(57)【要約】【課題】反応性の高い金属材料により所望の形状の部材を製造する際に、材料歩留まりがよく高効率に製造でき、原料の取り扱いも容易で、製造される部材の比重や強度を自由に制御することが可能な金属接合成形体の製造方法を提供する。【解決手段】複数個の球形状の金属顆粒を型体の内部に充填する工程と、金属顆粒を加圧するとともに金属顆粒に通電してジュール熱を発生させることにより、金属顆粒を接合成形する工程とを有することを特徴とする。これにより、金属粒子を顆粒状とすることで、複雑な形状の型体内部にも容易に金属粒子を充填することができ、金属接合成形体の密度をほぼ均一にすることが可能となる。また、金属顆粒の径、加圧の大きさ、通電時間、接合成形時の雰囲気を適度に調整することで、気孔の大きさを調整することができるため、用途に応じて金属接合成形体の密度と強度の両方を制御することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の球形状の金属顆粒を型体の内部に充填する工程と、
前記金属顆粒を加圧するとともに前記金属顆粒に通電してジュール熱を発生させることにより、前記金属顆粒を接合成形する工程と、を有することを特徴とする金属接合成形体の製造方法。
【請求項２】
前記金属顆粒の各々は、略均一な粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の金属接合成形体の製造方法。
【請求項３】
前記金属顆粒の直径は、１乃至３ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属接合成形体の製造方法。
【請求項４】
前記各金属顆粒を前記型体の内部に充填する工程において、前記金属顆粒が金属顆粒の塑性限界圧力以下の圧力で加圧を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の金属接合成形体の製造方法。
【請求項５】
前記各金属顆粒を前記型体の内部に充填する工程において、前記型体を振動させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の金属接合成形体の製造方法。
【請求項６】
前記金属顆粒を接合成型する工程を、不活性雰囲気において行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の金属接合成形体の製造方法。
【請求項７】
前記金属顆粒を接合成型する工程における雰囲気気圧を０．９乃至１．１気圧とすることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一に記載の金属接合成形体の製造方法。
【請求項８】
所望の形状の金属接合成形体の製造を行う金属接合成形体の製造装置であって、２枚の金型の組み合わせからなる型体と、型体の内部に複数個の球形状の金属顆粒を充填する金属顆粒供給手段と、前記型体の２枚の金型を加圧する加圧手段と、前記型体の内部に充填された金属顆粒に通電させる通電手段と、
を備えたことを特徴とする金属接合成形体の製造装置。
【請求項９】
前記型体を囲繞して設けられた気密性のチャンバと、前記チャンバ内に気体を供給する気体供給手段と、前記チャンバ内の気圧を制御する気圧制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項８に記載の金属接合成形体の製造装置。
【請求項１０】
前記通電手段は、前記型体の内面の各所に配置された電極と、前記電極に電流を供給する電源と、を有し、前記電極と前記型体とは絶縁されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の金属接合成形体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属接合成形体の製造技術に関するものであり、特に、マグネシウム、アルミニウム、チタン等の反応性の高い軽金属やその合金を原料とする部材、特に薄肉品の成形体の製造に適した金属接合成形体の製造技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽金属とその合金として注目を集めている素材として、マグネシウム、アルミニウム、チタン、及びそれらの合金（以下、「マグネシウム合金等」という。）がある。マグネシウム合金等は、実用金属材料の中でも軽量であり、比強度（耐力／比重）が高いことから、自動車、航空機、宇宙機器、家電機器、レジャー・スポーツ用品、その他の日用品の素材として広く利用されている。
【０００３】
このようなマグネシウム合金等を所望の形状に成形する方法としては、従来から、機械加工法、金属塑性加工法のような物理的外力を加えることにより行う方法、粉末冶金法、鋳造法、溶接法のように溶解を伴う方法は使用されている。
【０００４】
特に、マグネシウム合金やアルミニウム合金のように空気との反応性の高く軽金属のなかでも比較的低融点の金属の薄肉製品を一体成形する製造方法としては、特開昭６２−２５４６４号公報、特開平８−３２５６５２号公報、米国特許第５７１１３６６，５８１９８３９，５９８３９７８，５９９６６７９，６０５９０１２，６２９９６６５号明細書等に記載された押出成形によるチクソモールディング法、及び、鋳造によるダイカスト法が代表的な製造方法として知られている。チクソモールディング法は、チップ状の金属顆粒を原料として固体状態で射出シリンダ内に投入し、熱及び剪断力をもって原料を半溶融することにより、原料に流動性を付与し、金型の内部に射出し成形することを特徴とするものである。一方、ダイカスト法は、原料の金属を溶解し、その溶湯を射出シリンダの圧力により金型内に押しだし充填することを特徴とするものである。
【０００５】
また、微粉末を焼成して所望の形状の成形体を得る方法として、特開平７−２１６４０９号公報、特開平１０−１７９０４号公報、特開平１０−２５１０７０号公報、特開２０００−１６８７３号公報、特開２０００−３１３６６１号公報、特開２００１−３４８２７７号公報、特開２００２−９７５０２号公報等に放電プラズマ焼結法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マグネシウム合金等の成形体を得ようとする場合、機械加工法では、製造工程において原料の金属の切り屑が発生し、材料歩留まりが悪いという欠点を有していた。
【０００７】
一方、金属塑性加工法では、成形可能な製品の形状に自由度がなく、成形部品にボスやリブ等の機能形状を付加することが困難であるという欠点を有していた。
【０００８】
また、ダイカスト法のような鋳造法やチクソモールディング法等の押出成型法では、部品の製造装置において、湯口、湯道、堰等の部品以外の部分が付加的に製造されるため、原料歩留まりが悪いという欠点を有していた。また、複雑な形状を有する薄肉部品においては、金型に溶湯や半融解原料を流し込む際に、細部構造部分に気泡が閉じこめられると原料がその部分に流れ込まなくなるという欠点を有していた。また、これらの製造方法では、精製される部品内部の欠陥や強度までも自由に制御することは困難である。
【０００９】
また、放電プラズマ焼結法等の粉末冶金法では、原料の焼結に時間がかかり、また、大きな製品を成型・焼結するのが困難であるという欠点を有していた。特に、原料が粉体であるために吸着等の粉体特有の性質が発現するため、原料の取り扱いが困難となるという欠点があり、更に、マグネシウム、アルミニウム、チタン等のような空気との反応性が高い金属を原料とする場合には、粉体にすることで比表面積が増加し、爆発性を発現するため、取り扱いが極めて困難となるという欠点を有していた。また、粉末冶金法では、焼成において原料を完全に溶融させるために、原料の結晶構造が変化し、物理的性質も変化してしまうという欠点もある。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の欠点を取り除くためになされたものであって、その目的とするところは、マグネシウム合金等の空気との反応性の高い金属材料により所望の形状の部材を製造するにあたり、材料歩留まりがよく高効率に製造することができ、原料の取り扱いも容易で、かつ、製造される部材の比重や強度を自由に制御することが可能な金属接合成形体の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、他の目的は、マグネシウム合金等の空気との反応性の高い金属材料により所望の形状の部材を製造するにあたり、材料歩留まりがよく高効率に製造することができ、原料の取り扱いも容易で、かつ、製造される部材の比重や強度を自由に制御することが可能な金属接合成形体の製造装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
要するに本発明の金属接合成形体の製造方法の第１の構成は、複数個の球形状の金属顆粒を型体の内部に充填する工程と、前記金属顆粒を加圧するとともに前記金属顆粒に通電してジュール熱を発生させることにより、前記金属顆粒を接合成形する工程と、を有することを特徴とするものである。この構成により、以下のような作用が得られる。
【００１３】
金属顆粒は球形状を有しているため、金属顆粒が型体の隅々まで転がり込んで、型体内部にほぼ均一に充填される。このとき、各金属顆粒間には隙間があるために、気体の通過が容易であり、空気閉塞が発生しない。従って、型体が複雑な形状を有するものであっても、型体内部に金属顆粒をスムーズに転がり込ませることができる。また、金属顆粒であるために、粉体のように付着力等の粒子間相互作用により粒子同士が集合体を形成することがない。従って、閉塞現象は生じないため、型体内部に金属顆粒をスムーズに転がり込ませることができる。また、金属顆粒は球形であるために、容易に稠密充填され、型体内部の金属顆粒の密度はほぼ一様となる。また、金属顆粒は球形であるために、金属顆粒を型体内の充填した時の各金属顆粒同士の接触点はほぼ一様に分布する。
【００１４】
このように充填された金属顆粒を加圧すると、金属顆粒は塑性変形し、型体内部で稠密な状態となる。またそれとともに金属顆粒に通電すると、金属顆粒同士の接触点における接触抵抗によりジュール熱が発生する。このジュール熱により金属顆粒の接触面が溶融又は半溶融状態となりネックが生成・成長し金属接合成形体が形成される。このとき、各金属顆粒同士の接触点（接触面）はほぼ一様に分布することから、接触抵抗は全体的にほぼ一様となるため、総ての金属顆粒はほぼ一様にジュール熱により加熱される。さらに、型体内部の金属顆粒の密度はほぼ一様であるため、金属接合成形体の内部の気孔は全体に渡りほぼ一様に形成される。そのため、生成される金属接合成形体は、強度のむらが殆ど生じなくなる。また、金属顆粒の径、加圧の大きさ、通電時間、接合成形時の雰囲気を適度に調整することで、気孔の大きさを調整することができるため、用途に応じて金属接合成形体の密度と強度の両方を制御することができる。
【００１５】
また、型体内部で通電により金属顆粒の溶融を行うため、型体内部のみを還元雰囲気又は不活性雰囲気としておけば、溶融金属の酸化が防止され、反応性の高い金属（マグネシウム合金等）の焼結成形も容易に行うことが可能となる。逆に、型体内部に特定の気体を入れて酸化雰囲気とすれば、金属顆粒表面で新たな物質を生成させ、数種の物質が混合した金属接合成形体を生成することも可能となる。また、原料となる金属粒子は、粉末焼結のように金属粉体ではなく、顆粒状の金属粒子であるため、反応性の高い金属であっても顆粒状態であれば比表面積が小さいために空気中で反応しにくく、金属粉体のような爆発性を発現させないようにすることができる。従って、反応性の高い金属であっても、原料である金属顆粒の取り扱いは極めて容易となる。
【００１６】
また、金属粒子が粉体の場合には、粒子同士の接触点が多くなり、金属粒子の滑りによる圧損が大きく（特に粒径１００μｍφ以下の金属粒子で顕著となる。）、塑性変形に作用する圧力が小さくなるという問題があったが、粉末焼結のように粒径の大きい金属粉体を使用することで、圧損を減少させることができる。そのため、外部加熱は不要となり、通電によるジュール熱による加熱のみで接合成形することが可能となる。
【００１７】
また、粉末焼結とは異なり、粒径の大きな金属顆粒を使用するため、粉末焼結の場合よりもはるかに大きいサイズの空孔を金属接合成形体の内部に生成することも可能である。従って。比重の小さい金属接合成形体や衝撃吸収性を有する金属接合成形体のような特有の機能を有する金属接合成形体の生成も可能となる。
【００１８】
ここで、「金属顆粒」とは、金属の粒状体のことをいい、粉体は除かれる。「粒状体」とは、付着力等の粒子間相互作用が一個の粒子の重力に比べて小さい粒体をいう。使用される金属顆粒の粒径は、使用する金属の種類、金属表面の酸化膜等の生成具合、金属顆粒の接合成形時の雰囲気及び気圧等の条件により変わるため、特定することは困難であるが、作業時・運搬時の操作性の良さの点から、粒径（直径）が０．５乃至５ｍｍφのものを使用するのが好ましい。尚、マグネシウム等の空気との反応性が高い金属については、粒径は、該金属粒子が爆発性を発現する最大粒径よりも大きい粒径とする必要がある。また、薄肉部品の形成には、型体内への充填性の良さの観点から、金属顆粒の粒径は１乃至３ｍｍとするのが好ましい。「金属顆粒」の粒径は特に特定するものではないが、型体内への充填率を大きくするという観点から、総ての金属顆粒の粒径を均一とすることが好ましい。「球形状」とは、一般的に球体と見なされる形状であればよく、必ずしも完全な真球でなくてもよいが、型体の内部における転がりのよさ及び型体の内部における充填性のよさの点から、金属顆粒の真球度（（粒子と等体積の球の表面積）／（実際の粒子の表面積））は、１乃至０．９５とすることが好ましい。「型体」とは、金属接合成形体の全体の輪郭を形作るための型をいい、金型、鋳型等が使用される。この型体は、２枚の型の組み合わせからなり、型内の金属顆粒を加圧することができるものとされる。「加圧」の大きさは特に限定するものではないが、生成する金属接合成形体の用途によって、適当な圧力が加えられる。「通電」する電流は、直流通電に限られるものではなく交流通電やパルス通電であってもよい。「接合成形」時の温度は、必ずしも金属顆粒の融点以上である必要はなく、金属顆粒が半溶融状態となる温度でもよい。一般には、半溶融状態とは、全体として固相と液相が共存した状態のことをいうが、ここでいう「半溶融状態」とは、一般的な意味での半溶融状態とは異なり、金属顆粒の接触部分のみが部分的に溶融した状態のことをいう。すなわち、微視的にいうと、瞬間的に融点を超えた部分と融点以下の温度域が共存している状態、つまり、内部的に大きく温度がばらついた状態であるといえる。但し、熱伝導の良い金属材料では極めて短時間で温度が均一化するため、この時の全体の温度は融点以下である必要がある。
【００１９】
また、本発明の金属接合成形体の製造方法の第２の構成は、前記第１の構成において、前記金属顆粒の各々は、略均一な粒径を有することを特徴とするものである。
【００２０】
これにより、金属顆粒はほぼ均一の粒径を有しているために、型体内に容易に稠密充填することが可能となる。また、粒径が均一であるため、充填したときの接触点の存在する密度がほぼ一様となり、型体内に充填された金属顆粒全体にわたって接触抵抗はほぼ一様となる。従って、これら金属顆粒に通電したときの発熱も、全体に渡ってほぼ一様となるため、金属顆粒は全体的に均一に溶融又は半溶融される。従って、接合成形の制御が容易であり、金属接合成形体の空孔密度の制御が容易となる。さらに、型内全体に渡って均一な密度で金属顆粒が充填されるため、接合成形後の金属接合成形体の空孔の密度も一様となる。これにより、接合成形後の金属接合成形体の強度も全体的に一様となる。
【００２１】
ここで、粒径が「略均一」とは、各金属顆粒の直径が等しいことをいい、正確に直径が等しくなくても、粒径分布の標準偏差が粒径平均の±２０％程度の誤差の範囲内であれば「略均一」といえる。しかし、金属顆粒を型体に充填したときの充填密度の均一性を確保する観点から、粒径分布の標準偏差が粒径平均の±１５％以内とすることが好ましい。特に、充填時に予備加圧や超音波振動を加える場合には、粒径の小さい粒子が上方に浮き上がり、金属顆粒の密度に勾配が生じやすくなるからである。
【００２２】
また、本発明の金属接合成形体の製造方法の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記金属顆粒の直径は、１乃至３ｍｍであることを特徴とするものである。
【００２３】
これにより、金属顆粒の型内への流し込みが容易であると同時に、吸着や爆発性等の粉体特有の性質を発現しないために金属顆粒の取り扱いも容易となる。また、薄肉状の金属接合成形体の金属接合成形体を生成する場合にも、金属顆粒が充分な流動性を有し、型体の内部への金属顆粒の流し込みが容易となる。
【００２４】
また、本発明の金属接合成形体の製造方法の第４の構成は、前記第１乃至３の何れか一の構成において、前記各金属顆粒を前記型体の内部に充填する工程において、前記金属顆粒が金属顆粒の塑性限界圧力以下の圧力で加圧を行うことを特徴とするものである。
【００２５】
このように、金属顆粒を型体に充填する際に、金属顆粒が金属顆粒の塑性限界圧力以下の圧力で予備加圧を行うことで、金属顆粒の密度が疎な部分に金属顆粒が移動して、型体内に金属顆粒が稠密充填される。そのため、金属顆粒を型体の内部に流し込んだ直後に金属顆粒に粗密が生じていたとしても、金属顆粒の密度が均一化され、稠密充填がされる。
【００２６】
ここで、「金属顆粒が金属顆粒の塑性限界圧力以下の圧力で加圧」（以下、「予備加圧」という。）とは、金属顆粒に塑性限界以上の力が加わらない程度の圧力をいう。塑性限界以上の力が加わると、金属顆粒が変形し球形状でなくなるために、金属顆粒の流動性が低下するとともに稠密充填が困難となるからである。また、加圧の仕方としては、型体内に金属顆粒を充填し終わった後に予備加圧を行う方法の他に、金属顆粒を型体の内部に一定量流し込んだ時点で予備加圧を行い、再びある一定量流し込んだ時点で予備加圧を行うというように、段階的に予備加圧を行う方法、振動的に圧力を変えて予備加圧を行う方法等を用いてもよい。
【００２７】
また、本発明の金属接合成形体の製造方法の第５の構成は、前記第１乃至４の何れか一の構成において、前記各金属顆粒を前記型体の内部に充填する工程において、前記型体を振動させることを特徴とするものである。
【００２８】
このように、型体に振動を加えることにより、金属顆粒の密度が疎な部分に密な部分の金属顆粒が移動し、密度が均一となるとともに金属顆粒が稠密充填される。
【００２９】
また、本発明の金属接合成形体の製造方法の第６の構成は、前記第１乃至５の何れか一の構成において、前記金属顆粒を接合成型する工程を、不活性雰囲気において行うことを特徴とするものである。
【００３０】
これにより、空気との反応性の高いマグネシウム、アルミニウム、チタン等の金属又はこれらの合金の成形を行うことが可能となる。
【００３１】
ここで、「不活性雰囲気」とは、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスの充填された雰囲気をいう。
【００３２】
また、本発明の金属接合成形体の製造方法の第７の構成は、前記第１乃至６の何れか一の構成において、前記金属顆粒を接合成型する工程における雰囲気気圧を０．９乃至１．１気圧とすることを特徴とするものである。
【００３３】
すなわち、実験を行った結果、金属顆粒の周囲の雰囲気を高真空とした場合において、金属顆粒に通電してジュール熱を発生させ金属顆粒の一部を溶解させた場合、選択的に気化する元素（例えば、マグネシウム合金では亜鉛元素）が金属顆粒の界面に集中してしまい、金属接合成形体の強度が低下する現象が見られた。そこで、かかる金属接合成形体の強度低下を生じない条件を見いだすべく実験を行った結果、金属顆粒の周囲の雰囲気の気圧を０．９乃至１．１気圧とすることによって、このような金属接合成形体の強度低下が生じないことが確かめられた。従って、雰囲気気圧を上記圧力の範囲内として金属顆粒の接合成形を行うことによって、接合強度の高い金属接合成形体を得ることが可能となる。
【００３４】
本発明の金属接合成形体の製造装置の第１の構成は、所望の形状の金属接合成形体の製造を行う金属接合成形体の製造装置であって、２枚の金型の組み合わせからなる型体と、型体の内部に複数個の球形状の金属顆粒を充填する金属顆粒供給手段と、前記型体の２枚の金型を加圧する加圧手段と、前記型体の内部に充填された金属顆粒に通電させる通電手段と、を備えたことを特徴とするものである。この構成により、以下のような作用が得られる。
【００３５】
まず、金属顆粒供給手段は、型体の内部に金属顆粒を充填する。この際、金属顆粒は球形状であるため、金属顆粒は型体の隅々まで容易に転がり込んで、稠密充填される。次に、通電手段は、型体の内部に充填された金属顆粒に通電させるとともに、加圧手段は、型体の２枚の金型を加圧して型体内部の金属顆粒に圧力を加える。この圧力により金属顆粒は塑性変形し、型体内部で稠密な状態となる。また同時に、型体の各金属顆粒は、通電により金属顆粒同士の接触部でジュール熱を生じ、接触部が溶融又は半溶融する。これにより、金属顆粒同士の接触面にネックが生成・生長し、金属接合成形体が生成される。
【００３６】
ここで、「金属顆粒供給手段」としては、一般に粉体の定量輸送に用いる定量供給機を使用することができる。例えば、ベルトフィーダ、チェーンフィーダ、スクリュフィーダ、テーブルフィーダ等が使用できる。「加圧手段」としては、型体の一方の金型を固定し、他方の金型をプレス機等により加圧するような構成をとることができる。「通電手段」としては、各金型を貫通して複数の電極を設置し、それぞれの電極に電圧を加えることで通電させる構成をとることができる。
【００３７】
また、本発明の金属接合成形体の製造装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記型体を囲繞して設けられた気密性のチャンバと、前記チャンバ内に気体を供給する気体供給手段と、前記チャンバ内の気圧を制御する気圧制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００３８】
すなわち、このように構成することで、気体供給手段により、金属の接合成形時に必要な雰囲気を自由に作ることが可能となる。また、気圧制御手段により、金属接合成形体の接合成形時の雰囲気の気圧を自由に調節することが可能となる。従って、マグネシウム、アルミニウム、チタン等の空気との反応性の高い金属で作られた金属顆粒を用いて、金属接合成形体を生成することができる。
【００３９】
また、本発明の金属接合成形体の製造装置の第３の構成は、前記第１又は２の構成において、前記通電手段は、前記型体の内面の各所に配置された電極と、前記電極に電流を供給する電源と、を有し、前記電極と前記型体とは絶縁されていることを特徴とするものである。
【００４０】
この構成により、型体の内部に充填された金属顆粒には、型体の内面の各所に配置された電極を通して電流が供給され、この電流により金属顆粒は接合成形される。型体が金属で形成されている場合、この電極を型体と絶縁しておくことによって、型体に電流が流れて余分な電力が消費されることを最小限に抑えることができ、また、型体に通電することで型体がジュール熱により発熱することも避けることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る金属接合成形体の製造装置の模式図である。
図１において、金属接合成形体の製造装置１は、気密性のチャンバ２を有しており、その内部の底板２ａ上には、固定台３が設けられている。固定台３の上部には加圧装置４が配設されている。
【００４３】
加圧装置４は、固定台３の上部に固定された直方体状の固定部４ａの４隅付近に、４本の支軸４ｂが垂直に立てて設けられている。また、固定部４ａの上部には直方体状の可動部４ｃが設けられており、この可動部４ｃの４隅には、支軸４ｂが摺動自在に挿通して設けられている。可動部４ｃの上部には、油圧シリンダ４ｄが設けられており、油圧シリンダ４ｄのシリンダボトムはチャンバ２の上板２ｂに固定されている。また、油圧シリンダ４ｄのピストンロッドの先端は、可動部４ｃに固定されている。すなわち、油圧シリンダのピストンロッドの伸縮によって、可動部４ｃは支軸４ｂに沿って垂直方向に上下移動される。この加圧装置４の油圧シリンダ４ｄは、油圧制御装置４ｅにより制御される。
【００４４】
加圧装置４の固定部４ａの上面には、メス形の金型５ａが固定して設けられており、それに対向して可動部４ｃの底部にオス形の金型５ｂが固定して設けられている。この金型５ａ及び金型５ｂは、プレス面が金属接合成形体を所望の形状に形成できるように、所定の形に成形されている。金型５ａ，５ｂの一側方には、定量供給機６が設けられており、この定量供給機６は、金型５ａ，５ｂの間に球形状の金属顆粒７を供給する。更に、金型５ａ，５ｂを貫通して電極が設けられており（図３参照）、この電極に対し、電源８から電流が供給される。
【００４５】
図２は定量供給機の模式断面図である。
図２において、定量供給機６は、金属顆粒７を貯留する貯留室６ａと、貯留室６ａに貯留された金属顆粒７を金型５ａ，５ｂ内に送り出すノズル部６ｂとを備えた構造を有している。ノズル部６ｂは筒状に形成されており、該筒の内部には、スクリュフィーダ６ｃが備えられている。このスクリュフィーダ６ｃの回転により、貯留室６ａ内に貯留された金属顆粒７がノズル部６ｂの内部を通って、金型５ａ，５ｂの間に一定量ずつ送り込まれる。スクリュフィーダ６ｃの上流側には、シャッター６ｄが設けられており、このシャッター６ｄを開閉することによって、金属顆粒７の送り込みを開始又は停止することができる。
【００４６】
図３は金型付近の要部模式断面図である。
図３において、固定部４ａ、可動部４ｃ、金型５ａ，５ｂ、金属顆粒７、電源８は、図１と同様のものである。金型５ａにはいくつかの貫通口が設けられており、その貫通口を通して複数の電極９ａが差し込まれている。同様に、金型５ｂにもいくつかの貫通口が設けられており、その貫通口を通して複数の電極９ｂが差し込まれている。尚、金型５ａと電極９ａとは絶縁されており、金型５ｂと電極９ｂとは絶縁されている。この電極９ａ，９ｂを通して、金属顆粒７に電源８から電流が送り込まれ通電される。また、金型５ａ，５ｂには冷却管（図示せず）が通されており、接合成形時に金型５ａ，５ｂを温度が上昇しないように、冷却水が通水される。更に、生成された金属接合成形体を取り出す取り出しピン（図示せず）も設けられている。
【００４７】
図４はチャンバの構成を表した模式断面図である。
図４において、チャンバ２の上板２ｂには、排気管１０、吸気管１１、及び圧力コントロール装置１２が設けられている。排気管１２からチャンバ２内の気体を排気することができ、チャンバ２の内部を減圧状態若しくは真空状態とすることができる。また、吸気管１１から、所望の気体をチャンバ２の内部に供給することができ、金属顆粒７の接合成形を所望の雰囲気中で所望の気圧下において行うことが可能とされている。また、チャンバ２内の気圧は、圧力コントロール装置１２によって調整される。
【００４８】
以上のように構成された本発明の実施の形態１に係る金属接合成形体の製造装置において、以下、金属接合成形体の製造方法について説明する。
【００４９】
まず、準備段階として、排気管１０からチャンバ２の内部の空気を排気して、一旦真空状態とし、吸気管１１から、アルゴンガスを所定の気圧となるまで供給する。これにより、チャンバ２の内部は不活性雰囲気となる。具体的には、チャンバ２内は０．０９乃至０．１１ＭＰａの気圧に保たれる。
【００５０】
このような準備が終了すると、定量供給機６の貯留室６ａに格納された金属顆粒７は、スクリュフィーダ６ｃによりノズル部６ｂの先端から金型５ａ，５ｂの間に連続的に又は間欠的に供給される。この供給の途中又は供給が終了した後において、加圧装置４により、金型５ａ，５ｂ内に供給された金属顆粒７に対し、金属顆粒７が金属顆粒の塑性限界圧力以下の圧力で加圧を行うようにしてもよい。このように加圧することで、金型５ａ，５ｂ内の金属顆粒７が粒子同士の滑りによって一様な密度となり、稠密充填されるからである。また、固定台３に振動装置を取り付けて、金型５ａ，５ｂに超音波振動を加えて金属粒子７を稠密充填させるように構成してもよい。
【００５１】
金型５ａ，５ｂの内部への金属顆粒の充填が終わると、電極９ａ，９ｂを通して、電源８により金属顆粒７に通電する。金属顆粒７同士の接触点には接触抵抗があるため、この接触抵抗によって、接触点にジュール熱が発生し、接触点付近の金属が溶解してネックが形成される。更に、加圧装置４により金型５ａ，５ｂに圧力を加え、金属顆粒７を押しつぶす。これにより、点接触していた球形の金属顆粒７は押しつぶされて変形し、各金属顆粒７は面的に接触する。この接触面でジュール熱が発生するため、接触面付近の金属が溶解して、ネックの形成・成長が更に促進される。
【００５２】
ネックがある程度成長し、金属接合成形体中の空孔密度が所望の密度となった時点で、通電及び加圧を停止して、できあがった金属接合成形体を冷却する。このとき、金型５ａ，５ｂ内に通水されている冷却水によって、金属接合成形体は速やかに冷却される。そして、冷却された金属接合成形体を、取り出しピンによって金型５ａ，５ｂから取り出すことで、金属接合成形体が完成する。
【００５３】
なお、ここで、金属接合成形体の接合成形時にチャンバ内を減圧した不活性雰囲気としたのは、通電による抵抗加熱による顆粒界面の融解時に、大気中の酸素、窒素、水分と溶融金属との反応を防ぐためである。また、生成する金属接合成形体の用途や、使用する金属の種類によっては、チャンバ２内を還元雰囲気や酸化雰囲気として接合成形を行ってもよい。
【００５４】
【実施例】
以下、本発明の金属接合成形体の製造方法について、さらに具体的な実施例を示す。
【００５５】
本実施例においては、金属顆粒の材料として、マグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）を使用した。金属顆粒の顆粒直径は３±０．２ｍｍφとした。金属接合成形体の製造装置としては、図１に示したものを使用した。
【００５６】
まず、金属顆粒を定量供給器６の貯留室に入れた後、チャンバ２を密閉し、排気管１１に備えられた回転翼形の真空ポンプによりチャンバ２の内部を排気し、チャンバ２の内部気圧を２０〜５０Ｐａ程度まで減圧した。次に、吸気管１１から、純度９９．９９９％のアルゴンガスをチャンバ２の内部に送入し、チャンバ２の内部気圧を１気圧に保持した。
【００５７】
この状態で、定量供給器６により、金属顆粒を金型５ａ，５ｂの間に充填し、予備加圧を行って金属顆粒を稠密充填させた後、金属顆粒に通電をしながら加圧を行った。このとき、金属接合成形体の形状は直径２０ｍｍφ、厚さ１０ｍｍの円柱状とし、成形圧力として２３４Ｐａを加え、電流はピーク電流３０００Ａ、通電時間１０ｍｓとした。
【００５８】
上記条件で金属顆粒を接合成形した結果、相対密度（孔隙のない金属塊に対する金属接合成形体の密度）８５〜９２重量％の金属接合成形体が得られた。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明の金属接合成形体の製造方法の第１の構成によれば、型体内部に充填する金属粒子を顆粒状とすることで、複雑な形状の型体内部にも容易に金属粒子を充填することができ、金属接合成形体の密度をほぼ均一にすることが可能となる。また、金属顆粒の径、加圧の大きさ、通電時間、接合成形時の雰囲気を適度に調整することで、気孔の大きさを調整することができるため、用途に応じて金属接合成形体の密度と強度の両方を制御することが可能となる。更に、金属顆粒の接触面のみを溶融することで、原料の金属顆粒の結晶構造はそのまま残すことができ、金属接合成形体においても原料の金属顆粒の物性を残すことができる。更に、金属顆粒は粒径が大きいため、マグネシウム、アルミニウム、チタンのように反応性の高い金属であっても爆発性を発現することがなく、これらの金属の金属接合成形体を容易に生成することが可能となる。また、空孔の大きな金属接合成形体を生成することも可能であるため、比重の小さい金属接合成形体や衝撃吸収性を有する金属接合成形体のような特有の機能を有する金属接合成形体の生成も可能となる。
【００６０】
本発明の金属接合成形体の製造方法の第２の構成によれば、金属顆粒の粒径をほぼ均一とすることで、接合成形の制御が容易であり、金属接合成形体の空孔密度の制御が容易となる。また、接合成形後の金属接合成形体の強度も全体的に一様となる。
【００６１】
本発明の金属接合成形体の製造方法の第３の構成によれば、金属顆粒の直径を１乃至３ｍｍとすることにより、携帯電話のフレーム等の薄肉状の金属接合成形体を生成する場合にも、型体の内部への金属顆粒の流し込みが容易であり、また、金属顆粒が粉体の性質を発現しないために金属顆粒の取り扱いも容易となる。
【００６２】
本発明の金属接合成形体の製造方法の第４の構成によれば、金属顆粒を型体の内部に流し込んだ直後に金属顆粒に粗密が生じていたとしても、予備加圧により金属顆粒の密度が均一化され、稠密充填がされるため、金属接合成形体の均質性が向上する。これにより、金属接合成形体の比重と強度が全体的に均質になるとともに、比重と強度を正確に制御することも可能となる。
【００６３】
本発明の金属接合成形体の製造方法の第５の構成によれば、金属顆粒を型体の内部に流し込んだ直後に金属顆粒に粗密が生じていたとしても、振動により金属顆粒の密度が均一化され、稠密充填がされるため、金属接合成形体の均質性が向上する。これにより、金属接合成形体の比重と強度が全体的に均質になるとともに、比重と強度を正確に制御することも可能となる。
【００６４】
本発明の金属接合成形体の製造方法の第６の構成によれば、空気との反応性の高いマグネシウム、アルミニウム、チタン等の金属又はこれらの合金の成形を行うことが可能な金属接合成形体の製造方法を提供することができる。
【００６５】
本発明の金属接合成形体の製造方法の第７の構成によれば、金属顆粒内部の選択的に気化しやすい元素の金属顆粒界面への集中による金属接合成形体の強度低下が生じないため、強度の高い金属接合成形体を製造することができる。
【００６６】
本発明の金属接合成形体の製造装置の第１の構成によれば、用途に応じて金属接合成形体の密度、気孔の大きさ、強度を制御することが可能な金属接合成形体の製造装置を提供することができる。
【００６７】
本発明の金属接合成形体の製造装置の第２の構成によれば、マグネシウム、アルミニウム、チタン等の空気との反応性の高い金属で作られた金属顆粒を用いて、金属接合成形体を生成することが可能な金属接合成形体の製造装置を提供することができる。
【００６８】
本発明の金属接合成形体の製造装置の第３の構成によれば、金属接合成形体の接合成型時において、型体に不要な電流が流れることを最小限に抑えることができるため、接合成形時の消費電力が小さく、型体の発熱、変形、寿命の短縮を防止することが可能な金属接合成形体の製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る金属接合成形体の製造装置の模式図である。
【図２】定量供給機の模式断面図である。
【図３】金型付近の要部模式断面図である。
【図４】チャンバの構成を表した模式断面図である。
【符号の説明】
１　金属接合成形体の製造装置
２　チャンバ
２ａ　底板
２ｂ　上板
３　固定台
４　加圧装置
４ａ　固定部
４ｂ　支軸
４ｃ　可動部
４ｄ　油圧シリンダ
４ｅ　油圧制御装置
５ａ，５ｂ　金型
６　定量供給機
６ａ　貯留室
６ｂ　ノズル部
６ｃ　スクリュフィーダ
６ｄ　シャッター
７　金属顆粒
８　電源
９ａ，９ｂ　電極
１０　排気管
１１　吸気管
１２　圧力コントロール装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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