(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉粒体を出発原料とし薄板の形状を持つ異形の圧粉体に成形する方法において、発泡フォーム成形型を用いること、発泡フォーム成形型に粉粒体を充填し、通常の冷間等方圧加圧法で使用されているゴムシート製の袋を利用し、粉粒体が充填された発泡フォーム成形型を該ゴムシートに包み、ゴムシートの入り口部分を塞ぎ、このときゴムシート内を減圧し、これを、圧力媒体内に挿入し、冷間等方圧加圧法により成形することを特徴とする薄板の形状を持つ異形の圧粉体の成形方法。
【請求項２】
発泡フォーム成形型が、アクリル樹脂系およびまたはスチレン樹脂系のプラスチックフォームまたは発泡フォーム成形型である請求項１の薄板の形状を持つ異形の圧粉体の成形方法。
【請求項３】
発泡フォーム成形型の粉粒体との接触面を、ポリエチレンラップフィルムで覆い、その後に発泡フォーム成形型に粉粒体を充填する請求項１または２の薄板の形状を持つ異形の圧粉体の成形方法。
【請求項４】
発泡フォーム成形型が下板と外周部分と上板で構成され、該成形型の圧粉体が接触する上面、下面および外周面のそれぞれの面にポリエチレンラップフィルムを貼りつけ、その後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接着し、この準備した型内に粉粒体を挿入し、次に上板をかぶせてゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧する請求項１、２または３の薄板の形状を持つ異形の圧粉体の成形方法。
【請求項５】
薄板の形状を持つ異形の圧粉体が薄肉円盤の圧粉体である請求項１ないし４のいずれかの薄板の形状を持つ異形の圧粉体の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業の属する技術分野】
本発明は、各種金属並びにセラミックス粉末などの成形方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、各種金属並びにセラミックス粉末等の成形において、複雑形状または薄板などの形状を持つ異形のものの成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスや金属材料を利用して、部品または部材を作る際の方法の一つとして、粉粒体を出発原料として成形する方法がある。これは、金属材料やセラミックス材料をある形状に成型し、焼成、加工の工程を経て、部品を作製する方法である。
従来の金属材料では、溶解−鋳造（インゴット）−熱間加工−冷間加工を施し、板や棒などの半製品として出荷した後、機械加工等で部品に仕上げ組み立てていた。しかし、新材料の出現と共に、金属材料においても、高融点材料や易反応性材料などが多くなってきており、溶解プロセスを行うことが困難な材料が数多く見られる。このような材料は、粉体を出発原料とすることが多く、セラミックスの成形プロセスに近くなっている。しかし、金属の特徴は依然として失われておらず、焼結した後、塑性加工によって賦形するというセラミックスのプロセスとは逆の順序で製品化されている。
【０００３】
粉体を出発原料として成形を行う方法は、セラミックスなどでは、従来から行われており、その成形方法には、多種多様な方法が存在している。例えば、粉体を水などの溶媒と混合し、多孔質型に流し込み、何らかの方法で固化させ成形体を作る鋳込み成形や、粉体と水もしくは他の溶媒とを混練し可塑性のある坏土を特定の口金から押し出すことによって一定の断面形状を有する成形体を得られる塑性成形、同様の方法において有機バインダーを溶媒として複雑形状の型に可塑化し、成形する射出成形法、粉粒体型に入れて、一軸加圧、静水加圧、振動加圧、衝撃加圧等々の色々な加工を行う加圧成形法などがある。
【０００４】
上述した、金型を用いた各種成形法では、粉体と金型面あるいは粉体相互の摩擦に起因するブリッジ現象によって圧粉体に成形密度の不均一を生じやすく、特に加圧成形を利用して、高密度または高均質の焼結体を得るためには、初期の充填密度を高くしなければならない。初期の充填密度を高めるためには、通常冷間等方圧加圧プレス（ＣＩＰ）を利用することがある。この方法は、単軸プレスまたは複雑形状に加工した圧粉体を、ゴム状の袋でくるみ液体を満たした圧力容器内に挿入し、等方液圧を加えることによって、初期の充填密度を高めるものである。例えば、セラミックスなど、塑性変形しにくい材料などはこの方法を用いて初期密度を高めて、焼成を行う。金型プレス成型は、薄肉品あるいは小型部品の成形に適しているのに対し、ＣＩＰ成形は大型肉厚部品や長尺部品の成形に適した方法である。また、ＣＩＰ法を利用した成形方法の中には、金型の所望の形状を満足させる成形方法としてＮｅａｒ−Ｎｅｔ−Ｓｈａｐｅ ＣＰＩ法などがある。
【０００５】
ＣＩＰ成形法には、粉末を充填したゴム型を直接浸漬して、加圧する湿式法とダイヤフラムを介して成形ゴム型に圧力を加える乾式法がある。湿式法では完全な等方圧加圧が行われるが、乾式法においては上下面からは加圧されないので、疑似等方圧加圧となる。湿式法が少量多品種生産あるいは試作研究に適しているのに対し、乾式法は自動化が容易で、大量生産向きのプロセスである。また、加圧媒体には前者で水またはエマルジョン、後者では油が主に使用されている。ＣＩＰ成形に使用する原料粉末は、ゴム型への充填性を考慮して１００μｍ程度の顆粒にするのが普通である。
【０００６】
ゴム型の材料には、天然ゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、ウレタンゴムのほか、塩化ビニルなども用いられている。ゴム型に求められる条件は、粉末充填の際に形状を保持することができて、可能な限り、薄いことである。ゴム型が厚いと、ゴム自体の剛性のために粉末への等方圧がかかりにくくなったり、成形後の減圧時にゴムの復元によって圧粉体を破壊したりすることが多くなる。また、例えばゴム型を利用して薄肉円盤を製作しようとする場合には、成形後の形状を保つためにはゴムの肉厚を厚くする必要があるため、実際に薄肉円盤用のゴム型を適用してＣＩＰ成形を行っても、成形体の筒部分が変形しにくいために、上板、下板からより大きな力が加わってくるので、寸法精度または均質性に欠ける圧粉体となってしまう。したがって、成形後の形状や大きさなどに応じたゴム材質・ゴム硬度の選択が必要になってくる。ＣＩＰ法では事前に他の成形方法によって予備成形した圧粉体を、高密度・高均質化の目的で再加圧する場合もある。このときはゴム型に形状の保持を担わせる必要が無いので薄いゴムの袋などが用いられる。
【０００７】
ゴム型に充填された粉粒体は、昇圧・保持・降圧の過程を経て圧粉体となる。このスケジュールで最も注意が必要なのは降圧過程である。１０ＭＰa以下の低圧域では、ゴム型の復元力とそれに続く圧粉体との分離、さらには圧粉体内に閉じ込められていた空気の膨張などによる力などが原因となって圧粉体が破壊することもあり、ゴム内に圧力媒体であるエマルジョン等の液体が流入して成形体が崩れることもある。この様にＣＩＰ条件やゴム型の種類の選定を十分に吟味して行う必要がある。
【０００８】
このように、粉体を成形する方法は、多種多様で存在する。しかしながら、すべての成形法において、成形を行う際に、金型の存在がある。大量少品種生産を行う製品の成形に関しては、金型を製作することは、それほどの不利益をもたらさないが、少量多品種の生産を行うためには、金型の製作は、製作コストに大きなウェイトを占めることになる。特に複雑形状の製品に関しては、その金型の作製に多大な労力を必要とするため、成型品・製品のコストを下げるためには、金型の設計・製作のコスト低減が望まれる。現状では、金型設計・製作はＮＣなどを用いて、異形状、複雑形状の金型まで容易に製作でき、コスト面においても、ぎりぎりの状況にある。
更なる製品コストの低減を考えるならば、現状の金型を利用する成形プロセスに変わる新しい成形プロセスの開発が望まれる。これが少量多品種の生産体系を維持する有効な方法であると考える。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、粉体を出発原料として成形する金属、セラミックス材料の新しい成形方法の提供を目的とする。更に詳しくは、本発明は、少量多品種の生産体系における金型コストを低減することと金型では製作できない複雑形状の成形体を無金型にて行える、新しい成形方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、粉粒体を出発原料とし圧粉体に成形する方法において、発泡フォーム成形型を用いることを特徴とする圧粉体の成形方法を要旨とする。
一般に成形において金型を使用する目的は、所望する形状に圧粉体を成形するためである。金型には主に金属材料が用いられるが、粉粒体を圧縮する際に、その形状が維持できさえすれば成形は可能であり、金属などの高強度材を使用する必要は無いものと考えられる。本発明では、上記問題を鑑みて、形状を保持する目的のために、高価な金型を適用するのではなく、簡単に異形状または薄板などが作れる発泡フォームを適用して圧粉体の成形を行うものである。
【００１１】
また本発明は、粉粒体を出発原料とし圧粉体に成形する方法において、発泡フォーム成形型を用いて冷間等方圧加圧法により行うことを特徴とする圧粉体の成形方法を要旨とする。さらにまた本発明は、粉粒体を出発原料とし圧粉体に成形する方法において、発泡フォーム成形型を用いその型の収縮を利用することを特徴とする圧粉体の成形方法を要旨とする。
プラスチックフォームに静水圧を加えると、フォーム自体は静水圧によって圧縮され、フォームの気泡膜が破れ、フォーム内の空気または各種気体が、フォームの外側に放出される。フォームはもとの大きさより、排出された気体分だけ収縮することになる。この現象を利用して、本発明では、金型の代わりにプラスチックフォームを利用して、好ましくは冷間等方圧加圧法により粉粒体の成形を行う。プラスチックフォームを所望の形状に加工し、そのフォームの中に粉粒体を充填し、フォームごと静水圧中に挿入することによって、フォームは収縮し、粉粒体に静水圧を加えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の構成を具体的に説明する。
本発明の対象とする粉粒体は、金型を用いて圧粉体に成形することのできる粉粒体であれば何でもよい。セラミックス材料、金属などの粉粒体が例示される。また、本発明の対象とする圧粉体の成形手段は、粉粒体を出発原料とし圧粉体に成形する従来からよく知られているいかなる手段でもよく、冷間等方圧加圧法が好ましい手段として例示される。
【００１３】
本発明の成形方法において用いる発泡フォーム成形型は、発泡ポリスチレン、アクリル樹脂フォームなどのスチレン樹脂系のおよびまたはアクリル樹脂系のプラスチックフォームまたは発泡合成樹脂フォーム成形型である。発泡ポリスチレン、アクリル樹脂フォームなどの各種発泡プラスチックフォーム系材料は、簡単に、安価に入手でき、また局部的に熱を加えることによって容易に形状を整えられ、また加工も容易に行え、量産も可能であるなどの利点を有している。
【００１４】
本発明の圧粉体の成形方法は、発泡フォーム成形型の成形時における収縮を利用する方法である。プラスチックフォームを所望の形状に加工し、そのフォームの中に粉粒体を充填し、フォームごと静水圧中に挿入することによって、フォームは収縮し、粉粒体に静水圧を加えることができる。通常のゴム型などでは昇圧後、降圧する際に弾性戻り現象があり、内部の圧粉体が破壊することもしばしば見られるが、プラスチックフォームの場合は、種類または加えた静水圧力にもよるが、フォーム中に含まれる各種の気体が外部に放出されたならば、圧縮後の弾性戻り現象を低く抑えることができ、成形した圧粉体が破壊することなく得ることができる。
【００１５】
本発明の発泡フォーム成形型は、型外部から内部への圧力媒体が侵入しないような発泡フォーム成形型であることが望ましい。
プラスチックフォームの特徴は、上記した易加工性、収縮現象だけではなく、フォーム内部は、ポリマーの連鎖結合による極微細気孔形態と液体との難吸収性とも相まって、圧力媒体が内部に浸透しにくい状態になっており、発泡フォームに充填された粉粒体を直接、液中に挿入しても粉粒体が濡れる心配もなく、通常の静水圧加圧の成形プロセスを短縮することができる。しかし、この際には、フォームとフォームの接触部分のシールが必要であり、使用する圧縮媒体に侵食されない、または反応しないシリコーンなどの接着剤によって隙間をふさぐ必要がある。フォームとフォームの接触部分のシールができない場合は、通常のＣＩＰ法で使用されているゴムシート製の袋を利用し、粉粒体が充填された発泡フォームをゴムシートに包んでゴムシートの入り口部分を塞ぎ、またこのときゴムシート内は減圧しておくことが望ましい。これを、圧力媒体内に挿入し、ＣＩＰ成形を行うことによって、粉粒体が圧力媒体から侵食されず、圧粉体を成形することができる。
【００１６】
発泡フォーム成形型は、好ましくは容易に離型できる性質を持つものである。圧粉体の離型に際し、ポリエチレラップフィルム、シリコーンなどの樹脂等を利用することができる。また、圧粉体の離型に際し、熱処理によって、発泡フォーム成形型を脱脂することができる。
発泡フォームを使用して成形した場合、圧粉体の成形表面に発泡フォームの表面形状が転写され、凹凸がつく場合がある。発泡フォームの気孔径がそのまま圧粉体に転写される形となるため、加圧成形する前に前処理を行う必要がある。前処理の方法には、発泡フォームの表面にシリコーングリースまたは各種樹脂などを塗布し、表面の凹凸を極力少なくする。また、粉粒体との接触面が平面の場合には、ポリエチレンラップフィルムで覆うことによって凹凸をなくすることと、離型性を高めることができる。その他に、発泡フォームは、可燃性のものが多く、圧粉体との脱枠、離型を行わずに３００〜１０００℃の温度で熱処理することによって、発泡フォームを脱脂、昇華させることも可能である。また圧粉体は、焼成・焼結処理を行うために、それと同時に、脱脂を行うこともまた可能である。
【００１７】
【実施例】
本発明を実施例によって説明する。本発明はこれらの実施例によって何ら限定されることはない。
【００１８】
実施例１
粉粒体としてステンレス鋼、粒径６０μｍ、成形用型に発泡スチロール型、直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を用意し、型内にステンレス鋼粉粒体を挿入し、ゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力５００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクション時間３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。
その結果、相対密度７５％のステンレス鋼圧粉体が成形できた。このときの寸法減少割合は、円周方向５０％、厚み方向５０％と共に同様な割合で減少し、ステンレス鋼圧粉体に等方圧が加わったことが確認できた。
【００１９】
実施例２
粉粒体として銅、粒径１５μｍ以下、成形用型に発泡スチロール、型寸法直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を用意し、型内に銅粉粒体を挿入し、ゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力３００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクション時間３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。
その結果、相対密度８０％、気孔率２０％の銅粉粒体が成形できた。このときの寸法減少割合は、円周方向６０％、厚み方向６０％と共に同様な割合で減少し、銅圧粉体に等方圧が加わったことが確認できた。この実施例の場合、圧粉体表面に、発泡スチロールの凹凸が転写されていた。そのために発泡スチロールと圧粉体である銅板の離型性に問題があった。
【００２０】
実施例３
粉粒体として銅、粒径１５μｍ以下、成形用型に発泡スチロール、型寸法直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を用意した。この型の上面、下面、外周面（圧粉体が接触するところ）にポリエチレンラップフィルムを貼りつけた後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接着した。この準備した型内に銅粉粒体を挿入し、次に上板をかぶせてゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力３００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクセション時間３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。
その結果、実施例２と同様に相対密度８０％、気孔率２０％の銅圧粉体が成形できた。こときの寸法減少割合は、円周方向６０％、厚み方向６０％と共に実施例２と同様な割合で減少し、銅圧粉体に等方圧が加わったことが確認できた。この実施例の場合、圧粉体表面に、発泡スチロールの凹凸が転写されていたが、発泡スチロール型と銅圧粉体との離型性は非常に良かった。
【００２１】
実施例４
粉粒体としてステンレス鋼、粒径６０μｍ以下、成形用型に発泡スチロール、型寸法直径２００ｍｍ×厚さ１５ｍｍの型を用意した。この型の上面、下面、外周面（圧粉体が接触するところ）にポリエチレンラップフィルムを貼りつけた後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接着した。この準備した型内にステンレス鋼粉粒体を挿入し、次に上板をかぶせてゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力５００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクセション３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。
その結果、実施例１と同様に相対密度８０％、気孔率２０％のステンレス鋼圧粉体が成形できた。このときの寸法減少割合は、円周方向６０％、厚み６０％と共に実施例１同様な割合で減少し、ステンレス鋼圧粉体に等方圧が加わったことが確認できた。この実施例の場合、圧粉体表面に、発泡スチロールの凹凸が転写されていたが、発泡スチロール型とステンレス鋼圧粉体の離型性は非常に良かった。この様に通常のゴム型では作りにくい形状の圧粉体を簡単に作製できた。
【００２２】
実施例５
粒粉体としてアルミナ、粒径０．５μｍ、成形用型に発泡スチロール、型寸法直径１３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの型を用意した。この型の上面、下面、外周面（圧粉体が接触するところ）にポリエチレンラップフィルムを貼りつけた後に下板と外周部分をシリコーンゴムで接着した。この準備した型内にアルミナ粉粒体を挿入し、次に上板をかぶせてゴムシートによって発泡スチロール型を包み、ゴムシート内の気圧を減圧し、入り口を塞いだ。このゴムシートをＣＩＰ圧力３００ＭＰａ、保持時間６０ｓ、サクション時間３００ｓにおいてＣＩＰ成形を行った。その結果、相対密度５８％、気孔率４２％のアルミナ圧粉体が成形できた。塑性変形を起こさないアルミナ粉末に対しても、金属粉末と同様に薄肉円盤を作製することができた。
【００２３】
【発明の効果】
発泡フォームを型として使用することによって、従来、ゴム型を用いたＣＩＰ成形では難しいとされている薄肉円盤を容易に作製することができる。発泡フォーム型は、熱によって簡単に装飾でき、異形状や、複雑形状の型も簡単に作製することができる。これは、多品種少量生産において大きなウェイトを占めていた金型作製の時間、並びにコストを大幅に低減できるものと考える。特に、金型を作製しても、次に使用の予定のない金型を作製する必要もなく、色々な形状、寸法に成形できるこの方法は、有効であると考える。また、塑性変形を起こしやすい金属粉末だけでなく、アルミナなど、セラミックス材料もまた同様な考えが適用でき、コストだけでなく、セラミックスなどの成型加工に有効な手段であると考える。