粉末冶金:金属粉末からの精密成形
粉末冶金は、
金属粉末を所定の形状に成形し、高温で
焼結させることで
金属製品を製造する技術です。
陶磁器の製造工程と類似しており、溶解・
鋳造を必要としないため、高
融点金属や複雑な形状の製品製造に適しています。
鋳造法では困難な
合金の製造や、後
加工工程の削減によるコスト低減にも貢献します。
粉末冶金のプロセス
粉末冶金による製品製造は、大きく分けて以下の工程からなります。
1.
粉末調製: 使用する
金属の種類や特性に応じて、適切な
金属粉末を選択します。
鉄系、
銅系、ステンレス系、
チタン系、
タングステン系など、様々な
金属粉末が用いられます。これらの粉末は、噴霧法、
還元法、機械的粉砕、電解、熱分解、急冷凝固などの方法によって製造されます。
鉄系粉末は、生産量の80~90%を占める主要材料です。
2.
混合: 目的とする材料特性を得るため、複数の
金属粉末を混合します。必要に応じて、潤滑剤や結合剤などの添加剤を混ぜることもあります。
3.
成形: 混合した
金属粉末を
金型に充填し、プレス成形によって所定の形状に成形します。近年では、
金属粉末射出成形法(MIM)などの精密成形技術も注目されています。プレス成形は、
大量生産に適しており、ニアネットシェイプ(最終形状に近い形状)の製品を製造できるため、
歩留まりが向上しコスト削減に繋がります。
4.
焼結: 成形体を高温で加熱し、粉末粒子同士を結合させる工程です。
焼結温度や時間は、使用する
金属の種類や形状によって調整されます。この工程で、
金属粉末は緻密化し、所定の強度と特性を持つ製品となります。
焼結は、
金属粉末
表面の
酸化皮膜の発生を防ぐため、
還元雰囲気、不活性ガス雰囲気、または
真空雰囲気下で行われる場合があります。
5.
後処理: 必要に応じて、
焼結後の製品に機械
加工や
表面処理などの後処理を行います。
粉末冶金の利点と欠点
粉末冶金は、他の
金属加工法と比較して多くの利点を持ちますが、同時にいくつかの欠点も存在します。
利点:
複雑形状の製造が可能:
金型を用いるため、複雑な形状の製品も容易に製造できます。
ニアネットシェイプ成形: 最終形状に近い形状で製品を製造できるため、後
加工工程が削減され、コストと時間を節約できます。
高精度・高効率: 機械
加工を必要としないため、高精度で効率的な生産が可能です。
難加工材料への適用: 溶解が困難な高
融点材料など、他の
加工法では製造が難しい材料にも適用できます。
材料設計の自由度が高い: 異なる
金属粉末を混合することで、材料の特性を自由に調整できます。
軽量化: 製品内部に気孔を設けることで、軽量化が可能です。
多孔質構造の利用: 気孔を利用して、
潤滑油を含浸させることができます。
欠点:
強度不足: 見かけ密度が真密度より低いため、
鋳造品などに比べて強度が劣る場合があります。
大型製品の製造が困難: 大型製品の製造には、
金型のサイズや
焼結条件の制約があります。
酸化皮膜の問題: 粉末
表面の
酸化皮膜が
焼結を妨げる可能性があります。
粉末冶金の適用例
粉末冶金は、様々な分野で利用されています。
多孔質フィルター: 多孔質構造を持つ
焼結フィルターは、液体や気体のろ過に利用されます。
含油軸受:
洗濯機、
扇風機、ハードディスクドライブなどの小型モーター
部品として広く使用されています。油の補給が不要な自己潤滑性を備えています。
機械部品: ギア、カム、プーリーなどの機械
部品にも適用され、高精度、高耐久性の
部品が製造されています。
工具: 高速切削工具など、高強度・耐摩耗性が求められる工具にも利用されています。
粉末冶金の展望
近年、MIM法などの高度な成形技術の進歩により、粉末冶金の適用範囲はさらに拡大しています。今後、より複雑な形状、高機能な材料の開発、そして生産プロセスの効率化が期待されます。