JPH05320707A - 金属粉末射出成形用組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 脱脂率が高く，成形体保持強度が強く，しか
も冷却時に成形体にクラックやひけを発生させない金属
粉末射出成形用組成物を提供する。 【構成】 焼結用金属粉末と有機化合物系のバインダー
とからなるものであり、このバインダーは金属粉末１０
０重量部に対し、熱可塑性樹脂を８〜２１重量部、可塑
剤を０．５〜３重量部、潤滑剤を１〜４重量部を配合す
る。具体的には、熱可塑性樹脂としてポリスチレン（Ｐ
Ｓ）を０．５〜７重量部、ポリブチルメタクリレート
（ＰＢＭＡ）を０．５〜７重量部、アモルファスポリオ
レフィン（ＡＰＯ）を０．５〜７重量部、可塑剤として
ジブチルフタレート（ＤＢＰ）０．５〜３重量部、潤滑
剤としてステアリン酸およびパラフィンワックスを１〜
４重量部用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属粉末に熱可塑性樹
脂、可塑剤、及び潤滑剤を加え混練して得られる組成物
を射出成形後、脱バインダ−し、つづいて焼結すること
により微細形状の精密機械部品を生産するための金属射
出成形用組成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】粉末射出成形法は金属粉末に熱可塑性バ
インダ−を配合した射出成形用組成物を加熱し流動性を
付与した後、金型内へ射出するため、三次元的に複雑な
形状のものや、薄肉物や、シャ−プエッジのようなもの
に欠けや歪による変形を生じることがなく成形できると
いう非常に優れた特徴を有する。このようにして得られ
た射出成形体は加熱により、脱バインダ−後、焼結する
ことにより、元の成形体が等方的に収縮した金属の焼結
体を得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の金属粉
末射出成形用組成物には、以下のような重大な欠点があ
った。 （１）低温での混練、成形、脱バインダ−を主眼にして
おり、そのために金属粉末にバインダ−としてポリエチ
レンおよびパラフィンワックスと少量の助剤を添加する
ものであった。このような低融点化合物主体のバインダ
−系から得られた成形体は、金属粉末が球形に近くなる
に従い、しかも粒径が大きくなるに従い脱脂時に変形し
やすく、しかもポリエチレンやパラフィンワックスを主
成分とするため脱脂率が低いという大きな欠点があっ
た。 （２）ポリエチレンやパラフィンワックスはその構造か
らも明かなように代表的な無極性高分子あるいは低分子
であり、分子間力もファンデル・ワ−ルス力のような弱
い結合力であるため分子間凝集作用が弱く、従ってこれ
らをバインダ−として用いた場合、成形体保持強度が弱
く、もろいという欠点がある。しかも、粉体粒子が粗く
なるにつれこの影響は大きくなる。 （３）ポリエチレンやパラフィンワックスは結晶性高分
子であるため、融点（あるいは凝固点）で体積が激しく
増大（あるいは減少）し、しかもその増加率も急激に変
化する性質がある。その結果、射出成形用組成物のバイ
ンダ−として用いた場合、冷却時に、成形体にクラック
やひけが発生しやすいという欠点がある。 （４）ポリエチレンは、直線状高分子で結晶性を有する
ため、成形時に分子配向が起こり易く、その結果流れ方
向と直線方向での収縮率が異なり（流れ方向で２．５
％、直角方向で２％）、バインダ−として用いた場合に
変形やひけが起こり易く、寸法安定性の点でも問題があ
る。また、分子配向によって起こる内部応力は、成形体
に残留ひずみを発生させ強度を著しく低下させることが
ある。

【０００４】これらの欠点を補うために一部では、エチ
レンと酢酸ビニルの共重合体（ＥＶＡ樹脂）を加える場
合もある。ＥＶＡ樹脂はポリエチレン鎖の中に酢酸基の
ような大きな原子団が含まれているため結晶性が阻害さ
れ、結晶化度が低くなる、しかもパラフィンとの相溶性
が良く、極性基を有するためポリエチレン、パラフィン
ワックスをバインダ−主成分とする射出成形用組成物に
添加することにより成形体の脆さを改善するという長所
がある。しかし反面、金型との密着性が強くなり成形体
の離型性が著しく低下し、無理な突き出しによる成形体
の変形や破損、あるいは金型、成形機の破損、これらに
よる作業性の低下といった多くの問題を生じていた。

【０００５】本発明は上記のような成形体の脆さ、離型
性の悪さ、成形収縮率の異方性、脱脂時の変形、脱脂不
足を解消し、焼結性の良好な金属粉末射出成形用組成物
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
射出成形に最適な配合を探したところ、金属粉末１００
重量部に対し、バインダ−として熱可塑性樹脂８〜２１
重量部、可塑剤０．５〜３重量部、滑剤１〜４重量部を
配合させた組成物を用いることにより、従来の射出成形
組成物に比べ、格段に優れた性能を発揮することができ
るようになった。ここで、前記射出成形用組成物は、熱
可塑性樹脂としては金属粉末１００重量部を基準とし
て、ポリスチレン０．５〜７重量部、ポリブチルメタク
リレ−ト０．５〜７重量部、アモルファスポリオレフィ
ン ０．５〜７重量部からなり、同様に可塑剤はジブチ
ルフタレ−ト０．５〜３重量部、滑剤はパラフィンワッ
クスおよびステアリン酸１〜４重量部から成るものを用
いた。

【０００７】本組成物が特に優れているのは以下の理由
による。ポリスチレンはビニル基にベンゼン核を付加し
た構造をもつ無極性高分子である。従って結晶性が低
く、成形収縮率も０．４％と極めて小さい。ポリブチル
メタクリレ−トは、比較的弱いが極性基をもつため粘り
強い性質を有し、射出成形用バインダ−として用いた場
合、配向性による成形体収縮の異方性がなく、かつ成形
体強度も優れたものになる。

【０００８】またポリスチレンおよびポリブチルメタク
リレ−トは熱分解特性が良好であり、射出成形用バイン
ダ−として用いた場合極めて高い脱バインダ−性を示
す。アモルファスポリオレフィン（ＡＰＯ）は、柔軟性
に富む材料であり、成形体のねばり性をより向上させる
性質を有する。

【０００９】本発明で用いられる金属粉末は純鉄、カル
ボニル鉄、カルボニルニッケル、コバルト、ハイス鋼、
等より選ばれた１種もしくは２種以上の粉末であり、他
方、熱可塑性樹脂としては市販品のポリスチレン、ポリ
ブチルメタクリレ−ト、アモルファスポリオレフィンが
挙げられ、滑剤としては市販のパラフィン系ワックス及
びステアリン酸が、可塑剤としてはジブチルフタレ−ト
が挙げられる。

【００１０】上記金属粉末とバインダ−との配合 割合
は容積比で前者が３５〜６５％、後者が６５〜３５％で
配合することが望ましく、これにより金属粉末とバイン
ダ−との混練性、成形性、離型性、脱脂性が良好な射出
成形用組成物が得られる。すなわち本発明の組成物を用
いた金属粉末射出成形体の製造は以下のようにして行わ
れる。

【００１１】まず上記組成物を、１４０〜１８０゜Ｃで
加熱混練し、次に取扱い易いようにペレット状にする。
このペレット状混練物を射出成形機により所定の形状に
成形する。得られた射出成形体は、大気中もしくは不活
性ガス雰囲気中で５〜５０℃／ｈｒ程度の昇温速度で２
８０〜６００℃に加熱することにより、内在するバイン
ダ−を除去し、その後、１２００〜１４５０゜Ｃの温度
で焼結される。

【００１２】

【作用】課題を解決するために上記手段を用いた結果、
従来に比べ、成形性、離型性、脱脂性が格段に向上し、
焼結特性の非常に優れた製品が得られることが明らかに
なった。その理由を以下に示す。 （１）熱可塑性樹脂は金属粉末１００重量部に対し総量
で８〜２１重量部添加される。その理由は、熱可塑性樹
脂の総量が２１重量部を超えると成形品の密度が上がら
ず脱脂中に変形したり、焼結時における寸法収縮率が大
きくなり寸法精度が悪化するだけでなく良好な焼結体が
得られないし、逆に８重量部未満では流動性が悪く、成
形出来なかったり、たとえ出来た場合でも成形体が脆く
なってしまうからである。バインダ−としてはこれらの
熱可塑性樹脂のほかに可塑剤と滑剤が添加される。これ
らは混練物に伸び、柔軟性、流動性を付与し成形時に複
雑な三次元形状の金型の隅々まで混練物が流れ込む作用
を促進する。 （２）熱可塑性樹脂として粘着性のＥＶＡ樹脂の代わり
にポリスチレン、ポリブチルメタクリレ−ト、アモルフ
ァスポリオレフィンを用いることにより離型性が著しく
向上した。 （３）図１にステアリン酸、ワックス、ポリブチルメタ
クリレ−ト、アモルファスポリオレフィン、ポリスチレ
ンのそれぞれ単独の熱分解曲線と上記化合物を配合した
混練物の熱分解曲線を示した。本発明の混練物の熱分解
曲線は上記化合物単独の熱分解曲線に比べ、なだらかで
ある。そのため加熱昇温過程でバインダ−の熱分解が徐
々に進行するので、脱バインダ−中に膨れや割れが発生
せず、良好な脱脂体が得られる。

【００１３】図１から判るようにステアリン酸、パラフ
ィンワックス（融点４６℃）、ポリブチルメタクリレ−
ト、アモルファスポリオレフィン、ポリスチレンはそれ
ぞれ単独の場合、狭い温度範囲で比較的急激な分解蒸発
を示す。これは、単一組成の場合はその分子特有の結合
が特定温度に達した時、優先的に分解を開始するためで
ある。

【００１４】一方、本発明による射出成形用組成物（図
１の実線）は、上記のように分解開始温度の異なる複
数の有機化合物が任意の割合で混合された多成分系であ
る。従って化学結合力の弱い分子あるいは分子量の低い
成分から優先的に分解あるいは溶融蒸発し、脱バインダ
−が進行する。この時、各成分間に強い相互作用（例え
ば異種分子間の凝集作用あるいは斥力）が働かない場
合、所定温度での分解蒸発によるバインダ−の全減少量
は、各成分の配合量にその温度でのそれぞれの分解率を
乗じ、それらの総和で与えられるものと期待される。す
なわち、加法性が成り立つと考えられる。図１にその一
例を示した。図中に点線で示すのは本射出成形用組成
物に用いた各成分単独の大気中における熱分解パタ−ン
から、本射出成形用組成物の熱分解パタ−ンを予測した
ものである。この予測分解蒸発曲線は、１５０〜３５０
゜Ｃの温度範囲で、バインダ−の溶融による浸み出し
や、熱分解によって発生したガスの抜けが緩やかに進行
することを示唆しており、このようなパタ−ンは、脱バ
インダ−体に発生しがちな膨れや変形をなくすために非
常に好ましいものである。

【００１５】一方、図中の太い実線は、本射出成形用
組成物の実際の熱分解曲線を示したものであるが、熱分
解率が５０％までの前半は、予測値に極めて良く合致し
ている緩やかに減少していることが判る。後半部分（分
解率５０〜１００％）は予測値からずれてくるが、分解
の速い方へのずれであり、この温度付近では有機化合物
どうし、あるいは有機化合物と金属の間に何らかの相互
作用が生じているためと考えられる。しかし、一般に射
出成形用組成物の場合、全バインダ−の４０〜６０％が
除去されたあとは、熱分解成分が抜けるために充分な通
路（オ−プンポア）が形成されるので、残りの成分につ
いては脱バインダ−速度が速くなる方がむしろ好まし
く、従って本組成物は射出成形用組成物としては、非常
に好ましいものである。

【００１６】本発明による射出成形用組成物は、非常に
良好な熱流動性と成形性と離型性を有し、かつ、本組成
物を用いて成形された成形体には歪、膨れ、割れなどの
欠陥が発生しなくなった。また成形体中のバインダ−
が、徐々に熱分解し除去されるため脱脂に膨れ、割れが
発生しなくなった。従って、焼結体にも欠陥がなく、し
かも寸法精度の優れた製品が得られるようになった。

【００１７】

【実施例】次に本発明の好ましい実施例について述べ
る。水アトマイズ法により得られた平均粒径８μｍのス
テンレス粉末Ａ、平均粒径１２μｍのステンレス粉末
Ｂ、および平均粒径４〜５μｍのカルボニル鉄粉Ａ、平
均粒径４〜６μｍのカルボニル鉄粉Ｂに表１に示す組成
を有するバインダ−を組み合わせて本発明の組成物を作
り、これを用いて表２に示す条件にて数種類の形状のサ
ンプル（実施例１〜９）を作製した。また、表１および
表２中には本発明外の比較例としてステンレス粉末Ａを
用いた例について示した（比較例１〜３）。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】表２に見られるように従来法では成形体が
脆く、離型時にクラックが発生し成形体が崩壊したり
（比較例１，３）、あるいは逆に配合によっては粘着性
が強すぎるため離型性が著しく低下し、その結果、成形
体が金型に付着し、突き出し時に変形が発生したりする
ことがあった（比較例２）。それに対し、本発明による
組成物を用いることにより金型からの離型性と成形体強
度が格段に向上し、しかも成形収縮率の小さい金型転写
性の極めて良好な成形体が得られた。

【００２１】次に射出成形体を空気中あるいは窒素ガス
雰囲気中で加熱して、バインダ−を除去したあとの脱脂
体の外観と脱バインダ−率を表３に示す。従来法（比較
例１，２，３）では、脱脂率が８５〜９５％と低く、し
かも、つぶれにより形状が変形してしまうのに対し、本
発明による組成物を用いた場合には、元の形状を保持し
たまま、大気中脱バインダ−では９７％以上、窒素中脱
バインダ−では、９９％以上の脱脂率（実施例１〜９）
が得られ、非常に脱脂性に優れていた。また、このよう
にして得られた脱脂体を焼結して得られた焼結体には、
表面荒れがなく、相対密度が９５〜９８％と高く、しか
も寸法バラツキが±０．６〜０．３％以下と極めて良好
な結果（表４の実例１〜９）が得られた。

【００２２】

【表３】

【００２３】

【表４】

【００２４】

【発明の効果】本発明により以下の効果が発揮される。 （１）混練物の流れ性が良好且つ、成 形性が良好であ
るので三次元的に複雑形状の製品の成形が可能である。 （２）従来品（比較例１〜３）に比べ成形体の収縮率が
小さく寸法安定性に優れている。 （３）従来品より金型からの離型性がはるかに良好であ
るので成形体の歩留まりが高く、作業性も良好である。 （４）成形体の脱脂性が極めて良好で、脱脂体に膨れ、
割れ、崩壊がないため焼結体の密度が高く、寸法バラツ
キの小さな品質の優れた製品が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられるバインダ−の各組成物の単
独の熱分解曲線及び本発明のバインダ−の熱分解曲線図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 勝義 京都市左京区下鴨貴船町36番地

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焼結用金属粉末と有機化合物系のバイン
   ダ−とからなる組成物であり、該組成物が金属粉末１０
   ０重量部に対し、バインダ−として熱可塑性樹脂８〜２
   １重量部、可塑剤０．５〜３重量部、潤滑剤１〜４重量
   部を配合するものであり、前記熱可塑性樹脂はポリスチ
   レン（ＰＳ）０．５〜７重量部、ポリブチリメタクリレ
   −ト（ＰＢＭＡ）０．５〜７重量部、アモルファスポリ
   オレフィン（ＡＰＯ）０．５〜７重量部、可塑剤はジブ
   チルフタレ−ト（ＤＢＰ）０．５〜３重量部、潤滑剤は
   ステアリン酸およびパラフィンワックス１〜４重量部か
   ら成ることを特徴とする金属粉末射出成形用組成物。