(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の太径部と細径部の空間を有する段付きシリンダ２の型内で、当該型となるシリンダ２の側面に配置した電極８により原料粉末１を直接通電して、長手方向に径が変化する段付き部品を加圧焼結する方法であって、原料粉末１の上下の加圧用パンチ３，４及び筒状の太径部と細径部の空間を形成する段付きシリンダ２を、加圧ラム５を用いて加圧する際に、前記段付きシリンダ２と加圧用ラム５間にスペーサ１０を設け、最初に太径部のみを通電加熱しながら上下のパンチ３，４を加圧することにより太径部と細径部に存在する原料粉末１を収縮させ、次にスペーサ１０を介して段付きシリンダ２の加圧を開始して太径部を収縮させ、次に負荷荷重を減じながらスペーサ１０を取り除き、引き続いて通電加熱部を細径部に移動させて上下の加圧用パンチ３，４を加圧することにより細径部に存在する原料粉末１を収縮させ、加圧ラム５の下面が段付きシリンダ２の上面に到達するまで細径部を収縮させた後、細径部と太径部を同時に加圧して、細径部にかかる圧力を太径部にかかる圧力を超えさせずに焼結することを特徴とする細径部と太径部を有する段付き部品の焼結方法。
【請求項２】
筒状の太径部と細径部の空間を有する段付きシリンダ２の型内で、当該型となるシリンダ２の側面に配置した電極８により原料粉末１を直接通電して、長手方向に径が変化する段付き部品を加圧焼結する請求項１に記載の焼結方法に用いる装置であって、原料粉末１の上下の加圧用パンチ３，４、筒状の太径部と細径部の空間を形成する段付きシリンダ２、移動できる通電加熱用電極８、取り付け及び取り除きができるスペーサ１０及びこれらのパンチ３，４と前記段付きシリンダ２とを加圧する加圧ラム５を備えていることを特徴とする焼結装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属やセラミックス等に対する直接通電加圧焼結において、粉体を加圧する各パンチ及び又は成形空間を有するシリンダに加える荷重を独立に制御することにより、断面形状が一様でない、すなわち長手方向に径が変化する部品を緻密に焼結する方法及び装置を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
直接通電による加圧焼結法によれば、被焼結材をきわめて高速に昇温できるため、雰囲気加熱による従来の焼結手法と比較して製造時間の大幅な短縮が可能である。一般に、従来の直接通電による加熱焼結法は、被焼結体の軸方向の両端に通電加熱用の電極を配置して加圧すると同時に加熱する手法が取られている。
【０００３】
しかしながら、このような直接通電加圧焼結法によって段付き部材など断面形状が変化する部品を製造する場合、径の大小にかかわらず被焼結材料には同じ荷重がかかってしまうため、細径部の圧力が太径部よりも大きくなり、その結果として、焼結中に細径部に充てんした材料が太径部へ移動して、所望の形状が得られないという問題がある。
【０００４】
また、このような部品では、通電経路に垂直な断面の面積が一定とならないため、電気抵抗の差による発熱量の変化により均一な焼結体が得られないという難点も抱えている。したがって、段付きやテーパ部を有するなど、断面形状が変化する部品を直接通電による加圧焼結法によって製造することはきわめて困難である。
【０００５】
このようなことから、従来の被焼結体の軸方向の両端に通電加熱用の電極を配置して加圧する替わりに、被焼結体の側面に電極を配置し加熱する方法を、本発明者らが提案した（例えば、特許文献１および２参照）。
しかるに、この方法は、断面形状が一様でない被焼結材料の電気抵抗の変化に対し、通電電流を部位ごとに調整して全体を均一な温度で焼結することを主眼としたものであり、この目的のためには極めて有効である。しかし、圧力差による被焼結材料の形状変化には対応できないという問題があった。
【特許文献１】特願２００３−０４６６６１号
【特許文献２】特願２００３−０４６６９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、断面形状が一様でない、すなわち長手方向に径が変化する焼結体であっても、所望の形状に合わせた精密成形が可能であり、また焼結体の品質が均一であって、さらに焼結性に優れた焼結方法及び装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、断面形状が一様でない焼結体を得るために研究を重ねた結果、特許文献１〜２に提案された方法をもとに、被焼結材料を加圧するパンチ両端及び又はラムに加える荷重を独立に制御し、被焼結材料にかかる圧力を一定にしながら焼結を行うことによって、この目的を達成し得ることを見いだした。
【０００８】
すなわち、本発明は、上記知見に基づき
１）筒状の太径部と細径部の空間を有するシリンダの型内で、当該型となるシリンダの側面に配置した電極により原料粉末を直接通電して、長手方向に径が変化する部品を加圧焼結する方法において、原料粉末の上下の加圧用パンチ及び筒状の太径部と細径部の空間を形成するシリンダ加圧用のラムに加える荷重を、それぞれ独立に制御することを特徴とする焼結方法
２）筒状の空間を有する型内に配置した焼結原料粉末を型の一端部又は両端部から加圧することを特徴とする上記１）記載の焼結方法
３）被焼結材料の断面積が一様でない場合でも、それに加わる圧力が一定となるように制御することを特徴とする上記１）又は２）記載の焼結方法
４）１又は複数のラムを用いて加圧することを特徴とする上記１）〜３）のいずれかに記載の焼結方法
５）筒状の太径部と細径部の空間を有する型内で、当該型となるシリンダの側面に配置した電極により原料粉末を直接通電して、長手方向に径が変化する部品を加圧焼結する方法において、原料粉末の上下の加圧用パンチ及び筒状の太径部と細径部の空間を形成するシリンダを少なくとも１個の加圧用ラムを用いて加圧する際に、最初に上下のパンチを加圧し、引き続いてシリンダを加圧し、さらに上下のパンチを加圧することにより、パンチとシリンダの加圧を経時的に、上下のパンチとシリンダの加圧をそれぞれ独立に加圧制御することを特徴とする焼結方法
６）シリンダと加圧用ラム間にスペーサを設け、そのスペーサの厚さを調節することによりパンチとシリンダの加圧のストローク差を制御することを特徴とする上記５）記載の焼結方法
７）シリンダと加圧用ラム間にスペーサを設け、最初にパンチを加圧し、次にスペーサを介してシリンダの加圧を開始し、最後にスペーサを除去してパンチのみによる加圧を行うことを特徴とする上記５）又は６）記載の焼結方法、を提供する。
【０００９】
本発明は、また
８）筒状の太径部と細径部の空間を有する型内で、当該型となるシリンダの側面に配置した電極により原料粉末を直接通電して、長手方向に径が変化する部品を加圧焼結する装置において、原料粉末の上下の加圧用パンチ、筒状の太径部と細径部の空間を形成するシリンダ及びこれらのパンチ及びシリンダを、それぞれ独立に加圧制御できる複数の加圧用ラムを備えていることを特徴とする焼結装置
９）筒状の太径部と細径部の空間を有する型内で、当該型となるシリンダの側面に配置した電極により原料粉末を直接通電して、長手方向に径が変化する部品を加圧焼結する装置において、原料粉末の上下の加圧用パンチ、筒状の太径部と細径部の空間を形成するシリンダ及びこれらのパンチ及びシリンダを、最初にパンチを加圧し、引き続いてシリンダを加圧し、さらにパンチを加圧する加圧用ラムを備えていることを特徴とする焼結装置
１０）シリンダと加圧用ラム間に、パンチとシリンダの加圧のストローク差を調節するスペーサを備えていることを特徴とする上記９）記載の焼結装置、を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、直接通電による加圧焼結法の弱点であった段付き部材など断面形状が一様ではない部品、すなわち長手方向に径が変化する部品の製造において、優れた効果を発揮する。すなわち、高融点材料や機械加工がきわめて困難な硬い材料でも、段付き等の形状を備えた部品への緻密成形が可能になるものである。
直接通電加圧焼結法は、投入するエネルギーが少なく効率的であり、また作業に要する時間が短縮されるという優れた成形方法であるが、本発明はさらに形状的な適用範囲を拡大できるという点で、産業上極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明においては、公知の通電加圧焼結法及上記の本発明者らによる特許文献１〜２に記載した発明を基に、従来は被焼結材料を全体的に一様荷重で加圧していたものを、被焼結材料にかかる圧力が断面積の大小にかかわらず一定となるよう、材料の両端から加える荷重をそれぞれ独立して制御することによって、焼結品質が良好な、段付き部品などの断面形状が一様でない焼結部材を製造する方法を開発した。
【００１２】
段付き部品を焼結する場合の一例を図１沿って説明する。図１は原料粉末両端にかかる圧力をそれぞれ独立に制御しながら、移動式部分焼結等を行うことにより、段付き部品など断面形状が一様でない焼結体を良好に製造する方法に使用する装置の一例を示す概略説明図である。
【００１３】
この図１に示すように、まず、原料粉末１をシリンダ２内に充填する。充填された原料粉末１は、型の内部でパンチＡ３およびパンチＢ４により両端から加圧される。このとき、原料粉末１において、細径側にかかる圧力と太径側にかかる圧力とが同じになるよう、シリンダ２を押圧する加圧ラムＡ５と加圧ラムＢ６とに加える圧力を制御する。
【００１４】
さらに、両側において荷重の均衡を図るために、加圧ラムＣ６に加える圧力Ｌ２と加圧ラムＡ５に加える圧力Ｌ１との差Ｌ３を、加圧ラムＢ７によりシリンダ２に加える。このような加圧方法のもとで、例えばシリンダ２の周囲、すなわち側面に電極を当て、移動式部分焼結等を行う（例えば、特許文献１に示される方法にしたがって）と、細径側から太径側への埋没が抑制され、所望の形状を有する焼結品質が良好な段付き部品を製造することが可能となる。
なお、加圧ラムＣ６については固定の台としてもよい。また、図１においては、片側の加圧ラム数を２本として説明したが、この２本に限定する必要がない。すなわち、必要に応じて加圧ラムの本数を増やしてもよい。
【００１５】
図１に示す例において、例えば細径部φ１５ｍｍ、太径部φ２５ｍｍとし、両者に３０ＭＰａ、３５ＭＰａ、４０ＭＰａ、４５ＭＰａ、５０ＭＰａの圧力がかかるような荷重設定を行った場合、その荷重は表１のようにセットできる。
例えば、４５ＭＰａとする場合には、Ｌ１＝８１１ｋｇｆ、Ｌ２＝２２５４ｋｇｆ、Ｌ３＝１４４３ｋｇｆとなる。これらの条件は、数例を示すものであるが、温度や原料粉末の種類により変動することがあるので、実際のテストを通じて、荷重の修正は当然可能である。
【００１６】
【表１】
0004677551.tif 000002
【００１７】
次に、原料粉末の加圧用パンチ及び筒状の空間を形成するシリンダを、加圧用ラムを用いて加圧する場合の例を、図２ａ），ｂ）を用いて説明する。
この例は、図２に示すようにシリンダ２と加圧用ラム５間にスペーサ１０を設け、そのスペーサ１０の厚さを調節することによりパンチＡ３とシリンダ２の加圧のストローク差を制御することができるようにしたものである。固定テーブル９上に、パンチＢ４を配置する。
シリンダ２内には、原料粉末１を充填し、同様にシリンダ２の周囲、すなわち側面に電極を当て、上記と同様に移動式部分焼結等を行う。
【００１８】
通電の初期段階では細径側及び太径側ともに収縮するが、加圧ラムＡ５がスペーサ１０に接触した後では、太径側のみが収縮する。したがって、この段階で、太径側の所定長さに亘って緻密化することが可能である。
さらに、図２ｂ）に示すように、電極を細径側へ移動させるとともに、負荷荷重を減じながらスペーサ１０を取り除いて再び通電する。この結果、細径側は太径側に埋没していくことなく、最終的な長さにすることができる。
スペーサ１０の厚さは、非焼結体のサイズ、材料等の焼結条件の変更に応じて任意に変更することができる。このように、スペーサはパンチとシリンダの加圧のストローク差を制御する機能を持つ。
【００１９】
このように、焼結している部分(通電している部分)の圧力を未焼結の部分の圧力が上回らないよう焼結中に負荷される荷重をうまく制御することによって、段付き部品でも所望の形状に緻密焼結できることを示すものである。
すなわち、太径側焼結と細径側にかかる圧力とを独立して制御し、細径側にかかる圧力を太径側のそれを越えることがないようにすることにより、埋没を抑制することができる。このように、本発明は細径側および太径側ともに同じ圧力に制御することができるため、段付き等の形状を備えた部品への均一な緻密成形が可能となる。
【００２０】
図２ａ），ｂ）に示した装置を用いて具体的に焼結した例を示す。固定テーブル９上にパンチＢ４が配置されている。細径側の直径が１５ｍｍ、太径側の直径が２５ｍｍのグラファイト製シリンダ２に、できあがり寸法(緻密化したときの長さ)が細径側および太径側ともに１０ｍｍとなるように、原料粉末１として、それぞれ４．７７ｇ及び１３．２５ｇのアルミニウム粉末を充填した。
また、細径側のシリンダ１上部に、パンチＡ３が貫通する厚さ１２ｍｍ(緻密化したときの長さよりも若干厚め)の穴あきスペーサ１０を挿入した。
そして、充填した原料粉末１をパンチＡ３により、太径側にかかる圧力が４５ＭＰａとなるよう、加圧ラムＡ５を介して２２５０ｋｇｆの荷重で加圧した。
この状態で、太径側に配置した幅１５ｍｍの電極８に通電し、太径側の焼結を実施した。
【００２１】
通電の初期段階では、細径側及び太径側ともに収縮するが、加圧ラムＡ５がスペーサ１０に接触した後では、太径側のみが収縮した。その結果、太径側の長さを目的値である１０ｍｍにまで緻密化することができた。
さらに、電極を細径側へ移動し、負荷荷重を９００ｋｇｆ(細径側圧力５０ＭＰａ)に減じながらスペーサ１０を取り除いて再び通電した。その結果、細径側は太径側に埋没していくことなく、最終的にその長さは１０ｍｍとなった。作製されたサンプルの密度を測定したところ、相対密度で９９．６％という値が得られた。
【００２２】
比較のために、同様に図３に示す装置を使用し、上記と同様の条件である細径側の直径が１５ｍｍ、太径側の直径が２５ｍｍのグラファイト製シリンダ２に、できあがり寸法(緻密化したときの長さ)が細径側および太径側ともに１０ｍｍとなるように、原料粉末１としてそれぞれ４．７７ｇおよび１３．２５ｇのアルミニウム粉末を充填した例を示す。
この充填した原料粉末１をパンチＡ３により、太径側にかかる圧力が４５Ｐａとなるよう、２２５０ｋｇｆの荷重で加圧した。この状態で、太径側に配置した幅１５ｍｍの電極８に通電し、太径側の焼結を試みた。
しかし、焼結の進行とともに細径側が太径側へ埋没してしまい、所望の形状を得ることができなかった。すなわち、この従来の加圧方法で焼結を行うと、移動式部分焼結を用いても良好な焼結は困難であった。
【００２３】
上記の具体的な本発明の例及び比較の例の結果から明らかなように、焼結している部分(通電している部分)の圧力を未焼結の部分の圧力が上回らないよう焼結中に負荷される荷重をうまく制御することによって、段付き部品でも所望の形状に緻密焼結できることが分かる。
すなわち、太径側焼結中に、加圧ラムＡ５がスペーサ１０に接触した後は、細径側にかかる圧力が太径側のそれを越えることがなくなるため、埋没が抑制される。本発明は、細径側および太径側ともに同じ圧力に制御するため、段付き部材など断面形状が一様ではない部品においても緻密化が十分可能となるものである。
【００２４】
上記については、断面形状が一様でない、すなわち長手方向に径が変化する焼結体の製造に際して、スペーサを利用した例を用いて説明したが、このようにスペーサを利用しない場合でも、原料粉末の加圧用パンチ及び筒状の空間を形成するシリンダ加圧用のラムに加える荷重を、それぞれ独立に制御することによって、焼結中に形状変化が起こらず、また焼結体の品質が均一であって、さらに焼結性に優れた焼結体を得ることができることが明らかである。
なお、上記に実際の例を示したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲で、本実施例以外の態様あるいは変形を全て包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、直接通電による加圧焼結法の弱点であった段付き部材など断面形状が一様ではない部品の製造において、優れた効果を発揮する。すなわち、高融点材料や機械加工がきわめて困難な硬い材料でも、段付き等の形状への緻密成形が可能になる。したがって、金属やセラミックス等に対するエネルギーの消費を低減し、作業に要する時間を短縮化する直接通電加圧焼結法に有効であり、形状的な適用範囲を拡大できるので、産業上の効果は非常に大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による、原料粉末両端にかかる圧力をそれぞれ独立に制御しながら、移動式部分焼結等を行うことにより、段付き部品など断面形状が一様でない焼結体を良好に製造する方法に使用する装置の一例を示す概略説明図である。
【図２】スペーサを使用し、負荷荷重制御による焼結方法を用いた本発明装置の一例を示す概略説明図である。
【図３】従来法による段付き部品の製造方法について示した概略説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：原料粉末
２：シリンダ(焼結用の型)
３：パンチＡ
４：パンチＢ
５：加圧ラムＡ
６：加圧ラムＣ
７：加圧ラムＢ
８：電極
９：固定テーブル
１０：スペーサ（穴あき）
【図１】
0004677551.tif 000003
【図２】
0004677551.tif 000004
【図３】
0004677551.tif 000005