第 9 章成形
粉末とセラミックス
これらの工程は、金属を溶かしたり塊を削ったりする代わりに、粉末や液体から中実の部品をつくります。どれも焼結に頼っています：詰めた粒子を融点より低い温度で加熱し、1 つの固体に結合させること。工程ごとに違うのは、粒子の形と、熱と圧力の加え方です。
基本の考え方
焼結は、粒子が溶けずにくっつく仕組みです。2 つの粒子が接する場所で、原子が接点を越えて移動し（拡散）、ネックと呼ばれる固い橋をつくります。ネックが成長するにつれて、粒子どうしの隙間（気孔）が縮み、部品はより緻密になり、通常は少し小さくなります。一晩置いた雪玉の入ったボウルを想像してください。溶けることはないのに、朝には 1 つの塊にくっついています。圧力は粒子を押し付けてこれを速め、速い加熱や内部からの加熱は時間を節約し、微細な結晶を細かく保ちます。
並べて比較
| プロセス | ひとことで | 向いている用途 | ロットサイズ | 精度 |
|---|---|---|---|---|
| 9.1粉末冶金(プレスと焼結) | 粉をダイの中でプレスし、ベルト炉で焼結する | 小さな歯車、ブッシュ、輪郭が単純な部品 | 年間 1 万から数百万個 | 約 ±0.05–0.1 mm |
| 9.2金属射出成形(MIM) | 粉末とバインダーのペーストを成形し、バインダーを除去して、焼結する | 小さく複雑で、ほぼ緻密な鋼部品 | 年間 1 万から数百万個 | 寸法の約 ±0.3–0.5% |
| 9.3熱間等方圧加圧(HIP) | 熱いアルゴンで全方向から押しつぶし、気孔を閉じる | 重要な鋳物、プリントした部品、缶に入れた粉末 | 1 個から、炉いっぱいのロットまで | 形は保たれ、気孔だけが縮む |
| 9.4放電プラズマ焼結(SPS) | パルス電流が、プレスした黒鉛ダイを数分で加熱する | 円板状の、硬いセラミックスや新素材 | 1 点もの、小ロット | 粗い。あとで研削する |
| 9.5マイクロ波焼結 | マイクロ波が部品を内部から加熱する | 歯科用ジルコニアのようなセラミックス | 研究室から小ロットまで | ほかの焼結と同様、約 ±0.5–1% |
| 9.6ゾルゲル法 | 液体がゲルに固まり、乾燥させてから焼成する | 薄いコーティング、エアロゲル、高純度の粉末 | 1 つのサンプルから、コーティングラインまで | 数十ナノメートルまでの膜 |
このファミリー内での選び方
- 単純な金属部品を数十万個、安くつくりたい： プレス・焼結の粉末冶金。
- ほぼ完全に緻密で、小さく複雑な金属部品が必要： 金属射出成形。
- 壊れてはいけない鋳物や 3D プリント品から、隠れた気孔を取り除きたい： 熱間等方圧加圧（HIP）。
- 焼結しにくい材料や新素材の緻密な円板が、速く欲しい： 放電プラズマ焼結。圧力なしでセラミックスを焼結するなら、マイクロ波焼結。
- 薄くて純粋なコーティング、または超軽量の材料が必要： ゾルゲル法。
キーワード
- 焼結
- 詰めた粒子を、融点より低い温度に加熱して結合させること。
- ネック
- 2 つの粒子が接する場所に成長する、固い橋。
- 拡散
- 原子が固体の中をゆっくり移動すること。ネックをつくるのはこれです。
- 気孔率
- 部品の体積のうち、空の気孔が占める割合。
- グリーン体（成形体）
- 焼結前の形になった部品で、弱く固まっているだけ。
- バインダー
- 粉末を形に保ち、あとで取り除かれる、ワックスやプラスチック。
- 密度
- 部品のうち固体の材料が占める割合。100% は気孔なし。
- 収縮
- 焼結中に気孔が閉じることで、部品が失う大きさ。