JP2006037219A

JP2006037219A - 金属粉末の充填方法およびその装置

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Publication number: JP2006037219A
Application number: JP2004334688A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Uenosono; 聡上ノ薗
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】充填密度が均等になる粉末の充填方法について提案する。
【解決手段】金属粉末４が収容された粉箱８を、ダイキャビティの開口部３aに対して進退させて、該開口に臨む粉箱の供給口から金属粉末をダイキャビティ内に供給するに際し、該粉箱の供給口がダイキャビティの開口部と合致した状態で粉箱を停止し、相対的に移動する２枚の篩板より成るシャッター機構９を開状態として金属粉末の供給を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、金属粉末、例えば粉末冶金に用いる原料混合粉をダイキャビティ内に均一に充填するための方法およびその装置に関するものである。

粉末冶金製品は、鉄粉に黒鉛粉や銅粉などの副原料を混合して原料混合粉（以下、単に粉末と示す）の製造並びに調製を行った後に、この粉末を粉末成形にて所定形状の圧粉体に成形し、この圧粉体を焼結し、必要に応じてサイジングや切削加工などの後加工を施して得られる。

以上の粉末冶金製品の製造工程において、粉末成形は、粉末に所望の形状を与えるとともに、成形品に必要な密度並びに強度を付与することから、極めて重要な工程である。
この粉末成形方法には様々な種類があり、粉末の特性、成形品形状、焼結時の緻密化および量産性などを考慮して、適宜の手法が選択されている。その中でも、金型成形圧縮法は、工業的に広く用いられている。

金型成形圧縮法は、図１に示すように、ダイ１と上下パンチ２ａおよび２ｂとによって区画されるダイキャビティ３内に、その開口部３ａから粉末４を充填し、プレス加工にてダイキャビティ３内で押し固めて、所望の圧粉体とする手法である。なお、プレス加工は、図１に例示したように、上から順に、上パンチ２ａを取り付ける上ラム５ａ、ダイ１をセットするテーブル６および下パンチ２ｂを取り付ける下ラム５ｂを、２〜４本の円柱に組み付けたプレスにて行う。

また、ダイキャビティ３内に粉末４を充填するには、図２に示すように、プレスに取り付けたホッパ７から粉末４を粉箱８に供給し、この粉箱８をダイキャビティ３の開口部３ａに対して進退させて行う。すなわち、図３（ａ）に示す待機状態から粉箱８をダイキャビティ３の開口部３ａまで移動すると、図３（ｂ）に示すように、開口部３ａに臨む粉箱８の供給口が部分的に重複した時点で粉末４のダイキャビティ３内への落下が始まり、さらに図３（ｃ）に示すように、開口部３ａを粉箱８の供給口が全て覆った段階で開口部３ａの全域にわたって粉末４が落下し、ダイキャビティ３内に粉末４が堆積してゆく。ここでは、前記覆った状態で粉箱に進退方向の往復動を繰り返し与えて、キャビティへの粉末供給量を大きくする「シェイク」と呼称される方法が適用される。しかし、シェイクは供給量を大きくするために時間がかかること、均一な圧粉体の形成は難しいこと、などの問題がある。

粉箱８は、上ラム５ａが下降する前に、ダイキャビティ３の開口部３ａから待機位置まで退避し、その後上ラム５ａの下降および下ラム５ｂの上昇によって上下パンチ２ａおよび２ｂ間でダイキャビティ３内の粉末４を圧下し、圧粉体を成形する。次いで、得られた圧粉体を下パンチ２ｂで押し上げて、ダイキャビティ３から抜き出す。抜き出された圧粉体は、再びダイキャビティ３の開口部３ａまで移動してくる粉箱８に押されてテーブル６から排除される一方、上記した粉箱８からの粉末４の供給が再開される。
以上の一連の動作によって、ダイキャビティ３内への粉末４の充填と圧粉体の成形とが繰り返し行われる。

ここで、粉箱８を介してダイキャビティ３内に粉末４を充填する際、その充填密度を均等に高めることが、粉末冶金製品の寸法精度並びに品質の向上に極めて重要である。従って、この粉末の充填方法については、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、ダイキャビティなどの密閉空間を、交互に低気圧状態および高気圧状態とする空気タッピングを行うことにより、高密度の充填を実現することが提案されている。

この特許文献１において提案された空気タッピングの技術によって、確かに粉末の充填密度を上昇することが可能であるが、この技術を含む従来の充填手法では、充填密度を均等に高めることが難しく、とりわけ粉末充填時の積層方向と交わる方向、例えば圧粉体が円柱の場合はその径方向において、充填密度が不均一になることが問題であった。

一方、特許文献２には、粉箱からキャビティに粉末を供給する際に、そのキャビティ内での粉末の密度差を無くすために、粉箱の底部に、複数の放射状の穴を円周方向に沿って等ピッチで形成した円板を複数枚重ね合わせてなるシャッターを設け、前記円板同士を相対回転させることにより粉箱の底部開口部を開閉するようにしたことを特徴とする圧粉体成形装置の粉末供給装置が開示されている。
このシャッターは、前記固定円板および第１，第２の可動円板のそれぞれ中央部に、その中心部から外方に向かって放射状に伸びる扇形状もしくは二等辺三角形状をなす複数の開口穴を、全体として花弁状の配置となるように等ピッチで形成したものであり、キャビティ内での粉末の密度差を低減するには一定の効果はあるものの、開口穴の大きさが放射方向で変化するため、なおキャビティ内での粉末の密度差を無くすことは難しい。
特開平９−169301号公報特開平10−314994号公報

そこで、本発明は、上記した従来技術の問題点を解消するものであり、充填密度が均一になる粉末の充填方法について、その装置と併せて提案することを目的とする。

さて、発明者らは、粉末の充填方法において、充填密度がばらつく原因について鋭意究明したところ、圧粉体が円柱或いはリング形状の場合は、その径方向に充填密度の疎密が存在すること、特にある向きの径方向において充填密度の分布が顕著であることを見出した。そこで、さらに検討を加えたところ、この特定の径方向が、先に図３に示した粉箱８をダイキャビティ３の開口部３ａに対して進退させる向きと相関があることが判明した。

これらの知見に基づいて、粉箱８からダイキャビティ３内に粉末を供給する際の粉末の挙動を観察した。図８にリング形状のキャビティに粉末を充填する状態を示すが、図８（ｂ）に示した開口部３ａに粉箱８の供給口が部分的に重複して粉末４のダイキャビティ３内への落下が始まってから、図８（ｃ）に示した開口部３ａの全域にわたって粉末４が落下するまでの、充填初期段階において、粉箱８の移動に伴う慣性力が粉末４に作用する結果、ダイキャビティ３内での粉末４の落下量は粉箱８が移動してくる側で密度が高く堆積する部分４ａを形成するため、引き続き堆積する部分４ｂとともに形成する粉末の堆積層がダイキャビティ３内で均一な密度となることが難しくなり、これが充填密度のばらつく原因になっていたことを見出したのである。ここで、充填密度のばらつきは、リング形状の圧粉体を形成する場合の方が、円柱状の圧粉体を形成する場合に比べて大きくなる。というのは、リング形状の圧粉体を形成する場合には、コアロッド３ｂに粉末が衝突してダイキャビティ全体への均一な落下を妨げるからである。

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は次のとおりである。
（１）金属粉末が収容された粉箱を、ダイキャビティの開口部に対して進退させて、該開口部に臨む粉箱の供給口から金属粉末をダイキャビティ内に供給するに際し、該粉箱の供給口がダイキャビティの開口部と合致した状態で金属粉末の供給を行うことを特徴とする金属粉末の充填方法。

（２）上記（１）において、粉箱の移動を停止して金属粉末の供給を開始することを特徴とする金属粉末の充填方法。

（３）上記（１）または（２）において、金属粉末の供給時に、ダイキャビティ内に大気圧以上の圧力を断続的に付与する空気タッピングを行うことを特徴とする金属粉末の充填方法。

（４）金属粉末が収容された粉箱を、ダイキャビティの開口部に対して進退可能に設けた金属粉末の充填装置であって、該粉箱の底部供給口にシャッター機構を有することを特徴とする金属粉末の充填装置。

（５）上記（４）において、前記シャッター機構は、相対的に移動する２枚の篩板を重ね合わせて成ることを特徴とする金属粉末の充填装置。

本発明によれば、粉末をダイキャビティ内に均一な密度で充填できるため、その後の粉末成形にて緻密かつ均質の圧粉体が得られる。そして、かような圧粉体から製造される粉末冶金製品は、寸法精度が高くかつ高品質のものとなる。

上述したように、粉末の充填密度がばらつくのは、粉箱の移動に伴う慣性力が落下する粉末に作用して、充填初期段階に粉末が部分的に密度が高く堆積することにある。そこで、本発明では、粉箱の供給口がダイキャビティの開口部と合致した状態に限定して粉末の供給を行うことによって、上記慣性力の影響を受けることなしに、開口部３ａの全域にわたって粉末が均一に落下するようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態として、適宜図４を参照しながらリング状圧粉体を形成する例を説明する。

すなわち、図４（ａ）に示す待機状態から粉箱８をダイキャビティ３の開口部３ａまで移動する際、図４（ｂ）に示す、開口部３ａに粉箱８の供給口８ａが部分的に重複した時点では粉末４の落下をシャッター機構９を閉状態として抑制し、さらに粉箱８が移動して図４（ｃ）に示す、開口部３ａに粉箱８の供給口８ａが合致した段階において初めてシャッター機構９を開状態として、粉末４の供給を開始することとした。この開口部３ａに粉箱８の供給口８ａが合致した状態では、開口部３ａの全域にわたって粉末４が粉箱８の直下に満遍なく落下するため、ダイキャビティ３内で粉末４を均一に積み上げることができるのである。

ここで、シャッター機構９の好適な構造としては、図５に示すように、粉箱８の底部に、相対的に移動する２枚の篩板９ａおよび９ｂを重ね合わせてなる構造が好適である。すなわち、篩板９ａおよび９ｂの各々は、複数のスロット状の開口部９０を等間隔に配列してなり、篩板９ａおよび９ｂを相対的に移動して図５（ａ）に示すように、篩板９ａの開口部９０と篩板９ｂの開口部９０とを合致させれば、連通した開口部９０を介して粉末４が落下し、シャッターは開状態となる。一方、篩板９ａおよび９ｂを相対的に移動して図５（ｂ）に示すように、篩板９ａの開口部９０と篩板９ｂの開口部９０とをずらせば、開口部９０は全て塞がれてシャッターは閉状態となる。
このような篩板は、粉末冶金一般に用いられる分級用の篩を用いることができる。

そして、金型成形圧縮法に用いる金属粉末では、篩板のスロット幅は100μm〜200μm程度、またスロット相互間の線幅は100μm程度とすることが、金属粉末が目詰まりせずに、速やかに篩板の開口部を通過させるのに好ましい。
ただし、金属粉末の粒径分布により異なるが、スロット幅は原料粉末の最大粒径以上が好ましい。一方線幅は20〜3000μm の範囲で適宜選択することが好ましい。特に、スロット幅は線幅以下とすることが好ましい。

また、金属粉末が速やかに篩を通過できるように、シャッターを開状態にしたまま粉箱に振動を与えても良い。この振動としては、前述の様に粉箱を前後に進退させるシェイク法が簡便である。
なお、篩板は所望の大きさのスロットとするために、板にスロットを開口したものや、繊維を網状に配置して型枠に固定してスロットを形成したグリッドとすることができる。

なお、開口部３ａに粉箱８の供給口８ａが合致していれば、粉箱８が移動中であっても粉末４を供給して差し支えないが、粉箱８を停止させてから粉末４の供給を開始することが好ましい。なぜなら、粉箱８が移動を停止しない場合には、粉箱８に働く慣性力に起因する充填密度の疎密の発生が皆無ではないからである。粉箱８を停止させてから供給を開始することにより、この疎密の発生が解消する。というのは、粉箱８を停止させてから粉末４の供給を開始すると、粉末４をキャビティ内部全域にわたって、空気との置換により真下（鉛直）方向に均一に充填できるためである。（図４（ｃ）参照）

また、本発明の粉末の充填方法は、特に空気タッピングと併用することが極めて有効である。なぜなら、粉末を空気との置換のみでキャビティへ充填すると、その充填に要する時間が長くなるため、この充填時間を短縮するのには、空気タッピングが有効であるからである。また、空気タッピングにより充填された粉末層の密度が高くなることも有利な点である。さらにつけ加えるならば、シャッターを用いた場合実質的に粉箱の開口部の面積が減少しているので空気タッピングを併用し充填時間の短縮を図ることが合理的である。

なお、空気タッピングを併用する場合は、先に示した特許文献１に記載の技術を併用すればよい。

粉末として、平均粒径75μm アトマイズ純鉄粉（ＪＦＥスチール株式会社製 KIP301A ） 100質量部に、２質量部の平均粒径24μm の電解銅粉（福田金属箔粉工業株式会社製 CE25）および 0.8質量部の平均粒径９μm の天然黒鉛粉（日本黒鉛株式会社製 JCPB）と、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛 0.8質量部を混合した粉末冶金用原料混合粉を用いて、この粉末を、図７に示すリング形状の圧粉体を形成するためのダイキャビティ３内に充填し、外径38mm、内径25mmおよび高さが10mmの圧粉体（成形密度：6.85Mg/m³）を490MPaの圧下力で連続 100個加圧成形した（発明例１および２）。なお、この原料混合粉 100質量部に対して、 0.1質量部の有機バインダーにて黒鉛粉の偏折防止処理を施している。

ここで、粉末のダイキャビティ３内への充填は、空気タッピングが可能の粉箱を用いて、図４に示した手順に従って行った。なお、粉箱の移動速度は300m/sおよび粉箱の停止時間は0.5sとした。また、充填作業には、図６に示す条件の空気タッピングを併用した（発明例１）。

また、シャッター機構には、図５に示したスリット幅 300μm および線幅 200μm の篩板２枚の組み合わせを用いた。なお、一部の実験では、粉末を充填中に粉箱を前後に１mm進退する動作を１秒間に５回行うシェイクを実施した（発明例２）。

また、比較として、粉末のダイキャビティ３内への充填を、シャッター機構を用いない従来の手順（図８参照）に従って行った場合についても、その後同様に粉末成形を行って同様の圧粉体を成形した。なお、粉箱の移動速度は各発明例と同じとし、停止時間は0.5sとし、シェイクを行った（比較例２）。また、空気タッピングを用いない場合の圧粉体も成形した（比較例１）。いずれの比較例も圧粉体全体の成形密度は6.85Mg/m³とし、それぞれ100個成形した。

かくして得られた圧粉体を、N₂： 90vol％−H₂： 10vol％の雰囲気で1130℃および20分間の焼結処理を施して粉末冶金製品を製造した。次いで、この製品について、図７に示すように８分割し、各々の密度を測定した。測定された成形密度の最大値から最小値を引いた値を評価し、従来の方法で成形した場合の値を１として、他の成形条件での値を相対的に示すこととし、この値を粉末の充填密度の指標とした。この評価結果を、表１に示す。
表１に示すように、発明例は成形密度（指標）が 0.3以下と小さく、充填密度はもっとも均一となった。比較例１と比較例２を対比すると、空気タッピングを用いた比較例２の充填密度の方が均一となった。

粉末成形に用いるプレス装置を示す図である。粉末成形に用いるプレス装置を示す図である。従来の粉末の充填手順を示す図である。本発明に従う粉末の充填手順を示す図である。シャッター機構の構造を篩板のスロットを拡大して示す図である。空気タッピングの条件を示す図である。圧粉体の成形密度の測定要領を示す図である。従来の粉末の充填手順を示す図である。

符号の説明

１ダイ
２ａ上パンチ
２ｂ下パンチ
３ダイキャビティ
３ａ開口部
３ｂコアロッド
４粉末
５ａ上ラム
５ｂ下ラム
６テーブル
７ホッパ
８粉箱
８ａ供給口
９シャッター機構
９ａ，９ｂ篩板（拡大図）
９０開口部

Claims

金属粉末が収容された粉箱を、ダイキャビティの開口部に対して進退させて、該開口部に臨む粉箱の供給口から金属粉末をダイキャビティ内に供給するに際し、該粉箱の供給口がダイキャビティの開口部と合致した状態で金属粉末の供給を行うことを特徴とする金属粉末の充填方法。
請求項１において、粉箱の移動を停止して金属粉末の供給を開始することを特徴とする金属粉末の充填方法。
請求項１または２において、金属粉末の供給時に、ダイキャビティ内に大気圧以上の圧力を断続的に付与する空気タッピングを行うことを特徴とする金属粉末の充填方法。
金属粉末が収容された粉箱を、ダイキャビティの開口部に対して進退可能に設けた金属粉末の充填装置であって、該粉箱の底部供給口にシャッター機構を有することを特徴とする金属粉末の充填装置。
請求項４において、前記シャッター機構は、相対的に移動する２枚の篩板を重ね合わせて成ることを特徴とする金属粉末の充填装置。