(57)【要約】      （修正有）【課題】アスペクト比の大きい微細貫通穴を有する焼結素材を製作できる方法であり、微細貫通穴を流通する流体が母体である焼結素材に化学的に関与せず、かつ焼結素材から外界へ拡散することがない、直線またはＵ字形やＷ字形等の非直線形の微細貫通穴を有する素材を製作する方法を提供する。【解決手段】上下の押圧部材７，９を筒状成形型５に嵌合挿入自在に設け、該成形型５に焼結用粉末の半量を投入し、粉末上面を平らにした平面上に微細な内径を有する金属パイプ１２を配置した後、残りの半量を投入し、上下の部押圧部材７，９により焼結用粉末を成形焼結して焼結素材を製作し、この焼結素材に埋設された金属パイプの両端部を外部に開放するように切断することを特徴とする微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部押圧部材と下部押圧部材とを筒状成形型に嵌合挿入自在に設け、前記筒状成形型に焼結用粉末のほぼ半量を投入し、この投入した粉末上面を平らにしてこの平面上に微細な内径を有する金属パイプを配置した後に、残りの半量を投入し、前記上部押圧部材と下部押圧部材とにより前記焼結用粉末を成形焼結して焼結素材を製作し、該焼結素材に埋設された前記金属パイプの両端部が前記焼結素材の外部に開放するように切断することを特徴とする微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法。
【請求項２】
請求項１に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法において、前記焼結素材の母材が鉄および非鉄金属、鉄系合金、非鉄系合金、超硬合金およびセラミックス等からなり、該母材の焼結法が放電焼結法であることを特徴とする微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法。
【請求項３】
請求項１、２に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法において、前記金属パイプの内径が少なくとも０．０１ｍｍ〜１．００ｍｍであることを特徴とする微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法。
【請求項４】
母材が鉄および非鉄金属、鉄系合金、非鉄系合金、超硬合金およびセラミックス等からなる焼結素材において、該焼結素材外部に開放する入口と出口とを有する微細な内径を有する金属パイプを埋設してなることを特徴とする微細貫通穴を備えた焼結素材。
【請求項５】
請求項４に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材において、前記金属パイプの内径が少なくとも０．０１ｍｍ〜１．００ｍｍであることを特徴とする微細貫通穴を備えた焼結素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法および焼結素材の外部に開放する微細貫通穴を備えた焼結素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料への微細穴加工には、切削加工、放電加工またはレーザ加工等で行わているが、穴径（Ｄ）に対する加工穴の限界加工深（Ｌ）さ（アスペクト比[Ｌ／Ｄ]）が小さく、直径が０．１ｍｍ以下の微細穴加工では深さ１０．０ｍｍの加工（アスペクト比１００）も困難となり、かつまた多数個の微細穴を明けるには多くの加工時間が必要となる。
【０００３】
一方、直径の大きい穴の場合には、深穴の加工は比較的に容易ではあるが、例えば、Ｕ字形やＷ字形等の非直線形の穴または任意の形状の穴を加工するには、複数方向からの穴加工を行なってから、余分な加工穴の入口を塞ぐ等の工程が必要であった。
【０００４】
なお、細孔を有する焼結チタン合金の製造方法（特許文献１）や、微細貫通孔を有する超硬合金（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−２７１７１１号公報
【特許文献２】特開平０７−１８８７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の細孔を有する焼結チタン合金の製造方法は、容器にチタン粉末と細孔を形成するための棒材を挿入して成形した後に、この棒材を抜き取って細孔を有する焼結チタン合金を製作するため、棒材の形状は成形後に抜き取ることができる形状でなければならない。すなわち細孔の形状は直線に限定される。
【０００７】
また、細孔を有する焼結チタン合金（特許文献１）および微細貫通孔を有する超硬合金（特許文献２）の場合、焼結合金に細孔が直接明いているので、例えばこの細孔を流通する流体が腐食性の物質である場合、母体である焼結合金が腐食される恐れがある。
【０００８】
また、母体である焼結合金が多孔質である場合には、細孔を流通する流体が焼結合金から外界へ拡散流出する恐れがある。
【０００９】
本発明は上述の如き問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、アスペクト比の大きい微細貫通穴を有する焼結素材（焼結合金）を短時間に製作できる方法を提供することであり、微細貫通穴を流通する流体が母体である焼結素材（焼結合金）に化学的に関与せず、かつ焼結素材から外界へ拡散するとがない、直線またはＵ字形やＷ字形等の非直線形の微細貫通穴を有する素材を製作する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決する手段として請求項１に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法は、上部押圧部材と下部押圧部材とを筒状成形型に嵌合挿入自在に設け、前記筒状成形型に焼結用粉末のほぼ半量を投入し、この投入した粉末上面を平らにしてこの平面上に微細な内径を有する金属パイプを配置した後に、残りの半量を投入し、前記上部押圧部材と下部押圧部材とにより前記焼結用粉末を成形焼結して焼結素材を製作し、該焼結素材に埋設された前記金属パイプの両端部が前記焼結素材の外部に開放するように切断することを要旨とするものである。
【００１１】
請求項２に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法は、請求項１に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法において、前記焼結素材の母材が鉄および非鉄金属、鉄系合金、非鉄系合金、超硬合金およびセラミックス等からなり、該母材の焼結法が放電焼結法であることを要旨とするものである。
【００１２】
請求項３に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法は、請求項１、２に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材の製作方法において、前記金属パイプの内径が少なくとも０．０１ｍｍ〜１．００ｍｍであることを要旨とするものである。
【００１３】
請求項４に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材は、母材が鉄および非鉄金属、鉄系合金、非鉄系合金、超硬合金およびセラミックス等からなる焼結素材において、該焼結素材外部に開放する入口と出口とを有する微細な内径を有する金属パイプを埋設してなることを要旨とするものである。
【００１４】
請求項５に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材は、請求項４に記載の微細貫通穴を備えた焼結素材において、前記金属パイプの内径が少なくとも０．０１ｍｍ〜１．００ｍｍであることを要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明の微細貫通穴を備えた焼結素材（焼結合金）の製作方法によれば、アスペクト比に関係なく長い微細貫通穴を有する素材を短時間に製作できる。また、埋設するパイプの形状は直線に限らずＵ字形やＷ字形等の非直線形でも構わずパイプ形状に制限がない。
【００１６】
通常の加工法では穴加工が困難な大きなアスペクト比を有する０．０１ｍｍ〜１．００ｍｍ程度の微細貫通穴を有する焼結素材（焼結合金）に対して、この微細貫通穴を、例えば、ワイヤカット切断の加工開始穴として使用することにより、厚物部品に微細な線幅での高精度な加工を行うことが可能となる。
【００１７】
また、本願発明の微細貫通穴を備えた焼結素材（焼結合金）は、例えば、微細貫通穴に液体または気体を流通させる場合に、流通する流体が母体である焼結素材（焼結合金）に化学的に関与せず、かつ焼結素材（焼結合金）から外界へ拡散することがない。すなわち、流通する流体が腐食性の物質である場合でも母体である焼結合金が腐食される恐れがなく、かつまた母体である焼結合金が多孔質である場合でも、細孔を流通する流体が焼結合金から外界へ拡散流出する恐れがない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本願発明に係る微細貫通穴を備えた焼結素材（焼結合金）の製作方法の説明図。
【図２】放電焼結時に粉体粒子間に発生する現象の説明図。
【図３】本願発明に係る微細貫通穴を備えた焼結素材（焼結合金）の製作方法により製作した焼結素材（焼結合金）３ａの一例の説明図で、埋設した金属パイプ１２の両端部を長手方向に直角になるように切断した図。
【図４】本願発明の焼結素材（焼結合金）の製作方法により、放電焼結法（放電プラズマ焼結法）で焼結した鉄を母材とする焼結素材（焼結合金）３ａに、外径０．３６ｍｍ、内径０．１３ｍｍ、長さ４０ｍｍのステンレスパイプ１２を埋設した実施例で、埋設したパイプ１２にほぼ直角に切断した断面の顕微鏡写真である。
【図５】本願発明の焼結素材（焼結合金）の製作方法により、放電焼結法（放電プラズマ焼結法）で焼結した鉄を母材とする焼結素材（焼結合金）３ａに外径０．０７ｍｍ、内径０．０２８ｍｍ、長さ４０ｍｍのステンレスパイプ１２を埋設した実施例で、埋設したパイプ１２にほぼ直角に切断した断面の顕微鏡写真である。
【図６】本願発明の焼結素材（焼結合金）の製作方法により、ホットプレス法で焼結したハイス（高速度鋼）を母材とする焼結素材（焼結合金）３ａに、外径１．０ｍｍ、内径０．５ｍｍ、長さ４０ｍｍの超硬合金製のパイプ１２を埋設した実施例で、埋設したパイプ１２にほぼ直角に切断した断面の顕微鏡写真である。
【図７】本願発明の焼結素材（焼結合金）の製作方法により、一般焼結法で焼結した鉄を母材とする焼結素材（焼結合金）３ａに、外径０．１５ｍｍ、内径０．０８ｍｍのスチールパイプ１２を複数本（写真４では５本）を埋設した実施例で、埋設したパイプ１２にほぼ直角に切断した断面の顕微鏡写真である。
【図８】本願発明の焼結素材（焼結合金）の製作方法により、焼結素材（焼結合金）３ａの内部に蛇行した銅パイプ１２を埋設してパイプの入口と出口を同じ側に設けた例を説明する断面図。
【図９】図８の正面図。
【図１０】円筒形の焼結素材（焼結合金）３ａの内部に蛇行した金属パイプ１２を埋設して設けると共に、パイプの入口と出口を焼結素材（焼結合金）３ａの外部の同じ方向に突出させた本願発明に係る焼結素材（焼結合金）３ａの製作方法の一例を説明する図（平面図）。
【図１１】図１０におけるＡ−Ａ断面図。
【図１２】図１０、１１に説明した焼結素材（焼結合金）３ａの製作方法により製作した円筒形の焼結素材（平面図）
【図１３】図１２に示した焼結素材（焼結合金）３ａ側面図。
【図１４】角形の焼結素材（焼結合金）３ａの内部に蛇行した金属パイプ１２を埋設して設けると共に、パイプの入口と出口を焼結素材（焼結合金）３ａの外部の同じ方向に突出させた本願発明に係る焼結素材（焼結合金）３ａの製作方法の一例を説明する図（平面図）。
【図１５】図１４におけるＢ−Ｂ断面図。
【図１６】図１４、１５に説明した焼結素材（焼結合金）３ａの製作方法により製作した角形の焼結素材（焼結合金）３ａ。
【図１７】図１６の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【００２０】
図１は本願発明に係る微細貫通穴を備えた焼結素材（焼結合金）の製作方法の説明図である。
【００２１】
図１を参照するに、放電焼結法（放電プラズマ焼結法）を用いる焼結装置１は、焼結用の粉末材３を入れる筒状の成形型５を備えている。
【００２２】
この筒状の成形型５には、上部電極７に一体的に設けられた導電材質からなる上部押圧部材７ａと、下部電極９に一体的に設けられた導電材質からなる下部押圧部材９ａとが摺動可能に嵌合させてあり、この上部押圧部材７ａと下部押圧部材９ａとの間に焼結室１１を形成している。
【００２３】
上述の上部電極７と一体的に設けられた前記上部押圧部材７ａと、下部電極９に一体的に設けられた前記下部押圧部材９ａの少なくとも片方は、シリンダの如きアクチュエータ（図示省略）により他方の電極に対して接近離反可能に設けてある。
【００２４】
また、前記上部電極７と下部電極９は高電圧で小電流の矩形波パルス電源１３と、低電圧で大電流の直流電源１５とにスイッチング装置１７を介して切換自在に接続してある。
【００２５】
上述の焼結装置１において、前記下部電極９に一体的に設けた下部押圧部材９ａを筒状成形型５の下部に挿入し、この下部押圧部材９ａと筒状成形型５とで形成される筒状の焼結室１１に焼結素材（焼結合金）３ａの母材（マトリックス）となる粉末を所定量の半量ほどを投入する。
【００２６】
なお、焼結素材（焼結合金）３ａの母材となる粉末には、用途により鉄および非鉄金属、鉄系合金、非鉄系合金、超硬合金およびセラミックス等の粉末が使用される。
【００２７】
次いで、この投入した粉末上面を平らにしてこの平面上に内径が０．０１０ｍｍ〜１．０ｍｍの微細な内径を有する金属パイプ１２を水平に配置する。
【００２８】
粉末上面に配置する微細な内径を有する金属パイプ１２の形状は直管状のものから、目的に合わせて種々の形状に成形したものを使用する。
【００２９】
なお、超微細な金属パイプ１２の例として、電気鋳造法により製造されるニッケルパイプで、内径０．０１０ｍｍ、外径０．０２０ｍｍ、長さ０．１ｍｍ〜２,０００ｍｍ程度のものが開発されて市販されている。
【００３０】
次いで、残りの半量を投入したのち、上部電極７に一体的に設けられた前記上部押圧部材７ａを筒状成形型５の上部に挿入し、上部押圧部材７ａと下部押圧部材９ａとの間の母材となる粉末に上下から圧縮しながら、高電圧で小電流の矩形波パルス電源１３にスイッチング装置１７を介して接続してパルス通電を行う。
【００３１】
図２に示すように、このパルス通電により粉体粒子２１ａ、２１ｂ間に直接高電圧が加わり、粉体粒子間２１（ａ、ｂ）間にミクロの放電が起きてプラズマ２３が発生する。
【００３２】
このミクロの放電により発生したプラズマ２３により、粉体粒子２１ａ、２１ｂの表面に付着していた酸化被膜や吸着されていたガスなどの不純物２５が蒸発されて粉体粒子２１ａ、２１ｂの表面が活性化される。
【００３３】
次いで、前記上部電極７と下部電極９を低電圧で大電流の直流電源１５スイッチング装置１７を介して接続し、押圧成形された焼結室１１内の粉末材３に直流の大電流を流してジュール熱により加熱する。
【００３４】
この加熱により、粉体粒子２１の接触点の温度が焼結温度に達すると粉体粒子２１の原子は移動（拡散）をはじめて焼結が進行する。こうして焼結が完了した焼結素材（焼結合金）３ａを筒状の成形型５から取り出し、焼結素材（焼結合金）３ａ内に埋設した前記金属パイプ１２の両端部を長手方向に直角になるように切断する。
【００３５】
図３に示すように、この切断によって焼結素材（焼結合金）３ａに埋設された前記金属パイプ１２の両端部が外部に開放された焼結素材（焼結合金）３ａが完成する。
【００３６】
図４〜図７は本願発明の焼結素材（焼結合金）の製作方法により、各種の粉末と焼結法により実際に製作した焼結素材（焼結合金）３ａに一直線に埋設した金属パイプ１２をほぼ直角に切断した断面の顕微鏡による拡大写真である。
【００３７】
図４（写真１）は、直径４０ｍｍの成形型５に「−３５０」メッシュの鉄粉１００ｇを入れ、上面を平らにしてから、外径０．３６ｍｍ、内径０．１３ｍｍ、長さ４０ｍｍのステンレスパイプを中央に配置し、その上に残余の鉄粉１００ｇを入れて、放電焼結法（放電プラズマ焼結法）で焼結した焼結素材（焼結合金）３ａである。内径０．１３ｍｍ（測定値）の穴が貫通していることが判る。放電焼結法（放電プラズマ焼結法）における焼結条件は、加圧力は４０ＭＰａ、最高加熱温度９５０°Ｃ、パルス放電時間３０秒、直流通電時間２分である。
【００３８】
図５（写真２）は、図４と同条件の放電焼結法（放電プラズマ焼結法）によりで製作した焼結素材（焼結合金）３ａであり、埋設したパイプの外径は０．０７ｍｍ、内径０．０２８ｍｍ、長さ４０ｍｍのステンレスパイプ１２である。内径０．０２８ｍｍ（測定値）の穴が貫通していることが確認できた。
【００３９】
図６（写真３）は、ホットプレス法により焼結したものであり、図１の場合と同様にハイス（高速度鋼）の粉末中に外径１．０ｍｍ、内径０．５ｍｍ、長さ４０ｍｍの超硬合金製のパイプ１２を配置し、加圧力６０ＭＰａ、焼結温度１０５０°Ｃ、焼結時間１．５時間で焼結した焼結素材（焼結合金）３ａである。内径０．５ｍｍ（測定値）の穴が貫通していることが確認できた。
【００４０】
図７（写真４）は、一般焼結法で行ったものであり、先ず成形型５に半量の鉄粉を入れ、上面を平面になるように１００ＭＰａで成形し、その上に外径０．１５ｍｍ、内径０．０８ｍｍのスチールパイプ１２を複数本（写真４では５本が確認できる）配置し、その上に残余の半量の鉄粉を入れ同じく１００ＭＰａで成形し、１１００°Ｃで３時間かけて焼結したものである。
【００４１】
パイプと焼結素材（焼結合金）３ａの母材（マトリックス）とが同じ成分で、しかも焼結時間が長いため、パイプの外径部と母材とが同化して外径部が見えなくなっている。
【００４２】
図８、図９は、本願発明に係る微細貫通穴を備えた焼結素材（焼結合金）の製作方法により製作した焼結素材（焼結合金）３ａであって、焼結素材（焼結合金）３ａの内部に蛇行した銅パイプ１２を埋設してパイプの入口と出口を同じ側に設けたものである。なお、銅パイプ１２は、外径８ｍｍ、内径６ｍｍで、焼結条件は、成形圧力３０ＭＰａ、最高温度９３０°Ｃ、焼結時間５分で、銅パイプが軟化しないようにパイプ内に冷却水を流しながら焼結した。
【００４３】
図１０、図１１は、円筒形の焼結素材（焼結合金）３ａの内部に蛇行した金属パイプ１２を埋設して設けると共に、このパイプの入口と出口を焼結素材（焼結合金）３ａの外部の同じ方向に突出させた本願発明に係る焼結素材（焼結合金）３ａの製作方法の一例を説明する。
【００４４】
上述のパイプ１２の入口と出口を焼結素材（焼結合金）３ａの外部の同じ方向に突出させた状態の焼結素材（焼結合金）３ａを製作するために、焼結用の粉末材３を入れる前記筒状の成形型５を、第１成形型３５ａと第２成形型３５ｂとに縦に２分割する。
【００４５】
成形型の一方の第２成形型３５ｂにのみ、焼結素材（焼結合金）３ａに埋設される金属パイプ１２の両端部が貫通可能な水平方向（上下部押圧部材（７ａ、９ａ）の押圧方向にに直交する方向）のパイプ突き出し穴３６（ａ、ｂ）が適宜な位置に設けてある。
【００４６】
このパイプ突き出し穴３６（ａ、ｂ）に蛇行した金属パイプ１２の両端部を挿通した状態にして、前記第１成形型３５ａに第２成形型３５ｂを合わせて円筒形の成形型５を構成する。そして、この円筒成形型５を一体的に固定するために、第２成形型３５ｂから突き出したパイプ１２の上部の外周部に着脱可能に嵌合する上部リング部材３１を設けると共に、突きだしたパイプ１２の下部の外周部にも着脱可能に嵌合する下部リング部材３３とが設けてある。
【００４７】
上述の第１成形型３５ａと第２成形型３５ｂからなる円筒形の成形型５に前記下部押圧部材９ａを挿入し、焼結用の粉末材３を金属パイプ１２の上下にほぼ均等になるまで入れ、次いで、第１成形型３５ａと第２成形型３５ｂからなる成形型５の上部に前記上部押圧部材７ａを入れて上部押圧部材７ａと下部押圧部材９ａとの間の母材となる焼結用の粉末３を上下から圧縮しながら焼結を行う。
【００４８】
焼結が完了したら、上部リング部材３１と下部リング部材３３を円筒形の成形型５から外せば、成形型５は二つに分割できるので焼結素材（焼結合金）３ａ（図１２、１３参照）を第２成形型３５ｂから容易に抜き取ることができる。
【００４９】
図１４、図１５は、先の図１２に示した円筒形の焼結素材（焼結合金）３ａに代えて、角形の焼結素材（焼結合金）３ａの内部に蛇行した金属パイプ１２を埋設して設けると共に、このパイプの入口と出口を焼結素材（焼結合金）３ａの外部の同じ方向に突出させた角形の焼結素材（焼結合金）３ａを製作する場合の成形型５の構成例を示したものである。
【００５０】
例えば、長方形の焼結素材（焼結合金）３ａを製作する場合には、図１５に示すように、前述の成形型５を左右のカーボン板３７（a,b）と前後のカーボン板３７（c,d）で長方形の内枠を構成し、この長方形の内枠の外周に左右の締め板３９（a,b）と前後の締め板３９（c,d）を設け、前後の締め板３９（c,d）と左右の締め板３９（a,b）とをボルト４１で締結する。なお、カーボン板３７（a,b,c,d）と締め板３９（a,b,c,d）の間には電気絶縁体のシート４３（a,b,c,d）が挿入してある。
【００５１】
また、図１４、図１５に示すような、長方形の焼結素材（焼結合金）３ａの場合には、カーボン板３７d、電気絶縁体のシート４３ｄ、および締め板３９ｄに埋設する金属パイプ１２の両端部が焼結素材（焼結合金）３ａから突出できるように貫通穴５１、５３等が設けてある。
【００５２】
上記構成の如き長方形の成形型５によれば、焼結後の焼結素材（焼結合金）３ａ（図１６、１７参照）の取り外しは、締め板３９（a,b,c,d）を取り外せば容易に成形型５から抜き取ることができる。
【００５３】
上述の図１２または図１６に示すような焼結素材（焼結合金）３ａから埋設したパイプの先端が突出した素材は、流体または気体をパイプに通す場合にパイプの端部に供給側のパイプの接合が容易となる利点があり、例えば、熱交換器用の部品に利用する場合に便利である。また、埋設するパイプの直径を微細にすれば、微小な熱交換器用の部品を製作することも可能となり、このような素材の応用範囲は広いものである。
【符号の説明】
【００５４】
１  焼結装置
３  粉末材
３ａ  焼結素材（焼結合金）
５  成形型
７  上部電極
７ａ  上部押圧部材
９  下部電極
９ａ  下部押圧部材
１１  焼結室
１２  金属パイプ
１３  高電圧で小電流の矩形波パルス電源
１５  低電圧で大電流の直流電源
１７  スイッチング装置
２１ａ、２１ｂ  粉体粒子
２３  プラズマ
２５  不純物
３１  上部リング部材
３３  下部リング部材
３５ａ  第１成形型
３５ｂ  第２成形型
３６（ａ、ｂ）  パイプ突き出し穴
３７（a,b）  左右カーボン板
３７（c,d）  前後カーボン板
３９（a,b）  前後の締め板
３９（c,d）  前後の締め板
４１  ボルト
５１、５３  貫通穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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