2018 Fiscal Year Research-status Report
金属粉末射出成形品の高アスペクト比構造実現のための革新的プロセス構築
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18K04782
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
長田 稔子 首都大学東京, システムデザイン研究科, 特任助教 (90452812)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
品川 一成 九州大学, 工学研究院, 教授 (30215983)
小林 訓史 首都大学東京, システムデザイン研究科, 教授 (80326016)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 金属粉末射出成形 / 銅 / 炭素繊維 / 繊維配向 / 機械的特性 / 変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属粉末射出成形（MIM）は，粉末冶金の焼結技術に加え，形状付与の際に樹脂の射出成形を利用することにより，小型の複雑形状部品をネットシェイプで量産可能な技術である．本研究では，射出成形時のバインダの流動を利用することを考え，炭素の短繊維を添加したMIM原料を作製し，材料の流動方向に繊維を配向させることで機械的特性の向上を図った．さらに，配向した繊維により，脱脂焼結時の変形の抑制も可能であると考え，調査．検討を行った．
材料として，銅粉末および炭素短繊維と，ワックス系のバインダを使用した．銅粉末に対して炭素繊維を0，5，10 mass %添加し，バインダとの体積比を60:40として混練を行った．その後，ダンベル形状の金型を用いて射出成形を行った．成形体はヘプタン気相中で溶媒脱脂を行った後，窒素中で加熱脱脂を行い，連続してアルゴン雰囲気で焼結を行った．成形体および焼結体の繊維配向をSEMにより観察した．焼結体は，密度および酸素量，炭素量の測定を行った．さらに，引張試験に供した．また，脱脂・焼結中の試験片の収縮，変形挙動のその場観察も行った．
通常のMIM成形体は粉末の周囲を樹脂が覆っているが，繊維を添加した場合，割断面には繊維が存在する様子と，割断時に繊維が引き抜けた穴が見られた．このことから，繊維が樹脂流動方向に配向していることが示唆された．焼結体表面のSEM観察では，焼結後も繊維が樹脂流動方向に配向して存在している様子が確認できた．繊維長は100～300 μmであり，混練，成形，焼結過程での損傷はほとんど見られなかった．焼結体の諸特性としては，炭素繊維の増加により焼結体密度の低下が見られるが，比重の小さい炭素の添加により密度が低下したもので，相対密度はいずれも95 %程度であった．また，繊維量の増加に伴い炭素量の増加が見られたが，酸素量には大きな差は見られなかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
まず混練時の強化材の分散状態の評価について検討を行った．金属粉末とバインダとの材料に炭素繊維を添加するため，均質混練のための評価指標を決定するとともに，適切なバインダの組合せについても検討した．一方，バインダ樹脂と金属粉末，および強化材との濡れ性については，混練状態，脱脂時の炭素などの残存や変形に大きく影響を及ぼす．強化材の分散性を向上させるバインダ樹脂成分の選択についても検討した．
また，成形条件の違いがどれだけ配向性に影響を与えるか検討した．既存のダンベル型引張試験片金型を用いて成形を行い，強化材の配向状態を確認した．成形条件の違いによりどの程度の配向を制御可能か調べた．その後，脱脂，焼結を施し，焼結体の引張試験を行って，強化材の弾性率への効果が確認できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
高アスペクト比のヒートシンク形状の金型を新規作製し，材料が完全充填した健全な成形体を得られる条件を検討する．粉末，強化材，バインダの配合比を様々に変更させた材料により，流動状態の異なるサンプルを準備し，金型内の流動先端まで均質な状態で充填しているかを確認する．なお，成形体の強度が弱く，離型が困難な場合は，樹脂型を使用して，一体脱脂・焼結を行う等の対策をとる．
本材料は強化材が添加されていることより，通常の粉末のみの成形体に比べ，脱脂が困難となるうえ，金属母材の焼結温度に近接すると脱脂が十分行えない可能性があるため，効率的な脱脂方法を検討する．従来行っている溶媒脱脂および加熱脱脂による二段階脱脂の他に，これまで検討してきた超臨界二酸化炭素脱脂や紫外線脱脂についても，適用を検討する．
MIM材の焼結時には，金属粉末の焼結による寸法収縮に加え，バインダの喪失による空隙を埋めるために収縮が生じ，一般にバインダを35 vol%程度添加した場合は，10 %程度の寸法収縮が起こる．この収縮により，強化材は母材と強固に接着できると考えているが，過剰な残留応力により，試料の変形などが生じる可能性もある．そこで，収縮時の強化材への残留応力評価手法を開発するとともに，強化材の特性発現のための材料設計，脱脂焼結条件等の最適条件を模索する．
作製したヒートシンク材の性能を評価するため，熱伝導率測定装置を購入し，評価を行う．本研究では，銅母材への炭素繊維の添加により，高アスペクト比構造による特性の向上を検討するが，今後，原料による特性向上の観点から，カーボンナノファイバーやナノチューブ，グラフェンなどへの展開も予定している．まずは通常のMIM工程での混練・分散を試みるが，難しい場合には，分散媒を使用した方法なども検討し，MIMのさらなる応用展開のための学理を追及したい．
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| Causes of Carryover |
当初，混練機の改造を予定していたが金額が見合わず，また，協力機関で同等品が借りられることになったため，次年度使用額が生じた．実験のための旅費および消耗品費として使用する予定である．
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