(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料粉末を予備焼結して焼結合金粒子の粉末を作り、次いで、該焼結合金粒子の粉末を成形型に充填して焼結する本焼結を行い、多孔性焼結成形体を製造する方法において、
上記予備焼結が、
上記原料粉末を造粒して顆粒となし、該顆粒の粉末を固相焼結して固相焼結粒とし、
次いで、該固相焼結粒の粉末に、液相焼結の際に該固相焼結粒同士を離間させ該固相焼結粒同士の粘結および焼結を防止する粒間結合防止剤を配合し、
その後に上記粒間結合防止剤を配合した上記固相粒子の粉末を液相焼結した後、上記粒間結合防止材を除去し、焼結合金粒子の粉末を形成すること、
を含むことを特徴とする多孔性焼結成形体の製造方法。
【請求項２】
上記多孔性成形体が、硬質炭化物と、高融点金属とから成るサーメットであることを特徴とする請求項１に記載の多孔性焼結体の製造方法。
【請求項３】
上記硬質炭化物がタングステンまたはモリブデンの炭化物であり、上記高融点金属がコバルトまたはニッケルである請求項２に記載の多孔性焼結体の製造方法。
【請求項４】
上記焼結合金粒子の粒度が５０〜４００μｍの範囲にある請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
上記粒間結合防止剤が、液相焼結中の固相焼結粒子に対して実質的に溶解せず且つ濡れ性が小さい無機質粒子の微粉末である請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
上記粒間結合防止剤が、窒化アルミニウム、窒化ホウ素およびアルミナよりなる群から選択される１つである請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱耐摩耗性で多孔性である焼結成形体を製造する方法に関し、特に、予備焼結後の焼結粒子を成形型に充填して焼成することにより成形体に焼結する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐摩耗性を有する多孔性焼結体には、間隙に油浸して含油軸受などの摺動部材に使用され、フイルム状の薄膜を積層して圧着・吸着のために加圧する工具などがある。これらの多孔性焼結体の製造方法は、例えば、特開平３−１３８３０４号に開示されている。これは、焼結体の組成配合に調製した原料粉末を造粒し、造粒物を成形型に装入した後に予備焼結して、成形型の形状を予備焼結体に賦形保持させ、次いで、予備焼結体を離型してセラッミクス基台上に移して、本焼結を行なって、多孔性の焼結体を得る方法であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の製造方法は、多孔性の微細粒焼結体を製造するのに、原料粉末から造粒した造粒物を使用しているが、造粒物は、原料微粒子の集合体であって、指で押さえた程度の圧力で容易に崩壊するほど弱いものであった。成形型へ充填の際に、均一充填するために振動充填の方法が採用されるが、上記の造粒物では振動により崩壊して粉化することがあり、成形型への振動充填による均一密度を調製するのが困難であった。
【０００４】
また、上記の方法では、成形型から外した予備焼結体は、粒子間相互の結合が弱いので、脆弱であり、本焼結に至るまでの工程には、慎重な取扱いが要求されていた。
【０００５】
型外しした予備焼結体を本焼結する過程では、焼結体には、収縮過程で楔状の亀裂が生じることがあった。この割れは、以下に述べるように、焼結過程で予備焼結体がその中心位置に向って大きく収縮することに起因している。
予備焼結後に成形型から外した予備焼結体１０は、図１（Ｂ）に示すように、平坦な基板２上に載置して、本焼結されるが、本焼結の過程では、予備焼結体１０は中心側に向けて収縮して焼結成形体１となるが（図１（Ａ））、予備焼結体が収縮しようとする際に焼結体と基板との間に摩擦抵抗が生じて、粒子間の結合力の弱いところでは亀裂を生じ、図２に示すように、焼結体１は、端部での亀裂３や内面のクラック４を生じ易く、焼成条件や成形体の形状によっては、焼結した成形体１は部分的な破壊が生じる。
【０００６】
このような亀裂やクラックなどの割れについては、造粒された個々の顆粒内部の焼結過程により焼結による収縮寸法変化が、顆粒間のネッキング形成による収縮変化よりはるかに大きく、しかも焼結の初期の課程では、顆粒間の結合は進まず、もっぱら粒子内部の緻密化により収縮が優先するので、顆粒間の結合が離れやすくなり、これに起因した割れが生じることになる。
【０００７】
このような割れを防止するには、本焼結に先立って、緻密度の高い予備焼結粉末を準備するのがよく、これができれば、顆粒ないし予備焼結粒内部の収縮が抑制されるので、割れの原因をなくすることができる。然しながら、予備焼結工程でこのような緻密な予備焼結粒子を、予め設定した微小な粒子径を保持しながら得るのは困難であった。粒子自体の緻密化を図るために高温にないしは長時間に保持するのは、隣接粒子間の焼結を促進し、粒子の粗大化を招来するからである。
【０００８】
さらに、上記のように従来法は、予め成形型に充填して予備焼結体に焼結しておくのは、仮焼結の過程の収縮によって、寸法変化が大きくなり、しかも収縮量が均一ではないので、本焼結すると、焼結後の製品寸法のばらつきがはなはだ大きく、また、粒子の均一密度の調整困難なことと関連して、気孔の分布や気孔率のばらつきも大きかった。
【０００９】
本発明は、先ず、本焼結過程で、亀裂などの欠陥を発生せず、気孔分布と気孔率の比較的安定な多孔性焼結体を製造する方法を提供するものである。
本発明は、また、焼結品が寸法精度の高い多孔性焼結体を製造する方法を提供しようとするものである。
本発明の製造方法は、そのために、特に、予備焼結の過程で緻密化した焼結合金粒子の粉末を製造して本焼結に供給する方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、概して言えば、焼結体組成の原料混合微粉末から予備焼結し、粒径５０〜４００μｍの完全に緻密化された単独焼結粒の粉末に形成し、この単独焼結粒の粉末を成形型に充填して、本焼結を行なうものである。
【００１１】
さらに詳しくは、本発明の製造方法は、予備焼結が、原料混合微粉末を造粒して、造粒粉を固相焼結して、焼結粉とし、固相焼結粒子の粉末をさらに、液相焼結して、完全に緻密化した焼結合金粒の粉末を得る２段焼結法が採用される。
【００１２】
さらに詳しくは、本発明においては、液相焼結に先立って、固相焼結粒の粉末に安定で合金化しない微粉の粒間結合防止剤を配合してのち液相焼結するものであり、液相焼結過程で、粒子間の粘結ないしは相互溶着を阻止しながら、液相が生じるような高温での焼結により粒子内部の焼結を促進し、緻密化した粒子の単独性を保持するのである。
【００１３】
液相焼結粉は、バレル研磨処理などの研磨処理により、粒子表面の付着した粒間結合防止剤粒子を除去・洗浄して、これにより、表面が滑らかで、均一性の高い粒度分布を持ち、流動性の高い焼結粉末を得るのである。
このように得られた焼結合金粒子の粉末を、成形型に充填し、本焼結を行なうことにより、所望形状を有し且つ多孔性の焼結成形体を得るのである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明においては、焼結合金には、超硬合金などの高融点で難焼結性の耐摩耗性材料から選ばれる。例えば、硬質無機化合物と粘結用の基材金属の焼結体である多孔性のサーメットの製造に利用される。サーメットの例として、タングステンやモリブデンなどの炭化物とコバルトまたはニッケルなどの基材金属の焼結体がある。以下の実施形態においては、ＷＣ−Ｃｏ系サーメットを例示する。
【００１５】
予備焼結の工程においては、焼結合金組成を有する原料粉末を予備焼結して焼結合金粒子の粉末を作るが、原料粉末は、所定粒度に調製した炭化物などの無機化合物と基材金属の所定配合の混合粉末を使用する。
【００１６】
各原料粉末は、まず、均一に混合して後に、造粒して所望の粒度の顆粒にする。その粒度は、５０〜４００μｍの範囲が好ましい。上記のサーメットの例では、各原料粉末の粒度１０μｍ以下のＷＣの粉末とＣｏ粉末の混合物から上記の範囲の顆粒に造粒される。造粒法には、例えば、流動層造粒法が利用できる。
【００１７】
本発明の予備焼結法においては、上記の２段焼結法を採用するが、先ず、第１段の焼結では、上記顆粒の粉末が、加熱されて、固相焼結を行ない、固相焼結粒とする。
この段階の固相焼結は、基材金属の融点より低い温度でなされる。この焼結温度は、液相温度より２０ないし１５０℃低い、好ましくは５０℃程度低い温度が選ばれる。
【００１８】
上記のＷＣ−Ｃｏ系サーメットの例では、予備焼結は、ＷＣの粉末とＣｏ粉末の混合物の顆粒を固相焼結するが、固相焼結の焼結温度は、ＷＣ−Ｃｏ擬二元系の融点約１３００℃より約３０〜１００℃低い１２００〜１２７０℃に設定するのがよい。
この系では、固相焼結の際の焼結温度が１２７０℃を超えると、隣接した顆粒同士の結合が進み、顆粒間が強固に結合され、得られた焼結物が凝集化する。他方、１２００℃未満では、顆粒表面に凹凸を有し、後の工程で粒間結合防止剤の混合時に、粒間結合防止剤の微細粒子が凹みに入り込み、後の液相焼結時に焼結合金粒子内に強固に固着されて分離不能となるので好ましくない。
【００１９】
この第１段の固相焼結により、顆粒同士の粘結ないしは焼結を防止しながら、顆粒内の基材金属同士の焼結が進行し、冷却後の予備焼結粒は、焼結された顆粒にある程度の強度を確保することができる。
【００２０】
予備焼結の第二段階は、予備焼結粒の粉末に粒間結合防止剤を配合して液相焼結して焼結合金粒子の粉末を形成するものである。
本発明の特徴は、この第２段の液相焼結の過程で、粒間結合防止剤を使用することにより、粒子間の粘結を防止しながら、固相焼結の顆粒粒子をさらに単独粒子のままで緻密化し焼結合金化することにある。
【００２１】
ここに使用する粒間結合防止剤は、予め予備焼結粒の粉末中に分散して、液相焼結の過程で、粒子間同士を離間させてその粘結ないし焼結を防止するものである。この粒間結合防止剤の粘結防止作用により、予備焼結粒を液相温度以上で焼結することが可能になり、液相焼結により各粒子は一体に緻密化され合金化され、冷却後には、各合金粒子が分散した状態で、焼結合金粒子粉末が得られ、適当な手段で、粒間結合防止剤を焼結合金粒子表面から分離する。
【００２２】
このような粒間結合防止剤には、予備焼結粒ないしは焼結合金粒子に濡れず、基材金属と合金化せず、且つ焼結後は剥離容易である耐熱性の材料が利用できる。好ましくは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの微粉末が選ばれる。
【００２３】
液相焼結の過程では、焼結温度は、基材金属の融点または融点以上の温度が選ばれ、これにより、焼結が促進されて各焼結粒が速やかに緻密化し合金化する。焼結温度は、好ましくは、記載金属の融点の２０〜１００℃だけ高い温度が利用される。
ＷＣ−Ｃｏ焼結粒子を液相焼結する例では、焼結温度は、ＷＣ−Ｃｏ擬二元系合金の溶融温度１３００℃より約５０〜１００℃高い約１３５０ないし１４００℃にするのがよい。
【００２４】
液相焼結により得られた焼結合金粒の粉末は、バレル研磨処理により、上記の粒間結合防止剤を粒子表面から分離して、洗浄除去される。これにより、焼結合金表面が滑らかで、流動性の良好な焼結合金粒子の粉末が得られる。その粒度は、５０〜４００μｍの範囲、特に、１００〜３００μｍの範囲が例示できる。この固相焼結粒子の粒度は、本発明においては、前記の造粒過程により調製された顆粒の粒度分布に近いかそれより適度に小さい範囲に制御することができる。
【００２５】
このように得られた焼結合金粒子は、液相焼結により緻密化され強化されているので、次の本焼結の際に成形型内へ焦点する際に強度の振動を与えても、破壊されることはない。尤も、このように形成した焼結合金粒子粉末は、流動性が高いので、強制振動を付与しなくても、成形型内に自重で充填して、十分に高い充填密度が得られる。
【００２６】
上記の予備焼結によって得られた焼結合金粒子の粉末は、従来の如く、本焼結されて、焼結成形体にする。本焼結では、内面を所望成形体の形状を賦形した成形型に充填されて、液相焼結温度で焼成される。本焼結においては、適度の気孔率に調製して、割れやクラックを生ずることなく、寸法精度の高い焼結成形体が得られる。
【００２７】
本発明の製造方法による多孔性焼結成形体は、多孔質焼結体としてはかなりのレベルの強度を有しており、そのような焼結成形体は、耐摩耗性を要する摺動部材や簡易な積層薄膜圧着工具・吸着工具としても利用することができる。
【００２８】
【実施例】
焼結合金に、ＷＣ−１５％Ｃｏのサーメットの焼結を対象にして、本発明の製造方法を実施した。原料粉として、上記組成配合で、ＷＣ粉末とコバルト粉末を混合して、流動層造粒法により造粒し、その粉末を分級して１５０〜３００μｍの粒度分布をもつ顆粒粉末を調製した。
【００２９】
予備焼結として、先ず１段目は、顆粒粉末をカーボン容器に装入して、真空炉内で１２５０℃で１時間の焼成をして、固相焼結を行なった。
【００３０】
予備焼結した粉末には、粒間結合防止剤として、粒度３μｍアンダーの窒化アルミニウム粉末３ｗｔ％を添加して、手作業で混合操作をして、均一に配合した。
【００３１】
次いで、予備焼結の第２段階として、上記の固相焼結粒子の粉末に粒間結合防止剤を配合した混合分を使用して、液相焼結を行なった。即ち、この段階では、固相焼結粒子の混合粉末を、適当なカーボン容器に装入して、真空炉において約３ torr の圧力で窒素ガスキャリァ中で、１３５０℃の焼結温度で１時間の焼成を行なって、液相焼結をした。窒素ガス中での処理は、窒化アルミニウムの熱分解を防止するためである。
【００３２】
得られた粉末は、緻密化して焼結合金粉末であったが、これを、バレル研磨処理により粒間結合防止剤の窒化アルミニウムを除去し、次いで、洗浄した。焼結合金粒子の粉末は、粒度分布が、おおよそ１００〜２５０μｍの範囲にあり、上記の予備焼結による緻密化とバレル研磨処理による部分的な研磨により、顆粒の粒子径に比しておおよそ２０〜３０％減少していた。
【００３３】
予備焼結により得られた焼結合金粒子の粉末は、本焼結に供した。本焼結においては、成形体としては８０×８０ｍｍで厚み１０ｍｍの寸法を有する直方体を選び、この成形体の形状に内面を賦形したカーボン成形型内に、上記の焼結合金粒子の粉末を自重で充填して、真空炉内に配置し、このサーメット系の液相温度より高い温度で、１３８０℃の焼結温度で、１時間の液相焼結を行なった。
【００３４】
本焼結後、冷却して、成形型から分離して、多孔性に焼結された成形体を得た。焼結成形体の寸法は、７７×７７ｍｍで、厚み９ｍｍであった。焼結成形体は、充填の際の成形型内面寸法より４〜５％程度の寸法変化を伴って、わずかに収縮していた。この収縮により、成形体は成形型から容易に分離することができた。
【００３５】
焼結成形体は、気孔率を測定して、気孔率３０〜３５％であり、気孔が均一に分散していた。
また、焼結成形体は、圧縮試験で強度を測定して、５００〜５５０Ｎ／ｍｍ2の圧壊強度が得られた。この強度は、完全緻密化したバルク材の圧縮強度の１／１０程度であり、圧着工具として、また摺動部材としても、十分な強度といえる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の製造方法は、予備焼結が、原料粉末を造粒して顆粒となし、顆粒の粉末を固相焼結して予備焼結粒とし、次いで、予備焼結粒の粉末に粒間結合防止剤を配合して液相焼結して焼結合金粒子の粉末を形成することにより、強度の高い且つ流動性のよい粒度均一な焼結合金粒子を得ることができる。
【００３７】
本発明は、また、予備焼結により得られた焼結合金粒子を所望形状に本焼結して成形体とすることより、成形型への充填が容易で、充填率を均一化することができ、本焼結過程での収縮率が小さくて変形が少なく、その多孔性焼結成形体の寸法精度が高く、さらに、亀裂やクラックの発生はほぼ皆無であり、健全で均一な気孔率を有する多孔性の焼結成形体を得ることができる。
【００３８】
本発明の製造方法は、焼結合金に炭化物と基材金属とから成るサーメットの焼結製造に適用でき、これにより、多孔性のサーメット成形体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の製造方法により予備焼結を使用して成形した成形体を本焼結する際の成形体の収縮を示す上面図（Ａ）と基板上の成形体の配置を示す側面図（Ｂ）を示す。
【図２】  従来の製造方法により製造した焼結体表面の亀裂発性状況を示す上面図。
【符号の説明】
１    焼結成形体
２    基板
【図１】
0004405038.tif 000002
【図２】
0004405038.tif 000003