会社のニュース 静水圧プレス加工の完全ガイド：成形原理から最終焼結まで

I. 等方圧成形とは？
等方圧成形は、高度な粉末成形技術です。その中核原理はパスカルの法則に基づいています。パスカルの法則とは、密閉された流体（液体または気体）に加えられた圧力は、あらゆる方向に均一に伝達されるというものです。この原理を利用して、等方圧成形は、柔軟な金型内に封入された粉末に、あらゆる方向から均一で高圧を加え、それによって、優れた密度均一性と構造的完全性を備えた高性能なグリーン体を製造します。

従来のプレス成形との主な違い：

• 金型/機械プレス成形： 剛性のある金型からの一軸または二軸の圧力に依存します。金型壁との摩擦により、密度勾配が生じます（多くの場合、上部がより高密度で、下部が低密度になります）。このプロセスは、不均一な温度と圧力分布の影響を受け、最終製品の寸法公差が大きくなります。

• 等方圧成形： 流体媒体が均一な全方向圧力を加え、摩擦の影響を完全に排除します。これにより、成形品において優れた密度均一性が得られます。均一な応力分布により、摩擦による応力集中が回避され、グリーン体は乾燥および焼結中の割れや変形を起こしにくくなります。複雑な形状や大型部品の成形が可能になり、多くの場合、比較的低い運用コストで済みます。また、金型プレス成形と比較して、粉末の流動性に対する要件が厳しくなく、より幅広い種類の粉末材料に対応できます。

Keguにおける等方圧成形： 当社では主に、コールド等方圧成形（CIP）を利用しており、これは当社の業務における成熟した技術です。これは、熱電対保護管の製造に主に使用されています。CIP成形、二次加工、焼結後、最終製品は、指定されたすべての顧客の性能要件を満たします。現在、当社は複雑な形状の製品に等方圧成形を採用しており、材料成形プロセスを最適化するために技術的な改善を継続的に追求しています。

II. 等方圧成形の3つの主なタイプ

1. コールド等方圧成形（CIP）

• 温度範囲： 室温
• 圧力媒体： 水または水性エマルジョン
• 圧力範囲： 100 - 630 MPa
• 主な用途： その後の焼結のために「グリーン体」を作成するための粉末の初期成形。
• プロセス特性： 比較的低コストで、ほとんどのセラミックおよび金属粉末に適しており、複雑な形状の成形が可能で、幅広い材料に適用できます。ただし、成形された製品は通常、二次機械加工が必要です。生産効率が低くなる可能性があり、金型設計がより複雑になり、金型は消耗品です。

2. ホット等方圧成形（HIP）

• 温度範囲： 1000 - 2200°C
• 圧力媒体： 不活性ガス（例：アルゴン、窒素）
• 圧力範囲： 100 - 200 MPa
• 主な利点： 成形と焼結を1つのステップに統合し、ほぼ完全に高密度な最終部品を直接生成します。
• 適用分野： 航空宇宙タービンブレード、生体医療インプラント、プレミアム工具材料など。

3. ウォーム等方圧成形（WIP）

• 温度範囲： 80 - 450°C
• 圧力媒体： オイルまたは特殊な流体
• 特殊な目的： 特定のポリマーやグラファイトなど、室温での成形が難しい材料を扱います。
• 技術的な位置づけ： CIPとHIPの中間の補完的な技術であり、温度制御システムが追加されており、これにより装置の複雑さが増します。

III. 金型設計：等方圧成形の成功の鍵
等方圧成形の成功は、金型材料の選択と設計に大きく依存します。[会社名、例：Kegu]では、クライアントの要件に基づいてカスタム金型を設計しています。適切に設計された金型は、製品成形プロセスにおいて重要な役割を果たします。金型設計に関する主なポイントは次のとおりです。

設計の要点：

1. 材料選択ゴム/シリコーン： 柔軟で弾性があり、複雑な形状で高い脱型要件に適しています。低コストで技術的に成熟しています。

2. ポリウレタン： 主流のトレンドとなっています。配合を調整することにより、さまざまなニーズに対応するために幅広い硬度を実現できます。優れた弾性、耐圧性、長寿命を提供し、脱型されたグリーン体の表面を滑らかにします。コストは標準的なゴムよりも高くなっています。

3. 金属/ガラス封入： HIP専用で、優れた高温可塑性とシール性を提供します。

4. キャビティ設計の原則

   • 圧縮比の計算： 粉末充填量と最終グリーン体積比の正確な制御（通常は約1.7：1）。

   • 形状適合性： 複雑な内部キャビティ、曲面、薄肉構造の設計を可能にします。

   • 脱型の考慮事項： 脱型を容易にするために、適切なテーパーまたは分割構造を組み込みます。

5. シールシステム

   • 高圧下で圧力媒体が粉末に浸透しないようにします。一般的にOリングまたは自己シール構造を使用します。

IV. 詳細なステップバイステップの等方圧成形プロセス

ステップ1：粉末充填と準備

1. 柔軟な金型に正確に計量された粉末を充填します。

2. 振動または真空を使用して空気を除去し、粉末が均一に分散するようにします。

3. 金型を丁寧に密閉して、完全な「粉末パッケージ」を形成します。

ステップ2：高圧成形

1. 密閉された金型を高圧容器に入れます。

2. 圧力媒体（オイルまたは水）を注入します。

3. 高圧ポンプを作動させて、圧力を設定値（例：300 MPa）まで徐々に上げます。

4. 保持段階： 圧力を維持して、徹底的な粒子再配置と塑性変形を可能にします。

ステップ3：減圧と脱型

1. 制御された、ゆっくりとした減圧を実行します（グリーン体の割れを防ぐため）。

2. 金型を容器から取り外します。

3. 柔軟な金型を剥がして、「グリーン体」を取り出します。

V. 最終焼結製品の特性

1. 優れた密度均一性

   • 異なるセクション間の密度変動は1％以内に制御できます。

   • 密度勾配による変形や割れの危険性を排除します。

   • 全体的な密度は理論密度の99％を超える可能性があります。

2. 優れた機械的特性

   • 高強度と靭性：等方性、安定性、信頼性の高い性能。

   • 優れた疲労寿命：均一な微細構造により、応力集中を最小限に抑えます。

   • 安定した寸法精度：均一な収縮により、歪みを最小限に抑えます。

3. 柔軟な形状能力

   • 従来のプレス成形では不可能な複雑な形状を製造できます。

   • ニアネットシェイプ成形：その後の機械加工代と材料の無駄を大幅に削減します。

   • 高アスペクト比の長い管状または棒状の部品に特に適しています。

4. 理想的な微細構造

   • 均一な粒度分布。

   • 高密度で、気孔率はほぼ0％。

   • 内部欠陥や残留応力がない。

5. 最終製品の外観

   • 表面は均一でマットな焼結仕上げを示します。

   • 制御可能な精度で均一な寸法収縮。

VI. 技術的利点の概要

VII. 適用分野と展望

• 航空宇宙： HIPは、欠陥をなくし、性能を向上させるために、重要なチタン合金および超合金部品（タービンディスク、ブレード）に使用されます。超大型で複雑な部品を処理できることは、高度な国家製造能力を表しています。

• 医療インプラント： HIPは、ジルコニアや窒化ケイ素などの材料から高性能セラミックジョイント（股関節、膝）を製造するために不可欠であり、ほぼ完全な密度と特性を実現します。

• エネルギーと環境： 固体電池は、液体電解質の代わりに固体電解質を使用しますが、剛性の低い固体-固体界面接触が大きな課題です。等方圧成形の等方性、超高圧は、親密な界面接触を実現し、バッテリー性能を向上させるための重要なプロセスです。

• 工具製造： 等方圧成形は、耐摩耗性部品や超硬切削工具の製造における重要なプロセスであり、高密度で欠陥のない部品を均一な特性で製造するという中核的な利点を提供します。

結論： 等方圧成形技術は、独自の均一な圧力印加メカニズムを通じて、従来の粉末成形に固有の密度変動と形状の制限という問題を解決します。精密な金型設計から厳密に制御されたプレス成形プロセス、そして最終的な高性能焼結製品まで、この完全な技術チェーンは、現代の粉末冶金の頂点を表しています。材料科学の継続的な進歩に伴い、等方圧成形は、より最先端の分野で間違いなくかけがえのない役割を果たすでしょう。