(57)【要約】【課題】  本発明は、加工用向け工具材及び熱分野のボイラー向けタービンに用いる金属及び合金焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】  金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末を予成形した後、該予成形材を排気管付の金属箔製カプセルで包み、炉内に設置した後、該カプセル内を排気管を通じて炉外から減圧しながら、炉内は大気圧で所定の焼結温度まで昇温、焼結、あるいは昇温後、０．０８〜５MPaの低加圧下で焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。【選択図】      図１
2006342374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末を予成形した後、該予成形材を排気管付の金属箔製カプセルで包み、炉内に設置した後、該カプセル内を排気管を通じて炉外から０．０８MPa以下に減圧しながら、炉内は大気圧で所定の焼結温度まで昇温し、焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記焼結温度まで昇温した後、炉内を圧力０．０８〜５MPaの加圧状態とすることを特徴とする請求項１に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項３】
金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末予成形した後、該予成形材を１個以上の穴を有する金属箔製カプセルで包むとともに、該穴部をガラス粉末あるいはガラス板で覆い、０．０８MPa以下の減圧下で所定の焼結温度まで昇温して、前記ガラスを溶融状態にせしめた後、圧力０．０８〜５MPaの低加圧下で焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記カプセルの金属箔の厚みが５〜３００μmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項５】
減圧下で所定の焼結温度まで昇温する際に、一旦、該所定焼結温度より２５〜１００℃高い温度に昇温し、所定の焼結温度で焼結を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項６】
金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末を予成形した後、該予成形材をガラス粉末で被覆し、０．０８MPa以下の減圧下で所定の温度まで昇温して、該ガラス粉末を溶融状態にせしめた後、圧力０．０８〜５MPaの低加圧下で焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項７】
前記予成形時の成形圧力が５０〜１０００MPaであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項８】
上記ガラスの軟化点が６００℃〜１０００℃、かつ該ガラスの１１００℃における溶融粘性が１０2〜１０5Pa・sであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項９】
前記金属及び合金焼結体が、鉄基合金、ニッケル、ニッケル基合金、コバルト、コバルト基合金であり、前記所定の焼結温度が９００〜１２５０℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項１０】
前記金属及び合金焼結体が、チタン、チタン基合金であり、前記所定の焼結温度が１０００〜１３５０℃であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【請求項１１】
前記金属及び合金焼結体が、アルミニウム、アルミニウム基合金、マグネシウム、マグネシウム基合金であり、前記所定の焼結温度が２５０〜５５０℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼・非鉄金属工業における耐磨耗性、耐熱衝撃性、耐クラック性、耐焼付き性、機械的強度が必要な加工用向け工具材及び熱分野のボイラ向けタービン等に用いる金属及び合金焼結体の製造方法に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
金属材料、非鉄金属材料の圧延、成形加工や切削加工等には耐磨耗性に優れた鉄基合金材料が使用されている。これら加工用工具は、通常は鋳造等で製造されるが、耐久性を大幅に向上させるためには、多量の硬質の炭化物や酸化物等のセラミックを析出する必要があり、鋳造法では限界があり、製造できない。これを達成させるために、鉄基合金等の粉末を焼結する製造法が見いだされている。この粉末焼結法は、使用する粉末の粒径等により、焼結後の組織を細かくすることも可能であり、耐摩耗性の他、靱性等も改善できる。通常、これらの粉末焼結法による製造においては、焼結後の気孔少ない高密度の材料を確実に得るために、高温高圧下で焼結を行う方法が一般的である。
【０００３】
従来の粉末焼結法に関しては特許文献１には、鋼製基台に耐磨耗性材料からなる外層を設けた複合部材が記載されている。そこには、具体的な製造手段として鉄基合金粉末とセラミック繊維の混合粉末をカプセルに充填し、カプセルに鉄の蓋をして溶接後、真空脱気、真空封着した後、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）により焼結成形して製造する方法が記載されている。本例ではＨＩＰ法によって高密度で耐磨耗性、耐クラック性に優れる鋼製部材を得ている。
【０００４】
このＨＩＰ法に関して特許文献２には、金型に粉末を充填し、その上にガラス粉を層状に乗せて真空中で加熱脱気して、そのままＨＩＰ処理する方法が記載されている。また特許文献３には高合金鋼焼結材料の製造方法として、ハイス粉を予成形し、焼結後に１０MPaでＨＩＰ処理する方法が記載されている。一方、特許文献４にはＨＩＰ処理に代わって低加圧の焼結方法が開示されているが、繊維強化しているものに限定されている。
【０００５】
上記の１〜３公報においても、高密度の粉末焼結体を得るために、粉体の種類、成形方法、焼結工程など途中のプロセスは異なるものの、最終的には１０〜１００MPaの超高圧を要するＨＩＰ処理を経て焼結体を得ている。このＨＩＰ法は１０００℃以上の温度で高い圧力を発生させるため、装置自体が非常に高価であり、かつ炉内体積も高圧装置であるために、装置自体の大型化に限界がある。このため炉内に積載できる被処理物量、サイズが限られるため、必然的に製造コストが高くなることから、低コストで焼結可能なプロセスの出現が不可欠になっている。
【特許文献１】特開２００１−５９１４７号公報
【特許文献２】特開昭５４−４８６１３号公報
【特許文献３】特開昭６２−２８７０４１号公報
【特許文献４】特開２００３−１１９５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、高耐久性部材、加工工具材、切削加工工具向け及び熱分野のボイラ用タービン向け等の金属及び合金を低コストで製造することを目的とし、そのための新規な製造技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題について鋭意検討した結果、従来の高コストＨＩＰ法の問題点を改善し、通常の雰囲気炉を用いて試料を封入した容器中を脱気しながら低等方圧加圧で焼結する方法（Ｌｏｗ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓｉｎｇ焼結：ＬＩＰ法）を開発した。この焼結法は、加圧により粉末同士の密着度が増加し、しかもガスが残留しないために緻密度が促進されること、０．０８〜５MPaの低加圧下で等方圧加圧を行うので焼結体の特性が等方的であり、かつ大型の部品でも特殊な装置が不要である等様々な利点を有していることを知見した。
先ず、上記ＬＩＰ法における焼結体のビッカース硬さ、焼結保持温度および空隙率との関係について説明する。
供試材料として、粒径１５μｍの高速度鋼（Ｃ：０．１質量％、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ：２〜６質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物）粉末を、一端をＴＩＧ溶接した１００μｍ厚の薄肉ステンレス鋼箔製パイプに充填・封入し、拡散ポンプで脱気しながら窒素雰囲気炉内で保持温度を変えて焼結した。得られた焼結体をＳＥＭで観察すると共に、ビッカース硬さで焼結度の評価を行った。
拡散ポンプを用いてＬＩＰ法による焼結した場合のビッカース硬さと保持温度との関係を図１に示した。焼結温度が１３７３ＫではＨｖ１００程度で焼結度は低かったが、保持温度を高くするにつれて硬さは上昇し、１５００Ｋを超えると硬さの上昇は急激に上昇するも、１５２３Ｋ以上ではほぼ一定となっていることが分かる。図２にＬＩＰ法による焼結体のＳＥＭ像を示した。（ａ）はロータリーポンプを用いて１４７３Ｋで焼結した場合、（ｂ）は拡散ポンプを用いて１５２３Ｋで焼結したものである。図２（ａ）、（ｂ）において白色相は炭化物、黒色部分は空隙を示している。（ａ）ではかなり空隙が多く見られるが、（ｂ）には空隙が殆ど見られない。実測では、（ａ）の空隙率（面積率）は３．６７％、（ｂ）では０．３１％であった。この空隙率の減少は保持温度を上昇させたことによって粉末が変形し易くなり、粉末同士の密着度が増加したこと、残留ガスが減少したこと、鉄の拡散が活発になったこと等の理由で焼結性が改善されたものと考えられる。
図３に空隙率とビッカース硬さとの関係を示した。なお、比較のためにＨＩＰ法による焼結した試料の値を併記した。ＬＩＰ法による焼結では空隙率の減少と共にビッカース硬さが上昇していることが分かる。空隙率が１％では特にその傾向が著しいが、空隙率が０．３％以下になると硬さは殆ど変化していないことも分かる。ＨＩＰ法による焼結の場合には、空隙率が０．０５６％まで小さくなっており、焼結体の組織を観察した結果、炭化物の粒径はＬＩＰ法よりも小さくなっていた。この事実より、ＬＩＰ法による焼結体の硬さがＨＩＰ法焼結体よりも若干低くなっているのは大きな炭化物が分散しているためであり、焼結度においてはＨＩＰ法焼結体と同等と考えられる。
このように、本発明によるＬＩＰ法焼結体の空隙率は、保持温度が高くなるほど、また高真空になり残留ガスが少なくなるほど減少する。従って、処理条件さえ適切に設定することでＬＩＰ法焼結においてもＨＩＰ焼結と同等の良好な焼結体が得られる。
本発明は上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末を予成形した後、該予成形材を排気管付の金属箔製カプセルで包み、炉内に設置した後、該カプセル内を排気管を通じて炉外から０．０８MPa以下に減圧しながら、炉内は大気圧で所定の焼結温度まで昇温、焼結、あるいは昇温し、焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。
（２）前記焼結温度まで昇温した後、炉内を圧力０．０８〜５MPaの加圧状態とすることを特徴とする（１）に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（３）金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末予成形した後、該予成形材を１個以上の穴を有する金属箔製カプセルで包むとともに、該穴部をガラス粉末あるいはガラス板で覆い、０．０８MPa以下の減圧下で所定の焼結温度まで昇温して、前記ガラスを溶融状態にせしめた後、圧力０．０８〜５MPaの低加圧下で焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。
（４）前記カプセルの金属箔の厚みが５〜３００μmであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（５）減圧下で所定の焼結温度まで昇温する際に、一旦、該所定焼結温度より２５〜１００℃高い温度に昇温し、所定の焼結温度で焼結を行うことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（６）金属及び合金を焼結により製造する際に、前記金属及び合金粉末を予成形した後、該予成形材をガラス粉末で被覆し、０．０８MPa以下の減圧下で所定の温度まで昇温して、該ガラス粉末を溶融状態にせしめた後、圧力０．０８〜５MPaの低加圧下で焼結することを特徴とする金属及び合金焼結体の製造方法。
（７）前記予成形時の成形圧力が５０〜１０００MPaであることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（８）上記ガラスの軟化点が６００℃〜１０００℃、かつ該ガラスの１１００℃における溶融粘性が１０2〜１０5Pa・sであることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（９）前記金属及び合金焼結体が、鉄基合金、ニッケル、ニッケル基合金、コバルト、コバルト基合金であり、前記所定の焼結温度が９００〜１２５０℃であることを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（１０）前記金属及び合金焼結体が、チタン、チタン基合金であり、前記所定の焼結温度が１０００〜１３５０℃であることを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１項に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
（１１）前記金属及び合金焼結体が、アルミニウム、アルミニウム基合金、マグネシウム、マグネシウム基合金であり、前記所定の焼結温度が２５０〜５５０℃であることを特徴とする（１）または（２）に記載の金属及び合金焼結体の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の金属及び合金焼結体の製造方法によれば、耐磨耗性、靱性、機械強度の改善が図れる加工用向け工具材料及び熱分野でのボイラ用タービンなどの高耐久性材料を高コストのＨＩＰ処理プロセスに替わり、低コストで製造可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明による金属及び合金焼結体は基本的に鉄基合金、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム基合金、マグネシウム、マグネシウム基合金を云い、そして、これらの製造方法は大きく次の３つの方法によって製造可能である。まず本発明の第一の実施形態による方法（以下、単に第一の方法ともいう。）は、金属および合金金粉末を必要に応じて造粒工程を経た後、予成形を行う。この予成形は通常の粉末成形に用いられる粉体加圧成形が好ましく、１軸プレス、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）が適宜使用できる。また予成形体を効率良く得るために必要に応じて、金属及び合金粉末に有機系の湿潤剤、潤滑剤、結合剤などを焼結に悪影響を与えない範囲で添加しても良い。得られた予成形体は必要に応じて若干の加工を施した後、予成形体の全表面部にガラス粉末を被覆する。
【００１０】
ガラス粉末の被覆は、予め粉末化したガラスをアルコール等の非水系有機溶媒に分散させたものを、刷毛塗り、スプレー、浸漬法によって予成形体の全表面に出来るだけ均一に塗布する。塗布厚みはガラス粉末の平均粒子径、粒度分布によっても異なるが、一応の目安として少なくとも１００μm以上程度必要である。これ以下になると、予成形体を焼結する際に、未ガラス被覆層、あるいは微小ピンホールが形成されることがある。
【００１１】
図６に示したようにガラス粉末で被覆された予成形体は炉内に入れ、減圧下で金属及び合金に応じた所定の焼結温度まで昇温する。減圧は金属及び合金粉末の酸化を防止し、同時に予成形体中の空隙に存在する空気を抜くことで焼結促進を促すために必要不可欠である。この減圧度は高いほど良いが、概ね１０-1Ｐａ以下であれば良い。予成形体は昇温途中で体積収縮を開始し、金属及び合金に応じた所定の焼結温度に達すると或程度焼結し始める。同時にガラス粉末層は加熱によって軟化現象を生じ、金属及び合金に応じた所定の焼結温度域で完全に溶融状態となって、予成形体の全表面を完全に被覆する。ガラスが溶融状態になっている、金属及び合金に応じた所定の焼結温度域では、予成形体は焼結が進行するものの、完全な緻密体を得ることは困難であった。
【００１２】
そこで本発明では予成形体に若干の外圧を付加することで焼結を促進させる。即ち、予成形体表面は溶融ガラスによって完全被覆されているので、加圧雰囲気に切り替えることで予成形体全面に均一にガス圧を負荷することが可能となる。また予成形体内部は先の減圧によって、殆どの空気などのガス成分が皆無であるため、このガス圧の負荷効果を助長する。但し、本発明では従来のＨＩＰ法の如き１０００℃以上の高温で１０MPa〜１００MPaという超高圧は不要である。加圧値も金属、合金粉末の種類と量によって異なるが、０．０８〜５MPa程度の低加圧で焼結が可能である。加圧値は高いほど良いというデータは、ＨＩＰ処理の圧力から既知であるが、本発明で目的とするのは、低コストで高品質の耐久工具材を得ることであり、実用的な加圧値の上限は５MPa以下である。この低加圧法による焼結は、高温域で金属が容易に塑性変形できる性質に起因する。すなわち、金属及び合金が鉄基合金、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル基合金のいずれかである場合は、９００〜１２５０℃、また、金属及び合金がチタンまたはチタン基合金である場合は、１０００〜１３５０℃の焼結可能温度に達した金属、合金粉末は、若干の外圧を成形体に加えれば、金属、合金粉末は外圧を駆動力として残存気孔部分を埋めて緻密化することが可能となる。この焼結温度の下限の９００℃または１０００℃未満では、低加圧下での焼結が不十分であり好ましくない。また、上限の１２５０℃または１３５０℃超でも、焼結材料の結晶粒が粗大化して特性が悪化するため好ましくない。
【００１３】
本発明の第二の実施形態による方法（以下、単に第二の方法ともいう。）は、図４に示すように、上記の第一の発明と同様に準備した予成形体をカプセル状の金属箔内に設置する。この金属箔には脱気用の排気管を付ける。この作業は溶接などの方法で行うことができる。次ぎに、この金属箔に入れられた予成形体を炉内に入れる。金属箔から伸びている管は、減圧ポンプにつなぐ。減圧ポンプによって金属箔内を脱気しながら、昇温する。金属及び合金に応じた所定の焼結温度に達すると、金属箔内は減圧状態になっているために、炉内の大気圧が予成形体の全面に負荷され緻密化が生じる。あるいは、この温度域に達した後、炉内を大気雰囲気から０．０８〜５MPaのガス圧を炉内に負荷すれば、第一法と同じく金属の塑性変形によって焼結が更に進行し短時間で緻密体が得られる。
【００１４】
第二の方法では、第一の方法のようにガラスによる予成形体の被覆手段を用いない。このため、金属及び合金としては、上記のように第一の方法で例示した金属及び合金の他、通常のガラスの軟化点より融点の低い、アルミニウム、アルミニウム基合金、マグネシウム、マグネシウム基合金等のような低融点金属でも、本発明を適用することができる。このような金属及び合金が低融点材の場合の焼結温度は、２５０〜５５０℃とする必要がある。この焼結温度が下限の２５０℃未満では、低圧下での焼結が不十分であり、また、上限の５５０℃超では、焼結材料の結晶粒が粗大化して特性が悪化するため好ましくない。
【００１５】
本発明の第三の実施形態による方法（以下、単に第三の方法ともいう。）は、図５に示すように、上記の予成形体をカプセル状の金属箔内に設置し、溶接等の手段で外気と遮断する。ここで金属箔には１個以上の小さな穴（貫通孔）をあけておく。この穴は予成形体中に含まれるガスの脱気用である。さらに、この穴は、ガラス粉末層、あるいはガラス片（多孔質でも良い）で覆う。この状態で金属箔ごと成形体を炉内に設置し、減圧下で金属及び合金に応じた所定の焼結温度まで昇温する。
【００１６】
予成形体中あるいは金属箔と予成形体の隙間にある空気等のガスは、金属箔に開けられた穴部の、ガラス粉末の隙間あるいはガラス片と金属箔の隙間（多孔質ガラスの場合は、ガラスの孔も含む。）等を通して、脱気される。温度上昇に伴い、ガラスは軟化し最終的には溶融状態に至る。これによって金属箔の小さな穴は閉鎖される。このようにして、溶融ガラスによって閉鎖されるまでに、予成形体中のガスはほとんどなくなってしまうことになる。この状態で０．０８〜５MPaの低圧加圧を行い焼結させる。この第三の方法でも、ＨＩＰ法と比べて低加圧でありながら、緻密な焼結体が得られる。
【００１７】
上記三つの方法において、予成形体は高密度体であることが望ましい。これは低加圧焼結を補助するためにも重要である。予成形体を得る方法としては、一軸プレス、CIP成形のいずれも使用可能であり、その成形圧力は実用的な範囲として５０〜１０００MPaである。成形圧力が５０MPa未満では予成形体の生密度が低下し、たとえ低圧加圧を長時間行っても完全焼結が困難となる。逆に成形圧力を１０００MPaを越えて設定すると、得られる予成形体の成形体密度（言い換えると理論密度に対する相対密度）が高い点で有利であるが、成形装置の大型化と設備費の増加によるコストアップの問題が生じる。５０〜１０００MPaの範囲であれば、成形装置も比較的コンパクトで量産にも対応可能である。
【００１８】
本発明の第一の方法または第三の方法で使用するガラスは極めて重要である。ガラスは加熱によって軟化点を経て溶融する。ガラスの軟化点が低すぎると、成形体の緻密化がある程度進行しない内にガラスが溶融状態に陥る。成形体の焼結がある程度進行しない状態では、成形体には多数の粗大な気孔が残存している。そのため軟化点の低いガラスでは、溶融ガラスが成形体内へ含浸し金属及び合金の特性に悪影響を与える。逆にガラスの軟化点が著しく高い場合は、成形体の焼結温度領域、すなわち１０００℃〜１３００℃の範囲でガラスが半溶融状態あるいは未溶融の場合には、成形体のガラス被覆が不完全となって、次ぎにガス加圧に切り替えてもガスが成形体内へ浸透することによって焼結が困難となる。このガラスの高温特性は予成形体を全面被覆する場合と金属箔に付けた孔をふさぐためのガラス粉末、ガラス板、多孔質ガラスであっても同じである。
【００１９】
上記の理由から、本発明の金属及び合金焼結体の製造方法で使用するガラスの軟化点は、６００℃から１０００℃、かつ同ガラスの１１００℃における溶融粘性値は１０2〜１０5Pa.sの範囲であることが好ましい。これに付随して予成形体の相対密度も概ね５０％以上であれば、ここで規定するガラスの軟化点と１１００℃における溶融粘性値を有するガラスが使用可能である。なお本発明に使用するガラスは、あくまでも軟化点と１１００℃の溶融粘性値によってのみ規定されるものであって、ガラスの化学組成、例えばホウ珪酸ガラス系、アルミノ珪酸塩ガラス、などによって限定されるものではない。また本発明で規定するガラスは、完全非晶質をはじめ結晶質成分と非晶質成分を含有するような材料であっても良い。なお、焼結温度の低いアルミ、マグネシウム及びそれらの合金では、低温で溶融するガラスを選定しなければならない。
【００２０】
本発明の第一の方法ないし第三の方法で、金属及び合金に応じた所定の焼結温度で予成形材を焼結する場合、焼結性を向上させるために、目的の焼結温度より２５〜１００℃高い温度に一旦昇温した後、本焼結を行うことにより、その焼結性を結晶粒を粗大化させることなく達成できる。この温度が２５℃未満では、期待した焼結性の向上効果が得られず、また、１００℃超では、高すぎて焼結材料の結晶粒が粗大化するため好ましくない。この場合の昇温時間は、５〜３０分であることが好ましい。５分未満では、期待した向上効果が得られず、３０分超に及ぶ長時間の処理では、高い温度と長い処理時間の相乗効果で焼結材料の結晶粒が素材化して特性に悪影響を及ぼすからである。
【００２１】
カプセル向け金属箔は、金属及び合金に応じた所定の焼結温度域での耐熱性を有し、取り扱いに耐える機械的強度を有するものであれば、普通鋼、ステンレス鋼等が適宜使用できる。金属箔は低加圧焼結を阻害しないために、できるだけ薄肉が好ましいが、実用的な金属箔の厚みは概ね５〜３００μｍである。金属箔の厚みが２ｍｍ以上と極端に厚くなると低加圧効果が低下しやすい。なお、第二の方法では予成形体自体は金属箔で被覆されているが、炉外の減圧ポンプにつなぐための減圧管については、減圧ポンプ作動によってつぶれない程度の強度と肉厚が必要である。
【００２２】
本発明の金属及び合金には、鉄基合金、ニッケル、ニッケル基合金、コバルト、コバルト基合金、超合金、チタン、チタン基合金、アルミニウム、アルミニウム基合金、マグネシウム、マグネシウム基合金等の各種金属、合金が粉末が使用できる。鉄基合金の成分組成としては、質量％で０．１〜３．５％の炭素、２〜７％のＣｒ、０〜１０％のＭｏ、０〜２０％のＷ、１〜１５％（Ｖ、Ｎb、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）の中から選ばれた１種あるいは２種以上の元素、０〜１０％のＣｏ、０〜５％のＮｉ、残部が実質的にＦｅから成るものが好ましい。この合金のＣ量が０．８％以上と高い場合は、特にロール材等に要求される耐磨耗性、機械的強度、耐熱性などに優れる材料の一つである。Ｃ量が低い場合は、切削工具等に要求される耐摩耗性、高靱性に優れる材料の一つである。さらに、Ｎｉ基合金としてはハステロイ、インコネルやナイモニック等の超合金、Ｃｏ基合金としてはステライト等の超合金が使用できる。
【００２３】
本発明の金属及び合金焼結体の製造法では、焼結体全体が金属、合金から成る場合と、必要な部位のみ金属及び合金の焼結体とし、その他の部位は従来の低廉な金属や合金から成る、いわゆる複合体も含む。複合体を製造する場合、例えば円筒物では内部が低廉な金属及び合金、外層のみ焼結による金属及び合金という組み合せがある。この場合は予成形体を中空円筒で成形し、この中空部に合金円筒を組み込み、同時焼結するような手段が可能であり、中実の中軸材の周囲に予成形材を同時に予成形することも可能である。上述した第一〜第三の方法を経て製造され、かつ少なくとも焼結体の一部に本発明の手法が用いられるような複合構造体等も本発明の範疇である。
【実施例】
【００２４】
＜実施例１＞
一体型円筒物（ガイドローラー）の例として、Ｃ：０．８８％、Si：０．２８％、Ｃｒ：４．０％、Ｖ：２．０％、Ｍｏ：５．０％、Ｗ：６．０％含有の鉄基の合金粉末を一軸プレス装置を用い成形加圧５０〜７５０MPaの範囲で予成形を行い、１２０ｍｍφ×９０ｍｍＬの予成形体を得た。得られた各成形体の全面に軟化点７５０℃、１１００℃の溶融粘性が１０3Paｓのアルミノ珪酸塩ガラス粉末を浸漬法にて均一に約２００μmの厚みで被覆し、被覆体を室温で約５時間乾燥した後、炉内に設置した。炉内を０．１Ｐaの減圧度に保ちながら１２００℃まで３時間で昇温した。
【００２５】
１２００℃に到達した段階で直ちに減圧状態からガス導入による加圧雰囲気（加圧：０．５ＭＰa）に切り替えた。この状態で２時間保持した後、炉冷後に焼結体を取り出した。得られた円筒物の表面は溶融後固化したガラス層で均一に被覆された状態であった。得られた焼結体はガラス層を研削によって充分除去した後、相対密度の測定、微構造の観察を行い評価した。またこの焼結体を研削加工し、８０ｍｍφ×７０ｍｍＬのガイドローラーを試作し、所定の熱処理（焼入れ、焼戻し）を行い、基地硬さをショア硬度で８０〜８５に調整した後、その耐磨耗性、耐クラック性を評価した。耐クラック性は熱間の普通鋼を一定量通材後の摩耗深さで、耐クラック性は通材後のローラの表面をカラーチェックして、亀裂発生有無を確認し、耐焼付き性は通材後のローラ表面の焼付き状況を目視で観察して評価した。表１に評価結果を示す。
【表１】
2006342374.tif 000003
ここで番号５はガラス被覆を行わず、同じ焼結工程を経て作製した焼結金属である。また表中の相対密度は焼結体の理論密度に対する割合を示したものである。また磨耗深さ％とは、番号６の鋳造したハイス鋼でガイドロールを作製した場合の、耐磨耗試験において、試験後の磨耗深さを１００％とした場合の番号１以降の相対割合である。
表１から明らかなように、本発明の範囲試料では、焼結体の相対密度も９９％以上に緻密化しており、摩耗試験による摩耗深さ率は鋳造ハイス材に比べて大幅に改善され、ほぼＨＩＰ材に近い特性が得られていることが判る。また、鉄基合金以外のＮｉ基およびＣｏ基合金においても、耐摩耗性および強度の大幅な向上がみられる。因みにガラス全面被覆法、金属箔＋減圧法、金属箔＋ガラス封着法を用いず、真空焼結だけを行った試料では緻密化が進行しておらす、焼結体の相対密度は９０％以下にとどまり、摩耗深さは１００％以上であった。
また本発明の範囲である試料群では、摩耗試験後の表面クラックの発生は鋳造材に比べて少なく、ほぼＨＩＰ材並であった。また、焼き付き現象は鋳造材に比べて軽微であった。
【００２６】
＜実施例２＞
外層部のみ焼結金属から成る複合ガイドロールの例として、実施例１と同じ合金粉末を、ＣＩＰ装置によって成形圧力５００〜１０００ＭＰaで予成形を行い、これを切削加工して内径７０φ、外形９０φの中空円筒状の成形体を得た。この中空部に鋼製円柱物を挿入した。なおハイス鋼と予成形体とは焼結収縮率と熱膨張差を考慮したサイズ差を付けた。これを厚み１００μmのステンレス製のカプセル状の金属薄箔容器に入れた。なお、この容器には排気用スチール製パイプを付けた。容器を密閉した後、炉内に設置した。排気用パイプは炉内から炉外へ出し、これに排気用真空ポンプを接続し、減圧しながら所定の１１７５℃まで昇温した。１１７５℃に到達した時点で、大気下とガス加圧（３ＭＰa）の２種類で焼結を試みた。炉冷後、得られた焼結体は、鋼と外層の焼結金属部が一体的に接合した構造を有しており、焼結体に変形、クラックなどは認めず良好な状態であった。実施例１と同様に焼結金属部の評価を行った。
表２から明らかなように、本発明の範囲試料では、焼結体の相対密度も９９％以上に緻密化しており、摩耗試験による摩耗深さ率は鋳造ハイス材に比べて大幅に改善され、ほぼＨＩＰ材に近い特性が得られていることが判る。また、鉄基合金以外のＮｉ基およびＣｏ基合金においても、耐摩耗性および強度の大幅な向上がみられる。因みにガラス全面被覆法、金属箔＋減圧法、金属箔＋ガラス封着法を用いず、真空焼結だけを行った試料では緻密化が進行しておらす、焼結体の相対密度は９０％以下にとどまり、摩耗深さは１００％以上であった。
また本発明の範囲である試料群では、摩耗試験後の表面クラックの発生は鋳造材に比べて少なく、ほぼＨＩＰ材並であった。また、焼き付き現象は鋳造材に比べて軽微であった。
【表２】
2006342374.tif 000004
番号８〜１０は大気中（加圧なし）の条件、番号７は３ＭＰａの加圧下で焼結した場合の結果を示す。摩耗深さは表１と同様に摩耗試験において、鋳造ハイス鋼の摩耗量深さを１００％とした場合の相対割合で示した。
【００２７】
＜実施例３＞
実施例２と同様の構造物の例として、実施例２と同じ組成物の合金粉末を、ＣＩＰ装置によって成形圧力５００〜１０００MPaで予成形を行い、切削加工により中空円筒状成形体を得た。これに実施例２と同一の鋼円筒を挿入し、厚み１５０μmの普通鋼製のカプセル状金属箔内に入れて封着した。なお、金属箔には約０．５mmφの貫通穴を３個開けた。貫通穴の内、1個にはガラス粉末層を形成させ、残りの２個にはガラス片を置いた。これを炉内に入れ、減圧下で１１７５℃まで昇温させた。 １１７５℃に達した後、３ＭＰaのガス加圧雰囲気に切り替え、３時間保持した。炉冷後、試料を取り出したところ、金属箔の穴部は溶融後固化したガラス層で完全に封着されており、ガラス層を削除した焼結金属部は完全に緻密化していた。
表３から明らかなように、本発明の範囲試料では、焼結体の相対密度も９９％以上に緻密化しており、摩耗試験による摩耗深さ率は鋳造ハイス材に比べて大幅に改善され、ほぼＨＩＰ材に近い特性が得られていることが判る。また、鉄基合金以外のＮｉ基およびＣｏ基合金においても、耐摩耗性および強度の大幅な向上がみられる。因みにガラス全面被覆法、金属箔＋減圧法、金属箔＋ガラス封着法を用いず、真空焼結だけを行った試料では緻密化が進行しておらす、焼結体の相対密度は９０％以下にとどまり、摩耗深さは１００％以上であった。
また本発明の範囲である試料群では、摩耗試験後の表面クラックの発生は鋳造材に比べて少なく、ほぼＨＩＰ材並であった。また、焼き付き現象は鋳造材に比べて軽微であった。
【表３】
2006342374.tif 000005
摩耗深さは表１と同様に摩耗試験において、鋳造ハイス鋼の摩耗量深さを１００％とした場合の相対割合で示した。
【００２８】
＜実施例４＞
実施例３と同様の構造物の例として、実施例３と同じ組成物の合金粉末を、ＣＩＰ装置によって成形圧力５００〜１０００MPaで予成形を行い、切削加工により中空円筒状成形体を得た。これに実施例２と同一の鋼円筒を挿入し、厚み１５０μmのスチール製のカプセル状金属箔内に入れて封着した。なお、金属箔には約０．５mmφの貫通穴を３個開けた。貫通穴の内、1個にはガラス粉末層を形成させ、残りの２個にはガラス片を置いた。これを炉内に入れ、減圧下で焼結温度の１１７５℃まで昇温させた後、さらに１２２５℃に短時間で昇温し、その後 １１７５℃の本焼結温度に戻し、３ＭＰaのガス加圧雰囲気に切り替え、３時間保持した。炉冷後、試料を取り出したところ、金属箔の穴部は溶融後固化したガラス層で完全に封着されており、ガラス層を削除した焼結金属部は完全に緻密化していた。
表４から明らかなように、本発明の範囲試料では、焼結体の相対密度も９９％以上に緻密化しており、摩耗試験による摩耗深さ率は鋳造ハイス材に比べて大幅に改善され、ほぼＨＩＰ材に近い特性が得られていることが判る。また、鉄基合金以外のＮｉ基およびＣｏ基合金においても、耐摩耗性および強度の大幅な向上がみられる。因みにガラス全面被覆法、金属箔＋減圧法、金属箔＋ガラス封着法を用いず、真空焼結だけを行った試料では緻密化が進行しておらす、焼結体の相対密度は９０％以下にとどまり、摩耗深さは１００％以上であった。
また本発明の範囲である試料群では、摩耗試験後の表面クラックの発生は鋳造材に比べて少なく、ほぼＨＩＰ材並であった。また、焼き付き現象は鋳造材に比べて軽微であった。
【表４】
2006342374.tif 000006
摩耗深さは表１と同様に摩耗試験において、鋳造ハイス鋼の摩耗量深さを１００％とした場合の相対割合で示した。
【００２９】
＜実施例５＞
その他の金属として、Ｎｉ基超合金であるハステロイＳ（主成分：16%Cr-15%Mo-残Ｎｉ）およびＣｏ基超合金であるステライト６（主成分：30%Cr-3%Ni-4.5%W-1.5%Mo-残Co）粉末を、ＣＩＰ装置によって成形圧力５００MPaで予成形を行い、厚み１００μmのスチール製の金属箔内に入れて封着した。なお、金属箔には約０．５mmφの貫通穴を３個開けた。貫通穴にはガラス粉末層を形成させ、これを炉内に入れ、減圧下で１０５０℃まで昇温させた。 １０５０℃に達した後、４ＭＰaのガス加圧雰囲気に切り替え、３時間保持した。炉冷後、試料を取り出したところ、金属箔の穴部は溶融後固化したガラス層で完全に封着されており、ガラス層を削除した焼結金属部は完全に緻密化していた。この焼結材から切削加工により、板状の摩耗試験片（20ｍｍ×10ｍｍ×30ｍｍ）と曲げ試験片（3ｍｍ×4ｍｍ×38ｍｍ）を作製し、熱間摩耗試験と強度試験を行った。摩耗試験は円盤状加熱片を高周波で８５０℃に加熱しながら板状の摩耗試験片に荷重を加えながら押し当て、５０００回転動後の摩耗深さで評価した。また、焼結金属部の強度を４点曲げ試験にて評価した。その結果を表５に示した。
【表５】
2006342374.tif 000007
摩耗深さは表１と同様に摩耗試験において、鋳造ハイス鋼の摩耗量深さを１００％とした場合の相対割合で示した。また、曲げ強度は、同様に鋳造材での曲げ強度を１００％とした場合の相対割合で示した。
【００３０】
＜実施例６＞
更にその他の金属として、純ＴｉおよびＴｉ合金（主成分：Ti-6%Al-4%V）粉末を、ＣＩＰ装置によって成形圧力７００MPaで予成形を行い、厚み１５０μmのステンレス製の金属箔内に入れて封着した。なお、金属箔には約０．５mmφの貫通穴を３個開けた。貫通穴にはガラス粉末層を形成させ、これを炉内に入れ、減圧下で１２５０℃まで昇温させた。１２５０℃に達した後、２ＭＰaのガス加圧雰囲気に切り替え、３時間保持した。炉冷後、試料を取り出したところ、金属箔の穴部は溶融後固化したガラス層で完全に封着されており、ガラス層を削除した焼結金属部は完全に緻密化していた。この焼結材から切削加工により、板状の摩耗試験片（20ｍｍ×10ｍｍ×30ｍｍ）と曲げ試験片（3ｍｍ×4ｍｍ×38ｍｍ）を作製し、熱間摩耗試験と強度試験を行った。摩耗試験は円盤状加熱片を高周波で８５０℃に加熱しながら板状の摩耗試験片に荷重を加えながら押し当て、５０００回転動後の摩耗深さで評価した。また、焼結金属部の強度を４点曲げ試験にて評価した。その結果を表５に併せて示した。
表５から明らかなように、本発明の範囲試料では、焼結体の相対密度も９９％以上に緻密化しており、摩耗試験による摩耗深さ率は鋳造ハイス材に比べて大幅に改善され、ほぼＨＩＰ材に近い特性が得られていることが判る。また、鉄基合金以外のＮｉ基およびＣｏ基合金においても、耐摩耗性および強度の大幅な向上がみられる。因みにガラス全面被覆法、金属箔＋減圧法、金属箔＋ガラス封着法を用いず、真空焼結だけを行った試料では緻密化が進行しておらす、焼結体の相対密度は９０％以下にとどまり、摩耗深さは１００％以上であった。
また本発明の範囲である試料群では、摩耗試験後の表面クラックの発生は鋳造材に比べて少なく、ほぼＨＩＰ材並であった。また、焼き付き現象は鋳造材に比べて軽微であった。
【００３１】
＜実施例７＞
更にその他の金属として、Ａｌ合金（主成分：Al-2%Cu-2%Mg-6%Zn）およびＭｇ基合金(主成分：Mg-2%Al-1%Zn)粉末を、プレス装置によって成形圧力３００ＭＰaで予成形を行い、これを厚み１００μmの普通鋼製のカプセル状の金属薄箔容器に入れた。なお、この容器には排気用スチール製パイプを付けた。容器を密閉した後、炉内に設置した。排気用パイプは炉内から炉外へ出し、これに排気用真空ポンプを接続し、減圧しながら所定の４５０℃まで昇温した。４５０℃に到達した時点で、大気下とガス加圧（３ＭＰa）の２種類で２時間焼結を試みた。炉冷後、得られた焼結体は、緻密化していた。この焼結材から切削加工により、板状の摩耗試験片（20ｍｍ×10ｍｍ×30ｍｍ）と曲げ試験片（3ｍｍ×4ｍｍ×38ｍｍ）を作製し、摩耗試験と強度試験を行った。摩耗試験は円盤状相手片（普通鋼）を常温で板状の摩耗試験片に荷重を加えながら押し当て、５０００回転動後の摩耗深さで評価した。また、焼結金属部の強度を４点曲げ試験にて評価した。
表６から明らかなように、本発明の範囲試料では、焼結体の相対密度も９９％以上に緻密化しており、摩耗試験による摩耗深さ率は鋳造ハイス材に比べて大幅に改善され、ほぼＨＩＰ材に近い特性が得られていることが判る。また、鉄基合金以外のＮｉ基およびＣｏ基合金においても、耐摩耗性および強度の大幅な向上がみられる。因みにガラス全面被覆法、金属箔＋減圧法、金属箔＋ガラス封着法を用いず、真空焼結だけを行った試料では緻密化が進行しておらず、焼結体の相対密度は９０％以下にとどまり、摩耗深さは１００％以上であった。
また本発明の範囲である試料群では、摩耗試験後の表面クラックの発生は鋳造材に比べて少なく、ほぼＨＩＰ材並であった。また、焼き付き現象は鋳造材に比べて軽微であった。
【表６】
2006342374.tif 000008
摩耗深さは表１と同様に摩耗試験において、鋳造ハイス鋼の摩耗量深さを１００％とした場合の相対割合で示した。また、曲げ強度は、同様に鋳造材での曲げ強度を１００％とした場合の相対割合で示した。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のＬＩＰ法焼結におけるビッカース硬さと焼結保持温度との関係を示す図。
【図２】本発明のＬＩＰ法で得られた焼結体のＳＥＭ像で、（ａ）はロータリーポンプで１４２３Ｋで焼結したものの組織、（ｂ）は拡散ポンプで１４７３Ｋで焼結したものの組織を示す組織写真である。
【図３】焼結体の空隙率とビッカース硬さとの関係を示す図。
【図４】予成形体をカプセル状の金属箔で包んで減圧管を付けた場合の焼結法を示す断面図である。
【図５】予成形体を穴付のカプセル状金属箔で包み、穴部にガラス粉末、あるいはガラス板を乗せる焼結法を示す断面図である。
【図６】予成形体の全表面にガラス粉末層を被覆した場合の焼結方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    焼結炉
２    予成形体
３    ガラス粉末層
４    減圧装置およびガス加圧装置
５    金属箔
６    減圧装置
７    減圧用金属管
８    ガラス粉末層またはガラス板
９    貫通孔
【図１】
2006342374.tif 000009
【図３】
2006342374.tif 000010
【図４】
2006342374.tif 000011
【図５】
2006342374.tif 000012
【図６】
2006342374.tif 000013
【図２】
2006342374.tif 000014