通電加熱を利用した 複合材料の圧粉焼結と半溶融加工 塑性加工研究室 電極 京増 泰範 通電圧粉焼結の特徴： ・短時間，高効率加熱 ・高密度化の促進 ・難焼結材料の焼結 粉末 電極 目的： ・銅－グラファイト混合粉の 高密度焼結 ・半溶融成形の実現 通電圧粉焼結実験装置 油圧サーボプレス 圧力 Ｐ 電極：アルミナ分散銅 通電時間 １s 粉末 電極 Φ８ コンテナ (SUS304) 通電電圧 E = 5~8V 電極 電源 ゲート信号 （時間制御） 絶縁紙 加圧条件 圧力 高い圧力による後加圧 ＰＰ= 196MPa ＰE 一定加圧 通電 ＰＰ= ＰE １s ４s ＰE：通電時の圧力（１９.６～１９６MPa） ＰＰ：通電完了後の圧力 時間 供試粉末の電気抵抗特性 電気抵抗 / mΩ 10 2 充填量：純銅1.5g相当量 コンテナ内径：φ8 10 1 グラファイト 10 0 アトマイズ銅粉 10 -1 電解銅粉 10 -2 0 100 200 圧力 / MPa 20vol% グラファイト-銅 混合粉 通電圧粉焼結による焼結体の相対密度 焼結体の相対密度 1.0 通電焼結：PE=19.6MPa，PP=196MPa 通電電圧 8V，通電時間 1s 0.9 通常の焼結 圧粉圧力 1.96GPa 950℃，1時間 0.8 アトマイズ銅 電解銅 電解銅（通常の焼結） 0.7 0 10 20 30 40 50 グラファイト含有率 / vol% ステンレス鋼ディスクの 挿入による高密度化 電極への放熱の抑制 電極 放 熱 焼結温度の上昇 さらなる密度の向上 ディスク(SUS304)の挿入 熱伝導率：16.7 /W・m-1・Ｋ-1 （銅：389 /W・m-1・Ｋ-1) 温度 粉末 発熱 上昇 放 熱 電極 ディスク挿入による焼結密度の向上 焼結体の相対密度 1.0 PP = 196MPa ディスクあり （t = 2mm） 0.9 0.8 一定加圧 PP = PE ディスクなし 0.7 通電電圧 7V，通電時間 1s， 20vol%グラファイト-電解銅混合粉 充填量：1.3g（純銅1.5g相当量） 0.6 0 50 100 150 200 通電時圧力 PE / MPa 700 ディスク あり 5 600 4 500 放熱の抑制 400 300 200 100 0 ディスクなし 通電電圧 7V 通電時間 1s PE=19.6MPa 0.5 時間／s 1.0 (a)焼結体内部温度 電力量／kJ 温度／℃ ディスク挿入による効果 ディスクあり （t = 2mm） ディスクの 発熱 3 2 1 ディスクなし 0 0.5 時間／s 1.0 (b)電力量（電極間）変化 半溶融加工への応用 温度 / ℃ 1500 断熱状態における 入熱量による温度変化 液相 固液共存 1000 固相 20vol% グラファイト-銅 混合粉 500 0 銅 200 400 600 800 入熱量/ J/g 通電加熱実験装置 ステンレス鋼ディスク （厚さ：2mm） 絶縁コンテナ φ12 圧粉体：Φ8 高さ：12mm 電極 V 電極 電極間電圧 （V） 電源 抵抗 ゲート信号 抵抗の電圧値 電流（I）＝ 抵抗値 電極間電圧 V I 電流 乗算器 V 抵抗の電圧値 積分器 比較器 入力電力量設定値 圧粉体の通電加熱後の試料外観 Φ８ 完全溶融 12 半溶融 圧粉体 圧粉質量：3.2g 相対密度：約70% 圧粉圧力：196MPa 5.5kJ 6.4kJ 7.3kJ 通電条件：通電電圧 8.5V，PE=9.8MPa コンテナ内径：12mm 圧粉体の半溶融加工 Φ８ 成形不良 Φ８ 成形良好 12 ２ ２ １ １ 通電条件：通電電圧 8.5V 入力電力量：5.5kJ Φ12 ディスク形状 圧粉体 圧粉質量：3.2g 相対密度：約70% 圧粉圧力：196MPa 後加圧あり 後加圧なし （PP=ＰE ） （PP=49.6MPa） 加圧条件：PE＝9.8MPa 焼結体の引張強度試験片の作製 3 ～10 通電圧粉方向 3 0°方向試験片 Φ10 焼結体の切断 90°方向試験片 焼結体の引張強度特性 引張破断強度／MPa 150 粉末充填量：7g 圧粉圧力：196MPa 100 90°方向試験片 50 0°方向試験片 通電条件：通電電圧 8.5V 加圧条件：PE=9.8MPa，PP=196MPa 0 2 4 6 入力電力量／kJ 8 焼結体の内部組織 通電圧粉方向 2.1kJ （ρ=0.886） 2.6kJ （ρ=0.912） 100μｍ 7.8kJ （ρ=0.954） まとめ ・銅－グラファイト混合粉に通電焼結を適用し， 通常の焼結より高い密度で焼結が可能 ・オーステナイト系ステンレス鋼ディスクを 挿入して，さらなる密度の向上と均一化を実現 ・入力電力量で制御した通電加熱によって， 安定した半溶融状態の実現と半溶融成形が可能 ・銅ーグラファイト混合粉の通電加熱焼結体の 内部組織において引張強度に異方性を確認 供試粉末の粒子形状 150μm （a）電解粉 （ｂ）アトマイズ粉 供試粉末と使用電源の特性 10 2 円柱試料：φ８ 充填量：銅１．５ｇ 相当体積量 1 10 グラファイト 10 10 10 0 20vol% グラファイト 混合粉 –1 負荷抵抗／ｍΩ 電気抵抗／ｍΩ 10 2 通電電圧 4V 5V 1 6V 7V 8V 10 10 0 –1 電解銅 –2 10 0 100 200 圧力 / MPa （a）粉末の電気抵抗 10 –2 0 5 10 15 加熱出力 / kW （ｂ）電源の出力特性 ステンレス鋼ディスクの厚さの影響 相対焼体密度 1.0 通電電圧 7V，通電時間 1s， 20vol%グラファイト-電解銅混合粉 充填量：1.28g（純銅1.5g相当量） 0.9 0.8 0.7 0.6 ディスク厚さ：t 4mm 2mm 1mm 0mm 0 50 100 150 200 圧力（一定加圧） PE (=PP) / MPa 硬さへの影響 硬さ HV 60 PＰ=196MPa ｔ＝2mm 0mm 40 PＰ= PE （一定加圧） 20 （測定部 ： 焼結体縦断面中央） 0 50 100 150 圧力 ＰE ／ ＭＰa 200 ディスク挿入による 通電中の温度変化 700 温度 / ℃ 600 ディスク厚さ t = 2mm 500 400 300 200 100 0 最高温度の上昇 0mm 通電電圧 7V，通電時間 1s PE=19.6MPa 20vol%グラファイト-電解銅混合粉 充填量：1.3g（純銅1.5g相当量） コンテナ内径：φ８ 0.5 時間 / s 1.0 ディスク挿入による通電中の 加熱電力量（電極間）の変化 5 電力量 / kJ 4 3 20vol%グラファイト-電解銅混合粉 充填量：1.3g（純銅1.5g相当量） コンテナ内径：φ８ ディスク厚さ t = 2mm ディスクの発熱 2 0mm 1 0 通電電圧 7V，通電時間 1s PE=19.6MPa 0.5 時間 / s 1.0 硬さと相対焼結密度の関係 ディスク厚さ：ｔ 2mm (PＰ=196MPa) 4mm 2mm 1mm 0mm 硬さ HV 60 40 20 0 0.6 0.7 0.8 焼結体の相対密度 0.9 1.0 高さ方向の硬さ分布の測定 ｔ＝ 2mm 60 ５ 40 0mm 中心部の硬さの違い 20 0 ２ １ Φ８ 一定加圧（PE=196MPa） 1 2 3 4 測定位置 5 h ３ h/6 硬さ HV ４ 純銅の通電電圧による温度変化 1000 通電電圧 8.5V 8V 7V 6V 5V 温度 / ℃ 800 600 400 200 入力電力量：1.82kJ 0 0.5 時間 / s 1 予加圧：196MPa 通電時加圧力：9.8MPa 通電加圧すえ込みの試料高さ変化 初期試料高さ 試料高さ / mm 10 5 0 入力電力量 7.28kJ 6.37kJ 5.46kJ 0.5 時間 / s 1 圧粉及び通電方法 9.8MPa 196MPa 電極 粉末 圧粉体形状 圧粉体 １２ ポンチ 絶縁紙 Φ８ コンテナ 内径φ８ 充填量：３．１９ｇ 空孔率：約３０％ （a）圧粉 電極 （ｂ）通電 コンテナ 内径φ１２ 粉末による複雑形状の成形 抵抗が低いので 電気が流れやすい 電極 電極 粉末 粉末 電極 電極 抵抗が高いため， 電気が流れにくい 電極 製品 電極 密度差のある製品 圧粉体による複雑形状の成形 電極 電極 圧 粉 体 通 半 圧 電 溶 充満 粉 加 融 体 熱 化 電極 電極 電極 製品 電極 一様な密度 純銅の通電電圧による入力電力の変化 10 2 8 通電電圧 8.5V 1 8V 7V 6V 5V 6 4 2 0 積算電力量 / kJ 入力電力 / kW 約1.82 kJ Ppre=196MPa PE=9.8MPa 0.2 0.4 0.6 時間 / s 0.8 0 銅-グラファイト混合粉の温度変化 溶融 1083℃ 温度 / ℃ 1000 800 600 400 200 0 入力電力量 5.46 kJ 3.64 kJ 1.82 kJ 0.5 1.0 時間 / s グラファイト 含有率：20vol% 通電電圧：8.5V Ppre=196MPa PE=9.8MPa 電極間電圧／V 電流／kA 電極間電流と電圧のデータ 5 0 -5 5 0 -5 0 500 時間／ms 1000 0 VP・ IP 時間積分 入力電力＝ ２ （位相差がなく，半波長分のみ） 500 時間／ms 1000 入力電力量 入力電力量制御回路の構成図 ゲート信号 電極間電圧 Ｖ Ｉ 電流 乗算器 積分器 比較器 電源 設定した入力電力量 入力（電圧Ｖ） 通電完了 瞬間電力 入力（電流Ｉ） 積算電力量 800 入力電力量 １.８２ｋＪ Ａｌの融点：６６０℃ 温度/℃ 600 電極 粉末 電極 400 200 熱電対 0 0.5 1.0 通電電圧 7V 6.5V 6V 5V 4V 1.5 時間/s Ａｌ粉の温度の変化 Ａｌ：１ｇ 入力電力量：１.８２ｋJ 通電電圧が高くなるほど 試料の溶融が著しい 圧粉体 相対密度 ９８％ ４V ５V ６V ７V ８V 電圧を変化させた試料の外観 Ａｌ：１ｇ 通電電圧：８V 半溶融 圧粉体 0.36kJ 0.73kJ 1.09kJ 1.46kJ 1.82kJ 相対密度 ９８％ 入力電力量を変化させた試料の外観
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