JP4326870B2 - 焼結製品の孔形成方法及び焼結製品 - Google Patents

Description

この発明は、焼結製品に関し、より詳しくは、焼結製品に対してドリルでも放電でもレーザでも穿孔不可能な、微細な孔を形成することができるような焼結製品の製造技術と、これを用いて製造した焼結製品に関する。

焼結製品は、車両や家電製品、電子機器、通信電力インフラ関係、生活・医療用品関係等に幅広く使用されており、高い寸法精度や高い生産性など、焼結製品独自の特性から今後も広く利用が期待されている。
焼結製品は原料粉体をプレスで圧縮成形して得た成形体（圧粉体）を焼結炉で加熱・焼結（焼結処理）して製品（焼結体）とするもので、焼結体は必要に応じて再圧縮や後処理などの付加的処理を施され、また成形が困難な部位については機械加工が施されて、所望の硬さや形状に仕上げられる。
孔を開ける穿孔も焼結体に施す一つの重要な加工であり、それはドリルや放電、レーザにより行われている。
しかし、上記いずれかの方法でも０．２mmより小さい寸法の孔を開けることはむつかしい。ドリルを用いた場合、直径０．１７mmが限度とされている。
そこで、超硬合金からなる細いピンを用いて原料粉体の成形を行い、微細孔を形成する方法を提案した（特願２００２−２４３７５８号）。この方法によれば、微細な孔を形成することかできるが、いまだ改良の余地がある。

この発明は、ドリル等で加工が不可能なほどの微細な孔を有した様々な焼結製品を得ることが、より簡単にできるようにすることを主たる課題とする。

そのための手段は、原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、孔部を有した焼結製品の孔部を形成する焼結製品の孔形成方法であって、上記成形処理を、主型内に合成樹脂製の中子を入れて射出成形又は高速遠心成形により行うとともに、該中子には、焼結製品の中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて焼結製品に上記孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、該枝部を支えるべく主型内で定置される、枝部よりも太い支持部とを有する中子を用い、上記成形処理後に、上記中子を消失させる中子除去処理を行う焼結製品の孔形成方法であることを特徴とする。

上記中子は、硬質で、原料粉体の成形にも耐えられる融点を有する、例えばアクリル樹脂などの合成樹脂で形成するとよい。

すなわち、焼結製品の孔形成は、例えば射出成形や高速遠心成形により中子を用いて原料粉体を成形し、その成形品を、所定の温度に加熱することで、中子を消失させる（飛ばす）ことができる。これにより、内部に中空部と孔部とを有する焼結製品の形が得られるので、後は焼結することで、焼結製品が得られることになる。

上記各成形方法のうちの高速遠心成形は、常温で成形するので、成形時に中子が溶けてしまうなどのおそれもなく、中子の選定範囲が広いなどの利点がある。

上記成形処理で、中子は、その全体を、例えば計算値に基づいて主型内の所定位置までに入れて、支持部を主型内に定置させる。定置は、主型内に接地させたりするだけでよい。この状態で原料粉体を入れて成形を行う。

なお、焼結処理での焼結により成形体は収縮するので、その収縮を有効に利用するのがよく、収縮率に応じて、形成する孔の大きさよりも若干太めに枝部を形成しておく。つまり、枝部の太さを、焼結したときの収縮率を考慮した太さに設定するとよい。

焼結処理の前又は後に、上記支持部対応部位の近傍を切削する切削処理を行うと、成形のみでは得られない細かな所望の形態を得られる。

別の手段は、上記焼結製品の孔形成方法に用いる中子であって、上記焼結製品の中空部を形成する幹部と、上記幹部から延びて焼結製品に孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、該枝部を主型内で支持すべく、枝部の先端側に連設され主型内面に定置される、枝部よりも太い支持部とを有する中子であることを特徴とする。

また別の手段は、上記焼結製品の孔形成方法に用いる中子であって、上記焼結製品の中空部を形成する幹部と、上記幹部から放射状に延びて焼結製品に孔部を形成する枝部と、これら枝部を主型内で支持すべく、枝部の先端を一体に連結するリング状に形成され主型内面に定置される支持部とで形成するとともに、上記枝部の径を、０．２２mm以下に設定したディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル形成用の中子であることを特徴とする。枝部の径が０．２２mm以下であれば焼結して収縮することにより０．１７mm以下の、ドリルでは加工不可能な径になる。

別の手段は、原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、孔部を有した焼結製品を製造する焼結製品の製造方法であって、上記成形処理を、主型内に合成樹脂製の中子を入れて射出成形又は高速遠心成形により行うとともに、該中子には、焼結製品の中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて焼結製品に上記孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、該枝部を支えるべく主型内で定置される、枝部よりも太い支持部とを有する中子を用い、上記成形処理後に、上記中子を消失させる中子除去処理を行う
焼結製品の製造方法であることを特徴とする。

その焼結製品は、上記中子の枝部により形成され孔が、開口面積０．０２３mm²以下、または直径０．１７mm以下である焼結製品であるとよい。

また、その焼結製品は、上記中子の枝部により形成された孔が、直径０．０７mm以下、好ましくは０．０５mmであるディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル又はその部品であるもよい。ディーゼルエンジン用燃料噴射ノズルの部品は、ろう付けなどの適宜手段によりノズル本体部材に固着してノズルを形成する。

焼結製品は、液体や気体などの流体、または光線などの波動を規制しながら通す規制部材であるとよく、好ましくは上記のようなディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル又はその部品であると、ＮＯｘの低減等に多大な効果をもたらすことができるのでよい。

以上のように、この発明によれば、孔部となる部分は成形処理時にあらかじめ中子により形成しており、その中子を後で消失させる方法であるので、後で別途に孔部を形成する方法であるよりも簡単に孔部が形成できる。しかも、ドリル、放電、レーザを用いて形成するよりも小さい、微細孔を形成できる。その微細孔を形成する中子の枝部は、中空部を形成する幹部から延びて、主型内に定置される支持部によって支持されているので、安定し、枝部が不測に折れたりすることなく確実に孔部を形成できる。枝部の形状によってはまっすぐの孔部のほか、曲がった孔部も形成できる。

このように、孔部を容易に形成できる上に微細孔も形成できるので、孔形成が要求されている様々な分野に大きく貢献できる。
また中子は、合成樹脂で形成しているので、その融点以上に加熱することで中子を蒸発させる（飛ばす）ことができる。このため、処理は容易であって、簡単に製造できる。特に、原料粉体に混合したパラフィン等を溶かす中温で加熱処理する中焼結と同時に行えば、処理を省略できる。

成形処理を高速遠心成形で行えば、特に、成形速度が速い、焼結性が高い、機械的特性が優れているなどの利点を得られる。

焼結製品が所定大の微細孔を有するディーゼルエンジン用燃料噴射ノズルである場合には、噴射する燃料を非常に細かくすることができ、燃料の完全燃焼を図れ、ＮＯｘやＤＥＰ（ディーゼル・エキゾースト・パーティキュレート）を低減、若しくは無くすることができ、環境問題対策に大きく貢献できる。

また形成する孔部は、上述のような微細孔でなくともよく、孔部を有する焼結製品を、中子を用いる本発明の方法で形成することで、これまで別工程で形成していた孔部を、工数を少なくして容易に形成することができるようになる。

この発明を実施するための最良の一形態を、以下図面を用いて説明する。
図１（ａ）は焼結製品としてのディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル１１（以下、ノズルという）の要部の断面図であり、このノズル１１は、ノズル１１の軸方向に穿設された中空の内孔１２と、この内孔１２の先端に設けられたテーパコーン状のシート部１３と、このシート部１３の先端に設けられた円筒内壁面１４ａ及び半球面１４ｂからなるホール部１４とを有している。そして上記ホール部１４の半球面１４ｂには、図１（ｂ）に示したように放射状に延びる複数の噴射孔１５…を形成している。

ノズル１１の上記内孔１２には、図示しないが先端部が円錐形状をなす丸棒状のニードルを保持し、上記噴射孔を閉じる方向に付勢する。

上記噴射孔１５の直径Ｄ1は、０．１７mm以下、より好ましくは、０．０５mmである。

このような噴射孔１５を有したノズル１１は、図２のフローチャートに示したような複数段階の処理を経て製造する。

まず、焼結製品１が所望の性状を示すようにすべく、各種の金属粉体等からなる原料粉体を所定の割合で混合し、成形材料を得る（混合処理、ステップｎ１）。

続いてその成形材料を射出成形又は高速遠心成形により成形して成形体を得る（成形処理、ステップｎ２）。この成形処理は、図３、図４に示したような中子１６を用いて行う。図５中、１７が主型で、１８が成形材料である。つまり、主型１７内に中子１６を入れてから成形材料１８を入れて成形する。

ここで、上記中子１６は、上記内孔１２に対応する棒状の幹部１６ａと、該幹部１６ａの先端部から放射状に延びて上記噴射孔を形成する枝部１６ｂ…と、これら枝部１６ｂ…を主型１７内で安定して支持すべく、枝部１６ｂの先端を一体に連結するリング状に形成された支持部１６ｃとを有している。支持部１６ｃには、主型１７の内面に接触して定置される接地部１６ｄを形成している。図３（ａ）に示したように、断面円形に形成するも、図３（ｂ）に示したように断面略かまぼこ形に形成して接地面１６ｄを平らに形成するもよい。また図５に仮想線で示したように、支持部１６ｃが主型１７の下部隅部１７ａに位置するように形成することにより、より安定よく支持できる。

このように形成した中子１６は、主型１７内に下ろし、中子１６と主型１７の寸法に基づいてあらかじめ計算した位置まで下ろして支持部１６ｃの接地部１６ｄを無理なく接地させ、その位置で固定する。

また、上記枝部１６ｂの太さは、焼結により収縮する収縮率を考慮して、所望する噴射孔１５の径Ｄ1よりも若干大きく設定する。例えば、上述のように０．０５mmの噴射孔１５を形成する場合、枝部１６ｂの太さＤ2は、例えば０．０７〜０．０６５mm程度に設定するとよい。

さらに、この中子１６は、例えばアクリルやポリカーボネート等の合成樹脂で形成し、中でもアクリル樹脂で形成するのがよい。

アクリル樹脂は、射出成形（成形温度約２５０〜２８０度）により上記形状に形成する。

成形処理ｎ２を射出成形で行う場合には、およそ１６０〜１８０度くらいの成形温度で成形材料の成形を行う。この場合、原料粉体は粘度の高い有機バインダを媒体として使用し、粉体を分散させて上記成形材料とする。

高速遠心成形で行う場合は、粘土の低い水やエタノール等の有機溶媒を媒体として粉体を分散させ泥漿を得る。図７は、高速遠心成形による成形処理を示す説明図である。

つまり、主型１７内に中子１６を入れ（図７（ａ）参照）、中子１６の支持部１６ｃが主型１７内に接地した定置状態に保持するとともに、成形材料としての泥漿を中子１６の上端部を構成している中子保持部材１９の貫通孔１９ａを通して入れて（図７（ｂ）参照）、常温で高速回転させる。すると、泥漿内の原料粉体が下方に移動して、成形体２０を得ることができる。なお、上記中子保持部材１９もアクリル樹脂で形成する。中子１６と一体に形成するもよい。

図７中、１９ｂは位置決め部で、中子１６を主型１７内におろして支持部１６ｃの接地部１６ｄを接地させた状態に位置決めするためのものである。

このような成形処理ｎ２の後は、成形体２０を主型１７から外す。そして、成形体２０は、中子１６を有した状態であるので、次の中焼結処理ｎ３で、中子１６を蒸発させ、消失させる。すなわち、原料粉体に混入したパラフィン等を溶かすとともに、中子１６を蒸発させることが可能な中温（本来の焼結温度よりも低い温度、例えば７００度位）で加熱する中焼結処理ｎ３を行う。この中焼結処理ｎ３により、切削処理ｎ４が行いやすくなるので、続いて、図２に示したように切削処理ｎ４を行い、図７（ｃ）に仮想線で示したような中子１６の支持部対応部位の近傍を含む不要部位と、その他内側の不必要部位とを適宜切削して噴射孔１５を露出させるとともに、所望の形状に形成する。

次に本来の焼結温度（例えば１３００〜１４００度位）で加熱する本焼結処理ｎ５を行い、焼結製品としてのノズル１１を得る。

これら切削処理ｎ４と本焼結処理ｎ５は、仮想線で示したように順序を入れ替えるもよい。

この後は、必要に応じて、適宜の後処理を行う。その後処理とは、例えば、所望の形状になるように形を整える整形で、例えば鍛造である。

焼結製品が、ノズル１１の噴射孔１５を有する部分の部品である場合には、その部品をノズル本体部材の先端部に、ろう付けなどの適宜手段で固着して、ノズルを完成する。
このようにして製造したノズル１１では、ドリルや放電、レーザで穿孔できなかったような小さな微細孔を形成することができる。このため、急務とされているディーゼルエンジンから排出されるNOｘやＤＥＰ（ディーゼル・エキゾースト・パーティキュレート）の低減若しくは皆無化が、実現できる。すなわち、噴射孔１５を通して噴射される燃料を超微粒子化することにより、燃料の完全燃焼を行わせることができる。

以上の一形態におけるノズルは、この発明の焼結製品に対応し、
内孔１２は、中空部に対応し、
噴射孔１５は、孔部に対応し、
中焼結処理ｎ３は、中子除去処理に対応し、
本焼結処理ｎ５は、焼結処理に対応するも、
この発明は、上記一形態の構成のみに限定されるものではない。

例えば、焼結製品としては、ディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル以外のノズルであるもよく、また、例えば小型化や精密化、省エネ化など様々な要求が高い電子機器や通信機械機器などを始めとする各方面の製品であるもよい。

また、形成する孔（噴射孔１５）は、中子の枝部を正面視及び／又は平面視で湾曲する形に形成すれば、孔もそのような形に形成でき、ドリル等では形成できない形の孔を形成することもできる。

さらに、孔の断面形状も、丸以外の異形に形成するもよく、そのような異形の孔の形成も、上述と同様、容易に行える。

さらにまた、支持部１６ｃの形状は、枝部１６ｂの配置や向きなどに応じて適宜形成すればよく、上記例のようにリング状以外の形態、例えば棒状、半円状などであるもよい。

また支持部１６ｃと幹部１６ａに軽重や主従はなく、所望とする孔部を形成するのであれば、支持部と幹部は例えば同形であるもよい。つまり、例えば棒状の支持部と、該支持部と同形の幹部を枝部で連結したような形状の中子であるもよい。

支持部１６ｃを有する中子１６と、中子保持部材１９のほか、上記主型１７もアクリル等の合成樹脂で形成するもよく、この場合には、これらをひとつのセットにして、別の金属製の主型内に入れて成形する。

また処理に関しては、中焼結処理ｎ３なしに、または中焼結処理ｎ３とは独立に中子除去処理のみを行うもよい。

ディーゼルエンジン用燃料噴射ノズルの要部構成図。 製造処理を示すフローチャート。 中子の縦断面図。 中子の横断面図。 成形状態を示す断面図。 中子の断面図。 高速遠心成形に基づく製造処理を示す説明図。

符号の説明

１１…ディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル
１２…内孔
１５…噴射孔
1６…中子
１６ａ…幹部
１６ｂ…枝部
１６ｃ…支持部
１７…主型
２０…成形体
ｎ２…成形処理
ｎ３…中焼結処理
ｎ５…本焼結処理

Claims (5)

1. 原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、孔部を有した焼結製品の孔部を形成する焼結製品の孔形成方法であって、
   上記成形処理を、主型内に合成樹脂製の中子を入れて射出成形又は高速遠心成形により行うとともに、
   該中子には、焼結製品の中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて焼結製品に上記孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、該枝部を支えるべく主型内で定置される、枝部よりも太い支持部とを有する中子を用い、
   上記成形処理後に、上記中子を消失させる中子除去処理を行う
   焼結製品の孔形成方法。
2. 原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、孔部を有した焼結製品の孔部を形成する焼結製品の孔形成方法であって、
   上記成形処理を、主型内に合成樹脂製の中子を入れて高速遠心成形により行うとともに、
   該中子には、焼結製品の中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて焼結製品に上記孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、該枝部を支えるべく主型内で定置される、枝部よりも太い支持部とを有する中子を用い、
   上記成形処理後に、上記中子を消失させる中子除去処理を行う
   焼結製品の孔形成方法。
3. 前記請求項１又は２に記載の焼結製品の孔形成方法に用いる中子であって、
   上記焼結製品の中空部を形成する幹部と、
   上記幹部から延びて焼結製品に孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、
   該枝部を主型内で支持すべく、枝部の先端側に連設され主型内面に定置される、枝部よりも太い支持部とを有する
   中子。
4. 前記請求項１又は２に記載の焼結製品の孔形成方法に用いる中子であって、
   上記焼結製品の中空部を形成する幹部と、
   上記幹部から放射状に延びて焼結製品に孔部を形成する枝部と、
   これら枝部を主型内で支持すべく、枝部の先端を一体に連結するリング状に形成され主型内面に定置される支持部とで形成するとともに、
   上記枝部の径を、０．２２mm以下に設定した
   ディーゼルエンジン用燃料噴射ノズル形成用の中子。
5. 原料粉体を成形する成形処理と、該成形処理で成形した成形体を焼結する焼結処理とを有し、孔部を有した焼結製品を製造する焼結製品の製造方法であって、
   上記成形処理を、主型内に合成樹脂製の中子を入れて射出成形又は高速遠心成形により行うとともに、
   該中子には、焼結製品の中空部を形成する幹部と、該幹部から延びて焼結製品に上記孔部を形成する、幹部よりも細い枝部と、該枝部を支えるべく主型内で定置される、枝部よりも太い支持部とを有する中子を用い、
   上記成形処理後に、上記中子を消失させる中子除去処理を行う
   焼結製品の製造方法。
   

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