(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末と有機バインダーとからなる成形用材料（以下、コンパウンドと称する）を成形してグリーンパーツを得る工程と、グリーンパーツを脱脂することにより、有機バインダーを分解除去してブラウンパーツを得る工程と、ブラウンパーツを焼結して、焼結体からなる製品を得る工程とからなる金属粉末焼結体の製造方法において、
前記製品の溝部または孔部に相当する前記グリーンパーツの溝部または孔部に、前記製品を成形するコンパウンドと同一のコンパウンドを成形したものであって、表面に対して前記コンパウンドの金属粉末を平均粒径ａの球状として、平均粒径Ｓが
【数１】
0003730730.tif 000003
を満たす球状のセラミックス粉末を塗布した、前記グリーンパーツの溝部または孔部内部形状と同一形状の中子を挿入して、脱脂、焼結を行った後、前記中子を除去することを特徴とする金属粉末焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属粉末焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属粉末焼結体を製造する場合は、金属粉末と有機バインダーからなる成形用材料（以下、コンパウンドと称する）を成形し、これを脱脂、焼結して金属粉末焼結体を製造していた。
【０００３】
しかし、コンパウンドの成形体を脱脂、焼結する段階で成形体が変形するという問題が発生していた。変形する状態を図５に基づき説明する。
図５に示す金属粉末焼結体は略コ字形状であり、上部５１、下部５２、溝部５３を有する。この金属粉末焼結体と同形状かつ焼結による収縮を見込んだ量だけ拡大した寸法のグリーンパーツを成形により得る。次に、このグリ−ンパーツを図示しない焼結用治具（セッター）上に下部５２を下方にして設置し、これを脱脂、焼結する。その結果、図６に示すように、上部５１が片持ち梁になってしまうため、脱脂時に、その自重で重力方向にダレてしまう。
【０００４】
この脱脂や焼結時に発生する変形に対し、コンパウンド中の有機バインダーの組成や配合を改良し、脱脂時や焼結時の保形性を適正化することで対策することがあった。例えば、特開平３ー６４４０１号公報に開示されているものがその１例であり、３種のポリアミド系のバインダーを用い、それらを徐々に気化させることにより、それらの特異的な親和力により、脱脂時の保形性を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術によれば、一般に、脱脂時や焼結時に発生する変形は、製品に孔部や片持ち部を持つ溝部が存在する場合避けることが困難である。即ち、製品を製造するためのコンパウンドの成形体であるグリーンパーツの脱脂時等に前記孔部や片持ち部に自重によるダレに起因する変形が多く発生し、特にステンレス等、比重の高い金属粉末を材料としている場合は顕著であり、これに関しては、有機バインダーの改善を行っても変形に対して大きな効果が得られないことが多々あった。
【０００６】
また、孔部等がダレにより変形が生じた場合、変形の発生部位に局部的な延びが生じるため、他部よりも密度が低下し、たとえこれをサイジング等により矯正しても、耐食性や機械的強度が低下することがあった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、製品に孔部や片持ち部を持つ溝部が存在したり、比重の高い金属粉末を材料とした場合でも、変形が発生せず、耐食性及び機械的強度に優れた金属粉末焼結体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、金属粉末と有機バインダーとからなる成形用材料（以下、コンパウンドと称する）を成形してグリーンパーツを得る工程と、グリーンパーツを脱脂することにより、有機バインダーを分解除去してブラウンパーツを得る工程と、ブラウンパーツを焼結して、焼結体からなる製品を得る工程とからなる金属粉末焼結体の製造方法において、
前記製品の溝部または孔部に相当する前記グリーンパーツの溝部または孔部に、前記製品を成形するコンパウンドと同一のコンパウンドを成形したものであって、表面に対して前記コンパウンドの金属粉末を平均粒径ａの球状として、平均粒径Ｓが
【数２】
0003730730.tif 000002
を満たす球状のセラミックス粉末を塗布した、前記グリーンパーツの溝部または孔部内部形状と同一形状の中子を挿入して、脱脂、焼結を行った後、前記中子を除去することを特徴とする。
【００１３】
上記構成において、コンパウンドを成形したグリーンパーツに製品の仕様に応じ、溝部または孔部がある場合、通常グリーンパーツを脱脂してブラウンパーツを得る工程等で、前記溝部または孔部の一部が自重により重力方向にダレてしまうが、このダレが発生する部位を中子で支えて変形を防止する。製品となるグリーンパーツのコンパウンドと中子のコンパウンドは同一であるため、焼結時の収縮率は同じであり、収縮後は製品となる焼結体と中子の間のクリアランスはわずかに減少するが、中子に塗布した前記数２を満たす平均粒径Ｓを有した球状のセラミックス粉末のほぼ塗布厚に相当する分だけ確保されるので、焼結後中子を除去できる。グリーンパーツと中子の間にはセラミックス粉末があるため、脱脂時や焼結時に両者が直接的に接触することがなく、両者一体化することはない。
そして、中子に塗布する球状のセラミックス粉末の平均粒径Ｓが前記数２の条件を満足することにより、焼結後、セラミックス粉末が金属粉末焼結体に食い込み、中子の取り出しが困難になることを防止する。
【００１５】
上記状態を概念図である図１及び図２を用いて説明する。金属粉末もセラミックス粉末も通常球体に換算して使用されているので、前記両者を球体で図示してある。
【００１６】
図１において、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは金属粉末を示し、１０２はセラミックス粉末を示す。セラミックス粉末１０２のうち、それぞれ、金属粉末１０１ａと１０１ｂ及び１０１ｂと１０１ｃの凹部に食い込むように塗布されている１０２ａと１０２ｂは金属粉末１０１ａ〜１０１ｃに食い込んで、中子を取り出だしにくくする作用をする。セラミックス粉末はその種類により、凝集する特性を持つものががあるので、上記１０２ａ、１０２ｂの周囲のセラミックス粉末も金属粉末焼結体に吸着して、中子を取り出す際の抵抗を大きくし、中子の取り出しが更に困難となり、大きな力を加えて中子を取り出すと金属粉末焼結体が変形するという障害が発生する場合がある。
【００１７】
図２に模式的に示すのは、同径の金属粉末１０１ａと１０１ｂの断面の接線Ｌ上にセラミックス粉末１０２の球心Ｃが位置し、金属粉末１０１ａと１０１ｂに接している場合であるが、同様に金属粉末１０１ａと１０１ｂに接しつつ、図に向かって球心Ｃが接線Ｌよりも上にくるような大きさの平均粒径にセラミックス粉末がなる場合、前記数２の条件を満足することになる。そして、セラミックス粉末の平均粒径Ｓが前記数２の条件を満足する場合、セラミックス粉末が金属粉末焼結体に食い込むこともなく、中子を極めて容易に取り出せることを本発明者は実験的に見いだしている。従って、このような条件下では、前記障害は発生しない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図３は実施の形態１におけるグリ−ンパーツの形状を示す斜視図である。グリ−ンパーツ１は、平均粒径１５μｍのＳＵＳ３１６Ｌと、パラフィンワックス、ポリスチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体を主成分とした有機バインダーとを重量比で１００対１１で混練したコンパウンドを成形して得たものである。グリーンパーツ１は凸字形状を呈しているとともに、断面が矩形で幅が４０ｍｍ，高さが１０ｍｍの貫通した孔部２を有している。上記寸法の内、孔部の高さ寸法で、ダレによる変形を測定する寸法である１０ｍｍと、焼結後収縮した前記１０ｍｍに対応する寸法を、以下、Ａ寸法と称する。
【００２４】
また、グリ−ンパーツの成形と前後、あるいは並行してグリーンパーツ１の成形材料と同一のコンパウンドを成形し、中子３を得た。中子３は図示の如く断面が矩形で、寸法を３９．９×９．９ｍｍになるように成形した。この寸法は図示せぬセラミックス粉末の塗布膜の塗布厚が０．０５ｍｍであることを見込んで、中子３を挿入する孔部２の寸法より０．１ｍｍ小さく設定されたものである。
【００２５】
続いて、中子２の全表面に平均粒径が８μｍのセラミックス粉末であるジルコニア粉末を塗布膜の膜厚が０．０５ｍｍになるように塗布した。
塗布方法は、グリ−ンパーツ状態の中子３をジルコニア粉末中に埋没させ、中子３の全表面にジルコニア粉末を付着させることにより行う。塗布後、ジルコニア粉末中から中子３を取り出して孔部２に挿入する。このとき、孔部２の内壁と中子３の表面との間の隙間、即ち、クリアランスは０．０５ｍｍなので、余剰となったセラミックス粉末は除去され、正確に０．０５ｍｍの膜厚のセラミックス粉末が中子３に塗布されたことになる。
【００２６】
中子３を孔部２に挿入した後、図示しないアルミナ製のセッター上に設置し、大気下にて３６０℃の温度で２時間脱脂してブラウンパーツを得た。脱脂の工程においては、挿入された中子３がジルコニア粉末を介して孔部２の内壁を支持するので、自重によるダレは殆ど発生しない。
【００２７】
このようにして得られたブラウンパーツを真空中で１３２０℃の温度で１時間焼結した。
焼結時、中子３と孔部２とはジルコニア粉末により非接触であるため、互いに溶着しない。また、焼結時、焼結体と同様に中子３が収縮してクリアランスが僅かに減少するが、クリアランスは中子の取り出しに影響のない程度に確保される。
【００２８】
また、焼結の工程においても、挿入された中子３がジルコニア粉末を介して孔部２の内壁を支持するので、自重によるダレは殆ど発生しない。焼結後、孔部２から中子３を抜き取るのであるが、このとき、ジルコニア粉末の平均粒径が前記数２の条件を満たしているため、中子３にわずかな荷重を加えるだけでよい。
【００２９】
このようにして得られた金属粉末焼結体をバレル研磨後、Ａ寸法を複数箇所で測定したところ、ダレの量は０．００５ｍｍで、ほとんど変形がみられなかった。ダレ量の測定方法は、グリーンパーツの段階では図示の方向から見て、孔部２の上部内面と下部内面は４０ｍｍの幅にわたって平行でありダレはゼロであるのに対し、焼結後孔部２の上部内面と下部内面との距離を幅方向に複数箇所測定し、焼結後のＡ寸法の設定値に対するズレ量の最大値をダレ量として算出する方法である。
【００３０】
耐食性については、前記金属粉末焼結体をサイデックスとナイタールと人工胃液からなる３種類の薬液に順番に浸漬して試験を行ったが腐食は認められなかった。又、硝酸や硫酸等の酸による腐食試験においても、サイジング等により矯正を行って変形を修正した従来のものと比較し、変色が少なかった。
【００３１】
引っ張り試験機で引っ張り強度を確認したところ、サイジング等の矯正を行って変形を修正した従来のものと比較し、本実施の形態で作られた金属粉末焼結体は５％程度の強度向上が見られた。
【００３２】
本実施の形態の効果は、得られた金属粉末焼結体が材料として比重の高いＳＵＳ材を使用し、また孔部を有していても、ダレが極めて小さく、又耐食性や機械的強度が実用上十分なものであることである。また、中子の取り出しが容易で、生産性にも優れていることである。
【００３３】
本実施の形態では、ジルコニア粉末の塗布膜の膜厚を０．０５ｍｍとしたが、０．０５ｍｍ以上であって、０．５ｍｍ程度以下であれば、膜厚とそれに対応する中子の寸法を変えても、本実施の形態における金属粉末焼結体と同様の焼結体が得られる。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２におけるグリ−ンパーツの形状を示す斜視図である。
【００３４】
図４に示す通り、グリ−ンパーツ４は略コ字形状で、上部５と下部６とが一体となって溝部７を形成する。グリーンパーツ４は、平均粒径８μｍのＳＵＳ３１６Ｌと、パラフィンワックス、ポリスチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体を主成分とした有機バインダーとを重量比で１００対９で混練したコンパウンドを用いて成形したものであり、グリーンパーツの段階では図示の寸法となっている。即ち、溝部７の深さは３０ｍｍ、高さは１０ｍｍ、幅は２０ｍｍとなっている。上記寸法の内、溝部７の高さ寸法で、ダレによる変形を測定する寸法である１０ｍｍと、焼結後収縮した前記１０ｍｍに対応する寸法を、以下、Ｂ寸法と称する。
【００３５】
グリーンパーツ４の成形と前後、あるいは、並行してグリーンパーツ４の成形材料と同一のコンパウンドを用いて中子８を成形した。中子８は図示の如く断面が矩形で、寸法は高さ９．９ｍｍ、奥行き２９．９５ｍｍ、幅２０ｍｍとなっており、溝部７に挿入可能な寸法となっている。中子８の高さ寸法は前記の如く９．９ｍｍで、セラミックス粉末の塗布厚０．０５ｍｍを見込んで、溝部７の高さよりも０．１ｍｍ小さくしてある。また、中子８の奥行きの寸法は溝部７の深さよりわずかに小さい寸法に設定してある。中子８の奥行きの寸法が溝部７の深さより大きいと、中子８が溝部７よりはみ出して、中子８自体がダレてしまうのを防止するためである。
【００３６】
続いて、中子８の全表面に平均粒径が４μｍのセラミックス粉末であるアルミナ粉末を塗布膜の膜厚が０．０５ｍｍとなるように塗布した。アルミナ粉末を塗布した中子８を溝部７に挿入後、図示しないアルミナ製セッター上に下部６を下方にして設置し、大気下にて３６０℃の温度で２時間脱脂してブラウンパーツを得た。脱脂の工程においては、挿入された中子８がアルミナ粉末を介して溝部７の内壁（上部５）を支持するので、自重によるダレは殆ど発生しない。
【００３７】
このようにして得たブラウンパーツを真空中にて１３２０℃の温度で１時間焼結した。
焼結時、中子８と溝部７の内壁とはアルミナ粉末により非接触であるため、互いに溶着しない。また、焼結時、焼結体と同様に中子８が収縮してクリアランスが僅かに減少するが、クリアランスは中子８の取り出しに影響のない程度に確保される。
【００３８】
また、焼結の工程においても、挿入された中子８がアルミナ粉末を介して溝部７の内壁を支持するので、自重によるダレは殆ど発生しない。焼結後、溝部７から中子８を抜き取るのであるが、このとき、アルミナ粉末の平均粒径が前記数２の条件を満たしているため、中子８にわずかな荷重を加えるだけでよい。
【００３９】
このようにして得られた金属粉末焼結体をバレル研磨後、実施の形態１と同様にして溝部７の高さ寸法であるＢ寸法を溝部７の深さ方向に複数箇所測定したところ、ダレの量は０．００３ｍｍで、殆ど変形が見られなかった。次に実施の形態１と同様な耐食性及び機械的強度の試験を行ったところ、実施の形態１と同様に良い結果が得られた。
【００４０】
本実施の形態の効果は実施の形態１とほぼ同様であるが、ダレの量が更に小さく、実用上全く問題ない値となっている。
（実施の形態３）
本実施の形態では実施の形態１における金属粉末焼結体と同様な焼結体を得ることとしたので、グリーンパーツの形状寸法は実施の形態１の図１に図示されたグリーンパーツ１の寸法形状と同一である。
【００４１】
平均粒径８μｍのＳＵＳ６３０（１７−４ＰＨ）と、パラフィンワックス、ポリスチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、アクリルを主成分とした有機バインダーとを重量比で１００対１１で混練したコンパウンドを成形し、グリーンパーツ１を得た。
【００４２】
この後、孔部２内部にセラミックスであるアルミナ粉末を詰め込むように圧粉する。圧粉の方法としては、孔部２の開放部の一方を板等でふさぎ、孔部２のなかにアルミナ粉末を挿入した後、板等でふさがれた方向と反対側からアルミナ粉末を棒や薬さじ等で押さえつけるようにして詰め込めばよい。
【００４３】
圧粉を終了したグリーンパーツ１は、アルミナ製セッター上に設置して、大気下にて３３０℃の温度で２時間脱脂しブラウンパーツを得て、さらにブラウンパーツを真空中で１２３０℃の温度で１時間焼結して焼結体を得た。続いて、固溶化熱処理、析出硬化処理を行って、アルミナ粉末を除去し、製品である金属粉末焼結体を得た。
【００４４】
グリーンパーツの状態から脱脂の工程等で圧粉されたアルミナ粉末が孔部２の内壁を支持しているので、自重によるダレは殆ど発生しない。また、焼結時には孔部２も収縮するが、その際余剰分となったアルミナ粉末は孔部２からはみ出してくるので膨れは発生しない。
【００４５】
このようににして得られた金属粉末焼結体について、実施の形態１と同様な方法でダレの測定を行ったところ、ダレの量は０．００３ｍｍで、殆ど変形がみられなかった。
【００４６】
また、実施の形態１と同様の耐食性試験及び機械的強度試験を行った結果、実施の形態１と同様な良い結果が得られた。
本実施の形態の効果は、実施の形態１と同様であるが、中子を使用していないことから、中子を成形する工程を省略できる。
【００４７】
尚、本実施の形態では孔部２を有する金属粉末焼結体のグリ−ンパーツ１の孔部２にアルミナ粉末を圧粉する場合につき説明したが、図４に示したような略コ字形状のグリ−ンパーツ４を脱脂、焼結する場合においても本実施の形態と同様の作用、効果を得られる。
【００４８】
即ち、グリ−ンパーツ４の溝部７は３つ（３方向）の開口部を有するが、この内の２カ所に板等をあてて塞ぎ、残る１カ所の開口部からアルミナ粉末を挿入し、棒や薬さじ等で詰め込むように圧粉した後、脱脂、焼結することにより、本実施の形態（孔部の場合）と同様の作用、効果を得られる。
（比較例１）
中子を使用しないこと以外は実施の形態１と同じ条件で金属粉末焼結体を製造し、加工後孔部２のＡ寸法を測定したところ、ダレの量が０．３５ｍｍとなり、極めて大きく、実用上不十分であった。
（比較例２）
中子を使用しないこと以外は実施の形態２と同じ条件で金属粉末焼結体を製造した結果、コの字形が完全に崩れ、上部５が下部６に接触していまい、製品として使用できないものになった。
（比較例３）
中子３に塗布するジルコニア粉末の塗布膜の膜厚を０．０３ｍｍとし、中子３と孔部２のクリアランスを０．０３ｍｍとしたこと以外は実施の形態１と同じ条件で金属粉末焼結体を製造した結果、中子３が孔部２に対して、締まり嵌めになってしまい中子３を焼結体から分離することができなかった。
（比較例４）
中子３に塗布するジルコニア粉末の平均粒径が４μｍであること以外は実施の形態１と同じ条件で金属粉末焼結体をを製造した結果、ジルコニア粉末の平均粒径が数１の条件を満たしていなかったため、中子３の除去にかなりの力量が必要であり、無理に中子３を引き抜いた場合、金属粉末焼結体の変形が発生するものがあった。また、ジルコニア粉末が金属粉末間に完全に食い込んでしまったため、中子３の取り出しが困難なものさえあった。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、孔部や片持ち部を有する溝部が存在し、比重の高い金属粉末を材料とした製品であっても、変形が殆どなく、耐食性や機械的強度に優れた金属粉末焼結体と、生産性の良いその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属粉末とセラミックス粉末の焼結時の位置関係を示す概念図である。
【図２】金属粉末の平均粒径とセラミックス粉末の平均粒径の関係を示す概念図である。
【図３】実施の形態１におけるグリーンパーツと中子を示す斜視図である。
【図４】実施の形態２におけるグリーンパーツと中子を示す斜視図である。
【図５】従来技術におけるグリーンパーツを示す斜視図である。
【図６】従来技術における金属粉末焼結体を示す斜視図である。
【符号の説明】
１   グリーンパーツ
２  孔部
３  中子
４  グリーンパーツ
５  上部
６  下部
７  溝部
８  中子
【図１】
0003730730.tif 000004
【図２】
0003730730.tif 000005
【図３】
0003730730.tif 000006
【図４】
0003730730.tif 000007
【図５】
0003730730.tif 000008
【図６】
0003730730.tif 000009