(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結型の焼結空間に充填された原料粉末を一対のパンチよりなる電極で加圧し通電して焼結する焼結装置であって、
前記電極と原料粉末の間には通電により発熱する発熱体が設けられており、前記焼結型は通電により発熱する導電体で構成されており、
さらに、前記焼結型の周囲にはヒータが設けられており、
前記ヒータに投入されるエネルギ量を前記通電により加熱される電極、発熱体および焼結型に投入されるエネルギ量よりも大きくし、焼結型の温度より原料粉末の温度が低くなるように加熱する、
ことを特徴とする焼結装置。
【請求項２】
加熱開始から焼結型の外面温度Ｔａが所定温度となるまでの期間を昇温加熱期間とし、前記焼結型の外面温度Ｔａを前記所定温度に保持する期間を定常加熱期間とした場合、
昇温加熱期間では、前記発熱体と前記焼結型に通電して加熱する通電過熱と、ヒータによる間接加熱を併用し、
定常加熱期間では、間接加熱のみを行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の焼結装置。
【請求項３】
前記発熱体の発熱量は前記電極の発熱量より大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の焼結装置。
【請求項４】
前記焼結型は前記発熱体を経由して電極より通電されることを特徴とする請求項１又は２記載の焼結装置。
【請求項５】
前記焼結型は前記発熱体を経由して電極より通電され、さらに電極からも直接に通電されていることを特徴とする請求項１又は２記載の焼結装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結型に充填したセラミックスや導電性の原料粉末を焼結する焼結装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスや金属、炭化物、窒化物などの導電性物体の原料粉末を、焼結型に充填して加熱し一対のパンチで加圧して焼結体の製造が行われる。この焼結体を製造する焼結装置は加熱方式によりいくつかの方式に分類される。ヒータによる間接加熱方式は焼結型の周囲に抵抗加熱ヒータなどのヒータを配置し焼結型を表面から加熱し、この中の原料粉末を間接的に加熱する。本方式はセラミックスと導電性物質の両方の焼結に適用でき広く用いられている。
【０００３】
誘導加熱方式は、焼結型を電磁誘導により直接加熱する加熱方式である。従って、抵抗加熱方式に比較し、焼結体の加熱速度が速い。通電方式は一対のパンチを電極とし直流、または直流とパルス電流を原料粉末に通電し、原料粉末の抵抗熱で加熱する。通電方式については、特開昭６４−５５３０３，特開平５−７０８０４，特開平５−１１７７０７に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ヒータ等の間接加熱方式では、焼結型へのエネルギ伝達は主としてヒータ表面温度とヒータを囲む断熱囲壁の内壁温度できまる。ヒータ材および断熱囲壁材の耐熱性には限界があるため、エネルギ伝達には限界があり、ある限度以上に加熱時間は短縮できない。近年の焼結体大型化に伴い焼結型やパンチなどの被加熱物も大型化している。間接加熱方式の場合、上記の理由によりエネルギ伝達には限界があるため、被加熱物の大型化は加熱時間の増大を招いている。誘導加熱方式は高周波電力発生装置が必要であり、電源設備に費用がかかり経済性に問題がある。
【０００５】
通電方式は原料粉末を直接加熱するため加熱時間は短いが、原料粉末の種類により加熱条件が異なり、操業が難しい。また温度は原料粉末の中心温度が最も高くなる傾向にあり、焼結体温度制御が難しい。なお、間接加熱では焼結型表面が最も温度が高く、原料粉末が最も低い状況とまったく逆になっている。通電方式の場合、原料粉末中心に温度センサを設置すれば焼結体の温度制御も容易となるが、高温高圧下であるためこれに耐えるセンサはない。従って、一般的には、焼結型外表面、または焼結型内面を熱電対、放射温度計などのセンサにより計測することになる。温度制御は、原料粉末の最高温度を制御する必要がある。
【０００６】
間接加熱による原料粉末の温度制御は焼結型に設けられたセンサの温度により行えばよく容易であるが、通電方式では焼結型に設けられたセンサの温度が原料粉末の温度より低いため、センサの温度は原料粉末の推定温度となる。従って直接温度制御には使用できず、計算などによる補償が必要になるが厳密な補償は一般に困難である。また原料粉末の大型化に伴い、センサ温度と粉末中心温度の温度差は拡大する。従って装置の大型化は通電方式の場合特に困難であった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、セラミックスと導電性物質の両方の焼結ができ、大型化にも対応できる焼結装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、焼結型の焼結空間に充填された原料粉末を一対のパンチよりなる電極で加圧し通電して焼結する焼結装置であって、前記電極と原料粉末の間には通電により発熱する発熱体が設けられており、前記焼結型は通電により発熱する導電体で構成されており、さらに、前記焼結型の周囲にはヒータが設けられており、前記ヒータに投入されるエネルギ量を前記通電により加熱される電極、発熱体および焼結型に投入されるエネルギ量よりも大きくし、焼結型の温度より原料粉末の温度が低くなるように加熱する。
【０００９】
発熱体および焼結型に通電して各自の有する電気抵抗により発熱して原料粉末を加熱する。これにより原料粉末がセラミックスまたは導電性物質のいずれであっても焼結することができる。また原料粉末が導電性物質の場合は、この原料粉末にも通電され自己の有する電気抵抗によって発熱するので加熱能力が向上する。
原料粉末の温度設定、温度分布は焼結の重要な要因の１つである。特に温度条件の厳しい焼結体の処理、大型焼結体の処理などは、発熱体や焼結型に通電して加熱する通電方式では、焼結体の充分な温度制御ができない。ヒータによる間接加熱方式を採用することにより、焼結体の温度制御精度を高めることができる。
焼結型の周囲にヒータを設け焼結型の外面に温度センサを設けて温度を制御しながら加熱するとともに電極、発熱体および焼結型に通電して加熱する。ヒータに投入するエネルギ量を通電によるエネルギ量より大きくし原料粉末の温度が焼結型の温度より低くなるようなエネルギ比率とする。これによりヒータによる間接加熱方式と同程度の温度制御特性を保ちながら、放出される熱を通電により補償することにより、焼結体加熱を短時間で行うことを可能にする。
【００１０】
請求項２の発明では、加熱開始から焼結型の外面温度Ｔａが所定温度となるまでの期間を昇温加熱期間とし、前記焼結型の外面温度Ｔａを前記所定温度に保持する期間を定常加熱期間とした場合、昇温加熱期間では、前記発熱体と前記焼結型に通電して加熱する通電過熱と、ヒータによる間接加熱を併用し、定常加熱期間では、間接加熱のみを行う。
定常加熱期間では間接加熱のみ行われるので、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃの関係が保たれ、焼結型１の外面に取付けられた温度センサ１１により温度Ｔａを制御することにより原料粉末３の表面温度Ｔｂ，中心温度ＴｃをＴａより低い温度に確実に制御することができる。
【００１１】
請求項３の発明では、前記発熱体の発熱量は前記電極の発熱量より大きくする。
発熱体の発熱量を電極の発熱量より大きくすることにより原料粉末を効果的に加熱することができる。
【００１２】
請求項４の発明では、前記焼結型は前記発熱体を経由して電極より通電される。
【００１３】
一方の電極より流れる電流は、先ず一方の発熱体を通りこの発熱体を発熱させ、次に焼結型を通ってこれを発熱させる。ついで他方の発熱体を発熱させた後、他方の電極へ戻る。これにより発熱体の電気抵抗が焼結型の電気抵抗より大きくても発熱体に電流は確実に流れこれを発熱させる。
【００１４】
請求項５の発明では、前記焼結型は前記発熱体を経由して電極より通電され、さらに電極から直接にも通電されている。
【００１５】
発熱体と焼結型の電気抵抗をそれぞれ適切な値に設定することにより、それぞれの発生する発熱量を設定することができる。焼結型には電極と発熱体の両方から電流が流れるようにすることにより、その発熱量の設定の自由度を大きくすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態の焼結装置の構成図である。焼結型１は中空円筒状でグラファイトで構成されており、内部中央が原料粉末３を充填する焼結空間２となっている。この焼結型１の内部上下には、中実円筒状でグラファイトで構成された発熱体４ａ，４ｂが摺動自在に嵌合している。発熱体４ａ，４ｂの上下には電極５ａ，５ｂが設けられている。電極５ａ，５ｂは発熱体４ａ，４ｂを押圧するパンチを構成するとともに発熱体４ａ，４ｂに通電する。焼結型１の周囲には抵抗ヒータ６ａ，６ｂが設けられ、焼結型１を加熱する。焼結型１，発熱体４ａ，４ｂ，電極５ａ，５ｂの発熱体４側，抵抗ヒータ６ａ，６ｂは断熱囲壁７により囲まれ断熱性を保持している。
【００２１】
電極５ａ，５ｂの上下端には図示しない油圧装置が接続され発熱体４ａ，４ｂを加圧するようになっている。電源８は５０または６０Ｈｚなどの商用電源を用いる。電源８よりの電力をサイリスタ９で制御し、トランス１０で降圧した後、電極５ａ，５ｂおよび抵抗ヒータ６ａ，６ｂに通電する。焼結型１の内面または外面には温度センサ１１が設けられており、焼結体の温度を計測する。制御部１２はこの温度センサ１１の計測値に基づきサイリスタ９を制御して電流を制御する。上記の説明は上下両方の電極５ａ，５ｂと発熱体４ａ，４ｂとを油圧装置で上下から加圧するとしたが、上下いずれかの電極５と発熱体４のみを加圧し、他方は固定するようにしてもよい。なおこの方式は以下に述べる実施形態にも適用できる。
【００２２】
図２は図１のＸ−Ｘ断面図である。ヒータ６は焼結型１の周囲に一定間隔で同心状に配置されている。ヒータ６は図で右側のヒータ６ａと左側のヒータ６ｂとにわけて通電され制御されている。なお、以降に示す実施形態の断面図も同様な構成となっている。
【００２３】
発熱体４ａ，４ｂと焼結型１の電気抵抗はそれぞれに発生させる発熱量を考慮して設定される。発熱体４ａ，４ｂと電極５ａ，５ｂとの接合部は原料粉末３を加圧した状態で焼結型１の外側になるような構成となっており、電流は発熱体４ａ，４ｂを経由して焼結型１に流れる。これにより発熱体４ａ，４ｂの電気抵抗を焼結型１のものより大きくしても、電流は確実に発熱体４ａ，４ｂを通過してこれを発熱させる。原料粉末３がセラミックスの場合は加熱は発熱体４ａ，４ｂ、焼結型１および必要に応じて抵抗ヒータ６ａ，６ｂにより行われる。電極５ａ，５ｂと抵抗ヒータ６ａ，６ｂへの電流の制御はサイリスタ９によって行われる。なお、抵抗ヒータ６ａ，６ｂの加熱制御は、抵抗ヒータ６ａ，６ｂを一本づつまたは複数のクループに分け、オン、オフするようにしてもよい。原料粉末３が金属、炭化物、窒化物などの導電性物質である場合は、原料粉末３にも通電され、その抵抗により発熱する。これにより加熱能力が増大する。
【００２４】
次にヒータ６（６は６ａ，６ｂを表す。他の符号についても同様とする）による間接加熱と発熱体４，電極５，焼結型１による通電加熱とに供給する電力の割合についてその一例を説明する。図３はヒータ６による間接加熱の場合の温度分布と、温度と供給電力との関係を示す。（Ａ）は原料粉末３の上下方向の中心を通る直線Ｐ上の温度分布を示す。ａ点は焼結型１の外面で温度センサ１１が設けられている位置であり、ｂ点は原料粉末３の表面、ｃ点は原料粉末３の中心である。温度分布はａ点より中心に行くに従い低くなっており、ｃ点で最低となっている。（Ｂ）はａ，ｂ，ｃ点の温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃの時間経過を示し、（Ｃ）はこのときの電力供給値の時間経過を示す。ＴａがＭになるまでは電力Ｐ１が供給され、以降はＭを維持する電力Ｐ０が供給される。ＴａがＭになるまでの期間を昇温加熱期間、Ｔａを温度Ｍに保持する期間を定常加熱期間とする。（Ｂ）において温度が飽和するｆ点以降では、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃの関係が成立している。
【００２５】
図４は通電加熱の場合の温度分布と、温度と供給電力との関係を示す。（Ａ）は原料粉末３の上下方向の中心を通る直線Ｐ上の温度分布を示す。ａ点は焼結型１の外面で温度センサ１１が設けられている位置であり、ｂ点は原料粉末３の表面、ｃ点は原料粉末３の中心である。温度分布はａ点より中心に行くに従い高くなっており、ｃ点で最高となっている。（Ｂ）はａ，ｂ，ｃ，の温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃの時間経過を示し、（Ｃ）はこのときの電力供給値の時間経過を示す。Ｔａが温度Ｎになるまでは電力Ｑ１が供給され、以降はＮを維持する電力Ｑ０が供給される。なお、（Ｂ）において、原料粉末３の種類、焼結型１のサイズなどによって、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃの関係が変わり、間接加熱のように一定の関係とはならない。
【００２６】
図３、図４で示した間接加熱と通電加熱の特性を考慮して、両加熱方式を併用する場合の電力供給の割合の一例を説明する。図５はヒータ６による間接加熱を示す。図５は図３に示した内容と同様であり、本図では（Ｃ）の定常加熱期間の電極５と加熱体４からの熱損失を説明する。
Ｐ０≒Ｌｗ＋Ｌｒ  …（１）
Ｐ０：定常熱損失
Ｌｗ：焼結型１からの熱損失
Ｌｒ：加熱体４と電極５からの熱損失
【００２７】
焼結型１の外面温度ＴａをＭに保持するためには電力Ｐ０を供給しなければならない。このＰ０は定常熱損失と言われ、焼結型１から失われる損失Ｌｗと、加熱体４と電極５から失われる損失Ｌｒとから構成される。この損失Ｌｒを計測する。計測方法としては、例えば、焼結型１を断熱的に遮蔽した状態でＴａをＭに維持するように加熱したときの電力Ｐ０１を求めれば、このＰ０１が損失Ｌｒを表す。
【００２８】
図６は間接加熱と通電加熱との供給電力の比率を説明する図である。加熱は次のように行う。
▲１▼  昇温加熱期間：通電電力（焼結型１，発熱体４，電極５に供給される電力）を図５において計測した発熱体４と電極５からの損失Ｌｒの電力とする。間接加熱のヒータ６への電力は、通電電力が供給されている状態で、Ｔａが所定の昇温加熱期間Ｔで所定の温度Ｍになる電力とする。
▲２▼  定常加熱期間：通電電力は零とし、定常損失電力Ｐ０はすべてヒータ６の間接加熱電力とする。
【００２９】
以上の供給電力の配分により、昇温加熱時、間接加熱は通電加熱と同時に行われるので、間接加熱単独の場合と同じ電力の場合でも昇温加熱期間Ｔは短縮される。また定常加熱期間では間接加熱のみ行われるので、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃの関係が保たれ、焼結型１の外面に取付けられた温度センサ１１により温度Ｔａを制御することにより原料粉末３の表面温度Ｔｂ，中心温度ＴｃをＴａより低い温度に確実に制御することができる。
【００３０】
図６（Ａ），（Ｂ）は以上のことを示しており、昇温加熱期間Ｔでは（Ｂ）の斜線部で示す通電電力が間接加熱電力に加算されるので、昇温加熱期間Ｔがヒータ６による間接加熱単独の場合と同じであれば、間接加熱電力は少なくなり、間接加熱電力を同じとすれば、昇温加熱期間Ｔは短縮される。また定常加熱期間は間接加熱のみ行われる。なお、通電加熱電力とヒータ６による間接加熱電力の比率は以降に述べる実施形態にも適用できる。
【００３１】
次に第２実施形態を説明する。図７は第２実施形態の構成を示す。図７において使用される符号で図１と同一のものは、同一の機能を有する部材や機器を表す。第２実施形態は電極５ａ，５ｂと発熱体４ａ，４ｂの電流通過断面積を発熱体４ａ，４ｂの方が小さくなるようにして電気抵抗を大きくし、発熱するようにしたものであり、他は第１実施形態と同じである。電極５ａ，５ｂと発熱体４ａ，４ｂをグラファイトで構成し、電極５ａ，５ｂの形状を発熱体４ａ，４ｂより大きくして電気抵抗を少くし、発熱体４ａ，４ｂの形状を小さくして電気抵抗を大きくし発熱が大きくなるようにする。なお電極５ａ，５ｂと発熱体４ａ，４ｂの材質は同一としてもよいが、発熱体４ａ，４ｂの材質を電極５ａ，５ｂよりも抵抗値の大きなものとすると発熱体４ａ，４ｂの発熱量を多くすることができる。
【００３２】
図８は第３実施形態を示す。本実施形態は図７に示す第２実施形態の変形例である。第２実施形態は電極５ａ，５ｂの直径を発熱体４ａ，４ｂの直径より大きくし、発熱体４ａ，４ｂとの接合部で絞って発熱体４ａ，４ｂの直径と同じくしたが、本実施形態は電極５ａ，５ｂは絞らず、加熱体４ａ，４ｂの電極５ａ，５ｂとの接合部を拡張したものである。このようにすると電極５ａ，５ｂの直径が同一であれば図１に示す第１実施形態の装置と互換性を持たせることができる。また電極５ａ，５ｂと加熱体４ａ，４ｂとの接触面積が大きくなるのでこの部分の接触抵抗が減少し無駄な発熱を減少し、かつ接触面の経時劣化を抑える効果がある。
【００３３】
次に第４実施形態を説明する。図９は第４実施形態の構成を示す。図９において使用される符号で図１と同一のものは、同一の機能を有する部材や機器を表す。第４実施形態は焼結型１への通電を、発熱体４の経由に加え、電極５ａ，５ｂからも直接行なうようにしたもので、他は第１実施形態と同じである。焼結型１と発熱体４ａ，４ｂの抵抗値を適切な値に設定して発熱量を設定する。発熱体４ａ，４ｂの電気抵抗値を大きくして発熱量を大きくし、第１実施形態のように発熱体４ａ，４ｂを経由して焼結型１へ通電すると、焼結型１への電流が少くなりこの発熱量が少くなるが、バイパスを設け、電極５ａ，５ｂから電流の一部を流すことにより焼結型１の発熱量を適切な値とすることができる。
【００３４】
上述した実施形態では、抵抗ヒータ６ａ，６ｂを設けたが、焼結体が大型でなかったり、焼結時間の短縮が要求されないような場合や正確な温度制御が要求されない場合は、設けなくてもよい。発熱体４ａ，４ｂと焼結型１の発熱、また原料粉末が導電性物質の場合は自身の抵抗発熱により焼結可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、焼結型と発熱体に通電して加熱する通電加熱方式により、セラミックスまたは導電性物質のいずれでも焼結することができる。導電性物質の場合はこれに通電することにより発熱能力が増大する。さらにヒータによる間接加熱方式を併用することにより、通電加熱方式による装置大型化の障害となっていた、温度制御精度を間接加熱方式と同程度に確保でき、装置の大型化が可能になる。また、通電加熱方式の併用により原料粉末の加熱効率が向上し、通電加熱方式の装置大型化の課題であった加熱時間の増加を抑制することが可能となり、結果として供給エネルギも抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】ヒータによる間接加熱を示し、（Ａ）は温度分布、（Ｂ）は温度変化曲線、（Ｃ）は供給電力を示す。
【図４】通電加熱を示し、（Ａ）は温度分布、（Ｂ）は温度変化曲線、（Ｃ）は供給電力を示す。
【図５】ヒータによる間接加熱を示し、（Ａ）は温度分布、（Ｂ）は温度変化曲線、（Ｃ）は供給電力を示す。
【図６】間接加熱と通電加熱の併用方式の一例を示す。
【図７】本発明の第２実施形態の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態の構成を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  焼結型
２  焼結空間
３  原料粉末
４  発熱体
５  電極
６  抵抗ヒータ
７  断熱囲壁
８  電源
９  サイリスタ
１０  トランス
１１  温度センサ
１２  制御部
【図１】
0003781072.tif 000002
【図２】
0003781072.tif 000003
【図３】
0003781072.tif 000004
【図４】
0003781072.tif 000005
【図５】
0003781072.tif 000006
【図６】
0003781072.tif 000007
【図７】
0003781072.tif 000008
【図８】
0003781072.tif 000009
【図９】
0003781072.tif 000010