JP2011174155A - 焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結処理の処理量を確保しつつ、その際に肌荒れ及び表面酸化が生じるのを防止する。
【解決手段】予熱ゾーン１と加熱ゾーン２を有する焼結炉による焼結体の製造方法において、前記予熱ゾーン１内のｎ箇所に予熱バーナー６を設け、焼結炉入り口から１番目の第一予熱バーナー６_−１のガス量をＫ１、２番目の第二予熱バーナー６_−２のガス量をＫ２としたときに、Ｋ１≧Ｋ２を満たし、第一予熱バーナー６_−１のガス量Ｋ１が予熱ゾーン１での全ガス量の１／ｎ以上とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、粉末冶金法による焼結体の製造方法に関し、特に、その成形体の予熱の際に発生する肌荒れ及び表面酸化を防止した焼結体の製造方法に関する。

粉末冶金法による粉末成形では、成形プレス金型のダイと粉末との間の摩擦を低減してその成形性を高めるために、ステアリン酸亜鉛等を主成分とする潤滑剤を粉末に混ぜるのが一般的である。この潤滑剤は、焼結温度（１１００℃前後）よりもかなり低い温度（７００℃程度）で気化する。このため、この成形体をいきなり前記焼結温度に保持した焼結炉内に搬送すると、気化が急激に生じる。この気化ガスは、粉末同士の隙間を通って成形体表面から外に抜けるが、その気化ガスの圧力が大きいと、そのガス圧によって表面近傍の粉末の一部が吹き飛ばされることがある。その結果、焼結体の表面に細かい起伏（いわゆる肌荒れ）が生じ、この焼結体の品質を大幅に低下させることとなる。

そこで一般的に、図５に示すように、焼結炉を予熱ゾーン１、加熱ゾーン２、及び冷却ゾーン３の３ゾーンで構成し、コンベア５で搬送された成形体４を、予熱ゾーン１で焼結温度よりも低い予熱温度（例えば９００℃程度）に予熱した上で、加熱ゾーン２で焼結処理する構成としている。この構成とすると、予熱ゾーン１で、成形体４中の潤滑剤が気化・除去（脱ろう）されるので、加熱ゾーン２で焼結する際の肌荒れが抑制される。
この予熱ゾーン１内には、予熱バーナー６等の加熱手段が設けられていて、この加熱手段で予熱ゾーン１が加熱される。

加熱手段の配置は、図５に示すように左右対称に一対設けたり、下記特許文献１の図２、及び特許文献２の図１に示すように、成形体４の搬送方向に沿って、複数対設けたりすることができる。

特開２００２−１２９２０２号公報 特開２００２−３５００６３号公報

上述したように、予熱ゾーン１で成形体を予熱した後に焼結した場合でも、焼結体に肌荒れが生じることがある。この肌荒れは、この予熱ゾーン１に成形体４を搬送する際に、この成形体４が予熱ゾーン１の加熱手段に接近して温度が急上昇し、潤滑剤が急激に気化することによって生じる。

このため、後述する図２に示すように、この成形体４の温度が急上昇する（同図中の比較例１及び２を参照）のを防止すべく、予熱ゾーン１内での成形体４が加熱手段に接近する際に一時的にそのコンベア５の搬送速度を小さくし、その後再び元の搬送速度に戻して、温度を緩やかに上昇させることも考えられる。この場合、温度の急上昇は防止できるものの予熱ゾーン１の通過時間が長くなり、製造コストの増加につながる。

一般に、予熱ゾーン１と加熱ゾーン２には１本のコンベア５が引き通され、成形体４はこのコンベア５によって、両ゾーン１、２を連続的に搬送される。このため、予熱ゾーン１での搬送速度を小さくすると、それに伴って加熱ゾーン２での搬送速度も小さくなり、焼結処理時間が長くなって製品品質を落とす結果となる虞もある。

また、予熱ゾーン１の加熱手段の出力を落として、成形体４の温度の急上昇を防止することも考えられるが、この場合、潤滑剤を十分に気化し得るための温度まで、成形体４を加熱できない虞がある。その結果、予熱ゾーン１内で潤滑剤が十分に気化・除去し切れず、成形体４に潤滑剤が残留したままの状態となり、次の加熱ゾーン２でその残留した潤滑剤の気化が急激に生じて、成形体４の表面に肌荒れが生じる。加熱手段の出力を落とし、さらに予熱ゾーン１を延長した場合は、焼結処理時間が長くなり、製造コストの増加につながる。

そこで、この発明は、焼結処理の処理量を確保しつつ、その際に肌荒れ及び表面酸化が生じるのを防止することを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、予熱ゾーンと加熱ゾーンを有する焼結炉による焼結体の製造方法において、前記予熱ゾーン内には、この焼結炉の入り口側から出口側にかけてｎ箇所に予熱バーナーが設けられ、前記入り口側から数えて１番目の第一予熱バーナーのガス量をＫ１、２番目の第二予熱バーナーのガス量をＫ２としたときに、Ｋ１≧Ｋ２を満たし、このガス量Ｋ１が、予熱ゾーンでの全ガス量の１/ｎ以上である焼結体の製造方法とした。

このようにすると、予熱ゾーン内の温度勾配が緩やかになり、成形体の搬送速度を小さくする必要がないため、焼結処理の処理量を確保することができる。さらに、予熱ゾーンの搬送中に成形体温度が急上昇しないため、この成形体の肌荒れや表面酸化による材質異常を防止することができる。

上記の方法では、前記予熱ゾーンの出口温度が６００℃以上８００℃以下の範囲内とするのが好ましい。

予熱ゾーン出口温度が６００℃未満であると、製品内部の潤滑剤が抜けきれず、加熱ゾーンで潤滑剤が急激に気化することによる肌荒れが生じる。予熱ゾーン出口温度が８００℃を超えると製品表面が酸化してしまい製品の表面硬さの低下が見られる。

この発明では、予熱バーナーのガス量を所定の量とすることで、焼結処理能力を確保するとともに、製品の肌荒れや表面酸化が生じるのを防止することができる。このため、製品の高い品質を維持することができる。

この発明の焼結体の製造方法に係る焼結炉を示す構成図 炉内温度分布を示す図 予熱バーナーの他の態様を示す図であって、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は底面図 予熱バーナーの更に他の態様を示す図であって、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は底面図 従来技術に係る焼結炉を示す構成図

この発明に係る焼結体の製造方法に用いる焼結炉の構成を図１に示す。
この焼結炉は、予熱ゾーン１、加熱ゾーン２、及び冷却ゾーン３の３ゾーンから構成され、成形体４は炉内に引き通されたコンベア５に載せられて、各ゾーン１、２、３を順に通過する。

予熱ゾーン１内には、入口側に水平配置され互いに対向する一組（２本）の第一予熱バーナー６_−１、６_−１が設けられ、また、出口側に水平配置され互いに対向する一組（２本）の第二予熱バーナー６_−２、６_−２が設けられている。この各予熱バーナー６_−１、６_−２に送り込むガス量は、それぞれ独立して調節し得るようになっている。予熱ゾーン１の全長は１５８０ｍｍであって、第一予熱バーナー６_−１は、予熱ゾーン１入り口から約８００ｍｍの位置、第二予熱バーナー６_−２は、予熱ゾーン１入り口から約１４００ｍｍの位置にそれぞれ設けられている。

この予熱ゾーン１に設ける各予熱バーナー６の数は特に限定されない。図１に示す構成では、第一予熱バーナー６_−１と第二予熱バーナー６_−２の２箇所としたが、その数は更に増やしてもよい。この予熱バーナー６の数を増やすと、予熱ゾーン１内の温度勾配を均一なものとすることができる。この予熱バーナー６は、同図のように必ずしも成形体４の搬送方向に対して垂直方向対称に設ける必要はなく、例えば左右に互い違いに設けるようにすることもできる。また、加熱ゾーン２には、複数の加熱バーナー７が設けられており、この加熱バーナー７で焼結処理がなされる。

（実施例１）
図１に示した焼結炉で焼結処理を行い、鉄系粉末をプレス成形機で成形した成形体４の肌荒れ等の発生状況について評価した。この成形体４に用いた潤滑剤はステリアン酸亜鉛を主成分とするものである。この予熱ゾーン１への成形体４の搬送速度は１６０ｍｍ／ｍｉｎとした。また、第一予熱バーナー６_−１のガス量を２０ｍ^３/ｈ、第二予熱バーナー６_−２のガス量を２０ｍ^３／ｈとした。

（実施例２）
実施例１と同じ焼結炉を使って、第一予熱バーナー６_−１のガス量を２５ｍ^３／ｈ、第二予熱バーナー６_−２のガス量を２０ｍ^３/ｈとして焼結を行った。成形体４の搬送速度は実施例１と同一とした。

（実施例３）
実施例１と同じ焼結炉を使って、第一予熱バーナー６_−１のガス量を３０ｍ^３／ｈ、第二予熱バーナー６_−２のガス量を２０ｍ^３/ｈとして焼結を行った。成形体４の搬送速度は実施例１と同一とした。

（比較例１）
実施例１と同じ焼結炉に、予熱ゾーン１入り口から約１１００ｍｍの位置に、水平配置され互いに対向する一組（２本）の予熱バーナー６を設置し、そのガス量を４０ｍ^３/ｈとして焼結を行った。成形体４の搬送速度は実施例１と同一とした。

（比較例２）
比較例１と同じ焼結炉を使って、予熱バーナー６のガス量を６０ｍ^３/ｈとして焼結を行った。成形体４の搬送速度は実施例１と同一とした。

焼結後の各実施例及び各比較例における不良率とその不良内容を表１に示す。また、図２に炉内温度分布を示す。

実施例１及び２から分かるように、第一予熱バーナー６_−１のガス量を第二の予熱バーナー６_−２のガス量以上としつつ第一予熱バーナー６_−１のガス量を全体のガス量の１／２以上とし、両予熱バーナー６_−１、６_−２の火力調節によって、予熱ゾーン１の出口側温度を６００〜８００℃の範囲とすると、肌荒れの発生割合を非常に低く抑制することができる。この条件内に設定することで、予熱ゾーン１内の温度勾配が小さくなり、かつ加熱ゾーン２に搬送される前に成形体４内の潤滑剤が十分気化するため、予熱ゾーン１及び加熱ゾーン２のいずれにおいても、潤滑剤が急激に気化することに起因する肌荒れ、及び表面酸化を防止することができる。

実施例３は、両予熱バーナー６_−１、６_−２のガス量は本願発明にかかる範囲内であるが、予熱ゾーン１出口温度は６００〜８００℃の温度範囲外である。この場合、肌荒れは防止することができた一方で、一部の製品に表面酸化が見られた。これは、出口温度が高すぎたためであると考えられる。ただし、予熱バーナー６の数が２組であるため、予熱ゾーン１内での温度上昇はなだらかとなり、不良率は予熱バーナー６の数が１組の場合（後述する比較例１及び２を参照）に比べて小さかった。

比較例１は、予熱ゾーン１での加熱を１組の予熱バーナー６で行うとともに、予熱ゾーン１出口温度を、本願発明にかかる温度範囲内に設定したものである。この場合、製品表面に多数の肌荒れが発生した。これは、この予熱ゾーン１内において成形体４がこの予熱バーナー６に接近した際に急速に温度上昇し、潤滑剤が急速に気化したからに他ならない。

比較例２は、予熱ゾーン１での加熱を１組のバーナーで行うとともに、予熱ゾーン１出口温度を、本願発明にかかる温度範囲よりも高く設定したものである。この場合、出口温度が高すぎることに起因して、表面酸化による材質異常が高い確率で発生した。

これらの評価結果から、予熱ゾーン１内の２箇所に予熱バーナー６を設置して、焼結炉入口から数えて１番目の第一予熱バーナー６_−１のガス量Ｋ１を、２番目の第二予熱バーナー６_−２のガス量Ｋ２以上とし（Ｋ１≧Ｋ２）、かつ、このガス量Ｋ１をこの予熱ゾーン１内での全ガス量の１／２以上とし、さらに、その出口側温度を６００〜８００℃の範囲内とすることで、製品の肌荒れを抑制できることが分かる。

この評価結果は、予熱ゾーン１内に予熱バーナー６を２箇所に設置した場合についてのものであるが、この予熱バーナー６をさらに増やした場合にも同様のことがいえる。すなわち、この予熱ゾーン１内のｎ箇所に予熱バーナー６を設置して、第一予熱バーナー６_−１のガス量Ｋ１を、２番目の第二予熱バーナー６_−２のガス量Ｋ２以上とし（Ｋ１≧Ｋ２）、かつ、このガス量Ｋ１をこの予熱ゾーン１内での全ガス量の１／ｎ以上とし、さらに、その出口側温度を６００〜８００℃の範囲内とすることで、製品の肌荒れを抑制できるといえる。

この発明に係る焼結体の製造方法に用いる焼結炉の予熱ゾーン１に採用されるバーナー６の他の実施形態を図３及び４に示す。

図３に示す予熱バーナー６は、予熱ゾーン１の入口側（同図の左側）で炎孔８の径が大きいのに対し、出口側（同図の右側）でこの炎孔８の径が小さくなっている。また、図４に示す予熱バーナー６は、予熱ゾーン１の入口側（同図の左側）で炎孔８の形成密度が高いのに対し、出口側（同図の右側）でこの炎孔８の形成密度が低くなっている。このため、いずれの予熱バーナー６においても、入口側での加熱能力が、出口側での加熱能力よりも高く、入口から出口に向かって次第に温度が高くなる温度勾配が形成され、この予熱ゾーン１内で成形体４の温度が急上昇して肌荒れが生じるのを抑制できる。

上記各実施形態においては、予熱ゾーン１を予熱する加熱手段として予熱バーナー６を用いたが、他の加熱手段、例えば、カーボンヒーター等も適宜採用することができる。予熱ゾーン１の入口側で出力の大きいヒーターを、出口側で出力の小さいヒーターをそれぞれ採用する等により、複数の予熱バーナー６を用いた場合と同様に、この予熱ゾーン１内に所望の温度勾配を形成することができる。

１ 予熱ゾーン
２ 加熱ゾーン
３ 冷却ゾーン
４ 成形体
５ コンベア
６ 予熱バーナー
６_−１ 第一予熱バーナー
６_−２ 第二予熱バーナー
７ 加熱バーナー
８ 炎孔

Claims (2)

1. 予熱ゾーン（１）と加熱ゾーン（２）を有する焼結炉による焼結体の製造方法において、
   前記予熱ゾーン（１）内には、この焼結炉の入り口側から出口側にかけてｎ箇所に予熱バーナー（６）が設けられ、
   前記入り口側から数えて１番目の第一予熱バーナー（６_−１）のガス量をＫ１、２番目の第二予熱バーナー（６_−２）のガス量をＫ２としたときに、Ｋ１≧Ｋ２を満たし、
   このガス量Ｋ１が、予熱ゾーン（１）での全ガス量の１／ｎ以上である焼結体の製造方法。
2. 前記予熱ゾーン（１）の出口温度が６００℃以上８００℃以下の範囲内である請求項１に記載の焼結体の製造方法。

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