JPH01123702A - サイクリック静水圧成形法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、 ■セラミックスおよびその複合材の焼結前の成形加工、 ■粉末焼結金属およびその複合材の焼結前の成形加工、 ■プラスチックおよびその複合材の成形加工、に利用で
きる高密度で均質な静水圧成形体の製造法に関する。

（従来の技術） 粉体等の成形体の製造法としては、−船釣には一軸プレ
スが用いられるが、粉体のブリッジング現象などのため
に厚肉や複雑な形状の場合、高い密度が得られず著しい
密度分布の差が生じる。

このため、厚肉や複雑な形状をしたセラミックスの焼結
前の成形体のように高密度が要求される場合には、静水
圧成形法（ＣＩ　Ｐ法）が用いられてきた。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、最近の研究によって、静水圧成形体では高密
度は得られても密度は均質でないことが明らかにされた
。

第１図（イ）、（ロ）は、従来法による静水圧成形体の
密度分布の一例で、密度は成形体表面で最も高く、内部
へ５〜６ＩＩＩＩ１１の所までは急激に低下し、それよ
り内部では鍋底状となり、うねりが現れている。

セラミックスを例にとれば、こうした密度の不均質な成
形体を焼結すると、変形やクラックの発生の原因となり
、さらに構造用セラミックスの場合には、機械的強度の
低下とそのバラツキが大きくなり、構造材として著しく
信顛性の低い製品となる。

上述の通り、これまでの静水圧成形法では、高密度で均
質な成形体を製造することはできないが、その原因は主
として粉体のブリッジング現象によるものと思われる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、静水圧成形の最初の段階で加えられた圧力に
よって形成されたブリッジングを、さらに繰り返し圧力
を負荷することにより崩かいし、また二次粒子或いは粒
子そのものをも繰返し負荷により崩かいさせ低密度領域
を高密度化し成形体の全体の高密度化と同時に均質化を
はかろうとするものである。

これまでの静水圧成形法では、成形の際の負荷圧力を一
度だけ準静的に負荷していた。これに対し本発明では静
水圧成形の負荷圧力を以下の方法で負荷する。

（１）準静的負荷圧力を繰り返し負荷する工程、（２）
動的負荷圧力を繰り返し負荷する工程、（３）準静的負
荷圧力に動的負荷圧力を重畳し、負荷する工程、 こうした方法により均質で高密度の成形体が製造可能と
なる。

（作　用） 成形体に負荷圧力を大気圧から設定圧力まで繰り返し負
荷した場合に、成形体内部には以下のようなメカニズム
がはたらく。

最初の圧力負荷で、成形体には第１図のような密度分布
が生じ、表面近傍の密度の高い領域でブリッジングが形
成される。

ところで、成形体の見かけの弾性率は、密度が高ければ
大きく、低ければ小さい。このことから圧力が負荷され
ている時に球形の成形体に生ずる応力は第２図のように
なる。第２図において、縦軸のＰは負荷圧力であり、横
軸は中心からの距離Ｒを示す。σ１は成形体表面と垂直
方向の圧縮応力、σ１は成形体表面と水平方向の圧縮応
力を示す。すなわち、成形体の表面に垂直方向の圧縮応
力σ７は、表面では負荷圧力Ｐであり、内部に向゛　か
うと密度の低下に伴い減少する。また、面と水平方向の
圧縮応力σ、は、表面が最大でＰより大きく、内部に向
かうと減少し、中心部付近でσ。

＝グイとなる。この結果、表面近傍の密度の高い領域に
は第２図Ｃ曲線のようなせん断応力τがはたらく。

粉体粒子（−成粒子、二次粒子等）の接触部では繰り返
し圧縮による塑性変形や破砕によるっぷれだけでなく、
繰り返しせん断ひずみによるすべりが生じ、このため、
粉体粒子等の空隙もつぶれ密度の低い領域は高密度化さ
れ、高密度領域の著しい密度分布は平準化されていく。

こうしてブリッジング現象等は崩され成形体全体が高密
度化し、均質化される。

（構　成） 本発明による高密度で均質な静水圧成形体の製造装置は
、電気制御式油圧サーボ弁と油圧ブースト方式を用いた
サイクリック静水圧装置である。

機能的には、制御部１．油圧部２．超高圧部３の三つの
部分からなるが、装置としては、それぞれ制御計測用ス
タンド、油圧ユニット、テストスタンドの三つに別れて
いる。

制御部１は、関数発生器４．サーボ増幅器５゜フィード
バック増幅器６、計測器７で構成され、油圧部２は油圧
源８．電気制御式油圧サーボ弁９゜増圧機１０の油圧ア
クチュエータで構成され、超高圧部３は、増圧機１０の
超高圧発生機１２．圧力容器１５．圧力変換器１６で構
成されており、増圧機１０の油圧アクチュエータのピス
トン１１と超高圧発生機１２のピストン１３は直結しで
ある。装置全体の系統図を第３図に示す。

次に装置の動作について説明する。

関数発生器４からの信号（目標値α）と、圧・力変換器
１６からの超高圧部３の圧力信号（制御量β）をフィー
ドバック増幅器６を介してサーボ増幅器５に入力する。

サーボ増幅器５では二つの入力信号α、βの偏差（α−
β）をとり、増幅して油圧サーボ弁９に出力する。油圧
源８からの供給油圧を受けた油圧サーボ弁９は、サーボ
増幅器５からの入力信号（α−β）に比例した油量を増
圧°機１０のアクチュエータに送りピストン１１を駆動
する。

圧力容器１５には、あらかじめゴム等で真空密封した成
形材料の粉体等を収納しておく、さらに超高圧部３の内
部を圧力媒体で充填し密封する。

増圧機のピストン１１が駆動すると、増圧した圧力が超
高圧部３に生ずる。この圧力が圧力容器１５内の成形材
料の粉体等に負荷され同時に圧力変換器にも負荷される
。

圧力変換器１６からは圧力信号βが出力されフィードバ
ック増幅器６を経てサーボ増幅器５にフィードバックさ
れる。この装置により準静的、動的およびそれらの組み
合わせによるあらゆる波形の負荷圧力を成形体に負荷す
ることができる。

本発明の装置を用いて製造された成形体の密度分布を第
４図（ａ）に示す、第４図（ｂ）には従来のｄＩＰ成形
による密度分布が示しであるが、本発明の成形法による
もの（ａ）は従来法によるもの（ｂ）に比較して密度も
高くその分布もほぼ一様である。

（実施例） 本発明者らは、通常の静水圧成形法（ＣＩ　Ｐ）に圧力
波を重畳させることにより、粉体の成形体密度を向上さ
せることのできるサイクリック静水圧成形法（サイクリ
ックＣＩＰ）法を新たに開発した。本発明法を用いて圧
密特性の異なる２種類のアルミナ粉体の成形を行い、成
形体密度の変化と、ビッカース硬さの分布を測定し、サ
イクリック静水圧成形（ＣＩＰ）法の有効性を明らかに
する。

１脹方抜：２種類の易焼結性低ソーダアルミナ（昭和軽
金属型、ＡＬ−１６０ＳＧ、ＡＬ−１５０３Ｇ）を用い
一軸成形（１０ＭＰａ）により３種類の試験片を作成し
た。

■５Ｘ６Ｘ５０ｍｍの直方体状試料　（Ａ試料）■Φｌ
ｌＸ１０ｍｍの円筒状試料　　（Ｂ試料）■Φ３０×３
０ｍｌ１１の円筒状試料　　（Ｃ試料）各試料について
、通常のＣＩＰでは圧力を変えて、サイクリック静水圧
成形法では最高圧力と繰り返し数を変えて、静水圧成形
を行った。密度測定後、試料を仮焼し、試料断面のビッ
カース硬さを測定した。

、！：：従来の静水圧成形法によるＢ 試料のＣＩＰ圧力〜密度変化を第５図に示す。圧力の増
加にともない密度の増加率は次第に小さくなっている。

サイクリック静水圧成形法によるＡＬ−１６０８Ｇ成形
体（Ａ試料）の密度に及ぼす繰り返し数の効果、圧力の
効果を第６図に示す、いずれの圧力でも繰り返し数の増
加にしたがい密度が直線的に増加している。その増加の
割合は、繰り返し圧力が高いほど大きくなっている。す
なわち、サイクリック静水圧成形法は繰り返し圧力が高
いほど有効であることがわかる。　　　　　゛最高圧力
２００ＭＰａで成形したＡＬ−１６０３Ｇ仮焼体（Ａ試
料）のビッカース硬さの分布を第７図に示す、繰り返し
数の増大とともに、硬さが著しく増加しており、試料内
での硬さ分布もほぼ一様となっている。以上の実験結果
から、成形体のブリッジング等が圧力の繰り返し負荷効
果により消滅していくため、成形体密度が向上したもの
と考えられる。

実験に使用した装置の略図を第８図に示す。

第８図は第３回に示した本発明のサイクリック静水圧成
形（ＣＩＰ）装置の系統図を更に具体的がわかるように
したもので、同一符号は同一構成部分を示すものとして
、その説明を省略する。

１７はハンドポンプ、１８はコントロールサーキットを
示す。

実験に使用したサイクリックＣＩＰ装置の装置設計上の
基本要求は、発生させる静水圧成形（ＣＩＰ）圧の波形
、振幅、周波数などが種々選択でき、しかも正確に制御
できることである。具体的な仕様を表１に示す。

表１ これを満たす装置として油圧ブースト方式を採用し、制
御方法は油圧サーボ弁を用いたフィードバック制御とし
た。その概念略図を第８図に示す。

上述の設計概念に基づき、サイクリックＣＩＰ装置を試
作した。試作機は設計の通りの性能を持つことが分かっ
た。本装置を用いて、第９図（Ｂ）に示す圧力波形プロ
グラム（Ｐｍａｘ＝２００　Ｍ　Ｐａ＋Ｐｏ／Ｐｍａｘ
＝０．４）の基で、予備実験を行った。

試料は易焼結性アルミナ（昭和軽金属製、ＡＬ−１６０
３Ｇ）を用いた。圧力の繰り返し数が１回のＣＩＰ　（
通常のＣＩＰ）では成形体のかさ密度が５５．５％であ
ったが、繰り返し数１０００回のかさ密度は５９．０％
に達した（通常のＣＩＰでは３００ＭＰａで５７．２％
に過ぎない）。このことから、通常のＣＩＰ法に比べ、
本発明を用いることにより、同一のかさ密度を得るため
のＣＩＰ圧力を著しく低下させうろことが明らかとなっ
た。

（発明の効果） 本発明が工業化されることにより、下記の効果が生ずる
。

（１）セラミックスおよびその複合材の焼結前の成形加
工に本発明を用いることにより、焼結時の変形やクラッ
クの発生が防止でき、機械的強度が改善され、そのバラ
ツキが小さくなり、構造材料として信頬性の高い製品が
製造可能となる。

（２）本発明を用いて従来の静水圧成形による平均密度
と同程度の密度を得るには、負荷する繰り返し圧力は大
幅に低くてよい。

（３）機械的強度だけでなく、誘電材料、ｍ気材料、超
伝導材料などの電磁気的機能材料、および光学材料、生
体材料、医薬品等においても、それらの特性を大幅に改
善することができる。

（４）粉末金属およびその複合材による粉末成形冶金は
、多くはＨ夏Ｐ成形やホットプレスが用いられてきたが
生産性が悪くコストのかかる製造法であった。こうした
従来の加工法の代・わりに本発明を用いることにより大
幅なコストダウンを計ることができる。

（５）プラスチックおよびその複合材料において、粉末
成形加工に本発明を用いることにより機械的強度をはじ
め各種材料特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、（ロ）は従来方法による静水圧成形体の
中心からの距離（横軸）とかさ密度（％）（縦軸）によ
る密度分布を示す特性図、第２図は半径Ｒの球形成形体
に静水圧Ｐが負荷された時に、成形体に生ずると考えら
れる応力分布図、第３図は本発明のサイクリック静水圧
成形装置の回路系統図、第４図は従来のＣＩＰ法と本発
明のサイクリックＣＩＰ成形法との負荷応力２０００ｋ
ｇｆ／ｃＩｌｌ！における密度比較図、第５図は通常の
ＣＩＰ法によるかさ密度の増加を示す特性図、第６図は
本発明のサイクリックＣＩＰ成形法によるかさ密度の増
加を示す特性図、第７図は本発明により得られたＡ試料
ＡＬ　−１６０３Ｇ　（Ｐｍａｘ＝２００ＭＰａ）　　
の中心からの距離Ｒに対するビッカース硬度Ｈｖの特性
図、第８図は本発明のサイクリック静水圧成形装置（Ｃ
ＩＰ）の回路系統の詳細図、第９図（Ａ）、（Ｂ）は従
来のＣＩＰ法（Ａ）と、本発明の静水圧成形法（Ｂ）と
の負荷パターンのそれぞれを比較した負荷圧力波形図で
ある。 １・・・制御部　　　　　　２・・・油圧部３・・・超
高圧部　　　　　４・・・関数発生器５・・・サーボ増
幅器 ６・・・フィードバック増幅器 ７・・・計測器　　　　　　８・・・油圧源９・・・油
圧サーボ弁　　　１０・・・増圧機１１・・・アクチュ
エータピストン １２・・・超高圧発生機 １３・・・超高圧発生機のピストン １４・・・パウリプレッシャーユニット１５・・・圧力
容器 １６・・・圧力変換器 １７・・・ハンドポンプ １８・・・コントロールサーキッキ 第１図 （イ）（ｐｓ ０　　４　　　ｆ３　　　／２　　１６　　２０ｒｐｌ
ご力′９の距離Ｒ（１悄） 、第２図 ０　　中ＩＬ：が９の距離Ｒ（Ｍ＠ 第５図 ＣｒＰ　圧ｈ　（ＭＰａン 第６図 サイクリックｅ（圧Ｉ吹） ０　　　０．５　　　ｆ、Ｏｆ、５　　２０中ｌむ；１
７″９０フＸｇ１噛仁Ｒ（ａｍン第９図 Ａ）　　　　　’、Ｂ＞ 時Ｍ　　　　　　　　　　　　縛藺 手　　続　　補　　正　　書 昭和６２年１２月　９日 特許庁長官　　　小　　川　　邦　　夫　　殿昭和６２
年１１月９日付提出の特許願（４）２、発明の名称 サイクリック静水圧成形法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 東京工業大学長　田中郁三 ４、代理人　“ 住所　東京都千代田区霞が関三丁目２番４号霞山ビルデ
イングア階　電話（５８１）２２４１番（代表明細書の
「発明の詳細な説明」　「図面の簡単な説明」の欄１、
明細書第１０頁第１１行及び第１２行間に下記を加入す
る。 「　第１０図は第８図の増圧機１０、超高圧発生機１２
、圧力容器１５の詳細を示す図であり、第８図と同一符
号は同一部分を示すものである。 １２ａは超高圧発生機の架台、９は油圧サーボ弁、１４
は油圧源に通ずるバックプレッシャーユニットを示す、
」 一同第１４真第２行中「波形図である。」を「波形図、
第１Ｏ図は第８図の増圧機、超高圧発生機、圧力容器の
詳細を示す図である。」と補正する。 １第１０図を新たに補充する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、各種材料の粉体、繊維体、それらの複合体、および
   それらの予備成形品を静水圧成形する際に、負荷圧力を
   繰り返し負荷し、あるいは静的負荷に動的負荷を重畳す
   ることにより得られることを特徴とする高密度で均質な
   静水圧成形体の製造法。