JP3173398B2

JP3173398B2 - 粉末成形方法

Info

Publication number: JP3173398B2
Application number: JP32279796A
Authority: JP
Inventors: 偉民沈; 敏郎木村
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 2001-06-04
Anticipated expiration: 2016-12-03
Also published as: JPH10166188A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、高密度の筒状の燒結金属
を製造するための粉末成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の軽量化のために、例え
ば、エンジンのスプロケットやバルブガイド等に焼結部
品を採用する例が増加している。この焼結部品は、通
常、金属粉末を密閉金型の中に入れ、パンチで上下方向
から加圧して圧粉体を作り、それをその金属の融点の９
０％以下の温度で加熱して粉末同士を凝集、固結する方
法により製造される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、粉末か
ら圧粉体を成形する粉末成形方法は、粉末の加圧方向は
上下方向が一般的であるため、粉末粒子間及び粉末と型
壁面間などに摩擦力が働き、加圧方向の密度に差が生
じ、均一な密度が得られないという問題がある。とりわ
け、長いパイプ状の筒状圧粉体のような圧縮方向の長さ
が長い圧粉体を成形する場合、パンチに近い部分は粉末
の密度が高くなり、長さ中央部では密度が低くなり、均
一な密度となり難く、低密度の部分で機械的強度や耐摩
耗性が低下して、部品の信頼性に欠けるという問題があ
る。

【０００４】また、通常の粉末成形では、密閉金型の中
で４〜６ｔｏｎ／ｃｍ²の成形力で、理論密度０．８５
程度の成形体を得ている。焼結部品の強度向上のために
は、更に大きな密度が望ましいが、これ以上の高密度成
形を行う場合は、大きな成形力が必要であるので、金型
の強度に問題が生じる。

【０００５】高密度成形を行う方法としては、一般に、
２Ｐ２Ｓ（２回成形２回焼結）、あるいは温間成形法
（金型と粉末を１５０℃程度に加熱する）が行われてい
る。しかし、２Ｐ２Ｓ成形方法は、２回成形と２回焼結
を行うので、プロセスが複雑になり、コストが従来より
３〜４割程度高くなる。また、温間成形方法は、専用の
粉末潤滑剤と加熱装置が必要であり、コストが従来より
約２割程度高くなる。

【０００６】本発明は、かかる事情に鑑みなされたもの
で、高密度で密度分布が均一な長尺筒状圧粉体を低コス
トで製造することができる粉末成形方法を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、内孔を有するダイと、その内孔に上下動可
能に配置され、大径部と該大径部よりやや小径の小径部
とを有する段付きコアロッドと、該ダイの内孔とコアロ
ッドとの間隙に摺動可能に配置され、対向する上パンチ
と下パンチとを用い、該コアロッドの大径部、ダイ、上
パンチ及び下パンチで構成されるキャビティに充填され
た粉末を上パンチと下パンチのいずれか一方又は両方で
圧縮して第１圧粉体を成形する第１圧縮行程と、第１圧
縮行程後、上記コアロッドを移動させて該第１圧粉体が
存するキャビティを、上記コアロッドの小径部、ダイ、
上パンチ及び下パンチで構成して、該第１圧粉体の内径
側に隙間を形成する工程と、上記上パンチと下パンチの
いずれか一方又は両方で第１圧粉体を圧縮変形させて上
記隙間を埋める第２圧粉体を成形する第２圧縮行程とを
有することを特徴とする粉末成形方法を提供する。

【０００８】本発明の粉末成形方法は、大径部と小径部
とを有する段付きコアロッドを用い、大径部でキャビテ
ィを構成して上パンチと下パンチで粉末を圧縮する第１
圧縮行程後、更にもう一回圧縮を行う。この通常の圧縮
行程に加えて行う第２圧縮行程では、コアロッドを移動
させてコアロッドの小径部でキャビティを構成するよう
にする。これにより、第１段圧縮を受けた第１圧粉体の
内径側には、コアロッドの大径部と小径部との段差に起
因する隙間が生じる。第１圧粉体の内径側に隙間がある
状態で更に圧縮する第２段圧縮では、非密閉となった金
型の中で第１圧粉体が圧縮され、粉末と金型との摩擦が
小さくなることと粉末が隙間に向かって自由圧縮される
ことにより、圧粉体全体の粉末がわずかに動いて変形
し、パンチの圧力が圧粉体の全体にかかり、圧粉体の密
度が低い部分が更に圧縮される。その結果、圧粉体の密
度分布が均一に近くなると共に、全体の密度も上昇し、
従来と同じ成形荷重で高密度の圧粉体を得ることができ
る。この成形方法では、原料粉末として特別な材料は必
要ではなく、また、同じ金型を用いて２回圧縮するだけ
でよく、しかも焼結も従来通りですむので、低コストで
圧粉体を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は、
下記の実施の形態に限定されるものではない。図１は、
本発明の粉末成形方法を実施するための成形金型の一形
態を模式的に示したもので、薄肉の長尺筒状圧粉体を成
形するためのものである。この成形金型１は、内孔２ａ
を有するダイ２と、ダイ２の内孔２ａに上昇下降可能に
配置された円柱状のコアロッド３と、このコアロッド３
とダイ２との間隙を摺動可能に対向して配置されている
筒状の上パンチ４と下パンチ５とから構成されている。

【００１０】コアロッド３は、下端側の大径部３ａと上
端側のこの大径部３ａよりやや小径の小径部３ｂを有
し、これらの大径部３ａと小径部３ｂは段部３ｃでつな
がっている。大径部３ａと小径部３ｂのそれぞれの長さ
は、少なくとも成形品を作製するキャビティを構成でき
る程度必要である。

【００１１】コアロッド３の大径部３ａと小径部３ｂの
段差は、この段差により第１段圧縮後にキャビティを大
きくして圧粉体を圧縮変形させる隙間を形成するもので
あるから、第１段圧縮後と第２段圧縮後の圧粉体の密度
差に対応する値（通常、第１段圧縮で理論密度の８０〜
９０％、第２段圧縮で理論密度の９０〜９５％）でよ
く、あまり大きいと第２段圧縮終了時にコアロッド３外
面に圧粉体が接触せず製品精度が低下する場合があり、
また、上パンチ４とコアロッド３の小径部３ｂとの隙間
が大きくなりバリの原因となるので、成形品の肉厚の３
〜１５％の段差とすることが好ましく、具体的な寸法は
０．１ｍｍ以上、特に０．２〜０．５ｍｍ程度が好まし
い。段差、つまり隙間が０．１ｍｍ又は３％より小さい
と、隙間の形成により自由圧縮状態となった圧粉体が再
び密閉圧縮状態となって成形密度が上昇しない場合があ
る。

【００１２】次に、この成形金型１を用いて本発明方法
により圧粉体を製造する工程について、図２を参照しな
がら説明する。なお、図２は図１に示した金型の中心か
ら半分だけを示している。まず、（１）に示すように、
下パンチ５の上端面をコアロッド３の段部３ｃと同一高
さとし、コアロッド３の上端面とダイ２の上端面を同一
高さにした状態で、コアロッド３の小径部３ｂ、ダイ
２、下パンチ５の上端面で構成されるキャビティに粉末
ＰＷを充填し、すり切りで粉末を計量する。

【００１３】次に、（２）に示すように、コアロッド３
を大きく上昇させると共に、ダイ２をわずかに上昇さ
せ、粉末がコアロッド３の大径部３ａ、ダイ２、下パン
チ５の上端面で構成されるキャビティに充填され、充填
した粉末の表面がダイ２とコアロッド３の大径部３ａの
上端縁（段部３ｃ）よりわずかに低くなるようにする。

【００１４】そして、（３）に示すように、上パンチ４
を下降させて粉末を上パンチ４と下パンチ５の両方で圧
縮して第１圧縮行程を行う。このときの圧力は、一般に
４〜６ｔｏｎ／ｃｍ²である。圧縮された第１圧粉体Ｐ
Ｐ１の平均密度は理論密度の８０〜９０％程度になる。
ここまでの工程は、従来の工程と同じであり、圧粉体の
パンチに近い部分は理論密度の約９５％程度になるが、
第１圧粉体の長さ／肉厚比が１以上の長尺薄肉筒状体で
は、パンチからもっとも遠い部分、即ち第１圧粉体ＰＰ
１の長さ方向中央部付近では、例えば理論密度の０．７
５程度であり、密度差がかなり大きい。このような圧粉
体の焼結体は、機械的強度や耐摩耗性の特性が低密度の
部分で劣るため、全体の機械的強度や耐摩耗性が劣るも
のとなる。

【００１５】次に、（４）に示すように、コアロッド５
を下降させて第１圧粉体ＰＰ１の内径側にコアロッド３
の小径部３ｂが対面するようにする。これにより、キャ
ビティはコアロッド３の小径部３ｂ、ダイ２、上パンチ
４及び下パンチ５で構成されるようになり、コアロッド
３の小径部３ｂは大径部３ａより径が小さいので、第１
圧粉体ＰＰ１の内径側の面とコアロッド３の小径部３ｂ
との間に大径部３ａと小径部３ｂの段差に相当する隙間
Ｇが生じる。

【００１６】次に、（５）に示すように、上パンチ４と
下パンチ５の両方に第１段圧縮と同程度の圧縮荷重をか
けて第１圧粉体ＰＰ１を再度圧縮する第２段圧縮行程を
行う。第１圧粉体ＰＰ１は非密封となった金型の中で塑
性変形して隙間を埋め、第２圧粉体ＰＰ２となる。この
とき、粉末と金型の摩擦が少なくなり、また、粉末が隙
間に向かって一様な自由圧縮されることにより、第１段
圧縮と同じ成形荷重でも、成形荷重が第１圧粉体の長さ
方向全体にかかるため、第１圧粉体の密度の低い部分が
圧縮され、軸方向密度が均一化する。例えば、第１圧粉
体ＰＰ１の最も密度が低い部分において、０．７５程度
から０．８５程度まで密度が上昇する。その結果、第２
圧粉体ＰＰ２全体の密度も理論密度の９０〜９５％程度
まで上昇する。

【００１７】第２圧縮行程後、押し出し工程に入り、
（６）に示すように、上パンチ４を上昇させると共に、
ダイ２とコアロッド３を下降させて第２圧粉体ＰＰ２を
取り出せる状態にする。以上の工程により、軸方向の密
度が均一で、密度が高い薄肉長尺スリーブ状の圧粉体を
従来と同じ成形荷重で製造することができる。従来の成
形法では、図３（１）に示すように、通常の成形荷重の
４〜６ｔｏｎ／ｃｍ²では相対密度は０．８５程度であ
る。これに対して、本発明のクリアランスを利用した２
段成形法によれば、図３（２）に示すように、第１段圧
縮では従来と同様に相対密度は０．８５程度であるが、
第２段圧縮では第１段と同じ４〜６ｔｏｎ／ｃｍ²の成
形荷重で第１圧粉体が塑性変形を生じて相対密度が０．
９２程度まで上昇する。従来の方法で０．９２まで相対
密度を上げようとすると、図３（１）に示すように、少
なくとも１０ｔｏｎ／ｃｍ²以上の成形荷重が必要であ
り、金型の強度に問題が生じるが、本発明方法において
は、従来と同じ成形荷重で相対密度を従来の８０〜９０
％程度から９０〜９５％程度まで向上させることができ
る。しかも、粉末には特別な材料を用いる必要はない。
また、成形工程は同じ金型内で２回行えばよく、得られ
た圧粉体の焼結は従来通りでよいので、２回成形、２回
焼結法と比較してコストの上昇は非常に少なく、低コス
トで高密度、密度分布が均一な圧粉体を得ることができ
る。このような圧粉体を焼結すると、焼結体の空孔が減
少し、焼結体の強度が向上する。

【００１８】なお、第２圧縮成形時に第１圧粉体ＰＰ１
に形状によっては座屈が起きることがあるが、第１圧粉
体ＰＰ１外径部がダイ２で拘束されているため、内径側
の隙間Ｇが小さければ、たとえ座屈してキンクを形成し
ても、自由圧縮状態は維持される。しかし、隙間が大き
すぎると欠陥となるが、隙間が上述した成形品の肉厚の
３〜１５％、あるいは０．２〜０．５ｍｍ程度であれば
欠陥は生成しがたい。

【００１９】また、第２圧縮行程では、第２圧粉体ＰＰ
２の上パンチ当接面には、隙間Ｇの形成により段差が形
成される。この段差部では、内径側への圧縮変形と上方
への逆押出変形が起こるが、隙間Ｇが小さいと圧縮変形
がまず優先的に起こり、第１圧粉体ＰＰ１上端部の自由
表面は上パンチの進行と共に下がり、次いで圧密の進行
後に逆押出が起こる。この際に圧縮変形は外周側が拘束
されるため内周側へ向かってのみ進行し、２軸圧縮下で
進行するため、欠陥が生成する危険はない。

【００２０】更に、上パンチによる圧密進行後の逆押出
によるバリについては、内周側コアロッドに接触した時
点で所望の高密度に達した後に起こるので、後述する実
施例でも０．１ｍｍ程度の大きさであり、実用上問題と
なる大きさではない。また、上記理由により欠陥も生成
しない。

【００２１】本発明の粉末成形方法は、例えば車両エン
ジン用のＦｅ−２Ｃｕ−０．５Ｃ、Ｆｅ−２Ｎｉ−０．
５Ｍｏ−０．５Ｃ等の焼結部品、各種軸受、ソレノイド
バルブのような磁性材料の焼結部品等の長尺円筒状焼結
部品に適用可能である。また、上記態様ではコアロッド
は円柱状として説明しているが、楕円その他の形状でも
よく、ダイ、上下パンチも同様に上記形態に限定される
ものではない。［実施例１、比較例１］自動車エンジン部品のバルブガ
イドを作製した。このバルブガイドは、内径７．４ｍ
ｍ、外径１３．５ｍｍ、長さ５０〜８０ｍｍ程度であ
り、細く長い軸穴を有する。通常のフローティングダイ
法又はウイズドロー法では、長さ５０ｍｍの製品の成形
ができる。これ以上長い製品の成形では、成形体の軸中
心部の密度が低すぎるため成形が困難である。

【００２２】本発明方法と従来の１回成形方法を用い
て、粉末としてウイズドロー法を用い、内径７．４ｍ
ｍ、外径１３．５ｍｍ、長さ７４ｍｍのトラックエンジ
ン用バルブガイドを成形した。このバルブガイドの断面
を図４（１）に示す。この断面図から、長さと厚さの比
は、７４．０／３．０５＝２４．３である。このような
細長く薄肉の製品を成形する場合、粉末同士の摩擦や粉
末と金型との摩擦により、圧粉体のパンチから遠い部分
において成形圧が低くなり、長さ方向中央部で密度が低
くなる。

【００２３】実施例で用いた段付コアロッドは、小径部
の径が６．８ｍｍ、大径部の径が７．４ｍｍであり、段
差は０．３ｍｍである。一方、比較例で用いたコアロッ
ドは径が７．４ｍｍの単一径である。実施例は、まず、
図２に示した成形金型を用いた工程により、成形荷重６
ｔｏｎ／ｃｍ²で２段階の圧縮行程で圧粉体を得た。こ
のときの荷重線図を図５（１）に示す。第１段圧縮後の
コアロッドの移動に伴い大きく成形力が低下し、再び上
昇する前に密度が向上している。一方、比較例の荷重線
図を図５（２）に示す。実施例１と比較例１で得られた
圧粉体のそれぞれの図４（１）に示した両端部Ａ１，Ｃ
１と中央部Ｂ１の相対密度及び全体の相対密度の測定結
果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１の結果より、通常の成型法と比べて成
形力が同一水準のまま成形密度は８４％から９０％に向
上した。また、両端部と中心部の密度差は２０％から１
０％に改善されたことが認められる。［実施例２、比較例２］外径１２０ｍｍ、内径１１４ｍ
ｍ、肉厚３．０ｍｍ、高さ７４ｍｍのスリーブを粉末と
してウイズドロー法を用いて従来法と本発明方法で成形
した。スリーブの断面図を図４（２）に示す。実施例で
用いた段付コアロッドは、小径部の径が１１４．０ｍ
ｍ、大径部の径が１１４．６ｍｍであり、段差は０．３
ｍｍである。一方、比較例で用いたコアロッドは径が１
１４．０ｍｍの単一径である。

【００２６】本発明方法により成形したときの両端部と
中心部の密度変化履歴を図６（１）に、従来方法により
成形したときの両端部と中心部の密度変化履歴を図６
（２）に示す。本発明方法では、第２段圧縮で、両端部
の成形密度はそれほど上昇しないが、中心部の成形密度
は著しく向上する。一方、従来法では、両端部と中心部
の成形密度は、密度差が広がる一方である。

【００２７】実施例と比較例で得られた圧粉体のそれぞ
れの図４（２）に示した両端部Ａ２，Ｃ２と中央部Ｂ２
の相対密度及び全体の相対密度の測定結果を表２に示
す。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２の結果より、通常の成型法と比べて成
形力が同一水準のまま成形密度は８３％から９０％に向
上した。また、両端部と中心部の密度差は２０％から１
０％に改善されたことが認められる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の粉末成形方法によれば、長さ方
向の密度差が小さく、成形密度が高い筒状圧粉体を低コ
ストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粉末成形方法に用いる成形金型の一形
態を示す断面図である。

【図２】（１）〜（６）は、本発明の粉末成形方法の工
程を示す断面図である。

【図３】成形時の荷重曲線を示すグラフであり、（１）
は通常の成形方法、（２）は本発明のクリアランスを利
用した２段成形法をそれぞれ示す。

【図４】（１）は実施例１と比較例１で製造した圧粉体
の断面図であり、（２）は実施例２と比較例２で製造し
た圧粉体の断面図である。

【図５】（１）は実施例１での成形時の荷重曲線を示す
グラフであり、（２）は比較例の成形時の荷重曲線を示
すグラフである。

【図６】（１）は実施例２での成形時の密度変化履歴を
示すグラフであり、（２）は比較例２の成形時の密度変
化履歴を示すグラフである。

【符号の説明】

１…成形金型、２…ダイ、３…コアロッド、３ａ…大径
部、３ｂ…小径部、４…上パンチ、５…下パンチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B30B 11/02 B22F 3/02 B22F 5/12 B30B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内孔を有するダイと、その内孔に上下動可
能に配置され、大径部と該大径部よりやや小径の小径部
とを有する段付きコアロッドと、該ダイの内孔とコアロ
ッドとの間隙に摺動可能に配置され、対向する上パンチ
と下パンチとを用い、該コアロッドの大径部、ダイ、上パンチ及び下パンチで
構成されるキャビティに充填された粉末を上パンチと下
パンチのいずれか一方又は両方で圧縮して第１圧粉体を
成形する第１圧縮行程と、第１圧縮行程後、上記コアロッドを移動させて該第１圧
粉体が存するキャビティを、上記コアロッドの小径部、
ダイ、上パンチ及び下パンチで構成して、該第１圧粉体
の内径側に隙間を形成する工程と、上記上パンチと下パンチのいずれか一方又は両方で第１
圧粉体を圧縮変形させて上記隙間を埋める第２圧粉体を
成形する第２圧縮行程とを有することを特徴とする粉末
成形方法。
【請求項２】上記第１圧粉体の密度が理論密度の８０〜
９０％であり、第２圧粉体の密度が理論密度の９０〜９
５％である請求項１記載の粉末成形方法。
【請求項３】上記コアロッドの大径部と小径部との段差
が、第１圧粉体の肉厚の３〜１５％である請求項１又は
２記載の粉末成形方法。
【請求項４】第１圧粉体の高さ／肉厚比が１以上である
請求項１〜３記載の粉末成形方法。