(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン粉末を圧粉して作製した成形体を自己伝播高温合成する粉末混合物中に埋設した後、真空中において、粉末混合物をその一部において強熱して点火し、自己伝播高温合成させ、この時放出される生成熱により、前記成形体を瞬時に高温にし、焼結反応を誘発させ、また、高温保持して成形体の全体をタングステンの焼結体とすることを特徴とするタングステン粉末の焼結方法。
【請求項２】
真空度を5×10-1Torr以下とする請求項１記載のタングステン粉末の焼結方法。
【請求項３】
粉末混合物の自己伝播高温合成及びタングステンの焼結反応を室温以上500℃以下の条件で行わせる請求項１又は２記載のタングステン粉末の焼結方法。
【請求項４】
自己伝播高温合成する粉末混合物は、TiとC、ZrとC、NbとC、TaとC、HfとC、TiとB、ZrとB又はHfとBの粉末混合物のいずれか一種である請求項１、２又は３記載のタングステン粉末の焼結方法。
【請求項５】
自己伝播高温合成する粉末混合物をあらかじめ真空中で加熱し、粉末混合物中に含まれる水分及び揮発性不純物を除去する請求項１、２、３又は４いずれかに記載のタングステン粉末の焼結方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、タングステン粉末の焼結方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高融点のタングステンの焼結体を、良好な品質で、しかも低コストで作製することのできるタングステン粉末の焼結方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高融点のタングステンの焼結体は、粉末冶金技術ではこれまで次のようにして製造されている。
【０００３】
すなわち、タングステン粉末を機械プレス又は冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）などにより圧粉し、棒状などの形状に作製した成形体に電極を取り付け、水素ガス若しくは不活性ガスの気流中で直接通電し、長時間保持して焼結している。このような製造方法は、タングステンが、約３４００℃という融点の非常に高い金属であり、通常の炉を使用することはできないとの理由による。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上から明らかであるように、これまでの粉末冶金技術によるタングステン粉末の焼結方法は、電気の使用と水素ガスなどの高価なガスの使用を不可欠としており、かなりコスト高となっている。また、成形体において電極が取り付けられた部分は温度が上がらず、焼結が十分とはいえない。さらに、製造時間が長く、製造コストに反映するという問題を有している。
【０００５】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高融点のタングステンの焼結体を、良好な品質で、しかも低コストで作製することのできるタングステン粉末の焼結方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明の発明者は、以上の課題を解決するために、すなわち、電気や水素ガスなどの高価なガスを使用せず、高温を発生させ、しかもできる限り短時間にタングステン粉末の焼結体を得ることを目指し、研究を重ねた。
【０００７】
この出願の発明の発明者は、炭化物、ホウ化物などの自己伝播高温合成に成功している（たとえば、特許第１８１６８７６号）。自己伝播高温合成とは、粉末混合物をその一部において強熱して点火し、初期反応を生起させると、この時発生する生成熱が次々に伝播して連鎖反応が起こり、粉末混合物の全体が、炭化物、ホウ化物などの化合物に合成されるというものである。
【０００８】
そこで、この出願の発明の発明者は、タングステン粉末の焼結にそのような自己伝播高温合成を利用することにより、電気や水素ガスなどの高価なガスを使用せずに高温を発生させることができ、短時間にタングステン粉末を焼結させることができるとの技術的知見を得、この出願の発明を完成したのである。
【０００９】
たとえば、ＴｉＣの生成熱は−１８４ｋＪ／ｍｏｌであり、自己伝播高温合成が容易に起こり、その時の断熱温度は２９３７℃であり、したがって、タングステンは、ＴｉＣの自己伝播高温合成時に瞬時に高温となり、焼結するのである。つまり、タングステンの焼結のために必要な熱が、ＴｉＣなどの自己伝播高温合成する化合物の生成熱により補われるのである。
【００１０】
すなわち、この出願の発明は、タングステン粉末を圧粉して作製した成形体を自己伝播高温合成する粉末混合物中に埋設した後、真空中において、粉末混合物をその一部において強熱して点火し、自己伝播高温合成させ、この時放出される生成熱により、前記成形体を瞬時に高温にし、焼結反応を誘発させ、また、高温保持して成形体の全体をタングステンの焼結体とすることを特徴とするタングステン粉末の焼結方法（請求項１）を提供する。
【００１１】
またこの出願の発明は、真空度を5×10-1Torr以下とすること（請求項２）、粉末混合物の自己伝播高温合成及びタングステンの焼結反応を室温以上500℃以下の条件で行わせること（請求項３）、自己伝播高温合成する粉末混合物は、TiとC、ZrとC、NbとC、TaとC、HfとC、TiとB、ZrとB又はHfとBの粉末混合物のいずれか一種であること（請求項４）、自己伝播高温合成する粉末混合物をあらかじめ真空中で加熱し、粉末混合物中に含まれる水分及び揮発性不純物を除去すること（請求項５）をそれぞれ一態様として提供する。
【００１２】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のタングステン粉末の焼結方法についてさらに詳しく説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のタングステン粉末の焼結方法では、タングステン粉末を圧粉して作製した成形体を自己伝播高温合成する粉末混合物中に埋設する。自己伝播高温合成する粉末混合物とは、前述のＴｉとＣの粉末混合物をはじめ、自己伝播高温合成し、しかもその時の断熱温度が十分高温であり、タングステン粉末の焼結が可能な生成熱を放出する粉末混合物である。具体的には、上記TiとCの粉末混合物をはじめ、たとえば、ＺｒとＣ、ＮｂとＣ、ＴａとＣ、ＨｆとＣ、ＴｉとＢ、ＺｒとＢ又はＨｆとＢの粉末混合物のいずれか一種とすることができる。各粉末混合物の生成熱は、たとえばＴｉＣで−１８４ｋＪ／ｍｏｌ、ＮｂＣで−１４０．６ｋＪ／ｍｏｌ、ＴａＣで−１４８．５ｋＪ／ｍｏｌ、ＨｆＣで−２１８．８ｋＪ／ｍｏｌ、ＴｉＢ2で−２７９．９ｋＪ／ｍｏｌ、ＺｒＢ2で−３２６．６ｋＪ／ｍｏｌ、ＨｆＢ2で−３２８．９ｋＪ／ｍｏｌである。各粉末混合物は、基本的に科学量論組成とすることができるが、たとえばＴｉとＣの粉末混合物の場合、原子比を１：１とすることができるが、発熱量の調整のために自己伝播高温合成反応に関与しない、すなわち、反応しない物質の粉末を数％含有させることもできる。
【００１４】
このような粉末混合物を、この出願の発明のタングステン粉末の焼結方法では、次いでその一部において強熱して点火し、自己伝播高温合成させる。この時放出される生成熱によりタングステン粉末の成形体は瞬時に高温となり、焼結反応が誘発され、高温状態は粉末混合物の自己伝播高温合成後にもある程度保持される。たとえばTiとCの粉末混合物の場合、自己伝播高温合成に要する時間は、ＴｉとＣの粉末混合物が数グラム〜数十グラム程度であると、数秒以下のきわめて短い時間である。しかしながら、自己伝播高温合成したＴｉＣはその後しばらくの間高温状態を保持する。その結果、成形体の全体がタングステンの焼結体となる。ＴｉＣなどの自己伝播高温合成した化合物とともに取り出した時、成形体は、その全体がタングステンの焼結体となっている。ただし、タングステン焼結体の生成に要する時間は、従来の直接通電しながらの長時間保持と比較にならないほど短時間である。また、電極が取り付けられないことから、タングステンの焼結は、成形体の全体に及び、良質の焼結体となる。
【００１５】
具体的には、この出願の発明のタングステン粉末の焼結方法を実施する際には、図１に概略を示した自己伝播高温合成装置を使用することができる。
【００１６】
図１に示したように、自己伝播高温合成装置は、真空容器（１）を備えている。真空容器（１）は、シーリング機構（２）によりシールされ、給排気系（３）に接続されて、内部の給排気が可能とされている。この真空容器（１）の内部には、ヒーター（４）及び熱電対（８）を備えた電気炉（５）が配設されている。電気炉（５）には、その内部に耐火性るつぼ（６）が配置される。耐火性るつぼ（６）には、ＴｉとＣなどの自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）が充填される。
【００１７】
また、自己伝播高温合成装置には、自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）の一部を強熱し、点火させるタングステン線、ニクロム線などから形成することのできる電熱コイル（７）が配設され、通常、この電熱コイル（７）は、耐火性るつぼ（６）に充填された自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）の上端部に接触するように配置される。
【００１８】
なお、以上のヒーター（４）、電熱コイル（７）及び熱電対（８）は、いずれも、気密状態が保持されるようにして真空容器（１）から外部に引き出され、電源、制御器などに電気的に接続され、外部から操作可能とされている。
【００１９】
タングステン粉末の焼結に際しては、タングステン粉末を圧粉して作製した成形体（９）を、耐火性るつぼ（６）に充填した自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）中に埋設する。なお、粉末混合物（１０）は、成形体（９）の埋設に先立ち、あらかじめ真空中で加熱し、粉末混合物（１０）中に含まれる水分及び揮発性不純物を除去しておくと、より良質のタングステン焼結体が得られる。
【００２０】
その後、耐火性るつぼ（６）を電気炉（５）の内部に配置し、真空容器（１）をシーリング機構（２）によりシールする。そして、真空容器（１）の内部を給排気系（３）の作動により真空排気する。この時の真空度は、粉末混合物（１０）の自己伝播高温合成を生起させるのに適当なものとするのが好ましく、たとえば、５×１０-1Ｔｏｒｒ以下が例示される。また、真空度は、高めれば高めるほど、タングステン焼結体中における酸化物の生成を抑えるのに効果的である。
【００２１】
次いで、自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）の一部、具体的には、図１に示したような上端部に電熱コイル（７）を接触させて配置し、通電して強熱し、粉末混合物（１０）の上端部、すなわち、一部を点火する。着火後、粉末混合物（１０）では初期反応、たとえばＴｉとＣの粉末混合物の場合、Ｔｉ＋Ｃ→ＴｉＣで示される反応が起こり、その時発生する生成熱が次々に伝播し、連鎖反応を起こし、自己伝播高温合成が起こる。そして、最終的に粉末混合物（１０）の全体が、ＴｉＣなどの炭化物、ホウ化物などの化合物となる。また、この粉末混合物（１０）の自己伝播高温合成時に放出される生成熱により、成形体（９）が瞬時に高温となり、焼結反応が誘発され、また、高温状態が保持されて成形体（９）は、その全体がタングステンの焼結体となる。
【００２２】
なお、粉末混合物（１０）の自己伝播高温合成及びタングステンの焼結反応は、前述の通り、真空中で行うことが好ましいが、これに加え、電気炉（５）内の温度をヒーター（４）により室温以上５００℃以下に保持すると、タングステン焼結体の相対密度がほぼ９０％となる。
【００２３】
以上の通り、直接通電し、長時間保持が必要とされていたタングステン粉末の焼結を、電気及び水素ガスなどを使用せず、しかも短時間に行わせることができる。タングステン焼結体を良好な品質で、しかも低コストで製造することが可能となる。
【００２４】
【実施例】
平均粒径が約２０μmのＷ粉末、平均粒径が約１５μmのC粉末、平均粒径が３０μmのＴｉ粉末を使用し、上記Ｗ粉末を直径１１．２８ｍｍの円形金型により成形圧１５０ＭＰａで厚み１０ｍｍ程度の円柱状の成形体に作製した。得られた成形体は、次いでポリウレタンゴム型に詰め、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）により成形圧を４００ＭＰａとして等方に圧力をかけ、１分間保ち、成形し直した。
【００２５】
一方、自己伝播高温合成する粉末混合物として、前記ＴｉとＣの粉末混合物を原子比で１：１の割合で調製し、２００℃に１２時間保持して乾燥させた。
【００２６】
そして、図１に示したような自己伝播高温合成装置の耐火性るつぼ（６）に、自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）としてＴｉとＣの粉末混合物を入れ、その中にタングステンの成形体（９）を埋設した。この後、耐火性るつぼ（６）を電気炉（５）の内部に配置し、ＴｉとＣの粉末混合物の上端部に、線径０．６ｍｍのタングステン線から形成された電熱コイル（７）を接触させて配置した。この状態において、真空容器（１）をシーリング機構（２）によりシールし、真空容器（１）の内部を給排気系（３）により真空排気し、１×１０-3Ｐａ以下の真空度に常時保った。そして、電熱コイル（７）に２０Ａ程度の電流を通電し、ＴｉとＣの粉末混合物の上端部を強熱して点火した。
【００２７】
着火後、Ｔｉ＋Ｃ→ＴｉＣで示される反応が生起し、その時発生する生成熱が次々に伝播し、連鎖反応を起こして粉末混合物（１０）の全体が、短時間の内にＴｉＣに自己伝播高温合成された。さらに、このＴｉＣの自己伝播高温合成時に放出される生成熱により、成形体（９）において焼結反応が誘発され、成形体（９）の全体がタングステン焼結体となった。繰り返し実験を行ったが、得られるタングステン焼結体の相対密度は９０％以上であった。
【００２８】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。自己伝播高温合成時の条件、使用する粉末の粒径、自己伝播高温合成する粉末混合物の種類などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、高融点のタングステンの焼結体を良好な品質で、しかも低コストで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明のタングステン粉末の焼結方法に適用可能な自己伝播高温合成装置の概要を示した断面図である。
【符号の説明】
１    真空容器
２    シーリング機構
３    給排気系
４    ヒーター
５    電気炉
６    耐火性るつぼ
７    電熱コイル
８    熱電対
９    成形体
１０    自己伝播高温合成する粉末混合物
【図１】
0003697509.tif 000002