JP2009280852A

JP2009280852A - 焼結部品の製造方法

Info

Publication number: JP2009280852A
Application number: JP2008132905A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okahara; 正宏岡原; Zenzo Ishijima; 善三石島; Mitsuo Kusano; 光雄草野; Kazuya Suzuki; 和也鈴木; Toru Hirano; 透平野
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd; Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: TW200948514A; JP5140490B2; US20090291012A1; CN101585085A; KR20090121187A; TWI468242B

Abstract

【課題】充填工程、加圧成形工程および抜き出し工程からなる成形サイクルを短縮して量産性を向上させる
【解決手段】金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して調整した原料を押型の型孔内に充填し所望形状に加圧成形し、次いで、加圧した成形体を押型から抜き出してから加熱してバインダを除去し、この後、成形体を加熱して焼結する焼結部品の製造方法において、加圧成形時のパンチの移動速度：Ｕを、ΔＰ：パンチの加圧力（Ｐａ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ｄｅ：相当管径（ｍ）としたとき「Ｕ＝ΔＰ／(３２μ×Ｌ)×Ｄｅ^２」で求められる速度以下に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は粉末冶金法による焼結部品の製造方法に係り、特に、０．０１〜０．２ｍｍ程度の幅の薄肉部や凸部を有する微小な焼結部品の製造方法に関する。

粉末冶金法は、原料粉末を押型の型孔内に充填し、これをパンチで加圧して圧粉成形して得られた成形体を焼結する押型法と、原料粉末を多量のバインダとともに混練した流動状態にある原料を金型内の空隙に加圧充填し、得られた成形体を加熱してバインダを除去した後、焼結する射出成形法に大別される。

押型法では、原料粉末の流動性および金型との潤滑性を得るために、１質量％以下程度の成形潤滑剤を原料粉末に混入させることがあるが、成形潤滑剤の添加量が少ないことから、焼結工程のはじめの段階で揮発除去することが容易で、脱脂工程が短くて済むという利点がある。押型法では、原料粉末の金型への充填は、フィーダ（粉箱）と呼ばれる粉末供給装置より原料粉末を金型と下パンチ等で形成される空間に落とし込む方法で行われるが、この方法では充填に一定のばらつきが発生することが避けられない。一方、上記のような狭小な部位を有する微小な製品を製造する場合、このばらつきは許容することができる範囲ではなく、また、上記のような狭小な部位を形成するため、押型に微小な隙間を設けてこの隙間に原料粉末を充填しようとすると、原料粉末の粒径も小さいものを用いる必要がある。この場合、原料粉末の流動性が低下するとともに充填性が低下して、安定した原料粉末の供給を行うことができないといった不具合が生じる。

射出成形法は、上記の押型法では造形することができないアンダーカット等を有する形状のものでも造形することができるという利点がある。しかしながら、原料の流動性を確保するため原料粉末に３０〜７０体積％の熱可塑性樹脂等のバインダを添加して混練することから成形体に多量のバインダを含有しており、このため、バインダを除去する脱バインダ工程に時間がかかるという欠点がある。また、肉厚が０．１〜０．３ｍｍ程度の薄肉部に対しては金型のキャビティが小さくなりすぎるため、金属粉末をキャビティに均一に充填することが難しい。すなわち、射出成形法においては、原料はゲートおよびランナを介して金型内に射出されるが、原料を充填する金型の空隙が微少であると、このような空隙内部に原料を充填するためには原料を高圧で充填しなければならないが、装置の高圧化は現実的ではない。すなわち、金属粉末とバインダの分離が生じたり、型バリが生じることが問題となるからである。一方、バインダを増量して原料の流動性を高める検討も行われているが、バインダを増量すると焼結後の寸法収縮が大きくなり変形の問題が生じてくる。これらのことから、現実的に射出成形可能な肉厚の限界は０．５ｍｍである。

このような状況の中、押型法と射出成形法の長所を兼ね備えた造形法が提案されている（特許文献１等）。これは、原料粉末に通常の押型法で与える以上の多量のバインダ等を与えた原料を用いて押型成形する方法である。特許文献１は冷陰極蛍光ランプ用電極に係る発明であり、モリブデン粉末またはタングステン粉末からなる金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、原料を所定量、押型の型孔内に充填する充填工程と、押型内の原料をパンチで加圧して有底円筒状に成形する加圧成形工程と、この加圧成形工程の後に得られた有底円筒状成形体を押型から抜き出す抜き出し工程と、押型から抜き出された有底円筒状成形体を加熱してバインダを除去する脱バインダ工程と、該脱バインダされた有底円筒状成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを行うことにより、円筒部の厚さが０．１〜０．２ｍｍと狭小部を有する微小な焼結部品を製造することができることを記載している。また、上記の特許文献１においては、原料を熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度に加熱して成形工程を行い、原料を熱可塑性樹脂の軟化点以下、かつワックスの軟化点以上の温度に冷却して抜き出し工程を行うことが記載されている。

特開２００６−３４４５８１号公報

上記の特許文献１は、０．１〜０．２ｍｍ程度の幅の薄肉部や凸部を有する微小な焼結部品の製造に好適なものであるが、原料を熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度に加熱して成形工程を行い、原料を熱可塑性樹脂の軟化点以下かつワックスの軟化点以上の温度に冷却して抜き出し工程を行うため、成形サイクルが長くなる。すなわち、上記の押型法における１回の成形サイクルが、原料の充填−成形−抜き出しのみのステップで済むことに対して、特許文献１における１回の成形サイクルは、原料の充填−原料の加熱−成形−成形体の冷却−抜き出しのステップを経るため、押型法よりもステップが増加し、その分、１回の成形サイクルに要する時間が長くなる。このため、量産にあたっては、成形サイクルの短縮が課題となる。このような状況の下、本発明は特許文献１の成形サイクルを短縮して量産性を向上させることを目的とする。

本発明においては、加熱され流動状態にある原料の性状について調査研究して得られた知見に基づくものであって、成形時間の短縮および成形サイクルの短縮を、押型を改良することによる成形前の原料の加熱および成形後の成形体の冷却の時間の短縮といった２つの観点により達成可能としたことを骨子とする。

具体的には、本発明の第１の焼結部品の製造方法は、金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、所定量の前記原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、前記押型内に充填した前記原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、前記加圧成形工程の後に得られた成形体を前記押型から抜き出す抜き出し工程と、前記押型から抜き出された成形体を加熱して前記バインダを除去する脱バインダ工程と、該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、前記加圧成形工程を、ΔＰ：パンチの加圧力（Ｐａ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ｄｅ：相当管径（ｍ）としたとき、パンチの移動速度Ｕを下記［式１］で求められる速度以下として加圧成形することを特徴とする。
Ｕ＝ΔＰ／(３２μ×Ｌ)×Ｄｅ^２ …［式１］
なお、この発明では、前記パンチの移動速度Ｕを、［式１］で求められる値の８割以上の速度で成形することを好ましい形態としている。

また、成形サイクルの短縮を達成する本発明の第２の焼結部品の製造方法は、金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、所定量の前記原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、前記押型内に充填した前記原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、前記加圧成形工程の後に得られた成形体を前記押型から抜き出す抜き出し工程と、前記押型から抜き出された成形体を加熱して前記バインダを除去する脱バインダ工程と、該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、前記押型として磁性金型材を用い、前記型孔の成形面に沿った内側に冷媒を流す冷却手段を設けるとともに、前記冷却手段の周囲に高周波誘導による加熱手段を設け、前記充填工程において前記押型内に充填された原料を、前記加熱手段により前記型孔を加熱することで加熱し、前記加圧成形工程において、パンチをサーボ機構により駆動して制御し、前記加圧成形工程後に、前記冷却手段により前記押型の型孔を冷却することで冷却した後、前記抜き出し工程を行うことを特徴とする。

さらに、本発明の第３の焼結部品の製造方法は、上記の成形時間の短縮と、上記の成形前の原料の加熱および成形後の成形体の冷却の時間の短縮とをともに行うものであり、金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、所定量の前記原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、前記押型内に充填した前記原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、前記加圧成形工程の後に得られた成形体を前記押型から抜き出す抜き出し工程と、前記押型から抜き出された成形体を加熱して前記バインダを除去する脱バインダ工程と、該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、前記押型として磁性金型材を用い、前記型孔の成形面に沿った内側に冷媒を流す冷却手段を設けるとともに、前記冷却手段の周囲に高周波誘導による加熱手段を設け、前記充填工程において前記押型内に充填された原料を、前記加熱手段により前記型孔を加熱することで加熱し、前記加圧成形工程において、パンチをサーボ機構により駆動して制御して、ΔＰ：パンチの加圧力（Ｐａ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ｄｅ：相当管径（ｍ）としたとき、パンチの移動速度Ｕを前記［式１］で求められる速度以下として加圧成形し、前記加圧成形工程後に、前記冷却手段により前記押型の型孔を冷却することで冷却した後、前記抜き出し工程を行うことを特徴とする。
なお、この発明にあっても、前記パンチの移動速度Ｕを、［式１］で求められる値の８割以上の速度で成形することを好ましい形態としている。

本発明によれば、金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、所定量の原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、押型内に充填した原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、加圧成形工程の後に得られた成形体を押型から抜き出す抜き出し工程と、押型から抜き出された成形体を加熱してバインダを除去する脱バインダ工程と、該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、充填工程、加圧成形工程および抜き出し工程からなる成形サイクルを短縮することができ、焼結部品の量産性の向上に寄与するといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
「原料の性状」
はじめに、原料粉末の加圧成形時の挙動を調べるため行った実験の結果を記す。

金属粉末として平均粒径が２μｍのタングステン粉末を用意し、ポリアセタール系樹脂とパラフィンワックスを主成分とする樹脂バインダを５６ｖｏｌ％混合し、外径が１．８８ｍｍで全長が２．９７ｍｍの円柱体ペレットを作製して原料を用意した。また、直径が２．０８ｍｍの円形の型孔を有するダイスの外周にバンドヒータを取り付け、ダイスの型孔に下パンチを摺動自在に嵌合させて、インストロン型試験機（島津オートグラフ）に載置するとともに、上パンチとして直径が１．６８ｍｍと１．８８ｍｍの２種類のものを用意し、ダイスの型孔と上パンチが同芯となるよう配置してインストロン型試験機に取り付けて押型を構成した。この押型の型孔に原料を投入し、バンドヒータによりダイスと原料を４３３Ｋに加熱した後、上パンチを０．０８ｍｍ／ｓの速度で降下させて原料の加圧成形を行い、肉厚が０．１ｍｍと０．２ｍｍの有底円筒形状に加圧成形した。このときの成形荷重の変化を図１に示す。なお、図１の上段の図は、加圧成形の過程をＡ〜Ｅの順で示しており、符号３１は原料のペレット、３２は型孔３２ａを有するダイス、３３は下パンチ、３４は上パンチをそれぞれ示している。また、図２は成形過程Ａ〜Ｅごとの成形体の写真を示している。

図１より、上パンチの移動距離と成形荷重の関係では、上パンチと原料が当接し（Ａ）、上パンチの降下にともない原料の変形が生じ、原料が型孔壁面と接触する（Ｂ）までの変形初期（Ａ〜Ｂ）と、原料が型孔壁面と接触（Ｂ）した後、さらに原料が変形して型孔内に充満した状態となる変形中期（Ｂ〜Ｃ）と、原料が型孔内に充満（Ｃ）した後、薄肉部の押し出し（Ｄ）が行われ、加圧成形が終了（Ｅ）するまでの変形後期（Ｃ〜Ｅ）の３段階を経ていることがわかる。また、変形初期（Ａ〜Ｂ）、変形中期（Ｂ〜Ｃ）、変形後期（Ｃ〜Ｅ）の各段階で、それぞれ上パンチの移動距離に対して成形荷重が一定の割合で増加することがわかる。また、薄肉部の肉厚が０．１ｍｍのものと０．２ｍｍのものでは、肉厚が０．１ｍｍのものでは薄肉部の形成における荷重が、肉厚が０．２ｍｍのものよりも高く、上パンチの移動距離が増すにつれて荷重の増加量も大きくなることがわかる。

さらに、図１より、目標とする有底円筒形状を得るために要する荷重は、肉厚が０．２ｍｍの場合で１．６Ｎ、肉厚が０．１ｍｍの場合で２．６Ｎ程度と、押型法に比して非常に小さい圧力で成形が可能であることがわかる。本実験において、上パンチの断面積は肉厚が０．１ｍｍの場合で２．２１７ｍｍ^２、肉厚が０．２ｍｍの場合で２．７７６ｍｍ^２程度であるから、上パンチの成形圧力は、肉厚が０．２ｍｍの場合で０．７２ＭＰａ、肉厚が０．１ｍｍの場合で０．９４ＭＰａ程度である。

ところで、定常圧力でバルク金属を後方押し出しする場合は、コンテナ（ダイス）やパンチ壁面部と接触した部分では原料とダイスの滑りが発生しないために押し出し圧力（成形荷重）が一定の値を示すこととなる。しかしながら、上記の実験において、変形後期（Ｃ〜Ｅ）に生じる薄肉部の押し出しに要する成形荷重は、上パンチの移動距離の増加にともなって一定割合で増加しており、この点が定常圧力でバルク金属を後方押し出しする場合とは明らかに異なる挙動を示している。

この挙動は、薄肉部を押し出す変形後期においては、常にダイスと原料の滑りをともないながら薄肉部が形成されるため、上パンチの移動距離が増加することにより摩擦面積が増え、その結果、成形荷重が増加するものと考えられ、さらには、原料が型孔内に充満した（Ｃ）後では、半溶融した原料が液体として振る舞うことにより、このような滑りが発生するものと考えられる。したがって、変形初期から中期（Ａ〜Ｃ）にかけては混練物の変形抵抗、すなわち固体の塑性変形を示し、その後の薄肉部の押し出し（変形後期：Ｃ〜Ｅ）にかけては混練物の粘性、すなわち液体の流動が支配的になるレオロジー的な変形挙動を示しているものと考えられる。

そこで、この考えに基づき、薄肉部の肉厚が０．１ｍｍおよび０．２ｍｍと異なる場合の変形後期の挙動について、圧力損失の式（ハーゲン・ポアズイユの式）を用い、加圧成形時における薄肉部盛り上がり量に対する薄肉部の盛り上がりに要する荷重を計算した。その結果を、図３に示す。なお、圧力損失の式は下記［式２］のとおりである。
ΔＰ＝３２μ×Ｌ×Ｕ／Ｄｅ^２ …［式２］

ここで、ΔＰ：圧力損失（Ｐａ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ｕ：流速（ｍ／ｓ）であり、本実験においてＤｅ：相当管径（ｍ）は、（型孔の直径−上パンチの直径）であり、これはすなわち薄肉部の厚さｔの２倍である。

図３より、薄肉部の盛り上がり量と薄肉部の盛り上がりに要する荷重との相関関係は、上記の圧力損失の式による計算値と実測値がほぼ一致することがわかる。この結果より、バインダ成分の融点以上に十分に加熱されて流動状態にある原料を、流体として取り扱うことができることが確認された。

以上の実験結果より、金属粉末に熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを添加して加熱混練した原料を、熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度に加熱して加圧成形する場合には、原料を流体として取り扱うことができること、ならびに、狭小な薄肉部においては盛り上がり量に対する盛り上がりに要する荷重は上記の圧力損失の式により求めることができるといった知見が得られた。

したがって、バインダの溶融状態で粘度がμ（Ｐａ・ｓ）の原料を用い、成形体の長さがＬ（ｍ）であり、薄肉部ｔによる相当管径Ｄｅ（ｍ）の成形体を成形する場合に、パンチの加圧力ΔＰ（Ｐａ）により、パンチの移動速度Ｕ（ｍ／ｓ）を下記［式１］で求められる速度以下に調整すれば、流体として振る舞う原料が、薄肉部が十分に盛り上がって薄肉部を充満させることができ、よって良好な成形体を成形することができることとなる。
Ｕ＝ΔＰ／(３２μ×Ｌ)×Ｄｅ^２ …［式１］

なお、パンチの移動速度Ｕを［式１］で求められる速度より遅い速度とした場合に良好な成形体を得ることはできるが、パンチの移動速度Ｕを極端に遅くすると、加圧成形工程が長くなるため生産性が低下することとなる。これに鑑み、パンチの移動速度Ｕは遅くとも［式１］で求められる速度の８割以上の速度とすることが好ましい。

また、パンチの加圧力ΔＰを増加させればパンチの移動速度Ｕを高速にすることができ、これにより成形工程に要する時間を短縮することが可能となる。

ところで、一般的な密度の焼結品を押型法において製造する場合に、成形圧力は５００〜８００ＭＰａ程度であり、高密度の焼結品を製造する場合においては、１ＧＰａを超える場合もある。一方、本発明のような、流動状態にある原料を加圧成形する場合には、図１からわかるように、上パンチの成形圧力は、肉厚が０．２ｍｍの場合で０．７２ＭＰａ、肉厚が０．１ｍｍの場合で０．９４ＭＰａ程度と、押型法に比して非常に小さい圧力で成形が可能である。したがって、流動状態にある原料を加圧成形する場合には、押型法で用いられるような、プレス容量が数十ｔから数百ｔもの高荷重のプレス装置は不要であるとともに、プレス装置を小型化することができる。また、流動状態にある原料を加圧成形する場合には、パンチの加圧力ΔＰと、パンチの移動速度Ｕを精密に制御することができるプレス装置が好適である。このため、プレス装置としては精密なストローク制御が可能な単軸サーボプレス方式のものを用いることが好ましい。

「押型の改良」
上記のように押型としては、加圧成形工程において、パンチをサーボ機構により駆動して精密制御するものが好ましいが、さらに、原料の加熱および成形後の成形体の冷却に要する時間の短縮を図るために、相対的に制御困難な冷却手段を押型の内側に配置し、その外側に制御容易な高周波誘導による加熱手段を配置した構成の押型とすることが好ましい。すなわち、高周波誘導による加熱手段を用いるので、表面付近に発生する渦電流により押型の型孔表面が直接加熱され、このため加熱時間が大幅に短縮される。また、冷媒を流す冷却手段が押型の型孔表面に近接して埋設されているため、冷媒を流すことにより、押型の型孔表面を急速に冷却することが可能である。このような構成としたことにより、押型の加熱と冷却のサイクルタイムを短縮させる制御が容易となる。

図４は、本発明の製造方法を実施するのに好適な金型ならびにこの金型での成形品１個取り構造の一実施形態を示す断面図であり、（１）は原料の充填状態、（２）は成形完了時の状態を示している。同図で符号１は成形される原料、２は原料１を成形加工した後の有底円筒状の成形品、３は内部に原料が挿入される成形用の固定金型（下型）、４は固定金型３の上方に設置され、原料１を成形する可動金型（上型）を示している。

固定金型３には、中央に中空孔５ａを有する円筒状の押型５が設けられている。押型５は原料を押し出し成形する金型部品であって、熱伝導性が良好でな金属であり、しかも高周波誘導によって加熱する磁性体（鉄など）からなるもので、可能な限り熱容量を小さくするために、小質量・小体積に形成される。可動金型４には、押型５の中空孔５ａ内に下降して原料１を押し出し成形する上インナーパンチ６と、押し出し成形された原料１の高さを決める上アウターパンチ７がそれぞれ設けられている。

図４の符号９は押型５の成形表面（型孔壁面）５ｂに近接して埋設された冷却手段であり、内部を冷水などの冷媒が流れる管状体からなものである。なお、冷却時に成形表面５ｂの温度むらを無くすために、図４（２）に示すように、冷却手段９の管状体の成形表面５ｂまでの距離Ａと、管状体の縦方向のピッチＢがほぼ同じに設定されている。冷却手段９の管状体には冷却時は冷媒（冷水）が流されるが、成形品の排出時（後述）には、加圧したエアを吹き込むことにより冷水が水切り排出されて中空状態となり、この状態は加熱時も保たれるように用いられる。

図４の符号８は、上記冷却手段の周囲に設けられた加熱手段である。この加熱手段８は、高周波誘導加熱コイル８ａを絶縁物８ｂ内に埋設した状態で冷却手段の周囲に巻回して構成されている。高周波誘導加熱は加熱能力が大であって制御が容易であるため、冷却手段より外側に配置されている。符号１０は、加圧成形される原料１を受けて上インナーパンチ６と協働して原料１に軸方向への加圧力を与える下インナーパンチである。この下インナーパンチ１０は、成形後に冷却されて固化した成形品２を押型５から押し上げる機能も有しており、上向きの矢印方向に移動することによって中空孔５ａから成形品２を排出する。

さらに図４の符号１１は、固定金型３全体を１２０℃に保温する固定側保温ヒータであり、１２は可動金型４全体を８０℃に保温する可動側保温ヒータである。したがって、成形作業中、押型５は固定金型３とともに１２０℃に保温され、可動金型４は８０℃に保温される。また、符号１４は押型５の外周に配置された断熱板である。この断熱板１４により、押型５が固定金型３から熱的に分離し、このため下型全体の熱容量が極力小さくされる。なお、押型５は固定金型３が常時１２０℃に保温されているので、空気伝播等により同等の温度に保たれるようになっている。

以上が金型の構成であり、この金型は構成が単純であることから、安価、かつメンテナンス性が向上したものとなっている。

図５は、金型の制御系の構成を示すブロック図である。同図で符号２０は可動・固定の両金型３、４の駆動機構を含めた金型制御機構、２１は固定側保温ヒータ１１、可動側保温ヒータ１２および高周波誘導加熱コイル８ａを制御する加熱制御器である。なお、加熱制御器２１は、高周波誘導加熱コイル８ａを約２５ｋＨｚの周波数で駆動する。図５の符号２２は冷却手段９の管状体に冷媒やエアを供給する冷媒／エア制御器、２３は金型制御機構２０の動作を制御する金型制御器、２４は各制御器を制御する制御部である。

上記構成の金型の動作を、図４および図６に基づいて説明する。図４（１）において原料１が押型５の中空孔５ａに挿入され（図６、原料供給）、同時に固定金型３の押型５の加熱が開始される（図６：Ｔ１〜Ｔ２）。この加熱は高周波誘導加熱によるため、加熱コイル８ａの内側の磁性体である押型５の表面付近に発生する渦電流により、押型５の表面を含めた全体が直接加熱される。したがって、押型５の成形表面５ｂ、すなわち原料１に接する表面が直接加熱されるので、原料１に対し高効率で熱を伝達することができる。

このとき、冷媒／エア制御器２２により、冷却手段９の管状体内は冷媒（冷水）のエア吹きで水切りされた中空状態であり、このため押型５の熱容量が小となっているので、上記の高効率熱伝達と相まって１２０℃から１５０℃への３０℃の上昇時間が大幅に短縮される（図６：加熱工程Ｔ１〜Ｔ４）。実施例によれば、２〜３秒で１２０℃から１５０℃に達することができた。

図６のＴ４のタイミングで原料１が１５０℃に加熱された状態に達すると、可動金型４が矢印方向に下降して図４（２）に示す下死点に達し、上インナーパンチ６が原料１を押し出し成形し、上アウターパンチ７が成形品２の高さを規定する（図４：Ｔ４〜Ｔ５）。

上記Ｔ４〜Ｔ５の成形タイミングでは、並行して加熱手段８の加熱動作が停止し、冷却手段９の冷却動作に切り替わる。すなわち冷却手段９の管状体に冷媒として４℃の冷水が供給される。この管状体は押型５の成形表面５ｂに近接して埋設されているので、押型５の内側から冷却が始まって押型５全体に広がる（図６：冷却工程Ｔ５〜Ｔ７）。この冷却工程で押型５を１５０℃から１２０℃まで、３０℃だけ降温させるが、押型５は熱容量が小さく、しかも内側から冷却するので、成形品２の冷却が高効率に行われ、したがって短時間で降温させることができる。実施例によれば、冷水４℃を冷媒に用いた場合、約３秒で３０℃降温させることができた。

次に、冷却により成形品２が硬化すると、可動金型４が上昇し図４（１）に示す上死点に戻り、次いで下インナーパンチ１０が上向きの矢印方向に移動し（図６：Ｔ８〜Ｔ９）、中空孔５ａから成形品２を上方に押し上げ（図６：Ｔ９〜Ｔ１０）、図示しない機構により金型の外に排出される（図６：Ｔ１０）。これらＴ８〜Ｔ１０のタイミングが成形品取出し工程となる。

この成形品取出し工程のＴ８〜Ｔ１０のタイミングにほぼ並行して、冷却手段９内の冷媒の水切りがなされる。具体的には、冷媒／エア制御器２２の制御により冷却手段９の管状体にエアを吹き込んで冷水を水切り排出し、管状体内を中空状態にする。この水切りの後は、次の原料１が押型５に供給されて次の加熱工程に備えるものであるが、冷却手段９の管状体内の冷水が保温熱により加熱された状態で次の加熱工程で沸騰してしまう危険を防止することができるといった効果もある。

以上のタイミングＴ１〜Ｔ１１が成形の１サイクルを構成し、加熱・冷却を高速に行うことにより、成形サイクルタイムを短縮することができる。また、金型の動作が上下動のみで単純であり、成形の作業性およびメンテナンス性が向上するとともに、金型の取扱いが容易となる。

また、肉厚が０．２ｍｍの有底円筒状の成形体を原料調整工程と、充填工程と、加圧成形工程とを経て得る場合に、上記の［式１］により、上パンチの降下速度を５ｍｍ／秒まで高速化して成形に要する時間を短縮するとともに、上記の押型構成による加熱工程および冷却工程に要する時間の短縮を図ったところ、図７に示すように、原料の充填−原料の加熱−成形−成形体の冷却−抜き出しのステップからなる１回の成形サイクルの時間を、通常の押型法の場合と同様の１０秒／サイクル程度に達成可能であることが確認された。

さらに、上記サイクルで成形した有底円筒状成形体を脱バインダし、焼結した焼結部品の断面写真を図８に示す。この図８の写真により、肉厚が０．２ｍｍの良好な焼結部品が得られることが確認された。

本発明に係る成形過程の模式図（上段の図）および該過程の上パンチ降下量と成形荷重との関係を示すグラフ（下段の写真）である。成形過程Ａ〜Ｅごとの成形体を示す写真である。加圧成形時における薄肉部の盛り上がり量と盛り上がりに要する荷重との相関関係を、実測値と理論値で示すグラフである。本発明の製造方法を好適に実施する金型ならびに該金型を用いた成形品１個取り構造の一実施形態を示す断面図である。図４に示した金型の制御系を示す制御ブロック図である。図４に示した金型の動作を示す図である。一実施形態の１成形サイクルに要する時間を説明する図である。一実施形態により得られた焼結部品の断面写真である。

符号の説明

１…原料
２…成形品
３…固定金型（下型）
４…可動金型（上型）
５…押型
６…上インナーパンチ
７…上アウターパンチ
８…加熱手段
８ａ…高周波誘導加熱コイル
９…冷却手段
１０…下インナーパンチ
１１…固定側保温ヒータ
１２…可動側保温ヒータ

Claims

金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、
所定量の前記原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、
前記押型内に充填した前記原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後に得られた成形体を前記押型から抜き出す抜き出し工程と、
前記押型から抜き出された成形体を加熱して前記バインダを除去する脱バインダ工程と、
該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、
前記加圧成形工程を、ΔＰ：パンチの加圧力（Ｐａ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ｄｅ：相当管径（ｍ）としたとき、パンチの移動速度Ｕを下記［式１］で求められる速度以下として加圧成形することを特徴とする焼結部品の製造方法。
Ｕ＝ΔＰ／(３２μ×Ｌ)×Ｄｅ^２ …［式１］
金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、
所定量の前記原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、
前記押型内に充填した前記原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後に得られた成形体を前記押型から抜き出す抜き出し工程と、
前記押型から抜き出された成形体を加熱して前記バインダを除去する脱バインダ工程と、
該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、
前記押型として磁性金型材を用い、
前記型孔の成形面に沿った内側に冷媒を流す冷却手段を設けるとともに、前記冷却手段の周囲に高周波誘導による加熱手段を設け、
前記充填工程において前記押型内に充填された原料を、前記加熱手段により前記型孔を加熱することで加熱し、
前記加圧成形工程において、パンチをサーボ機構により駆動して制御し、
前記加圧成形工程後に、前記冷却手段により前記押型の型孔を冷却することで冷却した後、前記抜き出し工程を行うことを特徴とする焼結部品の製造方法。
金属粉末に、熱可塑性樹脂とワックスからなるバインダを４０〜６０体積％添加し、加熱混練して原料を調整する原料調整工程と、
所定量の前記原料を押型の型孔内に充填する充填工程と、
前記押型内に充填した前記原料をパンチで加圧して所望の形状に成形する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後に得られた成形体を前記押型から抜き出す抜き出し工程と、
前記押型から抜き出された成形体を加熱して前記バインダを除去する脱バインダ工程と、
該脱バインダされた成形体を加熱して粉末どうしを拡散結合させる焼結工程とを備える焼結部品の製造方法において、
前記押型として磁性金型材を用い、
前記型孔の成形面に沿った内側に冷媒を流す冷却手段を設けるとともに、前記冷却手段の周囲に高周波誘導による加熱手段を設け、
前記充填工程において前記押型内に充填された原料を、前記加熱手段により前記型孔を加熱することで加熱し、
前記加圧成形工程において、パンチをサーボ機構により駆動して制御して、ΔＰ：パンチの加圧力（Ｐａ）、μ：粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ｄｅ：相当管径（ｍ）としたとき、パンチの移動速度Ｕを下記［式１］で求められる速度以下として加圧成形し、前記加圧成形工程後に、前記冷却手段により前記押型の型孔を冷却することで冷却した後、前記抜き出し工程を行うことを特徴とする焼結部品の製造方法。
Ｕ＝ΔＰ／(３２μ×Ｌ)×Ｄｅ^２ …［式１］
前記パンチの移動速度Ｕを、前記［式１］で求められる値の８割以上の速度で成形することを特徴とする請求項１または３に記載の焼結部品の製造方法。