(57)【要約】【課題】  成形用材料を用いて、歩留まりが良く、かつ略均一状態のせん断付与成形体を得ることのできるせん断付与方法を提供すること。【解決手段】  加圧パンチ２３の加圧で成形用材料２５を移動させてせん断付与成形体２７を成形するせん断付与装置Ａの材料通路１５を、材料供給通路１３と、材料供給通路１３に対して９０度の角度で連通する材料押出通路１４で構成した。そして、材料供給通路１３と材料押出通路１４との成形用材料２５の移動方向に直交する断面を、材料供給通路１３と材料押出通路１４との角部１６の稜線部１６ａに沿う方向の長さが、稜線部１６ａに直交する方向の長さよりも長い長方形に形成した。また、背圧パンチ２４にストッパーを設けて角部１６の稜線部１６ａの位置よりも前方に進出しないようにした。さらに、材料押出通路１４内にアルゴンガスを充填して成形用材料２５を供給するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈曲した角部を備えた材料通路の材料供給口側から材料押出口側に向けて、箔片状のＢｉＴｅ系熱電素子用材料を加圧して移動させることにより、せん断付与成形体を成形するせん断付与方法であって、
前記材料通路の前記材料供給口側および前記材料押出口側の両方における前記ＢｉＴｅ系熱電素子用材料の移動方向に直交する通路断面を、前記角部の稜線に沿う方向の長さが、前記稜線に直交する方向の長さよりも長い長方形に形成したせん断付与装置に、前記材料通路の前記材料供給口から前記ＢｉＴｅ系熱電素子用材料を、積層させて供給する材料供給工程と、
前記材料通路に供給されたＢｉＴｅ系熱電素子用材料を、前記材料供給口側から加圧して移動させるとともに背圧を付与して、前記ＢｉＴｅ系熱電素子用材料が前記角部を通過するときにせん断変形させるせん断付与工程と
を備えたことを特徴とするせん断付与方法。
【請求項２】
前記せん断付与工程における背圧の付与を、前記材料通路の角部よりも材料押出口側部分で移動可能な従加圧部によって行うとともに、前記従加圧部が前記材料通路の角部に進入することを防止するための進入防止部を設けた請求項１に記載のせん断付与方法。
【請求項３】
前記材料供給工程において、前記材料通路内に前記ＢｉＴｅ系熱電素子用材料を供給する前に、前記材料通路内を排気してアルゴンガスを充満させる請求項１または２に記載のせん断付与方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形用材料を、せん断変形させながら押出し加工することによりせん断付与成形体を成形するせん断付与方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金型に屈曲した材料通路を設け、この材料通路に金属材料を供給するとともに、材料供給口側から圧力を付与して金属材料を材料押出口に移動させる押出加工が行われている（例えば、特許文献１参照）。これによると、金属材料が加圧状態で材料通路の屈曲部を通過するときにせん断付与され、このせん断付与によってせん断変形することにより、金属材料の密度等に関する特性が向上する。
【０００３】
このような押出加工において使用する金型では、材料通路の断面形状が円形や正方形に形成されており、また、その材料通路は、屈曲部を挟んで、材料供給口側の材料供給通路と、材料押出口側の材料押出通路で構成されている。そして、金属材料は、材料供給通路内に充填されたのちに、プランジャー等の加圧部材によって加圧され、材料押出通路を通過して材料押出口から出て行く。
【０００４】
この場合、押出加工されたせん断付与成形体の先端部は、金属材料が材料供給通路に充填された際に、屈曲部に位置していた部分となる。したがって、加圧状態で屈曲部を通過していないためせん断付与がされてない。また、せん断付与成形体の後端部も、押出加工の終了時に、屈曲部に位置していた部分でせん断付与がされてない。このため、せん断付与成形体の先端部と後端部を除いた部分が製品として使用されている。
【特許文献１】特開２００１−３１６７８９号公報
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の方法によって成形されたせん断付与成形体では、先端部と後端部の除去される部分が多いため、せん断付与成形体の歩留まりが悪くなるという問題がある。また、金属材料が屈曲部を通過する際に、屈曲部の内角側部分を通過する金属材料と屈曲部の外角側部分を通過する金属材料との間で付与されるせん断に差が生じ、均一な状態のせん断付与成形体の成形が難しいという問題もある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、成形用材料を用いて、歩留まりが良く、かつ全体が略均一な状態になるせん断付与成形体を得ることのできるせん断付与方法を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明に係るせん断付与方法の構成上の特徴は、屈曲した角部を備えた材料通路の材料供給口側から材料押出口側に向けて、箔片状のＢｉＴｅ系熱電素子用材料を加圧して移動させることにより、せん断付与成形体を成形するせん断付与方法であって、材料通路の前記材料供給口側および材料押出口側の両方におけるＢｉＴｅ系熱電素子用材料の移動方向に直交する通路断面を、角部の稜線に沿う方向の長さが、稜線に直交する方向の長さよりも長い長方形に形成したせん断付与装置に、材料通路の材料供給口からＢｉＴｅ系熱電素子用材料を、積層させて供給する材料供給工程と、材料通路に供給されたＢｉＴｅ系熱電素子用材料を、材料供給口側から加圧して移動させるとともに背圧を付与して、ＢｉＴｅ系熱電素子用材料が角部を通過するときにせん断変形させるせん断付与工程とを備えたことにある。
【０００８】
このように構成した本発明のせん断付与方法では、材料通路の断面を、角部の稜線に沿う方向の長さが、稜線に直交する方向の長さよりも長い長方形に形成し、成形されたせん断付与成形体が、長方形の断面形状を有する板状体になるようにしている。このため、通路断面を円形に形成した場合や正方形に形成した場合と比較して、先後端部の除去する部分が大幅に減少し、歩留まりが向上する。すなわち、成形されたせん断付与成形体のなかで、せん断付与されずに除去される先端部と後端部の体積は、材料通路の断面積と、角部における成形用材料の移動方向の長さとの積で求められる。
【０００９】
そして、この角部における成形用材料の移動方向の長さは、角部における内角側の稜線上の点と外角側の谷線上の点とを結ぶ線を対角線とする面の一辺の長さと略等しくなる。したがって、せん断付与成形体の歩留まりを向上させるためには、前述した移動方向の長さを短くすること、言い換えると、角部における稜線に直交する部分の面積を小さくしたり、稜線上の点と谷線上の点を結ぶ線を短くしたりすることが有効となる。このため、材料通路の断面形状を、材料供給口側部分と材料押出口側部分との角部の稜線に沿う方向の長さが稜線に直交する方向の長さよりも長くなった長方形に形成することによって歩留まりの向上が可能になる。
【００１０】
また、材料通路の断面における角部の稜線に直交する方向の長さが短くなるため、角部の内側部分（稜線側部分）を通過する成形用材料と、角部の外側部分（谷線側部分）を通過する成形用材料とに付与されるせん断に生じる差が小さくなり略均一な状態のせん断付与成形体が得られる。また、材料通路における材料供給口側部分に対する材料押出口側部分の所定角度としては、１８０度未満であればよいが、好ましくは、６０度〜１２０度の範囲の角度である。
【００１１】
また、本発明に係るせん断付与装置の他の構成上の特徴は、せん断付与工程における背圧の付与を、材料通路の角部よりも材料押出口側部分で移動可能な従加圧部によって行うとともに、従加圧部が材料通路の角部に進入することを防止するための進入防止部を設けたことにある。これによると、背圧で低密度時の成形用材料が押し潰されることを防止できる。
【００１２】
また、本発明に係るせん断付与装置のさらに他の構成上の特徴は、材料供給工程において、材料通路内にＢｉＴｅ系熱電素子用材料を供給する前に、材料通路内を排気してアルゴンガスを充満させることにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るせん断付与方法で用いられるせん断付与装置Ａを示している。このせん断付与装置Ａは、金型１０と、金型１０に組み付けられた加圧装置２０とで構成されている。金型１０は、チタン、鉄を含む合金からなる下部型１１と上部型１２とで構成されており、内部に、材料供給通路１３と材料押出通路１４とからなるＬ字状に屈曲した材料通路１５が形成されている。
【００１４】
材料供給通路１３と材料押出通路１４とが交差する角度は９０度に設定されており、その直方体になった交差部が本発明の角部１６になっている。また、図２に、上部型１２に形成された材料供給通路１３および材料押出通路１４を示すように、材料供給通路１３および材料押出通路１４の断面形状（材料供給通路１３の材料供給口１３ａおよび材料押出通路１４の材料押出口１４ａと同じ形状）は、長方形に設定され、その長辺１７の長さは４ｃｍに設定され、短辺１８の長さは１ｃｍに設定されている。
【００１５】
加圧装置２０は、駆動部２１と、ロッド２２を介して駆動部２１に連結された本発明の加圧部材としての加圧パンチ２３とで構成されており、加圧パンチ２３は、駆動部２１の駆動によって材料供給通路１３内を上下に進退移動する。すなわち、この加圧パンチ２３の下端面２３ａは、駆動部２１の駆動により、材料供給通路１３の上端部である材料供給口１３ａよりもさらに上方に上昇して材料供給口１３ａを開口することができる。また、加圧パンチ２３の下端面２３ａは、材料供給通路１３と材料押出通路１４とが交わる角部１６における内角側の稜線部１６ａの位置まで下降することができる。
【００１６】
また、加圧装置２０は、材料押出通路１４内を、駆動部（図示せず）の駆動によって図示の左右に進退移動する背圧パンチ２４も備えている。この背圧パンチ２４は、材料押出通路１４に押し出されてくる成形用材料（図３参照）２５に対して小さな圧力を負荷するもので、これによって、成形用材料２５に、より良好なせん断付与が行える。特に、成形用材料２５が粉体や粒状体である場合には、最初に供給された成形用材料２５を角部１６からはみ出させずその形状を維持させるために大きな効果を奏する。この背圧パンチ２４は、材料押出通路１４の材料押出口１４ａよりもさらに後退して、材料押出口１４ａを開口することができ、また、角部１６の稜線部１６ａの位置まで進入することができる。
【００１７】
また、このせん断付与装置Ａは、減圧可能になった真空チャンバ内に設置されており、前述した各装置の外、真空チャンバ内にアルゴンガスを供給するためのアルゴンガス供給装置、金型１０等を加熱するための加熱装置および制御装置（図示せず）等も備えている。そして、制御装置の制御によって、加圧装置２０等の各装置が予め制御装置に入力された設定に従って自動的に駆動制御される。
【００１８】
つぎに、以上のように構成したせん断付与装置Ａを用いて、粉末材料からなるせん断付与成形体を成形する方法についてのべる。ここでは、熱電モジュールに使用する熱電素子の例をとって説明する。せん断付与成形体の成形に際しては、まず、熱電素子用の粉末材料を製造する。この場合、例えば、Ｎ型熱電素子を成形するための原料を秤量して、Ｂｉ2Ｔｅ2.7Ｓｅ0.3の割合からなる材料を準備する。ついで、この材料を石英管に真空封止し、その石英管に封止した材料を６５０℃の温度で加熱しながら揺動して溶解し、凝固する。
【００１９】
そして、この凝固された材料を、アルゴン雰囲気中で８００℃に加熱して、単ロール液体急冷装置を用いて箔化する。この箔化は、高速回転する冷却ロールの周面に、溶解された材料を落下させることにより、急冷して箔化するものである。これによって得られた箔片材料を水素雰囲気中で４００℃に加熱することによって脱酸素処理を行い、粉末材料からなる熱電素子用の成形用材料２５が得られる。この場合の成形用材料としては、双ロール急冷装置、アトマイズ法によって得られる粉末材料や凝固砕粉を用いてもよい。また、これらを冷間プレス、常圧焼結、ホットプレス、ＣＩＰ、ＨＩＰ等で仮成形したものを用いてもよい。
【００２０】
つぎに、加圧装置２０の駆動部２１を駆動させて加圧パンチ２３を材料供給口１３ａの上方に上昇させ、材料供給口１３ａを開口するとともに、背圧パンチ２４を角部１６の稜線部１６ａの位置まで進入させる。そして、材料供給口１３ａから、材料供給通路１３内に、成形用材料２５を入れる。この場合、成形用材料２５を構成する各箔片が、傾倒した状態で積層するように成形用材料２５を材料供給通路１３内に充填する。つぎに、真空チャンバ内を排気して減圧したのち、アルゴンガス供給装置を作動させ、真空チャンバ内にアルゴンガスを充満させる。そして、加熱装置をオンにして真空チャンバ内の温度を４５０℃に昇温したのちに、加圧装置２０を駆動させる。
【００２１】
この場合、背圧パンチ２４には、角部１６の方向に、５０ｋｇｆ／ｃｍ2の背圧を付与し、その状態で、加圧装置２０の加圧パンチ２３を、図３の矢印ａの方向に、０．３ｍｍ／分の速度で下降させる。これによって、成形用材料２５は、背圧パンチ２４の背圧を受けて圧縮されながら、矢印ｂの方向に移動していく。この成形用材料２５が、角部１６を通過するときに、せん断力が加わって、成形用材料２５は、より配向性を高められるとともに、高密度化される。これによって、成形用材料２５の硬度も増加する。
【００２２】
そして、加圧パンチ２３は、その下端面２３ａが、角部１６の稜線部１６ａに到達するまで下降し、その間、成形用材料２５は、断面形状が長方形の板状のせん断付与成形体に成形されて、材料押出通路１４の材料押出口１４ａ側に移動していく。この押出加工の際、背圧パンチ２４の先端面２４ａは、角部１６の稜線部１６ａの位置から徐々に材料押出口１４ａ側に後退していく。ここでは、加圧パンチ２３を角部１６の稜線部１６ａの位置よりも下方に進出させないようにしている。
【００２３】
これにより、成形されるせん断付与成形体の断面形状が、先端から後端まで一定になる。また、背圧パンチ２４を角部１６の稜線部１６ａの位置よりも前方には進出させない。これにより、背圧パンチ２４の背圧で、低密度時の成形用材料２５が押し潰されることを防止している。これは、例えば、背圧パンチ２４にストッパーを設けるようにすればよい。
【００２４】
つぎに、図４に示したように成形されたせん断付与成形体２７を、金型１０から取り出して、図４に示した先端部２７ａと後端部２７ｂをそれぞれ端面から１ｃｍ分切断して除去する。そして、残りのせん断付与成形体２７ｃを、長手方向（押出し方向）と直交する方向に切断して所定の厚みの複数の板状体にする。ついで、切断された板状体の両切断面にニッケルメッキを施し、これをさらに、ニッケルメッキ面が両端面となるように切断して直方体のＮ型熱電素子に形成する。同様にして得られたＢｉ0.4Ｓｂ1.0Ｔｅ3のようなＰ型熱電素子と組み合わせて、この熱電素子の両メッキ面を、一対の上下基板に設けた電極にそれぞれ接合することにより熱電モジュールが得られる。
【００２５】
つぎに、せん断付与処理によって得られたせん断付与成形体２７における歩留まりを、図５に示した断面形状が円形のせん断付与成形体２８および図６に示した断面形状が正方形のせん断付与成形体２９の歩留まりと比較した。この場合、せん断付与成形体２８は、半径を１．１２８ｃｍに設定して断面積を４ｃｍ2にし、長さを１０ｃｍとした。また、せん断付与成形体２９は、縦横の長さを２ｃｍに設定して断面積を４ｃｍ2にし、長さを１０ｃｍとした。これによって、各せん断付与成形体２７，２８，２９は、すべて断面積が４ｃｍ2で、長さが１０ｃｍとなり、体積が４０ｃｍ3の成形体となる。
【００２６】
この場合、せん断付与成形体２７では、除去される先端部２７ａと後端部２７ｂとの体積がそれぞれ、断面積４ｃｍ2と、長さ１ｃｍとの積である４ｃｍ3となり、除去される部分の体積は８ｃｍ3となる。したがって、全体の体積歩留まりは、８０％となる。また、せん断付与成形体２８では、除去される先端部２８ａと後端部２８ｂとの体積がそれぞれ、断面積４ｃｍ2と、長さ（直径と略等しくなる）２．２５６ｃｍの積である９．０２４ｃｍ3となり、除去される部分の体積は１８．０４８ｃｍ3となる。したがって、全体の体積歩留まりは、５５％となる。
【００２７】
また、せん断付与成形体２９では、除去される先端部２９ａと後端部２９ｂとの体積がそれぞれ、断面積４ｃｍ2と、長さ２ｃｍとの積である８ｃｍ3となり、除去される部分の体積は１６ｃｍ3となる。したがって、全体の体積歩留まりは、６０％となる。この結果から、せん断付与成形体２７の歩留まりが最もよく、つぎに、せん断付与成形体２９の歩留まりがよく、最も歩留まりが悪かったのは、断面形状を円形にしたせん断付与成形体２８であることがわかる。
【００２８】
つぎに、各辺の長さが２ｃｍの正方形の断面形状を有するせん断付与成形体を比較例として成形し、この比較例のせん断付与成形体とせん断付与成形体２７とにおける金型のＬ字形の屈曲部の内周側を通過した部分から外周側を通過した部分にかけての各部分の電気抵抗率を比較した。この結果を図７に示している。すなわち、図では、黒丸が比較例のせん断付与成形体の測定位置と電気抵抗率を示しており、白丸がせん断付与成形体２７の測定位置と電気抵抗率を示している。この結果から、電気抵抗率は、Ｌ字形の屈曲部の内周側を通過した部分が最も小さく、外周側を通過した部分が最も大きいことが分かる。
【００２９】
そして、内周側と外周側との間を通過した部分については、内周側から外周側にかけての部分の電気抵抗率が徐々に大きくなるように変化している。したがって、せん断付与成形体２７のように、幅に対して厚みが小さいせん断付与成形体ほど、全体の電気抵抗率を小さく、かつ差が少なくなるようにすることができる。図７に示した結果によると、比較例のせん断付与成形体では、内周と外周では、電気抵抗率に差が０．９×１０-5Ωｍであるのに対し、せん断付与成形体２７では、０．３×１０-5Ωｍであった。この結果から、幅に対して厚みを小さくするほど良好なせん断付与成形体が得られることが分かる。
【００３０】
このように、本実施形態に係るせん断付与装置Ａによれば、材料供給通路１３と材料押出通路１４とからなる材料通路１５の断面を、角部１６の稜線部１６ａに沿う方向の長さが、稜線部１６ａに直交する方向の長さよりも長い長方形に形成している。このため、成形されたせん断付与成形体２７等の歩留まりが、断面形状を円形や正方形にしたせん断付与成形体２８，２９の歩留まりと比べて、大幅に向上する。
【００３１】
また、この場合、角部１６の稜線部１６ａと谷線部１６ｂとの間の長さが短くなるため、角部１６の稜線部１６ａ側部分を通過する成形用材料２５（または、せん断付与成形体の部分）と、角部１６の谷線部１６ｂ側部分を通過する成形用材料２５（または、せん断付与成形体の部分）とに付与されるせん断変形の差が小さくなる。これによって、略均一な状態のせん断付与成形体２７が得られる。また、せん断付与処理を行うことによって、得られるせん断付与成形体２７は、配向性を高められるとともに、高密度化され、これによって硬度が上昇する。この結果、せん断付与成形体２７から、高強度の材料が得られる。
【００３２】
図８は、本発明の他の実施形態によるせん断付与装置Ｂを示している。このせん断付与装置Ｂにおいては、金型３０内に形成された材料供給通路３１と材料押出通路３２の断面形状が、せん断付与装置Ａの材料通路１５の断面形状と同じ長方形に形成され、材料供給通路３１と材料押出通路３２とが交わる角部３６の角度が略１２０度に設定されている。そして、加圧装置４０の加圧パンチ４３は、材料供給通路３１と材料押出通路３２とが交わる角部３６の稜線部３６ａまで材料供給通路３１に進入することができ、背圧パンチ４４も、角部３６の稜線部３６ａまで材料押出通路３２に進入することができる。このせん断付与装置Ｂにおけるそれ以外の部分の構成については、前述したせん断付与装置Ａと同一である。
【００３３】
このように構成したため、このせん断付与装置Ｂを用いたせん断処理によって成形用材料２５に付与されるせん断力は、せん断付与装置Ａを用いたせん断処理によって成形用材料２５に付与されるせん断力と比較して小さなものとなる。したがって、予め配向性よく積層された成形用材料２５をせん断処理する場合や、比較的密度の高い成形体に形成された成形用材料をせん断処理する場合には、適度なせん断処理を行える。また、加圧パンチ４３の移動速度を速くして処理を短時間で行うこともできる。それ以外の作用効果については、前述したせん断付与装置Ａと同様である
【００３４】
前述した各実施形態では、成形用材料として粉体、粒状体および板体を用いているが、この成形用材料としては、粉体や粒状体を仮焼結した成形体を材料として用いてもよい。また、成形用材料としては、熱電素子を形成するための成形用材料だけでなく、磁性体を形成するための成形用材料やセラミック材料を用いることもできる。
【００３５】
また、材料供給工程とせん断付与工程とによる処理を行う毎に、成形用材料に付与されるせん断の方向が変わるように向きを変えて成形用材料を材料通路に供給することによっても良好な結果が得られる。このせん断付与方法では、最初のせん断付与処理において、角部の内角側を通過した成形用材料と角部の外角側を通過した成形用材料との間に性能上、差が生じても、つぎのせん断付与処理の際に、その差が逆に生じるため互いに相殺され、処理回数を重ねるたびに全体として、均一なせん断付与成形体となる。これによって、さらに配向性が良く密度の大きなせん断付与成形体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態で用いるせん断付与装置の概略を示す断面図である。
【図２】図１のせん断付与装置が備える上部型に設けられた材料通路を示す一部断面斜視図である。
【図３】金型に設けられた材料通路で成形用材料が移動する方向を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態によって得られたせん断付与成形体を示す斜視図である。
【図５】断面形状が円形に形成されたせん断付与成形体を示す斜視図である。
【図６】断面形状が正方形に形成されたせん断付与成形体を示す斜視図である。
【図７】実施形態のせん断付与成形体と比較例のせん断付与成形体との電気抵抗率を比較したグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態で用いるせん断付与装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…金型、１３…材料供給通路、１４…材料押出通路、１５…材料通路、１６…角部、１６ａ，３６ａ…稜線部、１７…長辺、１８…短辺、２０…加圧装置、２１…駆動部、２３，４３…加圧パンチ、２５…成形用材料、２７…せん断付与成形体、Ａ，Ｂ…せん断付与装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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