(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧容器内に、複数の倒立コップ形状の耐熱性金属製断熱コップを同心状に重ね合わせてなる断熱層を配置し、該断熱層の内側に加熱装置を配置して高温炉室となした熱間等方加圧装置において、
前記断熱層の最内側の前記断熱コップの内表面に、酸化されてＡｌ2Ｏ3の被膜を形成する５０〜３００μｍの厚みの合金層が、溶射によって設けられていることを特徴とする熱間等方加圧装置。
【請求項２】
前記合金層は、Ａｌを３〜３０重量％含有するＮｉ基合金で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方加圧装置。
【請求項３】
前記合金層は、Ａｌを３〜４８重量％含有するＦｅ基合金で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方加圧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、１２００℃程度の中低温酸素雰囲気に使用される熱間等方加圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度とガス圧力とを同時に作用させて金属粉末、セラミックスの粉末等の加圧焼結を行ったり、精密鋳造品、セラミックス製部品等の緻密化処理等を行う熱間等方加圧装置（以下、ＨＩＰ装置という）は、すでに、工業的に利用され、実績を上げている。また、近年、セラミックス、サーメット等の新素材の開発が進むにつれ、その適用範囲は拡大しつつある。
【０００３】
特開昭６１−２８９２８７号公報に、図４に示すようなＨＩＰ装置が提案されている。このＨＩＰ装置の断熱層１は、上端が閉じられた筒形（倒立コップ形状）のセラミックス製断熱コップ３と、該セラミックス製断熱コップ３の外側に設けられた倒立コップ形状の緻密質材製断熱コップ２ａ、２ｂとよりなり、該緻密質断熱コップ２ａ、２ｂ間には断熱材４が充填されている。
【０００４】
このＨＩＰ装置の断熱層１において、セラミックス製断熱コップ３はＨＩＰ処理時に最も高温に曝されるため、耐熱性、耐酸化性に優れたセラミックス（具体的にはアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ））が使用されるとともに、断熱効果をもたせるために、多孔質（多孔率３０〜８０％）で厚さ５〜２０ｍｍとしていてる。緻密質材製断熱コップ２ａ、２ｂとしては、ステンレス鋼等の耐熱性金属が用いられ、セラミックス製断熱コップ３を透過して発生しようとする対流を抑止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般にＡｌ2 Ｏ3 等のセラミックスは割れやすく、セラミックス製断熱コップ３の厚みは最低でも５ｍｍ必要で、通常厚さ１０ｍｍ以上となる。このため、断熱層１が全体として厚くなるため、装置の小型化が困難であり、ＨＩＰ処理空間の有効利用が図れない。また、セラミックス製断熱コップ３を構成するＡｌ2 Ｏ3 と内層側の緻密質材製断熱コップ２ｂを構成する金属とは熱膨張率が違うので、一般に、図５に示すように、両者の間には空間５を設けておく必要がある。このため、益々断熱層１はぶ厚くなる傾向にあり、装置全体の小型化を困難にしている。さらに、Ａｌ2 Ｏ3 と金属との熱膨張率の差異は、上記の装置の小型化の面で問題があるだけでなく、両者の接触部分で集中的に熱伝導が行われるため、その部分で損傷を受けやすい。
【０００６】
一方、断熱層の最内側にセラミックス製断熱コップ３を設けず、金属製断熱コップ２ａ、２ｂのみで断熱層１を構成する場合、酸素含有ガスなどの酸化性雰囲気では、金属製の断熱コップ２ａ、２ｂが酸化され、生じた錆が処理品に付着して、処理品の変色、変質、性能低下等の悪影響をもたらす。
本発明は、上記のような技術的背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄い断熱層で小型化が可能であり、しかも酸化性雰囲気でも十分耐え得るＨＩＰ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱間等方加圧装置は、高圧容器内に、複数の倒立コップ形状の耐熱性金属製断熱コップを同心状に重ね合わせてなる断熱層を配置し、該断熱層の内側に加熱装置を配置して高温炉室となした熱間等方加圧装置において、前記断熱層の最内側の前記断熱コップの内表面に、酸化されてＡｌ2Ｏ3の被膜を形成する５０〜３００μｍの厚みの合金層が、溶射によって設けられている。
前記合金層としては、Ａｌを３〜３０重量％含有するＮｉ基合金、又はＡｌを３〜４８重量％含有するＦｅ基合金で構成されていることが好ましい。
【０００８】
【作用】
本発明の熱間等方加圧装置を用いて酸素雰囲気でＨＩＰ処理すると、金属製断熱層の表面に設けられた合金層が酸化されてＡｌ2 Ｏ3 の被膜が生成される。Ａｌ2 Ｏ3 の被膜が酸化の進行を防止することにより、金属製断熱層を酸化性雰囲気から保護する。よって、本発明の熱間等方加圧装置では、耐酸化性の被膜を生成できる薄い合金層を設けただけなので、装置の小型化が図れるとともに、酸化性雰囲気でも使用できる。
【０００９】
また、生成されたＡｌ2 Ｏ3 と断熱層を構成する金属とは熱膨張率が違うので、ＨＩＰ処理の繰り返しに際してＡｌ2 Ｏ3 被膜にひびが入ったり割れたりするが、新たに表面に表れた合金層が再び酸化されてＡｌ2 Ｏ3 被膜を生成する。従って、本発明の熱間等方加圧装置は、ＨＩＰ処理の繰り返しに耐え得る安定なＡｌ2 Ｏ3 被膜を生成するので、酸化性雰囲気で繰り返し使用できる。
【００１０】
【実施例】
まず、本発明一実施例に係るＨＩＰ装置について、図１に基づいて説明する。
図１において、１０は円筒状の圧力容器であり、その上部開口は蓋体１１で密閉され、その下部開口は蓋体１２で密閉されている。上蓋体１１には、圧媒ガスの通流孔１３が形成されている。
【００１１】
圧力容器１０内には、倒立コップ形状の断熱層１５が配置され、断熱層１５の内側には加熱装置が備えられた処理室１６が構成されいてる。この処理室１６において、載置台１７上に載置されている被処理物１８がＨＩＰ処理される。
断熱層１５は、複数の倒立コップ状の断熱コップ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを同心状に重ね合わせ、各断熱コップ間にセラミックスファイバー、耐熱グラスウールあるいはＡｌ2 Ｏ3 とシリカとの混合繊維からなる断熱材繊維１９等を充填して構成されている。断熱コップ２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、耐熱性ＳＵＳ、Ｍｏ合金、インコネル等の耐熱性の金属材料で構成されている。
【００１２】
最内側の断熱コップ２０ｃの内表面には、図２に示すように、次のような組成の合金層２１が設けられている。合金層２１の合金の組成は、酸化されて表面に緻密なＡｌ2 Ｏ3 被膜を形成する組成の合金で、例えば、アルミニウムを含有するＮｉ基合金又はＦｅ基合金等の合金が好ましく用いられる。合金中のアルミニウムの含有量は、安定なＡｌ2 Ｏ3 被膜を形成するのに必要十分な量で、且つ合金の融点が１２００℃程度のＨＩＰ処理温度以上、好ましくは断熱コップ２０ｃの金属の融点と同程度以上となる量である。例えば、Ｎｉ基合金の場合のアルミニウム含有率は３〜３０重量％、Ｆｅ基合金の場合のアルミニウム含有率は３〜４８重量％である。アルミニウムの含有率が３重量％未満では、合金層が酸化されて生じる化合物がスピネル構造となり、安定な酸化被膜が得られない。
【００１３】
Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金のいずれも、アルミニウム以外の金属として、Ｙ、Ｃｒ等を１〜２５重量％程度含有してもよい。このような要件を満足する合金の具体的組成例としては、▲１▼Ｃｒ２２重量％、Ａｌ１０重量％、Ｙ１重量％、残部ＮｉのＮｉ基合金；▲２▼Ｃｒ２２重量％、Ａｌ５．８重量％、残部ＦｅのＦｅ基合金；▲３▼Ｃｒ２２重量％、Ａｌ４．８重量％、残部ＦｅのＦｅ基合金などが挙げられる。合金の組成は、合金層が設けられている金属製断熱コップ２０ｃを構成する金属と熱膨張率が近似するように選択することが好ましい。例えば、断熱コップ２０ｃにインコネル６０１（融点約１３５０℃）を使用する場合、熱膨張率がインコネル６０１と近似している▲１▼のＮｉ基合金で合金層２１を構成することが好ましい。
【００１４】
合金層２１の厚みは、５０〜３００μｍ程度が好ましい。薄すぎると、断熱コップ２０ｃを構成する金属と酸素とが直接接触しやすくなり、金属製断熱コップ２０ｃの酸化を十分防止できないからである。
尚、合金層２１は、上記範囲の薄膜が得られる方法であれば特に限定されず、アーク溶射、プラズマ溶射等の溶射法によって形成してもよいし、真空蒸着法等のＰＶＤ法等によって形成してもよい。これらのうち、溶射法が、数１００μｍ程度の膜を容易に形成できることから好ましく用いられる。
【００１５】
以上のような構成を有するＨＩＰ装置において、ＨＩＰ処理時に、処理室１６内に酸素を含む高温ガスが流出したとしても、合金層２１がまず酸化されて、最内断熱コップ２０ｃの表面にＡｌ2 Ｏ3 被膜を形成する。合金層２１は複数の金属からなる合金で構成されているが、Ａｌ2 Ｏ3 の生成エネルギーが他の金属酸化物の生成エネルギーよりも小さいので、まずアルミニウムが優先的に酸化されてＡｌ2 Ｏ3 を形成する。Ａｌ2 Ｏ3 被膜は緻密であるため、当該被膜が表面に形成されると、酸化が内部まで進行するのを防止する。すなわち、形成されたＡｌ2 Ｏ3 被膜は、酸化性雰囲気で、耐酸化性の保護被膜として働く。
【００１６】
従って、本発明のＨＩＰ装置によれば、酸化性雰囲気でも被照射物に影響を及ぼすような、即ち錆等が剥離してくるような酸化は起こらない。しかもＡｌ2 Ｏ3 を生成するような組成を有する合金層２１を断熱コップ２０ｃの表面に設けるだけなので、セラミックス板等を設ける場合と比べて、処理室１６のスペースを有効に使用することができ、小型化に対応できる。さらに、合金層２１が酸化されてＡｌ2 Ｏ3 の保護膜が形成された最内層の断熱コップ２０ｃと、Ａｌ2 Ｏ3 自体で構成される断熱コップと比べて、前者の方が割れにくく取扱いやすい。
【００１７】
なお、断熱コップ２０ｃに直接Ａｌ2 Ｏ3 の被膜を設けることも考えられるが、この場合、Ａｌ2 Ｏ3 と断熱コップ２０ｃを構成する金属との熱膨張率との差異から、ＨＩＰ処理によりＡｌ2 Ｏ3 の被膜にひびがはいったり、ひどい場合には割れて被膜が剥離してしまう。一方、本発明の構成では、繰り返しＨＩＰ処理を行う場合に、先に生成されたＡｌ2 Ｏ3 被膜に損傷が生じても再びその損傷部分から露出した合金が酸化されて新たなＡｌ2 Ｏ3 被膜が形成されるので、安定なＡｌ2 Ｏ3 被膜を長期にわたって維持できる。
【００１８】
次に、本発明のＨＩＰ処理装置の効果を、具体例に基づいて説明する。断熱層として、断熱層を構成している最内側の断熱コップ又は合金層が表１に示す金属組成を有する３種類の断熱層Ａ、Ｂ、Ｃを用いた。断熱層Ａ、Ｂは、表面に合金層が設けられておらず、表１には断熱コップを構成する金属組成が示されている。断熱層Ｃは、断熱コップ表面に溶射方法により、厚み２００μｍ程度の合金層が設けられていて、表１には合金層の金属組成が示されている。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
各断熱層Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれ備えたＨＩＰ装置を用いて、圧媒ガスとして酸素２０％、アルゴン８０％の混合ガスを使用して、表２に示す条件でＨＩＰ処理した。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
ＨＩＰ処理後の各断熱層Ａ、Ｂ、Ｃを構成する最内断熱コップの表面生成物、表面に形成された被膜の厚み、及び酸化被膜形成による断熱層の重量変化を表３に示す。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
表３からわかるように、断熱層Ａの断熱コップを構成する合金中のアルミニウム含有量が少ないために不安定な酸化被膜が形成され、錆等が剥離して、結果的に重量が減少した。断熱層Ｂでは、ＨＩＰ処理回数が少ないうちは、表面にＡｌ2 Ｏ3 の被膜が形成され、ほとんど重量変化もなかったが、ＨＩＰ処理を繰り返すうちに、被膜が剥離し始め、２０回繰り返すと、かなりの重量減少が起こった。一方、断熱層Ｃを用いると、最内断熱コップ内面にはアルミニウムを所定量含有する合金層が設けられているので、表面生成物のうち内側はクロム、ニッケルの酸化物が生成されたが、最表面の表面生成物は安定なＡｌ2 Ｏ3 被膜であったため、繰り返しＨＩＰ処理を行っても断熱層全体としての重量変化はほとんどなかった。
【００２５】
なお、上記実施例では、最内側の断熱コップ２０ｃの内面にのみ合金層を設けたが、外面にも合金層を設けるとなおよい。また、ヒータ保持台、製品載置台についても、酸化により安定なＡｌ2 Ｏ3 を生成するような合金層を表面に設けることは、耐酸化性の点から好ましい。
また、上記実施例では、断熱層は倒立コップ形状の断熱コップ２０ａ、２０ｂ、２０ｃから構成されたが、本発明のＨＩＰ装置は複数の金属製断熱コップを備えていればよい。また、断熱コップ間に充填された断熱材繊維１９等は、別に充填しなくてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のＨＩＰ装置は、金属製断熱層の表面に合金層を設けるだけなので、断熱層全体がぶ厚くならず、小型化に対応できる。そして、合金層は高温酸化性の雰囲気で酸化されて安定なＡｌ2 Ｏ3 の保護膜が生成されるので、耐酸化性に優れている。
【００２７】
しかも、生成されるＡｌ2 Ｏ3 の酸化膜は、断熱層を構成する金属との熱膨張率との差異からひびが入ったりすることがあっても、あらたに表面に露出する合金層の酸化により新たなＡｌ2 Ｏ3 の被膜が生成されることから、繰り返し行うＨＩＰ処理に対しても長期にわたって安定なＡｌ2 Ｏ3 被膜を維持できるので、装置の長寿命化に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】                                                    ，本発明一実施例に係るＨＩＰ装置の断面模式図である。
【図２】図１のＨＩＰ装置の断熱層の部分拡大図である。
【図３】本発明の他の実施例に係るＨＩＰ装置の断熱層の部分拡大図である。
【図４】従来のＨＩＰ装置の断面模式図である。
【図５】図４のＨＩＰ装置の断熱層の部分拡大図である。
【符号の説明】
１５  断熱層
２０ａ  断熱コップ
２０ｂ  断熱コップ
２０ｃ  断熱コップ
２１  合金層
【図１】
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【図２】
0003758196.tif 000006
【図３】
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【図４】
0003758196.tif 000008
【図５】
0003758196.tif 000009