(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形時に溶融するバインダと焼結可能な粉体材料と空孔形成材料とを含む焼結成形材料を、上記バインダが溶融するとともに上記空孔形成材料が軟化しない温度で加熱混練して成形用ペレットを形成するペレット形成工程と、
上記ペレット形成工程において形成されたペレットを、上記バインダが溶融するとともに上記空孔形成材の形状が変化しない温度で所定形状に成形する加熱成形工程と、
上記加熱成形工程において得られる成形体から上記バインダを除去する脱脂工程と、
上記脱脂工程を終えた脱脂成形体を焼結して焼結体を形成する焼結工程とを含み、
上記バインダは、上記ペレット形成工程及び上記加熱成形工程における温度で溶融するとともに、上記空孔形成材料の消失温度より高い温度で消失する成分を含んで構成されており、
上記脱脂工程において、上記空孔形成材料が消失を開始するまでに、上記バインダ成分の０．１容量％から５．０容量％を消失させる一方、
上記バインダの一部を残留させた状態で上記空孔形成材料を消失させる、多孔質焼結体の製造方法。
【請求項２】
上記バインダは、上記空孔形成材料の消失温度より低い温度で消失を開始するとともに上記空孔形成材料の消失温度より低い脱脂温度で消失する低温度消失成分と、
上記空孔形成材料の消失開始温度より高い温度で消失を開始するとともに、上記空孔形成材料の消失温度より高い脱脂温度で消失する高温度消失成分とを含んで構成されており、
上記脱脂工程は、
上記低温度消失成分が消失を開始して上記空孔形成材料が消失を開始するまでの第１の脱脂工程と、
上記空孔形成材料が消失するまでの第２の脱脂工程と、
上記高温度消失成分が消失するまでの第３の脱脂工程とを含む、請求項１に記載の多孔質成形体の製造方法。
【請求項３】
上記第２の脱脂工程において、上記空孔形成材料を、上記低温度消失成分が消失して形成された隙間ないし上記高温度消失成分の一部が消失して形成された隙間を介して消失させる、請求項２に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項４】
上記空孔形成材料が消失したとき、上記バインダ成分の５容量％から４０容量％を残留させるように構成した、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項５】
上記高温度消失成分は、成形時に溶融するとともに消失温度が異なる少なくとも２以上のバインダ成分を含んで構成されており、
上記第３の脱脂工程は、これら消失温度が異なるバインダ成分を順次消失させることにより行われる、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項６】
上記第２の脱脂工程を終了した中間脱脂体に中間加工を行う中間加工工程を含む、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項７】
連続した空孔を備える多孔質焼結体の製造方法であって、
上記第２の脱脂工程を終了した中間脱脂体の上記空孔の一部又は全部に、所定の付加材料を充填する付加材料充填工程を含む、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項８】
上記付加材料充填工程を終えた後に上記第３の脱脂工程及び焼結工程を行い、上記付加材料を上記空孔内面の焼結材料に一体的に焼結する、請求項７に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項９】
上記付加材料充填工程を終えた後に上記第３の脱脂工程及び焼結工程を行い、上記付加材料を上記空孔内に遊動可能に保持させる、請求項７に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項１０】
上記空孔形成材料の配合割合を、上記焼結成形材料の５０〜８０容量％に設定した、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の多孔質焼結成形体の製造方法。
【請求項１１】
上記成形工程が射出成形によって行われる請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の多孔質焼結体の製造方法。
【請求項１２】
成形時に溶融するバインダと焼結可能な粉体材料と空孔形成材料とを含み、加熱成形工程において所定形状に成形され、脱脂工程において上記バインダが除去され、焼結工程において上記粉体材料が焼結される加熱成形用焼結成形材料であって、
上記バインダは、上記加熱成形工程において溶融するとともに、上記空孔形成材料の消失温度より低い温度で消失を開始し、上記空孔形成材料が消失する温度より低い温度で消失する低温度消失成分と、
上記加熱成形工程において溶融するとともに上記空孔形成材料が消失を開始した後に消失を開始し、上記空孔形成材料より高い温度で消失する高温度消失成分とを含み、
上記脱脂工程において、上記空孔形成材料が消失を開始するまでに、上記バインダ成分の０．１容量％から５．０容量％が消失するように構成された、加熱成形用多孔質焼結成形材料。
【請求項１３】
上記バインダは、低温度消失成分を４０容量％〜７０容量％含んで構成される、請求項１２に記載の加熱成形用多孔質焼結成形材料。
【請求項１４】
上記高温度消失成分は、上記空孔形成材料が消失した後に、異なる消失温度で消失する少なくとも２以上のバインダ成分を含んで構成される、請求項１２又は請求項１３に記載の加熱成形用多孔質焼結成形材料。
【請求項１５】
上記空孔形成材料を、焼結成形材料の５０〜８０容量％含んで構成される請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の加熱成形用多孔質焼結成形材料。
【請求項１６】
請求項７又は請求項９に記載された多孔質焼結体の製造方法によって製造された多孔質焼結成形体であって、
上記付加材料が、上記焼結体の焼結温度では焼結しない粉体状材料である、多孔質焼結体。
【請求項１７】
上記粉体状材料が上記空孔内で遊動可能に保持されている、請求項１６に記載の多孔質焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、多孔質焼結体の製造方法、多孔質焼結成形材料及び多孔質焼結体に関する。詳しくは、空孔率の高い多孔質焼結体を精度高く形成できる多孔質焼結体の製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内部に多数の空孔を備える多孔質焼結体からなる製品が提供されている。これら製品として、フィルター、化学反応触媒、電極、熱交換器等が挙げられる。また、上記空孔に潤滑油等を保持させることにより、軸受材料として利用されるものも提供されている。【０００３】
上記多孔質焼結体を製造する方法として、鋳造法、発泡法、メッキ法等が知られている。また、粉体状の焼結材料と加熱により消失する空孔形成材料とを混合して成形し、その後、加熱により空孔形成材料を消失させて空孔を形成し、次いで上記焼結材料を加熱焼結させて多孔質焼結体を形成するスペースホルダー法も利用されている。【０００４】
たとえば、特開２００１−２２７１１０１号公報には、スペースホルダー法を利用した焼結体の製造方法が開示されている。【０００５】
上記特許文献には、原料粉末と、有機バインダーと、上記有機バインダーの分解開始温度より高い分解開始温度を有する空孔形成材料とを含む組成物を用いて成形体を成形する工程と、上記有機バインダーを除去し、第１の脱脂体を得る第１の脱脂工程と、上記空孔形成材料を除去し、第２の脱脂体を得る第２の脱脂工程と、上記第２の脱脂体を焼結して焼結体を得る工程とを有することを特徴とする焼結体の製造方法が開示されている。【０００６】
上記特許文献１に記載された発明においては、上記有機バインダーを先に消失させることにより、上記空孔形成材料を消失させる経路を確保できると記載されている。【０００７】
上記特許文献に記載されている焼結体の製造方法においては、まず、第１の脱脂工程において、バインダーの大部分が消失させられる。次いで、第１の脱脂体をさらに加熱することにより、上記空孔形成材料を消失させる。したがって、上記空孔形成材料が消失する時点ではバインダーは全く存在しないことになる。【０００８】
ところが、上記空孔形成材料は、一般に、上記バインダや焼結材料粒子に比べて寸法が大きい。一方、脱脂前の成形体においては、上記焼結材料粒子やバインダは、上記空孔形成材料の周囲を取り囲むように充填されている。すなわち、上記特許文献に記載された発明では、バインダが消失した後においては、上記焼結材料粒子は上記空孔形成材料に支持された状態で、上記空孔形成材料の周囲に存在している。この状態から、上記空孔形成材料を消失させると、上記空孔形成材料の周囲の焼結材料粒子が上記空孔形成材料が消失した空間内に落ち込んだり、空孔間の壁部が変形しやすい。この結果、脱脂工程において成形体が変形しやすく、所要の寸法・形状の焼結体を得ることが困難である。【０００９】
特に、空孔率の高い多孔質体を製作する場合、上記空孔周囲の焼結材料粒子からなる壁部が薄くなり、脱脂工程において変形等が生じて、所要の形状や大きさをもった空孔を形成することが困難になる。さらに、所望の空孔率の焼結体を得ることもできなくなる。この結果、上記特許文献では、５０％以上の空孔率の多孔質焼結体を形成することはできない。【００１０】
また、触媒等の機能をもった機能性粒子材料を焼結材料に混合して成形、焼結し、新たな機能を付加した多孔質焼結体が開発されてる。しかし、機能性粒子材料を混合した焼結材料を焼結して生成される焼結体では、上記機能性粒子材料の一部しか空孔内表面に露出させることは困難である。このため、機能性材粒子材料の配合量に見合う効果を発揮させることができなかった。したがって、上記機能生粒子材料の効果を発揮させるには、多量の機能性粒子材料が必要となり、たとえば、白金等の高価な材料を採用することは困難であった。【００１１】
さらに、多孔質焼結体を形成した後に、機能性材料を空孔に充填することも考えられる。しかし、空孔率が小さいと焼結体に充填できる機能生材料の量も限られる。また、空孔の大きさを大きくしないと粒子状の機能生材料を焼結後に充填するのは困難であり、充填できる材料も限られる。また、空孔形成後、焼結前に充填することも考えられるが、上記特許文献に記載されている従来の多孔質成形体では、空孔成形後の成形体の強度が低いため、充填加工は不可能である。
【発明の開示】
【００１２】
本願発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、脱脂工程における上記問題を解決して、精度の高い多孔質焼結体を製造できるとともに、従来にない機能をもった多孔質焼結体を製造できる。
【００１３】
本願の請求項１に記載した発明は、成形時に溶融するバインダと焼結可能な粉体材料と空孔形成材料とを含む焼結成形材料を、上記バインダが溶融するとともに上記空孔形成材料が軟化しない温度で加熱混練して成形用ペレットを形成するペレット形成工程と、上記ペレット形成工程において形成されたペレットを、上記バインダが溶融するとともに上記空孔形成材の形状が変化しない温度で所定形状に成形する加熱成形工程と、上記加熱成形工程において得られる成形体から上記バインダを除去する脱脂工程と、上記脱脂工程を終えた脱脂成形体を焼結して焼結体を形成する焼結工程とを含み、上記バインダは、上記ペレット形成工程及び上記加熱成形工程における温度で溶融するとともに、上記空孔形成材料の消失開始温度より高い温度で消失する成分を含んで構成されており、上記脱脂工程において、上記空孔形成材料が消失を開始するまでに、上記バインダ成分の０．１容量％から５．０容量％を消失させる一方、上記バインダの一部を残留させた状態で上記空孔形成材料を消失させるものである。
【００１４】
本願発明では、まず、射出成形や加熱押し出し成形等の加熱成形に適用できるペレットを形成するペレット形成工程が行われる。上記ペレット形成工程は、後の成形性を確保するため、上記樹脂バインダは溶融するが上記空孔形成材料は軟化しない温度で加熱混練してペレットが形成される。上記ペレットは、加熱することにより流動性が付与され、従来の射出成形機等によって上記加熱成形工程を行うことが可能となる。上記加熱成形工程も、上記樹脂バインダを溶融させる一方、上記空孔形成材料の形状が変化しない温度で行われる。本願発明における脱脂工程においては、樹脂バインダの一部を残留させた状態で空孔形成材料を先に消失させる。上記空孔形成材料を先に消失させるため、上記樹脂バインダは、上記ペレット形成工程及び上記成形工程における温度で溶融するとともに、上記空孔形成材料の消失温度より高い温度で消失する成分を含んで構成される。なお、本願における上記樹脂バインダは、焼結材料と空孔形成材料以外の成分であって、成形後に成形体に含まれ、脱脂工程において保形機能を発揮できるすべての成分を意味する。残留させた上記樹脂バインダは、空孔形成材料の消失過程において、空孔形成材料周囲の焼結材料を結合して保形性を高める。一方、すべての量のバインダ成分を空孔形成材料が消失するまで残留させるのではなく、上記空孔形成材料を消失させるのに必要な隙間を周囲に形成するのに必要な量のバインダは、上記空孔形成材料より先に消失させる。これにより、脱脂工程において、空孔形成材料の周囲の焼結材料粒子が崩れることがなくなり、形状及び寸法精度の高い空孔を形成することが可能となる。また、樹脂バインダの一部を残留させることにより、空孔を形成した後の成形体の強度も大きくなり、上述した機能生粒子の充填加工等の中間加工も可能となる。
【００１５】
本願発明における焼結材料の種類は特に限定されることはない。金属粉体、セラミック粉体、あるいはこれらを混合した粉体を焼結粉体材料として採用できる。上記粉体の粒度も特に限定されることはない。
【００１６】
上記残留する樹脂バインダの量も特に限定されることはなく、空孔形成材料の大きさ、焼結材料粒子の大きさ、空孔形成後の中間加工等の有無によって、配合割合を設定することができる。なお、射出成形を行う場合には、上記樹脂バインダの射出成形材料全体に対する配合比を、８容量％〜４０容量％の範囲で設定するのが好ましい。８容量％以下であると、型内での流れが悪くなり、成形体の精度が低下する。一方、４０容量％以上配合すると、脱脂時に成形体が大きく収縮変形する。
【００１７】
残留させるバインダの量は、少なくとも空孔形成材料が消失する過程において、成形体の強度を確保できる量に設定するのが好ましい。すなわち、脱脂工程において、成形体が変形しない程度のバインダを残留させながら、空孔形成材料を消失させるのが好ましい。なお、空孔形成材料が消失する態様は特に限定されることはなく、燃焼、分解、蒸発等が含まれる。
【００１８】
一方、空孔形成材料が消失を開始する時点において、上記空孔形成材料が消失する経路ないし隙間を確保するために、ある程度のバインダを消失させておくのが好ましい。さらに、空孔形成材料の消失態様、たとえば消失速度、消失量に応じて上記消失経路が形成されるように設定するのが好ましい。また、空孔形成後に中間加工を行なう場合には、空孔形成材料が消失した時点において、中間加工の種類に応じた強度を確保できるだけのバインダ成分を残留させるのが好ましい。
【００１９】
上記バインダを、上記空孔形成材料の消失温度より低い温度で消失を開始するとともに上記空孔形成材料の消失温度より低い脱脂温度で消失する低温度消失成分と、上記空孔形成材料の消失開始温度より高い温度で消失を開始するとともに、上記空孔形成材料の消失温度より高い脱脂温度で消失する高温度消失成分とを含んで構成し、上記脱脂工程を、上記低温度消失成分が消失を開始して上記空孔形成材料が消失を開始するまでの第１の脱脂工程と、上記空孔形成材料が消失するまでの第２の脱脂工程と、上記高温度消失成分が消失するまでの第３の脱脂工程とを含んで構成することができる。
【００２０】
本願発明では、まず、低温度消失成分が消失を開始する。これにより、空孔形成材料が消失するための隙間が形成される。なお、上記低温度消失成分のすべてが、上記空孔形成材料の消失が開始するまでに消失してしまう必要はなく、空孔形成材料のその時々の消失量に対応した隙間を確保できる量が消失すればよい。次に、温度を上昇させて空孔形成材料を消失させる。空孔形成材料が完全に消失するまでは、上記高温度消失成分の一部又は全部を残留させて、上記空孔形成材料が消失する際の保形性を高める。保形性を確保するには、上記空孔形成材料が完全に消失した後に、成形体の形態等に応じた相当量のバインダを残留させておくのが好ましい。
【００２１】
上記第２の脱脂工程において、上記空孔形成材料を、上記低温度消失成分が消失して形成された隙間ないし上記高温度消失成分の一部が消失して形成された隙間を介して消失させることができる。
【００２２】
上記低温度消失成分と上記高温度消失成分は、空孔形成材料の消失温度を基準に選定することができる。上記低温度消失成分は、上記空孔形成材料が消失を開始するまでに消失を開始するものを選定すればよい。一方、上記高温度消失成分は、選定した空孔形成材料が完全に消失した後にも、少なくともその一部が残留しているものを選定すればよい。たとえば、上記低温度消失成分及び上記高温度消失成分を、材料の分解開始温度及び分解終了温度等を基準に選定することができる。なお、本願発明は、空孔形成材料が消失した時点において、バインダ成分が残留して保形性を高めることが特徴であり、一般的な分解開始温度や分解終了温度のみによって材料が選択されるものではない。
【００２３】
本願発明では、上記空孔形成材料の消失開始時において、上記バインダ成分の０．１容量％から５．０容量％を消失させる。
【００２４】
空孔形成材料を消失させるための経路を確保するには、空孔形成材料が消失し始める時点において、ある程度の消失経路を形成する必要がある。消失経路を形成するためのバインダ量は、空孔形成材料及び焼結粒子の大きさ等によって幅があるが、バインダ総量の０．１容量％以上に設定するのが好ましい。上記の割合以下であると、空孔形成材料が消失を開始する初期において消失経路を確保できず、空孔形成材料が消失を開始した後に、周囲の焼結材料に圧力が作用して、変形等が生じやすくなる。一方、５．０容量％以上であると、空孔形成材料の周囲の焼結材料の保形強度が低下する。上記行程における脱脂温度は特に限定されることはないが、上記バインダが消失しかつ上記空孔形成材料が消失しない脱脂温度を所要時間保持することにより、上記所要の量のバンイダを消失させることができる。
【００２５】
本願の請求項４に記載した発明は、上記空孔形成材料が消失したとき、上記バインダ成分の５容量％から４０容量％を残留させるように構成したものである。
【００２６】
空孔内壁の強度を確保するには、空孔形成材料が完全に消失した時点で、バインダ成分を５容量％以上残留させるのが好ましい。５容量％以下であると、空孔形成材料消失過程あるいは消失後に成形体が変形等する恐れが高まる。一方、４０容量％以上残留するように設定すると、空孔形成材料の消失を阻害して消失過程において成形体にストレスが生じる恐れがある。また、空孔形成材料消失後の脱脂時間も長くなる。
【００２７】
なお、上記バインダ成分は、特定の成分すべてが残留している必要はなく、空孔形成材料が消失する過程において消失するものであって、空孔形成材料が完全に消滅したとき、バインダの一部が残留しているように構成されていればよい。
【００２８】
本願の請求項５に記載した発明は、上記高温度消失成分が、消失温度が異なる少なくとも２以上のバインダを含んで構成されており、上記第３の脱脂工程が、これら消失温度が異なるバインダ成分を順次消失させることにより行われるものである。
【００２９】
空孔率が大きくなると、空孔形成材料が消失する過程での保形性を確保するため、空孔形成材料が消失した後にも相当量のバインダを残留させる必要がある。一方、空孔形成材料が消失した後は、成形体は空孔間の薄い壁状の部分で保形されているにすぎない。したがって、焼結材料に残留したバインダが急激に消失すると、成形体の変形につながる。本願発明は、上記問題を解決するために案出されたものである。
【００３０】
消失温度が異なる少なくとも２以上のバインダを、空孔形成材料が消失した後に、順次消失させることにより、成形体に過大なストレスを作用させることなく、残留したバインダを円滑に消失させることが可能となる。これにより、たとえは、５０％〜８０％の非常に高い空孔率の多孔質焼結体を製作することが可能となった。
【００３１】
本願の請求項６に記載した発明は、上記第２の脱脂工程を終了した中間脱脂体に中間加工を行う中間加工工程を含むものである。
【００３２】
本願発明では、上記第２の脱脂工程を終えた多孔質成形体にもバインダが残留しているため中間加工に必要な強度を確保することができる。したがって、多孔質体となった成形体に対して、種々の中間加工を行うことが可能となる。なお、上記中間加工を行うことを前提として、加工の方法等に応じて必要な強度を確保するためのバインダ量を残留させるのが好ましい。また、上記中間加工の種類は特に限定されることはなく、切削加工や塑性加工等の種々の機械加工を行うことができる。
【００３３】
従来は、空孔形成材料を消失させた多孔質体の強度が低いため、上記多孔質体に中間加工を施すことは困難であり、脱脂工程から連続して焼結工程に移行していた。本願発明では、空孔形成材料を消失させた時点で、所要のバインダを残留させているため、脱脂前の成形体と同様に中間加工が可能となった。本願発明は、上記脱脂体の保形強度を高めた結果可能となったものである。
【００３４】
請求項７に記載した発明のように、連続した空孔を備える多孔質焼結体の製造方法において、上記中間加工として、上記第２の脱脂工程を終了した中間脱脂体の上記空孔の一部又は全部に、所定の付加材料を充填する付加材料充填工程を行うことができる。
【００３５】
従来から、連続した空孔を備える多孔質焼結体の空孔に種々の機能性材料を充填した焼結材料が提供されている。しかしならが、従来のものは、脱脂体の強度が低いため、焼結後に上記材料を充填するものが多かった。このため、充填できる機能性材料の種類や形態に制限があった。また、焼結体と一体化するには、二次焼結工程等も必要であった。
【００３６】
本願発明では、空孔形成材料を消失させた状態でバインダの一部が残留しているため、多孔質体の強度が高い。これにより、焼結工程の前に種々の材料を空孔に充填することが可能となった。
【００３７】
本願の請求項８に記載した発明は、請求項７に記載した充填工程を終えた後に、上記第３の脱脂工程及び焼結工程を行い、上記付加材料を上記空孔内面の焼結材料に一体的に焼結するものである。
【００３８】
本願発明によって、一度の焼結工程で付加材料を焼結体と一体的に焼結することが可能となる。
【００３９】
本願の請求項９に記載した発明は、付加材料充填工程を終えた後に上記第３の脱脂工程及び焼結工程を行い、上記付加材料を上記空孔内に遊動可能に保持させるものである。
【００４０】
通常、焼結工程を行うと脱脂体は収縮する。したがって、上記収縮にともなって、空孔の大きさも小さくなる。本願発明は、上記収縮を利用して、焼結できないような付加材料を空孔内に遊動可能に固定しようとするものである。たとえば、金属多孔質体の空孔内に、金属焼結温度では焼結しない機能性セラミック等の粒子を遊動可能に保持し、上記機能性セラミック等の機能を上記空孔を介して最大限に発揮させることができる。
【００４１】
本願の請求項１０に記載した発明は、上記空孔形成材料の配合割合を、上記焼結成形材料の５０容量％〜８０容量％に設定したものである。
【００４２】
空孔形成材料の配合割合を５０％〜８０％に設定することにより、これに対応した空孔率の多孔質焼結体を形成することができる。従来の製造方法では、多量の空孔形成材料を配合しても、脱脂工程において空孔の形状を保つことができなかった。この結果、空孔形成材料の配合率に対応した空孔率を有する多孔質体を形成できなかった。特に、５０％以上の空孔率を備える多孔質焼結体を製造することは困難であった。本願発明では、脱脂工程における保形性を高めた結果、５０〜８０％の非常に高い空孔率を有する多孔質焼結成形体を形成することが可能となった。
【００４３】
なお、球状の空孔形成材料が最密充填された場合、充填率は約７４％となる。しかしながら、上記空孔形成材料を変形させるように圧力を作用させて成形することにより、空孔率を８０％まで高めることが可能となる。また、大きさの異なる空孔形成材料を配合して、空孔率を高めることもできる。
【００４４】
本願発明に係る成形体を形成する方法として、種々の加工手法を採用することができる。たとえば、プレス成形、押し出し成形等を採用できる。また、請求項１１に記載した発明のように、上記成形工程を射出成形によって行うこともできる。
【００４５】
本願の請求項１２に記載した発明は、成形時に溶融するバインダと焼結可能な粉体材料と空孔形成材料とを含み、加熱成形工程において所定形状に成形され、脱脂工程において上記バインダが除去され、焼結工程において上記粉体材料が焼結される加熱成形用焼結成形材料であって、上記バインダは、上記加熱成形工程において溶融するとともに、上記空孔形成材料の消失温度より低い温度で消失を開始し、上記空孔形成材料が消失する温度より低い温度で消失する低温度消失成分と、上記加熱成形工程において溶融するとともに上記空孔形成材料が消失を開始した後に消失を開始し、上記空孔形成材料より高い温度で消失する高温度消失成分とを含み、上記脱脂工程において、上記空孔形成材料が消失を開始するまでに、上記バインダ成分の０．１容量％から５．０容量％が消失するように構成されたものである。
【００４６】
本願の請求項１３に記載した発明は、上記バインダが、低温度消失成分を４０容量％〜７０容量％含んで構成される加熱成形用多孔質焼結成形材料に係るものである。
【００４７】
上記低温度消失成分と上記高温度消失成分は、採用される空孔形成材料の消失温度に応じて選定することができる。なお、上記消失の態様は特に限定されることはなく、燃焼、分解、蒸発等が含まれる。
【００４８】
低温度消失成分が４０％以下であると、上記空孔形成材料の消失経路を確保することができない。一方、低温度消失成分の配合割合が７０容量％以上であると、空孔形成材料が消失する過程における保形強度が不足する。
【００４９】
なお、上記低温度消失成分及び上記高温度消失成分は、各々一つの成分である必要はない。すなわち、上記低温度消失成分は、脱脂工程において、上記空孔形成材料が消失するまでに消失する全ての成分を含む概念である。一方、高温度消失成分は、上記空孔形成材料が消失したとき、少なくとも一部が残存し、その後に消失するすべての配合成分を含む概念である。
【００５０】
本願の請求項１４に記載した発明は、上記高温度消失成分が、上記空孔形成材料が消失した後に、異なる消失温度で消失する少なくとも２以上のバインダ成分を含んで構成された加熱成形用多孔質焼結成形材料に係るものである。
【００５１】
高い空孔率の成形体では、空孔形成材料が消失した後の保形強度はより低くなる。したがって、残留したバインダを急激に消失させた場合、変形等が生じる恐れが大きくなる。本願発明により、空孔形成材料が消失した後に過大なストレスを作用させることなく、残留したバインダを消失させることができる。
【００５２】
本願の請求項１５に記載した発明は、上記空孔形成材料を５０容量％〜８０容量％含んで構成される加熱成形用多孔質焼結成形材料に係るものである。本願発明では、成形時の保形性を高めることができるため、空孔形成材料を５０容量％〜８０容量％配合することが可能となった。
【００５３】
本願の請求項１６に記載した発明は、請求項７又は請求項９に記載された多孔質焼結体の製造方法によって製造された多孔質焼結成形体であって、上記付加材料が、上記焼結体の焼結温度では焼結しない粉体状材料である、多孔質焼結体に関するものである。
【００５４】
本願の請求項１７に記載した発明は、上記粉体状材料が上記空孔内で遊動可能に保持されている、多孔質焼結体に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施の形態に係る成形体の断面構造を模式的に表す図である。
【図２】第１の脱脂工程を終えた成形体の断面構造を模式的に表す図である。
【図３】第２の脱脂工程を終えた成形体の断面構造を模式的に表す図である。
【図４】第３の脱脂工程を終えた成形体の断面構造を模式的に表す図である。
【図５】焼結体の断面構造を模式的に表す図である。
【図６】本願発明の工程を表すフローチャートである。
【図７】脱脂工程において、空孔形成材料とバインダが減少する状態を表した図である。
【図８】本願の第２の実施の形態に係る焼結体の断面構造を模式的に表す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本願発明に係る多孔質焼結体の製造方法を金属粉体射出成形に適用した例について説明する。【００５７】
【表１】
0005503838.tif 000002
【００５８】
本実施の形態では、表１に示すように、金属粉末として平均粒度が１０μｍのＳＵＳ３１６Ｌを、空孔形成材料として平均粒度が５０μｍのＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）を採用している。また、バインダとして、ワックス（天然ワックスと合成ワックスの複合ワックス）、ＰＯＭ（ポリアセタール）及びＰＰ（ポリプロピレン）の３種類のバインダ成分を採用する。これら成分を、表１に示す配合割合で均一に混練して射出成形材料を形成する。【００５９】
なお、焼結材料としての金属粉末の種類は特に限定されることはなく、焼結可能であれは他の金属粉末、セラミック粉末あるいはこれらから選ばれた複数の材料を混合して用いることができる。【００６０】
金属粉末の平均粒度は、特に限定されることはない。１μｍ以下のいわゆるサブミクロン粒子を採用することもできるし、１００μｍ程度の大きな粉体粒子を採用することもできる。焼結性能を高めるため、１〜３０μｍの範囲で採用するのが好ましい。なお、５０％以上の空孔率を備える焼結体を製造する場合には、上記金属粉末の平均粒度は、空孔形成材料より小さく設定するのが好ましい。【００６１】
金属粉末の配合量は、空孔率によって変動するが、混練物全体の１５〜３０容量％に設定するのが好ましい。配合量が１５容量％より少ないと、バインダの量が多くなり脱脂時、焼結時の収縮量や変形量が大きくなる。一方、３０容量％以上になると、流動性が低下して作業性が低下する。【００６２】
本実施の形態では、空孔形成材料として、平均粒度が５０μｍのＰＭＭＡ粒子を採用している。上記ＰＭＭＡ粒子は、２４０℃の消失開始温度を有している。一方、成形体から完全に除去される消失温度は、４００℃である。なお、本実施の形態における上記消失開始温度は、成分の分解開始温度を採用している。空孔形成材は、混練時、射出成形時に軟化あるいは溶融しないものを採用している。また、本実施の形態では、上記空孔形成材料として球形粒状のものを採用したが、成形手法により、繊維状、棒状等の種々の形態のものを採用することができる。【００６３】
本実施の形態に係るバインダは、上記空孔形成材料の消失温度より低い消失温度を有する成分から構成されるバインダＡと、上記空孔形成材料の消失温度より高い消失温度を有する二つの成分を含むバインダＢが採用されている。【００６４】
上記バインダＡはワックス成分であり、消失開始温度は約２１０℃であり、一方、消失温度は３４０℃である。【００６５】
バインダＢは、ＰＯＭ（ポリアセタール）とＰＰ（ポリプロピレン）を含んで構成されている。上記ＰＯＭは、消失開始温度が３５２℃であり、消失温度が４８８℃である。また、上記ＰＰは、消失開始温度が２５５℃であり、消失温度が４９７℃である。なお、上記消失温度は、２０℃／時間の昇温速度で脱脂工程を行う場合の消失温度である。【００６６】
これら消失開始温度から明らかなように、上記バインダＡの消失開始温度は上記空孔形成材料の消失開始温度より低い。一方、上記バインダＢは上記空孔形成材料の消失開始温度よりも高いものが採用されている。なお、本実施の形態では、上記バインダ及び空孔形成材料の消失する基準を分解開始温度及び分解終了温度で表したが、本願発明の特徴は、空孔形成材料が消失した時点でバインダの一部を残留させることであり、バインダが他の態様で消失する場合には、現実にバインダが消失する温度ないし時間を基準とするのが好ましい。【００６７】
上記構成の成形材料を上記空孔形成材料が軟化しない温度（約２００℃）で混練して射出成形用のペレットを形成した後、射出成形機によって所定形状に成形する。なお、上記射出成形工程においても、上記空孔形成材料の形状が変化しない温度で成形が行われる。【００６８】
上記射出成形した成形体１の模式的内部構造を図１に示す。図１に示すように、大きな空孔形成材料２を囲むようにして、金属粉体３、バインダＡ及びバインダＢが混合した状態でほぼ均一に分布させられている。なお、図１では、理解を容易にするため、バインダＡ，Ｂを粒子の形態で表現しているが、バインダＡ及びＢは成形時に溶融して各粒子間を埋めるように分布している。上記バインダのうち、小さい黒丸で表したものがバインダＡであり、大きな黒丸で表したものがバインダＢである。【００６９】
次に、脱脂工程が行われる。以下、図２から図４及び図６に基づいて説明する。【００７０】
本実施の形態では、脱脂炉の温度を２０℃／時間で上昇させていく。炉内の温度が２１０℃以上になると上記バインダＡが消失し始め、上記空孔形成材料が消失を開始するまでの第１の脱脂工程Ｓ１０３が行われる。上記第１の脱脂工程Ｓ１０３においては、空孔形成材料２が消失を開始するまでに、各金属粒子間に所定の隙間が形成される。本実施の形態では、上記第１の脱脂工程において、上記バインダＡの約２容量％が消失させられる。【００７１】
脱脂温度が上記空孔形成材料の消失開始温度（２４０℃）以上になると、上記バインダＡが消失していくとともに、上記空孔形成材料２が消失し始め、さらに、上記バインダＢが消失を開始して、第２の脱脂工程が行われる。本実施の形態では、空孔形成材料２は２４０℃以上で、バインダＢは約２５５℃以上で消失を開始する。すなわち、第２の脱脂工程においては、上記３つの消失成分が同時に消失していく。図２に、上記バインダＡが完全に消失した状態を示す。なお、図２では、理解を容易にするため、空孔形成材料２及びバインダＢのすべてが消失していないように表したが、実際にはその一部が消失している。図２から明らかなように、バインダＡが消失することにより、金属粒子間に連続した隙間４が形成される。したがって、上記隙間を介して、空孔形成材料２を円滑に消失させることができる。一方、バインダＢが各金属粒子間に介在してこれらを結合しているため、強度が確保された状態で空孔形成材料が消失していく。しかも、空孔形成材料２の消失速度が増加するとともに、上記バインダの消失量も増加し、空孔形成材料が消失する充分な隙間が確保される。したがって、空孔５の形態を保持した状態で空孔形成材料を消失させることができる。【００７２】
脱脂温度が４００℃に達すると、図３に示すように、バインダＡ及び空孔形成材料２が完全に消失して、空孔５が形成される。空孔形成材料２が消失した後は、上記バインダＢは、多少軟化した状態で上記金属粒子３を掛け渡し状に連結して保形性を高めている。また、上記バインダＢによって、金属粒子が上記空孔形成材料が消失した後の空孔５に崩れ落ちることもない。また、金属粒子の相対位置も変化することなく、形状及び寸法精度の高い中間脱脂体が形成される。【００７３】
上記空孔形成材料を消失させた後に、さらに温度を上昇させて第３の脱脂工程（Ｓ１０５）を行い、バインダＢを除去する。上記第３の脱脂工程によって、図４に示すような金属粒子３から形成された脱脂体が形成される。なお、図４では、理解を容易にするため、各粒子が離間しているように表現したが、紙面の上下方向に３次元的に粒子が存在しているため、脱脂体はほとんど収縮しない。【００７４】
次に、炉内の温度を金属の焼結温度以上に高め、焼結工程を行って金属粒子を焼結させる。焼結工程において、隣接各粒子が焼結し、各粒子間の隙間が詰まって、図５に示すように焼結体６が形成される。なお、上記焼結体は、成形体からほぼバインダの配合分だけ収縮させられる。【００７５】
図７に、本実施の形態における空孔形成材料２とバインダ（ＡとＢの全体）の減少する態様を示す。図では、縦軸に減少率を、横軸に脱脂温度をとって表している。この図に示すように、本実施の形態では、まず、バインダＡの一部が消失を開始する。これにより、成形体中に空孔形成材料２が消失する経路を確保する。次に、空孔形成材料２が消失を開始するが、空孔形成材料２の減少率がある温度でバインダを越えて、この傾向が空孔形成材料が完全に消失するまで続き、空孔形成材料２がバインダより先に消滅する。すなわち、空孔形成材料２が消失していく過程において、消失経路を確保しつつバインダで補強した状態で脱脂工程を行い、空孔形成材料が完全に消滅した時点においても、バインダの一部を残留させている。これにより、成形体の保形性を高めた状態で脱脂工程を進行させることが可能となる。【００７６】
空孔形成材料を消失させる際にバインダＢを残留させることにより、隣接する空孔間の壁部の形態が保持される。このため、上記空孔形成材料の配合割合に応じて精度の高い多孔質体を形成できる。【００７７】
さらに、本実施の形態では、バインダＢを消失温度が異なる２種類のバインダ成分を配合して構成しているため、空孔形成材料２が消失した後に残留しているバインダが急激に消失することはない。したがって、上記バインダが消失する過程において、成形体に過度のストレスが作用するのを防止することができる。この結果、空孔形成材料２が消失した後においても保形性が確保されて、成形体が変形等するのを防止することが可能となる。【００７８】
【表２】
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【００７９】
表２に、比較例の配合割合を示す。この比較例は、空孔形成材料２の消失温度より高い温度で消失するバインダＢの代わりに、空孔形成材料２の消失温度より低い温度で消失するバインダＣ（ポリスチレン）を配合している。その他の配合割合は実施例１と同様であるので説明は省略する。また、脱脂工程及び焼結工程も、上記実施例と同様に行われる。なお、比較例では、バインダＢを配合していないため、第３の脱脂工程は行われない。【００８０】
上記実施例１及び比較例から形成された焼結体の空孔率を測定した。実施例では、空孔形成材料２の配合割合に対応した空孔率が約６０％の多孔質体が得られた。一方、比較例では、同じ割合の空孔形成材料を配合したにも係わらず、空孔率は約４０％であった。また、実施例１に係る焼結体と比較例に係る焼結体の組織を顕微鏡で観察したところ、実施例１では、ほぼ均一な球形の空孔が形成されていた。一方、比較例では、空孔の形態が不規則に変形し、また大きさも小さくなっていた。このことから、バインダＢによって金属粒子を保形した状態で空孔形成材料を消失させることにより、精度の高い多孔質焼結体を形成できることが明らかとなった。【００８１】
図６に示すように、上記第２の脱脂工程Ｓ１０４の後に、中間加工工程Ｓ１０６を行うことができる。本実施の形態においては、空孔形成材料が消失した後にバインダを残留させることができるため、多孔質成形体の強度を確保することができる。したがって、多孔質となった焼結体に種々の加工を施すことができる。【００８２】
上記中間加工工程として、従来と同様に、機械加工等を行うことができる。また、連続した空孔が形成された成形体の上記空孔に種々の機能物質を充填することができる。【００８３】
上記第２の脱脂工程を終えた成形体は、ほとんど収縮していないため、上記空孔のサイズも大きい。このため、従来では、不可能であった機能物質を中間体に充填することが可能となる。上記充填する手法は特に限定されないが、空孔率が高いため、流体等を用いて上記機能物質を充填することもできる。また、機械的な手法によって表面層にのみ機能性物質を充填することもできる。【００８４】
触媒作用のある物質を空孔に充填した後に、焼結工程において焼結すると、空孔の内壁に触媒作用のある物質を固定することができる。これにより、白金等の高価な物質を効率よく空孔内部に固定することが可能となる。【００８５】
また、図８に示すように、後加工によって、連続する空孔５内に上記多孔質焼結体と一体的に焼結しない粒状の物質８を保持させることも可能となる。【００８６】
本実施の形態では、空孔が連通する多孔質成形体を形成し、上記粒状の物質８を充填した後に、第３の脱脂工程Ｓ１０７及び焼結工程Ｓ１０８を行う。上記焼結工程において上記空孔５も収縮するため、上記粒状物質を上記空孔内に遊動可能かつ脱落不可能に保持させることも可能となる。【００８７】
上記充填物質として、酸化チタン等の金属酸化物や、アパタイト等の機能性セラミックを採用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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