JPH10296498A - 粉末成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形体内部の密度勾配を減少させ、焼結した
ときに変形の少ない成形体、特に、Ｌ／Ｄの大きな成形
体を成形できるようにした粉末成形体の製造方法を提供
する。 【解決手段】 成形孔３へ粉末１０を充填し上パンチ６
により粉末１０を圧縮して中間成形層１２ａを成形する
工程を複数回繰り返すことより、重畳する中間成形層１
２ａ、１２ｂが一体に接合された成形体１２を成形す
る。この成形方法では、最終的に成形する成形体をＬ／
Ｄの小さな成形体の接合体と考え、Ｌ／Ｄの小さな中間
成形層１２ａ、１２ｂを重畳させてＬ／Ｄの小さな中間
成形層を接合することを繰り返し、Ｌ／Ｄの大きな成形
体を成形する。これにより、各中間成形層の密度勾配は
小さいので、最終的に得られる成形体の密度勾配を小さ
くすることができる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末成形体の製造
方法に係り、特に、金型内に充填した原料粉末を上下か
らパンチで押し固めて成形する粉末成形体の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】粉末の成形では、金型内へ粉末を充填し
た後、上下からパンチで粉末を圧縮して成形する金型プ
レス法が一般に用いられている。この金型プレス法で
は、パンチによる加圧の時に粉末間および粉末と金型内
壁との間に摩擦力が生じる。この摩擦力に起因してパン
チから粉末へ伝達する圧力が、パンチ端面から遠ざかる
につれて減少する。このため、粉末成形体の局部的な密
度もそれに応じて減少する。

【０００３】したがって、一般には、金型プレス法によ
って成形した成形体の場合、密度分布を成形体全体とし
てみれば、パンチに近い成形体上下部の密度が高く、成
形体中心部に向かうにしたがって密度が低くなってしま
う。この密度分布のバラツキは、焼結時の変形に大きく
関わり、良い成形体を得るためには、成形体各部の密度
が均一であることが望ましい。

【０００４】また、この密度は、成形体の形状とも関係
する。すなわち、成形体の高さ（加圧方向長さ）が大き
くなるにしたがって、成形体の密度勾配は増加する。こ
のため、金型プレス法では、高さＬと直径Ｄの比（Ｌ／
Ｄ）の大きな成形体の成形が難しくなる。

【０００５】従来、金型プレス法において密度の均一化
のための改良が試みられている。

【０００６】例えば、特開平６−４７５９７号公報で
は、密度勾配の原因となる粉末間及び金型壁面と粉末と
の間の摩擦力を低減するために、上下パンチの軸中心を
中心軸として回転する金型を用いるようにした金型プレ
ス法が開示されている。また、特開平６−４７５９７号
公報では、密度分布を均一化するために、上下パンチを
半径方向に分割化し、上下パンチの加圧面の変位量を金
型壁面の距離に応じて変化させるようにした金型プレス
法が開示されている。この他にも、密度勾配を減少させ
るためには、圧粉時の加圧力を増加させることが比較的
有効であることも知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加圧力
の増加によって密度勾配を減少させる場合、原料粉末に
よっては、成形体に割れの入るおそれがあり、適用範囲
が狭い。また、前記の従来技術は、金型を回転する機構
や、分割した上下パンチを用いるため、成形装置の構造
が複雑化するという欠点がある。

【０００８】他方、高さＬと直径Ｄの比（以下、Ｌ／Ｄ
という）の大きな粉末成形体を成形する場合、金型プレ
ス法よりも冷間静水圧法で成形した方が変形を少なくす
ることができる。しかし、冷間静水圧法では、金型プレ
ス法よりもコスト高になる難点がある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、金型プレス法において、成形体
内部の密度勾配を減少させ、焼結したときに変形の少な
い成形体、特に、Ｌ／Ｄの大きな成形体を成形できるよ
うにした粉末成形体の製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、上下方向に貫通する成形孔を有する金
型の前記成形孔に下方から下パンチを挿入するととも
に、前記成形孔に粉末を充填し、次いで前記成形孔内に
上方から上パンチを挿入して前記粉末を圧縮し成形体を
成形する粉末成形体の製造方法において、前記成形孔へ
粉末を充填し前記上パンチにより前記粉末を圧縮して中
間成形層を成形する工程を複数回繰り返すことより、重
畳する中間成形層が一体に接合された成形体を成形する
ことを特徴とするものである。

【００１１】本発明では、最終的に成形する成形体をＬ
／Ｄの小さな成形体の接合体と考え、Ｌ／Ｄの小さな中
間成形層に重畳させてＬ／Ｄの小さな中間成形層を接合
することを繰り返し、Ｌ／Ｄの大きな成形体を成形す
る。これにより、各中間成形層の密度勾配は小さいの
で、最終的に得られる成形体の密度勾配を小さくするこ
とができるため、焼結しても変形を少なくすることがで
きる。また、１度に充填する粉末量が少なくなるため、
金型の高さを必要とせず、金型の小型化を達成できる。

【００１２】また、本発明では、少なくとも初回の工程
では、粉末を加圧する側のパンチ端面に連続する複数の
溝が形成された上パンチを使用して粉末を加圧すること
が好ましい。この溝を有する上パンチによって、中間成
形体同士の接合面に溝を形成することができ、この溝が
成形体同士の中心軸直角方向のずれを防止する。

【００１３】前記上パンチのパンチ端面に形成された溝
の幅および深さが０．３〜１．５mmであることがずれの
防止および接合には効果的である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明による粉末成形体の
製造方法の一実施形態について添付の図面を参照して説
明する。図２は、本発明の実施に使用する金型と、上下
パンチを示す図である。この金型２には、上下方向に貫
通する成形孔３が形成されている。この成形孔３には、
下方から下パンチ４が挿入され、上方からは上パンチ６
が挿入される。これらの上下パンチ４、６は図示されな
いアクチュエータにより駆動され、このアクチュエータ
により所定の加圧力で成形孔３内に充填された原料粉末
を圧縮することができるようになっている。

【００１５】上パンチ６には、その粉末を加圧する側の
端面は、平坦なものが用いられるほか、図３に示すよう
に、端面に一定のピッチで連続する溝８が形成されたも
のが用いられる。

【００１６】次に、図１を参照しながら、粉末成形体を
成形する工程について説明する。まず、下パンチ４を成
形孔３に挿入しておいてから、所定量の原料粉末１０を
成形孔３に充填する（図１（ａ））。次いで、上パンチ
６を成形孔３に挿入するとともに、下パンチ４、上パン
チ６により原料粉末１０を所定の圧力で加圧する（図１
（ｂ））。これにより中間成形層１２ａが成形される。
この初回の成形工程で用いる上パンチ６には、端面に図
３に示す溝８を有するパンチが用いられる。

【００１７】次いで、第２回目の成形工程を続けて行
う。上パンチ６を金型２から抜いた後、図１（ｃ）に示
すように、中間成形層１２ａの上に所定量の原料粉末１
０を再充填する。そして、上パンチ６ａとして、端面が
平坦なパンチを用い、この上パンチ６ａを成形孔３に挿
入し、下パンチ４、上パンチ６ａにより原料粉末１０を
所定の圧力で加圧する（図１（ｄ））。これにより第２
層目の中間成形層１２ｂが成形される。また、中間成形
層１２ａの成形と同時に、第１層目の中間成形層１２ａ
に対して第２層目の中間成形層１２ｂが重畳して接合さ
れる。

【００１８】そして、最後に、図１（ｅ）に示すよう
に、上パンチ６ａを金型２から抜き、下パンチ４を上昇
させることにより、成形体１２を金型２から押し出せ
ば、成形体１２を取り出すことができる。なお、粉末の
充填および加圧を繰り返す回数は、成型品の大きさ、Ｌ
／Ｄに応じて３回、４回あるいはそれ以上であってもよ
い。

【００１９】初回の成形工程で、端面が平坦なパンチ６
ａを用いて原料粉末１０を加圧すると、成形体１２が折
損し易く、また、焼結時に第１層目と第２層目の中間成
形層１２ａ、１２ｂ同士にずれが生じ易くなる。

【００２０】これに対して、初回での中間成形層１２ａ
の成形工程で、図３に示した溝８を有する上パンチ６を
用いることにより、中間成形層１２ａの上面に溝の切り
込まれた面を形成することができる。第２回目の成形工
程では、この溝の切り込まれた面を接合面として、第２
層目の中間成形層１２ｂが圧縮成形と同時に接合される
ので、焼結時の中心軸直角方向へのずれを防止すること
ができる。

【００２１】この上パンチ６の溝８については、溝８の
幅ｗおよび深さｄが大きすぎると、第１層目の中間成形
層１２ａと第２層目の中間成形層１２ｂとの境界に隙間
が生じ易くなる。本発明者が実験を重ねた結果、溝８の
幅ｗおよび深さｄは、それぞれ１．５mm以下が、焼結時
のずれ防止に効果があることがわかった。

【００２２】ただし、溝８の幅ｗおよび深さｄが、それ
ぞれ０．３mm以下であると、焼結後、第１層目の中間成
形層１２ａの接合面に形成される溝の形成が不十分とな
って、焼結時のずれを防止しきれなくなったり、溝の中
に粉末が付着し、パンチとの離型性が悪くなるため好ま
しくない。

【００２３】上パンチ６の端面の溝８の形状は、加圧し
た後に上パンチ６を抜く際の離型性の良好な図３の山
形、または図４に示す台形が好ましい。この場合の溝８
のピッチは、溝幅ｄの２倍以内が適当である。

【００２４】また、溝の方向については、平行のほか、
同心円状、放射状であってもよい。要するに、中間成形
層１２ａ、１２ｂ同士が接合面で軸方向に垂直な方向に
ずれないような方向に溝が形成されていればよい。

【００２５】

【実施例】次に、本発明について実施例を挙げ、本発明
をより詳細に説明する。

【００２６】

【表１】 表１は、実施例の成形条件を示す。この実施例では、粉
末の充填および上プレスによる加圧を４回行い、４層の
中間成形層が重畳した成形体を成形した。粉末の総充填
量１３６ｇをそれぞれの回で等分して、各回の粉末充填
量は、３４ｇで等量とした。上プレスによる加圧力は、
１回目、２回目は６．９ＭＰａとして低めの力で加圧
し、３回目は１７．３ＭＰａ、４回目は３４．７ＭＰａ
というように、段階的に加圧力を増加させた。上パンチ
には、１回目から３回目までは、図３に示した溝８を有
するパンチ６を使用した。

【００２７】このようにして得た成形体を金型から取り
出した後、焼結した。この焼結体を軸方向に切断し、そ
の断面を光学顕微鏡にて観察したところ、割れなどの欠
陥は確認できなかった。

【００２８】この成形条件のもとで成形した成形体の密
度およびこの成形体を焼結したものについて測定した密
度を表２に示す。この表２には、比較のために従来の金
型プレス法により単層成形した成形体の密度およびその
焼結体の密度を掲げる。なお、この従来の金型プレスの
成形条件は、粉末充填量１３６ｇ、上プレスによる加圧
力は６９．４ＭＰａで行った。

【００２９】

【表２】 まず、本発明方法による多層成形法により得た成形体
と、従来の金型プレス方法により得た成形体の密度およ
び焼結後の密度を比較してみる。本発明による多層成形
法により得た成形体の密度は、従来の金型プレス法によ
り得た成形体の密度に比べて小さい。これは、本発明方
法は、成形時の加圧力が小さいからである。しかし、焼
結体の密度については、本発明方法と従来方法ではほぼ
等しいものが得られることがわかる。

【００３０】次に、図５は、焼結による寸法変化につい
て測定した結果を示す図である。黒のプロットは、前記
の金型プレス法により得た成形体を焼結したものについ
ての測定結果を示し、白抜きのプロットは、前述の表１
の条件のもと、本発明による多層成形法により得た成形
体を焼結したものの測定結果を示す。

【００３１】本発明の多層成形法により成形し、焼結し
たものの直径方向の寸法は、最大で２３．０８mmであっ
た。これに対して、従来の金型プレス法により成形し、
焼結したものの直径方向の寸法は、最大で２３．８mmで
あった。すなわち、本発明の多層成形法によって成形し
たものは、成形体密度が小さく、焼結時の収縮量が大き
いため、焼結すると直径方向の寸法は小さくなる。しか
し、その収縮のばらつきについてみると、従来の成形法
による場合、直径方向の寸法差は最大０．４mmであるの
に対して、本発明の多層成形法によった場合は最大で
０．２mmであり、従来の成形法で成形したものよりも均
一に収縮していることがわかる。つまり、本発明の多層
成形法により得た成形体は、焼結後の寸法勾配が小さく
なる。このことは、成形体に存在する密度勾配の小さい
ことが焼結後の寸法勾配に反映した結果であると考えら
れる。このように本発明の多層成形法では、成形体の密
度勾配を小さくすることができるので、焼結後の寸法勾
配の小さい、すなわち変形の少ない焼結体を得ることが
できる。

【００３２】次に、図６は、この実施例において、粉末
の圧縮後の高さの変化を示す図である。図６（ａ）は、
３回目までの成形工程での成形体２０の高さが７．５cm
であり、４回目の粉末を充填したときの粉末２１の高さ
が５cmであったことを示している。図６（ｂ）は、４回
目の成形工程の結果、粉末２１が２．５cmの中間成形層
２２に圧縮され、全体として高さが１０cmの成形体２３
が成形されたことを示している。

【００３３】図７（ａ）、図７（ｂ）は、実施例との比
較のために、従来の金型プレス法で同じ高さ１０cmの成
形体２３を得るために必要な粉末２４の高さを示す。図
７（ａ）に示すように、一回の粉末充填および加圧で成
形体２３を得ようとすると、充填時に必要な粉末の高さ
は、２０cmであった。このことから、本発明のように、
中間成形体を成形する工程を繰り返す場合、一回に充填
する粉末の量が少なくて済むので、全体として金型の高
さを必要とせず、したがって、金型の加圧方向の寸法を
小さくすることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、成形孔へ粉末を充填し前記上パンチにより前
記粉末を圧縮して中間成形層を成形する工程を複数回繰
り返すことより、重畳する中間成形層が一体に接合され
た成形体を成形するようにしているので、最終的に得ら
れる成形体内の密度勾配を小さくし、焼結したときの変
形を小さくすることができる。したがって、本発明は、
Ｌ／Ｄの大きな成形体の成形に適しており、従来の金型
プレス法用の金型を使用し、特別な構造の装置を用いる
ことなく低コストでＬ／Ｄの大きな成形体を成形するこ
とができる。

【００３５】また、少なくとも初回の工程では、粉末を
加圧する側のパンチ端面に連続する複数の溝が形成され
た上パンチを使用して粉末を加圧することにより、中間
成形層同士の接合面に溝を形成することができ、層と層
との接合性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による粉末成形体の製造方法の工程説明
図。

【図２】本発明による粉末成形体の製造方法に使用する
金型およびパンチを示す断面図。

【図３】上パンチ端面に形成された溝を示す上パンチの
拡大図。

【図４】上パンチ端面に形成された台形の溝を示す上パ
ンチの拡大図。

【図５】成形体焼結後の寸法変化を示す図。

【図６】本発明による製造方法において、充填した粉末
の圧縮後の高さの変化を説明する図。

【図７】従来の金型プレス法における充填した粉末の圧
縮後の高さの変化を説明する図。

【符号の説明】

２ 金型 ３ 成形孔 ４ 下パンチ ６ 上パンチ（パンチ端面の溝付き） ６ａ 上パンチ（パンチ端面の溝無し） ８ 溝 １０ 粉末 １２ 成形体 １２ａ、１２ｂ 中間成形層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下方向に貫通する成形孔を有する金型の
   前記成形孔に下方から下パンチを挿入するとともに、前
   記成形孔に粉末を充填し、次いで前記成形孔内に上方か
   ら上パンチを挿入して前記粉末を圧縮し成形体を成形す
   る粉末成形体の製造方法において、 前記成形孔へ粉末を充填し前記上パンチにより前記粉末
   を圧縮して中間成形層を成形する工程を複数回繰り返す
   ことより、重畳する中間成形層が一体に接合された成形
   体を成形することを特徴とする粉末成形体の製造方法。
2. 【請求項２】少なくとも初回の工程では、粉末を加圧す
   る側のパンチ端面に連続する複数の溝が形成された上パ
   ンチを使用して粉末を加圧することを特徴とする請求項
   １に記載の粉末成形体の製造方法。
3. 【請求項３】前記上パンチのパンチ端面に形成された溝
   の幅および深さが０．３〜１．５mmであることを特徴と
   する請求項２に記載の粉末成形体の製造方法。