(57)【要約】      （修正有）【課題】通電性、耐圧性に優れ通電による発熱を抑えて長時間使用を可能にしたハイブリッド加圧通電電極を提供する。【解決手段】一対の通電電極間で焼結型内に装填された被焼結材を前記通電電極を介して加圧すると共に電流を流して被焼結材を焼結する通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極であり、ハイブリット加圧通電電極１は、所望の太さ及び所望の長さを有する、機械的強度の高い材料でつくられた電極本体１０と、前記電極本体と共に前記電極本体の長手方向に伸びかつ前記電極本体より導電性の高い材料でつくられた導電体２０と、を備え、前記電極本体及び導電体の少なくとも一方内に冷却流体１５を流すための冷却通路が形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の通電電極間で焼結型内に装填された被焼結材を前記通電電極を介して加圧すると共に電流を流して被焼結材を焼結する通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、
所望の太さ及び所望の長さを有する、機械的強度の高い材料でつくられた電極本体と、
前記電極本体と共に前記電極本体の長手方向に伸びかつ前記電極本体より導電性の高い材料でつくられた導電体と、を備え、
前記電極本体及び導電体の少なくとも一方内に冷却流体を流すための冷却通路が形成されているハイブリッド加圧通電電極。
【請求項２】
請求項１に記載の通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体が中空円筒状に形成され、前記導電体が前記電極本体の中央部に配置されているハイブリッド加圧通電電極。
【請求項３】
請求項１に記載の通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体が柱状であり、前記柱状の電極本体にはその軸心を中心とする所望の径の円周上に中心を有しかつ電極本体の軸方向に貫通する複数の貫通穴が前記円周の方向に等間隔に形成され、前記導電体が前記貫通穴内に配置されているハイブリッド加圧通電電極。
【請求項４】
請求項１に記載の通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体が柱状であり、前記柱状の電極本体の回りに中空筒状の前記導電体が配置されているハイブリッド加圧通電電極。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れかに記載の通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体がステンレス鋼でつくられかつ前記導電体が銅又は銅合金でつくられているハイブリッド加圧通電電極。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れかに記載の通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体の端部に前記冷却通路と連通する連絡通路が形成された冷却部材が接合されているハイブリッド加圧通電電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電加圧焼結機用ハイブリッド加圧通電電極に関し、更に詳細には、通電性及び耐圧性に優れ、通電による発熱を抑えて繰り返しの長時間使用を可能にしたホットプレス或いはパルス通電加圧焼結機に使用するのに適したハイブリッド加圧通電電極に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年通電焼結にも改良が加えられ、例えば、直流パルス電流を利用して焼結を行う、放電プラズマ焼結で代表されるパルス通電加圧焼結法（放電プラズマ焼結法、放電焼結法或いはプラズマ活性化焼結法を含む）が開発され、その焼結法により種々の材料を焼結することにより、従来の焼結法では得られない優れた焼結体が得られることが実験的に証明されつつある。
このようなパルス通電加圧焼結機では、一対の加圧通電電極により焼結型内に装填された被焼結粉体を対のパンチ部材を介して加圧しながら直接粉体内部及び／又は焼結型にパルス状の焼結電流を流して焼結するが、その焼結電流は直流パルス電流で、低電圧（通常１００Ｖ以下）ではあるが大電流（例えば、５０００Ａ〜３００００Ａ程度）の電力を短時間に供給する必要がある。しかも、被焼結粉体の材質にもよるが被焼結材料及び焼結型は、７００℃〜２５００℃の高温状態になる。したがって、加圧通電電極の材料としては、（１）粉体を加圧するための高温時の高い機械的強度（特に圧縮強度と低膨張率）と、（２）通電する際の通電路としての発熱しない電気的特性（低電気抵抗率／高熱伝導率）とを併せ持つ構造材料が要求される。
【０００３】
通常前記（１）及び（２）の特性を併せ持つ材料はないため、従来においては、（１）又は（２）のどちらかの特性を採用し他方を犠牲にするか、形状を大きくして特性をカバーするように方法が採られている。
すなわち、従来のパルス通電加圧焼結機の加圧通電電極では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製等の高温時における機械的強度の高い材料を使用し、加圧通電電極としてある程度の圧縮強度を持たせ、かつ、（ａ）電気抵抗を小さくするため電極の直径を太くする対策及び（又は）（ｂ）通電時の電気抵抗による発熱を吸収するために電極自体に冷却通路を設けてその冷却通路内に水等の冷却流体を流して冷却する対策を採る方法があった（先行特許出願１及び２並びに特許文献１を参照）。一方銅系の電気抵抗の小さくかつ熱伝導率の良い材料を用いる場合には、機械的強度については電極の直径を大きくするか、座屈変形しない低い加圧力でしか使用できない問題がある。
【０００４】
【特許出願１】
特願２００１−３７７６２７
【特許出願２】
特願２００１−３９９１１０
【特許文献１】
特開２００２−８８４０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パルス通電加圧焼結方法を実施する焼結機では、焼結すべき粉末材料の種類にもよるが、特にセラミックス、セラミックス分散複合材料のような硬質で高融点の粉末材料を焼結する場合には、焼結温度が１０００℃以上で、かつ例えば、５０ＭＰ〜２００ＭＰ（メガパスカル）もの加圧力を付加する必要があるため、加圧通電電極を銅系の材料で電極をつくることは実用に適さず、通常、ステンレス鋼の金属系むく材でつくっている。このため、通電時の電気抵抗による発熱により電極の温度が上昇し、電極内部に形成した冷却通路に冷却水などの冷却流体を通して冷却する冷却システムを設けたり、クーリングタワーを外設して循環冷却水の温度を下げたり、単位時間当たりの通水流量を１００リットル／分〜３００リットル／分に増加する等の対策をしていても急速昇温、冷却条件下での長時間の連続使用は期待できない。また、通電焼結機の付帯設備コストやランニングコストが大幅に嵩む問題などがある。
ところで、現存するパルス通電加圧焼結機の多くは、まだ実験装置としての域にあり、かかる焼結機を長時間連続して使用することはほとんどなく、内部に設けた冷却システムにより発熱による問題は殆ど解決できている。しかしながら、焼結体を連続的に生産するための生産用放電プラズマ焼結機を含む焼結システムを考えた場合には、急速加熱条件下で使用しても或いは２４時間連続稼働させても耐久性のある構造が不可欠であり、連続使用による蓄熱から塑性変形し、故障の原因となる。これらを防止するために通電による発熱を極力少なくすることは極めて重要である。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、通電による発熱を極力抑制ししかも機械的強度の強い、通電加圧焼結機（ホットプレス或いはパルス通電加圧焼結機等）用の加圧通電電極を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、機械的強度の高い材料でできた電極本体に、その電極本体より導電性の高い材料でできた導電体とにより構成して機械的強度が高くしかも通電による発熱を少なくしかつ熱伝導率の良く、冷却水の通水による吸、放熱効果を向上させた、通電加圧焼結機用の加圧通電電極を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の一つの発明は、一対の通電電極間で焼結型内に装填された被焼結材を前記通電電極を介して加圧すると共に電流を流して被焼結材を焼結する通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、
所望の太さ及び所望の長さを有する、機械的強度の高い材料でつくられた電極本体と、
前記電極本体と共に前記電極本体の長手方向に伸びかつ前記電極本体より導電性（熱伝導性）の高い材料でつくられた導電体と、を備え、
前記電極本体及び導電体の少なくとも一方内に冷却流体を流すための冷却通路が形成されて構成されている。
上記本発明によるハイブリッド加圧通電電極は、電極本体により大きな機械的強度を担持しかつ導電体により大電流を流すことができるので、通電による温度上昇を抑制することができ、かつ熱伝導率の向上により冷却用流体の吸熱効果が改善され、焼結機の連続運転を可能にできる。
【０００８】
上記通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体が中空円筒状に形成され、前記導電体が前記電極本体の中央部に配置されていてもよく、或いは、前記電極本体が柱状であり、前記柱状の電極本体にはその軸心を中心とする所望の径の円周上に中心を有しかつ電極本体の軸方向に貫通する複数の貫通穴が前記円周の方向に等間隔に形成され、前記導電体が前記貫通穴内に配置されていてもよい。また、前記通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体が柱状であり、前記柱状の電極本体の回りに中空筒状の前記導電体が配置されていてもよい。
更に、前記通電加圧焼結機用のハイブリッド加圧通電電極において、前記電極本体がステンレス鋼でつくられかつ前記導電体が銅又は銅合金でつくられていてもよい。前記電極本体及び導電体の少なくとも一方内に冷却流体を流すための冷却通路が形成されていてもよい。更にまた、前記電極本体の端部に前記冷却通路と連通する連絡通路が形成された冷却部材が接合されていてもよい。
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例についてパルス通電加圧焼結機用の加圧通電電極を例に説明する。
図１及び図２において第１の実施例によるハイブリッド加圧通電電極（以下単に加圧通電電極）が全体を１で示されている。この実施例による加圧通電電極１は、中に軸方向に貫通する穴１１を有する中空円筒状の電極本体１０と、その穴１１内に設けられた導電体２０と、導電体の後端部（図１において左端）に固定された通電ブロック３０とで構成されている。電極本体１０は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）等の、高い圧縮強度等の機械的強度を有する材料で一体的に形成されていて、後端（図１で左端）には外周に雄ねじ１２が形成されている。この雄ねじ１２は、後述するように、パルス通電加圧焼結機（以下単に焼結機）への取り付け時に上支持板に固定するフランジ部材の雌ねじに螺合されるようになっている。電極本体１０の前端（図１で右端）にも外周に雄ねじ１３が形成されている。この雄ねじには焼結型内に装入されたパンチと接触してそれに通電、加圧する際に発生する熱から電極を保護するための冷却部材が螺合されるようになっている。導電体２０は、銅或いは銅合金のような導電性の優れた材料で円柱状に形成されていて、前端（図１で右端）は電極本体１０の端面と面一にされ、後端（図１で左端）は電極本体１０から突出している。通電ブロック３０も導電体２０と同じ材料でつくられ、中央の貫通穴３１内には電極本体から突出した導電体２０の部分が嵌合され、それらは公知の方法で電気的に導通するように固定されている。この通電ブロック３０には、外周に切頭円錐形の面３２が形成され、加圧通電電極を電源装置に電気的に接続する導体との接触部となる。電極本体の材料としては上記ステンレス鋼の他に、インコネル、ハステロイ等の高温高強度材料でもよい。この電極本体１０内には軸方向に直線状に貫通する複数（この実施例では４個）の冷却流体用の通路１５が形成されている。導電体用の材料としては、銅系の材料として、黄銅、青銅、リン青銅、アルミ青銅、ベリリウム銅が使用可能であるが、この他に、銅系以外のアルミ合金も使用可能である。
【００１０】
図３において、上記実施例の加圧通電電極１を、焼結機１００の上加圧通電電極としてその焼結機に取り付ける例が示されている。同図において、１０１は焼結機１００の直立する複数の支柱（図では１本のみ示す）、１０２は支柱の上端部に固定された上支持板、１０３は真空雰囲気或いは不活性ガス雰囲気の焼結室Ｃを画成するハウジングである。加圧通電電極１は図示のように直立状態で後端側（図３では上端側）が上支持板１０２に固定されるようになっている。このため、雄ねじ１２には電極本体と同じ材質でつくられたフランジ部材４０の雌ねじ４２が螺合されている。そしてフランジ部材４０は、図示しないボルト等により公知の方法で、支持板１０２に固定されるようになっている。通電ブロック３０には切頭円錐形の外周面３２と接触する切頭円錐形の内周面５２により画成された穴を有する導通部材５０が嵌合され、その導通部材は止めねじ等の公知の方法によりフランジ部材４０に固定されている。この導通部材５０は通電ブロック３０と同じように導電性の良い材料で作られて入れこの導通部材を介して通電ブロック３０を焼結機のパルス電流の電源装置（図示せず）に電気的に接続するようになっている。また導通部材５０は導電体２０に加わる軸方向力を受けるようになっている。なお、１０５及び１０６加圧通電電極１と上支持板との電気的導通を阻止する絶縁体である。
加圧通電電極１の先端部（図３で下端）は、加圧通電電極１内に軸方向に貫通して形成された冷却流体用の複数の通路１５を加圧通電電極１の先端部で互いに接続して複数通路の半数（図１の実施例では２本）の通路を往路とし残りの半数を復路とするための接続通路を有する冷却部材６０が取りつけられている。その取り付け方法は、冷却部材６０に形成された雌ねじを加圧通電電極１の先端に形成された雄ねじ１３に螺合する事によって行われている。なお、７０は冷却部材の先端面側（図３で下端面側）に取りつけられたラムカバーである。
【００１１】
図４及び図５において、本発明の加圧通電電極の他の実施例が全体を１ａで示されている。この実施例において、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）等の機械的強度の高い材料でつくられた電極本体１０ａには、所望半径の円周上に配置されかつ電極本体の軸方向に貫通して伸びる複数（本実施例では４個）の貫通穴１１ａが形成され、各貫通穴内に銅又は銅合金等の導電性の優れた材料でつくられたロッド状の導電体２０ａが設けられている。この実施例の加圧通電電極においても、導電体２０ａの後端（図４で左端）は電極本体１０ａの端面から突出して形成され、その突出端は導電体と同じ材料でつくられた通電ブロック３０ａの穴３２ａ内に嵌合固定されている。この通電ブロック３０ａには、外周に切頭円錐形の面３２ａが形成され、加圧通電電極を電源装置に電気的に接続する導体との接触部となる。電極本体１０ａの後端には、外周に雄ねじ１２ａが形成されている。この雄ねじ１２ａは、焼結機への取り付け時に上支持板に固定するフランジ部材の雌ねじに螺合されるようになっている。電極本体１０ａの前端（図１で右端）にも外周に雄ねじ１３ａが形成されている。この雄ねじには前記実施例と同じように冷却部材が螺合されるようになっている。
【００１２】
電極本体１０ａには、導電体が挿入されている隣接する貫通穴１１ａの間に冷却流体用の通路１５ａが軸方向に貫通させて形成されている。したがって、通路の数はこの実施例では合計４個である。この通路の形成される位置は、貫通穴１１ａが形成されている円周と同じ円周上でもそれとは異なる円周上でもよいが、この実施例では同一円周上に形成されている。焼結機への加圧通電電極１ａの取り付け方法は、図３に示される前記実施例と同じ方法でよく、また、冷却部材の取り付け方法も図３に示される前記実施例と同じでよい。したがって、説明は省略する。
【００１３】
図６及び図７において、本発明の加圧通電電極の他の実施例が全体を１ｂで示されている。この実施例の加圧通電電極１ｂはステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）等の機械的強度の高い材料でつくられた、電極本体１０ｂが円柱状に形成され、その周りに銅又は銅合金でつくられた中空円筒状の導電体２０ｂが配置されて構成されている。そして加圧通電電極１ｂの先端部には導電体２０ｂと同じ材料でつくられた通電ブロック３０ｂが配置されている。通電ブロック３０ｂは止めねじ等の公知の手段により電極本体１０ｂ及び導電体３０ｂに固定され、電気的に接続されている。電極本体１０ｂの後端には、外周に雄ねじ１２ｂが形成されている。この雄ねじ１２ｂは、焼結機への取り付け時に上支持板に固定するフランジ部材の雌ねじに螺合されるようになっている。電極本体１０ｂの前端（図１で右端）にも外周に雄ねじ１３ｂが形成されている。この雄ねじには前記実施例と同じように冷却部材が螺合されるようになっている。
導電体２０ｂには、軸方向に伸びる複数（この実施例では４個）の通路２５ｂが円周方向に隔てて形成されている。焼結機への加圧通電電極１ａの取り付け方法は、図３に示される前記実施例と同じ方法でよく、また、冷却部材の取り付け方法も図３に示される前記実施例と同じでよい。したがって、説明は省略する。
【００１４】
上記実施形態では冷却部材を加圧通電電極の先端部に取りつける手段として、電極本体又は導電体の外周に形成された雄ねじと冷却部材に形成された雌ねじとの螺合を示したが、電極本体の端面に直接接合してもよい。この場合、冷却部材を電極本体と同じ材料でつくり、その冷却部材を、本出願人による特願２００１−３７７６２７号「通電電極用冷却装置及び通電電極と冷却装置の組立体」に詳細に説明されているように、次のようにすればよい。すなわち、図８及び図９に示されるように、この実施形態の加圧通電電極１ｃでは電極本体１０と同じ材料でつくられた円板状の冷却部材６０ｃを用意し、その冷却部材の電極本体側の表面に、通路と連通する接続通路を構成する環状の溝６１ｃを形成しておく。なお、接続通路を構成する溝は前記環状の形状の外に、放射状、千鳥状等でも良い。そして冷却部材６０ｃと電極本体１０とを接合して一体構造にする。この場合、互いに接合される電極本体１０の接合面１４と冷却部材６０の接合面６２とは、好ましくはＲａ０．３μｍ以下の鏡面に研磨し（両者の表面は表面粗さがＪＩＳ規格で▽印程度の粗さでもよい）、両者を互いにパルス通電加圧焼結法の原理を用いて接合（すなわち電極本体１０と冷却部材６０とを所望の圧力で圧着させた状態で所望の直流パルス電流（例えば電圧３〜１２Ｖで電流２０００〜５０００Ａ）を流して）し、その後、更に、固相拡散熱処理（例えば不活性雰囲気下で温度１０００〜１２００℃で６０〜１２０分の熱処理）を行って接合を完全なものにする。このようにすることによって、両者の接合強度を高く、かつ接合による変形を小さくでき、しかもＯリング等のシール部材を用いることなく接合面からの冷却流体の漏れも防止できる。
【００１５】
図１０は、本発明のハイブリッド式の加圧通電電極１及び同じ外側寸法を有するステンレス鋼のみでつくられた標準の加圧通電電極を使用して１２００℃昇温試験をした場合の、構成及び加圧通電電極の各部の温度測定点（ａないしｅの５点）を示す図であり、図１１ないし１６は各測定点で計測された経過時間と温度との関係を示す。この試験は、焼結機に通常グラファイト製の雄、雌焼結型（パンチ及びダイ）が使用されるので、グラファイト製の円筒状のブロック（直径８０ｍｍ、厚さ（軸方向長さ）３０ｍｍ）Ｂｇを疑似焼結型として、この上下両側にグラファイト製の円板状スペーサＰｇ１（直径１５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ）及びＰｇ２（直径１５０ｍｍ、厚さ９０ｍｍ）を上下の加圧通電電極間に挟み、電流を流して行われた。冷却流体として冷却水を使用した。測定点を、それぞれ、（ａ）焼結型外表面温度測定点、（ｂ）ラムカバー側面上の温度測定点、（ｃ）水冷盤（冷却部材）の測面上の温度測定点、（ｄ）ハイブリッド加圧通電電極上端部の本体中心部の温度測定点、及び（ｅ）ハイブリッド加圧通電電極上端部の本体外周付近の温度測定点とした。その結果、ハイブリッド加圧通電電極は電気伝導度（及び熱伝導度）の良さから標準電極に比べて通電初期段階にグラファイト製の疑似焼結型のブロック及びグラファイト製のスペーサ部分が早く発熱しその輻射熱により測定点（ｂ）の温度は標準電極より上回った。所定時間経過後、構成要素全体はほぼ熱的平衡状態に到達した。この時重要なことは、ハイブリッド加圧通電電極を使用した場合の測定点（ａ）の型表面温度が標準電極の温度より降下していないことと、また、ハイブリッド加圧通電電極を使用した場合の測定点（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）の温度が標準電極に比べて大きく下回っていることである。即ち、冷却流体とハイブリッド加圧通電電極の電気伝導度及び熱伝導度の良さから放熱が改善され、温度勾配が大きく効果的に発生し（ｃ）点では、明らかに、ある平衡状態から昇温しない。また、（ｄ）及び（ｅ）点ではより顕著な差異を確認できた。以上、これらの図からも明らかなように本発明によれば、加圧通電電極の発熱温度上昇を抑制できることが明らかである。よって、通電加圧焼結機の同一加圧力下でより高温の焼結が可能になった。
なお、上記実施形態ではパルス通電加圧焼結機用の加圧通電電極について説明したが、本発明の加圧通電電極が直熱型のホットプレス用の通電電極に適用可能であることは明らかである。
【００１６】
【効果】
本発明によれば、
（イ）通電加圧焼結機の同一軸通電加圧において、軸内部の圧縮力を支える電極本体と電気的導通を行う伝導体とを併設したので通電による発熱を抑制することができる、また、熱伝導率のよい通電電極となるため冷却による吸熱、放熱の効果が高まる、
（ロ）Ｃｕ系電極との比較では同一径の場合、加圧力の上限を大きくすることができる、
（ハ）装置の性能向上及び電力の有効活用を図れる、
（ニ）繰り返し通電加圧焼結を必要とする生産用システムの信頼性、焼結の安定性を向上でき、短サイクル化及び自動化が可能になった、
等の効果を奏することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による加圧通電電極の一実施形態の長手方向断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。
【図３】図１の加圧通電電極を焼結機に取りつける例を示す図である。
【図４】本発明による加圧通電電極の他の実施形態の長手方向断面図である。
【図５】図３の線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面図である。
【図６】本発明による加圧通電電極の別の実施形態の長手方向断面図である。
【図７】図６の線Ｃ−Ｃに沿って切断した断面図である。
【図８】電極本体の先端部に冷却部材を直接接合した構造を示す拡大断面図である。
【図９】図８の冷却部材の平面図である。
【図１０】本発明の加圧通電電極の昇温試験における温度測定点を示す図である
【図１１】中央のグラファイト製ブロック（疑似焼結型）Ｂｇの外表面温度測定点ａにおける温度と経過時間との関係を示す図である。
【図１２】ラムカバー側面上の測定点ｂにおける温度と経過時間との関係を示す図である。
【図１３】冷却部材上の測面上の温度定点ｃにおける温度と経過時間との関係を示す図である。
【図１４】加圧通電電極上端中心部の測定点ｄにおける温度と経過時間との関係を示す図である。
【図１５】加圧通電電極上端部の本体外周付近の温度測定点ｅにおける温度と経過時間との関係を示す図である。
【図１６】加圧通電電極上端の出口における冷却水温度と経過時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ  加圧通電電極          １０、１０ａ、１０ｂ  電極本体
１１、１１ａ、１１ｂ  穴              １５、１５ａ、１５ｂ  通路
２０、２０ａ、２０ｂ  導電体          ３０、３０ａ、３０ｂ  通電ブロック
６０、６０ｃ  水冷盤（冷却部材）
【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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【図８】
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【図９】
2004238725.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004238725.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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