連続式ローラーハース炉が量産MIM炉に最適とは

「現在、そして将来にわたって最良の量産MIM炉は、最先端の二重扉を備えている『連続式ローラーハース炉※１、である。」とEisenmann Thermal Solutions社の技術担当副社長Peter Vervoort氏は述べています。

根拠となる図表を参考文献から転載します。

第二世代の連続式ローラーハース炉による脱脂・焼結プロセスであれば、稼働率が40%の段階ですでに採算が取れる。∵高断熱設計により部品１個当たりの必要エネルギーが極めて小さい。

図４．二次脱脂ゾーンと焼結ゾーンにおいて雰囲気を完全に分離できる構造

　

　図５．ヒーターゾーンの寸法が小さいので輻射熱エネルギー密度のバラつきが小さい。　（輻射熱は距離の二乗で反比例するので狭い空間の方が温度均一性で有利）

※１：　一般的な連続の概念ではなく、ロックチャンバーで各工程を接続し、ガス置換を１ロット（セッター）ごとに行って次工程の炉（炉の中は間隔を開けた数ロットが連続移動）へ流す方式。　

参考文献：　PIM International Vol 10 No 3 P73、PIM International Vol 7 No 3 

【珈琲ブレイ句】確かに最新式の連続式ローラーハース炉はQCDで素晴らしいですね。触媒脱脂も可能な雰囲気の分離や、温度バラつきが小さいので、寸法精度±0.3％を実現できるところが気に入っています。しかし、個性・短所もあるので付け加えておきます。

①チタン等の雰囲気管理が厳しいものには力不足。一般鋼やステンレス鋼の高精度・大量生産に絞った方が無難。

②一次脱脂が溶媒脱脂の場合、連続式ローラーハース炉は二次脱脂以降から使う。

③セラミックローラーの回転による搬送なので、トレイに小さな振動が発生する。ブラウン体強度が低いバインダー設計の場合、崩れの可能性がある。

補足：　小ロット生産は、従来のバッチ炉が断然有利。また、バッチ炉であれば、ブラウン体強度が低いMIMでも手扱い搬送で生産可能。

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Custom 465ステンレスMIM化へのポイント

今後、Custom 465ステンレスがMIMで採用される事例が多くなると考えています。そこで、参考文献からMIM製造のポイントをまとめておきます。

《MIM化のニーズ》

Custom 465（Carpenter Technology）は、SUS304相当の高耐食性が必要で、SUS630（17-4PH） や 420J2 では強度が不足するMIM設計に最適な鋼です。

《長所・特徴》

1）MIMで約1,655 MPaの引張強さを達成

2）高い硬度（HRC54）と高靱性

3）SUS304相当の高耐食性

4）析出硬化処理条件による特性調整が可能

《製造上の注意点》

SUS630の強化元素はCuですが、465の強化元素はTiです。このTiが多いため焼結に関する技術力が必要になります。

1）焼結条件の管理が難しい。最適な焼結温度範囲が狭い。1379℃でほぼ理論密度に達する。

2）Ti含有量＝1.50～1.80wt%。Ti酸化物による焼結阻害。 HIP処理した試験体で1~2%の気孔率を示した。気孔近傍ではTiが多く,その酸化物が焼結を阻害したと考えられる。

【珈琲ブレイ句】チタンの酸化管理と焼結条件の最適化が鍵になります。64Ti合金をマスターしているMIMメーカーであれば楽勝ですね。

※HIPをしたら、気孔率が増加するとは面白い現象です。気孔率が増加した理由は、気体（還元反応ガスCO）が、チタンの酸化被膜により相互拡散を妨げられ、集合して大きな気孔になったと理解しました。もしそうであれば、加熱脱脂・還元・焼結のプログラムで、焼結前にCOを完全に除去して空隙内を真空にできれば、HIP後のCO集合による気孔は解消できるかもしれません。

D2273

参考文献：CUSTOM 465 STAINLESS STEEL FABRICATED BY METAL INJECTION MOLDING (MIM) ROUTE、CHEN David(Arc Group Worldwide, FL) ,  BANDYOPADHYAY Ananyo(Arc Group Worldwide, FL) ,  ENDO Ken(Arc Group Worldwide, FL) ,  NICHOLS Ashley(Arc Group Worldwide, FL) ,Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials ,2014- Vol.2 

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MIM-Like AMとMIMの比較

「MIM-Like AM」をタイトルにつけた論文※１を見つけました。また、近年、GGIは、自社の光造形PureForm™を「Precision MIM-like parts」と呼んでいます。

　　MIM-Like AM＝Sinter Based Metal AM

本家のMIMと対応させて、代表的な３つのMIM-Like AMの立ち位置と特徴を整理し直しました。

DLP / 光造形（LMMやPureForm™など）

「MIM-Like」という言葉のイメージに最も近い特性を持っています。表面が滑らかで微細精度が高いため、MIMの試作品や小ロット代替として非常に相性が良い手法です。

MBJ (Metal Binder Jetting)

金型レスで高速造形ができるため量産スケールにも対応可能ですが、粉末を敷き詰める性質上、表面のざらつき（粉末の付着）をどう抑えるかがMIM品質に近づけるためのポイントになります。

MEX (金属フィラメント / FDM)

設備コストや導入の手軽さで優れる一方、積層痕が目立ちやすく、MIM同等の面粗度を得るには研磨などの後加工が前提となりやすい特徴があります。

関連資料：Metal AM とMIMの共存共栄の時代　”MIM-Like AM”を本文に使った拙著です。

※１：「MIM-like additive manufacturing of Fe3%Si magnetic materials」Journal of Magnetism and Magnetic Materials」 Date: 15 December 2022 Article: 170104 Volume: Volume 564, Part 2

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