JP2001212898A - 応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法 - Google Patents
応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】二つの異なる材料を母材とする焼結済みの材料
中の応力を緩和した応力緩和型傾斜機能材料を提供す
る。 【解決手段】応力緩和型傾斜機能材料は、表裏二つの面
が互いに異なる２種類の材料からなる層により構成さ
れ、両表面の層の中間に該２種類の材料の混合比の異な
った複数の層を有する。両表面の材料は緻密な組織に形
成され、両表面間の中間の少なくとも一つの層の材料は
ポーラスな組織に形成されている。
中の応力を緩和した応力緩和型傾斜機能材料を提供す
る。 【解決手段】応力緩和型傾斜機能材料は、表裏二つの面
が互いに異なる２種類の材料からなる層により構成さ
れ、両表面の層の中間に該２種類の材料の混合比の異な
った複数の層を有する。両表面の材料は緻密な組織に形
成され、両表面間の中間の少なくとも一つの層の材料は
ポーラスな組織に形成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、応力緩和型傾斜機
能材料及びその製造方法に関し、詳細には、材料の一方
の表面から他方の表面に近づくにしたがって材料の組成
が傾斜状態に変化すると共に材料内部の残留応力を軽減
した応力緩和型傾斜機能材料及びその材料を製造する方
法に関する。
能材料及びその製造方法に関し、詳細には、材料の一方
の表面から他方の表面に近づくにしたがって材料の組成
が傾斜状態に変化すると共に材料内部の残留応力を軽減
した応力緩和型傾斜機能材料及びその材料を製造する方
法に関する。
【０００２】近年通電焼結に改良が加えられ、例えば本
出願人により提案された放電プラズマ焼結、放電焼結或
いはプラズマ活性化焼結を含む、パルス電流を利用して
焼結を行うパルス通電加圧焼結により種々の材料を焼結
できるようになってきた。また、近年開発された上記通
電焼結方法によれば、本来接合が困難な異なる材質の材
料、例えばステンレス鋼と銅、セラミックと各種金属等
の材料を焼結により一体的に接合させることが可能にな
ってきた。この場合、１００％純粋の材料から成る二つ
の材料層を重ねて焼結して一体化するよりも、その二つ
の材料層の間に二つの材料の混合比を変えた層を複数設
けることによって、焼結品に傾斜機能性（焼結品の一方
の表面側から他方の表面側にその焼結品の特性が徐々に
変化している状態）を与えてその特性を一段と向上させ
ることが可能である。
出願人により提案された放電プラズマ焼結、放電焼結或
いはプラズマ活性化焼結を含む、パルス電流を利用して
焼結を行うパルス通電加圧焼結により種々の材料を焼結
できるようになってきた。また、近年開発された上記通
電焼結方法によれば、本来接合が困難な異なる材質の材
料、例えばステンレス鋼と銅、セラミックと各種金属等
の材料を焼結により一体的に接合させることが可能にな
ってきた。この場合、１００％純粋の材料から成る二つ
の材料層を重ねて焼結して一体化するよりも、その二つ
の材料層の間に二つの材料の混合比を変えた層を複数設
けることによって、焼結品に傾斜機能性（焼結品の一方
の表面側から他方の表面側にその焼結品の特性が徐々に
変化している状態）を与えてその特性を一段と向上させ
ることが可能である。
【０００３】上記のような材料は成分が材料の厚さ方向
に沿って徐々に変化しているため、隣接する層間で残留
する応力を、１００％異なる２種類の材料の層を互いに
隣接させて焼結した場合に比べて遙かに小さくできる
が、それでも使用する材料の種類或いは層の数によって
は焼結済みの傾斜機能材料内にかなりの残留応力が存在
する可能性がある。更に、そのような材料を機械その他
の構造材料として使用して加熱されたときに熱応力が増
加する可能性がある。
に沿って徐々に変化しているため、隣接する層間で残留
する応力を、１００％異なる２種類の材料の層を互いに
隣接させて焼結した場合に比べて遙かに小さくできる
が、それでも使用する材料の種類或いは層の数によって
は焼結済みの傾斜機能材料内にかなりの残留応力が存在
する可能性がある。更に、そのような材料を機械その他
の構造材料として使用して加熱されたときに熱応力が増
加する可能性がある。
【０００４】本発明が解決しようとする課題は、上記の
ような問題に鑑み成されたものであって、二つの異なる
材料を母材とする焼結済みの材料中の応力を緩和した応
力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法を提供すること
である。本発明が解決しようとする他の課題は、材料の
表面の層の組織を緻密化すると共に中間の層をポーラス
な組織とした応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法
を提供することである。本発明が解決しようとする別の
課題は、前記二つの異なる材料の一方がステンレス鋼で
あり、他方がセラミックスである応力緩和型傾斜機能材
料及びその製造方法を提供することである。
ような問題に鑑み成されたものであって、二つの異なる
材料を母材とする焼結済みの材料中の応力を緩和した応
力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法を提供すること
である。本発明が解決しようとする他の課題は、材料の
表面の層の組織を緻密化すると共に中間の層をポーラス
な組織とした応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法
を提供することである。本発明が解決しようとする別の
課題は、前記二つの異なる材料の一方がステンレス鋼で
あり、他方がセラミックスである応力緩和型傾斜機能材
料及びその製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本願の一つの発明は、表
裏二つの面が互いに異なる２種類の材料からなる層によ
り構成され、両表面の層の中間に該２種類の材料を混合
した材料の複数の層を有する応力緩和型傾斜機能材料に
おいて、該両表面の層の材料を緻密な組織に形成し、両
表面の層の間にある少なくとも一つの層をポーラスな組
織に形成して構成されている。上記応力緩和型傾斜機能
材料において、中間の層が２種類の材料の混合比が異な
る材料から成る複数の層からなり、その複数の層の一部
の層のポーラスの程度を互いに異ならせてもよく、中間
の一部の層が３以上の奇数の層をから成り、その奇数の
層の中央の層のポーラスの程度を高くし、その両側の層
のポーラスの程度を中央の層のポーラスの程度より低く
してもよい。更に、２種類の材料の一方がセラミックス
であり、他方がステンレス鋼であってもよく、そのセラ
ミックスがＺｒＯ2（３Ｙ）であり、ステンレス鋼がＳ
ＵＳ４１０Ｌであっても良い。更にまた、セラミックス
として２０体積％のアルミナを含むＺｒＯ2（３Ｙ）で
あってもよい。
裏二つの面が互いに異なる２種類の材料からなる層によ
り構成され、両表面の層の中間に該２種類の材料を混合
した材料の複数の層を有する応力緩和型傾斜機能材料に
おいて、該両表面の層の材料を緻密な組織に形成し、両
表面の層の間にある少なくとも一つの層をポーラスな組
織に形成して構成されている。上記応力緩和型傾斜機能
材料において、中間の層が２種類の材料の混合比が異な
る材料から成る複数の層からなり、その複数の層の一部
の層のポーラスの程度を互いに異ならせてもよく、中間
の一部の層が３以上の奇数の層をから成り、その奇数の
層の中央の層のポーラスの程度を高くし、その両側の層
のポーラスの程度を中央の層のポーラスの程度より低く
してもよい。更に、２種類の材料の一方がセラミックス
であり、他方がステンレス鋼であってもよく、そのセラ
ミックスがＺｒＯ2（３Ｙ）であり、ステンレス鋼がＳ
ＵＳ４１０Ｌであっても良い。更にまた、セラミックス
として２０体積％のアルミナを含むＺｒＯ2（３Ｙ）で
あってもよい。
【０００６】本願の他の発明は、表裏二つの面が互いに
異なる２種類の材料からなる層により構成され、両表面
の層の中間に該２種類の材料の混合した材料の複数の層
を有する応力緩和型傾斜機能材料を製造する方法におい
て、焼結型の穴内に挿入された下プレスコアを、その上
面が焼結型の上面から所望の深さになるように位置決め
した後、該穴内には該下プレスコアの上に前記２種類の
材料のうち一方の材料１００％から成る粉末材料を層状
に充填して一方の表面粉末材料層を形成することと、粉
末材料の１回の充填量に対応させて該焼結型に関して下
プレスコアの位置を順次下げながら、該２種類の材料の
混合比の異なる複数の種類の混合粉末材料を該焼結型内
の該一方の表面粉末材料層の上に層状に順次充填するこ
とと、該焼結型内の該混合粉末材料の層の上に前記２種
類の材料の他方の材料１００％から成る粉末材料を層状
に充填して他方の表面粉末材料層を形成することと、該
混合粉末材料の少なくとも１層の粉末材料の粒径を該表
面粉末材料層の粉末材料の粒径より大きくすることと、
該粉末材料層を所定の圧力で予備加圧することと、該焼
結型の穴内に該他方の表面粉末材料層の上から上プレス
コアを挿入することと、該焼結型を上下プレスコアと共
に通電焼結機にセットして該上下プレスコアに所望の圧
力を加えると共に該上下プレスコア及び焼結型にパルス
電流を流して焼結することと、を備えて構成されてい
る。上記方法において、該表面粉末材料層の粉末材料の
粒径が大きい粉末材料の層を３以上の奇数の層とし、中
央の層の粉末材料の粒径を最も大きくし、その中央の層
の両側の粉末材料の粒径を中央の層の粉末材料の粒径と
表面層の粉末材料の粒径との間の粒径としてもよい。ま
た、粉末材料の層の予備加圧を粉末材料を１層充填する
毎に行っても、或いは２又は３層充填する毎に行っても
よい。
異なる２種類の材料からなる層により構成され、両表面
の層の中間に該２種類の材料の混合した材料の複数の層
を有する応力緩和型傾斜機能材料を製造する方法におい
て、焼結型の穴内に挿入された下プレスコアを、その上
面が焼結型の上面から所望の深さになるように位置決め
した後、該穴内には該下プレスコアの上に前記２種類の
材料のうち一方の材料１００％から成る粉末材料を層状
に充填して一方の表面粉末材料層を形成することと、粉
末材料の１回の充填量に対応させて該焼結型に関して下
プレスコアの位置を順次下げながら、該２種類の材料の
混合比の異なる複数の種類の混合粉末材料を該焼結型内
の該一方の表面粉末材料層の上に層状に順次充填するこ
とと、該焼結型内の該混合粉末材料の層の上に前記２種
類の材料の他方の材料１００％から成る粉末材料を層状
に充填して他方の表面粉末材料層を形成することと、該
混合粉末材料の少なくとも１層の粉末材料の粒径を該表
面粉末材料層の粉末材料の粒径より大きくすることと、
該粉末材料層を所定の圧力で予備加圧することと、該焼
結型の穴内に該他方の表面粉末材料層の上から上プレス
コアを挿入することと、該焼結型を上下プレスコアと共
に通電焼結機にセットして該上下プレスコアに所望の圧
力を加えると共に該上下プレスコア及び焼結型にパルス
電流を流して焼結することと、を備えて構成されてい
る。上記方法において、該表面粉末材料層の粉末材料の
粒径が大きい粉末材料の層を３以上の奇数の層とし、中
央の層の粉末材料の粒径を最も大きくし、その中央の層
の両側の粉末材料の粒径を中央の層の粉末材料の粒径と
表面層の粉末材料の粒径との間の粒径としてもよい。ま
た、粉末材料の層の予備加圧を粉末材料を１層充填する
毎に行っても、或いは２又は３層充填する毎に行っても
よい。
【０００７】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。まず、焼結型内へ粉末材料を複数の層状に
充填する方法について図１を参照して説明する。 （１）まず、図１［Ａ］に示されるように貫通する穴
２、外周の直径が大きい大径部分３、その大径部３から
軸方向（図１で上方向）に隔てられている外径が小さい
小径部４及びそれらの間のテーパー部５を有する中空筒
形の焼結型１を用意し、その穴２内には焼結型１の下部
側から下プレスコア８を予め挿入しておく。この焼結型
及び下プレスコアは、グラファイトのようなパルス通電
焼結に適した材料でつくられる。なお、焼結型の穴内へ
の下プレスコアの挿入を密に行って、単に型を持って移
動しただけで下プレスコアが焼結型から落下しないよう
にする。 （２）次に焼結型を固定した状態で下プレスコア８を押
し上げロッドａにより押し上げて、図１［Ｂ］に示され
るように、焼結型１（焼結型はこのとき固定保持され
る）に関して相対的に上方向に移動させ、下プレスコア
８の上面が焼結型１の上面６から所定の深さの位置にな
ったとき下プレスコアの移動を停止する。この深さは焼
結型に充填する粉体の量又は層厚によって決定される。 （３）その後、図１［Ｃ］示されるように、摺り切り式
の粉体装填機構の中に粉末材料が充填されたホッパｈ
を、焼結型の上面で移動することにより焼結型及び下プ
レスコアによって画成された隙間ｇ内に粉末材料ｊを装
填する。粉末材料ｊの装填が完了した時点では隙間ｇ内
に装填された粉末材料の上面と焼結型１の上面６とは面
一になっている。 （４）次に、図１［Ｄ］に示されるように、下プレスコ
ア８を下プレスロッドａで下から支えながら装填された
粉体を上プレスロッドｂにより下方に所望の圧力でプレ
スする。もちろん、この圧力は装填される粉末材料粉体
の材質、粒径などにより異なるが、後で行われる焼結作
業により最適の燒結品ができ上がるように決定される。 （５）混合比及び粒径の少なくとも一つが異なる複数種
類の粉末材料を複数の層にして焼結型１内に充填する場
合には、前記（４）において焼結型内に装填された粉末
材料のプレスが完了した後に、図１［Ｅ］に示されるよ
うに、装填された粉末材料及び上、下プレスロッドを次
の装填の層厚に対応した量だけ焼結型に関して相対的に
下方に移動させて、前に装填された粉末材料の上表面を
上面６から所望の深さの位置にし（次の装填量によって
決定される）、異なる種類の粉末材料が充填されたホッ
パを使用して上記（３）及び（４）の操作を行う。以下
同様の操作を繰り返して行って複数の層を充填する（図
１［Ｆ］）。 （６）焼結型１への最後の粉末材料の層の装填が完了し
て粉末材料のプレスを行うのと同時に或いはその後に下
プレスロッドａ、下プレスコア８、装填された粉末材料
及び上プレスロッドｂをその焼結型に関して相対的に下
方に移動して粉体を焼結型内の所望の位置に（例えば、
粉末材料の全ての層が焼結型のテーパー部に位置するよ
うに）位置決めし、その後図１［Ｇ］に示されるよう
に、焼結型の穴２内には上部側からぐらふぁいとのよう
な通電性の有する材料でつくられた上プレスコア９が挿
入される。これにより焼結型内への粉体の充填が完了す
る。なお、プレスは各層の装填毎に行っても、２層又は
３層装填した毎に行ってもよい。更に、プレスすること
によってプレス後の層厚は装填した直後の層厚より薄く
なるので、充填は層厚の減少分を考慮して行う。なお、
粉末材料の焼結型への自動充填については、本出願人に
よる特願平１１−９３３３５号に詳細に示されている。
また、直径３０ｍｍ以下の小面積については粉体の充填
方法は自動充填でなく手作業でもよい。
て説明する。まず、焼結型内へ粉末材料を複数の層状に
充填する方法について図１を参照して説明する。 （１）まず、図１［Ａ］に示されるように貫通する穴
２、外周の直径が大きい大径部分３、その大径部３から
軸方向（図１で上方向）に隔てられている外径が小さい
小径部４及びそれらの間のテーパー部５を有する中空筒
形の焼結型１を用意し、その穴２内には焼結型１の下部
側から下プレスコア８を予め挿入しておく。この焼結型
及び下プレスコアは、グラファイトのようなパルス通電
焼結に適した材料でつくられる。なお、焼結型の穴内へ
の下プレスコアの挿入を密に行って、単に型を持って移
動しただけで下プレスコアが焼結型から落下しないよう
にする。 （２）次に焼結型を固定した状態で下プレスコア８を押
し上げロッドａにより押し上げて、図１［Ｂ］に示され
るように、焼結型１（焼結型はこのとき固定保持され
る）に関して相対的に上方向に移動させ、下プレスコア
８の上面が焼結型１の上面６から所定の深さの位置にな
ったとき下プレスコアの移動を停止する。この深さは焼
結型に充填する粉体の量又は層厚によって決定される。 （３）その後、図１［Ｃ］示されるように、摺り切り式
の粉体装填機構の中に粉末材料が充填されたホッパｈ
を、焼結型の上面で移動することにより焼結型及び下プ
レスコアによって画成された隙間ｇ内に粉末材料ｊを装
填する。粉末材料ｊの装填が完了した時点では隙間ｇ内
に装填された粉末材料の上面と焼結型１の上面６とは面
一になっている。 （４）次に、図１［Ｄ］に示されるように、下プレスコ
ア８を下プレスロッドａで下から支えながら装填された
粉体を上プレスロッドｂにより下方に所望の圧力でプレ
スする。もちろん、この圧力は装填される粉末材料粉体
の材質、粒径などにより異なるが、後で行われる焼結作
業により最適の燒結品ができ上がるように決定される。 （５）混合比及び粒径の少なくとも一つが異なる複数種
類の粉末材料を複数の層にして焼結型１内に充填する場
合には、前記（４）において焼結型内に装填された粉末
材料のプレスが完了した後に、図１［Ｅ］に示されるよ
うに、装填された粉末材料及び上、下プレスロッドを次
の装填の層厚に対応した量だけ焼結型に関して相対的に
下方に移動させて、前に装填された粉末材料の上表面を
上面６から所望の深さの位置にし（次の装填量によって
決定される）、異なる種類の粉末材料が充填されたホッ
パを使用して上記（３）及び（４）の操作を行う。以下
同様の操作を繰り返して行って複数の層を充填する（図
１［Ｆ］）。 （６）焼結型１への最後の粉末材料の層の装填が完了し
て粉末材料のプレスを行うのと同時に或いはその後に下
プレスロッドａ、下プレスコア８、装填された粉末材料
及び上プレスロッドｂをその焼結型に関して相対的に下
方に移動して粉体を焼結型内の所望の位置に（例えば、
粉末材料の全ての層が焼結型のテーパー部に位置するよ
うに）位置決めし、その後図１［Ｇ］に示されるよう
に、焼結型の穴２内には上部側からぐらふぁいとのよう
な通電性の有する材料でつくられた上プレスコア９が挿
入される。これにより焼結型内への粉体の充填が完了す
る。なお、プレスは各層の装填毎に行っても、２層又は
３層装填した毎に行ってもよい。更に、プレスすること
によってプレス後の層厚は装填した直後の層厚より薄く
なるので、充填は層厚の減少分を考慮して行う。なお、
粉末材料の焼結型への自動充填については、本出願人に
よる特願平１１−９３３３５号に詳細に示されている。
また、直径３０ｍｍ以下の小面積については粉体の充填
方法は自動充填でなく手作業でもよい。
【０００８】次に、図２を参照してパルス通電焼結につ
いて簡単に説明する。上記のようにして粉末材料が複数
層にして充填された焼結型１は、図２に示されるよう
に、パルス通電焼結機１０の下部電極１１と上部電極１
２との間に配置され、下部電極により焼結型１と下プレ
スコア８の下側が支えられかつ上部電極１２により上プ
レスコア９が押さえられる。この状態上部電極を下部電
極に向かって所定の圧力で押圧することによって焼結型
内の粉末材料に所定の圧力を加えると共に両電極間に所
定の値のパルス電流を所定の間流し、焼結を行う。この
パルス通電焼結は真空雰囲気或いは不活性ガス雰囲気を
形成できるチャンバ（図示せず）内で行われる。このよ
うにして粉末材料の焼結が完了して焼結体がつくられ
る。焼結が完了すると焼結体は焼結型から抜き出され
る。
いて簡単に説明する。上記のようにして粉末材料が複数
層にして充填された焼結型１は、図２に示されるよう
に、パルス通電焼結機１０の下部電極１１と上部電極１
２との間に配置され、下部電極により焼結型１と下プレ
スコア８の下側が支えられかつ上部電極１２により上プ
レスコア９が押さえられる。この状態上部電極を下部電
極に向かって所定の圧力で押圧することによって焼結型
内の粉末材料に所定の圧力を加えると共に両電極間に所
定の値のパルス電流を所定の間流し、焼結を行う。この
パルス通電焼結は真空雰囲気或いは不活性ガス雰囲気を
形成できるチャンバ（図示せず）内で行われる。このよ
うにして粉末材料の焼結が完了して焼結体がつくられ
る。焼結が完了すると焼結体は焼結型から抜き出され
る。
【０００９】実施例１ 本実施例においては、まず、セラミックスとして工業的
に利用可能性が高い部分安定化ジルコニアＺｒＯ2（３
Ｙ）を選んだ。このＺｒＯ2（３Ｙ）は、ジルコニアＺ
ｒＯ2にＹ2Ｏ3を３ｍｏｌ％含む酸化物系であり、外部
応力に対して強い性質を有し、工業的に利用可能性が高
い。次に金属材料としては前記ステンレスとしてＺｒＯ
2（３Ｙ）との熱膨張率差、同時焼結の可否、焼結体の
強度等を考慮してＣｒ系でフェライト系のステンレス鋼
のＳＵＳ４１０Ｌを選んだ。そして、ＳＵＳ４１０Ｌ１
００％の粉末（平均粒子径９μｍ）材料と、サブミクロ
ン粒径のＺｒＯ2（３Ｙ）１００％の粉末材料とを用意
しかつＳＵＳ４１０Ｌ１００％の粉末（平均粒子径６０
μｍ）材料も別途用意した。次に、平均粒子径６０μｍ
のＳＵＳ４１０Ｌ及びサブミクロン粒径のＺｒＯ2（３
Ｙ）を用いて両者が５０％づつの混合（５０％−５０
％）粉末材料をつくると共に平均粒径９μｍのＳＵＳ４
１０Ｌ及び同じ粒径のＺｒＯ2（３Ｙ）の粉末材料の混
合比を変えた（５０％−５０％は除く）複数種類の混合
粉末材料をつくった。この実施例では、体積分率でＳＵ
Ｓ４１０Ｌ９０％でＺｒＯ2（３Ｙ）１０％からＳＵＳ
４１０Ｌ１０％でＺｒＯ2（３Ｙ）９０％まで１０％刻
みで混合比を変えた、上記５０％−５０％を除く８種類
の混合材料をつくった。これらの粉末材料を、前述の装
填方法により、図３に示す形状寸法を有する焼結型１の
穴２内に、ＳＵＳ４１０Ｌ１００％の粉末材料を最下層
にしてその上にＳＵＳ４１０Ｌの混合比の大きい混合粉
末材料から上記混合比の異なる９種類の混合粉末材料
を、更に最上部にＺｒＯ 2（３Ｙ）の粉末材料を順に層
状に充填した。したがって、層の数は全体で１１層にな
る。各層の厚さは平均粒径９μｍのＳＵＳ４１０Ｌ１０
０％及びＺｒＯ2（３Ｙ）１００％の粉末材料の層を層
厚３ｍｍとしその他の混合粉末材料の層は層厚１ｍｍと
し、平均粒子径６０μｍのＳＵＳ４１０Ｌ及びサブミク
ロン粒径のＺｒＯ2（３Ｙ）がそれぞれ５０％づつの混
合粉末材料の層厚は３ｍｍの不連続厚さを有する積層構
成とした。
に利用可能性が高い部分安定化ジルコニアＺｒＯ2（３
Ｙ）を選んだ。このＺｒＯ2（３Ｙ）は、ジルコニアＺ
ｒＯ2にＹ2Ｏ3を３ｍｏｌ％含む酸化物系であり、外部
応力に対して強い性質を有し、工業的に利用可能性が高
い。次に金属材料としては前記ステンレスとしてＺｒＯ
2（３Ｙ）との熱膨張率差、同時焼結の可否、焼結体の
強度等を考慮してＣｒ系でフェライト系のステンレス鋼
のＳＵＳ４１０Ｌを選んだ。そして、ＳＵＳ４１０Ｌ１
００％の粉末（平均粒子径９μｍ）材料と、サブミクロ
ン粒径のＺｒＯ2（３Ｙ）１００％の粉末材料とを用意
しかつＳＵＳ４１０Ｌ１００％の粉末（平均粒子径６０
μｍ）材料も別途用意した。次に、平均粒子径６０μｍ
のＳＵＳ４１０Ｌ及びサブミクロン粒径のＺｒＯ2（３
Ｙ）を用いて両者が５０％づつの混合（５０％−５０
％）粉末材料をつくると共に平均粒径９μｍのＳＵＳ４
１０Ｌ及び同じ粒径のＺｒＯ2（３Ｙ）の粉末材料の混
合比を変えた（５０％−５０％は除く）複数種類の混合
粉末材料をつくった。この実施例では、体積分率でＳＵ
Ｓ４１０Ｌ９０％でＺｒＯ2（３Ｙ）１０％からＳＵＳ
４１０Ｌ１０％でＺｒＯ2（３Ｙ）９０％まで１０％刻
みで混合比を変えた、上記５０％−５０％を除く８種類
の混合材料をつくった。これらの粉末材料を、前述の装
填方法により、図３に示す形状寸法を有する焼結型１の
穴２内に、ＳＵＳ４１０Ｌ１００％の粉末材料を最下層
にしてその上にＳＵＳ４１０Ｌの混合比の大きい混合粉
末材料から上記混合比の異なる９種類の混合粉末材料
を、更に最上部にＺｒＯ 2（３Ｙ）の粉末材料を順に層
状に充填した。したがって、層の数は全体で１１層にな
る。各層の厚さは平均粒径９μｍのＳＵＳ４１０Ｌ１０
０％及びＺｒＯ2（３Ｙ）１００％の粉末材料の層を層
厚３ｍｍとしその他の混合粉末材料の層は層厚１ｍｍと
し、平均粒子径６０μｍのＳＵＳ４１０Ｌ及びサブミク
ロン粒径のＺｒＯ2（３Ｙ）がそれぞれ５０％づつの混
合粉末材料の層厚は３ｍｍの不連続厚さを有する積層構
成とした。
【００１０】上記のようにして粉末材料の充填が完了し
た焼結型１を前述のようにパルス通電焼結機にセットし
て焼結を行った。加圧力は（１９０ｋｇｆ／ｃｍ2）
で、粉末材料の収縮がなくなるのを待って通電を開始し
た。パルス通電焼結温度は９５０℃で２５分で昇温し
た。保持時間はゼロでセラミックス側温度は１２７０℃
であった。その後６００℃まで３０分間焼結体を冷却し
た後、焼結体をチャンバから取り出した。この焼結によ
りつくられた焼結体の断面の一部を図４に示す。図４か
らも明らかなように、平均粒径９μｍのＳＵＳ４１０Ｌ
１００％及びＺｒＯ 2（３Ｙ）１００％の粉末材料によ
り形成された表面層Ｌ１及びＬ１１はそれぞれ単一材料
の緻密な組織になり、また平均粒径９μｍの混合粉末材
料により形成された層Ｌ２ないしＬ５及びＬ７ないしＬ
１０もそれぞれ緻密な組織になった。しかし平均粒径６
０μｍの５０％−５０％粉末材料で構成された中間の層
Ｌ６は多数の気孔のあるポーラス状組織に形成された。
この傾斜機能焼結体では層Ｌ６が応力を吸収するため全
体として応力緩和型傾斜機能材料になっている。このよ
うに粉末材料の粒径を大きくした層の焼結後の組織がポ
ーラスになるのは、パルス通電焼結によると焼結時間を
短く行え、かつ緻密化速度が粗粒と細粒との粒度差及び
中間混合層の不連続厚さに起因して異なり、５０％−５
０％層の緻密化が上下表面層に対して遅れるためであ
る。また、パルス通電による粒子表面でのミクロな火花
放電現象により生じる放電プラズマ、放電衝撃圧力など
による表面浄化活性化効果、ジュール熱による熱拡散効
果及び電場による電解拡散効果など粒子同士の間で粒子
形状を保ったまま互いに表面部分のみで溶着するような
形で接合し合うためである。なお、放電プラズマ焼結、
放電焼結及びプラズマ活性化焼結等のパルス通電焼結法
の原理及びそれらの基本構造は公知であり、本発明の方
法はこれら公知の構造の焼結機で実施できるので、それ
らに付いての詳細な説明は省略する。
た焼結型１を前述のようにパルス通電焼結機にセットし
て焼結を行った。加圧力は（１９０ｋｇｆ／ｃｍ2）
で、粉末材料の収縮がなくなるのを待って通電を開始し
た。パルス通電焼結温度は９５０℃で２５分で昇温し
た。保持時間はゼロでセラミックス側温度は１２７０℃
であった。その後６００℃まで３０分間焼結体を冷却し
た後、焼結体をチャンバから取り出した。この焼結によ
りつくられた焼結体の断面の一部を図４に示す。図４か
らも明らかなように、平均粒径９μｍのＳＵＳ４１０Ｌ
１００％及びＺｒＯ 2（３Ｙ）１００％の粉末材料によ
り形成された表面層Ｌ１及びＬ１１はそれぞれ単一材料
の緻密な組織になり、また平均粒径９μｍの混合粉末材
料により形成された層Ｌ２ないしＬ５及びＬ７ないしＬ
１０もそれぞれ緻密な組織になった。しかし平均粒径６
０μｍの５０％−５０％粉末材料で構成された中間の層
Ｌ６は多数の気孔のあるポーラス状組織に形成された。
この傾斜機能焼結体では層Ｌ６が応力を吸収するため全
体として応力緩和型傾斜機能材料になっている。このよ
うに粉末材料の粒径を大きくした層の焼結後の組織がポ
ーラスになるのは、パルス通電焼結によると焼結時間を
短く行え、かつ緻密化速度が粗粒と細粒との粒度差及び
中間混合層の不連続厚さに起因して異なり、５０％−５
０％層の緻密化が上下表面層に対して遅れるためであ
る。また、パルス通電による粒子表面でのミクロな火花
放電現象により生じる放電プラズマ、放電衝撃圧力など
による表面浄化活性化効果、ジュール熱による熱拡散効
果及び電場による電解拡散効果など粒子同士の間で粒子
形状を保ったまま互いに表面部分のみで溶着するような
形で接合し合うためである。なお、放電プラズマ焼結、
放電焼結及びプラズマ活性化焼結等のパルス通電焼結法
の原理及びそれらの基本構造は公知であり、本発明の方
法はこれら公知の構造の焼結機で実施できるので、それ
らに付いての詳細な説明は省略する。
【００１１】実施例２ この実施例では前記実施例１と同じ平均粒径９μｍのＳ
ＵＳ４１０Ｌ及びサブミクロンのＺｒＯ2（３Ｙ）の粉
末材料と、平均粒径６０μｍ及び１００μｍのＳＵＳ４
１０Ｌ及びＺｒＯ2（３Ｙ）の粉末材料をそれぞれ用意
し、平均粒径１００μｍのＳＵＳ４１０Ｌ及びＺｒＯ2
（３Ｙ）からそれぞれ体積分率が５０％の混合粉末材料
をつくり、更に、平均粒径６０μｍのＳＵＳ４１０Ｌ及
びＺｒＯ 2（３Ｙ）からそれぞれの体積分率が６０％−
４０％の混合粉末材料及び４０％−６０％の混合粉末材
料をつくった。そしてこれらの粉末材料を前記実施例１
と同じ焼結型に１１層にして層状に充填した。この場
合、中間に前記実施例１と同様に５０％−５０％の混合
粉末材料を配置し、その一方の側（ＳＵＳ４１０Ｌ１０
０％の側）に上記ＳＵＳ４１０Ｌ６０％でＺｒＯ2（３
Ｙ）４０％の上記混合粉末材料を、他方の側（ＺｒＯ2
（３Ｙ）の側）に上記ＳＵＳ４１０Ｌ４０％でＺｒＯ2
（３Ｙ）６０％の上記混合粉末材料を隣接して配置し
た。そしてこれら三つの混合粉末材料の層の層厚をそれ
ぞれ２ｍｍとした。
ＵＳ４１０Ｌ及びサブミクロンのＺｒＯ2（３Ｙ）の粉
末材料と、平均粒径６０μｍ及び１００μｍのＳＵＳ４
１０Ｌ及びＺｒＯ2（３Ｙ）の粉末材料をそれぞれ用意
し、平均粒径１００μｍのＳＵＳ４１０Ｌ及びＺｒＯ2
（３Ｙ）からそれぞれ体積分率が５０％の混合粉末材料
をつくり、更に、平均粒径６０μｍのＳＵＳ４１０Ｌ及
びＺｒＯ 2（３Ｙ）からそれぞれの体積分率が６０％−
４０％の混合粉末材料及び４０％−６０％の混合粉末材
料をつくった。そしてこれらの粉末材料を前記実施例１
と同じ焼結型に１１層にして層状に充填した。この場
合、中間に前記実施例１と同様に５０％−５０％の混合
粉末材料を配置し、その一方の側（ＳＵＳ４１０Ｌ１０
０％の側）に上記ＳＵＳ４１０Ｌ６０％でＺｒＯ2（３
Ｙ）４０％の上記混合粉末材料を、他方の側（ＺｒＯ2
（３Ｙ）の側）に上記ＳＵＳ４１０Ｌ４０％でＺｒＯ2
（３Ｙ）６０％の上記混合粉末材料を隣接して配置し
た。そしてこれら三つの混合粉末材料の層の層厚をそれ
ぞれ２ｍｍとした。
【００１２】上記のようにして粉末材料の充填が完了し
た焼結型１を前述のようにＳＰＳ焼結機にセットして前
記実施例１と同じ焼結条件で焼結を行った。この焼結に
よりつくられた焼結体の断面の一部を図５に示す。図５
からも明らかなように、平均粒径９μｍのＳＵＳ４１０
Ｌ１００％及びＺｒＯ2（３Ｙ）１００％の粉末材料に
より形成された表面層Ｌ１及びＬ１１はそれぞれ単一材
料の緻密な組織になり、また平均粒径９μｍの混合粉末
材料により形成された層Ｌ２ないしＬ４及びＬ８ないし
Ｌ１０もそれぞれ緻密な組織になった。しかし平均粒径
１００μｍの５０％−５０％粉末材料で構成された中間
の層Ｌ６は比較的大きな多数の気孔を有するポーラスな
組織に形成された。また平均粒径６０μｍの６０％−４
０％及び４０％−６０％粉末材料で構成された層Ｌ５及
びＬ７は層Ｌ６の気孔より小さな多数の気孔を有するポ
ーラスな組織に形成された。この焼結体では層Ｌ６並び
に層Ｌ４及びＬ７が応力を吸収するため、全体として応
力緩和型傾斜機能材料になっている。なお、上記実施例
では中央の層Ｌ６とその両側の層Ｌ５及びＬ７の層厚を
同じにしたが、中央の層の厚さをその両側の層の厚さよ
りも厚く或いは薄くして不連続にしても、更には中央の
層と表面層との間の粒径の異なる層を２層以上にしても
よい。
た焼結型１を前述のようにＳＰＳ焼結機にセットして前
記実施例１と同じ焼結条件で焼結を行った。この焼結に
よりつくられた焼結体の断面の一部を図５に示す。図５
からも明らかなように、平均粒径９μｍのＳＵＳ４１０
Ｌ１００％及びＺｒＯ2（３Ｙ）１００％の粉末材料に
より形成された表面層Ｌ１及びＬ１１はそれぞれ単一材
料の緻密な組織になり、また平均粒径９μｍの混合粉末
材料により形成された層Ｌ２ないしＬ４及びＬ８ないし
Ｌ１０もそれぞれ緻密な組織になった。しかし平均粒径
１００μｍの５０％−５０％粉末材料で構成された中間
の層Ｌ６は比較的大きな多数の気孔を有するポーラスな
組織に形成された。また平均粒径６０μｍの６０％−４
０％及び４０％−６０％粉末材料で構成された層Ｌ５及
びＬ７は層Ｌ６の気孔より小さな多数の気孔を有するポ
ーラスな組織に形成された。この焼結体では層Ｌ６並び
に層Ｌ４及びＬ７が応力を吸収するため、全体として応
力緩和型傾斜機能材料になっている。なお、上記実施例
では中央の層Ｌ６とその両側の層Ｌ５及びＬ７の層厚を
同じにしたが、中央の層の厚さをその両側の層の厚さよ
りも厚く或いは薄くして不連続にしても、更には中央の
層と表面層との間の粒径の異なる層を２層以上にしても
よい。
【００１３】上記実施例ではセラミックス材料としてＺ
ｒＯ2（３Ｙ）をかつステンレス鋼としてＳＵＳ４１０
Ｌを使用した例について説明したが、他の種類のセラミ
ックス材料と他の種類のステンレス鋼とを同様にして焼
結して、更には異なる金属同士、例えばアルミニュウム
と銅、ステンレス鋼と銅などを同様にして焼結して応力
緩和型傾斜機能材料をつくることができる。
ｒＯ2（３Ｙ）をかつステンレス鋼としてＳＵＳ４１０
Ｌを使用した例について説明したが、他の種類のセラミ
ックス材料と他の種類のステンレス鋼とを同様にして焼
結して、更には異なる金属同士、例えばアルミニュウム
と銅、ステンレス鋼と銅などを同様にして焼結して応力
緩和型傾斜機能材料をつくることができる。
【００１４】
【効果】本発明によれば両表面側の層は緻密な組織にな
っているが中間の層がポーラスになっているので、傾斜
機能材料中の残留応力、熱応力等の応力を緩和できる。
また、本発明の方法によればこのような応力緩和型傾斜
機能材料を再現性よく製造できる。
っているが中間の層がポーラスになっているので、傾斜
機能材料中の残留応力、熱応力等の応力を緩和できる。
また、本発明の方法によればこのような応力緩和型傾斜
機能材料を再現性よく製造できる。
【図１】本発明の方法に使用する、焼結型内への粉末材
料の充填方法を説明する図である。
料の充填方法を説明する図である。
【図２】図２はＳＰＳ焼結法を説明する概略図である。
【図３】本発明の一実施例で使用した焼結型の形状及び
寸法を示す図である。
寸法を示す図である。
【図４】本発明の実施例１によりつくられた応力緩和型
傾斜機能材料の一部の拡大断面図である。
傾斜機能材料の一部の拡大断面図である。
【図５】本発明の実施例２によりつくられた応力緩和型
傾斜機能材料の一部の拡大断面図である。
傾斜機能材料の一部の拡大断面図である。
１ 焼結型 ２ 穴 ３ 大径部 ４ 大径部 １０ パルス通電焼結機 １１ 下部電極 １２ 上部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 幸弘 東京都港区西新橋三丁目20番４号 住友石 炭鉱業株式会社内 (72)発明者 園田 雅之 東京都港区西新橋三丁目20番４号 住友石 炭鉱業株式会社内 Ｆターム(参考） 4F100 AA19C AA19D AA19E AA23 AA27C AA27D AA27E AB04C AB04D AB04E AD00C AD00D AD00E AL05C AL05D AL05E AT00A AT00B BA03 BA04 BA05 BA07 BA10A BA10B BA25 BA26 DC11C DC11D DC11E DE01C DE01D DE01E EJ48 EJ482
Claims (10)
- 【請求項１】 表裏二つの面が互いに異なる２種類の材
料からなる層により構成され、両表面の層の中間に該２
種類の材料を混合した材料の複数の層を有する応力緩和
型傾斜機能材料において、該両表面の層の材料を緻密な
組織に形成し、両表面の層の間にある少なくとも一つの
層をポーラスな組織にしたことを特徴とする応力緩和型
傾斜機能材料。 - 【請求項２】 請求項１に記載の応力緩和型傾斜機能材
料において、該中間の層が該２種類の材料の混合比が異
なる材料から成る複数の層からなり、その複数の層の一
部の層のポーラスの程度を互いに異ならせた応力緩和型
傾斜機能材料。 - 【請求項３】 請求項２に記載の応力緩和型傾斜機能材
料において、該中間の一部の層が３以上の奇数の層から
成り、該奇数の層の中央の層のポーラスの程度を高く
し、その両側の層のポーラスの程度を中央の層のポーラ
スの程度より低くした応力緩和型傾斜機能材料。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の応
力緩和型傾斜機能材料において、該２種類の材料の一方
がセラミックスであり、他方がステンレス鋼である応力
緩和型傾斜機能材料。 - 【請求項５】 請求項４に記載の応力緩和型傾斜機能材
料において、該セラミックスがＺｒＯ2（３Ｙ）であ
り、該ステンレス鋼がＳＵＳ４１０Ｌである応力緩和型
傾斜機能材料。 - 【請求項６】 請求項４に記載の応力緩和型傾斜機能材
料において、該セラミックスが２０体積％のアルミナを
含むＺｒＯ2（３Ｙ）で構成され、該ステンレス鋼がＳ
ＵＳ４１０Ｌである応力緩和型傾斜機能材料。 - 【請求項７】 表裏二つの面が互いに異なる２種類の材
料からなる層により構成され、両表面の層の中間に該２
種類の材料の混合した材料の複数の層を有する応力緩和
型傾斜機能材料を製造する方法において、 焼結型の穴内に挿入された下プレスコアを、その上面が
焼結型の上面から所望の深さになるように位置決めした
後、該穴内には該下プレスコアの上に前記２種類の材料
のうち一方の材料１００％から成る粉末材料を層状に充
填して一方の表面粉末材料層を形成することと、 粉末材料の１回の充填量に対応させて該焼結型に関して
下プレスコアの位置を順次下げながら、該２種類の材料
の混合比の異なる複数の種類の混合粉末材料を該焼結型
内の該一方の表面粉末材料層の上に層状に順次充填する
ことと、 該焼結型内の該混合粉末材料の層の上に前記２種類の材
料の他方の材料１００％から成る粉末材料を層状に充填
して他方の表面粉末材料層を形成することと、該混合粉
末材料の少なくとも１層の粉末材料の粒径を該表面粉末
材料層の粉末材料の粒径より大きくすることと、 該粉末材料層を所定の圧力で予備加圧することと、 該焼結型の穴内に該他方の表面粉末材料層の上から上プ
レスコアを挿入することと、 該焼結型を上下プレスコアと共に通電焼結機にセットし
て該上下プレスコアに所望の圧力を加えると共に該上下
プレスコア及び焼結型にパルス電流を流して焼結するこ
とと、を含む応力緩和型傾斜機能材料の製造方法。 - 【請求項８】 請求項７に記載の応力緩和型傾斜機能材
料の製造方法において、該表面粉末材料層の粉末材料の
粒径が大きい粉末材料の層を３以上の奇数の層とし、中
央の層の粉末材料の粒径を最も大きくし、その中央の層
の両側の粉末材料の粒径を中央の層の粉末材料の粒径と
表面層の粉末材料の粒径との間の粒径とした応力緩和型
傾斜機能材料の製造方法。 - 【請求項９】 請求項７又は８に記載の応力緩和型傾斜
機能材料の製造方法において、該粉末材料の層の予備加
圧を粉末材料を１層充填する毎に行う応力緩和型傾斜機
能材料の製造方法。 - 【請求項１０】 請求項７又は８に記載の応力緩和型傾
斜機能材料の製造方法において、該粉末材料の層の予備
加圧を粉末材料を２又は３層充填する毎に行う応力緩和
型傾斜機能材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000023643A JP3776277B2 (ja) | 2000-02-01 | 2000-02-01 | 応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000023643A JP3776277B2 (ja) | 2000-02-01 | 2000-02-01 | 応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001212898A true JP2001212898A (ja) | 2001-08-07 |
| JP3776277B2 JP3776277B2 (ja) | 2006-05-17 |
Family
ID=18549769
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000023643A Expired - Lifetime JP3776277B2 (ja) | 2000-02-01 | 2000-02-01 | 応力緩和型傾斜機能材料及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3776277B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180050014A (ko) * | 2016-11-04 | 2018-05-14 | 부경대학교 산학협력단 | 스테인레스스틸-알루미늄 이종 경사기능복합재료 및 이의 제조방법 |
| WO2018168288A1 (ja) * | 2017-03-17 | 2018-09-20 | 三井電気精機株式会社 | 超音波ホモジナイザー用振動先端工具 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101782103B1 (ko) | 2016-07-28 | 2017-09-26 | 부경대학교 산학협력단 | 금속-세라믹 경사기능복합체를 이용한 센서 |
-
2000
- 2000-02-01 JP JP2000023643A patent/JP3776277B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180050014A (ko) * | 2016-11-04 | 2018-05-14 | 부경대학교 산학협력단 | 스테인레스스틸-알루미늄 이종 경사기능복합재료 및 이의 제조방법 |
| KR101897752B1 (ko) * | 2016-11-04 | 2018-09-12 | 부경대학교 산학협력단 | 스테인레스스틸-알루미늄 이종 경사기능복합재료 및 이의 제조방법 |
| WO2018168288A1 (ja) * | 2017-03-17 | 2018-09-20 | 三井電気精機株式会社 | 超音波ホモジナイザー用振動先端工具 |
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| JP3776277B2 (ja) | 2006-05-17 |
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