(57)【要約】      （修正有）【課題】金属粉末または金属被覆粉末の焼結法おいて、簡便に、しかも均質に圧力を負荷することができる方法を提供する。【解決手段】金属粉末または金属被覆粉末を押し固めた金属体１を両端の開いている容器内３に入れ、側面に耐熱性で硬質の不導体７からなる粉体または流体を充填し加圧しながら加熱して焼結する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
押し固められた金属粉末または金属被覆粉末を両端が開いている容器内に入れ、その側面に耐熱性の硬質不導体を充填し、荷重をかけながら加熱することを特徴とする金属焼結体の製造方法。
【請求項２】
容器の両端から電流を連続的に印加、あるいはパルス状に印加して加熱することを特徴とする請求項１の金属焼結体の製造方法。
【請求項３】
容器の断面形状と相似形の断面を有する電極を両端より挿入して加熱することを特徴とする請求項２の金属焼結体の製造方法。
【請求項４】
電極としての荷重付加手段と押し固められた金属粉末との間に導体粉末を介在させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの金属焼結体の製造方法。
【請求項５】
耐熱性の硬質不導体はセラミックス、金属間化合物、金属、ガラス、および石英のうちの１種または複数を組み合わせたものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの金属焼結体の製造方法。
【請求項６】
耐熱性の硬質不導体はアルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタンカーバイド、ボロンナイトライド、ニッケルアルミ、アルミリチウム、超合金、インコネル、およびハステロイが選択されたものであることを特徴とする請求項５の金属焼結体の製造方法。
【請求項７】
耐熱性の硬質不導体が粉末であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの金属焼結体の製造方法。
【請求項８】
耐熱性の硬質不導体が球状粒子であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかの金属焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は金属焼結体の製造方法に関するものであり、特に金属粉末または金属被覆粉末を簡便な方法で均質に焼結する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、金属粉末より焼結体を成形する一般的な方法としては、金属粉末を金属の型に入れて機械的に上下方向から力を加え押し固めた金属材料（以後、グリーン体と称する）を炉内に入れ、金属の融点より若干低い温度にて焼結する方法や、金属粉末をゴムやビニール等の柔らかい型に入れ、これを液体中に入れて液体の圧力を利用して等方静水圧加圧した金属材料（グリーン体）を金属の融点より若干低い温度で焼結する方法等の、一旦グリーン体を成形し、その後グリーン体を焼結する方法が知られている。また、金属粉末を直接金属の型に入れて機械的に上下方向から力を加え押し固めながら金属の融点より若干低い温度にて焼結する方法（ホットプレス法）、さらには金属粉末を柔らかく焼結の温度に耐え得る金属のカプセルに入れて高温のガスによる加圧を利用する方法（ＨＩＰ法）等が知られている。
【０００３】
しかしながら、これら従来の焼結方法はいずれも高圧を生じさせる装置や圧力負荷部全体の温度を金属の融点近くまで昇温する装置を必要とするだけでなく、昇温にするために長い時間を必要とするという問題があった。
【０００４】
また、このような方法とは違って短時間で焼結する方法として金属粉末に圧力をかけながら直接電流を流す通電焼結法や金属粉末にパルス状に電流を印加して高温に発熱させる放電プラズマ焼結法がある。
【０００５】
図６はこの放電プラズマ焼結法を示したものであるが、金属、セラミックス、または有機物の粉末（1）をグラファイトやセラミックスの円筒状の容器（3）内に充填させ、真空に引いた状態で電流（2）を流して加熱するようにしている。
【０００６】
ところが、従来から使用されている、これらの方法は電極が存在する方向からしか圧力をかけることができず焼結体が不均質になるという欠点がある。
【０００７】
そして、この欠点を補うべく金属粉末を充填したゴムの容器の両端に電極を設置し、油圧により電流の流れる方向に垂直な方向に圧力を加えて電流を印加する方法が開発されたが、この方法も油圧をカプセルの外側から作用させる装置を必要としている（文献１）。さらには、グリーン体を放電プラズマ焼結法により焼結する方法も開発されているが、この方法も加圧方向が一方向である（文献２）。
【０００８】
【文献】
１：日本機械学会第９回機械材料・材料加工技術講演会講演論文集ｐ117-120、2001年11月
２：特許公開2000−128648号
そこで、この出願の発明は金属の焼結法において、以上のとおりの従来の問題点を解消し、簡便にしかも均質に圧力を負荷することができる新しい焼結方法を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、第１には、押し固められた金属粉末または金属被覆粉末を両端が開いている容器内に入れ、その側面に耐熱性の硬質不導体を充填し、荷重をかけながら加熱する金属焼結体の製造方法を提供し、第２には、容器の両端から電流を連続的に印加、あるいはパルス状に印加して加熱する上記金属焼結体の製造方法を、また、第３には、容器の断面形状と相似形の断面を有する電極を両端より挿入する上記金属焼結体の製造方法を、第４には、電極としての荷重付加手段と押し固められた金属粉末との間に導体粉末を介在させる金属焼結体の製造方法を、第５には、耐熱性の硬質不導体はセラミックス、金属間化合物、金属、ガラス、および石英のうちの１種または１種以上を組み合わせたものであることを特徴とする上記金属焼結体の製造方法を、第６には、耐熱性の硬質不導体がアルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタンカーバイド、ボロンナイトライド、ニッケルアルミ、アルミリチウム、超合金、インコネル、およびハステロイが選択されたものである上記金属焼結体の製造方法を、第７には、耐熱性の硬質不導体が粉末である上記金属焼結体の製造方法を、第８には、耐熱性の硬質不導体が球状粒子であることを特徴とする金属焼結体の製造方法を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
まず、図１は、この出願の発明の焼結方法を模式的に示したものである。すなわち、この図１に示されているように、グリーン体（1）の周囲を高温でも変形しないセラミックス、金属間化合物、金属、ガラス、石英等の不導体からなる粉末（7）を充填して均質に加圧しながら上下の電極から電流（2）を印加し、抵抗発熱体または高周波等の発熱源から直接・間接に加熱して焼結するようにしている。グリーン体（1）の周囲に高温でも変形しない硬質の不導体の粉末（7）を設けた状態で焼結する。
【００１２】
この出願の発明で使用する高温でも変形しない不導体からなる粉末（7）の好適な材料としては、セラミックス、金属間化合物、金属、ガラス、石英等が例示されるが、具体的な材料としては、アルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタンカーバイド、チタンナイトライド、ボロンナイトライド等のセラミックス、またニッケルアルミ、アルミリチウム等の金属間化合物さらには超硬合金、インコネル、ハステロイ等の金属等が選択されたものが好適である。
【００１３】
この出願の発明で使用する上記粉末（7）の大きさは焼結する粉末材料（焼結原料）の平均粒径程度が好ましいが、この平均粒径の0.5〜5倍程度は考慮されてよい。
【００１４】
また、この出願の発明では、粒径やその種類が相違する粉末（7）を混合すること、たとえばより粒径の大きい粉と小さな粒径の粉末、あるいは硬度等の特性の異なる粉末を混合して使用することもできる。より大きな粒径の粉末に混合するより粒径の小さな粉末の大きさは10分の1以下程度がよく、特に20分の1以下が好ましい。また、加圧時の流動性等を考慮してより大きな粒径の粒子の直径は10ｍｍ以下にすることが望ましい。そして、硬質不導体としての粉末（7）は球状粒子であることも有効である。
【００１５】
この出願の発明では、図１の例のように、装填されたグリーン体（1）に上下方向から荷重（5）をかけると、グリーン体（1）の周囲に設けられている耐熱性の硬質不導体の粉末（7）は変形しないのでグリーン体（1）は上下方向からだけでなく横方向からも圧力も受けるためグリーン体（1）は上下左右方向から均等に圧力を受けることになる。
【００１６】
また、この出願の発明の別の形態として図２に示すように、電極としての荷重付加手段である導電性のパンチ（4）とグリーン体（1）との間に通電性の導体粉末（6）を充填させることによって、グリーン体（1）の表面と導電性のパンチ（4）の表面との間に平行度がなく、多少の隙間が開いていてもこの導電性の粉末（6）が隙間を埋めて良好な通電状態が得られる。
【００１７】
また、この出願の発明の態様はセラミックスやガラスの粉末では流動性がなく均質な圧力が作用しにくい、特に高圧で作用させる場合には図３に示すように硬度の高いセラミックスやガラスあるいは石英の球状粒子や微粒子（8）を用いることにより正確で効率的な等方静水圧を得ることができる。
【００１８】
さらに、この出願の発明の態様として、高温において、粒子同士の固着により流動性が減少する場合には、図４に示すようにセラミックスやガラスあるいは石英の粒子（8）にボロンナイトライド等の高温でも安定な粉末（7）を混ぜた混合物（9）にすることによって、さらに効率的に焼結ができるものである。
【００１９】
なお、この出願の発明は荷重をかけながら電流を連続的に印加、あるいはパルス状に印加する、いわゆる放電プラズマ焼結法に有効であり、放電プラズマ焼結法の図面に従って説明してきたが、グリーン体の周囲に耐熱性の硬質不導体の粉体または流体を充填し、均質に荷重をかけながら加熱する焼結法はホットプレス焼結法にも適用可能であることはいうまでもない。
【００２０】
【実施例】
＜実施例１＞
平均粒径６０μｍのフェノール樹脂の表面に無電解メッキによりニッケル−リン合金を約4μｍの厚さにコーティングし、シリコンゴム製のカプセルの中に充填し、等方静水圧負荷装置（アプライドパワージャパン製）を用いて2000気圧に加圧して直径約10ｍｍ、長さ約10ｍｍの押し固めた状態のグリーン体を作る。
【００２１】
この材料の使用がこの出願の使用範囲を限定するものではない）。これを内径20ｍｍのセラミックス製の円柱状の容器に入れ、図４に示すようにグリーン体の側面を直径0.2ｍｍのジルコニアの球状粒子で充填し、グリーン体の上部下部とグラファイトのダイとの間には約10μｍのグラファイトの粒子で約0.1ｍｍの厚さで充填させる。この状態で265kgの力でパンチを加圧し、400Ａの電流を３００Ｈｚのパルスで10秒間作用させ、30秒後または10秒間作用させることを60回繰り返した。完成した試料の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図５に示した。一方、比較のために同じ粒子を用い、265kgの力でパンチを加圧し、400Ａの電流を300Hzのパルスで10秒間作用させ、30秒後また10秒間作用させることを60回繰り返した試料の断面のSEM写真を図7に示した。図7では写真の上下方向からの圧力により押つぶされているのに対して、この出願の発明の手法を用いた図５においては、押しつぶされることなく焼結されているのが確認できる。
【００２２】
＜実施例２＞
平均粒径６０μｍのフェノール樹脂の表面に無電解メッキによりニッケル−リン合金を約4μｍの厚さにコーティングし、シリコンゴム製のカプセルの中に充填し、等方静水圧負荷装置（アプライドパワージャパン製）を用いて2000気圧に加圧して直径約10ｍｍ、長さ約10ｍｍの押し固めた状態のグリーン体を作る。
【００２３】
これを内径20ｍｍのグラファイト製の円柱状の容器に入れ、図４に示すようにグリーン体の側面を直径0.2ｍｍのジルコニアの球状粒子で充填し、グリーン体の上部下部とグラファイトのダイとの間には約10μｍのグラファイトの粒子で約1ｍｍの厚さで充填させる。この状態で265kgの力でパンチを加圧し、350Ａの電流を３００Ｈｚのパルスで120秒間作用させた。
【００２４】
完成した製品の断面は図５に示されているものよりも若干隙間があるが、押しつぶされることなく焼結されていることが確認された。
【００２５】
＜実施例３＞
平均粒径200μｍの純アルミニウムの粒子をシリコンゴム製のカプセルの中に充填し、等方静水圧負荷装置（アプライドパワージャパン製）を用いて2000気圧に加圧して直径約10ｍｍ、長さ約10ｍｍの押し固めた状態のグリーン体を作る。これを内径20ｍｍのセラミックス製の円柱状の容器に入れ、図４に示すようにグリーン体の側面を直径0.2ｍｍのジルコニアの球状粒子で充填し、グリーン体の上部下部とグラファイトのダイとの間には約10μｍのグラファイトの粒子で約1ｍｍの厚さで充填させる。この状態で265kgの力でパンチを加圧し、550Ａの電流を３００Ｈｚのパルスで210秒間作用させた。
【００２６】
直径約8ｍｍ、高さ約8ｍｍのアルミニウムからなる円柱体は粉末同士が焼結されていることが確認された。
【００２７】
＜実施例４＞
平均粒径200μｍの純アルミニウムの粒子をシリコンゴム製のカプセルの中に充填し、等方静水圧負荷装置（アプライドパワージャパン製）を用いて2000気圧に加圧して直径約10ｍｍ、長さ約10ｍｍの押し固めた状態のグリーン体を作る。これを内径20ｍｍのセラミックス製の円柱状の容器に入れ、グリーン体の側面を直径0.2ｍｍのジルコニアの球状粒子で充填し、グリーン体の上部下部とグラファイトのダイとの間には約10μｍのグラファイトの粒子で約1ｍｍの厚さで充填させる。この状態で630℃で263kgの力でパンチを加圧し、1時間作用させた。
【００２８】
直径約8ｍｍ、高さ約8ｍｍのアルミニウムからなる円柱体は粉末同士が焼結されていることが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、従来では高温、高圧のガスを用いた場合のみ可能であった均質加圧による焼結方法を短時間でより少ないエネルギーで焼結することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属粉末を容器に入れ等方静水圧加圧あるいは一方向加圧により押し固めた金属体の側面に耐熱性不導体粉末を充填させ、この金属体に等方静水圧を負荷させながら放電プラズマ焼結法あるいは通電焼結法により焼結する方法の模式図である。
【図２】金属粉末を容器に入れ等方静水圧加圧あるいは一方向加圧により押し固めた金属体の側面に耐熱性不導体粉末を充填させ、押し固めた金属体と電極との間を導電性粉末で充填し、等方静水圧を負荷させながら放電プラズマ焼結法あるいは通電焼結法により焼結する方法の模式図である。
【図３】金属粉末を容器に入れ等方静水圧加圧あるいは一方向加圧により押し固めた金属体の側面に耐熱性不導体粒子を充填させ、押し固めた金属体と電極との間を導電性粉末で充填し、等方静水圧を負荷させながら放電プラズマ焼結法あるいは通電焼結法により焼結する方法の模式図である。
【図４】金属粉末を容器に入れ等方静水圧加圧あるいは一方向加圧により押し固めた金属体の側面に耐熱性不導体粒子と耐熱性微粉末の混合物で充填し、押し固めた金属体と電極との間を導電性粉末で充填し、等方静水圧を負荷させながら放電プラズマ焼結法あるいは通電焼結法により焼結する方法の模式図である。
【図５】この出願の発明の手法により作製した焼結材試料の断面のＳＥＭ写真である。
【図６】放電プラズマ焼結法および通電焼結法の原理。
【図７】従来のプラズマ焼結法により作製した焼結材試料の断面ＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１  金属粉末および金属被覆粉末のグリーン体
２  電流
３  容器
４  導電性のパンチ
５  加圧の方向
６  導電性粉末
７  不導体の粉末
８  不導体の粒子
９  不導体の粒子と粉末の混合物
【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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【図７】
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