(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被焼結粉体が封入された容器を加熱して前記容器内の空気を前記容器外へ排出する空気排出工程と、
前記空気排出工程において前記空気が排出された前記容器内の前記被焼結粉体を、材質劣化物が内部まで侵入しないかさ密度となるよう加圧する加圧工程と、
前記加圧工程にて圧縮された前記被焼結粉体を放電プラズマ焼結により焼結する焼結工程とを有し、
前記かさ密度は８０％〜９０％であることを特徴とする焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記加圧工程にて前記被焼結粉体を常温で加圧することを特徴とする請求項１記載の焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記被焼結粉体はアルミニウム合金粉体であることを特徴とする請求項１または２項記載の焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電プラズマ焼結法、プラズマ活性化焼結法及び放電焼結法などのパルス通電加圧焼結法により生成される焼結体の製造方法及び放電プラズマ焼結により焼結される被焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、焼結体の製造方法として、ホットプレス焼結、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ法）等により焼結体を生成するものが知られている。これらの製造方法により粉末の焼結を行う場合、まず、被焼結粉体の雰囲気圧力を略真空となるまで減じて、被焼結粉体から水、水酸化物等を除去する。そして、被焼結粉体をほぼ１００％のかさ密度（粉体の空間に占める割合）となるまで加圧して被焼結体とした後、この被焼結体を焼結して焼結体を生成する。被焼結体がほぼ１００％のかさ密度であることから、水、水酸化物等の材質劣化物が被焼結体の粒子間に侵入することはなく、粒子間の結合が良好な焼結体を得ることができる。しかし、粒子間の結合は温度・圧力により達成されるため、焼結には高温・長時間を要するといった短所もある。
【０００３】
一方、近年、放電プラズマ焼結法、プラズマ活性化焼結法及び放電焼結法などのパルス通電加圧焼結法により被焼結体を焼結する焼結体の製造方法も知られるようになった。放電プラズマ焼結は、ホットプレス焼結、熱間等方加圧焼結等に比べ、低い温度域での被焼結体の焼結が可能であるとともに、短時間で焼結を行うことができるという利点を有しており、産業界等において注目されている。
【０００４】
放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法：Spark Plasma Sintering）では、通常グラファイト製の焼結型に出発原料粉末を充填し、機械的圧力を加え、圧粉体を形成しつつ（あるいは圧粉体を形成後）数１０〜３００ＫＨｚ程度の周波数のＯＮ−ＯＦＦ直流パルス電流を印加する。このため、放電プラズマ焼結法では粒子の再配列を促進しながらパルス通電初期にミクロな火花放電現象を誘起させ、その時生じる放電プラズマ・放電衝撃圧力及び粒界でのジュール発熱などの熱拡散とＯＮ−ＯＦＦパルス通電効果による電界拡散を複合的に焼結駆動力として用いることを特徴としている。
【０００５】
アルミニウム合金材料やチタン系材料などの高活性金属については、粒子表面にアルミナ（Al2O3）、チタニア（TiO2）などの酸化被膜を形成しやすいため、一般的に常圧焼結法、ホットプレス法、ＨＩＰ法（熱間等方加圧焼結法）などの従来焼結法では容易にかつ短時間で良質な焼結体を得ることは難しく、難焼結材料と言われている。ＳＰＳ法では、これらの出発原料粉末の粒子表面の浄化・活性化作用により除去しつつ粒間結合を効果的に進行させ、容易に短時間で緻密な焼結体を得られることが知られている。また、ＣＩＰ法（冷間等方加圧法）等で５０〜８０％程度の仮成形体を予め準備し、あるいはＳＰＳ法、常圧法などで仮焼結体を作製した後２段処理とし、ＳＰＳ法で高密度焼結体を得る手法などが実施されている。
更に、かさ密度を１００％とした上でパルス通電を行い、結合度を向上させて焼結体を作製することも行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記放電プラズマ焼結を用いた焼結体の製造方法においては、加圧焼結過程の初期段階で出発原料粒子表面が加圧変形することにより、当接面における粒子表面の酸化被膜、不純物は、その当接変形粒界に残留することとなり、ＯＮ−ＯＦＦパルス通電による浄化、活性化効果は十分寄与することができない。その結果、適正焼結条件下のＳＰＳ焼結体の機械的性質は密度、硬さ等でほぼ相対密度１００％、圧縮強度、硬さは溶製材と同等以上の高品質なものが得られるが、引張り強度（伸び）、耐久性などに優れた焼結体を得ることが困難であるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強度、耐久性等に優れた焼結体を得ることのできる焼結体の製造方法を提供することにある。また、他の目的とするところは、放電プラズマ焼結により強度、耐久性等に優れた焼結体を得ることのできる放電プラズマ焼結用被焼結体を提供することにある。
即ち、アルミニウム合金のような高活性金属の粉末焼結において、出発原料粉末段階で予め封缶状態で大気と接触することなく当該粉末の表面処理を行い、その後封缶状態で大気と接触することなくかさ密度８０〜９０％にすることで当接変形粒子界面の残留酸化被膜・不純物はなくなりＯＮ−ＯＦＦパルス通電後の熱拡散、電界拡散効果が十分発揮されることとなる。また、かさ密度を９０％以下とすることにより、適度に気孔部を残し、酸化被膜が形成されてもパルス通電による火花放電誘起効果を十分活用することが可能となる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、例えば図１乃至図５に示すように、
請求項１記載の発明では、被焼結粉体Ａが封入された容器２を加熱して前記容器内の空気を前記容器外へ排出する空気排出工程３０２と、前記空気排出工程において前記空気が排出された前記容器内の前記被焼結粉体を、材質劣化物Ｃが内部まで侵入しないかさ密度Ｄとなるよう加圧する加圧工程３０３と、前記加圧工程にて圧縮された前記被焼結粉体を放電プラズマ焼結により焼結する焼結工程３０５とを有し、前記かさ密度は８０％〜９０％であることを特徴とする。尚、ここでいうかさ密度とは、被焼結粉体の空間に占める割合のことである。
【０００９】
請求項１の発明によれば、空気排出工程にて容器内の空気を排出し、被焼結粉体の雰囲気圧力を略真空状態にまで低下させることにより、被焼結粉体から水酸化物、水等の材質劣化物が除去される。そして、材質劣化物が除去された被焼結粉体は、加圧工程にて材質劣化物が内部まで侵入しないかさ密度となるまで加圧される。加圧された被焼結粉体は、焼結工程にて放電プラズマ焼結により焼結され、被焼結粉体から焼結体が生成される。このとき、被焼結粉体に水酸化物、水等の材質劣化物がほとんど混入していないので、焼結体内に気孔が残留することはないし、例えば、生成された焼結体が高温に曝された際に焼結体内で水素が発生することもない。従って、強度、耐久性等に優れ、内部組織が良好な焼結体を得ることができる。
【００１１】
また請求項１記載の発明によれば、上記作用に加え、加圧工程にて被焼結粉体のかさ密度を８０％以上とすることにより、被焼結粉体への材質劣化物の内部への侵入が確実に防止される。また、加圧は粉体表面の酸化被膜に亀裂を生じさせ、アルミニウム合金の素地を露出させるので、焼結時の結合をより強固にすることにも寄与する。また、被焼結粉体のかさ密度を９０％以下とすることにより、被焼結粉体の粒子間には適度な空隙が形成され、焼結工程にて効率よく放電プラズマ焼結が行われる。従って、強度、耐久性等に極めて優れた焼結体を確実得ることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、請求項１の焼結体の製造方法において、前記加圧工程にて前記被焼結粉体を常温で加圧することを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１の作用に加え、加圧工程にて、常温（冷間）で被焼結粉体が加圧され、被焼結粉体が熱的要因により変質することはない。従って、さらに強度・耐久性等に優れた焼結体を得ることができる。
【００１４】
請求項３記載の発明では、請求項１または２項記載の焼結体の製造方法において、前記被焼結粉体はアルミニウム合金粉体であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２の作用に加え、アルミニウム合金の焼結体が生成される。従って、航空機、自動車、宇宙機器等に極めて有用な焼結体を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１乃至図６は本発明の一実施形態を示すもので、図１は真空脱ガス装置の概略説明図、図２はプレス装置の概略説明図、図３は焼結体製造装置の概略説明図、図４は焼結体の製造方法の工程を示す工程説明図である。
【００１９】
この真空脱ガス装置１は、被焼結粉体としてのアルミニウム合金粉体Ａの入った容器２を脱ガスするものであり、図１に示すように、アルミニウム合金粉体Ａが封入される容器２、アルミニウム合金粉体Ａを加熱するためのヒータ３ａを有する加熱機構３、容器２内の空気を排出する空気排出機構４等から成っている。加熱機構３及び空気排出機構４は制御部５に接続され、この制御部５には、予め設定された真空雰囲気圧力Ｐ、脱ガス温度Ｔ、脱ガス時間ｔ等が記憶されている。ここで、真空雰囲気圧力Ｐ、脱ガス温度Ｔ、脱ガス時間ｔは、容器２の空気を排出する際の圧力、温度及び時間である。本実施形態においては、真空雰囲気圧力条件としての真空雰囲気圧力Ｐは約１０-3torr、脱ガス温度Ｔは約４００℃、脱ガス時間ｔは約２時間にそれぞれ設定されている。
【００２０】
また、このプレス装置１００は、脱ガスが完了した容器２をプレスするものであり、図２に示すように、容器２とともにアルミニウム合金粉体Ａを圧縮可能な加圧部材１０１と、加圧部材１０１を加圧駆動する加圧機構１０２と、これに接続した制御部１０３とを有している。このプレス装置１００によりプレスされた容器２内のアルミニウム合金粉体Ａは、所定のかさ密度の放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂとなる。ここで、制御部１０３には予め設定された設定かさ密度Ｄが記憶されている。設定かさ密度Ｄは８０％〜９０％に設定され、本実施形態においては８０％前半となっている。
【００２１】
また、この焼結体製造装置２００は、真空脱ガス装置１とプレス装置１００とにより生成された放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂから、放電プラズマ焼結によりアルミニウム合金焼結体を生成するものである。焼結体製造装置２００は、粉体、被焼結体等を収容するチャンバー２０１と、チャンバー２０１内に配置され、粉体、被焼結体等を圧縮可能な上下一対の加圧部材２０２と、各加圧部材２０２に接続され各加圧部材２０２を介してアルミニウム合金粉体Ａに通電可能な電極部２０３とを有している。また、焼結体製造装置２００は、チャンバー２０１内の空気を排出する空気排出機構２０４と、チャンバー２０１内に気体のＡｒ（アルゴン）を注入する気体注入機構２０５と、アルミニウム合金粉体Ａの近傍の温度を測定する温度センサ２０６と、各加圧部材２０２を加圧駆動する加圧機構２０７と、各電極部２０３に接続され通電制御可能な電源２０８とを有している。空気排出機構２０４と、気体注入機構２０５と、温度センサ２０６と、加圧機構２０７とは、それぞれ制御部２０８に接続され、制御部２０８には焼結条件Ｓが記憶されている。ここで、焼結条件Ｓは、放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂに通電して焼結体を生成する際の焼結電圧、焼結時間、焼結圧力等の各種条件である。
【００２２】
以下、真空脱ガス装置１、プレス装置１００、焼結体製造装置２００によりアルミニウム合金粉体Ａからアルミニウム合金焼結体を生成する製造方法について、図４に示す工程説明図を参照して説明する。図４に示すように、この焼結体の製造方法は、アルミニウム合金粉体Ａを容器２内に封入する封入工程３０１と、真空脱ガス装置１により容器２内の空気を排出する空気排出工程３０２と、プレス装置１００によりアルミニウム合金粉体Ａを加圧する加圧工程３０３と、容器２から放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂを取り出す取出工程３０４と、焼結体製造装置２００により被焼結体Ｂを焼結する焼結工程３０５とを有している。
【００２３】
封入工程３０１においては、アルミニウム合金粉体Ａをアルミニウム製の容器２内に封入する。本実施形態においては、容器２は上面を開口して形成され、アルミニウム合金粉体Ａを容器２内に入れた後、上面を閉塞する蓋を容器２に溶接することにより、アルミニウム合金粉体Ａが容器２内に封入される。ここで、容器２の蓋には空気排出用の排出管が設けられており、この排出管には真空脱ガス装置１の空気排出機構４が接続されている。
【００２４】
空気排出工程３０２において、図１に示す真空脱ガス装置１の制御部５は、加熱機構３を作動してアルミニウム合金粉体Ａが脱ガス温度Ｔとなるよう制御する。そして、空気排出機構４を脱ガス時間ｔだけ駆動させ、アルミニウム合金粉体Ａが封入された容器２内の空気を排出管を通じて排出し、容器２内の圧力を真空雰囲気圧力Ｐとなるまで減じる。これにより、アルミニウム合金粉体Ａから水、水酸化物等の材質劣化物Ｃが除去される。この後、排出管をかしめてアルミニウム合金粉体Ａの雰囲気圧力が真空雰囲気圧力Ｐに保たれるようにする。
【００２５】
加圧工程３０３においては、容器２内の圧力が真空雰囲気圧力Ｐに保たれた状態で、アルミニウム合金粉体Ａの温度が常温となると、図２に示すプレス装置１００の制御部１０３は、加圧機構１０２を駆動させ、加圧部材１０１によりアルミニウム合金粉体Ａを圧縮し、アルミニウム合金粉体Ａが設定かさ密度Ｄとなるようにする。これにより、図５に示すような、材質劣化物Ｃが粒子間に侵入することのない放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂが得られる。また、加圧圧縮は、粉体表面の酸化被膜に亀裂を生じさせ、アルミニウム合金の素地を露出させるので、焼結時の結合をより強固にする。
【００２６】
次に、取出工程３０４において容器２から被焼結体Ｂを取り出した後、図３に示す放電プラズマ焼結装置２００に被焼結体Ｂをセットする。そして、焼結工程３０５にて電極部２０３に通電し、被焼結体Ｂの放電プラズマ焼結を行う。これにより、アルミニウム合金粉体Ａの焼結体が生成される。ここで、放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂは、図５に示すように、粒子間に適度な空隙を有していることから、効率よく焼結が行われる。
【００２７】
図６に本実施形態の焼結体の製造方法で得られた焼結体の内部組織を示す。図６に示すように、本実施形態の製造方法で生成された焼結体は、粉末間の境界が少なく、充分に粒間結合され、内部組織が良好なものとなっている。これに対し、図７に示すように、放電プラズマ焼結を用いた従来の製造方法で得られた焼結体は、粉末間の境界には残留酸化被膜や不純物層が多く、充分な粒間結合がなされていない。従って、図８に示すように、本実施形態の製造方法で得られた焼結体は、従来の製造方法で得られる焼結体に比べ、強度、耐久性等に優れたものとなっている。
【００２８】
このように、本実施形態の焼結体の製造方法によれば、放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂに水酸化物、水等の材質劣化物が内部まで混入しないようにしたので、生成された焼結体に気孔が残留することはない。また、生成された焼結体を高温に曝しても、水素が発生したりすることもない。従って、強度、耐久性等に優れ、内部組織が良好な焼結体を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態の焼結体の製造方法によれば、放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂの設定かさ密度を８０％〜９０％としたので、被焼結体Ｂへの材質劣化物Ｃの内部への侵入が防止されるとともに、効率よく放電プラズマ焼結が行われるようにしたので、強度、耐久性等に極めて優れた焼結体を確実に得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態の焼結体の製造方法によれば、アルミニウム合金粉末Ａを常温にて加圧し、アルミニウム合金粉末Ａが熱的要因により変質することがないようにしたので、これによっても、強度・耐久性等に優れた焼結体を得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態の焼結体の製造方法によれば、アルミニウム合金粉末Ａを用いたので、アルミニウム合金の焼結体が生成される。従って、航空機、自動車、宇宙機器等に極めて有用な焼結体を得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態の放電プラズマ焼結用の被焼結体Ｂによれば、放電プラズマ焼結されて生成された焼結体に、気孔が残留することはない。また、生成された焼結体を高温に曝した際に、水素が発生することもない。従って、強度、耐久性等に優れ、内部組織が良好な焼結体を得ることができる。
また、空気排出工程に加え、被焼結粉体Ａが封入された容器２に対して還元ガスを送り込み、粉体表面の酸化被膜を還元処理して減少させれば、焼結体をより強固に結合させることができる。
【００３３】
尚、前記実施形態においては、空気排出工程３０２、加圧工程３０３、焼結工程３０５の各工程を、脱ガス装置１、プレス装置１００、焼結体製造装置２００で別々に行うものを示したが、焼結体製造装置を、容器内の空気を排出し、アルミニウム合金粉体を圧縮するよう構成し、全行程３０１〜３０５を焼結体製造装置のみで行うようにしてもよい。
【００３４】
また、前記実施形態においては、被焼結粉体としてアルミニウム合金粉体Ａを用いたものを示したが、例えば、鉄、チタン等のような、アルミニウム以外の金属を含有する被焼結粉体であってもよい。
【００３５】
さらに、脱ガス装置１の加熱機構３、プレス装置１００の加圧機構１０２、焼結体製造装置２００の加圧機構２０７等の構成も任意であり、その他、前記実施形態の具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、強度、耐久性等に優れた焼結体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す真空脱ガス装置の概略ブロック図である。
【図２】プレス装置の概略ブロック図である。
【図３】焼結体製造装置の概略ブロック図である。
【図４】焼結体の製造方法の工程説明図である。
【図５】被焼結粉体を加圧して得られた放電プラズマ焼結用被焼結体の概念図である。
【図６】本発明の焼結体の内部組織を示した図である。
【図７】従来の焼結体の内部組織を示した図である。
【図８】本発明の製造方法によって得られた焼結体と従来の製造方法によって得られた焼結体の引張強度を示した図である。
【符号の説明】
１        脱ガス装置
２        容器
３        加熱機構
４        空気排出機構
５        制御部
１００    プレス装置
１０１    加圧部材
１０２    加圧機構
１０３    制御部
２００    焼結体製造装置
２０３    電極部
２０９    制御部
３０２    空気排出工程
３０３    加圧工程
３０５    焼結工程
Ａ    アルミニウム合金粉体
Ｂ    放電プラズマ焼結用の被焼結体
Ｃ    材質劣化物
Ｄ    設定かさ密度
【図１】
0004617027.tif 000002
【図２】
0004617027.tif 000003
【図３】
0004617027.tif 000004
【図４】
0004617027.tif 000005
【図５】
0004617027.tif 000006
【図６】
0004617027.tif 000007
【図７】
0004617027.tif 000008
【図８】
0004617027.tif 000009