(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１焼結用治具に粉末金属からなる成形体を配置するとともに、所定の荷重に設定された可動型の第２焼結用治具を前記第１焼結用治具から上方に離間した状態で、所定の温度で溶融する溶融部材からなる保持部材で保持する工程と、
前記成形体を焼結して焼結体を得る工程と、
前記焼結時に前記成形体が相対密度９０％以上の焼結体となった時点で、前記保持部材を溶融させることで前記第２焼結用治具の保持作用を解除して前記焼結体に荷重を付与することによって、該焼結体を、前記第１焼結用治具及び前記第２焼結用治具で形成されるキャビティの形状に対応する形状にさらに成形する工程と、
前記荷重を付与した状態で、前記焼結体を冷却する工程と、
を有し、
前記第１焼結用治具として、表面にカーボンまたは六方晶系窒化硼素が設けられたものを使用するとともに、前記第２焼結用治具として、表面にカーボン、六方晶系窒化硼素、タングステン合金またはモリブデン合金の少なくとも１種が設けられたものを使用することを特徴とする粉末金属の焼結方法。
【請求項２】
第１キャビティが設けられ、且つ表面にカーボンまたは六方晶系窒化硼素が形成された第１焼結用治具と、
前記第１焼結用治具と一体的に粉末金属用キャビテイを構成するとともに表面にカーボン、六方晶系窒化硼素、タングステン合金またはモリブデン合金の少なくとも一種が形成された第２キャビティが設けられ、且つ所定の荷重に設定された可動型の第２焼結用治具と、
所定の温度で溶融する溶融部材からなり、前記第２焼結用治具を前記第１焼結用治具から離間した状態で保持し、前記粉末金属からなる成形体が前記第１キャビティで焼結されて相対密度９０％以上の焼結体となった時点で溶融することで、前記第２焼結用治具の保持作用を解除して前記焼結体に荷重を付与するための保持部材と、
を備え、
前記焼結体に荷重を付与した際に、前記第１キャビティと前記第２キャビティで前記粉末金属用キャビテイを形成して、前記焼結体を該粉末金属用キャビテイの形状に対応する形状にさらに成形することを特徴とする粉末金属の焼結装置。
【請求項３】
請求項２記載の焼結装置において、前記粉末金属は、銅合金であり、
前記保持部材は、銅合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄系合金またはアルミニウム合金の少なくとも一種で構成されることを特徴とする粉末金属の焼結装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末金属を焼結して焼結体を得るための粉末金属の焼結方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、粉末金属を融点以下、あるいは一部に液相が生ずる温度に加熱して焼成処理を施すことにより、焼結体を得る作業が行われている。この種の焼結法としては、通常、常圧条件下、真空条件下、または雰囲気ガス中にて加圧条件下で焼結を行う方法が知られている。
【０００３】
ところが、上記の通常焼結法では、焼結体に変形が生じ易く、寸法精度が得られないばかりか、物性の低下が惹起され易いという不都合が生じていた。このため、焼結後において、鍛造やサイジングまたは熱処理を施すことによって物性の向上を図る工夫がなされており、後処理が相当に煩雑なものとなっている。
【０００４】
そこで、良好な物性を容易に確保するために、ホットプレスやＨＩＰ（ホットアイソスタティックプレス）等の特殊焼結法が行われている。ホットプレスは、成形型内に原料粉末を入れ、加熱しながら油圧または水圧で成形する方法であり、ＨＩＰは、粉体あるいは予備成形体を容器内に挿入し、不活性雰囲気媒体を通じて等方的に加圧しながら加熱焼結する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のホットプレスやＨＩＰでは、形状の複雑な焼結体に適用することが困難であるとともに、生産性が低いという問題が指摘されている。さらに、設備費が高く、ランニングコストが高騰して経済的ではないという問題もある。
【０００６】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、物性の高い焼結体を効率的に得るとともに、構成を簡素化することが可能な粉末金属の焼結方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明に係る粉末金属の焼結方法および装置では、第２焼結用治具が第１焼結用治具から上方に離間した状態で保持され、この第１焼結用治具に粉末金属からなる成形体が配置され、焼結処理が施される。その際、焼結体の密度が９０％以上になると、第２焼結用治具の保持作用が解除され、該第２焼結用治具の荷重が前記焼結体に付与される。
【０００８】
ここで、焼結体は、焼結過程において高温に曝されており、比較的小さな荷重でも容易に変形して、第１および第２焼結用治具間に構成されるキャビテイに沿って確実に成形される。さらに、焼結体は、高温下で体積拡散が助長されて高緻密化、すなわち、１００％の密度となる。
【０００９】
なお、第２焼結用治具の保持作用を解除するタイミングが焼結体の密度で９０％以下であると、体積拡散が大きくなり過ぎて焼結体の均質性が損なわれたり、物性の低下が生じたりする。また、焼結装置が大がかりになってしまい、好ましくない。
【００１０】
次いで、第２焼結用治具による荷重が作用した状態で、焼結体の冷却処理が行われるため、室温状態に至る際、この焼結体の寸法精度を有効に維持することができる。これにより、焼結体に変形が発生することを可及的に回避することが可能になり、サイジング作業等が不要になる。
【００１１】
しかも、焼結体の密度が１００％となるために、この焼結体に鍛造等の後加工を施す必要がない。さらにまた、第１および第２焼結用治具として、高熱伝導性の材料、例えば、カーボンや六方晶系窒化硼素等を用いることにより、熱処理を同時に行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る粉末金属の焼結装置１０の概略縦断説明図である。
【００１３】
焼結装置１０は、固定型の第１焼結用治具１２と、この第１焼結用治具１２に対して昇降自在な可動型の第２焼結用治具１４と、前記第２焼結用治具１４を前記第１焼結用治具１２から上方に離間した状態で保持する複数の保持部材１６とを備える。
【００１４】
第１焼結用治具１２は、例えば、ニッケル合金を基材としてこのニッケル合金の表面に高熱伝導性を有するカーボンまたは六方晶系窒化硼素が設けられている。この第１焼結用治具１２には、粉末金属、例えば、銅合金粉末からなる成形体１８が配置されるキャビテイ２０が複数設けられるとともに、前記キャビテイ２０を挟んで溶融溜まり部２２が形成される。
【００１５】
第２焼結用治具１４は、同様にニッケル合金を基材としてその表面に高熱伝導性を有するカーボン、六方晶系窒化硼素、タングステン合金またはモリブデン合金の少なくとも一種が設けられている。第２焼結用治具１４は、所定の荷重に設定されており、枠体２４に各キャビテイ２０に対応して複数保持されている。
【００１６】
保持部材１６は、棒状に構成されており、焼結される粉末金属に応じて、銅合金、ニッケル合金、コバルト合金、鉄系合金、またはアルミニウム合金の少なくとも一種で構成される。
【００１７】
このように構成される焼結装置１０の動作について、本発明に係る焼結方法との関連で以下に説明する。
【００１８】
先ず、粉末金属として銅合金を用いた。この銅合金としては、平均粒径が２０μｍの電解銅粉を９８．５％に、平均粒径が１．５μｍの金属クロム粉を１．５％添加し、エチルアルコールを分散液として十分に湿式混合した。混合後にアルコール量を１３％まで減少させ、金型内静水圧加圧成形法により１２０ＭＰａの成形圧力で成形体１８を得た。
【００１９】
一方、保持部材１６としては、銅にセレンを２．２％添加したＣｕ−Ｓｅ合金を用いた。この保持部材１６は、銅−酸素共晶点近傍で溶融した。銅−酸素共晶点は、通常、１０５８℃〜１０６５℃となっている。焼結しようとする銅合金は、粉末特性として僅かに酸素を含有しており、通常の焼結において、相対密度が９８％程度となる。この相対密度は、焼結温度が９００℃で９０％、１０００℃で９５％程度、１０５０℃で〜９８％となる。
【００２０】
次いで、成形体１８が第１焼結用治具１２のキャビテイ２０に配置されるとともに、この第１焼結用治具１２の溶融溜まり部２２に保持部材１６の一端が挿入される。このため、第２焼結用治具１４が保持部材１６により枠体２４を介してキャビテイ２０から上方に離間した状態で保持される。
【００２１】
この状態で、１０℃／ｍｉｎの昇温スピードにて６５０℃まで昇温し、有機物を除去した後に同一の昇温速度で１０００℃まで昇温した。さらに、この温度で１５分間保持した後、同様の条件下で、１０５０℃および１０６８℃まで昇温した。雰囲気は、窒素ガスを流通させながら０．５Ｔｏｒｒであり、各保持時間が１５分および３０分であった。
【００２２】
その際、保持部材１６は、１０５０℃程度で軟化溶融し、第１焼結用治具１２の溶融溜まり部２２に入り込み、第２焼結用治具１４の保持作用が解除される。これにより、図２に示すように、第１焼結用治具１２のキャビテイ２０内で所定の焼結状態に至った焼結体２６には、第２焼結用治具１４の荷重が付与される。ここで、焼結体２６に付与される荷重は、２００ｇ／個に設定されている。そして、焼結終了後に２ｂａｒまで加圧し、ガス冷却によって４０℃まで冷却した。さらに、４９５℃で２時間の時効を行って焼結体２６を得た。
【００２３】
一方、比較例として、第２焼結用治具１４を用いずに同様の操作によってサイジングを行ったものを用意した。この比較例と第１の実施形態の焼結体２６との物性を測定したところ、ロックウェル硬さにおいて、比較例ではＨR Ｂが７２であったのに対し、第１の実施形態ではＨR Ｂが８０に増加した。さらに、導電率においても、比較例では６８ＩＡＣＳ（純銅の導電率を１００％とした国際規格）％であるのに対し、第１の実施形態では８４ＩＡＣＳ％と増加した。
【００２４】
これは、焼結体２６が所定の焼結状態、すなわち、密度が９０％以上となった際に、この焼結体２６に第２焼結用治具１４を介して所定の荷重を付与することにより、この第２焼結用治具１４の圧密効果によって密度が１００％になるとともに、前記第２焼結用治具１４の冷却作用によって冷却効率の上昇が図られるからである。
【００２５】
従って、第１の実施形態では、サイジングや鍛造工程が省略できる他、第１焼結用治具１２に複数のキャビテイ２０を設ける一方、各キャビテイ２０に対応して独立した複数の第２焼結用治具１４を配置することにより、同時に他数個の焼結体２６を効率的に得ることができるという効果がある。しかも、焼結される粉末金属の種類に応じて保持部材１６の材質を選択するだけでよく、煩雑な制御が不要になるとともに、焼結装置１０全体の構成が一挙に簡素化するという利点が得られる。
【００２６】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る粉末金属の焼結装置３０の概略斜視説明図である。
【００２７】
この焼結装置３０は、第１焼結用治具３２と第２焼結用治具３４とを備え、この第２焼結用治具３４がガイドピン３６を介して前記第１焼結用治具３２に対して昇降自在である。
【００２８】
図４に示すように、第１焼結用治具３２は、複数の成形体配置用凹部３８を有し、各凹部３８に中子用ロッド部４０が立設される。凹部３８の間には、溶融溜まり部４２が設けられている。第２焼結用治具３４には、第１焼結用治具３２のロッド部４０に対応して棒状のキャビテイ４４が形成されるとともに、各キャビテイ４４の間には、位置決め凹部４６が形成され、この位置決め凹部４６に保持部材４８が配設される。
【００２９】
なお、第１および第２焼結用治具３２、３４と保持部材４８の材質は、第１の実施形態と同様であり、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
このように構成される焼結装置３０では、先ず、図４に示すように、第２焼結用治具３４が保持部材４８を介して第１焼結用治具３２の上方に所定距離だけ離間した状態で保持されている。そこで、第１の実施形態と同様に、銅合金の粉末を用いて成形された成形体５０が、第１焼結用治具３２の各ロッド部４０に配置される。
【００３１】
次いで、この状態で、第１の実施形態と同様に焼結処理を施すと、成形体５０が所定の焼結状態に至る際、保持部材４８が溶融して溶融溜まり部４２に流れ込み、この保持部材４８による第２焼結用治具３４の保持作用が解除される。このため、図５に示すように、第２焼結用治具３４が下降し、この第２焼結用治具３４に設けられたキャビテイ４４に相対密度が９０％以上に至った焼結体５２が挿入され、この焼結体５２には、前記第２焼結用治具３４の荷重が付与される。
【００３２】
従って、焼結体５２は、前記荷重によって変形してキャビテイ４４に沿うように成形されるとともに、その相対密度が１００％になり、高緻密化が図られる（図６参照）。さらに、焼結体５２には、第１および第２焼結用治具３２、３４の冷却作用下に効率的な冷却処理が遂行される。これにより、第２の実施形態では、焼結体５２の高緻密化が確実に遂行されてサイジング作業や鍛造作業が不要になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る粉末金属の焼結方法および装置では、第１焼結用治具に配置された成形体が焼結されて相対密度９０％以上の焼結体となった際、第２焼結用治具の保持作用が解除されてこの第２焼結用治具の荷重が前記成形体からなる焼結体に付与されるため、前記焼結体に変形を生ずることがなく、高緻密化が確実に遂行される。これにより、焼結後にサイジングや鍛造作業が不要になり、簡単な構成で、効率的かつ高品質な焼結処理が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る粉末金属の焼結装置の概略縦断説明図である。
【図２】前記第１の実施形態に係る焼結装置の動作説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る粉末金属の焼結装置の概略斜視説明図である。
【図４】前記第２の実施形態に係る焼結装置の要部縦断説明図である。
【図５】前記第２の実施形態に係る焼結装置の動作説明図である。
【図６】前記第２の実施形態に係る焼結装置の動作終了後の説明図である。
【符号の説明】
１０、３０…焼結装置            １２、１４、３２、３４…焼結用治具
１６、４８…保持部材            １８、５０…成形体
２０、４４…キャビテイ          ２２、４２…溶融溜まり部
２６、５２…焼結体
【図１】
0004117923.tif 000002
【図２】
0004117923.tif 000003
【図３】
0004117923.tif 000004
【図４】
0004117923.tif 000005
【図５】
0004117923.tif 000006
【図６】
0004117923.tif 000007