JP3101885B2 - ホットプレス装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はセラミックス、金属、
又はこれらの複合材料等を高温高圧下で焼結、圧着する
被焼結物の焼結に使用するホットプレス装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ホットプレス装置はセラミックスや金
属、あるいは複合材料等の粉体或いは仮成形体を加圧焼
結するのに広く使用されており、従来より高機能の各種
焼結体を得るため、プレス圧力をより高くし、連続生産
することのできる生産性の高いホットプレス装置が望ま
れていた。

【０００３】このホットプレス装置の炉芯部の従来例の
１つとしては、図４に示すように、被焼結物（４）を充
填する筒形状のカーボン鋳型（１）、発熱体（誘導加熱
ではコイル、抵抗加熱ではヒータ）（２）、断熱材
（３）、パンチ（上パンチ、下パンチ）（５）、押棒
（６）、押台（７）により構成されている。

【０００４】そして、鋳型（１）内に被焼結物（４）を
充填し、加熱しながらパンチ（５）を介した押棒
（６）、押台（７）によって加圧することにより、被焼
結物（４）を焼結するようになっている。

【０００５】しかしながら、このような従来のホットプ
レス装置を用いた場合、次のような問題点があった。す
なわち、カーボン鋳型と被焼結物とが熱膨張係数の違い
によって焼きばめ状態になることと、加圧時にカーボン
鋳型が被焼結物と接触する部分で塑性変形すること等に
より、焼結体の取り出しに時間がかかっていたのであ
る。また、この焼結体の取り出しを無理に行えば、カー
ボン鋳型の破損にもなりかねなかったのである。これに
対し、複雑形状物の焼結体を得る手段として、最近熱間
等方圧プレス装置（ＨＩＰ）を用いる方法がこころみら
れているが、下準備が面倒で、非常なコスト高につなが
る上、成形むらを生じさせないＨＩＰ独特のシールの開
発に未解決の問題もあって現状では十分に効果があがっ
ていない。

【０００６】また、ホットプレス後の焼結体の鋳型から
の取り出しについては、別にジャッキ等の組み合せによ
る焼結体取り出し装置を用いなければ取り出せず、生産
性の向上を阻害していた。

【０００７】このため、出願人は、例えば特開平２−３
０５９０４号公報等において、「鋳型の上部及び下部に
上パンチ及び下パンチを配置し、これらパンチのいずれ
か一方を押圧する押台と押棒とを備えたホットプレス装
置において、前記押台又は押棒に鋳型内に充填された被
焼結物に振動を加える振動発生器を設けたことを特徴と
するホットプレス装置」を既に提案してきている。この
公報で提案している発明は、一軸加圧しながら焼結を進
行させる場合でも、均一な物性を備えた複雑形状の焼結
体を手軽に得ることができ、同時に鋳型からの焼結体の
取り出しに別の装置等を用いたり、多くの人手を要する
ことなく焼結体の容易な取り出しが可能なホットプレス
装置を提供しようとするものであるが、これをさらに一
層改良して、装置そのものの構成を簡略化して操作性の
よいものとすることの要求が高まってきているのであ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な経緯に基づいてなされたもので、その解決しようとす
る課題は、焼結体の鋳型からの取り出しの容易化と、ホ
ットプレス装置全体の簡略化である。

【０００９】そして、本発明の目的とするところは、焼
結空間を形成するための鋳型に工夫を凝らすことによっ
て、均質な焼結体が得られて、完成された焼結体の取り
出しを容易に行うことができ、かつ構成を簡略化するこ
とのできるホットプレス装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明の採った手段は、実施例において使用する
符号及び図１を参照して説明すると、「筒状で傾斜内面
１１を有する外枠１０と、その外枠１０の傾斜内面１１
に当接する傾斜外面２１を有して複数に分割された鋳型
２０と、この鋳型２０の上下両部に収納配置されて当該
鋳型２０内に焼結空間２２を形成する上下のパンチ３０
とを備えたホットプレス装置１００であって、外枠１０
を鋳型２０に対して相対移動させるための移動部材４０
を鋳型２０と外枠１０間に設け、かつこの移動部材４０
にこれを振動させるための振動装置５０を設けたことを
特徴とするホットプレス装置１００」である。

【００１１】すなわち、本発明において重要なことは、
まず円筒状の外枠１０内に、複数に分割されて筒状の焼
結空間２２を形成するための鋳型２０を収納するように
することであり、この場合、鋳型２０の傾斜外面２１は
外枠１０の傾斜内面１１に当接するようにすることであ
る。そして、外枠１０と鋳型２０間に移動部材４０を設
けて両者の相対移動を積極的に行えるようにするととも
に、その相対移動を確実にするために、移動部材４０に
振動装置５０を設けることが重要なのである。

【００１２】外枠１０、鋳型２０の加圧軸方向の形状に
ついては一般的には円筒形状であるが、ホットプレスす
る被焼結物の形状によっては四角柱あるいは六角柱等の
多角形状、その他自由形状であってもよい。

【００１３】振動装置５０としては、圧縮空気の力でボ
ールを回転させて振動を発生する空気式のバイブレータ
か、高周波を用いたモータ式のバイブレータが堅牢で故
障が少なく好ましいが、電磁振動や圧電振動等を利用し
たものでよく、特に制限はない。この振動装置５０は、
外枠１０と鋳型２０間の熱膨張率の差あるいは焼結温度
等による互いの焼きばめ状態を解除し、かつ焼結空間２
２内へ収納した材料の安定化をも図るものであるから、
外枠１０と鋳型２０間に介装される移動部材４０に直接
設けることが最も好ましいものである。

【００１４】このホットプレス装置１００を構成する外
枠１０、鋳型２０等の素材としては、カーボンの他にア
ルミナ、ジルコニア、カルシア等の酸化物セラミックス
や窒化珪素や窒化ホウ素等の窒化物セラミックス、炭化
珪素、炭化ホウ素等の炭化物セラミックス、及び耐熱金
属等があげられる。この他にも上記素材等を母材として
炭素繊維や炭化珪素繊維等を用いた繊維強化複合材やＣ
／Ｃコンボジットあるいは粒子分散系複合材等を用いて
耐振動特性を向上させたものを使用することができる。

【００１５】なお、ホットプレス装置１００を構成する
部材のための素材としては、耐熱性、加工性、潤滑性、
大型サイズ等の条件から見るとカーボン素材が好まし
い。特にカーボン素材の中でも等方性黒鉛材料は各種物
性が全方向でほぼ等しいので、材料取り、強度設計の点
で都合がよい。

【００１６】ホットプレスを実施する際、被焼結体形状
に合わせた複雑形状の鋳型を用いるか、又は複雑形状に
仮成形した被焼結物を粉末状の二次圧媒と共に充填した
単純形状の鋳型を用いることができる。

【００１７】二次圧媒の粉末としては、流動性が良好な
こと、被焼結物や鋳型などと反応しないこと、およびホ
ットプレス後の除去が容易であることなどの条件を基準
に選定すればよく、黒鉛、酸化アルミニウム、炭化珪
素、窒素ホウ素等の耐熱性材料を単味で、あるいは適宜
混合して使用することができる。二次圧媒粉末の形状と
しては、より等方的に圧力を伝播できるように球形であ
ることが好ましい。

【００１８】次に実際のホットプレス条件としては、被
焼結物の温度が、その軟化温度に達した時点で、例え
ば、移動部材４０によって５０Ｈｚ以上の振動を加えな
がらプレスすると効果的である。もちろん、被焼結物を
加熱しはじめると同時に振動を加えてもよく、その場合
は充填が十分でなく、分解ガスや被焼結物内の残留空気
が多い場合に採用するとよい。最終目標温度に達した
ら、その温度水準を維持しつつ被焼結物の減厚がそれ以
上進まなくなるまでプレス圧と振動を加える。プレス圧
が解除され冷却の段階に入れば加える振動は、５０Ｈｚ
以下にするのが好ましい。

【００１９】軟化温度から最終目標温度の温度範囲で加
える振動は、５０Ｈｚ以上が好ましいのは、５０Ｈｚ未
満では軟化しかかった被焼結物粉末体が短時間の内に十
分攪乱されず、その振動の伝播による効果を複雑形状の
あらゆる部位にいきわたらせるのに長時間を要するから
である。又、プレス圧を解除して冷却段階に入れば、鋳
型と焼結体の熱膨張係数のミスマッチ等による焼きばめ
状態を取り除いたり、二次圧媒の除去が目的となるので
効果的な振動は焼きばめ等の界面剥離を起こしやすい５
０Ｈｚ以下が効果的である。

【００２０】

【発明の作用】以上のように構成した本発明に係るホッ
トプレス装置１００の作用について、焼結体６０の形成
順序に従って説明する。

【００２１】まず、本発明のホットプレス装置１００を
構成する外枠１０は、これを筒状のものとしたから、簡
単な構成のものとなっているとともに、例えばカーボン
を材料としてその製造を行う場合の作業を容易にしてい
るものである。しかも、この外枠１０は、傾斜内面１１
を有しているから、例えばこれを焼結によって形成した
場合の取り出しが容易なものとなっているのである。

【００２２】このような傾斜内面１１を有した外枠１０
内に収納される鋳型２０は、図２に示すように複数に分
割されているから、これら各鋳型２０の構成自体が簡略
化されて製造も容易となっているのである。それだけで
なく、各鋳型２０は外枠１０の傾斜内面１１に当接する
傾斜外面２１を有しているのであるから、これらの鋳型
２０を外枠１０内に収納してその内部に焼結空間２２を
形成する作業も非常に容易なものとなっているのであ
る。外枠１０の傾斜内面１１に各鋳型２０の傾斜外面２
１を当接させながら収納していけば、収納の最終段階で
必要な焼結空間２２を自動的に形成することが可能だか
らである。この鋳型２０の外枠１０への収納は、両者の
相対移動を可能にしている移動部材４０によって行れる
ものである。

【００２３】移動部材４０としては、図１に示すよう
に、例えばボルトを採用するのが最も有利であり、この
移動部材４０を例えば外枠１０側に回転自在に連結する
とともに、その一部を鋳型２０側に形成したフランジ部
２３に螺進螺退自在に螺合させて、この移動部材４０を
図示しない回転駆動装置によって回転駆動させるように
することが有利である。このように、両外枠１０と鋳型
２０間を移動部材４０によって相対移動可能にすれば、
全体の構成が非常に簡略化されるとともに、外枠１０と
鋳型２０との相対移動の方向を各パンチ３０の方向と一
致させ得るので、ホットプレス装置１００全体の構成を
簡略化することが可能である。

【００２４】このような移動部材４０を使用して各鋳型
２０を外枠１０内に挿入すれば、各鋳型２０はその傾斜
外面２１が外枠１０側の傾斜内面１１に密着した状態で
外枠１０内に収納されるのであり、各鋳型２０によって
必要な焼結空間２２が確実に形成されるのである。

【００２５】そして、この焼結空間２２内に焼結体６０
となるべき粉末材料を入れて、外枠１０の外側から図示
しない加熱装置によって加熱するか、あるいは外枠１０
自体の発熱によって加熱しながら、両パンチ３０による
加圧を行って、粉末材料の焼結を行うのであるが、この
場合に前述したように、振動装置５０によって移動部材
４０を振動させると焼結を十分にかつ短時間内に行える
ものである。つまり、振動装置５０により加えられた振
動が移動部材４０、外枠１０あるいは鋳型２０を介して
粉体の被焼結物に伝わることによって、加熱加圧により
軟化しはじめる際の被焼結物が攪乱、振動して、複雑形
状の鋳型内のあらゆる部位まで被焼結物の充填が均一に
完全に進行するとともに、加熱加圧状態で焼結をアクセ
レートするのである。また、被焼結物の焼結の際に発生
する副生ガス等を振動により攪乱されガス抜けがよくな
るし、また被焼結物の焼結前の充填密度が上がるのであ
る。

【００２６】以上のようにして完成した焼結体６０を取
り出すには、振動装置５０を作動させて移動部材４０を
介して外枠１０及び鋳型２０間に振動を与えるのであ
る。そうすると、外枠１０及び鋳型２０が高温時あるい
は冷却時であっても、これらの間の焼きばめ状態が解除
されるだけでなく、焼結体６０と各鋳型２０との密着状
態も解除されるのである。つまり、鋳型と焼結体の冷却
時の熱膨張係数のミスマッチ等による焼きばめ状態等が
解消されるのである。そこで、図３に示すように、移動
部材４０を例えば回転させることにより、各鋳型２０と
外枠１０との相対移動を行えば、焼結体６０は外枠１０
や鋳型２０に破損や亀裂を生じさせることなく取り出さ
れるのである。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面について説明す
ると、図１には本発明に係るホットプレス装置１００の
断面図が示してあり、このホットプレス装置１００は、
外枠１０の傾斜内面１１に傾斜外面２１を当接させた状
態で、複数の鋳型２０を外枠１０内に収納することによ
って焼結体６０を形成するための焼結空間２２を構成す
るものである。

【００２８】本実施例における外枠１０と鋳型２０と
は、黒鉛材によって形成したものであり、図２に示した
ように、鋳型２０としては二分割したものを採用してい
る。このように、筒状の外枠１０を黒鉛材によって形成
することは、外枠１０が傾斜内面１１を有しているか
ら、切削によるにせよ焼結によるにせよ、非常に簡単に
行えるものであり、また各鋳型２０についても分割され
たものであることから同様である。

【００２９】また、以上のような外枠１０と鋳型２０と
は、本実施例においては、単なるボルトである移動部材
４０によって、互いに相対移動可能に連結している。す
なわち、図１にも示したように、移動部材４０の上端を
外枠１０の下面に回転自在に連結するとともに、この移
動部材４０の中間部を鋳型２０の下端に形成したフラン
ジ部２３に螺着させて、両外枠１０及び鋳型２０を互い
に連結しているのである。そして、本実施例のホットプ
レス装置１００においては、この移動部材４０の図示下
端に振動装置５０が連結しているのである。

【００３０】振動装置５０は、前述した手段の項でも述
べたように種々なタイプのものが採用されるものである
が、本実施例においては、移動部材４０を振動させるだ
けでなく、移動部材４０の正逆両方向の回転駆動が行え
るようなものを採用している。これによって、外枠１０
と鋳型２０間に振動を与えるとともに、両者間の相対移
動を同時的に行なえるようにしているのである。勿論、
移動部材４０の回転は、振動装置５０による振動とは別
となる手段、例えば振動装置５０自体を回転させる装置
等によって行うように実施してもよいものである。

【００３１】以上のようなホットプレス装置１００を用
いて複雑形状の窒化珪素を焼結してみた。１６００℃か
ら振動装置５０を振動数５００Ｈｚで作動させ続け１７
００℃で４０分間保持したところで圧力を解除した。圧
力を解除した後は振動数５０Ｈｚにして冷却完了時まで
振動装置５０を作動させた。

【００３２】一方、比較例として振動装置を取り付けて
ない従来のホットプレス装置を用いて同じ窒化珪素を振
動を加えないこと以外は全て同じ条件で同様に焼結し
た。

【００３３】この結果、本発明のホットプレス装置１０
０で得られた窒化珪素焼結体６０は比較例のものに比べ
物性のバラツキは１／１５に減少した。また、比較例の
ものは焼結体６０を鋳型から取り出す際に、焼結体６０
と鋳型の両者が強固に焼きばめ状態になっており取り出
し治具を必要としたが、本発明のホットプレス装置１０
０では焼結体６０と鋳型２０は完全に剥離しており、焼
結体６０の取り出しに際し治具は必要としなかった。し
かも、外枠１０や鋳型２０には、亀裂や破損は全くみら
れなかった。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明においては、
上記実施例にて例示した如く、「筒状で傾斜内面１１を
有する外枠１０と、その外枠１０の傾斜内面１１に当接
する傾斜外面２１を有して複数に分割された鋳型２０
と、この鋳型２０の上下両部に収納配置されて当該鋳型
２０内に焼結空間２２を形成する上下のパンチ３０とを
備えたホットプレス装置１００であって、外枠１０を鋳
型２０に対して相対移動させるための移動部材４０を鋳
型２０と外枠１０間に設け、かつこの移動部材４０にこ
れを振動させるための振動装置５０を設けた」ことにそ
の特徴があり、これにより焼結空間を形成するための鋳
型に工夫を凝らすことによって、均質な焼結体が得られ
て、完成された焼結体の取り出しを容易に行うことがで
き、かつ構成を簡略化することのできるホットプレス装
置を提供することができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るホットプレス装置の断面図であ
る。

【図２】同ホットプレス装置において使用している外枠
と鋳型とを示す拡大斜視図である。

【図３】同ホットプレス装置において外枠と鋳型とを移
動部材によって相対移動させた状態の断面図である。

【図４】従来のホットプレス装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１００ ホットプレス装置 １０ 外枠 １１ 傾斜内面 ２０ 鋳型 ２１ 傾斜外面 ２２ 焼結空間 ３０ パンチ ４０ 移動部材 ５０ 振動装置 ６０ 焼結体

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状で傾斜内面を有する外枠と、その外
   枠の前記傾斜内面に当接する傾斜外面を有して複数に分
   割された鋳型と、この鋳型の上下両部に収納配置されて
   当該鋳型内に焼結空間を形成する上下のパンチとを備え
   たホットプレス装置であって、 前記外枠を前記鋳型に対して相対移動させるための移動
   部材を前記鋳型と外枠間に設け、かつこの移動部材にこ
   れを振動させるための振動装置を設けたことを特徴とす
   るホットプレス装置。