(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス通電加圧焼結法により粉末材料で焼結体を製造する製造装置において、
中に該粉末材料が充填される貫通する穴を有していて該貫通穴の下部に下パンチ部材が移動可能に挿入された成形型と、
該成形型と一体的に組み合わされて搬送されかつ該成形型を搬送中でも所定の温度に予熱できる成型型加熱装置と、
該粉末材料を貯え、該成形型の穴内に所望量の該粉末材料を充填する充填機構と、
該成形型の穴の該充填された粉末材料の上に上パンチ部材を挿入するパンチ部材挿入機構と、
上パンチ部材が挿入された成形型の上、下パンチ部材に接触してそれらを押圧する対の通電電極を備え、該通電電極により焼結型内の該粉末材料を加圧すると共に直流パルス電流を流してパルス通電加圧焼結して焼結体にするパルス通電加圧焼結機と、
該成形型を該充填機構、該パンチ部材挿入機構、該パルス通電焼結機間で移動させる搬送機構と、
少なくとも前記パルス通電加圧焼結機における該成形型周囲を外気から隔離して所望の雰囲気のチャンバを画成するハウジングと、
を備える焼結体の製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の焼結体の製造装置において、該成形型内へ挿入される前の該上パンチ部材を加熱する加熱装置を更に備える焼結体の製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の焼結体の製造装置において、更に、該充填機構が粉末材料を貯えるホッパを備え、該ホッパには貯えられている該粉末材料を予熱するヒータが設けられている焼結体の製造装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の焼結体の製造装置において、該成形型加熱装置が電気式加熱装置であり、該電気式加熱装置には集電器が設けられ、該搬送機構による該成形型の移送経路に沿って該集電器と接触して該電気式加熱装置に電力を供給する給電ケーブルが設けられている焼結体の製造装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の焼結体の製造装置において、更に、成形型から抜き取られた上パンチ部材を貯えておくパンチストッカーと、該上パンチ部材及び該プリフォーム体が抜き取られた後の成形型を貯えておく成形型ストッカーとを備え、該成形型ストッカーには該成形型ヒーターの集電器と接する給電ケーブルが設けられている焼結体の製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の焼結体の製造装置において、更に、該パンチストッカーには該上パンチ部材を収容して加熱する電気式の加熱装置が設けられている焼結体の製造装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の焼結体の製造装置において、該充填機構と、該パンチ部材挿入機構及び抜き取り機構とが、該パルス通電焼結機を間に挟んで反対側に配置され、該成形型への上パンチ部材の挿入及び該成形型からの該焼結体の抜き取りを同じ位置で行い、該搬送機構が該成形型を充填機構とパンチ部材挿入機構との間で両方向に移動させる焼結体の製造装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の焼結体の製造装置において、該充填機構と、該パンチ部材挿入機構、該パルス通電焼結機及び該抜き取り機構が一直線状に配置され、該搬送機構が該成形型を該装填機構から該抜き取り機構に向かって一方向に移動する焼結体の製造装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の焼結体の製造装置において、更に、該成形型内で焼結された焼結体及び該上パンチ部材を該成形型から抜き取る抜き取り機構を備える焼結体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、パルス通電加圧焼結法を使用した焼結体の製造装置に関し、詳細には、超微細結晶組織構造（本発明では結晶粒径が２μｍ以下のものを言う）或いはそれ以外の結晶組織構造を有するアルミニュウム以外の材料をベース材料とした粉末材料、例えば遷移金属、遷移金属以外の金属及びセラミックスのうちの１種類材料の粉末材料で、或いはアルミニュウム以外の複数種類の粉末材料（そのうちの１種類がベース材料）を混合した状態で、或いは結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するアルミニュウムを含む粉末材料を、アルミニュウム単独で或いは他の材料と混合した状態で、短時間に焼結して優れた性質を有する焼結体を製造する装置に関する。
【０００２】
近年、通電焼結技術にも改良が加えられ、放電プラズマ焼結、放電焼結或いはプラズマ活性化焼結を含む、パルス電流を利用して加圧焼結を行うパルス通電加圧焼結法により焼結時間を大幅に短縮することが可能になってきたが、焼結品を量産するには焼結時間を更に短縮化することが要望されている。例えば、遷移金属、遷移金属以外の金属及び半金属の様な金属材料或いはセラミックス等の非金属材料の粉末材料を単体で、或いはそれらを混合して迅速にかつ連続して焼結して焼結体を作る技術はまだ完全なものになっていない。一方、材料の結晶粒径が２μｍ以下の超微細結晶組織構造に着目しその超微細結晶構造を保った状態で焼結を行い、それによって焼結体の物理的或いは機械的性質を向上する研究が進められるようになって来た。例えば、超微細結晶組織構造を有する非アルミニュウム材料をベース材料（ここでベース材料とは、単一種類の材料のみから成る場合にはその材料を、また複数種類の材料の混合材料から成る場合には最も成分の多い材料を言う。）とする合金をその超微細結晶組織構造を保った状態でバルク状（塊状）に固化成形することによってその合金の機械的、物理的性質を向上できることが期待できる。しかしながら、上記のような超微細組織構造を有する混合粉末材料を溶解、鋳造法で超微細組織構造を保った状態でバルク化することは困難なことであり、また、焼結するといっても、単に従来の通常の焼結方法を適用しただけでは溶解及び鋳造法と同じように粒成長をおこし、組織が粗大化し、焼結品を微細組織構造にすることはできない。更に、従来の技術だけでは、非アルミニュウムの粉末材料から超微細組織を有する非アルミニュウム焼結体を作ることができても１０分以内の短時間に係る焼結体を自動連続的に製造することはできない。
【０００３】
また、超微細結晶組織構造を有する粉末材料を超微細結晶組織構造のままバルク状（塊状）に固化する技術は今までにない新しい技術であるため、所望の大きさ、形状及び性状を有する上記の超微細結晶組織構造を有する焼結体を均質にかつ短時間で焼結法により製造する技術はまだ確立されておらず、ましてやそのような焼結体を再現性良くかつ量産可能にする方法及び装置は未だに提案もまた確立もされていない。更に、結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有する粉末材料を短時間で連続的に焼結して焼結体を得る技術もまだ完成されておらず、改善の余地がある。
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、本出願人により提案された放電プラズマ焼結法或いは放電焼結、プラズマ活性化焼結法等を含む、パルス通電を利用して焼結を行うパルス通電加圧焼結法を用いて、非アルミニュウム材料をベース材料とした粉末材料から焼結体を製造する装置を提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、溶解法、鋳造法或いは従来の焼結法で製造することは困難な超微細結晶組織構造（結晶粒径が２μｍ以下）及び超微細結晶組織以外の結晶組織構造を有する非アルミニュウム材料をベース材料とした粉末材料から焼結体を製造する装置を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、上記のような超微細結晶組織構造及び結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有する非アルミニュウム材料をベース材料とした粉末材料から焼結体を短時間で量産可能な装置を提供することである。
本発明が解決しようとする別の課題は、上記のような超微細結晶組織構造及び結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有する非アルミニュウム材料をベース材料とし、そのベース材料１種類のみの粉末材料或いはそのベース材料に他の粉末材料を混合した混合粉末材料から焼結体を短時間で量産可能な装置を提供することである。
本発明が解決しようとする別の課題は、結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するアルミニュウムをベース材料とし、そのベース材料１種類の粉末材料或いはそれと他の種類の粉末材料の混合粉末材料から焼結体を迅速に量産できる装置を提供することである。
本発明が解決しようとする更に別の課題は、超微細結晶組織構造及び結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有する非アルミニュウム材料をベース材料とした焼結体或いは結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するアルミニュウムをベース材料とした焼結体の物理的及び機械的性能を向上させることである。
本発明が解決しようとする別の課題は、被焼結材料を中に収容して焼結する成形型をその成形型と一体的に移動する加熱装置で予熱することによって、上記のような焼結体を短時間で量産可能な装置を提供することである。
本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記超微細結晶組織構造或いは結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するベース材料の粉末と、ベース材料以外の遷移金属、遷移金属以外の金属、半金属等の金属材料及び非金属材料の少なくとも一種類の金属の微細粉末とを含む粉末材料をパルス通電加圧焼結法で焼結してベース材料の物理的或いは機械的性質を向上する焼結体を製造する装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決しようとする手段】
本願の他の発明は、パルス通電加圧焼結法により粉末材料で焼結体を製造する製造装置において、中に該粉末材料が充填される貫通する穴を有していて該貫通穴の下部に下パンチ部材が移動可能に挿入された成形型と、該成形型と一体的に組み合わされて搬送されかつ該成形型を搬送中でも所定の温度に予熱できる成型型加熱装置と、該粉末材料を貯え、該成形型の穴内に所望量の該粉末材料を充填する充填機構と、該成形型の穴の該充填された粉末材料の上に上パンチ部材を挿入するパンチ部材挿入機構と、上パンチ部材が挿入された成形型の上、下パンチ部材に接触してそれらを押圧する対の通電電極を備え、該通電電極により焼結型内の該粉末材料を加圧すると共に直流パルス電流を流してパルス通電加圧焼結して焼結体にするパルス通電加圧焼結機と、該成形型を該充填機構、該パンチ部材挿入機構、該パルス通電焼結機間で移動させる搬送機構と、少なくとも前記パルス通電加圧焼結機における該成形型周囲を外気から隔離して所望の雰囲気のチャンバを画成するハウジングとを備えて構成されている。
上記製造装置において、該成形型内へ挿入される前の該上パンチ部材を加熱する加熱装置を更に備えてもよく、或いは、更に、該充填機構が粉末材料を貯えるホッパを備え、該ホッパには貯えられている該粉末材料を予熱するヒータが設けられていてもよい。また、該成形型加熱装置が電気式加熱装置であり、該電気式加熱装置には集電器が設けられ、該搬送機構による該成形型の移送経路に沿って該集電器と接触して該電気式加熱装置に電力を供給する給電ケーブルが設けられていてもよい。更にまた、成形型から抜き取られた上パンチ部材を貯えておくパンチストッカーと、該上パンチ部材及び該プリフォーム体が抜き取られた後の成形型を貯えておく成形型ストッカーとを備え、該成形型ストッカーには該成形型ヒーターの集電器と接する給電ケーブルが設けられていても、更に、該パンチストッカーには該上パンチ部材を収容して加熱する電気式の加熱装置が設けられていてもよい。更に、上記製造装置において、該充填機構と、該パンチ部材挿入機構及び抜き取り機構とが、該パルス通電焼結機を間に挟んで反対側に配置され、該成形型への上パンチ部材の挿入及び該成形型からの該焼結体の抜き取りを同じ位置で行い、該搬送機構が該成形型を充填機構とパンチ部材挿入機構との間で両方向に移動されても、或いは、該充填機構と、該パンチ部材挿入機構、該パルス通電焼結機及び該抜き取り機構が一直線状に配置され、該搬送機構が該成形型を該装填機構から該抜き取り機構に向かって一方向に移動してもよい。更に、非アルミニュウム焼結体の製造装置において、該成形型内で焼結された焼結体及び該上パンチ部材を該成形型から抜き取る抜き取り機構を備えてもよい。
【０００７】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１及び図２において、本発明のパルス通電加圧焼結法による焼結体の製造装置の一実施例が示されている。この実施例による製造装置１は、成型型２を所定の経路に沿って搬送する搬送機構１０と、搬送機構の一方の端側（同図において右端）配置されていて成形型内に所望の粉末材料（例えば、超微細結晶組織構造或いは結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するアルミニュウム以外の材料をベース材料とした粉末材料、若しくは結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するアルミニュウムをベース材料とした粉末材料）を充填する充填機構２０と、搬送機構の他方の端部に近接して配置されていて成形型の穴の上部に上パンチ部材を挿入するパンチ挿入機構３０と、搬送機構の中央に配置されていて成形型内に挿入されている粉末材料を加圧焼結して焼結体をつくるパルス通電加圧焼結機４０と、パンチ部材挿入機構４に隣接して配置されていて焼結体及び上パンチ部材を成形型２から抜き取る抜き取り機構５０と、成形型を貯えて置く成形型ストッカー６０と、上パンチ部材を貯えて置くパンチストッカー７０と、成形型を加熱する成形型加熱装置８０と、搬送機構への及びそこからの成形型の転送を行う転送機構９０とを備え、それらは図示のような位置関係になっている。アルミニュウム以外の材料としては、遷移金属、遷移金属以外の金属及び半金属等の金属材料或いはセラミックがあり、それらの粉末材料を単体で或いはそれらの幾つかを所望の比率で混合して使用する。混合したものを混合粉末材料と呼ぶ。
【０００８】
図３において、成形型２は、貫通する穴４を有する中空の円筒状の筒体３に構成されていて、内、外には一端（図３で下端側）に近接して肩部５及び６が形成されている。この成形型２は焼結に適した材料、例えば鉄系の合金、グラファイトで作られているが、セラミックスでつくってもよい。成形型の穴４の下部には下パンチ部材７が予め挿入された状態になっている。この下パンチ部材７は成形型に関して相対的に移動できるようになっていて、肩部５に当たって穴から抜け落ちないようになっている。成形型を加熱する成形型加熱装置８０は、成形型２が中にちょうど入る大きさの穴８２を画成する中空筒状の本体８１を備え、その本体８１内には電熱コイル８３が設けられている。本体の外周には軸線方向（図３において上下方向）に並べられた複数の集電器８４が設けられ、その集電器は後述する搬送機構１０の可動台上に載せられたとき可動台の走行方向に略直角の方向に突出するようになっていて、内部の電熱コイル８３と電気的に通じている。本体８１の下端には穴８５１（筒体３の下端の外径とほぼ同じ径を有する）が形成されかつ平面の外周形状が略正方形の端板８５が固定されている。端板８５には本体８１内の下端に配置されたストッパ部材８６が固定されている。このストッパ部材８６に成形型２の外側の肩部６が当たって成形型２が位置決めされる。この成形型加熱装置８０は後述する給電ケーブル８９（図４）が集電器８４と接触して電熱コイル８３に電流が流れ、それによって成形型を所望の温度に予熱、保温するようになっている。なお、加熱装置８０には図示しない公知の構造のサーモスタット装置が内蔵されていて成形型の温度を一定の温度に予熱、保温できるようになっている。なお上記実施例では成形型を円筒状の形状で説明したが、焼結体の平面形状に合わせて、成形型の穴の横断面形状が多角形、楕円形或いは長円形を有する筒体としてもよい。
【０００９】
図４ないし図６において、搬送機構１０は、ほぼ水平に配置されたフレーム１１上に配置された一対のガイドレール１２と、ガイドレール１２上に移動可能に案内された可動台１３と、一つの可動台１３をガイドレール１２に沿って動かすスプロケット及びチエーン式の駆動装置１４と、電気式の駆動モータ１５とを備えている。可動台１３は中央に穴１３１が形成された略矩形の板状の本体１３０で構成され、上面には加熱装置３０の端板８５がちょうど入ってその加熱装置を位置決めする略矩形の凹部１３２が形成されている。本体１３０の両側（図６において）下部にはガイドレール上で転動する溝付きのローラ１３３がそれぞれ複数個回転自在に取り付けられている。ガイドレール１２がローラ１３３の環状溝内に入ることにより可動台の横方向の位置ずれが防止される。駆動装置１４は、フレーム１１上（図４において左側）に公知の軸受けにより回転自在に取り付けられた駆動軸１４１と、フレーム上の反対側に公知の軸受けにより回転自在に取り付けられた遊び軸１４２と、駆動軸に取り付けられた一対の駆動スプロケット１４３と、遊び軸に取り付けられた一対の遊びスプロケット１４４と、駆動スプロケット１４３及び遊びスプロケット１４４に掛けられ両端が可動台１３の本体に固定された一対のチエーン１４５とを備えている。駆動軸はスプロケット及びチエーンを介して駆動モータ１４６によって往復回転されるようになっている。この搬送機構は、駆動装置１４により１台の可動台を、転送機構９０の位置と抜き取り機構５０の位置との間で往復移動させ、それによって成形型を往復移動させるようになっている。なお、フレーム１１には成形型加熱装置８０の集電器８４と接触してその集電器を介して加熱装置に電気を供給する給電ケーブル８９が、成形型の移動工程の全長に亘って設けられ、それらは公知の方法でフレームに絶縁して取り付けられている。
【００１０】
図７において、充填機構２０は図２の充填位置Ｂに配置されていて、図示しない公知の機構により上下動されるようになったシュート２１と、混合粉末材料を貯えておくホッパー２２と、ホッパー２２内の混合粉末材料を計量してシュートに切り出す公知の構造の切り出し装置２３とを備えている。シュート２１にはそのシュートを所定の温度に加熱して保温する加熱装置（図示せず）が設けられ、またホッパーにも中の粉末材料を加熱して保温する加熱装置（図示せず）が設けられている。これらの加熱装置は公知の構造の電熱ヒータでよいので、構造の詳細な説明は省略する。
【００１１】
図２及び図８ないし図１０において、パンチ部材挿入機構３０は、パンチ挿入位置Ｃにおいて搬送機構より上方に配置されたフレーム３１を備えている。このフレーム３１は、後で詳述する抜き取り機構５０のフレーム５１の上に支柱３１１を介して略水平に取り付けられた設けられた水平部分３１２の上に取り付けらた一対のガイドレール３２と、ガイドレール上に移動可能に配置された可動テーブル３３と、可動テーブルをガイドレールに沿って往復移動させるアクチュエータ３４と、可動テーブル３３に取り付けられた昇降装置３５とを備えている。水平部分３１２及びガイドレール３２は、搬送機構１０による成形型２の搬送方向に直角の方向に伸びている。アクチュエータ３４は本実施例では流体シリンダで構成されていて、ピストンロッド３４１の先端（図８で左端）が可動テーブルの側縁に連結されている。アクチュエータとしては、水平部分に回転自在に支持されかつ電動モータにより回転されるねじ軸と、そのねじ軸と螺合しかつ可動テーブルに固定されたナットとの組み合わせ、或いは、水平部分に可動テーブルの進行方向に沿って配置されたラックと、そのラックとかみ合いかつ可動テーブルに回転可能に支持されていて電動モータにより回転されるピニオンとの組み合わせでもよい。昇降装置３５は可動テーブル３３に鉛直に取り付けられた一対の軸受け３５１と、各軸受けに上下動可能に案内されたスライドロッド３５２と、可動テーブルに直立状態で取り付けられピストンロッドの下端がスライドロッド３５２の下端に取り付けられた支持板３５３に連結された流体シリンダ３５４とを備えている。支持板３５３には上パンチ部材８の環状の溝部分を把持するチャック３６が取り付けられている。支持板３５３は流体シリンダ３５４のピストンロッドの先端（図で下端）に連結され、その流体シリンダによって上下動される。なお、支持板３５３を上下動させる方法としては、上記流体シリンダに代えて、ねじ軸と、そのねじ軸と螺合するナットとの組み合わせでもよい。チャック３６は、円筒状本体の下部外周に円周方向に隔てて回動可能に取り付けられた、下方に伸びる複数（例えば、３個）の爪３６２を有し、この爪を開閉させて上パンチ部材８の外周溝の部分を把持するようになっている。なお、チャックは公知のものであるから構造の詳細な説明は省略する。このパンチ挿入機構３０は、可動テーブル３３が図９のパンチ受け取り位置Ｇまで移動してチャック３６を昇降装置３５で降下させ、チャックによりパンチストッカー７０から一つの上パンチ部材を取り出し、昇降装置によりチャック及びパンチ部材を上昇させる。その後可動テーブルがアクチュエータ３４により挿入位置Ｃに移動して昇降装置が動作し、上パンチ部材を把持したチャック３６を降下させてその位置で待機している成形型２の穴４の上部に上パンチ部材８を挿入する。
【００１２】
図２及び図１１において、放電プラズマ焼結機、放電焼結機或いはプラズマ活性化焼結機であり得るパルス通電加圧焼結機４０は、固定台４１に直立状態で互いに隔てて固定された複数（この実施例では搬送機構を間に挟んで両側にそれぞれ２本づつ計本）の支柱と４２、支柱４２の上端に固定された上支持体４３と、固定台４１と上支持体４３との間で支柱に上下動可能に案内支持された可動支持体４４とを備えている。上支持体には円柱状の上通電電極４５が公知の方法で上支持体に電気的に絶縁させた状態でかつ下向きに鉛直に取り付けられている。可動支持体４４にも円柱状の下通電電極４６が公知の方法で可動支持体に電気的に絶縁させた状態で鉛直に取り付けられている。上通電電極４５及び下通電電極４６は、スイッチ装置（図示せず）を介して直流のパルス電流を供給できる電源装置（図示せず）に選択的に接続されるようになっている。可動支持体４４は固定台４１に取り付けられたアクチュエータとしての流体シリンダ４７によって上下動されるようになっている。上通電電極４５の下方には大径部分４５１と、先端（図１１［Ａ］で下端）の小径部分４５２とが形成されている。小径部分４５２の外側には、成形型の上端面と接触するストッパ部材４５３が配置され、大径部分４５１の下面に固定されている。ストッパ部材４５３の下端は、図１１［Ｃ］に示されるように、部分４５４で二股状に突出していて、それらの部分の間で上パンチ部材が通過（搬送機構により成形型が移動されるとき）できるようになっている。下通電電極４６の上方には大径部分４６１と、先端の小径部分４６２とが形成され、小径部分４６２の外径は加熱装置８０のストッパ部材８６の内径より小さくなっていてストッパ部材との間に環状の隙間を形成している。小径部分４６２の外側にはその隙間内に入り得るスリーブ状の押し上げ部材４６３が上下動可能に配置されていてばね４６４により上方に偏倚されている。押し上げ部材４６３は同じくスリーブ状の保持部材４６５により小径部分から外れないように保持されている。保持部材４６５は大径部分４６１の上面に固定されている。この押し上げ部材４６３は下通電電極が上昇して小径部分の先端が下パンチ部材７の方に接して焼結を行うとき、図１１［Ａ］に示されるように、成形型２の下端面と接触して成形型をばね４６４の偏倚力で上方に押圧するようになっている。
【００１３】
上記電源装置は、上述のようにパルス通電加圧焼結機の上、下通電電極に焼結用の直流パルス電流（通常、電圧１００Ｖ以下で電流５，０００Ａ以上）を供給できると共に成形型加熱装置８０、ホッパー及びシュート用の加熱装置及び後述するの上パンチ部材予熱用のカートリッジヒータへの交流又は直流予熱電流（通常電圧１００Ｖ又は２００Ｖの交流）を供給できるようになっている。スイッチ装置としては本出願人による特願２０００−８０３０７号「パルス通電焼結機用通電装置」に示されるスイッチ機構を用いてもよい。更に、この実施例では、パルス通電加圧焼結機４０には、焼結位置に位置決めされた成形型（成形型が組み込まれた成形型加熱装置も含む）周辺を外気から隔離して焼結チャンバを画成するハウジング４９を備えている。このハウジング４９の周壁（図２及び図１９において上下方向に伸びる壁）には、搬送機構により成形型加熱装置及びその中の成形型がハウジング内に搬入される部分及びハウジングから搬出される部分に成形型加熱装置等が通りえる入口及び出口（いずれも図示せず）が形成され、それら入口及び出口には開閉自在のゲートバルブ構造のシャッタ装置が設けられる。このようなシャッタ装置は公知の構造のもので良いので詳細な説明は省略する。ハウジングの周壁、上壁及び下壁はスチール等の材料でつくり、中に断熱材を張り付けても、壁を二重構造にして中に冷却水を流して冷却する構造にしても、更には断熱材と前記二重構造とを併用してもよい。このような壁構造は周知の技術を適用すれば良いので詳細な説明は省略する。ハウジングにより画成されるチャンバ（この実施例では焼結チャンバ）内には不活性ガス等が供給され不活性雰囲気に保たれるようになっている。上記ゲートバルブ構造のシャッタ装置としては本出願人による特願２０００−６５３６９号『自動通電焼結方法及びそのシステム』の出願明細書に記載されたゲート弁と同じ構造のものにしてもよい。また、搬送機構としても同明細書に示された自走式ローラを使用したローラコンベアでもよい。
【００１４】
上記パルス通電焼結機において、上パンチ部材が挿入された成形型２が搬送機構により焼結位置Ｄに送られてその位置で位置決めされると、流体シリンダ４７が動作して可動支持体４４を上昇させる。するとその可動支持体に取り付けられた下通電電極４６も図１１[Ａ]に図示の状態から上昇し、下通電電極４６が下パンチ部材７の下面に当接しかつ押し上げ部材４６３も上昇して成形型２の下面に当接し、それらを押し上げる。すると上パンチ部材の上面が上通電電極に当接して両パンチ部材間にある混合粉末材料を所定の圧力で加圧する。また、成形型２の上面はストッパ部材４５３の部分４５４に当たった状態になる。この状態で上、下通電電極４５、４６間に所定の値の直流パルス電流が流され混合粉末材料を放電プラズマ焼結し、焼結体ｍにする。焼結が終わったとき図１１［Ｂ］の状態になる。
【００１５】
図２及び図１２ないし図１５において、抜き取り機構５０は、パンチ部材挿入機構３０のパンチ挿入位置Ｃと同じ抜き取り位置Ｅに配置されている。この抜き取り機構５０は、抜き取り位置Ｅにおいて搬送機構１０の下側に配置された台フレーム５１に取り付けられたノックアウト装置５２と、ノックアウト装置により成形型から抜き出された上パンチ部材及び焼結体を排出する排出装置５４及び５６とで構成されている。ノックアウト装置５２は、台フレーム５１に鉛直状態に固定された複数（本実施例では図１２において左右２本づつ４本）のガイドロッド５２１の上部に固定された押さえ板５２２と、ガイドロッド５２１に上下動可能に案内支持されている昇降台５２５とを備えている。押さえ板５２２の中央には上パンチ部材８及び焼結体ｍがちょうど通り得る形状及び大きさの上下に貫通する切り欠き５２３が形成されている。この切り欠き５２３は押さえ板の通信から成形型の進行方向上流側に向かって、すなわち焼結機側に向かって側縁まで伸び、その側縁で開口している。これは、成形型２の穴内に挿入されて成形型の穴から上方に突出した上パンチ部材が、パンチ挿入機構から焼結機に向かって移動できるようにかつ焼結完了後に成形型がそこから上に突出している上パンチ部材と共に抜き取り機構の位置に移動できるようにするためである、昇降台５２５には切り欠き５２３と軸心を整合させたノックアウトプランジャ５２６が直立状態に固定されている。このノックアウトプランジャは、成形型内に入り得る形状、大きさになっている。昇降台５２５は台フレーム５１に取り付けられたアクチュエータ２５７によって上下動されるようになっている。アクチュエータ２５７はこの実施例では流体シリンダで構成され、そのピストンロッドの先端が昇降台５２５に連結されている。
【００１６】
パンチ排出装置５４は、この実施例では図１３及び図１４に示されるように、押さえ板５２２の上面に流体作動式の排出シリンダ５４１と、排出される上パンチ部材を案内するガイド部材５４３とで構成されている。排出シリンダ５４１のピストンロッドの先端にはＶ字状の溝が形成された押し部材５４２が取り付けられている。排出シリンダの軸心とガイド部材の長手方向中心線とは切り欠き５２３の中心を通る一直線Ｘ−Ｘ上にある。焼結体排出装置５６は、この実施例では図１３及び図１５に示されるように、押さえ板５２２の上面に流体作動式の排出シリンダ５６１と、排出される焼結体ｍを案内するガイド部材５６３とで構成されている。排出シリンダ５６１のピストンロッドの先端にはＶ字状の溝が形成された押し部材５６２が取り付けられている。排出シリンダの軸心とガイド部材の長手方向中心線とは切り欠き５２３の中心を通る一直線Ｙ−Ｙ上にある。直線Ｘ−Ｘと直線Ｙ−ＹとはＸ状になって（交叉はしていない）いる。
【００１７】
上記抜き取り機構において、焼結済みの成形型２が抜き取り位置Ｅに到着すると、アクチュエータ５２７が動作して昇降台５２５及びノックアウトプランジャ５２６が上昇し、ノックアウトプランジャの上端が下パンチ部材に当接して下パンチ部材を焼結体ｍ及び上パンチ部材と共に上昇させる。するとまず図１４に示されるように、上パンチ部材８が切り欠き５２３を通して押さえ板５２２の上に出る。すると排出シリンダ５４１が動作して上パンチ部材をパンチガイド５４３内に送る。次に、ノックアウトプランジャが上昇すると、図１５に示されるようにして焼結体ｍが押さえ板の上に出る。すると、排出シリンダ５６１が動作して焼結体ｍをガイド５６３内に送る。
【００１８】
成形型ストッカー６０は、図１及び図１６に示されるように、成形型の進行方向（図１６で紙面に直角の方向）に伸びるフレーム６１上に２列に公知の方法で回転自在に配置された多数のローラ６２と、フレームに取り付けられたガイド部材６３とを備えている。この成形型ストッカーは、成形型２を加熱装置８０内に入れられた状態でかつ中に下パンチ部材が入った状態でローラ６２の上に載せられ、流体シリンダ等の送り装置６４により搬送機構への供給位置Ａに向かって送られる。ストッカーには成形型加熱装置８０の集電器と接して給電する給電ケーブル８９が設けられ、ストッカーにより貯えられている間に給電ケーブルから加熱装置に通電して加熱装置内の成形型及び下パンチ部材を予熱する。なお、成形型は一度使用された後は手作業により或いは自動的に洗浄されたのち穴内に離型剤が塗布され、その後下パンチ部材が挿入されて成形型ストッカーに送られる。
【００１９】
パンチストッカー７０は、図１７及び図１８に示されるように、フレーム７１に取り付けられた一対のリニアガイド７２と、リニアガイド７２上で移動可能に案内支持されたリニアテーブル７３と、リニアテーブル上に取り付けられた二つの加熱台７４と、リニアテーブルを往復動させるアクチュエータとしての流体シリンダ７５とを備えている。加熱台７４は、上面に穴７４２を有する中空のハウジング７４１を備え、そのハウジング７４１は支柱７４４によりリニアテーブル７３に固定されている。ハウジング内には保温パッド７４５が設けられている。保温パッド７４５内には複数のカートリッジ式のヒータ７４６が埋め込まれている。上パンチ部材８は下端が穴７４２から保温パッド上に載せられた状態で保持される。カートリッジ式のヒータ７４６はハウジング７４１に取り付けられた集電器７４７と接続されている。集電器はリニアガイドに平行に配置された一対の給電ケーブル７４９と接して給電ケーブルからカートリッジヒータに通電できるようになっている。この加熱台には公知の構造のサーモスタット装置が内蔵され上パンチ部材の予熱温度を一定にできるようになっている。リニアテーブルは図１７で左側の位置Ｈにおいて加熱台上に上パンチ部材が載せられ、リニアテーブルが流体シリンダ７５により右側の取り出し位置で前述のパンチ挿入機構３０のチャック３６によって取り出される。
【００２０】
転送機構９０は、成形型ストッカー６０内の成形型を加熱装置と共に取り出して搬送機構１０の可動台１３上に転送し、或いは焼結が完了して上パンチ部材及び焼結体が抜き取られた後の成形型を加熱装置と共に取り出すロボットアーム式の公知の構造のものでよいので、詳細な説明は省略する。
【００２１】
次に上記製造装置により焼結体を製造する工程を説明する。
充填機構２０のホッパ２２内には、非アルミニュウム材料、例えばマグネシュウムのような遷移金属以外の金属、遷移金属等の金属或いはセラミックのような非金属の粉末を単独（１種類のみ）として、或いはそれらの材料を混合して（その場合、そのうちいずれか一つをベース材料とする）、装填しておく。この粉末材料はホッパ内で予め所定の温度に予熱されている。一方、粉末材料により決まる所定の温度に予熱されかつ中に下パンチ部材が挿入された成形型２が加熱装置８０と共に、成形型ストッカー６０から転送機構９０により位置Ａで待機している搬送機構１０の可動台１３上に載せられる。可動台の上に載せられ或いは載せられた後可動台が動き出すと、加熱装置８０の集電器と給電ケーブルとが接触して加熱装置に給電されて予熱を再開する。成形型２が搬送機構１０により充填位置Ｂに送られてくると充填機構２が動作してその粉末材料により決められた予め所定の温度に予熱された粉末材料を所定量成形型内に充填する。充填が完了すると成形型は搬送機構１０にパンチ挿入位置Ｃに送られ、パンチ部材挿入機構により上記の所定の温度に予熱された上パンチ部材が成形型の穴の上部分に挿入される。
【００２２】
上パンチ部材が挿入された成形型２は搬送機構１０により焼結位置Ｄに送られ、この位置でパルス通電焼結機４０の上、下通電電極４５及び４６により粉末材料をその粉末材料によって決定される所望の圧力で加圧し、それらの通電電極に所定の値の直流パルス電流を流して放電プラズマ焼結により焼結させ焼結体ｍをつくる。ＳＰＳ焼結温度は粉末材料によって決まる所定の温度以下となるようにする。この放電プラズマ焼結により、混合粉末材料は、完全に溶解することなく、粉体の超微細結晶組織構造を保ったまま隣接する粒子間で拡散結合し、ベース材料を主成分とする材料の焼結体ｍになる。これは、オン・オフ直流、パルス大電流を流すことにより混合材料におけるミクロな火花放電現象により生じる放電プラズマ、放電衝撃圧力などによる表面浄化活性化効果、ジュール熱による熱拡散効果、電場による電解拡散効果等により粒子形状を保ったまま互いに表面部分でのみ溶着するような形態で拡散結合し合うためである。これによりできあがった焼結体は超塑性と言われる大きな延性を示し、被加工性が向上する。焼結が完了した後、成形型は搬送機構１０により抜き取り位置Ｅに送られ、その位置でノックアウト装置５２により上パンチ部材及び焼結体ｍが成形型から取り出される。取り出された上パンチ部材は排出装置により排出され洗浄されてパンチストッカーに送られる。なお、好ましいＳＰＳ焼結温度はベース材料の種類により異なり、ベース材料の融点の７０％ないし９０％の温度範囲である。上記において、ＳＰＳ焼結温度とは、放電プラズマ焼結（Ｓｐａｒｋ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、放電焼結及びプラズマ活性化焼結などのパルス通電焼結法の技術分野で一般的に使用されている温度表示で、パルス通電焼結時の焼結型（本発明では成形型）の温度を言う。これは焼結型内の温度を直接測定することが困難なため、焼結型の温度を測定することによって、焼結型内部の被焼結材料の温度を推定するものである。更に上記実施例では焼結機の焼結チャンバのみを外気から隔離して不活性の焼結雰囲気にしたが、図２及び図１９に示される装置全体をハウジングで囲んで不活性雰囲気にしてもよい。
【００２３】
図１９において、本発明のパルス通電加圧焼結法による焼結体の製造装置の他の実施例が示されている。この実施例の製造装置１ａは、この搬送機構１０ａで前の実施例と同じ成形型２及び成形型加熱装置８０を図において矢印のように右から左に一方向に搬送させていきながら、位置Ｂで成形型への混合粉末材料の充填、位置Ｃで成形型への上パンチ部材８の挿入、位置Ｄで混合粉末材料の放電プラズマ焼結、位置Ｅで焼結済みの焼結体及び上パンチ部材の成形型からの抜き取り等を行う。このためそれらの位置ＢないしＥには、前の実施例のものと同じ構造、機能の充填機構２０（図１９では不図示）、パンチ部材挿入機構３０、パルス通電焼結機４０、抜き取り機構がそれぞれ配置されている。したがって、それらの機構等の詳細な説明は省略する。成形型ストッカー６０も前の実施例のものでよいので、その説明は省略する。
【００２４】
この実施例では、成形型及び加熱装置を一方向に移動させるので、搬送機構は前の実施例のものをそのまま使用することはできない。しかし、搬送機構のガイドレール１２ａを図１９に示されるようにループ状にして復路を焼結機の流体シリンダ４７の下側に通し（例えば地下の溝内を通す）、またチエーンを公知の機構を利用してそのガイドレールに沿って移動させるようにし、チエーン１４５ａを図２０に示されるように可動台１３ａに連結することによって可動台を図１９で矢印で示される方向に巡回移動できるようにするか、或いは、図１６の成形型ストッカーと同様に図２１に示されるように、成形型の進行方向（図２１で紙面に直角の方向）に伸びるフレーム１１ｂ上に並列状に２列に多数の送りローラ１２ｂを公知の構造の軸受け装置で回転可能に配置し、その送りローラ１２ｂをスプロケット１４４ｂ及びそのスプロケットと駆動接続されたチエーン１４５ｂから成る駆動装置１４ｂで同じ方向に回転させ若しくは個々の駆動モータで回転させ、その送りローラ上に載せられた成形型加熱装置を成形型と共に移動するようにすればよい。いずれの場合も成形型及びその加熱装置が上記各位置ＢないしＥに到着したことは公知のセンサで検出し、図示しない公知の保持装置でその位置に停止保持させるようにする。この実施例の搬送機構にも成形型加熱装置８０の集電器と接して給電する給電ケーブル８９が設けられ、ストッカーにより貯えられている間に給電ケーブルから加熱装置に通電して加熱装置内の成形型を加熱保温する。そして復路に焼結型の洗浄装置、離型剤の塗布装置等を配置してもよい。なお、ガイドレールを水平のループ上に配置して往路及び復路をほぼ同一平面上に配置して復路に焼結型の洗浄装置、離型剤の塗布装置等を配置してもよい。
【００２５】
また、パンチストッカーも、１台のリニアテーブルに１台の加熱台を取り付け、リニアテーブルを流体シリンダ等によりリニアガイド上で１個づつ一方向に順次送るようにするか或いは図１６の成形型ストッカーと同様の構造にして上パンチ部材を載せた加熱台を搬送できるようにすればよい。この実施例では成形型を一方向に送りながら位置Ａにおける混合粉末材料の充填から位置Ｅにおける焼結体及び上パンチ部材の抜き取りまで連続的に行えるので、前記実施例の装置よりも短時間サイクルの大量生産に適する。なお、上記いずれの実施例においても各機構が大気圧雰囲気内にあるように記載されているが、特別の雰囲気、例えば不活性ガスの雰囲気内で焼結を行うには焼結機の一部或いは全体をハウジング内に収容してそのハウジング内をそのような雰囲気にすればよい。なお、上記実施例のパルス通電加圧焼結機の焼結動作を放電プラズマ焼結として説明したが、放電焼結、プラズマ活性化焼結及びパルス通電焼結法でもこれらは同様の焼結法であるため、同様の効果を得ることはいうまでもない。
【００２６】
【効果】
本発明によれば、
（イ）超微細結晶組織構造を有する非アルミニュウムをベース材料とした材料のバルク状の焼結体を放電プラズマ焼結法等のパルス通電加圧焼結方法で１μｍ以下の結晶組織構造に製造でき、焼結体の物理的及び機械的特性を向上できる、
（ロ）上記超微細結晶組織構造を有する非アルミニュウムをベース材料とした焼結体を迅速にかつ連続的に製造できる。
（ハ）超微細結晶組織以外の結晶組織（非超微細結晶組織）構造を有する非アルミニュウムをベース材料とした材料のバルク状の焼結体を放電プラズマ焼結法等のパルス通電加圧焼結方法で製造でき、焼結体の物理的及び機械的特性を向上できる、
（ニ）上記結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有する非アルミニュウムをベース材料とした焼結体を迅速にかつ連続的に製造できる。
（ホ）結晶粒径が２μｍ以下以外の結晶組織構造を有するアルミニュウムをベース材料とした材料のバルク状の焼結体を放電プラズマ焼結法等のパルス通電加圧焼結方法で迅速にかつ連続的に製造でき、焼結体の物理的及び機械的特性を向上させることができる、
（ヘ）焼結型を一体的に移動する加熱装置により予熱する粉末原料そのものを予熱することなどにより焼結工程の中間での被焼結材料の温度を所定の温度に独立的に昇温保持できるため、焼結時間を従来のパルス通電焼結方式より大幅に短縮でき、材料の装填、昇温、焼結、保持、冷却、取り出しまでの全行程の所要時間が従来法に比べて１／１５ないし１／３０の、１ないし５分の高速で連続焼結が可能になった、
（ト）上記（ヘ）と関連して、粉体の微細結晶組織構造を保ったまま混合粉末材料の粒成長を発生させない必要温度領域のみの急速昇温焼結技術が可能になった、
（チ）低温、低圧で焼結するので焼結型の寿命が伸び生産性が向上し、製造コストの低減を図ることができる、
（リ）被加工性（延性）と機械的特性の優れた非アルミニュウム焼結体、例えばマグネシュウム合金の焼結体を得ることができるため、焼結体の用途を大幅に拡大することができる、
等の効果を奏することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるパルス通電加圧焼結法による焼結体の製造装置の一実施例の概略平面図である。
【図２】  図１の製造装置の側立面図である。
【図３】  成形型及び成形型加熱装置の断面図である。
【図４】  搬送機構の横断面図である。
【図５】  搬送機構の平面図である。
【図６】  搬送機構の側面図である。
【図７】  充填機構の概略立面図である。
【図８】  パンチ挿入機構の平面図である。
【図９】  パンチ挿入機構の側面図である。
【図１０】  パンチ挿入機構の断面図である。
【図１１】  ［Ａ］及び［Ｂ］はパルス通電焼結機の上、下通電電極の部分の拡大図であり、［Ｃ］はストッパ部材の斜視図である。
【図１２】  抜き取り機構の一部の側面図である。
【図１３】  抜き取り機構の平面図である。
【図１４】  上パンチ部材の抜き取り動作を説明する図である。
【図１５】  焼結体の抜き取り動作を説明する図である。
【図１６】  成形型ストッカーの断面図である。
【図１７】  パンチストッカーの側面図である。
【図１８】  パンチストッカーのリニアテーブル及び加熱台の拡大断面図である。
【図１９】    本発明による焼結体の製造装置の他の実施例の測立面図である。
【図２０】  図１９の実施例の搬送機構の一部の断面図である。
【図２１】  搬送機構の変形例の断面図である。
【符号の説明】
１  パルス通電加圧焼結法による焼結体の製造装置
２  成形型                          ４  穴
１０、１０ａ  搬送機構              ２０  充填機構
３０  パンチ部材挿入機構                ４０  パルス通電焼結機
５０  抜き取り機構                  ６０  成形型ストッカー
７０  パンチストッカー              ８０  成形型加熱装置
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0004065363.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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