JPH0530558B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は粒状物質から圧縮成形品を作る方法、
装置ならびに圧縮成形品に関する。

金属粉末もしくはセラミツク粉末または圧縮金
属粉末塊を用いて成形品を作ることは、熱間圧縮
法または熱間等圧圧縮法を包含する焼結法または
圧縮法によつて実施されてきた。この焼結法では
焼結効果を向上させるために高温を必要とする欠
点がある。その結果、得られる製品は、製品に最
大強度が発現するのを抑制するような大きな粒度
構造を示すのが普通である。熱間圧縮法または熱
間等圧圧縮法に代わる方法としては、ある種の限
定製品に対するバツチ方式が提案されているが、
コスト高になる。熱間圧縮法では、それぞれの金
型は個々に真空もしくは不活性ガス雰囲気下で機
械的手段で圧縮することが必要である。その機械
的圧縮法では、機械プレスの方向性によつて一軸
方向の力だけが得られるにすぎない。後者、すな
わち熱間等圧縮法の場合は、若干のコスト節約は
可能である。その理由は大気圧が使用されるから
である。また多軸圧縮法もあるが、この方法は高
温におけるガス圧の蓄積による加圧操作の前に、
ガス抜きした金属缶中に粉末コンパクトを封入す
るための余分な経費を必要とする。また機械的ま
たは酸エツチングという高価で時間のかかる方法
で成形品を取り出さなければならない。

本発明は、粒状物質から圧縮成形品を作る方
法、装置ならびに成形品自体に関し、金型温度の
変化につれて金型の異なる部分における全体積的
な熱膨張性の差異に起因して金型内に発生する圧
縮力を利用した方法、装置ならびに圧縮成形品に
関する。温度は所望の粉末圧縮品が得られるのに
十分な範囲に亙つて変動できる。

高熱膨張性の延性金属材料が粒状物質すなわち
圧縮成形素地（以下、コンパクトと呼称すること
がある）の圧縮に使用される。金型自体がこの延
性金属材料を取り囲んでおり、コンパクトへの圧
縮方向以外の該延性金属材料の体積膨張を拘束す
ることによつて該延性金属材料の体積膨張が３倍
の圧縮力に変換されてコンパクト空間上に対して
加えられるように構成されている。

この金型は、比較的低熱膨張性の材料から成る
金属物体構造物から成り、この金型にはキヤビテ
イが形成され、該キヤビテイの一部には成形品に
対する雌型部分があり、この部分にコンパクトが
装入される。粉末の少なくとも一側面には延性材
料が配設され、この延性金属材料は金型材料のそ
れよりも著しく大きな熱膨張性を有しており、か
つその体積は、コンパクトの焼結温度以下の温度
において所望の圧縮成形品が作れるような圧縮力
がその体積膨張によつてコンパクト上に加えられ
るのに十分な程度の体積のものである。圧縮の程
度は、延性金属材料とコンパクトの体積比により
調節するが、この比率は極めて大きくとれる。

本発明の方法による、体積膨張効果を利用した
金属粉末の成形法によれば、高密度成形品の製造
が可能であり、例えば100〜200℃以下の低温であ
つて粉末の焼結に要する温度よりも低温で理論値
の100％密度に近い高密度のものの製造ができる
という利点がある。焼結法では粒度成長が促進さ
れるような高温が使用されるのが普通なので、か
かる低温を利用できれば焼結圧縮法による粒度成
長の危険を回避することができる。

さらに、本発明の成形法ではプレスに要する電
気的−機械的外部接点の必要性や、熱間圧縮もし
くは熱間等圧圧縮法において必要とされる環境制
御の必要性が排除できるので作業費が格安にな
る。

金型設備は再使用できるので、等圧圧縮法で必
要とする各成形品毎の金型設備への投資を必要と
せずコスト節減になる。

最後に、熱膨張成形法では、金型あわせを適当
にして、かつ粉末コンパクトを取り巻く高膨張性
金属材料の位置を加減することによつて、加える
圧縮力の軸線に亘る制御が容易にできるという利
点がある。

以下、添付図面に従つて本発明の各例を詳細に
述べ、本発明の上記の特徴をさらに明らかにす
る。

本発明は異なつた熱膨張性を有する材料間の体
積膨張の差異を利用するものである。これらの材
料は、粉末コンパクトから圧縮成形品を作るため
の金型の一体的構成部分を成している。この体膨
張効果は、線膨張効果の３倍まで圧縮力を増幅す
る。

本発明の概要は第１図で説明するが、同図にお
いて金型１０は圧縮成形で最終製品が成形される
べき圧縮成形粉末素地（コンパクト）１４により
一部分が満たされたキヤビテイ１２を包含してい
る。キヤビテイ１２の残りの部分には比較的高い
熱膨張性を有する金属材料１６が満たされてい
る。次にプラグ１７でキヤビテイの反対端がシー
ルされると、キヤビテイ全体がコンパクト１４ま
たは熱膨張性金属材料１６のいずれかで充満され
る。金型１０は高い降伏強さの低熱膨張性材料か
ら作られ、一方熱膨張性金属材料１６は高熱膨張
性で比較的低い降伏強さのもの（特に採用される
圧縮温度において）材料から作られる。

この条件を満足する金属材料の組み合わせとし
ては、金型１０がモリブデン、膨張性材料１６が
銅の場合である。

第２図の工程流れ図に示したように、金型１０
ははじめの装入工程３０ではキヤビテイ１２内に
１回分の粉末コンパクト１４が装入されている。
熱膨張性金属材料１６が金型１０内に追加装入さ
れ、該金型１０は工程３２でシールされる。装入
終了後、緊締された金型１０は、工程３４で高温
加熱等の手段で熱的作用を受ける結果、熱膨張性
金属材料（エレメント１６）は金型の他のエレメ
ント類に対して相対的な熱膨張を起こして、その
結果キヤビテイ空間１２内において所望の圧縮成
形品を形成するための圧縮力が発生する。この高
温は工程３６に示されるように熱サイクルが終了
するまで所定の時間だけ維持され、次いで工程３
８で冷却されて成形品の取り出しが行なわれる。

本発明の方法では、あらゆる方向、すなわち三
直交軸方向へ膨張する熱膨張性金属材料１６を用
いることによつて圧縮効果を３倍に高めることが
できる。第１図において、例えば金型１０とエレ
メント１６間の熱膨張の差を単位長さ当り“ａ”
とする。この場合、エレメント１６はライン１８
までalだけ線状に膨張するはずである。第１図で
ｌは水平距離である。またエレメント１６は厚さ
awだけ膨張するはずである。但しｗは断面が正
方形であるとしてのエレメント１６の厚さであ
る。ここで厚さ方向の膨張は金型の構造により阻
止されるので、エレメント１６は１回の厚さの方
向の距離として線２０までおよび次回の厚さ方向
の距離として線２２まで弾性的におよび／または
塑性的に変形する。

この膨張を体積効果の面からみると、ｌ方向の
膨張は末端面積W²のal倍の体積膨張をする結果、
alw²だけ体積が増えることになる。各方向の厚
さが膨張することにより側方面積wlのaw倍に相
当する体積が追加されて、awlwすなわちalw²だ
け膨張する。したがつて合計膨張体積は3alw²、
すなわち線膨張の３倍となり、この膨張量はエレ
メント１６の塑性流動によりコンパクト１４の圧
縮に全て使用されることになる。

熱膨張性金属材料１６は、コンパクト１４に対
する相対的体積として、高温でコンパクト１４を
所望するように圧縮できるような寸法のものとす
る。したがつて所望の圧縮を達成するためには、
膨張性金属材料１６の体積と温度上昇の程度間に
はトレードオフ（妥協）がある。そこで工程３４
と３６において金属粉末が加熱・維持される実際
の温度は圧縮成形品の有する所望の物性に応じて
ユーザーが決定できる。例えば、希土類金属／遷
移金属の組み合わせに特徴がある有用なコンパク
トの代表であるサマリウム・コバルト粉末を用い
る場合には、成形温度は焼結効果が生起する温度
より遥かに低く維持できる。したがつて粒度が小
さく、かつ最終製品の強度が向上する。セラミツ
クもまたこのような温度制御下で圧縮成形ができ
る。例えば、粒状物質がサマリウム・コバルトで
ある場合には、サマリウム・コバルトの焼結温度
以下の温度である約750〜1050℃の温度範囲から
選ばれる温度が通常用いられる。後に述べる第５
〜８図の場合、実際の加熱温度は約950℃であつ
た。

粒状物質が鉛、プラスチツクなどの低融点物質
の場合はそれらの焼結温度以下の温度で、しかも
約100〜200℃の低温度で行うことができる。

従つて、加熱温度は粒状物質により異なるが、
粒状物質の焼結温度以下の温度が用いられる。粒
状物質の焼結温度以下の温度を用いて、簡単な装
置で、経済的に高密度圧縮成形品を得ることがで
きる。

上記の例では金型１０をなす低膨張性エレメン
ト類はモリブデンから作られ、高熱膨張性エレメ
ント１６は銅から作られる。銅エレメント１６の
ような高熱膨張性エレメントは比較的低温で流動
性を示し、一方金型１０は相対的熱膨張性が遥か
に低く、かつ成形温度では殆ど流動しないかまた
流動性が遥かに低いものから成るというルールの
範囲内であれば他の多くの材料の使用もまた可能
である。

本発明に従つて粉末成形を行うために設計され
た金型は、一軸または多軸圧縮法に利用できる。
第３〜５図と第８図は一軸の場合、第６図と第７
図は多軸圧縮の場合の金型を説明している。第３
図では金型は低熱膨張性シリンダー５０の内側に
配設され、該シリンダーは成形される粉末材料を
保持し、所望の成形品を作るのに適した空間５４
を拘束している。頂部板５６と低部板５８はボル
ト６０と６２により、板５６と５８上の突起部６
４と６６とが粉末材料空間５４に対向する位置で
固定できるようになつている。ボルト６０と６２
およびシリンダー５０は代表的にはモリブデンの
ような低熱膨張性の材料からできており、一方端
プレート５６と５８、特に突起部６４と６６は、
銅などの熱膨張性の大きい材料から作られてい
る。シリンダー５０と突起部６４と６６のコンパ
クトに面する部分は、最終成形品に望まれる表面
形状に一致する形状をとることができる。

この金型や他の金型では、必要に応じて材料間
の化学反応を避けるためにコンパクトと銅間にモ
リブデン箔などを挿入してもよい。圧縮後冷却す
ると金型と成形品は相互に収縮して容易に分離す
ことができる。

第４図は金型の変形例を示し、この例ではキヤ
ビテイ７２を有する金型ブロツク７０を包含し、
キヤビテイ７２の低部は最終成形品粉末コンパク
トを収容する空間７４と境界をなしている。プラ
ンジヤー７８をキヤビテイ７２に挿入してねじ込
みキヤツプ７６と空間７４との間に位置させた
後、頂部でブロツク７０はねじ込みキヤツプ７６
でシールされる。

代表的には金型ブロツク７０とねじ込みキヤツ
プ７６はいずれもモリブデンのような低熱膨張性
の材料から作られ、一方熱膨張性のプランジヤー
７８は熱膨張係数の大きい金属材料から作られ
る。

ブロツク７０はプランジヤー７８の側面支持体
をなしているので、銅製プランジヤー７８の塑性
変形によつて側面への膨張が追加的な線膨張へと
さら変換されて空間７４上への一軸力の発生を増
幅する。

第５図は第４図の変形を示し、この場合金型ブ
ロツク８０は伸長キヤビテイ８２を包含し、該キ
ヤビテイ内のコンパクト用空間８４は、ブロツク
８０の側面部および頂部・低部の両スラグ（小型
金属素材の総称）８６と８８間に構成されてい
る。頂部スラグ８６の上には伸長プランジヤー９
０が配置され、該プランジヤーは別のスラグ９２
と金型ねじ込みキヤツプ９４とによつて垂直に保
持されている。代表的には、金型ブロツク８０、
スラグ８６，８８およびキヤツプ９１はモリブデ
ンなどの低熱膨張性材料から作られ、熱膨張性の
プランジヤー９０は銅で作られる。ただし、これ
らのスラグは高熱膨張性材料から作られてもよ
い。空間８４とプランジヤー９０の間をスラグ８
６，８８，９２で仕切れば、コンパクトと銅プラ
ンジヤー間の化学反応を避けることができる。開
口部９４は金型の加熱間、内容物のガス抜きに使
用する。

第６図と第７図は、体積膨張効果を利用してコ
ンパクト上に多軸圧縮を加えるための本発明の一
例である。第６図のように、金型ブロツク１００
はモリブデンのような低熱膨張性で高強度の材料
から作られている。金型低部にはモリブデンのス
ラグ１０２が設けられて、これにより銅の環状カ
ラー１０６によつて囲まれたコンパクト１０４に
対して強度の大きい取り外し可能な低部が形成さ
れる。コンパクト１０４とカラー１０６の上に
は、コンパクト１０４に対する頂部表面の形状を
決めるために、さらにモリブデン製スラグ１０８
が配設される。スラグ１０８の上には銅製プラン
ジヤー１１０が置かれ、該プランジヤーは金型１
００の内部に上記したような適当な手段で取り付
けられている。

圧縮間、金型と内容物が所望温度に加熱される
と、プランジヤー１１０は３倍の体積効果でコン
パクト１０４とカラー１０６の両者を圧縮しなが
ら下方に膨張するばかりでなく、カラー１０６自
身は三次元的に膨張するがスラグ１０２，１０８
および金型１００間で拘束されるためにその膨張
が半径方向内部に向かつてコンパクト１０４を指
向するように強要される。このように、垂直およ
び半径方向の圧縮力がコンパクト１０４に加えら
れることになる。銅製カラー１０６の流れ特性
は、プランジヤー１１０の下向きの圧力を、コン
パクト１０４に加えられる下向きと半径方向の両
方の圧縮力に変換するため利用される。銅製カラ
ー１０６により供給される追加的な熱膨張によつ
てコンパクト１０４上には追加的な圧縮力が加え
られることになる。第７図は第６図の金型の変形
を示し、この例では二つの銅製ブロツク１１２と
１１４が金型１００のキヤビテイ内に適合するよ
うな形状をなし、さらにコンパクト１０４を受け
入れるために対向面上に開口部が設けられてい
る。上部の銅製ブロツク１１４は必要に応じてさ
らにモリブデンその他の材料を用いて金型１００
内に垂直に保持される。ブロツク１１２と１１４
の熱膨張はこの例でもコンパク１０４に集中す
る。銅ブロツク１１２と１１４およびコンパクト
１０４の体積比が著しく大きいのでコンパクト１
０４上への圧縮力が増幅される。コンパクト１０
４上への好ましい／もしくは実現可能な圧縮力を
超えるような圧縮力を銅製ブロツク１１２と１１
４の膨張で発生させてコンパクト１０４上への圧
縮を行うことも実際上は望ましいことかもしれな
い。この場合には銅製ブロツク１１２と１１４の
流れ特性を利用して、金型１００中に各エレメン
トを差し入れるための開口部９４を通じて銅が流
れるようにすれば圧縮の度合いを調節できる。こ
の自動調節効果はまた、温度および／または圧力
について既知のフローポイントを有する特殊材料
から作られたスラグを用いて、これにより圧縮す
べきコンパクトに対して明確に輪郭の決められた
圧縮限界を生じさせても達成できる。

第８図は体積膨張による圧縮に本発明を利用す
る場合の別の例を示すものである。この場合金型
１２０では、そのキヤビテイ内にコンパクト１２
２を金型１２０と同質の低膨張性で高強度の材料
から成るカラー１２４で囲んで入れてある。コン
パクト１２２とカラー１２４の直上には、高熱膨
張性の薄層円盤１２６が配設され、その上に低膨
張性材料から成る抑制体１２８が置かれている。
この高膨張性円盤１２６はかなり薄いものではあ
るが、その全体積は横方向への広がりで増大して
いるので円盤１２６とコンパクト１２２間の体積
比は十分に高く維持されている。円盤１２６は使
用温度、使用圧力において流れ特性を有するの
で、その体積膨張をしてカラー１２４の中央開口
部以内でコンパクト１２２に対して下向きに指向
させるようになすことができる。

上記のように、ある種の箔を用いて金型キヤビ
テイのエレメントを相互に分離してお互いの化学
反応を回避させ、さらに熱圧縮工程終了後に金型
エレメントの分離を容易にする目的で箔を使用す
ることもできる。また高膨張性と低膨張性材料と
して例示したもの以外の違つた金属材料の使用も
できる。この点に関して、例えば十分な厚さを有
し割れたり位置の狂いが無いようなものでありさ
えすれば、低膨張性の材料であつてもある程度ま
では金型材料として使用できる可能性はある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の概略図、第２図は
本発明による圧縮成形品成形工程の流れ図、第３
〜８図は、本発明による圧縮成形品成形方法に有
効な体積膨張効果を利用するための、各種の代表
的金型の断面図である。 １０，１００，１２０……金型、１２，７２，
８２……キヤビテイ、１４，５４，１０４，１２
２……コンパクト、１６……熱膨張性材料、５０
……シリンダー、５６……頂部プレート、５８…
…低部プレート、６０，６２……ボルト、６４，
６６……突起部、７０，８０，１００，１２０…
…金型ブロツク、７６，９４……ねじ込みキヤツ
プ、７８，９０，１１０……プランジヤー、８
６，８８、１０２，１０８……スラグ、９４……
開口部、１０６……環状カラー、１２４……カラ
ー、１２６……円盤、１２８……抑制体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 或る体積の粒状物質を圧縮成形して高密度圧
   縮成形品を成形する方法において、高い熱膨張特
   性を有する物質から成る少なくとも１つの熱膨張
   性非中空金属エレメントと該粒状物質とを該金属
   エレメントより低い熱膨張特性を有する金型キヤ
   ビテイ中に封入し、該粒状物質の焼結温度以下の
   温度に加熱した時、該金属エレメントの該粒状物
   質に向かう以外の熱膨張を拘束して、増幅された
   圧縮力が該粒状物質に作用するようにして該粒状
   物質を圧縮成形することを特徴とする圧縮成形品
   の製造方法。 ２ 該粒状物質として、希土類金属粉末と遷移金
   属粉末との混合物が包含されて成る特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ３ 該粒状物質として、サマリウム粉末およびコ
   バルト粉末が包含されて成る特許請求の範囲第２
   項記載の方法。 ４ 該粒状物質に圧縮力を加える工程として、該
   金属エレメントおよび該粒状物質を加熱する工程
   を包含し、かつ熱膨張係数と延性とが該金型材料
   のそれらよりも大きい高熱膨張性固体非中空金属
   エレメントを採用する工程を包含する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ５ 次の工程により粒状物質を圧縮成形して高密
   度圧縮成形品を成形する請求項１記載の方法； (イ) 該粒状物質を該金型キヤビイテイ中に封入す
   る工程、 (ロ) 該金属エレメントを該金型キヤビイテイ中に
   封入する工程、 (ハ) 該粒状物質の焼結温度以下の温度に加熱した
   時、該金属エレメントの該粒状物質に向かう以
   外の熱膨張を拘束して、増幅された圧縮力が該
   粒状物質に作用するようにする工程、 (ニ) 圧縮成形品を製造するために予め設定した時
   間にわたり該温度を維持する工程。 ６ 該粒状物質が金属粉末である特許請求の範囲
   第５項記載の方法。 ７ 該粒状物質がセラミツク粉末である特許請求
   の範囲第５項記載の方法。 ８ 200℃以下の該温度が、該粒状物質の焼結温
   度以下である特許請求の範囲第５項記載の方法。 ９ 該圧縮が一軸圧縮である特許請求の範囲第５
   項記載の方法。 １０ 該キヤビイテイに対して多軸圧縮力を生起
   させるような手段として、該キヤビイテイをとり
   まく高熱膨張性カラーを該金属エレメントが包含
   して成る特許請求の範囲第５項記載の方法。 １１ 該粒状物質に対する圧縮力を制限するため
   の工程であつて、予め設定した圧縮条件下で塑性
   流動するような材料を用いて該粒状物質を圧縮す
   る工程を包含して成る特許請求の範囲第５項記載
   の方法。 １２ 或る体積の粒状物質を圧縮成形して高密度
   圧縮成形品を成形するための装置において、高い
   熱膨張特性を有する物質から成る少なくとも１つ
   の熱膨張性非中空金属エレメントと該粒状物質と
   を封入するためのキヤビイテイを有する該金属エ
   レメントより低い熱膨張特性を有する金型、該粒
   状物質の焼結温度以下の温度に加熱する手段、該
   粒状物質の焼結温度以下の温度に加熱した時、該
   金属エレメントの該粒状物質に向かう以外の熱膨
   張を拘束して、増幅された圧縮力が該粒状物質に
   作用するようにする手段からなることを特徴とす
   る圧縮成形品の製造装置。 １３ 該金属エレメントの延性が該温度において
   該金型のそれよりも大きい特許請求の範囲第１２
   項記載の装置。 １４ 該金属エレメントとして銅が包含され、該
   金型として、該キヤビイテイと該金属エレメント
   とをとりまくモリブデン物体が包含されている特
   許請求の範囲第１２項記載の装置。 １５ 金型内の該金属エレメントが該キヤビイテ
   イ内の他の材料と化学反応を起こす危険性を防止
   する手段として、円盤もしくは箔のいずれかが該
   エレメントと他の材料間に挿入されて成る特許請
   求の範囲第１２項記載の装置。 １６ 該金型がモリブデンから作られ、かつ該金
   属エレメントが銅から作られて成る特許請求の範
   囲第１２項記載の装置。 １７ 該金属エレメントの該キヤビイテイ内への
   塑性流動を生起させ易くして該粒状物質への一軸
   圧縮力を発生させるための手段として、該キヤビ
   イテイをとりまく低熱膨張性カラーを包含して成
   る特許請求の範囲第１２項記載の装置。 １８ 該金属エレメントと該キヤビイテイ間に円
   盤または箔をさらに挿入して成る特許請求の範囲
   第１７項記載の装置。 １９ 該キヤビイテイに対して多軸圧縮力を生起
   させるような手段として、該キヤビイテイをとり
   まく高熱膨張性カラーを該金属エレメントが包含
   して成る特許請求の範囲第１２項記載の装置。