第7章
圧縮性と成形性
一般に粉末の成形特性を評価する
場合に用いる指標としては「圧縮
性」と「成形性」が挙げられる。
7.1圧縮性
同一圧力で粉末成形した場合の圧粉密度で比較し、圧粉
密度が高いほど圧縮性のよい粉末といえる。
圧縮率:圧粉において容積縮小の尺度となるもの
であり、圧縮体の密度(green density)と粉末の見掛け
密度の比を表し、圧縮比(compression ratio)と称して
いる。
圧粉体の密度と金属の真の密度との比を表すのに
用いられる場合もある。
見掛け密度:一定容器にある規定した方法で粉末
を充填したときのcm3当たりのグラム数をもって表
される密度である。
圧縮率は圧力および粉末の種類(粒径、形状、性
質(硬さ)、多孔度、組織)によって異なる。
見掛け密度は高くなるほど圧縮性が良くなる。
鉄粉:電解粉、アトマイズ粉、還元粉の順番に圧
縮性が優れる。
7.2成形性
ラトラー試験法によって評価できる。
実験の内容:金網のカゴの中に圧粉体を投入し所定の条
件で回転させたときの圧粉体の重量減少率(ラトラー
値)を測定する方法である。
ラトラー値が低いほど成形性が良い粉末といえる。
粉体の 成 形圧力 : 十分な 強 度を有 す る圧粉 体 (green
compact)を作るために要する最小の圧力
第8章
粉末成型法と成形体の特性
粘土:手で成形する。
煉瓦、ブロック作り。
無加圧鋳込成形
金型成形
冷間加圧成形
8.1 金型成形
粉末を金型に充填し単軸に沿った加圧力で成形する
プロセスである。
*粉末成形に最もよく用いられている方法である。
8.1.1 片押し法:
(1)ダイスに粉体を注入する(ホッパー、フィーダー)
(2)下パンチ固定のままで上パンチが降りる(油圧あるいは
機械プレス)と、加圧により粉末の堆積は収縮し、粉末間の絡
み合いや接着が起こって堅くなる。
(3)成型後下パンチを押し上げて圧粉体を抜き出して取り出
す。
欠点:圧縮過程で粒子どうしのブリッジング、粉末と金型
壁との摩擦によって、圧粉体に密度の不均一が生ずる。そ
れによって、焼結成型で寸法変化の不均一が生ずる。
*加圧方向の高さの低いものに使用される。
8.1.2両押し法:両方から加圧する。
*必ずしも同時に動作しなくてよい。
*この方法で上下の密度差が小さくなり、ニュートラルゾー
ン(密度の一番低いところ)の位置調整ができる。(図の
説明)
*押し出し:下パンチの移動
8.1.3フローティングダイ法
ダイをバネ、空気また油圧で支え、下パンチ固定。
上パンチで加圧→ダイ壁と粉末の間の摩擦力が次第に増大
→ダイの支え力より大きくなると→ダイは下降する。相対
的に下パンチが上昇したことになる。
*密度の差の調整が可能
*押し出し:Ⅰ上パンチ上昇
Ⅱダイ下降
8.1.4ウィズドロアル法
上パンチが所定の距離だけ移動し加圧すると、ダイが強制
的に引き下げられ、これにより加圧時に固定されている下
パンチがダイに対して相対的に上昇し、両押し成型が行え
る。
押し出し:ダイを下げる。
8.1.6プレス
*機械プレス、水圧あるいは油圧プレス、両者を併用し
た複合プレスの3種類
*圧力調制
衝程調制(機械式):圧粉体の高さが一定が、気孔度の
変化がある
圧力調制(水圧機):高さ不同となるが、気孔度が一定
過度の加圧:焼結温度に達する前に膨張現象が現れる。
*プレス方式
単動プレス、復動プレス、側圧プレス。
パンチの速度:過度に高い場合:粉末の移動が伴わなく
なるので不均一な圧縮、空気の巻き込み
8.1.7ダイスとパンチ
*ダイスとパンチの質
ダイス:高度の安全性と摩耗の少ない(硬さ)こと
パンチ:硬さとともに強靱性(場合によって硬さを犠牲
にする)
材料:硬質合金
ダイスの設計:粉末の横すべりを起こさないこと
*孔の最大深さ:中心まで圧力が安全に浸透すること
*断面積:プレスの容量で制限される。
*粉体の流れは流体とは異なる。(孔、袋の形状を圧力方向と直
角することを避ける)
*間隙:0.01mm以下
大きい:隙間に粉末つまり摩耗が激しくなる
小さい:空気を巻き込み、ダイスの損耗と圧粉体に割れ
。
ダイス内面にわずかな勾配:圧粉体を抜きやすくする。
*ダイスの取り付け:圧力の中心
8.2その他の成型法
8.2.1鋳込成形(スリップキャスティング)
無加圧成型法である。
セラミックスの成形に用いられている。
セラミックス粉と粘土を水に→泥しょう(液体と同じ性質
を持っている)
製品の原型から石膏型を作り、それに流し込み、石膏に水
を吸収させ成形する。
乾燥させてから焼結炉に入れる。
実例:衛生陶器の大量成形
ファインセラミックスの場合:有機バインダーを利用
:ガスタービンエンジン部品
金属:普及していないが、有機バインダー使用
* 注意点:適度な媒剤の選び、収縮量が大きい(しかし、
圧粉体は不規則なひずみを受けていないので比較的に一様
な収縮が得られる)
8.2.2押出法
(1)冷間押出し
碍子、自動車排ガス浄化用触媒担体(蜂の巣状)、熱電対
の保護管、超硬合金も有機バインダーで(可塑性)できる
。
コンフォーム法(連続押出法、バインダーを加えない)
アルミニウム合金の強度増強、省エネ効果
(2)熱間押出し
熱間圧縮と熱間加工の組み合わせで、ダイスを通し
て一方向に流れを生じさせ、真密度の棒状、管状製品の製
造に用いられる。
3種類の方法がある。特に缶詰法では粉末の微細組
織を保持することができる。
8.2.3遠心力法
遠心力で圧縮、硬質合金
粒子間の摩擦を少なくするため
バインダー
8.2.4連続成形
(1)無加圧成形:ドクターブレード法(図)
泥をキャリアフィルムに流し、乾燥してから剥がして焼結
する
IC基板、金属:複合材、軸受材(自動車エンジン用)
(2)圧延成形
ホッパーから金属の粉末を供給し、連続的に圧粉板を圧
延成型する方法である。その後の熱間圧延で真密度にする
。多層板の成形もできる(ホッパーに仕切り板)
8.2.5冷間等方圧成形(CIP、cold isostatic pressing)
圧力媒体の等方圧を利用して室温で粉末の成形を行う最
新の工業技術である。
(1)湿式CIP
型:ゴム、プラスチック
圧力媒体が液体である(グリ
セリン、油など)。
粉体をゴム袋に封入し圧力容
器内の液中に浸漬して加圧成
形する方法である。少量多品
種の生産や大型製品の成型法
として利用されている。(超
硬合金の金型や工具の製造に
)
湿式(ウェットバッグ)法
大型CIP装置
温間等方加圧装置WIP
8.2.5冷間等方圧成形(CIP、cold isostatic pressing)
(2)乾式CIP
圧力容器にセッ
トされたゴム型に粉体
を充填して加圧成型す
る方法である。
粉末充填と加圧
成形体の取り出しの自
動化で大量生産に適し
ている。
着火プラグ
乾式(ドライバッグ)法
(3)CIPの特徴
◆
高い成形体密度が得られる
◆
均質な成形体が得られる
◆
成形助剤が少なくてよい。
◆
成形体の大きさ、寸法比に制約がない。
◆
型費用が安価である
◆
複雑形状のものも成形できる
◆
複合製品の成型が可能
CIPによる薄肉パイプの例
乾式圧縮装置の構造
段差のある成形体の例
ねじ山成形体の例
チタン合金のCIP成形体(左)と最終加工品(右)
8.2.6熱間等方圧成形(HIP)
粉末を脱ガス処理後真空缶詰にし、圧力容器中でアルゴン
や窒素ガスを圧力媒体として、高温高圧で成形と焼結を同
時に行い真密度に固化する方法である。
信頼性が要求されるものに
適している。
微細な組織、欠陥が少ない
欠点:サイクルタイムが長
い(改良されつつある)。
生産性の問題、装置が高価
である。
*擬HIP法:
(1)STAMP;
(2)CERACON法;
(3)ROC法
HIPの概念図
HIPの応用分野
◆粉末の高密度焼結
◆焼結体の高密度化
◆鋳造品の内部欠陥除去
◆疲労部品の再生
◆拡散接合
8.2.7粉末鍛造
粉末加工と塑性加工を組み合わせた技術である(図)。
圧縮成型した圧粉体プリフォームを加熱(焼結)した後成
形プレスの金型に入れて、熱間で加圧成形することによっ
て真密度に緻密化する方法である。溶製材なみの特性が得
られる(空隙の減少で)。
粉末鍛造の概要図
粉末鍛造実用例
乗用車のトルクコンバーター用ステーター
粉末鍛造実用例
ボークリング
粉末鍛造実用例
トランスミッション部品
粉末鍛造実用例
主にオートマチックトラ
ンスミッション部品であ
る。
海外での使用例
超塑性鍛造
金型と粉末プリフォームを同じ温度に加熱して、ゆっくり
したひずみ速度で微細組織の超塑性を利用して成形する。
 複雑形状の製品をニアネットシェイプに成形できる。
 ひずみの局部集中がなく、均質で表面性状の良好鍛造品が
得られる。
 加熱回数の低減が可能(1回
の鍛造で大きな変形)
 低い変形抵抗下での鍛造の
ため、小容量プレスで大型
品の製造が可能である。
Ni基超合金粉末製ディスク
8.2.8高エネルギー速成形(高圧成形)
高圧ガス、高電圧放電、衝撃電磁力、爆薬
の爆発などで瞬時成形
金型と粉末間の摩擦が減少する。
8.2.9射出成形と溶射成形
射出成形:バインダー使用、加熱
溶射成形:金属溶湯を不活性ガスで噴霧
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第7章 圧縮性と成形性