(57)【要約】      （修正有）【課題】従来法よりも高速で粉末固化体を得ることができる、粉末固化装置および粉末固化体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る粉末固化装置は、粉末３に振動と圧力を加えるための振動加圧用金型４と、前記粉末３が充填される粉末充填用金型２と、前記振動加圧用金型４に加圧力を伝える加圧機構と、前記振動加圧用金型４に振動を伝える超音波振動発生装置および振動伝達機構と、前記振動加圧用金型４と前記粉末充填用金型２との間に通電することで前記粉末３を加熱する通電加熱装置とを有し、前記粉末充填用金型２に充填された粉末３に対し、前記振動加圧用金型４により振動と圧力を加え、かつ前記通電加熱装置により加熱することにより、前記粉末を固化することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末に振動と圧力を加えるための振動加圧用金型と、前記粉末が充填される粉末充填用金型と、前記振動加圧用金型に加圧力を伝える加圧機構と、前記振動加圧用金型に振動を伝える超音波振動発生装置および振動伝達機構と、前記振動加圧用金型と前記粉末充填用金型との間に通電することで前記粉末を加熱する通電加熱装置とを有し、前記粉末充填用金型に充填された粉末に対し、前記振動加圧用金型により振動と圧力を加え、かつ前記加熱装置により加熱することにより、前記粉末を固化することを特徴とする粉末固化装置。
【請求項２】
前記振動加圧用金型と、前記粉末充填用金型と、前記加圧機構と、前記超音波振動発生装置と、前記通電加熱装置とを収納するチャンバーを有し、前記チャンバー内の雰囲気が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の粉末固化装置。
【請求項３】
前記通電加熱装置に加えて、前記粉末を加熱する外部加熱装置を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の粉末固化装置。
【請求項４】
前記粉末を前記粉末充填用金型に間欠的に充填する粉末充填装置を有し、前記粉末の充填と前記粉末の固化とを繰り返す操作が可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粉末固化装置。
【請求項５】
粉末充填用金型にセラミック相と金属相とを含む複合粉末を充填する粉末充填工程と、前記粉末充填用金型に充填された複合粉末に振動加圧用金型により振動と圧力を加えて前記複合粉末を固化する粉末固化工程とを有し、
前記粉末固化工程において、前記振動と圧力とに加えて、前記振動加圧用金型と前記粉末充填用金型との間に通電することにより前記複合粉末を加熱することを特徴とする粉末固化体の製造方法。
【請求項６】
前記粉末固化工程が雰囲気調整されたチャンバー内で行われることを特徴とする請求項５に記載の粉末固化体の製造方法。
【請求項７】
前記粉末固化工程において、前記通電による加熱に加えて、前記通電による加熱とは異なる外部加熱装置によって前記複合粉末を加熱することを特徴とする、請求項５または６に記載の粉末固化体の製造方法。
【請求項８】
前記粉末充填工程と前記粉末固化工程とを繰り返し、積層造形物を得ることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の粉末固化体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末固化装置および粉末固化体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温熱間鍛造金型やダイカスト金型の材料として、工具鋼が用いられることが一般的であった。近年では、ニアネットシェイプや鍛造速度の増大や成形サイクルの増大による生産性向上のため、以前よりも高い強度や延性が金型の材料に求められるようになった。これに対応するため、従来の工具鋼を改良し適用がなされてきた。例えば、鉄（Fe）を主体とするSKD61鋼は焼き入れ焼き戻しの熱処理時にマルテンサイト相および析出物を出現させ、高強度化させている。このように従来では添加元素や熱処理プロセスを改良することで工具鋼の強度および延性の向上がなされていた。
【０００３】
しかし、ニアネットシェイプや鍛造速度増大による生産性向上を実現しようとすると、金型表面は摺動発熱により局所的に８００℃以上の温度になることがある。しかし、Feを主体とする工具鋼は６００℃以上で軟化してしまい、十分な金型寿命が得られないことが問題となる。また、ダイカスト型における成形サイクル増大は、すなわち急加熱、急冷却が繰り返されることを意味する。この様な環境で使用される金型にはヒートクラックが発生し、金型の寿命に至ることが多く、これに対応するためには高温（６００℃以上）での強度と室温での靭性、延性が求められる。
【０００４】
一方、工具鋼と比較して６００℃以上の高温強度に優れた合金として、例えば、セラミック粒子であるＷＣと金属であるＣｏの二相からなる超硬に代表される複合合金があり、切削工具を中心に広く使用されている。（特許文献１）
【０００５】
しかし、切削工具に使用されている超硬合金などの複合合金は工具鋼に対して延性が劣り、金属成分を多量に含有させると延性が改善されるものの、通常の製造工程である液相焼結では、金型焼結時に熱変形が大きくなり、後工程の切削加工が膨大となると考えられるため、金型造形への液相焼結の適用はプロセス的にも困難と考えられてきた。
【０００６】
ここで特許文献２に示すような、粉末を熱源により局所的に溶融・凝固させて凝固層を形成し、その凝固層を積み重ねることで三次元形状の造形物を製造する粉末積層造形法では、大きな変形を生じさせることなく、構造物を任意の形状へ成型できることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−２６００２７号公報
【特許文献２】特開２００３−２４５９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方で、レーザ等の加熱装置を往復させて粉末層を固化させるパウダーベット法等の粉末積層焼結法は、一回に固化できる粉末層の厚み限界が１００μｍ程度であるため、積層造形物の製造速度が遅いという課題がある。造形速度を速めるためには加熱装置の高出力化や走査速度の高速化が必要となるが、加熱装置の高出力化は消費エネルギーの増大を招き、走査速度の高速化は積層造形物に発生する空隙の増加や、形状精度の劣化の原因となる。
本発明の目的は、従来の粉末積層造形法と比べて、高速に造形物を得ることができる、粉末固化装置および粉末固化体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、粉末固化装置であって、粉末に振動と圧力を加えるための振動加圧用金型と、前記粉末が充填される粉末充填用金型と、前記振動加圧用金型に加圧力を伝える加圧機構と、前記振動加圧用金型に振動を伝える超音波振動発生装置および振動伝達機構と、前記振動加圧用金型と前記粉末充填用金型との間に通電することで前記粉末を加熱する通電加熱装置とを有し、前記粉末充填用金型に充填された粉末に対し、前記振動加圧用金型により振動と圧力を加え、かつ前記加熱装置により加熱することにより、前記粉末を固化することを特徴とする粉末固化装置である。好ましくは、前記振動加圧用金型と、前記粉末充填用金型と、前記加圧機構と、前記超音波振動発生装置と、前記通電加熱装置とを収納するチャンバーを有し、前記チャンバー内の雰囲気が調整可能である。また、好ましくは前記通電加熱装置に加えて、前記粉末を加熱する外部加熱装置を有する。また、好ましくは、前記粉末を前記粉末充填用金型に間欠的に充填する粉末充填装置を有し、前記粉末の充填と前記粉末の固化とを繰り返す操作が可能とする。
【００１０】
本発明の別の一態様は、粉末充填用金型にセラミック相と金属相とを含む複合粉末を充填する粉末充填工程と、前記粉末充填用金型に充填された複合粉末に振動加圧用金型により振動と圧力を加えて前記複合粉末を固化する粉末固化工程とを有し、
前記粉末固化工程において、前記振動と圧力とに加えて、前記振動加圧用金型と前記粉末充填用金型との間に通電することにより前記複合粉末を加熱することを特徴とする粉末固化体の製造方法である。好ましくは、前記粉末固化工程が雰囲気調整されたチャンバー内で行われる。また、好ましくは、前記粉末固化工程において、前記通電による加熱に加えて、前記通電による加熱とは異なる外部加熱装置によって前記複合粉末を加熱する。また、好ましくは、前記粉末充填工程と前記粉末固化工程とを繰り返し、積層造形物を得る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、例えばパウダーベッド方式等を選択した従来の粉末積層造形法よりも高速に粉末を固化させ、造形物を作製することが可能である。さらに本発明の造形物は、内部組織の変化を抑制し、均一な組織の造形物を得ることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る粉末固化装置の外観を示す模式図である。
【図２】本発明に係る粉末固化装置の粉末供給時を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明の粉末固化装置の一実施形態を示す模式図である。本発明の粉末固化装置は振動加圧用金型、粉末充填用金型、加圧機構、振動発生装置、通電加熱装置を備える。また、雰囲気調整が可能なチャンバーや、通電加熱装置以外の外部加熱装置を備えることもできる。
【００１４】
本実施形態の加圧機構は、プレス機７と、荷重により降下して粉体３に加圧を行う振動加圧用金型４と、プレス機と振動加圧用金型とを接続し、プレス機からの荷重を金型に伝達するアーム部６とを備える。また本実施形態の振動発生装置１２は、入力された電気信号を２０ｋＨｚ以上の信号に変換可能な超音波発振機と、その信号を機械的な振動に変換する超音波振動子とを含む構成であり、振動発生装置から発生する超音波振動は振動伝達機構によりアーム部６に伝達される。本実施形態での振動伝達機構は、振動の増幅が可能なブースター８を選択している。ブースター８は前述したアーム部６と水平方向（図１における、加圧方向Ｐと直交する方向）から接続されており、ブースター８により増幅された超音波振動がアーム部６に伝達されることで、振動加圧用金型に水平方向の超音波振動を付与することができる。この振動加圧用金型からの圧力と振動により、粉末を固化させ、造形物を作成する。
【００１５】
装置下部には振動加圧用金型４の形状に対応し、粉末３が充填される空間を有する粉末充填用金型２が設置されている。この粉末充填用金型２は、外筒部２ａとその台座となる金属板１とから構成されている。これら振動加圧用金型４と粉末充填用金型２（外筒部２ａ、金属板１）の材質は、例えばカーボン、Ｎｉ基合金、超硬合金などの通電可能かつ高温強度の高い材質であることが好ましい。なお図１には示していないが、金属板１は様々なサイズの粉末固化体に対応するために昇降機能（図示せず）を備えていてもよい。尚、図における金属板１は、粉末充填用金型２の台座部分としての金属板１と別の部材とに分かれていてもよい。また粉末３は粉末供給装置により供給され、例えば板状のスキージで層状に形成される。この時に余剰な粉末はスキージによって除去されるため、粉末充填用金型の周囲には箱状の粉末回収部を設置してもよい。
【００１６】
本発明の粉末固化装置は振動加圧用金型４と粉末充填用金型２用の金属板１とを接続する通電加熱電源１１が設置されている。これにより振動加圧用金型４と粉末充填用金型２を通電電極とし、電極間にジュール熱を発生させることができる。この通電加熱と、上述した超音波振動による摩擦熱とを併用することで、粉末を高速に固相拡散接合することが可能となる。特に、セラミック相と金属相とからなる複合粉末の様に高温強度の高い粉末を固化させる場合に有効なものとなる。ここで通電加熱電源はパルス通電が可能な電源を選択することにより、粉末の自己発熱により昇温速度の向上が期待できるため、好ましい。なお図示していないが、本発明はさらなる高速昇温を達成するために、上述した通電加熱に加えて、加熱プレート、高周波誘導加熱や輻射加熱等による直接的、間接的な外部加熱装置も適用でき、それらを組合せて使用してもよい。
【００１７】
本発明の粉末固化装置は、振動加圧用金型４、粉末充填用金型２、加圧機構７、振動発生装置８を内部に収めるチャンバー９を有する。このチャンバー９は既存の水冷真空式チャンバー等を用いてもよい。また、チャンバー９はガス導入・排気口１０を備える。そのため、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２等のガスを導入してチャンバー内を非酸化雰囲気にすることができ、固化工程中の粉末の酸化を抑制することが可能となる。真空ポンプはロータリーポンプ、ディフュージョンポンプ、ターボ分子ポンプ等の既存の高真空ポンプを適用できる。
【００１８】
続いて、本発明の粉末固化体の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、粉末充填用金型にセラミック相と金属相とを含む複合粉末を充填する粉末充填工程と、前記粉末充填用金型に充填された複合粉末に振動加圧用金型により振動と圧力を加えて前記複合粉末を固化する粉末固化工程とを有し、前記粉末固化工程において、前記振動と圧力とに加えて、前記振動加圧用金型と前記粉末充填用金型との間に通電することにより前記複合粉末を加熱することを特徴とする。上述する方法により、本発明は粉末同士の摩擦熱に通電による加熱を加えることで固相拡散を促進させて固化を進行させることができ、非常に高速に粉末固化体を作製することが可能である。これにより、従来の粉末積層造形法と比べて、高速に造形物を得ることができる。
【００１９】
＜粉末充填工程＞
本発明に係る複合粉末はセラミック相と金属相とを含む複合粉末であり、セラミック相と金属相との体積比は、例えばセラミック相を体積比で４０〜９０％、金属相を体積比で１０〜６０％（セラミック相と金属相とで１００％）の範囲内とすることができる。なお、より高剛性・高延性な粉末を得るために、本発明に係る複合粉末はセラミック相の体積比の上限を７０％、金属相の体積比の下限を３０％としてもよい。このセラミック相と金属相との体積比は、例えば、以下に示す方法により測定することができる。まず、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に一般的に装備されるエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）および他の組成分析手法を用いて、複合粉末を構成するセラミック相および金属相の組成を特定する。続いて特定した組成のセラミック粉末と金属粉末を準備し、体積比を変えて（例えば１０％ずつ）混合して得られた標準試料用複合粉末を複数作成し、それぞれの粉末のＸ線回折結果を得る。そして各粉末から得られたＸ線回折結果から三強線のピークトップ値を合計した値をプロットして検量線を作成する。上述した検量線を使用することで、未知の体積比を求めることが出来る。また、複合粉末を製造する際のセラミック粉末と金属粉末との混合比率を上述した体積比としてもよい。
【００２０】
本発明に係る複合粉末が含むセラミックは、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）およびＴｉ（チタン）のうちの少なくとも一種の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物および硼化物から選択されることが好ましい。
また本発明に係る複合粉末が含む金属は、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）のうちの少なくとも一種から選択されることが好ましい。以降特に記載がなければ、セラミックに炭化タングステン（ＷＣ）を、金属にコバルト（Ｃｏ）を選択したＷＣ−Ｃｏ複合粉末を選択している。
【００２１】
続いて、粉末充填用金型に準備した複合粉末を充填する。粉末は例えば図２に示すように、供給装置によって層状に充填される。本発明の製造方法は、後述する振動加圧による摩擦熱と通電加熱により広範囲の粉体を固相拡散接合させることができるため、粉体の層厚は例えば、１００μｍ〜５００μｍと、従来のパウダーベット方式に比べて、最大で５倍程度粉末層を厚くすることが可能である。また本発明では例えば断面積が約１００ｍｍ２程度の振動加圧用金型も使用できるため、ビーム径が数百μｍである従来のパウダーベッド方式に比べて広い領域の粉末を一度に固化することができる。これにより、従来の粉末積層造形法と比べて、高速に造形物を得ることができる。
【００２２】
＜粉末固化工程＞
次に充填された複合粉末を、加圧しつつ超音波振動による摩擦熱と通電加熱により、固化させる。上述した本発明の装置機構により、本発明の振動加圧用金型は粉末に荷重と超音波振動を与え、その粉体間に発生する摩擦熱により固相拡散を促進させることにより、粉末を固化させる。またこの摩擦熱だけでは固相拡散接合可能な温度まで届かない材料に対しても、通電加熱を行うことで速やかに固化させることが可能となる。粉末加熱温度は固相拡散を促進させ、かつ液相焼結による特性変化が起こらないように、金属相の融点をＴ℃とした際に０．３Ｔ〜０．９Ｔ℃の範囲内で設定してもよい。また上述した加熱方法以外に、本発明の製造方法は、加熱プレートや高周波誘導加熱や輻射加熱等により直接的、間接的に粉末を加熱してもよい。さらに本発明の粉末固化工程は、金属相の酸化を防ぐために、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の雰囲気に調整されたチャンバー内で行ってもよい。
【００２３】
粉末に与える荷重は選択した複合粉末の材料に合わせて適宜変更することができ、例えばＷＣ−Ｃｏ系複合粉末の場合、荷重は５０ＭＰａ以下の範囲で設定することができる。ここでの振動加圧固化は短時間でも効果を奏するため、振動加圧時間を１〜１０秒ととしてもよい。
【００２４】
＜積層造形物を得る工程＞
本発明は先に説明した粉末充填工程と振動加圧固化工程とを繰り返すことで、積層造形物を得ることができる。さらに本発明の製造方法は、以下のような改良や変更を加えることができる。例えば、粉末固化体（積層造形物を含む）に対して８００〜１４００℃の温度範囲で熱処理を施してもよく、レーザなどの熱源を用いて粉末固化体の表面を急速加熱した後、自己冷却による焼入れを施してもよい。また粉末固化体の形状精度や面精度をさらに向上させるために、切削工具による切削を行ってもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１  金属板
２  粉末充填用金型
２ａ  外筒部
３  粉末
４  振動加圧用金型
６  アーム部
７  プレス機
８  ブースター
９  チャンバー
１０  吸気排気弁
１１  通電加熱電源
１２  振動発生装置
Ｐ  加圧方向
Ｖ  振動方向
【図１】
2017190468.tif 000003
【図２】
2017190468.tif 000004