JPS62283875A - 粒子状材料の焼結体の製造方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野コ 本発明は焼結可能な粒子状材料から機械部品等の焼結体
を製造する方法に関し、特に、焼結体製造の過程で粒子
状材料と結合剤（バインダ）の混合物の成形体（一般に
グリーン・ボディと呼ばれる物）から結合剤を速やかに
除去するとともに結合剤除去中に生成した炭素も速やか
に除去する工程を含む方法に関する。

［従来の技術］ 粒子状材料を成形焼結して機械部品等を製造することは
周知であり、この技術に関する特許文献の例として米国
特許第２．９３９．１９９号（Ｓｔｒｉｖｅｎｓ）　、
第４，０１１，２９１号（ｃｕｒｒｙ）、第４．１９７
，１１６号（Ｗｉｅｃｈ）及び第４，４０４゜１６６号
（Ｗｉｅｃｈ）、英国特許第７７９，２４２号及び第１
，５１６，０７９号並びに欧州特許出願第８１１００２
０９．６号（１９８１年７月２２日公開）が挙げられる
。これらの特許文献は、粒子状材料の焼結体を製造する
に当たって粒子状材料と結合剤の混合物の成形体から結
合剤を除去する方法が徐々に進歩してきたことを示して
いる。

［発明が解決しようとする問題点コ 然し、従来の焼結体製造方法においては焼結前の成形体
（グリーン・ボディ）から結合剤を除去するのに長時間
を要することが問題となっている。

上記のウイーチ（Ｗｉｅｃｈ）特許の焼結体製造方法に
おいては（おそらく他の特許の方法においても）、設備
の容積と比較して被処理成形体の全体積が小さい場合に
は結合剤の除去及び焼結が格別の問題も無く速やかに進
行する。然し、一定容積の炉又は結合剤除去装置で処理
する成形体の全体積が増大するに従って結合剤除去に要
する時間が著しく長くなり、また焼結に要する時間も成
る程度長くなる。また、結合剤が有機物の場合には大き
な比容積で結合剤除去処理をした成形体の内部及び表面
に炭素が析出付着し、その炭素は焼結工程でも除去され
ない。炭素の生成原因は結合剤除去工程及び焼結工程中
に結合剤が熱分解するためと考えられる。被処理成形体
の全体積が増大すると、装置内に存在する水分の量が生
成した炭素の全量と反応してそれを除去するには不足す
ることになり、その結果成形体の内部及び表面に炭素が
残存する。

生成した炭素を焼結が完了するまでに除去することは望
ましいと言うよりはむしろ必要なことである。また、結
合剤除去に要する時間を連綿して作業の効率を向上しコ
ストを低減することも望まれる。なお、成形体から放出
された結合剤及び／又はその分解生成物を補集して装置
からの排出物を減、少することも望ましい。

そこで本発明は、粒子状材料の焼結体を製造する方法の
過程において、焼結前の成形体（グリーン・ボディ）か
ら結合剤を従来の方法による場合よりはるかに速やかに
除去し、装置に対する成形体の比容積が大きい場合に結
合剤除去処理中に生成する炭素も略同時に除去し、更に
成形体から除去した結合剤及び／又はその分解生成物の
補集も可能な方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成する本発明による方法は、焼結可能な
粒子状材料と結合剤を所定の割合で混合して粒子状材料
の粒子の実質的に全表面が結合剤で被覆された混合物と
し、該混合物を所望形状に成形した成形体から成形体の
膨潤及び成形体へのせん断力又は引張り力の作用を伴わ
ずに結合剤を除去した後成形体を焼成する方法であって
、（イ）結合剤の少なくとも一部分の流動点以上の温度
まで成形体を加熱する行程、（ロ）成形体表面の温度が
１００℃以上になった後、成形体の露出した表面に接触
している雰囲気を水蒸気で実質的に飽和させる行程、く
ハ）水蒸気で飽和した雰囲気を成形体に接触させながら
成形体に沿って流動させる行程、（ニ）粒子状材料の焼
結温度より低い所定の水準まで所定の温度一時間曲線に
沿って成形体の温度を上げて、残存する結合剤を成形体
から除去する行程、（ホ）成形体の焼結に遠し々雰囲気
を成形体に接触させる行程、及び（へ）所定の温度一時
間曲線に沿って成形体の温度を更に上げて焼結を達成す
る工程を含むことを特徴とする。

本発明の方法で使用する結合剤は一部分の物でも、流動
温度が異なる少なくとも二成分の混合物でもよいが、後
者の方が好ましい０例えば前記の米国特許第４，４０４
，１６６号に記載さ−れている金属、セラミックス又は
サーメットの微粒子と結合剤を均一に混合し、混合物を
所望形状に成形してグリーン・ボディと呼ばれる成形体
にする。

焼結前にこの成形体から結合剤の好ましくは一部分を除
去するために（結合剤の全量を除去してもよい）、結合
剤除去室内で結合剤の高融点成分の融点又は流動点より
僅かに低い温度まで成形体を加熱する。この操作によっ
て結合剤の低融点成分の蒸発及び熱分解が起こる。温度
は徐々に上げていき、結合剤の侵出に必要な時間所定の
温度を保つようにする。これによって結合剤の全量又は
大部分が成形体から除去される。この操作中に結合剤の
一部が熱分解を起こして遊離炭素が生じると考えられる
。なお、結合剤除去室の温度が１００℃以上、好ましく
は１３０−１４０”Ｃに達した時に室内に水又は水蒸気
を導入する。水を導入する場合は、室内雰囲気の循環通
路を通して該通路内で水蒸気が発生するようにすること
が好ましい。

何れの場合でも室内の水蒸気量を徐々に増加して最終的
には室内雰囲気を水蒸気で実質的に飽和させる。この過
程で、成形体を構成している微粒子の表面に極く少量の
酸化物が生じ、その結果微粒子相互の低度の接合が起り
、低度の相互拡散も起きる可能性がある。前記原因で生
じた炭素は室内雰囲気を実質的に飽和した水蒸気との反
応によって殆ど完全に除去される。多くの場合、この操
作で結合剤の殆ど全量が除去されるが、成形体を構成す
る微粒子は、粒子表面に生じた酸化物が支えとなるので
、まとまった形を保っている。

結合剤の殆ど全量の除去とその後の焼成を別々の加熱室
で行う場合は、上述の操作の後加熱を停止して成形体の
温度を取扱いに支障ない程度まで下げ、その後焼結室内
に移して次に説明する操作を始める。全行程を一つの加
熱室内で行う場合も同じ操作をするが、その場合は結合
剤を殆ど完全に除去した後も成形体を冷却せずに同室内
に保持しておく。

一つの加熱室内で引き続いて焼結も行う方式は、成形体
が容易に還元される酸化物を含まない場合に限って採用
することが好ましい。その場合は引き続き加熱室内に水
を導入しながらアルゴンガスの導入と始める。二つの加
熱室な使う場合は焼結用加熱室にアルゴンガスを導入す
る。何れの場合も、加熱室に導入する水にアルゴンガス
を吹き込むことが好ましい。次いで加熱室の温度を結合
剤の全成分の融点以上まで上げる。その温度で、水蒸気
で実質的に飽和している加熱室内雰囲気に水及びアルゴ
ンの他に水素（好ましい還元剤として）を徐々に導入す
る。その後、成形体を構成する微粒子の焼結温度よりは
低い所定の温度（例えば約７３５℃）まで室内温度を上
げ、その温度を保ちながら室内の水素量を増大し、室内
全雰囲気の約６０容量％を水素が占めるようにするにの
状態を所定時間保つことによって、残存する結合剤の熱
分解で生じる遊離炭素が除去される。残存結合剤の一部
は直接蒸発して放散する。雰囲気の水素量が約６０容量
％に達してからは、水素とアルゴンの混合物を一定の流
量で供給するよう両ガス源を調節する。混合気を循環さ
せない場合は、調量した水素及びアルゴン基れ基れの一
部をガス分析装置に送って両者の比を求め、その比を表
す信号をコンピュータに入力することによってガス混合
比の目標値への制御を連続的に行えばよい、調節可能な
ガス流量規制装置によって、加熱室に入る混合気の量を
制御する。成形体から結合剤が実質的に完全に侵出発散
するまで前記の温度を保ち；その浸水の供給を停止する
０次いで加熱室内温度を成形体材料の焼結温度まで上げ
る６例えば、平均粒径が約３−５ミクロンの鉄−ニッケ
ル系粒子が材料の時には焼結温度が約１２５０℃で、こ
の温度で焼結に要する時間は約１時間である。焼結が完
了すれば加熱を停止して、反応が全く起こらなくなる温
度（例えば約８０℃）又は更に低い温度まで降温する。

その時点で水素及びアルゴンの供給を停止し、加熱室の
扉を開いて焼結体を取り出す。

成形体を構成する粒子状材料が例えばステンレス鋼のよ
うに鉄より反応性が高い物の場合には、上述のように７
３５℃で結合剤の侵出除去を完了した後に粒子表面を金
属状態に還元する必要がある。なお、ステンレス鋼の焼
結体を製造する際は半合金の粒子又は合金成分金属の粒
子の混合物を材料にすることができる。そのような粒子
状材料の成形体の場合には、上記の７３５℃での結合剤
除去処理の浸水の供給を停止して温度を９５０℃まで上
げ、酸化物の完全除去に必要な時間雰囲気の露点を一４
０℃以下に保つ。そのため、加熱室から流出するガスを
露点計で調べる。ステンレス鋼等の反応性材料の場合に
は、加熱室から流出したガスを公知の乾燥剤で脱水して
露点を一４０’Ｃより十分低くしてから循環させること
が好ましい。

この還元処理を終えてから、鉄−ニッケル系粒子につい
て先に説明したと同条件で焼結を行う。その後降温に当
たっては、露点を使用した材料の全成分について加熱室
内雰囲気中は酸素中での露点平衡曲線の還元側に保つよ
うにする。温度は、反応が全く起こらなくなる温度（約
８０℃）又は更に低い温度まで下げる。その後加熱室の
扉を開く。

［実施例コ 以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施例を詳し
く説明する。

本発明の方法で処理、焼結する成形体くグリーン・ボデ
ィ）は先に挙げた特許文献等に記載されている公知の方
法で形成する。

図に示すように、類５内に設置した支持台７の上面に結
合剤吸収体３を置き、その上に粒子状材料と結合剤の混
合物の成形体（グリーン・ボディ）１を置く。吸収体３
を通気性の物にすればその全表面から吸収した結合剤が
蒸発することになる。

炉には空気導入ボート９及び排気ボート１１がある。結
合剤が飽和していない雰囲気を炉内に送るためブロワ−
１３が空気導入ボート９に接続され、炉内を適切に加温
するために温度制御装Ｗ　１７で制御されるヒータ１５
がボート９内にある。成形体１の温度を正確に所望の水
準に保つため、炉内の成形体１の附近に設置した温度セ
ンサ１９の出力信号に制御装置１７が反応するようにし
てもよい。

結合剤が飽和していない空気（又は他の適当なガス）を
送気管の入口２１から取り入れ、その流量を弁２３で制
御する。ブロワ−１３でこの空気をヒータ１５を経て炉
内へ高速で吹き込むことによって炉内が所望の温度に保
たれ、また、成形体１及び吸収体３の周囲に空気の乱流
が生じる。結合剤の蒸気及びその他の化学反応生成物を
含む空気は排気ボート１１を通って炉外に流出する。送
気管に接続する循環ダクト２５によって排出空気の全量
を送気管側に送り、外部から取り入れた空気と混合する
。然し、結合剤及びその他の化学反応生成物を含む排出
空気を大気中に逃がてしてもよい。或いは、適当な凝縮
器で排気空気中の結合剤蒸気を冷却凝縮して結合割分回
収、再使用してもよい（後述する）。

制御装置３３で制御する弁を通して炉５に水素を供給す
るための水素源２９がある。制御装置３３は炉５内の温
度に応じて作動するため前記の温度センサ１９又は別の
温度センサ（図示しない）から信号を受ける。この制御
装置３３で制御する弁３７を逆してアルゴン源３５から
アルゴンを、同装置３３で制御する弁４１を通して水又
は水蒸気源３９から水又は水蒸気を炉５に導入すること
ができる。液相又は気相で炉５に供給された水は排気ボ
ート１１に流れ、液相の場合にはそこで気化する。この
水の温度はボート１１に流入する排気中の結合剤蒸気及
び炉内で起きた反応の生成物の気化温度より低いので、
結合剤及び反応生成物が凝縮する。ブロワ−２７の運転
で生じる負圧が作用するため、凝縮物はボート１１の底
部の排出口４４を経てタンク４５に入る。排気の一部は
別の排出口４３から循環ダクト２５に入り、送気管の入
口２１から入る新鮮な空気と混合又は置換える。弁４２
を閉じて排気の循環を防いでもよい。

Ｋ胤■ユ 粒子状材料として、粒子形状が実質的に球形で平均粒径
が４−７ミクロン、比表面積が３・４１Ｔ１′／ｇのニ
ッケル微粒子（Ｉｎｃｏ　　１２３＝ニツケル粉末）を
使用した。このニッケル微粒子３１５０ｇと結合剤３５
２ｇを混合した。結合剤は多成分系で、約１５０　”Ｃ
で結晶状態から液状に変るポリプロピレン７０ｇ、Ｘｌ
ｔ点約８５℃のカルナウバ・ワックス３５ｇ及び融点的
５０℃のパラフィン２４７ｇから成る物であった。ニッ
ケル微粒子と結合剤をダブル・アーム・ディスパージョ
ン型ミキサーに入れて１７０’Ｃで混合し、結合剤中の
ポリプロピレンが液化して完全に混合した後温度を１５
０℃に下げ、更に３０分間ミキサーの運転を続けた。そ
の結果、均質で適当な粘度のプラスチゾルが得られた。

このプラスチゾルをミキサーから取り出し、１時間放冷
して結合剤を固化させた。

固化した混合物をプラスチック・グラインダで解砕し、
小型の射出成形機で小寸法のリングに成形した。成形し
たリングの総数は９００個であった。

図に示したような実験室用炉内に設置したコージュライ
ト製の台の上にリングを積み重ねた。リング同士の接着
を防ぐためにアルミナ粉末の薄い層を介在させた。取り
入れ口２１から大気を炉内に導入しながら、炉内の温度
を９分間で常温から結合剤の一部が融解する温度（１４
５℃）まで上昇させた。その後２時間を力、）けて温度
を２０５℃まで上げた。この温度は結合剤の最高融点成
分の融点以上なので、結合剤はすべて液化した。この温
度を１時間保持しリング状成形体の結合剤を侵出させた
。その後炉内温度を１３０℃まで下げ、温度センサ１９
からの信号に反応する制御装置３３の作動で弁４１を開
いて水源３つから水を炉内゛に導入した。水は排気ボー
ト１１から循環ダクト２５に流れる排気と接触し、一部
分は水蒸気となって排気と共に循環し、その結果炉内雰
囲気が水蒸気で飽和した。残りの水は約１００℃の温度
になっていたが結合剤蒸気に対しては冷却作用を及ぼし
たので、結合剤蒸気は凝縮して水と共に排出口４４から
回収タンク４５に流入した。ブロワ−２７の運転でタン
ク内に生じた負圧が排出口４４を経てダクト２５に伝わ
ったので、新鮮な空気が取り入れ口２１から吸入された
。

その後、５時間をかけて炉内温度を２０５℃まで上げた
９次いで弁２３を閉じて空気の導入を止め、弁３７を開
いて炉内の空気をアルゴンで置換し、その後循環弁４２
を閉じた。その後、４時間をかけて炉内温度を７３５℃
まで上げた。温度が３７０℃に達した時に弁３１を開い
て水素源２９から炉内に水素の導入を始めた。７３５℃
の温度を２時間保ち、その間に炉内雰囲気中の水素量を
６０容量％まで増大した。結合剤の分解で生じた炭素は
この時点までにすべて一酸化炭素及びメタンに変わった
はずなので、弁４１を閉じて水の供給を止めた。炉内に
は多量の水素が存在したので炉内雰囲気は還元性になっ
ていた。そのためリング状成形体のニッケル微粒子の酸
化された表面は還元され、新たに酸化物が生じることは
なかった。

その後、４時間をかけて炉内温度を１２５０℃まで上げ
てリング状成形体を焼結した。その後は加温を止めて炉
を閉じたままにし、温度が８０℃まで下がった時に弁３
１及び３７を閉じてアルゴン及び水素の供給を止め、弁
４３も閉じて空気の炉内への逆流を防いだ、その後炉の
扉を開いた。

炉内のリング状焼結体を検査したところ、完全に焼結し
ていて内部にも表面にも炭素が存在しないことが確認さ
れた。また、炉の内部、にも答弁及び配管にも結合剤又
はその残液の付着は認められなかった。

ルｊ齋ｌよ 実施例１と同じ操作を行ったが、弁４１を初めから終り
まで閉じたままにして、炉内に水又は水蒸気を導入しな
かった。焼結工程の完了後にリング状焼結体を検査した
ところ、表面にも内部にも多量の炭素が存在していた。

なお、焼結体は変形していた。

及１男ユ 実施例１における３１５０ｇのニッケル微粒子の代りに
、同じニッケル微粒子１５７５ｇと粒子形状が実質的に
球形で平均粒径が４−６ミクロンの鉄微粒子１５７５ｇ
の混合物を使った。材料に関するこの変更を除いて、実
施例１と全く同じ操作を行った。結果は実施例１の場合
と同じであった。

比３目肌ｌ 実施例２で使った混合微粒子を使って比較例１と全く同
じ操作を行った。結果は比較例１の場合と同じであった
。

尺土■旦 実施例１における３１５０ｇのニッケル微粒子の代わり
に、平均粒径が０．２−０．３ミクロンの酸化アルミニ
ウム微粒子３１５０ｇを使用して、実施例１と同じ操作
を行った。但し、焼結温度は１５６０℃とし、炉内に水
素は導入しなかった。

結果は実施例１の場合と同じであった。

止遺目吐ユ 実施例３で使用のアルミナ微粒子を使って比較例１と同
じ操作を行った。但し、焼結条件は実施例３の場合と同
じにした。結果は比較例１の場合と同じであった。

本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく
、材料及び各工程について更に多様な変更が可能な事は
言うまでもない。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明の方法によれば、
成形体（グリーン・ボディ）の体積が同等の場合、成形
体から結合剤を除去するのに要する時間が従来の方法に
よるよりも大福に短縮され、従来の方法による所要時間
の約１／１０になる場合もある。更に、焼結に要する時
間も幾分短縮され、炭素を含まない焼結体が得られる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に使用する結合剤除去装置の構成
を示す概略図である。 図中、１は成形体、３は結合剤吸収体、５は炉、９は空
気導入ボート、１１は排気ボート、１３はブロワ−１１
５は辷−夕、１７は温度制御装置、２５は循環ダクト、
２７はブロワ−１２９は水素源、３３は弁制御装置、３
うはアルゴン源、３９は水源、４５は回収タンクである
。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結可能な粒子状材料と結合剤を所定の割合で混
   合して粒子状材料の粒子の実質的に全表面が結合剤で被
   覆された混合物とし、該混合物を所望形状に成形した成
   形体から、該成形体の膨潤及び該成形体へのせん断力又
   は引張り力の作用を伴わず、前記結合剤を除去した後成
   形体を焼成する方法であって、 （イ）前記結合剤の少くとも一部分の流動点以上の温度
   まで前記混合物の前記成形体を加熱する工程、 （ロ）前記成形体表面の温度が１００℃以上になつた後
   、前記成形体の露出した表面に接触している雰囲気を水
   蒸気で実質的に飽和させる工程、 （ハ）水蒸気で飽和した前記雰囲気を前記成形体に接触
   させながら前記成形体に沿って流動させる工程、 （ニ）前記粒子状材料の焼結温度より低い所定の水準ま
   で所定の温度−時間曲線に沿って前記成形体の温度を上
   げて、残存する結合剤を成形体から除去する工程、 （ホ）前記成形体の焼結に適した雰囲気を前記成形体に
   接触させる工程、及び （ヘ）所定の温度−時間曲線に沿って前記成形体の温度
   を更に上げて焼結を達成する工程を含むことを特徴とす
   る焼結体の製造方法。
2. （２）前記粒子状材料が金属及び／又はサーメットであ
   って、工程（ニ）において還元性雰囲気を前記成形体の
   露出した表面に接触させる特許請求の範囲第１項に記載
   の方法。
3. （３）工程（ロ）における前記雰囲気が空気を含み、工
   程（ロ）における前記温度を約１３０−１４０℃にする
   特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
4. （４）工程（ホ）における前記雰囲気に還元剤を加える
   特許請求の範囲第２項又は第３項に記載の方法。
5. （５）工程（ロ）における前記還元性雰囲気が水素であ
   る特許請求の範囲第２項又は第３項に記載の方法。
6. （６）工程（ホ）における前記還元剤が水素である特許
   請求の範囲第４項に記載の方法。
7. （７）工程（イ）において前記成形体を内部雰囲気が空
   気である加熱室内に静置して加熱する特許請求の範囲第
   １項に記載の方法。
8. （８）前記粒子状材料が金属及び／又はサーメットであ
   って、工程（ニ）において還元性雰囲気を前記成形体の
   露出した表面に接触させる特許請求の範囲第７項に記載
   の方法。
9. （９）工程（ニ）における前記還元性雰囲気が水素であ
   る特許請求の範囲第８項に記載の方法。
10. （１０）工程（ニ）における前記還元性雰囲気が約６０
    容量％の水素を含む特許請求の範囲第８項に記載の方法
    。
11. （１１）工程（ヘ）を還元性雰囲中で行う特許請求の範
    囲第８項に記載の方法。
12. （１２）工程（ヘ）における前記還元性雰囲気が水素で
    ある特許請求の範囲第１１項に記載の方法。
13. （１３）工程（ヘ）における前記還元性雰囲気が約６０
    容量％の水素を含む特許請求の範囲第１１項に記載の方
    法。