放電プラズマ焼結法による粉体押出し成形
同志社大学 理工学部 機械システム工学科
准教授 藤原 弘（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012023）
キーワード：メカニカルミリング，チタンアルミ合金，調和組織材料

１．研究の目的と背景複合 MM 粉末を作製した．この Ti-Al/Ti 複合 MM 粉末を図

放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering: SPS）法1 の模式図に示すようにグラファイト製のパンチ-ダイセは，特殊なパルス電圧・電流を印加することにより金属まットに封入し，住友石炭鉱業社製 SPS 装置（SPS-510L）にたはセラミックス粉末を一軸加圧により固化成形する固よって押出し焼結を行った．焼結温度 1073 K まで昇温し，体圧縮焼結法である．加圧方向と垂直方向では成形性に自昇温後に 100 MPa まで加圧することで，上部パンチのφ5由度があり様々な形状の板状焼結体を作製できるが，加圧mm の穴から上部の穴付スペーサー（内径φ7 mm）の内部方向に対しての形状制御に関する報告は少ない．本研究でに押し出すようにして，Ti-Al/Ti 複合調和組織材の押出は，Ti-Al 合金粉末を利用して，SPS の加圧軸方向に押出し焼結体を作製した．

し加工および焼結を同時に行う粉体押出し成形について詳細に検討を行った．
Ti– Al 合金は軽量耐熱材料として期待されているが，室温延性が乏しいため，利用範囲が限られている．常温での Ti– Al 合金の機械的性質を改善させる手法として，メカニカルミリング(Mechanical Milling: MM)と SPS 法の組み合わせによる調和組織制御が知られている 1,2)．調和組織制御とは，延性に富む粗大結晶粒の周りに高強度な微細結晶粒をネットワーク状に配置させる組織制御であり，高強度かつ高延性を示すことが知られている 1,2)．ネットワーク部に Ti– 48mol%Al 合金を，そして分散部に純 Ti を配置した Ti– 48mol%Al/純 Ti 複合調和組織材料は，従来の Ti– 48mol%Al 合金焼結体より高強度かつ高延性を示すことを著者らは明らかにした 3,4)．しかしながら，これまでの SPS の焼結体形状はディスク状のみであり，今後の応用に際して利用範囲が限定される．一方で，阿部ら 5)はこのようなディスク状焼結体を再び SPS 内での超塑性押出し加工によりアスペクト比の大きなエンジンバルブ状 Ti– Al 合金成形体を作製している．そこで本研究では，SPS内で焼結と押出しを同時に行うことができる押出し焼結を考案し，Ti– 48mol%Al/純 Ti 複合調和組織材料の棒状焼結体の作製およびその微細組織と機械的性質について調査を行った．

図１グラファイト製押出し焼結用パンチ‐ダイセットの模式図

２．実験方法
本研究では，平均粒子径 200 µm の純 Ti 粉末（純度 99.8%，

本実験で用いた上部パンチと下部パンチの詳細な形状

福田金属箔粉工業社製）と平均粒子径 260 µm の Ti-48を図 2(a),(b)にそれぞれ示す．また，押出し焼結時の詳細

mol%Al（以後，Ti-Al とする）合金粉末（福田金属箔粉工な温度および圧力履歴を図 3 に示す．この押出し焼結では業社製）を用いた．FRITSCH 社製遊星型ボールミル装置昇温後の加圧速度（平均 0.1 MPa/s）が重要であり，早す（P-6）を用いて，SKD11 製のミリング容器で Ti-Al 合金ぎるとグラファイト製のダイが破損する．また，比較用材粉末と SUJ2 製ボールを 54 ks の MM 処理を行い，平均粒子料として，焼結温度 1073 K，3.6ks 保持，圧力 100MPa

径 80.5 µm の Ti-Al 合金粉末を得た 3)．次に，得られたの条件で従来 SPS 法によるφ15 mm のディスク状のTi-Al 合金 MM 粉末と純 Ti 粉末を Ti-Al 体積率が 16.5 vol%Ti-Al/Ti 複合調和組織焼結体も作製した．焼結体は日本電となるように混合し，36 ks の MM 処理を行い，Ti-Al/Ti

子 社 製 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 （ Scanning ElectronMicroscopy: SEM, JSM-7001FD）およびエネルギー分散型 X 線 分 析 装 置 （ Energy Dispersive X-RaySpectrometer: EDS）解析を用いて微細組織観察を行い，相の同定にはリガク社製 X 線回折装置（Smart Lab）を用いた．機械的性質はマツザワ社製ビッカース硬さ試験（VMT-7）を用い，荷重 196.1 N，時間 10 s の条件で測定した．

図４ 押出し焼結体の外観写真

図２ 押出し焼結用上部（a）および下部（b）パンチの詳細（単位：mm）

図３ 押出し焼結時における温度および圧力履歴

３．研究成果図 3 に示すように焼結温度 1073 K，1.8 ks 保持，圧力100 MPa の条件で作製した押出し焼結体の外観写真を図4 に示す．断面形状がφ5 mm で長さ約 48 mm の円柱形状の押出し焼結体が得られた．

図５

押出し焼結体の SEM 組織写真

この焼結体を長手方向に切断し，押出し方向の先端部か先端部では硬さは低いことがわかる．これは図 5(a)に示す

ら内部にかけて SEM による観察を行った．図 5(a)に焼結ように焼結密度が十分ではないためである．そして，10体の押出し方向の先端部，(b)に先端から 5 mm 付近，(c)mm 付近から急激に上昇し，10 mm 以降では約 220 Hvに先端部から 10 mm 付近の SEM 反射電子像写真を示す．の一定の硬さを示す．また，円柱側面部と中心部において

図 5(a)では，ほとんど焼結されておらず，MM 粉末粒子硬さに違いはなかった．図 8 には，同じ 1073 K，1.8 ksの形状がそのまま観察される．図 5(b)では，焼結されてお保持，100 MPa の条件で SPS 焼結した従来の焼結体の平り Ti-Al/Ti 複合調和組織が観察されるが，多くのポアが観均硬さを破線で示しており，押出し焼結により作製した察される．図 5(c)では，ほとんどポアは観察されず緻密にTi-Al/Ti 複合調和組織材料は，従来の焼結体とほぼ同程度焼結されている．このように先端部から 10 mm 程度までの硬さを有することが明らかとなった．以上のことより，は密度の低い焼結体となっているが，10 mm 以降では十円柱状の押出し焼結体は，従来焼結体と同様な機械的特性分な密度を有する．図 5 に示すように押出し焼結によって3,4)を有することが期待できる．

作製された Ti-Al/Ti 複合調和組織は，従来の焼結体と比較してネットワーク構造が押出し方向に対して伸長した形状となっている．これは，上部パンチの押出し加工部の側面からの圧力による塑性変形の影響である．図 6 に示す X
線回折結果よりわかるように，この押出し焼結体は純 Ti，TiAl，Ti3Al から構成されていることがわかる．

図６

押出し焼結体の X 線回折結果

次に，押出し焼結体の EDS 結果を図 7 に示す．図 7(a)は，先端部より 10 mm 以降の断面 SEM 反射電子像写真
であり，(b)および(c)に Al および Ti の EDS 元素マッピング結果をそれぞれ示す．図 7(b)および(c)に示すように，Al 元素の分布は(a)の明るいコントラストのネットワーク領域に対応しており，Ti 元素の分布は暗いコントラストの分散領域で高濃度である．図 6，7 の結果より，TiAl お
よび Ti3Al 相は Ti-Al 合金としてネットワーク領域に存在しており，純 Ti は分散領域に存在していることがわかる．
このことから押出し焼結体はネットワーク構造が押出し方向に伸張しているが，従来の焼結体と同様な相構成のTi-Al/Ti 複合調和組織を有していることが確認できる．
次に，ビッカース硬さ試験により押出し焼結体の機械的性質を評価した．図 8 に，図 4 に示す押出し焼結体の先端部から長手方向の距離に伴うビッカース硬さの変化を示す．また，硬さは円柱形状の円柱側面近傍と中心部において測定し，側面部は□で中心部は○で示した．図 8 より

図 7 押出し焼結体の SEM 反射電子線像および EDS
元素マッピング結果

以上のように，放電プラズマ焼結装置を用いた押出し焼結は可能であり，得られる押出し焼結体の機械的性質は通常の焼結体とほぼ同じであることが明らかとなった．

謝辞
本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成により行われました．ここに謝意を表します．

参考文献
1)H. Fujiwara，R. Akada，A. Noro，Y. Yoshita and K.
Ameyama: Mater. Trans. 49 (2008) 90-96.
図 8 押出し焼結体のビッカース硬さ結果

2)T. Sekiguchi, K. Ono, H. Fujiwara and K. Ameyama:
Mater. Trans. 51(2010) 39-45.

４．結論
メカニカルミリング法および放電プラズマ焼結法を用い， Ti– 48mol%Al/純 Ti 複合調和組織材料の押出し焼結体を作製した．焼結温度 1073 K，1.8 ks 保持，100 MPaの条件で作製した押出し焼結体の形状は，φ5 mm×48mm の円柱形状を呈しており，押出し先端部より 10 mmまでは多くのポアを有し低硬度であるが，10 mm 以降は約 220 Hv の硬度を有する押出し焼結体が得られた．この円柱状の押出し焼結体は従来法によるディスク状焼結体とほぼ同程度の硬さを有していることが明らかとなった．

3)H. Fujiwara, T. Kawabata, H. Miyamoto and K. Ameyama:
Mater. Trans. 54(2013) 1619-1623.
4)H. Fujiwara, R. Yoshida, H. Miyamoto and K. Ameyama:J. Jpn. Powder Powder Met. 60(2013) 413-419.
5)T. Abe, H. Hashimoto, Y. Saito, Y. Nishizawa and H.
Takeda: Materia Japan, 39(2000) 69-71.