JP2007113074A - 圧粉体の成形方法、粉末成形装置および焼結部品 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜した段差面を有する機械部品を低コストで製造するために、圧粉体の製品形状への金型成形を可能にして、粉末冶金法による製造を可能ならしめることを課題としている。
【解決手段】ダイ１のキャビティ６に原料の粉末１０を充填した後、一部の粉末を粉末かきでかき出して傾斜した段差面１１ａを有する粉末除去部１１を生じさせる。この後、上１パンチ２_−１を粉末除去部１１に入り込ませ、この上１パンチ２_−１で段差面１１ａの崩れを防止しながら上２パンチ２_−２を粉末の非除去部１２に接触させ、さらに、上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２をストローク終点まで降下させて圧粉体２０を成形するようにした。段差面１１ａの傾斜が粉末の安息角よりも大きくても安定した成形ができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、傾斜角度の大きな段差面を有する機械部品を粉末冶金法で製造するための圧粉体の成形方法と、その方法を実施する粉末成形装置と、その方法を用いて製造される焼結部品に関する。

周知の機械部品の一例を図６に示す。図示の機械部品は、自動車の変速機構などに使用される部品である。この部品３０のように、本体部３１の外周に突起３２を有し、その突起３２が本体部３１の上側に突出しており、この突起３２の上面と本体部３１の上面との間に斜面の段差面３３が設けられる機械部品がある。

このような機械部品は、コスト低減のために量産性に優れる粉末冶金法で製造することが望まれているが、図示の機械部品３０のように、本体部３１と突起３２との間に軸方向の段差があり、しかも、傾斜角のきつい段差面３３が形成される機械部品は、原料の粉末を直接製品形状に金型成形することが難しかった。

図６の機械部品３０を粉末冶金法で製造するときには、粉末の成形工程で得られる圧粉体に大きな密度差を発生させないようにする必要がある。粉末成形時に密度分布を調整することは従来から行われているが（例えば、下記特許文献１、２参照）、図６の機械部品３０は、特許文献１、２が開示している方法での密度調整が行えない。従って、図７に示すように、ダイ１のキャビティ６に充填した粉末１０に予め段差Ｓ_２を生じさせておいて粉末を成形することになる。

ところが、キャビティ６内の粉末１０に段差Ｓ_２を生じさせることは簡単でない。特に、段差面３３の傾斜角が粉末の安息角より大きい場合には成形が困難になる。また、段差Ｓ_２を付けることができても、これを上パンチで加圧するときに粉末が盛り上がっている図のＡ部が崩れ、それが圧粉体の密度を狂わせる原因となる。

上パンチ２は、図７のＡ部の粉末圧縮量をＢ部の粉末圧縮量よりも大きくする必要があり、成形面の段差Ｓ_１が必然的に粉末の段差Ｓ_２よりも小さくなる。その様な上パンチを用いて図６の段差Ｓ_２を生じさせた粉末を成形すると、図８に示すように、上パンチ２の本体部成形部２ａがＢ部に到達する前に突起成形部２ｂが盛り上がったＡ部に当たってＡ部が崩れる。特に、図６の段差面３３の傾斜角θが粉末１０の安息角よりも大きい場合にはＡ部が崩れ易く、成形が困難である。また、Ａ部が崩れると、余分な粉末が圧粉体２０の本体部２１に取り込まれ、本体部２１の密度が目標値よりも大きくなる。また、一方で、圧粉体の突起２２は粉末が減少したことによって密度が目標値よりも小さくなり、そのために、品質の安定した製品ができない。

このような事情から、図６に示すような形状の部品は、鍛造や鋳造で製造されており、粉末冶金法による製造はなされていなかった。

なお、段差のない圧粉体を製造し、焼結後に機械加工して段差をつける方法を採れば上記のような機械部品を粉末冶金法で製造することができるが、この方法は、鍛造や鋳造よりもコストが高くついて粉末冶金法の利点が生かされない。
特開２０００−２６９０４号公報 特開平７−２５８７０４号公報

この発明は、傾斜した段差面を有する機械部品、特に、原料の粉末の安息角よりも大きい角度で傾斜した段差面を有する機械部品を低コストで製造すること、そのために、圧粉体の製品形状への金型成形を可能にして粉末冶金法による製造を可能ならしめることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ダイのキャビティに原料の粉末を充填する工程、
充填した粉末の一部を粉末かきでかき出して傾斜した段差面を有する粉末除去部をキャビティ内の粉末に生じさせる工程、
上１パンチを前記粉末除去部に入り込ませる工程、
上１パンチで前記段差面を支持する工程、
粉末除去部に入り込んだ上１パンチで前記段差面を支持しながら上２パンチを粉末の非除去部に接触させる工程、
上１パンチと上２パンチをストローク終点まで降下させて下パンチを含む金型でキャビティ内粉末を圧縮する工程を経て傾斜した段差面を有する圧粉体を成形する。
この成形方法は、前述の粉末除去部に粉末の安息角よりも大きな角度で傾斜した段差面を生じさせておいて粉末を成形するときに特に大きな効果を期待できるが、粉末除去部に粉末の安息角よりも小さい角度で傾斜した段差面を生じさせて成形を行うときにもその有効性が発揮される。

上１パンチと上２パンチはキャビティ内粉末に対して同時に接触させるのがよい。

この発明においては、上記の方法を実行する粉末成形装置も併せて提供する。その粉末成形装置は、ダイ、圧粉体に形成される段差面とその段差面の下端に連なる面を成形する上１パンチ、圧粉体の前記段差面の上端に連なる面を成形する上２パンチ、及び下パンチを備える金型と、ダイのキャビティに充填した粉末の一部をかき出して傾斜した段差面を有する粉末除去部をキャビティ内の粉末に生じさせる粉末かきを有し、前記上１パンチが前記粉末かきによってキャビティ内粉末に予め形成された粉末除去部を支持し、この上１パンチで前記段差面を支持しながら上２パンチをキャビティ内粉末の非除去部に接触させ、この後に、上１パンチと上２パンチがストローク終点まで降下してキャビティ内の粉末を圧縮するように構成されている。

この発明の方法、装置で成形された圧粉体は焼結し、必要があればその後にさらにサイジングや熱処理を行う。これにより、傾斜した段差面を有する焼結部品が得られる。この発明は、その焼結部品も提供する。

なお、得られた焼結部品の段差面が金型成形された面であることは、段差面に焼結肌が残されているか否かで見分けることができる。

ダイのキャビティに粉末を充填した後、一部の粉末を粉末かきでかき出すと、粉末かきの輪郭形状が転写されてキャビティ内の粉末に所定の角度で傾斜した段差面を有する粉末除去部が形成され、密度調整のための段差が生じる。

この発明では、上パンチを上１パンチと上２パンチに分割し、上記のようにして生じさせた粉末除去部を上１パンチで、粉末の非除去部（盛り上がり部）を上２パンチで別々に加圧する。また、その加圧を、上１パンチを粉末除去部に入り込ませ、この状態で上２パンチを粉末に接触させて行う。こうすると、上２パンチが粉末に接触したときには上１パンチが既に粉末除去部に十分に入り込んでおり、その上１パンチによって粉末の流動が阻止されるため、段差面の崩れ落ちが起こらない。

従って、この発明の方法によれば、傾斜した段差面を有する品質の安定した圧粉体を金型成形して得ることができる。段差面が原料の粉末の安息角よりも大きい角度で傾斜していても品質を悪化させない成形を支障なく行うことができ、鍛造や鋳造によらざるを得なかった機械部品を粉末冶金法で製造することが可能になる。

なお、この発明の方法は、キャビティ内粉末の一部をかき出すときには粉末に形成される段差面が崩れないようにするのが好ましい。しかし、段差面の傾斜角が粉末の安息角よりも大きい場合には段差面を崩れないようにするのは困難である。段差面が多少崩れた場合にも、上１パンチを、粉末をかき出した粉末除去部に入り込ませてその上１パンチで崩れた段差面を修復し、これを保持することで段差面の傾斜角が粉末の安息角よりも大きい成形体を成形可能としている。

以下、添付図面の図１〜図４に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。例示の成形方法では、図５に示す圧粉体２０、即ち、本体部２１と、突起２２と、原料粉末の安息角を超える角度θ°で傾斜した段差面２３と、軸孔２４を有する圧粉体２０を成形する。

図１の１は粉末成形装置のダイ、２_−１は上１パンチ、２_−２は上１パンチ２_−１から独立させた上２パンチ、３_−２は下２パンチ、３_−１は下２パンチ３_−２の外周に配置した下１パンチ、４は下２パンチ３_−２の内側に配置したコア、５は粉末かきである。

上１パンチ２_−１は、図５の圧粉体２０に形成される段差面２３と本体部２１の端面（上面）２１aを成形し、上２パンチ２_−２は圧粉体に形成される突起２２の端面（上面）２２aを成形する。上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２は、プレス機の上ラム（図示せず）に駆動されて昇降する。また、上２パンチ２_−２は、プレス機の上ラムに取付けた押し引きアクチュエータ（これも図示せず）で単独に駆動して上１パンチ２_−１に対して軸方向位置を調整できるようにしてある。

下２パンチ３_−２は圧粉体の本体部２１の軸孔周りの下面を、下１パンチ３_−１は圧粉体の下面の残りの領域を、コア４は軸孔２４をそれぞれ成形する。

図中、６は、ダイ１とそのダイの成形孔に挿入される下１、下２の各パンチ３_−１、３_−２と、コア４との間に形成されるキャビティであり、このキャビティ６に原料の粉末１０が充填される（図２参照）。

粉末かき５は、キャビティ６に満杯に充填した粉末１０の一部をかき出す。この粉末かき５は、段差を生じた下縁５ａ、５ｂ間にθ°の傾きを有する側縁５ｃを有し、この側縁５ｃを含む粉末かき５の下側の輪郭形状がキャビティ６内の粉末に転写されてその粉末の安息角を超える角度で傾斜した段差面１１ａを有する粉末除去部１１が形成される（図３参照）。

ダイ１には、粉末かき５の下側の輪郭形状に対応させた切り欠き部１ａを設けてあり、その切り欠き部１ａに入り込ませた粉末かき５がキャビティ６の上部を横切るように移動して余分の粉末をかき出す。なお、この実施形態では、段差面２３は角度θで傾いた平面としているが、粉末かき５の側縁５ｃ、上１パンチ２_−１の段差面２_−１aの形状を曲線で形成されるものに変更し、その変更した粉末かきで形成された曲面であってもよい。

粉末かき５が、かき出しの役目を終えて上パンチの移動経路外に退避すると、プレス機の上ラム（図示せず）が駆動されて上パンチが降下する。その上パンチの降下は、例えば、上２パンチ２_−２を上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２の先端間寸法Ｓ_３がキャビティ内の粉末に生じさせた段差Ｓ_２とほぼ等しくなるところまで上１パンチ２_−１に対して予め引き上げ｛図４（ａ）参照｝、この状態を維持して上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２を同時に降下させる方法でなされる。

これにより、上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２はキャビティ６内の粉末１０にほぼ同時に接触する｛図４（ｂ）参照｝。このときには、上１パンチ２_−１が粉末除去部１１に入り込んで上１パンチ２_−１と段差面１１ａとの間の隙間が既になくなっており、上１パンチ２_−１が段差面１１ａの支持壁として働き、非除去部１２からの粉末の流動を阻止する。従って、上２パンチ２_−２が端面に当たったことによって粉末の非除去部１２に衝撃が加わっても非除去部１２の崩れが起こらない。

上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２は、キャビティ６内の粉末に接触した位置からストローク終点に向かってさらに降下する。上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２とプレス機の上ラムが下死点に到達して粉末の圧縮を完了する｛図４（ｃ）参照｝。

なお、上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２がキャビティ６内の粉末に接触したところから上２パンチ２_−２の位置を調整する押し引きアクチュエータを作動させて上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２をストローク終点にほぼ同時に到達させることも可能である。上１パンチ２_−１と上２パンチ２_−２が各々のストローク終点に到達するタイミングは、同じである。

ダイのキャビティに粉末を投入した後、粉末かきで余分の粉末をかき出して充填粉末にその粉末の安息角よりも大きい角度で傾斜した段差面を有する粉末除去部を生じさせ、その後に、上１パンチで前記段差面の崩れを防止しながら上２パンチを粉末の非除去部に接触させ、引き続いて圧縮を行うこの発明の方法で圧粉体を成形し、得られた圧粉体の密度分布を調べた。圧粉体は図６に示す形状のものを試作した。圧粉体の本体部直径D＝２０ｍｍ、厚みｔ１＝３ｍｍ、突起高さｈ＝４．５ｍｍ、段差面の傾斜角θ＝７０°とした。
粉末は、安息角４５°の鉄系粉末（ルブライトD−６０（住友電気工業（株）製粉末）を使用した。密度分布は、突起３２の部分の密度と本体部３１の密度を調べた。調査した試料No．１〜No．３の３個の試作圧粉体の密度を表１に示す。

密度は６．９±０．０５ｇ／ｃｍ^３の範囲であり、試作した圧粉体はいずれも良好な密度分布が得られた。

（比較例１〜３）
比較のために、以下の方法で圧粉体を成形した。その方法では、実施例１と同一組成の粉末をキャビティに充填した後、粉末かきを用いて実施例１と同じ方法でキャビティ内粉末に除去部を形成して段差をつける。その後、図６に示すように突起成形部と本体部成形部を一体に形成した成形面に段差のある上パンチを用いてキャビティ内粉末を圧縮する。この比較例の方法で成形された圧粉体の突起部密度と本体部密度の調査結果を表２に示す。なお、本体部の密度は突起に近い部分の密度を調べた。

この比較例のデータからわかるように、比較例の方法では、先に示した実施例に比べ、突起部と本体部の密度差が大きなものになっている。
この発明は、（突起高さｈ／（突起高さｈ＋本体厚みｔ１））の比が２０％以上のものでその効果が大きい。

この発明の成形方法は、成形時の粉末の崩れが阻止されて圧粉体に大きな密度差が発生せず、圧粉体の品質を安定させることができる。従って、段差面の傾斜角が粉末の安息角よりも小さい機械部品は勿論、粉末の安息角を超える角度で傾斜した段差面を有する機械部品も粉末冶金法で製造することが可能になり、部品の量産性向上、コスト低減が図れる。

この発明の粉末成形装置の要部の概要を示す断面図 図１の粉末成形装置のダイのキャビティに粉末を充填した状態の断面図 充填粉末の一部を粉末かきでかき出した状態の断面図 この発明の方法による成形手順を示す断面図 この発明の方法で成形する圧粉体の一例を示す断面図 （ａ）この発明の方法で製造する機械部品の一例を示す斜視図、（ｂ）同上の機械部品の平面図、（ｃ）同上の機械部品の（ｂ）図Ｘ−Ｘ線部の断面図 図６の機械部品の成形法として考えられる方法の断面図 図７の方法の成形手順を示す断面図

符号の説明

１ ダイ
１ａ 切り欠き部
２ 上パンチ
２ａ 本体部成形部
２ｂ 突起成形部
２_−１ 上１パンチ
２_−２ 上２パンチ
３_−１ 下１パンチ
３_−２ 下２パンチ
４ コア
５ 粉末かき
５ａ、５ｂ 下縁
５ｃ 側縁
６ キャビティ
１０ 粉末
１１ 粉末除去部
１１ａ 段差面
１２ 非除去部
２０ 圧粉体
２１ 本体部
２１ａ 端面
２２ 突起
２２ａ 端面
２３ 段差面
２４ 軸孔
３０ 機械部品
３１ 本体部
３２ 突起
３３ 段差面

Claims (6)

1. ダイ（１）のキャビティ（６）に原料の粉末（１０）を充填する工程、
   充填した粉末（１０）の一部を粉末かき（５）でかき出して傾斜した段差面（１１ａ）を有する粉末除去部（１１）をキャビティ内の粉末に生じさせる工程、
   上１パンチ（２_−１）で前記段差面（１１ａ）を支持する工程、
   粉末除去部（１１）に入り込んだ上１パンチ（２_−１）で前記段差面（１１ａ）の粉末を支持しながら上２パンチ（２_−２）を粉末の非除去部（１２）に接触させる工程、
   上１パンチ（２_−１）と上２パンチ（２_−２）をストローク終点まで降下させて下パンチを含む金型でキャビティ内粉末を圧縮する工程を経て傾斜した段差面（２３）を有する圧粉体（２０）を成形する圧粉体の成形方法。
2. キャビティ内の粉末に粉末除去部（１１）を生じさせる工程において、粉末除去部（１１）に粉末の安息角よりも大きい角度で傾斜した段差面（１１ａ）を形成する請求項１に記載の圧粉体の成形方法。
3. 前記上１パンチ（２_−１）と上２パンチ（２_−２）をキャビティ内粉末に同時に接触させる請求項１又は２に記載の圧粉体の成形方法。
4. 角度（θ°）で傾斜した段差面（２３）を有する圧粉体（２０）を成形する粉末成形装置であり、
   少なくともダイ（１）、前記段差面（２３）とその段差面の下端に連なる端面（２１a）を成形する上１パンチ（２_−１）、圧粉体の前記段差面（２３）の上端に連なる端面（２２a）を成形する上２パンチ（２_−２）、及び下パンチを組み合わせた金型と、ダイ（１）のキャビティ（６）に充填した粉末（１０）の一部をかき出して傾斜した段差面（１１ａ）を有する粉末除去部（１１）をキャビティ内の粉末に生じさせる粉末かき（５）を有し、
   前記上１パンチ（２_−１）が前記粉末かき（５）によってキャビティ内粉末に予め形成された粉末除去部（１１）に入り込み、この上１パンチ（２_−１）で前記段差面（１１ａ）の崩れを防止しながら上２パンチ（２_−２）をキャビティ内粉末の非除去部（１２）に接触させ、この後に、上１パンチ（２_−１）と上２パンチ（２_−２）がストローク終点まで降下してキャビティ内の粉末を圧縮するようにした粉末成形装置。
5. 傾斜した段差面を有し、その段差面が金型成形されている焼結部品。
6. 前記段差面に焼結肌が残されている請求項５に記載の焼結部品。

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