JP3185037U - 金属焼結体の予備焼結用の焼結炉 - Google Patents

Abstract

【課題】金属焼結体用の圧粉体を予備焼結する焼結用容器の冷却時間の短縮を実現する焼結炉を提供する。
【解決手段】予備焼結される圧粉体Ａの出し入れする開口部２を上部に設けた縦型の焼結用容器１、容器内を減圧する排気系１８、ガスを導入するガス導入系９と、焼結用容器内を加熱する加熱部５、加熱部を覆って配設され、加熱部と共に焼結用容器を外部雰囲気に対し断熱する断熱体８と、断熱体で覆われた焼結用容器の上部側と下部側に配設され、焼結用容器と断熱体との間を開閉する開閉機構２２，２３と、焼結用容器と断熱体との間に外気を供給する送風機構２８と、焼結用容器内のガスを循環冷却するガス循環冷却機構３１とを備える。焼結用容器と断熱体との間を開放し、焼結用容器と断熱体との間に送風機構から外気を導入し焼結用容器を外部から冷却し、焼結用容器内のガスを冷却しながら循環させて容器内部を冷却する。
【選択図】図１

Description

本考案は、超硬合金等の金属焼結体を構成する原料粉末を予備焼結するときに用いて有用な予備焼結炉に関する。

従来、金属材料の切削や研磨を行う工具の素材として、超硬合金が用いられている。この種の超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）を主体とする分散相をＣｏ等の遷移金属からなる金属相で焼結結合した焼結体であって、以下のような工程を経て製造される。

まず、超硬合金の材料となるＷＣ粉末とＣｏ粉末を含む原料粉末を、例えばミルにより混合粉砕し、ほぼ均一な粒径を有する微細な粒子とする。このとき、原料粉末にはアセトンやアルコール系の分散媒及びバインダーが添加され、スラリー状とされた状態で攪拌粉砕される。

原料粉末は、バインダーが添加されて混合された後乾燥される。乾燥された原料粉末は、成形型を用いて所定の形状に圧縮成形されて圧粉体とされる。この圧粉体は、処理ガスが導入され８００℃〜９５０℃程度に加熱された焼結炉内で６〜２４時間に亘って焼成されることにより予備焼結される。予備焼結された圧粉体は、１２００℃〜１５００℃程度の温度に加熱された焼結炉内で１〜４時間程度に亘って焼成されることにより本焼結されて金属焼結体である超硬合金となる。

ここで得られた超硬合金は、研削や研磨等の加工処理が施され、切削刃や切削ホイール等の切削工具、あるいは金型等の超硬工具とされる。

なお、ＷＣ粉末を主体とする金属粉末を圧縮成形した成形体を焼結して超硬合金を製造する方法として、特許第３４５８５３３号公報（特許文献１）、特開平２００７−２６９５３４号公報（特許文献２）等に記載されたものがある。また、複数種類の金属粉末を混合した原料粉末を圧縮成形した圧粉体を焼成して金属焼結体とする焼結炉として特開２００７−２７７６０３号公報（特許文献３）に記載されたものがある。

特許第３４５８５３３号公報 特開２００７−２６９５３４号公報 特開２００７−２７７６０３号公報

ところで、超硬合金の予備焼結体を得るには原料粉末に圧縮成形するために添加されたバインダーを除去し、次工程で成形に耐える保形強度を得るために焼結に至らない温度で予備焼結をする。この予備焼結を行うためには、予備焼結炉を長期間に亘って高温状態に維持する必要がある。予備焼結炉を長時間に亘って高温状態に維持するためには、高能率で断熱を図る必要がある。

例えば、炉内部を８００℃〜９５０℃の高温とした予備焼結炉の炉内部を、自然冷却で常温近い温度まで冷却するには加熱に要した以上の時間を要する。例えば、炉内部を８００℃〜９５０℃まで加熱したときに、炉内部が常温となるには８時間〜２４時間を要している。

このように、従来用いられている金属焼結体用の予備焼結炉は、冷却に長時間を要し、焼結処理工程の間隔が長時間となり、短時間で焼結処理工程を繰り返し実行することが困難である。

そこで、本考案は、加熱後の冷却時間の短縮を図り、待機時間を短縮することにより、高能率で超硬合金等の予備焼結処理を行うことができ、加熱中に容器内の処理ガスを連続して還元性ガスから不活性ガスに置換し真空状態にすることなどが可能で加熱工程中の処理雰囲気を理想状態に制御でき、さらに、冷却時には不活性ガスの循環冷却装置により高速に冷却することができる予備焼結炉を提供することを目的に提案されたものである。

上述のような目的を達成するために提案される本考案は、蓋体により開閉される開口部が上部に設けられた縦型の予備焼結用容器と、上記予備焼結用容器内にガスを導入するガス導入系と、上記予備焼結用容器内を減圧する排気系と、上記予備焼結用容器の外周部に設置されて上記予備焼結用容器内を加熱する加熱部と、上記加熱部を覆って配設され、上記加熱部とともに上記予備焼結用容器を外部雰囲気に対し断熱する断熱体と、上記断熱体により覆われた上記予備焼結用容器の上部側と下部側にそれぞれ配設され、上記予備焼結用容器と上記断熱体との間を開閉する開閉機構と、上記予備焼結用容器と上記断熱体との間に外気を導入して上記予備焼結用容器を冷却する送風機構と、上記予備焼結用容器に充填されたガスを上記予備焼結用容器の内外に亘って循環させながら冷却するガス循環冷却機構とを備え、上記予備焼結用容器の冷却時に、上記開閉機構を移動操作して上記予備焼結用容器と上記断熱体との間の上部側と下部側を開放し、上記予備焼結用容器と上記断熱体との間に上記送風機構から外気を導入して上記予備焼結用容器を外部から強制冷却するとともに、上記予備焼結用容器内のガスを上記循環冷却機構により上記予備焼結用容器の内外に亘って循環させながら冷却し上記予備焼結用容器内を強制冷却する。

上記ガス導入系は、複数のガス供給源を備え、上記複数のガス供給源は、開閉バルブが設けられた配管を介して上記予備焼結用容器に連結され、上記複数のガス供給源にそれぞれ充填されたガスを上記予備焼結用容器内に選択的に供給する。

上記排気系は、上記予備焼結用容器内を吸引して減圧する真空ポンプを備え、上記予備焼結用容器と真空ポンプを連結する排気系路の途中に、上記予備焼結体を焼結する際に発生するバインダーを回収するバインダー回収機構が設けられている。

本考案は、焼結体の予備焼結用の予備焼結用容器の冷却を、容器の内外で同時に行うことができるので、予備焼結用容器の冷却時間の短縮を図ることができ、高能率で超硬合金を構成する予備焼結体の予備焼結処理を行うことができる。

そして、複数のガス供給源から選択的にガスを予備焼結用容器内に導入できるので、脱バインダーから予備焼結に至る一連の予備焼結工程を連続して行うことができる。

さらに、焼結用容器を縦型としたことにより、焼結体の焼結時に発生するバインダーを容器の下部に導くことができ、バインダーの回収が容易となる。

また、本考案は、焼結用容器の内部には圧粉体及びその搭載容器以外に構成されるものがないため、加熱による他の炉内構造物から発生する汚染ガスの発生がなく、加熱源や断熱材を容器の内部に配置した汚染されやすい構造の炉に比べて、極めて清楚な空間で熱処理が可能である。このことから超硬合金にとって重要な炭素量のコントロールが可能である。

本考案に係る予備焼結体用の予備焼結炉の概略的な構成を示す縦断面図である。 焼結用容器を冷却する状態を示す予備焼結炉の概略的な構成を示す縦断面図である。

以下、本考案の実施の形態を図面を参照して説明する。本実施の形態に係る予備焼結体用の焼結炉は、主要粉末と添加粉末を混合した原料粉末を圧縮成形した圧粉体を焼成して予備焼結体を製造するために用いられるものであって、図１に示すように、圧粉体を予備焼成して予備焼結体を得る焼結用容器１を備える。

焼結用容器１は、９５０℃以上の耐熱性を有し、内部を真空に排気したときの耐圧に十分に耐え得る耐圧性を有する材料を用いて形成されたものであって、筒状に形成されている。焼結用容器１の上部は開放され、焼結用容器１内で焼成される予備焼結体の出し入れを行うための開口部２とされている。開口部２は、蓋体３により密閉される。蓋体３は、焼結用容器１の側部に設置された昇降旋回機構４に支持され、この昇降旋回機構４により、開口部２に対し昇降する方向と、開口部２に対し旋回する方向に移動操作されることにより上記開口部２を開閉する。この蓋体３も耐熱性に優れ、十分な耐圧性を有するように形成されている。

焼結用容器１の外周部には、焼結用容器１の内部を９５０℃程度まで加熱する加熱部５が設けられている。加熱部５は、電気的な絶縁体であって耐熱性を有するセラミック等により形成された支持体６の内周面に電気により加熱される加熱ヒータ７を配している。この加熱部５は、加熱ヒータ７を焼結用容器１側に向け、焼結用容器１の外周囲を覆うように設置されている。そして、加熱部５は、加熱ヒータ７が加熱されることにより焼結用容器１の内部を加熱する。

焼結用容器１の外周部に設置された加熱部５の外周側には、この加熱部５を覆って断熱体８が設けられている。断熱体８は、例えば断熱効果を有するセラミックスなどの積層体より構成され、加熱部５の外周面の全周を覆い、加熱部５と焼結用容器１を外部雰囲気に対し断熱する。

本考案に係る予備焼結炉は、焼結用容器１内で予備焼結された圧粉体Ａを還元するガスや不活性ガスを導入するガス導入系９が設けられている。ガス導入系９は、複数のガス供給源１０，１１と、各ガス供給源１０，１１と焼結用容器１とを連通させるガス導入用の配管１２とを備える。配管１２は、各ガス供給源１０，１１からそれぞれ供給されるガスを、焼結用容器１の上部から焼結用容器１内に導入するように配設されている。

本実施の形態においては、ガス導入系９は、第１及び第２のガス供給源１０，１１を備え、第１のガス供給源１０には水素（Ｈ２）ガスが充填され、第２のガス供給源１１には窒素（Ｎ２）ガスが充填されている。

なお、第１及び第２のガス供給源１０，１１のガス導出部側には、第１及び第２のガス供給源１０，１１を開閉し、ガス導入用の配管１２へのガスの供給を切り換え制御する第１及び第２の切換バルブ１３ａ，１３ｂが設けられている。また、ガス導入用の配管１２の途中には、この配管１２を閉塞する配管閉塞バルブ１５が設けられている。

さらに、本考案に係る予備焼結炉には、焼結用容器１内を減圧する真空ポンプ１６と排気経路１７からなる排気系１８が設けられている。この排気系１８は、焼結用容器１の底部に連結された連結管１９に連結された三方弁２０に連結されている。

本実施の形態において、連結管１９は、一方の端部を三方弁２０の第１のポート２０ａに接続して焼結用容器１に連結されている。そして、排気系１８は、 排気経路１７の一端側を三方弁２０の第２のポート２０ｂに接続して焼結用容器１に連結され、排気経路１７の他端側に真空ポンプ１６を接続している。排気系１８は、真空ポンプ１６を駆動することにより、三方弁２０と連結管１９を介して、焼結用容器１内のガスを吸引し、焼結用容器１内を減圧する。

なお、第２のポート２０ｂには、焼結用容器１から漏出されるガスを燃焼するガス燃焼装置３５がバルブ３６を介して連結されている。

そして、排気系１８を構成する排気経路１７の途中には、圧粉体を予備焼結するときに圧粉体から漏出したバインダーを回収するバインダー回収機構２１が設けられている。バインダー回収機構２１は、バインダートラップ２１ａとバインダー回収容器２１ｂを備え、焼結用容器１の底部から漏出して排気経路１７を流通するバインダーをバインダートラップ２１ａにより収集し、バインダー回収器２１ｂ内に回収する。

また、本考案に係る予備焼結炉は、断熱体８により覆われた焼結用容器１の上部側と下部側にそれぞれ配設され、焼結用容器１とこの焼結用容器１の外周側を覆って配設された断熱体８との間を開閉する第１及び第２の開閉機構２２，２３が設けられている。これら開閉機構２２，２３は、断熱体８と同様に、断熱効果を有するセラミックスなどの積層体より構成され、焼結用容器１の上部側と下部側に形成される焼結用容器１の外周面と断熱体８との間隙を閉塞する開閉板２４，２５と、これら開閉板２４，２５をそれぞれ移動操作する駆動手段であるエアーシリンダー２６ａ，２６ｂ及び２７ａ，２７ｂとを備える。

なお、各開閉板２４，２５は、エアーシリンダー２６ａ，２６ｂ及び２７ａ，２７ｂの駆動により、支持レールにガイドされながら焼結用容器１と断熱体８との間を開閉する図１中矢印Ｘ１方向、矢印Ｘ２方向に移動する。また、開閉板２４，２５は、それぞれのエアシリンダー２６ａ，２６ｂ及び２７ａ，２７ｂにより独立して駆動できる。

本考案に係る予備焼結炉は、焼結用容器１と断熱体８との間に外気を導入し、焼結用容器１の外周面に外気を接触させ、焼結用容器１を外部から強制冷却する送風機構２８が設けられている。送風機構２８は、ファン２９と、ファン２９の駆動により発生するエアー流を焼結用容器１の底部側に吹き付け、焼結用容器１と断熱体８との間に導く送風管３０を備える。

送風機構２８は、開閉板２４，２５がエアーシリンダー２６ａ，２６ｂ及び２７ａ，２７ｂにより移動操作され、焼結用容器１の外周面と断熱体８との間を開放したとき、ファン２９を駆動し、焼結用容器１と断熱体８との間にエアー流を吹き付け、焼結用容器１を外部から強制冷却する。

さらに、本考案に係る予備焼結炉は、焼結用容器１内に導入されたガスを、焼結用容器１の内部から焼結用容器１の外部に亘って循環するとともに冷却するガス循環冷却機構３１を備える。ガス循環冷却機構３１は、ガスを循環させるファン３２と、熱交換器３３とを備える。

ガス循環冷却機構３１は、焼結用容器１の上部に連結されたガス導入用の配管１２の中途部から分岐され、焼結用容器１に連結した連結管１９が接続された三方バルブ２０の第３のポート２０ｃに接続された循環路３４の途中に連結されている。ガス循環冷却機構３１は、ファン３２を駆動することにより、焼結用容器１内のガスを焼結用容器１の内外に亘って循環し、循環の途中で熱交換器３３を通過させことにより冷却する。

上述したように構成された予備焼結炉を用いて、ＷＣ粉末とＣｏ粉末を混合した原料粉末を圧縮成形した圧粉体Ａを焼成して予備焼結体を製造する状態を説明する。

まず、圧粉体Ａを予備焼結して予備焼結体を得るには、昇降旋回機構４を操作して蓋体３を移動し、焼結用容器１の開口部２を開放する。次いで、圧粉体Ａを開口部２から焼結用容器１内に収納する。圧粉体Ａを焼結用容器１に収納したところで、昇降旋回機構４を操作して蓋体３を移動し、開口部２を密閉する。

このとき、第１及び第２の開閉機構の開閉板２４，２５により、焼結用容器１の上部側と下部側に形成される焼結用容器１の外周面と断熱体８との間隙が閉塞される。

本考案に係る予備焼結炉において、圧粉体Ａを予備焼結するとき、焼結用容器１は断熱体８と開閉板２４，２５により覆われ、外気と断熱された状態におかれる。

次いで、排気系１８の真空ポンプ１６を駆動し、焼結用容器１内を減圧する。このとき、三方弁２０の循環路３４が接続された第３のポート２０ｃは閉じられている。焼結用容器１内を真空にしたところで第１の切換バルブ１３ａを開き、第１のガス供給源１０からＨ２ガスを焼結用容器１内に導入し、焼結用容器１内をＨ２ガス雰囲気に維持する。ここで、加熱部５の加熱ヒータ７を作動し、焼結用容器１の内部を３００℃〜７００℃まで加熱する。この加熱状態を６〜４８時間維持し、焼結用容器１内に収納した圧粉体Ａを加熱する。このとき、圧粉体Ａに含有されたバインダーが溶出する。圧粉体Ａから溶出されたバインダーは、図２中矢印ｂに示すように、焼結用容器１の底部に連結された連結管１９から三方弁２０、さらに排気通路１７を介して焼結用容器１内から漏出し、排気通路１７の途中に設けたバインダー回収機構２１に回収される。また、このとき、焼結用容器１内にＨ₂ガスが発生するが、このＨ₂ガスは第２のポート２０ｂに連結されたガス燃焼装置３５に導出され燃焼される。なお、第２のポート２０ｂとガス燃焼装置３５との間には開閉バルブ３６が設けられ、Ｈ₂ガスの排出が制御される。

次いで、第１の切換バルブ１３ａを閉じ、第２の切換バルブ１３ｂを開き、第２のガス供給源１１から焼結用容器１内にＮ₂ガスを導入し、焼結用容器１内をＮ₂ガス雰囲気に置換する。この置換が完了した時点で、排気系１８の真空ポンプ１６を駆動し、焼結用容器１内を減圧する。ここで、加熱ヒータ７の温度を上げ、焼結用容器１内を８００℃〜９５０℃とし、この温度を１〜３時間程度維持し、真空中で圧粉体Ａの予備焼結を行う。

上述した一連の脱バインダー及び予備焼結工程が終了したところで、加熱ヒータ７の作動を停止するとともに、排気系１８が接続された三方バルブ２０の第２のポート２０ｂを閉じる。さらに、第２の切換バルブ１３ｂを開け焼結用容器１内へのＮ₂ガスの導入を行う。次いで、配管閉塞バルブ１５を操作し、配管１２を閉塞し、ガス循環冷却機構３１の循環路３４が接続された三方バルブ２０の第３のポート２０ｃを開放し、ガス循環冷却機構３１を焼結用容器１に接続した状態とする。

ここで、ガス循環冷却機構３１のファン３２を駆動する。ファン３２が駆動されると、焼結用容器１内に充填されたＮ２ガスが配管１２を介して焼結用容器１の上部から吸引される。焼結用容器１から吸引されたＮ２ガスは、配管１２から循環路３４を流通してガス循環冷却機構３１の熱交換器３３に導入される。熱交換器３３に導入されたＮ２ガスは、熱交換器３３で外気と熱交換されることにより冷却されて循環路３４に流通し、三方バルブ２０の第３のポート２０ｃから焼結用容器１内に還流される。

焼結用容器１内に充填されたＮ２ガスは、図２中矢印ｇで示すように、ガス循環冷却機構３１により焼結用容器１の内外に亘って循環され冷却されることにより、極めて高温に加熱された焼結用容器１の内部を冷却する。

なお、ガス循環冷却機構３１により冷却循環されるガスは、Ｎ２ガスに限られるものではなく、焼結用容器１内に充填されるガスであればよく、他の不活性ガスなどであってもよい。

さらに、ガス循環冷却機構３１を焼結用容器１への接続とともに、第１及び第２の開閉機構２２，２３のエアーシリンダー２６ａ，２６ｂ及び２７ａ，２７ｂを駆動し、開閉板２４，２５を図１中矢印Ｘ１方向に移動し、図２に示すように、焼結用容器１の外周面と断熱体８との間を開放する。開閉板２４，２５が移動され、焼結用容器１の外周面と断熱体８との間を開放されたところで、送風機構２８のファン２９を駆動してエアー流を生成し、このエアー流を図２に示すように送風管３０を介して焼結用容器１の底部側に吹き付け、焼結用容器１と断熱体８との間に供給する。

送風機構２８のファン２９の駆動により生成されるエアー流は、焼結用容器１外部の常温のエアーである。このエアー流が焼結用容器１と断熱体８との間に流通することにより、焼結用容器１の冷却が行われる。

上述したように、本考案に係る予備焼結炉は、圧粉体Ａを予備焼結するために加熱された焼結用容器１の冷却を、焼結用容器１の内外で同時に行うことができるので、焼結用容器１の冷却時間の短縮を図ることができ、予備焼結体の焼結処理を高能率で行うことができる。

さらに、複数のガス供給源１０，１１から選択的にガスを焼結用容器１内に導入できるので、バインダー回収から予備焼結に至る一連の予備焼結工程を連続して行うことができる。

さらに、焼結用容器１を縦型としたことにより、予備焼結体を焼成する際に発生するバインダーを容器１の下部に導くことができ、バインダーの回収が容易となる。

１ 焼結用容器、２ 開口部、３ 蓋体、４ 昇降旋回機構、５ 加熱部、８ 断熱体、９ ガス導入系、１０ 第１のガス供給源、１１ 第２のガス供給源、１２ 配管、１６ 真空ポンプ、１８ 排気系、２０ 三方弁、２１ バインダー回収機構、２２，２３ 開閉機構、２４，２５ 開閉板、２６ａ，２６ｂ、２７ａ，２７ｂ エアシリンダー、２８ 送風機構、 ３１ ガス循環冷却機構、３４ 循環路、Ａ 圧粉体

Claims (4)

1. 蓋体により開閉される開口部が上部に設けられた縦型の焼結用容器と、
   上記焼結用容器内にガスを導入するガス導入系と、
   上記焼結用容器内を減圧する排気系と、
   上記焼結用容器の外周部に設置されて上記焼結用容器内を加熱する加熱部と、
   上記加熱部を覆って配設され、上記加熱部とともに上記焼結用容器を外部雰囲気に対し断熱する断熱体と、
   上記断熱体により覆われた上記焼結用容器の上部側と下部側にそれぞれ配設され、上記焼結用容器と上記断熱体との間を開閉する開閉機構と、
   上記焼結用容器と上記断熱体との間に外気を導入して上記焼結用容器を冷却する送風機構と、
   上記焼結用容器に充填されたガスを上記焼結用容器の内外に亘って循環させながら冷却するガス循環冷却機構とを備え、
   上記焼結用容器の冷却時に、上記開閉機構を移動操作して上記焼結用容器と上記断熱体との間の上部側と下部側を開放し、上記焼結用容器と上記断熱体との間に上記送風機構から外気を導入して上記焼結用容器を外部から強制冷却するとともに、上記焼結用容器内のガスを上記循環冷却機構により上記焼結用容器の内外に亘って循環させながら冷却し上記焼結用容器内を強制冷却することを特徴とする金属焼結体の予備焼結用の焼結炉。
2. 上記ガス導入系は、複数のガス供給源を有し、上記複数のガス供給源は、開閉バルブが設けられた配管を介して上記焼結用容器に連結され、上記複数のガス供給源にそれぞれ充填されたガスを上記焼結用容器内に選択的に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の金属焼結体の予備焼結用の焼結炉。
3. 上記排気系は、上記焼結用容器内を吸引して減圧する真空ポンプを備え、上記焼結用容器と真空ポンプを連結する排気系路の途中に、予備焼結体を焼結する際に発生するバインダーを回収するバインダー回収機構が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属焼結体の予備焼結用の焼結炉。
4. 上記排気系の排気系路は、上記予備焼結用容器の下端部に連結されていることを特徴とする請求項３記載の金属焼結体の予備焼結用の焼結炉。