JPS63290206A - 金型製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、粉末成形体による金型製造方法に係り、プラ
スチック射出成形用、真空成形用、プレス成形用、プロ
ー成形用等の金型に利用される。

（従来の技術） 金型製造方法として、切削、彫刻などの機械加工によっ
て複雑な製品反転形状を作り出す方法（従来例の１）と
、模擬的に作られた製品相似形状型に金属（例えばアル
ミの溶湯など）をかぶせて形状を反転させて作り出す方
法（従来例の２）が一般に採用されている。

従来例の１は、金型材としての制約は少ないことから、
目的の強度に合致した金型材料を選ぶことができ、この
ため、金型としての特性は満足できる。

しかし、非常に手間がかかり種々の機械加工工程を必要
とすることから、コストが異常に高い欠点がある（およ
そ、トータルコスト中に占める材料費対加工費の比は１
：９位となる）。

従来例の２は、機械加工工程が少なくて済むことから生
産コストはおさえることはできるものの、アルミ精鋳に
よる金型製造法で代表されるように、溶湯金属を固めて
型とすることから、金型素材に制約を受け、金型物性（
使用目的に合致した金型に要求される特性に対する完全
型の特性）が低下するという問題がある。

すなわち、従来例の１と従来例の２はそれぞれ一長一短
がある。

そこで、発明者は、先に提案した技術（特開昭６１−１
０４０５号公報）を、金型製造に利用することを知見し
、種々の実験を重ねた。

この提案技術は、焼結用粉末とバインダと水又は有機溶
剤とから構成されたスラリーを、型内面の少なくとも一
部にポーラス体を備えた成形型に注入すると共に加圧し
、スラリー中の液分をポーラス体を介して絞り出して所
期の形状に成形する方法である。すなわち、この方法は
成形型内面の一部を構成するポーラス面からスラリー中
の液分を脱液する方法であり、以下、面脱液法という。

面脱液法は、焼結用粉末を有するスラリーが流動性に富
んでいるため、低圧１０００１００Ｏ／ｃｊ以下、特に
２００ｋｇ、ｆ／ｃＪ以下で所期の形状に成形すること
ができ、また複雑形状でも容易に成形することができる
という利点がある。

また、面脱液法と同じ考え方のスラリー脱液法として、
本発明者等は線脱液法を開発するのに成功した。

すなわち、スリット幅Ｓが焼結用金属粉末の平均粒子径
をｄとしたとき、１０μｍ≦Ｓ≦３ｄとされた線状のス
リットを有する成形型内に仕込み、該成形型に、焼結用
金属粉末に有機バインダおよび水又は有機溶剤を添加混
合してなるスラリーを注入して加圧し、スラリー中の液
分をスリットから排出して粉末同士が接触しかつ有機バ
インダを介して固形化した金属粉末成形体を作成する技
術であり、この線脱液法も、２００ｋｇ、ｆ／ｃｏ！以
下の低圧で所期の形状に成形できる。

また、粉末の低圧成形法としては、従来、スリップキャ
スティング、ドクターブレード法等がある。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、叙述の技術のいずれにおいても、低圧である
ため、成形時のグリーン体（成形体）の田圧力Ｍ代（、
最基冬密度七面めるために、焼不吉惟のよい粉末を用い
焼結時に密度を高める必要がある。

従って、成形時と焼結後の密度差が大きく、つまり、寸
法変化が大きくなり、このため、寸法精度を高めるため
に、粉末ロットのバラツキ、成形条件等を管理しつつグ
リーン体密度の均一性を図ることとなり、これは、多大
な努力が必要となる。

逆に、叙述の技術で寸法精度を得るには焼結時に密度を
上げずに寸法変化を抑えることにより可能であるが、当
然この場合最終密度は低くなる。

−ａに、粉末焼結晶の特性は粉末組成のみによらず密度
に大きく左右される。つまり密度の低下とともに強度は
減少し、組成の影響は低密度域になる程小さくなる。

例えば６０％密度域では、低合金鋼組成においても強度
はわずか数ｋｇ　／　ｍｍ　”程度となってしまい、こ
れでは、金型として不向である′。

前述の高密度焼成品を得る為、焼成時に寸法変化を大き
くとる方法においてつくられた金型では、グリーン密度
のバラツキが焼結後も問題となり、例えば同一グリーン
内の場所による密度のバラツキにより、焼成後の金型に
は反り、割れの欠陥が認められた。従ってこの様な金型
は、グリーン密度の均一性を追求したとしてもおのずと
寸法精度にも限界が生ずる。又、この際、用いねばなら
ない焼結性の良い粉末とは、例えば金属粉末の場合は微
粉末であり、コス（・高の要因にもなる。又、焼結時に
収縮量をおさえた金型では、寸法精度は高いが、高強度
が得られず、例えばプラスチック成形の主流である射出
成形の様な高圧成形型には適用できなかった。

本発明は、スラリー脱液法（面脱液、！ｆＩＡ脱液も含
む）でグリーン体（成形体）を得、これを焼結すること
により金型とする方法であって、特に、焼結用金属粉末
を、粗粒子粉末（大径粉末）と微粒子粉末（小径粉末）
を混合したものを用いることにより、叙述の問題点を解
決することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明が、叙述の目的を達成するために講じた技術的手
段は次の通りである。

すなわち、本発明は焼結用金属粉末と有機バインダと水
又は有機溶剤とが混合されたスラリーを、成形型に注入
して加圧し、スラリー中の液分を脱液し、粉体同士を接
触させると共にバインダを介して固形化した成形体を得
るとともに、該成形体を焼結して金型とする方法であり
、 成形後と焼結後の寸法変化率を５％以内に抑えかつ金型
密度を８０％以上とするため、焼結用金属粉末として、
平均粗粒子粉末に、２０％〜７０％の平均微粒子粉末を
配合したものを用い、焼結条件を制御することを特徴と
する金型製造方法である。

（作　用） 成形型に注入されたスラリー中の液分は、スラリーの加
圧によっ゛ζ成形型から絞り出される。

スラリー中の液分が充分脱液されると、スラリー中の粉
末同士は接触し、バインダーを介して固形化され、所期
の粉末成形体が得られる。

この場合、スラリー中の金属粉末は、粗粒子粉末と微粒
子粉末とを所定の割合で添加した混合金属粉末であり、
これにより微粉末を含まない場合に比べて粉末の充填密
度が高まり、その結果グリーン密度を高める事が可能と
なる。

この粉末成形体（グリーン体）を焼結すると金型として
充分な相対密度とされた金型要素が作成され、この金型
要素により、内部に製品形状と相似形のキャビティを有
する金型が得られる。

この場合、微粉末が一種の焼結助剤的な役目を果し、微
粉末を含まない場合は焼結しない様な際にも、その配合
割合に応じて焼結を促進させ、焼結後の密度を高くする
ことができる。

従って、グリーン密度と最終密度の差を小さくすること
ができ、かつ高密度の金型を得ることが可能となる。

又、高価な微粉末の使用量が少なくて済み、例えば微粉
末に純Ｆ４粉末を用いた場合、所望とする型材組成を有
する粗粉末のみでＦｅ系のあらゆる種類の金型の製造が
可能となる。

（実施例） まず、本発明に使用するスラリーについて説明する。

スラリーは、焼結用金属粉末と有機バインダと水又はア
ルコール等の有機溶剤とが混合されて形成されたもので
ある。

焼結用金属粉末としては、ガスアトマイズ法、水アトマ
イズ法、粉砕法等によって作られた各種金属粉末（Ｆｅ
、ハイス、ステンレス鋼、アルミ等）の１種類、２種類
以上の混合粉末を使用することができる。また、この金
属粉末に、セラミック粉末、これらの混合粉末もしくは
これらと各種強化繊維の混合粉末を使用することができ
る。強化繊維としては、炭素繊維、ボロン繊維、セラミ
ック（ＳｉＣ＋　Ｎｚ０ｙ等）ウィスカ等を例示するこ
とができる。

また、金属粉末は、粗粉末に、２０％〜７０％の微粉末
を配合したものが用いられる。

ここで、微粉末を２０％未満にすると、グリーン体の相
対密度はある程度まであげられるけれども、これを焼結
したとき、焼結体の相対密度を８０％以上にできないか
らである。また、微粉末を７０％以上にすると、グリー
ン体と焼結体との収縮率を５％以内に抑えることができ
ず、寸法公差が大になりすぎるからである。

前記粉末に添加される有機バインダとしては、スラリー
液分である水又は有機溶剤に溶けるものを使用する０例
えば、アクリル樹脂系、酢酸セルロース系、熱硬化性樹
脂系のものを使用することができ、アクリル樹脂系バイ
ンダの具体例として商品名「バインドセラムＷＡ３２０
Ｊ　（三井東圧製）を例示することができる。

スラリーの組成は、使用する焼結用金属粉末の粒径によ
っても異なるが、概ね、金属粉末１００重量部に対して
バインダ２〜５重量部、水又は有機溶剤８〜４０重量部
程度である。

次に、本発明に使用する成形型のひとつの例として、線
脱液法に用いるものについて説明する。

この成形型として、焼結用金属粉末の平均粒子径をｄと
したとき、スリットの幅ＳがｌＯμｍ≦Ｓ≦３ｄとされ
たｉｔのスリットが形成されたものが使用される。型の
材質としては、鋼材や合金鋼材等の通常の金型材を使用
すればよく、特殊な材料は不要である。

スリット幅Ｓを１０μｍ以上とするのは、１０μｍ未満
のスリットを形成することは、通常の工業的機械的加工
手段では困難であり、またコスト高の要因となるからで
ある。

一方、Ｓが３ｄ以下に制限されるのは、３ｄを越えると
金属粉末がスリットから流出し成形困難乃至不可能にな
るからである。

ここで、Ｓが３ｄまで開設可能な理由については次のよ
うに考えられる。第６図に示すように、成形型１内に注
入されたスラリー中の金属粉末２は、その粒子径がＳよ
り小さい場合、加圧によって、成形型ｌに形成されたス
リット３から流出しようとする。ところが、この際、粒
子２はスリット３の入口部乃至中途部でブリッジを組む
ことになる。

このとき、Ｓ＝αｄとした場合、α値を１から増すとα
＝３までは容易に粉末がブリッジを組み、粒子の流出が
阻止されるが、α＝４以上になると、ブリフジが形成さ
れ難く、粒子はスリットから流／　す？　ｚ　ｉマ　−
）４／Ｉ　　　　、ｊ　二　、１１　　Ｊ−１◆↓　★
、　ノ　４２　１Ａ　　　　＠　ｎ　ｈｌ　ｔ１←う出
する結果となる。

成形型の具体例を第５図に示す。

第５図の成形型１は、外型４の内部底面に、製品相似形
状の転写面５Ａを有するモデル５が設けられ、外型４の
上部開口には加圧プランジャ６が嵌合されている。

更に、外型４は縦方向に適宜分割されており、対向する
分割面相互間にスリット幅Ｓを１０μｍ≦Ｓ≦３ｄとさ
れたスリット３が形成され、また、加圧プランジャ６と
外型４の型面との間にも同様にスリットが形成され、こ
れらのスリット３は、成形室から見れば線状となってい
る。

なお、第５図において、７はスラリーであり、モデル５
を仕込んだ成形室に注入充填されている。

また、８はヒーターであり、必要に応じて設けられる。

次に、第１図を参照して、５０龍Φの粉末成形体におけ
る焼結時の径方向の寸法収縮率と径方向での寸法のバラ
ツキの関係を説明する。

第１図でも明らかなように、寸法収縮率が太きＸ／番９
ｖ−ノ４ムλｌ）７ノ丁レム八８＼ｌふワｓ　ｌｊｌ乃
朕享１０においてはバラツキは１％にもおよぶ。一方寸
性収縮率５％以内では寸法公差は０．４％以内に抑えら
れ、一般プラスチック成形品の成形に際しては十分な精
度を有するものと考えられる。

又、最終密度を８０％以上にする事により強度、硬度、
延性等の機械的特性が向上することは勿論、熱伝導率が
高まり、金型としてプラスチックの成形サイクルを高め
る事が可能となる。又、表面空孔のサイズ、量ともに減
少し、表面荒さ、鏡面加工性、シボ加工性が低密度品に
比べて改善され金型としての適用範囲が広くなる。

以下に本発明の実施例を示す。

（実施例１） 金型材質としてはＦｅ−Ｃ−Ｃｕの組成を選び、Ｆｅ　
−Ｃ粗粒粉末（平均粒径１００μｍ）と純Ｆｅ微粉末（
平均粒径５μｍ）を７：３の割合で混合したものにＣｕ
粉を加え、所定の組成としブレンダーで混合後、結合剤
、流動剤を加えニーダにて混練し、成形原料とした。

次にこの成形原料をあらかじめマスターモデルをセット
した割型に注型し、プランジャを介して約１３０ｋｇ、
ｆ／ｃ＋ｊの加圧を加え、割型のフリアランスより脱液
すると同時に粉末の成形を行った。その後１５０℃で乾
燥後、１３００℃にて焼結を行い、金型キャビティを製
造した。

このときの成形時、焼結後の寸法測定結果は平均寸法収
縮率４．５％で寸法公差は０．５％であった。

又、焼結後の密度は８０．５％であり、引張強度３２ｋ
ｇ　／　４■２、硬度ＨＢ１７０を得ることができた。

（実施例２） 第２図に金型材料として、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕの組成を選び
、Ｆｅ−Ｃ粗粉末（平均粒径１００μｍ）と微粉末とし
て純Ｆｅ微粉末（平均粒径５μｍ）を組合せた際のグリ
ーン密度、焼結体密度（１０００”Ｃ１１１２０’ｃ、
１３００℃焼結時）のｐ　Ｆ　ｅ　微粉末配合率による
変化を示す。

従来方法による微粉末のみを用いて焼結時に密度を上げ
る方法によると、焼結後の密度８０％以上を得る為には
焼結温度を１０００℃以上に設定し、密度変化２７％以
上、寸法変化にして１０％の収縮をともなうことになる
。

一方、本方法でのＦｅ−Ｃ粗粉末のみでは焼結現象は１
３００℃になっても進まず、高密度化は図れない。

そこで、純Ｆｅ微粉末を添加していくと、微粉末が添加
されたことにより、粉末系の充填性が上がり３０％添加
により、グリーン密度は最大７０％まで向上させること
ができた。一方、焼結現象も微粉末の添加量に応じて促
進され、焼結後の密度８０％以上を得るには、１１２０
℃焼結では４５％以上、１３００℃焼結では２５％以上
の純Ｆｅ微粉末を添加する事により可能となる。

従って、以上の結果より、焼結時の寸法変化を５％まで
に抑え（密度変化にして１３．３％）かつ焼結後の密度
８０％以上を得るには、純Ｆｅ微粉末を２５〜３０％添
加し、１３００℃にて焼結することがわかる。

（実施例３） 第３図に、ハイス粉末（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ　−Ｖ　
−Ｇｏ）と微粉末として純Ｆｅ微粉末を組合せた際のグ
リーン密度、焼結体密度（１２００℃Ｘ　１　ｈｒ、　
１２ｈｒ。

２４ｈｒ焼結時）の純Ｆｅ微粉未配合率による変化を示
す。

図から明らかな様に、焼結時の寸法変化５％以下、焼結
後の密度８０％を得るには、純Ｆｅ微粉末３０％配合に
て１２００℃Ｘ　２４ｈｒの焼結処理、又は純Ｆｅ徽末
５０％配合にて１２００℃Ｘ１２ｈｒの焼結処理すれば
よいことがわかる。

（実施例４） 第４図に粗粒粉末と同一組成の微粉末の組合せの実施例
として、２８メツシユアンダー、６０メソシユオーバの
粗粒ハイス粉末と３５０メツシユアンダーの微粒ハイス
粉末を組合せた際のグリーン密度、焼結体密度の微粉末
配合割合による変化を示す。

この結果より、微粉末４０〜５０％配合にて１２００”
ＣＸ　２４ｈｒ焼結処理すると所定の金型を得ることが
できる。

尚、上記グリーン密度は用いる粉末の形状・粒度分布に
より異なり、微粉末の配合割合、又、粉末組成により異
なる焼結温度については適当に選択すべき事は勿論であ
る。

また、実施例２．３．４については実施例１と同じく線
脱液法によって、グリーン体を成形したものである。

なお、グリーン体の成形として、線脱液法を採用すると
、成形型にスラリーを注入して加圧し、スラリー中の液
分を前記スリットから排出して脱液することにより、表
面性状が良好でかつ粉末同士が接触した粉末成形体を容
易に得ることができ、また成形型からの取り出しも容易
となる等の利点は有するものの、本発明においては、面
脱液法に従うこともできる。

（発明の効果） 以上説明した通り、本発明によれば、成形型に、焼結用
金属粉末を有機バインダおよび水又は有機溶剤を添加混
合してなるスラリーを注入して加圧し、スラリー中の液
分を排出して粉末同士が接触しかつ有機バインダを介し
て固形化した金属粉末成形体を作成し、これを焼結処理
して金型とするものであるから、金型のコスト（原料、
製造など全てを含むコスト）は従来の金属切削金型のコ
ストに比べて大幅に低減できる。

更に、多数個取り金型を作る時に本発明ではその単位の
１個分を沢山作ってこれを組合せて多数個取り金型とす
ることができ、金属ブロックから切削しなければならな
い従来例の１と比べて大幅にコストダウンした。

また、金型寿命から複数個金型を作って製品を製造しな
くてはならない場合には、反転モデルを再度作る必要が
なくこれもコストダウンとなった。

更に、従来例の２に比較して、金型材料は、制約を受け
ることがなく、焼結後において金型特性としての必要な
密度にできる。

特に、成形後と焼結後の寸法変化を５％以内に抑えかつ
最終金型密度を８０％以上にすることが粗粒子粉末に微
粒子粉末を３０〜７０％配合することによって可能とな
り、このように、金属粉末として微粉末をある割合で添
加するものであるから、微粉末を含まない場合に比べて
粉末の充填密度が高まり、その結果グリーン密度を高め
る事が可能となる。又、微粉末が一種の焼結助剤的な役
目を果し、微粉末を含まない場合は焼結しない様な際に
も、その配合割合に応じて焼結を促進させ、焼結後の密
度を高くすることができる。

従って、グリーン密度と最終密度の差を小さくすること
ができ、かつ高密度の金型を得ることが可能となる。

又、高価な微粉末の使用量が少なくて済み、例えば微粉
末に純Ｆｅ微粉末を用いた場合、所望とする型材組成を
有する粗粉末のみでＦｅ系のあらゆる種類の金型の製造
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は寸法変化率と寸法公差を示す説明図、第２図か
ら第４図は微粉末と相対密度の関係を示すグラフ、第５
図は本発明を実施するための成形型の断面図、第６図（
１）、（２）はスリット近傍における粉末のブリッジ形
成状態を示す断面説明図である。 １・・・成形型、６・・・プランジャ。 第１図　　　　　７００１ す！ 、を仔４１メｑ＋ｊ＋ｉＪ＋ｌ欲？（１］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結用金属粉末と有機バインダと水又は有機溶剤
   とが混合されたスラリーを、成形型に注入して加圧し、
   スラリー中の液分を脱液し、粉体同士を接触させると共
   にバインダを介して固形化した成形体を得るとともに、
   該成形体を焼結して金型とする方法であり、 成形後と焼結後の寸法変化率を５％以内に抑えかつ金型
   密度を８０％以上とするため、焼結用金属粉末として、
   平均粗粒子粉末に、２０％〜７０％の平均微粒子粉末を
   配合したものを用い、焼結条件を制御することを特徴と
   する金型製造方法。