(57)【要約】      （修正有）【課題】厚さが０．５ｍｍ以下のような微小な部位を有する金属製微小部品において、結晶粒の成長を抑制し、少なくとも微小な部位を多結晶で構成した微小部品を提供する。【解決手段】少なくとも厚さが０．５ｍｍ以下の部位微小部品製造に当たり、焼結後の結晶粒の粒径を２５μｍ以下とする。原料粉末として最大粒径が２５μｍ以下のものを用い、原料粉末を結晶粒が成長しないよう焼結することで微小部品の結晶粒の粒径を２５μｍ以下とすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが０．５ｍｍ以下の部位を有する金属製微小部品であって、少なくとも前記０．５ｍｍ以下の部位における結晶粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする微小部品。
【請求項２】
少なくとも前記厚さが０．５ｍｍ以下の部位において、鉄基合金基地中に結晶粒径が５μｍ以下の炭化物が分散した金属組織を示すことを特徴とする、請求項１に記載の微小部品。
【請求項３】
ステンレス鋼合金からなることを特徴とする請求項２に記載の微小部品。
【請求項４】
前記ステンレス鋼合金が、ＪＩＳ規格に規定されるＳＵＳ４４０相当の合金であることを特徴とする請求項３に記載の微小部品。
【請求項５】
前記微小部品の質量が５ｍｇ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微小部品。
【請求項６】
前記微小部品の密度比が９０％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の微小部品。
【請求項７】
前記微小部品の厚さが最小の部位に対して、結晶粒径が前記厚さの１／３以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の微小部品。
【請求項８】
前記微小部品が、歯車形状を有し、前記厚さが０．５ｍｍ以下の部位が歯部の歯元であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の微小部品。
【請求項９】
原料粉末に熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを３５〜６０体積％添加し加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、
前記原料を所定量、押型の型孔内に充填する充填工程と、
前記押型内の前記原料をパンチで加圧して成形する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後に得られた成形体を抜き出す抜き出し工程と、
抜き出された成形体を加熱してバインダを除去する脱バインダ工程と、
脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備えた微小部品の製造方法において、
前記成形体が厚さが０．５ｍｍ以下の部位を有しており、
前記原料粉末として粒径が２５μｍ以下の粉末を用いることを特徴とする微小部品の製造方法。
【請求項１０】
前記原料粉末が、鉄を主成分として含むとともに炭素および炭素と炭化物を形成する元素を含んだ合金粉末であることを特徴とする請求項９に記載の微小部品の製造方法。
【請求項１１】
前記合金粉末として、ステンレス鋼合金粉末を使用することを特徴とする請求項１０に記載の微小部品の製造方法。
【請求項１２】
前記合金粉末として、ＪＩＳ規格に規定されるＳＵＳ４４０相当の合金粉末を使用することを特徴とする請求項１１に記載の微小部品の製造方法。
【請求項１３】
前記脱バインダ工程を、大気圧の還元雰囲気中で行うことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の微小部品の製造方法。
【請求項１４】
前記焼結工程を、大気圧の還元雰囲気中で行うことを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の微小部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属製の微小部品およびその製造方法に係り、特に、厚さが０．５ｍｍ以下の部位を有する金属製微小部品およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル家電製品や先端医療機器、あるいはＩＴ機器等の技術分野においては、デバイスの小型化・高機能化に伴い、その構成部品に対する小型化・薄肉化の要求が益々高まってきている。たとえば、小型・薄肉の微小歯車（モジュール：０．０５ｍｍ、歯先径：０．５ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ程度）等の微小部品のような小型化・薄肉化した部品の要求が高まってきている。このような微小部品としては、金型のモールドに樹脂を射出成形した樹脂製の微小部品が一般的に用いられているが、樹脂製の微小部品は強度や耐摩耗性が低く、かつ樹脂の劣化等の問題を有しており、金属製の微小部品が望まれている。
【０００３】
一般に、歯車等の金属製機械部品の製造には、プレスによる打ち抜き等の剪断加工や、切削加工が行われる。しかしながら、微小歯車等の微小部品を剪断加工により製造する場合、ダイやパンチの作製が難しく、かつ剪断加工時の圧力によりダイやパンチの微小な部分が破損し易い。また、微小歯車等の微小部品を切削加工により製造する場合、特殊な工具が必要となるとともに加工コストが高く、大量生産に不向きである。また、放電加工や、半導体デバイスの製造プロセス等により金属製微小部品を製造することもできるが、これらの製造方法は上記の機械加工に比して更に加工コストが高く、かつ大量生産に不向きである。
【０００４】
歯車等の金属製機械部品の製造方法としては、上記の方法の他、粉末冶金法が用いられている。粉末冶金法は、原料粉末を押型の型孔内に充填し、これをパンチで加圧して圧粉成形して得られた粉末成形体を焼結する押型法と、原料粉末を多量のバインダとともに混練した流動状態にある原料を金型内の空隙に加圧充填し、得られた粉末成形体を加熱してバインダを除去した後、焼結する射出成形法に大別される。
【０００５】
押型法では、原料粉末の流動性および金型との潤滑性を得るために、１質量％以下程度の成形潤滑剤を原料粉末に混入させることがあるが、成形潤滑剤の添加量が少ないことから、焼結工程のはじめの段階で成形潤滑剤を揮発除去することが容易で、脱脂工程が短時間で済むという利点がある。押型法では、原料粉末の金型への充填は、フィーダ（粉箱）と呼ばれる粉末供給装置より原料粉末を金型と下パンチ等で形成される空間に落とし込む方法で行われるが、この方法では充填にばらつきが生じることが避けられない。一方、狭小な部位を有する微小な製品を製造する場合、このばらつきは許容することができる範囲ではなく、また、狭小な部位を形成するために押型に微小な隙間を設けてこの隙間に原料粉末を充填しようとすると、原料粉末の粒径が小さいものを用いる必要がある。この場合、原料粉末の流動性が低下するとともに充填性が低下して、安定した原料粉末の供給を行うことができないといった不具合が生じる。
【０００６】
射出成形法は、上記の押型法では造形することができないアンダーカット等を有する形状のものでも造形することができるという利点がある。しかしながら、原料の流動性を確保するため原料粉末に３０〜７０体積％の熱可塑性樹脂等のバインダを添加して混練するため粉末成形体に多量のバインダを含有しており、このため、バインダを除去する脱バインダ工程に時間がかかるという欠点がある。また、肉厚が０．１〜０．３ｍｍ程度の薄肉部に対しては金型のキャビティが小さくなりすぎるため、金属粉末をキャビティに均一に充填することが難しい。すなわち、射出成形法においては、原料はゲートおよびランナを介して金型内に射出されるが、原料を充填する金型の空隙が微小であると、このような空隙内部に原料を充填するためには原料を高圧で充填しなければならない。しかしながら、射出成形装置を高圧化することは現実的ではない。すなわち、高圧で射出成形を行うと、金属粉末とバインダの分離が生じたり、金型の合わせ部に原料が入り込んでバリが生じることがあるからである。一方、バインダを増量して原料の流動性を高める検討も行われているが、バインダを増量すると焼結後の寸法収縮が大きくなり製品の変形という問題が生じてくる。これらのことから、現実的に射出成形可能な肉厚の限界は０．５ｍｍである。
【０００７】
このような状況の中、押型法と射出成形法の長所を兼ね備えた造形法が提案されている（特許文献１、２等）。この造形法は、原料粉末に通常の押型法で与える以上の多量のバインダ等を与えた原料を用いて押型成形する方法である。特許文献１に記載のものは、冷陰極蛍光ランプ用電極に係る発明であり、モリブデン粉末またはタングステン粉末からなる金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、原料を所定量、押型の型孔内に充填する充填工程と、押型内の原料をパンチで加圧して有底円筒状に成形する加圧成形工程と、この加圧成形工程の後に得られた有底円筒状成形体を押型から抜き出す抜き出し工程と、押型から抜き出された有底円筒状成形体を加熱してバインダを除去する脱バインダ工程と、脱バインダされた有底円筒状成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合する焼結工程とを行うことにより、円筒部の厚さが０．１〜０．２ｍｍという狭小部を有する微小な焼結部品を製造することができるとしている。また、上記特許文献１においては、原料を熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度に加熱して成形工程を行い、原料を熱可塑性樹脂の軟化点以下、かつワックスの軟化点以上の温度に冷却して抜き出し工程を行うことが記載されている。そして、上記造形法を適用した微小部品および微小歯車の製造方法も提案されている（特許文献３、４等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３４４５８１号公報
【特許文献２】特開２００９−０９１６５１号公報
【特許文献３】特開２０１１−０８８４１１号公報
【特許文献４】特開２０１１−０８９１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、金属の結晶粒は高温に曝されると、結晶粒の内あるものが隣接する結晶粒を吸収して成長し、結晶粒が増大する現象が生じる。この現象を結晶粒の成長というが、これは結晶粒界の持つ全界面のエネルギーを減少させて全体としてより安定な状態となろうとするために生じる現象である。特に、元々の結晶粒が微細であればあるほど、結晶粒界の量が多く界面の持つエネルギーが大きいことから、微細な結晶粒からの成長が生じ易い。
【００１０】
粉末冶金法による機械部品の製造においては、焼結工程において原料粉末どうしの拡散による接合を生じさせる焼結を行うが、焼結による拡散駆動のエネルギーが充分に与えられる温度領域では、同時に結晶粒の界面エネルギーを減少する方向に駆動するエネルギーが与えられることとなり、焼結工程において、金属の結晶粒は成長し易い。一般の歯車部品等においては、元々の歯部の厚さが数ｍｍと大きいため、結晶粒がある程度成長してもそれほど大きな問題とはならない。
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献３、４等に記載の製造方法により得られる金属製の微小部品のように、例えば図１に示すような歯元の厚さｄ１および／またはｄ２が０．５ｍｍ以下のような微小部品の場合、結晶粒の成長が生じて図９（ａ）に示すように歯部１ａが一つの結晶に成長すると、歯部１ａと本体１ｂとの結晶粒界１ｃが歯元近傍に位置するとともに、この結晶粒界１ｃが単一の結晶粒界として形成される。これは、結晶粒が界面の持つエネルギーを最小にする、すなわち結晶の界面の面積を最小となるように成長する結果、歯元近傍の最も厚さの小さい部分が結晶粒界となるよう成長するためである。歯車の歯元部分には応力が集中し、最も強度が必要となる部位であるが、図９（ａ）のように歯元近傍部分に単一の結晶粒界が配置されると、単一の結晶粒界から破断が生じ、歯部の折損が生じ易くなる。図９（ｂ）は、このような結晶粒が成長した微小歯車の歯元部近傍の光学顕微鏡写真像であり、写真中左側が歯先であり、右側が歯車本体部である。図９（ｂ）より、実際に結晶粒が成長して、歯車の歯元部近傍に結晶粒界が配置されていることがわかる。
【００１２】
本発明は、上記のような例えば歯元の厚さが０．５ｍｍ以下のような微小な部位を有する金属製微小部品において、結晶粒の成長を抑制し、少なくとも微小な部位を多結晶で構成した微小部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［微小部品の金属組織］
本発明が対象とする厚さが０．５ｍｍ以下の部位を有する微小部品の一例を図１に示す。図１の微小部品は歯車を有し、歯部の歯元の厚さｄ１およびｄ２の一方もしくは両方が０．５ｍｍ以下の厚さとなっている。本発明の金属製微小部品においては、このような０．５ｍｍ以下の厚さとなる部位を、図２に示すように多結晶として構成する。このように０．５ｍｍ以下の厚さとなる部位を多結晶として構成すると、歯元が最小となる部位において、多数の結晶が存在し、結晶粒界が多数で構成されるとともに屈曲して構成される。このため、歯元強度が著しく向上する。このような効果を発揮するために、厚さが０．５ｍｍ以下の部位における最大結晶粒径は２５μｍ以下とする。なお、本発明における「厚さが０．５ｍｍ以下の部位」とは、上記微小歯車の歯元部のように、その両側で厚さが大きくなる部位（例えばアンダーカット形状）であり、原料の流入を阻害するする部位のことを意味する。
【００１４】
上記の多結晶の金属組織を得やすくするため、金属組織中に金属炭化物が分散する金属組織とすると、炭化物が結晶粒の成長を阻害するするため効果的である。なお、図２において小さな○は結晶粒界に析出した金属炭化物を示す。このような効果を得るため炭化物の結晶粒径は５μｍ以下とすることが好ましい。
【００１５】
［微小部品の製造方法］
上記のような金属組織を示す微小部品は、特許文献１、２に記載された製造方法、すなわち、原料粉末に熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを３５〜６０体積％添加して、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、原料を所定量、押型の型孔内に充填する充填工程と、押型内の原料をパンチで加圧して成形する加圧成形工程と、加圧成形工程の後に得られた粉末成形体を抜き出す抜き出し工程と、抜き出された粉末成形体を加熱してバインダを除去する脱バインダ工程と、脱バインダされた粉末成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備えた微小部品の製造方法において、原料粉末として粒径が２５μｍ以下の粉末を用いることにより製造することができる。このような粒径の原料粉末を結晶粒が粗大化しないように焼結することで、上記のように多結晶となる金属組織とする。
【００１６】
ここで、粉末冶金法で一般的な押型法による焼結部品の原料粉末では、押圧による緻密化のため、主原料粉末（母粉）は圧縮性を考慮して純鉄粉末を用い、鉄を強化する炭素や銅等の元素については黒鉛粉末や銅粉末等の単味粉末の形態でこれらを添加混合した混合粉末の形態で用いることが一般的であるが、本発明が対象とする微小部品の場合、上記のような混合法による原料粉末を用いると、黒鉛粉末や銅粉末等から純鉄粉末に炭素や銅等の元素が拡散する際に黒鉛粉末や銅粉末が存在していた箇所に空隙が生じるカーケンダルボイドが発生して、微小な歯元に空隙が形成される虞がある。このため、本発明の微小部品の製造方法においては、原料粉末として全成分を均一に合金化した鉄合金粉末を用いることが好ましい。このように原料粉末に炭素等の強化元素を予め合金化しておけば、焼結による元素の拡散に伴う空隙の発生を防止することができる。
【００１７】
焼結後の結晶粒の粒径を２５μｍ以下とするため、原料粉末として最大粒径が２５μｍ以下のものを用いる。このような原料粉末を結晶粒が成長しないよう焼結することで微小部品の結晶粒の粒径を２５μｍ以下とすることができる。
【００１８】
なお、原料粉末の粒径は細かいものほど好適であるが、上記のような鉄合金粉末は、気相合成法や還元法等の微粒子製造法によって製造することが難しい。このため、鉄合金粉末は、現在のところ一般的なアトマイズ法により製造する他ないが、アトマイズ法により製造した鉄合金粉末を微粉のみ分級して使用するとコストが増大する。具体的には、最大粒径が１μｍより小さい粉末は高価であるため好ましくない。この点から原料粉末の最大粒径が１〜２５μｍとなる原料粉末が好ましい。
【００１９】
また、上記製造方法によれば微小部品の厚さが最小の部位の厚さが０．５ｍｍ以下の０．２５ｍｍ、あるいは０．１ｍｍであっても容易に製造可能であるが、微小部品の厚さが最小の部位の厚さに対して、結晶粒径が１／３よりも大きいと微小部品の厚さが最小の部位に配置される結晶の数が少なくなって、多結晶とすることによる強度向上の効果が乏しくなる。このため最大粒径が２０〜２５μｍとなる原料粉末を用いる場合、微小部位の厚さが最小の部位の厚さは０．０７５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であるとさらに好ましい。また、そのような微小部位の厚さが０．０７５ｍｍよりも小さい場合には、原料粉末の最大粒径が小さいもの、例えば最大粒径が１６μｍ以下のものを用いることが好ましい。一方、原料粉末の粒径が小さくなるほど、焼結時の結晶粒成長が顕著となるが、最大粒径が１μｍ程度の原料粉末を用いる場合、微小部位の厚さは０．０１ｍｍ程度まで小さくても製造可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の微小部品は、例えば歯元の厚さが０．５ｍｍ以下のような、厚さが０．５ｍｍ以下の部位を有する金属製微小部品であっても、少なくとも厚さが０．５ｍｍ以下の部位における結晶粒径を２５μｍ以下として、多結晶としたため、歯元の強度が確保される。また、本発明の微小部品の製造方法では、上記の微小部品を低コストで量産可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】微小部品の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の微小部品の歯部の金属組織の模式図である。
【図３】本発明の実施形態で製造する微小部品の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態で製造する微小部品の成形工程を説明する模式図である。
【図５】本発明の実施形態で製造する微小部品の成形工程を説明する模式図である。
【図６】本発明の実施形態を実施するための成形金型装置を構成する上下のダイの一部断面図である。
【図７】本発明の実施形態で製造した微小部品の外観を示すＳＥＭ写真像である。
【図８】本発明の実施例で製造した微小部品の断面を金属組織観察した光学顕微鏡写真像である。
【図９】（ａ）は従来の微小部品の歯部の金属組織の一例を示す模式図であり、（ｂ）は歯元の光学顕微鏡写真像である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（１）微小部品
本実施形態では、例えば図３に示すような微小歯車Ｇを製造する。図３に示す微小歯車Ｇは、外径１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円板部４の上部に、歯先径０．５ｍｍ、歯数１０、歯元の厚さ０．０５ｍｍの平歯車部８が形成され、平歯車部８の上面の中央に軸部５が形成され、円板部４の下面の中央に軸部６が形成された構成である。
【００２３】
（２）原料粉末
原料粉末は、カーケンダルボイドの発生を防止するため、全成分を均一に合金化した鉄合金粉末を用いることが好ましい。原料粉末の大きさは上述のとおり、最大粒径が２５μｍ以下のものを用いる。鉄合金粉末の製造には通常のアトマイズ（噴霧）法が用いられるが、微粉のみ製造できるよう、溶湯を微細に噴霧（アトマイズ）して製造してもよく、通常の噴霧を行って得られた合金粉末を分級して用いてもよい。分級は、通常行われる篩分級や、気流による空気分級等により行う。
【００２４】
前述のように、原料粉末は、鉄合金粉末中に、炭素とともに炭素と金属炭化物を容易に形成する元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等）を合金化しておくことが好ましい。この場合、鉄基地中に金属炭化物が分散する金属組織となるが、金属炭化物が結晶粒の成長を抑制して結晶粒径の制御が容易となる。例えば、Ｃｒ：０．８〜２０質量％、Ｍｏ：０．５〜５質量％、Ｖ：０．５〜３質量％１種または２種以上を含有するとともに、Ｃ：０．６〜２．２質量％を含有する鉄合金粉末を用いることができる。
【００２５】
上記の原料粉末となる鉄合金粉末はステンレス合金粉末組成を有するとともに必要な量の炭素も合金化した鉄合金粉末を用いることが好ましい。このような原料粉末を用いて微小部品を製造すると、得られる微小部品は炭化物が分散するステンレス鋼から構成される。ここで、ＪＩＳ規格に規定されるＳＵＳ４４０相当の合金粉末は、炭化物形成元素としてクロム等の元素を含有するとともに炭素を含有するため、本発明の微小部品の原料粉末として好適である。これを原料粉末として用いて微小部品を製造すると、得られる微小部品はＪＩＳ規格に規定されるＳＵＳ４４０相当の合金から構成される。
【００２６】
（３）原料調整工程
バインダは、熱可塑性樹脂とワックスからなる。熱可塑性樹脂は、原料に可塑性を付与するために用いられ、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリエチレンビニルアセテート等が用いられる。ワックスは原料、特に金属粉末と金型（ダイおよびパンチを含む）との間の金属接触を防止して加圧成形時に金属粉末の均一な流動を実現するとともに、抜き出し時の粉末成形体と金型間の摩擦を低減して抜き出しやすくするために添加され、パラフィンワックス、ウレタンワックス、カルナバワックス等が用いられる。このような作用を有する熱可塑性樹脂とワックスは、２０：８０〜６０：４０の範囲で構成すると好適なバインダとなる。このようなバインダを原料全体に対する割合が３５〜６０体積％となるように鉄合金粉末等の原料粉末に混合して原料を調整する。
【００２７】
（４）成形工程
（４−１）成形金型装置
図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）は、図３に示す微小歯車Ｇの粉末成形体７Ａを成形するための成形金型装置と成形工程を示している。まず、図４により成形金型装置の構成を説明する。同図で符号１０は押し型であり、この押し型１０は、上ダイ２０と下ダイ３０とから構成されている。上下のダイ２０，３０は、いずれも上下方向に移動可能に設けられ、上下方向に互いに離接可能に配設されている。
【００２８】
上ダイ２０は、外側ダイ２１と内側ダイ２５とから構成されている。これら外側ダイ２１と内側ダイ２５は、それぞれ水平な下面２１ａ，２５ａを有している。外側ダイ２１には、上下方向に貫通する円筒状孔２２が形成されており、この円筒状孔２２に、円筒状の内側ダイ２５が摺動自在に挿入されている。そして、外側ダイ２１の円筒状孔２２の下端部により、微小歯車Ｇの円板部４を形成する。
【００２９】
内側ダイ２５の内部には、上下方向に延び、上方に開口する原料貯留部２６が形成されている。原料貯留部２６は円筒状の内周面を有しており、その下端部内周面は、下方に向かうに従って先細りとなる円錐状のテーパ部２６ａに形成されている。そして内側ダイ２５の内部には、テーパ部２６ａの下端から下方に延び、内側ダイ２５の下面２５ａに開口する上パンチ孔２７が形成されている。上パンチ孔２７は原料貯留部２６と同心状で、この上パンチ孔２７と原料貯留部２６との間が、ゲート２８として形成されている。上パンチ孔２７の内径は、微小歯車Ｇの軸部５，６の直径と同等に設定されている。
【００３０】
内側ダイ２５の原料貯留部２６には、上方の開口から、可塑性を有する原料Ｐが投入されて貯留される。原料Ｐとしては、上記の鉄合金粉等の金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを３５〜６０体積％程度の比率で添加し混練したもの等が用いられる。
【００３１】
原料貯留部２６には、上方の開口からプランジャ４０が摺動自在に挿入されている。プランジャ４０の軸心には、上パンチ５０が、プランジャ４０の摺動方向である上下方向に沿って貫通されている。上パンチ５０は、下降すると下端部が上パンチ孔２７に摺動しながら挿入される。この時、ゲート２８は上パンチ５０で閉じられる。また、ゲート２８が閉じた状態から上パンチ５０を上昇させると、図４（ｂ）に示すように上パンチ５０は上パンチ孔２７から抜けてゲート２８が開くようになっている。
【００３２】
下ダイ３０は、上ダイ２０の外側ダイ２１の下面２１ａ、および内側ダイ２５の下面２５ａが当接する水平な上面３０ａを有している。下ダイ３０には、微小歯車Ｇの平歯車部８の外径よりも小さい内径の円筒状孔３１が上下に開口して形成されており、この円筒状孔３１に、内側ダイ３２が上下方向に摺動自在に挿入されている。図６に示すように、円筒状孔３１の上端部の内周面には、微小歯車Ｇの平歯車部８の歯列を造形する内歯列３１ａが形成されている。内側ダイ３２の中心には下パンチ孔３３が形成されており、この下パンチ孔３３には、下パンチ６０が摺動自在に挿入されている。内側ダイ３２および下パンチ６０は、上ダイ２０側のプランジャ４０および上パンチ５０と同軸的に配設されている。
【００３３】
（４−２）充填工程
上記成形金型装置を用いて微小歯車Ｇの粉末成形体７Ａを成形する工程を説明する。始めに、上ダイ２０の内側ダイ２５を、外側ダイ２１に対して、内側ダイ２５の下面２５ａと下ダイ３０の上面３０ａとの間に微小歯車Ｇの円板部４の厚さに等しい隙間を設けた状態とし、外側ダイ２１の下面２１ａと下ダイ３０の上面３０ａとを当接させて型締めする。そして、上ダイ２０側において、上パンチ５０を、下端面が内側ダイ２５の下面２５ａと面一になる状態まで挿入してゲート２８を閉じる。下ダイ３０側においては、内側ダイ３２を、円筒状孔３１の上端部の内歯列３１ａが露出するまで下ダイ３０の上面３０ａよりも下方に位置付け、さらに、下パンチ６０を内側ダイ３２の上面よりも下降させる。これにより、押し型１０内に、上ダイ２０側に微小歯車Ｇの円板部４に対応する部分を有し、下ダイ３０側に微小歯車Ｇの平歯車部８と軸部５に対応する部分を有するキャビティ１１を形成する。一方、上ダイ２０側の内側ダイ２５の原料貯留部２６に原料Ｐをほぼ充満させ、プランジャ４０の先端を原料貯留部２６に挿入する（図４（ａ））。
【００３４】
次いで、上パンチ５０を上昇させて上パンチ孔２７から抜き、ゲート２８を開ける。これにより、上パンチ孔２７を介してキャビティ１１と原料貯留部２６とが連通する。上パンチ孔２７はキャビティ１１の一部を構成し、この状態からプランジャ４０を押し込んで下降させ、原料Ｐを、ゲート２８から上パンチ孔２７を含むキャビティ１１に必要量（２ｍｇ）注入する（図４（ｂ））。このときのプランジャの圧力は例えば５〜８ＭＰａ程度で充分である。
【００３５】
（４−３）加圧成形工程
次いで、上パンチ５０を下方に押し込んでゲート２８を閉じ、さらに上パンチ５０を押し込むことにより、キャビティ１１内の原料Ｐを例えば０．１ＭＰａ程度の圧力で圧縮する（図４（ｃ）〜（ｄ））。これにより、原料Ｐは塑性流動して金型に密着することで、上ダイ２０側に円板部４と軸部６が造形され、下ダイ３０側に平歯車部８と軸部５が造形されて、微小歯車Ｇの粉末成形体７Ａが成形される。
【００３６】
（４−４）抜き出し工程
次に、押し型１０の型開きに移り、まず、上ダイ２０の外側ダイ２１を上昇させて円板部４を露出させてから（図５（ａ））、上パンチ５０で粉末成形体７Ａを押さえながら、外側ダイ２１と内側ダイ２５を上昇させて軸部６を露出させる（図５（ｂ））。次いで、下ダイ３０を下降させて平歯車部８を露出させ（図５（ｃ））、さらに下ダイ３０および内側ダイ３２を下降させて軸部５を下パンチ孔３３から抜き出す（図５（ｄ））。この後、上ダイ２０側の全体を上昇させれば粉末成形体７Ａを取り出すことができる。以上が１つの粉末成形体７Ａを圧縮成形するサイクルであり、この後、再び図４（ａ）の状態に戻して上記工程を繰り返し、粉末成形体７Ａを複数得る。
【００３７】
上記の成形工程は一例であり、上記のように原料粉末にバインダを添加、混練した可塑性の原料を用い、金型装置のキャビティに充填した後、金型（例えばパンチ）を駆動して原料を押圧して塑性流動させて金型内壁に原料を密着させて粉末成形体を造形する方法であれば差し支えなく、他に特許文献３、４等の成形金型装置および成形方法により成形することができる。
【００３８】
同じ可塑性の原料を用いる射出成形法においては、ランナ部およびゲート部を介してキャビティに原料を導くため、これらのランナ部およびゲート部の壁面における接触抵抗によりキャビティに原料を充填するための圧力が損失し、微小なキャビティに原料を充填する際に、過大な圧力（例えば１００〜２００ＭＰａ）が必要となる。しかも微小なキャビティに原料を充満しようと射出圧力を増加すると、流動しやすいバインダ成分のみが微小なキャビティに流動してしまい、健全な粉末成形体を得ることが難しい。
【００３９】
しかしながら、上記の可塑性の原料を金型装置のキャビティに充填した後、金型（例えばパンチ）を駆動して原料を押圧して塑性流動させ、金型内壁に原料を密着させて粉末成形体を造形する方法では、定量に充填された原料を金型を駆動して所望の形状へ成形するため、金型のキャビティへの充填の圧力は低圧でよく、また、原料に加圧圧力が均等に加わるため微小なキャビティへバインダ成分が分離することなく原料が充填され、効率的に微小な粉末成形体を成形することができる。
【００４０】
（５）脱バインダ工程
上記のようにして得られた粉末成形体は、バインダ成分が含まれるため、これを除去するため粉末成形体をバインダ成分の熱分解温度以上の温度に加熱して脱バインダ工程を行う。バインダは、熱可塑性樹脂とワックスからなるが、熱可塑性樹脂およびワックスの熱分解温度近傍の昇温速度が速いと、熱可塑性樹脂およびワックスが急激にガス化して膨張し、粉末成形体の型くずれを引き起こすので、少なくとも熱可塑性樹脂およびワックスの熱分解温度近傍の昇温は緩やかに行う。この観点から脱バインダ工程は、第１段階としてワックスの昇華温度近辺で一旦保持してバインダ成分中のワックス分を除去した後、第２段階として熱可塑性樹脂の熱分解温度近辺で再度保持して熱可塑性樹脂分を除去する、２段階の加熱保持工程とすることが好ましい。また、熱分解に伴うガス発生を徐々に行うために、熱可塑性樹脂およびワックスは熱分解温度の異なる複数のものを配合して用いることが好ましい。
【００４１】
（６）焼結工程
上記のバインダの除去を行った後の粉末成形体では、金属粉末どうしは未だ拡散しておらず、金属的に結合していない状態であり、極めて脆い。そこで、金属粉末どうしを金属的に拡散結合させるため焼結を行う。焼結温度は鉄の拡散が生じる８００℃以上の温度で、かつ結晶粒が成長して結晶粒径が２５μｍを越えないような温度範囲で行う。原料粉末として炭素および炭素と炭化物を形成する元素を含んだ鉄合金粉末を用いる場合は炭化物が結晶粒の成長を抑制するので１０００〜１２００℃程度の温度で３０〜６０分間保持しするのが好適である。上記のように焼結することにより密度比９０％以上の微小部品を製造することができる。
【００４２】
ここで、原料粉末として炭素および炭素と炭化物を形成する元素を含んだ鉄合金粉末を用いる場合において、焼結雰囲気が酸素を含有すると鉄合金粉末に含まれる炭素が雰囲気中の酸素と結合し脱炭されて炭化物が析出せず、炭化物による結晶粒成長抑制の作用が得られなくなるため、還元雰囲気とすることが好ましい。また、焼結雰囲気が真空雰囲気（減圧雰囲気）であると、鉄合金粉末表面に吸着している水分および酸素が鉄合金粉末に含まれる炭素と結合して脱炭されて炭化物が析出せず、炭化物による結晶粒成長抑制の作用が得られなくなるため、大気圧下とすることが好ましい。
【００４３】
（７）微小部品焼結体
上記の工程により得られた微小部品（焼結体）の外観のＳＥＭ写真像を図７に示す。図７（ａ）は右側に米国の１０セント硬貨を比較として並べたＳＥＭ写真像であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の微小部品（焼結体）を拡大したＳＥＭ写真像である。また、図７（ｃ）は同じ微小部品（焼結体）を米粒と比較して米粒の写真下側に３個角度を変えて並べたＳＥＭ写真像である。なお、図７（ｃ）においては、米粒の左に別の微小部品を３個並べてある。このように、上記の製造方法によれば、従来にない微小な金属製の部品を製造することが可能である。なお、上記の製造方法により、得られる微小部品の質量は５ｍｇ以下（上記例は２ｍｇ）とすることができる。ただし、金属粉末を原料として用いることから、好適に製造できる質量は０．１ｍｇ以上である。
【００４４】
本発明は上記のような微小歯車Ｇに限定されるものではなく、微小カム、コンタクトプローブ、微小バランサーおよび内視鏡用等の微小鉗子等あらゆる微小部品に適用可能である。
【実施例】
【００４５】
（１）原料粉末
ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４０Ｃ相当の組成を有するガスアトマイズ鉄合金粉末を用意し、空気分級して最大粒径が２０μｍのものを原料粉末として用意した。
【００４６】
（２）原料調整工程
熱可塑性樹脂としてポリアセタール（軟化点：１１０℃、融点：１８０℃）、ワックスとしてパラフィンワックス（軟化点：３９℃、融点６１℃）を用意し、熱可塑性樹脂とワックスを４：６の比で混合したバインダを用意した。上記の原料粉末に、このバインダを原料全体に対して４０体積％添加し、配合、混練して原料を調整した。
【００４７】
（３）成形工程
図４および図５の成形金型装置を用い、上述のように充填工程、成形工程および抜き出し工程を経て図３に示す形状の粉末成形体の成形を行った。原料のキャビティへの充填時の圧力は５ＭＰａ、成形圧力は０．１ＭＰａとして行った。
【００４８】
（４）焼結工程
得られた圧粉体をバインダが熱分解する５００℃まで加熱して１２０分間保持して脱バインダ工程を行った。このときの雰囲気ガスはアンモニア分解ガス雰囲気を用いた。脱バインダ工程の後、表１に示す焼結温度および焼結雰囲気をアンモニア分解ガス雰囲気（表中の「ＡＸ」）と、アンモニア分解ガス雰囲気（表中の「ＡＸ」）に少量の酸素ガスを混合した酸素混合ガス雰囲気（表中の「ＡＸ＋Ｏ２」）として焼結を行った。焼結時間（焼結温度での保持時間）は６０分である。
【００４９】
得られた焼結体試料の歯車部で軸に対して鉛直方向に切断し、観察のため樹脂に埋め込んだ後、鏡面研磨し、ピクリン酸飽和水溶液で腐食し、光学顕微鏡で金属組織を観察し、結晶粒の最大径を測定した。この結果を表１に併せて示す。また、図８に試料番号０４（図８（ａ））と試料番号０５（図８（ｂ））の断面光学顕微鏡写真像を示す。
【００５０】
【表１】
2013087361.tif 000003
【００５１】
表１より、焼結雰囲気としてアンモニア分解ガス雰囲気（ＡＸ）を用いた試料（試料番号０１〜０４、０６）は、焼結温度を高くするに従って結晶粒の最大径が大きくなる傾向を示すが、いずれの場合も結晶粒は２５μｍ以下の範囲となっている。これは析出分散したクロム炭化物が結晶粒の成長を抑制した結果と考えられる。
【００５２】
その一方で、焼結雰囲気として酸素混合ガス雰囲気（ＡＸ＋Ｏ２）を用いた試料（試料番号０５）は炭素が雰囲気ガス中の酸素と反応して脱炭され、クロム炭化物が析出せず、このため結晶粒が粗大に成長している。特に本実施例の場合、焼結体が微小であるため容易に鉄合金中の炭素が脱炭されたものと考えられる。
【００５３】
以上より、結晶粒径を２５μｍ以下に抑制して焼結するためには、鉄を主成分として含むとともに、炭素および炭素と炭化物を形成する元素を含んだ鉄合金粉末を使用して、金属組織中に炭化物を分散させると、結晶粒を容易に制御できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の微小部品は、金属製であり強度が高く、デジタル家電製品や先端医療機器、あるいはＩＴ機器等に使用される微小部品に好適である。
【符号の説明】
【００５５】
４…円板部、５…軸部、７Ａ…粉末成形体、８…平歯車部、６…軸部、１０…押し型、１１…キャビティ、２０…上ダイ、２１…外側ダイ、２５…内側ダイ、２６…原料貯留部、２７…上パンチ孔、２８…ゲート、３０…下ダイ、３３…下パンチ孔、４０…プランジャ、５０…上パンチ、６０…下パンチ、Ｇ…微小歯車（微小部品）、Ｐ…原料。
【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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【図９】
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