JP2023112002A - 焼結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性に優れた金属部材の製造方法を提供すること。【解決手段】一実施の形態に係る金属部材の製造方法では、金属炭化物粉末と金属粉末とを混合した混合粉末（２０ａ）を金属基材（１０）上に形成された凹部（１１）に充填する。放電プラズマ焼結法を用いて、凹部（１１）に充填された混合粉末（２０ａ）を通電加熱しつつ加圧することによって、凹部（１１）に硬質層（２０）を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は金属部材の製造方法に関する。

硬質層が金属基材上に形成された金属部材は、例えば刃具等に広く利用されている。このような金属部材は、例えば、熱間等方加圧（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing）法や放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）法を用いて予め製造された硬質部材を、硬質層として金属基材上にろう付けすることによって製造される。また、特許文献１、２に開示されているように、予め製造された硬質部材を金属基材上にＳＰＳ法を用いて接合する技術も知られている。

特開平６－３３９８０１号公報 特開平８－１６８９０５号公報

発明者は、硬質層を金属基材上に形成する金属部材の製造方法に関し、以下の問題を見出した。
予め製造された硬質部材を金属基材上に硬質層として接合する手法では、接合する前に硬質部材を機械加工する必要がある。そのため、このような手法は、製造に多大な手間と時間を要し、生産性に劣るという問題があった。
その他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態に係る金属部材の製造方法では、金属炭化物粉末と金属粉末とを混合した混合粉末を金属基材上に形成された凹部に充填し、放電プラズマ焼結法を用いて、前記凹部に充填された前記混合粉末を通電加熱しつつ加圧することによって、前記凹部に硬質層を形成する。

前記一実施の形態によれば、生産性に優れた金属部材の製造方法を提供できる。

第１の実施形態に係る金属部材の製造方法によって製造される金属部材の一例を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。 第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。 第１の実施形態の変形例１に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。 第１の実施形態の変形例２に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。 第１の実施形態の変形例２に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。 第２の実施形態に係る金属部材の製造方法に用いる金属基材１０の一例を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。 第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。 実施例の硬質層２０及び比較例に係る硬質部材のミクロ組織写真である。 ピンオンディスク摩耗試験を示す模式斜視図である。 ピン及びディスクについて、比較例に対する実施例の相対摩耗量を示す棒グラフである。

以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜金属部材の構成＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法によって製造される金属部材の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法によって製造される金属部材の一例を示す斜視図である。
なお、当然のことながら、図１及び他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものであって図面間で共通である。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

図１に示すように、金属部材は金属基材１０及び硬質層２０を備え、全体として略直方体形状を有している。図１に示した金属部材は、さらに機械加工された上で、例えば刃具等として利用される。より具体的には、例えば樹脂ペレットを連続製造するための水中造粒機（ＵＷＣ：Under Water Cutter）のカッタ刃として利用される。

金属基材１０の上面には、長手方向（ｙ軸方向）の中程からｙ軸正方向側の端部まで凹部１１が延設されている。換言すると、図１に示した金属基材１０は、Ｌ字状の縦断面を有している。凹部１１は、「段差」もしくは「切り欠き」とも言える。図１に示すように、凹部１１の角部に、Ｒ加工が施されていてもよい。金属基材１０の凹部に、略直方体形状の硬質層２０が形成されている。ここで、金属基材１０と硬質層２０とは、ろう材を介さずに直接接合されている。

金属基材１０は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼からなる。
硬質層２０は、金属炭化物粉末と金属粉末とを混合した混合粉末を焼結することによって得られる焼結体である。すなわち、硬質層２０は、マトリクス金属中に金属炭化物粒子が分散したミクロ組織を有している。硬質層２０のマトリクス金属は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼である。硬質層２０の金属炭化物粒子は、特に限定されないが、例えば炭化チタン（ＴｉＣ）粒子である。

＜金属部材の製造方法＞
図２、図３を参照して、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法について説明する。図２は、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。図３は、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。第１の実施形態に係る金属部材の製造方法では、図１に示した硬質層２０を金属基材１０上に形成する。

図２を参照して、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法の概要について説明する。
まず、図２上段に示すように、金属炭化物粉末と金属粉末とを混合した混合粉末２０ａを金属基材１０上に形成された凹部１１に充填する。
次に、図２下段に示すように、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）を用いて、凹部１１に充填された混合粉末２０ａを通電加熱しつつ加圧することによって、凹部１１に硬質層２０を形成する。

次に、図２、図３を参照して、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法の詳細について説明する。なお、図２下段は、図３のＩＩ－ＩＩ断面図である。図３では、後述する上パンチ４０及びスペーサ６０が省略されている。
図２、図３に示すように、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法に用いる焼結装置は、図示しない真空チャンバ内に、型３０、上パンチ４０、下パンチ５０、及びスペーサ６０を備えている。ＳＰＳ法では、金属基材１０の凹部１１に充填された混合粉末２０ａを通電加熱しつつ加圧する。

そのため、型３０、上パンチ４０、下パンチ５０、及びスペーサ６０は、いずれも導電性を有し、混合粉末２０ａを焼結する際、金属基材１０もしくは混合粉末２０ａと接触している。さらに、型３０、上パンチ４０、下パンチ５０、及びスペーサ６０は、いずれも高温でも変形し難い材料からなることが好ましく、例えばカーボン製である。

図２に示すように、型３０は、互いに嵌合された外型３１と入子型３２とを備えた二重構造を有している。図３に示すように、型３０（外型３１及び入子型３２）は、金属基材１０の平面形状に対応した貫通孔３３が平面視中央部に設けられた円柱体である。図２、図３に示すように、貫通孔３３の内部に金属基材１０が装入される。

ここで、図３に示すように、外側の外型３１は、円筒体である。入子型３２は、金属基材１０の平面形状に対応した貫通孔３３が平面視中央部に設けられた円柱体である。図示した入子型３２は、図３に示すように、貫通孔３３の長辺及び短辺の延長線に沿って、４つの割型３２ａ～３２ｄに分割されている。

貫通孔３３を介して対向配置された割型３２ａ、３２ｃは、同一形状を有すると共に、円柱状の入子型３２の中心軸に対して、回転対称に配置されている。同様に、貫通孔３３を介して対向配置された割型３２ｂ、３２ｄも、同一形状を有すると共に、円柱状の入子型３２の中心軸に対して、回転対称に配置されている。

また、図２に示すように、型３０の貫通孔３３には、下パンチ５０が挿入されている。金属基材１０は、下パンチ５０上に置かれる。すなわち、下パンチ５０は、金属基材１０の下面に当接し、金属基材１０を下側から支持している。また、混合粉末２０ａを加圧する際、下パンチ５０によって、金属基材１０を下側から押圧してもよい。

図２に示すように、スペーサ６０は、貫通孔３３の内部に装入された金属基材１０の凸部（凹部１１以外の部位）の上面に置かれる。混合粉末２０ａは、入子型３２及びスペーサ６０に囲まれた金属基材１０の凹部１１に充填される。特に限定されないが、図２の例では、スペーサ６０の高さは、上パンチ４０の高さと等しい。

上パンチ４０は、型３０の貫通孔３３の上側（ｚ軸正方向側）から挿入される。混合粉末２０ａを焼結する際、金属基材１０の凹部１１に充填された混合粉末２０ａを上パンチ４０によって上側から押圧する。このような構成によって、混合粉末２０ａを通電加熱しつつ加圧し、金属基材１０の凹部１１に硬質層２０を形成できる。この際、金属基材１０と硬質層２０とを接合できる。

ここで、図２下段に示すように、例えば、スペーサ６０の上面と上パンチ４０の上面とが面一になるまで、上パンチ４０を押圧する。上述の通り、スペーサ６０の高さが上パンチ４０の高さと等しいため、金属基材１０の凸部（凹部１１以外の部位）の上面と硬質層２０の上面とを面一にできる。

以上の通り、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法では、金属炭化物粉末と金属粉末とを混合した混合粉末２０ａを金属基材１０上に形成された凹部１１に充填する。そして、ＳＰＳ法を用いて、凹部１１に充填された混合粉末２０ａを通電加熱しつつ加圧することによって、凹部１１に硬質層２０を形成する。この際、金属基材１０と硬質層２０とを接合できる。すなわち、金属基材１０の凹部１１に硬質層２０を形成しつつ、金属基材１０に硬質層２０を接合できる。そのため、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法では、接合する前に予め製造された硬質部材を機械加工する必要がなく、生産性に優れている。

＜第１の実施形態の変形例１＞
次に、図４を参照して、第１の実施形態の変形例１に係る金属部材の製造方法について説明する。図４は、第１の実施形態の変形例１に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。図４に示した変形例１に係る金属部材の製造方法では、図３に比べ、金属基材１０及び硬質層２０の幅が広くなっている。

図４の例では、金属基材１０の凹部１１に硬質層２０を形成した後、図４に示したｙ軸方向に延びた２本の二点鎖線に沿って、金属基材１０及び硬質層２０を切断する。そのため、１回の焼結工程によって、図１に示した金属部材を３本製造でき、図３に示した製造方法に比べ、生産性がさらに向上する。

なお、１回の焼結工程によって製造する金属部材の本数は３本に限定されず、適宜決定すればよい。１回の焼結工程によって製造する金属部材の本数が多い程、生産性は向上するが、焼結装置を大型化する必要がある。
その他の構成は、図２及び図３に示した第１の実施形態に係る金属部材の製造方法と同様であるため、説明を省略する。

＜第１の実施形態の変形例２＞
次に、図５、図６を参照して、第１の実施形態の変形例２に係る金属部材の製造方法について説明する。図５は、第１の実施形態の変形例２に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。図６は、第１の実施形態の変形例２に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。
なお、図５下段は、図６のＶ－Ｖ断面図である。図６では、上パンチ４０及びスペーサ６０が省略されている。

図２では、金属基材１０がＬ字状の縦断面を有しているのに対し、図５に示した変形例２では、金属基材１０がＵ字状の縦断面を有している。すなわち、金属基材１０の長手方向（ｙ軸方向）両端部には、それぞれ凸部が形成されており、２つの凸部の間に凹部１１ａが形成されている。

図５に示すように、スペーサ６０は、金属基材１０の２つの凸部（凹部１１ａ以外の部位）のそれぞれの上面に置かれる。混合粉末２０ａは、入子型３２及びスペーサ６０に囲まれた金属基材１０の凹部１１ａに充填される。そして、混合粉末２０ａを焼結する際、２つのスペーサ６０の間に上パンチ４０が挿入される。

変形例２では、金属基材１０の凹部１１ａに硬質層２０を形成した後、図６に示したｘ軸方向に延びた１本の二点鎖線とｙ軸方向に延びた４本の二点鎖線とに沿って、金属基材１０及び硬質層２０を切断する。ｘ軸方向に延びた１本の二点鎖線は、金属基材１０の長手方向（ｙ軸方向）の中心線でもある。

この中心線に沿って縦断面Ｕ字状の金属基材１０を切断すると、図２に示したような縦断面Ｌ字状の金属基材１０に２分割される。得られた縦断面Ｌ字状の金属基材１０が、ｙ軸方向に延びた４本の二点鎖線に沿って、それぞれ５分割される。そのため、図６の例では、１回の焼結工程によって、図１に示した金属部材を１０本製造でき、図３及び図４に示した製造方法に比べ、生産性がさらに向上する。

なお、１回の焼結工程によって製造する金属部材の本数は、偶数本であれば、１０本に限定されず、適宜決定すればよい。１回の焼結工程によって製造する金属部材の本数が多い程、生産性は向上するが、焼結装置を大型化する必要がある。
その他の構成は、図２及び図３に示した第１の実施形態に係る金属部材の製造方法と同様であるため、説明を省略する。

（第２の実施形態）
次に、図７～図９を参照して、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法について説明する。図７は、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法に用いる金属基材１０の一例を示す斜視図である。図８は、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。図９は、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す平面図である。
なお、図８下段は、図９のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。図９では、上パンチ４０が省略されている。

図７に示すように、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法では、金属基材１０が無蓋箱状の形状を有している。すなわち、平面視矩形状の金属基材１０の周縁全体に凸部が形成されており、凸部に囲まれた内側に凹部１１ｂが形成されている。そのため、図８に示すように、図２等に示した型３０を用いずに、混合粉末２０ａを金属基材１０の凹部１１ｂに充填できる。そして、混合粉末２０ａを焼結する際、凹部１１ｂに上パンチ４０が挿入される。

第２の実施形態に係る金属部材の製造方法では、金属基材１０の凹部１１ｂに硬質層２０を形成した後、図９に示したｘ軸方向に延びた１本の二点鎖線とｙ軸方向に延びた４本の二点鎖線とに沿って、金属基材１０及び硬質層２０を切断する。図９に示すように、金属基材１０の幅方向（ｘ軸方向）両端部において長手方向（ｙ軸方向）に延びた一対の凸部は、製造対象である図１に示した金属部材を構成しない余肉部である。そのため、ｙ軸方向に延びた２本の二点鎖線に沿って、余肉部は切除される。余肉部の切除により、図５、図６に示したような縦断面Ｕ字状の金属基材１０が得られる。

ｘ軸方向に延びた１本の二点鎖線は、金属基材１０の長手方向（ｙ軸方向）の中心線でもある。この中心線に沿って縦断面Ｕ字状の金属基材１０を切断すると、図２に示したような縦断面Ｌ字状の金属基材１０に２分割される。得られた縦断面Ｌ字状の金属基材１０が、ｙ軸方向に延びた２本の二点鎖線に沿って、それぞれ３分割される。そのため、図９の例では、１回の焼結工程によって、図１に示した金属部材を６本製造できる。

なお、１回の焼結工程によって製造する金属部材の本数は、６本に限定されず、適宜決定すればよい。１回の焼結工程によって製造する金属部材の本数が多い程、切除する余肉部が相対的に減少すると共に、生産性は向上するが、焼結装置を大型化する必要がある。
その他の構成は、図２及び図３に示した第１の実施形態に係る金属部材の製造方法と同様であるため、説明を省略する。

図２及び図３に示した第１の実施形態に係る金属部材の製造方法では、型３０（外型３１及び入子型３２）を用いる。上述の通り、型３０（外型３１及び入子型３２）は、例えばカーボン製である。型３０がカーボン製の場合、型３０が摩耗及び破損し易い上に、高価である。

これに対し、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法では、金属基材１０が無蓋箱状の形状を有し、金属基材１０に形成された凹部１１ｂの周囲全体が凸部に囲まれている。そのため、図２等に示した型３０を用いずに、混合粉末２０ａを金属基材１０の凹部１１ｂに充填でき、型３０がカーボン製の場合の上記問題を解決できる。図８の例では、型３０に加え、下パンチ５０及びスペーサ６０も用いずに、金属基材１０の凹部１１ｂに硬質層２０を形成しつつ、金属基材１０に硬質層２０を接合できる。

＜第１の実施形態に係る金属部材の製造方法の実施例＞
以下、図２、図３に示した第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を、実施例を挙げて詳細に説明する。しかしながら、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。

まず、実施例に係る硬質層２０のマトリクス金属は、Ｆｅ－１４Ｃｒ－４Ｎｉ－５Ｍｏ－９Ｃｏ－１Ｔｉ（数値は質量％）の組成を有するステンレス鋼とした。実施例に係る硬質層２０の金属炭化物粒子は、ＴｉＣ粒子とした。そして、マトリクス金属を構成する金属粉末とＴｉＣ粉末とを７：３の質量比で混合し、混合粉末２０ａとした。

図２、図３に示した焼結装置を用いて、金属基材１０の凹部１１に混合粉末２０ａを充填した。その後、ＳＰＳ法を用いて、混合粉末２０ａを通電加熱しつつ加圧し、金属基材１０の凹部１１に硬質層２０を形成すると共に、金属基材１０と硬質層２０とを接合した。この際、１１００℃において９０分保持した。得られた硬質層２０の寸法は、幅１４ｍｍ、長さ３２ｍｍ、高さ８ｍｍだった。この硬質層２０について、硬さ測定、ミクロ組織観察、ピンオンディスク摩耗試験を行った。

他方、実施例の硬質層２０に対応する比較例に係る硬質部材としては、市販のＮｉｋｒｏ１２８材（Deutsche Edelstahlwerke社製）を用いた。比較例に係る硬質部材の組成は、実施例と類似しているが、焼結方法及び焼結条件等の詳細については不明である。この比較例に係る硬質部材についても、硬さ測定、ミクロ組織観察、ピンオンディスク摩耗試験を行った。

比較例に係る硬質部材の硬さは、５８ＨＲＣであった。これに対し、実施例に係る硬質層２０の硬さは、６０ＨＲＣであり、比較例を上回った。
ここで、図１０は、実施例の硬質層２０及び比較例に係る硬質部材のミクロ組織写真である。図１０に示すように、実施例の硬質層２０のミクロ組織は、比較例に係る硬質部材のミクロ組織よりも微細であった。

図１１は、ピンオンディスク摩耗試験を示す模式斜視図である。図１１に示すように、回転する円板（ディスク）に円柱状のピンを所定の荷重で押し当て、１時間経過後のピン及びディスクの摩耗量を調査した。図１１に示すように、ディスクは回転軸の先端に固定されている。また、図示しないが、回転軸の根元部はモータ等の回転動力源に連結されている。水中造粒機を想定し、３０℃の水中において、試験を行った。ディスクの回転数は２５００ｒｐｍ、ピンの面圧は１．２ＭＰａとした。

ピンオンディスク摩耗試験において、ピンは水中造粒機のカッタ刃に対応し、ディスクは水中造粒機のダイプレートに対応する。実施例の硬質層２０及び比較例に係る硬質部材からそれぞれピンを作製した。実施例及び比較例に係るピンの摩耗試験において、ディスクはいずれも上述のＮｉｋｒｏ１２８材から作製した。

図１２を参照して、ピンオンディスク摩耗試験の結果について説明する。図１２は、ピン及びディスクについて、比較例に対する実施例の相対摩耗量を示す棒グラフである。図１２に示すように、比較例に係るピンの摩耗量を１とすると、実施例に係るピンの摩耗量は、０．５を下回った。比較例に係るピンを用いた場合のディスクの摩耗量を１とすると、実施例に係るピンを用いた場合のディスクの摩耗量は、０．２を下回った。このように、ピン及びディスクの摩耗量の両方において、実施例は比較例に比べて摩耗量が半分以下となり、極めて良好であった。

以上の実施例に示した通り、ＳＰＳ法を用いた第１の実施形態に係る金属部材の製造方法によって、硬さ及び耐摩耗性に優れた硬質層２０を金属基材１０の凹部１１に形成しつつ接合できた。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０ 金属基材
１１、１１ａ、１１ｂ 凹部
２０ 硬質層
２０ａ 混合粉末
３０ 型
３１ 外型
３２ 入子型
３２ａ～３２ｄ 割型
３３ 貫通孔
４０ 上パンチ
５０ 下パンチ
６０ スペーサ

Claims (4)

1. 放電プラズマ焼結法により縦断面Ｌ字状の金属基材上に硬質層を形成して全体として直方体状の金属部材を製造するための焼結装置であって、
   円筒体の外型と、
   前記金属基材が装入される平面視矩形状の貫通孔が中央部に設けられると共に、前記外型に嵌入された入子型と、
   前記入子型の前記貫通孔に下側から嵌入され、前記金属基材を支持する下パンチと、
   前記貫通孔に装入された前記金属基材の凸部の上面に配置されるスペーサと、
   前記貫通孔に上側から嵌入されると共に、前記貫通孔に装入された前記金属基材上において前記硬質層の原料粉末を通電加熱しつつ押圧する上パンチと、を備え、
   前記スペーサと前記上パンチとが同じ高さを有し、
   前記上パンチによって前記原料粉末を通電加熱しつつ押圧する際、前記スペーサの上面と前記上パンチの上面とが面一になるまで前記原料粉末を上から押圧する、
   焼結装置。
2. 前記入子型は、
   前記貫通孔を介して前記貫通孔の幅方向に対向配置されると共に、当該入子型の中心軸に対して回転対称に配置された互いに同一形状の一対の第１割型と、
   前記貫通孔を介して前記貫通孔の長手方向に対向配置されると共に、前記中心軸に対して回転対称に配置された互いに同一形状の一対の第２割型と、を備える、
   請求項１に記載の焼結装置。
3. 前記外型及び前記入子型は、カーボン製である、
   請求項１又は２に記載の焼結装置。
4. 前記金属基材はステンレス鋼であり、
   前記硬質層はステンレス鋼からなるマトリクス金属中に金属炭化物粒子が分散している、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の焼結装置。

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