(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の各工程によって構成される、ダイヤモンド含有焼結体の製造方法：
(1) 目標化合物を形成すべく組成された燃焼合成反応用原料混合粉末と、ダイヤモンド粉末とを含む出発材料を、電気絶縁性の押型内へ装填する工程、
(2) 上記出発材料を加圧する工程、
(3) 押型の周囲に配置した誘導加熱コイルに通電することにより、押型内の出発材料の周囲に配置した黒鉛シート又は覆い固めた黒鉛粉末を発熱させ、化合物原料に着火し燃焼合成反応を開始する工程、
(4) 上記コイルへの通電を持続することにより、燃焼合成反応の持続に必要な熱量を補完し該燃焼合成反応を継続させる工程、及び
(5) 燃焼合成反応生成物を加圧する工程。
【請求項２】
上記の工程５において、誘導コイルへの通電を保持することによって燃焼合成反応生成物を加熱しながら、該反応生成物を加圧する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記目標化合物が、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化ケイ素及び窒化ケイ素である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記目標化合物が炭化ホウ素又は炭化タングステンである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃焼合成反応を生起し得る原料混合粉末とダイヤモンド粉末とを含む出発材料を収容しかつ加圧するための、電気絶縁・耐火性材料で限定された軸状空間を有する押型、上記押型内の出発材料の周囲に配置された黒鉛シート又は黒鉛粉体、上記出発材料を軸方向の加圧により加圧圧縮するための加圧装置、及び上記押型の周囲に配置した誘導コイルを構成要素として有し、該誘導コイルへの通電により上記黒鉛シートに誘導電流を誘起・発熱させることにより上記出発材料及び反応生成物を加熱するようにした、請求項１に記載のダイヤモンド含有焼結体製造のための装置。
【請求項６】
上記電気絶縁・耐火性材料が焼結された窒化ケイ素又はアルミナである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
上記黒鉛シートが円板状であり、出発材料の上下に配置される、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
上記黒鉛シートが出発材料の外周に巻かれ、或はスリーブとして出発材料の外周に配置される、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼合成による焼結体の製法、特に及びそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高融点化合物の形成や、急速冷却を必要とする化合物の形成を目的とした合成方法として、燃焼合成法が用いられている。燃焼合成反応においては、局部的には通常２０００℃を超える高温が生じ、このため、外部加熱による高温反応では合成することが困難な物質を含む材料の作製に特に適している。
【０００３】
これまでに提案されている燃焼合成反応では、成分元素の粉末混合物を押し固めた圧粉体試料を用意し、該試料の一端に着火することにより反応を開始する。粉末混合物内においては、燃焼波の伝播によって、連鎖的に反応が進行すると共に、自己発熱により合成反応が維持され、秒単位の短時間で化合物の形成が行われる。
【０００４】
このように、燃焼合成法では、ごく短時間のうちに各種のセラミックスや金属間化合物を合成することが可能であるが、生成物が各種の機能材料や構造材料として利用できるようにするためには、反応生成物に外部から圧力を加えて緻密化する必要がある。
【０００５】
一方この技術の欠点として、生成反応熱が小さい原料の組み合わせによる合成反応、例えば炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステンなどを合成する系では、反応の開始、継続が困難であることが挙げられている。
【０００６】
上記した状況下において、燃焼合成法を実用化するために、合成・同時焼結による緻密生成物の作製方法、並びに不足する反応熱の補給方法に関して、幾つかの提案がなされている。
【０００７】
材料の緻密化方法としては、反応と同時あるいは直後に加圧操作を併用するために、ＨＩＰ中での燃焼合成や、燃焼合成反応直後のフォージングが試みられている。
【０００８】
しかし前者の方法については、加圧下における長時間の加熱は可能であるが、反面、燃焼反応が短時間で終わるという利点を活かすことができず、また装置やランニングコストが高いという欠点がある。一方後者の方法は、反応時間が短いという利点は活かせるものの、加圧速度・時期や冷却過程の制御あるいは反応熱の小さい系に適用できないことが欠点として拳げられる。
【０００９】
不足する反応熱の補給方法に関しては、短時間反応の特徴を生かすために、燃焼の際に大きな熱量を放出する元素の組み合わせからなる混合粉末、いわゆるケミカルオーブンの使用が有効である。しかし化学反応の発生熱によるこの加熱法では、精度の高い熱量制御は困難である。
【００１０】
一方、ホットプレス装置において、誘導加熱によりワークを加熱することは公知である。ただし利用可能なワークは、原料の軟化、または液相の出現が期待できる構成のものに限られ、上記のような燃焼合成工程で有効に利用できる構成は知られていなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は燃焼合成反応工程において、系外から高精度の熱入力を行い、以て反応を開始させるだけでなく、加圧下において、反応前の予熱、反応中の熱補給乃至補償、また反応後に反応生成物の徐冷を可能にした構成を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の側面は、上記の課題を効果的に解決する次の各工程からなる、かかる焼結体の製造方法を要旨とする。
(1) 目標化合物を形成すべく組成された燃焼合成反応用原料混合粉末と、ダイヤモンド粉末とを含む出発材料を、電気絶縁性の押型内へ装填する工程、
(2) 上記出発材料を加圧する工程、
(3) 押型の周囲に配置した誘導加熱コイルに通電することにより、押型内の出発材料の周囲に配置した黒鉛シート又は覆い固めた黒鉛粉末を発熱させ、化合物原料に着火し燃焼合成反応を開始する工程、
(4) 上記コイルへの通電を持続することにより、燃焼合成反応の持続に必要な熱量を補完し該燃焼合成反応を継続させる工程、及び
(5) 燃焼合成反応生成物を加圧する工程。
【００１３】
ダイヤモンド含有焼結体製造のための上記方法は、次の装置を用いることにより、効果的に実施できる。これは燃焼合成反応を生起し得る原料混合粉末とダイヤモンド粉末とを含む出発材料を収容しかつ加圧するための、電気絶縁・耐火性材料で限定された軸状空間を有する押型、上記押型内の出発材料の周囲に配置された黒鉛シート又は黒鉛粉体、上記出発材料を軸方向の加圧により加圧圧縮するための加圧装置、及び上記押型の周囲に配置した誘導コイルを構成要素として有し、該誘導コイルへの通電により上記黒鉛シートに誘導電流を誘起・発熱させることにより上記出発材料及び反応生成物を加熱するようにした装置である。
【００１４】
従って上記の本発明装置では、短時間プロセスである燃焼合成の特徴を保持しながら、反応熱の小さい系にも熱を供給して反応を誘起、継続できる利点がある。また燃焼合成反応において、反応生成物には表面の耐摩耗性を向上させたり、或いは特別の機能を付与するために、ダイヤモンドのような超砥粒を含有させることが望まれる場合があるが、この際ダイヤモンドは本質的に希釈材として作用するので、高濃度の含有はしばしば所要熱量の不足をもたらし、結局従来の燃焼合成工程では反応の持続が困難なことがあった。本発明の誘導加熱による熱量補給は、このようなダイヤモンド濃度の高い焼結体形成において、特に有効である。
【００１５】
その上、加圧状態下において燃焼合成反応を行う本発明の装置においては、従来の方法に比してより緻密な焼結体の形成が可能である。即ち従来の燃焼合成装置を用いた着火・加圧方式においては、反応熱の放散を制限し、燃焼波を伝播させるために、緻密な圧粉体を用いることができなかったが、本装置では反応中にも外部から熱を補給することができるので、ＣＩＰ成型品のような緻密な圧粉体でも燃焼合成に供することができる。
【００１６】
また先述したように、燃焼合成法においては、反応が秒単位の短時間で完結することから、ダイヤモンドのように、常圧下で準安定な物質の焼結に最適である。
【００１７】
本発明の反応装置においては、試料の加熱に誘導加熱方式を用いたことにより、従来の燃焼合成装置においては不可避であった試料室へ通じる電気着火用の配線や、ヒーターが不要となり、この点において加圧型の組立が容易となった。そのうえ、次のように反応系を外気から遮断する構成を採ることも容易であり、これによって、反応を不活性気体雰囲気中や、減圧雰囲気中で行うことができる。
【００１８】
例えば本発明においては、窒化物を形成し、或いは副生する酸化物の形成を阻止するために反応を窒素雰囲気中で行ったり、燃焼合成反応の際に放出されるガスを速やかに除去するために減圧下で皮応を行うことができるが、この場合、加圧型の周囲を、石英ガラスなどの絶縁材製の密閉容器で包囲し、加圧用のピストンとの摺動部を、例えばＯリングによる真空シールとすることで、容易に外部の雰囲気から切り離すことができる。
【００１９】
また従来から行われている、燃焼合成反応直後のフォージングによる緻密化工程が不要であるので、加圧装置としては、ごく普通の加圧プレスで十分である。
【００２０】
本発明の誘導加熱は、燃焼合成を生ずべく組成された混合粉末が目的化合物を生成する際に生じる反応熱を利用する工程に対して適用され、かかる反応の開始（粉末への着火）、及び反応の持続に不足する熱量の補給用の熱源として、使用される。熱的に中性の混合粉末の焼結温度への加熱は、本発明の目的とするところではない。
【００２１】
【発明の実施形態】
本発明においては燃焼合成による焼結体製造のために、出発材料の圧粉体が収容される押型を電気絶縁材で構成し、その周囲に誘導加熱（例えば高周波）コイルを配置して、圧粉体への着火または予熱に供する。この際電流の誘導を可能、または向上させるために、上記圧粉体の周りを黒鉛シートあるいは黒鉛粉体で覆い固める。
【００２２】
擬等方加圧を必要とする場合には、円筒状耐圧耐熱絶縁体容器（例えば焼結アルミナのようなセラミックス焼結体）内に絶縁性粒状固体（例えば鋳物砂）を充填し、その中へ、組立てた試料を配置する構成が簡便である。この粒状の固体圧媒体を介した加圧下で、高周波誘導加熱により着火して、燃焼合成反応をスタートさせる。この場合には試料は、最も効率よく高周波電流を流せる位置に配置される。
【００２３】
上記において、圧粉体試料の周囲に配置した黒鉛シートは、試料の誘導加熱に有効なだけでなく、さらに、形成された反応生成物の押型からの取り出しの容易化、擬等方加圧に用いる粒状の固体圧媒体との高温における化学反応による汚染や、圧媒体粒子の噛み込みなどによる機械的な汚染など、反応生成物の汚染の防止にも効果的である。
【００２４】
さらに、黒鉛シートの内側には反応の際に還元性の雰囲気が形成されることから、この構成は、酸化されやすい遷移金属元索を扱う場合や、熱力学的に準安定なダイヤモンドの加熱焼結を行う場合に、特に好適である。
【００２５】
試料の加圧は、通常一軸加圧の油圧プレスによるのが適している。但し加圧用のピストンの先端部には、電気絶縁性確保のために、周囲に電気絶縁性の材料を配置するか、または少なくともピストンのこの部分を絶縁材で構成する。また必要に応じて、水冷装置を設けることにより、誘導加熱によってピストンが強熱され、強度が低下することを防止する。
【００２６】
本発明の装置は、多品種少量生産のための小規模製造設備として利用できるが、この場合に組み合わされる適当な加圧・加熱装置の例としては次のものを拳げることができる。即ち加圧用プレスの仕様として、作業テーブル寸法３５０×７００ｍｍ、ピストンのストローク３００ｍｍ、ピストンの降下速度：高速時３０ｍｍ／秒、低速時５ｍｍ／秒、加圧荷重３０トン、高周波電源の仕様としては、周波数６０〜１２０Ｈｚ、出力電圧５０〜２００Ｖ、出力電流１００〜２００Ａ程度の可変電源が適切である。
【００２７】
次に本発明の実施例を、添付の図面によって説明する。
【００２８】
【実施例１】
内径５０ｍｍの円筒形空間を有する成型金型を用いて、ＷＣ−１０％Ｃｏの超硬混合粉末を、厚さ５ｍｍの円板状ペレットに成型した。またこれとは別に、質量比でＴｉ：Ｃ：Ｃｏ：１０／２０μｍダイヤ＝４８：１２：５：３５のダイヤモンド含有混合粉末を厚さ１０ｍｍの円板状ペレットに成型した。これらのペレットを用い、図１に概略示すような装置構成により、焼結反応を行った。
【００２９】
上記超硬ペレット１０とダイヤモンド含有ペレット１１とを重ねて一体品として、さらに周囲を厚さ１ｍｍの黒鉛シート１２で２回巻いた。圧媒体（鋳物砂）の付着を防止するために、ペレット集合体の上下面にはそれぞれ、直径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状黒鉛シート１３、１４を配置して反応用集合体とした。
【００３０】
この集合体を反応装置１５に装填し、燃焼合成・緻密化反応を行った。底盤１６上に置いた内径６５ｍｍの焼結窒化ケイ素製の押型１７内へ押台１８を充填し、油圧プレス（図示せず）によって、ムライト製の押棒１９から、圧媒体としての鋳物砂２０を介して５トンの荷重を加えた。
【００３１】
次いで高周波電源から約７５ｋＨｚ、約９０Ｖ、約１５０Ａの電力をコイル２１に印加したところ、試料周囲の被覆黒鉛シートなどに誘導電流が流れ、黒鉛シートに接した試料周辺部の強熱による局部加熱によって燃焼反応が誘発され、燃焼波先端で起こる皮応が中心に向かって伝播し、着火後０．５秒で約２０００℃に達したと推定された。この時点で高周波電源を切り、３０秒間加圧を続けた後、反応物を取り出した。
【００３２】
得られた生成物は、ＴｉＣ−Ｃｏ系のマトリックス中に、容積比で約４０％のダイヤモンドが分散した硬質層が、超硬合金基台上に焼き付けられた状態の焼結体となっており、放電加工による切断、ダイヤモンド砥石による研磨を経て、木材加工用のルーターの刃に仕上げた。
【００３３】
【実施例２】
図２に示した、外径７５ｍｍ、高さ７０ｍｍ、内径２６ｍｍ、先端部の頂角６０゜のアルミナ製の押型２５を用い、内壁部に接して厚さ０．２５ｍｍの黒鉛シート２６を取り付けた後、先端部にＴｉ：Ｂ：Ｎｉ：３０／４０μｍダイヤ＝３６：８：１１：４５（質量比）の混合粉末２７を８ｇ充填した。次いで直径２５ｍｍのレースセンター基台２８（材質：ＳＫ−３）を填め込んだ。基台２８の底面に接して、直径２５ｍｍのセラミックス製の押棒２９を置き、油圧プレスにより１トンの荷重を加えた。
【００３４】
押型の外周に直径１００ｍｍの高周波コイル３０を配置し、出力１０ｋＷで１分間保持することにより、基台を加熱して混合粉末に着火して燃焼合成皮応を進行させ、ＴiＢ−Ｎi系のマトリックス中にダイヤモンドを固定した作用層が、基台に接合されているレースセンターの素材を合成した。
【００３５】
【実施例３】
図３に示すように、焼結アルミナ製の外径２００ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、内径７７ｍｍの押型３５、並びに直径７５ｍｍ、長さ７５ｍｍの押棒３６、同じ直径で長さ２５ｍｍの押台３７を１個宛用意した。押型３５の内壁に接して厚さ０．２５ｍｍの黒鉛シート３８を取り付け、押台３７を填め込んだ後、４０μｍのＳｉ粉、１０μｍのＣ粉、２００メッシュダイヤモンド粉末の、２８：１２：６０（質量比）混合粉末の９０ｇのペレット３９を充填し、さらに直径７５ｍｍ、長さ５０ｍｍの超硬合金ブロック４０を入れ、押棒３６を填め込んで、出発アセンブリとした。
【００３６】
押型３５の外周に直径２５０ｍｍの高周波コイル４１を配置し、油圧プレスによって１０トンの荷重を加えておき、出力２０ｋＷで２分間保持することにより、超硬合金ブロック４０の加熱によるペレットへの着火、合成品の加熱を行い、ＳｉＣ−ダイヤモンド焼結体製の作用層が、超硬合金基台に接合された、基礎杭孔掘削用のビット素材を作製した。
【００３７】
【実施例４】
図４に示す反応装置を用いた。気密反応室４５は内径２００ｍｍの中空内筒状耐熱ガラス製の側壁４６、及び支柱４７により間隔を保って支持されたフレーム底盤４８及び頂盤４９にて限定される。押型５０は外径１５０ｍｍ、内径５０ｍｍ、高さ７５ｍｍの円筒状のアルミナ製、加圧用の押棒５１は直径４７ｍｍ、長さ８０ｍｍのムライト製である。底盤５２に載置した押型５０に押し台５３を充填し、さらにその底面および内壁面に、それぞれ厚さが１ｍｍの、直径５０ｍｍの円板状、及びスリーブ状の黒鉛シート５４、５５を配置し、反応材料として直径４７ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板状に成型したＳｉ：Ｃｏ：２０／３０μｍダイヤ＝２：１：２（質量比）のペレット５６を入れ、押棒５１との間にも、厚さ１ｍｍの黒鉛の円板５７を配置した。
【００３８】
押棒に荷重を加えない状態で反応室４５内を排気し、０．１３ＭＰａの窒素雰囲気とした後、反応室４５の外側に配置した高周波コイル５８へ１５ｋＷの出力で通電することにより、黒鉛シート５４、５５、５７に誘導電流を誘起せしめ、ペレットを５６加熱することによって反応を開始すると共に、押棒５１に２トンの荷重を加えてペレット５６を圧縮し、１分間保持した後、加熱・加圧を停止した。
【００３９】
反応生成物は、Ｓｉ３Ｎ４−Ｃｏ系のマトリックス中に、約３３ｖｏｌ％のダイヤモンド粒子が分散した組織となっており、切断、ろう付け、研磨の諸工程を経て、ＦＲＰ切断用の丸鋸として用いた。
【００４０】
【発明の効果】
１．誘導加熱方式とすることにより、反応材料を加圧した状態で、燃焼合成反応を開始し、継続することができる。
２．誘導加熱出力を制御することにより、反応前、反応中、反応後の試料温度を、黒鉛シートまたは芯金を通じて所要値に保つことができる。
３．誘導加熱方式であることから、試料の反応開始温度の制御が可能であり、また反応熱の小さな系についても燃焼合成を行うことができる。
４．反応容器を耐圧容器中に収容し、加圧気体下で反応させることにより、従来からの燃焼合成法で用いられている固体−固体反応系だけでなく、固体−気体の反応系での燃焼合成反応にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１で用いた装置構成の縦断面図である。
【図２】  本発明の実施例２で用いた装置構成の縦断面図である。
【図３】  本発明の実施例３で用いた装置構成の縦断面図である。
【図４】  本発明の実施例４で用いた装置構成の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  超硬ペレット
１１  ダイヤモンド含有ペレット
１２  黒鉛シート30
１３、１４  黒鉛シート
１５  反応装置
１６  底盤
１７  押型
１８  押台
１９  押棒
２０  鋳物砂
２１  コイル
２５  押型
２６  黒鉛シート
２７  混合粉末
２８  レースセンター基台
２９  押棒
３０  高周波コイル
３５  押型
３６  押棒
３７  押台
３８  黒鉛シート
３９  ペレット
４０  超硬合金ブロック
４１  高周波コイル
４５  気密反応室
４６  耐熱ガラス製側壁
４７  支柱
４８  フレーム底盤
４９  フレーム頂盤
５０  押型
５１  押棒
５２  底盤
５３  押台
５４、５５  黒鉛シート
５６  ペレット
５７  黒鉛シート
【図１】
0003874221.tif 000002
【図２】
0003874221.tif 000003
【図３】
0003874221.tif 000004
【図４】
0003874221.tif 000005