有機バインダの製造方法および有機バインダ
【課題】焼結体製品における気泡及びクラックの発生を防止することができる有機バインダおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】ビカット軟化点８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃の溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、及びビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０〜８０ｖｏｌ％、５〜３５ｖｏｌ％、１０〜４０ｖｏｌ％、及び５〜２０ｖｏｌ％の割合で含まれる混合物を成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱して溶融する。次に、溶融した混合物を、成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に投入して粒状中間体を生成させる。最後に生成した粒状中間体を乾燥して粉体化することにより粉末射出成形法に用いられる有機バインダを得る。
【解決手段】ビカット軟化点８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃の溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、及びビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０〜８０ｖｏｌ％、５〜３５ｖｏｌ％、１０〜４０ｖｏｌ％、及び５〜２０ｖｏｌ％の割合で含まれる混合物を成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱して溶融する。次に、溶融した混合物を、成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に投入して粒状中間体を生成させる。最後に生成した粒状中間体を乾燥して粉体化することにより粉末射出成形法に用いられる有機バインダを得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末射出成形法（ＭＩＭ）に用いられる有機バインダおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複雑な形状のセラミックスおよび金属製品を成形するために、粉末射出成形法が利用されている。この粉末射出成形法は、焼結可能な粉末に流動性を持たせるために種々の有機化合物および熱可塑性樹脂を添加し、加熱混練の後、これを成形用原料として射出成形し、得られた成形体を脱脂、焼結することにより、焼結体製品を製造する。
そして、従来用いられている流動性を有する成形用原料は、例えば金属粉末に、比較的融点の高い熱可塑性樹脂およびこれよりも低い融点を有するワックス等の有機バインダが加えられたものである。そして、成形用原料は、焼結用粉末および有機バインダを有機バインダの融点以上に加温しながら混練機により均一に混練することにより得られる。
【０００３】
しかしながら、有機バインダとして用いられる熱可塑性樹脂は、一般に５ｍｍ程度の円筒形状のペレットとして供給されるため、平均粒径が１０μｍ以下の金属粉末等と大きさが極端に異なる。また、熱可塑性樹脂は、同時に使用されるワックス等に比べて混練時の粘度が高い。これらのことから、金属粉末等を、混練機によって熱可塑性樹脂およびワックス等に均一に分散させることが容易でなく、混練作業に長時間を要するという問題があった。
【０００４】
そこの問題を解決するために、特許文献１には、ペレットで入手された熱可塑性樹脂を事前に粉砕した後に、金属粉末と混練する技術が提案されている。
しかし、特許文献１に提案された熱可塑性樹脂を事前に粉砕する方法では、混練後の分散物が塊状になり、後工程の取り扱いの便宜のために粉砕工程が必要となることが特許文献２に指摘されている（特許文献２）。また、特許文献２には、有機バインダとして、熱可塑性樹脂等の有機化合物の粉末とフタル酸系の可塑剤等の液体状有機化合物との混合物を使用し、これらを焼結可能な粉体とともに加熱混合する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６９５０４号
【特許文献２】特開２００１−３０３１０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
有機化合物の粉末と液体状有機化合物とを有機バインダとする特許文献２に開示された技術は、金属粉末等と混合有機バインダとの加熱混合の際に、未溶融の粉末有機化合物がブロック化し易く、ブロック化した粉末有機化合物の周りを金属粉末等が取り囲むことによって、脱脂後の成形体内に数十ミクロンの気泡および気泡に起因するクラックが含まれるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、焼結体製品における気泡およびクラックの発生を防止することができる有機バインダおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る製造方法は、粉末射出成形法に用いられる有機バインダの製造方法であって、ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物を前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱して溶融し、溶融した前記混合物を前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に投入して粒状中間体を生成させ、前記粒状中間体を乾燥して粉体とするものである。
【０００９】
前記製造方法では、溶融した前記混合物を投入する水の撹拌条件を乱流とすることにより生成させる前記粒状中間体の平均粒径を１００μｍ以下とする。
前記成分ｂは、ポリアセタール、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブテン１、シクロオレフィン系共重合体およびスチレン−メタクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる。
【００１０】
前記成分ｃは、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックスおよび無水マレイン酸変性ワックスより選ばれる一種以上からなる。
前記成分ｄは、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂、エチルメタクリレート樹脂、ブチルメタクリレート樹脂、エチレングリシジルメタクリレート共重合体、エチレン・アクリル酸・無水マレイン酸共重合体、無水マレイン酸グラフトポリオレフィン樹脂、エチレン・ビニルアセテート・無水マレイン酸共重合体およびエチレン・エチルアクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる。
【００１１】
本発明に係る有機バインダは、粉末射出成形法に用いられる有機バインダであって、ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物が前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱溶融され、前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に加熱溶融された前記混合物が投入されて生成された粒状中間体が乾燥されて形成された平均粒径が１００μｍ以下の粉体である。
【００１２】
上記「撹拌された水」における水には、超純水、蒸留水等以外の水溶性成分を含有する水も含まれる。
上記「乱流」とは、撹拌レイノルズ数が４０００以上の場合をいう。
上記「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置により測定した長さ平均径である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、焼結体製品における気泡およびクラックの発生を防止することができる有機バインダおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は有機バインダの製造工程の概略図である。
【図２】図２は焼結体製品の製造工程のフローチャートである。
【図３】図３は実施例１により調整された有機バインダの拡大画像である。
【図４】図４は実施例２により調整された有機バインダの拡大画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は有機バインダの製造工程の概略図である。
本発明に係る「有機バインダ」とは、粉末射出成形法（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）において金属、セラミックスまたはサーメットの粉末に混合されてこれらの粉末を射出成形可能とするものである。
有機バインダは、成分ａ、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄを原料として得られる。
【００１６】
以下に、成分ａ、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄについて説明する。
成分ａは、ビカット軟化点が８０℃未満の熱可塑性の水溶性高分子が使用される。
成分ａとして、具体的にはポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の多価アルコールおよびポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等のポリエーテルのうち１種以上が使用され、ポリエチレングリコール及びポリエチレンオキサイドが好適である。
【００１７】
成分ｂは、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性の熱可塑性高分子が使用される。成分ｂとして、具体的にはポリアセタール、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリオキシメチレン、ポリブテン１（１−ブテン重合体）、ポリスチレン、スチレン−メタクリレート共重合体、シクロオレフィン系共重合体から選ばれる１種以上を用いることができる。金属粉末等と混合した成形用原料の射出成形時の流動性、剛性および射出成形後の脱脂時の分解性を考慮するとポリプロピレンポリオキシメチレン、スチレン−メタクリレート、ポリスチレンから選ばれる１種以上の樹脂が好適である。
【００１８】
成分ｃは、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下である非水溶性有機化合物が用いられる。具体的には脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、高級脂肪酸、フタル酸エステル、アジピン酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックスから選ばれる１種以上を用いることができる。
【００１９】
成分ｄは、ビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性高分子が用いられる。具体的には低密度ポリエチレン、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂、エチルメタクリレート樹脂、ブチルメタクリレート樹脂、エチレングリシジルメタクリレート共重合体、エチレン・アクリル酸・無水マレイン酸共重合体、無水マレイン酸グラフトポリオレフィン樹脂、エチレン・ビニルアセテート・無水マレイン酸共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体から選ばれる１種以上からなる樹脂を用いることができる。
【００２０】
有機バインダは、次のようにして製造される。
図１を参照して、初めに、成分ａ、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄのそれぞれ所定量が混合機１内に投入される。所定量とは、成分ａが５０〜８０ｖｏｌ％、成分ｂが５〜３５ｖｏｌ％、成分ｃが１０〜４０ｖｏｌ％および成分ｄが５〜２０ｖｏｌ％の範囲であることをいう。
【００２１】
混合機１には、例えばＶ型混合機等の粉体混合用の装置が使用される。混合機１による混合操作は、成分ａ〜ｄのいずれかが偏在することなく栓体に略均一になるまで行われる（図１（ａ）、混合工程）。
混合機１により混合された成分ａ〜ｄの混合物（以下「混合中間体」という）は、１００℃以上の温度に制御された２軸押出機２に供給され、２軸押出機２により溶融した混合中間体は、ストランドダイ（ノズルヘッド）１１からひも状に押し出される（図１（ｂ）、溶融工程）。
【００２２】
ひも状に押し出された混合中間体は、所定の温度に制御され撹拌翼１２により撹拌された撹拌槽３中の水（温水）に投入される。撹拌槽３内では、投入された混合中間体から水溶性の成分ａが水中に溶出する。成分ａ〜ｄは均一に溶融（分散）しているので、成分ａの水への溶出にともなって水に不溶な成分ｂ〜ｃの混合物は、細かい粒子（以下「粒状中間体」という）となって温水中に分散する（図１（ｃ）、粒状化工程）。
【００２３】
制御温度である「所定の温度」は、成分ｃの融点よりも低い温度である。
なお、撹拌槽３内の水の量は、例えば２軸押出機２により押し出される混合中間体５０ｋｇに対して２００Ｌが使用される。
混合中間体の全量が撹拌槽３内に投入された後にも、撹拌翼１２による撹拌が継続され、粒状中間体は水に分散した状態で加圧濾過装置（フィルタープレス）４に供給され、脱水される（図１（ｄ）、脱水工程）。
【００２４】
脱水された粒状中間体は、トレイ１３に移された後真空乾燥機５内に入れられ、乾燥されて、微細な粒子の有機バインダとなる（図１（ｅ）、乾燥工程）。
次に、上記のようにして得られた有機バインダを用いた焼結体製品の製造工程について説明する。
図２は焼結体製品の製造工程のフローチャートである。
【００２５】
初めに、有機バインダおよび粉末の焼結材料（以下「焼結用粉末」という）が混合機に投入され均一に混合される（＃１）。混合機には、Ｖ型混合機等の粉体混合用の装置が使用される。有機バインダおよび焼結材料を均一に混合するのに要する時間は、混合機の大きさ、有機バインダおよび焼結材料の投入量等により異なるので、事前に混合時間と混合の程度との関係を求めて混合時間が決定される。
【００２６】
均一に混合された有機バインダと焼結用粉末との混合物は、例えば１００℃以上の一定温度に制御されたバッチ式の混練機または押出機のような連続式の混練機によって、射出成形に便利な粒状（ペレット状）に造粒される（＃２）。造粒された有機バインダと焼結材料との混合物を「成形用原料（またはフィードストック）」という。混練および造粒を一連に行なう押出機を使用しない場合には、バッチ式の混練機で均一に混練された有機バインダと焼結用粉末との混合物は、造粒専用機で造粒される。
【００２７】
造粒により一定の大きさに揃えられた粒状（ペレット状）の成形用原料は、射出成形機によって成形体に成形される（＃３）。
成形体は、密閉された脱脂炉内に収容され、窒素雰囲気下で常温から徐々に温度を上げて脱脂される（＃４）。脱脂の処理温度は、例えば５０〜６００℃である。昇温しての脱脂の前に、溶剤により成分ｃを抽出除去してもよい。
【００２８】
脱脂された成形体は、自然冷却または強制冷却され、焼結炉に移される。成形体は、アルゴン雰囲気下で常温から１０００℃以上まで昇温される焼結炉内おいて焼結され（＃５）、自然冷却または強制冷却された後に焼結体製品として焼結炉から取り出される。
焼結処理は、粉末の焼結特性に併せて８００〜１５００℃またはこれ以上の温度で行われる。
【００２９】
なお、脱脂処理と焼結処理とを１つの加熱炉で行うことができ、成形体を自動搬送できるプッシャー式、ウォーキングビーム式搬送機を備えた脱脂炉、焼結炉を用いることで、連続的に成形体の脱脂、焼成を行うことができる。
次に、焼結体製品に与える有機バインダ調整時における成分ａ〜ｄの影響について説明する。表１は有機バインダ製造時の種々の成分ａ〜ｄの使用割合を、表２は種々の成分ａ〜ｄの使用割合で製造された有機バインダの形状およびこれを用いた焼結体製品製造過程等の評価を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
表１に示される成分ａ〜ｄの組合せによる有機バインダの製造は、以下のように行った。
成分ａ〜ｄのいずれかに属する個別原料を総重量が５０ｋｇとなるようにＶ型混合機に投入して略均一に混合する。
ここで、表１の成分ｂにおけるポリオキシメチレン（ポリプラスチックス株式会社、ジュラコン（登録商標））のビカット軟化点は１５５℃、ポリスチレン（ＤＩＣ株式会社、ディックスチレン（登録商標）、ＣＲ−３５００）のビカット軟化点は９２℃、およびポリプロピレン（住友化学株式会社、住友ノーブレン（登録商標）、Ｚ１４４）のビカット軟化点は１２５℃である。
【００３３】
成分ｃにおけるパラフィンワックス（日本製鑞（株）、Ｆ１４０の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、ポリプロピレンワックス（三洋化成工業（株）、ビスコール（登録商標）、６６０−Ｐ）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、フタル酸エステル（試薬、ジブチルフタレート）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、ステアリン酸（試薬）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、およびカルナバワックス（東亞合成株式会社、精製カルナバワックス）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下である。
【００３４】
成分ｄにおけるエチレングリシジルメタクリレート共重合体（住友化学株式会社、ボンドファースト（登録商標））のビカット軟化点は９０℃未満、ポリビニルブチラール（試薬）のビカット軟化点は１００℃未満、アモルファスポリオレフィン（商品名ＡＰＡＯ Ｒｅｘｔａｃ）のビカット軟化点は８０℃未満、ポリブチルメタクリレート（共栄社化学株式会社、１７００）のビカット軟化点は９０℃未満、低密度ポリエチレン（住友化学株式会社、スミカセン（登録商標）、Ｇ８０６）のビカット軟化点は１００℃未満、およびエチレン・ビニルアセテート（東ソー株式会社、ウルトラセン（登録商標）、６３３）のビカット軟化点は７０℃未満である。
【００３５】
続いて、混合された混合中間体を１４０℃に温度制御された２軸押出機により溶融し、ストランドダイから押し出された混合中間体を４０℃に温度調節され撹拌される温水２００Ｌを収容する撹拌槽内に直接投入する。撹拌槽における撹拌翼および回転数は、混合中間体の全量（４０ｋｇ）が温水中に投入され分散されたときにも分散液の流動が層流と乱流との遷移域以上とするのが好ましく、乱流であることがより好ましい。なお、層流および乱流は、撹拌翼の形態、回転数、および流体の密度、粘度から計算される撹拌レイノルズ数により求められる。ここでは、乱流を撹拌レイノルズ数が４０００以上の場合と規定する。
【００３６】
温水（水）に分散された粒状中間体をフィルタープレスによって脱水し、真空乾燥機で乾燥して有機バインダを得た。
表２に示された有機バインダの形状は、フィルタープレスによる脱水前の水に分散された状態を顕微鏡で拡大しイメージセンサ（ＣＣＤ）で検出してディスプレイに表示させた画像を観察したものである（図３，４参照）。
【００３７】
表２に示された有機バインダの平均粒径は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置により測定した長さ平均径である。以下、有機バインダについての「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置により測定した長さ平均径をいう。
また、表２に示された焼結体製品を得るまでの処理は、次のように行った。
【００３８】
焼結用粉末として平均粒径１０μｍのＳＵＳ３１６Ｌ粉末または比表面積１１．２ｍ２／ｇのジルコニア粉末を使用し、Ｖ型混合機により表１に示された有機バインダと混合した。
このような焼結用粉末と有機バインダとの混合物を、成分ｂのビカット軟化点に応じて一定温度（例えば実施例１では１７０℃、実施例２では１５０℃）に制御されたバッチ式の混練機により混練し、造粒機により直径略３ｍｍおよび長さ略３ｍｍのペレット化された成形用原料を得た。
【００３９】
得られた成形用原料は、厚さ５ｍｍ、長さ５０ｍｍおよび幅１０ｍｍの矩形状の成形体金型を用いて射出成形され、成形体を窒素雰囲気下で常温から５００℃まで１２時間かけて昇温し、５００℃で２時間保持の後常温まで冷却して脱脂を行った。
焼結は、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末を使用した場合には、脱脂した成形体を焼結炉内でアルゴン雰囲気下常温から１３５０℃までを８時間で昇温し、２時間保持した後に常温まで冷却して行った。また、ジルコニア粉末を使用した場合には、焼結は、脱脂した成形体を焼結炉内で空気雰囲気下常温から１６００℃までを１２時間で昇温し、２時間保持した後に常温まで冷却して行った。
【００４０】
表２における成形体の内部欠陥、脱脂品の内部欠陥および焼結体製品の内部欠陥は、それぞれ成形体を２分割等することにより目視で判断した。焼結体製品の密度は、乾式自動密度計（アキュピック、島津製作所製）を用いてヘリウムガス置換により測定した。焼結体製品の密度は、９４％以上の場合を適切と判断した。
表１および表２から、成分ａが５５ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下、成分ｂが６ｖｏｌ％以上１３ｖｏｌ％以下、成分ｃが１３ｖｏｌ％以上２３ｖｏｌ％以下、および成分ｄが６ｖｏｌ％以上１３ｖｏｌ％以下で製造した有機バインダを使用して焼結した焼結体製品が、気泡およびクラック等の内部欠陥を有しないことが判る。
【００４１】
これまで、粉末射出成形法は、有機バインダの凝集により発生する膨れ、マイクロポア（気泡）等の欠陥が問題となっていた。しかし、上記の割合で成分ａ〜ｄを混合して調整した有機バインダは、粒径が１００μｍ以下となる（表２参照）ことから、脱脂工程および焼結工程において欠陥を生じることがなく、健全な焼結体製品を製造することができる。
【００４２】
図３は実施例１により調整された有機バインダの拡大画像、図４は実施例２により調整された有機バインダの拡大画像である。図３および図４からは、得られた有機バインダが球形であることが観察される。
なお、実施例１の有機バインダに残留するポリエチレングリコールの量は、０．７重量％、実施例２の有機バインダに残留するポリエチレングリコールの量は、０．８重量％であった。有機バインダに残留するポリエチレングリコールの量の測定は、ＴＧ−ＤＴＡ（島津製作所製）および乾式自動密度計（島津製作所製、アキュピック）を用いた。
【００４３】
有機バインダは、成分ａを５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、成分ｂを５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、成分ｃを１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および成分ｄを５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で混合して製造するのが好ましい。
成分ａを８０ｖｏｌ％よりも多く使用した場合には、脱水が不完全となり、乾燥時間が長くなる。８０ｖｏｌ％を超える成分ａの使用は、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄからなる分散粒子が再凝集して粒径が１００μｍを超えるのものが多くなり、所望する平均粒径１００μｍ以下の有機バインダを安定して得ることが困難になる。
【００４４】
また、成分ａが５０ｖｏｌ％未満の場合、粒状化工程において成分ａが温水に溶出することによる生ずる成分ｂ〜ｄの混合物の分散が円滑に行われず、微細な粒子（粒状中間体）を得ることができない。
上述したように、成分ａの使用量は５５ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下が好適であり、さらに成分ａの使用量が６０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の条件において、粒径が１００μｍ以下の有機バインダを得るために最適である。
【００４５】
成分ｂを５ｖｏｌ％未満使用して製造した有機バインダは、これを使用して得られた射出成形体（成形体）の強度が低くなる。成分ｂを３５ｖｏｌ％よりも多く使用した場合には、射出成形体（成形体）の脱脂がスムーズに行われず、脱脂不完全に起因する割れおよび膨れが成形体内部に発生しやすくなる。
混合工程で使用される成分ｃが１０ｖｏｌ％未満の場合には、得られた有機バインダが混合された成形用原料の射出成形時の流動性が悪くなり、成形体に割れおよびクラックが生じやすくなる。また成分ｃの使用量が４０ｖｏｌ％よりも多い場合には、射出成形時において成形体にバリが発生しやすくなり、成形体の強度が低下する恐れがある。また、脱脂処理の際に変形が生じやすい。
【００４６】
使用される成分ｄが５ｖｏｌ％未満の場合には、得られた有機バインダが混合された成形用原料の射出成形時の流動性が悪くなり、成形体の柔軟性が損なわれ、成形体に割れおよびクラックが生じやすくなる。また成分ｄの使用量が２０ｖｏｌ％よりも多い場合には、射出成形時において成形体にバリが発生しやすくなり、成形体の強度が低下する恐れがある。また、脱脂処理の際に変形が生じやすい。
【００４７】
平均粒径が１００μｍ以下の実施例１〜８における有機バインダは、以下のような効果も奏する。例えば、従来の有機バインダでは、バッチ式の混練機で１０ｋｇ程度の焼結用粉末との混練物を得るために２時間程度の混練時間を要していた。これに対して、平均粒径が１００μｍ以下の有機バインダを使用した場合には、混練時間を３０分以下に短縮することができる。
【００４８】
有機バインダと混合される焼結用粉末の材料は、金属、セラミックス、サーメットである。
金属には、ステンレス、鉄系材料、チタン、銅、ニッケル合金、クロム合金およびタングステン合金等が使用される。金属の粉末の平均粒径は１〜３０μｍが好ましい。金属の粉末の平均粒径が１μｍ以下になると、成形に必要な有機バインダの量が多くなるため、脱脂時に変形、割れおよび膨れ等の欠陥が生じやすい。また、金属の粉末の平均粒径が３０μｍ以上になると、成形時に粉末と有機バインダとが分離しやすく、焼結後の密度が低くなり、得られた焼結体製品の強度も低下する。なお、焼結用粉末の平均粒径は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置を用いて測定した重量累積５０％の平均径である。
【００４９】
焼結可能なセラミックス粉末としては、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスが挙げられる。
酸化物セラミックスとしてアルミナ粉末、ジルコニア粉末が挙げられ、窒化物セラミックスとして窒化珪素、窒化アルミが挙げられる。
炭化物セラミックスとしては炭化珪素が挙げられる。
【００５０】
上記したセラミックス以外にもサイアロン、または上記セラミックスの１種以上の複合材料が挙げられる。また、これら粉末を用いた際の焼結密度、焼結後の強度等を向上させる目的で、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化セリウム等の粉末を適宜添加しても良い。
焼結体製品の製造に用いられるセラミックス粉末の平均粒径は、１μｍ以下が焼結密度を向上させるために最適である。
【００５１】
焼結可能なサーメット粉末としては、炭化タングステン粉末にコバルト、ニッケル等を添加した材料、または窒化チタン、炭化チタン粉末にコバルト、ニッケル等を添加した材料が用いられる。コバルト、ニッケル等の使用量は、目的とする焼結体製品の強度、焼結密度によって適宜調節することができる。炭化タングステン、窒化チタン、炭化チタン粉末の平均粒径は、５μｍ以下が焼結体製品の強度および焼結密度を向上させるために最適である。添加するコバルト、ニッケル等の材料の平均粒径は焼結体製品の焼結密度向上のために１０μｍ以下が最適である。
【００５２】
上述の実施形態において、混合工程１、溶融工程、粒状化工程、脱水工程および乾燥工程に使用される装置を、同様の機能を有する他の方式によるものとしてもよい。
その他、成分ａ〜ｄとして使用される原料等は、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、粉末射出成形法（ＭＩＭ）に用いられる有機バインダおよびその製造方法に利用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末射出成形法（ＭＩＭ）に用いられる有機バインダおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複雑な形状のセラミックスおよび金属製品を成形するために、粉末射出成形法が利用されている。この粉末射出成形法は、焼結可能な粉末に流動性を持たせるために種々の有機化合物および熱可塑性樹脂を添加し、加熱混練の後、これを成形用原料として射出成形し、得られた成形体を脱脂、焼結することにより、焼結体製品を製造する。
そして、従来用いられている流動性を有する成形用原料は、例えば金属粉末に、比較的融点の高い熱可塑性樹脂およびこれよりも低い融点を有するワックス等の有機バインダが加えられたものである。そして、成形用原料は、焼結用粉末および有機バインダを有機バインダの融点以上に加温しながら混練機により均一に混練することにより得られる。
【０００３】
しかしながら、有機バインダとして用いられる熱可塑性樹脂は、一般に５ｍｍ程度の円筒形状のペレットとして供給されるため、平均粒径が１０μｍ以下の金属粉末等と大きさが極端に異なる。また、熱可塑性樹脂は、同時に使用されるワックス等に比べて混練時の粘度が高い。これらのことから、金属粉末等を、混練機によって熱可塑性樹脂およびワックス等に均一に分散させることが容易でなく、混練作業に長時間を要するという問題があった。
【０００４】
そこの問題を解決するために、特許文献１には、ペレットで入手された熱可塑性樹脂を事前に粉砕した後に、金属粉末と混練する技術が提案されている。
しかし、特許文献１に提案された熱可塑性樹脂を事前に粉砕する方法では、混練後の分散物が塊状になり、後工程の取り扱いの便宜のために粉砕工程が必要となることが特許文献２に指摘されている（特許文献２）。また、特許文献２には、有機バインダとして、熱可塑性樹脂等の有機化合物の粉末とフタル酸系の可塑剤等の液体状有機化合物との混合物を使用し、これらを焼結可能な粉体とともに加熱混合する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６９５０４号
【特許文献２】特開２００１−３０３１０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
有機化合物の粉末と液体状有機化合物とを有機バインダとする特許文献２に開示された技術は、金属粉末等と混合有機バインダとの加熱混合の際に、未溶融の粉末有機化合物がブロック化し易く、ブロック化した粉末有機化合物の周りを金属粉末等が取り囲むことによって、脱脂後の成形体内に数十ミクロンの気泡および気泡に起因するクラックが含まれるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、焼結体製品における気泡およびクラックの発生を防止することができる有機バインダおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る製造方法は、粉末射出成形法に用いられる有機バインダの製造方法であって、ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物を前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱して溶融し、溶融した前記混合物を前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に投入して粒状中間体を生成させ、前記粒状中間体を乾燥して粉体とするものである。
【０００９】
前記製造方法では、溶融した前記混合物を投入する水の撹拌条件を乱流とすることにより生成させる前記粒状中間体の平均粒径を１００μｍ以下とする。
前記成分ｂは、ポリアセタール、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブテン１、シクロオレフィン系共重合体およびスチレン−メタクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる。
【００１０】
前記成分ｃは、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックスおよび無水マレイン酸変性ワックスより選ばれる一種以上からなる。
前記成分ｄは、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂、エチルメタクリレート樹脂、ブチルメタクリレート樹脂、エチレングリシジルメタクリレート共重合体、エチレン・アクリル酸・無水マレイン酸共重合体、無水マレイン酸グラフトポリオレフィン樹脂、エチレン・ビニルアセテート・無水マレイン酸共重合体およびエチレン・エチルアクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる。
【００１１】
本発明に係る有機バインダは、粉末射出成形法に用いられる有機バインダであって、ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物が前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱溶融され、前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に加熱溶融された前記混合物が投入されて生成された粒状中間体が乾燥されて形成された平均粒径が１００μｍ以下の粉体である。
【００１２】
上記「撹拌された水」における水には、超純水、蒸留水等以外の水溶性成分を含有する水も含まれる。
上記「乱流」とは、撹拌レイノルズ数が４０００以上の場合をいう。
上記「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置により測定した長さ平均径である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、焼結体製品における気泡およびクラックの発生を防止することができる有機バインダおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は有機バインダの製造工程の概略図である。
【図２】図２は焼結体製品の製造工程のフローチャートである。
【図３】図３は実施例１により調整された有機バインダの拡大画像である。
【図４】図４は実施例２により調整された有機バインダの拡大画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は有機バインダの製造工程の概略図である。
本発明に係る「有機バインダ」とは、粉末射出成形法（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）において金属、セラミックスまたはサーメットの粉末に混合されてこれらの粉末を射出成形可能とするものである。
有機バインダは、成分ａ、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄを原料として得られる。
【００１６】
以下に、成分ａ、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄについて説明する。
成分ａは、ビカット軟化点が８０℃未満の熱可塑性の水溶性高分子が使用される。
成分ａとして、具体的にはポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の多価アルコールおよびポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等のポリエーテルのうち１種以上が使用され、ポリエチレングリコール及びポリエチレンオキサイドが好適である。
【００１７】
成分ｂは、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性の熱可塑性高分子が使用される。成分ｂとして、具体的にはポリアセタール、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリオキシメチレン、ポリブテン１（１−ブテン重合体）、ポリスチレン、スチレン−メタクリレート共重合体、シクロオレフィン系共重合体から選ばれる１種以上を用いることができる。金属粉末等と混合した成形用原料の射出成形時の流動性、剛性および射出成形後の脱脂時の分解性を考慮するとポリプロピレンポリオキシメチレン、スチレン−メタクリレート、ポリスチレンから選ばれる１種以上の樹脂が好適である。
【００１８】
成分ｃは、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下である非水溶性有機化合物が用いられる。具体的には脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、高級脂肪酸、フタル酸エステル、アジピン酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックスから選ばれる１種以上を用いることができる。
【００１９】
成分ｄは、ビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性高分子が用いられる。具体的には低密度ポリエチレン、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂、エチルメタクリレート樹脂、ブチルメタクリレート樹脂、エチレングリシジルメタクリレート共重合体、エチレン・アクリル酸・無水マレイン酸共重合体、無水マレイン酸グラフトポリオレフィン樹脂、エチレン・ビニルアセテート・無水マレイン酸共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体から選ばれる１種以上からなる樹脂を用いることができる。
【００２０】
有機バインダは、次のようにして製造される。
図１を参照して、初めに、成分ａ、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄのそれぞれ所定量が混合機１内に投入される。所定量とは、成分ａが５０〜８０ｖｏｌ％、成分ｂが５〜３５ｖｏｌ％、成分ｃが１０〜４０ｖｏｌ％および成分ｄが５〜２０ｖｏｌ％の範囲であることをいう。
【００２１】
混合機１には、例えばＶ型混合機等の粉体混合用の装置が使用される。混合機１による混合操作は、成分ａ〜ｄのいずれかが偏在することなく栓体に略均一になるまで行われる（図１（ａ）、混合工程）。
混合機１により混合された成分ａ〜ｄの混合物（以下「混合中間体」という）は、１００℃以上の温度に制御された２軸押出機２に供給され、２軸押出機２により溶融した混合中間体は、ストランドダイ（ノズルヘッド）１１からひも状に押し出される（図１（ｂ）、溶融工程）。
【００２２】
ひも状に押し出された混合中間体は、所定の温度に制御され撹拌翼１２により撹拌された撹拌槽３中の水（温水）に投入される。撹拌槽３内では、投入された混合中間体から水溶性の成分ａが水中に溶出する。成分ａ〜ｄは均一に溶融（分散）しているので、成分ａの水への溶出にともなって水に不溶な成分ｂ〜ｃの混合物は、細かい粒子（以下「粒状中間体」という）となって温水中に分散する（図１（ｃ）、粒状化工程）。
【００２３】
制御温度である「所定の温度」は、成分ｃの融点よりも低い温度である。
なお、撹拌槽３内の水の量は、例えば２軸押出機２により押し出される混合中間体５０ｋｇに対して２００Ｌが使用される。
混合中間体の全量が撹拌槽３内に投入された後にも、撹拌翼１２による撹拌が継続され、粒状中間体は水に分散した状態で加圧濾過装置（フィルタープレス）４に供給され、脱水される（図１（ｄ）、脱水工程）。
【００２４】
脱水された粒状中間体は、トレイ１３に移された後真空乾燥機５内に入れられ、乾燥されて、微細な粒子の有機バインダとなる（図１（ｅ）、乾燥工程）。
次に、上記のようにして得られた有機バインダを用いた焼結体製品の製造工程について説明する。
図２は焼結体製品の製造工程のフローチャートである。
【００２５】
初めに、有機バインダおよび粉末の焼結材料（以下「焼結用粉末」という）が混合機に投入され均一に混合される（＃１）。混合機には、Ｖ型混合機等の粉体混合用の装置が使用される。有機バインダおよび焼結材料を均一に混合するのに要する時間は、混合機の大きさ、有機バインダおよび焼結材料の投入量等により異なるので、事前に混合時間と混合の程度との関係を求めて混合時間が決定される。
【００２６】
均一に混合された有機バインダと焼結用粉末との混合物は、例えば１００℃以上の一定温度に制御されたバッチ式の混練機または押出機のような連続式の混練機によって、射出成形に便利な粒状（ペレット状）に造粒される（＃２）。造粒された有機バインダと焼結材料との混合物を「成形用原料（またはフィードストック）」という。混練および造粒を一連に行なう押出機を使用しない場合には、バッチ式の混練機で均一に混練された有機バインダと焼結用粉末との混合物は、造粒専用機で造粒される。
【００２７】
造粒により一定の大きさに揃えられた粒状（ペレット状）の成形用原料は、射出成形機によって成形体に成形される（＃３）。
成形体は、密閉された脱脂炉内に収容され、窒素雰囲気下で常温から徐々に温度を上げて脱脂される（＃４）。脱脂の処理温度は、例えば５０〜６００℃である。昇温しての脱脂の前に、溶剤により成分ｃを抽出除去してもよい。
【００２８】
脱脂された成形体は、自然冷却または強制冷却され、焼結炉に移される。成形体は、アルゴン雰囲気下で常温から１０００℃以上まで昇温される焼結炉内おいて焼結され（＃５）、自然冷却または強制冷却された後に焼結体製品として焼結炉から取り出される。
焼結処理は、粉末の焼結特性に併せて８００〜１５００℃またはこれ以上の温度で行われる。
【００２９】
なお、脱脂処理と焼結処理とを１つの加熱炉で行うことができ、成形体を自動搬送できるプッシャー式、ウォーキングビーム式搬送機を備えた脱脂炉、焼結炉を用いることで、連続的に成形体の脱脂、焼成を行うことができる。
次に、焼結体製品に与える有機バインダ調整時における成分ａ〜ｄの影響について説明する。表１は有機バインダ製造時の種々の成分ａ〜ｄの使用割合を、表２は種々の成分ａ〜ｄの使用割合で製造された有機バインダの形状およびこれを用いた焼結体製品製造過程等の評価を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
表１に示される成分ａ〜ｄの組合せによる有機バインダの製造は、以下のように行った。
成分ａ〜ｄのいずれかに属する個別原料を総重量が５０ｋｇとなるようにＶ型混合機に投入して略均一に混合する。
ここで、表１の成分ｂにおけるポリオキシメチレン（ポリプラスチックス株式会社、ジュラコン（登録商標））のビカット軟化点は１５５℃、ポリスチレン（ＤＩＣ株式会社、ディックスチレン（登録商標）、ＣＲ−３５００）のビカット軟化点は９２℃、およびポリプロピレン（住友化学株式会社、住友ノーブレン（登録商標）、Ｚ１４４）のビカット軟化点は１２５℃である。
【００３３】
成分ｃにおけるパラフィンワックス（日本製鑞（株）、Ｆ１４０の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、ポリプロピレンワックス（三洋化成工業（株）、ビスコール（登録商標）、６６０−Ｐ）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、フタル酸エステル（試薬、ジブチルフタレート）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、ステアリン酸（試薬）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下、およびカルナバワックス（東亞合成株式会社、精製カルナバワックス）の粘度は１５０℃で１００ｍＰａ・ｓ以下である。
【００３４】
成分ｄにおけるエチレングリシジルメタクリレート共重合体（住友化学株式会社、ボンドファースト（登録商標））のビカット軟化点は９０℃未満、ポリビニルブチラール（試薬）のビカット軟化点は１００℃未満、アモルファスポリオレフィン（商品名ＡＰＡＯ Ｒｅｘｔａｃ）のビカット軟化点は８０℃未満、ポリブチルメタクリレート（共栄社化学株式会社、１７００）のビカット軟化点は９０℃未満、低密度ポリエチレン（住友化学株式会社、スミカセン（登録商標）、Ｇ８０６）のビカット軟化点は１００℃未満、およびエチレン・ビニルアセテート（東ソー株式会社、ウルトラセン（登録商標）、６３３）のビカット軟化点は７０℃未満である。
【００３５】
続いて、混合された混合中間体を１４０℃に温度制御された２軸押出機により溶融し、ストランドダイから押し出された混合中間体を４０℃に温度調節され撹拌される温水２００Ｌを収容する撹拌槽内に直接投入する。撹拌槽における撹拌翼および回転数は、混合中間体の全量（４０ｋｇ）が温水中に投入され分散されたときにも分散液の流動が層流と乱流との遷移域以上とするのが好ましく、乱流であることがより好ましい。なお、層流および乱流は、撹拌翼の形態、回転数、および流体の密度、粘度から計算される撹拌レイノルズ数により求められる。ここでは、乱流を撹拌レイノルズ数が４０００以上の場合と規定する。
【００３６】
温水（水）に分散された粒状中間体をフィルタープレスによって脱水し、真空乾燥機で乾燥して有機バインダを得た。
表２に示された有機バインダの形状は、フィルタープレスによる脱水前の水に分散された状態を顕微鏡で拡大しイメージセンサ（ＣＣＤ）で検出してディスプレイに表示させた画像を観察したものである（図３，４参照）。
【００３７】
表２に示された有機バインダの平均粒径は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置により測定した長さ平均径である。以下、有機バインダについての「平均粒径」は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置により測定した長さ平均径をいう。
また、表２に示された焼結体製品を得るまでの処理は、次のように行った。
【００３８】
焼結用粉末として平均粒径１０μｍのＳＵＳ３１６Ｌ粉末または比表面積１１．２ｍ２／ｇのジルコニア粉末を使用し、Ｖ型混合機により表１に示された有機バインダと混合した。
このような焼結用粉末と有機バインダとの混合物を、成分ｂのビカット軟化点に応じて一定温度（例えば実施例１では１７０℃、実施例２では１５０℃）に制御されたバッチ式の混練機により混練し、造粒機により直径略３ｍｍおよび長さ略３ｍｍのペレット化された成形用原料を得た。
【００３９】
得られた成形用原料は、厚さ５ｍｍ、長さ５０ｍｍおよび幅１０ｍｍの矩形状の成形体金型を用いて射出成形され、成形体を窒素雰囲気下で常温から５００℃まで１２時間かけて昇温し、５００℃で２時間保持の後常温まで冷却して脱脂を行った。
焼結は、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末を使用した場合には、脱脂した成形体を焼結炉内でアルゴン雰囲気下常温から１３５０℃までを８時間で昇温し、２時間保持した後に常温まで冷却して行った。また、ジルコニア粉末を使用した場合には、焼結は、脱脂した成形体を焼結炉内で空気雰囲気下常温から１６００℃までを１２時間で昇温し、２時間保持した後に常温まで冷却して行った。
【００４０】
表２における成形体の内部欠陥、脱脂品の内部欠陥および焼結体製品の内部欠陥は、それぞれ成形体を２分割等することにより目視で判断した。焼結体製品の密度は、乾式自動密度計（アキュピック、島津製作所製）を用いてヘリウムガス置換により測定した。焼結体製品の密度は、９４％以上の場合を適切と判断した。
表１および表２から、成分ａが５５ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下、成分ｂが６ｖｏｌ％以上１３ｖｏｌ％以下、成分ｃが１３ｖｏｌ％以上２３ｖｏｌ％以下、および成分ｄが６ｖｏｌ％以上１３ｖｏｌ％以下で製造した有機バインダを使用して焼結した焼結体製品が、気泡およびクラック等の内部欠陥を有しないことが判る。
【００４１】
これまで、粉末射出成形法は、有機バインダの凝集により発生する膨れ、マイクロポア（気泡）等の欠陥が問題となっていた。しかし、上記の割合で成分ａ〜ｄを混合して調整した有機バインダは、粒径が１００μｍ以下となる（表２参照）ことから、脱脂工程および焼結工程において欠陥を生じることがなく、健全な焼結体製品を製造することができる。
【００４２】
図３は実施例１により調整された有機バインダの拡大画像、図４は実施例２により調整された有機バインダの拡大画像である。図３および図４からは、得られた有機バインダが球形であることが観察される。
なお、実施例１の有機バインダに残留するポリエチレングリコールの量は、０．７重量％、実施例２の有機バインダに残留するポリエチレングリコールの量は、０．８重量％であった。有機バインダに残留するポリエチレングリコールの量の測定は、ＴＧ−ＤＴＡ（島津製作所製）および乾式自動密度計（島津製作所製、アキュピック）を用いた。
【００４３】
有機バインダは、成分ａを５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、成分ｂを５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、成分ｃを１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および成分ｄを５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で混合して製造するのが好ましい。
成分ａを８０ｖｏｌ％よりも多く使用した場合には、脱水が不完全となり、乾燥時間が長くなる。８０ｖｏｌ％を超える成分ａの使用は、成分ｂ、成分ｃおよび成分ｄからなる分散粒子が再凝集して粒径が１００μｍを超えるのものが多くなり、所望する平均粒径１００μｍ以下の有機バインダを安定して得ることが困難になる。
【００４４】
また、成分ａが５０ｖｏｌ％未満の場合、粒状化工程において成分ａが温水に溶出することによる生ずる成分ｂ〜ｄの混合物の分散が円滑に行われず、微細な粒子（粒状中間体）を得ることができない。
上述したように、成分ａの使用量は５５ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下が好適であり、さらに成分ａの使用量が６０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下の条件において、粒径が１００μｍ以下の有機バインダを得るために最適である。
【００４５】
成分ｂを５ｖｏｌ％未満使用して製造した有機バインダは、これを使用して得られた射出成形体（成形体）の強度が低くなる。成分ｂを３５ｖｏｌ％よりも多く使用した場合には、射出成形体（成形体）の脱脂がスムーズに行われず、脱脂不完全に起因する割れおよび膨れが成形体内部に発生しやすくなる。
混合工程で使用される成分ｃが１０ｖｏｌ％未満の場合には、得られた有機バインダが混合された成形用原料の射出成形時の流動性が悪くなり、成形体に割れおよびクラックが生じやすくなる。また成分ｃの使用量が４０ｖｏｌ％よりも多い場合には、射出成形時において成形体にバリが発生しやすくなり、成形体の強度が低下する恐れがある。また、脱脂処理の際に変形が生じやすい。
【００４６】
使用される成分ｄが５ｖｏｌ％未満の場合には、得られた有機バインダが混合された成形用原料の射出成形時の流動性が悪くなり、成形体の柔軟性が損なわれ、成形体に割れおよびクラックが生じやすくなる。また成分ｄの使用量が２０ｖｏｌ％よりも多い場合には、射出成形時において成形体にバリが発生しやすくなり、成形体の強度が低下する恐れがある。また、脱脂処理の際に変形が生じやすい。
【００４７】
平均粒径が１００μｍ以下の実施例１〜８における有機バインダは、以下のような効果も奏する。例えば、従来の有機バインダでは、バッチ式の混練機で１０ｋｇ程度の焼結用粉末との混練物を得るために２時間程度の混練時間を要していた。これに対して、平均粒径が１００μｍ以下の有機バインダを使用した場合には、混練時間を３０分以下に短縮することができる。
【００４８】
有機バインダと混合される焼結用粉末の材料は、金属、セラミックス、サーメットである。
金属には、ステンレス、鉄系材料、チタン、銅、ニッケル合金、クロム合金およびタングステン合金等が使用される。金属の粉末の平均粒径は１〜３０μｍが好ましい。金属の粉末の平均粒径が１μｍ以下になると、成形に必要な有機バインダの量が多くなるため、脱脂時に変形、割れおよび膨れ等の欠陥が生じやすい。また、金属の粉末の平均粒径が３０μｍ以上になると、成形時に粉末と有機バインダとが分離しやすく、焼結後の密度が低くなり、得られた焼結体製品の強度も低下する。なお、焼結用粉末の平均粒径は、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置を用いて測定した重量累積５０％の平均径である。
【００４９】
焼結可能なセラミックス粉末としては、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックスが挙げられる。
酸化物セラミックスとしてアルミナ粉末、ジルコニア粉末が挙げられ、窒化物セラミックスとして窒化珪素、窒化アルミが挙げられる。
炭化物セラミックスとしては炭化珪素が挙げられる。
【００５０】
上記したセラミックス以外にもサイアロン、または上記セラミックスの１種以上の複合材料が挙げられる。また、これら粉末を用いた際の焼結密度、焼結後の強度等を向上させる目的で、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化セリウム等の粉末を適宜添加しても良い。
焼結体製品の製造に用いられるセラミックス粉末の平均粒径は、１μｍ以下が焼結密度を向上させるために最適である。
【００５１】
焼結可能なサーメット粉末としては、炭化タングステン粉末にコバルト、ニッケル等を添加した材料、または窒化チタン、炭化チタン粉末にコバルト、ニッケル等を添加した材料が用いられる。コバルト、ニッケル等の使用量は、目的とする焼結体製品の強度、焼結密度によって適宜調節することができる。炭化タングステン、窒化チタン、炭化チタン粉末の平均粒径は、５μｍ以下が焼結体製品の強度および焼結密度を向上させるために最適である。添加するコバルト、ニッケル等の材料の平均粒径は焼結体製品の焼結密度向上のために１０μｍ以下が最適である。
【００５２】
上述の実施形態において、混合工程１、溶融工程、粒状化工程、脱水工程および乾燥工程に使用される装置を、同様の機能を有する他の方式によるものとしてもよい。
その他、成分ａ〜ｄとして使用される原料等は、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、粉末射出成形法（ＭＩＭ）に用いられる有機バインダおよびその製造方法に利用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末射出成形法に用いられる有機バインダの製造方法であって、
ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物を前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱して溶融し、
溶融した前記混合物を前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に投入して粒状中間体を生成させ、
前記粒状中間体を乾燥して粉体とする
ことを特徴とする有機バインダの製造方法。
【請求項２】
溶融した前記混合物を投入する水の撹拌条件を乱流とすることにより生成させる前記粒状中間体の平均粒径を１００μｍ以下とする
請求項１に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項３】
前記成分ｂは、
ポリアセタール、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブテン１、シクロオレフィン系共重合体およびスチレン−メタクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる
請求項１または請求項２に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項４】
前記成分ｃは、
脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックスおよび無水マレイン酸変性ワックスより選ばれる一種以上からなる
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項５】
前記成分ｄは、
アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂、エチルメタクリレート樹脂、ブチルメタクリレート樹脂、エチレングリシジルメタクリレート共重合体、エチレン・アクリル酸・無水マレイン酸共重合体、無水マレイン酸グラフトポリオレフィン樹脂、エチレン・ビニルアセテート・無水マレイン酸共重合体およびエチレン・エチルアクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項６】
粉末射出成形法に用いられる有機バインダであって、
ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物が前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱溶融され、
前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に加熱溶融された前記混合物が投入されて生成された粒状中間体が乾燥されて形成された平均粒径が１００μｍ以下の粉体である
ことを特徴とする有機バインダ。
【請求項１】
粉末射出成形法に用いられる有機バインダの製造方法であって、
ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物を前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱して溶融し、
溶融した前記混合物を前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に投入して粒状中間体を生成させ、
前記粒状中間体を乾燥して粉体とする
ことを特徴とする有機バインダの製造方法。
【請求項２】
溶融した前記混合物を投入する水の撹拌条件を乱流とすることにより生成させる前記粒状中間体の平均粒径を１００μｍ以下とする
請求項１に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項３】
前記成分ｂは、
ポリアセタール、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブテン１、シクロオレフィン系共重合体およびスチレン−メタクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる
請求項１または請求項２に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項４】
前記成分ｃは、
脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックスおよび無水マレイン酸変性ワックスより選ばれる一種以上からなる
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項５】
前記成分ｄは、
アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂、メチルメタクリレート樹脂、エチルメタクリレート樹脂、ブチルメタクリレート樹脂、エチレングリシジルメタクリレート共重合体、エチレン・アクリル酸・無水マレイン酸共重合体、無水マレイン酸グラフトポリオレフィン樹脂、エチレン・ビニルアセテート・無水マレイン酸共重合体およびエチレン・エチルアクリレート共重合体より選ばれる一種以上からなる
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の有機バインダの製造方法。
【請求項６】
粉末射出成形法に用いられる有機バインダであって、
ビカット軟化点が８０℃未満の水溶性高分子である成分ａ、ビカット軟化点が９０℃以上の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｂ、１５０℃における溶融粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下の非水溶性有機化合物である成分ｃ、およびビカット軟化点が１００℃未満の非水溶性熱可塑性高分子である成分ｄがそれぞれ記載順に５０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下、５ｖｏｌ％以上３５ｖｏｌ％以下、１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下、および５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下の割合で含まれる混合物が前記成分ａ〜ｄの全てが溶融する温度まで加熱溶融され、
前記成分ｃの融点未満の温度に調整され撹拌された水の中に加熱溶融された前記混合物が投入されて生成された粒状中間体が乾燥されて形成された平均粒径が１００μｍ以下の粉体である
ことを特徴とする有機バインダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４０５３５（Ｐ２０１１−１４０５３５Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７５５（Ｐ２０１０−７５５）
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【出願人】（５０３１７４９６９）株式会社アテクト (14)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月５日（２０１０．１．５）
【出願人】（５０３１７４９６９）株式会社アテクト (14)
【Ｆターム（参考）】
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