JPH0627615Y2 - 高温高圧プレス機のプレスシリンダー - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は、各種セラミックや超硬合金などの高温高圧下
の焼結成型などで用いる高温高圧プレス機のプレスシリ
ンダーに関するものである。

従来の技術 従来、特殊なセラミックや超硬合金を製造する際に用い
る高温高圧プレス機は、第４図に示すように、人造黒鉛
材や人造炭素材などの炭素系耐熱性材料からなる受台１
と、この受台１の上に設置した人造黒鉛材からなる円筒
状の外筒２と、この外筒２の内側に内周面に接して嵌合
した人造黒鉛材からなる一般にスリーブといわれる内筒
３と、この内筒３の内側に嵌合した人造黒鉛材からなる
上下２枚の押板４Ａ，４Ｂおよび上側の押板４Ａの上方
の押棒５とで形成したプレスシリンダーを備えている。
この高温高圧プレス機によりセラミックや超硬合金を焼
結および成形する場合、上下２枚の押板４Ａと４Ｂとの
間に被焼結材料を装填し、真空中またはアルゴン、窒素
などの非酸化性の雰囲気中で押棒５により100kg／cm²以
上の圧力で加圧し、誘電加熱または人造炭素材料による
電気抵抗加熱により1000℃〜3000℃に加熱する。ここで
内筒３は焼結したセラミックや金属が内壁に付着した場
合、廃棄して新品と交換すればよく、これにより外筒２
の内周面へのセラミックや金属の付着を防止して長期間
の使用を可能にしている。

ところで、上記のような1000℃以上の温度で高圧に耐え
る材料としては、従来人造黒鉛材のほかには無かった
が、それにもかかわらず最近はさらに高圧条件に耐え得
るものが要望され、人造黒鉛材の外筒２の肉厚を厚くす
ることによる対応が考えられている。しかし、なお強度
不足でしかも著しく厚くする必要があり、重量が重くて
作業しにくく、かつ内部容積が小さくなり、収容量が少
なく非能率となっている。

上記のような問題を改善するために、最近開発された炭
素繊維強化炭素複合材（以下ＣＲＣという）を上記の高
温高圧プレス機におけるプレスシリンダーの外筒２に用
いることが試みられている。なおこのＣＲＣは比重が小
さく、一般の人造黒鉛材に比べて数倍の曲げ，引張り，
衝撃などの強度を有し、さらに非酸化性雰囲気中の高温
での特性が他の材料よりも顕著にすぐれているため、た
とえばミサイル，ロケットなどの部品，航空機のブレー
キなどに使用されている。ＣＲＣによる円筒状の外筒の
作製は通常次のような手順で行なう。すなわち炭素長繊
維にフェノール樹脂，エポキシ樹脂あるいはフラン樹脂
を含浸させて、所定の直径の金属円筒に所定の幅（すな
わち外筒の長さ）および厚さに巻付け、100℃〜200℃で
硬化反応させ、金属円筒を抜き取って円筒を形成した
後、この円筒を1000℃以上で焼成し、次いでさらにフェ
ノール樹脂，エポキシ樹脂，あるいはフラン樹脂含浸−
焼成を数回繰返す。

ＣＲＣからなる外筒２を用いることにより、高温高圧で
のセラミックや合金などの焼結成型を、従来の高温高圧
プレス機の場合より高い圧力を加えて実施できるので、
高密度の焼結体を得ることができ、かつ外筒２の肉厚を
薄くすることができて軽量となり、一方内径を大きくす
ることができて容量が大きくなり生産性が向上し、かつ
重量が少なくなることにより熱容量が少なく、省エネル
ギーになり、冷却が速やくて時間が短縮し、作業能率が
向上するなどの多くの利点があることが知られている。

考案が解決しようとする課題 しかしながらＣＲＣの線膨脹係数が一般人造黒鉛材の線
膨脹係数に比べて小さい。その結果、外筒２の内側に嵌
合する人造黒鉛材の内筒３、上下２枚の押板４Ａ，４
Ｂ，押棒５が、温度上昇に基づく熱膨脹により寸法増大
した際、熱膨脹の少ないＣＲＣからなる外筒２に圧縮応
力がかかり、限界をこえて破損することがあり、また前
記圧縮応力により外筒２が塑性変形して径が増大し、再
使用の際内筒３との嵌め合い間隙が大きくなって精密な
作業が困難となるなどの問題があり、このＣＲＣからな
る外筒２は上記のような利点があるにもかかわらず実用
化が困難であった。

本考案は上記のような問題を解決するもので、ＣＲＣか
らなる外筒を用いて、しかも人造黒鉛材などの耐熱性材
料からなる内筒あるいは押板，押棒との熱膨脹の差に起
因する破損などの生じることがない、高温高圧プレス機
のプレスシリンダーを提供することを目的とするもので
ある。

課題を解決するための手段 上記の課題を解決するために本考案の高温高圧プレス機
のプレスシリンダーは、炭素繊維強化炭素複合材からな
る外筒の内側に、耐熱性材料からなり厚さ方向が法線に
対して30°以上傾斜した少なくとも１本のスリットを長
さ方向に有する内筒を嵌合し、この内筒の内側に耐熱性
材料からなる押板と押棒とを嵌合したものである。

本考案の高温高圧プレス機のプレスシリンダーにおい
て、外筒を形成する炭素繊維強化炭素複合材（ＣＲＣ）
で用いる炭素繊維としては、炭素質繊維と黒鉛質繊維の
いずれでもよく、またアクリロニトリル系，レーヨン
系，ピッチ系，リグニン系あるいは熱硬化樹脂系の炭素
繊維のいずれも用いることができ、長繊維，チョップス
トランド，二次元織物，三次元織物あるいは不織布の形
態で用いる。ＣＲＣからなる外筒の形成は上記のような
従来周知の方法で行なえばよく、炭素繊維材料への熱硬
化性樹脂の含浸と焼成を数回繰返して行なう。熱硬化性
樹脂は、たとえばフェノール樹脂，エポキシ樹脂，フラ
ン樹脂あるいはポリイミド樹脂などを用いる。

一般にＣＲＣは材料，製造方法などにより線膨脹係数が
異なり、また構造の異方性に基づきその線膨脹係数も異
方性であり、炭素繊維の方向に対して１〜３×10^-6／°
Ｋで、人造黒鉛材に比べて２〜５割小さい。

次に内筒，押板，押棒を形成する耐熱性材料としては、
人造黒鉛材，人造炭素材，ＣＲＣ，セラミックなどを用
いるが、耐熱性，強度，コストなどの点から人造黒鉛材
が好ましい。人造黒鉛材の線膨脹係数も異方性で、黒鉛
結晶の層面に直角な方が加圧方向よりそれぞれ少なくと
も１割程度小さい。しかし最近は流体で周囲から均一に
加圧した等方性のものが製造されるようになり、高温高
圧プレス機用の材料として好適である。これらの人造黒
鉛材の線膨脹係数は４〜７×10^-6／°Ｋである。

本考案における内筒は、厚さ方向が法線に対して30°以
上傾斜した少なくとも１本のスリットを長さ方向に有し
ている。スリットが２本またはそれ以上の場合、内筒は
二つ割り，三つ割り…となり、またスリットは内筒の長
さ方向の軸心に平行でも斜めでもよい。スリットの厚さ
方向の傾斜は法線に対し30°以上であることが必要であ
り、30°未満の場合、加熱により熱膨脹で内筒が円周方
向に伸びたとき、スリット端面同士がすべらずＣＲＣ製
の外筒を塑性変形させるか破壊する。なお、80°を越え
ると内筒が割れやすくなる傾向がある。スリットの幅Ｗ
は下記（Ｉ）式および（II）式を満足することが望まし
い。

Ｗ≦ｔ ｔａｎθ …（Ｉ） Ｏ≦ｔ ｔａｎθ−Ａ_１π／ｎ …（II） （ただし、Ｗ：スリットの幅mm、ｔ：内筒の厚さmm、
θ：スリットの法線に対する角度、Ａ_１：外筒と内筒の
嵌め合い間隙mm、ｎ：スリット数）上記（Ｉ），（II）
式で算出した値よりスリット幅が大きい場合、焼結体を
加圧したとき粉末が内筒から漏れ、外筒の内面を汚すこ
とになる。

外筒と内筒とが密着している場合、スリットの幅は下記
（III）式を満足することが望ましく、 Ｗ≧απＤ_１（Ｃ_１−Ｃ_２）Ｔ …（III） （ただし、Ｃ_１：内筒の膨脹係数，Ｃ_２：外筒の膨脹係
数，Ｄ_１：外筒の内径、Ｔ：昇温温度、α：定数0.05〜
2.0） 昇温とともに内筒が膨脹して、ＣＲＣからなる外筒を塑
性変形または破損することや、スリット端面同士が必要
以上に交叉して押板あるいは押棒により、破損すること
が無い。この場合内筒と押板または押棒の嵌め合い間隙
は、下記（IV）式を満足することが望ましい。

Ａ_２≧αＤ_２（Ｃ_３−Ｃ_２）Ｔ …（IV） （ただし、Ａ_２：内筒と押板または押棒との嵌め合い間
隙mm、Ｃ_３：押板および押棒の膨脹係数、Ｄ_２：内筒の
内径、α：定数0.05〜2.0）昇温とともに押板あるいは
押棒が膨脹して、ＣＲＣからなる外筒かそれに密着する
内筒が塑性変形したり破損したりすることを防ぐことが
できる。

押板あるいは押棒と内筒との嵌め合い隙間が、摺動でき
る程度の場合、外筒と内筒との嵌め合い間隙は下記
（Ｖ）式を満足することが望ましい。

Ａ_３≧αＤ_１（Ｃ_１−Ｃ_２）Ｔ …（Ｖ） （ただし、Ａ_３：外筒と内筒との嵌め合い間隙mm）昇温
とともに押板、押棒および内筒が膨脹して、ＣＲＣから
なる外筒が塑性変形したり破損したりするのを防ぐこと
ができる。

また本考案における内筒は、外周面を上部または下部の
いずれか一方の肉厚が厚い15°以下の傾斜面とし、この
内筒の外周面に接してその傾斜とは逆の15°以下の傾斜
面とした内周面を有する外筒を嵌合させれば、嵌合の着
脱が容易である。また内筒は、上中下段の３段に分割し
て加圧焼成することにより、最も力がかかり焼成物が付
着しやすい中段を取り替えることにより、コストの低減
をはかることができる。さらに内筒の内側または外側に
少なくとも１本のスリットを有する補助内筒を用いても
よい。

作用 上記の構成からなる高温高圧プレス機のプレスシリンダ
ーは、異種材料の組合わせで生じる熱膨脹差を、内筒に
設けた厚さ方向が法線に対して傾斜したスリットにより
吸収することができるので、外筒，内筒および押棒に大
きな圧縮応力がかかることがなく、また焼成しようとす
る材料がスリットから漏れてＣＲＣからなる外筒内面に
付着することがなく、したがって外筒，内筒，押棒など
が塑性変形したり、破損したりすることがない。

実施例 以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本考案の一実施例の高温高圧プレス機のプレス
シリンダーにおける要部の一部切欠き斜視図、第２図は
同高温高圧プレス機のプレスシリンダーの平面図、第３
図は第２図のＡ−Ａ線断面図である。第１図〜第３図に
おいて、ＣＲＣからなる円筒状の外筒11の内側に、円筒
状の耐熱性材料からなる内筒12を嵌合している。この内
筒12は、厚さ方向が法線に対して角θが30°以上傾斜し
た１本のスリット13を長さ方向に有している。内筒12の
内側には、上下２枚の耐熱性材料からなる押板14A,14B
を対向して配設し、かつ上側の押板14Aの上方に耐熱性
材料からなる押棒15を配設している。16は受台である。

上記第１図〜第３図に示す高温高圧プレスシリンダーに
おいては、上下２枚の押板14A,14Bと内筒12の内周面と
の間に被焼結成型材料を装填し、誘電加熱あるいは電気
抵抗加熱などにより加熱し、かつ押棒15で加圧して焼結
成型する。その場合内筒12は厚さ方向が法線に対し30°
以上傾斜したスリット13を長さ方向に有しているので、
線膨脹係数が小さいＣＲＣからなる外筒11が、ＣＲＣよ
り大きい線膨脹係数の耐熱性材料からなる内筒12との加
熱時の熱膨脹の差を完全に吸収することができ、それに
より加熱加圧の際外筒11が塑性変形したり、破損したり
することがなく、また被焼結材料が外筒11の内周面に流
出して付着することもない。

以下、上記実施例を具体的に説明する。

上記の第１図〜第３図に示す高温高圧プレス機のプレス
シリンダーを次のとおり形成した。ポリアクリロニトリ
ル系炭素長繊維にフェノール樹脂を含浸し、金属円筒に
45°の角度で巻付け、150℃で10時間熱処理して硬化さ
せた後、2000℃で焼成し、次にフェノール樹脂の含浸と
焼成を３回繰返して、線膨脹係数が３×10^-6／°Ｋであ
る、ＣＲＣからなる外径100mm，内径80mm，長さ50mmの
円筒状の外筒11を形成し、比重1.68，線膨脹係数が５×
10^-6／°Ｋで圧縮強度450kg／cm²の人造黒鉛材を用いて
形成した外径79.6mm，内径75mmで、厚さ方向が法線に対
しθ＝60°の角度で傾斜した幅0.5mmのスリット13を長
さ方向に設けた内筒12を前記外筒11に嵌合し（嵌め合い
間隙0.4mm）、さらに内筒12の内側に前記人造黒鉛材を
用いて直径74.9mm，厚さ10mmの２枚の押板14A,14Bと押
棒15を嵌合し、受台16に取付けた。

上記のプレスシリンダーの押板14Aと14Bの間に被焼結材
料を装填し、押棒15で20トンの圧力を加えて2000℃に昇
温して焼結成型した後、室温に冷却し解体したところ、
外筒11，内筒12，押板14A,14B、押棒15のいずれも全く
破損などの異状は認められず、かつ外筒11の内面への焼
結物の付着も認められず、所望の焼結体を得ることがで
きた。

比較例１ 上記実施例と全く同様に形成した外筒の内側に、実施例
で用いたのと同様の人造黒鉛材を用いて形成した外径7
9.9mm，内径75mm，長さ55mmの内筒を嵌合し、2000℃に
昇温して取出したところ、人造黒鉛材からなる内筒が破
損するとともに、外筒の外径が100.2mmと異状変形して
いた。

比較例２ 上記実施例と全く同様の手順で形成した外筒の内側に、
実施例で用いたのと同様の人造黒鉛材を用いて形成し
た、外径79.6mm，内径75mmで、厚さ方向が法線方向（角
θ＝０°）の幅0.5mmのスリットを長さ方向に有する内
筒を嵌合し（嵌め合い間隙0.4mm）、実施例と同様の条
件で被焼結材料を装填して焼結成型を行なったところ、
外筒の塑性変形もなく、内筒の破損も生じなかったが、
外筒の内周面に焼結物の付着が認められた。

考案の効果 以上のように本考案の高温高圧プレス機のプレスシリン
ダーは、強力が要求される外筒に炭素繊維強化炭素複合
材（ＣＲＣ）を用いたので高強力で、また外筒の内側に
厚さ方向が法線に対し30°以上傾斜した少なくとも１本
のスリットを長さ方向に有する内筒を嵌合したので、外
筒と内筒での異材料間における線膨脹係数の差に基づく
熱膨脹の差を吸収することができ、内筒に大きな圧縮応
力がかかることもなく、また外筒に大きな引張応力がか
かることもないので、内筒，外筒の破損や塑性変形を生
じることがなく、しかも対向するスリット端面が傾斜し
ているので、外筒の内周面に被焼結材が流出して付着す
ることがないなどの格別の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の高温高圧プレス機のプレス
シリンダーにおける要部の一部切欠き斜視図、第２図は
同高温高圧プレス機のプレスシリンダーの平面図、第３
図は第２図のＡ−Ａ線断面図、第４図は従来例の断面図
である。 11……外筒、12……内筒、13……スリット、14A,14B…
…押板、15……押棒。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素繊維強化炭素複合材からなる外筒の内
   側に、耐熱性材料からなり厚さ方向が法線に対して30°
   以上傾斜した少なくとも１本のスリットを長さ方向に有
   する内筒を嵌合し、この内筒の内側に耐熱性材料からな
   る押板と押棒とを嵌合した高温高圧プレス機のプレスシ
   リンダー。