(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属に対して直流電源の正極のみを電気的に接続する一方、前記直流電源の負極を電気的に孤立させることを特徴とする金属の酸化抑制方法。
【請求項２】
請求項１記載の酸化抑制方法において、前記金属として金属粉末を使用することを特徴とする金属の酸化抑制方法。
【請求項３】
請求項２記載の酸化抑制方法において、導線および導電性部材を介して前記金属粉末と前記正極とを電気的に接続することを特徴とする金属の酸化抑制方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の酸化抑制方法において、前記金属粉末としてＡｌ粉末を使用し、かつ前記直流電源の発生電圧をＡｌ粉末５０ｇ当たり３０Ｖ以上とすることを特徴とする金属の酸化抑制方法。
【請求項５】
請求項２または３記載の酸化抑制方法において、前記金属粉末としてＮｉ粉末を使用し、かつ前記直流電源の発生電圧をＮｉ粉末５０ｇ当たり４０Ｖ以上とすることを特徴とする金属の酸化抑制方法。
【請求項６】
金属粉末を所定の形状に成形して成形体とする成形工程と、前記成形体を焼結する焼結工程を有する金属焼結体の製造方法において、
導電性部材を介して前記金属粉末と直流電源の正極とを互いに電気的に接続する一方、前記直流電源の負極を電気的に孤立させた状態で前記成形工程を行うことを特徴とする金属焼結体の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法において、前記金属粉末としてＡｌ粉末を使用し、かつ前記直流電源の発生電圧をＡｌ粉末５０ｇ当たり３０Ｖ以上とすることを特徴とする金属焼結体の製造方法。
【請求項８】
請求項６記載の製造方法において、前記金属粉末としてＮｉ粉末を使用し、かつ前記直流電源の発生電圧をＮｉ粉末５０ｇ当たり４０Ｖ以上とすることを特徴とする金属焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の酸化抑制方法と金属焼結体の製造方法に関し、一層詳細には、特に金属粉末が酸化することを容易かつ簡便に抑制することができ、このために高密度な金属焼結体を歩留まりよく製造することが可能な金属の酸化抑制方法と金属焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属焼結体は、粉末冶金法と指称される方法により製造されている。すなわち、まず、１種以上の金属粉末を所定の形状に圧縮成形して成形体とし、次にこの成形体を焼結させて金属焼結体とする方法である。
【０００３】
この方法によれば、高融点であるために融解鋳造することが困難なＷ粉末、Ｔａ粉末、Ｐｔ粉末等を原材料とする場合であっても、所望の形状の金属製品を製造することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、金属粉末の中には、Ａｌ粉末やＮｉ粉末、あるいは一部の合金等、大気と接触するだけでも容易に酸化するものが存在する。酸化が著しく進行した金属粉末を使用して金属焼結体を製造しようとすると、焼結時に該金属粉末の粒成長が起こることが困難となるので、相対密度が低く、このために強度や靱性等が乏しい金属焼結体が製造されることがある。すなわち、容易に酸化する金属粉末を原材料として粉末冶金法を行う場合、金属焼結体の製造歩留まりが低いので該金属焼結体（金属製品）を安価に供給することが困難であるという不具合がある。
【０００５】
また、金属粉末に限らず、例えば、金属製工具に硬度を付与するために該金属製工具の表面にＴｉＮやＴｉＣ等からなるコーティング膜を形成しようとする場合、金属製工具の表面が酸化している状態ではこれらが良好に成膜されない。また、コーティング膜が形成された箇所においても、該コーティング膜が剥離し易いという不具合がある。このため、上記のような表面被覆を行う場合、まず金属製工具の表面の酸化物を酸水溶液等で除去し、次に中和のためにアルカリ水溶液で洗浄し、さらに水洗を行うことが通例である。
【０００６】
すなわち、金属製品に対して表面被覆を行う場合、酸洗浄、アルカリ洗浄および水洗の３工程からなる煩雑な前処理を行う必要があり、しかも、このために長時間を要するという不都合が顕在化している。
【０００７】
さらに、金属製品の代表的な例である金型を大気中で放置した場合、腐食が生じることがある。すなわち、金型を構成する金属が酸化することがある。このような事態が生じると、金型の寿命が短くなるのみならず、該金型によって成形される成形品の寸法精度が低下するという不具合が惹起される。これを回避するために、工作油中に浸漬した状態で金型を保管することが広く行われている。
【０００８】
しかしながら、このような状態で金型を保管するためには工作油を大量に使用しなければならず、このために金型の保管コストおよび工作油の廃棄コストが高騰してしまうという不具合を招いている。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、金属粉末をはじめとする金属が酸化することを可及的に抑制することができる金属の酸化抑制方法と金属焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、金属、特に金属粉末の表面は結晶構造の電気的な欠陥により負に帯電し易いこと、換言すれば、電子の存在確率が高いことに着目し、以下のように考察した。
【００１１】
そもそも、酸素は他の物質から容易に電子を奪う性質を有する。すなわち、金属の表面の電子（ｅ）は、次の式（１）に示されるように、酸素に奪われる。
【００１２】
Ｏ2＋４ｅ→２Ｏ2-      …（１）
一方、電子を奪われた金属は、次の式（２）に示されるように、例えば２価の金属イオンとなる。
【００１３】
２Ｍ→２Ｍ2+＋４ｅ      …（２）
なお、式（２）におけるＭは金属を表す。
【００１４】
この金属イオン（Ｍ2+）は活性であるので、上記式（１）において発生した酸素イオンと直ちに結合する。すなわち、次の式（３）に示される酸化反応が起こり、その結果、酸化物が生成する。
【００１５】
Ｍ2+＋Ｏ2-→ＭＯ      …（３）
このような観点に基づき、本発明者らは、金属表面における電子の存在確率が著しく低くなるようにすれば該金属が酸化することを抑制することができるようになると仮定した。そして、これを達成する方法につき鋭意検討を重ね、本発明をするに至った。
【００１６】
すなわち、本発明に係る酸化抑制方法は、金属に対して直流電源の正極のみを電気的に接続する一方、前記直流電源の負極を電気的に孤立させることを特徴とする。なお、ここでいう直流電源には、整流器を介して交流電流を直流電流に変換し、該直流電流を供給するものも含まれる。
【００１７】
金属と直流電源とをこのように接続することにより、金属が酸化することが著しく抑制される。この理由は、直流電源の正極のみが電気的に接続された金属が有する電子が該直流電源の正極のクーロン力によって引き寄せられるためと考えられる。すなわち、この場合、金属表面における電子の存在確率が著しく低くなり、結局、上記式（１）〜（３）に示される反応が起こり難くなるからであると推察される。
【００１８】
本発明によれば、対象が金属粉末であっても酸化することを著しく抑制することができる。この場合、導線および導電性部材を介して前記金属粉末と正極とを電気的に接続することが好ましい。静電誘導が金属粉末全体に亘って略均一に起こるようになるからである。
【００１９】
このようにすることにより酸化が抑制される金属粉末の好適な例としては、Ａｌ粉末またはＮｉ粉末を挙げることができる。
【００２０】
なお、直流電源の好適な発生電圧は粉末の種類や量によって異なり、一義的に決定されない。例えば、Ａｌ粉末またはＮｉ粉末の酸化を抑制する場合には、それぞれ、Ａｌ粉末５０ｇ当たり３０Ｖ以上、Ｎｉ粉末５０ｇ当たり４０Ｖ以上とすることが好ましい。
【００２１】
以上の酸化抑制方法では、直流電源の正極のみが金属に電気的に接続されているので、金属への通電はなされない。このため、例えば、直流電源を電池で構成した場合には該電池の放電容量が低下することはない。したがって、金属が酸化することを抑制するためのコストが高騰することもない。
【００２２】
また、本発明は、金属粉末を所定の形状に成形して成形体とする成形工程と、前記成形体を焼結する焼結工程を有する金属焼結体の製造方法において、
導電性部材を介して前記金属粉末と直流電源の正極とを互いに電気的に接続する一方、前記直流電源の負極を電気的に孤立させた状態で前記成形工程を行うことを特徴とする。
【００２３】
すなわち、この製造方法では、金属粉末が酸化することを抑制しながら成形を行う。このため、該金属粉末の粒成長を阻害する酸化物が生成することが著しく抑制されるので、閉気孔が著しく少ない、すなわち、高密度な金属焼結体を得ることができる。このような金属焼結体は、構造欠陥が少ないので強度および靱性に優れる。また、金属粉末への通電がなされないので、直流電源を電池で構成した場合には該電池の放電容量が低下することはない。換言すれば、電池を交換する頻度が極めて少ない。
【００２４】
以上から諒解されるように、本発明によれば、強度および靱性に優れる金属焼結体を容易かつ簡便に、しかも、低コストで得ることができる。
【００２５】
なお、金属粉末の好適な例としては、上記したように、Ａｌ粉末またはＮｉ粉末を挙げることができる。そして、この場合においても、直流電源の発生電圧をＡｌ粉末５０ｇ当たり３０Ｖ以上、Ｎｉ粉末５０ｇ当たり４０Ｖ以上に設定することが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る金属の酸化抑制方法につき、金属焼結体の製造方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る金属焼結体の製造方法のフローチャートを図１に示す。この製造方法は、金属粉末を圧縮成形して成形体とする成形工程Ｓ１と、前記成形体を焼結して金属焼結体とする焼結工程Ｓ２とを有する。
【００２８】
金属粉末は、特に限定されるものではないが、Ａｌ粉末やＮｉ粉末等、容易に酸化されるものを好適な例として挙げることができる。勿論、Ａｌ粉末とＮｉ粉末の混合粉末等、２種以上の混合粉末であってもよい。
【００２９】
このような金属粉末を、成形工程Ｓ１において成形する。
【００３０】
この成形工程Ｓ１において使用される圧縮成形装置の概略正面一部断面図を図２に示す。この圧縮成形装置１０は、基台１２と、該基台１２に固定された第１押圧部材１４と、キャビティ１６が設けられた型部材１８と、第１押圧部材１４とともに金属粉末を圧縮する第２押圧部材２０とを備え、基台１２と型部材１８との間には２本のコイルスプリング２２ａ、２２ｂが介装されている。さらに、基台１２は、絶縁部材２４によって圧縮成形装置１０を構成する他の部材と互いに電気的に絶縁されている。その一方で、型部材１８は、直流電源２６を構成する市販の乾電池２８の正極にリード線３０を介して電気的に接続されている。
【００３１】
第１押圧部材１４は、基台１２に固定された円盤部３２と、該円盤部３２から突出形成された円柱状部３４とを有し、該円柱状部３４の先端部は型部材１８のキャビティ１６に挿入されている。
【００３２】
型部材１８は、例えば、いわゆるダイス鋼、ハイス鋼等の高剛性でかつ良好な導電体からなる。この場合、該型部材１８に設けられたキャビティ１６においては、円柱状の成形体が作製される。
【００３３】
直流電源２６は、乾電池２８が所定の個数だけ電気的に直列接続されてなる。そして、この直流電源２６においては、一端に配置された乾電池２８の正極のみがリード線３０を介して型部材１８に電気的に接続されており、一方、他端に配置された負極と型部材１８とは接続されていない。すなわち、直流電源２６と型部材１８は、電気的に開回路を構成した状態となっている。
【００３４】
乾電池２８の個数は、金属粉末の種類および量に応じて設定される。例えば、金属粉末がＡｌ粉末である場合には、発生電圧がＡｌ粉末５０ｇ当たり３０Ｖ以上となる個数とすることが好ましい。また、Ｎｉ粉末である場合には、発生電圧がＮｉ粉末５０ｇ当たり４０Ｖ以上となる個数とすることが好ましい。すなわち、乾電池２８が発生電圧３Ｖのものであれば、５０ｇのＡｌ粉末を圧縮成形する際には１０個以上、Ｎｉ粉末を圧縮成形する際には１４個以上をそれぞれ直列接続すればよい。発生電圧が上記した値未満であると、いずれの場合においても酸化を抑制する効果が乏しくなる。なお、ここでいう発生電圧とは、直流電源２６が印加可能な電圧のことであるが、実際には型部材１８への通電はなされない。上記したように、直流電源２６と型部材１８とは電気的に閉回路を構成していないからである。
【００３５】
また、第２押圧部材２０は、第１押圧部材１４と同様に円盤部３６と円柱状部３８とを有し、このうち、円盤部３６は図示しないアクチュエータ機構の可動盤に固定されている。第２押圧部材２０の円柱状部３８の直径はキャビティ１６に挿入することが可能な寸法に設定されており、一方、円盤部３６の直径はキャビティ１６の直径に比して著しく大きく設定されている。
【００３６】
この第２押圧部材２０は、絶縁部材４０によって前記可動盤と電気的に絶縁されている。
【００３７】
金属粉末の圧縮成形は、以下のようにして遂行される。
【００３８】
まず、第１押圧部材１４を構成する円柱状部３４の先端部がキャビティ１６に挿入された状態で該キャビティ１６にＡｌ粉末やＮｉ粉末等の金属粉末を充填する。
【００３９】
次いで、前記アクチュエータ機構を付勢し、前記可動盤を基台１２に指向して下降動作させ、第２押圧部材２０の円柱状部３８の先端部をキャビティ１６内に挿入する。可動盤の下降動作を続行すると、円柱状部３４、３８によって金属粉末が押圧されるようになる。
【００４０】
前記可動盤の下降動作をさらに続行すると、型部材１８の上端面に第２押圧部材２０の円盤部３６が当接して該型部材１８を押圧するようになる。この押圧に伴ってコイルスプリング２２ａ、２２ｂが圧縮され、その結果、型部材１８も基台１２に指向して下降動作を始める。この場合においても第１押圧部材１４が移動することはないので、金属粉末が円柱状部３４、３８で一層圧縮され、これにより成形体が得られる。
【００４１】
この成形の最中、金属粉末は、リード線３０および型部材１８を介して直流電源２６の正極と電気的に接続された状態となる。このような状態においては、型部材１８に直流電源２６の正極を接続しない場合に比して、金属粉末が酸化することが著しく抑制される。
【００４２】
この理由は、静電誘導が起こることによって金属粉末の表面に正電荷が集中するためであると考えられる。すなわち、金属粉末が有する電子（負電荷）は、直流電源２６の正極のクーロン力によって型部材１８、第１押圧部材１４および基台１２と第２押圧部材２０とを介して絶縁部材２４、４０まで引き寄せられ、一方、金属粉末の表面には正電荷が集中する。その結果、金属粉末の表面における電子の存在確率が著しく小さくなるので、上記式（１）で表される金属粉末と酸素との反応が起こり難くなる。換言すれば、正電荷が表面に集中した金属粉末では、酸素と結合することが著しく困難となるので、結局、該金属粉末が酸化することが著しく抑制されることになる。
【００４３】
次いで、この成形体を直ちに焼結する。すなわち、互いに接触した金属粉末同士の接合部を成長させ、最終的に当該粉末同士を併合させて大粒子とする。これにより、金属焼結体が得られるに至る。
【００４４】
上記したように、成形体は、酸化が著しく抑制された金属粉末から構成されている。このような金属粉末は、焼結時に別の金属粉末と速やかに併合する。すなわち、粒成長が容易に進行するので焼結体に開気孔が残留し難くなり、結局、高密度であり、靱性および強度に優れる焼結体を得ることができる。
【００４５】
このように、金属粉末を直流電源２６の正極に電気的に接続することにより該金属粉末が酸化することを著しく抑制することができ、その結果、靱性および強度に優れる金属焼結体を歩留まりよく得ることができる。しかも、この場合、型部材１８への通電がなされないので、直流電源２６を構成する乾電池２８の放電容量が低下することもない。すなわち、本実施の形態に係る金属焼結体の製造方法によれば、靱性および強度に優れる金属焼結体を容易かつ簡便に、しかも、低コストで歩留まりよく得ることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、本発明に係る金属の酸化抑制方法につき金属焼結体を製造する場合を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、金属粉末を保管する際にも適用することができる。例えば、直流電源２６の正極に電気的に接続されたアルミ箔で金属粉末を被包することにより、該金属粉末が酸化することが長期間に亘って著しく抑制される。この場合、静電誘導を生じさせるようにするためには、アルミ箔と導体との間に絶縁体を介在させるようにすればよい。
【００４７】
また、この酸化抑制方法において酸化を抑制する対象は金属粉末に限定されるものではなく、塊状金属であってもよいし金属焼結体それ自体であってもよい。
【００４８】
さらに、圧縮成形装置１０において、直流電源２６の正極と電気的に接続されるのは型部材１８に特に限定されるものではなく、第１押圧部材１４や基台１２等、絶縁部材２４によって金属粉末と電気的に絶縁されていない部材であればどのような部材であってもよい。
【００４９】
【実施例】
１．金属粉末の酸化抑制
Ｎｉは、式（４）に示されるように、酸素と結合するとＮｉＯに変化し、その結果、重量が増加する。ＮｉＯの分子量がＮｉに比して大きいからである。
【００５０】
２Ｎｉ＋Ｏ2→２ＮｉＯ      …（４）
そこで、図３に示す重量測定器５０を用意し、皿部５２上に絶縁マット５４と導電体であるアルミ箔５６とをこの順序で載置した。次いで、このアルミ箔５６と直流電源２６の正極とをリード線３０を介して電気的に接続し、粒径が約５０ÅのＮｉ超微粉末５０ｇをアルミ箔５６上に撒き散らした後に放置して、直流電源２６の発生電圧とＮｉ超微粉末の重量変化との関係を調べた。
【００５１】
また、比較のために、アルミ箔５６と直流電源２６の正極とを接続することなくＮｉ粉末を放置したことを除いては上記と同様にしてＮｉ粉末の重量変化を調べた。結果を図４に併せて示す。なお、図４に示す破線は、５０ｇのＮｉ粉末が全て酸化してＮｉＯに変化した場合の増加重量の理論値（理論増加量）を表す。また、アルミ箔５６と直流電源２６の正極とを接続していない場合は、便宜的に発生電圧を０Ｖとして示している。
【００５２】
この図４から、Ｎｉ粉末と直流電源２６の正極とを電気的に接続することによってＮｉ粉末の重量増加が抑制されること、すなわち、Ｎｉ粉末が酸化することを抑制することができることと、直流電源２６の発生電圧を上昇させることに伴ってその効果が向上することが諒解される。
【００５３】
上記した状態でさらに１週間放置したところ、直流電源２６の発生電圧が０Ｖの場合は、重量が１０．８ｇ増加した。また、発生電圧が１０Ｖ、３０Ｖでは重量増加はそれぞれ４．３ｇ、１．６ｇであり、４０Ｖ、５０Ｖでは重量増加は認められなかった。
【００５４】
以上の結果から、金属粉末を所定の発生電圧となる直流電源２６の正極に電気的に接続することによって該金属粉末が酸化することを著しく抑制できることが明らかである。
【００５５】
２．金属焼結体の製造
Ａｌ粉末を、バインダとしての樹脂材料、ワックスおよびパラフィンとともにエチルアルコール中に分散させてＡｌ粉末分散溶液を調製した。次いで、このＡｌ粉末分散溶液を、図２に示す圧縮成形装置１０を構成する型部材１８のキャビティ１６に導入した。なお、該型部材１８には、直流電源２６の正極のみを予め電気的に接続した。
【００５６】
次いで、図示しないアクチュエータ機構を付勢して第２押圧部材２０を下降動作させ、該第２押圧部材２０の円柱状部をキャビティ１６に挿入した。そして、第２押圧部材２０の下降動作をさらに続行させてＡｌ粉末分散溶液、すなわち、Ａｌ粉末およびバインダを圧縮して成形体とした。なお、成形体から分離したエチルアルコールは、図示しない通路を介してキャビティ１６外へと排出した。
【００５７】
この成形体を直ちに反応炉内に移し、不活性ガス雰囲気下、５８０℃で１時間保持することによりＡｌ粉末を粒成長させ、Ａｌからなる金属焼結体を得た。
【００５８】
また、比較のために、型部材１８に直流電源２６の正極を接続することなく成形体を作製したことを除いては上記と同様にして金属焼結体を得た。この際の発生電圧を便宜的に０Ｖとする。
【００５９】
得られた各金属焼結体の相対密度と、型部材１８に接続された直流電源２６の発生電圧との関係を図５に示す。該図５から、発生電圧が０Ｖでは相対密度は約９３％であったが、発生電圧の上昇に伴って相対密度が向上することが諒解される。この理由は、Ａｌ粉末と直流電源２６の正極とを電気的に接続することによって、粒成長を阻害する酸化物が発生することが抑制されたためであると考えられる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る金属の酸化抑制方法によれば、金属と直流電源の正極とを互いに電気的に接続するようにしている。このため、金属の表面における電子の存在確率が著しく低くなるので、該金属が酸化することが著しく抑制されるという効果が達成される。
【００６１】
また、本発明に係る金属焼結体の製造方法によれば、金属粉末と直流電源の正極とを互いに電気的に接続するようにして該金属粉末の成形を行うようにしている。このため、該金属粉末の粒成長を阻害する酸化物が生成することが抑制されるので、高密度であり、強度および靱性に優れた金属焼結体を歩留まりよく得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る金属焼結体の製造方法のフローチャートである。
【図２】成形工程を遂行する圧縮成形装置の概略正面一部断面説明図である。
【図３】絶縁体およびアルミ箔を介してＮｉ粉末を重量測定器の皿部に載置し、かつ前記アルミ箔を介して該Ｎｉ粉末と直流電源の正極とを接続した状態を示す概略正面図である。
【図４】図３の状態における直流電源の発生電圧とＮｉ粉末の重量変化との関係を示すグラフである。
【図５】作製された各金属焼結体の相対密度と型部材に接続された直流電源の発生電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…圧縮成形装置                    １４、２０…押圧部材
１６…キャビティ                      １８…型部材（導電性部材）
２４、４０…絶縁部材                  ２６…直流電源
２８…乾電池                          ３０…リード線
３４、３８…円柱状部                  ５４…絶縁マット
５６…アルミ箔（導電体）
【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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