JPS63290205A - 金属粉末成形体よりなる金型製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、粉末成形体による金型製造方法に係り、プラ
スチック射出成形用、真空成形用、ブレス成珍用、プロ
ー成形用等の金型に利用される。

（従来の技術） 金型製造方法として、切削、彫刻などの機械加工によっ
て複雑な製品反転形状を作り出す方法（従来例の１）と
、模擬的に作られた製品反転形状型に金属（例えばアル
ミの溶湯など）をがぶせて形状を反転させて作り出す方
法（従来例の２）が一般に採用されている。

従来例の１は、金型材としての制約は少ないことから、
目的の強度に合致した金型材料を選ぶことができ、この
ため、金型としての特性は満足できる。

しかし、非常に手間がかかり種々の機械加工工程を必要
とすることから、コストが異常に高い欠点がある（およ
そ、トータルコスト中に占める材料費対加工費の比はｌ
：９位となる）。

従来例の２は、機械加工工程が少なくて済むことから生
産コストはおさえることはできるものの、アルミ精鋳に
よる金型製造法で代表されるように、溶湯金属を固めて
型とすることから、金型素材に制約を受け、金型物性（
使用目的に合致した金型に要求される特性に対する完全
型の特性）が低下するという問題がある。

すなわち、従来例の１と従来例の２はそれぞれ一長一短
がある。

そこで、発明者は、先に提案した技術（特開昭６１−１
０４０５号公Ｉ！りを、金型製造に利用することを知見
し、種々の実験を重ねた。

この提案技術は、焼結用粉末とバインダと水又は有機溶
剤とから構成されたスラリーを、型内面の少なくとも一
部にポーラス体を備えた成形枠に注入すると共に加圧し
、スラリー中の液分をポーラス体を介して絞り出して所
期の形状に成形する方法である。すなわち、この方法は
成形枠内面の一部を構成するポーラス面からスラリー中
の液分を脱液する方法であり、以下、面脱液法という。

面脱液法は、焼結用粉末を有するスラリーが流動性に富
んでいるため、低圧で所期の形状に成形することができ
、また複雑形状でも容易に成形することができるという
利点がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、面脱液法を実施するために用いられる成
形枠は、その内面の一部又は全部をポーラス体で形成し
なければならず、成形面における強度不足を招来し、ま
たコスト的にも高価であるという問題がある。更に、ポ
ーラス面の粗度が成形体表面に転写され、成形体の表面
平滑性が劣り、また離型が困難であるという問題がある
。

更に、金型材料は、その金型特性を考慮すると、Ｆｅ系
金属が望しい。一般にＦｅ系の粉末は数μ以上の粒径を
もち必ずしも球形粉末でないため、成形時にポーラス面
の穴部に突ささる現象が生じることがら離型が容易でな
くなり、取外し時に損傷するなどの不利な面があるため
、この金属粉末をポーラス面を有する成形枠で成形する
ことは困難である。

本発明は、金型の種類に制約を受けることなく、しかも
、高価で特殊な成型枠を用いることなく、模擬製品から
の転写によって容易かつ機械加工により作られた金型製
造コストよりはるかに安価にして、金型特性を満した金
型製造方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は次の技術的手段を
講じたのである。

すなわち、本発明は製品相似形状の転写面を有するプラ
スチックもしくは石膏製マスターモデルを、スリット幅
Ｓが焼結用金属粉末の平均粒子径をｄとしたとき、１０
μｍ−５３≦３ｄとされた線状のスリットを有する成形
枠内に仕込み、該成形枠に、焼結用金属粉末に有機バイ
ンダおよび水又は有機溶剤を添加混合してなるスラリー
を注入して３０〜２００　ｋｇ　、　ｆ　／　ｃｔＡの
圧力で加圧し、スラリー中の液分をスリットから排出し
て粉末同士が接触しかつ有機バインダを介して固形化し
た金属粉末成形体を作成し、 次に、該金属粉末成形体を焼結して金型要素を作成し、
咳金型要素により、内部に製品形状と相似形のキャビテ
ィを有する金型とする ことを特徴とする金属粉末成形体よりなる金型製造法で
ある。

（作　　用） 成形枠に、製品相似形状の転写面を有するプラスチック
もしくは石膏製マスターモデルを仕込み、この成形枠に
注入されたスラリー中の液分は、スラリーを３０〜２０
０　ｋｇ、ｆ／ｃｓＡの圧力により加圧することによっ
て成形枠に形成された線状のスリ７）から絞り出される
。この際、成形枠には脱液用のスリットを形成するだけ
でよいので、型材として通常使用される金属材を使用す
ることができるし、スラリーの加圧力も３０〜２００　
ｋｇ、ｆ／ｃｆｆｌの如く比較的低圧であることから、
モデルが曹性変形することはない。

また、前記スリットの幅を所定の値に規定しているので
、スリットを成形型に容易に形成することができ、また
スラリー中の金属粉末が流出することなく３０〜２００
　ｋｇ　、　ｆ　／　ｃＪの加圧で容易に脱液される。

スラリー中の液分が充分脱液されると、スラリー中の粉
末同士は接触し、バインダーを介して固形化され、所期
の粉末成形体が得られる。

この成形体の表面性状は成形枠の内面性状により決定さ
れるが、本発明に使用するプラスチックもしくは石膏製
マスターモデルは予め平滑に加工し、これを用いること
によって表面性状の良好な粉末成形体が容易に得られる
。

この粉末成形体を焼結すると金型として充分な密度とさ
れた金型要素が作成され、この金型要素により、内部に
製品形状と相似形のキャビティを有する金型が得られる
。

（実施例） まず、本発明に使用するスラリーについて説明する。

スラリーは、焼結用金属粉末と有機バインダと水又はア
ルコール等の有機溶剤とが混合されて形成されたもので
ある。

焼結用金属粉末としては、カーボニル法、ガスアトマイ
ズ法、水アトマイズ法、粉砕法等によって作られた各種
金属粉末（Ｐｅ、ハイス、ステンレス鋼、アルミ等）の
１種類、２種類以上の混合粉末を使用することができる
。また、この金属粉末に、セラミック粉末、これらの混
合粉末もしくはこれらと各種強化繊維の混合粉末を使用
することができる。強化繊維としては、炭素繊維、ボロ
ン繊維、セラミック（ＳｉＣ、ＡＮｔ（ｈ等）ウィスカ
等を例示することができる。

また、金属粉末の粒子径は、平均粒子径で数μｍのもの
から使用することができる。平均粒子径の下限は、後述
する成形枠の線状クリアランスの幅から限定される。尚
、通常、金属粉末では、１０μ−以上のものが各種市販
されており入手容易である。

ここに、平均粒子径とは、第３図に示すように粒子径と
累積重量比との関係により定まる粒度分布において、累
積重量比の５０％に対応する粒子径ｄ１１をいう、尚、
ある粒子径ｄ０に対応する累積重量比（％）Ｒｏは、試
料粉末全重量を−。としたとき、ｄ０以下の粒子の累積
重量を賀。とすると匈。／−０Ｘ１００（％）で与えら
れる。上記粒度分布は、粒度分布測定機（例えば、シー
ラス社製）により容易に測定される。

前記粉末に添加される有機バインダとしては、スラリー
液分である水又は有機溶剤に溶けるものを使用する。例
えば、アクリル樹脂系、酢酸セルロース系、熱硬化性樹
脂系のものを使用することができ、アクリル樹脂系バイ
ンダの具体例として商品名「バインドセラムＷＡ３２０
Ｊ（三共東圧製）を例示することができる。

スラリーの組成は、使用する焼結用金属粉末の粒径によ
っても異なるが、概ね１、金属粉末１００重量部に対し
てバインダ２〜５重量部、水もしくは有機溶剤８〜４０
重量部程度である。

次に、本発明に使用する成形枠について説明する。この
成形枠として、焼結用金属粉末の平均粒子径をｄとした
とき、スリットの幅ＳがｌＯμｍ≦Ｓ≦３ｄとされた線
状のスリットが形成されたちのが使用される。枠の材質
としては、通常の金型材を使用すればよく、特殊な材料
は不要である。

スリット幅Ｓを１０μ霞以上とするのは、１０μ翔未溝
のスリットを形成することは、通常の工業的機械的加工
手段では困難であり、またコスト高の要因となるからで
ある。

一方、Ｓが３ｄ以下に制限されるのは、３ｄを越えると
金属粉末がスリットから流出し成形困難乃至不可能にな
るからである。

ここで、Ｓが３ｄまで開設可能な理由については次のよ
うに考えられる。第４図に示すように、成形枠１内に注
入されたスラリー中の金属粉末２は、その粒子径がＳよ
り小さい場合、加圧によって、成形枠１に形成されたス
；Ｊット３から流出しようとする。ところが、この際、
粒子２はスリット３の入口部乃至中途部でブリッジを組
むことになる。

このとき、Ｓ＝αｄとした場合、α値を１以上の値とす
ると、α＝３までは容易に粉末がブリッジを組み、粒子
の流出が阻止されるが、α＝４以上になると、ブリッジ
が形成され難く、粒子はスリットから流出する結果とな
る。

成形枠の具体例を第２図に示す。

第２図の成形枠１は、外枠４の内部底面に、製品相似形
状の転写面５Ａを有するプラスチックあるいは石膏製マ
スターモデル５が設けられ、外枠４の上部開口には加圧
プランジャ６が嵌合されている。

更に、外枠４は縦方向に適宜分割されており、対向する
分割面相互間にスリフト幅Ｓを１０ｐＩＩＩ≦Ｓ≦３ｄ
とされたスリット３が形成され、また、加圧プランジャ
６と外枠４の型面との間にも同様にスリットが形成され
、これらのスリット３は、成形室から見れば線状となっ
ている。

なお、第２図において、７はスラリーであり、マスター
モデル５を仕込んだ成形室に注入充填されている。また
、８はヒータであり、必要に応じて設けられる。

１　成形枠１に仕込まれるプラスチックもしくは石膏製
マスターモデル５は、このプラスチック素材が例えば国
際をミカル製の商品名ケミウッドの如く板状固形物のと
きは、第１図に示す如く、最終製品形状の図面から金型
成形時の収縮分および最終製品成形時の製品収縮分を見
込んで大きくかつ製品形状を反転した図面からＮＣ旋盤
等によって機械加ヱによって製作する方法を採用できる
。

また、同モデル５はその素材がチバガイギー製エポキシ
樹脂（Ｌ　Ｙ５５６　＋　ＨＹ９７４５）もしくは石膏
のように、液状物のときは注型方法によって作成するこ
ともできる。

すなわち、第１図に示す如く最終製品形状の図面から成
形時の収縮分を見込んで木型を作成し、この木型から反
転石膏型あるいは原樹脂型を作り、これを反転してプラ
スチック製あるいは石膏製の正規のマスターモデルとす
るのである。

本発明はこのマスターモデルの作成に特徴はなく、こう
した金属粉末成形に対しては、強度の低いプラスチック
あるいは石膏製マスターモデルを使用する点にひとつの
特徴があり、このことから、そのマスターモデルの一例
を示す。すなわち、アラルダイトＬＹ５５６と硬化剤と
してのＨＹ９７４Ｊの物性を示すと、引張強さ６００〜
７００　ｋｇ、ｆ／ｃｄ。

耐熱温度１６０℃である。さらに、これにアルミナなど
のセラミック粉を３００〜５００重量部混入することに
よって、目的とするプラスチック製モデルとできる。

而して、該モデル５は第２図で示す如く、転写面５Ａを
有し、この転写面５＾以外の面は、外枠４に面接触され
て全スラリー圧を伝達するための面とされる。

また、モデル５は外枠４に仕込まれ、これに注入された
スラリー７を加圧プランジャ６による加圧（３０〜２０
０　ｋ（、ｆ　／　ｃｎｌ）を受けることから、コノ加
圧力に耐え得るプラスチックもしくは石膏材料で作成さ
れている。

第１図を参照して、金型製造プロセスを概説明する。

成形枠１に、叙述によって作成されたプラスチックもし
くは石膏製マスターモデル５を仕込む。

一方、別工程で混合、混練されたスラリー７は・　成形
枠１に注型され、加圧プランジャ６の押し込みによって
加圧され、スラリー中の液分は、成形枠１に形成された
スリット３から排出される。

スラリーの加圧は、３０〜２００　ｋｇ、ｆ／ｃｄで行
われ、スラリー中の粉末同士が接触するまで加圧脱液す
る。この状態になると、粉末同士は粒子間に存在するバ
インダを含んだ水もしくは有機溶剤を介して固形化され
る。

尚、成形体において、粉末同士が接触していることは、
粉末同士を焼結させる上での前提条件でもある。

ところで、加圧脱液によって成形された粉末成形体７Ａ
は、成形枠１から取り出された後、適宜乾燥される。一
方、モデル５は必要に応じて再び成形枠１に仕込みのた
め搬送される。成形体７Ａの乾燥によって、粉末粒子間
の溶媒は気化し、溶媒中のバインダは濃縮ないし固化し
、粒子の接触強度は向上する。これによって、成形体（
グリーン体）の取り扱い性は向上する。

尚、上記の乾燥は、成形後に行ってもよいが、スラリー
の加圧時に、第２図に示したヒーター８を用いて同時に
行うことも可能である。

この場合、乾燥のために加えられる温度は、水もしくは
有機溶剤の沸点以上、望ましくは沸点温度より１０〜３
０℃高温とするのがよい。このような温度を与えること
によって、短時間で成形体中の水もしくは有機溶剤を沸
騰させ気化消失させることができる。

このようにすると、取り出し後の乾燥工程を簡略化する
ことができる利点がある。

ところで、焼結用粉末として鉛、アルミニウムのような
塑性変形の容易な粉末は、比較的低圧の加圧によって粉
末同士がからまり合って固形化し、成形される。従って
、鉄粉等の塑性変形のし難い粉末に対して、成形性、粉
末成形体の取扱い性は良好となる。

この場合、有機バインダおよび水もしくは有機溶剤は、
粉末同士が滑りを生じて塑性変形するための潤滑剤的作
用をなす。このため、粉末間の表面摩擦力が低下し、Ｃ
ＩＰ法、金型プレス法などによって、粉末を成形する場
合に比べて、相当低い圧力でも粉末同士が密に接触する
状態に成形することが可能でこれによって成形された物
の固形化が可能となる。

成形体７Ａは焼結炉等に搬入され、焼結されることによ
り、最終製品形成時に最終製品の収縮重分大きい金型要
素７Ｂとされた後、第１図に示す如く一部に機械加工容
易な取付板７Ｃなどを加えて組立てられて、内部にキャ
ビティ７Ｄを有する金型とされる。

なお、焼結後の金型要素７Ｂは、必要に応じて型合せ面
の部分等はパーティング加工することもでき、またシボ
加工等もできる。

次に具体的実施例を掲げて説明する。

（１）　　第１表で示した種々の焼結用金属粉末を用い
て、同表に示したスラリーを調整した。スラリーの配合
は、粉末重量１００重量部に対するものである。バイン
ダとしては、既述の「バインドセラムＷＡ３２０　Ｊを
用い、溶媒としては水又はアルコールを用いた。

（２）　　（１）のスラリーを第２図に示す成形枠に注
入した。成形枠の内径はφ１８０１ｆｌであり、外枠は
２分割構造とした。成形枠のスリット幅（クリアランス
）は第１表に示した。スラリーを約５０鰭深さ分注入し
た後、加圧プランジャを嵌着し、この状態で予熱した。

予熱温度は、溶媒が水の場合９０℃、アルコール（沸点
７６℃）の場合６６℃とした。

（３）スラリーが注入充填され予熱された成形枠を加圧
機に設置し、加熱しながら加圧した。成形圧力は第１表
に示した。加熱温度は、溶媒が水の場合１２０℃、アル
コールの場合９０℃とした。

加圧開始後約２０分で成形枠内のスラリー中の溶媒の沸
騰は止み、圧力は安定した。この状態で更に１０分間、
加熱したまま所定の圧力をかけて保持した。

加圧開始から３０分後、加圧機から成形枠を取り出して
冷却した後、成形枠から粉末成形体を取り出した。成形
体が得られたものについては、これを完全に乾燥して、
相対密度（容積％）を測定した。

（４）　　成形の可否、グリーン体の相対密度を第１表
に併せて記載した。同表中、Ｏは成形可能、△は成形困
難、×は成形不可能を示す。

尚、（３）に示す完全乾燥前の成形体の水もしくはプル
コール残量は成形体全容積の７％程度であった。

（５）　　第１表より、スリット幅（クリアランス）が
平均粒子径の３倍を越える比較例（隘４．５）について
は成形が困難または不可能であったが、３倍以下の他の
実施例については成形体を得ることができた。

但し、阻３ついては、平均粒子径は３倍以下であること
から、成形は可能であるものの成形圧力が４００ｋｇ、
ｆ／ｃｄであることから、マスターモデルが変形し、最
終製品形状又はこれに近い形状の成形体を得ることが困
難であった。又、このＩ’ｌｈ３についてはマスターモ
デルの再使用もできなかった。

更に、患１６については、平均粒子径は３倍以下である
ことの条件は満足しているものの、スラリ−の成形圧力
が２５ｋｇ、ｆ／Ｃ４と非常に低圧であることから、成
形不可能であった。

（６）得られた粉末成形体について、第１表に示す焼結
条件で、焼結炉により焼結させ、このときの焼結体の相
対密度を第１表に併せて示す。

なお、焼結条件における時間（第１表の各下段）のうち
、１／８．１／２４等は、焼結温度まで８Ｈｒ、２４Ｈ
ｒかけて昇温し、この温度でＩＨｒ保持したことを意味
している。

（７）焼結処理された金型要素は、これを一部に機械加
工容易な取付板などを加えて組付けた。

次　　　　　　葉 （発明の効果） 以上説明した通り、本発明によれば、成形枠に、焼結用
金属粉末に有機バインダお゛よび水又は有機溶剤を添加
混合してなるスラリーを注入して３０〜２００　ｋｓｒ
、ｆ／ｃ＋４で加圧し、スラリー中の液分をスリットか
ら排出して粉末同士が接触しかつ有機バインダを介して
固形化した金属粉末成形体を作成し、これを焼結処理し
て金型とするものであるから、金型のコスト（原料、製
造など全てを含むコスト）は従来の金属切削金型のコス
トに比べて大幅に低減できる。

特に、スラリーの加圧力が３０〜２００　ｋｉｒ　、　
ｆ　／　ｃｒＡであることから、プラスチックもしくは
石膏製マスターモデルを使用することが可能となり、こ
の点から、大幅なコストダウンが約束できる。

更に、多数個取り金型を作る時に本発明ではその単位の
１個分を沢山作ってこれを組合せて多数個取り金型とす
ることができ、金属ブロックから切削しなければならな
い従来例の１と比べて大幅にコストダウンした。

また、金属寿命から複数個金型を作って製品を製造しな
くてはならない場合には、マスターモデルを再度作る必
要がなくこれもコストダうンとなった・ 更に、従来例の２に比較して、金型材料は、制約を受け
ることがなく、焼結後において金型特性としての必要な
密度にできる。

また、焼結用金属粉末が含有されたスラリーを注入する
成形枠には、線状のスリットを形成すれば足り、成形枠
として通常の金属製型材を任意に使用することができる
。それ故、成形枠に強度不足を招来することがなく、ま
た、通常の金型加工手段で成形面を平滑に加工すること
ができる。

従って、成形枠にスラリーを注入して加圧し、スラリー
中の液分を前記スリットから排出して脱液することによ
り、表面性状が良好でかつ粉末同士が接触した粉末成形
体を容易に得ることができ、また成形枠からの取り出し
も容易となる。

また、スリットは、その幅を所定の範囲に特定したので
、スリットの形成が容易であり、スラリー中の粉体の流
出を防止しつつ、比較的低圧でスラリー中の液分を容易
に排出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフローチャートを示す説明図、第２肉
は本発明を実施するための成形枠の断面図、第３図は粉
末の粒度分布を示すグラフ図、第４図（１）および（２
）はスリット近傍における粉末のブリッジ形成状態を示
す断面説明図である。 ■・・・成形枠、３・・・スリット、５・・・モデル、
６・・・プランジャ、７Ａ・・・粉末成形体、７Ｂ・・
・金型要素。 第１図 第　３図 第４図１１ノ　第４０ｆ２ノ ｍｒｔＪ−を蚤

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）製品相似形状の転写面を有するプラスチックもし
   くは石膏製マスターモデルを、スリット幅Ｓが焼結用金
   属粉末の平均粒子径をｄとしたとき、１０μｍ≦Ｓ≦３
   ｄとされた線状のスリットを有する成形枠内に仕込み、
   該成形枠に、焼結用金属粉末に有機バインダおよび水又
   は有機溶剤を添加混合してなるスラリーを注入して３０
   〜２００ｋｇ．ｆ／ｃｍ＾２の圧力で加圧し、スラリー
   中の液分をスリットから排出して粉末同士が接触しかつ
   有機バインダを介して固形化した金属粉末成形体を作成
   し、 次に、該金属粉末成形体を焼結して金型要素を作成し、
   該金型要素により、内部に製品形状と相似形のキャビテ
   ィを有する金型とする ことを特徴とする金属粉末成形体よりなる金型製造法。