(57)【要約】【課題】  体積制御された金属ガラス粉末を精密ダイセット加工することにより安価で工業的な超小型精密金属部品の製造方法を提供する。【解決手段】  精密部品形状を得るために精密加工されたダイ内に金属ガラス合金粉末を挿入し、該金属ガラス合金粉末をガラス遷移温度以上結晶化温度以下に保った状態でパンチで加圧して精密部品を得る工程において、ダイ内に挿入された金属ガラス合金粉末の体積が加圧成形後の精密部品の体積と同一となるように当該粉末を計量して挿入することを特徴とする精密部品の製造方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
精密部品形状を得るために精密加工されたダイ内に金属ガラス合金粉末を挿入し、該金属ガラス合金粉末をガラス遷移温度以上結晶化温度以下に保った状態でパンチで加圧して精密部品を得る工程において、ダイ内に挿入された金属ガラス合金粉末の体積が加圧成形後の精密部品の体積と同一となるよう当該粉末を計量して挿入することを特徴とする精密部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、各組成の金属ガラス合金粉末の合計体積を加圧成形後の精密部品の体積と同一にした２種以上の異なる組成の金属ガラス合金粉末を組合わせてダイ内に挿入することを特徴とする精密部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
近年、半導体微細加工技術の発達に伴い、それを部品加工に応じて医療用やマイクロモーター用の機械素子であるマイクロマシンの開発やそれらを半導体技術と融合させたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）開発が盛んになっている。これらの精密部品では高耐久性、低コスト化を実現すべく金属部品への要求が根強く、また、将来の医療高度化や機器の精密化に対応するためにさらなる小型化、高精度化が要求されるようになってきており、超精密金属部品を経済的に製造する方法が求められている。
【０００２】
これまでのマイクロマシンや精密機械部品の製造方法としては、例えば特開平６−１９４８３２号公報（特許文献１）に開示されているように、エチレン性不飽和結合を有するプレポリマーとエチレン性不飽和化合物単量体からなる液状感光性樹脂を硬化させた母型に無電解メッキ膜を形成後、電鋳によってバルク金属部品を製造する方法や放射光を利用したＸ線リソグラフィーと電鋳とを組み合わせた方法（ＬＩＧＡ）による母型から精密部品を作成する方法などが提案されている。しかし、これらの方法では電鋳部品を取り出すために樹脂やＬＩＧＡで作製したモールド型は酸等によって溶融除去させるために再利用ができず、量産プロセスとしては繁雑でコスト高になるといった課題があった。
【０００３】
これらの課題に対し、近年では金属ガラスを精密加工素材として利用することが提案されている。金属ガラスは金属溶湯を超急冷せずとも非晶質組織が得られる合金で、その非晶質金属固体を加熱すると明確なガラス遷移温度と結晶化温度を示すことが特徴である。金属ガラスを精密加工するにはガラス遷移温度以上、結晶化温度以下の極めて粘性流動性に優れた温度領域で加工することがポイントであり、例えば「金属」ｖｏｌ．７５（２００５）Ｎｏ．２「バルク金属ガラスの応用」（非特許文献１）に開示されているように、射出成形によってマイクロギアを製造するプロセスや特開平１１−７１６０２号公報（特許文献２）に開示されているように、成形用型に金属ガラス合金粉末を充填した後パルス放電焼結させて精密な凹凸部を有する部品を得るプロセスが提案されている。
【特許文献１】特開平６−１９４８３２号公報
【特許文献２】特開平１１−７１６０２号公報
【特許文献３】特開２００２−１５５３０５号公報
【特許文献４】特開２００６−１９３７７５号公報
【非特許文献１】「金属」ｖｏｌ．７５（２００５）Ｎｏ．２「バルク金属ガラス                    の応用」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の方法ではバルク金属ガラス合金を射出成形によって成形させるため、加工後の精密部品をバルクから切出すステップや切出し端面の仕上げ加工が必要であるなど低コスト化のための課題がある。また、特許文献２に開示されているような方法はランダムな粒度で製造された粉末を型に充填してパルス放電焼結によって焼結させるといった従来の粉末冶金法を金属ガラス粉末に応用して充分な厚さのバルク成形物に微細な凹凸部付与することを目的とした製造方法に関するものであり、上述したような超小型精密金属部品の量産プロセスに適用することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述したような課題を解決するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、超小型精密金属部品の製造方法として、成形加工後の部品体積と同じ体積になるように制御して製造された金属ガラス合金粉末を素材とし、該粉末を精密加工されたダイ内に充填し、ガラス遷移点以上結晶化温度以下の温度範囲でプレス加工することによって、超小型部品を歩留り良く精密成形することが可能であり、さらにダイを繰り返し使用できるため、従来法に比べて大幅に低コスト化できる方法を見出した。
すなわち、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、体積制御された金属ガラス粉末を精密ダイセット加工することにより安価で工業的な超小型精密金属部品の製造方法を提供するものである。
【０００６】
その発明の要旨とするところは、
（１）精密部品形状を得るために精密加工されたダイ内に金属ガラス合金粉末を挿入し、該金属ガラス合金粉末をガラス遷移温度以上結晶化温度以下に保った状態でパンチで加圧して精密部品を得る工程において、ダイ内に挿入された金属ガラス合金粉末の体積が加圧成形後の精密部品の体積と同一となるよう当該粉末を計量して挿入することを特徴とする精密部品の製造方法。
（２）前記（１）に記載の方法において、各組成の金属ガラス合金粉末の合計体積を加圧成形後の精密部品の体積と同一にした２種以上の異なる組成の金属ガラス合金粉末を組合わせてダイ内に挿入することを特徴とする精密部品の製造方法にある。
【発明の効果】
【０００７】
以上述べたように、本発明により金型加工により超精密部品を安価に量産でき、しかも素材の体積制御で不要部位の発生がなく後処理も不要になる極めて優れた効果を奏するものである。
【０００８】
以下本発明について詳細に説明する。
本発明が目的とする超精密金属部品を得るための加工用素材としては、金属ガラス合金が最適である。この合金はガラス遷移温度以上、結晶化温度以下の範囲で加工することによって粘性流動性に優れ、超塑性的な変形挙動を示す。その特徴的な変形挙動により通常の金属よりも遙に低いプレス圧力で精密に加工されたダイの微細な部位にまで充填されるため、複雑な表面や形状を有する部品の製造が可能となる。
【０００９】
本発明に係る金属ガラス合金の代表的な成分として、Ｆｅ系：Ｆｅ−（Ａｌ，Ｇｅ）−（Ｐ，Ｃ，Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ）、（Ｆｅ，Ｃｏ）−（Ｓｉ，Ｂ）−Ｎｂ、Ｎｉ系：Ｎｉ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ）−Ｂ、Ｎｉ−Ｎｂ−（Ｔａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｚｒ）、Ｚｒ系：Ｚｒ−Ａｌ−ＴＭ（ＴＭ：Ｖ〜ＶＩＩＩ族遷移金属）、Ｃｕ系：Ｃｕ−Ｚｒ−Ａｌ−（Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ）等と挙げることができる。ただし、Ｆｅ基として例にあげた（Ｆｅ，Ｃｏ）−（Ｓｉ，Ｂ）−ＮｂはＦｅの一部をＣｏで置換しても良い系である。これらは、高強度、低ヤング率、高耐食性、高透磁率、優れた成形加工性および優れた鋳造性、表面平滑性等の優れた特性を有する。
【００１０】
上述したような特性を有することを利用し、本発明においては、プレス成形後の部品体積を予め計算し、それと同じ体積の金属ガラス粉末を作製してダイ中に挿入、成形することにより、バルク金属ガラスを射出成形して部品加工する際に必要な成形後の切出しや研磨などの仕上げ加工が不要となる。すなわち、プレス成形後の最終製品である部品体積を予め計算し、その予め計算した体積と同じ体積になる金属ガラス粉末を素材としてダイ内に挿入し、ガラス遷移温度以上結晶化開始温度以下の温度でプレス型加工をした後の体積制御するものである。この金属ガラスは微細な凹凸への塑性流動充填が可能で、トータル体積制御しているため不要部位の発生がない。また、部品部位に応じた機能を有する成分粉末の組合せが可能となる。
【００１１】
また、上述した金属ガラス粉末の製造方法としては、例えば特開２００２−１５５３０５号公報（特許文献３）で提案されているような粒径の揃った金属粒子の製造方法や特開２００６−１９３７７５号公報（特許文献４）で提案されているような、金属の溶湯を連続した中実の流れとして落下させ、この落下しつつある流れを電磁力を加えることによって分断し、分断した溶湯をそれ自体の表面張力によって球状化させ比較的粒径の大きい金属粒体を得ることが出来る等の金属粒子の製造方法が適用できる。
【００１２】
すなわち、上述した特許文献３は、溶湯を含む坩堝内部を圧電アクチュエーターによってバルス的に加圧することでノズルから溶湯を液滴に分断させながら噴出する方法で、特許文献４は、坩堝下部から出湯させた金属溶湯に電磁力を与えることによって溶湯流を分断させる方法であり、共に該溶湯液滴が不活性雰囲気中で自然落下する間に表面張力で球状に凝固し、粒径が一定な球状金属粉末を製造することができる。これらの方法によると、ノズル径やパルス圧力、電磁力を制御することにより得られる粉末粒径（＝粉末体積）の制御が可能であり、本発明の素材として供することができる。
【００１３】
本発明に用いる金属ガラス粉末としては、プレス加工後の部品体積と同体積の合金粒を利用することが望ましいが、同じ組成で体積が異なる粉末を組合わせることや、異なる組成の粉末を組み合わせることによって各粉末を合わせた合計体積を部品と同体積になるように調整したりすることも可能である。特に後者においては、硬さや磁気特性、耐食性など部品中の各部位で必要とされる機能が異なる場合、機能に適した粉末を配置して成形加工焼成を同時に実施することにより複合機能部品とすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明に使用する金型の素材としては、耐熱性に優れた非晶質カーボン、耐熱性ガラスや石英ガラスが好ましい。これらのカーボンやガラスを精密成形用金型として加工する方法としたは、ＦＩＢ（収束イオンビーム）やレーザー、機械研削法等があり、形状や材質に応じて選択する。さらに、ＬＩＧＡや感光性樹脂で作製した母型に電鋳させることによりバルク金属型を作製して金型とすることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の微細な凹凸部を有する部品の製造方法の実施の形態について図面に従って説明する。図１は、本発明の微細な凹凸部を有する部品である微小歯車の斜視図である。この微小歯車１は、金属ガラス合金の粉末がダイ成形されてなるものである。この微小歯車は外周の微細な凹凸を有する歯部２を有している。図２は、微小歯車を製造するための成形装置を示す図である。この図２に示すように、この成形装置は、筒型の成形用ダイ３とこの成形用ダイ３の内部に挿入された原料粉末４を押圧するための上パンチ５および下パンチ６と下パンチ６を支える下側ラム８と、上パンチ５を下側に押圧する上側ラム７と、ダイやパンチを原料粉末のガラス遷移点以上の加工温度に加熱して熱伝導により粉末を同じ温度まで加熱するための加熱ヒーター１０、加工温度を測定する熱電対９を主体として構成されている。
【００１６】
図３は、成形用ダイの斜視図である。この図３に示すように、目的とする成形物の形状に応じて微細な凹凸部１０が形成される。このような成形装置の内部で、上下のパンチ５、６と成形用ダイ３により形成されるキャビテイの形状は、目的とする成形物の形状と略一致するものである。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明について具体的に実施例によって説明する。
（実施例１）
Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒを原子量比で６０：１５：２０：５になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１６００℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ直径３００μｍ、歯幅５０μｍ、高さ７０μｍのマイクロギアを作製するために非晶質カーボン製のマイクロギア母型を有するダイを作製し、このダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である５９０℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００１８】
（実施例２）
上記組成と同様に、Ｎｉ基金属ガラスであるＮｉ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂを原子量比で４３．２：４：２８．８：４．８：１９．４になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１４００℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ上記のダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である５２０℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００１９】
（実施例３）
上記組成と同様に、Ｆｅ基金属ガラスであるＦｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉを原子量比で７３：４：１１：５：４：３になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１３００℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ上記のダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である４９０℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００２０】
（実施例４）
上記組成と同様に、Ｆｅ基金属ガラスであるＦｅ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｂを原子量比で５７．６：１４．４：４：２０：４になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１４００℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ上記のダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である５７０℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００２１】
（実施例５）
上記組成と同様に、Ｎｉ基金属ガラスであるＮｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｃｕを原子量比で５３：２０：１０：８：６：３になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１４００℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ上記のダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である５９５℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００２２】
（実施例６）
上記組成と同様に、Ｚｒ基金属ガラスであるＺｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉを原子量比で５５：３０：１０：５になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１２００℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ上記のダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である４５０℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００２３】
（実施例７）
上記組成と同様に、Ｃｕ基金属ガラスであるＣｕ、Ｚｒ、Ａｌ、Ａｇを原子量比で５０：４０：５：５になるように秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下において、これらの原料を高周波誘導溶解炉で溶解し、１２５０℃に保った状態の溶融金属ガラスをパルスインジクションの方法により溶湯を粒状に噴出することによって液滴を形成させた後、不活性雰囲気中で自由落下させることによって球状に凝固させて目的とするマイクロギアの体積と同一の体積を有する直径３００μｍの均一な粒径の原料粉末を作製した。一方、該粉末−粒の体積と同じ上記のダイの内部に該金属ガラス粉末−粒を挿入した後、ダイセットをガラス遷移点以上である４８０℃に加熱して温度を保持した状態でプレスすることによって最終製品を得た。この最終製品は目的とする大きさのものとなり、その後の切出し端部の仕上げ加工や不要部位の切断等がなく作製することが出来た。
【００２４】
上述したように、ＦＩＢやレーザー加工、電鋳等により繰り返し使用可能な精密金型を作製し、その金型中に加工後の部品と同じ体積の金属ガラス粉末を素材として充填し、ガラス遷移温度以上結晶化開始点以下の温度でプレス型加工をするので、金属ガラスは微細な凹凸への塑性流動充填が可能で、トータル体積制御しているために不要部位の発生もなく、体積制御した粉末素材を用いることにより部品部位に応じた機能を有する成分粉末の組合せが可能となり、しかも金型使用による繰返し使用による安価な量産プロセスが実現できる極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の微細な凹凸部を有する部品である微小歯車の斜視図である。
【図２】微小歯車を製造するための成形装置を示す図である。
【図３】成形用ダイの斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  微小歯車
２  歯部
３  成形用ダイ
４  原料粉末
５  上パンチ
６  下パンチ
７  上側ラム
８  下側ラム
９  熱電対
１０  加熱ヒーター
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊
【図１】
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【図２】
2008231569.tif 000004
【図３】
2008231569.tif 000005