JP2003073708A

JP2003073708A - 粉末充填方法とその装置および複合材料の製造方法

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Publication number: JP2003073708A
Application number: JP2001266319A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Tanaka; 勝章田中; Kyoichi Kinoshita; 恭一木下; Tomohei Sugiyama; 知平杉山; Takashi Yoshida; 貴司吉田; Eiji Kono; 栄次河野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-12
Also published as: EP1287928A2; EP1287928A3; DE60234002D1; EP1287928B1; US20030041915A1; US6698465B2

Abstract

(57)【要約】【課題】より一層の嵩密度の向上を可能とする粉末充填
方法を提供する。【解決手段】コンテナのキャビティ（１２ａ）に粉末を
投入する投入工程と、投入工程後に該キャビティ内の粉
末上で揺動体（１３）を揺動させて該粉末を高充填する
加振工程とを備えることを特徴とする粉末充填方法。キ
ャビティ内で揺動体が揺動（ホッピング）することによ
り、従来以上に嵩密度の向上した粉末充填が可能となっ
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼結体、複合材
料、圧粉成形体、予備焼結体（プリフォーム）等を製作
する場合に有効な粉末充填方法とその装置に関するもの
である。また、その方法または装置を用いた複合材料の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉末成形体等の製造方法は、金属粉末、
セラミックス粉末等の粉末材質を問わず、種々存在す
る。例えば、金属焼結体は、金属粉末の金型への充填、
加圧成形、焼結等の工程を経て製造される。また、圧粉
磁心等を製造する場合、焼結は行われないとしても、金
属粉末の充填、加圧成形が行われる。セラミックス製成
形体の場合、粉末の充填、粘結剤等を用いた成形（さら
には、焼成）が行われる。このような粉末成形体等の製
造方法は、製品の種類に応じて多種多様であるが、通常
は、粉末をキャビティに充填する充填工程がいずれの場
合にも行われる。

【０００３】ところで、その充填工程の如何によって、
成形体、焼結体等の寸法や密度等が変化し得る。そこ
で、寸法安定性、高密度化等を図るべく、充填工程にお
ける充填性を高める工夫が種々なさている。

【０００４】例えば、特開平７−２０７３０３号公報や
特開平１０−１８０４９２号公報には、キャビティに入
れた粉末に振動を加える方法が開示されている。また、
特開平１０−２９６４９８号公報や特開平５−２７９７
０２号公報には、粉末を数回に分割してキャビティに充
填する方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来方法によって粉末の嵩密度を向上させることができる
としても、その嵩密度や均一性は必ずしも十分なレベル
ではなく、さらなる嵩密度の向上等を可能とする充填方
法が望まれていた。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みて為され
たものである。つまり、粉末の充填性をさらに向上させ
ることができる粉末充填方法とその装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】また、一例として、その方法または装置を
用いた複合材料の製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００８】なお、前記の特開平７−２０７３０３号公
報には、図４に示すように、重りを容器内の粉末上に載
せ、その容器を振動させて充填する方法が開示されてい
る。しかし、その重りは、容器に入れた上層部の粉末
に、荷重を連続的に加えるものに過ぎない。つまり、粉
末に加える荷重を上下方向でほぼ均一にして、全体的な
嵩密度の向上を図ったものに過ぎない。そして、同公報
の

【０００８】、

【０００９】段落には、容器内を次第に陥没していく重
りの位置をセンサで測定することにより、粉末充填体積
の管理をその重りを介して行うことが開示されている。
このことからすると、その重りが容器内で上下動等の揺
動をしているとは考えられない。従って、その公報に開
示されている方法または装置は、以下に説明する本発明
と発想、構成を全く異にするものであることを予め断っ
ておく。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記課題を
解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、粉末の
入ったキャビティ内で揺動体を揺動させることを思い付
き、本発明を完成させるに至った。（粉末充填方法）すなわち、本発明の粉末充填方法は、
コンテナのキャビティに粉末を投入する投入工程と、該
投入工程後に該キャビティ内の粉末上で揺動体を揺動さ
せて該粉末を高充填する加振工程とを備えることを特徴
とする。

【００１０】本発明の粉末充填方法は、その加振工程に
より、粉末の投入されたキャビティ内で揺動体を積極的
に揺動させる。ここで「揺動」とは、揺動体の少なくと
も一部（通常は、下部）がキャビティ内で上下動等し
て、粉末の上面または上層部に当接または接触した状態
となったり、逆にそこから離脱して浮上がった状態とな
ったりすることの繰返しをいう。この点が、粉末の上面
に重りを載せて粉末を連続的に加圧するような従来の方
法とは異なる。そして、その加振工程により、従来以上
に粉末の充填性を向上させることができた。もっとも、
そのメカニズムは必ずしも明かではないが、現状では次
のように考えられる。

【００１１】粉末の入ったキャビティ内で揺動体が揺動
すると、揺動体と粉末（特に、その上層部）との間で、
断続的な当接が起きる。揺動体が粉末に当接すると、揺
動体は粉末に振動や荷重等を与える。一方、揺動体が浮
き上がると、粉末の自由な移動が可能となる。この繰返
しにより粉末の移動が促進され、その構成粒子等は、そ
れぞれが噛合うかのように相互の隙間を埋める位置へ移
動し、より緻密化した充填状態へと移行していくと考え
られる。（粉末充填装置）本発明は、粉末充填方法に限らず、そ
れを実現するための粉末充填装置としても把握できる。

【００１２】すなわち、本発明は、粉末を投入するキャ
ビティを有するコンテナと、該キャビティ内を揺動可能
な揺動体と、該キャビティ内に投入された粉末上で該揺
動体を揺動させ得る加振機と、を備えることを特徴とす
る粉末充填装置としても良い。（複合材料の製造方法）さらに、本発明は、その粉末充
填方法またはその装置を用いた複合材料の製造方法とし
ても把握できる。

【００１３】すなわち、本発明は、マトリックス金属中
に補強材が分散している複合材料の製造方法において、
鋳造用金型のキャビティに前記補強材の粉末を投入する
投入工程と、該投入工程後に該キャビティ内の粉末上で
揺動体を揺動させて該粉末を高充填する加振工程と、該
加振工程後に該補強材へ前記マトリックス金属の溶湯を
加圧注湯して含浸させる含浸工程と、を備えることを特
徴とする複合材料の製造方法としても良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、実施形態を挙げ、本発明を
より詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態
は、本発明の粉末充填方法のみならず、上述の粉末充填
装置および複合材料の製造方法にも適宜当てはまるもの
である。（１）加振工程加振工程は、少なくとも揺動体が揺動（または、跳躍、
ホッピング）することが必要である。例えば、揺動体を
加振源に取付けて直接的に揺動体を揺動させても良い。
もっとも、粉末の嵩密度等を向上させるために、粉末の
投入されているコンテナを併せて振動させると一層効果
的である。コンテナを振動させることにより、粉末の撹
拌がより促進されるからである。そして、コンテナの振
動を介して揺動体を揺動させると、装置も簡素化でき
る。

【００１５】コンテナを振動させる場合、粉末の撹拌を
より効果的に行い、揺動体を適切に揺動させるには、コ
ンテナを共振させると良い。共振は、コンテナを含む装
置自体の固有振動数に加振源（加振機）の周波数が一致
または近づいたときに起る。この固有振動数が、揺動体
を除いた振動系のものであると、共振状態が継続し易
い。もっとも、揺動体の揺動とコンテナの共振とを持続
させるためには、揺動体の質量、形状、キャビティとの
接触条件等と、加振力等とを適切に決定、選択すること
が必要である。（２）粉末使用粉末は、粒子粉末に限らず繊維粉末でも良い。ま
た、金属粉末でも、セラミックス粉末でも、それ以外の
粉末でも良い。もっとも、セラミックス粉末の場合、金
属粉末と異なり、加圧による嵩密度の向上が容易ではな
い。そこで、本発明の粉末充填方法は、粉末がセラミッ
クスを主成分とする粒子粉末または繊維粉末である場
合、その嵩密度の向上に特に有効である。勿論、本発明
を用いた充填後に、粉末（金属、セラミックス）をパン
チ等で加圧する工程を加えても良い。

【００１６】嵩密度をより向上させるために、粉末の構
成粒子等のサイズが１種のみならず、２種以上であると
より好ましい。すなわち、粒子粉末または繊維粉末が、
サイズの異なる粒子または繊維からなる複合粉末である
と、好適である。サイズの異なる粒子等が組み合わさる
ことで、粒子間等の隙間が相互に埋まり易いからであ
る。

【００１７】例えば、ＳｉＣの粒子粉末を例にとると、
平均粒径の大きいＳｉＣ粗粒子と平均粒径の小さいＳｉ
Ｃ微粒子とで複合粉末を構成すると良い。その場合、Ｓ
ｉＣ粗粒子のＳｉＣ微粒子に対する体積比を１．５〜
４、ＳｉＣ粗粒子のＳｉＣ微粒子に対する平均粒径比を
１０〜１５とすると、嵩密度を一層向上させ得ることを
本発明者は確認している。より望ましくは、平均粒径比
を１１〜１４、体積比を２〜３とするとより好適であ
る。ＳｉＣ粒子の平均粒径を具体的に言うなら、ＳｉＣ
粗粒子の平均粒径を５０〜３００μｍとし、ＳｉＣ微粒
子の平均粒径を５〜３０μｍとすると、好適である。Ｓ
ｉＣ粗粒子の平均粒径を５０〜２００μｍ、７５〜１５
０μｍさらには７５〜１２５μｍとすると、より好まし
い。また、ＳｉＣ微粒子の平均粒径を５〜２０μｍ、５
〜１５μｍさらには７〜１０μｍとすると、より好まし
い。ここで、平均粒径とは、ふるい分け試験法、電気抵
抗法（ＪＩＳＲ６００２）を用いて測定した粒径の平
均である。

【００１８】なお、複合粉末は、原料を機械的または化
学的に粉砕して生成しても良いし、平均粒径等の異なる
市販の粉末を混合しても良い。（３）分割充填キャビティが底の浅い形状であれば、所望量の粉末をキ
ャビティに一度に投入して充填作業を行っても、粉末が
ほぼ均一に分布した嵩密度の高い充填を行うことが可能
である。しかし、キャビティの形状が深くなると、具体
的には、断面積（Ｓ）に対する高さ（Ｈ）の比（Ｈ／
Ｓ）が大きくなると、一度に多量の粉末をキャビティに
投入して均一で嵩密度の高い充填を行うことは困難とな
る。なぜなら、キャビティの下部と上部との粉末が均一
に撹拌されず、上下方向で偏った粒径分布等を生じ易い
からである。勿論、加振工程を長時間行えば改善し得る
が、現実的ではない。

【００１９】そこで、本発明者は、キャビティの形状に
応じて、粉末を適当に分割して充填することを考えた。
つまり、前記投入工程と前記加振工程とを順に複数回繰
返して、粉末をキャビティへ分割充填する方法である。
つまり、一回の投入工程と一回の加振工程で充填する粉
末量は、均一で嵩密度の高い状態を達成できる範囲とす
る。そして、小分けにした投入工程と加振工程とを繰返
すことで、キャビティの形状に拘らず、全体としても均
一で、嵩密度の高い充填が可能となる。なお、分割回数
は、キャビティの形状、生産性等を考慮して適宜決定さ
れる。また、分割した各層の境界面に、層間の連結性を
向上させるための溝等を形成しておいても良い。（４）電子機器用放熱部材上記製造方法により得られた複合材料は、電子機器用放
熱部材に用いられるものであると、好適である。この電
子機器用放熱部材は、電子機器の放熱のために、そこか
ら生じた熱を外部に伝達するものである。もっとも、い
わゆるヒートシンクに限られず、例えば、Ａｌ合金等の
金属製ヒートシンクとセラミックス基板との間に介在し
て熱伝達を行う熱膨張整合用部材や電子機器の収納ケー
ス等であっても良い。

【００２０】複合材料を放熱部材として使用する場合、
特に、その金属マトリックスがアルミニウム（Ａｌ）を
主成分とし、補強材が炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分と
したものであると、好適である。

【００２１】ＳｉＣは、高熱伝導性、低熱膨張性であ
り、半導体チップ等の放熱部材の材質として好ましい。
但し、ＳｉＣのみでは、靱性、強度等が十分ではないた
め、熱伝導率に優れるＡｌをＳｉＣ間に介在させること
で、性能、取扱い性に優れた放熱部材が得られる。さら
に、キャビティにＳｉＣの粒子等を直接充填して複合材
料を製作した場合、低熱伝導性、高熱膨張性のバインダ
ー等が不要となるため、より高性能の放熱部材が得られ
る。

【００２２】なお、含浸工程は、例えば、５０〜１５０
ＭＰａ程度に加圧された金属マトリックスの溶湯を用い
て行い得る。いうまでもないが、この含浸工程後に、冷
却、凝固工程、離型工程、加工工程等が適宜為されるこ
とは言うまでもない。（５）その他本発明の粉末充填方法およびその装置が対象とするもの
は、粉末成形体、粉末焼結体、粉末焼成体、複合材料等
の何れでも良く、その対象は特に限定されない。キャビ
ティを備えるコンテナは、製品の種類によって、成形
型、鋳型等と呼称しても良い。また、コンテナは金属製
（例えば、金型）に限らずゴム製（例えば、ゴム型）で
も良い。

【００２３】

【実施例】次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的
に説明する。（粉末充填方法とその装置）本発明の実施例に係る粉末
充填装置１の全体概略図を図１に示す。これを用いて、
本実施例では、電子機器用放熱部材板状に使用する複合
材料（Ａｌ−ＳｉＣ）を製造した。

【００２４】粉末充填装置１は、鋳造用の金型（コンテ
ナ）１０と、加振機２０とからなる。

【００２５】金型１０は、平板状の型部材１１と、切欠
き凹部を有する板状の型部材１２とからなる。複数の型
部材１１、１２がホルダー１４に収納され、積層されて
いる。そして、４（横）×１４０（縦）×９０（高さ）
ｍｍのキャビティ１２ａが各型部材１２に形成されてい
る。キャビティ１２ａの上方開口には、上下にホッピン
グ可能な板状の揺動体（３．５×１３９×１００ｍｍ、
２００ｇ）１３が挿入されている。

【００２６】ところで、本実施形態では、５枚の型部材
１２と６枚の型部材１１とを交互に配置し積層すること
により、５つのキャビティ１２ａを有する金型１０を形
成した。従って、この金型１０を用いると、５枚の複合
材料が一度に製造される。但し、本実施形態では、金型
１０を捨て型とし、鋳造するたびに新たな金型を用いる
こととした。なお、上記５つのキャビティ１２ａは、そ
れぞれ順に、後述する図２および図３に示した充填位置
１〜５に対応している。

【００２７】加振機２０は、４本の脚２２に支持された
テーブル２１と、そのテーブル２１に上下振動可能に配
設された加振台２４と、この加振台２４の加振源である
加振モータ２５とからなる。上記金型１０は、ホルダー
１４を介して加振台２４の上面にボルト１５で固定され
ている。本実施形態では、加振モータ２５としてエクセ
ン社製ＫＭ２５−２Ｐを用いた。また、脚２２の中間に
は、エアーマウント２３を設けた。エアーマウント２３
は、加振モータ２５を作動させたときに、加振機２０全
体の振動を抑制し、加振台２４を効率的に振動をさせる
ようにしたものである。

【００２８】使用粉末は、ＳｉＣ粒子の平均粒径が異な
る２種のＳｉＣ粉末（昭和電工社製）を混合したＳｉＣ
混合粉末（複合粉末）である。具体的には、平均粒径が
１００μｍのＳｉＣ粗粒子からなるＳｉＣ粉末と、平均
粒径が８μｍのＳｉＣ微粒子からなるＳｉＣ粉末とを、
それぞれ体積比で７：３の割合で混合して、ＳｉＣ混合
粉末を調製した。なお、このＳｉＣ混合粉末は、平均粒
径比が１２．５、体積比が２．３に相当する。

【００２９】この粉末を上記キャビティ１２ａのそれぞ
れに投入し（投入工程）、上記加振機２０を駆動して金
型１０を共振させた（加振工程）。粉末のキャビティ１
２ａへの投入分割回数は、１回、３回、５回の３パター
ンを試し、嵩密度の相違を調べた。なお、分割充填量
は、各回均等とした。

【００３０】また、加振工程は、加振周波数６０Ｈｚと
して、金型１０を共振させて行った。共振しているか否
かは、加振周波数を順に上昇させ、振幅の程度で判断し
た。そして、振幅がほぼ最大となったときを共振と考え
た。このときの加振周波数が、揺動体１３を除く振動系
の固有振動数にほぼ一致すると考えられる。この加振工
程は、粉末の投入分割回数にもよるが、本実施形態では
３０〜６０秒間行った。これらの工程後に得られた充填
粉末の粉末体積率（％）を図２に示す。

【００３１】なお、粉末体積率とは、所定体積に占める
粉末の真の体積である。言換えるなら、嵩密度（ρ）を
真密度（ρ₀）で除した値（ρ／ρ₀）である。これか
ら、分割充填する程、粉末体積率、言換えるなら嵩密度
が上昇していることが分る。また、分割回数が適切であ
ると、充填位置によらず、粉末体積率がほぼ一定（つま
り、均一）となっていることも分った。

【００３２】次に、分割充填を５回行った場合におい
て、揺動体１３をキャビティ１２ａに配置したときと、
しなかったときとについて、粉末体積率の変化を調べた
結果を図３に示す。図３から明らかなように、揺動体１
３を配置することにより、粉末体積率、つまり嵩密度が
上昇していることが分った。また、揺動体１３を用いる
と、充填位置によらず粉末体積率がほぼ一定になってい
ることも分る。（複合材料の製造方法）上述したように、プッシャ等に
よる加圧もせず、バインダー等を上記混合粉末に混合す
ることもなく、５回に分割して充填工程（投入工程と加
振工程）を行った後、粉末充填されたキャビティ１２ａ
へ金属マトリックスの溶湯を加圧注湯した（含浸工
程）。具体的には、純Ａｌ（ＪＩＳＡ１０５０）の溶
湯（８５０℃）を、上記キャビティ１２ａに注湯して、
１００〜１４０ＭＰａ×３〜１０分加圧した。なお、こ
の含浸工程前に、金型１０を予め電気ヒータで８００℃
に加熱しておいた（予熱工程）。

【００３３】この含浸工程後、金型１０を空冷して、溶
湯を凝固させた後（凝固工程）、金型１０をばらし、鋳
造品を取出して（離型工程）、５枚の板状のＡｌ−Ｓｉ
Ｃ複合材料（４×１４０×８０ｍｍ）を得た。

【００３４】なお、必要に応じて、得られた複合材料を
切削加工し、電子機器と接触する面の面粗度や平面度等
を確保して、電子機器用放熱部材としても良い。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、嵩密度の高い粉末充填
が可能となり、例えば、補強材の充填率が大きい複合材
料が容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る粉末充填装置を示す全体
概略図である。

【図２】充填分割回数と粉末体積率との関係を充填位置
毎に示すグラフである。

【図３】５回の分割充填を行った場合、揺動体の有無に
よる粉末体積率の相違を充填位置毎に示すグラフであ
る。

【図４】従来の粉末充填装置を示す図である。

【符号の説明】

１粉末充填装置１０金型１２ａキャビティ１３揺動体２０加振機

フロントページの続き (72)発明者杉山知平愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機内 (72)発明者吉田貴司愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機内 (72)発明者河野栄次愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機内Ｆターム(参考） 4K018 AD01 CA14 FA35 4K020 AA08 AA22 AC01 BA02 BB05 BB26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンテナのキャビティに粉末を投入する投
入工程と、該投入工程後に該キャビティ内の粉末上で揺動体を揺動
させて該粉末を高充填する加振工程とを備えることを特
徴とする粉末充填方法。
【請求項２】前記加振工程は、前記コンテナを共振させ
る工程である請求項１記載の粉末充填方法。
【請求項３】前記粉末は、セラミックスを主成分とする
粒子粉末または繊維粉末である請求項１に記載の粉末充
填方法。
【請求項４】前記粒子粉末または繊維粉末は、サイズの
異なる粒子または繊維からなる複合粉末である請求項３
記載の粉末充填方法。
【請求項５】前記投入工程と前記加振工程とを順に複数
回繰返して前記粉末を前記キャビティへ分割充填する請
求項１記載の粉末充填方法。
【請求項６】粉末を投入するキャビティを有するコンテ
ナと、該キャビティ内を揺動可能な揺動体と、該キャビティ内に投入された粉末上で該揺動体を揺動さ
せ得る加振機と、を備えることを特徴とする粉末充填装置。
【請求項７】マトリックス金属中に補強材が分散してい
る複合材料の製造方法において、鋳造用金型のキャビティに前記補強材の粉末を投入する
投入工程と、該投入工程後に該キャビティ内の粉末上で揺動体を揺動
させて該粉末を高充填する加振工程と、該加振工程後に該補強材へ前記マトリックス金属の溶湯
を加圧注湯して含浸させる含浸工程と、を備えることを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項８】前記複合材料は、電子機器用放熱部材に用
いられるものである請求項７記載の複合材料の製造方
法。
【請求項９】前記金属マトリックスは、アルミニウム
（Ａｌ）を主成分とし、前記補強材は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分とする請
求項８に記載の複合材料の製造方法。