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はじめに
粉末とバインダーの特性は、粉末射出成形の全工程に影響を与える。フィードストックの主要成分である粉末の制御は、PIMの基本である。 したがって、粉末の属性、バインダー組成、および粉末とバインダーの比率など正確なバランスが必要である。
粉末粒子は、単純な機械的手段では細分化できない粉体の最小単位である。凝集は小さな粒子では一般的な問題であるため、凝集物をばらばらにするために多少の作業が必要である。走査電子顕微鏡（SEM）は、粒子の離散的な特性を観察するのに利用できる最良のツールである。図3.1は、PIMに適した粉末の走査型電子顕微鏡写真を示している。粒子のサイズと形状にはさまざまなバリエーションがあるが、粒子は一般に等軸で丸く、サイズが20μm未満である。それらは理論の30〜80％の密度に充填され、最も一般的には約60％の密度に充填される。球体の密度は60〜64％であるが、非球体の形状はあまり効率的ではない。粉末が不規則な場合、充填密度が低下する。たとえば、長方形の粒子は51％の密度充填であり、短い円柱形の粒子は68％の密度充填である、さらに長さと直径の比が10の長いフィラメントは48％の密度充填にしかならない。より長い繊維はさらに低い密度充填であり、不規則な粒子は20〜50％の密度充填である。広い粒子サイズ分布は、小さな粒子が大きな粒子の間に収まるため、パッキングを助けるが、この分布は取り扱いが難しく、成形時に分離する傾向がある。
充填挙動から明らかなように、粒子の形状はPIMプロセスに影響を与える。不規則な粒子は、バインダーの除去中により優れた成形体形状の保持を示すが、充填密度の低下は、焼結密度が低下する。妥協点として、球状粒子と不規則粒子の混合物はそれぞれの利点を提供する。これらの要因を超えて、形状とサイズを調整して、高い充填密度または特定のコンポーネントの特性を実現することができる。したがって、PIMプロセスを理解するには、粉体を理解するための基本特性の把握が必要である。 1）粒子サイズとその分布、2）粒子形状、3）表面積、4）パッキングとフローで測定した粒子間摩擦、5）内部粒子構造、6）化学勾配、表面フィルム、および混合材料。粉末を完全に指定するには、それがどのように製造されたかを記述することも適切である。これらのパラメータは、射出成形原料の標準化を成功させるために重要である。
この章の構成は、粉末の特性と特性評価手法について、製造技術の紹介、
最後に、現在PIMで使用されている粉末の特性の概要である。
理想的なPIM粉末の属性
PIM加工に適した粉末特性を特定するために、多くの研究が行われている。金型の充填率は非常に高く、成形に伴うせん断により粒子の配向が発生し、結果として異方性の焼結収縮と成形体の反りが発生する。したがって、成形時に発生しない等軸粒子が最も望ましい。多くの粉末が評価されており、
利用可能な化学
多くの粉末がPIMプロセス用に製造されている。 多くの場合、構成はPIM以外の既存のアプリケーションから適合される。
アルミナからジルコニアに至るまで、ほぼすべての一般的な材料が利用可能であり、さまざまな形態の鉄や鋼がある。 より一般的な材料とその派生物の概要を表3.2に示す。 一般的な酸化物セラミック、鋼、ステンレス鋼、および非鉄合金に加えて、いくつかの特殊な材料が利用可能である。
これらは、アルミニド金属間化合物からさまざまなホウ化物、窒化物、炭化物にまで及ぶ。 たとえば、このリストには、ニッケルアルミナイド、窒化ケイ素、マルエージング鋼、工具鋼、コバルトクロム合金、超硬合金（WC-Co）、高融点金属、およびインバーが含まれるす。 複雑な化学物質の場合、混合元素粉末、完全配合粉末、および部分配合粉末と元素粉末のハイブリッドの3つの開始形態が考えられる。
粒子サイズと形状
PIMではさまざまな粉末がうまく使用されているため、粉末の定義にはいくつかの注意事項を含める必要がある。したがって、最初のコメントは、粉末について議論するための言語を理解することを目的としている。続いて、個々の粒子の特性と粉末ロットの集合（バルク）特性に焦点を当てる。粉末の特性評価における最初のタスクの1つは、粉末ロット全体を表す小さなサンプルを取得することである。すべての粉末特性のうち、PIMアプリケーションの成功には、粒子サイズ、充填密度、粒子形状の3つが主流である。粉末サンプルが粉末ロットを表すように、適切な注意が必要である。一般的なエラーは、大きな容器の1か所から採取したサンプルで発生している。
粒子サイズは、粒子の寸法を決定することによって測定される。サイズは、測定技術と粒子形状によって異なる。粒子サイズの決定はいくつかの手法で可能であるが、測定されたパラメータの違いにより、それぞれが異なる結果を生成される。ほとんどの自動粒子サイズアナライザーは、1つの幾何学的パラメータを使用し、球形の粒子形状を想定している。分析の基礎は、表面積、投影面積、最大寸法、最小断面積、または体積である。正確な測定を行うには、分析前に超音波攪拌を使用して粉末を解凝集することが不可欠である。走査型電子顕微鏡は、実際の粒子特性を視覚化するためのツールを提供する。形状が規則的でなくなると、可能なサイズパラメータの数が増え、単一の粒子サイズを割り当てるのが難しくなる。したがって、異なる機器間の不一致は一般的な問題である。 PIM粒子の場合、粉末の最も特徴的な寸法は投影面積である。これは、流れの中で遭遇する寸法だからである。あるいは、焼結挙動は、充填密度と表面積によって評価される粒子サイズに関連している。
通常、サイズの決定は、沈降、スクリーニング、顕微鏡画像分析、電気ゾーンセンシングなど、多くの粒子サイジング技術があるが、PIM処理のニーズに一致するものはほとんどない。例外としては、コヒーレント（レーザー）光散乱技術がある。
図3.2に概略的に示されているように、分散粒子を運ぶ流体の流れの特性の不連続性の検出に基づいている。流体は空気または水である。不連続サイズは、既知の標準を使用したキャリブレーションによる粒子サイズに関連している。用途の広い技術は、0.02〜1000pmのサイズ範囲の分散粒子からの光散乱に基づいている。粒子の流れは、散乱が発生するレーザー光線を介して輸送される。検出器アレイ内の信号が散乱の角度と強度を決定し、これらのデータのコンピューター分析が粒子サイズ分布を提供する。同様に効率的な手法では、小さなオリフィスを介して加速された粒子の飛行時間測定を使用する。基本的なスキームを図3.3に示す。粒子が減速するにつれて速度変化が測定され、小さな粒子が大きな粒子よりも速く減速することを利用してサイズが計算される。
初期のテストは粒子サイズの沈降分析に依存していたが、ほとんどのPIM粉末は、ブラウン運動が層流沈降を妨げる条件に近く、分析が無効になっている。熱対流から生じるエラーのため、1μ未満のPIM粉末サイジングでは沈降は推奨されない。
粒子サイズデータが収集されると、サイズ分布の分析に関心が移る。粒度分布の結果は、測定されたサイズの増分における粉末の量のヒストグラムとして表示される。図3.4は、小さな鉄粉を使用したレーザー光散乱によって得られたヒストグラムプロットである。このようなプロットでは、モードはピーク粒子サイズである。最も一般的なのは、累積粒子サイズ分布のプロットである。これは、特定のサイズよりも少ない粉末の量を示している。これは、50％の位置での粒子サイズの中央値を示している。図3.5は、図3.4のヒストグラムに対応する累積粒度分布のプロットである。プラスマイナス1の標準偏差サイズは、約84％と16％の粒子サイズに対応している。典型的な仕様は、Dw、D50、およびD90として指定された分布上の3つのポイントに関するものである。図3.6に示すように、これらは累積分布の10、50、および90％の粒子サイズに対応する。サイズ範囲のもう1つの尺度は、次のように定義される分布勾配パラメーターSwである。
ここで、分子は、10％と90％がガウス分布で2.56標準偏差だけ離れているという事実を表している。ただし、粉末は通常、対数正規分布に従い、対数サイズはガウス挙動を取得するのに適している。粒子サイズの中央値D50と分布勾配Swは、粉末の重要な測定値を提供する。パラメータSwは、対数正規累積分布の傾きであり、変動係数または標準偏差に似ている。分布勾配5 ^の値が大きいと、粒度分布が狭くなり、値が小さいと、分布が広くなる。
粒子の形状が不規則であるほど、粒子のサイズを決定するために必要なパラメータの数が多くなる。粒子形状の定量化が難しいため、定性的な形状記述子が使用されている。これらは通常、SEMの観察に基づいている。
図3.7は、粒子形状の範囲を示す走査型電子顕微鏡写真の事例を示している。各写真とともに、定性的な形状記述子がある。最も簡単な定量的記述子はアスペクト比である。これは、最大粒子寸法を最小粒子寸法で割ったものである。球の場合、アスペクト比は1であるが、扁平粒子の場合、3〜5の値になる可能性がある。フレーク粒子のアスペクト比は10を超え、場合によっては200に達することもある、さらに繊維とウィスカーのアスペクト比は最大1000になる。
比表面積は、平均粒子サイズの間接的な尺度である。 焼結中の緻密化のしやすさを予測するのに最も役立つ。 比表面積は、単位質量あたりの面積（m2 / g）として表される。 多くの射出成形粉末は、比表面積の観点から分類される：アルミナ（10 m2 / g）、窒化アルミニウム（1 m2 / g）、鉄（0.35 m2 / g）、ニッケル（0.4 m2 / g）、炭化ケイ素（ 例として、19 m2 / g）、窒化ケイ素（25 m2 / g）、およびタングステン（0.2 m2 / g）。 サイズ、表面積、密度の変数の便利な単位は、それぞれm、m2 / g、g / cm3である。 これらの単位を使用すると、変換係数がキャンセルされ、粒子サイズDおよび材料の理論密度pに関する表面積Sが次のようになる。 これは、粒子が球体であることを前提としている。表面エネルギーは表面積に比例し、表面エネルギーが焼結を促進するため、平均粒子サイズの尺度として、表面積は焼結挙動の予測に効果的であることが証明されている。また、表面積が大きいと単位質量または体積あたりの粒子間の接触が増えるため、粒子間の摩擦の相対的なガイドにもなる。
表面積を測定するための2つの手法は、ガス吸着測定とガス透過性法である。ガス吸着測定は、真空または不活性ガスのベークアウトによって達成された清浄な粉末表面から始まる。このきれいな表面は、吸着ガスのさまざまな分圧にさらされる。分圧に対して粉末表面にどれだけのガスが吸着するかを測定する。この測定値は、1938年に発明したBrunauer、Emmett、Tellerにちなんで、BET比表面積と呼ばれている。通常、窒素ガスは77 K（液体窒素温度）で粉末表面に吸着される。一方、ガス透過性法では、粉末の充填カラムを通るガスの流れに対する抵抗を使用する。表面積が大きいと抵抗が大きくなるため、圧力損失に伴う流量の変化を使用して表面積を計算する。 50μm未満の粒子に適用できる。測定された表面積は、式3.2を使用して同等の球形の直径に変換される。
粒子間摩擦とパッキング密度
2つの懸念事項は、粒子間の摩擦、粉末の流れ、およびパッキングに関連している。
粒子サイズが小さくなると、粉末塊の摩擦が増加する。 粒子間の摩擦が大きいと、混合と成形が妨げられる。 あるいは、粒子間の摩擦が低いと、結合解除中のコンポーネントのスランプと形状の保持に問題が発生するのかを示すゼータ電位として、粒子の表面電荷を測定する。 粒子の反発に対応し、粒子の滑りを可能にするため、成形中は低い値または高い値が望ましい。 射出成形で使用される小さなセラミック粉末では、表面電荷が特に懸念される。
安息角は、脱バインダーおよび焼結中のコンポーネントの形状保持の簡単な予測因子である。 図3.8は、安息角が、小さな開口部を通過した後、または粉末のベッドを傾けた後、せん断が発生するまで粉末によって形成される水平からの角度としてどのように測定されるかを示している。 圧縮された安息角は、粉末摩擦の関連する尺度である。 ここで、粉末は傾斜する前に高い充填密度まで振動させる（射出成形に存在するのと同じ充填条件を反映している）。 粒子は振動後に互いに接近するため、せん断に対する抵抗が大きくなり、安息角が大きくなる。 圧縮安息角と呼ばれるこの安息角は、粉末を振動させてから、せん断を引き起こすのに必要な水平から離れた傾斜角を決定することによって測定される。 形状の保存が望ましいため、成功したほとんどのPIM粉末は、55°を超える圧縮安息角である。
タップ密度は、粉末を振動させることで達成できる最高密度である。
これは、PIM原料の配合における重要な粉末量に関連している。 タップ密度を測定するために、粉末は最小体積になるまで振動される。
タップ密度は、理論密度の代替として最もよく使われている。 一般に、粒子の形状が不規則であるほど、振動によるパッキングのメリットが大きくなる。
ピクノメーター密度は、粉末の汚染と閉鎖（内部）多孔性を評価するために使用される。
また、未知の組成または粉末の理論密度を決定するのにも役立つ。 ヘリウムは、粉末塊の細孔の体積を測定するために使用される。 粉末の重量を固体の体積（細孔を差し引いたもの）で割ると、ピクノメーターの密度が得られる。
粒子の密閉された細孔にはテストガスが到達できないため、ピクノメーターの密度は理論上の密度よりも低いことがよくある。 粉末の内部気孔率は通常有害であり、その気孔率が表面に接続されている場合、ピクノメーター密度は高くなるが、充填密度は低くなる。
粉末製造
多種多様な粉末製造技術がPIM粉末に適用可能であることが証明されている。 粉末製造アプローチは、粉末のサイズ、形状、微細構造、化学的性質、およびコストに影響を与える。
表3.4は、最も一般的な粉末製造技術を示し、典型的な粉末の特性を示している。
セラミックからの粉末の生成は、通常、粉砕技術によって達成される。粉砕と粉砕は、脆い材料から小さな粉末を生成するための一般的な方法である。それらはより小さな粒子を形成するために破壊に依存している。これは多くの場合、硬いボールと粗い粉末で満たされた容器をタンブリングすることによって実行される。粒子の形成は、粉末がタンブリングボールの間で押しつぶされるときに破壊によって発生する。希望する粒子サイズが小さいほど、粉砕時間は長くなる。
図3.9に示すように、得られた粉末は角張った形状である。粉砕された粉末の鋭い凹凸は、パッキングと流動を阻害し、粉砕された粉末を成形するのを困難にする。残念ながら、生産速度は通常遅く、汚染とコストの問題を引き起こす。液体を追加して汚染を減らすことができる。代替の粉砕技術には、自己衝撃粉砕（ジェットミリング）、アトライターミリング、および高エネルギー振動ミリングが含まれる。不利な点は、汚染を含む粉末の特性を制御できないことである。ほとんどの材料は、化学沈殿または反応の1つの形式によって粉末に製造することができる。粒度や形状を広範囲に調整できる。
化学合成による粉末形成には、気相反応、液相反応、気相反応など、いくつかのバリエーションがある。非常に小さなセラミック粒子は、酸化物、アルコキシド、炭酸塩、酢酸塩、またはシュウ酸塩の分解によって生成される。たとえば、窒化ケイ素は、アンモニアの存在下でシリカを炭素熱還元することによって生成される。窒化アルミニウムは、アルミニウムと窒素を反応させることによって形成される。これらの粉末は純粋で、表面積が大きくなっている。その結果、それらは優れた焼結応答を持っている。分解によって形成される一般的な材料には、窒化ケイ素、炭化ケイ素、イットリア、チタン酸塩、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコニアなどがある。粒子サイズは3nmと小さいが、より一般的には100 nm（0.1 pm）以上である。純度は高く、99.95％近くのレベルである。一例として、アルミナ粉末は主にボーキサイトを水酸化ナトリウム溶液に300℃までの温度で溶解することによって生成される。冷却すると、溶液は過飽和になり、二酸化炭素でpHを下げることにより、水和酸化アルミニウムが溶液から沈殿する。沈殿物を洗浄し、1200°Cまでの温度で水和して、目的の構造を安定させる。これらの粉末は、PIMにとって非常に有用であることが証明されている。化学的に製造された粉末は、低コストで望ましい粒子特性を提供している。
金属粉末製造の古典的な形式の1つは、酸化物の還元である。 このプロセスは、精製された酸化物を微粉末に粉砕することから始まる。 酸化物の還元は、一酸化炭素や水素などの還元ガスを含む熱化学反応によって達成される。 還元は、製品の焼結を最小限に抑えるために（粒子サイズの制御を維持するために）低温で実行される。 PIMに適用できる1つの例は、図3.10に示すように、乾燥水素雰囲気中で粉砕されたW03を還元することによるタングステン粉末の作成である。
この粉末の平均凝集体サイズはPIM4μからPIM5μで、BET比表面積は0.6 m2 / gである。 粒子の特性（粒子サイズと粒子形状）は、ガス組成、温度、およびベッドの厚さの還元パラメータの変化によって変化する。 ただし、多くの場合、還元粉末は粒子の多孔性のためにPIMには不適切であることがわかっている。 この欠陥は、焼結後にフライス加工またはタンブリングすることで修正できる。
PIMに役立つ小さな粉末も、蒸気分解と凝縮のステップを組み合わせて製造される。
元素の鉄とニッケルの粉末は、一般的にこの方法で形成されている。 これらの粉末では、固体の鉄またはニッケルが一酸化炭素と反応して金属のカルボニル蒸気を形成する。
このガス状分子の形成には、加圧と加熱を同時に行う必要がある。 続いて、カルボニルを液体に冷却し、分別蒸留によって精製する。 再加熱すると、液体は触媒の存在下で蒸発および分解して金属粉末を沈殿させる。
得られた粉末は、粒子サイズが小さく、純度が99.5％と高く、不規則な、丸い、または鎖状の形状をしている。 カルボニルプロセスによって形成された鉄粉の例を図3.11に示す。 この走査型電子顕微鏡写真は、カルボニル粉末に関連する小さな粒子サイズと対応する形状を示している。
硝酸塩、塩化物、水酸化物、硫酸塩などの溶解種を処理して沈殿物を生成することができる。これは本質的に粉末の前駆体である。
必要に応じて、得られた沈殿物を還元するか、化学的に処理して、目的の最終化学物質を形成することができる。 沈殿技術は、耐火性、反応性金属、セラミック、および複合粉末の形成に役立つ。
たとえば、炭化ケイ素は、Si（OH）4をメタンと反応させることによって生成される。 ナノサイズのアルミナ粉末は、有機化合物の存在下で金属イオン塩溶液をエージングすることによって生成される。
これらの沈殿した粉末には、一般的にいくつかの特徴がある。 一般的に、結晶子のサイズは非常に小さい。 したがって、凝集は自然な傾向である。 粉末の純度は通常高いが、パッキングと流動性が悪いため、粒子は射出成形には理想的ではない。
噴霧化は、液滴のスプレーを使用して液体から粉末を形成することを含む。
ガス噴霧プロセスの概要を図3.12に示す。 溶融材料はガス膨張ノズルに供給され、チャンバー壁に衝突する前に固化する液滴を形成させる。
溶融した流れを分解するために使用される流体は、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、水、または油である。 溶融した流れは、流体ノズルからの急速な膨張によって崩壊する。
このアプローチは、高度に合金化された材料を小さな粒子に製造するのに理想的であり、多くの場合、望ましい形状と高い充填密度を備えている。 多くの噴霧プロセスでは、PIMに必要な小さな粉末を直接生成できないため、スクリーニングまたは空気分級を使用して目的の粉末を抽出する。 通常、金属粉末に適用されるが、特にプラズマ溶融技術を使用して、セラミック粉末の噴霧化も開発されている。
ガス噴霧は通常、汚染を減らす不活性条件下で実行される。粒子形状は球形で、サイズ分布が広い。ガスアトマイズ粉末は化学的に均質で、高い充填密度を備えている。高いガス圧（4〜10 MPa）は、最小の粒子を生成する。ただし、噴霧化で大量のエネルギーとガスが消費されるため、粉末の費用が増加する。
図3.13は、PIM処理で使用されるガスアトマイズ銅粉末の走査型電子顕微鏡写真である。適切に実行された場合、ガス噴霧粉末は球形であり、衛星や内部ボイドが存在しない。ロケットノズルの概念の適応を含む新しい噴霧技術に多くの努力が注がれており、小さな粒子の収量を制御し、PIMの粉末形状を調整している。高圧水による噴霧は、PIMアプリケーション用の丸みを帯びた事前合金粒子の作成に使用される。
このプロセスは、急速な急冷と流体特性の違いを除けば、概念的にはガス噴霧と似ている。ガス噴霧とは対照的に、図3.14で明らかなように、水は球形の粒子形状を生成しない。水圧が高いと粒子が小さくなる。したがって、これは、PIMに必要な低コストの小さな粒子を生成するための重要な手段である。噴霧化は、100 MPa近くの圧力に依存して溶融流を分解し、粒子サイズが5〜20μmの合金粉末を生成する。 溶融合金と水の相互作用による酸化には、噴霧後に水素還元ステップが必要になる場合がある。 通常、水で噴霧された粉末は、丸い粒子形状に転造され充填を改善される。 それによりフィードストックの粘度を改善することができる。
プラズマ噴霧は、高融点金属、セラミック、複合材料、および従来の金属の球状粉末を作成するのに役立つ。 PIMに必要な小さな粒子を生成するために、凝集した材料がプラズマトーチに供給され、そこで溶融と急速な加速が発生する。 得られた溶融液滴は、基板に向けられ、そこで小さな粒子に崩壊する。
プラズマアークの高速と高温により、前に図3.7aに示したように、小さな粒子形状が得られる。
粉末の調整と取り扱い
PIMでは、摩滅または解凝集を分類することにより、特定の特性を粉末に調整することがしばしば必要になる。さまざまな力が凝集を引き起こす可能性があり、不均一性や焼結の問題を回避するために、これらを中和する必要がある。分類は、粉末から特定のサイズの画分を取得するために使用される。ブレンディングは、高い充填密度のバイモーダルまたはトリモーダルの粒度分布を作成するために使用される。同様に、異なる属性の粉末をブレンドして特性をカスタマイズする。たとえば、ガスと水で噴霧した粉末をブレンドしてレオロジー特性を調整することがよく行われている。一方、ミキシングは、異なる化学物質の粒子から新しい化学物質を作成するために使用される。一例は、WC粉末とCo粉末の混合物からの超硬合金の製造である。混合粉末の重要な用途は、合金の形成である。焼結中に、混合粉末は均質化して合金を形成する。多くのステンレス鋼、アルミナ-シリカ、鉄-シリコン、および鉄-ニッケル組成物がこの方法で形成される。混合粉末の選択はコストの考慮に基づいている場合があるが、多くの場合、PIMに適した小さな粉末として目的の組成が利用できない。したがって、粉末の選択と混合には注意が必要である。合金添加物（例えば、Fe-3Si組成のシリコン）のサイズが大きい場合、焼結が非常に困難になる。焼結微細構造の一部の領域はシリコンが豊富で、他の領域は枯渇する。さらに、成分の数が増えると、微細構造の均一性を制御することが困難になり、阻害要因になる。コストが高くても、事前に合金化された粉末の方が適している。
空気分級機は、回転ディスクと横流空気流を使用して、粉末を選択したサイズの級に分離する。分類後、選択したサイズの級をブレンドして、粒子サイズ分布を制御することができる。一例として、小さな粒子を大きな粒子と組み合わせて、高い充填密度のシステムを作成することができる。
細かく離散した粉末が必要な場合は、摩滅と解凝集が役立つ。製造中に互いに結合した粉末、または粒子サイズがPIMに対して大きすぎる粉末には、摩滅が必要である。解凝集および摩滅処理は、平均粒子サイズを減少させる。凝集体は、PIMプロセスのすべての側面に有害であることが証明されている。高せん断混合では凝集体が分解することがあるが、粉末表面を適切に処理しないと、自然に再凝集する傾向がある。界面活性剤の選択は、凝集を減らすための粒子分散を確保する上で重要である。
これらは、PIM処理を支援するために設計された粉末処理の例である。
多くの操作は、粉末製造と一緒に行うことができる。 さらに、成形作業のための均質な材料を確保するために、原料配合の現場で混合を実行する必要がある。 過度の取り扱いは、不均一性をもたらすことによって問題を引き起こす。
次の簡単なルールが問題を軽減する：
1）輸送後に粉末を再ブレンドし、
2）分離を減らすために、粉末の振動を避ける。
3）分離を避けるために、粉末の自由落下を減らす。
4）水が吸着しないように粉末を乾いた状態に保つ。
PIMに典型的な小さな粉末にさらされた労働者に起こりうる有害な影響について懸念がある。 粉末の取り扱いには、安全上の注意と清潔さが必要である。 小さな粒子にさらされた人々は、呼吸器疾患やその他の機能障害の影響を受ける可能性がある。 1つの問題は粉末の吸入にある。 粒子サイズは、呼吸した粒子の沈着部位を決定する。 沈着後の粒子の運命は生理学的反応に依存する。PIMに典型的な小さな粒子は肺に到達し、体内に溶解する可能性がある。 溶解の結果は粉末の化学的性質に依存し、小さな粒子を扱うときに懸念を引き起こす。 図3.15は、潜在的な肺刺激物であるPIMで使用される炭化ケイ素繊維を示している。 通常、粒子が小さいほど問題は大きくなる。 0.1μm未満の粒子に最大の関心を払う必要がある。
小さな粒子のもう1つの問題は、空気中での熱的不安定性である。多くの小さな粉末は自然発火性（空気中で燃焼する可能性があります）であり、爆発の可能性がある。たとえば、PIMグレードのカルボニル鉄は60°Cを超える温度の空気中で自然に酸化する。さらに、粒子が100 g / m3を超える濃度で空気中に分散すると、爆発が発生する可能性がある。したがって、ほこりのない環境を維持するように注意する必要がある。
PIM粉末の例表3.5は、PIMで使用されるいくつかの粉末の要約である。この表には、化学的性質、粒子サイズ、粒子形状、充填密度などの関連する粉末特性が記載されている。これらの例は、典型的な粒子の範囲とPIM処理に関連する特性を示している。
一般的な粉末は、ガスまたは水の噴霧によって製造された316Lステンレス鋼である。ガス噴霧粉末は球形である。ただし、水噴霧粉末は丸みを帯びて靭帯状になっているため、タップ密度が低くなる。対照的に、ガスアトマイズ粉末は酸素含有量が低く、成形時の混合粘度が低くなる。ガス噴霧による球状粒子は、通常、ピクノメーター密度の63％近くの充填密度を生成する。図3.16の粒子サイズ分布に示すように、質量ベースでは、ほとんどのガスアトマイズ粉末のサイズは35μm未満である。この図は、この章ですでに説明したいくつかの粉末の累積粒度分布を示している。
もう1つの一般的なPIM粉末は、カルボニル分解経路によって形成される球状の鉄である。この粉末の走査型電子顕微鏡写真を図3.11に示す。図3.16は、この粉末と他の粉末の累積粒度分布を示している。ほぼ球形であるが、凝集している。圧縮された安息角は76°であり、粒子間の高い摩擦を反映している。この粉末は、図3.17に示すように、さまざまな炭素、酸素、および窒素含有量の蒸着リングで構成されている。これらのリングは熱によって除去されるため、焼結し続けることはない。一部のカルボニル粉末では、粉砕を容易にするためにシリカが添加されている。ほぼ球形の粒子形状は、見掛け密度が35％であるのに対し、ピクノメーター密度の56％のタップ密度を与える。十分に混合されたPIM原料では、68％もの固形物がこの粉末から形成される。多くの場合、カルボニル鉄とニッケルの粉末を混合して、2〜80 wt％Niの範囲のさまざまなFe-Ni合金を形成する。焼結中に、混合粉末は均質化して合金を形成される。
PIMには多くの粉砕ラミックmilled ceramicsが使用されている。窒化ケイ素とアルミナは、成形可能な小さな角のある粒子を表している。窒化ケイ素のバルク化学は通常、必要な焼結添加を伴うSi3N4に対応する。角のある粒子形状のため、最初は理論値の15％のタップ密度であるが、48時間のミリング後、タップ密度は理論値の57％になる。これは、PIM処理用の粉末改質の良い例である。粉砕状態では、最大粒子のサイズは約8μm、表面積は4.4 m2 / gである。表面積の大きい粉末は、より良い焼結応答を生成するが、多くの場合、バインダーと混合するのがより困難であることがわかる。アルミナ、マグネシア、イットリアを添加して、焼結中に液相を形成し、緻密化を促進させる。炭化ケイ素も、シリコンと炭素を反応させて形成された粉砕粉末である。主な汚染物質は、それぞれ約0.05％の濃度のアルミニウムと鉄である。ホウ素と炭素は、焼結助剤として炭化ケイ素に添加される。粉砕後、粒子は等軸になり、丸みを帯び、タップ密度は理論値の55％、表面積は21.5 m2 / gになる。
炭化ケイ素と窒化ケイ素はどちらも焼結緻密化が不十分である。したがって、添加剤を使用して焼結応答を改善する。同様の状況は、窒化アルミニウムやジルコニアを含む他の多くのセラミックにも存在する。一般的なセラミックPIM粉末は、焼成および粉砕されたアルミナである。 焼結助剤として、0.1％マグネシアを添加して結晶粒の成長を抑制し、時にはシリカを添加して焼結中にガラス相を形成させる。
図3.18の走査型電子顕微鏡写真で明らかなように、この小さな粒子サイズでは凝集が典型的であり、これらの凝集物は充填密度を低下させる。
凝集体のサイズは最大20μmですが、比面積は5 m2 / gである。
分散した凝集体の粒度分布を図3.16に示す。
超硬合金も重要なPIM粉末である。これらはコバルトとタングステンカーバイドからなる複合材料である。これらの2つの成分は、平均粒子サイズを小さくし、炭化物の表面にコバルトを塗り付けるために、長時間一緒に粉砕される。焼結中、コバルトは液相を形成し、冷却すると固化して、脆い炭化物粒子の強固な接合相を形成する。 VCなどの添加剤は、製品の強度を向上させるために使用される。粉砕された粉末の典型的な酸素含有量は0.07％であり、クロムやモリブデンなどの他の高融点金属は一般に0.01％の濃度で存在する。粉砕プロセスのため、粒子はやや不規則であるが、等軸で凝集している。初期の粒子サイズは通常1μm満である。サイズが小さく不規則な形状であるため、見かけの密度とタップ密度が低くなる。
これらは、PIM用粉末のほんの一例である。小粉末の製造技術には、ガスと水の噴霧、蒸気分解、化学反応、粉砕などがある。ただし、化学物質と粉末の特性の範囲が広いにもかかわらず、以下に要約するように、PIMに最も役立つと考えられる属性が共通している。
PIMパウダーの概要
上記のように、PIM処理に適していることが証明されている粉末に関するかなりの情報が存在する。不規則な粒子は、バインダー除去後の部品強度を増加させるが、充填密度を低下させ、混合物の粘度と焼結密度を上昇させる。球体は、充填密度が高く、流動粘度が低く、等方性焼結密度が高いため、望ましい。しかし、球はバインダー除去後の部品強度を低下させる。一般に、焼結の寸法変化が少なく、部品の強度が高いため、高い充填密度が望ましい。その他の主要な粉末の特性については、表3.6に長所と短所の要約を示す。理想的な粉末の特性を表3.1にまとめた。重要な属性の1つは、処理中の欠陥を減らす粉末の選択である。一般に、これには、サイズが20μm未満で、充填密度が理論値の60％に近く、凝集がない、球形の等軸粉末equiaxed powderが必要である。表面と体積の比率は粒子サイズに反比例するため、粒子サイズは重要である。比面積が大きいと、粒子間の摩擦が増加し、流動とパッキングが困難になるが、焼結は大幅に改善される。
PIM部品で使用されるアルミナの調整された粒子サイズ分布の良い例を図3.19に示す。粉末は2つの粉末（70％大と30％小）の混合物であり、理論値の75％以上の充填密度を提供する。市販のプレコンパウンド原料は、多種多様な粉末を利用して原料の属性を標準化する。
将来的には、PIM用の粉末のカスタマイズが進展するであろう。凝集物の除去は、均一な成形と焼結を確実にするための1つの重要なステップである。解凝集は現在、粉砕によって行われているが、これは軟質金属粉末では実用的ではない。その結果、界面活性剤を使用する新しい化学的解凝集技術が開発されている。
凝集を避けるためにバインダーを利用すること。他のステップでは、球状粉末を粉砕して粒子をわずかに伸ばし結合を解く。不規則な粉末を転造か粉砕して粒子を丸くするす。非常に小さい、化学的に生成された粉末は、解凝集を確実にするために表面処理または粉砕を行う。さらに、PIM用にカスタマイズされた新しい粉末が登場している。これらは、利用可能な粉末特性の範囲をさらに拡大していく。
- Chapter One Introduction はじめに P11～24
- Chapter Two Feedstock 成形材料・流動学 P25~54
- Chapter Three Powders 粉末 P55~82
- Chapter Four Binder バインダー P83~98
- Chapter Five Tooling 金型 P99~132
- Chapter Six Molding 成形 P133~174
- Chapter Seven Debinding 脱脂 P175~218
- Chapter Eight Sintering 焼結 P219~264
- Chapter Nine Final Processing 最終仕上 P265~280
- Chapter Ten Design Guide 設計の心得 P281~303