(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末及び有機バインダー混練混合物の成形体を脱脂、焼結し、金属粉末焼結体を製造する方法において、
成形体を所定の条件にて脱脂した後、この成形体に形成された肉抜け部に、金属粉末の原料金属よりも熱膨張係数が大きく、かつ、被焼結金属粉末を焼結する前記焼結条件にて分解しない材質からなり、
前記肉抜け部に対応した形状でかつ焼結部品の焼結前の寸法と焼結部品の焼結収縮率と焼結部品熱膨張係数と入子熱膨張係数を予め決定したときに、下記式を満たす寸法ｄで形成されるセラミックス製の入子を前記肉抜け部に挿入して焼結し、  この後、前記入子を除去して金属粉末焼結体を製造すること、
を特徴とする金属粉末焼結体の製造方法。
ｄ＝ｂ×（１＋入子熱膨張係数）
ここに、ｂ＝ａ×（１−焼結部品の焼結収縮率）、ｃ＝ｂ／（１＋焼結部品熱膨張係数）、ｃ＞ｄ。（但し、ｄ：入子の室温Ｔ2 時の寸法、ａ：焼結部品の焼結前の寸法、ｂ：焼結部品の焼結時（温度Ｔ1 時）の寸法、ｃ：焼結部品の焼結後の冷却時（室温Ｔ2 時）の寸法）
【請求項２】
金属粉末及び有機バインダー混練混合物の成形体を脱脂、焼結し、金属粉末焼結体を製造する方法において、
成形体を所定の条件にて脱脂した後、この成形体に形成された肉抜け部に、金属粉末の原料金属よりも熱膨張係数が大きく、かつ、被焼結金属粉末を焼結する前記焼結条件にて分解しない材質からなり、
前記肉抜け部に対応した形状でかつ焼結部品の焼結前の寸法と焼結部品の焼結収縮率と焼結部品熱膨張係数と入子熱膨張係数を予め決定したときに、下記式を満たす寸法ｄで形成される金属製でセラミックス微粉末を塗布した入子を前記肉抜け部に挿入して焼結し、
この後、前記入子を除去して金属粉末焼結体を製造すること、
を特徴とする金属粉末焼結体の製造方法。
ｄ＝ｂ×（１＋入子熱膨張係数）
ここに、ｂ＝ａ×（１−焼結部品の焼結収縮率）、ｃ＝ｂ／（１＋焼結部品熱膨張係数）、ｃ＞ｄ。（但し、ｄ：入子の室温Ｔ2 時の寸法、ａ：焼結部品の焼結前の寸法、ｂ：焼結部品の焼結時（温度Ｔ1 時）の寸法、ｃ：焼結部品の焼結後の冷却時（室温Ｔ2 時）の寸法）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貫通孔等、肉抜け部が存在する金属粉末焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、貫通孔等、肉抜け部が存在する金属粉末焼結体を製造する方法としては、特開平２−２５４１０４号公報に開示されている様に、焼結部品の仮焼結後に焼結部品の肉抜け部にこの焼結部品よりも熱膨張係数が小さく、焼結の冷却終了時まで焼結部品との間に隙間が出来ず、かつ、焼結中に熱変形、焼付きが起こらない入子を挿入後、本焼結を施し、前記肉抜け部の変形が発生しない様にする方法が公知であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−２５４１０４号公報に記載されている方法では、入子の焼付き、熱変形がなく、かつ、変形のない肉抜けの金属粉末焼結体を得ることは可能であるが、焼結部品よりも熱膨張係数が小さな入子を肉抜け部に挿入して焼結すると、焼結温度にて肉抜け部と嵌合した入子の冷却時の熱収縮量は、焼結部品の熱収縮量よりも小さくなるため、焼結炉内から取り出された時には、焼結部品と入子が締まり嵌めの状態となる。この場合、入子が焼き付かずとも、打ち抜き等の取り外すための工程が必要となるため、コストが高くなってしまう。
【０００４】
又、焼結部品よりも熱膨張係数が小さな入子を用いるのは、比較的熱膨張係数が大きな物質は、その殆どが金属であり、これら金属を入子として用いると、焼結時に焼結部品と溶着して一体化してしまうことが理由の一つとなっている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、低コストで、変形のない高精度の金属粉末焼結体を簡略な工程で製造できる金属粉末焼結体の製造方法を提供するものである。
【０００７】
請求項１記載の発明は、金属粉末及び有機バインダー混練混合物の成形体を脱脂、焼結し、金属粉末焼結体を製造する方法において、成形体を所定の条件にて脱脂した後、この成形体に形成された肉抜け部に、金属粉末の原料金属よりも熱膨張係数が大きく、かつ、被焼結金属粉末を焼結する前記焼結条件にて分解しない材質からなり、前記肉抜け部に対応した形状でかつ焼結部品の焼結前の寸法と焼結部品の焼結収縮率と焼結部品熱膨張係数と入子熱膨張係数を予め決定したときに、下記式を満たす寸法ｄで形成されるセラミックス製の入子を前記肉抜け部に挿入して焼結し、この後、前記入子を除去して金属粉末焼結体を製造すること、を特徴とするとするものである。
ｄ＝ｂ×（１＋入子熱膨張係数）
ここに、ｂ＝ａ×（１−焼結部品の焼結収縮率）、ｃ＝ｂ／（１＋焼結部品熱膨張係数）、ｃ＞ｄ。（但し、ｄ：入子の室温Ｔ2 時の寸法、ａ：焼結部品の焼結前の寸法、ｂ：焼結部品の焼結時（温度Ｔ1 時）の寸法、ｃ：焼結部品の焼結後の冷却時（室温Ｔ2 時）の寸法）
【０００８】
請求項２記載の発明は、金属粉末及び有機バインダー混練混合物の成形体を脱脂、焼結し、金属粉末焼結体を製造する方法において、成形体を所定の条件にて脱脂した後、この成形体に形成された肉抜け部に、金属粉末の原料金属よりも熱膨張係数が大きく、かつ、被焼結金属粉末を焼結する前記焼結条件にて分解しない材質からなり、前記肉抜け部に対応した形状でかつ焼結部品の焼結前の寸法と焼結部品の焼結収縮率と焼結部品熱膨張係数と入子熱膨張係数を予め決定したときに、下記式を満たす寸法ｄで形成される金属製でセラミックス微粉末を塗布した入子を前記肉抜け部に挿入して焼結し、この後、前記入子を除去して金属粉末焼結体を製造すること、を特徴とするものである。
ｄ＝ｂ×（１＋入子熱膨張係数）
ここに、ｂ＝ａ×（１−焼結部品の焼結収縮率）、ｃ＝ｂ／（１＋焼結部品熱膨張係数）、ｃ＞ｄ。（但し、ｄ：入子の室温Ｔ2 時の寸法、ａ：焼結部品の焼結前の寸法、ｂ：焼結部品の焼結時（温度Ｔ1 時）の寸法、ｃ：焼結部品の焼結後の冷却時（室温Ｔ2 時）の寸法）
【００１０】
以下、本発明についてさらに詳述する。図１に示す様な直方体形状を呈する肉抜け部である孔部２を有する直方体形状の金属粉末焼結体である焼結部品１を得るものとして以下の説明を行う。この焼結部品１は、例えば、ＳＵＳの様な金属の微粉末と有機バインダーの混練混合物を成形材料として射出成形を行い、得られた成形体（グリーンパーツ）を脱脂、焼結して製造する。
【００１１】
この際、脱脂後の成形体であるブラウンパーツの孔部２に焼結部品１を形成する金属材質よりも熱膨張係数の大きな材質からなる直方体形状の入子３を挿入する。また、この入子３は、焼結工程で、減圧化、還元雰囲気等の所定の焼結条件でも分解、蒸発しない材質を用いる。
【００１２】
前記焼結部品１は焼結時に収縮するが、この時の収縮量は、成形材料中の金属微粉末と有機バインダーの配合比率、焼結温度、金属微粉末の物性等により左右されるが、焼結収縮後の所望の寸法を見込むことは十分可能である。
【００１３】
一方、前記入子３は、焼結時には加熱されることで熱膨張するが、その膨張量（膨張後の入子寸法）は、熱膨張係数から容易に算出することが可能である。従って、焼結温度における焼結部品１の孔部２の内径寸法と、入子３の熱膨張時の外径寸法を一致させる様に入子３を設計すれば良いのである。
【００１４】
図２に例として図１の焼結部品１の孔部２の内径のＡ寸法部とこれに挿入する入子３のＡ寸法部との対応部の焼結における寸法変化を示したグラフを示す。
【００１５】
焼結部品１のＡ寸法部のグリーンパーツ寸法ａは、焼結により収縮し、温度Ｔ1 でｂとなる。このとき、グリーンパーツ寸法ａとｂとの間には、ｂ＝ａ×（１−焼結収縮率）の関係が成立する。
【００１６】
また、焼結後の冷却の後には、室温Ｔ2 でグリーンパーツ寸法ｃとなる。このとき、グリーンパーツ寸法ｃとｂとの間には、ｃ＝ｂ／（１＋焼結部品熱膨張係数）の関係が成立する。
【００１７】
一方、入子３における前記Ａ寸法部に対応する対応部は、室温においては、寸法ｄであるが、焼結時に温度がＴ1 に達するとｂとなり、このとき、ｄ＝ｂ×（１＋入子熱膨張係数）の関係が成立し、前記孔部２と嵌合する。そして、焼結後の冷却により室温Ｔ2 に戻ると寸法は再びｄに戻る。この時、焼結部品１の熱膨張係数は、入子３の熱膨張係数よりも小さいため、焼結温度においてこれら両者は嵌合するが、入子材質は、焼結条件において分解、蒸発することがなく、化学的に安定であるため、焼結部品１とも反応することがなく焼結後の室温Ｔ2 ではｃ＞ｄであり、前記両者間にはｃ−ｄのクリアランスが生じる。
【００１８】
これにより、焼結後において焼結部品１と入子３の分離は容易に可能となり、焼結温度Ｔ1 の嵌合時に孔部２の形状は入子３の形状にならい、この時点で焼結及び収縮が完了しているので、この後に変形が生じることはなく、変形のない高精度の焼結部品１を製造することが可能となる。
【００１９】
また、比較的熱膨張係数が大きな物質は金属が多く、これを入子３として用いた際に、焼結部品１と溶着してしまうのは、入子３と焼結部品が直接接触していることにより両者間で物質交換が起きるためである。従って、両者を直接接触させなければ良いわけで、両者間に化学的に安定なセラミックス膜を設けることで解決することが出来る。セラミックス膜は、セラミックスの微粉末を塗布（まぶす）すれば良く、これらセラミックス微粉末は、粒径１μｍ程度であり、焼結部品１の寸法精度には影響しない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
以下に本発明の実施の形態１を説明する。図３に示した外径２０ｍｍ×２０ｍｍ（厚さｔ＝３ｍｍ）で、内径１６ｍｍ×１６ｍｍの孔部６を有した焼結部品５を製造するものとして説明する。
【００２１】
部品材質は、ＳＵＳ３１６Ｌであり、焼結温度１３２０℃での熱膨張係数は１１．５×１０-6［／℃］である。成形材料にはＳＵＳ３１６Ｌ微粉末（平均粒径８μｍ）１００重量部に対して、パラフィンワックス、ポリスチレン、アクリル、ステアリン酸を主成分とした有機バインダーを１１重量部を混練混合したものを用いた。
【００２２】
この成形材料の焼結時の孔部（内径寸法）収縮率は１８．２％であり、従って、金型の対応部寸法は１９．５５ｍｍ×１９．５５ｍｍ程度に仕上げられている
。
【００２３】
一方、脱脂後に挿入する入子には、純度９７％のＭｇＯを用い、この入子の１３２０℃における熱膨張係数は１３．３×１０-6［／℃］である。従って、１３２０℃での入子外径寸法が１６ｍｍ×１６ｍｍになる様、室温では１５．７２ｍｍ×１５．７２ｍｍに仕上げてある。
【００２４】
前記成形材料にて成形後、これを３３０℃で加熱、脱脂を行った後、孔部６に入子を挿入し、真空中１３２０℃で焼結を行った。焼結後、炉より取り出した焼結部品５と入子を分離（焼結部品の内径は１６ｍｍ×１６ｍｍとなっているが、入子は元の１５．７２ｍｍ×１５．７２ｍｍのサイズに戻っているため、焼結部品５と入子間には全周に亘り、０．１４ｍｍのクリアランスが生じており、分離は容易である）し、この後、変形を測定したが変形は見られなかった。
【００２５】
［実施の形態２］
実施の形態１と同様、図３に示した外径２０ｍｍ×２０ｍｍ（厚さｔ＝３ｍｍ）で内径１６ｍｍ×１６ｍｍの孔部６を有した焼結部品５を製造するものとして説明する。
【００２６】
部品材質はＳＵＳ３１６Ｌであり、焼結温度１３２０℃での熱膨張係数は１１．５×１０-6［／℃］である。成形材料ではＳＵＳ３１６Ｌ微粉末（平均粒径８μｍ）１００重量部に対して、パラフィンワックス、ポリスチレン、アクリル、ステアリン酸を主成分とした有機バインダーを１１重量部を混練混合したものを用いた。
【００２７】
この成形材料の焼結時の孔部（内径寸法）収縮率は１８．２％であり、従って、金型の対応部寸法は１９．５５ｍｍ×１９．５５ｍｍ程度に仕上げられている。  一方、脱脂後に挿入する入子には、ＳＵＳ３０４の溶製材を用い、これの１３２０℃での熱膨張係数は１２×１０-6［／℃］である。
【００２８】
従って、１３２０℃での入子外径寸法が１６ｍｍ×１６ｍｍになる様、室温では１５．７５ｍｍ×１５．７５ｍｍに仕上げてある。成形材料にて成形後、これを３３０℃で加熱、脱脂を行った後、孔部に挿入するべき入子を粒径１μｍのｈ−ＢＮ粉中に埋没した後取り出し、孔部６に挿入し、真空中１３２０℃で焼結を行った。
【００２９】
焼結後、炉より取り出した焼結部品５と入子を分離（焼結部品の内径は１６ｍｍ×１６ｍｍとなっているが、入子は元の１５．７５ｍｍ×１５．７５ｍｍのサイズに戻っており、入子周囲のｈ−ＢＮ粉により焼結部品５と入子は直接接触しないため焼結部品５と入子間には全周に亘り、０．１２ｍｍのクリアランスが生じており、分離は容易である）し、この後、変形を測定したが変形は見られなかった。
【００３０】
［実施の形態３］
図４に示した様なコの字形状で溝部１３を有する焼結部品１０を製造するものとして説明する。
【００３１】
焼結部品１０の部品材質はＳＵＳ３１６Ｌであり、焼結温度１３２０℃での熱膨張係数は１１．５×１０-6［／℃］である。成形材料には、ＳＵＳ３１６Ｌ微粉末（平均粒径８μｍ）１００重量部に対して、パラフィンワックス、ポリスチレン、アクリル、フタル酸エステルを主成分とした有機バインダーを９．５重量部を混練混合した物を用いた。
【００３２】
この成形材料の焼結時の孔部（内径寸法）収縮率は１５．０％であり、従って、金型の対応部寸法は約５．９ｍｍ×５．９ｍｍ程度に仕上げられている。一方、脱脂後に挿入する入子１２には、気孔率３０％のジルコニアを用い、これの１３２０℃での熱膨張係数は１１．７×１０-6［／℃］である。
【００３３】
従って、１３２０℃で入子外径寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍ×５ｍｍになる様、室温では１４．７８ｍｍ×１４．７８ｍｍ×４．９３ｍｍに仕上げてある。前記成形材料にて成形後、これを図５に示す様に、焼結治具１１上に設置し、３２０℃で加熱、脱脂を行った後、溝部１３に挿入すべき入子１２を挿入して真空下１３２０℃で焼結を行った。焼結後、炉より取り出した焼結部品１０と入子１２との分離（焼結部品１０の内径は１５ｍｍ×１５ｍｍ×５ｍｍとなっているが、入子１２は元の１４．７８ｍｍ×１４．７８ｍｍ×４．９３ｍｍになっているので、焼結部品１０と溝幅５ｍｍと入子１２間には約０．１ｍｍのクリアランスが生じており、かつ、焼結部品１０と入子１２は溶着しないため、分離は容易である）し、この後、焼結部品１０の変形を測定したが変形量は見られなかった。
【００３４】
（比較例１）
実施の形態１の方法において、グリーンパーツを脱脂した後、孔部２１にＭｇＯの入子を挿入せずに同条件で焼結を行った。この後、図６に示す焼結部品２１の変形を測定したが、その孔部２１周辺の縁が孔部２１の内側に変形し（倒れ）、その変形量は最大０．０５ｍｍであった。
【００３５】
（比較例２）
実施の形態の方法３において、グリーンパーツを脱脂した後、溝部にジルコニアの入子を挿入せずに同条件で焼結を行い図７に示す焼結部品３０を得た。この後、焼結部品３０の変形を測定したが、焼結部品３０の一片３０ａにダレが発生し、その変形量は最先端部で最大０．２ｍｍであった。
【００３６】
（比較例３）
実施の形態３の方法において、グリーンパーツ４１を図８に示す様に設置方法を変えて脱脂し、更に、これに入子を挿入せずに焼結を行って焼結部品４０を得た。この後、焼結部品４０の変形を測定したが、図９に示す様に一片４０ａが外側に開く様な変形が生じ、その変形量は、最先端部で最大０．１ｍｍであった。
【００３７】
以上の通り、前記孔部２及び前記溝部１３に入子１２を挿入して焼結する本発明の効果は顕著であり、又、焼結部品１、５、１０の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数の入子を使用することで、焼結後の分離も容易であった。
【００３９】
請求項１、２記載の発明によれば、変形が生じることなく寸法精度が極めて高い金属粉末焼結体を、簡略な工程で、かつ、従来方法よりも低コストで製造することが可能な製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の金属粉末焼結体及び入子を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１における焼結部品の孔部の寸法部Ａとこれに挿入する入子の対応部との焼結における寸法変化を示したグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２の金属粉末焼結体を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態３の金属粉末焼結体を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３の製造工程を示す断面図である。
【図６】比較例１の金属粉末焼結体を示す平面図である。
【図７】比較例２の金属粉末焼結体を示す平面図である。
【図８】比較例３の金属粉末焼結体の製造工程を示す斜視図である。
【図９】比較例３の金属粉末焼結体の変形状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１  焼結部品
２  孔部
３  入子
５  焼結部品
６  孔部
１０  焼結部品
１２  入子
１３  溝部
【図１】
0003863591.tif 000002
【図２】
0003863591.tif 000003
【図３】
0003863591.tif 000004
【図４】
0003863591.tif 000005
【図５】
0003863591.tif 000006
【図６】
0003863591.tif 000007
【図７】
0003863591.tif 000008
【図８】
0003863591.tif 000009
【図９】
0003863591.tif 000010