JPH0881701A - 金属成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 射出成形材料の加工により金属成形品を製造
する方法において、不所望な変形の欠点を回避し、かつ
薄い壁部もしくは複雑な形状の成形品の場合にも均質で
高い品質の製品を製造する経済的でかつ廉価な方法 【解決手段】 射出成形材料を成形品に加工し、成形品
中に含まれる結合剤の一部を９０〜６００℃の温度で除
去し、およびこうして得られた成形品を焼結し、その
際、この成形品は支持部材上で焼結され、この支持部材
は仕上がった成形品に近い輪郭を有しており、その際、
支持部材の輪郭は焼結工程の際に本質的に保持されるこ
とを特徴とする金属成形品の製造方法

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、次の工程：ａ．）
射出成形材料を成形品に加工し、およびｂ．）成形品中
に含まれる結合剤の一部を除去し、およびｃ．）こうし
て得られた成形品を焼結させることにより射出成形材料
の加工により金属成形品を製造する改善された方法に関
している。

【０００２】

【従来の技術】金属成形品を粉末金属射出成形により製
造するためには、既に多数の方法が公知である。欧州特
許出願公開（ＥＰ−Ａ）第４１３２３１号明細書には、
無機焼結成形品の製造方法が記載されている。最初の段
階で焼結可能な粉末および結合剤としてのポリオキシメ
チレンから成形可能な材料を顆粒の形に製造する。この
成形可能な材料から、引き続き射出成形によりいわゆる
未焼成成形品（Gruenkoerper）を製造する。次に、顆粒
は射出成形機中で溶融され、この溶融物を相応する型中
へ射出し、そこでこの溶融物を温度を低下させながら冷
却し、結合剤のガラス転移温度および／または微結晶溶
融温度(crystallite melting point）を下回ることによ
り硬化し、引き続き型から取り出す（第１頁３８行〜第
２頁２行）。こうして得られた未焼成成形品を引き続く
脱結合剤工程中で結合剤の大部分を除去し、その際、酸
接触的脱結合剤処理が有利であり、それにより結合剤の
穏やかな除去が亀裂形成の危険を妨げる（第２頁３行〜
３２行）。こうして得られた多孔性成形品を、引き続き
約１１００〜１５００℃の温度で焼結させ、その際、場
合によりなお少量の残留する結合剤が除去される（第２
頁３３〜３４行）。

【０００３】この方法は、無機の焼結成形品を製造する
ために一般に著しく優れているが、たとえば大部分が場
合により複雑な形および／または僅かな壁厚を有するよ
うな場合には、焼結の際に望ましくない変形が生じてし
まうことがある。この焼結工程は成形体中で所望の構造
を製造するために高温を必要とする。通常、この温度は
約１１００〜１５００℃である。しかし、このような高
い温度の場合には、焼結すべき成形体の一定の軟化を排
除することはできない。このことは、たとえば焼結プロ
セスにおいて平らな支持部材上では著しく不安定に載せ
られる食事道具（フォーク、ナイフ類）の場合に、不所
望な変形を引き起こす、それというのもこの成形品は自
重によりかなりの負荷を受けているためである。

【０００４】ドイツ連邦共和国特許出願公告（ＤＥ−
Ｃ）第４１２４３９３号明細書には、粉末冶金学的射出
成形により製造される食事道具が開示されている。ここ
でも、成形体が本質的に射出成形、結合剤の除去および
引き続く成形体の焼結の方法工程により製造する方法が
記載されている（第２欄、５８〜６４行）。ここでも、
粉末冶金学的射出成形により製造された食事道具の焼結
の際に不所望な変形が生じるという欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、前記の欠点を回避し、かつ薄い壁部もしくは複雑な
形状の成形品の場合にも均質で高い品質の製品を製造す
る経済的でかつ廉価な方法を見出すことであった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従って、射出成形材料の
加工により金属成形品を製造する方法において、 ａ． 射出成形材料を成形品に加工し、 ｂ． 成形品中に含まれる結合剤の一部を９０〜６００
℃の温度で除去し、および ｃ． こうして得られた成形品を焼結し、 その際、この成形品は支持部材上で焼結され、この支持
部材は仕上がった成形品に近い輪郭を有しており、その
際、支持部材の輪郭は焼結工程の際に本質的に保持され
ることを特徴とする金属成形品の製造方法が見出され
た。

【０００７】さらに本発明は、この方法により得られた
成形品にも関する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明による方法において使用さ
れる支持部材は、焼結工程の間に成形品の良好な形状安
定性を保証する。特に、有利に仕上がった成形品に近い
輪郭を有し、成形品よりも高い耐クリープ性を有するか
または搭載力（Auflagekraefte）の作用下で焼結温度に
おいてもクリープは測定できない支持部材が適してい
る。

【０００９】この支持部材のために多様な材料を使用す
ることができる。金属材料の使用の際に、焼結プロセス
の間に成形品と支持部材との不所望な焼き付きが生じな
いように注意すべきである。しかし、これは多様な処
置、たとえば支持部材の不活性粉末、たとえば炭化ホウ
素、窒化ホウ素またはα−酸化アルミニウムでの被覆に
より回避することができる。特にセラミック材料、たと
えば焼結酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、炭化
ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ホウ素または窒化ホウ
素が良好に適している。

【００１０】支持部材の製造は、若干の成形品の場合に
は、金属成形品のための型を直接使用しながら行うのが
有利である。これはたとえばスプーンの製造のための支
持部材の場合に当てはまる。ここでは型を使用しながら
支持部材を射出成形により製造し、これを後になって金
属成形品のための支持部材として利用することができ
る。この場合、有利に焼結させて仕上げた支持部材の寸
法が、後の成形品よりもいくらか大きく調節することが
でき、その結果、この支持部材は成形品に対して特に優
れて適合する。この場合、この支持部材は成形品よりも
約１〜２０％、特に有利に２〜１０％寸法的に大きいこ
とが推奨される。寸法の調節のために必要な処置は当業
者には公知である。たとえば成形体の収縮は、使用材料
の組成に依存し、相応して変化させることができる。さ
らに、焼結温度によりこの収縮に関する影響を与えるこ
とができ、焼結温度を高めるに伴って成形品のより著し
い収縮が観察される。

【００１１】次に、金属成形品の製造方法を詳細に記載
する。

【００１２】公知の種類および方法で、焼結可能な金属
粉末、流動性結合剤および場合によりなお添加された助
剤から顆粒を製造する。流動性結合剤として多数の物質
が公知である。温度上昇の際にできる限り少ない残留炭
素を提供するのが重要である。たとえば、ポリオキシメ
チレン、ポリスチロール、ポリメチルメタクリレート、
ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン−ビニルアセ
タート−コポリマーならびにこれらの混合物が挙げられ
る。

【００１３】ポリオキシメチレンホモ−またはコポリマ
ーは当業者に公知であり、刊行物に記載されている。

【００１４】このホモポリマーは、一般に、有利に適当
な触媒の存在で、ホルムアルデヒドまたはトリオキサン
の重合により製造される。

【００１５】本発明の範囲内で、有利なポリオキシメチ
レンコポリマーは、繰り返し単位−ＯＣＨ₂−の他にな
お次の繰り返し単位：

【００１６】

【化１】

【００１７】［式中、Ｒ¹〜Ｒ⁴は相互に無関係に、水素
原子、Ｃ₁〜Ｃ₄アルキル基、またはハロゲン置換された
１から４個の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｒ⁵
は−ＣＨ₂−、−ＣＨ₂Ｏ−、Ｃ₁〜Ｃ₄アルキル−または
Ｃ₁〜Ｃ₄ハロアルキルにより置換されたメチレン基また
は相応するオキシメチレン基を表し、ｎは０〜３の範囲
内の値を表す］を５０モル％まで、有利に０．１〜２０
モル％、特に０．３〜１０モル％含有する。有利に、こ
れらの基は環状エーテルの開環によりコポリマー中に導
入することができる。有利な環状エーテルは式：

【００１８】

【化２】

【００１９】［式中、Ｒ¹〜Ｒ⁵は前記のものを表す］の
ようなものである。たとえば、エチレンオキシド、１，
２−プロピレンオキシド、１，２−ブチレンオキシド、
１，３−ブチレンオキシド、１，３−ジオキサン、１，
３−ジオキソランおよびジオキセパンが環状エーテルと
して挙げられ、および線状オリゴフォルマールがコモノ
マーとして挙げられる。

【００２０】同様に、たとえばトリオキサン、前記した
環状エーテルおよび第３のモノマー、特に式：

【００２１】

【化３】

【００２２】［式中、Ｚは化学結合、−Ｏ−、または−
ＯＲＯ−（Ｒ＝Ｃ₁〜Ｃ₈アルキレンまたはＣ₃〜Ｃ₈シク
ロアルキレン）を表す］で示される二官能性化合物の反
応より製造されたオキシメチレンポリマーが適してい
る。

【００２３】この種の有利なモノマーはエチレンジグリ
シド、ジグリシジルエーテルおよびグリシジルとホルム
アルデヒド、ジオキサンまたはトリオキサンからなる
２：１のモル比のジエーテル、ならびにグリシジル化合
物２モルおよび２〜８個のＣ原子を有する脂肪族ジオー
ル１モルからなるジエーテル、たとえばエチレングリコ
ール、１，４−ブタンジオール、１，３−ブタンジオー
ル、シクロブタン−１，３−ジオール、１，２−プロパ
ンジオールおよびシクロヘキサン−１，４−ジオールの
ジグリシジルエーテルが挙げられる。

【００２４】ポリオキシメチレンホモポリマーおよびコ
ポリマーの他に、たとえば欧州特許出願公開（ＥＰ−
Ａ）第４４４７５号明細書に記載されたポリ−１，３−
ジオキソランおよびポリ−１，３−ジオキセパンが挙げ
られる。前記したホモ−およびコポリマーの製造方法
は、当業者に公知であり、刊行物に記載されているた
め、ここでは詳しく記載しない。

【００２５】有利なポリオキシメチレンホモ−もしくは
コポリマーは、少なくとも１５０℃の融点および５００
０〜１５０００、有利に７０００〜６００００の範囲内
の分子量（重量平均値）を有する。

【００２６】粉末の形で得ることができる金属として、
たとえば鉄、コバルト、ニッケルおよびケイ素が挙げら
れ；合金は、たとえば鉄ベースの合金、たとえば低合金
および高合金鋼、アルミニウムおよびチタンをベースと
しならびに銅またはブロンズと合金された軽金属合金で
ある。最後に、金属、たとえばコバルトおよびニッケル
と組み合わせた硬質金属、たとえば炭化タングステン、
炭化ホウ素または窒化チタンも挙げられる。後者は金属
結合した硬質切削工具（いわゆるサーメット）の製造の
際に適している。

【００２７】助剤としてたとえば流動改良剤、安定剤ま
たは離型助剤が使用される。

【００２８】顆粒から、射出成形により公知のようにい
わゆる未焼成成形体が製造される。このため、顆粒は射
出成形機中で約１２０〜２２０℃、有利に１７０〜２０
０℃の温度で溶融され、この溶融物は相応する型へ射出
され、そこで温度低下させながら冷却され、結合剤のガ
ラス転移温度および／または微結晶融点を下回ることに
より凝固し、引き続き型から取り出される。

【００２９】こうして得られた未焼成成形体は、引き続
き脱結合剤処理工程で、約９０〜６００℃の温度で、含
まれる結合剤の大部分を除去する。この場合、酸の存在
での脱結合剤処理が推奨され、それにより、結合剤の酸
接触分解の場合に、脱結合剤処理の間に低い温度が可能
となる。適当な酸は、たとえば硝酸、シュウ酸または三
フッ化ホウ素であり、脱結合剤処理の間の温度は通常約
１１０〜１５０℃である。

【００３０】既にプロセスの開始時に、酸接触脱結合剤
処理の際に除去されない他の持続的結合剤を少量添加す
ることを特に推奨することができる。

【００３１】こうして残留した結合剤の残留物は、焼結
プロセスの開始時にも、金属粒子の焼結による固定が生
じる前に成形体の良好な強度を保証する。

【００３２】持続的結合剤としてたとえばポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタク
リラートまたはポリビニルピロリドンが適している。

【００３３】持続的結合剤の割合は、使用された全ての
結合剤に対して有利に約０．５〜２０重量％、特に有利
に２〜１０重量％である。

【００３４】引き続く焼結プロセスにおいて、成形品は
著しく加熱され、それによりこの構造は所望の方法で変
化され、場合によりなお残留する残留物を含んだ結合剤
を追い出すことができる。このため、焼結すべき成形品
は成形品の輪郭を安定化する支持部材上にもたらされ
る。焼結プロセスの間の温度は、通常約６００〜１６０
０℃、有利に８００〜１４００にあり、この時間は通常
加熱時間および冷却時間を除いて約０．５〜１０、有利
に１〜２時間に及ぶ。

【００３５】この支持部材は、この場合、焼結すべき成
形品を僅かな点で支えているのではなく、大きな面積で
支持部材と接触しており、その結果、焼結の間に良好な
安定性を保証する。この場合、支持部材自身が焼結温度
で十分に耐クリープ性を有することを注意すべきであ
る。

【００３６】本発明の方法は、このような支持部材なし
で材料の耐クリープ性が減少するとすぐにその自重によ
り変形する傾向があるような薄い壁部もしくは大きなま
たは複雑な形の部品の製造のために特に適している。従
って、このような成形品も、この方法は不所望な変形の
ために受け入れられなかった粉末射出成形により製造す
る可能性が開かれる。このことは既に記載された成形品
の他に一般に高い寸法精度が必要な箇所でも関係する。
通常、本発明による方法を用いて、仕上がった成形品に
おいて、設定された値に対して約０．５％、特別な場合
に０．３％を上回らない寸法精度を達成することができ
る。

【００３７】例として、ナイフ、フォーク、スプーンな
らびにその自重により容易に折れる突出した部分を有す
る成形体が挙げられる。

【００３８】本発明による方法は、成形品を経済的に及
び廉価に製造し、その際高い寸法精度ならびに全体で高
い特性水準を有する複雑な形の部品を達成することがで
きる容易な方法を提供する。この場合、この方法は、多
大な費用なしで、金属成形品を製造するための既に存在
する射出成型法と関連づけることができる。

【００３９】

【実施例】

例 １８５℃に加熱された排気可能なニーダー中で、アルゴ
ン中でアトマイゼーションした２２μｍの平均粒度を有
するタイプ３１６Ｌの特殊鋼粉末１０．０８０ｇ、１９
０℃で５０ｇ／１０分のメルトフローインデックスを有
するポリオキシメチレン８８６．５ｇ、１９０℃で４２
ｇ／１０分のメルトフローインデックスを有するポリエ
チレン９８．５ｇならびに結合剤成分のための溶剤とし
てブチルグリコール５００ｇを混合した。均質な混合物
が得られた後、ニーダーを排気し、さらに混練しながら
溶剤を留去した。その後ニーダーを１００℃に冷却し、
その際この材料は固化し、この場合造粒される。こうし
て得られた射出成形材料は、特殊鋼６３容量％を有して
いた。

【００４０】射出成型機はスプーン用の型が備えられ
た。焼結したスプーンは全長２０４ｍｍ、取っ手の長さ
１４０ｍｍ、スプーン幅４４ｍｍ、スプーンの湾曲部９
ｍｍ、平らな支持部材上に載せられる際の取っ手の湾曲
部１２ｍｍ、スプーンの壁厚１ｍｍおよび取っ手の壁厚
３ｍｍの寸法により特徴付けられる。１４．５％の予想
される直線状の焼結収縮に基づき、型は焼結されたスプ
ーンよりの全ての寸法において１４．５％大きい。射出
成形材料は、１９０℃の材料温度で溶融され、１１０℃
に温度調節された型中へ射出した。約２０秒冷却した
後、未焼成成形品を型から取り出した。

【００４１】同じ型中で、焼結支持部材の製造のため
に、５６容量％までが１．２μｍの平均粒度を有する酸
化アルミニウム粉末からなり、および４４容量％までが
１９０℃で５０ｇ／１０分のメルトフローインデックス
のポリオキシメチレン８８重量％および平均分子量約６
００００を有するポリブタンジオールホルマール１２重
量％からなる結合剤からなる材料を射出した。

【００４２】金属粉末を含有するスプーン未焼成成形品
を、約１．５％の濃度の硝酸を含有する窒素雰囲気中
で、１２０℃の温度で１時間内で脱結合剤処理した。

【００４３】焼結支持部材を同じ装置中で、同様に約
１．５％の濃度の硝酸を含有する窒素雰囲気中で、１３
０℃の温度で２．５時間内で脱結合剤処理した。さら
に、脱結合剤処理された焼結支持部材を空気中で３℃／
分の速度で１５４０℃に加熱し、１５４０℃で２時間保
持し、次いで５℃／分で冷却した。

【００４４】こうして得られた密に焼結されていない焼
結支持部材の寸法は、仕上げられた燒結金属スプーンよ
りも４％だけ大きい。

【００４５】脱結合剤処理した金属粉末を含有するスプ
ーン未焼成成形品を、焼結支持部材上に載せ、モリブデ
ン加熱棒を備えた焼結炉中で、−８０℃よりも低い露点
を有する水素中で、５℃／分の速度で１３００℃に加熱
し、１３００℃で１２０分焼結させ、次いで焼結炉を冷
却した。製品として、正確な寸法精度のスプーンが得ら
れた。

【００４６】比較例 例１に従って得られた未焼成成形品から、スプーンの形
の焼結支持部材上に成形品を置かずに、１６０℃〜２１
０℃の間で１℃／分の速度で、２１０℃〜２５０℃の間
で０．５℃／分の速度で、２５０〜６００℃の間で２℃
の速度で加熱することにより結合剤成分を除去した。脱
結合剤炉を開けた後、スプーンの球状部分および取っ手
は重力による影響にさらされ、湾曲部は部分的に落ち窪
んでいることが確認された。

【００４７】未焼成成形品は、通常の平坦な酸化アルミ
ニウム支持部材上に置かれ、次いで、焼結炉中で前記の
例と同様に水素中で５℃／分の速度で１３００℃に加熱
され、１３００℃でさらに１２０分間保持された。次い
で、炉を冷却し、開放した。スプーンの消失した輪郭が
なおさらに扁平になった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 射出成形材料の加工により金属成形品を
   製造する方法において、 ａ． 射出成形材料を成形品に加工し、 ｂ． 成形品中に含まれる結合剤の一部を９０〜６００
   ℃の温度で除去し、および ｃ． こうして得られた成形品を焼結し、 その際、この成形品は支持部材上で焼結され、この支持
   部材は仕上がった成形品に近い輪郭を有しており、その
   際、支持部材の輪郭は焼結工程の際に本質的に保持され
   ることを特徴とする金属成形品の製造方法。