JP4163394B2 - 加圧通電焼結装置およびそのパンチ温度制御方法 - Google Patents

加圧通電焼結装置およびそのパンチ温度制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加圧通電焼結装置およびそのパンチ温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加圧通電焼結装置は一般に図２に示すように、被焼結粉体ａを詰めた焼結型１、上下パンチ２,３のセットを上部電極４と下部電極５の間に配し、加圧力Ｐを焼結粉体に付加した状態で、直流パルス、直流又は交流電源により電流を上下部電極４,５間に付与することにより、焼結型１、上下パンチ２,３のセットを所定の温度に昇温させ被焼結粉末ａを焼き固める装置である。焼結型１とパンチ２,３は通電発熱の為に均質な電気抵抗及び焼結に必要な温度での耐高温特性を両立させる必要が有ることから、黒鉛、超硬等が一般に用いられる。昇温度は焼結対象材により異なるが500〜2000℃の高温になる為、パンチ２,３を介して直接高温に曝される上下部電極４,５は水冷機能を具備している。
従来、電極冷却水は装置保護の観点から水量を決めており、パンチ２,３からの抜熱量、即ちパンチ温度に対しては特に規定していなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例では、直径で約30mm以下の小サイズ焼結では、全体マスが小さく焼結型、パンチの温度不均一に起因する焼結ムラは少ないが、大型サイズでは、上下面温度差に起因すると見られる厚さ方向の不均一（密度、組成状態）を生じ、焼結後に残留応力により割れが発生する場合がある。またこれらの不均一品質は最終製品として機能を満たさないケースも多い。
【０００４】
上記の問題について本発明者らが鋭意研究した結果、以下の事が判明した。
パンチ上下面の温度差をパンチ２,３と電極間４,５に設けたスペーサ６,７（黒鉛）に熱電対を挿入し、上下電極４,５への冷却水量を一定にした状態で焼結中の温度変化を測定すると、上下スペーサ６,７の温度差は、通電開始から焼結完了までの時間を通し、時々刻々変化することが判明した。この温度差は上部、下部でどちらか一方が常に高いという訳ではなく、投入電流量、型の温度上昇によりその差が広がったり、縮まったり、場合によっては逆転する場合もある。この原因として、スペーサ６,７と接触している電極からの抜熱量が冷却水温の上昇により変化しているとみられ、上下電極４,５の水量差、冷却経路の長さの差が影響していると仮定できる。この温度差は同一条件で繰り返し焼結を行っても完全な再現性はみられ無い事から、最終製品のバラツキの大きな要因になっていると推定される。
温度差を無くする対策として、上下電極４,５の水量をあらかじめ差を付けておくことが考えられるが、上述の如く、焼結時間と共に上下パンチ２,３の温度差が変化することから、最終的に均一な温度状態に達するとは言えない。この為、焼結の進行に合わせて動的に上下電極４,５の冷却水量を変化させる必要がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑み、上下のパンチ温度の差を最小化して、焼結製品の品質の向上と均質化を図る装置および方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の加圧通電焼結装置は、焼結型と、該焼結型に入れられた被焼結粉末を加圧するための上部パンチおよび下部パンチと、前記上部パンチと前記下部パンチを加圧し、通電する上部電極および下部電極と、前記上部電極と前記下部電極のそれぞれに冷却水を供給する上部給水ラインおよび下部給水ラインと、該上・下部給水ラインに介装された上部バルブおよび下部バルブと、前記上部パンチおよび前記下部パンチの温度をそれぞれ検出し、上・下部パンチの温度を対比して、その温度差を許容値と対比して、その温度差が許容値以下となるように、前記上部バルブおよび（または）前記下部バルブを開閉する制御手段とからなることを特徴とする。
請求項２のパンチ温度制御方法は、焼結型と、該焼結型に入れられた被焼結粉末を加圧するための上部パンチおよび下部パンチと、前記上部パンチと前記下部パンチを加圧し、通電する上部電極および下部電極と、前記上部電極と前記下部電極のそれぞれに冷却水を供給する上部給水ラインおよび下部給水ラインと、該上・下部給水ラインに介装された上部バルブおよび下部バルブを備えている加圧通電焼結装置において、前記上部パンチおよび前記下部パンチの温度をそれぞれ検出し、上・下部パンチの温度を対比して、その温度差を許容値と対比して、その温度差が許容値以下となるように、前記上部バルブおよび（または）前記下部バルブを開閉することを特徴とする。
【０００７】
請求項１の発明によれば、上・下部のパンチの温度差が許容値以下となるように、上下部の電極の冷却水量を変化させるので、時々刻々と変化する上下部のパンチ温度の差を最小化することができる。それにより、上下電極の水量差や冷却水路の長さの差などが影響していると仮定できる再現性のない温度差を最少化することにより焼結製品の均質化を図ることができる。
請求項２の発明によれば、上下部電極の冷却水量を加減する事により、上下部パンチの差温を最小化できる。それにより、上下電極の水量差や冷却水路の長さの差などが影響していると仮定できる再現性のない温度差を最少化することから、焼結製品の厚さ方向の温度分布を均一化でき、その結果、密度や組成状態が均質であり、残留応力による割れの発生が生じない焼結製品を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る加圧通電焼結装置の説明図である。
図１において、焼結型１、上部パンチ２と下部パンチ３、上部電極４と下部電極５は図２の従来例と同様である。図示してないが、上部電極４と下部電極５には通電加熱用の電源が接続されており、加圧用のラム等で加圧できるようになっている。
この焼却装置では、金属、セラミック等の粉体を導電体でできた焼結型１に入れ、同様に導電体である上下のパンチ２，３により粉体を加圧した状態で、上下パンチ２，３から直接通電する事により、加熱・焼結させることができる。
【０００９】
前記上部電極４には冷却水路が形成され、上部給水ライン８が接続され、この上部給水ライン８には上部バルブＶ１が介装されている。この上部バルブＶ１を開閉すると、上部電極４への給水量を増減できるようになっている。
また、前記下部電極５にも冷却水路が形成され、下部給水ライン９が接続され、この下部給水ライン９には、下部バルブＶ２が介装されている。この下部バルブＶ２を開閉すると、下部電極５への給水量を増減できるようになっている。
なお、これらのバルブＶ１,Ｖ２は付属の駆動源であるモータＭ１,Ｍ２等で自動開閉できるようになっている。
【００１０】
前記上部パンチ２と前記上部電極４との間には上部スペーサ６が介在されており、この上部スペーサ６には温度計Ｓ１が取付けられている。また、前記下部パンチ３と前記下部電極５との間には、下部スペーサ７が介在されており、この下部スペーサ７には温度計Ｓ２が取付けられている。これらの温度計Ｓ１,Ｓ２としては、スペーサ６,７あるいはパンチ２,３の温度を計測できればどのようなセンサを用いてもよく、例えば熱電対が用いられる。また温度測定は、スペーサ６,７に限定するものではなく、上部・下部のパンチ２,３から取っても良い。
なお、Ｓ３は焼結型１の温度を検知する温度計である。
【００１１】
Ｃは制御装置で、フィードバック制御を実行できるものであればよい。
この制御装置Ｃは、温度計Ｓ１,Ｓ２の検出温度Ｔ１,Ｔ２を取り込み、Ｔ１とＴ２の差温△Ｔを計算し、その差温△Ｔが許容範囲内か否かを判断し、差温△Ｔが許容範囲外であるときは、モータＭ１またはモータＭ２への駆動信号を発し、バルブＶ１またはバルブＶ２を開閉して、上部電極４および（または）下部電極５への冷却水供給量を加減し、差温△Ｔが許容範囲内に収まるように制御する。この制御動作は公知のＰＩＤ制御でよい。
【００１２】
上記の焼結装置の運転中、図１に示すように上部・下部スペーサ６，７に取り付けた温度計Ｃ１，Ｃ２で各スペーサ６，７の温度Ｔ１,Ｔ２を測定する。Ｔ１,Ｔ２の測温値を制御装置Ｃに取り込み温度差△Ｔ=Ｔ１−Ｔ２を計算する。△Ｔの絶対値が許容温度差、例えば5℃を超えた場合、ＰＩＤ制御回路により、上部、下部電極４，５を冷却している給水ライン８，９内に設けた流量調整可変バルブＶ１，Ｖ２の開度を調整して流量Ｑ１,Ｑ２を変えてスペーサ温度差△Ｔを所定内に戻していく。上下バルブＶ１，Ｖ２の開度調整は、どちらかのバルブを固定し、単独で行っても良く、上下で両方を用いても良い。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、上下部のパンチの温度を測定し、その温度差が許容値以下となるように、上下部の電極の冷却水量を変化させて上下部のパンチ温度の差を最小化することができ、それにより焼結製品の均質化を図ることができる。
請求項２の発明によれば、上下部電極の冷却水量を加減する事により、上下部パンチの差温を最小化できることから、焼結製品の厚さ方向の温度分布を均一化でき、その結果、密度や組成状態が均質であり、残留応力による割れの発生が生じない焼結製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係る加圧通電焼結装置の説明図である。
【図２】従来の加圧通電焼結装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 焼結型
２ パンチ
３ パンチ
４ 上部電極
５ 下部電極
６ スペーサ
７ スペーサ
Ｓ１ 温度計
Ｓ２ 温度計
Ｖ１ 上部バルブ
Ｖ２ 下部バルブ
Ｃ 制御装置

Claims (2)

  1. 焼結型と、
    該焼結型に入れられた被焼結粉末を加圧するための上部パンチおよび下部パンチと、
    前記上部パンチと前記下部パンチを加圧し、通電する上部電極および下部電極と、
    前記上部電極と前記下部電極のそれぞれに冷却水を供給する上部給水ラインおよび下部給水ラインと、該上・下部給水ラインに介装された上部バルブおよび下部バルブと、
    前記上部パンチおよび前記下部パンチの温度をそれぞれ検出し、上・下部パンチの温度を対比して、その温度差を許容値と対比して、その温度差が許容値以下となるように、前記上部バルブおよび（または）前記下部バルブを開閉する制御手段と
    からなることを特徴とする加圧通電焼結装置。
  2. 焼結型と、
    該焼結型に入れられた被焼結粉末を加圧するための上部パンチおよび下部パンチと、
    前記上部パンチと前記下部パンチを加圧し、通電する上部電極および下部電極と、
    前記上部電極と前記下部電極のそれぞれに冷却水を供給する上部給水ラインおよび下部給水ラインと、該上・下部給水ラインに介装された上部バルブおよび下部バルブを備えている加圧通電焼結装置において、
    前記上部パンチおよび前記下部パンチの温度をそれぞれ検出し、上・下部パンチの温度を対比して、その温度差を許容値と対比して、その温度差が許容値以下となるように、前記上部バルブおよび（または）前記下部バルブを開閉する
    ことを特徴とする加圧通電焼結装置におけるパンチ温度制御方法。
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