JP2017104496A - 焼結金属製アクセサリの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結金属製アクセサリのデザインの幅を広げると共に、強度を高める。
【解決手段】原料粉末を圧縮成形して圧粉体１０を形成する圧粉工程と、圧粉体１０を焼結して焼結体２０を得る焼結工程と、焼結体２０に塑性加工を施して所定の形状に成形する成形工程とを経て、焼結金属製アクセサリ（トゥーリング１）を製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、焼結金属製アクセサリの製造方法に関する。

指輪や腕輪等のアクセサリは、金、白金、銀、銅等の貴金属で形成されることが多い。この場合、貴金属の色は、選択する材料によって決定されるため、微妙な調整をすることはできない。例えば、複数種の金属を溶融・混合して合金化すれば、材料の色を調整することはできるが、合金を製造する設備が必要となるため、大きな設備コストがかかってしまう。

例えば、特許文献１には、貴金属の下地金属の表面に金属メッキ層を施した宝飾品が示されている。この場合、メッキ浴に分散させる金属の組成を調整することで、金属メッキ層の組成、ひいては金属メッキ層の色を調整することができる。

国際公開第２００７／１０５２５９号

しかし、この場合、金属メッキ層を形成する工程及び設備が必要となるため、製造コスト高を招く。また、長年の使用により金属メッキ層が剥がれると、異なる色の下地金属が露出してしまうため、美観が大きく損なわれてしまう。

そこで、焼結金属でアクセサリを形成すれば、原料粉末に含まれる各金属粉の種類や比率を変えるだけで、新たな設備を要することなく、アクセサリの色を調整することができる。また、焼結金属は、表面も内部も同じ材質（色）であるため、長年の使用により表面が剥がれても、異なる色が露出することがなく、美観が大きく損なわれることはない。

しかし、アクセサリを焼結金属で形成すると、アンダーカットを有する形状を成形することができないため、アクセサリの形状が制限される。例えば、上記の特許文献１には、外周面が、軸方向中央部を凹ませた形状の指輪が示されているが、このような指輪を型成形する場合、この凹部がアンダーカットとなるため、焼結金属で成形することができない。

また、焼結金属は内部空孔を有するため、溶製材よりも強度が低くなることが多い。特に、トゥーリング（足指輪）は、足の指に装着するために薄肉である上、歩行時に足で踏みつけられることで大きな負荷が加わるため、高い強度が要求される。

そこで、本発明が解決すべき課題は、焼結金属製アクセサリのデザインの幅を広げると共に、強度を高めることにある。

前記課題を解決するために、本発明は、原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する圧粉工程と、前記圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、前記焼結体に塑性加工を施して所定の形状に成形する成形工程とを有する焼結金属製アクセサリの製造方法を提供する。

このように、焼結体に塑性加工（例えば鍛造加工）を施すことにより、型成形ではアンダーカットとなる形状であっても形成することが可能となる。また、焼結体に塑性加工を施すことで、焼結体の内部空孔が潰されて密度が高められるため、強度を高めることができる。

以上のように、焼結体に塑性加工を施すことにより、焼結金属製アクセサリのデザインの幅が広がると共に、強度を高めることができる。

（ａ）は本発明の第一の実施形態に係るトゥーリングの正面図、（ｂ）は同平面図、（ｃ）は（ａ）図のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、圧粉工程を示す断面図である。 （ａ）は圧粉体の斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は焼結体の斜視図、（ｄ）はトゥーリングの斜視図である。 Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金組織の拡大図である。 Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金組織の拡大図である。 （ａ）は第二の実施形態に係るトゥーリングの正面図、（ｂ）は（ａ）図のＢ−Ｂ線における断面図である。 図６のトゥーリングの打ち抜き工程を示す正面図である。 図６のトゥーリングの成形工程を示す断面図である。 （ａ）は第三の実施形態に係るトゥーリングの正面図、（ｂ）は（ａ）図のＣ−Ｃ線における断面図である。 図９のトゥーリングの打ち抜き工程を示す正面図である。 （ａ）は第四の実施形態に係るトゥーリングの正面図、（ｂ）は（ａ）図のＤ−Ｄ線における断面図である。 （ａ）は第五の実施形態に係るトゥーリングの正面図、（ｂ）は（ａ）図のＥ−Ｅ線における断面図である。 図１２のトゥーリングの打ち抜き工程を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の第一の実施形態に係る焼結金属製アクセサリとして、リング状アクセサリ、具体的にはトゥーリング１（足指輪）を示す。トゥーリング１は、円筒状を成し、図示例では周方向一箇所が分断された円筒状を成している。トゥーリング１は、足の指の間に挿入可能な肉厚に形成され、例えば半径方向の肉厚が５ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下とされる。トゥーリング１は、強度を確保するため、半径方向の肉厚が０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上とされる。

トゥーリング１は、後述する圧粉工程でアンダーカットとなる形状を有する。本実施形態では、トゥーリング１の外周面の軸方向中間部（軸方向両端を除く領域）に凹部３が設けられる。図示例では、トゥーリング１の外周面に、複数の矩形状の凹部３が千鳥状に配されている。トゥーリング１の内周面は、孔や凹部の無い平滑な円筒面とされる。尚、凹部３の形状は上記に限らず、例えばひし形、円形、楕円形等であってもよい。また、凹部３の配列は上記に限らず、例えば凹部３の周方向位置を揃えて、凹部３の間に設けられる周方向及び軸方向の柱部を格子状に配列してもよい。また、凹部３を線状や不規則形状とし、トゥーリング１の外周面に任意の模様を形成してもよい。

トゥーリング１は、混合工程、圧粉工程、焼結工程、打ち抜き工程、及び成形工程を経て製造される。

混合工程では、複数種の金属粉を混合して原料粉末が作製される。金属粉としては、例えば、銅、錫、亜鉛、ニッケル、銀、アルミニウム、金、白金等のうちの一種の金属のみからなる単体粉や、複数種の金属を合金化した合金粉を使用できる。そして、一種又は二種以上の金属粉に、必要に応じて、固体潤滑剤（黒鉛粉末等）や、成形用潤滑剤（例えば、金属セッケンやアミドワックス等）、あるいは焼結を促進する焼結助剤等を所定の比率で配合し、混合機に投入して混合することにより、原料粉末が作製される。

こうして得られた原料粉末をフォーミング金型に投入して圧縮成形することで、圧粉体を成形する（圧粉工程）。具体的には、まず、図２（ａ）に示すように、ダイ１１、コアロッド１２、及び下パンチ１３で区画された円筒状のキャビティに、原料粉末Ｍを充填する。そして、図２（ｂ）に示すように、上パンチ１４を降下させて原料粉末Ｍを軸方向に圧縮することにより、円筒状の圧粉体１０が形成される（図３（ａ）参照）。

そして、圧粉体１０を焼結炉に投入し、所定温度で所定時間焼結することで、円筒状の焼結体２０が得られる（図３（ｂ）参照）。この焼結体２０に打ち抜き加工を施すことにより、円筒状の焼結体２０の周方向一箇所を軸方向に沿って分断する（図３（ｃ）参照）。

打ち抜き工程の後、焼結体２０に塑性加工（例えば鍛造加工、具体的にはローリング加工等）を施すことで、焼結体２０の外周面に凹部３を成形し、トゥーリング１が完成する（図３（ｄ）参照）。凹部３は、圧粉工程ではアンダーカットとなるため成形することはできないが、焼結体２０に鍛造加工を施して外周から圧迫することにより、凹部３を形成することができる。尚、成形工程は、打ち抜き工程の後に限らず、打ち抜き工程の前に行ってもよい。

この鍛造加工時の圧迫により、焼結体２０の内部空孔がつぶされて密度が高められ、トゥーリング１の強度が高められる。トゥーリング１は、足の指に装着するために薄肉に形成される上、歩行時に足で踏みつけられるため、鍛造による強度向上が特に有効となる。

また、鍛造加工で凹部３を成形すると、焼結体２０の肉が塑性流動するが、この塑性流動を焼結体２０の内部空孔で吸収することができるため、塑性流動による変形を抑えることができる。

トゥーリング１は、例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系アルミ青銅焼結体で形成することができる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系アルミ青銅焼結体の組成は、例えば、Ａｌを７〜１１質量％、Ｓｉを１〜６質量％含み、残部の主成分をＣｕとされる。図４に、Ａｌを８．５質量％、Ｓｉを２質量％含み、残部の主成分をＣｕとした焼結金属のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金組織を示す。このＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金組織には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉマトリクス相（α相）と、Ａｌ−Ｓｉ化合物相（κ相）とが析出しているが、Ａｌ−Ｃｕ化合物相（γ相）は析出していない。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金組織におけるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉマトリクス相の割合は、例えば面積比で５０％以上、好ましくは７０％以上とされ、図示例ではおよそ７５％程度となっている。尚、上記の組成に加えて、さらにＺｎを配合してもよい。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系アルミ青銅焼結体は、例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金粉末、Ｐ合金粉末、固体潤滑剤、焼結助剤、及び成形用潤滑剤を含む原料粉末を用いて形成される。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金粉末は、例えばＡｌを７〜１１質量％、Ｓｉを１〜６質量％含み、残部の主成分をＣｕとされる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金粉末は、例えばアトマイズ法により製造したものを使用できる。Ｐ合金粉末は、例えば７〜１０質量％Ｐ−Ｃｕ合金粉末を使用できる。固体潤滑剤としては、例えば黒鉛粉末を使用できる。焼結助剤としては、例えばフッ化アルミニウム及びフッ化カルシウムを使用することができる。成形用潤滑剤としては、金属セッケンやアミドワックスを使用でき、具体的にはステアリン酸亜鉛又はステアリン酸カルシウムを使用することができる。各粉末の配合比は、例えば、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金粉末１００質量％に対して、Ｐ合金粉末を０．１〜０．６質量％、固体潤滑剤を３〜６質量％、焼結助剤を０．０５〜０．２質量％とされる。尚、特に必要がなければ、Ｐ合金粉末やフッ化アルミニウム及びフッ化カルシウム等の焼結助剤や、黒鉛粉末等の固体潤滑剤、ステアリン酸亜鉛等の成形用潤滑剤の何れかあるいは全てを、原料粉末に配合しなくてもよい。

上記の他、トゥーリング１は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ系アルミ青銅焼結体で形成することができる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ系アルミ青銅焼結体の組成は、例えば、Ａｌを７〜１１質量％、Ｚｎを１〜５質量％含み、残部の主成分をＣｕとされる。図５に、Ａｌを８．５質量％、Ｚｎを３質量％含み、残部の主成分をＣｕとしたトゥーリングのＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金組織を有する。このＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金組織には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎマトリクス相（α相）と、Ａｌ−Ｚｎ化合物相（δ相）とが析出しているが、Ａｌ−Ｃｕ化合物相（γ相）は析出していない。Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金組織におけるＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎマトリクス相の割合は、例えば面積比で５０％以上、好ましくは７０％以上とされ、図示例ではおよそ８０％程度となっている。尚、上記の組成に加えて、さらにＳｉを配合してもよい。

Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ系アルミ青銅焼結体は、例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金粉末、Ｐ合金粉末、固体潤滑剤、焼結助剤、及び成形用潤滑剤を含む原料粉末を用いて形成される。Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金粉末は、例えばＡｌを７〜１１質量％、Ｚｎを１〜５質量％含み、残部の主成分をＣｕとされる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ合金粉末は、例えばアトマイズ法により製造したものを使用できる。Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ系アルミ青銅焼結体の原料粉末に関するその他の点については、上記のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系アルミ青銅焼結体の原料粉末と同様であるため、説明を省略する。

上記のようなアルミ青銅焼結体は、非常に優れた耐腐食性を有するため、汗や水（特に海水等の塩水）に接触し得るアクセサリの材料に適している。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と重複する点の説明は省略する。

トゥーリング１の形状は上記の実施形態に限られない。例えば図６に示す第二の実施形態に係るトゥーリング２１は、大円部４と小円部５とを周方向で交互に並べて連結して、全体として略円筒状を成している。図示例では、大円部４と小円部５とを周方向で交互に並べた列を二列設け、これらの列が軸方向に連結されている。一方の列の大円部４と他方の列の小円部５とが軸方向に連結されている。図６（ｂ）に示すように、大円部４の外径面４ａ及び小円部５の外径面５ａは、何れも中心を外径側に膨出させた凸曲面状（例えば凸球面状）とされる。

図６に示すトゥーリング２１は、混合工程、圧粉工程、焼結工程、打ち抜き工程、及び成形工程を経て製造される。具体的には、まず、上記の実施形態と同様に、混合工程、圧粉工程、及び焼結工程を経て円筒状の焼結体２０を形成する（図３（ｂ）参照）。その後、この焼結体２０に打ち抜き加工を施すことで、焼結体２０の周方向一箇所を分断すると共に、不要部分を除去する。具体的には、図７に示すように、打ち抜き加工により、焼結体２０の軸方向両端の不要部分Ｐ、及び、軸方向中央の不要部分Ｑを除去する。

その後、焼結体２０に鍛造を施して、外周面を所定の形状に成形する。本実施形態では、図８に示すように、鍛造により、焼結体２０のうち、大円部４の外径面４ａ及び小円部５の外径面５ａが、何れも凸曲面状に成形される。以上により、図６に示すトゥーリング２１が完成する。

上記のトゥーリング２１は、複数の貫通孔２が設けられる。図示例では、一対の大円部４及び一対の小円部５で囲まれた領域に貫通孔２が形成される。この貫通孔２を介して空気の移動が許容されることで、トゥーリング２１を装着したときの通気性が確保される。このように、トゥーリング２１に貫通孔２を設けた場合でも、鍛造加工によりトゥーリング２１のリング全体の強度が向上されているため、トゥーリング２１に要求される強度を確保できる。

図９に示す第三の実施形態に係るトゥーリング３１は、図６に示すトゥーリング２１の貫通部２に代えて、薄肉部６を設けている。薄肉部６は、大円部４及び小円部５の頂部よりも密度が高い。このように、高密度の薄肉部６を設けることで、貫通孔２を設けた図６のトゥーリング２１よりも、強度が高められる。

トゥーリング３１は、以下の手順で製造される。まず、円筒状の焼結体２０を形成した後、この焼結体２０に打ち抜き加工を施すことで、焼結体２０の周方向一箇所を分断すると共に、不要部分Ｐを除去する（図１０参照）。その後、焼結体２０に鍛造を施して、大円部４及び小円部５の外径面４ａ，５ａを凸曲面状に成形すると共に、薄肉部６を成形することで、トゥーリング３１が完成する。

図１１に示す第四の実施形態に係るトゥーリング４１は、図６に示すトゥーリング２１の大円部４及び小円部５にそれぞれ凹部４ｂ、５ｂを設けたものである。図示例では、凹部４ｂ、５ｂは、それぞれ大円部４及び小円部５の軸心に設けられる。トゥーリング４１は、以下の手順で製造される。まず、円筒状の焼結体２０を形成した後、この焼結体２０に打ち抜き加工を施すことで、焼結体２０の周方向一箇所を分断すると共に、不要部分Ｐ及びＱを除去する（図７参照）。その後、焼結体２０に鍛造を施して、大円部４及び小円部５の外径面４ａ，５ａを凸曲面状に成形すると共に、凹部４ｂ，５ｂを成形することで、トゥーリング４１が完成する。

図１２に示す第五の実施形態に係るトゥーリング５１は、図１１に示すトゥーリング４１の大円部４及び小円部５に設けられた凹部４ｂ，５ｂに代えて、貫通孔４ｃ，５ｃを設けたものである。トゥーリング５１は、以下の手順で製造される。まず、円筒状の焼結体２０を形成した後、この焼結体２０に打ち抜き加工を施すことで、焼結体２０の周方向一箇所を分断すると共に、不要部分Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓを除去する（図１３参照）。その後、焼結体５０に鍛造を施して、大円部４及び小円部５の外径面４ａ，５ａを凸曲面状に成形することで、トゥーリング４１が完成する。

尚、図１１及び図１２に示すトゥーリング４１，５１の貫通孔２に代えて、薄肉部６（図９参照）を設けてもよい。

以上の実施形態では、円筒状の圧粉体１０及び焼結体２０を形成し、打ち抜き加工により円筒状の焼結体２０の周方向一箇所を分断した場合を示したが、これに限られない。例えば、圧粉工程において、周方向一箇所が分断された略Ｃ字形状の圧粉体を成形すれば、打ち抜き加工により焼結体の周方向一箇所を分断する必要が無くなる。

また、以上の実施形態では、トゥーリング１が、周方向一部を分断したリング状（円筒状）を成した場合を示したが、トゥーリング１を全周で連続したリング状としてもよい。

また、以上の実施形態では、本発明に係る焼結金属製アクセサリとしてトゥーリングを示したが、これに限られない。例えば、指輪やブレスレット等の他のリング状アクセサリや、リング状以外のアクセサリ（ブローチ等）に、本発明を適用することもできる。

１、２１、３１、４１、５１ トゥーリング（焼結金属製アクセサリ）
２ 貫通孔
３ 凹部
４ 大円部
５ 小円部
６ 薄肉部
１０ 圧粉体
１１ ダイ
１２ コアロッド
１３ 下パンチ
１４ 上パンチ
２０ 焼結体
Ｍ 原料粉末

Claims (2)

1. 原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する圧粉工程と、前記圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程と、前記焼結体に塑性加工を施して所定の形状に成形する成形工程とを有する焼結金属製アクセサリの製造方法。
2. 前記塑性加工が鍛造加工である請求項１記載の焼結金属製アクセサリの製造方法。