(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の粉体に対して冷間塑性加工を施す冷間塑性加工装置であって、
粉体が収容されるダイと、
前記ダイの内周に沿って移動し、粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチと、
前記ダイと前記パンチに亘って設けられ、前記パンチの移動に連動して伸縮する伸縮部材と、を備え、
前記伸縮部材が前記ダイと前記パンチに連結されることによって、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気の密閉空間が形成されることを特徴とする冷間塑性加工装置。
【請求項２】
前記パンチは、
粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチ本体と、
前記パンチ本体の背面に連結され、外部装置が出力する荷重が作用する荷重作用部と、を備え、
前記伸縮部材の一端は前記荷重作用部に連結されることを特徴とする請求項１に記載の冷間塑性加工装置。
【請求項３】
前記密閉空間には、不活性ガスが封入され、
前記密閉空間には、内部の不活性ガスを不活性ガスが封入されたタンクに導出する導出通路と、前記タンクから不活性ガスを導入する導入通路と、が接続され、
前記導出通路には、前記密閉空間から前記タンクへの不活性ガスの導出のみを許容する逆止弁が設けられ、前記導入通路には、前記タンクから前記密閉空間への不活性ガスの導入のみを許容する逆止弁が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷間塑性加工装置。
【請求項４】
前記伸縮部材は金属製であり、前記密閉空間は真空雰囲気であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷間塑性加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉体に対して冷間塑性加工を施す装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属の原料粉末に対して冷間状態で塑性加工を施すことによって合金を製造する方法として、ボールミル法とバルクメカニカルアロイング法が知られている。
【０００３】
ボールミル法は、粉末原料を金属製ボールと共に攪拌して、原料粉末に対して加工を施す方法である（特許文献１参照）。
【０００４】
また、バルクメカニカルアロイング法として、特許文献２には、途中から広くなる柱状の内部空間を有する外部金型と、内部空間の広い側に上下動自在に嵌合する柱状金型Ａと、内部空間の狭い側に上下動自在に嵌合する柱状金型Ｂとからなる金型を用いる方法が開示されている。外部金型の内部空間では、柱状金型Ａと柱状金型Ｂによって粉末原料の圧縮と押し出しが繰り返される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９７３６９号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ボールミル法は、粉末の粉砕と混合が繰り返されることによって合金化が進むものであり、粉末は表面積が大きいため、加工の過程で粉末が酸化され易いという問題点がある。
【０００７】
これに対して、特許文献２に記載のバルクメカニカルアロイング法は、原料粉末は柱状金型Ａと柱状金型Ｂによる最初の圧縮によって圧粉体となり、その圧粉体の中で合金化が進むものであるため、ボールミル法と比較して酸化され難い。しかし、バルクメカニカルアロイング法であっても、酸化され易いリチウム等の金属を原料粉末として用いる場合には、合金の製造過程で酸化するおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、バルクメカニカルアロイング法による合金の製造において、合金の酸化を防止することができる冷間塑性加工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】
本発明は、金属の粉体に対して冷間塑性加工を施す冷間塑性加工装置であって、粉体が収容されるダイと、前記ダイの内周に沿って移動し、粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチと、前記ダイと前記パンチに亘って設けられ、前記パンチの移動に連動して伸縮する伸縮部材と、を備え、前記伸縮部材が前記ダイと前記パンチに連結されることによって、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気の密閉空間が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ダイ、パンチ、及び伸縮部材によって不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気の密閉空間が形成されるため、合金の酸化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る冷間塑性加工装置の断面図である。
【図２】冷間塑性加工装置１００の動作を時系列順に示した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る冷間塑性加工装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る冷間塑性加工装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る冷間塑性加工装置１００について説明する。
【００１４】
冷間塑性加工装置１００は、金属の粉体に対して冷間状態で塑性加工を施す装置である。粉体とは、微細な粒子が多数集合した粉末や、ペレット状、チップ状等のある程度大きな粒子が多数集合したものをいう。つまり、固体が多数集合したものをいう。
【００１５】
冷間塑性加工装置１００は、粉体が収容されるダイ１と、ダイ１の内周に沿って移動し粉体に対してせん断塑性ひずみを付与するパンチ１１と、ダイ１とパンチ１１に亘って設けられパンチ１１の移動に連動して伸縮する伸縮部材としてのベローズ３と、を備える。
【００１６】
ダイ１は、貫通孔２を有する略筒状の部材である。貫通孔２は、大きな内径の大径部２ａと、大径部２ａと比較して小さな内径の小径部２ｂと、大径部２ａから小径部２ｂに向かって序々に縮径された傾斜部２ｃとからなる。
【００１７】
パンチ１１は、大径部２ａに挿入され大径部２ａに沿って移動する第１パンチ１１ａと、小径部２ｂに挿入され小径部２ｂに沿って移動する第２パンチ１１ｂとを備える。
【００１８】
第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂの構成は同じであるため、以下では、第１パンチ１１ａを中心に説明し、第２パンチ１１ｂについては第１パンチ１１ａと同一の構成には図中に同じ数字の符号を付して説明を省略する。第１パンチ１１ａの構成には符号に「ａ」を付し、第２パンチ１１ｂの構成には符号に「ｂ」を付して区別する。
【００１９】
第１パンチ１１ａは、大径部２ａに挿入される挿入部１２ａと、大径部２ａの内径よりも大きな径にて形成されたフランジ部１３ａとを有する。挿入部１２ａの先端面１４ａは略平面状に形成される。
【００２０】
挿入部１２ａの外周とダイ１の大径部２ａの内周との間には、５〜１００μｍの隙間が存在する。同様に、第２パンチ１１ｂの挿入部１２ｂの外周とダイ１の小径部２ｂの内周との間にも、５〜１００μｍの隙間が存在する。
【００２１】
第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂは、挿入部１２ａの先端面１４ａと挿入部１２ｂの先端面１４ｂとが対向した状態で配置される。貫通孔２の内周、先端面１４ａ、及び先端面１４ｂによってダイ１内に空間２０が区画され、空間２０に粉体が収容される。空間２０に収容された粉体には、第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂの移動によって塑性加工が加えられてせん断塑性ひずみが付与される。
【００２２】
ベローズ３は、ダイ１と第１パンチ１１ａに亘って設けられた第１ベローズ３ａと、ダイ１と第２パンチ１１ｂに亘って設けられた第２ベローズ３ｂとを備える。
【００２３】
第１ベローズ３ａは、一端が第１パンチ１１ａのフランジ部１３ａに連結され、他端がダイ１に連結される。第２ベローズ３ｂは、一端が第２パンチ１１ｂのフランジ部１３ｂに連結され、他端がダイ１に連結される。ベローズ３は、ゴム製や樹脂製等の弾性部材からなる蛇腹状部材であり、パンチ１１がダイ１に進入する際には縮んで折り畳まれ、パンチ１１が後退する際には伸びる。
【００２４】
ダイ１、第１パンチ１１ａ、及び第１ベローズ３ａによって密閉空間５ａが形成され、ダイ１、第２パンチ１１ｂ、及び第２ベローズ３ｂによって密閉空間５ｂが形成される。密閉空間５ａ，５ｂには不活性ガスのアルゴンガスが封入される。つまり、空間２０に収容された粉体は、不活性ガス雰囲気中にて圧縮力が付与される。なお、ダイ１の内周とパンチ１１の外周との間には、上述のように５〜１００μｍの隙間が存在する。しかし、空間２０には粉体が収容されているため、密閉空間５ａと密閉空間５ｂとの間でアルゴンガスが行き来することはない。
【００２５】
パンチ１１が移動することによって、密閉空間５ａ，５ｂは圧縮又は膨張して内部容積が変化する。しかし、ベローズ３は弾性部材であるため、密閉空間５ａ，５ｂの容積変化はベローズ３の伸縮によって補償される。つまり、密閉空間５ａ，５ｂ内の圧力はパンチ１１の移動によっては変化しない。具体的には、第１パンチ１１ａがダイ１に進入する際には密閉空間５ａは圧縮されるが、それに伴って第１ベローズ３ａは密閉空間５ａの容積が変化しないように膨らむ。一方、パンチ１１が後退する際には密閉空間５ａは膨張するが、それに伴って第１ベローズ３ａは密閉空間５ａの容積が変化しないように縮む。第２ベローズ３ｂについても同様である。
【００２６】
冷間塑性加工装置１００は、空間２０に粉体が収容され、かつ密閉空間５ａ，５ｂにアルゴンガスが封入された状態で、外部装置としての油圧駆動装置（図示せず）にセットされる。油圧駆動装置が出力する荷重は第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂのフランジ部１３ａ，１３ｂの背面に作用し、第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂは油圧駆動装置の駆動によって移動する。本実施の形態では、フランジ部１３ａ，１３ｂが、特許請求の範囲に記載の「荷重作用部」に該当する。
【００２７】
次に、冷間塑性加工装置１００への原料粉体の投入及び冷間塑性加工装置１００の動作について説明する。
【００２８】
空間２０内への原料粉体の投入作業は、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内にて行われる。ベローズ３はダイ１及びパンチ１１から取り外し可能に構成されており、第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂのいずれか一方をダイ１から抜いた状態で、空間２０内への原料粉体の投入作業が行われる。原料粉体は、図１に示すように、大径部２ａと小径部２ｂとに跨って区画された空間２０に収容される。
【００２９】
投入作業終了後、ダイ１、パンチ１１、ベローズ３を図１に示す状態に組み立て、グローブボックスから取り出す。以上のように、グローブボックス内で作業を行うことによって、冷間塑性加工装置１００内の密閉空間５ａ，５ｂはアルゴンガスが封入された状態となる。
【００３０】
次に、グローブボックスから取り出した冷間塑性加工装置１００を油圧駆動装置にセットする。そして、油圧駆動装置の駆動によって、第１パンチ１１ａ及び第２パンチ１１ｂによる原料粉体に対する塑性加工が以下の手順（図２参照）で行われる。なお、図２では、便宜上、ベローズ３の図示を省略している。
【００３１】
まず、図２（ａ）に示すように、第１パンチ１１ａを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて粉体を圧縮する。これにより、粉体には、圧縮力が付与されると共に、ダイ１の傾斜部２ｃを通過する際にせん断力が付与される。この工程にて、粉体は、圧縮力を受けて互いにくっつき、圧粉体に変化する。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１パンチ１１ａを後退させる。そして、図２（ｃ）に示すように、第２パンチ１１ｂを先端面１４ｂが傾斜部２ｃの最小径部に位置するまで進入させる。
【００３３】
次に、図２（ｄ）に示すように、第１パンチ１１ａを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて圧粉体を圧縮する。これにより、粉体には圧縮力が付与される。
【００３４】
次に、図２（ｅ）に示すように、第２パンチ１１ｂを後退させる。そして、図２（ｆ）に示すように、第１パンチ１１ａを再び進入させ、圧粉体を大径部２ａから小径部２ｂに押し出す。これにより、圧粉体は傾斜部２ｃを通過する際に縮径されて、圧粉体にせん断力が付与される。
【００３５】
最後に、第２パンチ１１ｂを進入させ、第１パンチ１１ａと第２パンチ１１ｂとの間にて圧粉体を圧縮する。これにより、図２（ａ）に示す状態に戻る。以上の工程が繰り返されることによって、粉体には冷間状態で強加工が施され、粉体中には多数のせん断塑性ひずみが付与される。
【００３６】
空間２０に収容される原料としては、２種類以上の純金属の粉体を混合したものでもよく、１種類の純金属の粉体でもよく、また、合金の粉体でもよい。
【００３７】
２種類以上の純金属の粉体を混合したものを原料として用いた場合には、図２に示す工程を繰り返すことによって、合金を製造することができる。そして、得られる合金は強加工によって結晶粒が微細化するため、機械的性質が優れたものとなる。また、１種類の純金属の粉体又は合金の粉体を原料として用いた場合も、図２に示す工程を繰り返すことによって、強加工によって結晶粒が微細化するため、機械的性質を向上させることができる。
【００３８】
さらに、冷間塑性加工装置１００を用いての粉体への強加工は不活性ガス雰囲気中にて行われるため、脆い酸化物の生成を防止することができる。
【００３９】
冷間塑性加工装置１００によって製造された合金は、二次電池の電極材料や、燃料電池の水素吸蔵材料として用いられる。二次電池の電極材料としてはＬｉ−ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）合金、Ｌｉ−Ｍｇ合金、Ｌｉ−Ａｌ合金の製造が可能であり、水素吸蔵材料としてはＬｉ−Ｍｇ合金の製造が可能である。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る冷間塑性加工装置２００について説明する。以下では、上記第１の実施の形態に係る冷間塑性加工装置１００と異なる点を中心に説明し、冷間塑性加工装置１００と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
冷間塑性加工装置２００では、第１パンチ１１ａは、パンチ本体２１ａと、パンチ本体２１ａの背面に連結され油圧駆動装置が出力する荷重が作用する受圧板２２ａとからなり、第１ベローズ３ａの一端が受圧板２２ａに連結される。このように、第１パンチ１１ａは、粉体に対して圧縮力を付与するパンチ本体２１ａと、油圧駆動装置が出力する荷重が作用する受圧板２２ａとが別体に形成される。同様に、第２パンチ１１ｂもパンチ本体２１ｂと受圧板２２ｂとからなる。本実施の形態では、受圧板２２ａ，２２ｂが、特許請求の範囲に記載の「荷重作用部」に該当する。
【００４２】
（第３の実施の形態）
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る冷間塑性加工装置３００について説明する。以下では、上記第２の実施の形態に係る冷間塑性加工装置２００と異なる点を中心に説明し、冷間塑性加工装置２００と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
冷間塑性加工装置３００では、ベローズ３が金属製の蛇腹状部材である。そのため、ベローズ３は、パンチ１１の移動に伴う密閉空間５ａ，５ｂの容積変化を補償するように膨らんだり縮んだりしない。そこで、密閉空間５ａには、アルゴンガスを導出する導出通路３１ａと、アルゴンガスを導入する導入通路３２ａとが受圧板２２ａを貫通して接続される。導出通路３１ａ及び導入通路３２ａは、冷間塑性加工装置３００の外部に配置されアルゴンガスが封入されたタンク（図示せず）に接続される。
【００４４】
導出通路３１ａには、密閉空間５ａからタンクへのアルゴンガスの導出のみを許容する逆止弁３３ａが設けられ、導入通路３２ａには、タンクから密閉空間５ａへのアルゴンガスの導入のみを許容する逆止弁３４ａが設けられる。
【００４５】
これにより、第１パンチ１１ａの移動に伴って密閉空間５ａとタンクとの間でアルゴンガスが行き来するため、ベローズ３が金属製であっても第１パンチ１１ａはスムーズに移動することができる。
【００４６】
導出通路３１ａ及び導入通路３２ａを図１に示す冷間塑性加工装置１００に適用する場合には、導出通路３１ａ及び導入通路３２ａは第１パンチ１１ａのフランジ部１３ａを貫通して設けられる。
【００４７】
同様に、密閉空間５ｂ側にも、導出通路３１ｂ、導入通路３２ｂ、逆止弁３３ｂ、逆止弁３４ｂが設けられる。
【００４８】
なお、本第３の実施の形態では、ベローズ３が金属製の蛇腹状部材である場合について説明したが、ベローズ３をゴム製や樹脂製等の弾性部材からなる蛇腹状部材にて構成するようにしてもよい。
【００４９】
また、ベローズ３を金属製の蛇腹状部材にて構成する場合には、密閉空間５ａ，５ｂを真空雰囲気にすることが可能となる。そして、その場合には、冷間塑性加工装置３００が備えるタンク、導出通路３１ａ，３１ｂ、導入通路３２ａ３２ｂ、及び逆止弁３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂは不要となり、空間２０内への原料粉体の投入作業は真空雰囲気のグローブボックス内にて行われる。
【００５０】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００５１】
例えば、上記実施の形態では、密閉空間５ａ，５ｂに封入される不活性ガスはアルゴンガスであったが、ヘリウムガス等の他の不活性ガスを用いるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る冷間塑性加工装置は、粉体を原料として合金を製造するバルクメカニカルアロイング法の装置として用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１００，２００，３００  冷間塑性加工装置
１      ダイ
３      ベローズ
５ａ，５ｂ    密閉空間
２ａ    大径部
２ｂ    小径部
１１    パンチ
１３ａ，１３ｂ    フランジ部
２０    空間
２１ａ，２１ｂ    パンチ本体
２２ａ，２２ｂ    受圧板
３１ａ，３１ｂ    導出通路
３２ａ，３２ｂ    導入通路
３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ    逆止弁
【図１】
0005711513.tif 000002
【図２】
0005711513.tif 000003
【図３】
0005711513.tif 000004
【図４】
0005711513.tif 000005