JP5949051B2 - 射出成形用組成物および焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
成形体の製造方法(成形方法)には多くの方法があるが、金属粉末と有機バインダーとを混合、混練し、この混練物(コンパウンド)を用いて射出成形する粉末射出成形法が知られている。粉末射出成形法により製造された成形体は、その後、脱脂処理により有機バインダーが除去された後、焼成されることにより、目的とする形状の金属製品となる。
例えば、特許文献1には、金属粉末射出成形法に用いる有機バインダー成分として、ポリαメチルスチレン、パラフィンワックス、ステアリン酸、フタル酸ジブチル等が開示されている。
本発明の射出成形用組成物は、Fe、NiおよびCoのいずれかを主成分とし、質量基準の粒度分布における累積質量が10%になるときの粒径D10が2μm以上5μm未満であり、累積質量が50%になるときの粒径D50が5μm以上10μm以下であり、累積質量が90%になるときの粒径D90が12μm以上28μm以下である磁性金属粉末と、
不飽和グリシジル基含有重合体で構成された第1樹脂、および、前記第1樹脂より軟化点が高い第2樹脂、を含む有機バインダーと、を含有し、
前記磁性金属粉末100質量部に対して、前記有機バインダーの含有量が3質量部以上9質量部以下であることを特徴とする。
これにより、磁性金属粉末と有機バインダーとを混練してなる混練物の流動性が高く、有機バインダーの含有量が低いものとなるので、脱脂時における収縮率が低く、保形性が高い成形体を製造可能であり、寸法精度の高い高品質な焼結体を製造可能な射出成形用組成物が得られる。
これにより、磁性金属粉末において粗大な粒径のものが非常に少なく抑えられているとともに、粒径のバラつきが特に小さく抑えられているため、有機バインダーとともに混練したときの流動性および成形性が特に高められる。その結果、成形性を維持しつつ、磁性金属粉末に対する有機バインダーの相対量をより減少させることができ、脱脂時の収縮率をより抑えることができる。
これにより、混練時の流動性がより高められることとなり、磁性金属粉末に対する有機バインダーの含有量をより抑えることができる。その結果、脱脂時の収縮率をより抑えることができる。
これにより、磁性金属粉末の粒子に対する有機バインダーの親和性が向上するため、射出成形用組成物の均質性を特に高めることができる。
これにより、他のバインダー成分に対する不飽和グリシジル基含有重合体の親和性が向上するため、不飽和グリシジル基含有重合体は磁性金属粉末と他のバインダー成分との間で安定的に存在し得るものとなる。このため、脱脂体(成形体)の成形性を向上させるとともに保形性の低下を抑制し得る射出成形用組成物が得られる。
本発明の射出成形用組成物では、前記不飽和グリシジル基含有重合体の軟化点は、65℃以上105℃以下であることが好ましい。
これにより、混練時および成形時に適度な柔軟性を示し、均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体を製造することができる。
これにより、組成物に適度な流動性を付与し、組成物の均一性および成形性が高められるため、特に均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な組成物が得られる。
本発明の射出成形用組成物では、前記有機バインダーは、さらにフタル酸エステルを含むことが好ましい。
これにより、組成物に適度な流動性を付与し、組成物の均一性および成形性が高められるため、特に均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な組成物が得られる。
これにより、第2樹脂と磁性金属粒子との親和性と組成物の成形性とを高度に両立することができ、特に均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な組成物が得られる。
本発明の射出成形用組成物では、前記第1樹脂および前記第2樹脂は、これらの合計が前記有機バインダー中で50質量%以上を占めていることが好ましい。
これにより、均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体をより確実に得ることができる。
前記混練物を射出成形し、成形体を得る工程と、
前記成形体を脱脂、焼成して焼結体を得る工程と、を有することを特徴とする。
これにより、寸法精度の高い高品質な焼結体を確実に製造することができる。
<射出成形用組成物>
本発明の射出成形用組成物は、磁性金属粉末と、有機バインダーと、を含み、これらを混練してなるものである。
このうち、磁性金属粉末は、Fe、NiおよびCoのいずれかを主成分とするものである。
一方、有機バインダーは、磁性金属粉末の粒子同士を結着させるものであり、第1樹脂として不飽和グリシジル基含有重合体と、第2樹脂として第1樹脂より軟化点が高い成分と、を有している。
このような射出成形用組成物を射出成形することにより、脱脂時における収縮率が低く、保形性が高い成形体が得られる。また、この成形体を脱脂、焼成することにより、変形や欠損等が少なく寸法精度の高い高品質な焼結体が得られる。
(磁性金属粉末)
磁性金属粉末としては、前述したように、Fe、NiおよびCoのいずれかを主成分とする粉末が用いられる。主成分とは、磁性金属粉末を構成する磁性金属材料に最も多く含まれ、かつ、その含有率が50質量%超である元素のことである。したがって、磁性金属材料には、Fe基合金、Ni基合金、Co基合金等が挙げられる。具体的には、純鉄、フェライト系ステンレス鋼、センダスト、パーマロイ、スーパーマロイ、パーメンジュール、Fe−Si、Fe−Al、Fe−Cr、Fe−Al−Cr、Fe−Si−Cr等が挙げられる。
これらの中でもパーメンジュール(Fe−Co−V系合金)が好ましく用いられる。Fe−Co−V系合金は、飽和磁束密度が特に高いことから、優れた磁気特性を有する磁性金属焼結体を実現することができる。
また、アトマイズ法で製造された金属粉末は、比較的真球に近い球形状をなしているため、有機バインダーに対する分散性や流動性に優れたものとなる。このため、造粒粉末を成形型に充填して成形する際に、その充填性を高めることができ、最終的により寸法精度が高く緻密な焼結体を得ることができる。
なお、磁性金属粉末の粒径は、レーザー回折法により測定することができる。
また、粒径D10は、好ましくは2μm以上4μm以下とされ、粒径D50は、好ましくは6μm以上9μm以下とされ、粒径D90は、好ましくは15μm以上25μm以下とされる。
なお、粒径10μm未満のものの占有率はより好ましくは60質量%以上とされ、粒径20μm以上30μm未満のものの占有率はより好ましくは3質量%以上13質量%未満とされ、粒径30μm以上のものの占有率はより好ましくは1質量%以上4質量%以下とされる。
有機バインダーは、前述したように、不飽和グリシジル基含有重合体で構成された第1樹脂と、第1樹脂より軟化点が高い第2樹脂と、を含むものである。
本発明者は、磁性金属粉末と有機バインダーとを混練してなる混練物において、その成形性を確保しながら脱脂時の収縮を抑えるべく、磁性金属粉末の粒度分布と有機バインダーの組成との関係について鋭意検討を重ねた。そして、磁性金属粉末の粒度分布を特定の範囲に限定するとともに有機バインダーの組成を最適化することにより、磁性金属粉末に対する有機バインダーの量を抑えても十分な成形性を確保し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
不飽和グリシジル基含有重合体(第1樹脂)は、不飽和グリシジル基含有モノマーを繰り返し単位として含むポリマーである。不飽和グリシジル基含有モノマーとしては、例えば、グリシジル(メタ)アクリレート、アリルグリシジルエーテル、α−エチルグリシジルエーテル、クロトニルグリシジルエーテル、グリシジルクロトネート、イタコン酸モノアルキルエステルモノグリシジルエステル、フマル酸モノアルキルエステルモノグリシジルエステル、マレイン酸モノアルキルエステルモノグリシジルエステル、脂環式エポキシ基含有(メタ)アクリレート等が挙げられ、本発明で用いられる不飽和グリシジル基含有重合体には、これらの不飽和グリシジル基含有モノマーのうちの1種または2種以上を含むものが用いられる。また特にグリシジル(メタ)アクリレートが好ましく用いられる。
これらのエチレン系不飽和エステル化合物モノマーの中でも、特に、酢酸ビニルおよびアクリル酸メチルの少なくとも一方を含むものが好ましく用いられる。
また、不飽和グリシジル基含有重合体は、前述したような不飽和グリシジル基含有モノマーの他に、非極性α−オレフィン系モノマーを含むのが好ましい。非極性α−オレフィン系モノマーを繰り返し単位として含むことにより、不飽和グリシジル基含有重合体は、スチレン系樹脂のようなオレフィン系樹脂との親和性に富んだものとなる。その結果、不飽和グリシジル基含有重合体は、前述したように磁性金属粉末の粒子に対して親和性を有するだけでなく、他のバインダー成分に対しても親和性を有するものとなるため、磁性金属粉末と他のバインダー成分との間で安定的に存在し得るものとなる。その結果、脱脂体(成形体)の成形性の向上、保形性の低下を特に抑制することができる。
非極性α−オレフィン系モノマーとしては、例えば、エチレン、プロピレン、ブテン−1、ヘキセン−1、オクテン−1、4−メチルペンテン−1等が挙げられ、それらの中でもエチレン、プロピレン、ブテン−1、ヘキセン−1、オクテン−1が好ましい。
また、本発明に用いられる不飽和グリシジル基含有重合体のメルトマスフローレート(190℃)は、2[g/10min]以上10[g/10min]以下程度であるのが好ましく、3[g/10min]以上8[g/10min]以下程度であるのがより好ましい。このようなメルトマスフローレートの不飽和グリシジル基含有重合体は、成形型への充填性に優れることから、特に均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体の製造に寄与する。なお、メルトフローレートは、JIS K 6922−2に規定の方法に準じて測定温度190℃、測定荷重2.16kgで測定することができる。
なお、不飽和グリシジル基含有重合体を構成する繰り返し単位としては、前述したように、不飽和グリシジル基含有モノマーが挙げられ、必要に応じてエチレン系不飽和エステル化合物モノマーや非極性α−オレフィン系モノマー等が添加される。
さらに、不飽和グリシジル基含有重合体としては、その引張強さが4MPa以上25MPa以下程度であるものが好ましく用いられ、5MPa以上20MPa以下程度であるものがより好ましく用いられる。
なお、不飽和グリシジル基含有重合体の重量平均分子量は、上述したようなメルトフローレート等を考慮して適宜設定されるが、一例として、1万以上40万以下であるのが好ましく、3万以上30万以下であるのがより好ましい。
第2樹脂は、第1樹脂との間で軟化点が所定の大小関係を満たすものであれば、いかなる樹脂であってもよいが、ここでは前述したように第2樹脂がスチレン系樹脂である場合について説明する。
スチレン系樹脂は、有機バインダーに適度な機械的強度を付与し、成形体の保形性を高める。このため、特に寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体の製造に寄与する。
スチレン系樹脂の重量平均分子量は、特に限定されないが、5000以上70000以下程度であるのが好ましく、7000以上50000以下程度であるのがより好ましい。このような分子量のスチレン系樹脂を含むことにより、均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体を得ることができる。
また、不飽和グリシジル基含有重合体およびスチレン系樹脂は、これらの合計が有機バインダー中で50質量%以上を占めているのが好ましく、55質量%以上を占めているのがより好ましい。これにより、均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体をより確実に得ることができる。
ワックス類は、組成物に適度な流動性を付与し、組成物の均一性および成形性を高める。その結果、特に均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体の製造に寄与する。
ワックス類としては、例えば、キャンデリラワックス、カルナバワックス、ライスワックス、木ろう、ホホバ油のような植物系ワックス、みつろう、ラノリン、鯨ろうのような動物系ワックス、モンタンワックス、オゾケライト、セレシンのような鉱物系ワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタムのような石油系ワックス等の天然ワックス、ポリエチレンワックスのような合成炭化水素、モンタンワックス誘導体、パラフィンワックス誘導体、マイクロクリスタリンワックス誘導体のような変性ワックス、硬化ひまし油、硬化ひまし油誘導体のような水素化ワックス、12−ヒドロキシステアリン酸のような脂肪酸、ステアリン酸アミドのような酸アミド、無水フタル酸イミドのようなエステル等の合成ワックスが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いられる。
また、ワックス類の重量平均分子量は、100以上1万未満であるのが好ましく、200以上5000以下であるのがより好ましい。ワックス類の重量平均分子量を前記範囲内とすることにより、磁性金属粉末と有機バインダーとをより均一に混合することができ、組成物の成形性をより高めることができる。
また、ワックス類を含む場合、軟化点の異なる複数種のワックス類を含むようにしてもよい。これにより、組成物の成形性を高めることができる。この場合、最も軟化点が高いワックス類と最も軟化点が低いワックス類との軟化点差は、特に限定されないが、3℃以上40℃以下程度であるのが好ましく、5℃以上30℃以下程度であるのがより好ましい。具体的な組み合わせとして、例えば、パラフィンワックスとカルナバワックス等が挙げられる。
フタル酸エステルは、組成物に適度な流動性を付与し、組成物の均一性および成形性を高める。その結果、特に均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体の製造に寄与する。
フタル酸エステルとしては、例えば、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ブチル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジイソブチル、フタル酸ジオクチル等が挙げられ、これらのうちの1種または2種を組み合わせて用いられる。
なお、不飽和グリシジル基含有重合体に対するフタル酸エステルの比率は、30質量%以上80質量%以下程度であるのが好ましく、40質量%以上70質量%以下程度であるのがより好ましい。比率を前記範囲内に設定することにより、組成物に適度な流動性を付与しつつ、保形性の低下を抑制することができる。
また、有機バインダーには、上記4種以外に前述したその他の成分を含んでいてもよい。
飽和脂肪酸の炭素数は、12以上20以下程度であるのが好ましい。これにより、成形性を特に高めることができる。
また、アルコール類としては、例えば、多価アルコール、ポリグリコール、ポリグリセロール等が挙げられ、特に、セチルアルコール、ステアリルアルコール、オレイルアルコール、マンニトール等が好ましく用いられる。
また、シリコーン系滑剤としては、例えば、ジメチルポリシロキサンおよびその変性物、カルボキシル変性シリコーン、αメチルスチレン変性シリコーン、αオレフィン変性シリコーン、ポリエーテル変性シリコーン、フッ素変性シリコーン、親水性特殊変性シリコーン、オレフィンポリエーテル変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン、アミノ変性シリコーン、アミド変性シリコーン、アルコール変性シリコーン等が挙げられる。
有機バインダーにおけるこのような成分の含有量は、0.1質量%以上10質量%以下であるのが好ましく、1質量%以上8質量%以下であるのがより好ましい。
また、不飽和グリシジル基含有重合体に対するその他の成分の質量比は、0.005以上0.3以下であるのが好ましく、0.01以上0.2以下であるのがより好ましい。
また、射出成形用組成物中における有機バインダーの含有率は、前述したように、磁性金属粉末100質量部に対して3質量部以上9質量部以下とされるが、好ましくは4質量部以上9質量部以下程度とされ、より好ましくは5質量部以上8質量部以下程度とされる。
次いで、本発明の焼結体の製造方法について説明する。
本発明の焼結体の製造方法は、上述した磁性金属粉末と有機バインダーとを混練して混練物を得る混練工程と、得られた混練物を所望の形状に成形する成形工程と、得られた成形体に脱脂処理を施す脱脂工程と、得られた脱脂体を焼成する焼成工程と、を有する。以下、各工程について順次説明する。
混練物は、上述した磁性金属粉末、有機バインダー等を混練して調製されるが、この混練には、例えば、加圧または双腕ニーダー式混練機、ロール式混練機、バンバリー型混練機、1軸または2軸押出機等の各種混練機を用いることができる。
なお、全体の混練時間は、15分以上210分以下程度であるのが好ましい。
なお、平均粒径は、レーザー回折法により、質量基準で累積量が50%になるときの粒径として求められる。
次に、得られた混練物の成形を行う。これにより、所望の形状、寸法の成形体を製造する。
成形方法としては、射出成形法、圧縮成形法、押出成形法等が用いられる。製造される成形体の形状寸法は、以後の脱脂および焼結による収縮分を見込んで決定される。
また、得られた成形体に対して、必要に応じ、機械加工、レーザー加工等の後加工を施すようにしてもよい。
なお、本発明に供される成形体は、上述した混練工程および成形工程を経て製造されたものに限定されず、いかなる方法で製造されたものでもよい。
次に、得られた成形体に対して脱脂処理を施す。これにより、成形体中に含まれるバインダーを除去(脱脂)して、脱脂体が得られる。
脱脂工程では成形体を加熱するが、この加熱過程は3つの脱脂昇温過程を含んでいるのが好ましい。そして、各脱脂昇温過程における加熱温度は、有機バインダー中の高温バインダー成分の1気圧での分解温度TH[℃]と低温バインダー成分の1気圧での分解温度TL[℃]とに応じて設定される。なお、有機バインダー中に3種類以上の成分が含まれている場合、その含有率の多い方から2種類の成分のうち、1気圧での分解温度が高い方が高温バインダー成分であり、低い方が低温バインダー成分である。
第1の脱脂昇温過程では、成形体を(TL−30℃)未満の温度で加熱する。この温度域では、有機バインダーは温められるものの、大部分は分解まで至らないと考えられる。このため、有機バインダーの変性を抑制しつつ、成形体の温度の均一化が図られる。
第1の脱脂昇温過程における加熱時間は、特に限定されないが、好ましくは0.5時間以上15時間以下程度とされ、より好ましくは1時間以上10時間以下程度とされる。なお、本脱脂昇温過程では、上記温度が最高温度であり、この最高温度を上記加熱時間続けてもよく、一部の時間だけ最高温度で加熱し、それ以外の時間はそれより低い温度で加熱するようにしてもよい。これは、後述する他の昇温過程でも同様である。
この場合、雰囲気圧力は、ほぼ大気圧程度(例えば、50kPa以上200kPa以下程度)またはそれより高圧であるのが好ましい。
なお、上述したように、本脱脂昇温過程における加熱温度は有機バインダーの各成分の組成に応じて適宜設定されるが、加熱温度の一例としては100℃以下とされる。
第2の脱脂昇温過程では、成形体を(TL−30℃)以上(TL+50℃)未満の温度で加熱する。この温度域では、低温バインダー成分の分解が開始される一方、高温バインダー成分はあまり分解しないと考えられる。このため、2つの成分の間で分解の進行度合いに差が生じることとなり、低温バインダー成分が優先的に除去される。これにより、多量のバインダー成分が突発的に分解するのではなく、少量のバインダー成分が徐々に分解、除去されるという脱脂挙動が実現されることとなり、突発的な分解に伴う成形体(脱脂体)の変形、割れ等の不具合が発生し難くなる。すなわち、低温バインダー成分が優先的に除去されると、成形体には低温バインダー成分が通過した跡に微小な経路が形成されるため、その後の昇温過程において、本昇温過程で形成された経路を介して高温バインダー成分が円滑に排出される。したがって、第2の脱脂昇温過程を経ることにより、最終的に寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体が得られる。
また、第2の脱脂昇温過程における加熱雰囲気としては、特に限定されず、上述した各種雰囲気が挙げられるが、特に減圧雰囲気であるのが好ましく、不活性ガス含有雰囲気の減圧雰囲気であるのがより好ましい。これにより、低温バインダー成分の分解を促進するとともに、上記範囲内でも加熱温度を下げることができる。その結果、脱脂工程の短時間化が図られるとともに、低温バインダー成分が軟化し難くなり、脱脂体の変形、割れ等の不具合の発生を抑制することができる。
また、上述したように、本脱脂昇温過程における加熱温度は有機バインダーの各成分の組成に応じて適宜設定されるが、加熱温度の一例としては、第1の脱脂昇温過程における加熱温度よりも高く、かつ、50℃以上350℃以下とされる。
第3の脱脂昇温過程では、成形体を(TL+50℃)以上(TH+200℃)未満の温度で加熱する。この温度域では、高温バインダー成分の分解が開始されると考えられる。前述したように第2樹脂は、成形体(脱脂体)中に形成された経路を経て排出されるため、ムラなく除去される。その結果、均質で寸法精度の高い焼結体を製造可能な脱脂体が得られる。
第3の脱脂昇温過程における加熱時間は、特に限定されないが、好ましくは0.5時間以上15時間以下程度とされ、より好ましくは1時間以上10時間以下程度とされる。これにより、有機バインダー成分を十分に除去することができる。
なお、上述したように、本脱脂昇温過程における加熱温度は有機バインダーの各成分の組成に応じて適宜設定されるが、加熱温度の一例としては、第2の脱脂昇温過程における加熱温度よりも高く、かつ、200℃以上600℃以下とされる。
上述したような昇温過程の後、脱脂体を冷却する。この冷却は大気開放による自然冷却であってもよいが、冷却ガスを充填した空間での自然冷却や、冷却ガスを吹き付ける、あるいは循環させることによる強制冷却であってもよい。
冷却ガスとしては、昇温過程におけるガスであってもよいが、好ましくは不活性ガスが用いられ、より好ましくは窒素ガスが用いられる。これらのガスを用いることにより、磁性金属粉末の酸化や変性が抑えられるとともに、脱脂装置内の酸化や汚染も抑えることができる。
また、上記のような脱脂処理後に、得られた脱脂体に対して、例えば、ばり取りや、溝等の微小構造の形成等の目的で、各種後加工を施してもよい。
なお、成形体中のバインダーは、脱脂処理によって完全に除去されなくてもよく、例えば、脱脂処理の完了時点で、その一部が残存していてもよい。
また、昇温過程を上記のようにしたことにより、脱脂の効率が向上し、より短時間で脱脂を完了することができる。したがって、上記脱脂体を短時間で製造することができる。
次いで、焼成工程について説明する。脱脂体に焼成処理を施すことにより、磁性金属粉末を焼結させ、焼結体が得られる。
焼成工程では脱脂体を加熱するが、この加熱過程は3つの焼成昇温過程を含んでいるのが好ましい。具体的には、脱脂体を750℃未満の温度で加熱する第1の焼成昇温過程と、第1の焼成昇温過程後、脱脂体を750℃以上1050℃未満の温度で加熱する第2の焼成昇温過程と、第2の焼成昇温過程後、脱脂体を1050℃以上1600℃未満の温度で加熱する第3の焼成昇温過程と、を有している。以下、各焼成昇温過程について説明する。
第1の焼成昇温過程では、脱脂体を750℃未満の温度で加熱する。この温度域では、脱脂体中に残存している有機バインダーを除去するとともに、脱脂体の温度の均一化を図られる。したがって、この温度域で一定時間加熱されることにより、後述する焼成昇温過程における焼結の進行の均一化を図ることができる。なお、加熱温度は有機バインダーの組成に応じて上記範囲内で適宜設定されるが、一例として500℃以上750℃未満とされるのが好ましい。
また、第1の焼成昇温過程における加熱雰囲気は、特に限定されず、上述した各種雰囲気が挙げられるが、特に減圧雰囲気であるのが好ましく、不活性ガスの減圧雰囲気であるのがより好ましい。これにより、磁性金属粉末の酸化や変性を抑えつつ、脱脂体周辺のガス交換および真空排気を行うことによって有機バインダーの分解成分を効率よく排出することができる。
第2の焼成昇温過程では、脱脂体を750℃以上1050℃未満の温度で加熱する。この温度域では、磁性金属粉末の焼結が開始される。また、磁性金属粉末に含まれる酸素原子と有機バインダーの分解成分に含まれる炭素原子とが結合し、気化して排出される反応も開始される。その結果、磁性金属粉末の還元に伴う焼結性の向上と、有機バインダーの分解成分の排出とが同時に進行することとなり、最終的に得られる焼結体の機械的特性や磁気特性等の向上に寄与する。
また、第2の焼成昇温過程における加熱雰囲気は、特に限定されず、上述した各種雰囲気が挙げられるが、特に不活性ガス含有雰囲気であるのが好ましく、アルゴンガス含有雰囲気であるのがより好ましい。これにより、磁性金属粉末の酸化や変性を抑えつつ、磁性金属粉末を効率よく焼結させることができる。
この場合、雰囲気圧力は、大気圧以上であってもよいが、コスト等を考慮した場合、ほぼ大気圧程度(例えば、50kPa以上200kPa以下程度)であるのが好ましい。
第3の焼成昇温過程では、脱脂体を1050℃以上の温度で加熱する。この温度域では、磁性金属粉末が最終的な焼結状態に至り、焼結体が製造される。なお、最高加熱温度は磁性金属粉末の組成に応じて適宜設定されるが、一例として1050℃以上1400℃以下程度とされる。
また、第3の焼成昇温過程における加熱雰囲気は、特に限定されず、上述した各種雰囲気が挙げられるが、特に不活性ガス含有雰囲気であるのが好ましく、アルゴンガス含有雰囲気であるのがより好ましい。これにより、上述したのと同様の効果が得られる。
この場合、雰囲気圧力は、大気圧以上であってもよいが、コスト等を考慮した場合、ほぼ大気圧程度(例えば、50kPa以上200kPa以下程度)であるのが好ましい。
上述したような昇温過程の後、焼結体を冷却する。この降温過程は特に限定されないが、第1の焼成降温過程とその後の第2の焼成降温過程とを有するのが好ましい。
第1の焼成降温過程では、焼結体を減圧雰囲気に置く。これにより、焼結体と酸素ガスや窒素ガスとの接触が防止され、焼結体の汚染を防ぐことができる。併せて、焼成装置内の汚染も防ぐことができる。また、減圧雰囲気に置くことによって、焼結直後の焼結体の温度が急激に低下するのを防止することができる。これにより、焼結体の汚染、割れ、変形等の発生を抑えることができる。なお、必要に応じて、焼結体に熱を加えながら温度を徐々に下げるようにしてもよい。
また、減圧雰囲気における圧力は、特に限定されないが、好ましくは10−4Pa以上10kPa以下程度とされ、より好ましくは10−3Pa以上1kPa以下程度とされる。これにより、適度な降温速度と焼結体の汚染の防止とを両立することができ、高品質な焼結体を短時間で製造することができる。
第1の焼成降温過程における冷却時間は、特に限定されないが、好ましくは1分以上1時間以下程度とされ、より好ましくは3分以上30分以下程度とされる。
第2の焼成降温過程では、焼結体を不活性ガス雰囲気に置く。これにより、雰囲気との熱交換によって焼結体の冷却が進行することとなる。また、不活性ガスを用いることにより、焼結体の酸化や焼成装置内の汚染を防ぐことができる。またこの場合、焼結体の配置空間に不活性ガスを継続的に供給(フロー)または循環させることにより、熱交換効率を高めるようにすればよい。
本焼成降温過程において常温まで冷却することにより、その後、焼結体が大気に触れたとしても酸化のおそれが少なくなる。
得られる焼結体の相対密度は、例えば、95%以上、好ましくは96%以上となることが期待される。このような焼結体は、焼結密度が高く、かつ外観および寸法精度に優れたものとなる。
なお、得られた焼結体に対して、例えば、機械加工(切削加工、プレス加工、研磨加工等)、放電加工、レーザー加工、エッチング等の各種後加工を施してもよい。このような後加工を施すことにより、ばり取りを行ったり、寸法精度のさらなる向上を図ったりすることができる。
HIP処理の条件としては、例えば、温度が850℃以上1100℃以下、時間が1時間以上10時間以下とされる。
また、加圧圧力は、50MPa以上であるのが好ましく、100MPa以上であるのがより好ましい。
図1には、本発明により製造された焼結体の適用例であるヨークケースを示す(a)平面図および(b)X−X線断面図である。
図1に示すヨークケース1は、平面視における中心部を貫通する貫通孔101を備えた円環状の板状体であるケース本体10と、ケース本体10の外縁および内縁のそれぞれに設けられ、ケース本体10より厚さがそれぞれ厚くなっている縁部11と、ケース本体10の外縁と内縁との間で内縁に沿って等間隔に配列し、ケース本体10より厚さが厚くなっている12個のコア12と、ケース本体10の外縁と内縁との間に点在し、ケース本体10を貫通する複数の貫通孔13と、を有している。
このようなヨークケース1は、軟磁性金属粉末の焼結体で構成される。各コア12には巻線が施されることにより、ヨークケース1は磁気アクチュエーターの一部分を構成することになる。したがって、ヨークケース1には極めて高い寸法精度が要求される。
1.焼結体の製造
(実施例1)
まず、49質量%Fe−49質量%Co−2質量%V系合金(パーメンジュール)で構成された磁性金属粉末を用意した。この磁性金属粉末について、レーザー回折方式の粒度分布測定装置(マイクロトラック、日機装株式会社製、HRA9320−X100)により平均粒径を測定した。測定結果を表1に示す。
次いで、磁性金属粉末とバインダー粉末とフタル酸エステルとを混合し、加圧ニーダーにて混練温度160℃で30分間混練した。この混練は窒素ガス雰囲気中で行った。
次に、得られた混練物(射出成形用組成物)をペレタイザーにより粉砕して、平均粒径5mmのペレットを得た。
次いで、得られたペレットを用い、材料温度:190℃、射出圧力:10.8MPa(110kgf/cm2)という成形条件で、射出成形機にて成形を行った。これにより、成形体を得た。
<脱脂条件>
・第1の脱脂昇温過程:温度 70℃、 3時間、窒素含有雰囲気
・第2の脱脂昇温過程:温度 260℃、12時間、窒素減圧雰囲気
・第3の脱脂昇温過程:温度 475℃、 5時間、窒素含有雰囲気
・脱脂降温過程 :強制冷却、 8時間、窒素含有雰囲気
<焼成条件>
・第1の焼成昇温過程:温度 650℃、 7時間、窒素減圧雰囲気
・第2の焼成昇温過程:温度1000℃、 5時間、アルゴン含有雰囲気
・第3の焼成昇温過程:温度1100℃、 8時間、アルゴン含有雰囲気
・第1の焼成降温過程:温度 700℃、 3分、アルゴン減圧雰囲気
・第2の焼成降温過程:強制冷却、 1時間、アルゴン含有雰囲気
得られた焼結体は、図1に示すように、円環状をなす板状体(ヨークケース)であり、その外径は35mm、内径は10mm、最大厚さ5mmであった。
磁性金属粉末および有機バインダーとして表1に示すものを用いるとともに、磁性金属粉末100質量部に対する有機バインダーの含有量を表1に示す値にした以外は、それぞれ実施例1と同様にして焼結体を得た。
(比較例1〜7)
磁性金属粉末および有機バインダーとして表2に示すものを用いるとともに、磁性金属粉末100質量部に対する有機バインダーの含有量を表2に示す値にした以外は、それぞれ実施例1と同様にして焼結体を得た。
<不飽和グリシジル基含有重合体>
・GMA−1:E−GMA−VA共重合体(分解温度310℃)
・GMA−2:E−GMA共重合体
・GMA−3:E−GMA−MA共重合体(分解温度280℃)
<スチレン系樹脂>
・PS:ポリスチレン(重量平均分子量10000)(分解温度350℃)
・PW−1:パラフィンワックス(分解温度260℃)
・PW−2:パラフィンワックス(分解温度230℃)
<フタル酸エステル>
・DBP :フタル酸ジブチル
また、不飽和グリシジル基含有重合体のメルトフローレートは、GMA−1が7g/10min、GMA−2が3g/10min、GMA−3が7g/10minであった。
2.1 焼結密度の評価
各実施例および各比較例で得られた焼結体について、アルキメデス法(JIS Z 2501に規定)に準じた方法により密度を測定した。また、測定された焼結密度と、磁性金属粉末の真密度から、焼結体の相対密度を算出した。
各実施例および各比較例で得られた焼結体100個について、その外観を以下の評価基準にしたがって評価した。
<外観の評価基準>
◎:割れ、欠損および変形の発生数が3個以下である。
○:割れ、欠損および変形の発生数が4個以上10個以下である。
△:割れ、欠損および変形の発生数が11個以上50個以下である。
×:割れ、欠損および変形の発生数が51個以上である。
各実施例および各比較例で得られた焼結体100個について、その外径をマイクロメーターで測定した。そして、測定値の平均値について、JIS B 0411(金属焼結品の普通許容差)に規定の「幅の普通許容差」に基づき、以下の評価基準に基づいて評価した。
◎:等級が精級である(許容差±0.05mm以下)。
○:等級が中級である(許容差±0.05mm超±0.1mm以下)。
△:等級が並級である(許容差±0.1mm超±0.2mm以下)。
×:許容外である。
以上の評価結果を表1、2に示す。
一方、各比較例で得られた焼結体には、焼結密度が低いもの、あるいは、外観または寸法精度に劣るものが認められた。
ここで、成形体の寸法と脱脂体の寸法とをそれぞれ測定し、脱脂時の収縮率を測定した。その結果、収縮率は有機バインダーの含有量との間に相関関係を示し、例えば金属粉末に対する有機バインダーの含有量が大きい場合、収縮率も大きく、含有量が小さい場合、収縮率も小さかった。
さらに、スチレン系樹脂に代えてポリプロピレン(軟化点130℃)を用いるようにした以外、各実施例および各比較例と同様にして焼結体を製造したところ、スチレン系樹脂を用いた場合と同様の傾向が認められた。
各実施例および各比較例で得られた焼結体について、図1に示すヨークケースの各コア表面のビッカース硬度を測定した。そして12個の測定値の分布幅を算出し、これを各焼結体で比較した。
その結果、各実施例で得られた焼結体のビッカース硬度の分布幅は、いずれも各比較例で得られた焼結体のビッカース硬度の分布幅に比べて狭かった。このことから、各実施例で得られた焼結体は、いずれも各比較例で得られた焼結体に比べて均一性が高いことが認められた。
次いで、この12本のピンを駆動したときの駆動力をそれぞれ測定した。その結果、駆動力の分布幅についても、各実施例で得られたヨークケースはいずれも各比較例で得られたヨークケースよりも狭かった。
Claims (11)
- Fe、NiおよびCoのいずれかを主成分とし、質量基準の粒度分布における累積質量が10%になるときの粒径D10が2μm以上5μm未満であり、累積質量が50%になるときの粒径D50が5μm以上10μm以下であり、累積質量が90%になるときの粒径D90が12μm以上28μm以下である磁性金属粉末と、
不飽和グリシジル基含有重合体で構成された第1樹脂、および、前記第1樹脂より軟化点が高い第2樹脂、を含む有機バインダーと、を含有し、
前記磁性金属粉末100質量部に対して、前記有機バインダーの含有量が3質量部以上9質量部以下であることを特徴とする射出成形用組成物。 - 前記磁性金属粉末は、粒径10μm未満のものを55質量%以上、粒径20μm以上30μm未満のものを0質量%超15質量%未満、粒径30μm以上のものを0質量%超5質量%未満の割合でそれぞれ含み、残部は粒径10μm以上20μm未満である請求項1に記載の射出成形用組成物。
- 前記第1樹脂と前記第2樹脂との軟化点の差は、10℃以上100℃以下である請求項1または2に記載の射出成形用組成物。
- 前記不飽和グリシジル基含有重合体は、不飽和グリシジル基含有モノマーと、エチレン系不飽和エステル化合物モノマーと、を含む共重合体である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- 前記不飽和グリシジル基含有重合体は、不飽和グリシジル基含有モノマーと、非極性α−オレフィン系モノマーと、を含む共重合体である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- 前記不飽和グリシジル基含有重合体の軟化点は、65℃以上105℃以下である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- 前記有機バインダーは、さらにワックス類を含む請求項1ないし6のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- 前記有機バインダーは、さらにフタル酸エステルを含む請求項1ないし7のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- 有機バインダー中における前記第2樹脂の質量含有率は、前記第1樹脂の80質量%以上150質量%以下である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- 前記第1樹脂および前記第2樹脂は、これらの合計が前記有機バインダー中で50質量%以上を占めている請求項1ないし9のいずれか1項に記載の射出成形用組成物。
- Fe、NiおよびCoのいずれかを主成分とし、質量基準の粒度分布における累積質量が10%になるときの粒径D10が2μm以上5μm未満であり、累積質量が50%になるときの粒径D50が5μm以上10μm以下であり、累積質量が90%になるときの粒径D90が12μm以上28μm以下である磁性金属粉末と、不飽和グリシジル基含有重合体で構成された第1樹脂および前記第1樹脂より軟化点が高い第2樹脂を含む有機バインダーと、を前記磁性金属粉末100質量部に対して前記有機バインダーを3質量部以上9質量部以下の割合で混練し、混練物を得る工程と、
前記混練物を射出成形し、成形体を得る工程と、
前記成形体を脱脂、焼成して焼結体を得る工程と、を有することを特徴とする焼結体の製造方法。
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