(57)【要約】【課題】内部に空隙を備える金属成形体の製造方法を提供する。【解決手段】第１の金属を含む粉末１中に第２の金属の成形体２ａを埋設して粉末成形体３ａを形成し、第１の金属の融点未満、第２の金属の融点以上の温度で加熱して成形体２ａを溶融せしめ空隙４を形成する。両金属を焼結し固化させる。両金属の金属間化合物または合金により、空隙４の表面に被覆層６を形成する。被覆層６が金属間化合物の場合、第１の金属はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗまたはこれらの合金の１種で、第２の金属はＡｌである。第１の金属はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗまたはこれらの合金の１種で、第２の金属はＳｉである。第１の金属はＣｕまたはその合金で、第２の金属はＳｎである。被覆層６が合金の場合、第１の金属はＡｌまたはその合金で、第２の金属はＺｎである。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属を含む粉末中に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成する工程と、
該粉末成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、第２の金属を溶融して、溶融した第２の金属を第１の金属を含む粉末の間隙に移動せしめ、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第１の金属の粉末と溶融した第２の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする金属成形体の製造方法。
【請求項２】
第１の金属と第２の金属とから生成した金属間化合物により、第２の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする請求項１記載の金属成形体の製造方法。
【請求項３】
第１の金属はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗまたはこれらの合金からなる群から選択される１種の金属であり、第２の金属はＡｌであることを特徴とする請求項２記載の金属成形体の製造方法。
【請求項４】
第１の金属はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗまたはこれらの合金からなる群から選択される１種の金属であり、第２の金属はＳｉであることを特徴とする請求項２記載の金属成形体の製造方法。
【請求項５】
第１の金属はＣｕまたはその合金であり、第２の金属はＳｎであることを特徴とする請求項２記載の金属成形体の製造方法。
【請求項６】
第１の金属と第２の金属とから生成した合金により、第２の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする請求項１記載の金属成形体の製造方法。
【請求項７】
第１の金属はＡｌまたはその合金であり、第２の金属はＺｎまたはその合金であることを特徴とする請求項６記載の金属成形体の製造方法。
【請求項８】
前記粉末成形体の加熱は、少なくとも第２の金属の融点まで、１°／秒以上の昇温速度で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の金属成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に微小な空隙を備える金属成形体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチックの射出成形、金属の鋳造等に用いられる金型として、内部に冷却または加熱のための媒体が流通する管路を備えているものがある。
【０００３】
前記金型等のように、内部に前記管路等の空隙を備える金属成形体は、従来、金属粉末射出成形法（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）または精密鋳造法により形成されている。しかしながら、前記の方法は、いずれもそれ自体が金型を用いて製造する方法であるため、形成可能な空隙の形状と大きさとについて制約があり、複雑な形状の空隙または微小な空隙を形成することが難しいとの不都合がある。
【０００４】
一方、基体金属上に第１の金属材料を配置し、該基体金属と第１の金属材料との上に、第１の金属材料よりも融点の高い第２の金属材料を溶射して、溶射金属層を形成した後、第１の金属材料の融点よりも高く、第２の金属材料の融点よりも低い温度に加熱して第１の金属材料を溶解し、第１の金属の形状に対応する空間部を備える複合金属体を製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、前記の方法では、第１の金属材料の上に形成される第２の金属材料の層は、溶射により形成されるため、所望の厚さの層を形成するには、大きなエネルギーと時間とを要するとの不都合がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２７９２７４号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１９４７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、内部に複雑な形状の空隙または微小な空隙を備える金属成形体を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の金属成形体の製造方法は、第１の金属を含む粉末中に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成する工程と、該粉末成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、第２の金属を溶融して、溶融した第２の金属を第１の金属を含む粉末の間隙に移動せしめ、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第１の金属の粉末と溶融した第２の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の金属成形体の製造方法では、まず、第１の金属を含む粉末中に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる成形体を埋設する。前記粉末は、第１の金属の粉末の他、バインダ、他の金属、セラミックス等の粉末を含んでいてもよい。
【００１０】
前記第２の金属からなる成形体は、大きさに制限はなく、直径が微小な線材、棒材等であってもよい。また、前記第２の金属からなる成形体は、形状についても制限はなく、例えば、前記線材または棒材を用いる場合、直線状に限らず、曲線または折れ曲がって蛇行する形状等、どのような形状であってもよい。
【００１１】
次に、第１の金属を含む粉末から粉末成形体を形成する。このとき、第２の金属からなる成形体は、第１の金属の粉末に埋設された状態で、前記粉末成形体の内部に含まれている。前記粉末成形体は、必要に応じて、予備的加圧処理を施してもよく、該予備的加圧処理により前記第２の金属からなる成形体を整形するようにしてもよい。
【００１２】
次に、前記粉末成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、前記第２の金属が溶融せしめられ、溶融した第２の金属が、前記粉末成形体の前記第１の金属を含む粉末の粒子間に移動する。この結果、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙が形成される。
【００１３】
そこで、次に、第１の金属の粉末と溶融した第２の金属とを焼結して固化せしめることにより、内部に前記空隙を備える金属成形体を得ることができる。
【００１４】
本発明の金属成形体の製造方法によれば、前記第２の金属からなる成形体を、前記第１の金属を含む粉末に埋設しておき、前記第２の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成するので、内部に、小室や管路等の複雑な形状の空隙または微小な空隙を備える金属成形体を容易に製造することができる。
【００１５】
また、本発明の金属成形体の製造方法によれば、第１の金属と第２の金属とから生成した金属間化合物または合金により、第２の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする。
【００１６】
従来、反応により金属間化合物を形成する混合金属粉末を金属材料の表面に塗布して加熱することにより、該金属材料の表面に該混合金属粉末から生成した金属間化合物からなる被覆層を形成する方法が知られている（例えば、前記特許文献１参照。）。しかし、このような方法では、金属成形体の内部に形成された空隙の表面に、前記金属間化合物からなる被覆層を形成することは難しい。
【００１７】
この点、本発明の金属成形体の製造方法によれば、前記第１の金属を含む粉末に埋設された前記第２の金属からなる成形体を溶融せしめて、前記第１の金属を含む粉末の粒子間に移動させることができる。従って、第１の金属と第２の金属とから金属間化合物または合金を生成させることにより、前記第２の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面に、該金属間化合物または合金からなる被覆層を容易に形成することができる。
【００１８】
このとき、前記第１の金属を含む粉末の粒子間に、溶融した第２の金属が浸透可能な間隙があり、第１の金属を含む粉末の粒子が、溶融した第２の金属により濡れやすいときには、溶融した第２の金属は、毛管現象により、前記第１の金属を含む粉末の粒子間に自発的に且つ速やかに浸透する。一方、前記第１の金属を含む粉末の粒子間に、溶融した第２の金属が浸透可能な間隙が無いときには、溶融した第２の金属は、専ら拡散によってのみ移動する。
【００１９】
従って、前記第１の金属を含む粉末の粒子間の空隙率を調整しておくことによって、溶融した第２の金属の浸透速度や、浸透する深さを制御することができ、前記金属間化合物または合金からなる被覆層の厚さを自在に制御することができる。
【００２０】
前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第１の金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される１種の金属を用いることができ、前記第２の金属としてはＡｌを用いることができる。このようにするときには、前記金属間化合物として、種々の遷移金属アルミナイドが生成される。
【００２１】
また、前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第１の金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される１種の金属を用い、前記第２の金属としてはＳｉを用いるようにしてもよい。このようにするときには、前記金属間化合物として、種々の遷移金属シリサイドが生成される。
【００２２】
また、前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第１の金属として、Ｃｕまたはその合金を用い、前記第２の金属としてＳｎを用いるようにしてもよい。
【００２３】
一方、前記合金からなる被覆層を形成するために、前記第１の金属としてはＡｌまたはその合金を用いることができ、前記第２の金属としてはＺｎまたはその合金を用いることができる。
【００２４】
本発明の製造方法において、特に第２の金属の成形体が微細な部分から構成される場合には、前記粉末成形体の加熱は、少なくとも第２の金属の融点まで、１°／秒以上の昇温速度で行うことが好ましい。このようにすることにより、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に連続した空隙を確実に形成することができる。少なくとも第２の金属の融点までの前記粉末成形体の加熱における昇温速度が１°／秒未満であるときには、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に連続した空隙が形成されないことがある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１乃至図６は本実施形態の金属成形体の製造方法を示す説明図である。
【００２６】
本実施形態の金属成形体の製造方法では、まず図１に示すように、第１の金属からなる粉末１中に、第１の金属より融点の低い第２の金属からなる線材２を埋設し、予備成形体３を形成する。線材２は、例えば、図２に示すように矩形状の断面形状を備えているものでもよく、円形の断面形状を備えているものでもよい。
【００２７】
次に、予備成形体３を、線材２の長さ方向に沿って予備的に一軸圧縮する。この結果、図３及び図４に示すように、線材２が整形されて、楕円状の断面形状を備える線材２ａが形成された粉末成形体３ａが得られる。
【００２８】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、粉末成形体３ａを第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、図３及び図４に示す第２の金属からなる線材２ａが溶融して第１の金属からなる粉末１中に浸透すると同時に、該粉末１と溶融した第２の金属とが焼結されて固化せしめられる。粉末成形体３ａの加熱は、線材２ａが占めていた領域に、連続した空隙を形成するために、少なくとも第２の金属の融点まで、１°／秒以上の昇温速度で行うことが好ましい。
【００２９】
この結果、図５及び図６に示すように、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の空隙４を備える金属成形体５が得られる。また、金属成形体５では、空隙４の表面に第１の金属と第２の金属との金属間化合物または合金からなる被覆層６が形成されている。
【００３０】
本実施形態では、直線状の線材２ａにより楕円状の断面形状を備える細管状の空隙４を形成する場合について説明しているが、線材２ａは曲線状または折れ曲がって蛇行する形状等、どのような形状であってもよく、また線材２ａに代えて塊状の成形体を用いてもよい。
【００３１】
前記各種形状の線材２ａを用いることにより、細管状の空隙４を直線状、曲線状または折れ曲がって蛇行する形状等とすることができ、該空隙４により管路を形成することができる。また、線材２ａに代えて塊状の成形体を用いることにより、小室を形成することができる。そして、前記管路と前記小室とを組み合わせることにより、さらに複雑な形状の空隙４を形成することもできる。
【００３２】
従って、本発明の製造方法は、例えば、プラスチックの射出成形や金属の鋳造に用いられる金型の内部に、冷却または加熱のための媒体が流通する管路を形成するために用いることができ、前記管路の設計において、温度制御を最適化するために、高い自由度を得ることができる。
【００３３】
また、本発明の製造方法によれば、空隙４の表面に前記金属間化合物または合金からなる被覆層６を形成することができるので、得られた金属成形体５は多くの用途に対応することが可能になるものと期待される。
【００３４】
尚、前記実施形態では、第１の金属からなる粉末１を用いているが、粉末１は、バインダ、他の金属、セラミックス等の粉末を含んでいてもよい。
【００３５】
前記実施形態において、空隙４の表面に金属間化合物からなる被覆層６を形成するときには、第１の金属として、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される１種の金属からなる粉末を用い、第２の金属としては、Ａｌを用いる。あるいは、第１の金属として、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗまたはこれらの合金からなる群から選択される１種の金属を用い、第２の金属としてはＳｉを用いる。さらに、第１の金属としてＣｕまたはその合金を用い、第２の金属としてＳｎを用いてもよい。
【００３６】
また、前記実施形態において、空隙４の表面に合金からなる被覆層６を形成するときには、第１の金属として、Ａｌまたはその合金を用い、第２の金属としてはＺｎまたはその合金を用いる。
【００３７】
次に、実施例を示す。
【００３８】
【実施例１】
本実施例では、第１の金属としてニッケル（ｍ．ｐ．１５２８Ｋ）を用い、第２の金属としてアルミニウム（ｍ．ｐ．９３３Ｋ）を用いて、図１に示すように、ニッケル粉末１中に、アルミニウム線材２を埋設し、予備成形体３を形成した。アルミニウム線材２は、長辺の長さ０．７０ｍｍ、短辺の長さ０．４５ｍｍの矩形状の断面形状を備えている。
【００３９】
次に、予備成形体３を、線材２の長さ方向に沿って予備的に一軸圧縮した。この結果、図３及び図４に示すように、長径１．２０ｍｍ、短径０．３５ｍｍの楕円状の断面形状を備える線材２ａが形成された粉末成形体３ａが得られた。
【００４０】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、粉末成形体３ａをニッケルの融点より低く、アルミニウムの融点より高い１２７３Ｋの温度で１時間加熱した。この結果、線材２ａが溶融してニッケル粉末１中に浸透すると同時に、ニッケル粉末１と溶融したアルミニウムとが焼結されて固化せしめられ、図５及び図６に示すように、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の空隙４を備える金属成形体５が得られた。金属成形体５では、空隙４の表面にニッケルとアルミニウムとの金属間化合物であるニッケルアルミナイドからなる厚さ０．１ｍｍの被覆層６が形成されていた。
【００４１】
【実施例２】
本実施例では、第１の金属としてのニッケル粉末１中に、第２の金属として断面形状がそれぞれ直径５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍの円形であるアルミニウム線材２を埋設し、４種の予備成形体３を形成した。次に、各予備成形体３を、線材２の長さ方向に沿って予備的に約６００ＭＰａの圧力で一軸圧縮して、粉末成形体３ａを形成した。
【００４２】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、各粉末成形体３ａを加熱した。前記加熱は、２°／秒の昇温速度で９８３Ｋまで加熱して、アルミニウム線材２を短時間で溶融し、さらに０．２°／秒の昇温速度で１４７３Ｋまで加熱した後、０．４°／秒の冷却速度で室温まで冷却し、４種の金属成形体５を製造した。各金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。
【００４３】
【実施例３】
本実施例では、第１の金属として鉄を用いた以外は、実施例２と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。各金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。
【００４４】
【実施例４】
本実施例では、第１の金属としてチタンを用いた以外は、実施例２と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。各金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。
【００４５】
【実施例５】
本実施例では、第１の金属としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いた以外は、実施例２と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。各金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。
【００４６】
実施例２乃至実施例５から、粉末成形体３ａの加熱をアルミニウムの融点を超えるまで、１°／秒以上である２°／秒の昇温速度で行うことにより、アルミニウム線材２の直径が５０〜５００μｍの範囲で、連続した空隙４を形成することができることが明らかである。
【００４７】
【実施例６】
本実施例では、粉末成形体３ａの加熱を、０．２°／秒の昇温速度で１４７３Ｋまで加熱した後、０．４°／秒の冷却速度で室温まで冷却することにより行った以外は、実施例２と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。
【００４８】
直径５０μｍのアルミニウム線材２を用いた金属成形体５では、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状で一部に不連続部分のある空隙４が形成されたが、他の金属成形体５では、いずれも連続した空隙４が形成されていた。
【００４９】
【実施例７】
本実施例では、第１の金属として鉄を用いた以外は、実施例６と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。
【００５０】
直径５０μｍのアルミニウム線材２を用いた金属成形体５では、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状で一部に不連続部分のある空隙４が形成されたが、他の金属成形体５では、いずれも連続した空隙４が形成されていた。
【００５１】
実施例６，７から、第１の金属がニッケルまたは鉄である場合、粉末成形体３ａの加熱を、１°／秒未満である０．２°／秒の昇温速度で行っても、線材２ａが占めていた領域に空隙４を形成することができることが明らかである。また、アルミニウム線材２の直径が１００〜５００μｍの範囲では、粉末成形体３ａの加熱を、１°／秒未満である０．２°／秒の昇温速度で行っても、連続した空隙４を形成することができることが明らかである。
【００５２】
【実施例８】
本実施例では、第１の金属としてチタンを用いた以外は、実施例６と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。各金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。
【００５３】
【実施例９】
本実施例では、第１の金属としてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いた以外は、実施例６と全く同一にして、４種の金属成形体５を製造した。各金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。
【００５４】
実施例８，９から、第１の金属がチタンまたはステンレス鋼である場合、粉末成形体３ａの加熱を、１°／秒未満である０．２°／秒の昇温速度で行っても、アルミニウム線材２の直径が５０〜５００μｍの範囲で、連続した空隙４を形成することができることが明らかである。
【００５５】
【実施例１０】
本実施例では、第１の金属としてのアルミニウム粉末１中に、第２の金属として断面形状が直径５００μｍの円形である亜鉛（ｍ．ｐ．６９２Ｋ）線材２を埋設し、予備成形体３を形成した。次に、予備成形体３を、線材２の長さ方向に沿って予備的に約８００ＭＰａの圧力で一軸圧縮して、粉末成形体３ａを形成した。
【００５６】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、各粉末成形体３ａを加熱した。前記加熱は、０．２°／秒の昇温速度で７７３Ｋまで加熱した後、０．４°／秒の冷却速度で室温まで冷却して、金属成形体５を製造した。金属成形体５では、いずれも、線材２ａが占めていた領域に、線材２ａと同一形状の細管状の連続した空隙４が形成されていた。また、金属成形体５では、空隙４の表面にＡｌ−Ｚｎ合金からなる被覆層６が形成されていた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。
【図５】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図。
【符号の説明】
１…第１の金属を含む粉末、  ２ａ…第２の金属からなる成形体、  ３ａ…粉末成形体、  ４…空隙、  ５…金属成形体、  ６…金属間化合物または合金からなる被覆層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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