(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を所定の割合で混合する混合工程と、混合した金属粉末を型に入れ、プレス機で圧力を加えつつ通電して緻密な圧粉成形体を得る焼結前処理工程と、得られた圧粉成形体を前記型とは別の焼結炉で焼結処理する焼結工程と、からなる焼結金属成形品の製造方法であって、
前記通電は、パルス通電であり、前記混合工程では、金属粉末に潤滑材を含めぬことを特徴とする焼結金属成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はより緻密な焼結金属成形品を得ることのできる製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイに粉末金属を入れ、パンチで押し固めて圧粉成形体を造り、この圧粉成形体を焼結炉にて焼結する焼結製造方法は、広く実施されている。
しかし、得られた焼結品に微細な隙間が存在するために、高い強度を要求される部品には不向きである。
【０００３】
そこで、緻密な焼結品を得る技術として、例えば、特開平６−１７１０２号公報「焼結固化方法」があり、同公報の図１に記載されている焼結固化装置Ａは、真空チャンバー８内にて、焼結粉末１（符号は公報記載のものをそのまま使用）を型２に入れ、パンチ３，４及び油圧シリンダ５，６で加圧しながらパンチ３，４にパルス変調機１０で通電加熱するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の装置Ａは、ホットプレスと称し、加圧−通電加熱−焼結を全て真空チャンバー８内で連続的に実施するところのバッチ装置である。即ち、焼結品は１個ずつしか製造することができず、製造コストが嵩むことになる。
一方、例えば車両部品なら、需要が多いため多量生産が必要となり、１個ずつ製造するような装置は適当とはいえない。
そこで、本発明は従来の粉末成形−焼結プロセスを改良して、より緻密な焼結品を得ることのできる製造方法を提供することを目的としてなしたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、金属粉末を所定の割合で混合する混合工程と、混合した金属粉末を型に入れ、プレス機で圧力を加えつつ通電して緻密な圧粉成形体を得る焼結前処理工程と、得られた圧粉成形体を型とは別の焼結炉で焼結処理する焼結工程と、からなる焼結金属成形品の製造方法であって、通電がパルス通電であり、混合工程では、金属粉末に潤滑材を含めぬことを特徴とする。
【０００６】
プレス段階で、圧粉成形と同時に通電による緻密化処理を実行する。この結果、焼結炉に投入する前の圧粉成形体の緻密度を十分に高めることができ、後の焼結品に好影響を与える。
【０００７】
また、パルス通電により、金属粉末同士の接触部に放電を発生させる。放電により金属粉末同士の部分的軟化変形を促し、緻密化を促進する。
【０００８】
さらに、潤滑材は電気伝導性を低下させるおそれがあり、潤滑材を含めぬことで放電を促すことができ、より成形体の緻密化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る焼結金属成形品の製造装置のレイアウト図であり、焼結金属成形品の製造装置１０は、金属粉末を所定の割合で混合する混合機２０と、混合した金属粉末を型に入れプレスするプレス機及びこのときに前記型に通電する給電設備とからなる焼結前処理装置３０と、得られた圧粉成形体を前記型とは別の場所で焼結処理する焼結炉５０と、得られた焼結金属成形品を所定の形状に、サイズに整えるサイジングプレス６０とからなる。
本発明は、焼結炉５０の前設備である焼結前処理装置３０で成形のみならず通電することで圧粉成形体をより緻密にすることを特徴とする。そのための焼結前処理装置３０の構成を次に詳しく説明する。
【００１０】
図２は本発明に係る焼結前処理装置の原理図であり、焼結前処理装置３０は、下パンチ３１、ダイ３２及び上パンチ３３からなる型３５と、スタンド３６にベース３７及び、上ラム３８を昇降させるシリンダ３９を備えたプレス機４０と、下パンチ３１並びに上パンチ３３に給電する給電設備４２とからなる。なお、ダイ３２は電気的絶縁材、３４，３４は電気的絶縁層であって、下パンチ３１、金属粉末、上パンチ３３のルートが通電路となる。
【００１１】
また、プレス機４０は油圧発生ユニット４４でシリンダ３９を作動させる油圧式プレスマシンとしたが、図１に略図化しものはメカニカルプレスと称する機械式プレスマシンであり、プレス機４０は格別に形式、構造を規定するものではない。また、下パンチ３１を上パンチ３３と同様に昇降させるものであってもよい。
なお、４１はダイ３２を弾性的に支えるスプリングであり、圧粉体の収縮とともにダイ３２を下降可能とするものである。しかし、ダイ３２は別の手段でスタンド３６側に支持させることは差支えない。
【００１２】
給電設備４２は、好ましくはパルス通電を実施する設備である。
図３は本発明で採用したパルス通電の説明図であり、横軸を時間、縦軸を電流とすれば、ｔ１時間通電し、ｔ２時間非通電とすることを繰り返すものである。
通電（オン）時間ｔ１は例えば４０ミリ秒、非通電（オフ）時間ｔ２は例えば７ミリ秒とする。
【００１３】
以上の構成からなる製造装置１０を用いて実施する焼結金属成形品の製造方法を次に説明する。
図４は本発明の焼結金属成形品製造フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：先ず、複数種の金属粉末を配合し、十分に混合する。このときに、潤滑材を混合することは差支えないが、その量は少ない方（好ましくはゼロ）が良い。潤滑材が絶縁材となって、金属粉末間で発生する放電現象の妨げになるからである。
ＳＴ０２：混合した金属粉末を型に入れる。
ＳＴ０３：プレス機で金属粉末を圧縮する。同時に、通電して金属粉末間で放電させる。
ＳＴ０４：得られた圧粉成形体を型から外す。
ＳＴ０５：この圧粉成形体を焼結炉で焼結処理する。
ＳＴ０６：焼結金属成形品を所望の形状、サイズに整える。
即ち、ＳＴ０１が混合工程、ＳＴ０２〜０４が焼結前処理工程、ＳＴ０５が焼結工程になる。
【００１４】
【実施例】
本発明に係る実験例を次に説明する。なお、本発明方法はこの実験例に限定するものではない。
実験は、（１）通電の効果を調べる実験と、（２）潤滑材の影響を調べる実験とを実施した。
【００１５】
（１）通電の効果を調べる実験
（１−１）共通条件：
・金属粉末      鉄粉−銅粉１．５％−炭素粉０．６％−潤滑材（Ｚｎｓｔ（ステアリン酸亜鉛））０．７５％の混合物
・サンプル      ２０ｍｍ径×５ｍｍ高さ
（１−２）変動条件：
・雰囲気      真空／大気
・通電        有／無
・加圧力      ７ｔｏｎ／ｃｍ2又は５ｔｏｎ／ｃｍ2
【００１６】
（１−３）測定項目
・通電における温度上昇
・一部のテストでの硬さ（ＨＲＢ、ロックウエルＢスケール）
・密度
同一のサンプルを複数個準備し、条件を変えてテスト１〜テスト７を実施した。この模様と結果を次の表で示す。
【００１７】
【表１】
0003730055.tif 000002
【００１８】
この表の右欄に示した密度を見ると、テストの条件によって差があることが分かる。そこで、密度をグラフ化することで、対比説明することにした。
図５はテスト１とテスト２との比較グラフであり、両テストとも真空雰囲気で行ったものであり、非通電条件の「テスト１」では、７．２１ｇ／ｃｍ3の成形品が得られたのに対し、２０００Ａをパルス通電した「テスト２」では、７．３４ｇ／ｃｍ3の成形品が得られた。従って、テスト２ではテスト１より１．８％高い緻密な成形品を得ることができた。
【００１９】
図６はテスト３とテスト４との比較グラフであり、両テストとも大気雰囲気で行ったものであり、非通電条件の「テスト３」では、７．０７ｇ／ｃｍ3の成形品が得られたのに対し、４０００Ａをパルス通電した「テスト４」では、７．２８ｇ／ｃｍ3の成形品が得られた。従って、テスト４ではテスト３より３％高い緻密な成形品を得ることができた。
【００２０】
図７はテスト５〜テスト７との比較グラフであり、全テストとも大気雰囲気で行ったものであり、非通電条件の「テスト５」では、６．８０ｇ／ｃｍ3の成形品が得られたのに対し、２０００Ａをパルス通電した「テスト６」では、６．９２ｇ／ｃｍ3の成形品が得られ、４０００Ａをパルス通電した「テスト７」では、７．０９ｇ／ｃｍ3の成形品が得られた。従って、テスト７ではテスト５より４．３％高い緻密な成形品を得ることができた。
【００２１】
表１、図５〜図７から、（大気雰囲気，加圧力５ｔ／ｃｍ2）＜（大気雰囲気，加圧力７ｔ／ｃｍ2）＜真空雰囲気、の順で緻密な成形体が得られること、通電すると非通電より１．８〜４．３％の密度アップが望めることが分かった。
以上は潤滑材を混合したときのものであるが、次に潤滑材なしの実験を行う。
【００２２】
（２）潤滑材の影響を調べる実験とを実施した。
（２−１）共通条件：
・金属粉末      鉄粉−銅粉１．５％−炭素粉０．６％の混合物
・サンプル      ２０ｍｍ径×５ｍｍ高さ
・雰囲気        大気
・加圧力        ５ｔｏｎ／ｃｍ2
（１−２）変動条件：
・通電        有／無
・潤滑材      有（Ｚｎｓｔ０．７５％）／無
【００２３】
（１−３）測定項目
・通電における温度上昇
・一部のテストでの硬さ（ＨＲＢ、ロックウエルＢスケール）
・密度
同一のサンプルを複数個準備し、条件を変えてテスト１１〜テスト１６を実施した。この模様と結果を次の表で示す。
【００２４】
【表２】
0003730055.tif 000003
【００２５】
表の右欄示した密度ではテスト間の差異が不明瞭であるから、グラフにして検討する。
図８はテスト１１〜テスト１６の結果をプロットしたグラフであり、横軸は電流、即ち０は非通電、２０００Ａ及び４０００Ａは通電したことを示し、縦軸は密度を表わす。
【００２６】
太線はテスト１１〜１３、即ち潤滑材を含まぬサンプルで実験を行ったものであり、細線はテスト１４〜１６、即ち潤滑材を含むサンプルで実験を行ったものである。太線と細線との間には明らかな差異があり、例えば潤滑材条件を除く条件が同一であるテスト１３とテスト１６を比較すると、７．２％もの密度の差が認められた。
【００２７】
図９（ａ），（ｂ）は本発明に係る放電現象の模式図である。
（ａ）において、加圧により金属粉末７１・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）は偏平化し、互いに点で接触していると考えられる。そこで、通電すると点接触の箇所に、両矢付き矢印で示すような放電が発生し、ここで局部的に加熱軟化が生じて変形しやすくなる。
（ｂ）に示す通り、結果として隙間Ｓ・・・の体積が小さくなり、全体的な密度が大きくなる。
【００２８】
このときに、通電性のあまりよくない潤滑材が介在すると、放電作用が弱まることが考えられる。従って、潤滑材を使用しない方が、密度をより高めることができるといえる。
【００２９】
また、通電には「連続」通電と「パルス」通電とがある。
連続通電をすると、圧粉成形体への投入電気エネルギーが過大となるだけでなく放電が発生しないため、粉末の軟化変形が進まず、効果的な緻密化が行われない。
この点、パルスであれば、通電と非通電とを繰り返すことにより放電を発生させ効果的に緻密化を図ることができる。
【００３０】
そもそも焼結は、粉末同士を溶融温度より若干下の温度に保つことで、原子間結合を促すことを基本原理とする。
「通電焼結の場合の通電目的」は粉末を加熱し原子拡散による焼結結合を促すことであるが、「本発明の場合の通電目的」は単に粉末を軟化させ圧縮性を良好にすることにある。従って、本発明を実施する上で、原子拡散による焼結結合を伴わなくとも差支えない。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、プレス機で多量に製造した圧粉成形体をまとめて焼結炉で焼結処理するため焼結金属成形品を量産できるとともに、プレス段階で、圧粉成形と同時に通電による緻密化処理を実行する。この結果、焼結炉に投入する前の圧粉成形体の緻密度を十分に高めることができ、後の焼結品に好影響を与える。
【００３２】
また、パルス通電により、金属粉末同士の接触部に放電を発生させる。放電により金属粉末同士の部分的軟化変形を促し、緻密化を促進する。
【００３３】
さらに、混合工程で、金属粉末に潤滑材を含めぬことにした。
潤滑材は電気伝導性を低下させるおそれがあり、潤滑材を含めぬことで放電を促すことができ、より成形体の緻密化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る焼結金属成形品の製造装置のレイアウト図
【図２】本発明に係る焼結前処理装置の原理図
【図３】本発明で採用したパルス通電の説明図
【図４】本発明の焼結金属成形品製造フロー図
【図５】テスト１とテスト２との比較グラフ
【図６】テスト３とテスト４との比較グラフ
【図７】テスト５〜テスト７との比較グラフ
【図８】テスト１１〜テスト１６の結果をプロットしたグラフ
【図９】本発明に係る放電現象の模式図
【符号の説明】
１０…焼結金属成形品の製造装置、２０…混合機、３０…焼結前処理装置、３５…型、４０…プレス機、４２…給電設備、５０…焼結炉、７１…金属粉末。
【図１】
0003730055.tif 000004
【図２】
0003730055.tif 000005
【図３】
0003730055.tif 000006
【図４】
0003730055.tif 000007
【図５】
0003730055.tif 000008
【図６】
0003730055.tif 000009
【図７】
0003730055.tif 000010
【図８】
0003730055.tif 000011
【図９】
0003730055.tif 000012