(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結品を得る通電焼結の際に使用する上パンチ及び／又は下パンチにおいて、
このパンチは、焼結粉末に触れる第１パンチ部とこの第１パンチ部を押す第２パンチ部とこの第２パンチ部を押す第３パンチ部とを直列に並べた組みパンチであり、
前記第１パンチ部は前記焼結粉末には反応せず導電性を有する材料で構成した高強度部材、前記第２パンチ部は黒鉛製部材、前記第３パンチ部は炭素繊維強化炭素製部材としたことを特徴とする通電焼結加工用パンチ。
【請求項２】
前記高強度部材は導電性セラミックスで構成したことを特徴とする請求項１記載の通電焼結加工用パンチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通電焼結加工用パンチの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な焼結法は、金属若しくはセラミックスの粉末にワックスなどのバインダを混ぜ、この混合体を成形型に入れて固めて圧粉成形体を造り、この圧粉成形体を焼結炉に入れ、融点よりは低温であるが十分に高温である焼結温度に保持することで、粉末同士を原子間結合することで一体化する特殊な処理法である。前記バインダは焼結炉内で蒸発させるため焼結品には残らない。
【０００３】
上記製法は圧粉成形工程と焼結工程とを独立させているため各々の設備（造形プレス、焼結炉）が必要であることと工程が長くなることが課題である。これらの課題を克服するために、成形と焼結とを同時平行的に実施する技術の１つである通電焼結法が注目されている。
【０００４】
通電焼結法は上下パンチを黒鉛で構成し、この黒鉛に通電することにより、放電やジュール熱（抵抗熱）を発生させるというものである。しかし、１０００℃以上の高温で焼結するため、原料の焼結粉末とパンチを構成する黒鉛とが反応したり、焼結粉末が黒鉛に食い込むことがある。この様な反応もしくは食い込みはパンチを著しく消耗させるため好ましくない。
【０００５】
この不具合を解消すべく提案されたのが、例えば▲１▼特開平１１−１２６０６号公報「通電焼結方法」や特開平１０−１７９０４号公報「通電焼結方法」である。
上記▲１▼は、同公報の図１に示される通り、上パンチ２（符号は公報記載の番号を流用する。以下同様。）と粉末材料Ｍとを電気絶縁層５で仕切り、下パンチ３と粉末材料Ｍとを電気絶縁層５で仕切るというものである。
上下パンチ２，３を黒鉛で構成すると粉末材料Ｍとの間でミクロ放電が発生する虞れがある。しかし、電気絶縁層５，５を介在させることにより、ミクロ放電の発生を防止することができ、パンチの消耗を抑えることができると説明されている。
【０００６】
上記▲２▼は、同公報の図１に示される通り、上パンチ２と粉末材料Ｍとを炭素材プレート４で仕切り、下パンチ３と粉末材料Ｍとを炭素材プレート４で仕切るというものである。
炭素材プレート４，４は焼結作業毎に取替えるところの消耗品とする。この対策により、上下パンチ２，３の消耗を防止することができたと説明されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記▲１▼は、粉末材料Ｍの粉末間に発生する粉末間放電をも抑えてしまったため、新たな課題が発生する。すなわち、通電焼結法では粉末間放電が期待でき、この粉末間放電が発生すると、粉末を覆っている酸化膜などを放電エネルギーにより破壊することができる。酸化膜などが除去できれば原子間結合を促すことができ、粒子間結合が進み、良質な焼結品を容易に得ることができる。しかし、上記▲１▼では粉末間放電が起こらないので、このような通電焼結特有の利点を生かすことはできないことになる。
【０００８】
上記▲２▼は、炭素材プレートが導電材であるから、粉末間放電を発生させることはできる。しかし、焼結作業毎に炭素材プレート４，４を取替えるのでは、この取替え作業が作業者の負担を増し、作業能率の低下を招き、焼結品のコストアップの要因となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は通電焼結法において、消耗品の発生を伴わず、且つ粉末間放電の発生を促すことのできるパンチ構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結品を得る通電焼結の際に使用する上パンチ及び／又は下パンチにおいて、このパンチは、焼結粉末に触れる第１パンチ部とこの第１パンチ部を押す第２パンチ部とこの第２パンチ部を押す第３パンチ部とを直列に並べた組みパンチであり、第１パンチ部は焼結粉末には反応せず導電性を有する材料で構成した高強度部材、第２パンチ部は黒鉛製部材、第３パンチ部は炭素繊維強化炭素製部材としたことを特徴とする。
【００１１】
第１〜第３パンチ部を全て導電材料で構成したので、通電焼結特有の粉末間放電を発生させることができ、短い焼結時間で良質の焼結品を得ることができる。そして、焼結粉末に接する第１パンチ部は焼結粉末とは反応しないので、反応による消耗を心配する必要はなく、パンチの寿命を十分に延ばすことができる。
【００１２】
請求項２では、高強度部材は導電性セラミックスで構成したことを特徴とする。
導電性セラミックスは、本来は絶縁物であるセラミックス粉末に、導電物質粉末（Ｔｉ（チタン）、Ｃｏ（コバルト）などの金属粉末が好適）を混ぜたものであり、ジルコニアに導電性を付与した導電性ジルコニアや、窒化珪素に導電性を付与した導電性窒化珪素がその例である。
【００１３】
第１パンチ部を導電性セラミックスとすることにより、次の作用及び効果を発揮させることができる。
【００１４】
先ず、セラミックスは焼結粉末と反応する心配がない。
通常の絶縁性セラミックスでは電流が遮断されるが、本発明では第１パンチ部を導電性セラミックスにしたので電流が遮断されることが無く、粉末間放電を促すことができる。
また、導電性セラミックスは製作の際に放電加工が可能であり、製作コストが大幅に削減でき、かつ形状の自由度も大きくなり、複雑な形状の部品にも対応可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る通電焼結装置の原理図であり、通電焼結装置１０は、下パンチ２０Ｌ（Ｌは、LOWER、下を意味する。詳細構成は後述）と、ダイベース１１と、下パンチ２０Ｌに被せつつダイベース１１に載せる３重円筒構造の通電焼結加工用ダイス３０（詳細構成は後述）と、上パンチ２０Ｕ（Ｕは、UPPER、上を意味する。詳細構成は後述）と、これらを囲う気密容器１２と、この気密容器１２の容器内ガスを排出する真空ポンプ１３と、真空排気後の容器１２内にアルゴンガス等の不活性ガスを吹込む不活性ガス吹込み管１４と、上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌ間に給電する電源１５と、この電源１５を制御する制御部１６とからなる。
【００１６】
下パンチ２０Ｌは、焼結粉末３１に触れる第１パンチ部２１Ｌと第１パンチ部２１Ｌを押上げる第２パンチ部２２Ｌとこの第２パンチ部２２Ｌを押上げる第３パンチ部２３Ｌとを直列に並べた組みパンチである。
【００１７】
そして、第１パンチ部２１Ｌは焼結粉末３１には反応せず導電性を有する材料で構成した高強度部材、第２パンチ部２２Ｌは黒鉛製部材、第３パンチ部２３Ｌは炭素繊維強化炭素製部材としたことを特徴とする。第３パンチ部２３Ｌはプレスマシンのボルスターに取付ける又はボルスターそのものであってもよい。
【００１８】
更に、第１パンチ部２１Ｌは、導電性ジルコニアや、窒化珪素に導電性を付与した導電性窒化珪素に代表される導電セラミックスで構成することが望ましい。なお、本実施例では第１パンチ部２１Ｌはいわゆる形彫りパンチである。
【００１９】
同様に、上パンチ２０Ｕは、焼結粉末３１に触れる第１パンチ部２１Ｕと第１パンチ部２１Ｕを押下げる第２パンチ部２２Ｕとこの第２パンチ部２２Ｕを押下げる第３パンチ部２３Ｕとを直列に並べた組みパンチである。
【００２０】
そして、第１パンチ部２１Ｕは焼結粉末３１には反応せず導電性を有する材料で構成した高強度部材、第２パンチ部２２Ｕは黒鉛製部材、第３パンチ部２３Ｕは炭素繊維強化炭素製部材としたことを特徴とする。第３パンチ部２３Ｕはプレスマシンのラムに取付けるまたはラムそのものであってもよい。
【００２１】
更に、第１パンチ部２１Ｕは、導電性ジルコニアや、窒化珪素に導電性を付与した導電性窒化珪素に代表される導電セラミックスで構成することが望ましい。なお、本実施例では第１パンチ部２１Ｕはいわゆる形彫りパンチである。
【００２２】
また、通電焼結加工用ダイス３０（以下「ダイス３０」と記す。）は、焼結粉末３１に触れる内筒３２とこの内筒３２を囲う中間筒３３とこの中間筒３３を囲う外筒３４とからなる３重円筒であり、前記内筒３２は黒鉛製筒、前記中間筒３３はセラミックス製筒、前記外筒３４は炭素繊維強化炭素製筒とし、且つセラミックス製筒と炭素繊維強化炭素製筒との間に熱膨張を緩和するために所定の隙間３５を設けたものである。
【００２３】
この隙間３５は数ｍｍ程度に設定する。しかし隙間３５があるため、外筒３４のみを持つと、中間筒３３が外筒３４から抜け落ちる可能性がある。そこで、外筒３４から中間筒３３に達するセラミックスピン３６・・・（・・・は複数本を示す。以下同様。）を打込むとよい。これらのセラミックスピン３６・・・の掛け止め作用により、ダイス３０を安心して取扱うことができる。しかし、セラミックスピン３６・・・は必須ではない。
【００２４】
前記中間筒３３はセラミックス製筒であるが、セラミックスには汎用の絶縁性セラミックスと特殊な導電性セラミックスとがあり、何れも使用可能である。
ただし、絶縁性セラミックスでは研削加工並びに研磨加工からなる機械加工で仕上げる。しかし、セラミックスは極めて硬いため機械加工時間が長くなり、加工コストが嵩む。
この点、導電性セラミックスは、通電性があるので放電加工で仕上げることができる。放電加工であれば、加工時間は短くて済み、仕上り形状も任意である。従って、型加工費を低減する上では、導電性セラミックスを採用することが望ましい。
【００２５】
なお、導電性セラミックスは、本来は絶縁物であるセラミックス粉末に、導電物質粉末（Ｔｉ（チタン）、Ｃｏ（コバルト）などの金属粉末が好適）を混ぜたものであり、ジルコニアに導電性を付与した導電性ジルコニアや、窒化珪素に導電性を付与した導電性窒化珪素がその例である。
【００２６】
以上の構成からなる通電焼結装置並びにパンチの作用を次に説明する。
図１において、下方の第３パンチ部２３Ｌに第２パンチ部２２Ｌを組み合わせ、そこに上からダイス３０を被せ、このダイス３０をダイベース１１に載せる。次に、ダイス３０の内筒３２に下の第１パンチ部２１Ｌを落とし込み、そこへ焼結粉末３１を充填し、上の第１パンチ部２１Ｕを落とし込み、更に上パンチ２０Ｕの第２パンチ部２２Ｕを挿入する。ここまでの作業は密閉容器１２の図示せぬ扉を開けて行う。そのため、密閉容器１２内部は空気雰囲気となる。
【００２７】
扉を閉じ、真空ポンプ１３を始動して密閉容器１２内部を真空にする。そして、容器１２内部を真空のまま、若しくは不活性ガスを吹込み不活性ガス雰囲気にする如くに、焼結粉末の特性により雰囲気を決定する。すなわち、焼結粉末３１の種類、処理条件により、真空のままで次の通電を開始する若しくは不活性ガス（例えばＮ2ガスやＡｒガス）を吹込んだ後に次の通電を開始する。
【００２８】
通電は連続通電と間欠通電（オンオフを繰り返すパルス通電）とがあるが、本実施例では後者のパルス通電を行う。
連続通電では大電流を流す続けるとワークが溶融してしまうので電流を抑える必要がある。これに対してパルス通電は、通電時間を短くすることで大電流を投入することができる。この大電流により、焼結粉末３１の粉末間に放電プラズマ（このことを粉末間放電と言う）を発生させることができる。放電プラズマの高いエネルギーで粉末表面の酸化膜を破壊し除去することができ、焼結現象を促すことができるため、通常の焼結法よりも緻密な焼結品を得ることができる。
【００２９】
また、放電プラズマを目的としたパルス通電は、粉末間に高いエネルギーを集中させるものであり、粉末全体の温度を上げる必要はない。この結果、焼結粉末３１を比較的低温に保ちながら焼結を実施することができる。通常の焼結法は粉末全体を融点直下温度まで加熱必要があるが、パルス通電では全体を比較的低温に保てるため、投入電気エネルギーを節約することができる。
【００３０】
前記通電は、上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌで圧粉しつつ行うが、上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌである程度加圧した後に通電を開始することは差支えない。
通電により上述した通りに焼結粉末３１の粉末粒子間に放電プラズマが発生し、粒子表面が気化・溶融する。この粒子が移動を始め、放電衝撃圧力が加わり塑性変形する。このとき、形彫りパンチに相当する第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌで加圧されているから所望の形状の焼結品を得ることができる。
【００３１】
次に、上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌの作用を説明する。併せて、ダイス３０の作用も説明する。
【００３２】
パンチの作用説明：
第１パンチ部：
材質：導電性窒化珪素
径：１００  ｍｍ
かさ密度：３．８  ｇ／ｃｍ3
引張り強度：１５０  ＭＰａ
【００３３】
第２パンチ部：
材質：黒鉛
径：１００  ｍｍ
かさ密度：１．７７  ｇ／ｃｍ3
引張り強度：７８  ＭＰａ
【００３４】
第３パンチ部：
材質：炭素繊維強化炭素
径：１００  ｍｍ
かさ密度：１．６  ｇ／ｃｍ3
引張り強度：２９０  ＭＰａ
【００３５】
第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌは窒化珪素であり、焼結粉末３１とは反応しない。そして、導電性に富むので、焼結粉末３１内での粉末間放電を促す作用を発揮する。第２パンチ部２２Ｕ，２２Ｌは焼結粉末３１とは接触しないので安価な黒鉛を採用した。第３パンチ部２３Ｕ，２３Ｌは繰り返し使用が可能なように炭素繊維強化炭素を使用した。
第３パンチ部２３Ｕ，２３Ｌ、第２パンチ部２２Ｕ，２２Ｌともに導電性部材であるから、第１パンチ２１Ｕ，２１Ｌへの給電を妨げない。
【００３６】
そして、第３パンチ部２３Ｕ，２３Ｌは極めて高価な炭素繊維強化炭素を採用し、第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌがやや高価な窒化珪素を採用したが、第２パンチ部２２Ｕ，２２Ｌは安価な黒鉛を採用したので、上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌはトータルとしてはコスト低減を図ることができる。
【００３７】
ダイスの作用説明：
内筒：
材質：黒鉛
外径：１００  ｍｍ
かさ密度：１．７７  ｇ／ｃｍ3
引張り強度：７８  ＭＰａ
線熱膨張係数：４．５×１０-6  Ｋ-1
【００３８】
中間筒：
材質：窒化珪素
内径：１００  ｍｍ
外径：１２８  ｍｍ
かさ密度：３．８  ｇ／ｃｍ3
引張り強度：１５０  ＭＰａ
線熱膨張係数：１０．５×１０-6  Ｋ-1
【００３９】
外筒：
材質：炭素繊維強化炭素
内径：１３０  ｍｍ
かさ密度：１．６  ｇ／ｃｍ3
引張り強度：２９０  ＭＰａ
線熱膨張係数：１．０×１０-6  Ｋ-1
【００４０】
例えば超硬合金を焼結するときの温度は、約１３２０℃に到達する。この温度で約１０分保持して、焼結を行う。
熱膨張を考えたとき、外筒に対して中間筒は約１０倍内径及び外径が拡大する可能性がある。また、中間筒に対して内筒は約１／２倍外径が拡大する。
【００４１】
径Ｄ、周長さＤ・π、線熱膨張係数ζのリングを、始めの温度Ｔ１、終りの温度Ｔ２（ただしＴ１＜Ｔ２）で膨張させると、周長さはＤ・π×ζ×（Ｔ１−Ｔ２）だけ増加し、Ｄ・π＋Ｄ・π×ζ×（Ｔ１−Ｔ２）となる。これを径に換算する（πで割る）と、膨張後の径は、Ｄ＋Ｄ×ζ×（Ｔ１−Ｔ２）＝Ｄ（１＋ζ×（Ｔ１−Ｔ２））となる。
【００４２】
室温２０℃、焼結温度１３２０℃と仮定すると、温度差は１３００℃（＝１３００Ｋ）となる。
外筒の内径は、内径×（１＋線熱膨張係数×温度差）＝１３０×（１＋１．０×１０-6×１３００）＝１３１．７ｍｍになる。
中間筒の外径は、無拘束状態であれば、外径×（１＋線熱膨張係数×温度差）＝１２８×（１＋１０．５×１０-6×１３００）＝１４５．５ｍｍになるはずである。
【００４３】
しかし、中間筒（引張り強度：１５０  ＭＰａ）は、これより大幅に強度の大きな外筒（引張り強度：２９０  ＭＰａ）に拘束されるため十分には膨張し得ない。
外筒が中間筒で押されて内径は、（１３３．７＋α）ｍｍになるとすれば、中間筒の外径は次の様に増径すると推定できる。
中間筒（外径）は、室温で１２８ｍｍであったものが、通電後に（３．７＋α）ｍｍ増径して（１３１．７＋α）ｍｍになる。すなわち、拘束されるため１４５．５ｍｍにはなり得ない。
【００４４】
この拘束効果で、中間筒の内径は、ほぼ（３．７＋α）ｍｍ増径して（１０３．７＋α）ｍｍになる。
内筒の外径は、無拘束状態であれば、外径×（１＋線熱膨張係数×温度差）＝１００×（１＋４．５×１０-6×１３００）＝１０５．９ｍｍになる。
【００４５】
前記αが２ｍｍ程度であれば、加熱後の内筒の外径（１０５．９ｍｍ）と中間筒の内径（１０３．７＋２＝１０５．２ｍｍ）はよく近似する。
内筒の外径が若干勝るので、しまり嵌めとなるが、内筒に過大な熱応力を発生する心配はない。
一方、中間筒は外筒で伸びを拘束されるため熱応力は発生する。しかし、上述した通りに無拘束膨張量の１／４〜１／２に相当する量を膨張させた後に拘束したので、熱応力は十分に下げることができる。熱応力を下げることにより、外筒並びに中間筒の寿命を大幅に延ばすことができ、繰り返し使用回数を大幅に増加させることができる。
【００４６】
この様に本実施例は、中間筒（セラミックス製筒）と外筒（炭素繊維強化炭素製筒）との間に熱膨張を緩和するために所定の隙間を設けたことを特徴とし、これにより、中間筒並びに外筒の傷みを抑えるようにしたものである。
隙間（図１の符号３５）は、上記実施例では（１３０−１２８）／２＝１で求められる１ｍｍであった。この隙間は大きいほど熱応力を下げ中間筒並びに外筒の傷みを抑えることができる。しかし、内筒への拘束作用（バックアップ作用）が弱まる若しくは無くなるので過大な隙間は好ましくない。
また、隙間は、小さいほど中間筒並びに外筒の寿命が短くなる。
そこで、内筒への適度な拘束作用を発揮させつつ、中間筒並びに外筒の寿命を確保できる様な隙間を、構成要素の線熱膨張係数や焼結温度を考慮して、決定すればよい。
【００４７】
内筒は原則として１焼結工程毎に新品と交換する。内筒は黒鉛製であるから、加工が容易であり、原料が容易に入手できるので、安価である。
これに対して、外筒は炭素繊維強化炭素製であるため、極めて高価であり、中間筒も窒化珪素製やジルコニア製であるため高価なものであり、いずれも寿命がくるまでは再使用する。
【００４８】
以上に述べた通り、図１に示した第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌ、第２パンチ部２２Ｕ，２２Ｌ及び第３パンチ部２３Ｕ，２３Ｌからなる上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌと、内筒３２、中間筒３３及び外筒３４とらなるダイス３０を組み合わせた通電焼結装置１０において、第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌの両方若しくは少なくとも一方を導電性セラミックスとし、中間筒３３をセラミックスにすることにより、粉末間放電による良質な焼結品が得られるとともに、くり返し使用による型費用の低減とが図れる。
【００４９】
上下パンチ２０Ｕ，２０Ｌとダイス３０を組み合わせた通電焼結装置１０で焼結粉末を処理するとき、黒鉛製の内筒３２は１焼結工程毎に新品と交換する必要があるため、第１パンチ部を黒鉛から導電性セラミックスに切替えた意味が無くなるように思われるが、その心配はない。図１で説明した通りに内筒３２はごく単純な円筒スリーブであり、製造コストは低い。一方、第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌは型彫りパンチであり、製造コストは高い。高コストの第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌを繰り返し使用できるようにし、低コストの内筒３２を消耗品とすれば、トータルとしての製造コストを下げることができる。従って、黒鉛製の内筒３２に非黒鉛製の第１パンチ部２１Ｕ，２１Ｌを組み合わせることは、十分に意味のあることであると言える。
【００５０】
尚、請求項１に記載した第１パンチ部は、導電性セラミックスと同質の材料であれば、種類を格別に限定するものではない。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、第１〜第３パンチ部を全て導電材料で構成したので、通電焼結特有の粉末間放電を発生させることができ、短い焼結時間で良質の焼結品を得ることができる。
そして、焼結粉末に接する第１パンチ部は焼結粉末とは反応しないので、反応による消耗を心配する必要はなく、パンチの寿命を十分に延ばすことができる。
【００５２】
請求項２では、高強度部材は導電性セラミックスで構成したことを特徴とし、第１パンチ部導電性セラミックスとすることにより、次の作用及び効果を発揮させることができる。
先ず、セラミックスは焼結粉末と反応する心配がない。
通常の絶縁性セラミックスでは電流が遮断されるが、本発明では第１パンチ部を導電性セラミックスにしたので電流が遮断されることが無く、粉末間放電を促すことができる。
また、導電性セラミックスは製作の際に放電加工が可能であり、製作コストが大幅に削減でき、かつ形状の自由度も大きくなり、複雑な形状の部品にも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る通電焼結装置の原理図
【符号の説明】
１０…通電焼結装置、２０Ｌ…下パンチ、２０Ｕ…上パンチ、２１Ｕ，２１Ｌ…第１パンチ部、２２Ｕ，２２Ｌ…第２パンチ部、２３Ｕ，２３Ｌ…第３パンチ部、３０…通電焼結加工用ダイス、３１…焼結粉末、３２…内筒、３３…中間筒、３４…外筒、３５…隙間。
【図１】
0004365975.tif 000002