JP2004256845A - 焼結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺の棒材又は断面が一様でない焼結体であっても、焼結体の品質が均一であり、焼結性に優れた焼結方法及び焼結装置を提供する。
【解決手段】通電部分と被焼結部位とを相対的に移動させながら筒状の成形空間を有する型内で粉末を直接通電加圧焼結する方法において、通電用電極の上下位置を不変にすると共に該通電用電極に対して型と被焼結部位を順次移動させ、連続的に焼結することを特徴とする焼結方法。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、セラミックス等の被焼結材料の加熱部位を特定位置に限定しながら、被焼結材料と加熱部位とを相対的に移動させることにより直接加圧通電し、短時間で材料を焼結する装置に関する。本発明は、長尺の棒材や断面が一様とならない焼結体を得るのに好適な製造装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直接通電による加圧焼結法によれば、被焼結材をきわめて高速に昇温できるため、雰囲気加熱による従来の焼結手法と比較して製造時間の大幅な短縮が可能である。
一般に、従来の直接通電による加熱焼結法は、被焼結体の軸方向の両端に通電加熱用の電極を配置して加圧すると同時に加熱する手法が取られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、このような直接通電による加熱では、通電経路における両者の接触部分での発熱量が、他の被焼結粉末の部位に比べて特に大きくなるため、電極接触面から焼結材料中央部（電極から離れた位置）へ向かって、温度勾配が発生する。
したがって、棒材のように通電経路が長い焼結製品を製造する場合には材料全体を均一な温度で焼結することがきわめて難しいという問題がある。
【０００３】
また、通電経路に対して焼結体の断面が長さ方向に一様とならない部材（すなわち断面積が変化する部材）では、通電経路に垂直な断面の面積差によって電気抵抗が変わるため、発熱量が変化して均一な焼結体が得られないという問題がある。
したがって、従来の直接通電による加圧焼結法では、ある長さ以上を有する棒材ならびに段付の部材など断面が一様でない焼結体を、均一な材質をもつ製品に製造することが難しいという問題があった。
【０００４】
このようなことから、従来の被焼結体の軸方向の両端に通電加熱用の電極を配置して加圧する替わりに、被焼結体の側面に電極を配置し加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この場合電極と焼結体が固定された位置で行われているので、長尺のものを連続的に焼結することはできない。
また、連続的に焼結するという観点からみると、被焼結粉末をロールに挟んで薄板をロール状の電極で通電加熱する提案もある（例えば、特許文献３参照）。しかし、この場合薄板を製造することだけに限定され、他の形状の部品を焼結できないという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２３９７０７号公報
【特許文献２】
特開平１０−２５９４０５号公報
【特許文献３】
特開平９−２６８３０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、長尺の棒材又は断面が一様でない焼結体であっても、焼結体の品質が均一であり、焼結性に優れた焼結装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、棒状又は断面が一様でない焼結体を得るために研究を重ねた結果、被焼結材料の加熱する部分（位置）を制限（限定）し、被焼結材料と通電部とを相対的に順次移動させながら焼結を行うことにより、この目的を達成し得ることを見いだした。
【０００８】
すなわち、本発明は、上記知見に基づき
１．通電部分と被焼結部位とを相対的に移動させながら筒状の成形空間を有する型内で粉末を直接通電加圧焼結する装置において、型と被焼結部位を順次移動させる位置制御が可能な昇降ラムを備えていることを特徴とする焼結装置
２．筒状の型内に配置した焼結粉末材料を型の一端部から加圧する荷重制御可能な加圧ラムを備えていることを特徴とする上記１記載の焼結装置
３．型の周囲に配置した通電用電極を押圧するか又は通電板を介して押圧する電極ラムを備えることを特徴とする上記１又は２記載の焼結装置
４．焼結粉末材料を一方向に焼結することを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の焼結装置
５．長尺の焼結粉末材料を焼結することを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載の焼結装置
６．加熱部位を設定しながら断面が一様でない材料を焼結することを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載の焼結装置
を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明においては、公知の通電加圧焼結法を基に、従来は被焼結材料と焼結空間を備えた型とを一体として全体的に加熱していたものを、通電部分を型の特定位置に限定し、被焼結部位と加熱部分とを相対的に移動させながら一方向へ連続的に焼結していくことによって、焼結品質が良好な棒状又は断面が一様でない焼結部材を製造する。
図１に示すように、被焼結粉末９を充填する筒状の成形空間を有する型３を有し、該型３の成形空間の内径と同寸法の外形を有するパンチ４、５が型３の両端部（上下端部）に配置されている。このパンチ４により型内の被焼結粉末９を押圧する。
【００１０】
下パンチ５は通常固定式であり、上パンチ４によってより型内の被焼結粉末９を押圧する（負荷を与える）構造であるが、下パンチ５を移動する構造とすることもできる。上パンチ４は加圧用ラム１により加圧する。図１に示すように、加圧盤１３を介して加圧用ラム１により加圧する構造とすることもできる。
下パンチ５は移動可能な昇降ステージ１４を介して昇降用ラム２に支持されている。昇降ステージ１４は筒状の成形空間を有する型３を支持する構造とし、その昇降によって成形空間を有する型３の高さを調節する。
【００１１】
型３内の被焼結粉末に通電加熱する電極８は、水平方向に移動できるように設計されている。これは電源からの通電装置の機構を複雑にしないために必要である。
さらに、電極８の通電部を型に押圧する電極加圧ラム１０を備える。図１に示すように、左右に一対の電極加圧ラム１０を有する。電極８は型３に対して通電板６を介して押圧する構造とすることができる。
この通電板６は、焼結用原料粉末９の加熱領域７に相応する幅を有している。通電板６を持たずに直接電極８を使用して通電する場合は、電極８そのものが同様の幅を持つように設計する。
図１において、通電板６は左右から型を挟む構造となっているが、これに替えて、型３の長手方向に自由に移動でき、かつ型３に密着するリング通電リングを用いることもできる。この場合も、同様に焼結用原料粉末９の加熱領域に相応する幅を有している。
【００１２】
上記の装置において、筒状の成形空間を有する型３内に粉末９を装填し、さらに昇降ステージ１４を一旦固定して高さ位置を調節した後、型３の上端部から加圧する上パンチ４により原料焼結粉末９を押圧する。
一方、通電用電極８の位置を原料焼結粉末９の焼結部分に位置合わせして上下の位置を設定すると共に通電を開始する。通電焼結は短時間で実施される。
長尺の棒状材を焼結する場合、ステージ位置の調整は段階的に又は連続的に行うこともできる。また通電を行いながら又は通電を断続させてステージ位置を調整するもできる。
すなわち、ステージ位置を段階的に又は連続的に任意に調節し、また同時に通電を行いながら又は通電を断続させて、型３の一端部から加圧するパンチ４により原料焼結粉末９を押圧し焼結を行うことができる。
【００１３】
これによって、長尺の棒材であっても、型３の上端部から被焼結部位を順次移動させながら、段階的に順次（連続的に）焼結することができる。
また、自由に設定可能なステージ昇降ラム２の位置に連動させながら、電極８に通電する電流及び加圧ラム１による負荷を調節することにより、長尺材の任意の位置を任意の温度に、加圧力を制御しながら焼結することができる。
また、被焼結材料における断面形状（電気抵抗）が変化しても、加熱領域を小さくすれば形状変化に伴う各位置での発熱量の差の絶対値は小さくなる。したがって、焼結の良否に影響を及ぼさない程度まで加熱領域を決定する通電板６の厚みｔを十分薄くすれば、断面が一様でない部材でも良好に焼結することができる。
以上のように、焼結粉末原料９の部分ごとに、電気抵抗に合わせたきめ細かく電流値の制御が可能である。
【００１４】
本焼結方法は、焼結粉末材料９を一方向に焼結することが可能であり、上記のように、長尺の焼結粉末材料９を焼結することも容易にできる特徴を有する。また、加熱部位を設定しながら断面が一様でない材料を焼結すること、例えば小径部と大径部を有する棒状体、即ち段差のある棒状体も容易の焼結することができる。
すなわち本発明は、比較的簡単な装置構造により、長尺又は異形の棒状材を容易に焼結することができる著しい特徴を有している。
【００１５】
【実施例】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲で、本実施例以外の態様あるいは変形を全て包含するものである。
【００１６】
図２に示すように、直径φ１５ｍｍの穴をあけた外寸４０ｍｍ角、長さＬ＝１００ｍｍのグラファイト製シリンダ型３に対し、長さ１０ｍｍのパンチ５をシリンダ３の下端からはみ出さないように差し込み、平均粒径２０μｍのアルミニウム粉末９を２６．０ｇ充てんして焼結試験用のサンプルを準備した。
このサンプルをシリンダ３の下端から電極８の中心までの距離が８０ｍｍとなるよう高さを調整してステージ上に立て、電極８の中央に取り付けた高さ３０ｍｍ×幅４０ｍｍの通電板６で挟んだ。
【００１７】
シリンダ３上部に長さ４０ｍｍのパンチ４を取り付け、９００ｋｇｆの荷重で圧粉した。この状態で電極８間に通電し６５０°Ｃまで加熱した。なお、温度制御に際し、シリンダの下端から８０ｍｍの高さにある側面中央にあけた深さ１２．０ｍｍの穴に差し込んだ熱電対により温度測定を行った。
続いて、ステージ上に厚さ１０ｍｍのスペーサを２枚おき、シリンダの位置を２０ｍｍ上げると同時に、熱電対の位置を２０ｍｍ下げ（電極の中心線上）、上記と同様の手順により２回目の加熱を行った。これを続いて２回繰り返し、合計４回の加熱を行って棒状焼結品とした。
なお、４回目の加熱については、図５に示すように、使用した装置におけるチャンバ寸法の関係で、ステージ上に６０ｍｍ分のスペーサを挿入することができなかったためシリンダを上下反転させて行った。
この実施例により、長さ約５５ｍｍのアルミニウム焼結品を得ることができた。この焼結品の密度について調べたところ、相対密度で９９．７％という値が得られた。この結果は、焼結品の密度として十分な数値を示すものであり、本発明によって良好な棒状の焼結品が得られることが確認できた。
【００１８】
装置のスケールアップを図り、型（シリンダ）３をより長く動かせるようにすれば、加熱の回数を増やすことによってさらに長い焼結品を製造することができる。また、加熱領域を小さくとり、部分ごとの電気抵抗にあわせた電流値の制御を行えば、断面形状が変化しても一定の温度で焼結することが可能である。したがって、本発明により良好な長尺物ならびに断面形状が一様でない部材の焼結による製造が可能である。
なお、実施例ではアルミニウムについてのみ行ったが、アルミニウム材料に制限されるものではない。他の金属やセラミックスなどの粉末にも十分適用できる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、原料と電極とを相対的に移動させながら焼結することができ、製品全体を一度に焼結する必要がないため加熱する領域を小さくすることができるという効果がある。
また、型に取り付けた電極接続端子板を通して通電するので、電極接続端子板の厚さに相当する部分にだけ発熱が生ずる。したがって、電極接続端子板の厚みを被焼結材料の断面が一様である範囲にまで薄くすれば、その位置における被焼結材料の発熱は均一となる。
これにより、焼結時の温度むらが抑制され、品質に優れた長尺焼結体又は断面形状が一様でない部材の焼結体の製造が可能となる著しい効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、長尺の焼結体を製造するために使用する装置の一例を示す概略説明図である。
【図２】本発明の、静止ステージとスペーサを使用して長尺の焼結体を製造するために使用する装置の一例を示す概略説明図である。
【図３】図２において、スペーサを２枚使用して長尺の焼結体を製造する様子を示した概略説明図である。
【図４】図３において、スペーサを４枚追加使用して長尺の焼結体を製造する様子を示した概略説明図である。
【図５】図４後の焼結後、部分的に焼結した型を反転させて最後の焼結を行う長尺の焼結体を製造する様子を示した概略説明図である。
【符号の説明】
１：加圧用ラム
２：昇降用ラム
３：型（シリンダ）
４：上パンチ
５：下パンチ
６：通電板
７：加熱領域
８：電極
９：原料粉末
１０：電極ラム
１１：静止ステージ
１２：スペーサ
１３：加圧盤
１４：昇降ステージ
１５：大径部分
１６：小径部分

Claims (6)

1. 通電部分と被焼結部位とを相対的に移動させながら筒状の成形空間を有する型内で粉末を直接通電加圧焼結する装置において、型と被焼結部位を順次移動させる位置制御が可能な昇降ラムを備えていることを特徴とする焼結装置。
2. 筒状の型内に配置した焼結粉末材料を型の一端部から加圧する荷重制御可能な加圧ラムを備えていることを特徴とする請求項１記載の焼結装置。
3. 型の周囲に配置した通電用電極を押圧するか又は通電板を介して押圧する電極ラムを備えることを特徴とする請求項１又は２記載の焼結装置。
4. 焼結粉末材料を一方向に焼結することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焼結装置。
5. 長尺の焼結粉末材料を焼結することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焼結装置。
6. 加熱部位を設定しながら断面が一様でない材料を焼結することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の焼結装置。

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