(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末及び有機結合剤を主成分とする金属粘土又は金属ペーストを原料として金属物品を製造する方法であって、
金属粘土又は金属ペーストを構成する金属粉末の焼結温度で燃焼、焼結、変形を生じない耐熱性粒状物質、及び前記焼結温度で分解、燃焼する有機結合剤を主成分とする中子用粘土を任意形状に成形し、さらに樹脂又はワックスからなる被覆層で被覆して中子を作成し、この中子の外周面に金属粘土を貼り付けるか、金属ペーストを塗り付けて造形物を作成し、乾燥した後、加熱して中子中の被覆層を分解、燃焼させると共に造形物中及び中子中の有機結合剤を分解、燃焼させ、さらに昇温、加熱して造形物中の金属粉末を焼結させ、冷却した後、中子を取り除くことを特徴とする金属物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末及び有機結合剤を主成分とする金属粘土又は金属ペーストを原料とし、内部に空洞を有する金属物品を容易に且つ少ない変形量で製造することができる金属物品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属粉末とバインダとからなる金属粘土を任意形状に造形して焼結することにより金属物品を製造する方法が知られている。
特に内部に空洞を有する金属物品を製造する場合、ワックス等に代表される中子が用いられる。即ち、加熱すると流動化、分解、燃焼等により流出或いは消失する物質で作成された中子が用いられる。尚、この場合の製造過程を示すと、まず、適宜形状に成形した中子の外周面に、金属粘土を被覆して造形し、乾燥して造形物を得る。次に、これを加熱することにより、中子を燃焼等により除去すると共に、造形物中のバインダを除去する。さらに、これを昇温、加熱して造形物中の金属粉末を焼結させる。その後、冷却して内部に空洞を有する金属物品を得る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のワックス等からなる中子は、加熱時に速やかに流動化、分解、燃焼等により流出又は消失するため、造形物が焼結しないうちに内部は空洞化して内部支持機能を失い、特に造形物が薄肉の場合には自重により崩壊又は変形し、金属物品が得られない、或いは造形時の形状と異なった金属物品しか得られないといった問題があった。
また、前記ワックス等からなる中子は燃焼により中子の全部が燃えるが、その段階で多量の煙が発生し、作業環境を悪化させると言った問題があった。
【０００４】
一方、鋳造において砂等とバインダとからなる中子を用いて製造する方法も知られている。この構成の中子はバインダが分解、燃焼等しても容積が殆ど減少しないので内部支持機能が焼結時にまで継続する、砂等は燃えないので発生する煙も少ない、という利点を有する。
しかし、金属粘土を原料とする金属物品の製造に、上記砂等からなる中子を用いた場合には、金属粘土を中子の外周面に貼り付ける際に中子の表面の砂等が金属粘土に埋設状に付着するため、焼結して得られた金属物品の内部から砂等を除去する作業が極めて面倒になるという問題があった。
また、中子の表面はポーラス状となるため、金属物品の内部表面は梨地状になり、内部が認識され得る形状の製品では意匠性を低下させることもあった。特に中子の表面にクラックが形成された場合には、金属粘土がそのクラック内に食い込むため、内部の表面に意図としない突起が形成された金属物品が得られるものとなっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記に鑑み提案されたもので、金属粉末及び有機結合剤を主成分とする金属粘土又は金属ペーストを原料として金属物品を製造する方法であって、金属粘土又は金属ペーストを構成する金属粉末の焼結温度で燃焼、焼結、変形等を生じない耐熱性粒状物質、及び前記焼結温度で分解、燃焼等する有機結合剤とを主成分とする中子用粘土を任意形状に成形し、さらに樹脂又はワックスからなる被覆層で被覆して中子を作成し、この中子の外周面に金属粘土を貼り付けるか、金属ペーストを塗り付けて造形物を作成し、乾燥した後、加熱して中子中の被覆層を分解、燃焼等させると共に造形物中及び中子中の有機結合剤を分解、燃焼等させ、さらに昇温、加熱して造形物中の金属粉末を焼結させ、冷却した後、中子を取り除くことを特徴とする金属物品の製造方法に関するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
前記本発明に用いる金属粘土又は金属ペーストは、金属粉末及び有機結合剤を主成分とし、これに溶媒を加えて十分に混練して得られる。
金属粉末とは、空気中、非酸素雰囲気中又は還元雰囲気中等において加熱すると、焼結する金属（貴金属を含む）、金属酸化物、セラミック材料等の微粉末である。具体的にはＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属粉末やＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｐｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＳｉＣ等又はこれらの合金、これらの酸化物、酸化物合金粉末等、その他セラミック、窯業材料粉末等から選ばれる一種以上を適宜に使用することができる。
有機結合剤とは、上記金属粉末の焼結温度で分解、燃焼等するものであれば、特にその材質を限定するものではなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ワックス等いずれも使用可能である。具体的にはポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ、セルロース系、デンプン、ポリエチレン、エポキシ系、ポリエステル系等の水溶性又は油溶性樹脂、各種ワックス等から選ばれる一種以上を適宜に使用することができる。尚、種々の目的に応じて界面活性剤、潤滑剤、油等を適宜に配合することができる。
溶媒は、上記有機結合剤を溶解するものであって、選定した有機結合剤に応じて水系（水やアルコール系溶剤を含む）、油系の溶剤を適宜に使用することができる。この溶媒と有機結合剤とを併せてバインダーとする。
【０００７】
前記本発明に用いる中子用粘土は、耐熱性粒状物質及び有機結合剤を主成分とし、これに溶媒（分散媒）を加えて十分に混練して得られる。
耐熱性粒状物質とは、金属粘土又は金属ペーストを構成する前記金属粉末の焼結温度において燃焼、焼結、変形等を生じない物質であれば、特にその材質を限定するものではない。具体的にはアルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン等の金属酸化物、アルミナシリケート、カオリン、タルク、蝋石、珪ソウ土、シリカ、砂等から選ばれる一種以上を適宜に使用することができる。尚、この耐熱性粒状物質の形状は球状、回転楕円状などの粒子表面が滑らかなものが好ましい。
また、この中子用粘土を構成する有機結合剤及び溶媒は、前記金属粘土又は金属ペーストを構成する有機結合剤及び溶媒と同じものを用いることができる。
【０００８】
本発明は以下の各工程から構成される。
ａ．まず、中子用粘土を金属物品の内部に設ける空洞形状に応じて任意形状に成形する。
ｂ．次に、成形された中子用粘土の成形体の表面を樹脂又はワックスからなる被覆層で被覆して中子を作成する。この被覆層を形成する樹脂又はワックスは、造膜性を有するものであれば特にその種類や塗布（被覆）方法を限定するものではなく、特に水溶性樹脂や水系エマルションタイプであると、その表面張力により中子用粘土の成形体の表面がポーラス状であったとしてもそのポーラス状孔に入り込みにくいので好ましい。また、特に限定するものではないが、この被覆層は数〜数百μｍの厚みで設けられる。
ｃ．さらに、作成された中子の外周面に、金属粘土を貼り付けるか若しくは金属ペーストを塗り付けて造形物を作成する。その際、金属物品の内部空洞が外部と連通していれば何等問題はないが、金属物品の内部空洞が閉鎖空間である場合、即ち中空状の金属物品を製造する場合には、焼結後に中子を崩壊して取り除くための開口部（外部との連通部）を設ける必要がある。
ｄ．そして、作成された造形物を乾燥した後、加熱する。通常２００℃以上になると、中子中の被覆層が熱溶融、熱変性等で流動化して外部へ流出したり、分解、燃焼等で消失する。また、造形物中及び中子中の有機結合剤も分解、燃焼等で消失する。この時点で中子は、被覆層が消失した分だけ容積が減少し、さらに有機結合剤が消失したことによっても容積減少を生じているが、金属粉末の焼結時に焼結による体積減少も起こるので、中子の体積減少と金属焼結体の体積減少とで相殺し、結果として内部支持機能を維持している。
ｅ．さらに、昇温して造形物中の金属粉末を焼結させる。造形物中の金属粉末が焼結し始めても、前記のように中子は内部支持機能を維持しているので、金属物品の自重による変形は極めて少ない。
ｆ．最後に焼結した金属物品を冷却し、中子を外部に取り出して除去する。中子は既に有機結合剤が消失しているので、実質的に耐熱性粒状物質のみから構成されているので、弱い外力で容易に崩壊し、バラバラになった耐熱性粒状物質を外部に容易に取り出すことができる。
【０００９】
以上の各構成からなる本発明の金属物品の製造方法では、中子の内部支持効果が焼結時にまで継続するため、熱変形の少ない金属物品を極めて容易に得ることができる。尚、前記のように中子は、被覆層が消失した分だけ容積が減少し、さらに有機結合剤が消失したことによっても容積減少を生ずるが、金属粘土又は金属ペーストで形成される造形物も有機結合剤が消失したこと及び金属粉末の焼結により収縮するので、内部の中子に支持された状態で金属物品は焼結するものとなり、自重による変形を生ずることがない。
また、中子は大部分が耐熱性粒状物質で構成されているので、加熱、焼結時の燃焼による煙の発生も少ない。
さらに、中子はその表面に被覆層が形成されているので、中子用粘土粒子と金属粘土粒子とが直接絡み合うことがなく、造形物の内面に砂等の耐熱性粒状物質が埋設状に付着することがなく、焼結後の中子の除去（取り出し）を容易に行うことができる。
また逆に、被覆層が中子用粘土の成形体のポーラス孔を塞ぎ、中子用粘土の成形体の表面にクラックが形成された場合にも被覆層がそのクラックを塞ぐので、金属粘土又は金属ペーストがポーラス孔やクラック内に食い込むことがなく、内部の表面が滑らかな面となった意匠性の高い金属物品を得ることができる。
【００１０】
【実施例】
メチルセルロース１４ｇを水７０ｇに溶解してバインダ８４ｇを作成した。
前記バインダ５０ｇとアルミナ珪酸粒子（粒径１０〜３００μｍ）５０ｇとを混練して中子用粘土を作成した。
前記バインダ８ｇと銀粉末（粒径１〜１００μｍ，平均粒径１０〜２０μｍ）１００ｇとを混練して銀粘土を作成した。
まず、前記中子用粘土を卵型状に成形し、乾燥した後、アクリル樹脂エマルジョン（固形物３０％）を用いてディップコーティングし、乾燥して表面に被覆層を形成した中子を作成した。
次に、前記中子の表面に厚さ０．５ｍｍの板状に延ばした前記銀粘土を層状に貼り付け、乾燥した。
そして、造形物の一部にφ５ｍｍの孔（開口部）を開設し、転倒防止のため川砂を入れた皿に開口部を上にして前記造形物を電気炉内に静置し、室温から８００℃まで約１時間かけて加熱した。継続して８００℃で３０分保持した。
その後、電気炉から焼結した金属物品を取り出し、放冷してから開口部を下にして、アルミナ珪酸粒子を流出して取り出した。ごく一部のアルミナ珪酸粒子は金属物品の内部表面に付着、残存していたが、開口部から筆を入れて軽く触れるだけで容易に剥離して取り出すことができた。殆ど変形がなく、内面が極めて滑らかな金属物品が得られた。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の金属物品の製造方法は、耐熱性粒状物質と有機結合剤とを主成分とする中子用粘土の成形体の表面に、樹脂又はワックスからなる被覆層を設けた中子を用いるものであるから、中子の内部支持効果が焼結時にまで継続し、熱変形することがない金属物品を極めて容易に得ることができる。
また、中子は大部分が耐熱性粒状物質で構成され、加熱、焼結時の燃焼による煙の発生も少ないので、作業環境を向上することができる。
さらに、中子はその表面に被覆層が形成され、造形物の内面に砂等の耐熱性粒状物質が埋設状に付着することがないので、焼結後の中子の除去（取り出し）を容易に行うことができ、作業性を向上することができる。
また、被覆層が中子用粘土の成形体のポーラス孔を塞ぎ、中子用粘土の成形体の表面にクラックが形成された場合にも被覆層がそのクラックを塞ぎ、金属粘土又は金属ペーストがポーラス孔やクラック内に食い込むことがないので、内部空洞の壁面が滑らかな意匠性の高い金属物品を製造することができる。