JP2004514051A - 金属部品直接製造方法 - Google Patents

Abstract

表面特徴のみを備えた金属部品の直接製造方法において、最初に所望の金属部分の金型を形成することを必要とする。粉体配合物を金型に注入する（２０）。粉体配合物は、ベース金属、ベース金属の低融点合金、及びポリマーバインダーを含む。ポリマーバインダーが溶融して金属粒子を付着し、未焼結部品を形成するまで、粉体配合物を収容した金型を加熱する（２４）。未焼結部品を金型から取り出し（３０）、坩堝内に置き、部品の周囲に緩いセラミック粉体を充填してこれを支持する（３４）。次いで、支持された未焼結部品をバインダーを気化するのに必要なだけ加熱し、液相焼結によって部品を緻密化する（３６）。冷却後、緻密化した部品に精密な許容差に適合するように機械加工を施す（４０）。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部品製造の分野に関し、詳細には表面特徴のみを備えた金属部品の直接製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属部品を製造するための多くの技術が開発されてきた。金属製型押ダイ等の幾つかの部品は、表面特徴だけを備えている、即ち部品の側面に凹角を備えていない。従来、このような部品には、材料をブロックから取り外して最終的な部品を形成することによって機械加工が施されてきた。しかしながら、機械加工には時間及び費用がかかり、製作規模で行う場合には、費用に見合うことは稀である。更に代表的には、大規模製造は、時間及び費用について非常に効率的な鋳造プロセスを使用し、鋳造品質の最終部品を製造する。しかしながら、新たな部品の再加工及び機械加工に要する費用は、金銭的投資及び人員についての投資の両方で非常に大きく、新たな設計を製造にのせる上で遅延を生じる。これは、部品の設計の更新及び改良に対する大きな抑止力である。
【０００３】
近年、機械加工及び鋳造に対する代替策が開発されてきた。バンプトン等に賦与され、本発明の譲受人であるロックウェル・インターナショナルに譲渡された米国特許第５，７４５，８３４号は、ハインズ（Ｈａｙｎｅｓ）２３０等の親金属合金Ｘ、融点を下げるために硼素等の別の合金エレメントでドーピングされていることを除くと合金Ｘと同じ金属合金Ｙ、及びポリマーバインダーを含む粉体配合物を使用する。粉体配合物の薄層をテーブル上に拡げ、ポリマーバインダーのレーザー溶融を局所的に行うことによって未焼結の形成部品を一層ずつ形成する。代表的には、レーザーを制御するのにコンピューター援用設計（ＣＡＤ）データが使用される。真空炉又は不活性環境を持つ炉のいずれかで加熱することによって、ポリマーバインダーを未焼結部品からなくす。低温合金の融点以上であるがベース金属合金の融点以下の温度で稠密化を行い、ほぼ全密度まで過渡的液体焼結を行う。
【０００４】
バンプトンの特許に記載された方法は、立体的金属部品の製造に効果的であるが、表面特徴のみを備えた簡単な金属部品の製造に対する使用が禁止される程高価な複雑な機器を大量に必要とされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
表面特徴のみを備えた金属部品を、上文中に説明した従来周知の方法よりも簡単に、迅速に、及び安価に直接製造する方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
金型は、表面特徴のみを備えた金属部品で形成される。ベース金属、このベース金属の低融点合金、及びポリマーバインダーを含む粉体配合物を金型に注入する。ポリマーバインダーが溶融して金属粒子を付着するまで粉体配合物が入った金型を加熱し、未焼結部品を形成する。未焼結部品を金型から取り出して坩堝に置き、部品の周囲に緩いセラミック粉体を充填してこれを支持する。次いで、支持された未焼結部品をバインダーを気化するのに必要なだけ加熱し、液相焼結によって部品を緻密化する。部品の緻密化を考慮して金型の寸法を定める。ひとたび冷却した後、必要であれば、緻密化した部品に精密な許容差に適合するように機械加工を施す。
【０００７】
以上説明した方法によって、表面特徴だけを備えた金属部品を数日又は数週間でなく、数時間で直接製造できる。寸法を定めた金型は、必要であれば、追加の部品を製造するために繰り返し再使用できる。複雑なレーザー機器を必要とせず、各部品を個々に個々に機械加工する必要はない。新たなプロセスは、好都合であるにも拘わらず、完成した部品は、例えば金属製型押ダイ（硬度を高めるために適当な熱処理を施した後）又は放電加工（ＥＤＭ）電極として使用するのに十分丈夫である。
【０００８】
本発明のこの他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより、当業者に明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
表面特徴のみを持つ金属部品は、図１に示すプロセス工程に従って図２に斜視図で示すように容易に且つ迅速に直接的に製造される。工程１０で部品鋳型空洞体１２が形成される。この空洞体は、製造されるべき金属部品の鋳型態様であり、即ち部品鋳型空洞体１２の窪み１４を使用し、対応する盛り上がった表面特徴を完成部品１８に形成する。
【００１０】
工程２０で、三つの成分、即ちベース金属「Ａ」、ベース金属の低融点合金「Ｂ」、及びポリマーバインダー「Ｃ」でできた粉体配合物を調製する。条件に合ったベース金属、低融点合金、及びポリマーバインダー、及び配合物中の粉体の好ましい大きさ及び分布の例示のリストは、バンプトン等に賦与された米国特許第５，７４５，８３４号の第３コラム第５１行目乃至第４コラム第１８行目に記載されている。同特許に触れたことにより、その特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。１７−４ｐｈステンレス鋼でできた粉体を使用することもできる。代表的には、粉体配合物は、約７５％乃至８５％が金属「Ａ」、５−１５％が合金「Ｂ」、及び５−１５％がポリマーバインダーである。粉体Ａ、Ｂ、及びＣを正しい大きさ範囲で及び正しい容積分率で容器２２内で配合し、その後、部品鋳型空洞体１２に一杯になるまで注入する。
【００１１】
工程２４では、充填済の部品鋳型空洞体を炉２６内に配置する。炉の雰囲気は、製造される部品が酸化しないようにするため、好ましくは、真空又は不活性である。ポリマーバインダーが溶融して金属粒子に付着し「未焼結部品」２８を形成するまで炉温を上昇する。
【００１２】
未焼結部品２８を工程３０で部品鋳型空洞体から取り外し、工程３４でこれを耐熱容器３２、典型的には坩堝内に置き、典型的には窒化硼素である固まっていないセラミック粉体「Ｄ」で充填する。未焼結部品２８を覆わなければならないセラミック粉体Ｄは、続いて行われる緻密化工程中、部品に対する支持を提供する。
【００１３】
工程３６では、坩堝３２及び支持された未焼結部品を炉３８に入れる。炉内の雰囲気は、真空又は不活性である。炉の温度を上昇させ、１）ポリマーバインダーを気化し、２）過渡的液相焼結及び緻密化を容易にするため、結果的に得られた相を約１５％／８５％の液体／固体比にする。炉温は、合金配合物に応じて１０００℃程度であり、部品の質量に応じて１時間程度の時間に亘って保持されなければならない。液相焼結は、粉体冶金の技術で周知であり、例えば金属粉体産業連盟が出版したＲ．Ｍ．ジャーマンの「粉体冶金科学」第２版（１９９４年）の第２７４頁乃至２７５頁で論じられている。
【００１４】
結果的に得られた構成要素１８は、ほぼ最終的な形状の金属部品である。緻密化により未焼結部品の大きさは予想可能な量だけ収縮するが、精密な許容差を満たさなければならない場合には、部品の形態を許容差と一致させるために仕上げ機械加工工程（工程４０）を行うことができる。
【００１５】
粉体で充填した部品鋳型空洞体を加熱して未焼結部品を形成した後にオプションの工程（工程４２）を行うことができる。工程４２では、炉温を少なくとも５００℃まで上昇し、全てのバインダーが放出されるまで保持する（必要とされる時間及び温度は、部品の大きさで決まる）。高温が作用して未焼結部品を「予備焼結」し、即ち多少の焼結とこれによる多少の収縮（＜０．５％）が起こり、部品鋳型空洞体からの未焼結部品の取り外しを大変容易にする。バインダーは焼き尽くされるけれども、焼結助剤として作用する残滓を残す。
【００１６】
空洞体から未焼結部品を予備焼結なしで取り出すことができ、及びかくして工程４２を実施することは重要ではない。しかしながら、予備焼結を行わないと未焼結部品の強度が低く、部品が損傷する可能性が高い。
【００１７】
ポリマーバインダー溶融工程及び緻密化工程（工程２４及び３６の夫々）、及び予備焼結工程（工程４２）に使用される時間−温度特性は、使用される材料の種類に従って変化し、一般的な曲線ガイドラインが、バンプトン等に付与された米国特許第５，７４５，８３４号で与えられる。
【００１８】
（１７−４ステンレス鋼９０重量％＋硼化ステンレス１０重量％）＋バインダー２０容積％を含む粉体配合物についての具体例は以下の通りである。
１．粉体で充填した部品鋳型空洞体を炉（真空又は不活性雰囲気）内に配置し、温度を約２００℃まで上昇し、約１時間に亘って保持する。これによりポリマーバインダーを溶融し、未焼結部品を製造する。
２．炉温を約８００℃まで上昇し、全てのバインダーが放出されるまでこの温度を保持する（必要な時間は部品の大きさで決まる）。この工程は、更に、部品を予備焼結することによりその強度を改善し、これによって、部品を金型から取り出す際に部品を無傷のままにするのを補助する。
３．部品鋳型空洞体を炉から取り出す。未焼結部品を空洞体から取り出し、坩堝内に支持粉体とともに置き、炉（真空又は不活性雰囲気）内に再度置く。炉温を焼結温度まで上昇する。必要とされる速度及び温度は、粉体冶金を使用して製造される同様の大きさ及び組成の部品について必要とされるのと同じである。
【００１９】
新たなプロセスにより、表面特徴を持つ金属部品を、複雑なレーザー装置や時間がかかる機械加工作業を使用することなく、様々なベース金属から直接製造できる。この方法は、注文設計の金属部品を迅速に且つ経済的に形成する方法を提供する。これは、これまで不可能であった。これらの特徴により、ここに説明したプロセスが、金属製型押ダイ（硬度を高めるための適当な熱処理を行った後）や放電加工（ＥＤＭ）電極等の部品を製造する上での理想的選択となる。
【００２０】
上述のように、未焼結部品は緻密化工程中に幾分収縮する。部品の収縮量は、未焼結部品がさらされるのと同じ時間−温度特性に寸法が正確に知られた立方体状試験部品をさらすことによって、予め確定されるのが望ましい。試験部品の冷却後、これらの部品のｘ軸方向寸法、ｙ軸方向寸法、及びｚ軸方向寸法を計測する。予想収縮割合の範囲は、緻密化特性への暴露の前後の試験部品の寸法を比較することによって確定される。緻密化収縮は、約１４％乃至２２％が典型的である。
【００２１】
未焼結部品用の金型として役立つ部品鋳型空洞体を形成するとき、好ましくは、予想収縮割合を考慮に入れる。部品鋳型空洞体は、予め確定された割合に従って、大きさが大きくされる。部品鋳型空洞体の製造に続いて行われる例示のプロセス工程の組を図３に示す。工程５０では、例えば立体リトグラフィー（ＳＬＡ）、積層物製造（ＬＯＭ）、又は選択的レーザー焼結等の多くの自由形態製造技術のうちの任意の一つの技術を使用し、製造されるべき金属部品の適切な大きさの鋳型モデル空洞体を形成する。３−Ｄ　ＣＡＤファイル又は同様の技術を使用する。プラスチック、金属、ポリマー、又はセラミック粉体を含む多くの様々な材料を鋳型モデル空洞体に使用できる。
【００２２】
ＲＴＶ型ゴムを工程５２で鋳型モデル空洞体に注入する。ゴムを硬化させ（工程５４）、シリコーン鋳物を形成する。工程５６でシリコーン鋳物を鋳型モデル空洞体から取り出す。永久的な再使用可能なセラミック化合物又は等価物をシリコーン鋳物の周囲に注入し（工程５８）、硬化させる（工程６０）。硬化させたセラミック金型からシリコーン鋳物を注意深く引き出す（工程６２）。セラミック金型は、次いで、製造されるべき金属部品用の再使用可能な部品鋳型空洞体として役立つ。部品鋳型空洞体の形成材料は、ポリマーバインダー溶融工程及び緻密化工程（工程２４及び工程３６）中に加わる熱に耐えることができなければならない。部品鋳型空洞体の大きさを適当にするため、予想収縮％の範囲は、好ましくは、鋳型モデル空洞体の製造前に上文中に説明した（工程６４）ように決定される。
【００２３】
本発明の特定の実施例を示し且つ説明したけれども、当業者は、多くの変更及び変形例を思い付くであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲のみに関して限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による直接金属製造プロセスのフローチャートである。
【図２】
本発明による直接金属製造プロセスの斜視図である。
【図３】
本発明に従って鋳型空洞体を製造するのに必要なプロセス工程のフローチャートである。
【符号の説明】
１２　部品鋳型空洞体
１４　窪み
１８　完成部品
２２　容器
２６　炉
２８　未焼結部品
３２　耐熱容器
３８　炉

Claims (14)

1. 表面特徴のみを備えた金属部品の直接製造方法において、
   表面特徴のみを備えた製造されるべき金属部品の部品鋳型空洞体を提供する工程（１０）、
   ベース金属、前記ベース金属の低融点合金、及びポリマーバインダーを含む粉体配合物を前記部品鋳型空洞体に注入する工程（２０）、
   前記ポリマーバインダーが溶融して前記金属粒子と付着するまで、前記部品鋳型空洞体を加熱し、未焼結部品を形成する工程（２４）、
   前記未焼結部品を前記部品鋳型空洞体から取り出す工程（３０）、
   前記未焼結部品を耐熱容器内に配置し、その周囲に固まっていないセラミック粉体を充填し、支持を与える工程（３４）、及び
   前記未焼結部品を加熱して前記バインダーを気化し、過渡的液相焼結によって前記部品を緻密化する工程（３６）を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記部品鋳型空洞体は、前記部品の緻密化を考慮して大きさが定められる（５０）、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記緻密化工程中に未焼結部品がさらされるのと同じ時間−温度特性に既知寸法の立方体形状試験部品をさらす工程、
   前記試験部品の冷却後、前記試験部品のｘ軸方向寸法、ｙ軸方向寸法、及びｚ軸方向寸法を計測する工程、及び
   前記既知寸法を前記計測された寸法と比較し、前記緻密化工程中に前記未焼結部品が収縮すると予測され得る割合の範囲を決定する工程（６４）を有し、前記部品鋳型空洞体は、前記割合の範囲内の収縮量を考慮して大きさが定められる、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記ベース金属は、前記粉体配合物の約７５％乃至８５％を占め、前記ベース金属の前記低融点合金は、前記粉体配合物の約５％乃至１５％を占め、前記ポリマーバインダーは、前記粉体配合物の約５％乃至１５％を占める、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記ポリマーバインダーは、高純度のナイロンポリマーを含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記未焼結部品を加熱し、液相焼結により前記部品を緻密化する前記工程は、液相焼結を容易にするため、前記未焼結部品をその相が液体約１５％で固体８５％になるまで加熱する工程を含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法において、部品鋳型空洞体を提供する前記工程は、
   前記未焼結部品の前記加熱工程中に予想される前記緻密化を考慮に入れて大きさが定められた鋳型モデル空洞体を形成する工程（５０）、
   ＲＴＶ型ゴムを前記鋳型モデル空洞体に注入する工程（５２）、
   前記鋳型モデル空洞体内の前記ゴムを硬化させ、シリコーン鋳物を形成する工程（５４）、
   前記シリコーン鋳物を前記鋳型モデル空洞体から取り出す工程（５６）、
   セラミック化合物を前記シリコーン鋳物の周囲に注入する工程、及び前記セラミック化合物を硬化させる工程（５８、６０）、及び
   前記硬化させたセラミック化合物から前記シリコーン鋳物を引き出す工程（６２）を含み、前記硬化したセラミック化合物は前記部品鋳型空洞体を形成する、方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記緻密化工程中に前記未焼結部品がさらされるのと同じ時間−温度特性に既知寸法の立方体形状試験部品をさらす工程、
   前記試験部品の冷却後、前記試験部品のｘ軸方向寸法、ｙ軸方向寸法、及びｚ軸方向寸法を計測する工程、及び
   前記既知寸法を前記計測された寸法と比較し、前記緻密化工程中に前記未焼結部品が収縮すると予測できる割合の範囲を決定する工程（６４）を更に含み、前記部品鋳型空洞体は、前記割合の範囲内の収縮量を考慮して大きさが定められる、方法。
9. 請求項１に記載の方法において、製造されるべき前記金属部品は、金属製型押ダイである、方法。
10. 請求項１に記載の方法において、製造されるべき前記金属部品は、放電加工（ＥＤＭ）電極である、方法。
11. 請求項１に記載の方法において、前記加熱工程は、前記金属部品の酸化を少なくするため、不活性雰囲気内で行われる、方法。
12. 請求項１に記載の方法において、前記加熱工程は、前記金属部品の酸化を少なくするため、真空炉（２６、３８）内で行われる、方法。
13. 請求項１に記載の方法において、前記緻密化した部品を冷却する工程及び前記冷却した緻密化した部品に機械加工を施し、その寸法を特定の許容差と一致させる、方法。
14. 請求項１に記載の方法において、前記、ポリマーバインダーが放出されるまで前記未焼結部品を加熱し、前記未焼結部品が或る程度収縮するように前記未焼結部品を少なくとも部分的に焼結する工程（４２）を更に含み、前記収縮により、前記部品鋳型空洞体からの前記未焼結部分の取り出しを容易にする、方法。

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