JPH0873901A - 焼結用原料組成物及びこの組成物を用いた焼結品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 種々な粒子形状の還元鉄粉に適用して射出成
形に適した流動性を確保することができ、かつ脱バイン
ダのための熱処理時間を短縮することが可能であると共
に、機械的特性の優れた焼結品を得ることができ、ひい
てはコスト低減をも図ることができること。 【構成】 焼結用原料組成物が、ポリスチレン１〜２重
量％、アクリル樹脂１〜２重量％、ポリエチレン０．５
〜１重量％、パラフィン１．５〜２．５重量％、ステア
リン酸０．５〜１重量％、及び残部が還元鉄粉からなる
こと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は射出成形に適した焼結用
原料組成物及びこの組成物を用いた射出成形による焼結
品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複雑な三次元立体形状を有する金
属成形品を製造するには、機械加工が適用されてきた
が、近年では、プラスチックの射出成形技術を適用した
粉末焼結成形が、金属加工と比較して作業性が良好であ
り、しかも大量生産が可能であることから、一般に注目
を浴びている。

【０００３】この射出成形による焼結品の製造方法は、
鉄などの金属微粉末からなる原料粉末と、バインダ（結
合材）との混合物を加熱して混練体となし、これを射出
成形機から所定の金型中へ射出することにより予備成形
体を得た後、この予備成形体を原料粉末の融点以下の温
度で加熱することにより脱バインダ処理し、次いでこの
脱バインダ成形体を高温で焼結処理することにより、脱
バインダした後の空隙を埋めて、金型と相似形状を有す
る収縮した粉末焼結成形品を製造する方法である。

【０００４】しかしながらこの製造方法においては、従
来からアトマイズ法やカルボニル法により得られた球状
あるいはそれに近い形状を有する鉄粉が成形素材として
用いられていたが、これらの方法による鉄粉の製造は、
生産能力が低く、コストが高いことから、大量生産には
適さないという欠点があった。

【０００５】そこで、低コストで得られる不規則形状の
鉄粉を成形素材として用い、かつ特定のバインダを使用
することによって、焼結品を高い量産性のもとに製造す
る技術として、急冷高炭素鉄を粉砕し脱炭処理を施し
た微細鉄粉と、パラフィン、ワックスおよびポリエチレ
ンからなるバインダとの混練物を射出成形し、脱バイン
ダ処理と焼結処理の間に水素還元処理を施す方法（特開
平２−２７０９０２号公報）、および還元鉄粉とカル
ボニル鉄粉の混合物からなる原料粉末と、エチレン／酢
酸ビニル共重合体、低密度ポリエチレン、メタクリル酸
エステル共重合体、ジブチルフタレートまたはステアリ
ン酸およびパラフィン・ワックからなるバインダとの混
練物を射出成形し、脱バインダ処理および焼結処理する
方法（特開昭５９−２２９４０３号公報）などが提案さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
法では、脱バインダ処理に４０時間近くもの長時間を必
要とし、さらに水素還元処理工程を必要とするばかり
か、得られた焼結成形品はその相対密度が９２％程度と
低く、機械的特性が劣るという課題を有している。

【０００７】また、上記法では、原料粉末が還元鉄粉
だけではなく、高価なカルボニル鉄粉を含むことから、
コストアップとなり、しかも得られた焼結成形品はその
相対密度が８７％程度と低く、上記法と同様に機械的
特性が劣るという課題を有している。

【０００８】本発明は、前記した課題を解決すべくなさ
れたものであり、その目的は、様々な粒子形状の還元鉄
粉に適用して射出成形に適した流動性を確保することが
でき、かつ脱バインダのための熱処理時間を短縮するこ
とが可能であると共に、機械的特性の優れた焼結品を得
ることができ、ひいてはコスト低減をも図るとができる
焼結用原料組成物及び焼結品の製造方法を提供するにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ため、請求項１記載の発明は、焼結用原料組成物が、ポ
リスチレン１〜２重量％、アクリル樹脂１〜２重量％、
ポリエチレン０．５〜１重量％、パラフィン１．５〜
２．５重量％、ステアリン酸０．５〜１重量％、及び残
部が還元鉄粉からなることを特徴としている。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の焼
結用原料組成物であって、前記還元鉄粉が、平均粒径
６．０〜１１．０μｍ及び比表面積０．３０〜０．８０
ｍ² ／ｇであることを特徴としている。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の焼結用原料組成物であって、前記還元鉄粉が黒鉛を
含有していることを特徴としている。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、焼結品の製
造方法が、ポリスチレン１〜２重量％、アクリル樹脂１
〜２重量％、ポリエチレン０．５〜１重量％、パラフィ
ン１．５〜２．５重量％、ステアリン酸０．５〜１重量
％、及び残部が還元鉄粉からなる焼結用原料組成物を、
所定の金型中に射出成形して予備成形体となし、次いで
この予備成形体を前記還元鉄粉の融点以下の温度で加熱
することにより脱バインダ処理した後、この脱バインダ
成形体を焼結処理することを特徴としている。

【００１３】さらに請求項５記載の発明は、請求項４記
載の焼結品の製造方法であって、射出成形後、金型のス
プールランナ内に残留する前記焼結用原料組成物を再使
用することを特徴としている。

【００１４】

【作用】請求項１乃至５記載の発明は前記した構成にな
っているので次の作用を奏する。

【００１５】請求項１記載の発明に係る焼結用原料組成
物は、バインダ成分としてのポリスチレン、アクリル樹
脂、ポリエチレン、パラフィン、及びステアリン酸と、
還元鉄粉との混練物として構成されており、各バインダ
成分は以下に示す作用を奏するため適量が添加されてい
る。

【００１６】すなわち、ポリスチレンは、焼結品の強度
確保及び射出成形時の流動性保持のため１重量％以上
で、かつ焼結時の脱バインダ処理時間の短縮及び焼結品
の膨れ防止のため２重量％以下添加される。

【００１７】アクリル樹脂は、アクリル酸エステル共重
合体またはメタクリル酸エステル共重合体の使用が望ま
しく、射出成形時の流動性保持のため１重量％以上で、
かつ焼結品の膨れ防止及びコスト低減のため２重量％以
下添加される。

【００１８】ポリエチレンは、低密度ポリエチレンの使
用が望ましく、射出成形時の流動性保持及び樹脂成分と
ワックス成分の分離防止のため０．５重量％以上で、か
つ焼結時の脱バインダ処理時間の短縮及び焼結品の膨れ
防止のため１．０重量％以下添加される。

【００１９】またパラフィンは、射出成形時の流動性保
持、原料再使用時の粘性安定のため１．５重量％以上
で、かつ焼結品の膨れ防止のため２．５重量％以下添加
される。

【００２０】さらにステアリン酸は、射出成形時の流動
性保持と原料再使用時の粘性安定のため０．５重量％以
上で、かつ焼結品の膨れ防止のため１．０重量％以下添
加される。

【００２１】また、還元鉄粉は、酸化鉄を加熱還元し粉
砕したものを脱炭精製し、その後焼鈍により得られたも
のであり、各種形状の還元鉄粉を用いることができる。

【００２２】請求項２記載の発明は、平均粒径６．０〜
１１．０μｍ、及び比表面積０．３０〜０．８０ｍ² ／
ｇの還元鉄粉が用いられているので、比表面積の増大に
よる射出成形時の高粘度化及び粒子径の増大による焼結
品の機械的特性の低下を避けることができる。

【００２３】請求項３記載の発明は、還元鉄粉が黒鉛を
含有しているので、焼入れにより硬度の向上を図ること
ができる。

【００２４】また、請求項４記載の発明に係る焼結品の
製造方法は、焼結用原料組成物を、所定の金型中に射出
成形して予備成形体となし、次いでこの予備成形体を還
元鉄粉の融点以下の温度で加熱することにより脱バイン
ダ処理した後、この脱バインダ成形体を焼結処理して焼
結品を得ることができる。

【００２５】すなわち、まず還元鉄粉と、バインダ成分
としてのポリスチレン、アクリル樹脂、ポリエチレン、
パラフィン、及びステアリン酸を所定の比率で混合し、
加圧型ニーダなどにより、バインダ成分の融点以上の温
度で溶融混練し、次いで粉砕、造粒の工程を経て、ポリ
スチレン１〜２重量％、アクリル樹脂１〜２重量％、ポ
リエチレン０．５〜１重量％、パラフィン１．５〜２．
５重量％、ステアリン酸０．５〜１重量％、及び残部が
還元鉄粉からなる焼結用原料組成物を得る。

【００２６】次に、この焼結用原料組成物を射出成形機
に供し、所定の成形金型中に射出成形することにより、
予備成形体を得る。

【００２７】この射出成形における成形条件としては、
成形温度が１５０〜２５０℃、とくに１７０〜２１０
℃、射出圧力が２００〜１９００Ｋｇ／ｃｍ² 、とくに
５５０〜１５００Ｋｇ／ｃｍ² の条件が採用される。

【００２８】成形温度が１５０℃以下ではバインダ組成
物の粘性が高く、２５０℃以上ではパラフィン成分の蒸
発が激しく粘性が高くなるため好ましくない。

【００２９】また、射出圧力が２００Ｋｇ／ｃｍ² 以下
では予備成形体の均一性が得がたく、１９００Ｋｇ／ｃ
ｍ² 以上では予備成形体が割れる恐れがあるため好まし
くない。

【００３０】なお、中空部分を有する複雑形状の射出成
形品を得る場合には、金型内に中空部形成用の所定形状
の中子を配置すればよく、この中子としては、射出成形
温度では軟化せず、かつ脱バインダ処理温度では溶融
し、しかも予備成形体に含まれる材質とは反応を起こす
ことがない材質、たとえば熱硬化性樹脂により形成され
ることが望ましい。

【００３１】このように射出成形され、金型から離脱さ
れた予備成形体は、次いで脱バインダ槽に送られ脱バイ
ンダ処理されるが、この脱バインダ処理条件は、窒素な
どの非酸化性雰囲気下において、４００〜８００℃、と
くに４５０〜７００℃の温度、好ましくは約５００℃の
温度まで徐々に昇温する条件にて、１０〜４０時間加熱
することにより行われる。

【００３２】脱バインダ処理温度が４００℃以下ではバ
インダ成分の除去が完全にできず、８００℃以上では処
理中窒素雰囲気であるため高温になると成形体が窒化す
る恐れがあるため好ましくない。

【００３３】脱バインダ処理時間が１０時間以下では処
理温度と同様にバインダ成分の除去が完全にできず、４
０時間以上では特性に関し問題はないが製造コストが上
昇するため好ましくない。

【００３４】そして、この脱バインダ処理工程において
は、予備成形体に含まれるバインダ組成物および必要に
応じて使用される中子の構成成分が溶融し、予備成形体
から効果的に除去され、脱バインダ成形体が形成される
が、本発明においては、上記のごとくバインダ組成物を
規定したため、従来よりも脱バインダ処理時間を大幅に
短縮することが可能であり、しかも変形の少ない脱バイ
ンダ成形体を得ることができる。

【００３５】なお、この脱バインダ処理工程において
は、予備成形体からバインダ組成物および中子の構成成
分を除去して得られるバインダ成形体の変形を極力抑制
し、さらにはバインダ組成物などの除去を完全にするた
めに、予備成形体を活性炭を満たした脱バインダ槽に埋
設した状態で脱バインダ処理を行うのが好ましく、この
場合には活性炭の一部をアルミナ粉末と置き換えること
によっても同様の効果を期待することかできる。

【００３６】また、脱バインダ処理終了後における脱バ
インダ成形体の冷却は、上記と同様に非酸化性雰囲気下
で行うことが望ましい。

【００３７】かくして得られる脱バインダ成形体は、次
いで焼結処理工程に送られ、非酸化性雰囲気下、７００
〜１４００℃、とくに１１００〜１３００℃の温度で、
２〜１５時間、とくに４〜１０時間焼結または焼成され
ることにより、原料粉末が溶融し、脱バインダ処理した
後の微細な空隙が埋められ、金型と相似形状を有する収
縮した焼結品となる。

【００３８】ここで、焼結処理温度が７００℃以下では
密度が上がらないため機械的強度が低く、１４００℃以
上では焼結品が溶融してしまうため好ましくない。

【００３９】また、焼結処理時間が２時間以下では焼結
品に膨れや割れなどが生じ、１５時間以上は特性に関し
て問題はないが製造コストが上昇するため好ましくな
い。

【００４０】さらに、請求項５記載の発明は、射出成形
後、金型のスプールランナ内に残留する焼結用原料組成
物を再使用するようにした。

【００４１】すなわち、予備成形体を射出成形した後の
金型には、スプールランナ内に焼結用原料組成物が残留
するが、この残留した焼結用原料組成物を回収して粉砕
し、更に造粒して焼結用原料組成物の再生材として調整
することができる。この再生材は、焼結用原料組成物中
のバインダ組成を前記したように規定したので、射出成
形時の流動特性が新材と略同等となり、かつこの流動特
性が再生回数による粘性変動の小さい安定したものとな
っている。

【００４２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００４３】まず、一実施例としての焼焼結用原料組成
物（本発明原料）及び比較例としての焼結用原料組成物
（比較原料）を、素材秤量、混練、粉砕、及び造粒の工
程を経て表１に示す組成に調整した。

【００４４】

【表１】 このときに用いた還元鉄粉は、本発明原料及び比較原料
ともに黒鉛粉末を０．６重量％含有しており、かつ本発
明原料のものが平均粒径９．４０μｍ、比表面積０．７
５ｍ² ／ｇの粒子形状の不規則なものとなっており、比
較原料のものが平均粒径７．３０μｍ、比表面積０．３
５ｍ² ／ｇの略球状粒子となっている。

【００４５】次にこれらの原料はスクリュー温度１８０
℃に設定した射出成形機に供給され、射出圧力１３００
Ｋｇ／ｃｍ² の条件で、ノズルから金型中へ射出されて
予備成形体として形成した。

【００４６】次いで、このようにして得られた予備成形
体を、活性炭を満たした脱バインダ処理槽に埋没し、窒
素ガス雰囲気下にて室温から７００℃まで２０時間かけ
て徐々に昇温し、バインダ組成物が完全に気化除去され
るまで、７００℃で保持した後、冷却する条件で脱バイ
ンダ処理した。このとき脱バインダ処理に要した熱処理
時間は本発明原料を用いたものが１４．５時間、比較原
料を用いたものが２０時間となって、本発明原料を用い
たものがポリスチレン及びアクリル樹脂の含有量の少な
い分短縮されている。しかも本発明原料を用いたときの
脱バインダ処理に要した熱処理時間は、従来の製造方法
における脱バインダ処理（４０時間以上）に比べて大巾
に短縮することができる。

【００４７】次いで、この脱バインダ成形体を１×１０
^-3Torr以下の非酸化性雰囲気下にて室温から１３００℃
まで２時間かけて徐々に昇温し、１３００℃で３時間保
持した後、冷却することにより、図１に示す粉末焼結品
１を得た。

【００４８】この焼結品１は、中央部の肉厚部分２の両
側に肉薄部分３を有して略Ｔ形状に形成されている。

【００４９】また、焼結用原料組成物として、射出成形
後の金型のスプールランナ内に残留する焼結用原料組成
物を回収して再生した再生材を用いて前記したと同様な
工程を経て焼結品１を得た。この再生材はスプールラン
ナ内から回収された焼結用原料組成物を粉砕した後造粒
して調整されたもので、本実施例では１回乃至４回再生
された再生材が用いられている。

【００５０】このときの、本発明原料及び比較原料にお
ける未再生の新材としての焼結用原料組成物と、１回乃
至４回再生材との流動性評価を表２及び表３に示し、こ
れら各原料から得られた焼結品１の外観評価を表４に示
す。前記流動性評価は、測定温度１９０℃におけるせん
断速度９．７２８×１０³ （ｓｅｃ^-1），１．９４６×
１０⁴ （ｓｅｃ^-1）下の粘度で表示した。

【００５１】

【表２】

【表３】

【表４】 表２及び表３から解るように本発明原料（表２）は、粒
子形状の不規則な還元鉄粉を用いているにも拘らず、比
較原料（表３）よりも粘度が低く、高い流動性を有して
おり、種々な粒子形状の還元鉄粉に適用して射出成形に
適した流動性を確保することができる。このため本発明
原料は粒子形状が不規則でかつ安価に入手可能な還元鉄
粉を成形素材として用いることも可能で、これによりコ
スト低減を図ることができる。

【００５２】しかも本発明原料の再生材は、射出成形時
の流動性が新材と略同等となり（表２）、かつこの流動
性が比較原料（表３）に比べて再生回数による粘性変動
の小さい安定したものとなっているので、予備成形体の
成形条件の設定が容易なものとなっている。このため本
発明原料は再生材の使用により一層のコスト低減を図る
ことができると共に、再生材の使用にも拘らず、安定し
た品質の焼結品を得ることができる（表４参照）。

【００５３】さらに、表４から解かるように本発明原料
を用いて得られる本発明品は、比較原料を用いて得られ
る比較品に比べて外観評価及び機械的特性の優れたもの
となっている。すなわち、比較品としての焼結品１は、
表面全体に亘り膨れ及び割れが生じたり（新材）、ある
いは肉厚部分２に膨れ及び割れが生じ（１回乃至４回再
生材）、これらの膨れや割れの生じない本発明品と比べ
て外観評価及び機械的特性が劣るものとなっている。

【００５４】本発明品の相対密度（鈍鉄の密度である
７．８６ｇ／ｃｍ³ に対しての相対密度）、及び引張強
度（ＪＩＳ規格の４号試験片の形状を作製しＪＩＳ規格
に従って測定）は、それぞれ９８％及び６７０ＭＰａと
なり、機械的特性の向上したものとなっている。

【００５５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば次の効果を奏する。

【００５６】すなわち、請求項１記載の発明によれば、
焼結用原料組成物を、ポリスチレン１〜２重量％、アク
リル樹脂１〜２重量％、ポリエチレン０．５〜１重量
％、パラフィン１．５〜２．５重量％、ステアリン酸
０．５〜１重量％、及び残部が還元鉄粉となるように構
成したので、種々な粒子形状の還元鉄粉に適用して射出
成形に適した流動性を確保することかでき、かつ脱バイ
ンダのための熱処理時間を短縮することが可能であると
共に、機械的な特性の優れた焼結品を得ることができ、
ひいてはコスト低減をも図ることができる焼結用原料組
成物を提供することができる。

【００５７】請求項２記載の発明によれば、平均粒径
６．０〜１１．０μｍ、及び比表面積０．３０〜０．８
０ｍ² ／ｇの還元鉄粉が用いられているので、比表面積
の増大による射出成形時の高粘度化及び粒子径の増大に
よる焼結品の機械的特性の低下を避けることができ、こ
の結果請求項１記載の発明と同様の効果を奏する焼結用
原料組成物を提供することができる。

【００５８】請求項３記載の発明によれば、還元鉄粉が
黒鉛を含有しているので、焼入れにより硬度の向上を図
ることができ、この結果請求項１記載の発明の効果に加
えて機械的特性の優れた焼結品を得ることができる焼結
用原料組成物を提供することがでる。

【００５９】また、請求項４記載の発明によれば、前記
焼結用原料組成物を、所定の金型中に射出成形して予備
成形体となし、次いでこの予備成形体を還元鉄粉の融点
以下の温度で加熱することにより脱バインダ処理した
後、この脱バインダ成形体を焼結処理して焼結品を得る
ようにしたので、種々な形状の還元鉄粉に適用して射出
成形に適した流動性を確保することができて複雑形状の
焼結品を容易に成形できると共に脱バインダのための熱
処理時間を短縮することができて、ひいてはコスト低減
を図ることができ、かつ機械的特性の優れた焼結品を得
ることができる焼結品の製造方法を提供することができ
る。

【００６０】さらに請求項４記載の発明によれば、射出
成形後、金型のスプールランナ内に残留する焼結用原料
組成物を再使用するようにしたので、請求項４記載の発
明の効果に加えて一層のコスト低減が図れるとともに、
焼結用原料組成物の再生材の樹脂成形時の流動性が新材
と略同等となり、かつこの流動性が再生回数による粘性
変動の小さい安定したものとなっているので予備成形体
の成形条件の設定が容易な焼結品の製造方法を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】焼結品の斜視図である。

【符号の説明】

１ 焼結品 ２ 肉厚部分 ３ 肉薄部分

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリスチレン１〜２重量％、アクリル樹
   脂１〜２重量％、ポリエチレン０．５〜１重量％、パラ
   フィン１．５〜２．５重量％、ステアリン酸０．５〜１
   重量％、及び残部が還元鉄粉からなることを特徴とする
   焼結用原料組成物。
2. 【請求項２】 請求項１記載の焼結用原料組成物であっ
   て、 前記還元鉄粉が、平均粒径６．０〜１１．０μｍ及び比
   表面積０．３０〜０．８０ｍ² ／ｇであることを特徴と
   する焼結用原料組成物。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の焼結用原料組成物
   であって、 前記還元鉄粉が黒鉛を含有していることを特徴する焼結
   用原料組成物。
4. 【請求項４】 ポリスチレン１〜２重量％、アクリル樹
   脂１〜２重量％、ポリエチレン０．５〜１重量％、パラ
   フィン１．５〜２．５重量％、ステアリン酸０．５〜１
   重量％、及び残部が還元鉄粉からなる焼結用原料組成物
   を、所定の金型中に射出成形して予備成形体となし、次
   いでこの予備成形体を前記還元鉄粉の融点以下の温度で
   加熱することにより脱バインダ処理した後、この脱バイ
   ンダ成形体を焼結処理することを特徴とする焼結品の製
   造方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載の焼結品の製造方法であっ
   て、 射出成形後、金型のスプールランナ内に残留する前記焼
   結用原料組成物を再使用することを特徴とする焼結品の
   製造方法。