粉末冶金とは？粉末成形・MIMとの違いについて

金属加工技術のひとつである粉末冶金について取り上げ、特徴や工程、粉末成形やMIMとの違いなどを取りまとめてご紹介しています。

粉末冶金とは

簡単に言えば、粉末状となっている金属を原料とし、金型に入れて押し固めるプレス成形を施した上で、高温で焼き固めて製品とする金属加工技術の一つです。仕組みとしては、粘土を成型して窯で焼き上げ、陶器とする陶芸とよく似ています。実はその歴史は古く、約5000年前の鉄を高温で液体状に溶かす技術が確立されていなかった時代に、鉄器を製造する技術として用いられていたとされています。現在では鉄の他にも、様々な金属の加工に粉末冶金の手法が用いられています。

粉末成形と違いはある？

粉末成形とは簡単に言えば粉末冶金という作業のなかの、工程の一つです。上記でご紹介した金属の粉末を金型で固めるプレス圧縮成形(PM）や、専用の機器で金属粉末を成形する金属粉末射出成形（MIM）などが、粉末成形という工程に該当します。そうして成形された金属の塊を高温の炉で焼き固める「焼結」という工程を経て、緻密で硬い金属製品となるのです。ちなみに、この焼結作業が粉末冶金として認識されているというケースも多く見られます。

焼結との違いは？

上記でご説明しています通り、焼結とはプレス圧縮成形(PM）や金属粉末射出成形（MIM）で粉末の金属を成形したものを、高温の炉で焼き固めるという工程になります。科学的には、粉末状の金属を加熱すると粉末同士が固まり、強固で緻密な物体となることを指します。つまり焼結は金属冶金の工程の一つなのですが、この焼結工程=粉末冶金として捉えられているというケースも多く見られます。

焼結プロセスについて

MIMとの違いは？

MIMは英語の“Metal Injection Molding”の頭文字であり、金属粉末射出成形の略称として用いられています。繰り返しになりますが、金属粉末射出成形とは専用の機器を用いて金属粉末を成形する工程のこと。そこから焼結工程へと進み、粉末の金属だったものが強固で緻密な金属製品となります。つまり、MIMも粉末冶金という工程全体の一部ということです。金型を用いて金属粉を成形するプレス圧縮成形とは、成型の方法が違うということになります。

粉末冶金での主な工程

混合

製造する金属製品の性質や用途などに応じて、各種の金属粉末を適切な割合となるように混ぜ合わせます。原料として使われる金属は主に、鉄系、銅系、ステンレス系、チタン系、タングステン系、アルミ系など。また金属の原料メーカーでは、事前に所定の金属を混合したプレミックス粉が用意されている場合もあります。

成形

製造する製品に合わせて混合した金属粉を、プレス圧縮成形(PM）や金属粉末射出成形（MIM）の手法により、製造する製品の形に成形します。プレス圧縮成形に用いる金型は非常に高精度なもので、同じ形のものを高い精度で大量生産することが可能となっています。

焼結

上記工程で作成された成形体を焼結炉に入れ、融点以下となるよう温度調節されたガス内で加熱することで焼結させます。ちなみに銅系粉末合金の場合は750℃、鉄系粉末合金は1130℃、ステンレス系合金は専用の真空焼結炉で1300℃の高温環境で焼結させるというのが目安となっています。

参照元HP：キヨタ株式会社｜【保存版】粉末冶金についてプロ目線で徹底解説！
https://www.kiyota-and.co.jp/column_metal/powder_metallurgy/archives/27616

後工程

焼結した金属製品の精度や強度を高める目的で行われる、機械加工や研磨加工、スチーム処理や浸炭焼入や高周波焼入などの熱処理、メッキなどの表面処理などを指します。また製造する製品の種類に応じ、例えばボールベアリングを圧入したり、フランジ板をカシメ加工するといった組立工程が追加される場合もあります。

粉末冶金で主に作られる製品は？

歯車

粉末冶金の強みのひとつとして、複雑な形状の金属製品でも量産性に優れるという点が挙げられます。そうした利点を活かし、様々な機械部品の製造が行われていますが、その代表格が各種の歯車。なかでも自動車やオートバイなどのギアやクラッチ関連の部品や、プリンターやコピー機の紙送りの部品など、様々な歯車が製造されています。

切削工具

例えば電動ドリルやノコギリ、チェーンソーなど各種切削工具の製造には、粉末冶金が適しているとされています。そもそも切削工具には切れ味を高めるための複雑な形状と、摩耗や熱に対する耐久性の双方が求められます。粉末冶金であれば、硬度が高く、耐熱性に優れたタングステン合金や炭化タングステン、サーメットといった金属素材を、自在に用いることができます。