JP2007100131A - 通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通電加熱焼結方法を適用して精密な表面形状を有する製品を造型することができる通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置を提供する。
【解決手段】粉末を加圧し、焼結して焼結体となすと共にパンチの成形表面の表面形状を焼結体に形状転写する工程後にパンチと焼結体とを離型し、係る離型は焼結工程完了直後に焼結体の温度降下に伴う収縮率が製造目標となる製品形状と焼結体形状の寸法誤差が０．２％以内である時間内に行われ、例えばパンチを介して粉末に加えられる圧力が減圧される過程で離型が行われるようにするので、熱膨張差によるパンチの破損を防止することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、発熱体を用いて発熱量を大きくして高電圧・低電流にて粉末を速やかに目的温度に昇温させるようにした通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置に関するものであり、より詳しくは、焼結過程において焼結体に精密な形状を転写して複雑な表面形状を備えた金型等を反復して製造することができる通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置に関する。

金属粉末に通電しその抵抗により発生するジュール熱により加熱し、加圧装置で加圧する通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置が用いられている。図１２はこのような焼結装置の基本構成を示す。図に示される様に内部に材料粉末３を入れる空間を有する円筒状のダイス２には、材料粉末３に電流と圧力を伝達するパンチ５ａ，５ｂが嵌合している。パンチ５ａ，５ｂを挟んで電極１０ａ，１０ｂが設けられ、電源装置８に接続している。上部電極１０ａの上部には油圧装置が設けられ、電極１０ａ，１０ｂ、パンチ５ａ，５ｂを介して材料粉末３を加圧するようになっている。ダイス２やパンチ５ａ，５ｂは高温強度に優れ、材料粉末３が着きにくい黒鉛で構成されている。なお、ダイス２、パンチ５ａ，５ｂ、電極１０ａ，１０ｂ等は真空チャンバ１４内に設けられ、焼結作業は、真空、不活性ガスや還元ガス等の非酸化雰囲気で行われる。

この通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置に関し、特許文献１にはいわゆる放電プラズマ焼結方法に適用され、成形型の損傷が防止され、成形型の長期間繰り返し使用が可能となり製造コストの低減が得られる通電焼結方法を提供するという課題の下に、図１３に示す様に、材料粉末３をダイス２中に装入し、パンチ５ａ，５ｂで圧縮して圧粉体とするとともに、該圧粉体にパンチ５ａ，５ｂを通じて電圧を印加することにより通電焼結して焼結体を得る方法において、ダイス２の内面の少なくとも材料粉末３と接する面に炭素材からなるスリーブ２ａを嵌合し、パンチ５ａ，５ｂの材料粉末３と接する先端面に炭素材からなるプレートを配設して、圧粉体の成形および圧粉体の通電焼結を行う通電焼結方法が開示された。

またこの通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置に関し、特許文献２には試料の温度を精度よく制御するという課題の下に、図１４に示す様に、ダイス２に粉末状の材料粉末３を入れこの材料粉末３の上下に設けた電極１０ａ，１０ｂにより通電する焼結装置の材料粉末３の上下のいずれかと電極１０ａ，１０ｂの間に材料粉末３より大きな抵抗の発熱体９を設け、この発熱体９の温度の温度センサ６による検知結果に基づき電極１０ａ，１０ｂに通電する電流を制御装置７によって制御するという通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置が開示された。

さらに特許文献３には均一な品質の加圧焼結体を効率よく成形し得るようにした通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置を提供するという課題の下に、図１５に示す様に、内部に材料粉末３を加圧成形するための成形空間４を有するダイス２に、上側発熱体９ａと下側発熱体９ｂを嵌合し、両者間に電源装置８により電圧が印加されるようにし、電流ｉは粉末３に流れることなく、ダイス２のみを介して上側発熱体９ａと下側発熱体９ｂ間に流れる結果、材料粉末３の種類によらず、温度制御が容易になるとした通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置が開示された。

さらに特許文献４には大型の焼結体に対応して発熱体９の径を大きくした場合も、発熱体９に十分なジュール熱を発生させ得るようにするという課題の下に内部に材料粉末３を加圧成形するための成形空間４を有するダイス２と、ダイス２の成形空間４に上下から嵌合される上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂと、ダイス２及び下側発熱体９ｂを支持する電極１０ｂと、上側発熱体９ａに加圧力を与える電極１０ａと、電極１０ａ，１０ｂに接続した電源装置８と、を備えた通電加熱焼結装置において、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂは、所要の電気抵抗を有する導電体部と、絶縁体部とによって構成するとした通電加熱焼結装置が開示された。
特開平１０−１７９０４号公報 特開２０００−７３１０３号公報 特開２０００−６３９０７号公報 特開２０００−６３９０６号公報

以上の特許文献１〜特許文献４に開示された通電加熱焼結方法若しくは通電加熱焼結装置についてはいずれも次の様な問題があった。
すなわち例えば通電加熱焼結方法を適用してアルミニウムダイカスト金型等を製造する場合、切削加工のような余分な部分を工具により除いていく切除方式と異なり、必要な量の金属粉末をジュール熱により、短時間に焼結することから、きわめて効率よく精度の高いアルミニウムダイカスト金型の製造が可能となることが期待される。

しかし、高精度高機能製品であるアルミニウムダイカスト金型についてはこれを通電加熱焼結方法で制作する場合には材料粉末３を直接加圧して金型の造型表面を造型するための母型となるパンチ５ａ，５ｂには黒鉛を主成分とするグラファイトマスタが適用される。
一方、アルミニウムダイカスト金型自体は金型としての高強度が必要であることから材料粉末３として主としてＳＫＤ６１等の熱間工具鋼が用いられなければならない。

したがって黒鉛を主成分とするグラファイトマスタと材料粉末３を焼結後に得られる焼結体とには熱膨張率に大きな差異が存し、この熱膨張率の違いという問題に起因して特許文献１〜特許文献４に開示された通電加熱焼結方法若しくは通電加熱焼結装置を適用してアルミニウムダイカスト金型等の金属材料製品を製造する場合には、焼結後にグラファイトマスタとして反復使用が期待されるパンチ５ａ，５ｂが破損し、これが生産効率の低下と生産コスト増加の原因となるだけでなく、上述した通電加熱焼結方法を適用してアルミニウムダイカスト金型等を製造する利益が失われるという問題がある。

本発明は、以上の従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、効率よく経済的に通電加熱焼結方法を適用して精密な表面形状を有する製品を造型することができる通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成する本発明の通電加熱焼結方法は以下の工程より成ることを特徴とする。
（１）ダイスの成形空間に収納された粉末及びパンチよりも大きな抵抗の発熱体に通電して発熱させる第１工程
（２）ダイスの成形空間に収納された粉末に転写する表面形状の成形表面を備えたパンチによって当該成形表面を介して粉末に加圧する第２工程
（３）発熱体の発熱とパンチの加圧によってダイスの成形空間に収納された粉末を加圧し、焼結して焼結体となすと共にパンチの成形表面の表面形状を焼結体に形状転写する第３工程
（４）第３工程後にパンチと焼結体とを離型する第４工程

以上の本発明の通電加熱焼結方法ではパンチと焼結体とを離型する第４工程は第３工程完了直後に行われる。

以上の本発明の通電加熱焼結方法ではパンチと焼結体とを離型する第４工程が第３工程後の焼結体の温度降下に伴う焼結体の熱収縮力がパンチの成形表面の強度限界以内である時間内に行われる。

ここで、パンチの成形表面の強度限界はパンチの材質と表面形状に応じて決定され、パンチの材質特性から算出し、予め設定される。

また以上の本発明の通電加熱焼結方法ではパンチと焼結体とを離型する第４工程が第３工程後の焼結体の温度降下に伴う収縮率が製造目標となる製品形状と焼結体形状の寸法誤差が０．２％以内である時間内に行われる。

ここで、製造目標となる製品形状と焼結体形状の寸法誤差は焼結時に温度センサから得られる測定温度によって計測される様にすることができる。
また製造目標となる製品形状と焼結体形状の寸法誤差が０．２％以内である時間はコンピュータシュミレーション等の方法を用いて焼結体の材質等のデータに基づき予め設定することができる。

以上の本発明の通電加熱焼結方法では第２工程でパンチを介して粉末に加えられる圧力が減圧される過程でパンチと焼結体とを離型する第４工程が行われる。

以上の本発明の通電加熱焼結方法ではパンチと焼結体とを離型する第４工程において焼結体がダイスに保持される。

また以上の課題を達成する本発明の通電加熱焼結装置は内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極装置とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記成形空間で成形された焼結体と前記パンチとを離型するための離型機構が設けられてなることを特徴とする。

以上の本発明の通電加熱焼結装置では、前記離型機構は、電極と発熱体とパンチを着脱可能に相互に取り付けるカップリングを有して成り、そのカップリングによって電極を引き離すと共に発熱体及びパンチを焼結体から離型させる。

以上の本発明の通電加熱焼結装置では、前記離型機構は、パンチに対して加圧手段よって加えられる加圧力に抗して型開き方向へ付勢する離型付勢手段を有してなり、粉末を加圧し、焼結して焼結体となす過程では前記加圧手段によってパンチに加えられる加圧力が前記離型付勢手段による付勢力よりも大なる加圧力に設定されてなる。

また以上の課題を達成する本発明の通電加熱焼結装置は、内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極装置とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記ダイスには前記成形空間で成形された焼結体を保持するための保持機構が設けられてなることを特徴とする。

以上の本発明の通電加熱焼結装置では、前記保持機構は、前記ダイスに前記成形空間に開口するように設けられた離型補助孔と、前記成形空間に突出する態様で離型補助孔に装着される離型補助ピンとよりなる。

また以上の課題を達成する本発明の通電加熱焼結装置は内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記ダイスは複数のダイス要素を組み合わせて成り、複数のダイス要素を組み合わせてダイスの粉末成形空間に形成される接合線が通過するように粉末成形空間に開口する離型穴が設けられてなることを特徴とする。

また以上の課題を達成する本発明の通電加熱焼結装置は内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極装置とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記ダイスには前記成形空間に開口する離型補助穴が設けられ、この離型補助穴を通過する分離線によって前記ダイスが分離可能にされてなることを特徴とする。

以上の本発明の通電加熱焼結装置では、ダイスの成形空間を介して加圧方向に沿って対抗する様に前記パンチを複数配置し、前記発熱体が複数配置されたそれぞれのパンチに対して伝熱可能に配置されるようにすることができる。

以上の本発明の通電加熱焼結装置では、前記パンチは成形空間に収納された粉末に転写する表面形状の成形表面を備えたグラファイトマスタである。

［作用］
以上の本発明の通電加熱焼結方法及びその装置によれば粉末を加圧し、焼結して焼結体となすと共にパンチの成形表面の表面形状を焼結体に形状転写する工程後にパンチと焼結体とを離型し、係る離型は焼結工程完了直後に焼結体の温度降下に伴う収縮率が製造目標となる製品形状と焼結体形状の寸法誤差が０．２％以内である時間内に行われ、例えばパンチを介して粉末に加えられる圧力が減圧される過程で離型が行われるようにするので、熱膨張差によるパンチの破損を防止することができる。
また、以上の本発明の通電加熱焼結方法ではパンチと焼結体とを離型する工程において焼結体がダイスに保持されるので、効率よく離型を行うことができる。

また以上の本発明の通電加熱焼結装置によれば前記成形空間で成形された焼結体と前記パンチとを離型するための離型機構が設けられ、前記離型機構は、電極と発熱体とパンチを着脱可能に相互に取り付けるカップリングによって構成されてカップリングによって電極を引き離すと共に発熱体及びパンチを焼結体から離型させることができる。

また以上の本発明の通電加熱焼結装置によれば前記離型機構は、パンチに対して加圧手段よって加えられる加圧力に抗して型開き方向へ付勢する離型付勢手段によって構成されパンチと焼結体とを離型する工程はパンチを介して粉末に加えられる圧力が減圧される過程で行われる様にすることができる。

また以上の課題を達成する本発明の通電加熱焼結装置では、ダイスには前記成形空間で成形された焼結体を保持するための保持機構が設けられ、前記保持機構は、前記成形空間に突出する態様で離型補助孔に装着される離型補助ピンとより構成され、またはダイスには前記成形空間に開口する離型補助穴が設けられてなり、離型補助ピンまたは離型補助穴に勘合した焼結体によって、パンチと焼結体とを離型する工程において焼結体がダイスに保持される。

以上説明したように、本発明によれば、抵抗の大きな発熱体によって発熱量を増加させることができ、しかもグラファイトマスタとして構成されるパンチを反復使用可能にして経済的に通電加熱焼結方法を適用して精密な表面形状を有する製品を造型することができる。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１の通電加熱焼結装置を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は本発明の実施の形態に係る通電加熱焼結装置の概略構成図である。
図１に示すように、通電加熱焼結装置１はグラファイトによって構成されている円筒状のダイス２を備え、このダイス２は材料粉末３を加圧成形するための成形空間４を有する。このダイス２の成型空間４に材料粉末３が充填された状態でダイス２内側には上下方向からパンチ５ａ，５ｂがはまり込んでいる。また、ダイス２には測温用の温度センサ６が取り付けられ、この温度に基づき制御装置７によって電源装置８が制御される。

さらにパンチ５ａ，５ｂの上下には円柱形状の発熱体９が設けられている。すなわちパンチ５ａの上側面に伝熱可能に接して上側発熱体９ａが配置され、パンチ５ａとの間でこの上側発熱体９ａを狭持する様に電極１０ａが配置される。一方、パンチ５ｂの下側面に伝熱可能に接して下側発熱体９ｂが配置され、パンチ５ｂとの間でこの下側発熱体９ｂを狭持する様に電極１０ｂが設けられる。発熱体９の外周は円筒状断熱材１１で拘束されこれによって外部への熱放射が防止される。

前記電極１０ａと電極１０ｂは共に良導体であり、また電極１０ａ，１０ｂには油圧装置（図示せず）が取り付けられており、この油圧装置によって電極１０ａ，１０ｂ、発熱体９ａ，９ｂ、パンチ５ａ，５ｂを介して材料粉末３が上下方向から加圧される。また、電極１０ａ，１０ｂには電源装置８と制御装置７が接続されており、電源装置８には、商用電源、或いは直流電源を用いることができる。

制御装置７の制御に応じて電源装置８から電極１０ａ，１０ｂに通電され、これにより電極１０ａ，１０ｂの端面に接触して配置された上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂを介して、パンチ５ａ，５ｂ、ダイス２、材料粉末３という通電回路が形成される。これによりその回路上の上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂから発生するジュール熱によってパンチ５ａ，５ｂを介してダイス２、材料粉末３が加熱されて焼結が進行する。なお、上述した様にダイス２には温度センサ６が取り付けられており、この温度センサ６によって検知される温度に基づき制御装置７によって電源装置８をコントロールして、ダイス２、材料粉末３に加えられる熱量が制御される。

ダイス２の外側には断熱材１２、金属サポート１３が設けられる。金属サポート１３はダイス２外径よりも大なる内側部直径を有する２つ割りの円筒状に形成される。断熱材１２をダイス２外側を取り巻く様に配置した状態でその断熱材１２外側に金属サポート１３が配置されると共に２つ割りの各部が締結されて、内側の断熱材１２を介してダイス２が外部から均一に加圧されて、焼結中のダイス２の破損が防止される。

また、断熱材１２は金属サポート１３とダイス２間に配置されて、焼結時にダイス２から発生する熱の放出を遮断して金属サポート１３が熱により軟化するのを防止する。このように、断熱材１２を介して金属サポート１３によってダイス２を外部から均一に加圧保持して強度を補完することにより、ダイス２自体を薄肉化その熱容量を低減することができるため、焼結に必要な熱量を減らすことができる。換言すれば発熱体９によって発生される熱が効率的に材料粉末３に加えられる様にすることができる。

なお、図示される様に電極１０ａ，１０ｂ、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂ、パンチ５ａ，５ｂ、ダイス２は、真空チャンバ１４内に収容される。

前記ダイス２の材料としては、高温時の強度が高く、且つ材料粉末３等が付着し難いグラファイトが一般に用いられている。
一方、前記上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂには、前記ダイス２を構成している黒鉛に対して高い電気抵抗を有する炭化珪素（ＳｉＣ）発熱体が用いられる。この上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂは大きな電気抵抗を有し、大型の焼結体を製造するために径を大きくしたパンチ５ａとパンチ５ｂを用いても、材料粉末３を速やかに昇温させるに足る十分なジュール熱を得ることができる。

ここで、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂにおける発熱量は、電源装置８からの電流値が等しければ、直列回路全体の抵抗を高くすることによって総発熱量を高くすることができる。したがって炭化珪素（ＳｉＣ）を用いることによって抵抗値を大きくした上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂからの発熱量は高電圧を印加して低電流値を維持することによって高くすることができる。換言すれば抵抗値を大きくした炭化珪素発熱体を用いることによって高電圧・低電流によって高い発熱量を得ることが可能となる。すなわち、一般的な放電プラズマ焼結装置を用いるよりも、本実施形態の炭化珪素発熱体９ａ，９ｂを用いる方が高電圧・低電流によって発熱量を大きくすることができる。

したがって発熱体９ａ，９ｂは、パンチ５ａ及びパンチ５ｂ以上の電気抵抗を有している必要があり、上述した炭化珪素の他に窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、ムライト等の材料が用いられる。

また、前記発熱体９ａ，９ｂによって発生される熱は、パンチ５ａ，５ｂの伝熱により材料粉末３に伝えられ、材料粉末３を均一に加熱することができる。
更に、上記パンチ５ａ，５ｂは、ダイス２の成形空間４に密に嵌合する形状を有していて、材料粉末３が上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂとダイス２との間に材料粉末３が侵入するのを防止するようにしており、このために、前記パンチ５ａ，５ｂは黒鉛にて形成されているダイスと略同等の熱膨張率を有する構成にする。

次に本発明の通電加熱焼結装置における離型機構について説明する。
図２〜図４は材料粉末３を焼結後に得られる焼結体１５からパンチ５ａ，５ｂをばねを利用して押し離す仕組みの離型機構の詳細を示す。
図２〜図４に示される方式では、パンチ５ａ，５ｂ、発熱体９、電極１０ａ，１０ｂは連結されておらず、電極１０ａ，１０ｂによる加圧によって接触状態を保っている。パンチ５ａ，５ｂには発熱体９に接触する部分にそれぞれパンチ鍔部１６ａ，１６ｂが設けられている。

離型機構はフランジ１７ａ，１７ｂと金属サポート１３の外側に金属サポート１３から張りだす態様で設けられたサポート部１３ａとフランジ１７ａ，１７ｂ−サポート部１３ａ間に設けられたスプリング２３とより構成される。
フランジ１７ａ，１７ｂ内側には、パンチ５ａ，５ｂを挿通するパンチ孔部１８ａ，１８ｂが設けられ、そのパンチ孔部１８ａ，１８ｂ内側にはパンチ係合段部１９ａ，１９ｂが設けられて、そのパンチ係合段部１９ａ，１９ｂにパンチ５ａ，５ｂのパンチ鍔部１６ａ，１６ｂが係合する。

フランジ１７ａ，１７ｂとサポート部１３ａには相互に対応する位置に中心を共通にしてフランジ孔部２０ａ，２０ｂ及びサポート部孔部２１ａ，２１ｂが設けられる。このフランジ孔部２０ａにはストッパー２２の軸部２２ａが挿通され、ストッパー２２はその先端２２ｂがサポート部孔部２１ａに螺合されると共に基端部２２ｃがフランジ１７ａ外側面に保持される。

このようにストッパー２２で連結することでフランジ１７ａ，１７ｂ−サポート部１３ａすなわち金属サポート１３間の最大幅を制限している。また、フランジ１７ａ，１７ｂ−金属サポート１３のサポート部１３ａ間にはスプリング２３が設けられており、フランジ１７ａ，１７ｂと金属サポート１３のサポート部１３ａ間がスプリング２３の長さよりも狭くなった場合、フランジ１７ａ，１７ｂは常にスプリング２３によって型開き方向へ加圧される。このとき、スプリング２３はストッパー２２をガイドとしてストッパー２２の軸方向のみに弾性的に伸縮し、したがって金属サポート１３のサポート部１３ａとフランジ１７ａ，１７ｂとの間隔を増減させる方向にのみスプリング２３による弾性的付勢が行われる。

図２〜図４に示されるように、フランジ１７ａの両側面のフランジ孔部２０ａの開口部周縁及びフランジ１７ｂの両側面のフランジ孔部２０ｂの開口部周縁には絶縁体２５が設けられ、これによって上下のフランジ１７ａ，１７ｂとストッパー２２及びスプリング２３間が絶縁される。これによりフランジ１７ａ，１７ｂとストッパー２２、スプリング２３間での直接的な通電及び放電が防止され、フランジ１７ａ，１７ｂと金属サポート１３とは電気的に絶縁される。

絶縁体２５は留め金２４によってフランジ２０に固定される。具体的には絶縁体２５はワッシャー形状をしたマイカ板で、ストッパー２２基端部２２ｃの首下（下面）とフランジ孔部２０ａの間に狭持される。したがって留め金２４によって絶縁体２５はフランジ１７ａ外側面に保持され、フランジ１７ａが下方に位置してその外側面がストッパー２２の基端部２２ｃから離隔している状態でもストッパー２２の軸部２２ａをフランジ孔部２０ａ，２０ｂの中心付近に拘束して位置決めする。

なお、フランジ１７ａ，１７ｂ、ストッパー２２及び金属サポート１３間の抵抗はパンチ５ａ，５ｂ、ダイス２の電気抵抗値と同等、あるいはそれ以下であり、抵抗値に大きな差異がないことから、上下のフランジ１７ａ，１７ｂとストッパー２２及びスプリング２３間が短絡し若しくは通電が発生した場合、パンチ５ａ，５ｂ、ダイス２によって構成される通電回路の電流が不足し、上側発熱体９ａと下側発熱体９ｂにおける発熱量が不十分となり、焼結に必要な熱量が不足して焼結不良が発生する原因となる。

ダイス２のパンチ５ａ，５ｂによる加圧方向の中心付近であってパンチ５ａ，５ｂが挿入されて材料粉末３を加圧成形するための成形空間４を形成する領域には離型補助孔２６が設けられる。この離型補助孔２６はダイス２の内側から外側に向けてパンチ５ａ，５ｂによる加圧方向と垂直方向に延出して開口し、さらに断熱材１２に設けられる貫通孔２６ａと連通する。また金属サポート１３にはその内側からサポート部１３ａに向けて貫通する貫通孔２６ｂが設けられ、ダイス２、断熱材１２及び金属サポート１３は離型補助孔２６、貫通孔２６ａ及び貫通孔２６ｂが連通する位置関係で配置されて組み付けられる。

そのように離型補助孔２６、貫通孔２６ａ及び貫通孔２６ｂが連通する位置関係でダイス２、断熱材１２及び金属サポート１３を配置した状態で離型補助孔２６、貫通孔２６ａ及び貫通孔２６ｂには離型補助ピン２７が挿通される。その離型補助ピン２７の補助ピン先端２７ａはダイス２内側にパンチ５ａ，５ｂが挿入されて形成される成形空間４に突出する。

次に図６〜図を参照して以上の本発明の実施の形態１の通電加熱焼結装置を用いて行われる通電加熱焼結方法につき説明する。
まず、ダイス２の成形空間４に下側発熱体９ｂを挿入してパンチ５ｂ及び下側発熱体９ｂを電極１０ｂによって支持した状態において、金属やセラミック等の材料粉末３を上方から前記成形空間４内に供給する（Ｓｔｅｐ１）。そして、成形空間４に上方からパンチ５ａ及び上側発熱体９ａを挿入する（Ｓｔｅｐ２）。

この状態において上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂ、パンチ５ａ，５ｂ及びダイス２を収納した真空チャンバ１４内を真空状態、または不活性ガス雰囲気、あるいは水素ガス等の還元ガス雰囲気とする（Ｓｔｅｐ３）。

この状態で、電極１０ａ，１０ｂ、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂ、パンチ５ａ，５ｂを図示しない油圧装置によって材料粉末３の加圧方向に図上矢印で示す方向に移動して材料粉末３に対する加圧を行う（Ｓｔｅｐ４）。

さらに、電源装置８を用いて、上側発熱体９ａと下側発熱体９ｂの間に電圧を印加することにより、上側発熱体９ａと下側発熱体９ｂを通してパンチ５ａ，５ｂ及びダイス２内の材料粉末３に電流を流し、該電流によって、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂのジュール発熱、更には材料粉末３自身のジュール発熱により、材料粉末３を高温に加熱する（Ｓｔｅｐ５）。これにより、加圧下にある材料粉末３は加圧され、高温に加熱されて結合し易い状態となり、焼結されて加圧焼結体となる

前記したような構成において、前述の如く、電源装置８により電極１０ａ，１０ｂに電圧を印加すると、上側発熱体９ａ、パンチ５ａ、材料粉末３、ダイス２、パンチ５ｂ、下側発熱体９ｂという経路で電流が流れる。

このとき上述したように、大きなジュール熱が上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂで得られるので、材料粉末３の容積が大きくても十分にこの材料粉末３を加熱することができる。また、前記上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂからの熱がパンチ５ａ，５ｂによって径方向に分散されることにより、材料粉末３を均一に加熱することができる。

またその際、パンチ５ａ，５ｂの材料粉末３を直接加圧する表面には金型としての表面形状が造型されており、その表面形状が材料粉末３の加熱加圧焼結よって得られる焼結体１５に転写され、焼結体１５はパンチ５ａ，５ｂの金型としての表面形状が転写された精密形状を有する焼結体となる（Ｓｔｅｐ６）。

以上の焼結過程では電極１０ａ，１０ｂによって上下方向からの加圧、通電が行われて、電極１０ａ，１０ｂにより発熱体９ａ，９ｂを介してパンチ５ａ，５ｂが加圧され、それと同時にパンチ５ａ，５ｂのパンチ鍔部１６ａ，１６ｂに係合するパンチ係合段部１９ａ，１９ｂを介してフランジ１７ａ，１７ｂも材料粉末３の加圧方向に加圧される。

その様にフランジ１７ａ，１７ｂが加圧される結果、フランジ１７ａ，１７ｂとサポート部１３ａ間に配設されるスプリング２３が圧縮され、スプリング２３によってフランジ１７ａ，１７ｂとサポート部１３ａ間を広げる方向の反発力が生じる。しかし、このスプリング２３の反発力に上回る加圧力が油圧装置によって電極１０ａ，１０ｂ、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂ、パンチ５ａ，５ｂに加えられて材料粉末３に十分な圧力を加えることができ、十分な加圧焼結を行うことができる。

焼結終了後の冷却過程では、油圧装置によって電極１０ａ，１０ｂ、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂ、パンチ５ａ，５ｂに加えられる加圧力を下げて行き、この加圧力がスプリング２３の反発力よりも小さくなった時点で、フランジ１７ａ，１７ｂ、パンチ５ａ，５ｂ、発熱体９ａ，９ｂ、電極１０ａ，１０ｂがスプリング２３の反発力によって材料粉末３に対する加圧方向とは逆方向である型開き方向へ加圧される（Ｓｔｅｐ７）。次に、焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂとの離型の際の離型抵抗及び油圧装置によって電極１０ａ，１０ｂに加えられる加圧力よりもスプリング２３の反発力が大きくなった時点で、焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂの離型が行われる（Ｓｔｅｐ８）。

なお、スプリング２３の反発力はフランジ１７ａ，１７ｂとサポート部１３ａ間における圧縮量によって変化するため、焼結時のスプリング２３圧縮量と電極１０ａ，１０ｂの加圧力及び焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂとの離型抵抗に応じてスプリング２３の反発力すなわち弾性係数等の弾性的性質は適切に設定する必要がある。

以上の焼結後の離型過程において本発明の通電加熱焼結装置によれば上述した様に、離型補助孔２６、断熱材１２に設けられる貫通孔２６ａ、貫通孔２６ｂ、離型補助ピン２７によって構成される焼結体１５の保持機構によって離型過程における焼結体１５の保持が行われる。

具体的には、上述した様に材料粉末３の焼結過程において離型補助ピン２７の補助ピン先端２７ａはダイス２内側にパンチ５ａ，５ｂが挿入されて形成される成形空間４に突出しており、その結果、材料粉末３の焼結過程において補助ピン先端２７ａが焼結体１５中に突設して配置された状態となり、離型補助ピン２７の補助ピン先端２７ａによって焼結体１５がダイス２内側に保持された状態となる。その様に焼結体１５をダイス２内側に保持することで焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂとの離型を確実に行うことができる。また図５に模式的に示す様に離型後は離型補助ピン２７を離型補助孔２６から引き抜いて焼結体１５をダイス２から簡単に取り外すことができる。

このように焼結体１５がダイス２内側に固定されていない場合、焼結体１５からの離型の際に上側パンチ５ａと下側パンチ５ｂのうちで離型抵抗のより大きい側に焼結体１５が付着した状態で焼結後の離型過程が進行し、上側パンチ５ａと下側パンチ５ｂのうちいずれか一方の離型ができなくなる。

次いで以上の様に焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂの離型が行われるた状態で必要に応じて焼結体１５を取り出し、さらに真空チャンバ１４内の真空状態を解除し（Ｓｔｅｐ９）、上側パンチ５ａを引き出し（Ｓｔｅｐ１０）、焼結工程を終了する。

図７は以上の焼結過程におけるダイス２内側における温度を上側パンチ５ａと下側パンチ５ｂに加わる加圧力と真空チャンバ１４内の真空度の変化を示すタイムチャートである。図７に示される様にダイス２の成形空間４に下側発熱体９ｂを挿入してパンチ５ｂ及び下側発熱体９ｂを電極１０ｂによって支持した状態において、金属やセラミック等の材料粉末３を上方から前記成形空間４内に供給し（Ｓｔｅｐ１）、成形空間４に上方からパンチ５ａ及び上側発熱体９ａを挿入した（Ｓｔｅｐ２）状態で真空チャンバ１４が減圧されて真空チャンバ１４内の真空度が上昇し、十分な真空度が得られた状態で材料粉末３に対する加圧が開始される（Ｓｔｅｐ４）。

次に材料粉末３に対して十分な加圧が行われた状態で、電源装置８による上側発熱体９ａと下側発熱体９ｂ間の電圧印加を開始し、上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂのジュール発熱により、材料粉末３を高温に加熱して（Ｓｔｅｐ５）一定時間保持し、焼結が終了して冷却が開始すると共に離型機構が作動して（Ｓｔｅｐ７）焼結体１５に対するパンチ５ａ，５ｂによる加圧力が解除される。

次に、焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂとの離型の際の離型抵抗及び油圧装置によって電極１０ａ，１０ｂに加えられる加圧力よりもスプリング２３の反発力が大きくなった時点で、焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂの離型が行われる（Ｓｔｅｐ９、Ｓｔｅｐ１０）。その後ダイス２内側温度が２５０〜３００℃程度に降下した時点で、真空チャンバ１４内の真空状態が解除されパンチ５ａ，５ｂ（グラファイト型）と共に焼結体１５が取り出されて所定の熱処理工程に供される。

以上の図７に示されるタイムチャートの態様では焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂ等の取り扱い上の安全性の観点と高温状態で真空チャンバ１４内の真空解除を行うと、パンチ５ａ，５ｂ（グラファイト型）の酸化、真空チャンバ１４の熱による劣化が発生し、これを防止する必要があることから焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂの取り出し温度が２５０〜３００℃とされている。

従って、焼結体１５の劣化の防止と高精度化を実現するという目的で焼結直後に焼結体１５に熱処理を行う場合には図８のタイムチャートに示される焼結工程が実施される。
図８のタイムチャートに示される焼結工程では前述の図７に示されるタイムチャートの態様とは異なり、焼結体１５に対するパンチ５ａ，５ｂによる加圧力が解除されると同時にダイス２内側温度が８００〜９００℃程度の高温である時点で焼結体１５の取り出し及び設処理工程への移送が行われ、一方、真空チャンバ１４内の真空状態は可能な範囲で維持されて、その後ダイス２内側温度が２５０〜３００℃程度に降下した時点で、真空チャンバ１４内の真空状態が解除される。

これにより焼結体１５が真空チャンバ１４内にダイス２内側温度が２５０〜３００℃程度まで降下するまで保持されることによる特性の劣化を可及的に防止すると共に高温状態で真空チャンバ１４内の真空が解除されることによるパンチ５ａ，５ｂ（グラファイト型）の酸化、真空チャンバ１４の熱による劣化が防止される。

［実施の形態２］
図９は本発明の実施の形態２としてダイス２内側にパンチ５ａ，５ｂが挿入されて形成される成形空間４の領域でダイス２が上下の部分に分割される様にすると共に、その分割部分のダイス２の内側部に保持凹部２８が形成される様にした焼結体１５の保持機構についての概念図を示す。

この保持機構によれば、焼結体１５に保持凹部２８に突出する保持突部１５ａが形成され、この保持突部１５ａがダイス２の保持凹部２８に係合した状態で焼結体１５からのパンチ５ａ，５ｂの離型が行われるので、焼結体１５からのパンチ５ａ，５ｂの離型を確実に行うことができる。また離型後はダイス２を上下の部分に分割して焼結体１５をダイス２から取り外すことができる。

［実施の形態３］
図１０乃至図１５は本発明の実施の形態３の通電加熱焼結装置を示す。この実施の形態３の通電加熱焼結装置は、上下電極１０ａ，１０ｂとパンチ５ａ，５ｂをカップリング２９によって組み付けることにより、焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂの離型を可能としている。

実施の形態３の通電加熱焼結装置では、図に示す様に電極１０ａ，１０ｂの端部に電極鍔部３０ａ，３０ｂが設けられ、一方パンチ５ａ，５ｂの端部には電極鍔部３０ａ，３０ｂとほぼ同径のパンチ鍔部３１ａ，３１ｂが設けられる。その電極鍔部３０ａ，３０ｂとパンチ鍔部３１ａ，３１ｂとの間に発熱体９ａ，９ｂを配置し、電極鍔部３０ａ，３０ｂとパンチ鍔部３１ａ，３１ｂをカップリング２９によって挟み込み、電極鍔部３０ａ，３０ｂとパンチ鍔部３１ａ，３１ｂとの間に発熱体９ａ，９ｂを挟持した状態で電極１０ａ，１０ｂと発熱体９ａ，９ｂとパンチ５ａ，５ｂとがカップリング２９によって組み付けられて一体化される。

従ってその様に組み付けられた状態では、油圧装置によって電極１０ａ，１０ｂが昇降されると電極１０ａ，１０ｂと一体となって発熱体９ａ，９ｂとパンチ５ａ，５ｂとが昇降し、油圧装置による電極１０ａ，１０ｂの昇降によって材料粉末３の加圧焼結及び焼結体１５からのパンチ５ａ，５ｂの離型が行われる。すなわち電極１０ａ，１０ｂを油圧装置によって型開き方向に引き離す動きに伴い上側発熱体９ａ及び下側発熱体９ｂ、パンチ５ａ，５ｂを型開き方向に移動させ、これによってパンチ５ａ，５ｂを焼結体１５から離型させることができる。

以上の実施の形態３の通電加熱焼結装置では電極１０ａ，１０ｂとカップリング２９、パンチ５ａ，５ｂとカップリング２９との間には絶縁体２５が配置されて、その間が短絡して発熱体９ａ，９ｂへの通電が阻害されることを防止している。この場合に絶縁処理したカップリング２９を設ける様にすることもできる。

なおこの実施の形態３の通電加熱焼結装置でも実施の形態１、実施の形態２の通電加熱焼結装置と同様に、離型補助孔２６、断熱材１２に設けられる貫通孔２６ａ、貫通孔２６ｂ、離型補助ピン２７によって構成される焼結体１５の保持機構によって離型過程における焼結体１５の保持が行われる。

具体的には、上述した様に材料粉末３の焼結過程において離型補助ピン２７の補助ピン先端２７ａはダイス２内側にパンチ５ａ，５ｂが挿入されて形成される成形空間４に突出しており、その結果、材料粉末３の焼結過程において補助ピン先端２７ａが焼結体１５中に突設して配置された状態となり、離型補助ピン２７の補助ピン先端２７ａによって焼結体１５がダイス２内側に保持された状態となる。その様に焼結体１５をダイス２内側に保持することで焼結体１５とパンチ５ａ，５ｂとの離型を確実に行うことができる。また図９に模式的に示す様に離型後は離型補助ピン２７を離型補助孔２６から引き抜いて焼結体１５をダイス２から簡単に取り外すことができる。

本発明の通電加熱焼結方法及び通電加熱焼結装置は例えばアルミニウムダイカスト金型の通電加熱焼結に好適に適用できる。

本発明の実施の形態に係る通電加熱焼結装置の概略構成図である。 図１Ｂ−Ｂ断面図である。 図１Ａ−Ａ断面図である。 図１に示す通電加熱焼結装置の部分拡大図である。 図１に示す通電加熱焼結装置の動作を示す模式図である。 図１に示す通電加熱焼結装置を用いて行う本発明の実施の形態に係る通電加熱焼結方法のフローチャートである。 図１に示す通電加熱焼結装置を用いて行う本発明の実施の形態に係る通電加熱焼結方法のタイムチャートである。 図１に示す通電加熱焼結装置を用いて行う本発明の実施の形態に係る通電加熱焼結方法の他のタイムチャートである。 本発明の他の実施の形態に係る通電加熱焼結装置の模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る通電加熱焼結装置の概略構成図である。 図１０に示す通電加熱焼結装置の部分拡大図である。 従来の通電加熱焼結装置の概略構成図である。 従来の通電加熱焼結装置の概略構成図である。 従来の通電加熱焼結装置の概略構成図である。 従来の通電加熱焼結装置の概略構成図である。

符号の説明

１・・・通電加熱焼結装置、２・・・ダイス、３・・・材料粉末、４・・・成形空間、５・・・パンチ、６・・・温度センサ、７・・・制御装置 、８・・・電源装置、９・・・発熱体、１０・・・電極、１１・・・円筒状断熱材、１２・・・断熱材、１３・・・金属サポート、１４・・・真空チャンバ、１５・・・焼結体、１６・・・パンチ鍔部、１７・・・フランジ、１８・・・パンチ孔部、１９・・・パンチ係合段部段部、２０・・・フランジ孔部、２１・・・サポート部孔部、２２・・・ストッパー、２３・・・スプリング・・・、２４・・・留め金、２５・・・絶縁体 、２６・・・離型補助孔、２７・・・離型補助ピン、２８・・・保持凹部、２９・・・カップリング、３０・・・電極鍔部、３１・・・パンチ鍔部。

Claims (15)

1. 以下の工程より成ることを特徴とする通電加熱焼結方法。
   （１）ダイスの成形空間に収納された粉末及びパンチよりも大きな抵抗の発熱体に通電して発熱させる第１工程
   （２）ダイスの成形空間に収納された粉末に転写する表面形状の成形表面を備えたパンチによって当該成形表面を介して粉末に加圧する第２工程
   （３）発熱体の発熱とパンチの加圧によってダイスの成形空間に収納された粉末を加圧し、焼結して焼結体となすと共にパンチの成形表面の表面形状を焼結体に形状転写する第３工程
   （４）第３工程後にパンチと焼結体とを離型する第４工程
2. パンチと焼結体とを離型する第４工程が第３工程完了直後に行われる請求項１記載の通電加熱焼結方法。
3. パンチと焼結体とを離型する第４工程が第３工程後の焼結体の温度降下に伴う焼結体の熱収縮力がパンチの成形表面の強度限界以内である時間内に行われる請求項１記載の通電加熱焼結方法。
4. パンチと焼結体とを離型する第４工程が第３工程後の焼結体の温度降下に伴う収縮率が製造目標となる製品形状と焼結体形状の寸法誤差が０．２％以内である時間内に行われる請求項１記載の通電加熱焼結方法。
5. 第２工程でパンチを介して粉末に加えられる圧力が減圧される過程でパンチと焼結体とを離型する第４工程が行われる請求項１記載の通電加熱焼結方法。
6. パンチと焼結体とを離型する第４工程において焼結体がダイスに保持される請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の通電加熱焼結方法。
7. 内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極装置とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記成形空間で成形された焼結体と前記パンチとを離型するための離型機構が設けられてなることを特徴とする通電加熱焼結装置。
8. 前記離型機構は、電極と発熱体とパンチを着脱可能に相互に取り付けるカップリングを有して成り、そのカップリングによって電極を引き離すと共に発熱体及びパンチを焼結体から離型させる請求項７に記載の通電加熱焼結装置。
9. 前記離型機構は、パンチに対して加圧手段よって加えられる加圧力に抗して型開き方向へ付勢する離型付勢手段を有してなり、粉末を加圧し、焼結して焼結体となす過程では前記加圧手段によってパンチに加えられる加圧力が前記離型付勢手段による付勢力よりも大なる加圧力に設定されてなる請求項７または請求項８に記載の通電加熱焼結装置。
10. 内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極装置とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記ダイスには前記成形空間で成形された焼結体を保持するための保持機構が設けられてなることを特徴とする通電加熱焼結装置。
11. 前記保持機構は、前記ダイスに前記成形空間に開口するように設けられた離型補助孔と、前記成形空間に突出する態様で離型補助孔に装着される離型補助ピンとよりなる請求項１０に記載の通電加熱焼結装置。
12. 内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記ダイスは複数のダイス要素を組み合わせて成り、複数のダイス要素を組み合わせてダイスの粉末成形空間に形成される接合線が通過するように粉末成形空間に開口する離型穴が設けられてなることを特徴とする通電加熱焼結装置。
13. 内部に粉末を加圧成形するための成形空間を有するダイスと、ダイスの成形空間に嵌合されるパンチと、パンチに伝熱可能に配置される発熱体と、発熱体に通電するための電極装置とパンチに加圧力を与える加圧手段とを備え、前記ダイスには前記成形空間に開口する離型補助穴が設けられ、この離型補助穴を通過する分離線によって前記ダイスが分離可能にされてなることを特徴とする通電加熱焼結装置。
14. ダイスの成形空間を介して加圧方向に沿って対抗する様に前記パンチを複数配置し、前記発熱体が複数配置されたそれぞれのパンチに対して伝熱可能に配置される請求項７ないし請求項１３のいずれか一に記載の通電加熱焼結装置。
15. 前記パンチが成形空間に収納された粉末に転写する表面形状の成形表面を備えたグラファイトマスタである請求項７ないし請求項１４のいずれか一に記載の通電加熱焼結装置。

Images