JPH1053466A - 高精度な無機焼結体を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は金属およびその合金やセラミックス
等の無機粉末の原料から、高精度な無機焼結体を製造す
る方法に関する。 【解決手段】 工程１で無機粉末、有機溶剤、および有
機樹脂から構成される焼結体原料の１種または２種以上
の混合物にカップリング剤を添加して混合し、さらに全
体を混合して無機粉末の粉末充填量が高いスラリー状コ
ンパウンドを形成し、工程２で前記スラリー状コンパウ
ンドを冷却した金型に注入して凍結成形体を形成し、工
程３で前記凍結成形体を真空、減圧または常圧にて昇温
し、低沸点の有機溶剤を昇華し、工程４で前記成形体を
焼結することを特徴とする高精度な無機焼結体を製造す
る方法。 【効果】 焼結原料にカップリング剤を添加して処理す
るので、中間工程において成形体の粉末充填量を高める
ことができ、その後の焼結処理により製造した焼結品の
寸法精度が高くなり、高精度な大型の無機焼結体を製造
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属およびその合金
やセラミックス等の無機粉末の原料から、高精度な無機
焼結体を製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属およびその合金やセラミックス等の
無機粉末の原料と、熱可塑性樹脂を中心とする有機バイ
ンダーとを混合して、固形のコンパウンドを作り、この
コンパウンドを用いて射出成形した後、脱脂して有機バ
インダーを除去し、次いで焼結して無機焼結体を製造す
る方法は例えば、特開平１−２４７４３号公報に記載さ
れているように射出成形法としてよく知られている。し
かしながら、従来の射出成形法では、大型の成形体を製
造しようとするときには、脱脂が困難なために、せいぜ
い２００ｇ程度の重量の製品が限界であった。

【０００３】そこで、最近このような問題を解決する優
れた技術として、無機粉末の原料と有機溶剤と有機樹脂
よりなるバインダーとを混合してスラリー状のコンパウ
ンドを作り、このコンパウンドを成形・凍結した後、バ
インダーを真空中で昇華除去し、次いで焼結して無機焼
結体を製造する方法が開発されてきた。（特表平２−５
０３０１２、特表平２−５０３０１３） この方法によれば、大型の無機焼結体を製造できる可能
性がでてきたが、原料である無機粉末の粉末充填量を高
くしなければ、製品の無機焼結体の寸法精度をより高く
維持することが困難であるという点に問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は無機粉末の原
料とバインダーとを混合し、この混合体を用いて成形・
凍結した後、真空中で昇華してバインダーを除去し、次
いで焼結して無機焼結体を製造する方法において、原料
の無機粉末の粉末充填量を高くすることにより、従来で
は至難であった寸法精度の高い大型の無機焼結体を製造
することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは特許請求の範囲に記載したように、以下の手段を順
次採るものである。すなわち、 （１）．工程１−無機粉末、有機溶剤、および有機樹脂
から構成される焼結体原料の１種または２種以上の混合
物にカップリング剤を添加して混合し、さらに全体を混
合して無機粉末の粉末充填量が高いスラリー状コンパウ
ンドを形成し、 工程２−前記スラリー状コンパウンドを冷却した金型に
注入して凍結成形体を形成し、 工程３−前記凍結成形体を真空、減圧または常圧にて昇
温し、有機溶剤を昇華し、 工程４−前記成形体を焼結することを特徴とする高精度
な無機焼結体を製造する方法。

【０００６】（２）．前記（１）において、工程３の後
に仮焼結を行って、残余バインダーを除去した後に工程
４の焼結を行う方法。 （３）．前記（１）において、工程２の代わりにスラリ
ー状コンパウンドを常温の金型に注入し、その後冷却し
て凍結成形体を形成する方法である。

【０００７】ここで、本発明における無機粉末とは、
鉄、鉄合金（例えば、ステンレス鋼、珪素鋼、工具鋼、
構造用鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−コバルト合金等）、
ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、コバル
ト、コバルト合金、アルミニウム、アルミニウム合金、
銅、銅合金、モリブデン、モリブデン合金、タングステ
ン、タングステン合金等の金属や合金またはこれらの金
属や合金の混合物である。また、本発明における無機粉
末としては、前記の金属や合金以外にもアルミナ、ジル
コニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス粉末でも
よい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明において、無機粉末、有機溶剤、および有
機樹脂から構成される無機焼結体原料へのカップリング
剤の添加方法は、特に限定されるものではなく、これら
の無機焼結体原料の１種または２種以上の混合物に適宜
添加し、その後全体を混合してスラリー状コンパウンド
を形成させればよい。

【０００９】例えば、 一方では、有機溶剤とカップリング剤を混合したもの
を、他方で無機粉末と有機樹脂を混合したものに加えて
両者を混合する方法。 一方で、無機粉末にカップリング剤を添加して混合し
たものに、他方で有機溶剤と有機樹脂を混合したものの
両者を混合する方法。 無機粉末、有機溶剤、および有機樹脂の混合物にカッ
プリング剤を添加して混合する方法等がある。

【００１０】本発明について、前記の方法を例として
具体的に説明する。まず、最初に一方で有機溶剤とカッ
プリング剤を混合したものをつくる。ここで、本発明に
おいて用いる有機溶剤としては、ベンゼン、トルエン、
プロパナール、メチルエチルケトン、シクロヘキサノ
ン、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセロ
ール、ネオペンチルアルコール、ギ酸、ホルムアミド、
ピリジン、ジオキサン、メタン（クラスレイト化合物を
含む）、エタン、プタン、イソブタン、ヘキサン、シク
ロヘキサン、アセトニトリル、アセトアミド、ε−カプ
ロラクタム、クロトン酸、ナフタレン、フェノールおよ
びこれらの混合物から選択したものである。

【００１１】また、カップリング剤としては、チタネー
ト系カップリング剤やアルミネート系カップリング剤が
あり、場合によってはシラン系カップリング剤を使用し
てもよいが、通常はチタネート系カップリング剤やアル
ミネート系カップリング剤が好ましい。これらのカップ
リング剤は、添加・混合することにより無機粉末の表面
に被膜を形成し、無機粉末の濡れ性、分散性を改善する
効果を有している。また、他方では、粒径が約０．１〜
１００μｍの無機粉末と、有機樹脂とを混合した混合物
をつくる。

【００１２】ここで、本発明において用いる有機樹脂と
は、アクリル樹脂やアクリル酸をベースとする高分子電
解質、酸化トリグリセリド、ソルビタンエステル、リン
酸エーテル、コハク酸ジエステル、アミンオキシド、ア
ルキルベタイン、珪素化合物の単独またはこれらの混合
物から選択したものである。次に、これら両者の混合物
を一緒にしてさらに混合してスラリー上のコンパウンド
を形成させる。この方法によれば、均一で安定したスラ
リー状コンパウンドを形成することができる。

【００１３】次に、前記の工程−１の処理によって形成
されたスラリー状のコンパウンドを射出成形機を使用し
て、予め常温以下〜−８０℃好ましくは０〜−５０℃に
冷却した金型に注入し凍結成形体を形成する。また、ス
ラリー状のコンパウンドを射出成形機を使用して、常温
で金型に注入し、その後冷却して凍結成形体を成形して
もよい。

【００１４】次いで、この凍結成形体を真空、減圧また
は常圧乾燥装置により室温まで昇温させて有機溶剤を昇
華させて除去する。次いで、これを焼結炉で真空、減
圧、または不活性ガスあるいは水素などの還元性雰囲気
中で焼結して製品を製造する。なお、この本焼結に先だ
って同様な雰囲気中で仮焼結を行ってもよいし、また仮
焼結と本焼結を連続して行ってもよい。以下、実施例１
〜実施例７について説明するが、実施例（Ｎｏ．１〜Ｎ
ｏ．３５）および比較例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）の表
（表２〜表５）中の数値はいずれも、各々１０個につい
ての平均値である。

【００１５】（実施例１）実施例１は無機粉末として、
代表的なステンレス鋼を使用した例である。表１に示す
ような成分のＳＵＳ３０４Ｌを水アトマイズ法で粉末を
製造し、その粉末を使用して、カップリング剤添加量と
粉末充填量および焼結品の寸法精度との関係を調べた。
ここで使用したＳＵＳ３０４Ｌの粉末の平均粒径は、表
２に示すように１０．１８μｍで、タップ密度は４．０
２（ｇ／ｃｍ³ ）である。

【００１６】

【表１】

【００１７】試験は下記のような工程で行った。すなわ
ち、一方で、有機溶剤としてシクロヘキサンを用い、こ
れにチタネート系カップリング剤としてイソプロピルド
デシルベンゼンスルホニルチタネートを添加して混合し
たものを作った。また、他方ではＳＵＳ３０４Ｌの粉末
とこれに有機樹脂としてポリメタクリル酸ブチル（アク
リル樹脂）を混合した混合物を作った。次いで、これら
両者を混合してスラリー状のコンパウンドを形成させ
た。この際にカップリング剤の効果を調べるために、添
加量を０．０５〜２．０（ｗｔ％）の間でいろいろ変え
て調べた。

【００１８】次に、このスラリー状のコンパウンドを射
出成形機を使用して、予め−２０℃に冷却した金型に注
入して凍結成形体を作り、次いで、この凍結成形体を真
空乾燥装置を用いて７２時間かけて室温まで昇温させ
て、有機溶剤を昇華させ除去した。さらに、これを焼結
炉で水素雰囲気中で１０００℃×３時間、仮焼結した
後、真空中で１３５０℃×３時間焼結して図１に示すよ
うな形状の重量が約１２００ｇの製品を製造した。本発
明の実施条件とその結果を表２（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７）
に、また同様に比較例の実施条件とその結果を表５に示
した。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【表３】

【００２１】その結果、ＳＵＳ３０４Ｌの粉末にカップ
リング剤の処理を施さないものは、表５の比較例１のよ
うに、粉末充填量は４１．０％で焼結品の寸法精度（外
径）は±０．８％であったが、カップリング剤による処
理を施したものは、その添加量が極めて少量（比較例
２）では効果は見られないが、実施例のＮｏ．１のよう
に、０．０５％添加しただけで粉末充填量は４７．３％
と向上し、寸法精度は±０．４％と著しく向上すること
が判った。また、カップリング剤の添加量をさらに０．
１，０．３，０．５，０．７，１．０，２．０％と増加
して行くと、粉末充填量、焼結品の寸法精度も向上する
が、その効果は飽和して行くことも判った。

【００２２】（実施例２）実施例２は、無機粉末として
ＳＵＳ３１６Ｌを水アトマイズ法で製造し、さらに機械
的に球状化処理した粉末を用いた。その化学組成を表１
に示す。使用した粉末の特性は表２に示す。

【００２３】ここで使用したカップリング剤、有機溶
剤、有機樹脂も実施例１の場合と同一で、これらの混合
方法やスラリー状のコンパウンドの形成方法も実施例１
と同様である。この場合にもカップリング剤の効果を調
べるために、添加量を０．０５〜２．０（ｗｔ％）の間
でいろいろ変えて調べた。

【００２４】次に、このスラリー状のコンパウンドを射
出成形機を使用して、予め−２０℃に冷却した金型に注
入し凍結成形体を成形した。次いで、この凍結成形体を
真空乾燥装置により４０時間かけて室温まで昇温させて
有機溶剤を昇華させ除去した。さらに、これを焼結炉で
水素雰囲気中で１０００℃×３時間仮焼結した後、１３
５０℃×３時間焼結して図１に示すような形状の重量が
約１２００ｇの製品を製造した。

【００２５】その結果を表２（Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１２）
に示す。ここでＳＵＳ３１６Ｌの粉末にカップリング剤
を添加しないものは、表５の比較例３のように、粉末充
填量４９．０％で焼結品の寸法精度（外径）は、±０．
５％であったが、カップリング剤を添加したものでは、
実施例２のＮｏ．８のように、０．０５％添加しただけ
で粉末充填量は５８．５％で焼結品の寸法精度は±０．
３％と向上していることが判った。また、カップリング
剤の添加量を０．３，０．５，１．０，２．０％と増加
して行くと、粉末充填量、焼結品の寸法精度も向上する
が、実施例１の場合と同様にその効果は飽和して行くこ
とも判った。

【００２６】（実施例３）実施例３は無機粉末として代
表的な工具鋼である高速度鋼を使用した例である。表１
に示したような化学組成の高速度鋼を水アトマイズ法で
製造した粉末を使用して、カップリング剤添加量と粉末
充填量および寸法精度との関係を調べたものである。

【００２７】ここで使用したカップリング剤はアルミネ
ート系カップリング剤のアセトアルコキシアルミニウム
ジイソプロピレートで、有機溶剤はグリセロールを使用
し、有機樹脂はポリメタクリル酸ブチルを用いたが、こ
れらの混合方法やスラリー状のコンパウンドの形成方法
は実施例１と同様である。この場合にもカップリング剤
の効果を調べるために、添加量を０．０５〜２．０（ｗ
ｔ％）の間でいろいろ変えて調べた。

【００２８】次に、このスラリー状のコンパウンドを射
出成形機を使用して、予め−２０℃に冷却した金型に注
入し、凍結成形体を製作した。次いで、この凍結成形体
を真空乾燥装置により７２時間かけて室温まで昇温させ
て有機溶剤を昇華させて除去した。さらに、これを焼結
炉で１２００℃×３時間焼結して図１に示すような形状
の重量が約１２００ｇの製品を製造した。

【００２９】その結果を表２（Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１
７）に示す。ここでカップリング剤を添加していないも
のは表５の比較例４のように、粉末充填量は４３．０％
で焼結品の寸法精度は±０．７％であったが、カップリ
ング剤を添加したものでは表２のＮｏ．１３のように、
０．０５％添加しただけで粉末充填量は４９．６％で焼
結品の寸法精度は±０．４％と著しく向上することが判
った。また、カップリング剤の添加量を０．３，０．
５，１．０，２．０％と増加して行くと、粉末充填量、
焼結品の寸法精度も向上するが、その効果は飽和して行
くこともわかった。

【００３０】（実施例４）実施例４は無機粉末として、
実施例１と同一のステンレス鋼を使用し、また使用した
カップリング剤、有機樹脂も実施例１の場合と同一であ
り、有機溶剤のみをネオペンチルアルコールに変えた例
である。また、これらの混合方法やスラリー状のコンパ
ウンドの形成方法も実施例１と同様である。この場合に
もチタネート系カップリング剤の効果を調べるために、
添加量を０．０５〜２．０（ｗｔ％）の間でいろいろ変
えて調べた。

【００３１】次に、このコンパウンドを射出成形機を使
用して、予め０℃に冷却した金型に注入し、成形体を作
製した。次いで、昇華工程を経た後、焼結炉で水素雰囲
気中で１０００℃×３時間仮焼結してバインダーを除去
した。さらに、真空中で１３５０℃×３時間焼結して、
図１に示すような形状の重量が約１２００ｇの製品を製
造した。その結果を表３に示すが（Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．
２４）、粉末充填量、焼結品の寸法精度共に高く、実施
例１と比較しても殆ど遜色のないほど良好な結果が得ら
れた。従って、このように有機溶剤を変えても良好な結
果が得られることが判った。

【００３２】（実施例５）実施例５は無機粉末として、
実施例２と同一のステンレス鋼を使用し、また使用した
カップリング剤、有機樹脂も実施例３の場合と同一であ
る。また、これらの混合方法やスラリー状のコンパウン
ドの形成方法も実施例３と同様である。この場合にもカ
ップリング剤の効果を調べるために、添加量を０．０５
〜２．０（ｗｔ％）の間でいろいろ変えて調べた。

【００３３】次に、このコンパウンドを射出成形機を使
用して、予め−２０℃に冷却した金型に注入し、成形体
を作製した。次いで、昇華工程を経た後、焼結炉で水素
雰囲気中で１０００℃×３時間仮焼結してバインダーを
除去した。さらに、真空中で１３５０℃×３時間焼結し
て、図１に示すような形状の重量が約１２００ｇの製品
を製造した。その結果を表３に示すが（Ｎｏ．２５〜Ｎ
ｏ．２９）、粉末充填量、焼結品の寸法精度共に高く、
実施例１と比較しても殆ど遜色のないほど良好な結果が
得られた。従って、このように有機溶剤、カップリング
剤の種類を変えても良い結果が得られることが判った。

【００３４】（実施例６）実施例６は無機粉末として、
実施例１と同一のステンレス鋼を使用し、また使用した
カップリング剤、有機樹脂、有機樹脂も実施例１の場合
と同一であるが、カップリング剤の添加方法を変えた例
である。すなわち、一方で、無機粉末にカップリング剤
を添加して混合したものに、他方で有機溶剤と有機樹脂
を混合したものの両者を混合してスラリー状のコンパウ
ンドを形成する方法を行った。

【００３５】この場合にもカップリング剤の効果を調べ
るために、添加量を０．０５，０．３０，０．５０（ｗ
ｔ％）の３点について調べた。また、以降の焼結品製造
までの製造工程、製造条件は実施例１の場合と同一であ
る。その結果を表４に示すが（Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３
２）、粉末充填量、焼結品の寸法精度共に高く、実施例
１と比較しても殆ど同等の良好な結果が得られた。従っ
て、このようにカップリング剤の添加方法を変えても良
い結果が得られることが判った。

【００３６】

【表４】

【００３７】

【表５】

【００３８】（実施例７）実施例７も無機粉末として、
実施例１と同一のステンレス鋼を使用し、また使用した
カップリング剤、有機樹脂、有機樹脂も実施例１の場合
と同一であるが、カップリング剤の添加方法を変えた例
である。すなわち、無機粉末、有機溶剤、および有機樹
脂の混合物にカップリング剤を添加して混合しスラリー
状のコンパウンドを形成する方法を行った。

【００３９】この場合にもカップリング剤の効果を調べ
るために、添加量を０．０５，０．３０，０．５０（ｗ
ｔ％）の３点について調べた。また、以降の焼結品製造
までの製造工程、製造条件は実施例１の場合と同一であ
る。その結果を表４に示すが（Ｎｏ．３３〜Ｎｏ．３
５）、粉末充填量、焼結品の寸法精度共に高く、実施例
１と比較しても若干低下するが殆ど同程度の良好な結果
が得られた。従って、このようにカップリング剤の添加
方法を変えても良好な結果が得られることが判った。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、焼結原料にカップリン
グ剤を添加して処理するので、中間工程において成形体
の粉末充填量を高めることができ、その後の焼結処理に
より製造した焼結品の寸法精度が高くなる。従って、高
精度な大型の無機焼結体を製造することができるので、
技術的効果、経済的効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の成形体の１例を示した図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工程１−無機粉末、有機溶剤、および有機
   樹脂から構成される焼結体原料の１種または２種以上の
   混合物にカップリング剤を添加して混合し、さらに全体
   を混合して無機粉末の粉末充填量が高いスラリー状コン
   パウンドを形成し、 工程２−前記スラリー状コンパウンドを冷却した金型に
   注入して凍結成形体を形成し、 工程３−前記凍結成形体を真空、減圧または常圧にて昇
   温し、有機溶剤を昇華し、 工程４−前記成形体を焼結することを特徴とする高精度
   な無機焼結体を製造する方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、工程３の後に仮焼結
   を行って、残余バインダーを除去した後に工程４の焼結
   を行う方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、工程２の代わりにス
   ラリー状コンパウンドを常温の金型に注入し、その後冷
   却して凍結成形体を形成する方法。