JP2006224179A - 粉体成形方法、粉体成形装置、および鍔付きピン状焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形時の圧縮率をより均一化することができ、鍔付きピン状焼結体の生産性を高めることが可能な粉体成形方法等の提供を目的とする。
【解決手段】一端に鍔部１を有し、パンチ２の圧縮方向に長寸な鍔付きピン形状に粉体３を圧縮成形する粉体成形方法であって、 キャビティ４内に充填される粉体３の鍔部相当部５の基準圧縮量Ｌ１に応じて鍔部側のパンチ２Ａを駆動させて鍔部相当部５を加圧し、 次いで、反対側のパンチ２Ｂを駆動させて長手方向に加圧し、鍔付きピン形状に圧縮成形する。 粉体成形装置は、鍔部側のパンチ２Ａと、 反対側のパンチ２Ｂと、 前記鍔部側のパンチ２Ａの駆動ストロークを粉体３の鍔部相当部５の基準圧縮量Ｌ１に規制する駆動規制手段８とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は粉体成形方法、粉体成形装置、および鍔付きピン状焼結体の製造方法に関するものである。

一般に、粉体成形とは、粉体を金型内に充填して圧縮することにより所望の形状にする成形方法で、例えば、金属粉体を圧縮成形して得られた圧粉体を加熱、焼結させることにより、切削加工等の困難な高硬度の金属や溶融の困難な高融点の金属からなる製品などを高い寸法精度で、かつ高い生産性で量産可能な粉末冶金法などにおいて利用されている。上記金型は、一般に、キャビティとなる貫通状の空洞が形成されたダイと、このダイの空洞の貫通方向に対をなすパンチとを有し、ダイの空洞内に充填された粉体に両方のパンチで圧力を加え、上記空洞、両パンチの加圧面により粉体を圧縮成形する。

しかしながら、ダイに形成される空洞が段付き形状などの場合には、単に両方のパンチを所定圧力で駆動させてもキャビティ内で圧力のバラツキが生じてしまい、寸法精度の低下や不具合を招いてしまう。このため、かかる寸法精度の低下等を防止する段付き成形品の粉体成形方法として、従来、特許文献１に記載されたものが提案されている。この従来例において、ダイ内部には細径のボス部が下方に、太径のフランジ部が上方に形成されるように段付きの空洞が設けられて粉体が充填され、粉体成形は、先ず、上パンチとダイを同一速度で降下させ、次いで、下パンチを同時に上昇させ、この後、上パンチのみをさらに降下させることによってなされる。
特開平０８-２１５８９５号公報

しかしながら、上記従来例のように一方のパンチによってキャビティ内の粉体の細径部相当部を加圧した後、他方のパンチによって太径部相当部を加圧すると、太径部の細径部に連続する中心部と細径部外方に突出する外周部との間で密度が不均一となり、圧縮率が不規則になってしまうという欠点がある。すなわち、一方のパンチによる先の加圧によって細径部を介してパンチ進行方向である太径部中心部に圧力が作用してしまうために、中心部は外周部に比べて密度が高くなり、さらに、これに対して後の加圧によって他方のパンチの圧力のバラツキが加味されるために細径部、太径部の中心部、および太径部の外周部の圧縮率が不規則になってしまう。

また、太径部相当部の中心部は上記他方のパンチによる圧力を細径部相当部に逃がすことができるのに対し、外周部は細径部と大径部の段差に対応して形成されるダイの空洞の段部によってパンチ側に押しやられてしまうために、これらの圧縮率が不規則であると中心部と外周部の境界にクラックが発生しやすくなる。

さらに、上記従来例におけるように細径部相当部と太径部相当部の圧縮方向の長さ寸法にあまり違いがなければ、上述したような密度、圧縮率の差は比較的低く抑えることが可能であるが、細径部が大径部の数倍の長さを備えるような長尺の圧粉体を成形する場合には、細径部相当部を介して粉体の長手方向に作用する先の加圧によって太径部相当部の中心部の密度が極めて高くなってしまうために、圧縮率のバラツキがより大きくなりやすい。この点、例えば焼結後に研削や切削などの加工を施すようにするならば、圧粉体の細径部と大径部の圧縮方向の寸法差を小さくするなどして上記バラツキを低く抑えることは不可能ではないが、この場合には加工に手間がかかってしまうという問題がある。

本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、成形時の圧縮率をより均一化することができ、鍔付きピン状焼結体の生産性を高めることが可能な粉体成形方法、粉体成形装置、および鍔付きピン状焼結体の製造方法の提供を目的とする。

本発明によれば上記目的は、
一端に鍔部１を有し、パンチ２の圧縮方向に長寸な鍔付きピン形状に粉体３を圧縮成形する粉体成形方法であって、
キャビティ４内に充填される粉体３の鍔部相当部５の基準圧縮量Ｌ１に応じて鍔部側のパンチ２Ａを駆動させて鍔部相当部５を加圧し、
次いで、反対側のパンチ２Ｂを駆動させて長手方向に加圧し、鍔付きピン形状に圧縮成形する粉体成形方法を提供することにより達成される。

本発明によれば、太径の鍔部相当部５側から圧力を加えた後、反対側から長手方向に圧力を加えることにより、鍔部相当部５の外周部を先の加圧で、中心部を後の加圧で圧縮することができ、鍔部１の外周部と中心部をより均一な圧縮率にすることができる。予めなるべく平均化されるようにキャビティ４に粉体３を充填しておくことにより、太径の鍔部相当部５側から圧力を加えることによって、鍔部相当部５の外周部の粉体３はキャビティ４に形成される段部とパンチ２に挟まれて圧縮され、一方、鍔部相当部５の中心部の粉体３はパンチ２の圧縮方向である長手方向に圧力が分散することにより外周部に比して低密度、低圧縮率状態となるが、後の反対側からの加圧によって外周部との密度、圧縮率の差が解消される。

また、一端に鍔部１を備えてパンチ２の圧縮方向に長寸な鍔付きピン形状の圧粉体７を成形する場合、粉体３の鍔部相当部５はピン状の軸部相当部に比して圧縮寸法が極端に短くなるために、鍔部相当部５に適正な成形圧を加えても軸部相当部の密度にあまり影響することがなく、軸部の圧縮率に影響することがない。さらに、鍔部側のパンチ２Ａを粉体３成形時の基準圧縮量Ｌ１に応じて駆動させることにより、鍔部１の寸法が一義的に決定され、鍔部１の成形寸法精度を高めることができる。

圧粉体７全体の密度をより均一化するために、鍔部相当部５の圧縮量は、例えば、キャビティ４内に適正に充填された圧縮前の粉体３の全体体積と適正に圧縮された圧粉体７の体積との比率、すなわち成形時の基準圧縮比に基づいて設定することが望ましく、該基準圧縮比は上記鍔部相当部５の長さＢ１と鍔部１の長さＡ１の差、すなわち鍔部相当部５の基準圧縮量Ｌ１に鍔部側のパンチ２Ａの駆動ストロークを管理することにより確保することが可能である（図２（ａ）参照）。また、この基準圧縮量Ｌ１の管理は、パンチ２Ａの駆動ストローク範囲を制限することにより行うことが可能であるが、上記基準圧縮量Ｌ１に相当する圧縮方向長さを備えたストッパをパンチ２Ａの受け台とダイとの間に介在させることによって行うことも可能であり、このようにした場合にはパンチ２Ａの駆動ストローク範囲の設定を変えることなく、簡単にパンチ２Ａの駆動ストロークを規制することができる。また、上記ストッパを介するなどして駆動ストローク終端においてパンチ２Ａの駆動力をダイ６に作用させることにより、ダイ６の鍔部１外周部との圧接面にパンチ２の加圧方向から逃げるような力を働かせ、クラックの発生を抑制することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、成形時の圧縮率をより均一化することができるために、圧粉体の寸法精度の向上、割れの防止等により鍔付きピン形状の圧粉体の製造効率を高めることができる。

また、鍔付きピン形状の圧粉体全体をより均一の圧縮率で、高い寸法精度で製造することができるために、焼結時のひけなどの不具合の発生を防止でき、鍔付きピン状焼結体の生産性を高めることができる。

図１ないし図３に本発明の実施の形態を示す。この実施の形態はプレス型用つば付きパンチ（鍔付きピン状焼結体）の製造方法を示もので、つば付きパンチは断面円形のストレートパンチであり、図２（ａ）に２点鎖線で示す後述の圧粉体７の形状からも明らかなように、円柱状の刃の一端にフランジ状のつばが形成される。なお、この実施の形態におけるつば付きパンチは、つばの高さが全長の１／１０程度のサイズのものである。

上記つば付きパンチは、超硬合金により形成され、その生産性を高めるために粉末冶金法により製造される。製造工程は、原料の粉砕、混合、造粒によって所定粒度の金属粉体（粉体３）を得る混合工程と、得られた金属粉体３から上述した圧粉体７を成形する成形工程と、この圧粉体７から焼結によってつば付きパンチを製造する焼結工程とを有し、上記混合工程においてはタングステンカーバイトやコバルトの原料粉末、潤滑剤としてのパラフィン、溶剤としてのアセトンをボールミルに投入して粉砕、混合、造粒し、ふるいで選別することにより、粒径がおよそ数百μｍ程度の金属粉体３が生産される。なお、アセトンは粉砕に伴う加熱によってふるいでの選別時に蒸発する。

成形工程は、金属粉体３を粉体成形装置により圧縮成形する工程で、成形される圧粉体７は、後工程の焼結によって上記つば付きパンチの刃になる軸部１１の一端につばになる鍔部１が形成された鍔付きピン形状をなす。また、この圧粉体７は、焼結によって製品寸法のつば付きパンチが製造されるように、所定の密度を備え、また、焼結時の収縮寸法を考慮してつば付きパンチよりひとまわり大きく形成される。成形工程で使用される上述の粉末成型装置は、ダイ６とパンチ２とを有し、ダイ６に対して一対のパンチ２Ａ、２Ｂを相対移動させることにより圧縮成形を行う。

ダイ６は、図１に示すように、パンチ２の進入によって上述したように焼結時の収縮寸法を考慮して寸法が決定される圧粉体７に一致する空間を形成可能な貫通状の中空部からなるキャビティ４を内部に有し、図示しないダイプレートによって適宜位置に強固に保持可能に形成される。上記キャビティ４は、内部に充填される金属粉体３をパンチ２によって焼結に適した密度、圧縮率に押し固めて適正な圧粉体７が成形できるようにするために、図２（ａ）に示すように金属粉体３の基準圧縮量Ｌ１、Ｌ２に相当するパンチ２の駆動ストローク分だけ圧粉体７の寸法Ａ１、Ａ２からパンチ２駆動方向に伸びたような長さ寸法Ｂ１、Ｂ２に形成され、図１に示すように圧粉体７の軸部１１をパンチ２の駆動方向に伸ばしたような空間を形成する軸部形成部１２と、同様に鍔部１を伸ばしたような空間を形成する鍔部形成部１３により構成される。また、このキャビティ４は、成形性を高めるためにダイ６を鉛直方向に貫通するように形成され、さらに、図１において矢印で示すように粉体成形装置の粉体供給手段１４によって上方から供給される金属粉体３が鍔部形成部１３にも緻密に充填されるように鍔部形成部１３が下方に配置される。

パンチ２は、柱状に形成され、その断面は、キャビティ４内へのスライド移動によって閉塞された空間を形成できるように、上部側に配置される上パンチ（反対側のパンチ２Ｂ）は軸部形成部１２、すなわち圧粉体７の軸部１１とほぼ同一に、下部側に配置される下パンチ（鍔部側のパンチ２Ａ）は圧粉体７の鍔部１とほぼ同一にされる。また、その長さは、上述したように少なくともキャビティ４内への進入により圧粉体７の外形形状に一致する空間を形成できるように、進入ストロークに応じて上下パンチ２Ａ、２Ｂに個別に設定される。

また、上記パンチ２を保持し、キャビティ４に対して所定圧力でスライド移動可能にするために、粉末成形装置には、図１に示すように、パンチ２が取り付けられる受け台１５と、パンチ２を駆動する駆動手段１６が設けられる。受け台１５は、いわゆるパンチプレートであり、図示しないパンチ２の基端部に設けられるつばに嵌合するパンチ保持部を備え、鉛直方向にパンチ２を立設させる。

駆動手段１６は、上記受け台１５が固定される図示しないラムと油圧シリンダとを有し、油圧シリンダによってラムを鉛直方向に任意の圧力で鉛直方向に移動自在にすることで、受け台１５を介してパンチ２を鉛直方向に移動自在に駆動させる。また、上記油圧シリンダの駆動や上述した粉体供給手段１４による金属粉体３の供給のタイミング、量は、図１に示すように粉末成形装置の制御部１７により制御される。

制御部１７は、粉体成形に際し、先ず、粉体充填工程として、下パンチ２Ａの上面がダイ６の下面と同一面上に位置するように下方の駆動手段１６Ａを制御するとともに、上パンチ２Ｂの下面がダイ６の上面から離れるように上方の駆動手段１６Ｂを制御し、この状態で上パンチ２Ｂとダイ６上面の隙間からキャビティ４内に適正な圧粉体７の形成に必要な分量として予め設定された所定量の金属粉体３が充填されるように粉体供給手段１４を制御する（図１参照）。なお、この粉末充填過程においては、所定量の金属粉体３が溢れることなくキャビティ４内に充填されるように、必要に応じて上パンチ２Ｂが適宜上下動するように上方の駆動手段１６Ｂがさらに制御される。

次いで、仮成形として、上下のパンチ２が間欠的に近接してキャビティ４内に所定量まで進入するように上下の駆動手段１６Ａ、１６Ｂを制御し（図２（ｂ）参照）、この後、本成形として、下パンチ２Ａが上昇するように下方の駆動手段１６Ａを制御した後（図３（ａ）参照）、上パンチ２Ｂが下降するように上方の駆動手段１６Ｂを制御する（図３（ｂ）参照）。なお、本成形においてキャビティ４内の粉体３の１平方センチメートル当りにはおよそ１ｔの圧力が加えられ、圧粉体７に対するキャビティ４内に充填された未圧縮状態の粉体３の圧縮比は２．１から２．３倍程度である。

また、以上の本成形における粉体３に対するパンチ２による加圧を制御するために粉体成形装置にはストッパ（駆動規制手段８）が形成される。ストッパ８は、図１、図２（ｂ）、および図３に示すように、上パンチ２Ｂと下パンチ２Ａに対応してダイ６の上下に各々設けられる。下ストッパ８Ａは、キャビティ４の鍔部形成部１３内に充填される粉体３からなる鍔部相当部５の基準圧縮量Ｌ１に相当する高さを備え、下受け台１５Ａのダイ６側に固定されて下方の駆動手段１６Ａによる下パンチ２Ａの上昇時にダイ６下面に衝接し、下ストッパ８Ａのキャビティ４に対する粉体３加圧方向の最大駆動ストローク（図１におけるＨ１）を鍔部相当部５の基準圧縮量Ｌ１に規制する。

また、上ストッパ８Ｂは、軸部形成部１２内に充填される粉体３からなる軸部相当部１８の基準圧縮量Ｌ２に相当する高さを備え、ダイ６上面に固定されて上パンチ２Ｂを保持する受け台１５Ｂの底面に衝接し、上方の駆動手段１６Ｂによる上ストッパ８Ｂの下降、すなわち上ストッパ８Ｂのキャビティ４に対する粉体３加圧方向の最大駆動ストローク（図１におけるＨ２）を軸部相当部１８の基準圧縮量Ｌ２、言い換えれば上記鍔部相当部５の加圧によりやや短くなったキャビティ４内の粉体３長手方向の圧縮率を圧粉体７に求められる所定の圧縮率にするための圧縮量に規制する。なお、以上の上下ストッパ８Ａ、８Ｂはパンチ２とダイ６との間で圧縮された際に容易に変形しないように、鋼、ステンレス鋼、チタン合金、あるいはＣｏ基耐熱合金により形成される。

したがって成形工程は、先ず、図１に示すようにパンチ２圧縮方向に長手方向を向け、鍔部相当部５が下端に配置されるように形成されたキャビティ４内に上方から金属粉体３を充填し、次いで、仮成形として図２に示すように上下のストッパ８Ａ、８Ｂを間欠駆動させてキャビティ４内の金属粉体３を適宜圧縮し、その流動性を適宜低下させる。この仮成形における粉体３の圧縮量は基準圧縮量Ｌ１、Ｌ２に満たない範囲で適宜設定され、したがって駆動手段１６の制御によりキャビティ４に対するパンチ２の駆動ストロークが適宜制限されるために、この時点でダイ６に対してストッパ８が衝接してしまうことはない。

この後、本成形として、先ず、図３（ａ）に示すように下パンチ２Ａが上昇駆動されて鍔部相当部５、特にその外周部が圧縮成形されるが、この下パンチ２Ａのキャビティ４に対する相対移動は、下パンチ２Ａを保持する受け台１５Ａに固定された下ストッパ８Ａの上面がダイ６下面に衝接することにより強制的に停止される。この状態で、鍔部相当部５はストッパ８Ａの圧縮方向長さ、すなわち基準圧縮量Ｌ１だけ圧縮されており、寸法精度に優れた鍔部１が成形される。また、この状態において、キャビティ４に対する下パンチ２Ａの相対移動を規制する下ストッパ８Ａは、ダイプレートによって所定位置に保持されたダイ６を下パンチ２Ａの圧縮方向である上方に押圧し、キャビティ４の鍔部形成部１３と軸部形成部１２との段差に下パンチ２Ａによる圧縮方向の力を作用させる。

また、以上の下パンチ２Ａの上昇駆動が終了すると、今度は上パンチ２Ｂが下降駆動されてキャビティ４内の粉体３が長手方向、すなわち軸部相当部１８と鍔部相当部５の中心部からなる円柱状の領域を圧縮成形し、これにより圧粉体７が成形される。この上パンチ２Ｂの駆動ストロークについても、ダイ６上面に固定された上ストッパ８Ｂに上パンチ２Ｂの受け台１５Ｂが衝接することにより強制的に停止され、この状態において成形された圧粉体７の長手方向の長さ寸法は設計通りになる。

以上の成形工程完了後の焼結工程は、脱脂、すなわちパラフィンを取り除くための比較的低温な予備焼結、本焼結、ポアを少なくするＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｎｇ：冷間静水圧プレス）の順に行われ、真空下でのコバルトの液相焼結により圧粉体７中の粉体３が強固に結合され、これによりつば付きパンチの焼結体が完成する。

なお、以上においては、仮成形として上下パンチ２Ａ、２Ｂを各々間欠的に駆動させる場合を示したが、駆動するパンチ２をいずれか一方のみとしたり、パンチ２の駆動を連続的にしたりすることも可能である。また、以上の実施の形態においては駆動手段１６のラムに受け台１５を介してパンチ２を取り付ける場合を示したが、ラムに直接パンチ２を取り付けて構成することも可能である。

粉体成形装置の概略を示す図で、キャビティ内への粉体充填前の状態を示すものである。 キャビティ内の粉体の状態、圧縮過程を示す図で、（ａ）はキャビティ内への充填後、未圧縮の状態を説明する図、（ｂ）は仮成形状態を説明する図である。 キャビティ内の粉体の状態、圧縮過程を示す図で、（ａ）は本成形における下パンチ上昇時の状態を説明する図、（ｂ）は収本成形における上パンチ下降時の状態を説明する図である。

符号の説明

１ 鍔部
２ パンチ
２Ａ 鍔部側のパンチ
２Ｂ 反対側のパンチ
３ 粉体
４ キャビティ
５ 鍔部相当部
６ ダイ
７ 圧粉体
８ 駆動規制手段
Ｌ１ 基準圧縮量

Claims (4)

1. 一端に鍔部を有し、パンチの圧縮方向に長寸な鍔付きピン形状に粉体を圧縮成形する粉体成形方法であって、
   キャビティ内に充填される粉体の鍔部相当部の基準圧縮量に応じて鍔部側のパンチを駆動させて鍔部相当部を加圧し、
   次いで、反対側のパンチを駆動させて長手方向に加圧し、鍔付きピン形状に圧縮成形する粉体成形方法。
2. 前記鍔部側のパンチによる加圧最終過程において当該加圧方向にダイを加圧する請求項１記載の粉体成形方法。
3. 一端に鍔部を有し、パンチの圧縮方向に長寸な鍔付きピン形状の圧粉体を成形する粉体成形装置であって、
   キャビティ内に充填される粉体を鍔部相当部側から加圧する鍔部側のパンチと、
   前記鍔部側のパンチによる加圧完了後に駆動され、粉体長手方向を加圧して圧粉体を成形する反対側のパンチと、
   前記鍔部側のパンチの駆動ストロークを粉体の鍔部相当部の基準圧縮量に規制する駆動規制手段とを有する粉体成形装置。
4. 請求項１または２記載の粉体成形方法により得られた圧粉体を焼結して鍔付きピン状焼結体を製造する鍔付きピン状焼結体の製造方法。
   
   
   

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