JPH02221302A - 粉末成形体の製造方法 - 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、粉末成形体の製造方法及び装置に関するもの
である。

（従来の技術） 第１５図（Ａ）に示す如く金属粉末、セラミック粉末等
の焼結用粉末２１を成形型２０に入れてピストン２２で
圧縮し、最終製品若しくは中間製品の粉末成形体を得る
場合においては、粉末成形体の密度を高くすると共に、
全体にわたって均一にすることが重要である。仮りに密
度が低ければ成形体の強度が不足し、また密度が高くて
も分布があれば、焼結時にひずみが発生し、割れの原因
になる。

この主要な原因は、圧縮時に生じる成形型２０の壁面と
粉末２１との間の摩擦である。即ち、成形型２０の壁面
との摩擦のために、ピストン２２からの加圧力が消費さ
れ圧力分布を発生するためであり、粉末層内に第１６図
（Ａ）の如く密度分布を引起こすことになる。

これを改善する対策として、従来、次の方法が用いられ
ている。

■　第１５図（Ｂ）に示す如く成形型２０の上下両側に
ピストン２２を設け、成形型２０内の粉末２１を上下両
側から圧縮する。これによれば、粉末層の深さと共に密
度の低下が太き（なるので、上下両側から圧縮すること
により、粉末層の厚さをＩｔ／２に薄くしたのと同じ効
果が得られ、密度分布が第１６図（Ｂ）の如く良くなる
。

また、これと同じ効果をねらったものとして、第１５図
（Ｃ）に示す如く成形型２０をスプリング２３で支持す
るフローティングダイ法がある。これによれば、密度分
布は第１６図（Ｃ）の如く更に良くなる。

■　加圧時に成形型を振動させ、粉末層を加振する。そ
の結果、壁面と粉末との摩擦係数、粉末間の摩擦係数が
小さくなり、摩擦力が低減する。

■　滑り易い材料を成形型２０の壁面に使用する。

■　粉末にステアリン酸等の流動助剤を添加する。

（発明が解決しようとする課題） しかし、■の両押し法（或いはフローティングダイ法）
では、摩擦の影響を半減させることはできるが、本質的
な解決にはならない、また両押し機構、フローティング
機構の採用によって装置全体が複雑になり、設罐費が割
高になる上に、成形時の操作が増える欠点がある。

■の加振法では、加圧力が大きくなれば、粉末層の加振
効果が薄くなり、また加振機構加振エネルギーを要する
欠点がある。

また■及び■のような成形型２０の壁面のライニング、
流動助剤の添加等だけでは、目標の高密度化、密度の均
一化には制限がある。

本発明は、このような従来の課題に鑑み、極く簡単にし
て粉末成形体の高密度化、密度の均一化を図り得るよう
にすることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本弁明は、そのための手段として、粉末成形体の製造に
際し、成形型１に粉末８を充填し、該粉末８の略全量に
おいて最大主応力が垂直方向の主動となるように加圧す
る方法を採用する。

また、その製造装置として、 テーパー角度αが ｄｕ ０．５　′　≦α≦２　ｔａｎ　−’　（０，０６）但
し、ｄｕ：成形体上端の直径 Ｉｌ：成形体の高さ である下床がり状のテーパー状内面を有する成形型１と
、該成形型１の下端側を閉塞する下蓋４と、成形型ｌ内
の粉末８を上方から加圧するピストン７とを備えたもの
である。

（作　　用） 垂直壁の容器に粉末を入れて垂直方向に加圧した時、次
の２つの応力状態が現れる。

イ）１大主応力が水力方向を向く（これを主動とい′う
）〔第１０図（Ａ）参照〕。

口）　最大主応力が水平方向を向く（これを受動という
）〔第１０図（Ｂ）参照〕。

粉末が流動する時の応力状態を第１１図に示す。

第１１図に示す如く壁面の破壊包絡線ＷＹＬがモール円
とＰ、及びＰ３て交差する。この交点Ｐ２の状態を受動
といい、ホッパー状の末すぼみの容器の場合に発生する
。垂直壁の容易では、交点のＰ、の状態の主動が支配的
であるが、受動となることがある。即ち、３００　φ園
の容器に２〜３φ鵬の砂を詰め、その壁面床を測定する
ことにより調べた所、主動と受動との中間値を示した。

水平応力は同一水平面内で一様である。一方、垂直剪断
応力は中心で零、壁面で最大値をとり、その間で直線的
に変化する。かかる条件の下に式を誘導すると、垂直応
力は、次のように表せる。

δｖ＝−（１−ｅ　−烏Ｘ　）　＋　δｖｏ　ｅ　−”
ここで ｍＢＤ ｃｏｇφ　（（１＋ｓｉｎ”δ）±’ｌｙ　ｓｉｎδ〕
、符号十は主動、符号−は受動 ｍは定数・・・・・・平面流れで１、円筒流れで２Ｘ：
粉体層上表面からの深さ Ｌ：粉体層の幅（円筒流れでは直径） Ｔ：粉体層のかさ密度 δシロ：粉体層上表面に係る圧力 φ：壁面摩擦角 δ：有効内部摩擦角 ここで、Ｄは分配係数と呼び、平均垂直応力に対する壁
面近傍の垂直応力の値である。その計算結果をδ、φを
パラメータにして第１２図に示す。

金属粉末の場合物性値の代表としてδ−３０゜φ−１６
＠を用いると、分配係数りは、受動が１．２、主動が０
．９５となる。従って、容器内の粉末層の圧力分布が主
動では少ないこと、即ち、密度の均一化が図れることに
なる。

例えば、円筒容器に粉末を入れ、加圧力１３０　ｋｇ／
ｃｉｌが直径２４０　ｔｘｓで深さ１０１の粉末層に作
用したとする。この時の粉末として金属粉末を用い、δ
−３０°、φ゛−１６°　　ｒ＝６ｇ／ｃ４とする。

この場合、底面に発生する垂直応力は、第１３図及び第
１４図に示す如く、 受動では、平均４２ｋｇ／ｃＪ、中心部３３ｋｇ／ａｆ
ｌ、壁近傍５１ｋｇ／Ｃｄ 主動では、平均１１１　ｋｇ／ｃｄ、中心部１１４　ｋ
ｇ／ｃｄ、壁近傍１０８　ｋｇｌＣ−となる、従って、
円筒容器を上広がりにして、応力状態を確実に主動に保
つことによって、加圧力が殆どそのまま下面に有効に伝
わり、中心部と壁近傍の応力分布が少なくなるという効
果が得られる。つまり、上広がりの成形型ｌに粉末８を
入れ、上方からピストン７で圧縮することにより、高密
度でしかも密度の均一な粉末成形体を得ることができる
。

（実施例） 以下、図示の実施例について本発明を詳述する。

第１図は粉末成形体の製造装置を示し、１はテーパー角
度αの上広がり状のテーパー内面２を有する成形型で、
ベース３上の下蓋４に上方から套嵌され、かつボルト５
で着脱自在に固定されている。６はマスク型であり、成
形型１内で下蓋４内に取付けられている。７はピストン
で、成形型ｌ内に入れられた粉末８を下方に加圧して圧
縮するためのものであり、シリンダ（図示せず）による
昇降自在に支持されている。なお、成形型１の外周には
、粉末８を成形して成る粉末成形体を固化、乾燥するた
めの加熱装置（図示せず）が設けられている。

上記構成の製造装置を用いて粉末成形体を製造する際に
は、金属粉末の粉末８にバインダー、助剤等を添加した
スラリーを成形型ｌ内に入れた後、ピストン７で下方に
粉末８を加圧し圧縮する。すると成形型１のテーパー内
面２が上広がり状であるため、粉末８の略全量に対して
最大主応力が主動（垂直方向）となるように作用するの
で、高密度でしかも密度の均一な粉末成形体を得ること
ができる。

因みにテーパー角度α−５°の上広がり状の成形型１を
製作し、その密度分布を測定した。試料は２００ｔＩｍ
以下の金属粉末を使用し、バインダーと水を混合したス
ラリーにして成形型１に充填し、ピストン７で加圧する
ことにより脱水成形したものである。

成形後に取り出した約直径２４０　ｍｍ、高さ１００　
ｗａの成形体を軸心を通る中央断面で切断し、その密度
を測定した処、次のような結果が得られた。この結果を
第２図（Ａ）（Ｂ）に示すが、これは真密度７．８５ｇ
　／ａｌとしての相対密度（百分率）で表したものであ
る。

５°テーパー（その１）〔第２図（Ａ）参照〕平均密度
７５．９％ 密度分布±１．６５％（最小７３．９％、最大７７．２
％）分散１．３ ５°テーパー（その２）〔第２図（Ｂ）参照〕平均密度
７５．５％ 密度分布±１．５％（最小７４．０％、最大７７．０％
）分散０．７ 一方、テーパー角度α＝０のストレート型の成形型を用
いて同一成形条件で成形し、その成形体について測定し
た密度分布を第３図に示す。その結果は、次の通りであ
る。

平均密度７３．２％ 密度分布±３．９５％（最小６８．９％、最大７６．８
％）分散６．８ これらの測定結果からも明らかなように、下方に下床が
り状の成形型ｌを使用することによって、高密度化、密
度均一化が大幅に改善されることがわかった。

次に成形型１内に、第４図に示すような角錐状のブロッ
クをマスク型９として挿入して密度分布を測定した。加
圧力等の条件は同じである。

この時の結果を第５図及び第６図に示す、第５図は従来
のストレート型の場合であり、第６図は本発明のテーパ
ー型の場合である図の上側が、成形型内の下面にあたる
、密度分布は、ストレート型が最大７６．１％、最小７
４．０％、差２．１％であるのに対し、テーパー型では
最大７９．９％、最小７７．９％、差２．０％であり、
分布幅には差がないが、到達密度はテーパー型の方が高
い、従って、テーパー型の成形型１を用いることによっ
て、有効に加圧力がマスク型６の表面近傍まで伝わって
いることが判る。

成形型ｌのテーパー角度αは、 ｄｕ Ｏ０５°　≦α≦２　ｔａｎ　−’　（０，０６）の範
囲に設定するのが適当である。

即ち、テーパー角度αは主応力状態を常時主動に保つ角
度であることが下限値として要求される。

ストレート型の垂直壁でも条件によっては主動が表れる
が、常時ではない、またテーパー角度αが何度から常時
主動になるかは、粉末８の物性、壁面の状態で変わるた
め、定かではなく、しかも主動と受動が周期的に変動す
るとも報告されている。

従って、将来用いられるテーパー角度０°を除く範囲（
α〉０）を下限にしても良いが、成形型１から成形体を
容品に取り出せる角度を重視して０゜５″を下限とした
。なお、テーパー角度α−０，５°は、射出成形におい
て型枠から形成品を取出す時の抜勾配における下限値に
相当する。

ｄ。

上限値は、α≦２ｊａｎ−’　　（０，０６）に設定さ
れている。なお、第７図に示す如（、ｄｕは成形体の上
端の直径、ｌは成形体の高さである。

即ち、Ｐｕ、Ｐｊ！を成形体の上端、下端における圧力
Ａｕ、Ａｊ！を上端、下端における断面積とした場合、
摩擦の影響がないので、軸方向断面の荷重Ｗを一定とす
ると、Ｐｕ−Ａｕ＝　Ｐｊ！−Ａｎ！となる。

これにｄｕ、ｄｅ、　ｌを用いて、次の関係式を得る。

π 従って、主動を確実なものにするためには、テーパー角
度αを大きくするに越したことはない。

しかし、あまり大きくなりすぎると機構上、Ｐｌ＜Ｐｕ
となって逆効果である。そこで、第８図に示す如く、Ｐ
Ｉｌ／Ｐｕ＝０．８を上限とすると、ｄｕ α≦２ｔａｎ　−’　（０，０６） の関係となる。従って、ｊ！／ｄｕ＝０．５のとき、テ
ーパー角度αの上限は１３．５°となる。

なお、ピストン７による粉末８の圧縮時に、第９図の如
くピストン７を上下に振動さ、振動、圧縮の組合せによ
って成形しても良く、この場合にも、テーパー状に拡が
った成形型１を用いると、僅かな減圧、加圧の繰返し中
に収縮した変位が戻ることなく、常に圧密方向に進行す
ることになる。

（発明の効果） 本発明に係る製造方法によれば、成形型１に粉末８を充
填し、該粉末８の略全量において最大主応力が垂直方向
の主動となるように加圧するのので、粉末成形体の高密
度化、密度の均一化をはかることができる。

また本発明に係る製造装置によれば、テーパー角度αが ｄｕ Ｏ，５’　　≦α≦２ｊａｎ　−’　（０，０６）但し
、ｄｕ：成形体上端の直径 ｌ：成形体の高さ である下床がり状のテーパー状内面を有する成形型１と
、該成形型１の下端側を閉塞する下！４と、成形型１、
内の粉末８を上方から加圧するピストン７とを備えてい
るので、構造が極く簡単になり、非常に安価に実施でき
ると共にも、成形型１を軽く引き上げるだけで内部の成
形体を容易に取出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す製造装置の断面図、第
２図は（Ａ）（Ｂ）は本発明の場合の成形体の相対密度
を示す図、第３図は従来の場合の相対密度を示す図、第
４図はマスク型の斜視図、第５図は従来の場合の相対密
度を示す図、第６図は本発明の場合の相対密度を示す図
、第７図は本発明の説明図、第８図は本発明の１．／ｄ
ｕとαの関係を示す図、第９図は本発明の製造装置の断
面図、第１０図（Ａ）（Ｂ）４よ主動、受動の説明図、
第１１図は応力状態を示す図、第１２図は摩擦角と分配
係数との関係を示す図、第１３図は受動を示す図、第１
４図は主動を示す図、第１５図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は従
来の製造装置の断面図、第１６図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は
従来の場合の密度分布を示す図である。 ｌ・・・成形型、２・・・テーパー内面、４・・・下蓋
、７・・・ピストン、８・・・粉末。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）成形型（１）に粉末（８）を充填し、該粉末（８
   ）の略全量において最大主応力が垂直方向の主動となる
   ように加圧することを特徴とする粉末成形体の製造方法
   。 （２）テーパー角度αが ０．５゜≦α≦２ｔａｎ＾−＾１（０．０６（ｄｕ）／
   ｌ）但し、ｄｕ：成形体上端の直径 ｌ：成形体の高さ である下広がり状のテーパー状内面を有する成形型（１
   ）と、該成形型（１）の下端側を閉塞する下蓋（４）と
   、成形型（１）内の粉末（８）を上方から加圧するピス
   トン（７）とを備えたことを特徴とする粉末成形体の製
   造方法。