JP3788559B2

JP3788559B2 - 焼結部品の製造方法

Info

Publication number: JP3788559B2
Application number: JP09883199A
Authority: JP
Inventors: 昇兼崎; 雄治青木
Original assignee: 三菱マテリアルＰｍｇ株式会社
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-04-06
Also published as: JP2000290702A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末冶金法による焼結部品の製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
粉末冶金では、金属を主成分とする原料粉末を粉末成形用金型により圧縮して圧粉体を成形し（粉末成形工程）、その後、この圧粉体を加熱して焼結する（焼結工程）ことが行われる。例えば内燃機関のバルブガイドのような筒状の部品となる圧粉体を成形する場合、前記粉末成形用金型には、圧粉体の外周面を形成するダイと、圧粉体の内周面を形成するコアロッドと、圧粉体の下端面を形成する下パンチと、圧粉体の上端面を形成する上パンチとを備えたものが用いられる。
【０００３】
そして、原料粉末がダイとコアロッドとの間で下パンチおよび上パンチにより圧縮されて成形されるが、成形方法には片押成形法やウィズドロアル法など、いくつかのものがある。片押成形法は、加圧を一方向から行うもので、加圧中はダイと下パンチを固定し、上パンチで加圧する。圧粉体の抜き出しは、下パンチの上昇により行う。また、ウィズドロアル法は、加圧を向かい合う二方向から行うもので、下パンチは固定しており、まず上パンチが加圧を行い、つぎにダイおよびコアロッドが下降することにより、下パンチが加圧を行うものである。圧粉体の抜き出しは、上パンチを上昇させるとともに、ダイおよびコアロッドをさらに下降させることにより行う。そして、従来のウィズドロアル法用の粉末成形用金型では、一般的にダイとコアロッドとは一体に移動するようになっている。
【０００４】
前記片押成形法では、成形された圧粉体の密度は、上パンチ側である軸方向一端側から他端側に向けて単調に減少するものとなり、軸方向両端側での密度差は大きなものとなる。これに対してウィズドロアル法では、成形された圧粉体の密度は、軸方向両端から中央部に向けて次第に低下するものとなる。すなわち、圧粉体の粗密度部は、下パンチの加圧力と上パンチの加圧力とが打ち消し合うニュートラルゾーンである軸方向中央部に分布する。
【０００５】
このような圧粉体における密度の相違は、特に前記内燃機関のバルブガイドのような細長い長尺の部品において顕著なものとなる。そして、粗密度部の強度は弱いため、例えば圧粉体がダイから抜き出された後に倒れたりすると、粗密度部つまり圧粉体の軸方向中央部に亀裂などの破損が生じやすい。そこで、従来は、圧粉体が倒れないように、抜き出された圧粉体を保持具により一つずつ保持するようにしていたが、このような保持具を設けるのでは、設備費の増大を招く。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決しようとするもので、破損を生じにくい焼結部品の製造方法を提供することを目的とする。さらに、焼結部品全体で密度をより均一にできる焼結部品の製造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】
請求項１の発明は、軸方向一端部の高密度部との密度差が、ダイとコアロッドとが一体に上下するウィズドロアル法によるものに比べ 33 ％ないし 74 ％小さくなっている粗密度部が、軸方向一端から軸方向全長の 30 〜 45 ％の位置に分布している円筒状の焼結部品の焼結部品の製造方法であって、原料粉末を粉末成形用金型で圧縮して圧粉体を成形する粉末成形工程と、前記圧粉体を加熱して焼結する焼結工程とを備え、前記粉末成形工程において、圧粉体の外周面を形成するダイと、圧粉体の内周面を形成するコアロッドと、圧粉体の下端面を形成する下パンチと、圧粉体の上端面を形成する上パンチとを備えた粉末成形用金型を用い、前記ダイとコアロッドとの間で前記下パンチおよび上パンチにより原料粉末を圧縮するとき、前記ダイとコアロッドとを上下方向で互いに相対的に移動させるものである。
【０００８】
ダイとコアロッド間で上パンチおよび下パンチにより原料粉末が圧縮されるとき、ダイまたはコアロッドに沿っている原料粉末は、ダイまたはコアロッドとの間の抵抗によりこれらダイまたはコアロッドに対して相対的に留まる傾向を示す。したがって、ダイとコアロッドとが上下方向で互いに相対的に移動することにより、内周側の原料粉末と外周側の原料粉末とでは上下方向の移動量が異なるものになる。その結果、ニュートラルゾーンが圧粉体の外周側と内周側とで異なる高さに位置する。したがって、圧粉体において、ニュートラルゾーンによる粗密度部は軸方向に対し傾斜して分布することになり、その結果、焼結部品の軸方向の各部における密度がより均一になる。また、粗密度部が軸方向に対し傾斜して分布することにより、この粗密度部を軸方向で中央部からずらして分布させることが可能になる。
【０００９】
請求項２は、請求項１の発明の焼結部品の製造方法において、ダイとコアロッドとの間で下パンチおよび上パンチにより原料粉末を圧縮するとき、下パンチおよびコアロッドを固定してダイおよび上パンチを下降させるものである。
【００１０】
これにより、ダイとコアロッド間で上パンチおよび下パンチにより原料粉末が圧縮されるとき、内周側の原料粉末よりも外周側の原料粉末の方がより大きく下降する。その結果、ニュートラルゾーンは圧粉体の外周側では軸方向中間部になるのに対して、内周側ではより下側に位置する。したがって、圧粉体において、ニュートラルゾーンによる粗密度部は軸方向に対し傾斜して分布し、かつ全体として軸方向で中央部から下側にずれて分布することになる。これとともに、焼結部品の軸方向の各部における密度がより均一になる。
【００１１】
【発明の実施形態】
以下、本発明の焼結部品およびその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。焼結部品である焼結体１は図２に示すように細長い長尺のもので、円筒状になっていて通孔２を有している。例えば、内燃機関のバルブガイドなどとして利用されるものである。また、焼結体１の材料は鉄系である。
【００１２】
つぎに、前記焼結体１となる圧粉体1Aを成形するための粉末成形用金型の構成を図３に基づいて説明する。11はダイ、12はコアロッド、13は下パンチ、14は上パンチである。前記ダイ11は上下に貫通する通孔15を有しており、この通孔15の周面により圧粉体1Aの外周面を形成するものである。また、前記コアロッド12は円柱状になっていて前記ダイ11の通孔15内に同軸的に位置しており、圧粉体1Aの内周面を形成するものである。また、前記下パンチ13は円筒状になっていて前記ダイ11とコアロッド12との間に下側から上下摺動自在に嵌合されている。そして、下パンチ13はその上端面により圧粉体1Aの下端面を形成するものである。さらに、前記上パンチ14は円筒状になっていて前記ダイ11とコアロッド12との間に上側から上下摺動自在かつ挿脱自在に嵌合される。そして、上パンチ14はその下端面により圧粉体1Aの上端面を形成するものである。以上の説明から明らかなように、成形に際して圧粉体1Aの軸方向は上下方向になる。
【００１３】
つぎに、前記金型を用いた粉末成形について説明する。この成形は基本的にウィズドロアル法であり、下パンチ13が固定でダイ11が上下動する。また、上パンチ14およびコアロッド12も上下動するが、このコアロッド12はダイ11とは独立に上下動する。図４には１サイクルでのダイ11、コアロッド12、上パンチ14およびフィーダ16の移動を示してある。同図において横軸は時間（駆動用のカムやクランクの角度）、縦軸は移動量である。そして、実線のグラフがダイ11、破線のグラフがコアロッド12、点線のグラフが上パンチ14、一点鎖線のグラフがフィーダ16の移動を示している。
【００１４】
成形時には、まず上パンチ14がダイ11およびコアロッド12間から上方へ抜けた状態で、ダイ11上にフィーダ16が前進し、このフィーダ16からダイ11内に鉄を主成分とする原料粉末Ｐが充填される。つぎに、フィーダ16が後退した後、図３（ａ）に示すように下降する上パンチ14がダイ11およびコアロッド12間に嵌合し、上パンチ14がダイ11内の原料粉末Ｐを加圧し始める。つぎに、ダイ11が下降し始め、これにより下パンチ13がダイ11内の原料粉末Ｐを加圧し始める。ダイ11の下降速度は上パンチ14の下降速度の約１／２である。図３（ｂ）に示すように上パンチ14が停止した時点で加圧が完了するが、この加圧により原料粉末Ｐが圧縮されて圧粉体1Aが成形される。この原料粉末Ｐの加圧中、コアロッド12は停止したままである。加圧完了後もダイ11は下降を続け、これにより圧粉体1Aがダイ11から抜き出される。ダイ11が下限位置まで下降した後、それまで停止していたコアロッド12が下降し、圧粉体1Aから抜ける。その後、上パンチ14が上昇してダイ11から抜けるとともに、ダイ11およびコアロッド12が上昇する。また、原料粉末Ｐの供給のためにフィーダ16が再びダイ11上に前進してくるが、このフィーダ16により圧粉体1Aがダイ11上から払い出される。その後、以上の工程が繰り返される。
【００１５】
成形された圧粉体1Aは、その後焼結炉で加熱されて焼結され、焼結体１となる。
【００１６】
前記原料粉末Ｐの加圧に際して、ダイ11が下降することにより圧粉体1Aの外周側では上パンチ14および下パンチ13の両方から加圧力が作用する。一方、コアロッド12は固定であるため、圧粉体1Aの内周側では上パンチ14のみから加圧力が作用する。両パンチ13,14の加圧力が打ち消し合う部分（ニュートラルゾーン）では圧粉体1Aの密度が低くなるが、前述のように圧粉体1Aの外周部では両パンチ13,14の加圧力が作用するため、ニュートラルゾーンつまり粗密度部は圧粉体1Aの上下方向中央部に位置する。一方、圧粉体1Aの内周部では上パンチ14のみから加圧力が作用するため、ニュートラルゾーンは圧粉体の下部に位置する。そのため、成形された圧粉体1Aにおいて、粗密度部は軸方向に対し傾斜して分布する。
【００１７】
図１には圧粉体の密度の測定結果を示してある。この測定に用いた圧粉体は、内径５mm、外径11mm、長さ50mmのものである。また、粉末成形にはカム式成形プレスを用い、下加圧量を約15mmに設定し、成形密度を6.7g/cm³および6.8g/cm³に設定した。また、原料粉末は一定量を手で充填した。成形後、さらに圧粉体を700℃で仮焼結した後に測定を行った。また、図１（ａ）に示すように細長い圧粉体1Aをその軸方向においてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの領域部分に分割し、各部分について密度を測定した。Ａが成形時における上パンチ側である。図１（ｂ）において、実線のグラフ（イ）は本実施例で成形密度を6.8g/cm³とした圧粉体の密度を示しており、一点鎖線のグラフ（ロ）は本実施例で成形密度を6.7g/cm³とした圧粉体の密度を示している。一方、二点鎖線のグラフ（ハ）は通常のウィズドロアル法つまりダイとコアロッドとが一体に上下動する方法（以下、従来ウィズドロアル法という）により成形密度を6.8g/cm³として成形された圧粉体の密度を示しており、破線（ニ）のグラフは従来ウィズドロアル法により成形密度を6.7g/cm³として成形された圧粉体の密度を示している。
【００１８】
これらのグラフから明らかなように、従来ウィズドロアル法では、粗密度部は圧粉体1Aの軸方向中央部にあり、かつこの中央部と端部とでの密度差は大きくなっている。一方、本実施例の圧粉体1Aでは、粗密度部は圧粉体1Aの軸方向中央部から片側にずれて位置している。粗密度部は軸方向一端から軸方向全長の約３分の１の位置に分布している。また、粗密度部と端部の高密度部とでの密度差は、従来ウィズドロアル法によるものに比べ 33％ないし74％小さくなっている。
【００１９】
また、圧粉体1Aの抗折力試験も行った。この試験では支点間距離を25mmに設定した。そして、従来ウィズドロアル法により成形された圧粉体では抗折強度が約5.7kgfであったのに対して、本実施例の圧粉体1Aでは抗折強度が約8.6kgfであった。
【００２０】
前述のように本実施例において圧粉体1Aの軸方向における密度差がより小さくなるのは、ニュートラルゾーンが成形される圧粉体1Aの軸方向に対し傾斜しているため、つまりニュートラルゾーンが軸方向において分散されるためである。そして、粗密度部が圧粉体1Aの軸方向に対し傾斜していることにより、つまり粗密度部が軸方向において分散され、軸方向における密度差が小さくなることにより、前記抗折力試験の結果からも明らかなように圧粉体1Aひいては焼結体１の強度が向上する。例えば細長い圧粉体1Aの場合、成形後の圧粉体1Aがダイ11上からフィーダ16により払い出されるときこの圧粉体1Aが倒れやすいが、倒れたとしても圧粉体1Aが破損を生じにくい。したがって、圧粉体1Aの倒れ防止の保持具も不要になる。また、焼結体１の使用時においてもその破損を防止できる。
【００２１】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば前記実施例では、圧粉体1Aにおいて、その軸方向に対し粗密度部を傾斜して分布させるために、粉末成形における加圧に際して下パンチ13およびコアロッド12を固定し、ダイ11および上パンチ14を異なる速度で下降させたが、下パンチおよびダイを固定し、コアロッドおよび上パンチを異なる速度で下降させてもよい。また、ダイおよびコアロッドを異なる速度で下降させてもよい。さらに、ダイを固定して、コアロッドおよび下パンチを異なる速度で上昇させるなどしてもよい。要は、原料粉末の加圧に際してダイとコアロッドとを上下方向で互いに相対的に移動させればよい。ただし、前記実施例のようにコアロッド12を固定する構成とすれば、粉末成形金型の動作の制御を容易にできる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の発明の焼結部品の製造方法によれば、粉末成形に際しダイとコアロッドとの間で下パンチおよび上パンチにより原料粉末を圧縮するとき、ダイとコアロッドとを上下方向で互いに相対的に移動させるので、粗密度部を外周部と内周部とで任意の異なる高さに制御することにより粗密度部が軸方向で中央部から片側にずれて分布した焼結部品を得ることができる。
【００２３】
請求項２の発明の焼結部品の製造方法によれば、請求項１の発明の効果に加え、下パンチおよびコアロッドを固定してダイおよび上パンチを下降させるので、粉末成形金型の動作の制御を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焼結部品の実施例における軸方向の密度分布を示すグラフである。
【図２】同上焼結部品の斜視図である。
【図３】本発明の焼結部品の製造方法の一実施例に用いる粉末成形用金型の断面図である。
【図４】同上粉末成形用金型の作動を示すグラフである。
【符号の説明】
１焼結体（焼結部品）
1A 圧粉体
11 ダイ
12 コアロッド
13 下パンチ
14 上パンチ

Claims

軸方向一端部の高密度部との密度差が、ダイとコアロッドとが一体に上下するウィズドロアル法によるものに比べ 33 ％ないし 74 ％小さくなっている粗密度部が、軸方向一端から軸方向全長の 30 〜 45 ％の位置に分布している円筒状の焼結部品の製造方法であって、原料粉末を粉末成形用金型で圧縮して圧粉体を成形する粉末成形工程と、前記圧粉体を加熱して焼結する焼結工程とを備え、前記粉末成形工程において、圧粉体の外周面を形成するダイと、圧粉体の内周面を形成するコアロッドと、圧粉体の下端面を形成する下パンチと、圧粉体の上端面を形成する上パンチとを備えた粉末成形用金型を用い、前記ダイとコアロッドとの間で前記下パンチおよび上パンチにより原料粉末を圧縮するとき、前記ダイとコアロッドとを上下方向で互いに相対的に移動させることを特徴とする焼結部品の製造方法。
ダイとコアロッドとの間で下パンチおよび上パンチにより原料粉末を圧縮するとき、下パンチおよびコアロッドを固定してダイおよび上パンチを下降させることを特徴とする請求項１記載の焼結部品の製造方法。