金属粉末射出成形（MIM）JIS Z 2551 の発注——材料記号の読み方、試験片の値、寸法と後加工

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この記事は、小さく形の複雑な金属部品を MIM で作ってもらうときに、図面と発注書に何を書き、受け取るときに何を確かめるかをまとめる。粉を金型で押し固めて焼く一般の焼結部品（粉末冶金）の指定は焼結部品を発注するとき指定することで扱っているので、ここでは MIM ならではの点に絞る。

MIM は「樹脂の射出成形」と「焼結」を組み合わせた工法

成形加工の創刊号の解説（1989 年）は、粉末の射出成形を、プラスチックの射出成形と同じような手法で粉末の複雑形状体を量産しようとする工法と説明し、流動させるために加えるバインダの量は潤滑剤程度ではなく、体積で 40〜50 % に達するとしている^[2]。粉とバインダを混ぜて造粒し、射出成形した成形体からバインダを除き、その後に焼結して強さのある焼結品にする。必要なら後加工、熱処理、表面処理を加えて製品にする^[2]。

精密工学会誌の解説（2000 年）も、射出成形を可能にするために通常約 40 vol% と多量の有機バインダを要し、焼結後の線収縮率は 11〜25 %（セラミックスの射出成形の例で、MIM はやや狭い）と高いが、寸法精度は ±0.1〜±0.5 % で、微細で複雑な形や加工しにくい材料に有利だとしている^[3]。一方で短所として、多量のバインダを抜く脱脂に 24〜120 時間と長くかかること、原料に平均 10 μm 程度の微粉が要り、粉末冶金で使う 100 μm 前後の粉に比べて 2 倍以上と高価なので、大型・単純形状の成形品には不利なことを挙げている^[3]。

1989 年の解説は工法の特徴として、金型を使うので大量生産向きで少量生産には適さないこと、バインダを抜いた状態の成形体は体積の約 50 % が空孔だが、焼結後は 95 % 程度以上の高密度になること（この解説の記述で、材料ごとの密度は規格の参考値で確かめる）、焼結時の縮みは大きいが均一に縮むので ±0.5 % 程度の寸法精度に抑えられること、ただし脱バインダの制約で適用できる部品の大きさは小物に限られることを挙げている^[2]。肉が厚くなると脱バインダの昇温を大幅に遅くせざるを得ず、場合によっては数日を要するので、肉厚品や大物部品には適用できない、とも書いている^[2]。

まとめると、MIM が向くのは「小さく、形が複雑で、数量の多い金属部品」である。数個の試作や、大きくて肉の厚い部品には別の工法を考えることになる。

材料は JIS Z 2551 の記号で指定できる

JIS Z 2551（金属粉末射出成形材料－仕様）は、ISO 22068:2012 を基に技術的内容を変更して 2021 年 12 月に制定された規格で、金属粉末射出成形法による材料の化学成分と機械的性質を規定する^[1]。材料は、合金鋼の焼結体（表 1）と熱処理体（表 2）、ステンレス鋼の焼結体（表 3）と熱処理体（表 4）、チタン及びチタン合金の焼結体（表 5）に分けて規定されている^[1]。

記号は附属書 JA の記号体系で、金属射出成形を表す「MIM」で始め、第 1 グループに化学成分（Fe2Ni、SCM415、SUS630、Ti6Al4V など）、第 2 グループに耐力の下限の規定値（MPa）を書き、熱処理体なら続けて「H」を付ける^[1]。たとえば「MIM-SUS316L-140」はオーステナイト系ステンレス鋼 SUS316L の焼結体で耐力 140 MPa 以上、「MIM-SUS630-970H」は析出硬化系ステンレス鋼の熱処理体で耐力 970 MPa 以上の材料である^[1]。いくつかの材料の値を表から抜き出すと次のとおりである。

表の値は JIS Z 2551 の表 1〜表 5 から抜き出したもので^[1]、化学成分の範囲や疲れ強さを含む全体は規格で確かめてほしい。ステンレス鋼とチタンの一部の材料には、10⁷ 回まで試験して壊れなかった応力値として疲れ強さも規定されている^[1]。

規格の値は、規定の型で成形した試験片の値

MIM の材料記号を図面に書けば部品の強さが保証される、と考えると食い違いが起きる。JIS Z 2551 は試験片の作り方として、焼結体は金属粉とバインダを混練したペレットを射出成形し、脱脂・焼結して作るとし、焼結条件は受渡当事者間の協定による、熱処理体の熱処理条件も受渡当事者間の協定によるとしている^[1]。引張試験片は規格の図に示す試験片作製用の金型で作った試験片を用い、規定以外の試験片や機械加工した試験片は受渡当事者間の協定によって使ってもよい、としている^[1]。

密度と見掛硬さは、表で「参考」として示されているだけで、規定値ではない^[1]。焼結材料全般の規格である JIS Z 2550 も、材料を選ぶときは材料特性が化学成分と密度だけではなく製造工程に依存することを考慮するのが望ましく、代替として使う鍛造材や鋳造材の特性と必ずしも同じではない、と注記している^[5]。

したがって、部品の強さや硬さを約束させたいときは、材料記号に加えて、部品そのもので行う試験（部品の引張・破壊荷重、硬さの測定位置と方法、密度の測り方）を図面か仕様書に書く。焼結と熱処理の条件は仕入先が決めるものなので、量産の途中で条件を変えるときに知らせることも取り決めておく。

寸法は「縮み方」で決まる——厳しい寸法は後加工を前提に相談する

JIS Z 2551 は材料の化学成分と機械的性質を決める規格で^[1]、寸法の許容差は決めていない。寸法の精度は工法と形状で決まり、先の解説は ±0.1〜±0.5 %（2000 年）、±0.5 % 程度（1989 年）としている^[2][3]。百分率の精度なので、寸法が大きいほど許容差の幅も大きくなる点に注意したい。

縮み方が場所によって違うと、寸法がずれたり形がゆがんだりする。電気製鋼の論文（1998 年）は、脱脂したステンレス鋼の射出成形体が焼結中にどう縮むかを画像で測り、成形体の密度の分布、加熱中の部位による温度の差、重力、試料と支えとの摩擦といった要因が、縮み方の不均一とゆがみに効くことを示している^[4]。精密工学会誌の解説も、型の設計では各部の偏肉（肉厚の差）を避けることを基本としている^[3]。

発注側としては、図面で「機能に効く寸法」と「そうでない寸法」を分け、焼結のままで出せる寸法と、後加工（切削・研削など）で仕上げる寸法を、見積の段階で仕入先に回答させる。1989 年の解説が述べるように、MIM は後加工をほとんど要しないことがコスト上の利点で^[2]、すべての寸法を厳しくするとその利点が消える。

ISO の名前と JIS の記号は、成分の範囲まで同じとは限らない

海外の仕入先からは、ISO や業界の名前で材料を提示されることがある。JIS Z 2551 は、JIS の一般鋼材との関係を明確にするために、ISO 規格の種類の記号を次のように変えたとしている^[1]。MIM-4140 系→MIM-SCM440 系、MIM-4340 系→MIM-SNCM439 系、MIM-4605 系→MIM-Fe2NiMoC 系、MIM-52100 系→MIM-SUJ2 系、MIM-174PH 系→MIM-SUS630 系^[1]。

名前を置き換えただけではない箇所もある。同じ附属書は、MIM-316L-140 のニッケルの範囲を ISO の 10.0〜14.0 % から 12.0〜15.0 % に、クロムを 16.0〜18.5 % から 16.0〜18.0 % に変え、チタンの酸素の上限を 0.4 % 未満から 0.3 % 未満に、Ti6Al4V のアルミニウムを 5.0〜7.0 % から 5.50〜6.75 % に、バナジウムを 3.0〜5.0 % から 3.5〜4.5 % に変えたとしている^[1]。Ti6Al4V は記号も MIM-Ti6Al4V-600 から MIM-Ti6Al4V-700 に変わり、耐力の規定は 600 MPa 以上から 700 MPa 以上になっている^[1]。ISO で適合している材料が、JIS の記号の成分や耐力を満たすとは限らない、ということである。ISO 規格にある軟磁性材料と腐食試験は、JIS では削除されている^[1]。図面が JIS の記号なら、仕入先の提示する材料が JIS の表の成分と機械的性質を満たすかを、成績で確かめる。

MIM と、押し固める焼結部品を比べる

使ってはいけない考え方

一つ目は、JIS Z 2551 の記号を図面に書いただけで、部品の強さが保証されたと考えることである。規格の値は規定の型で作った試験片の値で、焼結・熱処理の条件は協定による^[1]。二つ目は、密度と硬さを規格値のように受入の合否に使うことである。表の値は参考である^[1]。三つ目は、ISO の名前の材料を、成分を確かめずに JIS の記号に読み替えることである^[1]。四つ目は、肉の厚い大きな部品を、MIM の見積が安いからと選ぶことである。脱バインダの制約がある^[2]。

発注書・図面に書くこと

1. 材料：JIS Z 2551 の種類の記号（焼結体か熱処理体かを含む）。JIS 以外の名前なら成分と機械的性質の値
2. 部品で確かめる強さ：試験の方法・荷重・判定（規格の試験片の値とは別に）
3. 硬さと密度を管理するなら、測る位置と方法、判定の値
4. 寸法：機能に効く寸法の公差、焼結のままか後加工で仕上げるか
5. 熱処理・表面処理の有無と、その後の寸法の扱い
6. 焼結・熱処理の条件や材料の粉を変えるときに知らせること
7. 試作と量産の区別：試作の型や条件が量産と違う場合の扱い
8. 提出してもらう成績：化学成分、試験片の機械的性質、部品の寸法・硬さ

受け取るときに確かめること

初回は、材料の化学成分と規格の試験片の機械的性質の成績を、図面の記号の表と突き合わせる。部品では、決めた位置の硬さ、機能に効く寸法、ゆがみ（平面度・真直度など）を確かめる。焼結での縮みは成形体の密度の分布や支え方の影響を受けるので^[4]、同じ部品でも型の取り数や炉の中の置き方で寸法の出方が違うことがある。取り数ごと、ロットごとに測る数を決めておく。

よくある質問

切削で作っている部品を、MIM に切り替えられますか

小さく形が複雑で数量が多い部品なら候補になる^[2][3]。ただし材料は同じ鋼種名でも MIM の材料として別に規格があり^[1]、密度は 1989 年の解説で 95 % 程度以上とされ^[2]、規格の参考値も材料ごとに示されるだけで^[1]、溶製材とまったく同じではない。強さ・硬さ・寸法を部品で確かめてから切り替える。

見積の精度欄に「±0.3 %」とありました。どう読めばよいですか

寸法に対する割合なので、寸法ごとに許容差の幅を計算して図面の公差と比べる。厳しい寸法がそれを下回るなら、後加工の有無と費用を仕入先に回答させる。

熱処理体の記号「H」が付いた材料なら、熱処理の条件も決まっていますか

決まっていない。JIS Z 2551 は熱処理体の熱処理条件を受渡当事者間の協定によるとしている^[1]。条件を固定したいなら、仕入先と取り決めて記録を出してもらう。

まとめ

MIM は、微細な金属粉に多量のバインダを混ぜて射出成形し、バインダを抜いて焼結する工法で、小さく複雑な部品の量産に向き、肉厚で大きな部品や少量には向かない。材料は JIS Z 2551 の「MIM-系統-耐力下限（H）」の記号で指定でき、規格の値は規定の型で作った試験片の値、焼結・熱処理の条件は協定、密度と硬さは参考値である。寸法は焼結での縮み方で決まるので、厳しい寸法は後加工を含めて見積の段階で確かめる。ISO の名前の材料は、JIS の記号と成分・耐力が同じかを成績で確かめる。

同じ束では、PS・HIPS の選び方、ガラス繊維強化樹脂 GF30 の指定、型彫り放電加工、ねじの転造も扱う。押し固める焼結部品は焼結部品を発注するとき指定すること、別の工法との比べ方はロストワックス（精密鋳造）の発注とダイカストを発注するとき決めること、SUS630 の熱処理はSUS440C と SUS630 の記事を参照してほしい。

出典・参考資料

1. JIS Z 2551:2021 金属粉末射出成形材料－仕様（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2021 年 12 月 20 日制定）
2. 中川威雄「粉末射出成形――その現状と将来――」成形加工 1 巻 1 号（プラスチック成形加工学会／1989 年）
3. 岩橋俊之「セラミックス，金属粉末の射出成形」精密工学会誌 66 巻 10 号（精密工学会／2000 年）
4. 渡辺龍三・水野幸隆「金属粉末射出成形体の不均一焼結収縮－デジタル像相互相関法によるIn-situ測定－」電気製鋼 69 巻 2 号（大同特殊鋼／1998 年）
5. JIS Z 2550:2016 焼結金属材料－仕様（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2016 年 9 月 20 日改正）

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