JP2017014590A - 焼結治具 - Google Patents

Abstract

【課題】
熱容量が小さく加熱が容易で、耐久性が高く、熱変形が小さく、強度・剛性の高い焼結治具を提供することを課題とする。
【解決手段】
２組の対向する板状部材からなる枠体と、枠体の対向する１組の板状部材に支持された複数の棒状部材と、からなる焼結治具であって、焼結成形体は、少なくとも、隣り合う１組の棒状部材上に載置されることによって焼結処理される構成の焼結治具とした。

【選択図】 図２

Description

本発明は、焼結合金を製造する際に使用する焼結治具に係るものであり、更に詳細には、熱容量が小さく加熱が容易で、耐久性が高く、熱変形が小さく、強度・剛性の高い焼結治具に係るものである。

焼結合金は、粉末冶金の技術を利用して製造される金属製品の総称であり、粉末冶金とは、金属粉末をプレス成形法や金属粉末射出成形法（Metal Injection Molding、通称MIM）により成形した成形体を焼結して、金属製品を製造する技術である。

このような焼結合金を製造する過程では、金属粉末の成形体を高温のバッチ炉あるいは連続炉によって焼成する工程が必要になるが、この焼成工程では、金属粉末の成形体を焼結治具に載置した状態で焼成処理される。

焼結合金の焼成処理は、高温で行われるのが一般的であり、場合によっては１２００℃程度の高温にまで加熱することが必要になる場合がある。 このような高温に晒される環境下で使用される焼結治具は、優れた耐熱性が求められるため、焼結治具として使用できる材料としては、モリブデン等の高融点金属、セラミックス、グラファイトといった特殊な材料に限定されていた。

また、焼結冶具は過酷な環境下で使用されるため、簡素な板状構造を有する焼結冶具が使用されてきている。 例えば、図１は、従来技術に係る焼結冶具構造の１例を示したものであり、外観斜視図を示したものである。 この焼結冶具１１０は、板状ブロック１１１の上面に複数のＶ溝１１２を設け、このＶ溝に棒状の成形体１１３載置し、連続炉あるいはバッチ炉によって焼成されるようになっている。

従来技術に係る焼結冶具では、上述したような構造を採用していたため、熱容量が大きく、焼成処理に多大な熱量、即ち多大な電力を必要としていた。

また、従来技術に係る焼結冶具１１０の製造にあたり、モリブデン等の高融点金属、セラミックス、グラファイトといった材料を使用していたため、耐久性が低かったり、熱変形が大きかったり、脆く、強度・剛性が低いなどの問題があった。

本発明は、かかる観点に鑑みなされたものであり、熱容量が小さく加熱が容易で、耐久性が高く、熱変形が小さく、強度・剛性の高い焼結治具を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る発明では、２組の対向する板状部材からなる枠体と、枠体の対向する１組の板状部材に支持された複数の棒状部材と、からなる焼結治具であって、焼結成形体は、少なくとも、隣り合う１組の棒状部材上に載置されることによって焼結処理される構成の焼結治具とした。

また、本発明の第２の観点に係る発明では、第１の観点に係る発明の焼結治具であって、焼結治具の枠体、および棒状部材がカーボン／カーボン材料で構成されている焼結治具とした。

また、本発明の第３の観点に係る発明では、第１又は第２の観点に係る発明の焼結治具であって、棒状部材の断面が、三角形、四角形、又は円形である構成の焼結治具とした。

更に、本発明の第４の観点に係る発明では、第２又は第３の観点に係る発明の焼結治具であって、焼結治具の内、少なくとも棒状部材の表面は、ＳｉＣにより被覆されている構成の焼結治具とした。

また、本発明の第５の観点に係る発明では、第２又は第３の観点に係る発明の焼結治具であって、カーボン／カーボン材料のカーボンマトリクスとカーボン繊維の一部又は全てがＳｉＣ化されている構成の焼結治具とした。

上述した発明の構成としたことにより、熱容量が小さく加熱が容易で、耐久性が高く、熱変形が小さく、強度・剛性の高い焼結治具を提供することが可能となった。

図１は、従来技術に係る焼結冶具の１例を示したものである。 図２は、本発明の第１の実施形態を示したものであり、焼結成形体を載置した状態の焼結冶具の斜視図である。 図３は、本発明の第２の実施形態を示したものであり、焼結成形体を載置した状態の焼結冶具の斜視図である。 図４は、本発明の第３の実施形態を示したものであり、焼結成形体を載置した状態の焼結冶具の斜視図である。

図２〜図４に基づき、本発明に係る実施形態について説明する。 図２は、本発明の第１の実施形態を示したものであり、焼結成形体を載置した状態の焼結冶具の斜視図である。

第１の実施形態に係る焼結冶具１０は、枠体１１と、複数の棒状部材１４とから構成されている。

枠体１１は、外周に枠部材１１−１〜１１−４が配置された矩形状枠を形成しており、枠部材１１−１〜１１−４を機械的に結合することにより枠体１１を形成しても良いし、枠部材１１−１〜１１−４を一体的に形成するようにしても良い。 なお、本実施形態では、枠体１１は、矩形状枠であるとしたが、必ずしも矩形状枠に限定されるものではなく、台形状枠、あるいは三角形状枠等であっても良い。

枠部材１１−１〜１１−４の断面形状は、特に限定されるものではないが、加工性等を考慮すると矩形状であることが望ましい。

枠部材１１−１〜１１−４のうち、対向する１組の枠部材、例えば、１１−１と１１−２には、後述する棒状部材１４を挿入し、支持するための複数の開口部１５が、それぞれ対向して設けられている。 従って、棒状部材１４は、枠部材１１−１、１１−２を貫通して挿入することができるようになっている。 この開口部１５の形状は、棒状部材１４の断面形状と相似であって、棒状部材１４の断面寸法よりわずかに大きい寸法を有することが望ましい。

枠部材１１−１〜１１−４は、高温環境で使用されるものであることから、耐熱性の高い、あるいは高融点の材料で構成することが望ましく、モリブデン等の高融点金属やセラミックス、グラファイトなどの耐熱性の高い材料を使用することができる。 また、優れた耐熱性を有し、強度・剛性が高く、比重、熱容量の小さいカーボン／カーボン材料（炭素繊維強化炭素複合材料とも呼ぶ）を使用すれば、更に望ましい。

カーボン／カーボン材料（素繊維強化炭素複合材料とも呼ぶ）とは、カーボン繊維（炭素繊維）をカーボン（炭素）マトリックスで固めた複合材料の総称であり、カーボン／カーボン材料の製造方法の代表的なものとして、レジンチャー法またはCVD法がある。

例えばレジンチャー法により板状のＣ／Ｃコンポジット材を製造する場合、典型的には以下のような工程をとる。
すなわち、
（１）炭素繊維織物に熱硬化性樹脂を含浸し半硬化させてプリプレグを製造する工程、
（２）上記プリプレグを複数枚重ねて、加熱・加圧し、板状に成形する工程、
（３）上記板状成形体を加熱し炭化処理する工程、
（４）炭化処理した板状成形体にピッチ（又は樹脂）を含浸する工程、
（５）ピッチ（又は樹脂）を含浸した板状成形体を加熱し炭化処理する工程、
（６）板状成形体を更に加熱し黒鉛化処理する工程、
（７）（４）、（５）、（６）の工程を３〜４回繰り返す。

このようにして製造された板状のカーボン／カーボン材料から、枠部材１１−１〜１１−４の各要素を切り出し、これらを機械的に結合することにより、枠体１１を構成することができる。

棒状部材１４は、少なくとも、隣り合う１組の棒状部材１４によって、焼結成形体１３を載置するものであって、枠体１１の枠部材１１−１〜１１−４（図２に示す実施形態では、枠部材１１−１、１１−２）によって支持されている。

本発明の第１の実施形態に係る焼結冶具１０では、棒状部材１４の断面は、矩形状であり、隣り合う棒状部材１４の各々の矩形断面の１辺がＶ形の溝を構成するように各棒状部材１４が配置されており、このＶ形の溝に焼結成形体１３が載置されるようになっている。

棒状部材１４が構成するＶ形の溝に、焼結成形体１３を載置することにより、焼結成形体１３を安定して保持することができるようになると共に、Ｖ形の溝の底部分には大きな開口部を設けることができるため、焼結成形体１３を加熱するための高温ガス（高温の空気）の対流が容易になり、焼結成形体１３の加熱が極めて容易になるという利点もある。

棒状部材１４の断面形状として、矩形断面のものについて説明してきたが、このような矩形断面に限定されるものではない。 例えば、三角形断面、台形断面、円形断面の棒状部材１４であっても、矩形断面と同様な効果を得ることができる。

なお、図２に示す本発明の第１の実施形態においては、焼結成形体１３は円形断面の柱状体として示してあるが、本発明において、焼結成形体１３は円形断面の柱状体に限定されるものではなく、矩形断面や三角形断面の柱状体の他、板状体、ブロック状体であっても良い。

焼結成形体１３が、例えば、板状体である場合には、上述したように、棒状部材１４によってＶ形の溝を形成するような必要はなく、各棒状部材１４の上面に、平面を形成することができる構成であれば良く、棒状部材１４の断面形状や、配置方法については、自由に設定することができる。

棒状部材の材料としては、枠部材１１−１〜１１−４と同様に、高温環境で使用されるものであることから、耐熱性の高い、あるいは高融点の材料で構成することが望ましく、モリブデン等の高融点金属やセラミックス、グラファイトなどの耐熱性の高い材料を使用することができる。 また、優れた耐熱性を有し、強度・剛性が高く、比重、熱容量の小さいカーボン／カーボン材料（素繊維強化炭素複合材料とも呼ぶ）を使用すれば、更に望ましい。

次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。 図３は、本発明の第２の実施形態を示したものであり、焼結成形体１３を載置した状態の焼結冶具１０の斜視図である。 本発明の第２の実施形態が、第１の実施形態と比べて異なる点について以下に説明する。

本発明の第１の実施形態に係る焼結冶具１０では、図２に示す通り、枠体１１の対向する１組の枠部材１１−１、１１−２に、棒状部材１４を挿入する開口部１５を設け、棒状部材１４を枠部材１１−１、１１−２の開口部１５に貫通して挿入することにより、棒状部材１４を枠体１１で支持するようになっていた。

一方、本発明の第２の実施形態に係る焼結冶具１０では、図３に示す通り、枠体１１の対向する１組の枠部材１１−１、１１−２の上面に、棒状部材１４を載置することにより、棒状部材１４を枠体１１で支持するようになっている。 そして、枠体１１の対向する１組の枠部材１１−１、１１−２の上面には、必要に応じて、棒状部材１４の断面形状と、棒状部材１４の載置姿勢に応じて所要形状の掘り込み溝が棒状部材１４の数だけ設けられている。

本発明の第２の実施形態に係る焼結冶具１０では、棒状部材１４の断面形状が矩形であるため、枠部材１１−１、１１−２の上面には、三角形形状の掘り込み溝１６が設けられている。 このような形状の掘り込み溝１６を設けることにより、棒状部材１４を安定的に保持することが可能である。

なお、以上に説明した点以外においては、本発明の第2の実施形態に係る焼結冶具１０と、第１の実施形態に係る焼結冶具１０とは、相違するところはないので、説明は省略する。

次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。 図４は、本発明の第３の実施形態を示したものであり、焼結成形体１３を載置した状態の焼結冶具１０の斜視図である。 本発明の第３の実施形態が、第１の実施形態と比べて異なる点について以下に説明する。

本発明の第３の実施形態では、枠部材１１−１〜１１−４の下方に、通気用の切欠き部１７が設けられている。 枠部材１１−１〜１１−４の下方に、通気用の切欠き部１７を設けることにより、焼結成形体１３を加熱するための高温ガス（高温の空気）の通気が容易になり、焼結冶具１０周りの高温ガス（高温の空気）の循環を促し、焼結成形体１３の加熱が極めて容易になるという利点を有する。

なお、以上に説明した点以外においては、本発明の第３の実施形態に係る焼結冶具１０と、第１の実施形態に係る焼結冶具１０とは、相違するところはないので、説明は省略する。

以上、説明したような構成の焼結治具１０としたことにより、より少ない重量の材料で焼結冶具１０を構成することができることから、熱容量が小さく加熱が容易で、耐久性が高く、熱変形が小さく、強度・剛性の高い焼結治具１０を提供することが可能となった。

また、このような焼結冶具１０をカーボン／カーボン材料を用いて製造した場合、カーボン／カーボン材料は、高温の酸化性雰囲気に晒されると酸化消耗する。 また、カーボン／カーボン材料と焼結成形体１３とを直接接触させて高温処理するような焼結冶具１０では、浸炭という現象が生じて、焼結成形体１３を劣化させてしまうという問題を生じさせることもある。

このような焼結冶具１０を構成するカーボン／カーボン材料の酸化消耗を防止し、更に、焼結成形体１３の浸炭を防止するために、焼結治具１０を構成するカーボン／カーボン材料の全ての表面、あるいは、少なくとも棒状部材の表面を、ＳｉＣにより被覆するか、カーボン／カーボン材料のカーボンマトリクスとカーボン繊維の一部、又は全てをＳｉＣ化することが有効である。

カーボン／カーボン材料の表面にＳｉＣの被覆処理を施す方法としては、公知の気相法により、ＳｉＣの膜をカーボン／カーボン材料の表面にコーティングするようにしても良い。

また、カーボン／カーボン材料のカーボンマトリクスとカーボン繊維の一部、又は全てをＳｉＣ化する方法としては、金属珪素を溶融させ、カーボン／カーボン材料に含浸させたのち、高温処理することにより、カーボン／カーボン材料のマトリックスと強化繊維を形成しているカーボンと金属珪素を反応させ、ＳｉＣを形成するようにしても良い。

１０ 焼結冶具
１１ 枠体
１１−１ 枠部材
１１−２ 枠部材
１１−３ 枠部材
１１−４ 枠部材
１３ 焼結成形体
１４ 棒状部材
１５ 開口部
１６ 掘り込み溝
１７ 切欠き部

Claims (5)

1. ２組の対向する板状部材からなる枠体と、
   当該枠体の対向する１組の板状部材に支持された複数の棒状部材と、
   からなる焼結治具であって、
   焼結成形体は、少なくとも、隣り合う１組の棒状部材上に載置されることによって焼結処理されることを特徴とする焼結治具。
   
2. 請求項１に記載の焼結治具であって、
   前記焼結治具の枠体、および棒状部材がカーボン／カーボン材料で構成されていることを特徴とする焼結治具。
   
3. 請求項１又は２に記載の焼結治具であって、
   前記棒状部材の断面が、三角形、四角形、又は円形であることを特徴とする焼結治具。
   
4. 請求項２又は３に記載の焼結治具であって、
   前記焼結治具の内、少なくとも棒状部材の表面は、ＳｉＣにより被覆されていることを特徴とする焼結治具。
   
5. 請求項２又は３に記載の焼結治具であって、
   前記カーボン／カーボン材料のカーボンマトリクスとカーボン繊維の一部又は全てがＳｉＣ化されていることを特徴とする焼結治具。