(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向の加圧軸と水平方向の通電軸とを備え、成形型内の粉体材料を前記加圧軸により加圧しながら前記通電軸により通電して焼結する通電焼結装置であって、
前記加圧軸は、水を供給しながら加圧軸を冷却する水冷部を有する本体部と、前記水冷部と隔てられた空洞を有する先端部とから構成されており、
前記空洞が、成形型から加圧軸側への熱の逃げを抑制する断熱用の空洞であることを特徴とする多軸通電式焼結装置。
【請求項２】
前記加圧軸と前記成形型との間に断熱材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の多軸通電式焼結装置。
【請求項３】
前記空洞内に冷却水を供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多軸通電式焼結装置。
【請求項４】
前記加圧軸の先端部の温度に応じて前記冷却水の供給量を調整することを特徴とする請求項３に記載の多軸通電式焼結装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体材料を加圧しながら通電して焼結する通電焼結装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、粉体材料を加圧しながら通電して焼結する通電焼結装置として、一軸通電焼結装置と多軸通電焼結装置とがある。
【０００３】
図８に示す一軸通電焼結装置２００は、真空容器２７０内の成形型２８０に入れられた粉体材料に対して、上方にスペーサー２１１，２１２及び上パンチ２１３を配置し、下方にスペーサー２２１，２２２及び下パンチ２２３を配置し、上下方向の加圧通電軸２１０，２２０により加圧通電して、焼結体２９０を生成するものである。一軸通電焼結装置は、加圧と通電に同じ軸を使用することから、焼結部分の径方向（水平方向）の温度分布が不均一となりやすい。その欠点を改良すべく、加圧軸と通電軸とを分離したものが多軸通電焼結装置である。
【０００４】
図９に示す多軸通電焼結装置１００は、真空容器７０内の成形型８０に入れられた粉体材料を、上下方向の加圧軸１０，２０により加圧し、水平方向の通電軸（Ａ）３０，４０及び通電軸（Ｂ）５０，６０により通電するようになっている。そして、通電軸による通電方法に関して、特許文献１には、加圧下にある粉体材料を収納する筒状の型の側面の周囲に、２本一対を１組とした電極を複数組配設して、各組の一対の電極に対する通電を交互に切り換えながら粉体材料に熱を付与するようにした多軸通電焼結装置に関する発明が記載されている。
【０００５】
ここで、多軸通電焼結装置における断熱構造について説明する。図１０及び図１１は、従来の多軸通電焼結装置における断熱構造を示す図である。なお、以下に示す各構成部材の材料について、加圧軸は鋼、成形型及びスペーサーは黒鉛、断熱材はガラス繊維と樹脂が用いられている。
【０００６】
図１０に示す断熱構造１０３は、成形型８０内の粉体材料に対して、上方にスペーサー１２，１３，１４及び上パンチ１５を配置し、下方にスペーサー２２，２３，２４及び下パンチ２５を配置し、上下方向の加圧軸１０，２０により加圧し、水平方向の通電軸により通電して、焼結体９０を生成するものである。そして、上下方向の加圧軸１０，２０には、それぞれ水冷部１１，２１が設けられており、水を供給しながら加圧軸を冷却するようになっている。
【０００７】
一方、図１１に示す断熱構造１０４は、断熱構造１０３に対して、加圧軸１０とスペーサー１２との間に断熱材１６を、加圧軸２０とスペーサー２２との間に断熱材２６を、それぞれ追加したものである。
【０００８】
断熱構造１０３と断熱構造１０４との違いは断熱材１６，２６の有無のみであるが、用途には大きな差がある。断熱構造１０３の場合、加圧軸の冷却水への熱の逃げが大きく、高温での操業には電力が多く必要な点がデメリットであり、断熱材を入れていないことから、加圧軸の変位≒焼結素材の寸法変化であり、焼結密度や焼結時の寸法管理が容易である点がメリットである。従って、比較的低温度で焼結ができ、かつ寸法精度の要求が厳しい焼結体の製造用として使用される。
【０００９】
一方、断熱構造１０４の場合、断熱材の挿入により高温下の操業でも電力が節約できる点がメリットであり、断熱材の弾性変化や塑性変形があるため、焼結体密度や焼結寸法の管理が難しい点がデメリットである。従って、比較的高温度での焼結を必要とし、かつ寸法精度が厳しくない焼結体の製造用として使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４２２６６７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１２は、従来の断熱構造１０３の場合の、通電による発熱及び熱の逃げ方を示したものである。まず、通電焼結中の黒鉛型の発熱は、黒鉛型の電気抵抗によるジュール熱（符号６）及び通電軸と黒鉛型の接触抵抗による発熱（符号７，８）があると考えられる。また、熱の逃げ方としては、加圧軸側への逃げ及び通電軸側への逃げがあり、部分的に輻射熱となって逃げているものと考えられる。そのため、高温操業用の多軸通電焼結装置では、加圧軸とスペーサーとの間に断熱材を設けて、加圧軸側への熱の逃げを抑制している。従って、加圧軸側への熱の逃げをさらに抑制することが求められている。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、加圧軸側への熱の逃げを抑制して、より高温下での操業ができるとともに、成形型内温度の均一化及び省エネ化の可能な多軸通電焼結装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の多軸通電式焼結装置は、上下方向の加圧軸と水平方向の通電軸とを備え、成形型内の粉体材料を前記加圧軸により加圧しながら前記通電軸により通電して焼結する通電焼結装置であって、前記加圧軸の先端部に断熱用の空洞を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また好ましくは、前記加圧軸と前記成形型との間に断熱材を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また好ましくは、前記空洞内に冷却水を供給することを特徴とする。
【００１６】
また好ましくは、前記加圧軸の先端部の温度に応じて前記冷却水の供給量を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の通電焼結装置は、上下方向の加圧軸と水平方向の通電軸とを備え、成形型内の粉体材料を加圧軸により加圧しながら通電軸により通電して焼結するようになっている。そして、加圧軸の先端部に断熱用の空洞を設けている。従って、成形型に近い部分に断熱用の空洞を設けて、成形型から加圧軸側への熱の逃げを抑制することができる。これにより、より高温下での操業ができるとともに、成形型内温度の均一化及び省エネ化も可能となる。
【００１８】
また、加圧軸と成形型との間に断熱材を設けた場合には、成形型から加圧軸側への熱の逃げをさらに抑制することができる。
【００１９】
また、空洞内に冷却水を供給する場合には、水冷によって断熱効果を高めることができる。
【００２０】
また、加圧軸の先端部の温度に応じて冷却水の供給量を調整する場合には、成形型から加圧軸側への熱の逃げを、細かく制御しながら抑制することができる。
【００２１】
このように、本発明の多軸通電焼結装置によれば、加圧軸側への熱の逃げを抑制して、より高温下での操業ができるとともに、成形型内温度の均一化及び省エネ化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態１に係る多軸通電焼結装置の断熱構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る多軸通電焼結装置の断熱構造を示す図である。
【図３】実施例における型内の温度計測位置を示す図である。
【図４】実施例における型内の温度上昇曲線を示すグラフである
【図５】比較例における型内の温度上昇曲線を示すグラフである。
【図６】推定温度勾配を示すグラフである。
【図７】実施例及び比較例における使用電力を示すグラフである。
【図８】一軸通電焼結装置の構成図である。
【図９】多軸通電焼結装置の構成図である。
【図１０】従来例に係る多軸通電焼結装置の断熱構造を示す図である。
【図１１】従来例に係る多軸通電焼結装置の断熱構造を示す図である。
【図１２】通電による発熱及び熱の逃げ方を示した図である。
【図１３】加圧軸の水冷構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、図１乃至図７及び図１３を参照して、本発明の実施形態に係る多軸通電焼結装置について説明する。本実施形態に係る多軸通電焼結装置の全体構成は、従来例として説明した図９に示す多軸通電焼結装置１００と同様であり、真空容器７０内の成形型８０に入れられた粉体材料を、上下方向の加圧軸１０，２０により加圧し、水平方向の通電軸３０，４０及び通電軸５０，６０により通電するようにしたものである。そして、多軸通電焼結装置１００の断熱構造として、以下の２つの実施形態について説明する。なお、以下に示す各構成部材の材料について、加圧軸は鋼、成形型及びスペーサーは黒鉛、断熱材はガラス繊維と樹脂が用いられている。
【００２４】
（実施形態１）
図１に示す断熱構造１０１は、成形型８０内の粉体材料に対して、上方にスペーサー１２，１３，１４及び上パンチ１５を配置し、下方にスペーサー２２，２３，２４及び下パンチ２５を配置し、上下方向の加圧通電軸１０，２０により加圧し、水平方向の通電軸により通電して、焼結体９０を生成するものである。そして、上下方向の加圧軸１０，２０の本体部には、それぞれ水冷部１１，２１が設けられており、水を供給しながら加圧軸を冷却するようになっている。また、加圧軸１０とスペーサー１２との間に断熱材１６が、加圧軸２０とスペーサー２２との間に断熱材２６が、それぞれ挿入されている。
【００２５】
次に、実施形態１では、加圧軸１０の先端部１８（成形型８０側の部分）に、空洞１９が形成されている。同様に、加圧軸２０の先端部２８（成形型８０側の部分）に、空洞２９が形成されている。空洞１９，２９には、外部から冷却水が供給されている。供給された冷却水は、加圧軸１０，２０の温度上昇に伴い加熱されて、高温水又は水蒸気となって外部に排出される。なお、空洞１９，２９への冷却水は、循環式に供給するようにしてもよい。
【００２６】
このように、成形型８０に近い部分に断熱用の空洞１９，２９を設けて冷却水を供給することにより、成形型から加圧軸側への熱の逃げを抑制することができる。
【００２７】
また、加圧軸１０，２０の先端部１８，２８の温度に応じて冷却水の供給量を調整するようにしてもよい。これにより、成形型８０から加圧軸１０，２０側への熱の逃げを、細かく制御することができる。
【００２８】
ここで、図１３を参照して、加圧軸先端部の空洞へ冷却水を供給する場合の、供給量の調整方法の一例を説明する。図１３は、加圧軸１０について記載したものであるが、加圧軸２０についても同様である。
【００２９】
加圧軸１０の基端部（本体部）には、水冷部１１が設けられている。水冷部１１には、本体部給水管１１１及び本体部排水管１１２が接続されており、冷却水を循環させながら本体部を冷却するようになっている。
【００３０】
加圧軸１０の先端部１８には空洞１９が設けられている。空洞１９には、先端部給水管１１４及び先端部排水管１１５が接続されている。また、先端部給水管１１４の上流側には逆止弁１１３及び電磁弁１１９が、先端部排水管１１５の下流側には逆止弁１１６が、それぞれ設けられている。逆止弁１１３は、上流側から空洞１９側への通過を可能にするとともに、空洞１９側からの逆流を防止する。逆止弁１１６は、空洞１９側から下流側への通過を可能にするもとともに、下流側からの逆流を防止する。電磁弁１１９は、空洞１９への冷却水の供給量を調整するために、必要に応じて開閉される。
【００３１】
加圧軸１０の先端部１８には、熱電対１１７が取り付けられており。加圧軸先端部１８の温度を測定するようになっている。また、水冷部１１と空洞１９との間は、隔壁１１８により隔てられている。
【００３２】
通電焼結が開始されると、成形型の温度上昇に伴い、加圧軸１０の先端部１８の温度が上昇する。そこで、熱電対１１７による温度測定に基づき、先端部１８の温度が予め定めた温度よりも高くなると、電磁弁１１９を開いて空洞１９に冷却水を供給する。また、先端部１８が冷却されて予め定めた温度よりも低くなると、電磁弁１１９を閉じて空洞１９への冷却水の供給をストップする。空洞１９に供給された冷却水は、先端部１８の温度に応じて、高温水又は水蒸気の状態で、先端部排水管１１５から排出される。なお、逆止弁１１３，１１６の働きにより、空洞１９の高温水又は水蒸気は、上流側に逆流することなく下流側に排出される。
【００３３】
このように、冷却水の供給量を調整することにより、加圧軸１０先端部１８の温度を一定範囲に保つことができる。加圧軸１０の先端部が高温になり過ぎると、割れなどの破損が生じるため好ましくない。一方であまり冷却し過ぎると、加圧軸１０側への熱の逃げが多くなってしまう。従って、先端部１８の温度を一定範囲に保つように制御することで、先端部１８の破損を抑えつつ、加圧軸１０側への熱の逃げを抑制することができる。
【００３４】
（実施形態２）
図２に示す断熱構造１０２は、成形型８０内の粉体材料に対して、上方にスペーサー１２，１３，１４及び上パンチ１５を配置し、下方にスペーサー２２，２３，２４及び下パンチ２５を配置し、上下方向の加圧通電軸１０，２０により加圧し、水平方向の通電軸により通電して、焼結体９０を生成するものである。そして、上下方向の加圧軸１０，２０の本体部には、それぞれ水冷部１１，２１が設けられており、水を供給しながら加圧軸を冷却するようになっている。また、実施形態１と異なり、加圧軸１０とスペーサー１２との間に２枚の断熱材１６，１７が、加圧軸２０とスペーサー２２との間に２枚の断熱材２６，２７が、それぞれ挿入されている。
【００３５】
次に、実施形態２では、加圧軸１０の先端部１８（成形型８０側の部分）に、空洞１９が形成されている。同様に、加圧軸２０の先端部２８（成形型８０側の部分）に、空洞２９が形成されている。ただし、実施形態１と異なり、空洞１９，２９には、外部から冷却水が供給されておらず、断熱空間として用いられている。
【００３６】
このように、成形型８０に近い部分に断熱用の空洞１９，２９を設けて断熱空間とすることにより、成形型から加圧軸側への熱の逃げを抑制することができる。
【００３７】
なお、断熱構造１０１及び断熱構造１０２について、断熱材の有無・枚数や、空洞への冷却水供給の有無は、適宜組み合わせることが可能である。例えば、断熱構造１０１について、「断熱材なし」や、「空洞への冷却水供給なし」とすることができる。また、断熱構造１０２について、「断熱材なし」や、「空洞への冷却水供給あり」とすることができる。
【００３８】
本実施形態に係る通電焼結装置は、上下方向の加圧軸１０，２０と水平方向の通電軸とを備え、成形型８０内の粉体材料を加圧軸１０，２０により加圧しながら通電軸により通電して焼結するようになっている。そして、加圧軸１０，２０の先端部１８，２８に断熱用の空洞１９，２９を設けている。従って、成形型８０に近い部分に断熱用の空洞１９，２９を設けて、成形型８０から加圧軸１０，２０側への熱の逃げを抑制することができる。これにより、より高温下での操業ができるとともに、成形型内温度の均一化及び省エネ化も可能となる。
【００３９】
また、加圧軸１０，２０と成形型８０との間に断熱材１６，１７を設けた場合には、成形型８０から加圧軸１０，２０側への熱の逃げをさらに抑制することができる。
【００４０】
また、空洞１９，２９内に冷却水を供給する場合には、水冷によって断熱効果を高めることができる。
【００４１】
また、加圧軸１０，２０の先端部１８，２８の温度に応じて冷却水の供給量を調整する場合には、成形型８０から加圧軸１０，２０側への熱の逃げを、細かく制御しながら抑制することができる。
【００４２】
このように、本実施形態に係る多軸通電焼結装置によれば、加圧軸１０，２０側への熱の逃げを抑制して、より高温下での操業ができるとともに、成形型内温度の均一化及び省エネ化が可能である。
【実施例】
【００４３】
本実施形態に係る多軸通電焼結装置における断熱構造の効果について、以下の通り検証した。図３は、実施例における型内の温度計測位置を示す図である。温度計測位置として、１〜５を設定した。昇温は、型の中心部が８００℃に到達する制御ロジックとし、電源電圧は４Ｖで一定とした。
【００４４】
実施例として図２に示す断熱構造１０２を選択し、比較例として図１１に示す断熱構造１０４を選択した。なお、通電軸の加圧力については、実施例を０．９５ＭＰａとし、比較例を０．５５ＭＰａとした。これは、通電軸の加圧力を増加させることにより、通電軸と黒鉛型の接触抵抗による発熱（図１２における符号７，８）を減少させて、型のジュール熱（図１２における符号６）の発生を増加させることができるのではないかと考えたためである。従って、本実施例は、加圧軸先端の空洞（冷却水なし）と断熱材の枚数増加による断熱効果の向上と、通電軸の加圧力増加による接触抵抗低減の複合効果による、型内温度の均一化、省エネ効果、サイクルタイムの短縮効果を計測したものである。
【００４５】
（黒鉛型内の温度分布）
図４は、実施例における型内の温度上昇曲線を示すグラフである。また図５は、比較例における型内の温度上昇曲線を示すグラフである。図４及び図５によると、温度計測位置１〜４の間の温度差は、８００℃到達時において、実施例が２℃弱（約１．５℃）、比較例が４℃弱（約３．７℃）となっている。比較例においても、型内の温度分布は相当に均一になっているが、実施例においては、さらに均一になっている。従って、多軸通電焼結装置の特徴である加圧軸と通電軸が分離された構造を活かし、加圧軸には断熱を、通電軸には加圧力の増加を行うことで、型内の温度分布を一層改善できることが検証できた。
【００４６】
ここで、型内の温度分布が均一になる現象について考察する。図６は、黒鉛型と黒鉛スペーサーの推定温度勾配を示すグラフである。グラフは上から順に、図１０に示す断熱構造１０３、図１１に示す断熱構造１０４（比較例）、図２に示す断熱構造１０２（実施例）に相当するものである。また、グラフの両端の黒丸印は実測値であり、カーブは推測値である。
【００４７】
図６に示すように、加圧軸先端に断熱構造を織り込むことにより、黒鉛型（成形型）と黒鉛スペーサーの温度勾配が緩やかになっているもの推測する。そのため、焼結体からの熱の逃げも少なく、かつ焼結体内部の温度勾配も緩やかになり、最終的に均一な温度となりやすいものと考えられる。
【００４８】
（省エネ効果と加熱時間短縮）
図７は、実施例及び比較例における使用電力を示すグラフである。図７（ａ）が実施例を示し、図７（ｂ）が比較例を示している。図７に示すように、使用電力合計は、実施例では１４．７ＫＷｈ、比較例では１７．２ＫＷｈとなっており、約１４．５％の省エネ効果があった。また加熱時間は、実施例では２９分、比較例では３６分となっており、約１９％の加熱時間短縮効果があった。
【００４９】
このように、実施例の断熱構造により、多軸通電焼結装置の型内温度分布の均一化、省エネ、サイクルタイム短縮について効果を検証できた。
【００５０】
以上、本発明の実施形態に係る多軸通電焼結装置について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  加圧軸
１１  水冷部
１２  スペーサー
１３  スペーサー
１４  スペーサー
１５  上パンチ
１６  断熱材
１７  断熱材
１８  加圧軸先端部
１９  空洞
２０  加圧軸
２１  水冷部
２２  スペーサー
２３  スペーサー
２４  スペーサー
２５  下パンチ
２６  断熱材
２７  断熱材
２８  加圧軸先端部
２９  空洞
３０  通電軸
４０  通電軸
５０  通電軸
６０  通電軸
７０  真空容器
８０  成形型
９０  焼結体
１００  多軸通電焼結装置
１０１  断熱構造
１０２  断熱構造
１０３  断熱構造
１０４  断熱構造
１１１  本体部給水管
１１２  本体部排水管
１１３  逆止弁
１１４  先端部給水管
１１５  先端部排水管
１１６  逆止弁
１１７  熱電対
１１８  隔壁
１１９  電磁弁
２００  一軸通電焼結装置
２１０  加圧通電軸
２１１  スペーサー
２１２  スペーサー
２１３  上パンチ
２２０  加圧通電軸
２２１  スペーサー
２２２  スペーサー
２２３  下パンチ
２７０  真空容器
２８０  成形型
２９０  焼結体
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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