(57)【要約】【課題】加熱炉の温度制御を容易にして、金属粉末成形体を効率よく熱処理することができる金属粉末成形体の熱処理装置を提供する。【解決手段】金属粉末２及び有機バインダ３を含む金属粉末成形体４を加熱炉１０内に配置した状態で熱処理して所定の焼結体６を得る金属粉末成形体４の熱処理装置１において、加熱炉１０は、高耐熱性の導電性材料にて金属粉末成形体４を収容可能に形成される熱処理部１１と、熱処理部１１の外周位置に巻設される誘導加熱コイル１２と、を具備してなり、誘導加熱コイル１２に高周波電流を流して熱処理部１１を発熱させ、金属粉末成形体４を所定温度に加熱して熱処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末及び有機バインダを含む金属粉末成形体を加熱炉内に配置した状態で熱処理して所定の焼結体を得る金属粉末成形体の熱処理装置において、
前記加熱炉は、
高耐熱性の導電性材料にて金属粉末成形体を収容可能に形成される熱処理部と、
前記熱処理部の外周位置に巻設される誘導加熱コイルと、を具備してなり、
前記誘導加熱コイルに高周波電流を流して前記熱処理部を発熱させ、前記金属粉末成形体を所定温度に加熱して熱処理する、
ことを特徴とする金属粉末成形体の熱処理装置。
【請求項２】
前記誘導加熱コイルへの高周波電流の供給を変更して、前記金属粉末成形体の温度を脱脂処理温度から焼成処理温度に切り換える請求項１に記載の金属粉末成形体の熱処理装置。
【請求項３】
前記加熱炉は、前記熱処理部内に雰囲気ガスを供給するガス供給部を具備してなる請求項１又は請求項２に記載の金属粉末成形体の熱処理装置。
【請求項４】
前記加熱炉は、前記金属粉末成形体の温度を検出する温度検出部を具備してなる請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の金属粉末成形体の熱処理装置。
【請求項５】
前記熱処理部は、カーボン系材料より形成される請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の金属粉末成形体の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末成形体の熱処理装置の技術に関し、より詳細には、金属粉末及び有機バインダを含む金属粉末成形体を加熱炉内に配置した状態で熱処理して所定の焼結体を得る金属粉末成形体の熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等に用いられる焼結機械部品等の焼結体は、粉末冶金技術を用いて金属粉末を圧縮した成形体を焼結させて製造されている。焼結体の製造方法としては、金型により圧粉体を圧縮成形する方法が公知であるが、かかる方法では複雑な形状の成形には不向きであったため、かかる問題を解決するために金属粉末射出成形（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）法を用いた製造方法が提案されている。
【０００３】
ＭＩＭ法を用いた焼結体の製造方法としては、多用な形態が提案されているが主要な工程は共通しており、まず、金属粉末に樹脂やワックス等の有機バインダを混合・混練し、この混練物を射出成形して金属粉末及び有機バインダを含む金属粉末成形体を得る。そして、かかる金属粉末成形体を熱処理装置に配置し、脱バインダ（脱脂処理）の後に焼成（焼成処理）に供することで目的とする焼結体を得る。
【０００４】
通常、脱脂処理や焼成処理には、工業的にはメッシュベルト等の搬送コンベアに金属粉末成形体を載置した状態で、搬送コンベアが長手方向に敷設された加熱炉内を搬送させながら脱脂及び焼成するコンベア式の大型の熱処理装置が用いられている。この種の大型の熱処理装置では、直火式バーナーを用いた直接加熱により金属粉末成形体を熱処理するため、同一種の大量生産に適している反面、稼動準備や加熱炉内への搬入出に時間を要し、例えば、金属粉末成形体の成形不良に基づくクラック発生品を早期に検出することができなかった。
【０００５】
他方、かかる観点から、例えは、特許文献１又は特許文献２に開示されるようなバッチ式の小型の熱処理装置も提案されている。この種の小型の熱処理装置は、載置台に金属粉末成形体を載置した状態で加熱炉内に配置して脱脂及び焼成するように構成されているため、上述した大型の熱処理装置とは異なり、稼動準備や加熱炉内への搬入出が簡易であり、クラック発生品の早期の検出が可能となるので焼結体の検品や熱処理試験の装置としても採用することができる。
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１又は特許文献２に開示されるような従来の小型の熱処理装置では、熱源としての電熱ヒータやガス炊きによる間接加熱により金属粉末成形体を熱処理するものであったため、加熱炉内の温度制御に劣り、例えば、熱処理温度を脱脂処理温度（低温）から焼成処理温度（高温）へと短時間で精度よく切り換えることが困難であるという問題があった。また、電熱ヒータやガス炊き等による加熱は、熱損失が大きいため加熱効率に劣り、熱処理のコストが大きいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−８１０７号公報
【特許文献２】特開平１０−３０６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明では、金属粉末成形体の熱処理装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、加熱炉の温度制御を容易にして金属粉末成形体を効率よく熱処理することができる金属粉末成形体の熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
すなわち、請求項１においては、金属粉末及び有機バインダを含む金属粉末成形体を加熱炉内に配置した状態で熱処理して所定の焼結体を得る金属粉末成形体の熱処理装置において、前記加熱炉は、高耐熱性の導電性材料にて金属粉末成形体を収容可能に形成される熱処理部と、前記熱処理部の外周位置に巻設される誘導加熱コイルと、を具備してなり、前記誘導加熱コイルに高周波電流を流して前記熱処理部を発熱させ、前記金属粉末成形体を所定温度に加熱して熱処理する、ものである。
【００１１】
請求項２においては、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の供給を変更して、前記金属粉末成形体の温度を脱脂処理温度から焼成処理温度に切り換えるものである。
【００１２】
請求項３においては、前記加熱炉は、前記熱処理部内に雰囲気ガスを供給するガス供給部を具備してなるものである。
【００１３】
請求項４においては、前記加熱炉は、前記金属粉末成形体の温度を検出する温度検出部を具備してなるものである。
【００１４】
請求項５においては、前記熱処理部は、カーボン系材料より形成されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、加熱炉の温度制御を容易にして、金属粉末成形体を効率よく熱処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る熱処理装置の全体的な構成を示した断面図である。
【図２】同じく図１の熱処理装置の平面図である。
【図３】混練物、金属粉末成形体、脱脂体及び焼結体の構造を模式的に示した断面図である。
【図４】熱処理工程におけるワーク温度の経時変化の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、発明を実施するための形態を説明する。
【００１８】
まず、本実施例の熱処理装置１の構成について、以下に説明する。
図１乃至図３に示すように、本実施例の熱処理装置１は、主に焼結機械部の製造プロセスにおいて用いられ、金属粉末２及び有機バインダ３を含む金属粉末成形体４（ワーク）を加熱炉１０内に配置した状態で熱処理して、所定の焼結体６を得るための装置として構成され、具体的には、加熱炉１０は、高耐熱性の導電性材料にて金属粉末成形体４を収容可能に形成される熱処理部１１と、熱処理部１１の外周位置に巻設される誘導加熱コイル１２と、熱処理部１１内に不活性ガスを供給するガス供給部１３と、金属粉末成形体４の温度を検出する温度検出部１４等を具備してなるものである。
【００１９】
金属粉末成形体４は、図示せぬ混練装置等にて金属粉末２及び有機バインダ３が混合・混練されて、有機バインダ３中にて金属粉末２が均一分散された混練物（組成物）とされた後（図３（ａ）参照）、かかる混練物が成形されて、目的の焼結体６と同形状に成形されている（図３（ｂ）参照）。
【００２０】
金属粉末２を構成する金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、高速度工具鋼、低炭素鋼、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の各種Ｆｅ系合金、各種Ｎｉ系合金、各種Ｃｒ系合金等が挙げられる。
【００２１】
有機バインダ３としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエーテル、ポリビニルアルコール、又はこれらの共重合体等の各種樹脂や、各種ワックス、パラフィン、高級脂肪酸、高級アルコール、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸アミド等が挙げられ、これらのうち１種又は２種以上を混合して用いることができる。
【００２２】
有機バインダ３の含有量は、特に限定されないが、金属粉末成形体４全体の２〜２０重量％程度であるのが好ましい。有機バインダ３の含有率をかかる範囲内とすることで、成形性よく金属粉末成形体４を形成することができるとともに、密度を高め、金属粉末成形体４の形状の安定性等を特に優れたものとすることができる。また、金属粉末成形体４の収縮率を小さくすることができ、焼結体６の寸法精度を向上できる。
【００２３】
金属粉末成形体４には、上述した金属粉末２及び有機バインダ３の他、例えば、可塑剤、酸化防止剤、脱脂促進剤、界面活性剤等の各種添加物を必要に応じて添加することができる。
【００２４】
金属粉末成形体４の成形方法としては、特に限定されず、例えば、金属粉末射出成形（ＭＩＭ）法、圧縮成形（圧粉成形）法、又は押出成形法等が挙げられるが、この中でも、ＭＩＭ法が好ましい。ＭＩＭ法は、比較的小型のものや、複雑で微細な形状の成形体をニアネット（最終形状に近い形状）で製造することができ、金属粉末２の特性を十分に生かすことができる。
【００２５】
金属粉末成形体４は、本実施例の熱処理装置１にて脱脂処理されることで、金属粉末成形体４中の有機バインダ３が分解・除去された脱脂体５とされた後（図３（ｃ）参照）、かかる脱脂体５が焼成処理されて、金属粉末２が粒子界面で拡散して粒成長した結晶組織７となって、目的とする低空孔率で高密度の焼結体６が得られる（図３（ｄ）参照）。
【００２６】
図１及び図２に示したように、加熱炉１０は、熱処理部１１に金属粉末成形体４を収容した状態で、誘導加熱コイル１２にて高周波電流を流して熱処理部１１を発熱させ、金属粉末成形体４を所定温度に加熱して熱処理（脱脂処理及び焼成処理）するものである。この加熱炉１０の構成は、金属粉末成形体４を熱処理可能とするものであれば特に限定されないが、本実施例では一例として熱処理部１１、誘導加熱コイル１２、ガス供給部１３、温度検出部１４等とで構成されている。
【００２７】
熱処理部１１は、ベースプレート１５の上面に配設され、外周及び上面が側断熱材１６・１７及び上断熱材１８にて囲繞されている。側断熱材１６・１７は、ブラケット１９・１９・・・にてベースプレート１５に固定され、これらの断熱材１６・１７・１８にて熱処理部１１の発熱から誘導加熱コイル１２の過熱が防止されている。
【００２８】
熱処理部１１は、上部開口の容器状に形成された本体部１１ａと、本体部１１ａの開口を閉止する蓋部１１ｂ等とで構成されている。本体部１１ａの底面には、金属粉末成形体４を載置する載置台１１ｃが形成され、金属粉末成形体４が載置台１１ｃに載置された状態で本体部１１ａに収容される。また、蓋部１１ｂの上面には把手１１ｄが配設され、本体部１１ａより蓋部１１ｂを取り外して、本体部１１ａ内に金属粉末成形体４を収容可能としている。
【００２９】
熱処理部１１の各部材（本体部１１ａ・蓋部１１ｂ・載置台１１ｃ）は高耐熱性の導電性材料より形成され、後述する誘導加熱コイル１２により発熱可能とされている。熱処理部１１を構成する導電性材料としては、具体的には、ステンレス鋼などの金属系材料やシリコンカーバイドなどの炭化ケイ素系材料を用いることができるが、耐熱性及び化学的安定性の観点から、カーボン単体（黒鉛など）、カーボン複合体（カーボン−セラミックス、ガラス状カーボンなど）等のカーボン系材料が好ましく用いられる。特に、カーボン系材料は、熱伝導がよく、さらに一般的な金属系材料に比べて熱膨張率が小さいため、カーボン系材料を母材として熱処理部１１を形成することで、発熱による熱処理部１１の熱変化（寸法変化）を小さくし、かつ高温でムラなく発熱させることができる。
【００３０】
誘導加熱コイル１２は、熱処理部１１の外周位置に本体部１１ａの外周形状に沿うように螺旋状に巻設されている。誘導加熱コイル１２は、内部中空の管材より形成され、かかる内部中空に冷却水が供給されている。また、誘導加熱コイル１２は、熱処理部１１の外周位置にて側断熱材１６・１７に挟まれるようにして巻設され、処理部１１の外周と誘導加熱コイル１２との間に上述した側断熱材１６が挟設され、誘導加熱コイル１２の外周に同じく側断熱材１７が配設される。
【００３１】
誘導加熱コイル１２は、機外に配設される図示せぬ高周波電源に接続され、高周波電源から交流の高周波電流が誘導加熱コイル１２に供給されることで、誘導加熱コイル１２に交番磁束が発生する。この交番磁束は上述した熱処理部１１にうず電流を誘起させ、熱処理部１１に発生したうず電流による抵抗発熱と誘導加熱コイル１２からの交番磁束によるヒステリシス損に基づいて熱処理部１１が発熱する。
【００３２】
誘導加熱コイル１２は、誘導加熱により熱処理部１１を発熱させるだけでなく、熱処理部１１に収容された金属粉末成形体４を好適に熱処理するために、高周波電源からの高周波電流の供給を変更することで金属粉末成形体４の温度を制御可能とされている。本実施例では、熱処理部１１にて金属粉末成形体４の脱脂処理と焼成処理を行うため、誘導加熱コイル１２により金属粉末成形体４を脱脂処理温度（低温）から焼成処理温度（高温）へと所定の設定温度に切り換えられる。
【００３３】
ガス供給部１３は、熱処理部１１の本体部１１ａの空間内に雰囲気ガスを供給して、本体部１１ａ内を所定のガス雰囲気とするものであり、具体的には、本体部１１ａに接続される雰囲気ガスの供給管１３ａ・１３ａと、本体部１１ａ内のガスを機外に排出する排気ダクト１３ｂ等とで構成されている。供給管１３ａ・１３ａは、一端が図示せぬガス供給装置に接続され、他端が本体部１１ａの下方位置に配置されている。排気ダクト１３ｂは、内部にガスを吸引排出可能なダクト状に形成されており、開口端部が本体部１１ａの上方を覆うようにして配置され、蓋部１１ｂ（及び断熱材１８）に穿設された排気孔１１ｅを介して、供給管１３ａ・１３ａにて供給された余分な雰囲気ガスや有機バインダ３の気化ガスを本体部１１ａより排出する。このように本実施例のガス供給部１３では、供給管１３ａ・１３ａにて本体部１１ａの下方位置から供給した雰囲気ガスを排気ダクト１３ｂにて上方位置より吸引するように構成されるため、雰囲気ガスを還流させ、本体部１１ａ内での有機バインダ３の気化ガスの滞留を防止して、効率的に機外に排出することができる。
【００３４】
ガス供給部１３にて供給される雰囲気ガスとしては、例えば、二酸化炭素、硫化水素のような酸性ガスや、一酸化炭素のような還元性ガスや、窒素、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガス等が挙げられる。
【００３５】
ガス供給部１３は、熱処理部１１への雰囲気ガスの供給量を調整可能に構成されており、例えば、熱処理部１１での金属粉末成形体４の脱脂処理・焼成処理の際に、不活性ガス等のガス供給量を調整して、焼結体６を冷却する際のガス供給量を増大させるように制御される。このように焼結体６を冷却する際にガス供給量を増大させることで、焼結体６の冷却効率を向上できる。
【００３６】
温度検出部１４は、熱処理部１１の本体部１１ａの空間内の温度を検出し、熱処理部１１による金属粉末成形体４の熱処理温度を測定するものであり、例えば、温度センサ等により構成される。本実施例の熱処理装置１では、温度検出部１４により検出される金属粉末成形体４の温度が所定温度となるように高周波電源から出力される電流周波数が制御されて、誘導加熱コイル１２の温度制御が行われるように構成されている。
【００３７】
次に、本実施例の熱処理装置１を用いた金属粉末成形体４の熱処理方法について、以下に説明する。
本実施例では、図４に示すように、一例として、誘導加熱コイル１２への高周波電流の供給を変更して、ワーク（金属粉末成形体４・脱脂体５・焼結体６）の温度を脱脂処理温度Ｔ１から焼成処理温度Ｔ２に切り換える場合について説明する。
【００３８】
熱処理装置１では、上述したように誘導加熱コイル１２に高周波電流を流して熱処理部１１を発熱させ、熱処理部１１内を加熱してワーク（金属粉末成形体４）を所定温度にて熱処理するものであり、熱処理部１１の本体部１１ａの載置台１１ｃに金属粉末成形体４を載置して熱処理を開始すると（時間Ｓ１）、まずは熱処理部１１内の温度を徐々に高めて、ワーク温度を温度Ｔ１（脱脂処理温度）にて保持（時間Ｓ２〜時間Ｓ３）する。このように温度Ｔ１にまでワーク温度を高めてこれを保持することで、金属粉末成形体４中の有機バインダ３を分解・除去させる。
【００３９】
このときの温度Ｔ１（脱脂処理温度）は、特に限定されないが、金属粉末成形体４中の有機バインダ３の分解開始温度等によって異なるものの、通常は３００〜７００℃程度であるのが好ましい。これにより、有機バインダ３の分解作用が十分に発揮され、金属粉末成形体４の脱脂処理を十分に行うことができる。また、保持時間（時間Ｓ２〜時間Ｓ３）は、温度Ｔ１に応じて適宜設定されるものの、例えば、熱処理装置１によれば１〜１０分間程度と短時間に設定することが可能である。
【００４０】
次いで、脱脂処理が終了（時間Ｓ３）すると、さらに熱処理部１１内の温度を徐々に高めて、ワーク温度を温度Ｔ２（焼成処理温度）にて保持（時間Ｓ４〜時間Ｓ５）した後、誘導加熱コイル１２による熱処理部１１の発熱を終了して、ワーク温度を下げていくことで焼成処理を完了（時間Ｓ５〜時間Ｓ６）させる。
【００４１】
このときの温度Ｔ２（焼成処理温度）は、上述した温度Ｔ１（脱脂処理温度）より高く、熱処理装置１による熱処理の最高温度である。温度Ｔ２は、金属粉末２の組成に応じて適宜設定されるが、通常は９００〜１３５０℃程度であるのが好ましい。このような温度で金属粉末成形体４（脱脂体５）を焼成することにより、結晶組織７が必要以上に肥大化するのを防止することができ、機械的特性及び化学的特性に優れた焼結体６を得ることができる。また、保持時間（時間Ｓ４〜時間Ｓ５）は、温度Ｔ２に応じて適宜設定されるものの、例えば、熱処理装置１によれば１〜１０分間程度と短時間に設定することが可能である。
【００４２】
上述した熱処理中は、ガス供給部１３にて熱処理部１１へ雰囲気ガス（主に不活性ガス）が供給されており、特に、ワーク（金属粉末成形体４・脱脂体５）を加熱する間（時間Ｓ１〜時間Ｓ５）のガス供給量に比べて、これを冷却する間（時間Ｓ５〜時間Ｓ６）のガス供給量を増大させるように制御するのが好ましい。このように冷却する際にガス供給量を増大させることで冷却効率を向上させ、正常な焼結を可能として、高密度の焼結体６を得ることができる。
【００４３】
以上のように、本実施例の熱処理装置１は、金属粉末２及び有機バインダ３を含む金属粉末成形体４を加熱炉１０内に配置した状態で熱処理して所定の焼結体６を得る金属粉末成形体４の熱処理装置１において、加熱炉１０は、高耐熱性の導電性材料にて金属粉末成形体４を収容可能に形成される熱処理部１１と、熱処理部１１の外周位置に巻設される誘導加熱コイル１２と、を具備してなり、誘導加熱コイル１２に高周波電流を流して熱処理部１１を発熱させ、金属粉末成形体４を所定温度に加熱して熱処理するものであるため、加熱炉１０の温度制御を容易にして、効率よく熱処理することができるのである。
【００４４】
すなわち、本実施例では、熱源として誘導加熱コイル１２による間接加熱により金属粉末成形体４を熱処理するものであるため、熱処理部１１の単位面積に供給される単位時間当りのエネルギーが大きく高速加熱・高温加熱が可能で、金属粉末成形体４の温度を短時間で精度よく切り換えることができる。また、誘導加熱コイル１２の配置と周波数を選定することによりピンポイントで熱処理部１１を加熱することができるので、熱処理部１１内の温度制御が容易となる。さらに、従来の熱電に電熱ヒータやガス炊き等を用いて加熱する装置構成と比べて熱損失が小さく加熱効率に優れるため、熱処理のコストを低減できる。
【００４５】
特に、本実施例の熱処理装置１では、誘導加熱コイル１２への高周波電流の供給を変更して、金属粉末成形体４の温度を脱脂処理温度から焼成処理温度に切り換えるものであるため、金属粉末成形体４の脱脂から焼成までを短時間で連続して行うことができ、クラック発生品の早期の検出が可能となることから、例えば、焼結体６の検品や熱処理試験の装置としても採用することができる。
【００４６】
なお、本実施例の熱処理装置１の構成としては、上述した実施例に限定されず、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４７】
すなわち、上述した実施例の熱処理装置１では、加熱炉１０が一つの熱処理部１１より構成について説明したが、かかる加熱炉１０の構成はこれに限定されず、例えば、複数の熱処理部１１を設けることで、複数バッチ式の加熱炉として構成されてもよい。
【００４８】
また、上述した実施例の熱処理装置１では、熱処理部１１が上部開口の容器状に形成された本体部１１ａと、本体部１１ａの開口を閉止する蓋部１１ｂ等とで構成される場合について説明したが、かかる熱処理部１１の構成はこれに限定されず、例えば、容器状の本体部の側方が開口されて、金属粉末成形体４が側方より搬入出可能となるように構成されてもよい。
【００４９】
また、上述した実施例の熱処理装置１を用いた金属粉末成形体４の熱処理では、脱脂処理及び焼成処理のいずれか一方のみが行われるようにしてもよく、またその昇温過程は金属粉末成形体４の組成等に応じて１段階又は２段階以上の昇温パターンを組み合わせるようにしてもよい。さらに、熱処理は、少なくとも大気圧超の加圧された雰囲気下で行われてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１      熱処理装置
２      金属粉末
３      有機バインダ
４      金属粉末成形体
６      焼結体
１０    加熱炉
１１    熱処理部
１１ａ  本体部
１１ｂ  蓋部
１１ｃ  載置台
１１ｄ  把手
１１ｅ  排気孔
１２    誘導加熱コイル
１３    ガス供給部
１３ａ  供給管
１３ｂ  排気ダクト
１４    温度検出部
１５    ベースプレート
１６    側断熱材
１７    側断熱材
１８    上断熱材
１９    ブラケット
【図１】
2018184647.tif 000003
【図２】
2018184647.tif 000004
【図３】
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【図４】
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