JP2005226160A

JP2005226160A - 射出成形により粉末射出成形材料から製造された無機成形体を、射出成形以外の方法により製造された無機成形体と結合させる方法

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Publication number: JP2005226160A
Application number: JP2005033803A
Authority: JP
Inventors: Hans Wohlfromm; ハンス、ヴォールフロム; Tom Arnd; アルント、トム; Maat Johan Herman Hendrik Ter; ヨーハン、ヘルマン、ヘンドリック、テル、マート; Martin Bloemacher; マルティン、ブレマハー
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2005-08-25
Also published as: EP1563931A1; ES2285580T3; ATE359889T1; DE502005000591D1; US20050182176A1; PT1563931E; EP1563931B1; DE102004006954A1; SG114696A1; PL1563931T3

Abstract

【課題】射出成形により粉末射出成形材料から製造された無機成形体を射出成形以外の方法により製造された無機成形体と結合させるための方法を提供する。
【解決手段】本発明は、射出成形により粉末射出成形材料から製造された少なくとも１個の第１の無機成形体（１）を、射出成形以外の方法により製造された少なくとも１個の第２の無機成形体（２）と、恒久的に結合させる方法であって、ａ）結合剤を含有する粉末射出成形材料から第１の無機成形体（１）を射出成形する段階、ｂ）第１の無機成形体（１）から結合剤を除去する段階、および、ｃ）合わせた第１および第２の無機成形体（１、２）で焼結工程を実施する段階、を含み、かつ、少なくとも１個の第１の無機成形体（１）と少なくとも１個の第２の無機成形体（２）をｂ）段階の前またはｃ）段階の前に合わせる方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形により粉末射出成形材料から製造された少なくとも１個の第１の無機成形体を射出成形以外の方法により製造された少なくとも１個の第２の無機成形体と結合させる方法、およびこの方法の用途に関する。

金属粉末またはセラミック粉末を結合剤と混合して射出成形可能な粉末射出成形材料を得、この粉末射出成形材料を射出成形機で加工して成形体（グリーン圧縮体）を得、得られた成形体から結合剤を除去し（ブラウン圧縮体）、その後成形体を焼結することにより、無機材料から成形体を製造することができることは公知である。このような方法は、例えばＤＥ−４０００２７８−Ａ１号公報に開示されている。このドイツ出願公開公報は、焼結可能な無機粉末と結合剤としてのポリオキシメチレンとの混合物を射出成形または押出成形により成形してグリーン圧縮体を得、結合剤を除去し、焼結を行うことにより無機焼結成形品を製造する方法に関する。ポリオキシメチレンは、グリーン圧縮体をガス状の三フッ化ホウ素を含有する雰囲気中で処理することにより除去される。

他の製造方法と比較して、上述の公知の方法で製造された成形体は、特にこの目的のために広範囲の材料を使用することができ、複雑な幾何学的形状を形成することができ、再加工することなく狭い公差を達成することができ（精度約±０．３％）、良好な表面を得ることができるという利点がある。

ＤＥ−４０００２７８−Ａ１号公報

先行技術では、このような粉末射出成形材料から製造された有機成形体を、他の製造方法によって製造された他の成形体と、特に材料に依存して溶接、ねじ込み、接着または鍛造によって結合させている。しかしながら、これらの接続法は、全ての材料の組み合わせに対して等しく適しているわけではなく、個々の成形体の恒久的な接続および２個の成形体間に接続によって形成される結合が常に接続のために要求される条件に適合しているわけではないため、高額の費用がかかる場合がある。従って、公知の接続法により特に高合金および低合金鋼を結合する場合には問題を生じる。というのは、この場合には化学的腐食がしばしば発生するからである。その上、例えば硬い工具鋼および超合金、例えばＨａｙｎｅｓ社（ココモ、米国）のＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商用）は、技術的に極めて複雑な方法によってしか機械的に加工できない。

従って、本発明の目的は、射出成形により粉末射出成形材料から製造された無機成形体を射出成形以外の方法により製造された無機成形体と恒久的に結合させるための改良された方法を提供することである。特に、製造コストを減少させてこれらの成形体を密接に結合させることができ、しかも簡単な方法により結合を行うことができるのが望ましい。その上、本発明の別の目的は、これらの成形体の結合により、高い力学的負荷に耐えうる構造体が形成されるようにすることである。

発明者らは、上述の目的は、本発明における射出成形により粉末射出成形材料から製造された少なくとも１個の第１の無機成形体（１）を、射出成形以外の方法により製造された少なくとも１個の第２の無機成形体（２）と、恒久的に結合させる方法であって、
ａ）結合剤を含有する粉末射出成形材料から第１の無機成形体（１）を射出成形する段階、
ｂ）第１の無機成形体（１）から結合剤を除去する段階、および、
ｃ）合わせた後の第１および第２の無機成形体（１、２）について焼結工程を実施する段階、
を含み、かつ、少なくとも１個の第１の無機成形体（１）と少なくとも１個の第２の無機成形体（２）をｂ）段階の前またはｃ）段階の前に合わせる方法によって達成されることを発見した。

ａ）段階では、まず第１の無機成形体を射出成形により粉末射出成形材料から製造する。第１の無機成形体は、金属成形体でもよい。粉末射出成形材料は、例えば、無機粉末（例えば金属粉末）と結合剤の両方を含む射出成形可能な粒子として存在する。好ましくはＢＡＳＦ社（ルードビッヒスハーフェン、ドイツ）から市販されているＣａｔａｍｏｌｄ（登録商標）の製品が射出成形材料として使用される。このような射出成形材料は、例えばＤＥ−１９７００２７７−Ａ１号公報またはＤＥ−４０２１７３９−Ａ１号公報に記載されている。第１の無機成形体の射出成形のために、熱可塑性プラスチックの射出成形において標準的な装置を使用することができる。場合により、射出成形機を、例えば特別なスクリュー形状またはダイによって、または逆流ブロックを組み入れることによって、または水に対する防御性を高めることによって、第１の無機成形体の粉末射出成形材料の材料特性に適合させなければならない。

本発明のｂ）段階では、第１の無機成形体から結合剤を除去する。“結合剤の除去”とは、射出成形によって製造された第１の無機成形体（グリーン圧縮体）から結合剤を実質的に除去することを意味する。結合剤の除去段階は、粉末射出成形材料に含まれる結合剤に依存する。

先行技術には、熱的に分解可能な結合剤、特にワックスを含む結合剤組成物が存在する。これらの結合剤は第１の無機成形体から熱的な結合剤除去工程（気相を介した分解または溶出）によって除去することができる。結合剤除去の他の方法としては溶媒抽出が考えられ、この場合には結合剤が水またはアセトンのような溶媒で除去される。

最も広範に使用される工程は、結合剤除去時間が短くて済む触媒による結合剤除去である。例えば、ＢＡＳＦ社のＣａｔａｍｏｌｄ（登録商標）粉末射出成形材料は、結合剤としてポリアセタールを含有する。好適な触媒の存在下で、ポリアセタールは非溶融状態においてすら分解してガス状の成分に変化し、結果的に射出成形品から残らず除去されうる。これはポリアセタールの特別な化学構造のためである。ポリエチレンと対比すると、ポリアセタールは炭素−酸素結合の繰り返しによって特徴づけられる。酸は、この基の酸素原子を攻撃して高分子を基礎的な構造ブロックＣＨ₂Ｏ（ホルムアルデヒド）に分裂させることができる。好ましく使用される触媒は、ガス状の硝酸（＞９９％）である。粉末射出成形における結合剤の除去のためにこの化学反応が特別に適しているのは、この反応が起こる条件のためである。このポリマーの融点は約１６５℃である。結合剤除去は、実質的にこの融点より低い１１０〜１４０℃の温度で生じる。反応は、結合剤を除去すべき成形体の外側から内側に向かって面状の形態で進行する。反応の間に、ポリマーは固体から気体状態に直接転化する。従って、反応ガスは成形体の既に多孔質化した領域を通過して極めて容易に脱離しうる。従って、圧力上昇およびその結果発生しうる成形体の崩壊を回避することができる。形成されるモノマーの沸点は−２１℃であり、従って、結合剤除去の条件下ではいずれの場合も気体である。原則として、このようにして１００％の結合剤を除去することができる。しかしながら、このような成形体はわずかな振動で分解してしまうおそれがある。そこで、結合剤の一部を触媒に耐性のあるポリマーで構成し、後続の工程に耐えうる十分な強度を成形体に与えるようにしてもよい。この部分は続く焼結工程の間に除去される。結合剤を除去した後の第１の無機成形体は、ブラウン圧縮体といわれる。

本発明の新規な方法のｃ）段階では、合わされた第１および第２の無機成形体について焼結工程を実施する。

第２の無機成形体は、射出成形以外の方法、たとえば圧縮焼結、鋳造、鍛造、圧延または切削によって製造された無機成形体である。

“焼結”とは、結合剤を除去したあとの第１の無機成形体（ブラウン圧縮体）の疎な粉末構造が圧縮されて最終的な構造品となると同時に第２の無機成形体と結合する熱処理工程を意味する。無機粉末粒子の比表面積の減少へとつながる熱的に活性化された材料移動が、焼結の間に起こる。粒子の接触面の成長および細孔体積の減少の結果、第１の無機成形体は、本発明の新規な方法のｃ）段階の焼結の間に収縮する。その上、焼結工程を実施する前に合わされた両成形体の接触表面で、焼結工程の結果として、第１の無機成形体および第２の無機成形体の粒子間の粒子接触が形成され、両成形体の間に密接な結合が形成される。

従って、本発明の新規な方法により無機射出成形体と射出成形体以外の無機成形体との経済的かつ大量の結合が達成される。

本発明では、第１の無機成形体および第２の無機成形体を、本発明の方法のｂ）段階の前またはｃ）段階の前に合わせることができる。両成形体をｂ）段階の前に合わせた場合には、これらは共に結合剤除去のｂ）段階を経験する。新規な方法におけるｂ）段階およびｃ）段階は、２個の異なる炉（結合剤除去炉および焼結炉）内で行うか、または単一の炉で連続して行う。ｂ）段階の前に両成形体を合わせるのは、もろいブラウン圧縮体（結合剤を除去した後の第１の成形体）を焼結工程の実施の前に単独で動かす必要がなく、従ってブラウン圧縮体の崩壊の可能性を回避できるという点で有利である。しかしながら、第１の無機成形体から結合剤を除去した後の成形体を、一般的な焼結工程を実施する前に注意深く合わせることも可能である。

本発明の好ましい形態では、第１の無機成形体の射出成形のための粉末射出成形材料は、
ｉ）４０〜８５体積％の少なくとも１種の焼結可能な無機粉末Ａ、
ｉｉ）１５〜６０体積％の少なくとも１種の結合剤Ｂ、および、
ｉｉｉ）０〜５体積％の少なくとも１種の分散剤Ｃ、
（但し、成分Ａ、ＢおよびＣの合計は１００体積％である。）を含む。

焼結可能な無機粉末Ａは、公知の適当な焼結可能な無機粉末の全ての中から選択することができる。好ましくは、金属粉末、合金粉末、金属カルボニル粉末、およびこれらの混合物から選択される。

粉末形態で存在可能な金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、および珪素を例示することができる。合金としては、例えば、アルミニウムとチタンを基礎とした軽金属合金、銅の合金、または青銅が挙げられる。炭化タングステン、炭化ホウ素、または窒化チタンのような硬い金属も、コバルトおよびニッケルのような金属と組み合わせて好適に使用可能である。好適な粉末は、例えば、ＥＰ−Ａ−０４６５９４０号公報、ＥＰ−Ａ−０７１０５１６号公報、ＤＥ−Ａ−３９３６８６９号公報、ＤＥ−Ａ−４０００２７８号公報、およびＥＰ−Ａ−０１１４７４６号公報、およびこれらの引用文献に記載されている。

粉末の粒子サイズは、０．１〜５０μｍが好ましく、０．２〜８μｍが特に好ましい、金属粉末、合金粉末、および金属カルボニル粉末は、混合物として使用することもできる。

成分Ｃとして場合により存在する分散剤は、公知の分散剤から選択することができる。例としては、平均分子量が２００〜６００であるオリゴマー状ポリ酸化エチレン、ステアリン酸、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸、脂肪アルコール、脂肪アルコールスルホナート、および酸化エチレンと酸化プロピレンのブロック共重合体、および特に好ましいポリイソブチレンが挙げられる。特に好ましくは、ポリイソブチレンは成分Ａ、Ｂ、およびＣに対して１〜６体積％の量で使用される。

さらに、この材料は慣用の添加剤および成形の間に混合物の流動特性に好適な影響を与える加工助剤を含んでいてもよい。

好ましくは、少なくとも１個の第２の無機成形体は、低合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼、難磁性合金、軽金属、重金属、銅を基礎とした材料、または貴金属からなる群から選択された少なくとも１種の材料を含む。

本発明の好ましい形態において、炉内で実施される焼結工程は、
Ａ）合わされた第１および第２の無機成形体（１、２）を含む炉を室温から３００〜７００℃、好ましくは５５０〜６５０℃の第１の保持温度まで２〜１０Ｋ／分、好ましくは４〜６Ｋ／分の速度で加熱する段階、
Ｂ）第１の保持温度に好ましくは０．５〜３時間維持する段階、
Ｃ）炉を１０００〜１４００℃、好ましくは１２００〜１３００℃の第２の保持温度まで２〜１０Ｋ／分、好ましくは４〜６Ｋ／分の速度で加熱する段階、
Ｄ）第２の保持温度に好ましくは２〜１２時間維持する段階、および、
Ｅ）炉を２〜２０Ｋ／分の速度で冷却する段階、
を含む。

この焼結工程は、ＢＡＳＦ社から市販されているＣａｔａｍｏｌｄ（登録商標）の粉末射出成形材料に対して特に好適である。焼結工程は、一般的には焼結されるべきそれぞれの材料に適合させなければならない。上述の温度プログラムでは、少量の結合剤残渣がｂ）段階の結合剤除去後の第１の無機成形体中に依然として残っているという事実を考慮に入れている。Ｂ）段階で第１の保持温度に維持することによって、残っている結合剤の完全な熱分解が起こる。到達されるべき最大焼結温度（すなわち、Ｃ）段階における第２の保持温度）は、第１および第２の無機成形体の材料に依存する。

焼結工程は、不活性ガス中または減圧下で行うのが好ましい。不活性ガス雰囲気または減圧状態は、焼結の間に望ましくない化学反応が起こるのを回避するために必要である。雰囲気を選択する場合には、ガス、焼結材料、および炉の間で生じうる全ての反応を考慮に入れなければならない。不活性ガスとしては、水素、アルゴン、窒素、またはこれらの混合物を挙げることができる。

本発明の好ましい形態では、ｃ）段階前に、合わされた第１および第２の無機成形体の接触面の少なくとも一部に潤滑剤を施す。潤滑剤は、焼結工程の間に第１の無機成形体が妨害を受けずにかつ両成形体間に密接な結合が生じないようにして収縮することができるようにする作用を果たす。ある領域では、両成形体間に密接な結合が生じるのが望ましくない。従って、潤滑剤は、焼結工程の前に、両成形体を合わせた後に接触するものの焼結によって結合されるべきではない表面部分、従って、焼結の間の収縮の結果第１の無機成形体がその表面に沿って滑った方がよい表面部分に施す。潤滑剤に必要な特性は、従って、最大焼結温度（第２の保持温度）での滑り作用である。本発明の新規な方法に好適な潤滑剤は、窒化ホウ素、硫化モリブデン、または二硫化モリブデンである。

本発明の好ましい形態では、焼結工程を実施する前に、互いに焼結されるべき表面の間にポリマーフィルムを挿入する。ポリマーフィルムは様々な作用を果たしうる。まず、第１の無機成形体と第２の無機成形体の間の結合状態をさらに良好にすることができる。というのは、ポリマーフィルムは最大焼結温度より低い融点を有しており、その結果、焼結工程の間に両成形体間で接着効果を示すからである。さらに、ポリマーフィルムはカーボンを放出し、カーボンが両成形体の表面に拡散し、その部分の融点を低下させ、従って、より融点に近い温度での焼結を可能にしうる。ポリマーフィルムは、全ての公知の適当なポリマーフィルムから選択することができる。ポリマーフィルムは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、およびポリ塩化ビニル（ＰＣＶ）からなる群から選択されたポリマーを含むのが好ましい。

本発明はさらに、本発明の新規な方法をギア部品、ギアホイール、宝石、レバー、ノズル、カバー、ポンプ部品、電気モーター部品、ボールベアリング、バルブ、武器部品、スポーツ器具、家庭製品、医療機器、工具、またはこれらの部品を製造するために使用する方法に関する。しかしながら、本発明の新規な方法の用途は、上述の製品の製造に限定されない。

以下、図を使用して本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい形態の各段階を概略的に示した図である。

図１のｉは、本発明により互いに強固に結合されるべき２個の成形体の切断面を示している。

第１の無機成形体１は、図１のｉでは、グリーン圧縮体、すなわち粉末射出成形材料から射出成形によって製造された成形体、またはブラウン圧縮体、すなわち、既に結合剤を除去した後の成形体、のいずれかの形態で存在している環状の加工品である。粉末射出成形材料は、例えば、タイプ８６２０の低合金の焼入れ可能な鋼の焼結成形体を製造するための射出成形可能な粒子を含む。

第２の無機成形体２は、例えば、高合金鋼の鍛造品である。この成形体は、第１の無機成形体１の半径より小さい半径の円筒部３を有している。

図１のｉｉでは、２個の成形体１、２が合わされている。環状の第１の成形体１が、第２の成形体２の円筒部３を囲んでおり、２個の成形体１、２の対称軸４が一致している。第１の成形体１がまだ結合剤を含んでいるグリーン圧縮体の場合には、図１のｉｉに示すように、本発明に従って、焼結工程を開始する前に２個の成形体１、２を合わせた状態で結合剤除去が行われる。第１の無機成形体１が結合剤を既に除去したブラウン圧縮体である場合には、２個の成形体１、２を合わせた後に、次の段階として焼結工程が実施される。

潤滑剤（図示せず）を、両成形体の接触面５に施すのが好ましい。第１の成形体１は、焼結のために収縮する間にこの接触面上を滑る。

焼結の前に、第２の成形体２の表面６上にポリマーフィルム（図示せず）を配置するのが好ましい。ポリマーフィルムは、結果的に２個の成形体２、１のそれぞれ焼結により結合されるべき表面６、７の間に存在する。

図１のｉｉｉは、本発明の新規な方法に従って焼結工程を実施した後の結合された成形体１、２を示している。成形体１は、焼結の間に第２の成形体２の円筒部３の周囲で収縮し、両者は表面６、７で焼結される。このようにして製造された加工品８としては、例えばギア部品が挙げられる。

本発明の好ましい形態の各段階を概略的に示した図である。

符号の説明

１第１の無機成形体
２第２の無機成形体
３円筒部
４対称軸
５接触面
６第２成形体における焼結で結合されるべき表面
７第１成形体における焼結で結合されるべき表面
８加工品

Claims

射出成形により粉末射出成形材料から製造された少なくとも１個の第１の無機成形体（１）を、射出成形以外の方法により製造された少なくとも１個の第２の無機成形体（２）と、恒久的に結合させる方法であって、
ａ）結合剤を含有する粉末射出成形材料から第１の無機成形体（１）を射出成形する段階、
ｂ）第１の無機成形体（１）から結合剤を除去する段階、および、
ｃ）合わせた後の第１および第２の無機成形体（１、２）について焼結工程を実施する段階、
を含み、かつ、少なくとも１個の第１の無機成形体（１）と少なくとも１個の第２の無機成形体（２）をｂ）段階の前またはｃ）段階の前に合わせる方法。
第１の無機成形体（１）の射出成形のための粉末射出成形材料が、
ｉ）４０〜８５体積％の少なくとも１種の焼結可能な無機粉末Ａ、
ｉｉ）１５〜６０体積％の少なくとも１種の結合剤Ｂ、および、
ｉｉｉ）０〜５体積％の少なくとも１種の分散剤Ｃ、
（但し、成分Ａ、ＢおよびＣの合計量は１００体積％である。）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記粉末Ａが、金属粉末、合金粉末、金属カルボニル粉末、およびこれらの混合物から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
少なくとも１個の第２の無機成形体（２）が、低合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼、難磁性合金、軽金属、重金属、銅を基礎とした材料、または貴金属からなる群から選択された少なくとも１種の材料を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
焼結工程を炉内で行い、かつ、この工程が、
Ａ）合わされた第１および第２の無機成形体（１、２）を含む炉を室温から３００〜７００℃の第１の保持温度まで２〜１０Ｋ／分の速度で加熱する段階、
Ｂ）第１の保持温度に維持する段階、
Ｃ）炉を１０００〜１４００℃の第２の保持温度まで２〜１０Ｋ／分の速度で加熱する段階、
Ｄ）第２の保持温度に維持する段階、および、
Ｅ）炉を２〜２０Ｋ／分の速度で冷却する段階、
を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
焼結工程を実施する前に、合わされた第１および第２の無機成形体（１、２）の接触面（５）の少なくとも一部に潤滑剤を施すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
前記潤滑剤が窒化ホウ素、硫化モリブデン、または二硫化モリブデンであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
焼結工程を実施する前に、互いに焼結されるべき表面（６、７）の間にポリマーフィルムを挿入することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマーフィルムが、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリ塩化ビニルからなる群から選択されたポリマーを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
ギア部品、ギアホイール、宝石、レバー、ノズル、カバー、ポンプ部品、電気モーター部品、ボールベアリング、バルブ、武器部品、スポーツ器具、家庭製品、医療機器、工具、またはこれらの部品を製造するために使用されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。