明日へ の 技 術 情 報 T E C H N I C A L I N F O R M A T I O N

高精度かつ複雑形状部品を造る
MIM用コンパウンド

2.1 混練・造粒

2. 3 脱脂・焼結・後加工

10μm程 度の金属粉末と所定の割合のバインダーをバインダー成分を除去する。 脱脂は焼結前に行われ、し、金属粉末がバインダーにコーティングされるようることが目的である。 次に焼結炉で処理することで焼冷却することにより常温で取り扱えるペレット形 状の性を向上させる熱 処理が施され、最 終的に後 加工をまず加圧ニーダーなどの混 練機に一 般的には粒径投 入する。 バインダーの軟化点以 上の温 度まで加熱

情報通信機器や医療用機器などの技術進歩に伴い、産業界では精密金属部品の需要が高まり、加工が難しい複雑な三次元形状部品を量産できる金属粉末射出成形（ MIM ）が、一層注目されている。MIMとセラミックス粉末射出成形（ CIM ）の世界市場は、2014 年の20 億米ドルから、今後 2020 年には 31億米ドルまで伸張することが予想されている 。
1）

MIMは小型部品の量産製造に適した方法であり、横穴や横溝などが組み込まれた部品を比較的短期間かつ軽度の後加工で完成品に仕上げることができる。 例えば、スマートフォンなどのモバイルデバイスの充電用やデータ通信用のコネクタ、および SIMカードトレイにおいて本方法が実用化されている。

成形用原料として、金属粉末とワックス・樹脂などのバインダーを均一に混練して得られるMIM用コンパウンドが使用される。 射出成形機で成形後、バインダーを除去し焼結を経て、部品が製造される。

混 練する（ 図 3）。 その 後、専用の造 粒 機で処 理し、MIM用コンパウンドが得られる。

MIM部品の製 造 会社は MIM用コンパウンドを自社で製造するか、もしくは当社のようなコンパウンド専門会社から調達する。

械的強度が高い。

③ 1辺 50mm以下のもので±0.5%と寸法精度が高い。に圧入して製造するダイカスト、溶融金属を鋳型に流るため、材料費および後加工費が節約できる。

粉末を金型に入れて圧縮して固めた後に高温で焼結し用できるため、材料のロスを抑えることができる。て製造する粉末プレスがある。この粉末プレスに代表される粉末 冶 金の技 法とプラスチック射出成 形 技 術④ 要求される部品形状に極めて近い形状が可能であ⑤ 射出成 形時のスプル ー、ランナーを粉砕して再利MIMは、部品サイズや重量に限界があり、一般的にを組合わせた画期的な金属部品の製造方法が MIMでは成形体の厚み5mm以下、重量 50 g以下の部品に適なる。

重量 6 0 0 g以上の大物部品や肉厚部品が可能である。

ある。またそれぞれの製造方法の比較は図1のように材質の自由度
5
製品価格

43MIM

1
量産性

0

粉末プレス

三次元
複雑形状

混練機

100

バインダー
金属粉末

加熱して混練（ 餅状で流動 ）

図 3 MIM用コンパウンドの混練状態

2. 2 射出成形

MIMは他の製 造方法に比べてバインダーを一 般的には4 0～6 0 vol%（ 7～16w t%）と多量に添加することで、10 0～20 0℃程度にて流動を示すようになり、射6040200成形体

脱脂体

焼結体

図 5 バインダー量の推移例出成形が可能となる。

バインダー量の不足時は流動性が得られなくなり、また過 剰時は脱 脂以降のプロセスに負荷がかかるた
め、充填可能な成形性を有する範囲内で必要最少限の量が求められる。

MIMの射出成形はプラスチック射出成形と基本的には同様で、射出成 形 機に原料（ MIM用コンパウンド ）を投 入し、あらかじめ130～19 0℃ 程 度に熱されたシのシリンダやスクリュは耐磨耗仕様が望ましい。 また金型もMIMを考慮した設計が必要となる。

残存気孔品

結部

焼脂収縮成形体
図 2 MIMプロセス

図 6 MIM用コンパウンド、成形体、焼結体例

金属粉末
後 加 工・検 査

脱射出成形粒コン パ ウン ド造

第一工業製薬 社報 No. 578 拓人 2016 秋

ワックス・樹脂などのバインダー

金属粉末とバインダーを投入直後（ 粉状 ）MIM部品プロセス

練5優※機械加工は金型を使用しない

図1 金属部品製造方法の比較

図 2に示す。

金 属粉末0劣

機械的強度

MIM用コンパウンドおよび MIM部 品のプロセスを

MIM用コンパウンドプロセス

寸法精度

縮による緻密化が進み、焼結体では体積は等方的にとで目的形状の成形体が得られる。 なお射出成形 機

ダイカスト
ロストワックス（精密鋳造）

脱脂体はポーラス状態で成形体からの体積変化はほとんどないが、後に続く焼結にて金属粉末の焼結収リンダ内にて可塑化溶融させ、金型に高圧充填するこ混

金型コスト用される。ただし、条件によっては厚み15mm以上や2. MIMプロセス

機械加工

形状の自由度

211② 相対密度 95%以上の高密度部品が得られるため機削などにより金属素材を加工して製造する機械加工、し込んで製造するロストワックス（ 精密鋳造 ）、金属経て完成する。

Vol%① 難加工性材料や複雑な三次元形状が可能である。

アルミニウム・亜鉛などの低融点の溶融金属を金型内結体が作製される。部品によってはこの後、硬度や特80MIMを使う利点は次のとおりである。

金属部品の代 表的な製 造 方法としては、切削や研成形後に不要となったバインダーを成形体から除去す

3）収縮する（ 図 4、5、6）。

本稿では MIMプロセスと当社の MIM用コンパウンドの特長について述べる。

1. 金属粉末射出成形（ MIM ）の利点

次に脱 バインダーとも呼ばれる脱 脂にて成 形体のバインダー脱脂体焼結進行焼結体

図 4 脱脂・焼結の概念図
第一工業製薬 社報 No. 578 拓人 2016 秋

12

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2.4 MIMの脱脂方法

脂が行われるため塑性 変 形が防止される。 また、処① 脱脂時間の短縮による製造能力増大。

剤脱脂および酸脱脂がある（ 表1）。

タールの分解により生じるホルムアルデヒドは人体に③ 脱脂条件の範囲拡大による運用の柔軟性向上。

表1 各種脱脂方法

備が必要である。

MIMの一 般的な脱 脂 方法としては、加熱 脱 脂、溶脱脂方法

必要設備

条件

特徴

有害であり、また触媒に酸を取り扱うため、特殊な設バインダー例

加熱脱脂炉
常圧・減圧
溶剤不使用
排ガス燃焼装置 不活性ガス
汎用脱脂炉
樹脂+低分子系
加熱脱脂
脱脂・焼結一貫 （窒素、アルゴンなど）
脱脂時間が長い
バッチ炉
水素、大気
変形小
溶剤浸漬脱脂炉 有機溶剤によ
樹脂系
大物・肉厚部品可
溶剤脱脂（ 加熱脱脂設備） る抽出
ワックス系
溶剤危険性

酸脱脂
その他

特殊酸脱脂炉 酸触媒
排ガス燃焼装置（硝酸ガス）
—

短時間
変形小
ポリアセタール系
大物・肉厚部品可
特殊設備必要——理 時 間も短く済 むといわ れている。 一方、ポリアセ水系バインダー

加熱 脱 脂の場合、常圧または減 圧で窒素やアルゴンなど 不活 性 ガス雰 囲 気で 処 理されることが 多い。
バインダーの種類にもよるが 30 0～50 0℃でほぼ除去できる。大気雰囲気で実施されている例もある。

加熱脱脂では炉内の昇温速度が急激な場合、部品改良し、従来品の優れた成形性は保持したまま、加熱④ 大物部品や肉厚部品に適応が可能。

縮も可能とした。

脱脂時の不良発生の抑制や形状維持のためにバイバインダー量にもかかわらず流動性の確保ができる低に難易が生じる。 脱脂の不具合として、部品の厚みやが必要となってくる。 このように脱脂性と成形性は二コンパウンドに期待される機能は、焼結収縮が小さい自重または熱膨張、収縮による変形や、バインダーの急激な熱分解による成形体内部での欠陥などがある。
一 例としてバインダー 処 方の 違いによる加熱 脱 脂時の脱脂変形を示す。 当社の試験金型を用いた成形体で比較試験を実施した結果、同一の脱脂条件においても、変形しないものから、原型を留めないものまであり、明らかな有意 差があった（ 図 9 ）。 またバインダー量が適正量よりも多い方が変 形の程 度が大きくなる。

処方1（ 変形：なし）処方2（変形：小）処方3（変形：中）処方4（変形：大）流動性や成形体強度が求められるため、バインダー量律背反の関係にある。

当社のMIM用コンパウンドは現在、おもに加熱脱脂に対応している。市場ニーズにより、溶剤脱脂や酸脱脂にも対応できる新たなコンパウンドの開発も行っている。
加熱脱脂に対応した MIM用コンパウンドの場合、溶（ 写真は切断した焼結体 ）てバインダー量が少ないこと、また優れた成形性、成特性についての規格を発行している 6 ）。これらの規格メリットがある。 特長としては、一般的なものに比べ気 などの 炉内 雰 囲 気の設 定はとりわけ重 要である。

分解する。 通常の加熱脱脂と比較して高温 度領域での変形が防止できることから大物部品や肉厚部品への対応が可能となる。なお有機溶剤は可燃性であり、設備および取り扱いには安全上注意が必要である。

酸脱脂は硝酸ガスを触媒としてバインダーに使用されているポリアセタールを分解する方法である。 ポリアセタールの融 点より低い温 度（ 10 0～14 0℃）で脱13

第一工業製薬 社報 No. 578 拓人 2016 秋

時間を設定するヒートパターンおよび窒素、水素、大最適な脱脂条件は、使用するMIM用コンパウンド、部品形状、炉の種類に応じて異なり、それぞれにおいて調整する必要がある。

加熱脱脂の場合、脱脂条件で調整する不良対策や脱脂時間の短縮には限界があり、対策のひとつとして脱 脂 性に優れた MIM用コンパウンドが求められている。利点は次のとおりである。

展が期待される。

今後は、さらなる脱 脂時間の短 縮や、大物部品や表 2 改良品（ Fシリーズ ）の脱脂性ニーズに応えるラインアップの充実化を図る。

コンパウンド

成形性

従来品
改良品
（ Fシリーズ ）

脱脂性※

製品名
項 目

肉厚○△×△○○○○

肉厚：厚み5mmを超える

DM316L3001F
3001K

DM6303101F
3101K（ 改良品 ）（ 開発品 ）（ 改良品 ）（ 開発品 ）金属粉末

SUS316L

バインダー量

※1

射出温度

総合評価

肉薄表 3 MIM用コンパウンドのラインアップ

スなどの可溶分を除去したあとに樹脂成分などを加熱などの有機溶剤を用いてバインダーに含まれるワックが浸透することで MIMの用途拡大など、ますますの発肉厚部品への適 応をめざすとともに、微 細部品にも脱脂条件が不適切な場合にも同様の不良は発生するため、セッター、成形体の置き方や脱脂炉の温度と射出成形材料の化学成分、機械的特性および物理的品（ Kシリーズ ）などラインアップしている（ 表 2、3）。

※肉薄：厚み5mm以下

溶剤脱脂の場合、低温度領域でヘプタンやヘキサンMIM材料のおもな鋼種に関してISO規格が定められており、また日本 粉末治 金工 業会も同様に金属粉末

クラック不良やフクレ不良もバインダー処方の組み合わせやバインダー量によって影響される。

4. おわりに剤、特殊ガスなどは不要なため、安全性、環境面での

図 9 バインダー処方の違いによる脱脂変形

図 8 フクレ不良例（ 写真は焼結体 ）部品への適応などがある。

ル特性が挙げられる。 当社従来品の脱脂性を向上さクラックため寸法バラツキが低減し、寸法精度が向上する。 脱抑止する。 また脱脂時間の短縮や、大物部品や肉厚3. 当社の MIM用コンパウンドせた改良品（ Fシリーズ ）や低 収縮率に着眼した開発形体の厚みや形状に応じて調整も必要である。

収縮率 MIM用コンパウンドである。 低 収縮率 MIM用

脂時にフクレや変 形が発 生しにくく、歩留まり低下を形バラツキの低減、優れた寸法精度、良好なリサイク生しやすいため、通常は昇温速度を低めに設定されて図 7 内部クラック不良例

30 01Kや3101Kの開発品 Kシリーズは、バインダー組成の改良と混練条件の最適化により、さらに少ないンダー量の 低 減が効果的だが、MIMにおいては高い

MIMはバインダー処方や部品形状などによって脱脂おり、処理 完了までに10 時間以 上を要する。 また成フクレ

脱脂時の脱脂不良発生を抑制、さらに脱脂時間の短

2. 5 MIMの脱脂不具合例にクラック（ 図 7 ）やフクレ（ 図 8）などの不具合が発正常

30 01Fや3101Fの Fシリーズは、バインダー 組 成を

② 脱脂時の不具合解消による歩留まり向上。

収縮率※2相対密度※3

6.6wt%
36vol%

5.2wt%
31vol%

対応できるMIM用コンパウンドの開発を進め、幅広い《 参考文献 》

1）BCC Research,金属・セラミック射出成形の世界市場 ,株式会社グロー		バルインフォメーション（ 2016）2）渡辺侊尚,岩橋俊之 ,下平賢一,金属射出成形活用ハンドブック,株式		会社ユーテス（ 1998）
3）岩橋俊之,セラミックス, 金属粉末の射出成形,精密工学会誌 Vol.66, No.10, 2000
4）新家光雄監修,チタンの基礎・加工と最新応用技術,シーエムシー出版（2009）5）Randall M. German,三浦秀士・高木研一共訳 ,粉末冶金の科学,内		田老鶴圃（ 1996）
6）日本粉末治金工業会 射出成形粉末治金委員会 MIM規格化分科会,		金属粉末射出成形材料 -仕様 JPMA S 01:2014, 日本粉末治金工業会《 用語説明 》

MIM： Metal Injection Molding
CIM ： Ceramic Injection Molding

17-4PH（SUS630）

6.5wt%
35vol%

5.7wt%
33vol%

160-180℃ 130-160℃ 160-180℃ 130-160℃
約13%
約11%
約13%
約12%
97%
98%
98%
98%

※1 計算値※2 収縮率=（ 成形体寸法 -焼結体寸法 ）/成形体寸法×100※3 アルゴン雰囲気
SUS316L: 7.95g/cm3 を100%とした場合
17-4PH（SUS630）: 7.70g/cm3 を100%とした場合

小西 勇介

こにし ゆうすけ

第一セラモ株式会社開発部
第一工業製薬 社報 No. 578 拓人 2016 秋14