極小歯車用の金属射出成形 (MIM) 技術

1 マイクロギアMIMの製造プロセスとパラメータの選定

特定のマイクロギアの量産におけるプロセスパラメータと主要パラメータの実験的選択方法。

2金属粉末とバインダーの選定
MIMプロセスで使用される金属粉末の粒径は、一般的に0.5～20μmです。 理論的には、粒子が細かくなるほど比表面積が大きくなり、成形や焼結が容易になります。 現在、MIM用粉末の主な製造方法は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、ベースダイヤリング法などです。 各方法にはそれぞれ長所と短所があり、水アトマイズ法が主な粉体製造プロセスであり、効率が高く、大量生産では経済的であり、粉体をより細かくすることができますが、形状が不規則であるため、形状保持には役立ちますが、ビスコースを使用する方が良いです。バインダーが多いため、精度に影響します。 また、水と金属の高温反応により形成される酸化皮膜は焼結を妨げます。 MIM用粉末の主な製造方法はガスアトマイズ法であり、得られる粉末は球状で酸化度が低く、バインダーの使用量が少なく、成形性が良いが、価格が高く保形性に劣る。 ベースダイヤリング法で製造される粉末は高純度で粒度が非常に細かいため、MIMには最適ですが、FeやNiなどの粉末に限定され、多くの材料の要求には対応できません。 MIM 粉末の要件を満たすために、多くの製粉会社が上記の方法を改良し、微粒化、層状微粒化、およびその他の粉末化方法を開発しました。 粉体の選択はMIM技術、製品形状、性能、価格などを総合的に考慮する必要がありますが、現在ではタップ密度を高める水アトマイズ粉と形状保持性を維持するガスアトマイズ粉を組み合わせて使用​​することが一般的です。 。 腐食環境で使用される歯車のため、水アトマイズ316Lステンレス鋼粉末を使用しており、その化学組成（質量分率）は、Cr：17.0％、N：11.5％、Mo：2.2％、C：0.3以下です。 ％、Ｆｅ：約６９％。 その物性を表1に示します。

MIM工程においてバインダーは非常に重要な役割を果たしており、混合、射出成形、脱脂などの工程に直接影響を与え、射出成形ブランクの品質、脱脂、寸法精度、合金組成に大きな影響を与えます。 MIM で使用されるバインダーには、熱可塑性システム、熱硬化性システム、水溶性システム、ゲル システムおよび特殊なシステムがあり、それぞれに独自の長所と短所があります。熱可塑性バインダー システムは MIM バインダーの主流およびリーダーであり、熱硬化性システムは接着剤です。バインダーが使用されることは少なく、このタイプのバインダーは保形性は良いものの、取り外しが困難です。 ここで、バインダーは、70% のパラフィンワックスと 30% の高密度ポリエチレンの配合を持つ熱可塑性バインダーです。

3 混合・造粒・射出成形
粉体と結合剤を決めたら混合する必要がありますが、粉体の流動性を高めて分散を完了させるために混合作業は複雑な作業となります。 一般的に使用される混合装置には、二軸押出機、Z 型インペラーミキサー、ダブルプラネタリーミキサーなどがあり、現在、連続混合プロセスが開発されています。 混合時の供給速度、混合温度、回転速度などはすべて混合効果に影響します。 ここでは、粉末と結合剤をダブルプラネタリーミキサーで63:37の配合量(体積分率)に従って1.5時間混練し、混合温度は130±10℃で、粉末と結合剤が十分に混練されるようにした。造粒はスクリュー押出機で行い、造粒温度は130℃～150℃、スクリュー回転数は40r/minです。 TMC60EV射出成形機を使用して射出成形。 射出成形における重要な課題の一つが、製品設計や金型設計など、成形に関わるさまざまな設計です。 現在製造されている製品は 0.003 g から 200 g であり、精度の向上において重要な進歩が見られますが、ほとんどの設計、特に金型設計は経験に基づいており、信頼できる設計知識が不足しており、CAD システムを適切に MIM に適用することは困難です。 。 プラスチック金型の原理を利用して、MIM 金型は徐々に標準化され、経験の蓄積により、金型の設計と生産の時間が大幅に短縮され、射出効率を向上させるために可能な限り多個取り金型を使用する必要があります。

射出成形の目的は、欠陥のない所望の形状の成形ブランクを得ることですが、射出欠陥はその後の工程で完全に排除することができないため、この工程は厳密に管理されなければなりません。 超音波検査技術は、射出成形ブランクの内部欠陥を検出するために使用できます。 射出段階での欠陥管理は現状では経験ベースが主流です。 科学技術の進歩に伴い、コンピュータを使用して射出成形金型の充填プロセスをシミュレーションし、それを供給性能と関連付けて射出条件パラメータを最適化し、射出欠陥を排除することは、現在高度な実験手法であり、将来の開発トレンドでもあります。 海外ではモールドフローをMIM射出工程の解析に適用し、良好な結果が得られたとの報告があり、当社でも適用を試みましたが、シミュレーション結果と実験結果があまり一致していないことが判明し、この点についてはさらなる研究が必要でした。 。

4脱脂・仮焼結
脱脂方法は加熱脱脂を採用しており、バインダ成分の熱分解特性に応じて加熱脱脂工程を合理的に決定する必要があると同時に、脱脂ビレットの発泡や割れなどの欠陥を防止する必要がある。脱脂速度が速すぎる。 ステンレス鋼粉末は炭素含有量に非常に敏感であるため、バインダーの分解による残留炭素を防ぐために還元性雰囲気を選択する必要があります。室温から 200 °C までの温度範囲では、主にパラフィンの分解が行われます。このプロセスの結合剤であるパラフィンが最も重要な成分であるため、パラフィンをうまく除去するには、通常、加熱速度を 1°C/min 未満にする必要があります。 この工程の脱脂炉内は水素雰囲気となっており、脱脂温度は200℃以下で昇温速度0.8℃/minで昇温し、200℃に達したら1.5時間保持し、その後、１．５℃／分の速度で４５０℃まで昇温し、保持時間保持することにより、バインダーポリマー成分である高密度ポリエチレンを除去し、連通孔を形成した。 450℃以降、4℃/分の速度で800℃まで急速に昇温し、45分間保温してバインダー中のポリマー成分を完全に分解し、ブランクの脱脂と仮焼結を完了させます。

5 焼結
焼結は真空度0.1Paの真空焼結炉で行います。

焼結プロセスは、1000℃まで4℃/minの昇温速度で開始し、45分間保持し、その後6℃/minで1380±10(℃)の焼結温度まで急速に上昇させ、45分間保持し、その後、炉で常温まで冷却します。 焼結温度はできるだけ安定している必要があり、焼結温度は数十℃変動するため、焼結密度は10%、収縮率は3%変化します。

最終製品の寸法精度と機械的特性:

完成した部品 (図 3 を参照) については、部品とともに準備された標準試験片に対して金属組織分析と機械的特性試験が実施されました。 この部品の金属組織は純粋なオーステナイトであり、その機械的特性試験の結果は、降伏強度が 220 MPa、引張強度が 510 MPa、伸びが 45% でした。

任意の 10 個を取り出し、平均密度を測定すると、理論密度の 98.8% になります。 基本的に理論上の性能指標に達し、使用要件を満たしています。 要求精度を満たした構造とサイズであり、加工は不要です。