焼結とは？焼成との違い・用途・メリット・デメリット

焼結加工とは鋳造や鍛造などと同じく金属などを成形する方法の1つです。
幅広い材料に対応できる特徴があります。粉末材料を使用することで、余分な材料を使わないため材料ロスが少なく環境に優しい成形方法です。自動車などの機械部品に多く用いられていて、小ロットから大量生産まで対応が可能です。そのため焼結の知識を学ぶことで、製品の品質向上や原価の改善などに繋がる可能性があります。この記事では焼結の特徴や適応範囲、メリット・デメリットについて詳しく解説します。

 

焼結とは？一般的な焼結工程を理解しよう

焼結とは金属やセラミックスの粉末を成形したのち、高温に加熱して個々の粒子を結合させ、１つのパーツを作り上げる方法です。焼結の基本的な知識や、工程の内容について解説していきます。

 

焼結とは

 

粉末や粉末を圧縮成形した圧粉体を、融点以下の温度で加熱し、緻密化させるプロセスです。焼結により粉末粒子間の接触が点接触から面接触に発展することにより、粒子間の結合が進行し一体化します。焼成とも呼ばれます。

 

プロセス

原料調合　

各種素材を組み合わせることで様々な特性を作り出すことが可能

 

乾燥・成形・脱脂

プレス機などで粉末を押し固め、成形します。

 

焼結

融点以下の高温下で加熱し、粒子同士が結合することで焼結体になります

 

主な焼結法

常圧焼結と加圧焼結の二つに大別され、材料や製品形状により最適な方法を選択しますTECH-JOURNEYではお客様のニーズに合わせ、多種多様な焼結装置を提案させていただきます。

 

①常圧焼結

雰囲気を真空や大気、不活性ガス下で焼結を行う方法です。
常圧焼結炉

 

②加圧焼結

加圧をしながら焼結を行う方法で、常圧焼結に比べ緻密な焼結体が得ることができます。また、加圧することで難焼結性の材料も焼結可能となります。加圧方法には大きく2種類あり、プレス機構による加圧を行う方法と雰囲気ガスによるガス加圧を行う方法があります。

 

プレスによる加圧　

焼結用ホットプレス

ガス圧による加圧　

加圧焼結炉

 

用途例

各種セラミックス、ターゲット材、各種工具材、磁石、電子材料用基板、半導体製造装置部材など

 

焼結と焼成の違い

焼結と焼成はともに金属やセラミックスなどの材料に、熱を加えて製品を作り上げる処理方法です。材料に熱を加えると原料粒子同士の結合が進みます。
焼結はおもに金属系の粉末材料を使用して加熱により粉末粒子間を結合させて収縮を引き起こす工程です。一方、焼成はセラミックス系の材料を用いることが多く、加熱により高温度で化学反応を引き起こして機械的強度をあげる工程です。

 

焼結に用いる粉末の種類

焼結に使われる粉末には金属、金属加工物、セラミックス、複合材料など様々な種類があります。

材質	粉末種類
セラミックス	アルミナ、ジルコニア、フェライト磁石、窒化チタン、窒化ケイ素など
鉄系金属	ステンレス鋼、炭素鋼、工具鋼など
非鉄金属	ニッケル合金、チタン合金、コバルト合金など
金属間化合物	希土類磁石、二珪化モリブデン、チタンアルミなど
複合材料	サーメット、超硬合金など
その他	ナイロン、フェノール樹脂、ポリエチレンなど

これらは幅広い工業分野・機械部品に用いられている材料で、その大きさは数ミクロンから数十ミクロン程度のものが多く使われます。

 

一般的な焼結の工程

一般的な焼結工程は4工程に分かれています。

1. 混合・粉砕工程
2. 成形工程
3. 脱脂・焼結工程
4. 加工・検査工程

 

焼結のメリット・デメリット

それでは焼結加工のメリット、デメリットを解説していきます。

 

メリット

粉末金属のほとんどが焼結可能

金属材料でブロックから加工することが難しい場合や、融点が高いタングステンやモリブデンなどの材料でも焼結が可能です。

 

材料ロスが少ない

機械加工ではどうしても金属などを削った時の切粉が発生したり、削った後に半端な材料が残ったりと材料のロスが発生します。その点、焼結加工では材料が粉末のため、製品形状を成形するのに必要な分量の材料だけを使用すればよいので材料ロスが少なくなります。鋳造に比べても歩留まりが良く、材料費を下げられるメリットがあります。

 

形状・配合が自由に決められる

焼結では粉末状の材料を任意の形状に成形することが可能です。
そのため機械加工や鋳造では難しい、複雑な形状でも加工することが可能です。また焼結加工は材料の融点以下で加工するため、鋳造加工より低コストで製造することができます。

 

デメリット

コストがやや高くなる

焼結では粉末材料が必要となります。粉末材料のほうがブロック状の材料より単価が高いものもあり、材料によっては製造コストが高くなることがあります。材料ロスが少ないメリットを生かして、いかに材料費を抑えられるかが重要なポイントです。また、焼結前の準備として粉末の造粒やブレンド、焼結後の最終加工が必要な場合も多く、工程に応じた設備が必要となります。製品の使用用途などを考慮して、焼結部品で良いか、別の加工方法を選択すべきか慎重に検討する必要があります。

 

焼結前の成形方法の種類

焼結前の成形方法の種類をいくつか紹介します。

• プレス成形法
• 射出成形法
• 鋳込み成形法

 

プレス成形法

おもなプレス成形は金型を使った成形方法です。焼結においてもっともよく使われる方法で、金型を使用します。粉末を固定金型に充填した後に、可動金型をプレスして製品形状に成形します。粉末や金型間で起きる摩擦を低減するために、潤滑剤を使用する場合もあります。潤滑剤には、ステアリン酸やステアリン酸亜鉛の他、さまざまな種類が利用されます。またプレス時の加圧力を高めると製品の密度が増して、強度が上がります。さらに製品の密度を上げて高強度を得たいときは、有機物の添加物を加えることもあります。これをバインダーと呼びます。

 

射出成形法

プレス成型以外の成形方法で代表的なものは射出成形です。
金属粉末（MIM：Metal Injection Molding）、セラミックス粉末（CIM：Ceramics Injection Molding）のいずれにも対応可能で、小型で生産量が多い製品によく利用されています。高温の粉末をプラスチック系の材料と混ぜて、金型に射出機で押し込む方法で、複雑な製品形状でも成形することができます。

 

鋳込み成形法

その他の成形方法に鋳込み成形（スリップキャスティング）があります。
鋳込み成形とは、金属を溶解して鋳型に流し込む鋳造方法と同様の工法です。
金属などの粉末を溶剤と混ぜてスラリー化して、型に流し込み離型して乾燥させます。セラミックス粉末の焼結によく使われる方法で、昔から食器や瓦などの製造に使用されてきました。デメリットは成形時間が長く、大量生産に向かないことです。スリップキャスティングのデメリットを改善した方法として、ゲルキャスティングという方法があります。成形時間が短縮できて、成形品の密度も均質化可能な特徴があり、セラミックス以外に金属にも適応範囲が広がっています。

 

焼結加工で作られる成形品の用途

金属部品であれば自動車など、機械全般に使われる部品は焼結加工でよく作られています。複雑な形状の小型機械部品によく使われます。
その他にも電池材料の製造やセラミックス部品によく利用されています。

 

まとめ

ここまで焼結工程の基本的な知識や、工程の流れ、メリット・デメリットや用途について解説してきました。焼結は金属やセラミックス粉末から、細かい形状の製品を成形できるため適応範囲が広く、おもに小型の機械用部品の生産で利用されています。少量多品種生産から大量生産まで対応が可能で、材料ロスが少なく鋳造加工に比べて、加熱温度が低く環境負荷が小さい加工方法といえます。一方で材料を粉末状に加工する必要があるため、コストが上がりやすいため事前に原価を精査するなど注意する必要があります。