JP2004060012A - 成形型、及び成形体の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、複数の機能・性質を有する成形体を容易に型成形する成形型、及び成形体の成形方法を提供することを課題とする。また、本発明は、機能の異なる材料の組み合わせによって複数の機能を有する部品を低コストにて製造する成形型、及び成形体の成形方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明における成形型１は、内部に予備成形体６を収容する内部空間を有する中型７と、中型７を下部から支える下型８と、中型７内部に収容された予備成形体６を上部から押圧する為の上型９とから構成されており、中型７は、一方から他方に向かうに従い質量が大きくなるように形成されていることを特徴とする。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形体を成形する際に用いる成形型、及び成形体の成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、様々な産業分野において種々の成形体が製造され部品として使用されている。そして、これらの部品（成形体）の多くは、一つの部品が単一の機能を満たせば良いというわけではなく、一つの部品で複数の機能を要求されることが多い。
【０００３】
例えば、車輌等のブレーキに利用される部品としてディスクブレーキ用の摩擦材やディスクロータ等がある。
【０００４】
このディスクブレーキ用の摩擦材の場合、実際にディスクロータと接触しディスクロータの回転を阻止する摺動面側は、耐摩耗性、耐熱性、耐ブレーキノイズ性に優れ、且つ摺動面側の摩擦材の面は摩擦係数が高い面に形成されている。即ち、摩擦材の摺動面側は摩擦に関する特性が重視されている。
【０００５】
一方、摺動面と反対側の面は、摩擦熱がブレーキキャリパ側に伝達することによりブレーキ液温度が上昇したり、ゴム部品が熱劣化する等の熱害を防止する為の断熱性や、プレッシャープレートとの接着性等の摩擦特性とは異なる材料特性が重視されている。
【０００６】
このディスクブレーキ用の摩擦材や、多くの部品は、粉末、または圧粉粒子状の材料を型に入れ加熱して結合させる。
【０００７】
そのため、ブレーキ用の摩擦材のように一つの成形体（部品）内でも部位によって異なる機能を有する成形体（部品）を製造するためには、部位毎に異なる材料を予め所定の場所に配置したり、複数の材料を順に積層させる方法が従来から行われてきた。
【０００８】
その他の方法としては、異なる機能を有する成形体（部品）を個々に成形した後に溶接、接着等の方法で一体化して、単体で複数の機能を有する部品を製造してきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の材料を用いて熱成形や焼結により成形体を成形する際には、それらの材料の性質の違いに注意しなくてはならない。
【００１０】
例えば、融点の違いや耐熱性等の熱に関する性質が異なる二つの材料を用いて熱成形を行うと、熱を加えるに従い、一方の材料は成形されていくが、他方の材料は未成形であったり、溶融現象が起こってしまう虞があるからである。
【００１１】
つまり、複数の材料を用いる熱成形や焼結では使用できる材料が極めて限定されやすいという問題があった。
【００１２】
また、従来より行われている、機能の異なる部品を別々に成形した後に部品同士を溶接、接着等の方法で一体化するという方法で部品を作る為には、通常の部品を製造する工程に部品同士を接着するという工程を余分に行わなくてはならないといった問題もあった。
【００１３】
また、複数の部品を溶接、又は接着して一つの部品を作ることにより、接着（溶着）個所の接着（溶着）強度、及び接着（溶着）の信頼性を向上させなければならない。
【００１４】
それに伴い、接着（溶着）強度、及び接着（溶着）の信頼度を向上させる為の検査内容や接着剤の接着度を高めなくてはならず、結果的にそれらにかかる費用によって部品の製造自体に多くの費用がかかってしまうという問題があった。
【００１５】
そこで、本発明は、複数の機能・性質を有する成形体（部品）を容易に成形する為の成形型、及び成形体の成形方法を提供することを課題とする。
【００１６】
また、本発明は、機能の異なる材料の組み合わせによって複数の機能を有する部品を低コストにて製造する成形型、及び成形体の成形方法を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記事項を解決する為に以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、中型と上型と下型とから構成され、型内に充填された材料から成形体を成形するための成形型であって、成形型に与えられた熱エネルギーの材料への伝達率が成形型を構成する部位に応じて異なることを特徴とする。
【００１８】
そのために、本発明は、成形型の部位に与えられた熱エネルギーの材料への伝達率を成形型の部位毎に異ならせる為に、中型、上型、及び／又は下型の質量を部位によって異ならせるという構成を成している。
【００１９】
尚、ここでの熱エネルギーとは、主に、成形型の外部から加えられる熱や電気抵抗により発生するジュール熱を例示できる。
【００２０】
このような構成により、中型、上型、及び／又は下型の質量が大きい部位には外部からの熱やジュール熱等の熱エネルギーは伝達され難く、質量が小さい部位には熱エネルギーが伝達され易くなる。
【００２１】
その他の構成として、成形体に与えられた熱エネルギーの材料への伝達率を部位ごとに異ならせる為に、成形型の部位毎に材質を変えるなどして電気抵抗率を部位毎に異ならせる構成とすることもできる。
【００２２】
このような構成とすることにより、性質・機能が異なる二以上の材料からなる成形体を容易に成形することができる。
【００２３】
特に、本発明の成形型は、材料の部分によって違った機能を持ち、材料の中で機能が連続的に変化（傾斜）している傾斜機能材料に好適に用いることができる。
【００２４】
例えば、耐熱性が異なる二つの材料（Ａ、Ｂ）を組み合わせて一つの成形体を熱成形により成形する場合に、成形型を構成する質量の小さい部分に耐熱性が高い材料Ａを入れ、質量の大きい部位に耐熱性が低い材料Ｂを入れる。
【００２５】
すると、中型、上型、及び／又は下型の質量が小さい部位に位置した材料には、短時間で多くの熱エネルギーが伝達される為、材料の昇温が早くなると共に高温まで昇温する。
【００２６】
また、中型、上型、及び／又は下型の質量が大きい部位に位置した材料には、長時間かけて少しずつ熱エネルギーが伝達される為、材料の昇温は緩やかに行われ、且つ温度は低温となる。
【００２７】
これによって、材料Ａ及び材料Ｂ各々の耐熱性に適した温度で、熱成形を行うことができる為、材料Ａ、Ｂの機械的性質を損なうことなく成形体を成形することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、材料Ａと材料Ｂとの機械的性質を損なうことなく成形体を成形するために、従来より行われてきた複数の成形体を別々の工程で成形し、それらの成形体を接着するという工程を省略することが可能となる。
【００２９】
尚、上記説明では熱成形により成形体を成形するとして説明したが、熱成形の中でも焼結により成形体を成形する場合や、放電プラズマ焼結により成形体を成形する場合等にも、本発明の成形型は好適に用いることができる。
【００３０】
さらに、本発明の成形型は、車両のブレーキ等に用いる摩擦材を成形する際に、特に好適に用いることができる。
【００３１】
さらに、本発明は、少なくとも二種類以上の材料を含有する傾斜機能材料を成形する成形方法でもある。
【００３２】
この成形方法は、材料を型に充填するステップと、この材料を加圧するステップと、この材料を焼結するステップとを含み、成形型は、中型、上型、及び下型から構成されており、中型、上型、及び／又は下型の部位毎に少なくとも質量、電気抵抗率の何れか一つが異なるように構成されていることを特徴とする。
【００３３】
このような工程を含む成形体の成形方法により、複数の機能を有する一つの成形体を効率的に成形することが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本実施形態における成形型の説明を行う。また、本実施形態における成形型の説明に伴い、本実施形態における成形体の成形方法の説明も行う。
【００３５】
尚、本実施形態における成形体（傾斜機能材料）は、車両や産業機械等のブレーキパッドやライニングに使用される摩擦材として説明する。
【００３６】
そして、本実施形態の摩擦材は、図１中の表に示すように、配合内容、及び配合比率の異なる三種類の配合材（配合材Ａ２、配合材Ｂ３、配合材Ｃ４）を積層させて成形する。
【００３７】
図１中の表に示すように、配合材Ａ２は、耐久性、耐熱性を高める金属粉と、ブレーキ鳴きを防いだり、ブレーキのディスクロータの損傷を防ぐ潤滑材と、摩擦力を調整する研削材と、その他の粉体材料を含有している。
【００３８】
この配合材Ａ２は、金属粉として銅、及び錫粉、潤滑材として黒鉛等、研削材としてマグネシア等、その他の粉体材料として雲母等を含有している。
【００３９】
さらに、これらの粉体材料は、配合材Ａ２の総量を１００％とした場合、金属粉が７０％、潤滑材が１０％、研削材が１５％、その他の成分が５％の比率で配合されている。
【００４０】
一方、配合材Ｂ３、及び配合材Ｃ４は、銅、及び錫粉に加えて鉄粉を含有する金属粉のみから構成されている。
【００４１】
尚、本実施形態における配合材Ｂ３に含有される粉体材料の配合比率は、配合材Ｂ３の総量を１００％とすると、銅、及び錫粉が５０％、鉄粉が５０％である。
【００４２】
また、本実施形態における配合材Ｃ４に含有される粉体材料の配合比率は、配合材Ｃ４の総量を１００％とすると、銅、及び錫粉が１０％、鉄粉が９０％である。
【００４３】
次に、これらの配合材Ａ２、配合材Ｂ３、配合材Ｃ４を摩擦材に成型する成形方法について説明する。
【００４４】
まず、上述した配合材Ａ２、配合材Ｂ３、配合材Ｃ４各々に含まれるそれぞれの粉体材料が全体的に均一となるように混合する。
【００４５】
そして、配合材Ａ２、配合材Ｂ３、配合材Ｃ４それぞれの混合が終了した後、図２に示すように予備成形を行う予備成形金型５に、配合材を配合材Ａ２、配合材Ｂ３、配合材Ｃ４の順に積層する。
【００４６】
その後、予備成形金型５に充填された粉体材料を４００ＭＰａの圧力により加圧する予備成形を行う。以下、この予備成形により成形された配合材を予備成形体６（図２参照）と称すこととする。
【００４７】
そして、予備成形が終了すると、予備成形体６を図３に示す成形型１に移し替える。この成形型１は、内部に予備成形体６収容する内部空間を有する中型７と、中型７を下部から支える下型８と、中型７内部に収容された予備成形体６を上部から押圧する為の上型９とから構成されている。
【００４８】
さらに、本実施形態の成形型１は部位毎の質量が異なるように形成されている。尚、本実施形態における中型７は、一方（上部）から他方（下部）に向かうに従い質量が大きくなるように形成されている。
【００４９】
また、本実施形態における上型９は下型８に比べて質量が小さく形成されている。
【００５０】
さらに、本実施形態における上型９と中型７とを形成する材料には、電気抵抗の大きい黒鉛が用いられ、下型８には電気抵抗の小さい超硬合金を用いている。尚、超硬合金とは、高融点金属の炭化物を主成分とする耐摩耗性の優れた高い堅さの粉末冶金材料のことである。
【００５１】
そして、この成形型１に予備成形体６を入れた後に予備成形体６を焼結する。尚、本実施形態では放電プラズマ焼結により摩擦材を成型する。
【００５２】
尚、放電プラズマ焼結とは、焼結方法のうちの一つであり、粉体材料の粒子間に低電圧でパルス状大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマ（高温プラズマ：瞬間的に数千〜一万℃の高温度場が粒子間に生じる）の高エネルギーを熱拡散や電界拡散等へ効果的に応用した焼結方法である。
【００５３】
この放電プラズマ焼結は、圧力を４０ＭＰａ、焼結温度を１０７３Ｋ、焼結時間を３００秒という焼結条件の下で行われる。
【００５４】
加えて、焼結温度の制御は、図３中のＸ部（配合材Ａ２の厚さの中心付近、且つ中型７の内壁から５ｍｍ外壁に向かった位置）で行われる。
【００５５】
この焼結条件の下で放電プラズマ焼結を行った後、空冷する。
【００５６】
以上の工程を経ることにより本実施形態における摩擦材Ｐ（図２、３参照）が成形される。
【００５７】
ここで、本実施形態における成形型１を用いて成形された摩擦材Ｐの成形段階の特徴及び機械的性質を明確にする為に、図４に示す従来から用いられている成形型１０を用いて成形された摩擦材Ｑの成形段階の特徴、及び機械的性質とを比較する。
【００５８】
尚、摩擦材Ｑは、摩擦材Ｐと同じ配合材（即ち、図１中の表に示す配合材Ａ２、配合材Ｂ３、配合材Ｃ４）を同量混合したものとする。
【００５９】
また、摩擦材Ｑを成形した成形型１０は、図４に示すように、中型１１と上型１２と下型１３とから構成されており、それらを構成している材料は黒鉛である。尚、図４に示すように、従来から用いられているタイプの成形型１０の中型１１、上型１２、下型１３の質量はそれぞれ均一であるとする。
【００６０】
さらに、焼結条件も本実施形態における焼結条件と同様であり、圧力４０ＭＰａ、焼結温度１０７３Ｋ、焼結時間３００秒とした。
【００６１】
また、焼結温度の制御も本実施形態における焼結温度の制御とほぼ同様に、配合材Ａ２の厚さ方向中心付近（図４中Ｚ部）にて行った。
【００６２】
そこで、放電プラズマ焼結を行っている際の摩擦材Ｐと摩擦材Ｑとの昇温状態を比較する。
【００６３】
まず、本実施形態における成形型１を用いて成形した摩擦材Ｐを焼結している際に、成形型１の下方（図３中Ｘ部）と、成形型１の上方（前記Ｘ部より上型９方向に位置する図３中Ｙ部）とで温度を測定した。
【００６４】
その結果、成形型１の下方（図３中Ｘ部）は１０７３Ｋ、成形型１の上方（図３中Ｙ部）は１１７３Ｋであった。即ち、成形型１上方（図３中Ｙ部）の方が昇温が早いということである。
【００６５】
また、従来より使用されてきた成形型１０を用いて成形した摩擦材Ｑを焼結している際に、成形型１０の下方（図４中Ｚ部）と、成形型１０の上方（前記Ｚ部より上型９方向に位置する図４中Ｗ部）とで温度を測定した。
【００６６】
その結果、双方の部位の温度は１０７３Ｋであった。即ち、従来よりある成形型１０は、熱が成形型１０全体に均一に伝導していることがわかる。
【００６７】
このような温度の違いは、成形型を形成している部位の質量が大きい箇所や電気抵抗が低い箇所は熱が伝わり難く、成形型を形成している部位の質量が小さい箇所や電気抵抗が高い箇所は熱が伝わり易いという性質によるものである。
【００６８】
さらに、摩擦材Ｐと摩擦材Ｑとの曲げ強度を比較するために三点曲げ試験を行った。
【００６９】
すると、本実施形態における成形型１を用いて成形した摩擦材Ｐの曲げ強度は１７２ＭＰａであり、従来から使用されている成形型１０を用いて成形した摩擦材Ｑの曲げ強度は１２８ＭＰａであった。
【００７０】
即ち、本実施形態における成形型１を用いて成形した摩擦材Ｐは、従来から使用されているタイプの成形型１０を用いて成形した摩擦材Ｑよりも約３４％強度が増していることになる。
【００７１】
このように、本実施形態における成形型１、及び成形体の成形方法によれば、従来と変わらない手順で、従来よりも機械的性質が優れた摩擦材を製造することができる。
【００７２】
またそれに伴い、個々の成形体を別々に成形し、それらを一体化させるという従来より行われてきた方法に必須であった、接着（溶着）箇所の強度を確認する検査や接着剤が不要になる。
【００７３】
従って、成形体の製造に余分な費用がかからなくなる為、成形体を低コストにて製造することができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上のことにより、本発明によれば、複数の機能・性質を有する成形体（部品）を容易に成形する成形型、及び成形体の成形方法を提供することができる。
【００７５】
また、本発明によれば、同一部品の個所毎に材料の組み合わせによって様々な機能を有する部品を低コストにて製造する成形型、及び成形体の成形方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における摩擦材Ｐの配合内容と配合比率を示す表である。
【図２】本実施形態における摩擦材Ｐの積層状態を示した断面図である。
【図３】本実施形態における成形型に粉体材料が充填された状態の断面図である。
【図４】従来の成形型に粉体材料が充填された状態の断面図である。
【符号の説明】
１　成形型（本発明）
２　配合材Ａ
３　配合材Ｂ
４　配合材Ｃ
５　予備成形金型
６　予備成形体
７　中型
８　下型
９　上型
１０　成形型（従来）
１１　中型（従来）
１２　上型（従来）
１３　下型（従来）
Ｐ、Ｑ　摩擦材

Claims (7)

1. 中型と上型と下型とから構成され、型内に充填された材料から成形体を成形するための成形型であって、
   前記成形型に与えられた熱エネルギーの前記材料への伝達率が前記成形型を構成する部位に応じて異なることを特徴とする成形型。
2. 前記中型、前記上型、及び前記下型は、部位毎に質量が異なることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
3. 中型と上型と下型とから構成され、型内に充填された材料から成形体を成形するための成形型であって、
   前記中型、前記上型、及び前記下型は部位毎に電気抵抗率が異なることを特徴とする成形型。
4. 中型と上型と下型とから構成され、型内に充填された材料から成形体を成形するための成形型であって、
   前記中型、前記上型、及び前記下型は部位毎に質量、及び電気抵抗率が異なることを特徴とする成形型。
5. 中型と上型と下型とから構成され、型内に充填された材料から成形体を成形するための成形型であって、
   前記中型、前記上型、及び前記下型は、部位毎に質量、及び／又は電気抵抗率が異なり、前記中型に充填された材料は、放電プラズマ焼結により成形されることを特徴とする成形型。
6. 前記成形体は、傾斜機能材料であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の成形型。
7. 中型と上型と下型とから構成され、型内に充填された材料から成形体を成形するための成形型であって、
   前記材料を前記中型に充填するステップと、
   前記中型に充填した前記材料を加圧するステップと、
   前記材料を放電プラズマ焼結するステップと、
   を含み、
   前記中型、前記上型、及び前記下型は、部位毎に質量、及び／又は電気抵抗が異なることを特徴とする成形体の成形方法。

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