 第 1８回通電焼結研究会（旧称：SPS 研究会）
・平成２５年 12 月５-６日
・宮城県仙台市 東北大学金属材料研究所 講堂

最近のＳＰＳ情報およびＳＰＳ接合技術
株式会社エヌジェーエス鴇田 正雄

１．はじめに放電プラズマ焼結（SPS）技術の進歩・普及は SPS 装置ハードウェアに大きく依存する。学術研究用には多種多様な専門的 SPS 装置、産業界向けへは最終製品の製造コストを重視した生産システム装置が共に第五世代の「カスタム SPS」とし登場し技術普及を加速しつつある。SPS 焼結法の評価は近年日本のみならず米国・欧州・中国・アジア諸国、更に・BRICs のブラジル・ロシア・インドなどへも広まり全世界的に高まってきた。これらを背景に 2013 年 5 月 20-22 日モスクワで「第 1 回日露 SPS ワークショップ」の国際会議を開催した。パルス通電による新たな研究の萌芽も随所に見受けられ、一方国内では SPS 接合法の応用技術が進んできている。
本講演ではこれら最近の SPS 技術動向について紹介する。

２．第 1 回日露 SPS ワークショップ in MOSCOW
５月ロシア/モスクワで「第 1 回日露 SPS ワークショップ（“Advanced Technologies of Electromagnetic Field
Assisted Consolidation of Materials”)」が Hotel Milano にて開催された。モスクワ工業物理大学（MEPHI）、ロシア科学アカデミー、ニジニノブゴロド大学、ヨッフェ物理研究所その他約 60 名の参加者 22 件の発表があり活発な討論が行われた。日本からは、SPS 研究会会長・東北大学金属材料研究所後藤教授、（独）物質・材料研究機構つくば NIMS 目（サッカ）博士が日本の最先端 SPS（ECAS)技術について招待講演を行い、NJS/シンターランド社鴇田が SPS（ECAS)の冒頭講演を行った。今後、日露の SPS 技術交流が活発化されていくことが大いに期待されている。ロシア MEPHI Prof.E.G.Grigoryev 米国ｻﾝﾃﾞｨｴｺﾞ大学
Prof.E.A.Olevsky らから High-voltage electric pulse consolidation=Flash Sintering（FS）技術の発表があった。
この分野は５年程前から研究者が増え興味深い傾向である。同大学にて FS 装置の見学も行った。ジャパックス社における”第 1 世代の SPS（放電焼結加工)”で様々なパルス電流発生の方法が試みられている 1）,2）。

瞬間緻密化焼結法(Flash Sintering)はそのひとつである。1960 年代世界に先駆け「Flash sintering」はジャッパックス Dr.井上社長と東工大学長（当時教授）齋藤進六先生が研究を行った。「単発大電流を瞬間的に被加工材料へ流し瞬時（数秒で）に緻密化焼結を行う」手法である。原理は放電エネルギーW=1/2CV2の関係から大容量コンデンサー（数百μF ファラッド）へ低電圧（1~10KV)で充電し短絡回路で大電流を印加する。もうひとつは小容量（100μF 以下程度）のコンデンサーに高電圧（20~50KV)充電し大電流を発生させる方式がある。当時ジャパックスでは前者の方式を選択していた。また同様の回路を使って高電圧放電現象の観測、放電衝撃圧力成形や電磁成形法などの研究開発も行っていた。1968 年米国ロッキードミサイル社へ放電焼結の技術輸出は日刊工業新聞記事「～数秒で」の記述の FS ﾍﾞｰｽであった。現在
この FS 技術について日本ではさほど注目されていないが、海外ではロシア、米国、ポーランド、インド、イタリーなど研究者が増え論文もでてきている 3）。日本では NIMS の海外研究者が手掛けていた。

図 1 第 1 回日露 SPS ワークショップ（左：モスクワ工業物理大学入口にて 右：開催プログラム）

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図２ 第 1 回日露 SPS ワークショップ講演プログラムとタイムスケジュール

2３．SPS 接合法の現状
3.1 概要図 2 に SPS 接合法の通電基本形のクローズド方式とオープン方式を示す。固相拡散接合が容易にできる SPS 接合法は従来の接合法に属さない新しい接合方法で①粉体と粉体②粉体と固体③固体と固体④箔
体と箔体⑤箔体と固体⑥箔体と粉体の組み合わせ自由で、同時焼結接合,傾斜接合および固体接合が可能である 4),5)。表 1 はその種類と特徴をまとめたものである。従来接合法である[I]機械接合法, [II]接着剤法
および[III]化学的接合法では、異種材料接合問題の要因に材料物性差(熱膨張係数,弾性係数,材料強度,原子結合様式,高温物性)および接合面現象(濡れ,拡散,生成物強度,界面構造)などが挙げられてきた。良質の接合材を作製するには、強固な接合界面をいかに形成するか、熱膨張差,弾性差に起因する残留応力をいかに緩和するかが重要である。パルス通電の SPS 接合法を応用するとこれら諸問題の解決策を見出すことができる。

図 2 SPS 接合法の基本通電経路（左:クローズド方式 右:オープン方式）
表 1．SPS 接合法の種類と特徴

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3.2 SPS 接合法の応用例
SPS固相拡散接合法の特徴的な最近の代表応用事例を以下に示す。健全な大形状接合体が確実に得られるようになったことは近年の重要な技術進歩である。図3写真①の大形アルミブロックサンプルは外形寸法300mm x300mm上下２枚の大形アルミ材料が、SPS接合法により一体化された例である。サンプル写真
上面のラインはフライス加工によって生じた機械切削痕跡で接合時のパーティング合せ面では無い。写真②は曲がり穴流路構造を内臓したφ230x45ｍｍｔ大形水冷盤(SUSステンレス鋼)の例である。接合体ブロック上面の白色線蛇行形状部分に、予めSUS本体内面部の上下半割面を機械切削で加工した曲がり溝部を示す。この溝とSPS接合により連続曲がり孔の密閉流路を形成できる。接合後Heガスによる漏れ検査でもリークは無い。２ｹ所の黒色チューブはIN/OUT配管口取り付け部である。このアルミ構造体は電気自動車搭載用パワーデバイス冷却盤その他各種モータや電子機器の高効率冷却ユニットとし実用が期待されている。その他写真例については講演時に紹介する。

⑤①②③④⑥

図 3．SPS 固相拡散接合の応用例

44 まとめSPS 技術は「焼結」「接合」「表面改質」「合成」の四分野にまたがる材料プロセスである。
まず“第三世代の SPS”により学術界で各プロセス分野における有効な新しい加工手段であることが実証された。次に“第四世代の SPS”では、産業界に有効なあるレベルでの生産手段・基盤技術になり得る位置づけが実証された。この技術を汎用的レベルへ引き上げることが“第五世代の SPS”以降の方向性といえる。SPS 技術は SPS 装置システム（ハードウェア）と加工技術（ソフトウェア）と粉体技術を三位一体に考え夫々最適化を図るべく研究開発を進める技術である。加えて、今後は用途開発が重要であり、既存技術や生産技術・ノウハウなどを併せ理解し融合させることで真の製造技術へ発展していくものと思われる。新しい SPS 装置の出現は新しい材料研究領域を拡張し、新先進材料の創製方法の発見が次の新しい SPS 装置と製造システムを生み出す。その道のりは長いが途切れることのない材料加工と装置データ蓄積および改良努力が必要である。また、例えば Flash Sintering に見られるように、先人の蒔いた種のかつての着想から有用な新技術が再び発見される可能性も大きい 6),7)。SPS 接合法についても今日の市場デマンドと量産コストに見合った新方式が近い将来登場してくることが期待されている。
【参考文献】
1) 井上潔、滝口幸男：電気加工法 理工学社 P85-92 (1969)

2) S.Saito and A.Sawaoka: Powder Metallurgy Int., 7 P70- (1973)
3) E.G.Grigoryev,.E.A.Olevsky: Proceedings of. Powder Metallurgy of World Congress 2012, 18B-S-29(2012)
4) Y.Miyasaka, M.Tokita, H.Karasawa, F.Nishiyama: U.S.Patent No.US6,515,250B2 (2003)
5) 鴇田正雄：溶接学会誌 第 73 巻 第 4 号 P40-47(2004)
6) S. Grasso, Y. Sakka and G. Maizza: Science and Technology of Advanced Materials, 10 (2009) 053001 (24pp)
7) M.Tokita: Advanced Ceramics Handbook 2nd Edition, Academic Press Elsevier Inc., pp1149–77(2013)5