JP6232858B2 - 焼結体の製造方法およびそれに用い得る治具 - Google Patents

Description

本発明は焼結体の製造方法およびそれに用い得る治具に関する。

金属部品の製造方法の一つである金属粉末射出成形法（ＭＩＭ法：Ｍｅｔａｌ Ｐｏｗｄｅｒ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）は、複雑な形状の金属部品を製造し得る方法として知られている。
ＭＩＭ法で複数の要素を組み合わせた構造からなる連結体を得るには、まず、金属粉末をバインダと混合させて流動性を持たせ、これを射出成形することにより複数の成形体を得た後、これらを一体化して連結体を得る。そして、連結体を加熱してバインダの大部分を除去した後、さらに高温で加熱して金属粉末を焼結させることで金属部品としての焼結体を得ることができる。
これに関連した従来法として、例えば特許文献１または２に記載の方法が挙げられる。

特開２００１−１５８９０２号公報 米国特許出願公開第２００７／０１０２５７２号明細書

しかしながら従来法では、重力の方向にしか成形体を一体化できず、多数の成形体が複数の方向で収縮するような、複雑な連結体を作ることは困難であり、実用的ではない。例えば複数の成形体を一体化して全体として円弧状をなす焼結体を得ようとした場合、複数の成形体における全ての接合面において均等に密着するように応力を付与することが困難である。そのため、成形体間に隙間が生じる等して、所望の円弧状の焼結体が得られないという不具合が生じていた。

本発明は上記の課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明の目的は、精度よく円弧状の焼結体を製造することができる焼結体の製造方法およびそれに用い得る治具を提供することである。

本発明者は上記の課題を解決するために鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は以下の（１）〜（６）である。
（１）金属粉末を用いて複数の成形体を成形し、これらの成形体から構成される連結体を治具へ配置した状態で焼結することで、前記連結体を構成する複数の前記成形体が結合してなる焼結体を得る、焼結体の製造方法であって、
前記治具は前記連結体を保持する保持部を有し、前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま移動するように構成されている、円弧状をなす焼結体が得られる焼結体の製造方法。
（２）前記治具が有する前記保持部は直線的に移動し、全ての前記保持部の移動方向が１点に収斂する、上記（１）に記載の焼結体の製造方法。
（３）前記焼結体としてタービン静翼が得られる、上記（１）または（２）に記載の焼結体の製造方法。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の焼結体の製造方法において用いることができる治具であって、
前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま移動するように構成されている、円弧状をなす焼結体を得るための治具。
（５）板状の本体部と、前記本体部の上面において直線的に移動可能な保持部とを有し、
前記保持部における移動方向が１点に収斂し、焼結による収縮の作用によって前記保持部が移動するように構成されている、上記（４）に記載の治具。
（６）前記本体部は水平面に対して斜めに配置され、スリットが形成されており、
前記保持部は前記スリットに嵌められ、前記本体部の上面において前記スリットに沿って移動可能に構成されていて、焼結による収縮の作用へ、さらに前記連結体への重力の作用が加わることで前記保持部が移動する、上記（５）に記載の治具。

本発明によれば、精度よく円弧状の焼結体を製造することができる焼結体の製造方法およびそれに用い得る治具を提供することができる。

成形体の一例を示す概略斜視図である。 連結体の一例を示す概略斜視図である。 本発明の治具の好適態様を示す概略斜視図である。 本発明の治具の本体部をその主面の鉛直方向から見た概略図である。 本発明の治具に連結体を配置した状態を示す概略斜視図である。 本発明の治具に焼結体が配置された状態を示す概略斜視図である。 本発明の治具に連結体を配置した状態を示す別の概略斜視図である。

本発明について説明する。
本発明は、金属粉末を用いて複数の成形体を成形し、これらの成形体から構成される連結体を治具へ配置した状態で焼結することで、前記連結体を構成する複数の前記成形体が結合してなる焼結体を得る、焼結体の製造方法であって、前記治具は前記連結体を保持する保持部を有し、前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま移動するように構成されている、円弧状をなす焼結体が得られる焼結体の製造方法である。
このような焼結体の製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。

また、本発明は、本発明の製造方法において用いることができる治具であって、前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま移動するように構成されている、円弧状をなす焼結体を得るための治具である。
このような治具を、以下では「本発明の治具」ともいう。

本発明の製造方法について説明する。
本発明の製造方法では、金属粉末を用いて成形した成形体を複数用意する。
金属粉末は特に限定されず、例えば従来公知のものを用いることができる。材質としては、例えば鉄鋼、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金などが挙げられる。
金属粉末の粒径等も従来公知のものと同様であってよく、例えば平均粒子径が１０μｍのものを用いることができる。

成形体の製造方法は特に限定されず、例えば従来公知の方法で製造することができる。具体的には、例えば、初めに金属粉末とバインダとを混合する。ここで必要に応じて混練機を用いて混合する。次に、これを必要に応じて造粒してペレットにした後、射出成型機に装入し、加熱して流動性を持たせた状態で射出成形して、成形体を得ることができる。
ここで用いるバインダも特に限定されず、例えば従来公知のプラスチック（ポリプロピレンなど）を用いることができる。

成形体の形状も特に限定されない。例えば本発明の製造方法によって得る焼結体がタービン静翼である場合は、図１に示すタービン静翼の形状であって、複数の同じものを結合することで、図２に示す円弧状をなす連翼構造のタービン静翼と同様の形状となるものが挙げられる。
図１に示す成形体１は、焼成することで翼部となる板状の翼面３と、その両端に存する、アウタバンド部となる上端部５およびインナバンド部となる下端部７とからなるものである。
このような成形体１は、例えば鋳型を用いて射出成型することで製造することができる。

本発明の製造方法では、上記のような成形体から連結体を得る。連結体を構成する複数の成形体同士は必ずしも結合されていなくてもよいが、結合されていることが好ましい。
この連結体は、本発明の製造方法によって得られる焼結体と相似の形状をなすものである。したがって連結体は焼結体と同様に円弧状をなす。円弧状をなす連結体として、例えば図２に示す態様の連結体が挙げられる。図２は、本発明の製造方法によって得られる焼結体が連翼構造のタービン静翼の場合であり、それと相似形状の円弧状をなす連結体を示す概略斜視図である。
図２において連結体１０は、図１に示した成形体１を１１個結合したものである。

複数の成形体を結合する方法は特に限定されない。

また、連結体は、これを構成する複数の成形体における接合面が、治具が有する保持部へ配置した際に、前記保持部の移動方向に対して垂直方向ではないことが好ましく、前記保持部の移動方向に対して略平行であることがより好ましい。
このような連結体として、図２に示した連結体１０が挙げられる。これについては後に詳細に説明する。

本発明の製造方法では、特定の治具として本発明の治具を用いて、この治具が有する保持部へ上記のような連結体を配置した状態で焼結する。
本発明の治具は、前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま移動するように構成されている治具である。
また、本発明の治具は、板状の本体部と、前記本体部の上面において直線的に移動可能な保持部とを有し、前記保持部における移動方向が１点に収斂し、焼結による収縮の作用によって前記保持部が移動するように構成されているものであることが好ましい。
さらに、本発明の治具は、前記本体部は水平面に対して斜めに配置され、スリットが形成されており、前記保持部は前記スリットに嵌められ、前記本体部の上面において前記スリットに沿って移動可能に構成されていて、焼結による収縮の作用へ、さらに前記連結体への重力の作用が加わることで前記保持部が移動するものであることが、より好ましい。
具体的には、本発明の治具は、以下に説明する態様であることが好ましい。

本発明の治具の好適態様について、図３、図４を用いて説明する。
図３は本発明の治具の好適態様を示す概略斜視図である。
図３に示す本発明の治具２０は、板状の本体部２４と、本体部２４の上面において直線的に移動可能な保持部２６とを有する。また、本体部２４は水平面に対して斜めに配置され、スリット２２が形成されており、保持部２６はスリット２２に嵌められ、本体部２４の上面においてスリット２２に沿って移動可能に構成されている。ここでスリット２２は図４に示すように、本体部２４をその主面の鉛直方向から見た場合において直線的に形成されているので、これに嵌められていて、これに沿って移動する保持部２６も、同様に直線的に移動する。
なお、理解を容易にするために、図４では保持部の記載を省略している。

また、図３に示す態様の本発明の治具２０は、図４に示すように、保持部２６における移動方向が１点に収斂するように構成されている。
保持部２６の移動方向とは、前述のように、本体部２４をその主面の鉛直方向から見た場合における保持部２６の移動方向を意味する。そして、全ての保持部２６の移動方向は図４に示すように直線的であり、それらの延長線（図４において点線で示している）は１点（点３０）に収斂している（すなわち、全ての延長線が点３０で交わっている）。
このような構成であると、焼結による成形体の収縮に合わせて保持部２６が連結体を保持したまま移動して、保持部２６へ配置した際の連結体がなす形状と相似形状の焼結体が得られる。

また、本体部２４をその主面の鉛直方向から見た場合の保持部２６の移動方向を直線（図４においては点線で示している）で示した場合における、その最も外側の２本がなす角度（図４においてβ）は、９０度以下であることが好ましく、４５度以下であることがより好ましい。

また、本発明の治具２０は、本体部２４が水平面に対して斜めに設置されるように脚２８を有する。ここで本体部２４と水平面がなす角度αは、３〜７５度であることが好ましく、３〜５０度であることがより好ましい。
このように本体部２４が水平面に対して斜めに設置されていると、焼結による収縮および前記連結体への重力の作用によって、保持部２６が移動することができる。そして、保持部２６へ配置した際の連結体がなす形状と相似形状の焼結体を得ることができる。

図３、４を用いて説明した好適態様である本発明の治具２０は、板状の本体部２４と、本体部２４の上面において直線的に移動可能な保持部２６とを有し、保持部２６における移動方向が１点（点３０）に収斂するように構成されていて、さらに本体部２４は水平面に対して斜めに配置され、スリット２２が形成されており、保持部２６はスリット２２に嵌められ、本体部２４の上面においてスリット２６に沿って移動可能に構成されていて、焼結による収縮の作用へ、さらに前記連結体への重力の作用が加わることで保持部２６が移動するものであるが、本発明の治具はこれに限定されない。
例えば本体部の上面において保持部が直線的に移動可能であれば、スリットは必須ではなく、例えば本体部の上面に直線状のレールが形成されていて、これに沿って保持部が移動するように構成されていてもよい。

本発明の製造方法では、上記のような本発明の治具を用いて、この治具が有する保持部へ上記のような連結体を配置した状態で焼結する。
図５は、好適態様として挙げた図３、図４に示す本発明の治具２０が有する保持部２６へ、図２に示した態様の連結体１０を配置した状態を示す概略斜視図である。
このような図５に示した状態において連結体１０を焼結すると、徐々に連結体１０が収縮するが、その収縮する力へ重力の作用が加わって、その収縮に追従するように全ての保持部２６が本体部２４の表面に沿って下方向へ移動する。そして焼結が完了すると、例えば図６に示すような状態となる。図６において焼結体４０は、図５に示した保持部２６へ配置した際の連結体１０がなす形状と、相似形状を備えている。
本発明の製造方法によって円弧状をなす焼結体を得る場合、複数の成形体１における全ての接合面４２において均等に密着するように応力を付与することができる。したがって、成形体１の間に隙間は生じ難いので、所望の円弧状の焼結体を得ることができる。

また、前述のように、本発明の製造方法において連結体１０は、これを構成する複数の成形体１における接合面４２が、治具２０が有する保持部２６へ配置した際に、保持部２６の移動方向に対して垂直方向ではないことが好ましく、図５および図６に示すように、保持部２６の移動方向に対して略平行であることがより好ましい。
このような場合であっても、本発明の治具を用いた本発明の製造方法によれば、全ての接合面４２において密着するように応力を付与することができる。

ただし、本発明の製造方法において連結体１０は、図７に示すように、これを構成する複数の成形体１における接合面４２が、治具２０が有する保持部２６へ配置した際に、保持部２６の移動方向に対して垂直方向であってもよい。このような場合、図７に示す態様の治具２０を用いることが好ましい。
図７において連結体１０は３つの成形体１を含み、これらの接合面４２が保持部２６の移動方向に対して略垂直方向に存している。図７に示すように連結体１０を治具２０へ配置して焼結すると、徐々に連結体１０が収縮し、重力に逆らうように保持部２６が本体部２４の表面に沿って上方向へ移動する。このようにすると複数の成形体１における全ての接合面４２において均等に密着するように応力を付与することができるので、成形体１の間に隙間は生じ難く、所望の円弧状の焼結体を得ることができる。
なお、図７に示した態様の治具２０を用いる場合、保持部２６が本体部２４の表面に沿って上方向へ移動しやすいように、保持部２６に錘などを繋げて、本体部２４の表面に沿って上方向へ保持部２６をひっぱり上げるように構成してもよい。

このような本発明の製造方法によれば、精度よく円弧状の焼結体を製造することができる。
また、本発明の製造方法では、切削工程は省略することができる。したがって材料を無駄にしない点でも好ましい。

１ 成形体
３ 翼面
５ 上端部
７ 下端部
１０ 連結体
２０ 本発明の治具
２２ スリット
２４ 本体部
２６ 保持部
２８ 脚
３０ 点
４０ 焼結体
α 本体部が水平面に対してなす角度
β 最も外側の延長線がなす角度

Claims (4)

1. 金属粉末を用いて複数の成形体を成形し、これらの成形体から構成される連結体を治具へ配置した状態で焼結することで、前記連結体を構成する複数の前記成形体が結合してなる焼結体を得る、焼結体の製造方法であって、
   前記治具は前記連結体を保持する保持部を有し、前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま直線的に移動し、全ての前記保持部の移動方向が１点に収斂するように構成されている、円弧状をなす焼結体が得られる焼結体の製造方法。
2. 前記焼結体としてタービン静翼が得られる、請求項１に記載の焼結体の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の焼結体の製造方法において用いることができる治具であって、
   板状の本体部と、前記本体部の上面において直線的に移動可能な前記保持部とを有し、前記保持部における移動方向が１点に収斂し、
   前記保持部へ配置した際の前記連結体がなす形状と相似形状の前記焼結体が得られるように、焼結による前記成形体の収縮に合わせて前記保持部が前記連結体を保持したまま移動するように構成されている、円弧状をなす焼結体を得るための治具。
4. 前記本体部は水平面に対して斜めに配置され、スリットが形成されており、
   前記保持部は前記スリットに嵌められ、前記本体部の上面において前記スリットに沿って移動可能に構成されていて、焼結による収縮の作用へ、さらに前記連結体への重力の作用が加わることで前記保持部が移動する、請求項３に記載の治具。

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