JP2004323923A - 通電加圧焼結装置の焼結型 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張係数の大きい素材の粉末を中空な焼結品に焼結しても、焼結品が破損することを防ぐことができ、焼結品を精度良く形成することができる通電加圧焼結装置の焼結型を提供することを目的とする。
【解決手段】中空部分を備えたモールド８１と、モールド８１の中空部分に挿入離脱自在に取り付けられた上下一対のパンチ８２，８３と、モールド８１の中空部分において上下一対のパンチ８２，８３の間に配設された中子２００ とからなる通電加圧焼結装置の焼結型８０であって、中子２００ の素材が、焼結される被焼結粉末ｍの熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有している。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電加圧焼結装置の焼結型に関する。通電加圧焼結装置は、内部に金属やセラミックス等の粉末が入れられた焼結型内の粉末を加圧しながら通電し、通電により焼結型や粉末を発熱させて、粉末を加熱焼結させるための装置である。本発明は、かかる通電加圧焼結装置の焼結型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粉末ｍを加圧焼結して焼結品を製造する通電加圧焼結装置の焼結型は、中空部分を有するモールドと、このモールドの中空部部分に挿入された上下一対のパンチから構成されている。そして、上下一対のパンチには、上下一対のカーボンスペーサおよび上下一対の通電加圧軸を介して直流電源の正極負極がそれぞれ接続されている。このため、モールドの中空部分における上下一対のパンチの間の空間に、銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の粉末を気密に収容して、上下一対の通電加圧軸によって上下のパンチを接近させて上下一対のパンチに通電しながら粉末を加圧すれば、焼結型および粉末が発熱するので、粉末を加圧焼結することができる。
【０００３】
そして、中空な円筒状の焼結品を焼結する焼結型の場合、モールドの中空部分には焼結品の中空部分を形成する中子が取り付けられており、この中子の外面とモールドの内面との間に焼結室が形成される。このため、焼結室内に粉末を気密に収容して、上下一対のパンチに通電しながら粉末を加圧すれば、中子の部分が中空になった焼結品を製造することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、焼結が終了すると焼結型や焼結品、中子は冷却されるが、いずれも加熱により膨張していたため、外径が収縮して小さくなる。
ところが、中子には、通常、その素材がカーボン製のものが使用されているため、熱膨張係数がカーボンよりも大きい、例えばＺ_ｒＯ_２やＳＵＳ等の粉末を焼結した場合、中子の収縮割合に比べて焼結品の収縮割合が大きくなる。この場合、冷却過程では、焼結品の内径に比べて中子の外径の方が大きくなる状態が生じる。すると、焼結品が中子に焼きばめされた状態となり、焼結品が、その内径と中子の外径との差によって発生する応力に耐えられない場合には、割れてしまうという問題が発生する。
また、通常、中子は、被焼結粉末の内圧と、中子の外面と被焼結粉末との間に発生する摩擦抵抗によって一定の位置に配置されている。ところが、焼結品が大型化すると、それに伴って中子が大きくなるため、中実な中子を用いた場合、その重量が非常に重くなる。例えば、焼結品が、その内径が３００ｍｍ、長さが６００ｍｍであれば、カーボン製の中子の重量は１００ｋｇ以上にもなる。すると被焼結粉末の内圧等によって中子を確実に一定の位置に保つことができなくなる可能性があるため、焼結品を精度良く形成することができないという問題が発生する。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑み、熱膨張係数の大きい素材の粉末を中空な焼結品に焼結しても、焼結品が破損することを防ぐことができ、焼結品を精度良く形成することができる通電加圧焼結装置の焼結型を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の通電加圧焼結装置の焼結型は、中空部分を備えたモールドと、該モールドの中空部分に挿入離脱自在に取り付けられた上下一対のパンチと、前記モールドの中空部分において上下一対のパンチの間に配設された中子とからなる通電加圧焼結装置の焼結型であって、前記中子の素材が、焼結される被焼結粉末の熱膨張係数と同等若しくは該被焼結粉末の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有していることを特徴とする。
請求項２の通電加圧焼結装置の焼結型は、請求項１記載の発明において、前記中子が、その内部に中空な空間を有することを特徴とする。
請求項３の通電加圧焼結装置の焼結型は、請求項２記載の発明において、前記中子の中空な空間に、該中子の変形を防ぐための形状保持部材が設けられており、該形状保持部材の素材の熱膨張係数が、前記中子の熱膨張係数より小さいものであり、焼結終了後、焼結型を冷却すると、前記中子の収縮により前記形状保持部材が破壊されることを特徴とする。
請求項４の通電加圧焼結装置の焼結型は、請求項２記載の発明において前記中子が、導電性を有する素材で形成されており、該中子の外周面に、絶縁材が設けられていることを特徴とする。
請求項５の通電加圧焼結装置の焼結型は、請求項１記載の発明において前記上下一対のパンチと焼結される被焼結粉末との間に、両者の間を隔離するスペーサが設けられており、該スペーサの素材が、前記モールドの熱膨張係数と同等若しくは該モールドの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有していることを特徴とする。
請求項６の通電加圧焼結装置の焼結型は、請求項１記載の発明において前記モールドに向けて移動可能に設けられた前記一対のパンチを前記モールドの中空部分に向けて加圧するための上下一対の加圧部を備えており、前記上下一対の加圧部における前記モールド側の端部と前記モールドとの間に、一対の絶縁スペーサが設けられており、該一対の絶縁スペーサの素材が、前記モールドの熱膨張係数と同等若しくは該モールドの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁素材であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、本実施形態の焼結型８０は、中空な焼結品を成形するための焼結型であって、モールド８１、上下一対のパンチ８２，８３および焼結品の中空部分を形成するための中子２００ とから構成されたものであり、熱膨張係数がカーボンよりも大きい、例えばＺ_ｒＯ_２やＳＵＳ等の粉末ｍを、精度良く形成することができるように中子２００ を構成したことが特徴である。
なお、図１において符号ｍは、本実施形態の焼結型８０によって焼結される被焼結粉末を示している。また、図１において、符号ＰＡは、上下一対の通電加圧軸を示しており、符号ＣＳは通電加圧軸ＰＡがパンチ８２，８３と直接接触することを防ぐために設けられたカーボンスペーサを示している。
【０００８】
まず、本発明の特徴である中子２００ を説明する前に、焼結型８０の概略を説明する。
図１に示すように、モールド８１は、中空部分を備えた部材であり、その素材はカーボングラファイトである。このモールド８１の中空部分には、中子２００ が配設されているが、詳細は後述する。
上下一対のパンチ８２，８３は、その素材が、例えばカーボングラファイトである。この上下一対のパンチ８２，８３は円筒状をしており、上方のパンチ８２の下端部および下方のパンチ８３の上端部が、中子２００ の外面とモールド８１の中空部分の内面との間に挿入離脱自在に取り付けられている。
そして、モールド８１の中空部分の内面、中子２００ の外面、上方のパンチ８２の下端および下方のパンチ８３の上端によって囲まれた部分に円筒状の焼結室Ａが形成されている。
また、この上下一対のパンチ８２，８３には、一対のカーボンスペーサＣＳ，ＣＳおよび上下一対の通電加圧軸ＰＡ，ＰＡを介して直流電源の正極負極がそれぞれ接続されている。
【０００９】
このため、焼結室Ａ内に被焼結粉末ｍを封入し、上下一対の通電加圧軸ＰＡ，ＰＡによって上下のパンチ１８２，１８３ を接近させて、上下一対のパンチ８２，８３によって被焼結粉末ｍを上下から加圧しながら直流電源によってパンチ８２，８３に通電すれば、被焼結粉末ｍおよび焼結型８０が発熱しその温度が上昇するので、焼結室Ａ内の被焼結粉末ｍが焼結される。そして、モールド８１の中空部分に中子２００ が配置されているから、中子２００ の部分に空洞が形成された焼結品を形成することができる。
そして、焼結終了後、焼結型８０とともに焼結品を冷却すれば、焼結作業が完了する。
【００１０】
さて、本発明の特徴である中子２００ を説明する。
本発明の焼結型８０に使用される中子２００ は、通常の中子の素材がカーボンであるのに対し、その素材が炭素鋼やステンレス等であり、その熱膨張係数が、カーボンの熱膨張係数よりも大きく、Ｚ_ｒＯ_２等の被焼結粉末ｍの熱膨張係数と同等もしくはそれよりも大きいものである。
このため、焼結終了後、焼結型８０を冷却すると、焼結型８０および焼結品は収縮するが、中子２００ も、焼結品とほぼ同等もしくはそれよりも大きく収縮する。よって、焼結品が収縮したときに、焼結品が中子２００ に焼きばめされた状態になること、つまり焼結品の内径寸法が中子２００ の外形寸法よりも小さくなることを防ぐことができる。したがって、Ｚ_ｒＯ_２等、カーボンよりも熱膨張係数が大きな素材の被焼結粉末ｍを焼結しても、焼結品の冷却時に、焼結品と中子２００ の間に大きな応力が発生することを防ぐことができるので、冷却時に焼結品が割れることを防ぐことができる。
【００１１】
また、図２に示すように、中子２００ もその内部に中空な空間を有するように形成すれば、中子２００ を軽くすることができるので、中子２００ の取り扱いを容易にすることができる。
そして、本発明の中子２００ は、その内部に中空な空間を有する形状としたことにより、中子２００ の重量を軽くすることができるから、大型の焼結品を焼結する場合であっても中子２００ の重量が軽くなる。
よって、大型の焼結品を焼結する場合であっても、中子２００ を被焼結粉末ｍの内圧等によって中子２００ を確実に一定の位置に保つことができるから、大型の中空な焼結品であっても精度良く焼結することができる。
【００１２】
さらに、図３に示すように、中子２００ の中空な空間に、中空かつその厚さが薄い形状保持部材２０２ を設けても良い。この場合、形状保持部材２０２ の素材として、その熱膨張係数が中子２００ の熱膨張係数より小さい、例えばカーボン等のクリープしない素材を使用すると、焼結時には、被焼結粉末ｍから中子２００ に加わる内圧の一部を形状保持部材２０２ に負担させることができるので、中子２００ の変形を防ぐことができる。そして、冷却時には、形状保持部材２０２ はその熱膨張係数が中子２００ の熱膨張係数より小さいので、中子２００ が収縮するときに中子２００ が形状保持部材２０２ に焼きばめされた状態となるが、形状保持部材２０２ はその厚さが薄いので、中子２００ から応力によって破壊し、中子２００ の収縮の妨げにならない。
したがって、形状保持部材２０２ を設けても焼結品と中子２００ を同じ収縮割合で収縮させることができるので、熱膨張係数の大きい素材の被焼結粉末ｍであっても、中空な焼結品を精度良く焼結することができ、焼結品が冷却されるときに破損することも防ぐことができる。
【００１３】
なお、形状保持部材２０２ の素材および形状は上記の素材や形状に限定されず、加熱時には、中子２００ に加わる被焼結粉末ｍの内圧の一部を負担して中子２００ の変形を防ぐことができ、冷却時には、中子２００ が収縮するときの応力によって破壊するように形成されていれば、どのような素材、形状を採用してもよい。
【００１４】
また、図４に示すように、中子２００ の素材として、導電性のある炭素鋼やＳＵＳを使用した場合、中子２００ の外周面、つまり、中子２００ と被焼結粉末ｍおよび上下一対のパンチ８２，８３との間に、例えばセラミックシート等の絶縁材２０１ を設けると好適である。この場合、上下一対のパンチ８２，８３間に通電したときに、絶縁材２０１ によって上下一対のパンチ８２，８３や被焼結粉末ｍから中子２００ に通電することを防ぐことができる。すると、中子２００ 自体が通電により自己発熱することを防ぐことができ、中子２００ の温度上昇を抑えることができるので、中子２００ の強度が低下することを防ぐことができる。よって、焼結時に被焼結粉末ｍの内圧が中子２００ に加わったときに中子２００ が変形することを防ぐことができるから、焼結品を精度良く形成することができる。
【００１５】
また、図５に示すように、上下一対のパンチ８２，８３と焼結される被焼結粉末ｍとの間に、両者の間を隔離する、例えばカーボン等を素材とするスペーサ２０３ が設けられている。
すると、焼結時において、上下一対のパンチ８２，８３と被焼結粉末ｍとが反応して食い付き、つまり上下一対のパンチ８２，８３と被焼結粉末ｍとがくっつくことを確実に防ぐことができ、しかも上下一対のパンチ８２，８３が破損することを防ぐことができる。よって、上下一対のパンチ８２，８３を何度でも再利用することができる。
なお、スペーサ２０３ の素材は、モールド８１を構成する素材と同等、若しくそれより大きい熱膨張係数を有していればよく、とくに限定はない。そして、中子２００ を設けない場合であっても、上下一対のパンチ８２，８３と焼結される被焼結粉末ｍとの間に上記のごときスペーサ２０３ を設ければ、上下一対のパンチ８２，８３と被焼結粉末ｍとがくっつくことを確実に防ぐことができ、上下一対のパンチ８２，８３を何度でも再利用することができるという効果が得られる。
【００１６】
また、図６に示すように、一対のカーボンスペーサＣＳ，ＣＳとモールド８１との間に、モールド８１の素材の熱膨張係数と同等、若しくそれより大きい熱膨張係数を有する絶縁素材によって形成された一対の絶縁スペーサ２０４，２０４ を設ければ、上下一対のパンチ８２，８３のモールド８１への進入量を制限することができる。つまり、一対の絶縁スペーサ２０４，２０４ が、上下一対のパンチ８２，８３の移動、つまり上下一対の通電加圧軸ＰＡ，ＰＡの移動を制限するストッパーとして機能するのである。
すると、上下一対のパンチ８２，８３の互いに対向する内面間の距離Ｌ３、つまり焼結品の高さを、一対の絶縁スペーサ２０４，２０４ の高さＬ１，Ｌ２を合わせた長さに調整することができるから、焼結品の成形精度を高くすることができる。
そして、一対の絶縁スペーサ２０４，２０４ が絶縁素材であるから、絶縁スペーサ２０４，２０４ を通って一対のカーボンスペーサＣＳ，ＣＳからモールド８１に電流が流れないので、一対の絶縁スペーサ２０４，２０４ を設けたことによる通電経路の変化も防ぐことができる。
なお、中子２００ を設けない場合であっても、一対のカーボンスペーサＣＳ，ＣＳとモールド８１との間に一対の絶縁スペーサ２０４，２０４ を設ければ、上下一対のパンチ８２，８３のモールド８１への進入量を制限することができ、焼結品の成形精度を高くすることができるという効果が得られる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、中子の素材が焼結される被焼結粉末の熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有しているので、焼結後、焼結型を冷却するときに、中子と焼結品の収縮割合をほぼ同等にすることができる。このため、焼結が終了した後で、焼結型などを冷却するときに、焼結品と中子との間に大きな応力が発生しないので、焼結品が割れたりすることを防ぐことができる。よって、熱膨張係数の大きい素材の粉末であっても、中空な焼結品に焼結することができ、焼結型の冷却中に焼結品が破損することを防ぐことができる。
請求項２の発明によれば、中子が軽くなるので、中子の取り扱いが容易になる。そして、大型の焼結品を焼結する場合でも、中子の重量を軽くすることができるから、被焼結粉末の内圧および中子と被焼結粉末との間に発生する摩擦抵抗によって中子を一定の位置に保つことができる。
請求項３の発明によれば、形状保持部材が、加熱時には、中子に加わる被焼結粉末の内圧の一部を負担するので中子の変形を防ぐことができ、冷却時には、中子が収縮するときの応力によって破壊するので焼結品と中子との間に大きな応力が発生しない。よって、熱膨張係数の大きい素材の粉末であっても、中空な焼結品を精度良く焼結することができ、焼結品が冷却されるときに破損することも防ぐことができる。
請求項４の発明によれば、絶縁材によって中子への通電を防ぐことができるので、中子自体は自己発熱しない。このため、中子の温度上昇を抑えることができるので、中子の強度が低下することを防ぐことができる。よって、被焼結粉末の内圧が中子に加わったときに中子が変形することを防ぐことができるから、焼結品を精度良く形成することができる。
請求項５の発明によれば、焼結時において、上下一対のパンチと被焼結粉末とが反応して食い付き、つまり上下一対のパンチと被焼結粉末とがくっつくことを確実に防ぐことができる。よって、上下一対のパンチを何度でも再利用することができる。
請求項６の発明によれば、絶縁スペーサによって加圧部の移動量を制限することができるから、上下一対のパンチの互いに対向する内面間の距離、つまり焼結品の高さを調整することができるから、焼結品の成形精度を高くすることができる。そして、一対の絶縁スペーサが絶縁素材であるから、絶縁スペーサを通って加圧部からモールドに電流が流れないので、一対の絶縁スペーサを設けたことによる通電経路の変化も防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空な焼結品を焼結するための通電加圧焼結装置の焼結型８０の縦断面図である。
【図２】他の実施形態の通電加圧焼結装置の焼結型８０の縦断面図である。
【図３】他の実施形態の通電加圧焼結装置の焼結型８０の縦断面図である。
【図４】他の実施形態の通電加圧焼結装置の焼結型８０の縦断面図である。
【図５】他の実施形態の通電加圧焼結装置の焼結型８０の縦断面図である。
【図６】他の実施形態の通電加圧焼結装置の焼結型８０の縦断面図である。
【符号の説明】
８０ 焼結型
８１ モールド
８２ パンチ
８３ パンチ
２００ 中子
２０１ 絶縁材
２０２ 形状維持部材
２０３ スペーサ
２０４ 絶縁スペーサ
Ａ 焼結室

Claims (6)

1. 中空部分を備えたモールドと、該モールドの中空部分に挿入離脱自在に取り付けられた上下一対のパンチと、前記モールドの中空部分において上下一対のパンチの間に配設された中子とからなる通電加圧焼結装置の焼結型であって、
   前記中子の素材が、焼結される被焼結粉末の熱膨張係数と同等若しくは該被焼結粉末の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有している
   ことを特徴とする通電加圧焼結装置の焼結型。
2. 前記中子が、その内部に中空な空間を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の通電加圧焼結装置の焼結型。
3. 前記中子の中空な空間に、該中子の変形を防ぐための形状保持部材が設けられており、
   該形状保持部材の素材の熱膨張係数が、前記中子の熱膨張係数より小さいものであり、
   焼結終了後、焼結型を冷却すると、前記中子の収縮により前記形状保持部材が破壊される
   ことを特徴とする請求項２記載の通電加圧焼結装置の焼結型。
4. 前記中子が、導電性を有する素材で形成されており、
   該中子の外周面に、絶縁材が設けられている
   ことを特徴とする請求項２記載の通電加圧焼結装置の焼結型。
5. 前記上下一対のパンチと焼結される被焼結粉末との間に、両者の間を隔離するスペーサが設けられており、該スペーサの素材が、前記モールドの熱膨張係数と同等若しくは該モールドの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有している
   ことを特徴とする請求項１記載の通電加圧焼結装置の焼結型。
6. 前記モールドに向けて移動可能に設けられた、前記一対のパンチを前記モールドの中空部分に向けて加圧するための上下一対の加圧部を備えており、
   前記上下一対の加圧部における前記モールド側の端部と前記モールドとの間に、一対の絶縁スペーサが設けられており、
   該一対の絶縁スペーサの素材が、前記モールドの素材の熱膨張係数と同等若しくは該モールドの素材の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する絶縁素材である
   ことを特徴とする請求項１記載の通電加圧焼結装置の焼結型。

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