\粉末冶金の基礎ものづくり基礎講座人第44回技術セミナー 『金属の魅力をみなおそう』第二弾プロセス技術編第五回』東北大学金属材料研究所正橋直哉O H (O K U N I V E R S I T Y masahasi@@imr.tohoku.ac.jp U N I V E R S I T Y 2015. Oct. 9 14:05~14:35クリエイション・写ア東大阪南館3階技術交流室A Kansai Center粉は米＋分(分ける)＝粉(米を粉にする)で、米を粉にする動作から創られた漢字。粉々に砕く事を粉砕、おしろいを塗り飾る事を粉飾、細かい粉を粉末、粉を重ねて強調した言葉は粉々、等BC3,000年頃サドルカーンで麦を挽く人(出典:古代オリエント博物館図録より)粘土(xM₂O·yAl₂O₃·zSiO₂·nH₂O )長石((Na,K,Ca,Ba)(Si,Al), O ,陶石(SiO₂ Al₂O₃ K₂O),石灰(CaCO₃)石英(SiO₂)、石灰(CaCO₃)ソーダ灰(Na₂CO₃)等ホウカチタン(TiB₂)チタン酸バリウム(BaTiO¸)コﾞルフクラブのヘットﾞタイル粉末を固めてかたまり(バルク)にして所望の製品へ仕上げる⇒成型・焼結ガラスKansai Center
粉末治金の特徴①成形性成形後の加工が不要（ニアネットシェイプ）であると同時に、複雑な形状にまで成形できる。 ②組成自由度：金属粉末の配合を自由に組み合わせることが可能なため、様々な特性を持たせた部品を作ることができる。 ③軽量性:気孔を内包するため、密度が真密度より小さくなるために部品重量を低減できる。 ④潤滑性:金属粉末間の隙間である「気孔」に油（潤滑油）を浸み込ませることができ（含油軸受）、効率の良い潤滑が可能。 ⑤省エネ性:金型に充填した粉末は押し固められて製品形状になり素材のロスが小さく、省原料・省エネルギーが可能。一般的な粉体名称と粒径
①　金型成形時ダイとパンチで構成される四部への粉末充填は自重による自然落下が原則（流動性） ②ダイとパンチのクリアランスへの粉末の漏れは、ダイへの粉末の焼付きを引き起こす。 ☞主体となる金属粉末の粒径は、概ね45~100μmの間の粉末が出発点金属粉末の製造方法金属粉末製造方法
日本粉末冶金工業会HP (http://www.jpma.gr.jp/technology/material/)
安息角の定義(粉体を積上げた時、自発的に崩れることのない斜面の最大角度)、 (a) (b) 粒径5 μmのPMMA粒子と、(c)粒径15 nmのTiO,で被覆したPMMA粒子の流動性
ファン・デル・ワールスカから計算は粉体層の強度低下が原因で、微小粒子
カール・ヴェルスバッハ(1858- 1929).ウイリアム・クーリッジ(1873-1975) 1820年：最初の電燈（Ptフィラメント） 1879年：エジソンが竹で炭素フィラメント作製1897年：ヴェルスバッハがOsフイラメント作製化学沈殿法で作ったOs粉を糖蜜でペースト状にして押出し、乾燥後、加熱して糖蜜を分解し電流を通してCの分解後、Osを焼結。 1908年：クーリッジがWフイラメント作製W粉末を小塊に加圧成型後、H,気流中で加熱焼結し、高温鍛造で成型し、徐々に温度を下げ最後は常温で線引き加工ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう第5回粉末冶金』 2015 Oct 9 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所正橋直哉タングステンの特徴密度： 19.25 g/cm³融点：3,422 °Cそ車しハす金属で最高沸点：5,555 °C ☞ Relこ次ぐ蒸気圧： 10-2 Pa ☞使い(3,000°C)比抵抗: 5.5µΩ•cm &高いKansai Center頭北大学合体粒子の界面で原子拡散が増長隣接粒子が合体し結晶粒を形成焼結では粉末の凝集凝着による表面積減少により、系の自由エネルギーが減少する●体拡散(青線)内部から自由表面に拡散)表面拡散(赤線)表面に沿って接合部に拡散●ネック部は成長(緑線)空隙は精小Kansai Center (a) 蒸発・凝縮機構による焼結二粒子の中心間の距離は不変でネックが拡大☞蒸気圧の低い負の曲率のネック部に、平衡蒸気圧の高い粒子表面から気相拡散し、物質移動が起こる。この場合、粒子の結合が起こっても収縮は起こらない。 (b) 拡散機構による焼結中心間距離は減少し焼結体の収縮がおこる☞空孔濃度の高いネック部と空孔濃度の低い粒子間で物質がネック部に移動する。 (c) 粘性流動または可塑流動機構による焼結表面張力や偏圧のような外力を駆動力とした物質移動で、外力に比例した変形流動となる。
気孔が粒界から離れると①ピン止め効果が低下し粒径が粗大化する（小さい気孔を粒界に残す） ②気孔の収縮が難しくなる(最終的には気孔を限りなく収縮させる) ld加熱工程の操作が重要
温度/ ℃表面積の大きい粉末では拡散速度の大きい表面拡散が安配的温度/ ℃塑性歪の増加によい原子拡散は促進粉末治金の課題(1)機械的性質：見掛密度が真密度よりも低いため、機械的性質が劣る②サイス制限：大型形状の製造が困難。 ③ 表面酸化：粉末表面の酸化皮膜が問題になることがある。焼結温度と気孔率Ti45Al5Nb+Zr成形体の気孔率の焼結温度依存性焼結温度が高い程、気孔率は減少by成形体内部の気孔Ti6Al4V成形後にHIP(a)、熱処理(b)を施したときの気孔& HIP処理を施することで気孔は減少
diffe大学生粒子内の気孔粒子間の空隙圧力が高くなると粒子間の空隙：サイズと量が減少粒子内気孔：サイズは僅かに減少単!一分布に変化する粒子間の空隙：埋められる粒子内気孔：圧密されて気孔径減少J. Am. Ceram. Soc.78(1995)49  57 CP圧力の増加粒子の変形と合体が促進されるが、破壊は観察されず、空隙サイズの現象が確認できるCIP圧力の増加により空隙サイズと量が減少HIPホットプレスHIP:Hot Isostatic Pressing (熱間等方圧加圧法)数100~2000℃C/数10~200MPa Ar等のガスを圧力媒体
http://www.kobelco.co.jp/machinery/products/ip/technology/hip.html Kansai Center金属表面では、電子が内部に引き込まれるため存在確率は低く、金属中の電子が非局在化せず不安定な準位となる金属の表面状態はエネルギー的に不安定で、本来反応が起こい易い金属の酸化物生成自由エネルギーは正で、本来酸化し易いKansai Center圧力と密度の関係b酸素量の増加と共に密度は低下酸素量と機械的性質の関係b酸素量の増加と共に強度も伸びも低下J. Japan Soc. Powder Powder Metall.23(1976)11-19
SPS(Spark Plasma Sintering) PAS(Plasma Activated Sintering)低電圧でパルス状電流を印加し、放電により発生するエネルギーを駆動力に拡散を促進させる焼結技術1910年代 金属粉体を直接通電発熱し焼結させる技術(Resistance Sintering)が提案Taylorの通電焼結特許が登録Kansai Center二酸化チタン光触媒の実用上の課題(1)弱い坦持力(2)バインダーの分解(3)可視光活性(4)低効率表ホットプレスとSPSによる焼結トライアル
SPS焼結材の吸収スペクトルSPS焼結材の接触角のUV照射時間変化Sanyo Technical Report Vol.22 (2015) 62 http://www.steiner3d.ch/en/3d-systems/3d-printer/ spro-250-direct-metal-production-3d-printer.html http://gpiprototype.com/main-pages/gallery-new.html 3D造形用粉末に要求される特性流動性：粉末の積層や搬送に必要(D高純度:造形時のガス発生抑制と造形材の高機能化2真球性：充填化や流動性の促進に有利(3)成分均一性：造形材の特性の健全化(4)
①フィラメントからの放出電子は陽極を通って加速し、コイル・回折レンズにより走査される。 ②熱電子はパウダーベッドに照射された時の運動エネルギーを熱変換し粉末を加熱・溶融する。 ③目的造形物の3DCADデータの2Dスライスデータを基に、選択的に溶融する。 ④ステージが一層分のみ降下し、パウダーホッパーからレーキアームを用いて新たなパウダーベッドを形成する。 ⑤以上の過程を繰り返し、2Dスライスデータの溶融層を積層し、製品形状に成形する。 http://www.arcam.com/technology/electron-beam-melting/ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう第1回圧延』 2014. une 5  14:05~14:35 東北大学金属材料研究所正橋直哉東北大学無料東北大学金属材料研究所附属研究施設関西センター Kansai Center KANSAI CENTER for Industrial Materials Research. Institute for Materials Research, Tohoku Univ.