焼結の説明:定義、プロセス、種類、および実際の応用

焼結は、粉末とバインダーを圧縮して融合することにより、広範囲の材料から一体型の潜在的に非常に複雑な部品を形成する幅広い方法です。この部分は 2 つの段階を経ます。最初の段階では、必要な形状が弱く、統合が不十分な、大きすぎるコンポーネントになります。第 2 段階では、そのコンポーネントを焼き付けてバインダー材料を排出し、残った粒子を融合させて完全な強度の部品を形成します。このアプローチは、部品あたりのコストが低く、再現性の高いプロセスで優れた機械的特性を備えた複雑なネットシェイプ部品を製造する方法として、金属やセラミックで広く普及しつつあります。この記事では、焼結、その仕組み、焼結の種類、さまざまなプロセスについて定義します。

焼結とは何ですか?

焼結は、最初に圧縮によって粉末形状を結合して一体化した固体にするプロセスです。次に、この形状を粉末の 1 つの融点以下に加熱して、熱融着によって粒子を結合させます。これにより、以前にフォームを保持する役割を果たしていた中間結合剤が焼き尽くされ、残りの「グリーン」（つまり、未焼結）材料が結合されます。このプロセスでは、粉末金属、セラミック、または複合材料から固体オブジェクトを形成します。

圧縮粉末部品が加熱されて粒子が結合すると、そのプロセスにより空隙が強化されます。これにより、100% に近い密度が得られ、主材料の特性に近似します。加工温度は正確に管理されています。融合するには、一体として接合しながら融合前の形状を完全に保持するために、接点がほとんど溶けていない必要があります。図 1 は、焼結部品の例です。

焼結の別の用語は何ですか?

本質的に焼結であるプロセスを説明するために、さまざまな用語が一般的に使用されます。これらには、粉末冶金、MIM (金属射出成形)、圧密、ケーキング、および焼成が含まれます。粉末冶金は、金属粉末を固体物体にプレスまたは射出するプロセスです。一方、MIM は、溶融ポリマーを含む金属粉末スラリーをプラスチック金型ツールに注入します。その後、ポリマーが燃え尽き、温度が上昇して粒子が融合します。

圧密は、セラミック粉末をプレス成形して固体を形成し、その後窯で硬化する同様のプロセスを表すためにセラミック業界で広く使用されています。ケーキングとは、さまざまな粉末粒子が結合して固体の「ケーキ」を形成することを表すために使用されます。最後に、焼成は、セラミック産業における粒子ベースの形状の熱統合を説明します。

焼結の起源は何ですか?

すべての焼成セラミックは本質的に焼結した粘土粒子であるため、焼結の起源は先史時代にあります。粘土粒子の湿式融合により「緑色」の形状が形成され、その後焼成され、湿った粘土の個別の塊が単一の耐久性のあるアイテムに統合されます。さらに、一部の金属粉末の装飾や陶器の釉薬は原始的な焼結方法を表しており、熱を加えることでガラスと金属が粉末から固体に融合します。

現代の焼結は、William Coolidge の研究により科学/商業分野として始まりました。彼は 1909 年に、粉末成形ビレットを熱間押出/伸線して、以前より耐久性の高いランプ フィラメントを製造することにより、延性のタングステン ワイヤを実現しました。

焼結プロセスはどのように行われますか?

焼結は 3 段階のプロセスで行われます。

<オル>

結合剤を含む主成分の粉末混合物を所望の形状に成形します。結合剤が粉末をくっつけてパーツの形状を作ります。この結合剤は水でも構いませんが、ワックスまたはポリマーがより一般的です。

緑色のパーツが焼成されると、結合剤が蒸発または燃え尽きます。 

温度は、本質的に同一の 2 つのプロセスのうちの 1 つが発生するのに十分な温度まで上昇します。一次粒子がちょうど始まるのに十分に加熱されるか 溶けて個々の粒子がその表面で融合するか、ブロンズなどの中間結合剤が溶けて粒子間で結合し、主成分のパワーが変化しない状態のままになります。

焼結プロセスの重要性は何ですか?

焼結プロセスは、次のようなさまざまな用途で重要です。

<オル>

優れた硬度、靭性、精度のコンポーネントを製造するために使用されます。

通常の製造方法では実現が難しい複雑な形状や幾何学形状を製造するために使用されます。

複数の素材の特性を組み合わせて、あるコンポーネントの靭性と別のコンポーネントの耐摩耗性を両立させます。

複雑な部品や形状を製造するための低コストのツール。この複雑さは、一次プレスまたは金型ツールで一度作成し、結合粉末で正確に再現する必要があります。

精度と再現性を維持しながら、コンポーネントの迅速な大量生産を可能にする

焼結のさまざまな種類とは何ですか?

焼結という広義の名称には、次のようなさまざまなアプローチが含まれます。

<オル>

固体焼結: 粉末材料は融点直下の温度まで加熱されます。これにより、粒界での原子拡散によって粒子が結合されます。

液相焼結: 少量の溶剤液体を粉末に添加して、低気孔率と結合を誘発します。この液体は通常加熱によって除去され、統合された固体が形成されます。

反応焼結: 加熱中の粉末粒子の少なくとも 1 つの相の化学反応を利用します。化学変化が起こり、その結果、化学的に変化した塊内で粒子が結合します。

マイクロ波焼結: セラミックスへの斬新なアプローチ。マイクロ波を使用して熱が誘導され、これにより構造がより速く、より完全に統合されると主張されています。

スパークプラズマ焼結: 電流と粉末の物理的圧縮を使用して、粉末を全体に統合します。

熱間静水圧プレス: 高圧と高温を粉末に適用して、必要な形状を形成し、粒子を融合させます。

冷間焼結: 一時的な溶媒と圧力を使用して、ポリマー パウダーを固体の塊に固めます。

詳細については、焼結の種類に関する完全ガイドをご覧ください。

焼結に使用される材料にはどのようなものがありますか?

焼結は幅広い技術として、広範囲の材料に応用されています。これらを以下に示します。

1.金属

さまざまなタイプの焼結プロセスでは、広範囲の金属を使用できます。これには、鉄、鉄銅、銅鋼、ニッケル鋼、ステンレス鋼 (300 および 400 シリーズ)、高強度低合金鋼 (HSLA)、中炭素鋼および高炭素鋼、拡散硬化性鋼、黄銅、青銅、および軟鉄磁性合金が含まれます。これらはすべて、3D プリントによってグリーン パーツとして構築し、その後焼結して、優れた特性を備えた高品質で低気孔率のパーツを得ることができます。  金属は、プレス、成形、射出成形によって焼結できます。 Xometry は、金属レーザー焼結プロセスであるダイレクト メタル レーザー シンターリング (DMLS) に関する即時見積もりを提供します。

詳細については、メタロイドに関する完全ガイドをご覧ください。

2.セラミックス

ほとんどのセラミックプロセスは、焼結または焼結に近いものとみなされます。一般的に 3D (SLS またはペースト堆積) 印刷され、焼結されたセラミックには、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素などがあります。セラミックは通常、圧縮またはプレス成形によって焼結されます。

3.ポリマー

焼結ポリマーは、大粒子焼結と小粒子焼結の 2 つのカテゴリに分類されます。高気孔率の大粒子焼結は、一般に濾過材料や空気圧サイレンサー材料、および流れ拡散コントローラーとして適用されます。これらには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンが含まれます。小粒子焼結ポリマーは、選択的レーザー焼結などのプロセスで 3D プリンティングに使用されます。これは、ネイティブに近い材料特性とほぼゼロの気孔率を備えた、統合された高強度コンポーネントを製造するために使用されます。例としては、ポリアミド、ポリスチレン、熱可塑性エラストマー、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられます。 Xometry の最も人気のあるプロセスは、選択的レーザー焼結サービスです。いつでもすぐに見積もりを入手できます。

詳細については、ポリマーに関する完全ガイドをご覧ください。

4.複合材料

複合材料の焼結はより複雑な一連のプロセスであり、さまざまな材料がさまざまな方法で処理されます。タングステンカーバイドはタングステンとカーボンの粉末を使用します。加圧加熱酸化により炭素が炭化物に変化します。これにより金属粉末が結合し、金属粉末は変化せずに残ります。特性を高めるために、ガラス、カーボン、および金属繊維が金属粉末焼結体に実験的に含まれています。ある点では、炭素繊維の加工は焼結プロセスです。接着剤マトリックスを圧縮し、熱で活性化してカーボンコンポーネントを接着します。金属酸化物セラミックは、PEEK などのポリマーと実験的に複合され、抵抗半導体の形状を製造します。複合材料の焼結は非常に多様で、圧縮、成形、および限られた場合には射出成形によって実現できます。

5.ガラス

焼結プロセスでは、セラミック釉薬、シリカガラス、鉛ガラス、さらには溶融シリカガラス粉末から作られた焼結ガラススラブなど、さまざまなガラス材料が使用されます。ガラスの焼結は通常、圧縮成形によって行われます。

焼結プロセスの手順は何ですか?

焼結は一連の工程から構成されており、各工程は単純ですが、高い精度の制御が必要です。手順は次のとおりです。

<オル>

構成: 必要な主材料と主カップリング剤を追加して混合します。

圧縮: 粉末（スラリーまたは乾燥）を必要な形状にプレスします。

熱: 加熱は、主カップリング剤を除去し、主材料を低気孔率の全体に融合させることを目的としています。

焼結プロセスはどのくらいの時間かかりますか?

焼結プロセスは通常、完了するまでにわずか数秒しかかかりません。ただし、成形後の焼結ステップは完了するまでに数時間かかる場合があります。部品の焼結製造は、ほとんどの方法で迅速なプロセスです。粉末と一次結合剤はプレス、成型、または射出成型されて未硬化のグリーン状態になりますが、この段階では大きすぎて多孔質で完全に結合していません。その後、部品は熱処理されて粒子の結合が引き起こされます。

焼結にはどのような材料が使用されますか?

焼結は、次のような多くの材料で使用される製造プロセスです。

<オル>

ポリマー: ラピッド プロトタイピング、フィルターとサイレンサーの製造、専門の複合コンポーネント向け

金属: ギアやプーリーなどの小さな金属部品のほとんどは焼結で製造できます。粗い金属粉末を焼結して、フィルター、サイレンサー、オイル封入ベアリングを製造することもできます。

セラミック: ある意味、ほとんどのセラミックスは焼結という形式で製造されます。特に、ジルコニアやアルミナセラミックスが 3D プリンティングのオプションとして登場しています。高温で使用されるギアやベアリングなどの小さな部品は、セラミックから焼結されることがよくあります。

焼結プロセスではどのような種類の部品が製造されますか?

焼結によって製造されるコンポーネントは以下のとおりです。

<オル>

ギアやアクチュエーターなどの自動車部品

開閉装置などの電気コンポーネント

フライス加工、穴あけ、リーマ加工など、あらゆる種類の切削工具

燃料バルブ コンポーネント、アクチュエーター、タービン ブレードなどの航空宇宙コンポーネント

人工関節などの生体医療インプラント

焼結プロセスの利点は何ですか?

焼結にはさまざまな利点があります。

<オル>

このプロセスにより、再現性が高く正確な部品を製造できます。

生産を確立するコストは、大規模な生産に比べて簡単に償却できます。

パーツは優れた外観の結果を得ることができ、仕上げプロセスは必要ありません。

大量生産向けの機械加工不可能な形状も簡単に実現できます。

焼結プロセスのリスクは何ですか?

焼結プロセスのリスクには次のようなものがあります。

<オル>

粉末の粘稠度は、適切に制御されていないと変化し、収縮や全体的なコンポーネントの特性が変化する可能性があります。

一貫した再現可能な結果を達成するには、初期の成形プロセスを正確に制御する必要があります。

成形後の「硬化」プロセスは多様であり、収縮を正確に設定して歪みを防ぐために非常に厳密な制御が必要です。

生産を確立するにはコストがかかるため、製品が売れなければコストが無駄になる可能性があります。

製造プロセスの変動により、脆弱な部品やばらつきのある部品が生じる可能性があります。

焼結に関するよくある質問

焼結プロセスは危険ですか?

それは状況によります。焼結ファミリーには幅広い材料とプロセスがあります。一般に、「グリーン」プロセスは無害ですが、金属およびセラミックのナノ粒子は人体に医学的影響を及ぼすことが報告されており、慎重に取り扱う必要があります。焼結の溶融部分は高温の段階であり、多くの場合、有毒で刺激性のあるポリマー/ワックス成分の除去または燃焼が伴います。高温で引火性のある蒸発/燃焼プロセスでは、通常の安全対策と同様に換気も必要です。

焼結プロセスではどのような安全対策を講じるべきですか?

焼結時に留意すべき安全上の注意事項を以下に示します。

<オル>

熱や潜在的な空気感染の危険から身を守るために、適切な保護具を着用する

換気の良い場所を使用してください。焼結により煙や蒸気が発生する可能性があるため、有害なものとして扱う必要があります。

焼結粉末は危険を伴う可能性があるため、材料の取り扱いには安全な手順に従ってください。

すべての高温プロセスと同様に、消火器を手元に用意し、その使い方を知っておいてください。

焼結は溶解と同じですか?

いいえ、焼結は溶融と同じではありません。焼結には特に部品の一般的な溶融は含まれませんが、十分な熱を加えて粒子を液化せずに融合させます。ポリマーまたは金属パーツの場合、過剰な熱はパーツの構造や形状を損傷する危険性があります。

焼結金属はより強いですか?

いいえ、焼結金属部品は鍛造または機械加工された純正部品よりも強度がありません。適切に製造された場合、焼結部品は機械加工された同等の部品と同じ強度を達成できます。

正しく焼結された金属部品は、通常、主成分の機械的特性のほとんどまたはすべてを引き継ぎます。たとえばステンレス鋼の場合、MIM 部品は一般に、より大きな結晶粒径と微量の気孔が脆弱性を引き起こすため、鍛錬部品または鋳造部品の疲労強度の 80 ～ 90% を達成します。

焼結は溶接と同じですか?

いいえ、焼結は溶接とは異なります。粉末顆粒を全体に融合するには、接触点での溶接形式が含まれることがよくありますが、溶接では溶接点でのフィラーと自然材料の完全な液化が含まれるため、焼結は「溶接」の旗印に該当するプロセスとは大きく異なります。

ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

Dean McClements による記事をもっと読む