TW202206202A - 通電燒結方法以及通電燒結裝置 - Google Patents
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Abstract
一實施形態的通電燒結方法包括以下步驟：加壓成型步驟，對填充在模具(11)中的粉末(10)進行加壓，藉此將生壓胚(15)成型；脫模步驟，使生壓胚(15)從模具(11)脫模；以及通電燒結步驟，對從模具(11)脫模的生壓胚(15)進行通電以形成燒結體(17)。在加壓成型步驟中，可以使用一側及另一側開有開口部且由含有金屬的材料所製成的筒狀之模具(11)，藉由插入一側之開口部的第一沖頭及插入另一側之開口部的第二沖頭對粉末(10)進行加壓。
Description
本發明有關於一種通電燒製方法以及通電燒製裝置。
專利文獻1記載了一種通電燒結方法，對填充在筒狀之模具中的粉末一邊以上沖頭以及下沖頭進行加壓一邊通電，藉此形成燒結體。通電燒結方法亦稱為火花電漿燒結(Spark Plasma Sintering；以下亦稱為SPS法)、或者脈衝通電燒結方法(Pulse Electric Current Sintering)。在專利文獻1的通電燒結方法中，燒結體是藉由粉末填充步驟以及加壓通電燒結步驟所形成。
非專利文獻1記載了一種粉末冶金法(Powder Metallurgy)，在該粉末冶金法中，填充在模具中的粉末被上沖頭以及下沖頭加壓以形成生壓胚，所形成的生壓胚在高溫下被加熱以形成燒結體。在非專利文獻1的粉末冶金法中，藉由粉末填充步驟、加壓成型步驟以及加熱燒結步驟形成燒結體。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2018-044207號公報。
[非專利文獻1]「何為粉末冶金」日本粉末以及冶金協會，[online]，[於2020年5月7日檢索]，網址[https://www.jpma.gr.jp/powder_m/]。
[發明所欲解決之課題]
在專利文獻1的通電燒結方法中，加壓通電燒結步驟中的沖頭位移量較大，容易出現被咬入至模具以及沖頭之間的間隙中的粉末被燒結等問題。又，由於模具以及沖頭在高溫環境下摩擦，因此會因為模具以及沖頭燒毀以致模具的壽命較短。進而，由於模具是在高溫以及磨損的環境下使用，因此必須選擇具有耐磨性的耐熱合金作為模具以及沖頭的材料，模具的製造成本高騰。因此，專利文獻1的通電燒結方法不能降低生產成本。而在非專利文獻1中，由於加熱燒結步驟很耗時，因此無法使生產率提升。
關於本案其他的課題及新穎特徵可由本說明書的記述內容及附加圖式得到更清楚的說明。
[用以解決課題之手段]
一實施形態的通電燒結方法包括以下步驟：加壓成型步驟，對填充在模具中的粉末進行加壓，藉此將生壓胚成型；脫模步驟，使前述生壓胚自前述模具脫模；以及通電燒結步驟，藉由對自前述模具脫模的前述生壓胚通電而形成燒結體。
一實施形態的通電燒結裝置設有：加壓成型機構，對填充在模具中的粉末進行加壓，藉此將生壓胚成型；脫模機構，用於使前述生壓胚自前述模具脫模；及通電燒結機構，用於對自前述模具脫模的前述生壓胚進行通電以形成燒結體。
一實施形態中的通電燒結裝置包括：加壓成型機構，用於對填充在模具中的粉末進行加壓，藉此將生壓胚成型；脫模機構，用於使前述生壓胚自前述模具脫模；通電燒結機構，對自前述模具脫模的前述生壓胚通電而形成燒結體；加壓成型部，包括前述加壓成型機構以及前述脫模機構；通電燒結部，與前述加壓成型部並列設置且包括前述通電燒結機構；以及運送裝置，用於使前述生壓胚自前述加壓成型部運送到前述通電燒結部。
[發明功效]
根據上述一實施形態，可提供一種可以降低生產成本的通電燒結方法以及通電燒結裝置。
為了清楚說明，以下的記述與圖式已被最佳化、省略化及簡單化。又，各圖式中，對於相同的元件標會賦予相同的符號，且依需求省略重複的說明。
(第一實施形態)
在說明第一實施形態的通電燒結方法以及通電燒結裝置之前，首先解釋第一比較例以及第二比較例的燒結方法。接著，對比於第一比較例以及第二比較例的燒結方法，說明本實施形態中的通電燒結方法。藉此可使本實施形態之通電燒結方法的特徵更加清楚。其後，將說明本實施形態的通電燒結裝置。
[第一比較例：粉末冶金法]
將粉末冶金法做為第一比較例的燒結方法加以說明。粉末冶金法係將粉末經衝壓機(press machine)壓實所形成的生壓胚以高溫加熱並燒結從而形成高強度材料以及、構件的方法。圖1是說明第一比較例的粉末冶金法的製程圖。如圖1所示，粉末冶金法具有粉末填充步驟、加壓成型步驟、脫模步驟、加熱燒結步驟以及送出步驟。若要使用的粉末10包含複數種類之情形中，可以在粉末填充步驟之前具有粉末混合步驟。
粉末混合步驟係使粉末10混合。粉末10含有形成期望的燒結體的必要材料。粉末10可以包含複數種類的材料。例如，粉末10可以包含如鐵、銅、鋁、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬的粉末，或者可包含如不鏽鋼般的鐵中含有鉻或鎳的合金鋼、或者如鋁合金般於鋁中含有銅、錳、矽、鎂、鋅、鎳的至少任何一種的粉末。粉末10不限於金屬，還可以包括：如氧化鋁以及、氧化鋯等氧化物；如氮化矽等氮化物；如碳化矽、碳化鈦以及、碳化鎢等碳化物；如羥基磷灰石(hydroxyapatite)等生物陶瓷(bioceramics)；如雲母等層狀化合物；或者如石榴石(garnet)等之具有離子傳導性的陶瓷等。
又，依此所形成之燒結體還可以作為材料用於例如奈米材料、功能梯度材料(functional gradient material)、非晶材料、多孔質(多孔性(porous))材料、金屬間化合物(intermetallic compound)、金屬玻璃、生物材料、硬質材料、熱電轉換材料、超導材料、磁性材料、精密陶瓷(fine ceramics)、模具工具、硬質合金、鈦合金、超級散熱材料、濺射靶材、電介質及電子零件材料、奈米碳管(CNT；carbon nanotube)複合材料、奈米碳纖微(CNF；carbon nano fiber)複合材料、纖維強化混凝土(FRC；fiber reinforced concrete)、纖維強化金屬(FRM；fiber reinforced metal)、航空宇宙零件等。複數種類的粉末10係由混合機預先將作為原料的複數種類的材料混合而成。
如圖1所示，粉末填充步驟是將粉末10填充於模具111。例如，模具111係形成為上方以及下方呈開口的筒狀。於模具111的下方的開口部插入下沖頭112。藉此，於模具111的內部中的下沖頭112上方形成有空腔(cavity)。下沖頭112可包含複數個沖頭零件。例如，下沖頭112可由兩個沖頭零件構成。接著，於由模具111包圍的空腔中填充粉末10。將上沖頭113插入至填充有粉末10的模具111的上方的開口部。上沖頭113亦可包含複數個沖頭零件。例如，上沖頭113亦可由三個沖頭零件構成。在粉末填充步驟中，填充於模具111中的粉末10的填充密度例如為50[%]左右。
加壓成型步驟係對填充在模具111中的粉末10進行加壓，藉此將生壓胚115成型。具體而言，填充在模具111中的粉末10被上沖頭113及下沖頭112加壓。壓力例如在100[MPa]至700[MPa]之間或者700[MPa]以上。在加壓成型步驟中亦可不用特意提高溫度。溫度可為例如300[℃]，具體而言可為室溫至400[℃]之間。藉此，可形成粉末10被壓縮而成的生壓胚115。在加壓成型步驟中，可使粉末填充密度自例如低於60[%]變化到60[%]以上。例如，可使粉末填充密度變化至80[%]。藉此，粉末10的顆粒被壓實。
在粉末冶金法中使用由含有金屬的材料構成的模具111。因此，可以施加100[MPa]至700[MPa]或者700[MPa]以上的高壓力。故，能使用具有複雜形狀的空腔表面的模具111來形成已高精度地反映了模具111的空腔表面的形狀之複雜形狀的生壓胚115。此外，能以一個模具111來重複生產相同形狀的生壓胚115。藉此，可生產大量相同形狀的生壓胚115。
脫模步驟中將生壓胚115自模具111脫模。例如可將加壓成型步驟中所形成的生壓胚115以下沖頭112推出模具111，而將生壓胚115自模具111脫模。
加熱燒結步驟係燒結生壓胚115。在加熱燒結步驟中，生壓胚115在燒結爐116的內部以高溫加熱。溫度為在固相燒結中低於粉末10中所含有的任何成分的熔點之溫度，且為在液相燒結中粉末10中所含有的成分的一部分高於熔點之溫度。溫度較佳為熔點的2/3至3/4或更高。例如，對於鐵材料，溫度為1000[℃]左右。如此，在加熱燒結步驟中，可使生壓胚115以不會使其融化或變形之程度的溫度加熱一段時間而硬化。藉此，形成燒結體117。藉此，例如可使粉末10的顆粒燒結。
在加熱燒結步驟中，粉末填充密度略高。燒結爐116藉由傳送帶等之移動機構連續加熱大量的生壓胚115。
送出步驟將已經形成的燒結體117送出。一般的粉末冶金法中，加壓成型步驟所進行的生壓胚115的加壓成型、脫模、運送以及連續燒結爐116所進行的加熱燒結這一系列的動作均為自動化。因此，粉末冶金法能大量地製造具有複雜形狀的燒結體117之零件。
下面的表1係舉例說明第一比較例、第二比較例以及第一實施形態的燒結方法的優點以及缺點的表格。如表1所示，第一比較例的粉末冶金法能夠對複雜形狀的115進行加壓成型，藉此形成複雜形狀的燒結體117。然而，在燒結爐116中燒結的時間比加壓成型的時間長。例如，可能花費幾個小時。因此，即使是自動化地大量生產，生產效率仍有一定的限制。
[表1]
| 第一比較例 粉末冶金法 | 第二比較例 SPS法 | 實施形態 通電燒結方法 | |
| 優點 | 能夠為複雜的形狀 | 燒結時間較短 | 可以較短時間燒結複雜的形狀 抑制毛刺 模具壽命長 生產效率提高 |
| 缺點 | 與成型相較，燒結花費更多時間 生產效率低 | 難以製作複雜的形狀 產生毛刺 模具壽命短 生產效率低 |
[第二比較例：SPS法]
以SPS法作為第二比較例之燒結方法加以說明。在SPS法中，於碳模填充粉末10，並一邊加壓一邊通電，藉此在短時間內進行燒結。圖2是說明第二比較例的SPS法的製程圖。如圖2所示，SPS法具有粉末填充步驟、加壓通電燒結步驟以及脫模送出步驟。與第一比較例的粉末冶金法同樣地，在使用的粉末10含有複數種類的材料之情形中，SPS法亦可在粉末填充步驟之前具有粉末混合步驟。
SPS法中的粉末填充步驟係於碳模214填充粉末10。粉末10可以與第一比較例中的相同。碳模214可例如形成為上方以及下方呈開口的筒狀。於碳模214的下方的開口部插入下沖頭212。藉此，在碳模214的內部中的下沖頭212的上方形成空腔。接著，將粉末10填充到由碳模214所包圍的空腔中。於已經填充粉末10的碳模214的上方的開口部插入上沖頭213。在粉末填充步驟中，填充在碳模214中的粉末10的填充密度例如為50[%]左右。
在加壓通電燒結步驟中，對填充在碳模214中的粉末10一邊以上沖頭213及下沖頭212加壓一邊通電。藉此，短時間內可形成燒結體217。在SPS法中，為了對粉末10通電，使用含有碳的碳模214。由於無法如粉末冶金法那樣使用堅固的模具111，所以難以對粉末10施加高的壓力。例如，壓力為20[MPa]左右。在壓力通電燒結步驟中，使粉末填充密度自例如50[%]以下變化至90[%]以上。例如，使粉末填充密度變化為97[%]。
又，亦可透過上沖頭213以及下沖頭212對粉末10通電。藉由通電，從而藉由粉末10的顆粒之間產生的熱量、各個顆粒的內部產生的熱量以及藉由熱傳導而從顆粒的外部傳遞的熱量等進行燒結或者擴散鍵結。由於粉末10的顆粒之間的空隙具有很高的電阻，因此通電會產生焦耳熱。因此，與粉末冶金法相較，能短時間地形成燒結體217。在SPS法中，由於能將燒結溫度設成低於如圖1所示之一般的粉末冶金，因此對於鐵材料之溫度例如為800[℃]以上。
如此，在加壓通電燒結步驟中，藉由一邊加壓一邊通電，可將碳模214中的粉末10形成燒結體217，在該情況下，碳模214中的粉末10隨著收縮迅速改變其體積。
脫模以及送出步驟係使燒結體217從碳模214脫模。具體而言，例如由加壓通電燒結步驟形成的燒結體217被下沖頭212從碳模21推出4，藉此使燒結體217從碳模214脫模。然後，送出脫模的燒結體217。
如表1所示，第二比較例的SPS法可以減少燒結時間。例如，在加壓通電燒結步驟中，在燒結溫度下的時間是幾秒鐘到幾分鐘，例如1[分鐘]。然而，由於在SPS法中無法對碳模214施加高壓，因此無法將複雜形狀的燒結體217成型。
此外，在燒結過程中，碳模214中的粉末10會迅速收縮。因此，在加壓通電燒結步驟中的沖頭的位移量變得很大，很容易造成咬入至碳模與以及沖頭之間的間隙中的粉末被燒結等問題。
此外，由於模具以及與沖頭在高溫環境下摩擦，因此因為模具以及與沖頭燒毀等導致模具的壽命很短。此外，由於在高溫以及磨損的環境下使用模具，因此必須選擇具有耐磨性的耐熱合金作為模具以及沖頭的材料，而使模具的製作成本高騰。因此，很難降低生產成本。
[實施形態：通電燒結方法]
接下來，說明本實施形態之通電燒結方法。在本實施形態的通電燒結方法中，在對模具中填充粉末後，藉由低溫且高壓進行加壓從而形成高密度的生壓胚。然後，將形成的生壓胚脫模並通電，從而形成燒結體。圖3是舉例說明第一實施形態的通電燒結方法的製程圖。圖4是舉例說明第一實施形態的通電燒結方法的流程圖。如圖3以及圖4所示，第一實施形態的通電燒結方法具有粉末填充步驟、加壓成型步驟、脫模步驟、通電燒結步驟以及送出步驟。此外，在使用的粉末10含有複數種類的材料之情形中，本實施形態之通電燒結方法亦可在粉末填充步驟之前具有粉末混合步驟。
如圖3以及圖4的步驟S11所示，本實施形態中的粉末填充步驟是將粉末10填入模具11。粉末10可以與第一比較例中相同，但較佳為具導電性之粉末10。
模具11可形成為例如上方以及下方呈開口之筒狀。在從鉛直方向對填充於模具11中的粉末10進行加壓之情形中，模具11較佳為上方以及下方呈開口之筒狀。此外，在從鉛直方向以外的方向對填充於模具11中的粉末10進行加壓之情形，模具11較佳為在加壓方向上的其中一方向及另一方向呈開口之筒狀。例如，在從水平方向對粉末10進行加壓之情形中，模具11亦可形成為左方向以及右方向呈開口之筒狀。
於模具11的下方的開口部插入下沖頭12。藉此，在模具11內部中的下沖頭12上方形成空腔。接著，於模具11所包圍的空腔內填充粉末10。於已填充粉末10的模具11之上方的開口部插入上沖頭13。在粉末填充步驟中，填充在模具11中的粉末10的填充密度與第一比較例以及第二比較例同樣地例如為50[%]左右。而下沖頭12以及上沖頭13可以由複數個沖頭零件組成這點與第一比較例同樣。
接下來，如圖3以及圖4的步驟S12所示，加壓成型步驟係對粉末10加壓，藉此將生壓胚15成型。具體而言，藉由插入模具11的一方的開口部的下沖頭12以及插入模具11的另一方的開口部的上沖頭13對填充在模具11中的粉末10加壓。藉此，將生壓胚15成型。對粉末10加壓之表壓的壓力係例如為100[MPa]至700[MPa]或者700[MPa]以上。
在加壓成型步驟中粉末的溫度低於500[℃]。亦可不用特意提高溫度，例如為300[℃]，具體而言是室溫到400[℃]。藉此，將粉末10被壓縮的生壓胚15成型。在加壓成型步驟中，係使粉末10的填充密度自例如低於60[%]變化至60[%]以上。在用於油軸承等的多孔質體之情形中，可使其變化至75[%]。在形成緻密的燒結體之情形中，可使其自低於90[%]變化至90[%]以上。具體而言，在形成緻密的燒結體之情形中，使粉末10的填充密度自50[%]左右提升到例如95[%]。藉此，粉末10的顆粒被壓實。在加壓成型步驟中，填充在模具11中的粉末10可以在大氣環境中處理，但最好是在真空等的減壓環境或者惰性氣體環境中處理。藉由上沖頭13以及下沖頭12的上下運動對粉末10施加的壓力係用表壓表示。
在本實施形態的通電燒結方法中，亦可以使用碳模以外的模具11。例如，亦可以使用由含有金屬的材料製成的模具11。因此，能施加700[MPa]左右的高壓。故，能使用具有複雜形狀的空腔表面的模具11來形成已高精度地反映了模具111的空腔表面的形狀之複雜形狀的生壓胚15。此外，能以一個模具11重複生產相同形狀的生壓胚15。如此可大量生產相同形狀的生壓胚15。
接下來，如圖3以及圖4的步驟S13所示，脫模步驟使生壓胚15從模具11脫模。例如，藉由用下沖頭12將生壓胚15從模具11中推出，使生壓胚15自模具11脫模。
接下來，如圖3以及圖4的步驟S14所示，通電燒結步驟係藉由對已從模具11脫模的生壓胚15通電以形成燒結體17。例如，透過上沖頭13以及下沖頭12對生壓胚15通電。在通電燒結步驟中，藉由對生壓胚15通電，生壓胚15中的粉末10的各個顆粒係藉由各個顆粒之間產生的熱量、各個顆粒的內部(顆粒本身)產生的熱量以及藉由熱傳導而從顆粒的外部傳遞的熱量被燒結或者擴散鍵結。例如，藉由燒結形成緻密體，藉由擴散鍵結形成多孔質體。
在通電燒結步驟中，係於上沖頭13以及下沖頭12未加壓的狀態下對生壓胚15通電。亦即，在通電燒結步驟中，除了為了通電之上沖頭13及下沖頭12的接觸、或者電極等的接觸所造成之不可避免的壓力之外，不會特意對生壓胚15施加壓力。亦即，雖仍施加有裝置運行所需的最低限度的壓力(負載限制器的下限)或不可避免的壓力，但除了不可避免的壓力外不會施加其他壓力。在通電燒結步驟中，不特意對生壓胚15施加壓力，除了不可避免的壓力外施加在生壓胚15的壓力為0[MPa]。此外，裝置運行所需的最低限度的壓力(負載限制器的下限)亦可實際上不存在，例如可作用100[kgf]作為負載限制器的下限。將通電所造成生壓胚15的溫度設定成低於粉末10的材料的熔點之溫度。例如，在通電燒結步驟中，生壓胚15的溫度為500[℃]以上。在鋁合金的燒結之情形中，為600[℃]以上。在以鐵作為主要成分之合金之情形中，生壓胚15的溫度較佳為800[℃]以上。用第一比較例的粉末冶金法形成鋁合金的燒結體是非常困難的，然而可以用第二比較例的SPS法或本實施形態的方法來形成。本實施形態之通電燒結方法與第二比較例的SPS法之不同，加壓成型時的溫度與通電燒結時的溫度分別不同。
本實施形態之通電燒結步驟中，雖然藉由對生壓胚15通電以加熱生壓胚15，但亦可不加熱模具11。故，與碳模214也與粉末10一起被加熱的第二比較例的SPS不同。如此，形成燒結體17。在通電燒結步驟中，可使粉末10的填充密度保持在例如60[%]以上。例如，在多孔質體之情形中，例如保持在60[%]以上。而在形成緻密的燒結體之情形中，例如保持在90[%]以上。例如，通電燒結步驟後的燒結體17的粉末填充密度為97[%]。又，在通電燒結步驟中，生壓胚15亦可以在如真空等的減壓環境或者惰性氣體環境中被通電。
之後，如圖3以及圖4的步驟S15所示，送出步驟係將已形成的燒結體17送出。如此，可以形成燒結體17。
如表1所示，本實施形態之通電燒結方法能夠將複雜形狀的生壓胚15成型，藉此可形成複雜形狀的燒結體17。此外，由於是通電燒結，因此可以在短時間內形成燒結體17。例如，在通電燒結步驟中，在燒結溫度所保持的時間為幾秒鐘到幾分鐘，例如為1[分鐘]。
進而，由於在加壓成型步驟中係藉由壓縮而形成生壓胚15，因此在通電燒結步驟中生壓胚15在燒結過程中不會迅速收縮。因此，在通電燒結步驟中，除了由於沖頭材料的熱膨脹等引起的位移外，幾乎沒有沖頭位移量，可以抑制燒結體17自目標尺寸以及目標形狀偏離並抑制毛刺的產生。因此，可減少不良率而可使尺寸精度以及幾何精度提升。
此外，由於可以抑制粉末10在模具11上燒毀，所以可以延長模具11的壽命。如此，可以生產大量具有通電燒結而成之複雜形狀的燒結體17之零件，而可降低生產成本。
[通電燒結裝置]
以下說明本實施形態之通電燒結裝置。圖5係舉例說明第一實施形態的通電燒結裝置的構造圖。圖6係舉例說明第一實施形態的另一實施例的通電燒結裝置的構造圖。如圖5以及圖6所示，通電燒結裝置1、1a包含有模具11、上沖頭13、下沖頭12、加壓成型機構18、脫模機構19以及通電燒結機構20。又，通電燒結裝置1亦可具有腔室21以及粉末填充機構22，亦可具有未圖示之壓力錶、溫度計及電流計。進而，如圖6所示，為了以自動化之方式形成燒結體17，通電燒結裝置1a亦可具有控制機構23。
模具11可形成為例如一側及另一側呈開口之筒狀。一側及另一側的開口例如為下方以及上方之開口。於一側之開口部插入下沖頭12。於另一側之開口部插入上沖頭13。模具11係由含有金屬的材料製成。在通電燒結裝置1包含有腔室21之情形中，模具11配設於腔室21的內部。
腔室21可將內部作成真空等的減壓環境或惰性氣體環境。故，被填充至模具11中的粉末10亦可以在減壓環境或惰性氣體環境下加壓成型。此外，脫模後的生壓胚15也可以在減壓環境或惰性氣體環境下進行通電燒結。腔室21的內部的減壓環境或惰性氣體環境是藉由設置於腔室21的排氣閥、排氣泵、惰性氣體供應閥等來控制。
例如，腔室21亦可以如專利文獻1般具有包含上沖頭13的上部外壁以及包含下沖頭12的下部外壁。如此，亦可將包含模具11的有限的封閉空間作成減壓環境或者惰性氣體環境。
粉末填充機構22將粉末10填充到模具11中。粉末填充機構22例如為粉末進料器。
加壓成型機構18對填充在模具11中的粉末10進行加壓，藉此將生壓胚15成型。加壓成型機構18係例如為進行機械式衝壓的馬達。只要能對已填充至模具11的粉末10進行加壓以使生壓胚15成型，加壓成型機構18不限於馬達，也可以是例如進行液壓式衝壓的泵。加壓成型機構18藉由插入模具的一側的開口部之下沖頭12以及插入模具的另一側的開口部之上沖頭13對粉末10進行加壓。加壓成型機構18係在粉末的溫度低於500[℃]的狀態下將對粉末10加壓之壓力設定為100[MPa]至700[MPa]或者700[MPa]以上。如此，加壓成型機構18係使粉末10的填充密度自例如低於60[%]變為60[%]以上。
脫模機構19係使生壓胚15從模具11脫模。脫模機構19例如為下沖頭12的馬達。脫模機構19係用下沖頭12將生壓胚15從模具11中推出，以使生壓胚15從模具11脫模。在該情況下，模具11亦可被固定。然而，只要可使生壓胚15自模具11脫模，脫模機構19不限於下沖頭12的馬達，也可以是下沖頭12的泵等，或者是設置在模具11且用於使模具11移動的馬達或泵等。
圖7係舉例說明第一實施形態中另一實施例的通電燒結裝置的構成圖。如圖7所示，在通電燒結裝置1b中，脫模機構19可將生壓胚15自模具11、下沖頭12以及上沖頭13脫離，藉此使生壓胚15自模具11脫模。然而雖然圖中未顯示，但為了以自動化的方式形成燒結體17，通電燒結裝置1b亦可具有控制機構23。
如圖5至圖7所示，通電燒結機構20對已自模具11脫模之生壓胚15通電，藉此形成燒結體17。通電燒結機構20例如是電源。然而，只要能藉由對自模具11脫模之生壓胚15通電以形成燒結體17，通電燒結機構20不限於電源，也可以是電池或者電池組。
如圖5以及圖6所示，通電燒結機構20可以透過上沖頭13以及下沖頭12對生壓胚15通電。具體而言，電流流動的通電路徑是從通電燒結機構20經過電極24、上沖頭13、生壓胚15、下沖頭12以及電極25回到通電燒結機構20。電極24配置於上沖頭13的上方，與通電燒結機構20相連。電極25配置於下沖頭12的下方，與通電燒結機構20相連。上沖頭13以及下沖頭12具有使通電流動於生壓胚15的端子的功能。
又，如圖7所示，當將生壓胚15自模具11、下沖頭12以及上沖頭13中取出時，通電燒結機構20亦可不透過下沖頭12以及上沖頭13，而是透過端子26及端子27對生壓胚15通電。端子26配置於電極24與生壓胚15之間。端子27配置於電極25與生壓胚15之間。電流流動的通電路徑是從通電燒結機構20經過電極24、端子26、生壓胚15、端子27以及電極25回到通電燒結機構20。其中，通電路徑亦可不透過電極24以及電極25，而是自通電燒結機構20經由端子26、生壓胚15以及端子27返回到通電燒結機構20。
通電燒結機構20亦可在對粉末施加的壓力除了不可避免的壓力以外為0[MPa]的狀態下使粉末的溫度達到500[℃]以上。通電燒結機構20將粉末10的填充密度例如保持在60[%]以上。在多孔質體之情形中，例如保持在60[%]以上。在形成緻密的燒結體之情形中，例如保持在90[%]以上。通電燒結機構20藉由各個顆粒之間產生的熱量、各個顆粒的內部產生的熱量以及藉由熱傳導而從顆粒的外部傳遞的熱量等，燒結或者擴散鍵結生壓胚15中的粉末10的各個顆粒。
如圖5所示，通電燒結裝置1中的加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20、腔室21以及粉末填充機構22的動作亦可由手動控制。另一方面，如圖6所示，為了以自動化之方式形成燒結體17，通電燒結裝置1a亦可具有：控制機構23，用於控制加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20、腔室21以及粉末填充機構22的動作。
控制機構23係藉由有線或者無線的訊號線等而與加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20、腔室21以及粉末填充機構22連接。控制機構23亦可以藉由訊號線等而與壓力計、溫度計、電流計連接。控制機構23例如為資訊處理裝置，如個人電腦或伺服器等。
控制機構23係對粉末填充機構22發送訊號，藉此控制粉末填充機構22對模具11填充預先設定好的供應量的粉末10。另外，控制機構23係對加壓成型機構18發送訊號，藉此控制加壓成型機構18對已填充至模具11中的粉末10以預先設定好的壓力進行加壓。接著，控制機構23係對脫模機構19發送訊號，藉此控制脫模機構19使生壓胚15自模具11脫模。又，控制機構23係對通電燒結機構20發送訊號，藉此控制通電燒結機構20對已自模具11脫模的生壓胚15通電而形成燒結體17。
控制機構23係對腔室21發送訊號，藉此控制腔室21使腔室21的內部成為預定的減壓環境或者惰性氣體環境。控制機構23亦可控制成送出已形成之燒結體17。
控制機構23具有記憶體等儲存裝置，可將用以控制加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20、腔室21以及粉末填充機構22的動作的程式儲存於儲存裝置。接著，控制機構23亦可以根據程式控制加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20、腔室21以及粉末填充機構22的動作。
接下來，作為實施例，說明使用圖7中所示的通電燒結裝置1b形成燒結體17的例子。圖8係舉例說明使用第一實施形態之通電燒結裝置1b之通電燒結方法中於加壓成型步驟中的沖頭面壓與燒結體的填充密度之間的關係的圖，其中橫軸表示面壓[MPa]，縱軸表示填充密度[％]。在圖8中，黑圈(●)表示壓實後(加壓成型後)，白圈(○)表示燒結後。圖9係舉例說明使用第一實施形態的通電燒結裝置1b的通電燒結方法於加壓成型步驟中沖頭面壓與燒結體的收縮率之間關係的圖，其中橫軸表示面壓[MPa]，縱軸表示收縮率[％]。在圖9中，斜線的直條表示與加壓方向正交的XY面上的收縮率，白圈的直條表示加壓的Z軸方向上的收縮率。圖10係舉例說明使用第一實施形態的通電燒結裝置1b的通電燒結方法中的燒結體的剖面圖。圖11係舉例說明使用第一實施形態的通電燒結裝置1b的通電燒結方法中燒結體的微觀結構的剖面圖。
如圖8所示，在加壓成型步驟中，通過施加250[MPa]、500[MPa]以及750[MPa]的面壓形成的生壓胚15的填充密度分別為62.0[%]、78.4[%]以及82.2[%]。通過燒結如上述方式所形成的生壓胚15而形成的燒結體17的填充密度分別為63.3[%]、79.6[%]以及84.8[%]。如此，根據本實施形態的電壓燒結方法，在加壓成型步驟中使粉末10的填充密度在從低於60[%]變化成60[%]以上，而在電壓燒結步驟中將粉末10的填充密度保持在60[%]以上。
如圖9所示，在加壓成型步驟中藉由施加250[MPa]的面壓所成型的生壓胚15的XY面以及Z軸的收縮率分別為0.40[%]以及1.18[%]。在加壓成型步驟中，藉由施加500[MPa]的面壓所形成的生壓胚15的XY面以及Z軸的收縮率分別為0.49[%]及0.50[%]。在加壓成型步驟中，藉由施加750[MPa]的面壓所形成的生壓胚15的XY面以及Z軸的收縮率分別為0.69[%]及1.74[%]。如此，在本實施形態之通電燒結方法中，雖然在500[MPa]之情形中程度較輕微，但Z軸的收縮率一般係大於XY面的收縮率。因此，如圖10及圖11所示，可以形成品質好的燒結體17。
接著，說明本實施形態之通電燒結裝置1的功效。通電燒結裝置1至1b可以藉由具有如表1所示之功效的通電燒結方法形成燒結體17。因此，通電燒結裝置1至1b可以降低燒結體17的生產成本。
又，通電燒結機構20可以透過上沖頭13以及下沖頭12對生壓胚15通電。如此可減少自加壓成型移動至通電燒結的時間。另一方面，通電燒結機構20亦可透過端子26及端子27對生壓胚15通電。如此可以減少由於電流流經上沖頭13以及下沖頭12造成的電流損失，並可使上沖頭13以及下沖頭12的壽命提升。
由於本實施形態的通電燒結機構20係藉由通電燒結，利用各個顆粒之間產生的熱量、各個顆粒的內部(顆粒本身)產生的熱量以及藉由熱傳導而從顆粒的外部傳遞的熱量等對粉末10的各個顆粒進行燒結，因此能將粉末10的填充密度保持在60[%]以上並將燒結體17緻密化。此外，由於使用了擴散鍵結，因此可將粉末的填充密度保持在60[%]以上並形成多孔質體。此外，與第二比較例的SPS法不同，由於除了不可避免的壓力外對生壓胚15加壓之壓力為0[MPa]，因此可以抑制沖頭位移量並抑制燒結體17中毛刺的產生。此外，可以使模具11、上沖頭13以及下沖頭12的壽命提升。
藉由控制機構23控制加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20等，藉此通電燒結形成燒結體17的過程可以自動化。因此，可以降低生產成本。
(第二實施形態)
接下來，說明第二實施形態的通電燒結裝置2。本實施形態的通電燒結裝置係將用於加壓成型的部分與用於通電燒結的部分分開。藉此，能並行地進行加壓成型以及通電燒結。
圖12是舉例說明第二實施形態的通電燒結裝置的構造圖。如圖12所示，通電燒結裝置2具有粉末填充部31、加壓成型部32、通電燒結部33、送出部34以及運送機構35。通電燒結部33係與加壓成型部32並列設置。粉末填充部31係可以與加壓成型部32並列設置，亦可與加壓成型部32一體化。送出部34係可與通電燒結部33並列設置，亦可與通電燒結部33一體化。
又，通電燒結裝置2也可具有腔室21。亦可於腔室21的內部設置有模具11、下沖頭12以及上沖頭13。
粉末填充部31係具有粉末填充機構22。在粉末填充部31中，粉末填充機構22係將粉末10填充至模具11。
加壓成型部32包括加壓成型機構18以及脫模機構19。在加壓成型部32中，加壓成型機構18使用上沖頭13以及下沖頭12對填充在模具11中的粉末10進行加壓，藉此將生壓胚15成型。此外，在加壓成型部32中，脫模機構19係使生壓胚15自模具11脫模。
運送機構35將生壓胚15從加壓成型部32運送到通電燒結部33。運送機構35可以是例如運送生壓胚15的運送台，也可以是運送生壓胚15的手臂。運送機構35亦可以將燒結體17從通電燒結部33運送到送出部34。
通電燒結部33包括通電燒結機構20。在通電燒結部33中，通電燒結機構20對已從模具11脫模之生壓胚15通電，藉此形成燒結體17。送出部34將所形成之燒結體17從通電燒結裝置2送出。通電燒結裝置2亦可進一步包括：控制機構23，用於控制加壓成型機構18、脫模機構19、通電燒結機構20以及運送機構35。藉此，能將燒結體17的形成自動化。
接下來，說明本實施形態的通電燒結裝置2的動作。圖13係舉例說明第二實施形態的通電燒結裝置的動作的流程圖。如圖13所示，通電燒結裝置2係能並行地進行生壓胚成型步驟S20以及燒結體形成步驟S30。生壓胚成型步驟S20包括粉末填充步驟S21、加壓成型步驟S22、脫模步驟S23以及運送步驟S24。燒結體形成步驟S30包括通電燒結步驟S31以及送出步驟S32。
說明生壓胚成型步驟S20。在圖13的粉末填充步驟S21中，粉末填充機構22將粉末10填充到模具11中。模具11由含有金屬的材料製成，且形成為一側以及另一側呈開口之筒狀。
接下來，在加壓成型步驟S22中，加壓成型機構18對填充在模具11中的粉末10進行加壓，藉此將生壓胚15成型。例如，加壓成型機構18係藉由上沖頭13及下沖頭12對粉末10進行加壓。
接下來，在脫模步驟S23中，脫模機構19係使生壓胚15自模具11脫模。例如，脫模機構19係將生壓胚15自模具11、上沖頭13以及下沖頭12脫離，藉此使生壓胚自模具11脫模。
接下來，在運輸步驟S24中，運輸裝置35將生壓胚15從加壓成型部32運送到通電燒結部33。
接下來，在步驟S25中，判斷是否要結束生壓胚成型步驟S20的處理。在繼續進行生壓胚成型步驟S20之情形中，返回到步驟S21，繼續進行粉末填充步驟S21至運送步驟S24。另一方面，在步驟S25中結束生壓胚成型步驟S20的處理之情形中，則使處理結束。
接下來，說明燒結體形成步驟S30。在圖13的通電燒結步驟S31中，通電燒結機構20對自加壓成型部32運送過來的生壓胚15通電，藉此形成燒結體17。例如，通電燒結裝置係透過端子26以及端子27對已被運送來的生壓胚15通電。
接著，在送出步驟S32中，將已形成的燒結體17送出。接著，在步驟S33中，判斷是否要結束燒結體形成步驟S30之處理。在繼續燒結體形成步驟S30之情形中，返回到步驟S31，繼續進行通電燒結步驟S31至送出步驟S32。另一方面，在步驟S33中要結束燒結體形成步驟S30的處理之情形中，則使處理結束。藉此，可以形成燒結體17。在本實施形態的通電燒結方法中，在加壓成型步驟S22中將生壓胚15a成型時，可以並行地在通電燒結步驟S31中對與生壓胚15a不同的生壓胚15b通電而形成燒結體17。更具體地說，在加壓成型機構18將生壓胚15a成型時，通電燒結機構20可並行地對生壓胚15b通電以形成燒結體17。
接著，說明本實施形態之功效。本實施形態的通電燒結裝置2將進行加壓成型的加壓成型部32以及進行通電燒結的通電燒結部33分開。藉此，能並行地進行加壓成型所進行之生壓胚15的成型以及通電燒結所進行之燒結體17的形成。故，可以縮短生產時間。
此外，由於能將用於加壓成型的模具11、上沖頭13以及下沖頭12與用於通電燒結的端子26及端子27分開，因此能使各個零件的壽命提升。
圖14係舉例說明第三比較例的SPS裝置的構造圖。如圖14所示，SPS裝置103有粉末填充部331、預熱部332，通電燒結部333以及冷卻部334。另外，SPS裝置103還具有複數個模具組310以及粉末填充機構322。每個模具組310包括碳模314、上沖頭313以及下沖頭312。複數個模具組310從粉末填充部331連續運送到冷卻部334，在粉末填充部331、預熱部332、通電燒結部333以及冷卻部334的每個部分中進行粉末填充處理、預熱處理、通電燒結處理以及冷卻處理。在從粉末填充部331到冷卻部334的每個部分中，任何時候都有一個以上的模具組310被處理。
第三比較例的SPS裝置103可以連續進行粉末填充處理、預熱處理、通電燒結處理以及冷卻處理，可以在一定程度上縮短燒結體317的生產時間。然而，由於第三比較例的SPS裝置103需要製備大量昂貴的碳模314，因此生產成本增加。
另一方面，本實施形態的通電燒結裝置2不需要使用昂貴的碳模314。此外，能藉由一個模具11可以複數個生壓胚15成型。因此，得以抑制生產成本。此外，在通電燒結時，由於將生壓胚15自模具11脫模，因此能使模具11的壽命提升，生產成本可以進一步降低。此外，其他功效如第一實施形態所說明。
以上，基於實施形態具體說明本發明人所完成之發明，然而本發明並不局限於上述實施形態，可明瞭在不偏離本發明的主旨的範圍內可施以各種變化。
本申請案請求以2020年6月18日提出申請的的日本申請案JP2020-105151為基礎取得優先權，且將該申請案所公開內容皆納入本說明書中。
1,1a,1b,2:通電燒結裝置
10:粉末
11:模具
12:下沖頭
13:上沖頭
15,15a,15b:生壓胚
17:燒結體
18:加壓成型機構
19:脫模機構
20:通電燒結機構
21:腔室
22:粉末填充機構
23:控制機構
24,25:電極
26,27:端子
31:粉末填充部
32:加壓成型部
33:通電燒結部
34:送出部
35:運送機構
103:SPS裝置
111:模具
112,212:下沖頭
113,213:上沖頭
115:生壓胚
116:燒結爐
117:燒結體
214:碳模
217:燒結體
310:模具組
322:粉末填充機構
331:粉末填充部
332:預熱部
333:通電燒結部
334:冷卻部
[圖1]係舉例說明第一比較例中粉末冶金法的製程圖。
[圖2]係舉例說明第二比較例中SPS製法的製程圖。
[圖3]係舉例說明第一實施形態中通電燒結方法的製程圖。
[圖4]係舉例說明第一實施形態中通電燒結方法的流程圖。
[圖5]係舉例說明第一實施形態中通電燒結裝置的構造圖。
[圖6]係舉例說明第一實施形態的另一實施例的通電燒結裝置的構造圖。
[圖7]係舉例說明第一實施形態之再另一實施例的通電燒結裝置的構造圖。
[圖8]係表示在使用了第一實施形態之通電燒結裝置的通電燒結方法中，加壓成型步驟中的沖頭面壓力與燒結體之填充密度的關係的圖表，其中橫軸表示面壓力而縱軸表示填充密度。
[圖9]係表示在使用了第一實施形態之通電燒結裝置的通電燒結方法中，加壓成型步驟中的沖頭面壓力與燒結體之收縮率的關係的圖表，其中橫軸表示面壓力而縱軸表示收縮率。
[圖10]舉例說明在使用了第一實施形態之通電燒結裝置的通電燒結方法中燒結體的橫剖面。
[圖11]係舉例說明使用了第一實施形態之通電燒結裝置的通電燒結方法中燒結體的微觀結構的剖面。
[圖12]係舉例說明第二實施形態的通電燒結裝置的構造圖。
[圖13]係舉例說明第二實施形態的通電燒結裝置之動作的流程圖。
[圖14]係舉例說明第三比較例的SPS裝置的構造圖。
10:粉末
11:模具
12:下沖頭
13:上沖頭
15:生壓胚
17:燒結體
Claims (20)
- 一種通電燒結方法，包含有： 加壓成型步驟，對填充於模具的粉末進行加壓，藉此將生壓胚成型； 脫模步驟，使前述生壓胚自前述模具脫模；以及 通電燒結步驟，對自前述模具脫模的前述生壓胚通電，藉此形成燒結體。
- 如請求項1所記載之通電燒結方法，其中在前述加壓成型步驟中，使用由含有金屬的材料製成且形成為一側以及另一側呈開口之筒狀的前述模具，藉由插入前述一側之開口部的第一沖頭以及插入前述另一側之開口部的第二沖頭對前述生壓胚加壓。
- 如請求項2所記載之通電燒結方法，其中在前述脫模步驟中，藉由前述第一沖頭將前述生壓胚自前述模具推出，藉此使前述生壓胚自前述模具脫模； 在前述通電燒結步驟中，透過前述第一沖頭以及前述第二沖頭對前述生壓胚通電。
- 如請求項2所記載之通電燒結方法，其中在前述脫模步驟中，將前述生壓胚自前述模具、前述第一沖頭以及前述第二沖頭脫離，藉此將前述生壓胚自前述模具脫模； 在前述通電燒結步驟中，透過一第一端子以及一第二端子對前述生壓胚通電。
- 如請求項1至4中任一項所記載之通電燒結方法，其中在前述通電燒結步驟中，前述生壓胚中的前述粉末的各個顆粒藉由以下至少一種熱量進行燒結或者擴散鍵結：各個前述顆粒之間產生的熱量、各個前述顆粒的內部產生的熱量以及藉由熱傳導而從前述顆粒的外部傳遞的熱量。
- 如請求項1至4中任一項所記載之通電燒結方法，其中在前述加壓成型步驟中將第一生壓胚成型時，並行地在前述通電燒結步驟中對與前述第一生壓胚不同的第二生壓胚通電，藉此形成燒結體。
- 如請求項1至4中任一項所記載之通電燒結方法，其中在前述加壓成型步驟中，前述粉末的溫度低於500[℃]，對前述粉末加壓的壓力為100[MPa]至700[MPa]； 在前述通電燒結步驟中，前述生壓胚的溫度為500[℃]以上，除了不可避免的壓力外對前述生壓胚加壓的壓力為0[MPa]。
- 如請求項1至4中任一項所記載之通電燒結方法，其中在前述加壓成型步驟中，使前述粉末的填充密度自低於60[%]變化為60[%]以上； 在前述通電燒結步驟中，將前述粉末的前述填充密度保持在60[%]以上。
- 一種通電燒結裝置，包含有： 加壓成型機構，用以對填充於模具之粉末加壓，藉此將生壓胚成型； 脫模機構，用以將前述生壓胚自前述模具脫模；以及 通電燒結機構，用以對自前述模具脫模的前述生壓胚通電，藉此形成燒結體。
- 如請求項9所記載之通電燒結裝置，其中前述模具係由含有金屬的材料製成，且形成為一側以及另一側呈開口之筒狀； 前述加壓成型機構係藉由插入前述一側之開口部的第一沖頭ｕ３ 及插入前述另一側之開口部的第二沖頭對前述生壓胚加壓。
- 如請求項10所記載之通電燒結裝置，其中前述脫模機構係藉由前述第一沖頭將前述生壓胚自前述模具推出，藉此使前述生壓胚自前述模具脫模； 前述通電燒結機構係透過前述第一沖頭以及前述第二沖頭對前述生壓胚通電。
- 如請求項10所記載之通電燒結裝置，其中前述脫模機構係將前述生壓胚自前述模具、前述第一沖頭以及前述第二沖頭脫離，藉此使前述生壓胚自前述模具脫模； 前述通電燒結機構係透過第一端子以及第二端子對前述生壓胚通電。
- 一種通電燒結裝置，包含： 加壓成型機構，用以對填充於模具之粉末加壓，藉此將生壓胚成型； 脫模機構，用以將前述生壓胚自前述模具脫模； 通電燒結機構，用以對自前述模具脫模的前述生壓胚通電，藉此形成燒結體； 加壓成型部，包含前述加壓成型機構以及前述脫模機構； 通電燒結部，與前述加壓成型部並列設置且包含前述通電燒結機構；以及 運輸機購，將前述生壓胚自前述加壓成型部運送至前述通電燒結部。
- 如請求項13所記載之通電燒結裝置，其中前述模具係由含有金屬的材料製成，且形成為一側以及另一側呈開口之筒狀； 前述加壓成型機構係藉由插入前述一側之開口部的第一沖頭以及插入前述另一側之開口部的第二沖頭對前述生壓胚加壓。
- 如請求項14所記載之通電燒結裝置，其中前述脫模機構係將前述生壓胚自前述模具、前述第一沖頭以及前述第二沖頭脫離，藉此使前述生壓胚自前述模具脫模； 前述通電燒結機構係透過第一端子以及第二端子對前述生壓胚通電。
- 如請求項13至15中任一項所記載之通電燒結裝置，其中前述加壓成型機構將第一生壓胚成型時，並行地前述通電燒結機構係對與前述第一生壓胚不同的第二生壓胚通電，藉此形成前述燒結體。
- 如請求項9至15中任一項所記載之通電燒結裝置，其中前述加壓成型機構更具有：控制裝置，係控制前述脫模機構以及前述通電燒結機構。
- 如請求項9至15中任一項所記載之通電燒結裝置，其中前述通電燒結機構係使前述生壓胚中的前述粉末的各個顆粒藉由以下至少一種熱量燒結或者擴散鍵結：各個前述顆粒之間產生的熱量、各個前述顆粒的內部產生的熱量以及藉由熱傳導而從前述顆粒之外部傳遞的熱量。
- 如請求項9至15中任一項所記載之通電燒結裝置，其中前述加壓成型機構係在前述粉末的溫度低於500[℃]的狀態下將對前述粉末加壓的壓力設定成100[MPa]至700[MPa]； 前述通電燒結機構係在除了不可避免的壓力外對前述粉末加壓的壓力為0[MPa]的狀態下使前述粉末的溫度達到500[℃]以上。
- 如請求項9至15中任一項所記載之通電燒結裝置，其中前述加壓成型機構係使前述粉末的填充密度自低於60[%]變化為60[%]以上； 前述通電燒結機構係使前述粉末的前述填充密度保持在60[%]以上。
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