JP2005349438A - 傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の傾斜組成分布を持つ傾斜材料を容易に製造することができる傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法を提供する。
【解決手段】複数の物質を含み、複数の物質の組成が徐々に変化する傾斜材料の製造装置であって、各物質の粉末を収納する収納部と、収納部を振動させる振動手段と、を有し、収納部には、複数の落下孔の少なくとも２組が、他の組と領域が仕切られて設けられ、仕切られた領域それぞれに各粉末が収納され、収納部を振動させることにより、粉末を落下孔より落下させて成形型内に充填する傾斜材料の製造装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法に関する。

傾斜材料（Functionally Gradient Materials）は、1つの材料の中で組成等が連続的にまたは段階的に変化（傾斜）していることにより、物理的、化学的機能が均一ではなく連続的にまたは段階的に変化している材料である。傾斜材料は、航空、宇宙、エネルギ、高分子、機械、生体、オプトデバイス、電気・電子デバイス等、幅広い分野での応用が検討されている。

傾斜材料の製造方法としては、従来、物理気相成長法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）等の気相法や、プラズマ溶射積層法等、各種方法が知られている。その中でも、金属材料、セラミック材料、高分子材料等の粉末を、組成を連続的・段階的に変化させて成型、焼結して傾斜材料を製造する方法が知られている。

粉末の組成を連続的・段階的に変化させて成型、焼結して傾斜材料を製造する方法としては、例えば、特開平７−３１０１０３号公報（特許文献１）には、混合比率を徐々に変えた多種類の均一混合粉を製造し、それらをそれぞれ加圧、焼結して複数の成形体を作成した後、これらを組み合わせて加熱、加圧して傾斜材料を製造する方法が示されている。

また、特開平６−６５６０５号公報（特許文献２）には、比重の異なる粉末を成形型に充填し、成形型を振動させることにより、混合原料粉を比重の差を利用して傾斜組成分布を有するように配列後、加圧、焼結して傾斜材料を製造する方法が示されている。

特開平７−３１０１０３号公報 特開平６−６５６０５号公報

しかしながら、ＰＶＤ、ＣＶＤ等の気相法では、成膜速度が１ｍｍ／ｈｒと極めて遅く、機械部品等厚みのある材料は現実的には製造することが困難である。また、プラズマ溶射積層法では、異種材料を正確に同一に溶射することが困難であり、所望の傾斜組成分布に対して変動が大きくなる。さらに、プラズマ溶射積層法では、気相法と同様に成膜速度が遅く、緻密な材料、ある程度厚みのある材料の製造は困難である。

また、特許文献１の方法では、傾斜組成が段階的であり、組成の不連続部において材料のなじみが悪く、焼結後に剥離あるいは亀裂が入る可能性がある。また、段階的傾斜組成の幅を小さくすることには限界がある。

さらに、特許文献２の方法では、成形型を振動させて混合原料粉を傾斜組成分布を有するように配列するのには非常に時間がかかり、量産性に問題がある。また、この方法では、成形型の深さ方向に傾斜組成分布を有するように原料粉を配列することはできるが、成形型の底部方向に沿って傾斜組成分布を持たせることは困難である。

本発明は、所望の傾斜組成分布を持つ傾斜材料を容易に製造することができる傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法である。

本発明は、複数の物質を含み、前記複数の物質の組成が徐々に変化する傾斜材料の製造装置であって、前記各物質の粉末を収納する収納部と、前記収納部を振動させる振動手段と、を有し、前記収納部には、複数の落下孔の少なくとも２組が、他の組と領域が仕切られて設けられ、前記仕切られた領域それぞれに前記各粉末が収納され、前記収納部を振動させることにより、前記粉末を前記落下孔より落下させて成形型内に充填する。

また、前記傾斜材料の製造装置において、前記複数の落下孔のうち少なくとも２つは、大きさが異なることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造装置において、前記複数の落下孔は、漸次大きさが異なることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造装置において、前記振動は、前記収納部が前記成形型の開口に対して水平方向に振動するように行われることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造装置において、前記落下孔には、メッシュが設けられていることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造装置において、前記収納部の振動速度をＶ（回／秒）、前記収納部の振動幅をａ（ｍｍ）、前記成形型の開口の、前記収納部の振動方向の最大長さをＬ１（ｍｍ）、前記収納部と前記開口の底部との距離をＨ（ｍｍ）、前記粉末の最大粒度をＤ（μｍ）、前記メッシュの目の大きさをＭ（μｍ）、としたときに、Ｖ≧２、ａ／Ｌ１≧１、Ｈ／Ｌ１＜８、Ｄ＜Ｍ＜４Ｄ、の関係にあることが好ましい。

また、本発明は、複数の物質を含み、前記複数の物質の組成が徐々に変化する傾斜材料の製造方法であって、前記各物質の粉末を落下させて成形体内に充填する工程と、前記充填された粉末を加圧成形して成形体を製造する工程と、前記成形体を焼結する工程と、を含み、前記各粉末の落下量を制御して成形体内に充填する。

また、前記傾斜材料の製造方法において、前記充填する工程において、複数の落下孔の少なくとも２組が、他の組と領域が仕切られて設けられた収納部の、前記仕切られた領域それぞれに収納された前記各粉末を、前記収納部を振動させることにより前記落下孔より落下させて成形型内に充填することが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造方法において、前記複数の落下孔のうち少なくとも２つは、大きさが異なることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造方法において、前記複数の落下孔は、漸次大きさが異なることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造方法において、前記振動は、前記収納部が前記成形型の開口に対して水平方向に振動するように行われることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造方法において、前記落下孔には、メッシュが設けられていることが好ましい。

また、前記傾斜材料の製造方法において、前記収納部の振動速度をＶ（回／秒）、前記収納部の振動幅をａ（ｍｍ）、前記成形型の開口の、前記収納部の振動方向の最大長さをＬ１（ｍｍ）、前記収納部と前記成形型の底部との距離をＨ（ｍｍ）、前記粉末の最大粒度をＤ（μｍ）、前記メッシュの目の大きさをＭ（μｍ）、としたときに、Ｖ≧２、ａ／Ｌ１≧１、Ｈ／Ｌ１＜８、Ｄ＜Ｍ＜４Ｄ、の関係にあることが好ましい。

本発明において、複数の原料粉末の落下量を制御して、傾斜組成分布を有するように原料粉末を成形型に落下させることにより、所望の傾斜組成分布を持つ傾斜材料を容易に製造することができる傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法を提供する。

以下、本発明の本実施形態について説明する。

従来、粉末の組成を連続的・段階的に変化させて成型、焼結して傾斜材料を製造する方法としては、前述したように比重の異なる粉末を成形型内に充填し、成形型を振動させることにより、混合原料粉を比重の差を利用して傾斜組成分布に配列後、加圧、焼結する方法が知られているが、成形型を振動させて混合原料粉を傾斜組成分布に配列するのには非常に時間がかかり、量産性に問題がある。また、従来の方法では、成形型の深さ方向に傾斜組成分布を有するように粉末を配列することはできるが、成形型の底部方向に沿って傾斜組成分布を持たせることは困難であった。しかし、材料によっては、成形型の底部方向に沿って傾斜組成分布を有するように粉末を配列することが望まれる。

そこで、成形型内への充填後に粉末の比重差を利用して傾斜組成分布に配列するのではなく、成形型内へ充填する際に粉末の落下量を制御することによって傾斜組成分布を有するように配列することを検討した。

成形型内へ充填する際の粉末の落下量の制御について種々検討した結果、本実施形態に係る傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法を見出した。すなわち、本実施形態においては、複数の物質を含み、前記複数の物質の組成が徐々に変化する傾斜材料の製造装置として、各物質の粉末を収納する収納部と、収納部を振動させる振動手段と、を有し、収納部には、複数の落下孔の少なくとも２組が、他の組と領域が仕切られて設けられ、仕切られた領域それぞれに各粉末が収納され、収納部を振動させることにより、粉末を落下孔より落下させて成形型内に充填する。

本実施形態に係る傾斜材料の製造装置の一例の概略図を図１に示す。傾斜材料製造装置１は、粉箱１０、加振装置１２、等を含んで構成される。図１（ａ）は粉箱１０の上面図、図１（ｂ）は粉箱１０の断面図、図１（ｃ）は成形型２０の上面図、図１（ｄ）は成形型２０の断面図を示す。また、図２（ａ）は図１（ａ）の拡大図、図２（ｂ）は図１（ｃ）の拡大図である。

粉箱１０には、傾斜材料を形成するための原料となる物質の粉末を収納する。粉箱１０の底部１４には、複数の落下孔１６が少なくとも２組設けられている。そして、複数の落下孔の１つの組が、他の組と混合しないように粉末仕切り板１８等の仕切り手段によって領域が仕切られて設けられている。各原料粉末をそれぞれの領域に供給し、粉箱１０を成形型２０の開口２２上に設置して、原料粉末を各落下孔１６より開口２２に落下させることにより、傾斜組成分布を有するように充填する。

傾斜組成分布を付けるためには、１組の複数の落下孔のうち、少なくとも２つは、大きさが異なることが好ましい。また、１組の複数の落下孔は、漸次大きさが異なることが好ましい。例えば、図１（ａ）及び図２（ａ）においては、１組の、漸次大きさの異なる５つの落下孔１６ｘ_１〜１６ｘ_５と、もう１組の、漸次大きさの異なる５つの落下孔１６ｙ_１〜１６ｙ_５と、が粉箱１０の底部１４に設けられている。

複数の落下孔１６は、少なくとも２組設けられていればよく、何種類の物質により傾斜材料の傾斜組成分布を構成するかに応じて、組数を決めればよい。通常は、物質Ａと物質Ｂを用いて、物質Ａから物質Ｂへと徐々に組成が変化するように傾斜材料を形成するために、２組の、複数の落下孔１６を設けるが、３種類以上の物質を用いて、傾斜組成分布を構成する場合には、３組以上の、複数の落下孔１６を設ければよい。

このように、大きさの異なる複数の落下孔１６を設けることにより、落下孔１６の孔径が大きいほど、落下する粉末が多くなり、孔径が小さいほど落下する粉末は少なくなるため、落下する粉末の量を成形型２０の開口２２の場所によって変えることができる。さらに、複数の落下孔１６の大きさが漸次変わることによって、落下孔１６の大きさが漸次変化する方向に沿って、落下する粉末の量を漸次変化させることができる。したがって、粉末を充填する成形型２０において、傾斜組成分布を付けたい方向に沿って、落下孔１６の大きさを漸次変化させることが好ましい。例えば、図２（ａ）に示すように、２組の、漸次大きさの異なる複数の落下孔１６を有する粉箱１０において、１組の落下孔１６ｘを有する領域に物質Ａの粉末を、もう１組の落下孔１６ｙを有する領域に物質Ｂの粉末を供給し、この粉箱１０から成形型２０の開口２２中に粉末を落下させることにより、容易に傾斜組成分布を形成することができる。図２の例では、成形型２０の左側ほど物質Ａの濃度が高く、物質Ｂの濃度が低くなり、成形型２０の右側ほど物質Ｂの濃度が高く、物質Ａの濃度が低くなる。

図２では、成形型２０の左側から右側に行くに従い徐々に物質Ａの濃度が低下しているが、例えば、図３のように成形型２０の中央部で物質Ｂの濃度が高く、右側及び左側では物質Ａの濃度が高くなるように落下孔１６の大きさと配置位置を変えてもよい。また、図２、図３では成形型２０の開口２２の長径（Ｌ２）方向に傾斜組成分布をつけているが、短径（Ｌ１）方向に傾斜組成分布をつけてもよい。このように、粉箱１０の底部１４に配置されている落下孔１６の大きさと配置位置を変えることによって原料粉末の落下量を制御して、傾斜組成分布を所望の方向に容易に制御することができる。

１組の落下孔１６ｘ、１６ｙにおける落下孔１６の数は、２つ以上であればよいが、組成がなるべく連続性を有するようにするためには、落下孔１６の数が多いほど好ましい。落下孔１６の数は、目的の傾斜組成分布、製品の寸法、粉末の種類等に応じて決めればよい。１組の落下孔１６における落下孔１６の数は通常は、３個以上、好ましくは５個以上、より好ましくは７個以上である。

落下孔１６の形状としては、粉末を安定して落下することができる形状であれば特に制限はないが、例えば、円形；楕円形；四角形等の多角形；等が挙げられる。落下孔１６の形状は、通常は、円形、楕円形が用いられる。

１組の落下孔１６におけるそれぞれの落下孔１６の大きさは、粉箱１０の大きさ、成形型２０の開口２２の大きさ、原料とする物質の粉末の粒度、目的の傾斜組成分布等に応じて決めればよく、特に制限はない。例えば、落下孔１６が円形であり、粉箱１０が図１のような長方体の場合には、１組の落下孔１６のうち、最も大きい落下孔１６ｘ_１の直径Ｎｘ_１を、粉箱１０の底部１４の短径（Ｐ１）に対して１／２〜２／３程度とし、以下、直径Ｎｘ_１の１／８〜１／２ずつ直径を減らしていけばよい。

例えば、図２において、１組の落下孔１６ｘのうち、最も大きい落下孔１６ｘ_１の直径Ｎｘ_１を１２ｍｍとし、以下、Ｎｘ_２＝１０ｍｍ、Ｎｘ_３＝８ｍｍ、Ｎｘ_４＝６ｍｍ、Ｎｘ_５＝４ｍｍと、２ｍｍおきに５つの落下孔１６ｘ_１〜１６ｘ_５を設け、もう一組の落下孔１６ｙのうち、最も大きい落下孔１６ｙ_１の直径Ｎｙ_１をを１２ｍｍとし、以下、Ｎｙ_２＝１０ｍｍ、Ｎｙ_３＝８ｍｍ、Ｎｙ_４＝６ｍｍ、Ｎｙ_５＝４ｍｍと、２ｍｍおきに５つの落下孔１６ｙ_１〜１６ｙ_５を設けることができる。なお、落下孔１６の大きさは、図１及び図２にようにそれぞれの組の間で互いに同じ大きさであってもよいが、図４のように、それぞれの組の間で互いに異なる大きさであってもよく、原料となる物質の粉末の性状や、目的の傾斜組成分布等に応じて決めればよい。

なお、落下孔１６の大きさは、落下孔１６の形状が円形である場合には上述の通り円の直径で定義されるが、楕円形の場合には長径で、多角形の場合には対角線の長さで定義される。

粉末仕切り板１８等の仕切り手段は、複数の落下孔１６の１つの組の領域と、他の落下孔１６の組の領域とを仕切るために使用され、各原料物質の粉末が混合することを防止する。粉末仕切り板１８は、複数の落下孔１６のそれぞれの組の領域が、ほぼ同じ面積になるように設置されることが好ましい。

粉箱１０を構成する材料は、ある程度の強度を有し、加工が容易な材料であれば特に制限はないが、例えば、ステンレス鋼、タングステン、銅等の金属；Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等のセラミックス等が挙げられる。

また、粉箱１０の形状としては特に制限はなく、例えば、長方体、直方体等が挙げられるが、通常は長方体が用いられる。

なお、粉箱１０の底部１４の下には、収納した粉末がすぐに落下しないように、全ての落下孔１６を塞ぐための充填仕切り板２４を設置することが好ましい。各原料の粉末を粉箱１０に収納し終わった後、充填仕切り板２４を外すことにより、いっせいに粉末を落下させることが好ましい。

また、落下孔１６の大きさによっては、単に落下孔１６を設けただけでは粉末が短時間で落下してしまう場合があり、傾斜組成分布を制御しにくくなるため、落下孔１６には、メッシュ２６が設けられていることが好ましい。メッシュ２６を設けることにより、粉末の落下速度を抑えることができるため、落下速度が安定し、粉末の傾斜組成分布を制御しやすくなる。

メッシュ２６の目の大きさは、原料となる物質の粉末の粒度、粒度分布等に応じて決めればよいが、粉末の最大粒度をＤ（μｍ）、メッシュ２６の目の大きさをＭ（μｍ）、としたときに、Ｄ＜Ｍ＜４Ｄ、の関係にあることが好ましく、Ｄ＜Ｍ＜２Ｄの関係にあることがより好ましい。ＭがＤより小さいと、落下することができない粉末が生じ、Ｍが４Ｄより大きいと、粉末が短時間で落下してしまうので傾斜組成分布を制御しにくくなる。このように、粉末の最大粒度Ｄに応じて、メッシュ２６の目の大きさＭを設定することにより、粉末の傾斜組成分布をより制御しやすくなる。

また、メッシュ２６の目の大きさＭは、原料となる物質の粉末の体積平均粒径をＤｖとしたときに、０．５Ｄｖ＜Ｍ＜６Ｄｖの関係にあることが好ましい。０．５Ｄｖより小さいと粉末の充填に時間がかかり過ぎる可能性があり、６Ｄｖより大きいと粉末が短時間で落下してしまうので傾斜組成分布を制御しにくくなる。

落下孔１６に設けられたメッシュ２６の目の大きさＭについては、通常は各落下孔で同じ大きさとするが、各落下孔で異なった大きさとしてもよい。例えば、図２（ａ）において、一組の落下孔１６ｘのうち一番大きい落下孔１６ｘ_１に設けられたメッシュ２６の目の大きさＭｘ_１を一番小さくし、以下徐々にＭｘ_２，Ｍｘ_３，Ｍｘ_４と大きくしていき、一番小さい落下孔１６ｘ_５に設けられたメッシュ２６の目の大きさＭｘ_５を一番大きくしてもよい。

加振装置１２は、モータ、駆動伝達部等を含んで構成される。加振装置１２は、粉箱１０を振動させて、原料粉末を成形型２０の開口２２に落下させて充填するために使用される。上記に説明したような落下孔１６を設けた粉箱１０を、成形型２０の開口２２上に設置して、原料粉末を落下させて充填するだけでは、成形型２０の開口２２内において、組成むらが発生しやすくなる。したがって、加振装置１２により、粉箱１０を振動させ、組成むらの発生を抑制することが好ましい。

加振装置１２による加振は、組成むらの発生を抑制する方法で行われればよく特に制限はない。粉箱１０を、成形型２０の開口２２に対して水平方向に振動させてもよいし、垂直方向に対して振動させてもよいし、斜め方向に振動させてもよいが、成形型２０の開口２２に対して水平方向に振動させることが好ましい。水平方向への加振は、開口２２内の傾斜組成分布を形成する方向と直行する方向に水平に振動させるように行われることがより好ましい。例えば、図５に示すように、粉箱１０の長径（Ｐ２）方向に傾斜組成分布を形成する場合は、粉箱１０の短径（Ｐ１）方向に水平に振動させることが好ましい。

このとき、粉箱１０の振動速度をＶ（回／秒）、粉箱１０の振動幅をａ（ｍｍ）、成形型２０の開口２２の、粉箱１０の振動方向の最大長さをＬ１（ｍｍ）、粉箱１０と成形型２０の底部（下パンチ）２８との距離をＨ（ｍｍ）、としたときに、Ｖ≧２、ａ／Ｌ１≧１、Ｈ／Ｌ１＜８、の関係にあることが好ましい。なお、粉箱１０の振動幅ａとは、粉箱１０の振動方向に直交する軸が移動する１周期の１／４の距離をいう。

粉箱１０の振動速度はＶ≧２であることが好ましく、Ｖ≧４であることがより好ましい。Ｖ＜２であると、振動が遅く、組成むらの発生を十分に抑制することができない可能性がある。また、Ｖ≦３０であることが好ましく、Ｖ≦２０であることがより好ましい。Ｖが３０を超えると、振動が速すぎて傾斜組成分布を制御しにくくなる。

また、ａ／Ｌ１については、ａ／Ｌ１≧１であることが好ましく、ａ／Ｌ１≧１．１であることがより好ましい。ａ／Ｌ１＜１であると、成形型２０の開口２２の端部の粉末の量が不十分となる可能性がある。また、ａ／Ｌ１≦２であることが好ましく、ａ／Ｌ１≦１．５であることがより好ましい。ａ／Ｌ１が２を超えると、傾斜組成分布を制御しにくくなる。また、粉箱１０に供給した粉末のうち、開口２２に充填される粉末が少なくなり、無駄が発生する可能性がある。

また、Ｈ／Ｌ１については、Ｈ／Ｌ１＜８であることが好ましく、Ｈ／Ｌ１＜５であることがより好ましい。Ｈ／Ｌ１≧８であると、傾斜組成分布を制御しにくくなる。また、粉箱１０に供給した粉末のうち、開口２２に充填される粉末が少なくなり、無駄が発生する。また、Ｈ／Ｌ１≧０．５であることが好ましく、Ｈ／Ｌ１≧１であることがより好ましい。Ｈ／Ｌ１が０．５より小さいと、傾斜組成分布を制御しにくくなる。

本実施形態において原料として使用される物質としては、特に制限はないが、鉄、アルミニウム、チタン、クロム、銅等の金属；モリブデン、タングステン等の高融点金属；またはそれらを含む、ステンレス鋼等の合金；や、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等のセラミック；樹脂等が挙げられる。

原料として使用される物質は、粉末であることが好ましく、通常、粒径５μｍ〜３００μｍのものを使用することができる。

成形型２０を構成する材料は、通常の成形に用いられる材料であれば特に制限はないが、例えば、ＳＫＤ（合金工具鋼）、ＳＫＨ（ハイス鋼）等の金属；樹脂；等が挙げられる。

また、成形型２０の開口２２の形状としては特に制限はなく、製造する傾斜材料の形状に応じて決めればよい。

このようにして、成形型２０の開口２２中に原料物質の粉末を傾斜組成分布を有するように充填した後は、公知の成形方法により成形すればよい。通常は、図６に示すように、成形型２０の開口部に上パンチ３０をセットし、所定の成形圧力で加圧して、プレフォームを作成する。プレフォームを成形型２０から抜き出して、その後、焼結炉等の中で焼結を行い、傾斜材料を得ることができる。

プレフォームの焼結方法としては、メッシュ炉、真空焼結炉等による通常の焼結方法の他、ＨＩＰ（熱間等方加圧焼結法）法、プラズマ焼結法等であってもよい。

本実施形態に係る傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法により製造する傾斜材料は、自動車用エンジンのコンロット等の自動車用材料、電気絶縁部品、センサ用部品等に使用する傾斜材料として使用することができる。例えば、自動車用エンジンのコンロットにおいては、一端を高強度を有する材料を主体に構成し、他端を易加工性を有する材料を主体に構成することができる。

このように、本実施形態に係る傾斜材料の製造装置及び傾斜材料の製造方法において、原料粉末の落下量を制御して、傾斜組成分布を有するように原料粉末を成形型に落下させることにより、低コストで、所望の傾斜組成分布を持つ傾斜材料を容易に製造することができる。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
表１に示す粒度分布を有する純Ｆｅ粉と、ステンレス鋼粉を、それぞれ物質Ａ、物質Ｂとして用い、図１及び図２に示す装置を使用して、傾斜組成分布を持った傾斜材料を製造した。成形型２０は、奥行き（Ｌ１）２５ｍｍ×幅（Ｌ２）５２ｍｍ×高さ（Ｌ３）１００ｍｍの長方体形状の開口を有し、材質ＳＫＤのものを使用した。粉箱１０は、奥行き（Ｐ１）２５ｍｍ×幅（Ｐ２）５２ｍｍ×高さ（Ｐ３）７０ｍｍの長方体で、材質ステンレスのものを使用した。粉箱１０は、粉末仕切り板１８（材質：ステンレス）と円形の落下孔１６を有する。落下孔１６には、メッシュ２６（材質：ステンレス）が設けられている。また、粉箱１０には、加振装置１２を設置した。粉箱１０の落下孔１６としては、図２（ａ）に示すように、大きさ（直径）Ｎｘ_１＝１２ｍｍ、Ｎｘ_２＝１０ｍｍ、Ｎｘ_３＝８ｍｍ、Ｎｘ_４＝６ｍｍ、Ｎｘ_５＝４ｍｍの孔が粉末仕切り板１８の片側に、もう一方の側に、大きさ（直径）Ｎｙ_１＝１２ｍｍ、Ｎｙ_２＝１０ｍｍ、Ｎｙ_３＝８ｍｍ、Ｎｙ_４＝６ｍｍ、Ｎｙ_５＝４ｍｍの孔がそれぞれ配置されている。落下孔１６に設けられたメッシュ２６の目の大きさＭと粉箱の振動速度Ｖとを表２に示す値として、傾斜材料の製造を行った。

傾斜材料の製造の工程を示す。純Ｆｅ粉を粉箱１０の粉末仕切り板１８で仕切られた片側に充填した。また、他方の側にはステンレス鋼粉を充填した。粉箱１０を、成形型２０の開口２２上にＨ＝７５ｍｍの高さに、開口２２の位置と粉箱１０の底部１４の位置とが一致するように配置した。ここで、高さＨは、下パンチ２８から粉箱１０の底部１４までの距離である。加振装置１２により、表２に示す所定の振動速度Ｖにて粉箱１０を、短径（Ｐ１）方向（開口２２の短径（Ｌ１）方向）に沿って水平に振動させた。振動幅ａは２５ｍｍとした。振動が開始されたら、充填仕切り板２４をスライドさせ、それぞれの粉末を落下孔１６より落下させ、開口２２内に粉末を充填させた。充填された粉末は、図１及び図２の向かって左側ほど、純Ｆｅ粉の量が多く、右側ほどステンレス鋼粉が多い、傾斜組成分布を持って充填される。所定の量（合計１００ｇ）を充填した後、成形型２０の開口２２に上パンチ３０をセットし、８トン／ｃｍ^２の成型圧力で加圧し、プレフォームを作成した。プレフォームを開口２２より抜き出して、真空焼結炉にて焼結し、傾斜材料を得た。

得られた傾斜材料について、傾斜組成分布を評価した結果を、表２に示す。なお、傾斜組成分布は、次のようにして評価を行った。

図７に示すように、得られた傾斜材料を両端は３．５ｍｍ厚に、その他は３ｍｍ間隔で厚さ３ｍｍずつ切り出し、サンプルを採取した。採取したサンプルについて、高周波プラズマ発光分析法により成分分析を行い、純Ｆｅ粉と、ステンレス鋼粉との割合を算出した。図８に、得られた傾斜材料の端からの距離と、純Ｆｅ粉の混合割合との関係の一例を示す。

なお、傾斜組成分布の評価基準は以下の通りとした。
○：目標混合割合に対して±５％以下である
△：目標混合割合に対して±１０％以下である
×：目標混合割合に対して±１０％を超える

このように、実施例１の傾斜材料製造装置及び傾斜材料製造方法により、傾斜組成分布を有する傾斜材料を容易に製造することができた。また、粉箱１０の振動速度Ｖが、２回／秒未満では、純Ｆｅ粉とステンレス鋼粉とが開口２２内で均一に混合されにくく、２回／秒以上のときに比べると傾斜組成分布がやや劣る。また、落下孔１６に設けられたメッシュ２６の目の大きさＭについては、Ｍ／Ｄ≧４の場合には（Ｄ：使用粉末の最大粒度。実施例１では、純Ｆｅ粉、ステンレス鋼粉ともにＤ＝２５０μｍ。）、粉箱１０から速く粉末が落下するために傾斜組成分布がやや劣ることがわかる。

（実施例２）
粒径１０μｍ（ほぼ均一粒径）のセラミック粉（材質：Ａｌ_２Ｏ_３）と、粒径５０μｍ（ほぼ均一粒径）のステンレス鋼粉を、それぞれ物質Ａ、物質Ｂとして用い、傾斜組成分布を持った傾斜材料を製造した。成形型２０は、実施例１に使用したものと同じものを使用した。粉箱１０は、メッシュ２６の目の大きさＭ以外は実施例１に使用したものと同じものを使用した。メッシュ２６の目の大きさＭは、セラミック粉側を２０μｍ、ステンレス鋼粉側を１００μｍとした。粉箱１０の振動速度Ｖは、３回／秒とした。振動幅ａと、粉箱の高さＨとを表３に示す値として、傾斜材料の製造を行った。

傾斜材料の製造の工程を示す。セラミック粉を粉箱１０の粉末仕切り板１８で仕切られた片側に充填した。また、他方の側にはステンレス鋼粉を充填した。粉箱１０を、成形型２０の開口２２上に表３に示すＨの高さに、開口２２の位置と粉箱１０の底部１４の位置とが一致するように配置した。加振装置１２により、振動速度Ｖ＝３回／秒として、表３に示す所定の振動幅ａにて粉箱１０を、短径（Ｐ１）方向（開口２２の短径（Ｌ１）方向）に沿って水平に振動させた。振動が開始されたら、充填仕切り板２４をスライドさせ、それぞれの粉末を落下孔１６より落下させ、開口２２内に粉末を充填させた。充填された粉末は、図１及び図２の向かって左側ほど、セラミック粉の量が多く、右側ほどステンレス鋼粉が多い、傾斜組成分布を持って充填される。所定の量（合計８０ｇ）を充填した後、成形型２０の開口２２に上パンチ３０をセットし、１０トン／ｃｍ^２の成型圧力で加圧し、プレフォームを作成した。プレフォームを開口２２より抜き出して、真空焼結炉にて焼結し、傾斜材料を得た。

得られた傾斜材料について、傾斜組成分布を評価した結果を、表３に示す。傾斜組成分布は、実施例１と同様にして評価を行った。

このように、実施例２においても、傾斜組成分布を有する傾斜材料を容易に製造することができた。また、粉箱１０の振動幅ａが、開口２２の奥行きＬ１より小さい（ａ／Ｌ１＜１）とき、粉箱１０の振動方向において、セラミック粉とステンレス鋼粉とが開口２２内で均一に混合されにくく、ａ／Ｌ１≧１のときに比べると傾斜組成分布がやや劣る。また、粉箱１０の高さＨについては、Ｈ／Ｌ１≧８の場合には、粉末が開口２２内に十分に落下されにくいため、粉末が飛散し、傾斜組成分布がやや劣ることがわかる。

本発明の実施形態に係る傾斜材料の製造装置の一例の概略図を示す図である。（ａ）は粉箱の上面図である。（ｂ）は粉箱の断面図である。（ｃ）は成形型の上面図である。（ｄ）は成形型の断面図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の製造装置の一例の概略図を示す図である。（ａ）は粉箱の上面図である。（ｂ）は成形型の上面図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の製造装置の落下孔の配置の別の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の製造装置の落下孔の配置の別の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の製造装置における、粉箱の振動の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の製造方法における加圧成形の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の品質評価において、サンプルの採取方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る傾斜材料の品質評価において、傾斜材料の端からの距離と、純鉄粉の混合割合との関係の一例を示す図である。

符号の説明

１ 傾斜材料製造装置、１０ 粉箱、１２ 加振装置、１４ 底部、１６ 落下孔、１８ 粉末仕切り板、２０ 成形型、２２ 開口、２４ 充填仕切り板、２６ メッシュ、２８ 底部（下パンチ）、３０ 上パンチ。

Claims (13)

1. 複数の物質を含み、前記複数の物質の組成が徐々に変化する傾斜材料の製造装置であって、
   前記各物質の粉末を収納する収納部と、
   前記収納部を振動させる振動手段と、
   を有し、
   前記収納部には、複数の落下孔の少なくとも２組が、他の組と領域が仕切られて設けられ、前記仕切られた領域それぞれに前記各粉末が収納され、
   前記収納部を振動させることにより、前記粉末を前記落下孔より落下させて成形型内に充填することを特徴とする傾斜材料の製造装置。
2. 請求項１に記載の傾斜材料の製造装置であって、
   前記複数の落下孔のうち少なくとも２つは、大きさが異なることを特徴とする傾斜材料の製造装置。
3. 請求項１または２に記載の傾斜材料の製造装置であって、
   前記複数の落下孔は、漸次大きさが異なることを特徴とする傾斜材料の製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の傾斜材料の製造装置であって、
   前記振動は、前記収納部が前記成形型の開口に対して水平方向に振動するように行われることを特徴とする傾斜材料の製造装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の傾斜材料の製造装置であって、
   前記落下孔には、メッシュが設けられていることを特徴とする傾斜材料の製造装置。
6. 請求項５に記載の傾斜材料の製造装置であって、
   前記収納部の振動速度をＶ（回／秒）、
   前記収納部の振動幅をａ（ｍｍ）、
   前記成形型の開口の、前記収納部の振動方向の最大長さをＬ１（ｍｍ）、
   前記収納部と前記開口の底部との距離をＨ（ｍｍ）、
   前記粉末の最大粒度をＤ（μｍ）、
   前記メッシュの目の大きさをＭ（μｍ）、
   としたときに、
   Ｖ≧２、ａ／Ｌ１≧１、Ｈ／Ｌ１＜８、Ｄ＜Ｍ＜４Ｄ、
   の関係にあることを特徴とする傾斜材料の製造装置。
7. 複数の物質を含み、前記複数の物質の組成が徐々に変化する傾斜材料の製造方法であって、
   前記各物質の粉末を落下させて成形体内に充填する工程と、
   前記充填された粉末を加圧成形して成形体を製造する工程と、
   前記成形体を焼結する工程と、
   を含み、
   前記各粉末の落下量を制御して成形体内に充填することを特徴とする傾斜材料の製造方法。
8. 請求項７に記載の傾斜材料の製造方法であって、
   前記充填する工程において、
   複数の落下孔の少なくとも２組が、他の組と領域が仕切られて設けられた収納部の、前記仕切られた領域それぞれに収納された前記各粉末を、前記収納部を振動させることにより前記落下孔より落下させて成形型内に充填することを特徴とする傾斜材料の製造方法。
9. 請求項８に記載の傾斜材料の製造方法であって、
   前記複数の落下孔のうち少なくとも２つは、大きさが異なることを特徴とする傾斜材料の製造方法。
10. 請求項８または９に記載の傾斜材料の製造方法であって、
    前記複数の落下孔は、漸次大きさが異なることを特徴とする傾斜材料の製造方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか１つに記載の傾斜材料の製造方法であって、
    前記振動は、前記収納部が前記成形型の開口に対して水平方向に振動するように行われることを特徴とする傾斜材料の製造方法。
12. 請求項８〜１１のいずれか１つに記載の傾斜材料の製造方法であって、
    前記落下孔には、メッシュが設けられていることを特徴とする傾斜材料の製造方法。
13. 請求項１２に記載の傾斜材料の製造方法であって、
    前記収納部の振動速度をＶ（回／秒）、
    前記収納部の振動幅をａ（ｍｍ）、
    前記成形型の開口の、前記収納部の振動方向の最大長さをＬ１（ｍｍ）、
    前記収納部と前記成形型の底部との距離をＨ（ｍｍ）、
    前記粉末の最大粒度をＤ（μｍ）、
    前記メッシュの目の大きさをＭ（μｍ）、
    としたときに、
    Ｖ≧２、ａ／Ｌ１≧１、Ｈ／Ｌ１＜８、Ｄ＜Ｍ＜４Ｄ、
    の関係にあることを特徴とする傾斜材料の製造方法。