JPH07278607A

JPH07278607A - 分割金型を用いた粉末成形方法

Info

Publication number: JPH07278607A
Application number: JP7621794A
Authority: JP
Inventors: Hisamasa Tomokiyo; 寿雅友清; Susumu Mizunuma; 晋水沼
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1995-10-24

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はセラミックス粉末や金属粉末を原料
として、大型の成形体の製造に用いられる静水圧成形に
よる粉末成形方法に関するものである。【構成】金型を構成するダイスが上ダイスと下パンチ
保持ダイスとからなり、さらに上ダイスを加圧方向と垂
直な方向に分割可能とした機構にするとともに、この金
型の真空封入に際して、上パンチおよび下パンチの加圧
方向から金型に厚肉の弾性体を取り付け、金型外周面の
穴部をこの厚肉弾性体で覆った後、薄肉弾性体で真空封
入し、ＣＩＰ装置内で加圧成形することにより割れがな
く、目的とする製品形状に近い粉末成形体を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス粉末や金属
粉末を原料として、大型の成形体の製造に用いられる静
水圧成形による粉末成形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、金属、セラミックス等の粉末
を原料として金型プレス成形、焼結を行い最終製品を得
る技術は粉末製品の製造方法としてよく用いられる。し
かし、断面形状の大きな製品に対して金型プレス成形を
適用する場合、目標とする成形体密度を得るために適正
な成形圧力を負荷するには大型のプレス機が必要となっ
てくる。通常、大型製品の成形には冷間静水圧加圧法
（ＣＩＰ法）が用いられているが、ＣＩＰ法では成形型
としてゴムを用いるため、成形後の寸法精度は金型プレ
ス成形よりも劣る。このため、高寸法精度でかつ大型の
部材を成形するには粉末材料を充填した金型をＣＩＰ浴
中で成形すれば可能になるものと考えられる。

【０００３】上記の金型を用いたＣＩＰ浴中での成形を
実現させるために、本発明者らはダイス、上パンチおよ
び下パンチからなる金型を高分子材料製の容器とゴム製
の容器により二重に真空封入を行うことにより成形を可
能とする粉末成形方法を先に提案（特願平４−０８５３
９１号）とした。ところがこの技術による場合に、対象
とする成形体が大型になった時に、加圧成形後、ダイス
から成形体を抜き出す時に割れが発生し、健全な成形体
が得られない問題が生じた。

【０００４】これは、ダイスから成形体を抜き出す場合
には、パンチを移動させることによりダイスから成形体
を押し出すのであるが、ダイスによって拘束された成形
体が抜き出し時に加圧方向と垂直の方向に膨張（スプリ
ングバック）するためである。さらに成形体のサイズが
大きくなるとこのスプリングバック量が大きくなるため
成形体がより割れやすくなる。また、成形体が大型にな
ると当然、原料粉末の投入量も増加するため、金型への
粉末充填時に粉末が均一に充填され難くなり、割れ発生
の原因となる。これは粉末が不均一に充填された状態で
加圧成形を行うと成形体に密度分布が生じることになり
除荷時のスプリングバック量が成形体の位置により異な
ってくるためである。

【０００５】このような成形体のスプリングバックに起
因する成形体の割れ防止方法として、通常の金型プレス
成形においては種々の方法が検討され提案されている。
例えば、特開昭５８−４１７００号公報では金型の上パ
ンチと側板との間の隙間の寸法を０．０３〜０．１mm、
望ましくは０．０４〜０．０７mmに設定した金型を用い
て粉末を加圧することにより、圧縮中に粉末内の空気が
外部へ抜けるため割れのない細長い棒状の粉末成形体を
プレス成形により得ることが可能であるとしている。

【０００６】また、特公平３−３７４７８号公報では円
形形状成形体用プレス金型において、金型のダイスを分
割した部材で構成することにより成形後の除圧時に、プ
レス成形方向と垂直な方向に成形体が膨張しても、これ
を回避することができクラックの発生なしに成形が可能
であるとしている。さらに、粉末の均一充填に関して
は、金型に振動を加えながら充填する方法あるいは粉末
の充填時に金型を構成する下パンチが同時に下降し、充
填を均一化させる吸引充填法や過剰の粉末を充填した
後、下パンチを上昇させ余分な粉末を追い出すオーバー
フィル法によって粉末の均一充填が達成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の方法の提案によ
り、金型プレス法では割れのない成形体の製造が可能と
なり、これらの方法は有効であるが、金型を用いた静水
圧成形に適用するには以下の問題が残る。すなわち、上
記の特開昭５８−４１７００号公報に記載された方法は
図３に示すように、金型の上パンチ１と側板３との間の
隙間の寸法Ｃを０．０３〜０．１mm、望ましくは０．０
４〜０．０７mmに設定した金型を用い粉末を加圧する方
法であるが、この場合、上パンチ１と側板３との間の隙
間を０．０４〜０．０７mmと設定するため粉末の粒径が
０．０４mm以下の場合には、加圧成形中に粉末は上パン
チ１と側板３の隙間に入る可能性があり、粉末の種類に
よっては上パンチ１と側板３に焼付きを発生させる恐れ
があり、成形可能となる粉末の種類、粒径に制限が生じ
る。さらに、上パンチ１の圧縮方向と垂直方向への成形
体の膨張に関してはその対処ができない。

【０００８】また、特公平３−３７４７８号公報に記載
された方法は図４に示すように、円形形状成形体用プレ
ス金型において、金型のダイスを分割した部材により構
成する方法であるが、この場合、粉末充填時にはプレス
形成方向と垂直な方向に加圧を行い、分割ダイスを固定
して粉末を充填し、加圧成形時にはプレス成形方向およ
びプレス成形方向と垂直な方向の両方向から加圧を行
い、除荷時には両方向同時に除荷を行っている。このよ
うに方向によって加圧状態が異なるため、常にあらゆる
方向から等しい圧力が作用するＣＩＰ浴中においてはこ
のような加圧状態を実現することは不可能なため、この
方法を適用することはできない。

【０００９】さらに、粉末の均一充填に関しては図５に
示すような吸引充填法およびオーバーフィル法がある
が、この場合、粉末の充填と同時に下パンチを任意量移
動させる必要があり、金型よりも加圧装置すなわちプレ
ス機の機能そのものを変更する必要があり、コスト的な
面から実現が困難である。また、図５から明らかなよう
に吸引充填法およびオーバーフィル法はダイスの上面位
置と粉末充填高さが等しくなっている。すなわち粉末の
充填は最終的にダイス上面位置で擦り切りにより均一に
充填される。

【００１０】通常の金型プレス成形では、上パンチはプ
レス機に固定され、上パンチの位置があらかじめダイス
に対して固定されるので、加圧前にダイス内に上パンチ
を挿入せずに加圧成形を開始してもダイスへのパンチの
挿入がずれることはないが、ＣＩＰ浴中で成形を行うに
は上パンチをダイスと結合させた状態で挿入する必要が
あり、この方法を単純に適用することはできず金型の機
構に工夫が必要である。

【００１１】このように、金型を用いた静水圧成形にお
いて、大型成形体のスプリングバックによる割れを防止
する技術として従来の金型成形法で提案された技術をそ
のまま適用することはできない。従って、本発明は金型
を用いた静水圧成形においても、成形後の成形体のスプ
リングバックによる割れを防止して、たやすく大型の粉
末成形体を得るための成形技術を開発することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するため金型を構成するダイスが上ダイスと下パン
チ保持ダイスとからなり、さらに上ダイスを加圧方向と
垂直な方向に分割可能とした機構にするとともに、この
金型の真空封入に際して、上パンチおよび下パンチの加
圧方向から金型に厚肉の弾性体を取り付け、金型外周面
の少なくとも一部を厚肉弾性体で覆った後、薄肉弾性体
で真空封入することにより、上ダイス内への粉末充填時
には粉末の擦り切り充填により均一充填が可能になると
ともに、成形後、成形体の抜き出し時には分割構成され
たダイスを分解することにより加圧方向と垂直な方向へ
の成形体のスプリングバックを回避する効果を利用し、
粉末を充填した金型のＣＩＰ浴中における成形後のダイ
スからの成形体抜き出し時に発生する割れの防止を可能
にし、大型の粉末成形体を得ることを特徴とする。

【００１３】すなわち、本発明の要旨とするところは、
次の通りである。ダイスとこのダイス内周面に内接する
上パンチおよび下パンチから構成される金型であって、
前記ダイスを、パンチの加圧方向と垂直な方向に少なく
とも４個以上に分割された部材から構成される上ダイス
と、上ダイスと下パンチとの相対位置を規定し、高さが
下パンチと等しい下パンチ保持ダイスとから構成し、該
金型の上パンチと上ダイスにより形成される空間内に粉
末を擦り切り充填した後、下パンチおよび下パンチ保持
ダイスを上ダイスに固定し、前記金型の上パンチおよび
下パンチおよびダイスの外周面の少なくとも一部を覆う
上下一対の厚肉の弾性体を取り付けた後、該厚肉の弾性
体と金型の外周面を少なくとも１枚以上の薄肉の弾性体
により包囲して真空封入し、ＣＩＰ装置内に挿入して１
回以上の加圧成形することを特徴とする粉末成形体の成
形方法。

【００１４】

【作用】以下、本発明に従う分割金型を用いた粉末成形
方法について詳細に説明する。図１は本発明に従う金型
の一例を示すものである。簡単のため、金型は四角形断
面の軸対称形状とした。そしてこの金型は上パンチ１、
上ダイス２、下パンチ３、下パンチ保持ダイス４、上ダ
イス固定ボルト５、上パンチ固定ピン６、下パンチ保持
ダイス固定ボルト７より構成される。上ダイス２は４個
の部材より構成され上ダイス固定ボルト５により４個の
部材が固定され成形体の側面形状を規定する。なお、上
ダイス２の側面には粉末充填時に上ダイスと上パンチを
固定するための上パンチ固定ピン６を挿入するための穴
が設けられている。

【００１５】下パンチ３は成形体の底面形状を規定し、
下パンチ保持ダイス４の拡幅部に内接する突起を有して
いる。下パンチ保持ダイス４は、加圧成形前の下パンチ
３を保持するとともに下パンチ３の上ダイス２に対する
相対位置を決定し、加圧成形中に下パンチ３が上ダイス
２に接触することなく上ダイス２内に挿入されるようガ
イドするため、内周面に上ダイス２の内幅ｂよりもΔだ
け大きいｂ＋Δの拡幅部を有する段付き構造である。こ
の拡幅部により、加圧成形前には下パンチ３の突起部が
保持されているが、加圧成形時には、この拡幅部に下パ
ンチ３の突起がガイドされて下パンチ３が上ダイス２内
に挿入される。

【００１６】また、下パンチ保持ダイス４の長さと下パ
ンチ３の長さは等しく、内周面に上ダイス２の内幅ｂよ
りも拡幅（ｂ＋Δ）された部分の長さｈにより下パンチ
３の圧縮量が適宜決定される。さらに、下パンチ保持ダ
イス４の底面には下パンチ保持ダイスと上ダイス２と固
定するためのボルト穴が設けられ、上ダイス２と下パン
チ保持ダイス４は上ダイス２内に粉末を充填した時の充
填高さの位置で結合される。成形体の上面形状を規定す
る上パンチ１の長さおよび上パンチ固定ピン６の挿入位
置は目的とする成形体形状、圧縮量により適宜決定され
る。

【００１７】さらに図１の８は上下一対の厚肉の弾性体
であり上パンチ１および下パンチ３の加圧方向と同一の
方向から上パンチ１および下パンチ３および下パンチ保
持ダイス４と上ダイス２の一部を包括し、上パンチ１、
下パンチ３および下パンチ保持ダイス４を保護するとと
もに金型の外周面に存在する穴、例えば上ダイス２を固
定するために存在するボルト穴、上ダイス２の上パンチ
１固定用の固定ピン６を挿入するために存在する穴、下
パンチ保持ダイス４のダイス２と固定するために存在す
るボルト穴等、金型の外周面に開口している孔は少なく
とも塞ぐ。

【００１８】図１の９は金型および厚肉の弾性体を真空
封入するための薄肉の弾性体、図１の１０は粉末材料で
ある。上ダイス２のパンチの加圧方向と垂直な方向の分
割数が４未満になると、成形後の成形体抜き出し時に生
じるパンチの加圧方向と垂直な方向のスプリングバック
を回避することが困難になり、成形体に割れを発生され
る恐れがある。また、上ダイス２のパンチの加圧方向と
垂直な方向の分割数が４以上ではスプリングバックの回
避が可能となり割れのない成形体を得ることができる
が、その分割数が多くなると上ダイスの組立に時間を要
することになる。

【００１９】このため、上ダイス２のパンチの加圧方向
と垂直な方向の分割数は４〜８が適当である。さらに、
金型を構成する上ダイス２と下パンチ保持ダイス４が一
体すなわち、分割構造でない場合には粉末充填時の擦り
切り充填による均一充填が困難になり、成形体が密度分
布を生じるため成形体に割れを発生させる可能性が生じ
る。また、上ダイス２の長さは粉末投入量によって決定
され、粉末投入量が少なくなれば擦り切り充填のため上
ダイス２の長さも短くすればよい。図６にはパンチの加
圧方向と垂直な方向の分割数が８の場合の例を示す。

【００２０】図６に示す成形体形状の場合には、図７に
示すように分割数が４でもスプリングバックを回避する
ことは可能であるが、分割金型を構成する部材の形状が
複雑となり、金型の製作における難易性、コストに問題
が生じることもあり、このような成形体形状では図６に
示した金型構造の方が望ましい。成形体形状が複雑にな
るとスプリングバック回避のために、加圧方向と垂直な
方向の分割数をさらに増やす必要も生じてくるが、分割
数の増加よりもむしろ成形体形状を単純化して成形した
後に成形体を加工した方が総コストは下がることもあ
り、加圧方向と垂直な方向の分割数が８より多くなる場
合には生産性、コストとの兼ね合いにより決定する必要
がある。

【００２１】厚肉の弾性体は引張強さ１００kg／cm²以
上、伸び１００％以上のものであり、例えばアクリルニ
トリルゴム、ラテックスゴム、ブチルゴム、シリコンゴ
ム、ウレタンゴム等からなり、その肉厚は金型外周面に
存在する穴の形状、深さおよび成形圧力によって適宜決
定されるわけであるが、おおむねその厚さは５．０〜１
５mmが適当である。また一対の厚肉弾性体を上下方向か
ら取り付けた際の上下厚肉弾性体の間隔は、圧縮成形時
の上パンチ１の圧縮量以上の間隔が必要である。これ
は、厚肉弾性体の間隔が上パンチ１の圧縮量よりも小さ
いと、成形時に上下の厚肉弾性体の上下端部が接触し、
厚肉弾性体が金型外表面より浮き上がるため薄肉の弾性
体を破断させる恐れがあるためである。

【００２２】厚肉の弾性体が引張強さ１００kg／cm²未
満、伸び１００％未満では加圧成形時に圧力を受けた時
に、弾性体の破断が生じる可能性がある。また、金型お
よび厚肉の弾性体を真空封入するための薄肉の弾性体は
引張強さ１００kg／cm²以上、伸び１００％以上、気体
透過係数５０×１０^-10（ml・cm）／（cm²・sec ・cm
Hg）以下、厚さ０．１〜１．０mmの弾性体であり、具体
的にはラテックスゴム、ポリエチレン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリプロピレン、軟質ポリ塩化ビニル等を用いるこ
とができる。なお、薄肉の弾性体が引張強さ１００kg／
cm²未満、伸び１００％未満では加圧成形時に圧力を受
けた時に、弾性体の破断が生じる可能性があり、また、
弾性体の厚さが１mmを超えると真空封入が困難となる。

【００２３】本発明の実施例である図１に従って、実際
の粉末充填および成形工程を以下に示す。４個の部材か
らなる上ダイス２を上ダイス固定ボルト５により組み立
てる。次に、上パンチを上ダイス２に挿入し、上パンチ
１を上パンチ固定ピン６で上ダイス２の所定位置に固定
する。この状態で上ダイス２を反転させ、上パンチ１と
上ダイス２により形成される空間内に所定重量の粉末材
料１０を投入し擦り切り充填とする。

【００２４】これにより、粉末の均一充填が達成され
る。成形体形状が複雑な場合には粉末充填時に上ダイス
２に振動を加えながら粉末の供給を行えば、さらに均一
充填状態となる。そして、下パンチ３を下パンチ保持ダ
イス４を介して、下パンチ保持ダイス固定ボルト７によ
り上ダイス２に固定する。金型を再び反転させ、上パン
チ固定ピン６を取り外し、金型への粉末の充填が完了す
る。

【００２５】次に、粉末の充填が完了した金型に、上パ
ンチ１と上ダイス２の上パンチ固定ピンを挿入する穴、
さらに下パンチ３および下パンチ保持ダイス４と下パン
チ保持ダイス４の上ダイス２と固定するボルト穴を覆う
ように厚肉の弾性体８を取り付ける。次に、厚肉の弾性
体８を取り付けた金型を薄肉の弾性体９内に挿入し、薄
肉の弾性体９内を真空封入する。これは粉末材料１０が
成形固化する際に粉末内部に空気が存在すると不均一変
形あるいは成形体内部に空孔が形成されるため、成形に
際しては薄肉の弾性体９内を脱気するためである。この
ため、薄肉の弾性体９には気体透過係数５０×１０^-10
（ml・cm）／（cm²・sec ・cmHg）以下の特性が要求さ
れる。

【００２６】真空封入により同時にＣＩＰ浴中の液体圧
力媒体との遮断も達成され、成形準備が完了する。この
薄肉の弾性体９による真空封入は、金型形状、成形条件
にもよって異なるが成形時の確実な破損防止には２枚以
上の真空封入が望ましい。そして、これをＣＩＰ浴中に
挿入し通常の静水圧成形が実施される。薄肉の弾性体９
および厚肉の弾性体８を介して上パンチ１および下パン
チ３に圧力が作用する。これによって、かかる上パンチ
１、下パンチ３、上ダイス２の形状に即した粉末成形体
の製造が可能となる。

【００２７】

【実施例】

（実施例１）図２に示すような形状（ａ＝５００mm，ｂ
＝５００mm，ｃ＝４００mm，ｄ＝３００mm，ｅ＝５０m
m）の成形を図１に示すような金型を用いて行った。粉
末材料にはアルミナ粉末（造粒後平均粒径１００μｍ）
を用いた。実際の金型の組み付け粉末の挿入は図１に従
って、まず、４個の部材からなる上ダイス２（ＳＫＤ
製）を上ダイス固定ボルト５により組み立てた。

【００２８】次に、上パンチ１を上ダイス２に挿入し、
上パンチ１を上パンチ固定ピン６（ＳＳ製）で上ダイス
２の所定位置に固定した。この状態で上ダイス２を反転
させ、上パンチ１と上ダイス２とで形成された空間内に
約３１kgのアルミナ粉末を金型内に投入し、擦り切り充
填した。そして、下パンチ３（ＳＫＤ製）を下パンチ保
持ダイス４（ＳＫＤ製）を介して、下パンチ保持ダイス
固定ボルト７より上ダイス２に固定した。次に、金型を
再び反転させ、上パンチ固定ピン６を取り外した。

【００２９】次に粉末の充填が完了した金型に上パンチ
１と上ダイス２の上パンチ固定ピンを挿入する穴、さら
に下パンチ３、下パンチ保持ダイス４および下パンチ保
持ダイス４の上ダイス２と固定するボルト穴を覆う上下
一対の厚肉弾性体８（アクリルニトリルゴム製、引張強
さ１５０kg／cm²、肉厚：１０mm）を上下方向から取り
付けた（上下厚肉弾性体の間隔：１１５mm）。次に、厚
肉弾性体８を取り付けた金型を薄肉の弾性体９（ポリ塩
化ビニル，気体透過係数１０×１０^-10（ml・cm）／
（cm²・sec ・cmHg）、肉厚：０．５mm）内に挿入し、
薄肉の弾性体９内をロータリーポンプにより脱気（０．
１torr）し真空封入した。

【００３０】この後、常法に従って静水圧成形（成形圧
力１００MPa)を行った。そして、除荷後、薄肉の弾性体
９および厚肉弾性体８を取り外し、さらに上パンチ１、
下パンチ３、下パンチ保持ダイス４も取り外した。そし
て、上ダイス固定ボルト５をゆるめることによりパンチ
の加圧方向と垂直な方向のスプリングバックが回避さ
れ、割れのない、図２に示すような形状の健全な成形体
が得られた。

【００３１】

【発明の効果】本発明によって、金型を構成するダイス
が上ダイスと下パンチ保持ダイスとからなり、さらに上
ダイスを加圧方向と垂直な方向に分割可能とした機構に
するとともに、この金型の真空封入に際して、上パンチ
および下パンチの加圧方向から金型に厚肉の弾性体を取
り付け、金型外周面の穴部をこの厚肉弾性体で覆った
後、薄肉弾性体で真空封入し、ＣＩＰ装置内で加圧成形
することにより割れがなく、目的とする製品形状に近い
粉末成形体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明に従う粉末成形金型の
説明図。

【図２】（ａ），（ｂ）は実施例のアルミナ成形体の形
状の説明図。

【図３】従来の金型の上パンチと側板との間の隙間の寸
法を設定した金型を用い粉末を加圧する方法の説明図。

【図４】従来の円形形状成形体用プレス金型において、
金型のダイスを分割した部材により構成する方法の説明
図。

【図５】粉末の均一充填に関する吸引充填法およびオー
バーフィル法の説明図。

【図６】本発明に従う粉末成形金型の一例の説明図。

【図７】本発明に従う粉末成形金型の他の例の説明図。

【符号の説明】

１上パンチ２上ダイス３下パンチ４下パンチ保持ダイス５上ダイス固定ボルト６上パンチ固定ピン７下パンチ保持ダイス固定ボルト８厚肉の弾性体９薄肉の弾性体１０粉末材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイスとこのダイス内周面に内接する上
パンチおよび下パンチから構成される金型であって、前
記ダイスを、パンチの加圧方向と垂直な方向に少なくと
も４個以上に分割された部材から構成される上ダイス
と、上ダイスと下パンチとの相対位置を規定し、高さが
下パンチと等しい下パンチ保持ダイスとから構成し、該
金型の上パンチと上ダイスにより形成される空間内に粉
末を擦り切り充填した後、下パンチおよび下パンチ保持
ダイスを上ダイスに固定し、前記金型の上パンチおよび
下パンチおよびダイスの外周面の少なくとも一部を覆う
上下一対の厚肉の弾性体を取り付けた後、該厚肉の弾性
体と金型の外周面を少なくとも１枚以上の薄肉の弾性体
により包囲して真空封入し、ＣＩＰ装置内に挿入して１
回以上の加圧成形することを特徴とする粉末成形体の成
形方法。