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粉末冶金とは|粉末冶金の仕組みとメリットについてかんたん解説

粉末冶金とは|粉末冶金の仕組みとメリットについてかんたん解説

公開日:
2020/06/06(2020/09/28 更新)by 甲斐 智
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| 冶金 |

粉末冶金(ふんまつやきん)は、鋳造とならぶ代表的な金属加工のひとつです。
粉末冶金でつくられた強固な超硬サーメットは、 工作機械のツールやバイトの素材 としてもおなじみです。

この記事では、機械エンジニアでもかんたんにわかる「粉末冶金」のメリットを、製品例をまじえながら解説します。

粉末冶金ってどんな加工?

粉末冶金は原料の金属粉を金型に入れ、プレス機械で圧縮し焼き堅める成形方法です。
成形された金属は、さらに焼き入れや表面処理がされ製品となります。

粉末冶金:
金属の粉末を「金型」に入れて圧縮して固め、高温で「焼結」して精度の高い部品をつくる技術のことです。
引用元: JPMA 日本粉末冶金工業会「粉末冶金ってなぁに?」

鋳造することがむずかしい高い融点の金属や、 切削がむずかしい難加工金属の成形 に使われています。

PM技術(Powder Metallurgy)や、粉末成形ともよばれています。

粉末冶金に使われる材料

金属加工と粉末冶金について|粉末冶金に使われる材料

金属は粉末にすることで表面積が増え、低い温度で焼き堅めることができます。

材料はおもに鉄をはじめ、銅・ステンレス・チタン・タングステンを使用。
クロム・ニッケル・炭素・マンガン・モリブデンを添加し合金にする場合もあります。

金属粉の配分を変えることで、性能に応じた金属を成形することができます。

粉末冶金の成形工程を知る

1. 金属粉を混錬

金属加工と粉末冶金について|金属粉を混錬

原料となる金属粉末を配合し混合。
スプレードライヤーなどで完全に乾燥させ、金属粉(きんぞくふん)をつくります。

2. 金属粉を成形

金属加工と粉末冶金について|金属粉を成形

《プレス成形による粉末冶金》

単純な部品成形には、「プレス成形」が使われます。

金属粉を金型に入れ、粉末成形プレス(メタルパウダープレス)で成形。
プレス機械や、冷間静水圧プレス(ラバープレス)による成形法があります。

冷間静水圧プレスでは、全方向から均一な圧力をかけられるため、収縮率が安定します。

《金属粉末射出成形による粉末冶金》

複雑な部品成形には、「金属粉末射出成形」が使われます。
金属粉末射出成形は、金属粉に結合剤を加え加圧する加工法です。
「プラスチック射出成形」とおなじ原理で、金属を成形します。

MIM(Metal Injection Molding)とよばれます。

《粉末圧延による粉末冶金》

薄板やバー材の成形には、圧延機でロール圧延する「粉末圧延」が使われます。
金属粉を圧延機に供給して、ロールで延ばして成形します。

3. 金属粉を焼結

金属加工と粉末冶金について|金属粉を焼結

成形した成形体を、金属の融点以下の温度で焼いて「焼結」します。

成形体は「グリーン体」や「グリーンコンパクト」ともよばれ、金属の粒子が結合した強度の高い金属ができあがります。

粉末冶金のメリットとデメリット

粉末冶金には、鋳造にはないさまざまメリットがあります。

粉末冶金のメリット

鋳造がむずかしい「融点の高い金属」の成形ができる
鋳造がむずかしい合金でも、均質な金属が成形ができる
切削がむずかしい「難加工金属」の成形ができる
複雑なカタチの部品が成形ができ、加工工程が削減できる
金型による量産化で、コストが削減できる
原料(金属粉)を、ムダなく使うことができる
金属内部に細かな気孔ができ、部品の軽量化ができる

粉末冶金のデメリット

× おおきな部品の成形にはむかない
× 金属粉の種類によっては、コストがかさむ
× 焼結時の収縮によって、寸法精度が落ちることがある

粉末冶金でつくられる、超硬・サーメット・含油軸受

超硬・サーメット

金属加工と粉末冶金について|粉末冶金でつくられる、超硬・サーメット

粉末冶金でつくられた強固な超硬サーメットは、工作機械フライスや旋盤のバイトとして使われます。
超硬工具は、融点の高いタングステンカーバイドとコバルトを焼結した金属です)

含油軸受(がんゆじくうけ)

金属加工と粉末冶金について|粉末冶金でつくられる、含油軸受(がんゆじくうけ)

金属内部に細かな気孔ができるため、潤滑油を染み込ませた「給油不要の含油軸受(がんゆじくうけ)」としても使われます。
「含油軸受」は、自動車エンジン部品や家電・ハードディスクの小型モーターの軸受に採用されています。

細かな気孔を活かして、フィルターや二次電池の電極材料としても活用が進んでいます。

粉末冶金とは?まとめ

この記事では、機械エンジニアでもかんたんにわかる「粉末冶金」の特徴や製品例を、メリットをまじえながら解説しました。

粉末冶金の成形技術は、最新の金属3Dプリンターにも応用され、いままでの加工では実現できなかった立体的な複雑部品の成形も実現しています。

化学要素がありすこしむずかしく感じる技術ですが、粉末冶金を知るきっかけになればうれしいです。

この記事(粉末冶金)の編集者

甲 斐 智(KAI Satoshi)

甲 斐 智(KAI Satoshi)

1979年 神戸生まれ
多摩美術大学修了後、工作機械周辺機器メーカーの販売促進部門
14年以上に渡り、工作機械業界・FA業界のWebマーケティングに携わる

・株式会社モノト 代表
・株式会社アプト Webディレクター
・一般社団法人日本機械学会 特別員
・東京商工会議所

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