JP2008095196A - 通電焼結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 通電焼結装置として、上下一対のパンチの冷却に伴う抜熱を抑制することによって粉体材料の加熱のためのエネルギーロスを減少せしめ、ひいては、焼結プロセスにおけるサイクルタイムを短縮させることにある。
【解決手段】 通電焼結装置において、中空部分を備えたモールドと、該モールドの中空部分に挿入離脱自在に取り付けられた上下一対のパンチとからなり、前記モールドの中空部分において、該モールドと上下一対のパンチによって焼結室が形成された通電加圧焼結装置であって、前記パンチに熱の貫流を阻止する断熱体を介挿した点に存するものであり、また、通電焼結装置に用いられる断熱体に関し、箱型に形成された収納容器にセラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物を圧密状態に充填し、蓋体を摺動自在に嵌着したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は通電焼結装置に関し、詳しくは、粉体材料に対する加圧パンチにおける断熱構造に関するものである。

従来から通電焼結装置・方法が種々提案されているところである。この通電焼結装置は、金型内に所定の成分に調整された粉体材料を充填し、金型の軸方向から粉体材料を加圧するパンチを介して通電し、金型あるいは粉体材料に通電を行うことによってジュール熱によって粉末を高温に加熱し、前記粉末を高温状態に保持すると同時に、金型の軸方向から前述のパンチによって加圧することによって粉体材料を圧密成型するものである。（特許文献３参照）

前述する焼結装置においては、粉体材料の加熱に際してはパンチを経由して電流を供給する関係上、パンチを導体としなければならないことから、粉体材料に対する加圧力を充分に高めることができず、粉体材料に対する加圧力が高められない分だけ、焼結温度が高められることとなっている。

このような焼結装置による焼結処理は、高温下におけるパンチ、型等の酸化消耗抑制の観点から、真空装置内で行われるが、完全な真空状態が得られないことから、上記焼結温度がパンチ、型等の酸化消耗に大きな影響を受けることとなる。

加えて、上記装置において、焼結後、直ちに真空装置を開放すれば、残存熱量により型等の酸化消耗が著しく促進されることになることから、焼結後、酸化消耗速度が問題にならない程度まで型等を冷却した後、真空装置を開放して、製品、型等を取り出さなければならず、このために必然的に焼結処理サイクルタイムは長くなる。

これに対して出願人はパンチ、型等における酸化消耗を抑制し、さらには焼結のサイクルタイムを短縮する目的として、特許文献１、２に示すように新たな通電焼結方法を提案したところである。即ち、粉体材料を加圧する上下パンチを高強度材料のセラミックス製として上下方向から大きな加圧力を加えることができるようにし、粉体材料に熱を供給する電流の供給を型の側面からパンチを介さずに行なわせしめることによって、型等における酸化消耗を抑えると共に焼結処理サイクルタイムを短縮する焼結方法を提案したところである。

ところで、前記の焼結方法を実施する装置において、粉体材料を加圧する上下パンチ、成形型は真空容器内に配設されて、上下パンチならびに成形型に対する給電関係の機器は前記真空装置を貫通した状態で作動するシリンダー装置に設置されている。そして、これらの作動機器は高温状態にさらされることから、機器の保護を図るために冷却を循環せしめて冷却することが行われる。

前述する粉体材料を加圧する上下パンチは、初期の加圧力を付与するために高強度のセラミックス製のものを使用するが、パンチを装着するシリンダが冷却されていることから、パンチが冷却された状態で粉体材料と接することとなり、粉体材料は加熱を受けつつ、一方では冷却されることとなる。特に、製品形状がパンチあるいは型と類似形状を有し、かつ、平板形状のような場合において、粉体材料を焼結すべき熱がパンチを貫流して抜熱される結果、粉体材料が焼結温度まで昇温することができずに焼結が行えないのみならず、このために、過剰な消費電力を要し、はなはだしい場合においては機器の損傷を招くこととなる。
こととなる。
特開平０９−５３１０３号公報 特開平１０−２５９４０５号公報 特開２００４−３２３９２０号公報

本発明は前述の諸点に鑑みなされたもので、通電焼結装置として、上下一対のパンチの冷却に伴う抜熱を抑制することによって粉体材料の加熱のためのエネルギーロスを減少せしめ、ひいては、焼結プロセスにおけるサイクルタイムを短縮させることにある。

前述の課題を解決するための本発明にかかる通電焼結装置の構成は、中空部分を備えたモールドと、該モールドの中空部分に挿入離脱自在に取り付けられた上下一対のパンチとからなり、前記モールドの中空部分において、該モールドと上下一対のパンチによって焼結室が形成された通電加圧焼結装置であって、前記パンチに熱の貫流を阻止する断熱体を介挿した点に存する。

また、本発明にかかる通電焼結装置の構成は、断熱体をセラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物で構成した点に存する。

さらに、本発明にかかる断熱体の構成は、箱型に形成された収納容器にセラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物を圧密状態に充填し、蓋体を摺動自在に嵌着した点に存するものである。

加えて、本発明にかかる断熱体の構成は、収納容器をセラミックスで構成した点に存するものである。

本発明によれば、モールド内の粉体材料を加圧する上下一対のパンチのそれぞれに断熱体を介挿することによって、パンチ内における熱の貫流を抑制し、過度に焼結温度を上昇させることによるエネルギーロスを回避することを可能とし、言い換えれば、焼結温度を低下させることを可能とし、型等における酸化消耗を抑制し、さらには焼結のサイクルタイムを短縮する所期の目的を達成可能とする。

以下、図示の実施例に基づいて本発明を詳述する。
粉体材料を収容するモールド１は、本実施例においては、その外周部が黒鉛により形成される黒鉛層部２と、その内周部がセラミックスにより形成されるセラミックス部３との２重構造が採用されていて、モールド１は、その図示を省略したが、真空ポンプにより排気されて真空状態とされているチャンバ内に、モールド１の軸心が上下方向を向くように設置される。

前記モールド１に対し、チャンバを貫通して進退するシリンダ５のロッド６に固定され、かつ、直流電源に接続された電極４がモールド１を中心にして対向するよう配設され、前記電極４の先端部がモールド１に接触して、電流が供給されたときには、該電流は、黒鉛層部３を通って、一方の電極４ａから他方の電極４ｂに流れることになっており、ジュール熱によってセラミックス部３、ひいては、粉体材料を加熱することとなっている。

また、チャンバの下部からチャンバを貫通して進退するシリンダ７のロッド８に固定されたリフト棒９が昇降可能に挿入されており、リフト棒９に断熱体２０を介して下パンチ１０が固着されている。加えて、チャンバの上部からチャンバを貫通して進退するシリンダ１２のロッド１３に固定された加圧棒１４が昇降可能に挿入されており、加圧棒１４に断熱体２０を介して上パンチ１５が固着されている。この上下一対のパンチ１０，１５はモールド１に形成された口腔に軸心方向から進入し、モールド１の口腔内に充填された粉体材料を上下方向から加圧する作用をなす。

前記上下パンチ１０，１５はセラミックスにより形成されている。このセラミックスとしては、主成分がそれぞれアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）等であるものが用いられ、耐熱衝撃性の観点から、窒化珪素を主成分としたものが好ましい。

本発明において使用される断熱体２０は、図２に示されるように、箱状に成形された収納容器２１に、セラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物２２を充填したもので、容器２１に充填するに際しては容器に振動を付与するなどしてセラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物２２（以下、単にセラミックス粉という。）が圧密状態となるように充填するのが望ましい。充填されたセラミックス粉２２の間に介在する微小な空隙が断熱作用に寄与することとなる。

このセラミックス粉２２としては、上下のパンチ１０，１５と同様に、主成分がそれぞれアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のように種々のセラミックス粉を用いることができるが、断熱性、経済性の観点からすれば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で充分なものである。

セラミックス粉２２を充填した後、容器２１に蓋体２３を嵌着する。蓋体２３と容器２１とは、嵌合寸法誤差を±０として、内容物であるセラミックス粉２２が噴出することがないように、かつ、焼結プロセスとして必要な粉体材料の加圧時において、加圧力によって蓋体２３が箱体２１の内周面をガイドとして移動を許容し、断熱体２０の破損を回避するようにしている。これからも理解されるように、上下パンチ１０，１５の断熱体２０、詳しくは、蓋体２３の関係は、平面形状を同一の寸法、あるいは、パンチ１０，１５の寸法を蓋体２３よりも若干小さくすることが必要である。

加えて、本発明にかかる断熱体２０を構成する収納容器２１お呼び蓋対２３についてもセラミックスで構成するのが望ましい。この箱体２１、あるいは、蓋体２３は、粉体材料の加圧時における圧力を支持する特性、即ち、高温雰囲気下での圧縮強度、曲げ強度を具備する必要がある。したがって、パンチの材質としては、耐熱衝撃性の観点からも窒化珪素を主成分としたものが好ましい。

以上の構成を有する本発明にかかる通電焼結装置において、シリンダ７，１２を作動させ、リフト棒９を上昇させてモールド１の口腔内にパンチ１０を挿入させ、モールド１の底部を閉塞する。しかる後、モールド１に粉体材料を充填し、シリンダ１２を作動させて加圧棒１４を下降させ、パンチ１５をモールド１の上方から口腔内に挿入させ、モールド１内の粉体材料を押圧する。続いて、シリンダ５を作動させて、電極４をモールド１の外側の黒鉛層部２に押し当てる。

次いで、チャンバ内を排気して所定の減圧状態とした後、電極４に電流を通電する。電流は一方の電極４ａから他方の電極４ｂに流れる過程において、黒鉛層部２に抵抗に基づいて発熱し、モールド１に対してジュール熱が付与され、その熱が加圧状態の粉体材料に供給されることになり、モールド１の温度、即ち、粉体材料温度が上昇し焼結温度にまで至ると、その所定温度が一定時間保持されて、焼結体を得ることになる。

前述する焼結プロセスにおいて、パンチ１０，１５を支持するリフト棒９あるいは加圧棒１４は過酷な高温下に曝されることから、水冷構造が採用されている。この冷却が焼結作用に影響を与える。即ち、モールド１を加熱するジュール熱はパンチ１０，１５を貫流してリフト棒９あるいは加圧棒１４に達し、さらに、シリンダ７，１２のそれぞれのピストンロッド８，１３へ到達するが、この高熱による機器の保護のためにシリンダに付設されている冷却手段（図示を省略している。）によって冷却され、換言すれば、モールド１は冷却手段によって抜熱されて冷却されることとなる。この結果、モールド１を焼結温度に昇温するためには大電力を投入し、焼結温度を維持するか、粉体材料を締め固める加圧力を大きくする必要がある。

本発明の通電焼結装置にあっては、上下一対のパンチ１０，１５のそれぞれを、断熱体２０を介してリフト棒９あるいは加圧棒１４に支持されていることから、断熱体２０において熱の貫流を抑制することとなり、パンチ１０，１５の過度の冷却を防止することができる。断熱体２０は、図２に示されるように、収納容器２１にセラミックス粉２２を圧密状態となるように充填されているが、充填されたセラミックス粉２２の間に介在する微小な空隙が断熱作用に寄与することとなる。

加えて、断熱体２０とパンチ１０，１５との接触は、蓋体２３での接触となり、前述のセラミックス粉２２の微小空隙による断熱作用を享受することとなり、当該箇所において貫流が遮断されることとなる。勿論、当該断熱体２０によって熱の貫流が１００％遮断されるわけではないが、温度低下は１／３程度に減少していることが確認された。
これによって、過度に電流を供給することによって焼結温度を上昇させる必要が無く、また、焼結温度を適切にすることから、焼結後における冷却サイクルも短時間となり、全体としての焼結サイクルタイムを短縮することが可能となり、生産性を向上させることができる。

本発明にかかる通電焼結装置の概略説明図 通電焼結装置に使用される断熱体の説明図

符号の説明

１： モールド
２： 黒鉛層部
３： セラミックス層部
５、７： シリンダ
１０，１５ パンチ
２０： 断熱体

Claims (4)

1. 中空部分を備えたモールドと、該モールドの中空部分に挿入離脱自在に取り付けられた上下一対のパンチとからなり、前記モールドの中空部分において、該モールドと上下一対のパンチによって焼結室が形成された通電加圧焼結装置であって、前記パンチに熱の貫流を阻止する断熱体を介挿したことを特徴とする通電焼結装置。
2. 請求項１記載の通電焼結装置において、断熱体がセラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物であることを特徴とする通電焼結装置。
3. 箱型に形成された収納容器にセラミックスの粉体、粒状あるいはこれらの混合物を圧密状態に充填し、蓋体を摺動自在に嵌着したことを特徴とする断熱体。
4. 請求項３記載の断熱体において、収納容器をセラミックスで構成したことを特徴とする断熱体。

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