(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾式一軸プレスにより原料粉体をプレス成形して、圧粉体を作製するためのプレス成形用型において、原料粉体にプレス圧力を印加する面が、上下共に、プレス圧力の印加方向に直交する一つの平面のみで形成されており、プレス圧力を印加するためのパンチと原料粉体との間に、原料粉体に接して、印加されたプレス圧力により変形することが可能な弾性体により形成された弾性体パンチを備えており、その弾性体パンチとプレス圧力を印加するためのパンチとの間に空隙を有し、成形に必要なプレス圧力が印加された状態では、弾性体パンチの背面がフラットになるよう変形し空隙が消滅することを特徴とするプレス成形用型。
【請求項２】
弾性体パンチの成形面及び背面の形状が下記の形状であることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形用型。
弾性体パンチの成形面の形状：プレス方向に直交し、弾性体パンチの成形面の圧粉体最薄部に対応する部分と接する面を第１基準面として、弾性体パンチの成形面上の任意の点から前記第１基準面に降ろした垂線の長さが、その点の原料粉体充填高さから、圧粉体最薄部に対する原料粉体充填高さを差し引いた値に等しい形状。
弾性体パンチの背面の形状：プレス方向に直交し、弾性体パンチの背面の圧粉体最厚部に対応する部分と接する面を第２基準面として、弾性体パンチの背面上の任意の点から前記第２基準面に降ろした垂線の長さが、圧粉体最厚部に対する最適プレスストロークから、その点の最適プレスストロークを差し引いた値に等しい形状。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプレス成形用型を用いて、乾式一軸プレスにより、原料粉体をプレス成形して圧粉体を作製することを特徴とするプレス成形法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乾式一軸プレスにより原料粉体をプレス成形して圧粉体を得る際に使用されるプレス成形用型及びそれを使用したプレス成形法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスや粉末冶金の分野では、圧粉体を焼成して焼結体としての製品を得る場合が多いが、圧粉体の密度分布が、そのまま焼結体の密度分布に反映され、製品の形状精度、物性等を左右することが多い。例えば、圧粉体の低密度部分は高密度部分に比べて焼成による収縮が大きいために、製品全体としては不均一な収縮が生じ、得られる製品が変形する場合がある。この変形を焼成後の加工によって修正するためには、修正加工による取り代を大きく見積もって圧粉体を作製しなければならないので、原料および加工などのコストが増加する。また、修正加工により製品の形状は修正できても、低密度部分は強度、耐食性などの物性が劣ることが多い。これらの理由から、圧粉体はできるだけ均一な密度で作製されることが求めらている。
【０００３】
一方、乾式一軸プレスは最も簡便で低コストのプレス成形法であるが、この乾式一軸プレスを用いて、密度の均一な圧粉体を得ようとする場合には、その形状に制限がある。すなわち、１つのパンチで、上下のいずれか一方の方向のみから原料粉体にプレス圧力を印加する単動のプレス機、あるいは対向する２つのパンチで上下の両方向から原料粉体にプレス圧力を印加する複動のプレス機では、圧粉体のパンチに接する面は、プレス圧力の印加方向（以後、この方向を「プレス方向」と称す）に直交する一つの平面のみで形成されていなければならなず、プレス方向の厚さが一定の圧粉体しか作製することができない。これは、圧粉体の厚さの異なる部分では、一定の圧縮比（プレスにより所定の密度を得るための、プレス前後のプレス方向の厚さの比）を得るためのプレスストローク（プレスにより所定の密度を得るためのパンチの移動量）が、その厚さにより異なるためである。例えば、圧縮比を３とすると、目的の圧粉体の厚さが１０ｍｍの部分では、原料粉体の充填高さは３０ｍｍであり、プレスストロークは２０ｍｍとなるのに対し、圧粉体の厚さが２０ｍｍの部分では、原料粉体の充填高さは６０ｍｍであり、プレスストロークは４０ｍｍとなる。逆に、プレスストロークを一定とすると、圧粉体の厚さの異なる部分では、圧縮比が異なってしまい、結果として一定の密度は得られない。
【０００４】
複数のパンチを稼働させることができる多段プレス機を用いれば、目的の圧粉体の厚さの異なる部分の数に分割した複数のパンチを、それぞれ適切なプレスストロークでプレスすることが可能であり、プレス方向に直交する複数の平行な平面で形成されている、部分的に厚さの異なる圧粉体を作製することが可能である。しかし、この多段プレス機においても、原料粉体と接する前記のパンチを無数に分割することは不可能であり、圧粉体がプレス方向と斜めに交わる面又は曲面で形成されており、プレス方向の厚さが連続的に変化している部分を含む場合には、密度の均一な圧粉体を得ることができないという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、最も簡便で低コストの乾式一軸プレスにより、プレス方向に斜めに交わる面又は曲面で形成され、その厚さが一定でなく連続的に変化する部分を含む圧粉体でも、均一な密度で作製することができるプレス成形用型及びそれを使用したプレス成形法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のプレス成形用型は、乾式一軸プレスにより原料粉体をプレス成形して、圧粉体を作製するためのプレス成形用型において、プレス圧力を印加するためのパンチと原料粉体との間に、原料粉体に接して、印加されたプレス圧力により変形することが可能な弾性体により形成された弾性体パンチを備えていることを特徴としている。さらに、この弾性体パンチの形状は下記の形状を有することが好ましい。すなわち、この弾性体パンチの原料粉体と接する側の面（以後、この面を「成形面」と称す）の形状については、プレス方向に直交し、この弾性体パンチの成形面の、目的とする圧粉体のプレス方向の厚さが最も薄い部分（以後、この部分を「圧粉体最薄部」と称す）に対応する部分と接する面を第１基準面として、この弾性体パンチの成形面上の任意の点から前記第１基準面に降ろした垂線の長さが、その点の原料粉体充填高さから、圧粉体最薄部に対する原料粉体充填高さを差し引いた値に等しい形状であり、かつ、この弾性体パンチの前記成形面の反対側の面（以後、この面を「背面」と称す）の形状については、プレス方向に直交し、この弾性体パンチの背面の、目的とする圧粉体のプレス方向の厚さが最も厚い部分（以後、この部分を「圧粉体最厚部」と称す）に対応する部分と接する面を第２基準面として、弾性体パンチの背面上の任意の点から前記第２基準面に降ろした垂線の長さが、圧粉体最厚部に対する最適プレスストロークから、その点の最適プレスストロークを差し引いた値に等しい形状である。なお、各点の最適プレスストロークは、その点の原料粉体充填高さから圧粉体の厚さを差し引いた値であるが、より厳密にはその点の原料粉体充填高さから圧粉体の厚さを差し引いた値に、成形に必要なプレス圧力が印加された状態での、その点の弾性体パンチ自身の収縮量を加えた値とすることもできる。また、各点の原料粉体充填高さは、その点の圧粉体の厚さにプレス成形における圧縮比を乗じたものである。
【０００７】
また、本発明のプレス成形用型にその成形面を上に向けて設置される弾性体パンチは、その上に原料粉体が充填された後も、プレス圧力が印加されていない状態では実質的な変形を起こさず、かつ、圧粉体の成形に必要な所定のプレス圧力が印加された状態では、その背面がフラットになるように変形するものが好ましい。したがって、この弾性体パンチの硬度は、目的とする圧粉体の形状やその大きさ、重量及び弾性体パンチの材質、厚さ等により適宜選択することが好ましいが、一般的には、ＪＩＳ  Ｋ６３０１スプリング式硬さ試験Ａ形による硬度で２０〜４０であることが好ましい。この弾性体パンチを形成する材料としては、上記の特性を有する材料であれば良く、特には限定されないが、天然ゴム、合成ゴム、ネオプレン（登録商標）ゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム、可塑性ポリ塩化ビニル、ポリウレタン等が例示される。なお、これらの材料は単独で用いても良いし、２つ以上の材料を組み合わせて用いても良い。
【０００８】
さらに、本発明のプレス成形法は、上記の弾性体パンチを備えたプレス成形用型を用いて、乾式一軸プレスにより、原料粉体をプレス成形して圧粉体を作製することを特徴とするものであり、プレス方向の厚さが異なる部分を含む形状の圧粉体や、プレス方向の厚さが連続的に変化する部分を含む形状の圧粉体を作製することが可能である。また、本発明のプレス成形法は、一般的な単動又は複動のプレス機を用いてプレス成形することが可能である。
【０００９】
なお、本発明のプレス成形法では、前記の弾性体パンチをプレス成形用型の下部に、その成形面を上に向けて設置し、この弾性体パンチの上に原料粉体を充填するようにしてプレス成形を行うことが好ましい。また、プレス成形用型の保持方式としては、固定方式を用いても良いが、より均一なプレス成形を行うために、バネで保持されているダイがパンチの動きにつれて移動する浮き型方式を用いることが更に好ましい。
【００１０】
さらに、必要に応じて、上記により得られた圧粉体を、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）処理により更に緻密化することも可能である。
【００１１】
なお、本明細書においては、「型」はダイ（パンチとともに圧粉体を形成する空間を構成するもの）、パンチ及び上記の弾性体パンチ等の付属品を含めた全体を指すものとする。
【００１２】
以下に、本発明を図面を参照して更に詳細に説明する。
【００１３】
プレス方向と斜めに交差する面を有し、プレス方向の厚さが連続的に変化している部分を有する圧粉体の一例として、プレス方向に平行な断面で切断した断面形状が図２に示す形状である圧粉体を作製することを考える。この例では、圧粉体の最も厚い部分（圧粉体最厚部：図中６と記す部分）の厚さは１０ｍｍであり、最も薄い部分（圧粉体最薄部：図中７と記す部分）の厚さは５ｍｍである。なお、この圧粉体の平面形状は円形を想定しているが、本発明は、作製する圧粉体の平面形状に関しては何ら制限はなく、任意の形状のものに適用できる。
【００１４】
この圧粉体を作製するために必要な圧縮比を３とすると、圧粉体最厚部６に対する原料粉体充填高さは３０ｍｍであり、弾性体パンチ自身の収縮を無視した場合の最適プレスストロークは２０ｍｍとなる。同様に、圧粉体最薄部７に対する原料粉体充填高さと最適プレスストロークはそれぞれ１５ｍｍと１０ｍｍとなる。この場合の本発明のプレス成形用型に備えられる弾性体パンチの形状の一例を、プレス方向に平行な断面で切断した断面形状として図１に示す。なお、図１では、この弾性体パンチの成形面を上側、その背面を下側として図示してあり、また、圧粉体最厚部６に対応する弾性体パンチの部分を８、圧粉体最薄部７に対応する部分を９と記してある。
【００１５】
第１基準面は、プレス方向に直交し、弾性体パンチの圧粉体最薄部７に対応する部分９の成形面１０に接する面であり、図１中のＣ・Ｃと記した破線で示される面である。第２基準面は、プレス方向に直交し、弾性体パンチの圧粉体最厚部６に対応する部分８の背面１１に接する面であり、図１中のＤ・Ｄと記した破線で示される面である。弾性体パンチの成形面の任意の点から、前記の第１基準面に降ろした垂線の長さｈ１は、その点での原料粉体充填高さから、圧粉体最薄部７に対する原料粉体充填高さ（本例では１５ｍｍ）を差し引いた値となるようにする。なお、本例のように、目的とする圧粉体の断面形状が直線で構成されている場合には、圧粉体最薄部７に対応する部分９の端点（第１基準面へ降ろした垂線の長さ０ｍｍ）と、圧粉体最厚部６に対応する部分８の端点（第１基準面へ降ろした垂線の長さ１５ｍｍ）とを、図のように直線で結べば良い。
【００１６】
一方、弾性体パンチの背面の任意の点から、前記の第２基準面に降ろした垂線の長さｈ２は、圧粉体最厚部６に対する最適プレスストローク（本例では２０ｍｍ）から、その点での最適プレスストロークを差し引いた値となるようにする。なお、本例のように、目的とする圧粉体の断面形状が直線で構成されている場合には、圧粉体最薄部７に対応する部分９の端点（第２基準面へ降ろした垂線の長さ１０ｍｍ）と、圧粉体最厚部６に対応する部分８の端点（第２基準面へ降ろした垂線の長さ０ｍｍ）とを、図のように直線で結べば良い。なお、本例では、プレス成形時のプレス圧力による弾性体パンチ自身の収縮を無視して、その点の最適プレスストロークを、その点の原料粉体充填高さから、目的とする圧粉体の厚さを差し引いた値としたが、必要に応じて、最適プレスストロークを、その点の原料粉体充填高さから、目的とする圧粉体の厚さを差し引いた値に、成形に必要なプレス圧力が印加された状態での、その点の弾性体パンチ自身の収縮量を加えた値とすることが好ましい。
【００１７】
上記の弾性体パンチを備えたプレス成形用型を用いたプレス成形法の手順の一例の概略を図３〜図６に示す。図３はプレス成形用型の下側のパンチ２の上に上記の弾性体パンチ３を、その成形面を上に向けて設置し、その上に原料粉体４を充填した状態を示すものである。なお、圧粉体最薄部に対応する部分の原料粉体の充填高さが適正な充填高さ（本例では１５ｍｍ）となるように原料粉体を充填することにより、他の全ての部分について、適正な充填高さの原料粉体を自動的に充填することができる。続いて、ダイ１を所定量（本例では５ｍｍ）上昇させ、上側のパンチ５を装填し（図４）、成形に必要なプレス圧力を印加する（図５）。プレス圧力が印加されると、原料粉体がプレスされると同時に、弾性体パンチの圧粉体最厚部に対応する部分以外の部分は徐々に変形する。上側及び下側のパンチは最終的には両者の移動量の合計が圧粉体最厚部に適したプレスストローク（本例では２０ｍｍ）となる量だけ移動するが、圧粉体最厚部以外の部分では、弾性体パンチの変形により、実効的なプレスストロークはその値より小さくなる。最終的に成形に必要なプレス圧力が印加された状態では、前記の弾性体パンチは図５に示すようにその背面がフラットになる。前述のように、この弾性体パンチの背面の凹凸は、圧粉体最厚部に対する最適プレスストロークが加えられたときに、各点において過剰となるプレスストロークを、弾性体パンチが変形することによって吸収するように作製されているので、図５に示されるように背面がフラットになった状態では、各点に対してその点の最適プレスストロークが作用したことになる。
【００１８】
最後にダイを裏返し、下側のパンチを上方向に抜き取った後、圧粉体をダイより取り出す（図６）。
【００１９】
上述のように、弾性体パンチを用いることにより、原料粉体の充填時及びプレス成形終了時に、各々最適な形状のパンチでプレスすることが可能なため、一軸プレス機によっても、密度の均一な圧粉体を作製することができる。
【００２０】
【実施例】
Ｉｎ2Ｏ3９０ｗｔ％−ＳｎＯ2１０ｗｔ％からなるセラミック粉体を圧縮比３でプレス成形して、図２にその断面形状を示すような凹凸を有する円盤状の圧粉体を以下に示す方法により作製した。この圧粉体の最も薄い部分の厚さは５ｍｍ、最も厚い部分の厚さは１０ｍｍである。成形に使用する原料粉体の圧縮比が３であることから、圧粉体の厚さが５ｍｍの部分では、原料粉体充填高さは１５ｍｍ、最適プレスストロークは１０ｍｍとなる。これに対し、圧粉体の厚さが１０ｍｍの部分では、原料粉体充填高さは３０ｍｍ、最適プレスストロークは２０ｍｍとなる。これらのことから、その断面形状が図１に示されるような形状の円盤状の弾性体パンチを作製した。すなわち、この弾性体パンチの成形面の形状を、成形面上の任意の点から第１基準面（Ｃ・Ｃ）に降ろした垂線の長さｈ１が、その点での原料粉体充填高さから、圧粉体最薄部７に対する原料粉体充填高さ（１５ｍｍ）を差し引いた値となるようにし、かつ、その背面の形状を、背面上の任意の点から第２基準面（Ｄ・Ｄ）に降ろした垂線の長さｈ２が、圧粉体最厚部６に対する最適プレスストローク（２０ｍｍ）から、その点での最適プレスストロークを差し引いた値となるようにした。なお、この弾性体パンチの成形面の形状は、圧粉体最厚部に対応する部分８が、圧粉体最薄部に対応する部分９との原料粉体充填高さの差（１５ｍｍ）だけ凹んだ形状となっている。また、この弾性体パンチの背面の形状は、下側のパンチの上に置かれたときに、圧粉体最薄部に対応する部分９で、圧粉体最厚部に対応する部分８との最適プレスストロークの差（１０ｍｍ）に相当する隙間が空くような形状となっている。なお、この弾性体パンチの厚さが最も薄い部分は、圧粉体最厚部に対応する部分８であり、この部分の厚さを５ｍｍとした。この弾性体パンチを、ＪＩＳ  Ｋ６３０１スプリング式硬さ試験Ａ形による硬度が３５の東レ・ダウコーニング・シリコーン社製の型取り用シリコーンゴム、商品名「ＳＨ９５５５」により形成した。
【００２１】
図３〜図６にプレス成形の手順の概略を示す。上記の弾性体パンチをプレス成形用型の下側のパンチの上にその成形面を上に向けて、成形面の最上部とプレス成形用ダイの上面との間の距離が、圧粉体最薄部（厚さ５ｍｍ）に対応する部分に必要な原料粉体充填高さ（１５ｍｍ）となるように設置し、上方より原料粉体を充填した（図３）。次に、プレス成形用ダイを５ｍｍ程上昇させて、上側のパンチを装填した（図４）。このようにセットしたプレス成形用型を一軸プレス機を用いて、５００ｋｇｆ／ｃｍ2のプレス圧力を印加してプレスを行った（図５）。最後に、プレス成形用ダイを裏返し、下側のパンチをダイから上方向に抜き取った後、圧粉体を取り出した（図６）。得られた圧粉体の形状はほぼ目的とした形状のものであった。
【００２２】
こうして得られた圧粉体を、酸化雰囲気中、１５００℃で５時間焼成した後、得られた焼結体の各部分（９箇所）の相対密度を測定した。測定結果は、９箇所の平均値９２．７％、最大値９３．０％、最小値９２．５％であり、均一性の良い焼結体が得られた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のプレス成形用型及びそれを用いるプレス成形法によれば、従来、一軸プレスでは製造できなかった、プレス方向の厚みが異なる部分を含むか、又はその厚みが連続的に変化する部分を含む形状の圧粉体を、均一な密度で、簡便、かつ低コストで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプレス成形用型が備える弾性体パンチの形状の一例を、プレス方向に平行な面で切断した断面形状として示した図である。
【図２】プレス方向と斜めに交差する面を有し、プレス方向の厚さが連続的に変化する部分を含む圧粉体の形状の一例を、プレス方向に平行な面で切断した断面形状として示した図である。
【図３】本発明におけるプレス成形法の一例において、弾性体パンチ上に原料粉体が充填された状態を示す断面図である。
【図４】本発明におけるプレス成形法の一例において、上側のパンチが装填された状態を示す断面図である。
【図５】本発明におけるプレス成形法の一例において、所定の圧力が印加された状態を示す断面図である。
【図６】本発明におけるプレス成形法の一例において、プレス成形の完了後、上下を逆転して、上側のパンチを押上げた後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１：ダイ
２：下側のパンチ
３：弾性体パンチ
４：原料粉体又は圧粉体
５：上側のパンチ
６：圧粉体最厚部
７：圧粉体最薄部
８：圧粉体最厚部に対応する弾性体パンチの部分
９：圧粉体最薄部に対応する弾性体パンチの部分
１０：圧粉体最薄部に対応する弾性体パンチの成形面の部分
１１：圧粉体最厚部に対応する弾性体パンチの背面の部分
【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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