JP4217852B2 - 焼結成形品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は焼結成形品の製造方法及び成形型の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼結成形品の製造方法として、例えば▲１▼特開平３−５６６０４号公報「放電焼結方法及び装置」や▲２▼特開昭６４−５５３０３号公報「焼結方法」が知られている。
上記▲１▼に示される放電焼結方法は、圧縮圧力を５ｔ／ｃｍ²から２０ｔ／ｃｍ²の範囲で通電前に圧縮する工程と、圧縮した材料に加圧下でパルス状電流を通電すると共にそのピーク電流とパルス幅とを制御して材料温度を制御しつつ焼結する工程とからなるものである。
上記▲２▼に示される焼結方法は、離接可能に対抗配置した電極間に焼結材料を介在させ、この材料を加圧しながら電気抵抗加熱によって焼結をさせるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記▲１▼では、圧縮する工程と通電する工程とが別工程で行なうため焼結の時間が長くなる。
また、上記▲２▼では、加圧しながら電気抵抗加熱を加えるだけなので、導電性が高い焼結材料では短時間で粒子自体を加熱することができず、緻密な焼結成形品を作ることができない。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、短時間で緻密な成形を得ることのできる焼結方法を提供することにある。
【０００５】
【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、粉末材料を所定の割合で混合する混合工程と、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して緻密な圧粉成形体を得る焼結前処理工程と、得られた圧粉成形体を型とは別の焼結炉で焼結処理する焼結工程とからなる焼結成形品の製造方法において、焼結前処理工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧するとともに、焼結前処理工程における通電は、加圧開始と同時に最大設定電流値を給電することを特徴とする。
【０００６】
粉末材料を所定の割合で混合し、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して緻密な圧粉成形体を作り、得られた圧粉成形体を型とは別の焼結炉で焼結処理し、高密度で高強度の焼結成形品を得るようにする。
焼結前処理工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧し、粉末材料の粒子を効果的に移動させ、圧粉成形体を緻密なものにする。
焼結前処理工程における通電は、加圧開始と同時に最大設定電流値を給電し、焼結前処理工程の作業時間の短縮を図る。
【０００７】
請求項２は、粉末材料を所定の割合で混合する混合工程と、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して焼結成形品を得る焼結工程とからなる焼結成形品の製造方法において、焼結工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧するとともに、焼結理工程における通電は、加圧開始と同時に最大設定電流値を給電することを特徴とする。
【０００８】
粉末材料を所定の割合で混合し、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して緻密な焼結成形品を得るようにする。
焼結工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧するようにし、粉末材料の粒子を効果的に移動させ、焼結成形体を緻密なものにする。
焼結工程における通電は、加圧開始と同時に最大設定電流値を給電し、焼結に要する作業時間の短縮を図る。
【００１１】
【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。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る焼結成形品の製造装置のレイアウト図であり、焼結成形品の製造装置１０は、粉末材料を所定の割合で混合する混合機２０と、混合した粉末材料を型に入れプレスするプレス機及びこのときに前記型に通電する給電設備とからなる焼結前処理装置３０と、得られた圧粉成形体を前記型とは別の場所で焼結処理する焼結炉５０と、得られた焼結成形品を所定の形状に、サイズに整えるサイジングプレス６０とからなる。
本発明は、焼結炉５０の前設備である焼結前処理装置３０で成形のみならず通電することで圧粉成形体をより緻密にすることを特徴とする。そのための焼結前処理装置３０の構成を次に詳しく説明する。
【００１２】
図２は本発明に係る焼結前処理装置の原理図であり、焼結前処理装置３０は、下パンチ３１、ダイ３２及び上パンチ３３からなる型３５と、スタンド３６にベース３７及び、上ラム３８を昇降させるシリンダ３９を備えたプレス機４０と、下パンチ３１並びに上パンチ３３に給電する給電設備４２とからなる。なお、ダイ３２は電気的絶縁材であって、セラミック（Ｓｉ₃Ｎ₄）が好適である。３４，３４は電気的絶縁層、４３ａは下パンチ取付けプレート、４３ｂは上パンチ取付けプレートである。上下パンチ３３，３１の材質は超硬が好適であり、下パンチ３１、粉末材料Ｗ、上パンチ３３のルートが通電路となる。
【００１３】
また、プレス機４０は油圧発生ユニット４４でシリンダ３９を作動させる油圧式プレスマシンとしたが、図１に略図化しものはメカニカルプレスと称する機械式プレスマシンであり、プレス機４０は格別に形式、構造を規定するものではない。また、下パンチ３１を上パンチ３３と同様に昇降させるものであってもよい。
なお、４１はダイ３２を弾性的に支えるスプリングであり、圧粉体の収縮とともにダイ３２を下降可能とするものである。しかし、ダイ３２は別の手段でスタンド３６側に支持させることは差支えない。
【００１４】
以上の構成からなる製造装置１０を用いて実施する焼結成形品の製造方法を次に説明する。
図３は本発明に係る焼結成形品の第１実施例の製造フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：先ず、複数種の粉末材料を配合し、十分に混合する。このときに、潤滑材を混合することは差支えないが、その量は少ない方（好ましくはゼロ）が良い。潤滑材が絶縁材となって、粉末材料間で発生する放電現象の妨げになるからである。
ＳＴ０２：混合した粉末材料を型に入れる。
ＳＴ０３：プレス機で粉末材料を圧縮する。同時に、通電して粉末材料間で放電させる。
ＳＴ０４：得られた圧粉成形体を型から外す。
ＳＴ０５：この圧粉成形体を焼結炉で焼結処理する。
ＳＴ０６：焼結成形品を所望の形状、サイズに整える。
即ち、ＳＴ０１が混合工程、ＳＴ０２〜０４が焼結前処理工程、ＳＴ０５が焼結工程になる。
【００１５】
図４は本発明に係る焼結成形品の焼結前処理工程における圧力及び通電を示すグラフであり、横軸は時間（秒）、縦軸は電流（Ａ）及び圧力（ｔ／ｃｍ²）としたものであり、すなわち、図３のステップ番ＳＴ０３における圧力及び通電のタイミングを示す。なお、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）は実施例を示し、（ｃ）は別実施例を示す。
共通条件
粉末材料：金属粉末（鉄粉97.9％、銅粉1.5％、炭素粉0.6％の混合物）但し、％は重量％である。
ダイ ：セラミック（Ｓｉ₃Ｎ₄）
パンチ ：超硬
最大設定圧力 ：５ｔ／ｃｍ²
最大設定電流値：８０００Ａ
【００１６】
（ａ）において、焼結前処理工程における圧力を、加圧開始から一定時間かけては最大設定圧力まで徐々に増圧し、焼結前処理工程における通電を、圧力が最大設定圧力に到達後、最大設定電流値まで徐々に立上げたものであり、焼結前処理工程に６０秒をかけて密度７．６ｇ／ｃｍ³の圧粉成形体を得たものである。
【００１７】
（ｂ）において、焼結前処理工程における圧力を、加圧開始から一定時間までは最大設定圧力近傍まで急激に増圧し、その後最大設定圧力まで増圧し、焼結前処理工程における通電を、加圧開始と同時に最大設定電流値まで瞬時に立上げたものであり、焼結前処理工程に１０秒をかけて密度７．６ｇ／ｃｍ³の圧粉成形体を得たものである。
（ｃ）においては、通電中に（ｂ）よりも初期圧力を最大設定圧力（５ｔ／ｃｍ²）近傍まで急激に増加させたので、成形時間を更に短縮させることができる。
【００１８】
詳細には、加圧は成形開始と同時に１〜２ｔ／ｃｍ²の初期加圧力を付加する。これは大電流を流すときに、粉末材料をある程度の固さに固め、図２に示す下パンチ３１と下パンチ取付けプレート４３ａとの間、又は上パンチ３３と上パンチ取付けプレート４３ｂとの間で放電が発生し、下パンチ３１と下パンチ取付けプレート４３ａとの間、又は上パンチ３３と上パンチ取付けプレート４３ｂとが接合することを防止するための処置である。その後、最大設定圧力まで増圧する。これは加圧力を増圧することで、粉末材料の移動と放電現象との相互作用が働き、圧粉成形体の緻密化効果が高まると考えられるからである。また、通電は成形開始と同時に最大設定電流値まで瞬時に立上げ、短時間に最大限のエネルギーを付与し、成形終了と同時に止めるようにしたものであり、成形時間の短縮を図かるための処置である。
【００１９】
すなわち、（ｂ）に示す実施例は、（ａ）に示す比較例に比べ大幅に焼結前処理工程の作業時間を短縮したものであり、焼結前処理工程における通電を、加圧開始と同時に最大設定電流値まで瞬時に立上げたので、焼結前処理工程の作業時間の短縮を図ることができた。
【００２０】
図５は本発明に係る焼結成形品の焼結前処理工程における粉末材料の移動の状態を示す模式図であり、焼結前処理工程の作業時間を短縮できた論理的理由を示す。なお、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）は実施例を示す。
（ａ）において、最大設定圧力（５ｔ／ｃｍ²）まで加圧後に通電したのでは粉末材料の粒子自体の移動ができないため、緻密化の効果が小さいと考察する。（ｂ）において、通電中に初期加圧力（１〜２ｔ／ｃｍ²）から最大設定圧力（５ｔ／ｃｍ²）まで加圧すると粉末材料の粒子自体の移動が伴うため、緻密化の効果が大きいと考察する。すなわち、焼結前処理工程における圧力を、加圧開始から一定時間までは最大設定圧力近傍まで急激に増圧し、その後最大設定圧力まで増圧するようにし、粉末材料の粒子を効果的に移動させたので、圧粉成形体を緻密なものにすることができる。
【００２１】
【実施例】
本発明に係る実験例を次に説明する。
図６は本発明に係る焼結成形品の製造装置のダイとパンチとのクリアランスが圧粉成形体の密度に与える影響を示すグラフであり、横軸はダイとパンチとのクリアランス（μ）、縦軸は圧粉成形体の密度（ｇ／ｃｍ³）を示す。
共通条件：
粉末材料：金属粉末（鉄粉97.9％、銅粉1.5％、炭素粉0.6％の混合物）但し、％は重量％である。
ダイ ：セラミック（Ｓｉ₃Ｎ₄）
パンチ ：超硬
最大設定圧力 ：５ｔ／ｃｍ²
【００２２】
（ａ）において、最大設定電流値が０Ａの場合、すなわち、通電を行なわず加圧のみの場合は、クリアランス５μから６０μの範囲で密度７．０８ｇ／ｃｍ³であり、クリアランスに関わらず一定である。
（ｂ）において、最大設定電流値が２０００Ａ、通電時間が２０秒の場合は、クリアランス５μから１５μの範囲で密度が大きくなる傾向を示し、１５μ以上では密度７．１５ｇ／ｃｍ³であり、クリアランスに関わらず一定である。
（ｃ）において、最大設定電流値が４０００Ａ、通電時間が２０秒の場合は、クリアランス５μから４０μの範囲で密度は一定に増加の傾向を示すとともに、４０μから６０μの範囲で密度は徐々に穏やかになる。
すなわち、最大設定電流値が大きい場合にクリアランスが密度に与える影響が大きいことを示す。
【００２３】
図７は本発明に係る焼結成形品の製造装置のダイの材質を変えたときのダイとパンチとのクリアランスが圧粉成形体の密度に与える影響を示すグラフであり、横軸はダイとパンチとのクリアランス（μ）、縦軸は圧粉成形体の密度（ｇ／ｃｍ³）を示す。なお、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）は実施例を示す。
共通条件：
粉末材料：金属粉末（鉄粉97.9％、銅粉1.5％、炭素粉0.6％の混合物）但し、％は重量％である。
パンチ ：超硬
最大設定圧力 ：５ｔ／ｃｍ²
最大設定電流値：４０００Ａ
通電時間 ：２０秒
（ａ）の条件
ダイ ：超硬
（ｂ）の条件
ダイ ：セラミック（Ｓｉ₃Ｎ₄）
【００２４】
（ａ）において、ダイの材質が超硬の場合は、クリアランス５μから５０μの範囲で圧粉成形体の密度が７．０８ｇ／ｃｍ³から７．１５ｇ／ｃｍ³に上昇する。クリアランスが密度に与える影響は少ない。
（ｂ）において、ダイの材質がセラミックの場合は、図６に示した最大設定電流値が４０００Ａに設定したときと同一曲線であり、クリアランス５μから５０μの範囲で圧粉成形体の密度が７．１０ｇ／ｃｍ³から７．３０ｇ／ｃｍ³に上昇する。
【００２５】
（ａ）及び（ｂ）を比較すると、（ａ）に示す比較例はダイ１０１の材質が超硬であるため、電流は矢印▲１▼，▲１▼の如くダイ１０１に廻り込みが発生する。従って、電流効率が悪く、有効に圧粉成形体に流すことができない。（ｂ）に示す実施例はダイ３２の材質がセラミックであるため、電流は矢印▲２▼，▲２▼の如く上パンチ３３−下パンチ３１間に流れる。従って、電流効率が良く、有効に圧粉成形体に流すことができる。
【００２６】
図８（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る焼結成形品の製造装置の型の変形例の説明図である。なお、図２に示す型３５と同一部品は、同一符号を用い詳細な説明を省略する。
（ａ）において、型７１は、上下パンチ３３，３１及びダイ７２から構成したものであり、ダイ７２は、インナ部材７３にアウタ部材７４を被せたものであり、上下パンチ３３、３１に接するインナ部材７３をセラミックで構成し、アウタ部材７４を超硬で構成したものである。すなわち、インナ部材７３をセラミックで構成し、アウタ部材７４を超硬で構成することで、電流効率を良好に維持すると共にダイ７２を安価に製作することができる。
【００２７】
（ｂ）において、成形型としての型７５は、（ｃ）に示すような圧粉成形体又は焼結成形体としての歯車素材Ｗ１を製造する型であって、上下パンチ３３，３１及びダイ７６から構成したものであり、ダイ７６は、インナ部材７７にアウタ部材７８を絶縁層７９を介して取付けたものであって、矢印▲３▼，▲３▼に示すように、電流の廻り込みを規制するものであり、インナ部材７７及びアウタ部材７８を超硬またはダイス鋼で構成し、ダイ７６の加工性を向上しようとするものである。この結果、複雑な形状の成形型を容易に加工することができる。なお、絶縁層７９にはセラミックなどの絶縁物が好適である。
【００２８】
図９は本発明に係る焼結成形品の第２実施例の製造フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：先ず、複数種の粉末材料を配合し、十分に混合する。このときに、潤滑材を混合することは差支えないが、その量は少ない方（好ましくはゼロ）が良い。潤滑材が絶縁材となって、粉末材料間で発生する放電現象の妨げになるからである。
ＳＴ０２：混合した粉末材料を型に入れる。
ＳＴ０３：プレス機で粉末材料を圧縮する。同時に、通電して粉末材料間で放電させる。すなわち、焼結工程における圧力を、加圧開始から一定時間までは最大設定圧力近傍まで急激に増圧し、その後最大設定圧力まで増圧し、焼結工程における通電を、加圧開始と同時に最大設定電流値まで瞬時に立上げたものである。
ＳＴ０４：得られた焼結成形体を型から外す。
ＳＴ０５：焼結成形品を所望の形状、サイズに整える。
即ち、ＳＴ０１が混合工程、ＳＴ０２〜０４が焼結工程になる。
【００２９】
尚、図３に圧粉成形体を形成し、この圧粉成形体を別の焼結炉で焼結処理する焼結成形品の製造方法を示し、図９に焼結成形体を直接製造する焼結成形品の製造方法を示したが、このときに、図２に示す焼結前処理装置を流用して、これを焼結装置として使用してもよい。
【００３０】
【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は、粉末材料を所定の割合で混合し、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して緻密な圧粉成形体を作り、得られた圧粉成形体を型とは別の焼結炉で焼結処理し、高密度で高強度の焼結成形品を得るようにした。このときに、焼結前処理工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧したので、粉末材料の粒子を効果的に移動させ、圧粉成形体を緻密なものにすることができる。また、焼結前処理工程における通電は、加圧開始と同時に最大設定電流値を給電したので、焼結前処理工程の作業時間の短縮を図ることができる。
【００３１】
請求項２は、粉末材料を所定の割合で混合し、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して緻密な焼結成形品を得るようにした。このときに、焼結工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧したので、粉末材料の粒子を効果的に移動させ、焼結成形体を緻密なものにすることができる。また、焼結工程における通電は、加圧開始と同時に最大設定電流値を給電したので、焼結に要する作業時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る焼結成形品の製造装置のレイアウト図
【図２】本発明に係る焼結前処理装置の原理図
【図３】本発明に係る焼結成形品の第１実施例の製造フロー図
【図４】本発明に係る焼結成形品の焼結前処理工程における圧力及び通電を示すグラフ
【図５】本発明に係る焼結成形品の焼結前処理工程における粉末材料の移動の状態を示す模式図
【図６】本発明に係る焼結成形品の製造装置のパンチとダイとのクリアランスが圧粉成形体の密度に与える影響を示すグラフ
【図７】本発明に係る焼結成形品の製造装置のダイの材質を変えたときのパンチとダイとのクリアランスが圧粉成形体の密度に与える影響を示すグラフ
【図８】本発明に係る焼結成形品の製造装置の型の変形例の説明図
【図９】本発明に係る焼結成形品の第２実施例の製造フロー図
【符号の説明】
１０…焼結金属成形品の製造装置、２０…混合機、３０…焼結前処理装置、３５…型、３１…下パンチ、３５…上パンチ、４０…プレス機、４２…給電設備、５０…焼結炉、７５…成形型（型）、７６…ダイ、７７…インナ部材、７８…アウタ部材、７９…絶縁層、Ｗ…粉末材料。Ｗ１…圧粉成形体又は焼結成形体（歯車素材）

Claims (2)

1. 粉末材料を所定の割合で混合する混合工程と、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して緻密な圧粉成形体を得る焼結前処理工程と、得られた圧粉成形体を前記型とは別の焼結炉で焼結処理する焼結工程とからなる焼結成形品の製造方法において、
   前記焼結前処理工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧するとともに、
   前記焼結前処理工程における通電は、前記加圧開始と同時に最大設定電流値を給電することを特徴とした焼結成形品の製造方法。
2. 粉末材料を所定の割合で混合する混合工程と、混合した粉末材料を型に入れ、圧力を加えつつ通電して焼結させる焼結工程とからなる焼結成形品の製造方法において、
   前記焼結工程における加圧は、加圧開始と同時に最大設定圧力よりも低い初期加圧力を付与し、その後最大設定圧力まで増圧するとともに、
   前記焼結工程における通電は、前記加圧開始と同時に最大設定電流値を給電することを特徴とした焼結成形品の製造方法。

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