセラミック粒の堆積体からなり、このセラミック粒
が、ほぼ有機的に形成された結合剤の少ない成分によっ
て結合され、それによって型が、室温と、成形体を形成
する粉末の焼結温度のすぐ下の温度との間の範囲におい
て、成形体を支えるための大きな機械的強度を有し、成
形体が焼結プロセスの開始によってその形状を保証する
充分な固有安定性を達成する温度範囲内で、結合剤がそ
の強度、ひいてはその支持作用を失い、上記の温度範囲
内でかつ炉雰囲気の酸化または還元作用の影響を受けて
、結合剤が部分的にまたは全部蒸発およびまたは燃焼す
ることにより、結合剤がその強度や支持作用を失うこと
によって解決される。

【００１６】要約すると次の通りである。

【００１７】本発明は、さらさらした粉末からなる成形
体を製作するためのものであり、粉末は型に入れた後で
、結合剤相によって未加工品強度を得て、離型し、焼結
プロセスに供給できるようにするかまたはこの型内で焼
結プロセスを受けさせる。この場合、型は成形体の後方
支持部材としての働きをし、温度の影響を受けて成形体
と決して反応しないかまたは焼結終了後、成形体の表面
から取り外し可能であなければならない。その際、成形
体を形成している粉末は金属粉末でも、セラミック粉末
でも合成樹脂粉末でもよい。しかも、この成分の少なく
とも二つの混合物でもよい。

【００１８】

【実施例】図に示した実施例に基づいて本発明を詳しく
説明する。

【００１９】図１は、球状の粉末粒子の理想化した鋳込
み（六角形の密な球状充填）の（ガス流の流れ方向に見
た）概略正面図である。１は理想化した球状の粉末粒子
であり、密に鋳込まれている（簡単化するために球とし
て示した）。２は隣の粉末粒子の間の開放孔状の空間（
ガス流のための流路）である。

【００２０】図２は型の壁での球状の粉末粒子の理想化
した鋳込み（六角形の密な球状充填）の（ガス流の流れ
方向に対して垂直に見た）断面図である。参照符号１，
２は図１の参照符号と一致している。３は型の内壁に垂
直に飛ぶ粉末粒子である。４は粉末堆積体表面に対して
水力なガス流である。５は多孔性（開放孔）型のガス通
過壁を示す。

【００２１】本発明による方法の場合には、型の壁５全
体がガスを透過する多孔性の材料からなっている。この
場合、孔は、少なくとも型の内面の範囲において、最も
小さな大きさの粉末粒子の侵入を阻止するような孔直径
を有する。負圧を受けていて外部から負圧で付勢される
通気性の型の内面全体が、ガスを運ぶために供されるの
で、流動化した粉末（粒子）は原理的には型のあらゆる
個所に達することができる。この場合、均一な成層工程
は、次のようにして自動的に制御される。すなわち、粉
末を多く成層する壁５の個所が大きな流れ抵抗を生じ、
それによって流動化した粉末が、薄い層厚さ、ひいては
遅い流速を生じる壁５の個所に導かれるように制御され
る。成形体が流動化したガス／粉末相によって、壁５か
ら中心へ層状に形成されることにより、非常に密な充填
が可能である。なぜなら、個々に発生する粉末粒子が密
な結合部に達せず、それによってその残余可動性を邪魔
せず、ある程度の側方の移動自由度を有するからである
。

【００２２】この過程は空気動力学的現象によって補助
される。この現象は図１において流れ方向に、そして図
２において流れ方向に対して垂直方向に概略的に示して
ある。この図示は簡単化のために、同じ大きさの球の形
をした粒子１によって示してある。しかし、そのときの
観察は、異なる大きさの球の鋳込み、または理想の球形
状と異なる物体の鋳込みにおいても可能である。ガス流
れが最も密な球充填物を通過すると、開放孔の空間２の
表面のところでガス流が鋳込み部内に達する。そこでは
３個の球が互いに当接している。この流路には、速度が
高く圧力が低下した個所がある。一方、球のすぐ手前に
は、速度の低い個所（よどみ点）がある。他の球（粉末
粒子３）がこのような鋳込み部の方へ飛ぶと、この鋳込
み部に当たるすぐ前に、この流路の方へ案内され、従っ
て最も密な充填部に相当する個所に達する。球がこの位
置にあると、流れの邪魔になる。すなわち、他の球が一
緒に影響を受ける流れの場によってその近くに配置され
る。この作用は、鋳込み部が垂直に貫流するときにのみ
発生する。この鋳込み部は通気性の壁５によって後方を
支持される。この壁がガス出口を少しだけしか備えてい
ない場合には、この作用はガスを通過しない型のすべて
の個所で発生しない。本発明による方法の場合、壁５の
内面全体が流動化ガスの搬送のために供されるという事
実により、壁５の範囲において、粉末粒子がゆっくり流
れる。なぜなら、この流れが大きな面に分布し、それに
よって衝突時に少ないエネルギーが発生するからである
。それによって、粒と壁５がやさしく扱われる。

【００２３】図３は、型に充填する前の時点の、方法を
実施するための装置の縦断面図である。６は加工すべき
さらさらした粉末（金属、セラミック、合成樹脂）であ
る。この粉末は方法の開始時には、貯蔵容器７内にある
。８は粉末６の流動化のために必要な搬送ガスの供給の
ためのガス供給管である。貯蔵容器７は下側が粉末６用
の遮断機構としての破裂フォイル９によって閉鎖されて
いる。この破裂フォイルはシール１１を介して負圧容器
１０に接続されている。この容器は吸込み管を備えてい
る。この吸込み管は真空ポンプに接続された図示してい
ない真空ポンプに接続されている。容器１０内には、分
割されたまたは分割されていない通気性の型１３が設け
られている。この型はセラミック材料と有機結合剤から
なっている。１４は型１３の中空室（内室）である。

【００２４】図４は、方法を実施するための装置の、型
の充填中の状態を示す縦断面図である。参照符号６〜１
４と１７は、図３の参照符号と基本的に同じである。破
裂シート（フォイル）９は破れた状態が示してある。こ
の場合、破裂シートは型１３の中空室１４の方への粉末
の通路を開放する。１５は流動化された粉末によって形
成された、中空室１４内の粉末噴流（粉末雲）である。４は粉末表面に対して垂直で、型１３の壁を通過するガ
ス流を示している。１８は型１４の内壁に投げつけられ
、動的に固められた粉末層である。この粉末層は型１４
の形状や流れ状態に応じて、異なる厚さを有する。

【００２５】本発明の要旨は、複雑な部品の粉末冶金学
的／粉末セラミック的製作のための、ガスが通過する多
孔性の型のための材料として、合成物質（アミノ樹脂、
フェノール樹脂、フラン樹脂、水ガラス、合成樹脂）を
ベースとした有機結合剤によって接触個所を結合したセ
ラミックの粒が使用されることにある。熱処理（乾燥、
分解、ガスの排出、焼結）のために必要な温度上昇が、
粉末粒子からなる、部品や型の材料と反対方向に作用す
る。形状変更に対する強度と抵抗は、工作物の場合には
、局部的な接着や軟化によっておよび焼結によって増大
する。一方、工具の場合には、破壊、化学的変更、溶融
、結合剤の蒸発によって同じ量だけ減少する。それによ
って、臨界の温度範囲では、工作物の形状が保証され、
それにもかかわらず、その運動能力は収縮時にほとんど
影響を受けない。

【００２６】本発明は図に示した例に限定されない。

【００２７】さらさらした金属粉末またはセラミック粉
末６から出発して、ガス流４によって搬送された粉末６
を、低い圧力下にある型１３の内壁に投げつけることよ
り、および予備圧縮された成形体を焼結することにより
、成形体を作ることによって部品を製作するための方法
において、粉末がガスを通過させる型１３に入れられ、
型がセラミック粒の堆積体からなり、このセラミック粒
が、ほぼ有機的に形成された結合剤の少ない成分によっ
て結合され、それによって型１３が、室温と、成形体を
形成する粉末の焼結温度のすぐ下の温度との間の範囲に
おいて、成形体を支えるための大きな機械的強度を有し
、成形体が焼結プロセスの開始によってその形状を保証
する充分な固有安定性を達成する温度範囲内で、結合剤
がその強度、ひいてはその支持作用を失い、上記の温度
範囲内でかつ炉雰囲気の酸化または還元作用の影響を受
けて、結合剤が部分的にまたは全部蒸発およびまたは燃
焼することにより、結合剤がその強度や支持作用を失う
。その際、型用の材料は、合成樹脂結合剤と共に圧縮不
可能な砂混合物のグループから選択して、有機結合剤と
共に石英およびまたはジルコン珪酸塩をベースとした鋳
型砂からなっている。

【００２８】有機結合剤は、アミノ樹脂、フェノール樹
脂またはフラン樹脂のグループから選択された合成樹脂
である。特に、砂が、フェノール樹脂／ノバレイク（Ｎ
ｏｖａｌａｋｅ）　のグループから選択された結合剤に
よって温かくまたは高温状態に取り囲まれている。

【００２９】有機結合剤が水ガラスと合成樹脂からなり
、一次硬化が炭酸によるガス処理を介して行われ、最終
硬化が合成樹脂の熱硬化によって行われると有利である
。

【００３０】方法の特別な実施形では、型の材料が粒状
のフリットと有機結合剤からなり、このフリットが高温
で有機結合の弱まる間フリット化し、続いて密着焼結さ
れる。

【００３１】合成樹脂によって冷間で覆われた、温かい
状態で覆われたまたは高温でおおわれた砂が使用される
。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の方法と装置
は、さらさらした金属粉末またはセラミック粉末から、
比較的に複雑な形状をしていて横断面形状が任意で、壁
厚が制限されない部品を製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】球状の粉末粒子の理想化した鋳込み（六角形の
密な球状充填）の（ガス流の流れ方向に見た）概略正面
図である。

【図２】型の壁での球状の粉末粒子の理想化した鋳込み
（六角形の密な球状充填）の（ガス流の流れ方向に対し
て垂直に見た）断面図である。

【図３】型の充填の前の時点の、方法を実施するための
装置の縦断面図である。

【図４】型充填中の、方法を実施するための装置の縦断
面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　粉末粒子２　　　　　　　　　　粉末粒子の間の開放孔の空間３
　　　　　　　　　　粉末粒子４　　　　　　　　　　ガス流５　　　　　　　　　　通気性壁６　　　　　　　　　　粉末７　　　　　　　　　　貯蔵容器８　　　　　　　　　　ガス供給管９　　　　　　　　　　破裂フォイル１０　　　　　　　　　　負圧容器１１　　　　　　　　　　シール１２　　　　　　　　　　吸込み管１３　　　　　　　　　　通気性型１４　　　　　　　　　　型の中空室１５　　　　　　　　　　粉末噴流１６　　　　　　　　　　粉末層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　さらさらした金属粉末またはセラミッ
ク粉末（６）から出発して、ガス流（４）によって搬送
された粉末（６）を、低い圧力下にある型（１３）の内
壁に投げつけることより、および予備圧縮された成形体
を焼結することにより、成形体を作ることによって部品
を製作するための方法において、粉末がガスを通過させ
る型（１３）に入れられ、型がセラミック粒の堆積体か
らなり、このセラミック粒が、ほぼ有機的に形成された
結合剤の少ない成分によって結合され、それによって型
（１３）が、室温と、成形体を形成する粉末の焼結温度
のすぐ下の温度との間の範囲において、成形体を支える
ための大きな機械的強度を有し、成形体が焼結プロセス
の開始によってその形状を保証する充分な固有安定性を
達成する温度範囲内で、結合剤がその強度、ひいてはそ
の支持作用を失い、上記の温度範囲内でかつ炉雰囲気の
酸化または還元作用の影響を受けて、結合剤が部分的に
または全部蒸発およびまたは燃焼することにより、結合
剤がその強度や支持作用を失うことを特徴とする方法。
【請求項２】　　型用の材料が、合成樹脂結合剤と共に
圧縮不可能な砂混合物のグループから選択して、有機結
合剤と共に石英およびまたはジルコン珪酸塩をベースと
した鋳型砂からなっている請求項１の方法。
【請求項３】　　有機結合剤が、アミノ樹脂、フェノー
ル樹脂またはフラン樹脂のグループから選択された合成
樹脂であることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項４】　　砂が、フェノール樹脂／ノバレイク（
Ｎｏｖａｌａｋｅ）　のグループから選択された結合剤
によって温かくまたは高温状態に取り囲まれていること
を特徴とする請求項３の方法。
【請求項５】　　有機結合剤が水ガラスと合成樹脂から
なり、一次硬化が炭酸によるガス処理を介して行われ、
最終硬化が合成樹脂の熱硬化によって行われることを特
徴とする請求項１の方法。
【請求項６】　　型の材料が粒状のフリットと有機結合
剤からなり、このフリットが高温で有機結合の弱まる間
フリット化し、続いて密着焼結されることを特徴とする
請求項１の方法。
【請求項７】　　合成樹脂によって冷間で覆われた、温
かく覆われたまたは高温でおおわれた砂が使用されるこ
とを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つの方法。