JP4271817B2 - 通電焼結加工用ダイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は通電焼結加工用ダイスの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
代表的な焼結法は、金属若しくはセラミックスの粉末にワックスなどのバインダを混ぜ、この混合体を成形型に入れて固めて圧粉成形体を造り、この圧粉成形体を焼結炉に入れ、融点よりは低温であるが十分に高温である焼結温度に保持することで、粉末同士を原子間結合することで一体化する特殊な処理法である。前記バインダは焼結炉内で蒸発させるため焼結品には残らない。
【0003】
上記製法は圧粉成形工程と焼結工程とを独立させているため各々の設備(造形プレス、焼結炉)が必要であることと工程が長くなる。これらの課題を克服するために、成形と焼結とを同時平行的に実施する技術が提案されきた。具体例としてはホットプレス法や通電焼結法がある。
【0004】
ホットプレス法はプレス機の要部(ダイスやパンチ)を真空容器で囲い、且つこの真空容器内にヒータを装備したものであり、加圧と加熱とを同時に行うことができる。
通電焼結法は下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結材を得る。即ちホットプレス法のヒータを直接通電に置き換えたものに相当する。
【0005】
前記ホットプレス法に好適なダイスには、例えば▲1▼特開平4−149068号公報「炭素繊維強化炭素複合材製二重中空円筒体」や▲2▼特開平4−149067号公報「炭素材製二重中空円筒体」が知られている。
【0006】
上記▲1▼のダイスは、同公報第1図に示される通り、モールド(外側中空円筒体)1とスリーブ(内側中空円筒体)2とからなり、モールド1、スリーブ2ともに炭素繊維強化炭素複合材からなることを特徴とする。
また、上記▲2▼のダイスも、同公報第1図に示される通り、モールド(外側中空円筒体)1とスリーブ(内側中空円筒体)2とからなるが、モールド1は炭素繊維強化炭素複合材からなり、スリーブ2は黒鉛材料からなることを特徴とする。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ホットプレス法のために提案された上記▲1▼,▲2▼のダイスが、通電焼結法にも適用可能であるかを調べた。その結果、次の課題があることが分かった。
上記▲1▼のダイスを構成する炭素繊維強化炭素複合材は、高価である。また、加圧・焼結後に焼結品がスリーブ2に噛み込んで抜けなくなることがあり、そのときにはスリーブ2を壊して焼結品を取出すしかないく、高価なスリーブ2が多数必要となり、ダイスの費用が嵩み、焼結品の製造コストを押上げることになる。
【0008】
上記▲2▼はスリーブ2が安価な黒鉛材料であるため、ダイスの費用を抑えることはできる。しかし、黒鉛は炭素繊維強化炭素複合材に比較して強度が格段に低い。そのため、上記▲2▼の構成では、プレス圧力を上げることができず、高強度焼結品を製造するには無理がある。
【0009】
そこで、本発明の目的は通電焼結法において、プレス圧を上げることができるようにダイスの強度を高めること並びに比較的安価なダイスを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1は、下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結材を得る通電焼結の際に使用するダイスであって、このダイスは、焼結粉末に触れる内筒とこの内筒を囲う中間筒とこの中間筒を囲う外筒とからなる3重円筒であり、内筒は黒鉛製筒、前記中間筒はセラミックス製筒、外筒は炭素繊維強化炭素製筒とし、且つセラミックス製筒と炭素繊維強化炭素製筒との間に熱膨張を緩和するために所定の隙間を設けた通電焼結加工用ダイスにおいて、前記セラミックス製筒は、導電性セラミックスで構成したことを特徴とする。
【0011】
下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結材を得る。
この際、熱膨張係数の最も大きなセラミックス製の中間筒が一番増径する。この様な中間筒を、隙間がゼロになるまでは、増径させ、この後は外筒で増径を抑える。これにより、中間筒に発生する熱応力を低レベルに抑え、中間筒並びに外筒の寿命を延ばす。
【0012】
また、内筒をそれより強度の大きな中間筒でバックアップするため、内筒にパンチ圧を加えることができる。また、安価な内筒は使い捨てにするが、高価な中間筒及び極めて高価な外筒は多数回使用できるため、ダイスコストは抑えることができる。
【0013】
導電性セラミックスは、本来は絶縁物であるセラミックス粉末に、導電物質粉末(Ti(チタン)、Co(コバルト)などの金属粉末が好適)を混ぜたものであり、ジルコニアに導電性を付与した導電性ジルコニアや、窒化珪素に導電性を付与した導電性窒化珪素がその例である。
【0014】
本発明の様に中間筒を導電性セラミックスとすることにより、次の作用及び効果を発揮させることができる。
▲1▼、通常の絶縁性セラミックスでは電流が遮断されるが、本発明では中間筒を導電性セラミックスにしたので電流が遮断されることが無く、ダイス全体の温度が上昇して炉の役割を果たすことができる。これにより焼結に最適な温度を容易に得ることができる。
▲2▼、導電性セラミックスは製作の際に放電加工が可能であり、製作コストが大幅に削減でき、かつ形状の自由度も大きくなり、複雑な形状の部品にも対応可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図1は本発明に係る通電焼結装置の原理図であり、通電焼結装置10は、下パンチ11と、ダイベース12と、下パンチ11に被せつつダイベース12に載せる3重円筒構造の通電焼結加工用ダイス30(詳細は後述)と、下形彫りパンチ13と、上形彫りパンチ14と、上パンチ15と、これらを囲う気密容器16と、この気密容器16の容器内ガスを排出する真空ポンプ17と、真空排気後の容器16内にアルゴンガス等の不活性ガスを吹込む不活性ガス吹込み管18と、上下パンチ11,15間に給電する電源21と、この電源21を制御する制御部22とからなる。
【0016】
通電焼結加工用ダイス30(以下「ダイス30」と記す。)は、焼結粉末31に触れる内筒32とこの内筒32を囲う中間筒33とこの中間筒33を囲う外筒34とからなる3重円筒であり、前記内筒32は黒鉛製筒、前記中間筒33はセラミックス製筒、前記外筒34は炭素繊維強化炭素製筒とし、且つセラミックス製筒と炭素繊維強化炭素製筒との間に熱膨張を緩和するために所定の隙間35を設けたものである。
【0017】
この隙間35は数mm程度に設定する。しかし隙間35があるため、外筒34のみを持つと、中間筒33が外筒34から抜け落ちる可能性がある。そこで、外筒34から中間筒33に達するセラミックスピン36・・・(・・・は複数本を示す。以下同様。)を打込むとよい。これらのセラミックスピン36・・・の掛け止め作用により、ダイス30を安心して取扱うことができる。しかし、セラミックスピン36・・・は必須ではない。
【0018】
前記中間筒33はセラミックス製筒であり、しかも導電性セラミックスである。
導電性セラミックスは、通電性があるので放電加工で仕上げることができる。放電加工であれば、加工時間は短くて済み、仕上り形状も任意である。
従って、型加工費を低減する上では、導電性セラミックスを採用することが望ましい。
【0019】
なお、導電性セラミックスは、本来は絶縁物であるセラミックス粉末に、導電物質粉末(Ti(チタン)、Co(コバルト)などの金属粉末が好適)を混ぜたものであり、ジルコニアに導電性を付与した導電性ジルコニアや、窒化珪素に導電性を付与した導電性窒化珪素がその例である。
【0020】
図2(a),(b)は通電焼結加工用ダイスの別の構成説明図である。
(a)に示すダイス30Bは、内筒32と中間筒33と外筒34とからなる3重筒である点は前記ダイス30と近似するが、中間筒33の外周面を下へ細くなるおすテーパ面37とし、外筒34の内周面を下に細くなるめすテーパ面38とし、運搬等の際には図示するように、外筒34に中間筒33を引掛けることができるようにしたものである。
内筒32は中間筒33に嵌合(圧入を含む)することで、運搬時の分離を防止する。
【0021】
(b)は、ダイベース12にダイズ30Bを載せた状態を示す。外筒34に対して中間筒33が上昇した分、外筒34と中間筒33との間に隙間35が確保できたことを示す。図2によれば図1に示したセラミックスピン36・・・を省略することができる。
【0022】
以上の構成からなる通電焼結装置並びにダイスの作用を次に説明する。
図1において、下パンチ11に上からダイス30を被せ、このダイス30をダイベース12に載せる。次に、ダイス30の内筒32に下形彫りパンチ13を落とし込み、そこへ焼結粉末31を充填し、上形彫りパンチ14を落とし込み、更に上パンチ15を挿入する。ここまでの作業は密閉容器16の図示せぬ扉を開けて行う。そのため、密閉容器16内部は空気雰囲気となる。
【0023】
扉を閉じ、真空ポンプ17を始動して密閉容器16内部を真空にする。内筒32は黒鉛(炭素C)であるから、酸素の存在下で加熱すると炭素が酸素と結合、すなわち燃えてしまう。これを防ぐために容器16内部を真空若しくは不活性ガス雰囲気にする。
焼結粉末31の種類、処理条件により、真空のままで次の通電を開始する若しくはアルゴンガスを吹込んだ後に次の通電を開始する。
【0024】
通電は連続通電と間欠通電(オンオフを繰り返すパルス通電)とがあるが、本実施例では後者のパルス通電を行う。
連続通電では大電流を流す続けるとワークが溶融してしまうので電流を抑える必要がある。これに対してパルス通電は、通電時間を短くすることで大電流を投入することができる。この大電流により、焼結粉末31の粉末間に放電プラズマを発生させることができる。放電プラズマの高いエネルギーで粉末表面の酸化膜を破壊し除去することができ、焼結現象を促すことができるため、通常の焼結法よりも緻密な焼結品を得ることができる。
【0025】
また、放電プラズマを目的としたパルス通電は、粉末間に高いエネルギーを集中させるものであり、粉末全体の温度を上げる必要はない。この結果、焼結粉末31を比較的低温に保ちながら焼結を実施することができる。通常の焼結法は粉末全体を融点直下温度まで加熱必要があるが、パルス通電では全体を比較的低温に保てるため、投入電気エネルギーを節約することができる。
【0026】
前記通電は、上下パンチ11,15で圧粉しつつ行うが、上下パンチ11,15である程度加圧した後に通電を開始することは差支えない。
通電により上述した通りに焼結粉末31の粉末粒子間に放電プラズマが発生し、粒子表面が気化・溶融する。この粒子が移動を始め、放電衝撃圧力が加わり塑性変形する。このとき、上下形彫りパンチ13,14で加圧されているから所望の形状の焼結品を得ることができる。
【0027】
次に、ダイス30の作用を詳しく説明する。
内筒:
材質:黒鉛
外径:100 mm
かさ密度:1.77 g/cm3
引張り強度:78 MPa
線熱膨張係数:4.5×10-6 K-1
【0028】
中間筒:
材質:窒化珪素
内径:100 mm
外径:128 mm
かさ密度:3.8 g/cm3
引張り強度:150 MPa
線熱膨張係数:10.5×10-6 K-1
【0029】
外筒:
材質:炭素繊維強化炭素
内径:130 mm
かさ密度:1.6 g/cm3
引張り強度:290 MPa
線熱膨張係数:1.0×10-6 K-1
【0030】
例えば超硬合金を焼結するときの温度は、約1320℃に到達する。この温度で約10分保持して、焼結を行う。
熱膨張を考えたとき、外筒に対して中間筒は約10倍内径及び外径が拡大する可能性がある。また、中間筒に対して内筒は約1/2倍外径が拡大する。
【0031】
径D、周長さD・π、線熱膨張係数ζのリングを、始めの温度T1、終りの温度T2(ただしT1<T2)で膨張させると、周長さはD・π×ζ×(T1−T2)だけ増加し、D・π+D・π×ζ×(T1−T2)となる。これを径に換算する(πで割る)と、膨張後の径は、D+D×ζ×(T1−T2)=D(1+ζ×(T1−T2))となる。
【0032】
室温20℃、焼結温度1320℃と仮定すると、温度差は1300℃(=1300K)となる。
外筒の内径は、内径×(1+線熱膨張係数×温度差)=130×(1+1.0×10-6×1300)=131.7mmになる。
中間筒の外径は、無拘束状態であれば、外径×(1+線熱膨張係数×温度差)=128×(1+10.5×10-6×1300)=145.5mmになるはずである。
【0033】
しかし、中間筒(引張り強度:150 MPa)は、これより大幅に強度の大きな外筒(引張り強度:290 MPa)に拘束されるため十分には膨張し得ない。
外筒が中間筒で押されて内径は、(133.7+α)mmになるとすれば、中間筒の外径は次の様に増径すると推定できる。
中間筒(外径)は、室温で128mmであったものが、通電後に(3.7+α)mm増径して(131.7+α)mmになる。すなわち、拘束されるため145.5mmにはなり得ない。
【0034】
この拘束効果で、中間筒の内径は、ほぼ(3.7+α)mm増径して(103.7+α)mmになる。
内筒の外径は、無拘束状態であれば、外径×(1+線熱膨張係数×温度差)=100×(1+4.5×10-6×1300)=105.9mmになる。
【0035】
前記αが2mm程度であれば、加熱後の内筒の外径(105.9mm)と中間筒の内径(103.7+2=105.2mm)はよく近似する。
内筒の外径が若干勝るので、しまり嵌めとなるが、内筒に過大な熱応力を発生する心配はない。
一方、中間筒は外筒で伸びを拘束されるため熱応力は発生する。しかし、上述した通りに無拘束膨張量の1/4〜1/2に相当する量を膨張させた後に拘束したので、熱応力は十分に下げることができる。熱応力を下げることにより、外筒並びに中間筒の寿命を大幅に延ばすことができ、繰り返し使用回数を大幅に増加させることができる。
【0036】
この様に本発明は、中間筒(セラミックス製筒)と外筒(炭素繊維強化炭素製筒)との間に熱膨張を緩和するために所定の隙間を設けたことを特徴とし、これにより、中間筒並びに外筒の傷みを抑えるようにしたものである。
隙間(図1,2の符号35)は、上記実施例では(130−128)/2=1で求められる1mmであった。この隙間は大きいほど熱応力を下げ中間筒並びに外筒の傷みを抑えることができる。しかし、内筒への拘束作用(バックアップ作用)が弱まる若しくは無くなるので過大な隙間は好ましくない。
また、隙間は、小さいほど中間筒並びに外筒の寿命が短くなる。
そこで、内筒への適度な拘束作用を発揮させつつ、中間筒並びに外筒の寿命を確保できる様な隙間を、構成要素の線熱膨張係数や焼結温度を考慮して、決定すればよい。この決定隙間を所定の隙間とする。
【0037】
内筒は原則として1焼結工程毎に新品と交換する。内筒は黒鉛製であるから、加工が容易であり、原料が容易に入手できるので、安価である。
これに対して、外筒は炭素繊維強化炭素製であるため、極めて高価であり、中間筒も窒化珪素製やジルコニア製であるため高価なものであり、いずれも寿命がくるまでは再使用する。
【0038】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項1では、下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結材を得る。
この際、熱膨張係数の最も大きなセラミックス製の中間筒が一番増径する。この様な中間筒を、隙間がゼロになるまでは、増径させ、この後は外筒で増径を抑える。これにより、中間筒に発生する熱応力を低レベルに抑え、中間筒並びに外筒の寿命を延ばす。
【0039】
また、内筒をそれより強度の大きな中間筒でバックアップするため、内筒にパンチ圧を加えることができる。また、安価な内筒は使い捨てにするが、高価な中間筒及び極めて高価な外筒は多数回使用できるため、ダイスコストは抑えることができる。
【0040】
加えて、中間筒を導電性セラミックスとすることにより、次の作用及び効果を発揮させることができる。
(1)、通常の絶縁性セラミックスでは電流が遮断されるが、本発明では中間筒を導電性セラミックスにしたので電流が遮断されることが無く、ダイス全体の温度が上昇して炉の役割を果たすことができる。これにより焼結に最適な温度を容易に得ることができる。
(2)、導電性セラミックスは製作の際に放電加工が可能であり、製作コストが大幅に削減でき、かつ形状の自由度も大きくなり、複雑な形状の部品にも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る通電焼結装置の原理図
【図2】通電焼結加工用ダイスの別の構成説明図
【符号の説明】
10…通電焼結装置、11…下パンチ、15…上パンチ、21…電源、22…制御部、30,30B…通電焼結加工用ダイス、31…焼結粉末、32…内筒、33…中間筒、34…外筒、35…隙間。
Claims (1)
- 下パンチをセットしたダイスに、焼結粉末を充填し、上パンチをセットし、上下パンチで圧粉しつつ通電することで焼結材を得る通電焼結の際に使用するダイスであって、このダイスは、焼結粉末に触れる内筒とこの内筒を囲う中間筒とこの中間筒を囲う外筒とからなる3重円筒であり、前記内筒は黒鉛製筒、前記中間筒はセラミックス製筒、前記外筒は炭素繊維強化炭素製筒とし、且つセラミックス製筒と炭素繊維強化炭素製筒との間に熱膨張を緩和するために所定の隙間を設けた通電焼結加工用ダイスにおいて、
前記セラミックス製筒は、導電性セラミックスで構成したことを特徴とする通電焼結加工用ダイス。
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