JP2004156131A - 金属成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】内部に空隙を備える金属成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】第1の金属を含む粉末1中に第2の金属の成形体2aを埋設して粉末成形体3aを形成し、第1の金属の融点未満、第2の金属の融点以上の温度で加熱して成形体2aを溶融せしめ空隙4を形成する。両金属を焼結し固化させる。両金属の金属間化合物または合金により、空隙4の表面に被覆層6を形成する。被覆層6が金属間化合物の場合、第1の金属はTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金の1種で、第2の金属はAlである。第1の金属はTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金の1種で、第2の金属はSiである。第1の金属はCuまたはその合金で、第2の金属はSnである。被覆層6が合金の場合、第1の金属はAlまたはその合金で、第2の金属はZnである。
【選択図】 図5
【解決手段】第1の金属を含む粉末1中に第2の金属の成形体2aを埋設して粉末成形体3aを形成し、第1の金属の融点未満、第2の金属の融点以上の温度で加熱して成形体2aを溶融せしめ空隙4を形成する。両金属を焼結し固化させる。両金属の金属間化合物または合金により、空隙4の表面に被覆層6を形成する。被覆層6が金属間化合物の場合、第1の金属はTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金の1種で、第2の金属はAlである。第1の金属はTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金の1種で、第2の金属はSiである。第1の金属はCuまたはその合金で、第2の金属はSnである。被覆層6が合金の場合、第1の金属はAlまたはその合金で、第2の金属はZnである。
【選択図】 図5
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に微小な空隙を備える金属成形体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラスチックの射出成形、金属の鋳造等に用いられる金型として、内部に冷却または加熱のための媒体が流通する管路を備えているものがある。
【0003】
前記金型等のように、内部に前記管路等の空隙を備える金属成形体は、従来、金属粉末射出成形法(Metal Injection Molding)または精密鋳造法により形成されている。しかしながら、前記の方法は、いずれもそれ自体が金型を用いて製造する方法であるため、形成可能な空隙の形状と大きさとについて制約があり、複雑な形状の空隙または微小な空隙を形成することが難しいとの不都合がある。
【0004】
一方、基体金属上に第1の金属材料を配置し、該基体金属と第1の金属材料との上に、第1の金属材料よりも融点の高い第2の金属材料を溶射して、溶射金属層を形成した後、第1の金属材料の融点よりも高く、第2の金属材料の融点よりも低い温度に加熱して第1の金属材料を溶解し、第1の金属の形状に対応する空間部を備える複合金属体を製造する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。
【0005】
しかしながら、前記の方法では、第1の金属材料の上に形成される第2の金属材料の層は、溶射により形成されるため、所望の厚さの層を形成するには、大きなエネルギーと時間とを要するとの不都合がある。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−279274号公報
【特許文献2】
特開平10−219474号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、内部に複雑な形状の空隙または微小な空隙を備える金属成形体を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の金属成形体の製造方法は、第1の金属を含む粉末中に、第1の金属よりも融点の低い第2の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成する工程と、該粉末成形体を、第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱し、第2の金属を溶融して、溶融した第2の金属を第1の金属を含む粉末の間隙に移動せしめ、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第1の金属の粉末と溶融した第2の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする。
【0009】
本発明の金属成形体の製造方法では、まず、第1の金属を含む粉末中に、第1の金属よりも融点の低い第2の金属からなる成形体を埋設する。前記粉末は、第1の金属の粉末の他、バインダ、他の金属、セラミックス等の粉末を含んでいてもよい。
【0010】
前記第2の金属からなる成形体は、大きさに制限はなく、直径が微小な線材、棒材等であってもよい。また、前記第2の金属からなる成形体は、形状についても制限はなく、例えば、前記線材または棒材を用いる場合、直線状に限らず、曲線または折れ曲がって蛇行する形状等、どのような形状であってもよい。
【0011】
次に、第1の金属を含む粉末から粉末成形体を形成する。このとき、第2の金属からなる成形体は、第1の金属の粉末に埋設された状態で、前記粉末成形体の内部に含まれている。前記粉末成形体は、必要に応じて、予備的加圧処理を施してもよく、該予備的加圧処理により前記第2の金属からなる成形体を整形するようにしてもよい。
【0012】
次に、前記粉末成形体を、第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、前記第2の金属が溶融せしめられ、溶融した第2の金属が、前記粉末成形体の前記第1の金属を含む粉末の粒子間に移動する。この結果、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙が形成される。
【0013】
そこで、次に、第1の金属の粉末と溶融した第2の金属とを焼結して固化せしめることにより、内部に前記空隙を備える金属成形体を得ることができる。
【0014】
本発明の金属成形体の製造方法によれば、前記第2の金属からなる成形体を、前記第1の金属を含む粉末に埋設しておき、前記第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成するので、内部に、小室や管路等の複雑な形状の空隙または微小な空隙を備える金属成形体を容易に製造することができる。
【0015】
また、本発明の金属成形体の製造方法によれば、第1の金属と第2の金属とから生成した金属間化合物または合金により、第2の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする。
【0016】
従来、反応により金属間化合物を形成する混合金属粉末を金属材料の表面に塗布して加熱することにより、該金属材料の表面に該混合金属粉末から生成した金属間化合物からなる被覆層を形成する方法が知られている(例えば、前記特許文献1参照。)。しかし、このような方法では、金属成形体の内部に形成された空隙の表面に、前記金属間化合物からなる被覆層を形成することは難しい。
【0017】
この点、本発明の金属成形体の製造方法によれば、前記第1の金属を含む粉末に埋設された前記第2の金属からなる成形体を溶融せしめて、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に移動させることができる。従って、第1の金属と第2の金属とから金属間化合物または合金を生成させることにより、前記第2の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面に、該金属間化合物または合金からなる被覆層を容易に形成することができる。
【0018】
このとき、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に、溶融した第2の金属が浸透可能な間隙があり、第1の金属を含む粉末の粒子が、溶融した第2の金属により濡れやすいときには、溶融した第2の金属は、毛管現象により、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に自発的に且つ速やかに浸透する。一方、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に、溶融した第2の金属が浸透可能な間隙が無いときには、溶融した第2の金属は、専ら拡散によってのみ移動する。
【0019】
従って、前記第1の金属を含む粉末の粒子間の空隙率を調整しておくことによって、溶融した第2の金属の浸透速度や、浸透する深さを制御することができ、前記金属間化合物または合金からなる被覆層の厚さを自在に制御することができる。
【0020】
前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属としては、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属を用いることができ、前記第2の金属としてはAlを用いることができる。このようにするときには、前記金属間化合物として、種々の遷移金属アルミナイドが生成される。
【0021】
また、前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属としては、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属を用い、前記第2の金属としてはSiを用いるようにしてもよい。このようにするときには、前記金属間化合物として、種々の遷移金属シリサイドが生成される。
【0022】
また、前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属として、Cuまたはその合金を用い、前記第2の金属としてSnを用いるようにしてもよい。
【0023】
一方、前記合金からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属としてはAlまたはその合金を用いることができ、前記第2の金属としてはZnまたはその合金を用いることができる。
【0024】
本発明の製造方法において、特に第2の金属の成形体が微細な部分から構成される場合には、前記粉末成形体の加熱は、少なくとも第2の金属の融点まで、1°/秒以上の昇温速度で行うことが好ましい。このようにすることにより、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に連続した空隙を確実に形成することができる。少なくとも第2の金属の融点までの前記粉末成形体の加熱における昇温速度が1°/秒未満であるときには、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に連続した空隙が形成されないことがある。
【0025】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図1乃至図6は本実施形態の金属成形体の製造方法を示す説明図である。
【0026】
本実施形態の金属成形体の製造方法では、まず図1に示すように、第1の金属からなる粉末1中に、第1の金属より融点の低い第2の金属からなる線材2を埋設し、予備成形体3を形成する。線材2は、例えば、図2に示すように矩形状の断面形状を備えているものでもよく、円形の断面形状を備えているものでもよい。
【0027】
次に、予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に一軸圧縮する。この結果、図3及び図4に示すように、線材2が整形されて、楕円状の断面形状を備える線材2aが形成された粉末成形体3aが得られる。
【0028】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、粉末成形体3aを第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、図3及び図4に示す第2の金属からなる線材2aが溶融して第1の金属からなる粉末1中に浸透すると同時に、該粉末1と溶融した第2の金属とが焼結されて固化せしめられる。粉末成形体3aの加熱は、線材2aが占めていた領域に、連続した空隙を形成するために、少なくとも第2の金属の融点まで、1°/秒以上の昇温速度で行うことが好ましい。
【0029】
この結果、図5及び図6に示すように、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の空隙4を備える金属成形体5が得られる。また、金属成形体5では、空隙4の表面に第1の金属と第2の金属との金属間化合物または合金からなる被覆層6が形成されている。
【0030】
本実施形態では、直線状の線材2aにより楕円状の断面形状を備える細管状の空隙4を形成する場合について説明しているが、線材2aは曲線状または折れ曲がって蛇行する形状等、どのような形状であってもよく、また線材2aに代えて塊状の成形体を用いてもよい。
【0031】
前記各種形状の線材2aを用いることにより、細管状の空隙4を直線状、曲線状または折れ曲がって蛇行する形状等とすることができ、該空隙4により管路を形成することができる。また、線材2aに代えて塊状の成形体を用いることにより、小室を形成することができる。そして、前記管路と前記小室とを組み合わせることにより、さらに複雑な形状の空隙4を形成することもできる。
【0032】
従って、本発明の製造方法は、例えば、プラスチックの射出成形や金属の鋳造に用いられる金型の内部に、冷却または加熱のための媒体が流通する管路を形成するために用いることができ、前記管路の設計において、温度制御を最適化するために、高い自由度を得ることができる。
【0033】
また、本発明の製造方法によれば、空隙4の表面に前記金属間化合物または合金からなる被覆層6を形成することができるので、得られた金属成形体5は多くの用途に対応することが可能になるものと期待される。
【0034】
尚、前記実施形態では、第1の金属からなる粉末1を用いているが、粉末1は、バインダ、他の金属、セラミックス等の粉末を含んでいてもよい。
【0035】
前記実施形態において、空隙4の表面に金属間化合物からなる被覆層6を形成するときには、第1の金属として、Ni、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属からなる粉末を用い、第2の金属としては、Alを用いる。あるいは、第1の金属として、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属を用い、第2の金属としてはSiを用いる。さらに、第1の金属としてCuまたはその合金を用い、第2の金属としてSnを用いてもよい。
【0036】
また、前記実施形態において、空隙4の表面に合金からなる被覆層6を形成するときには、第1の金属として、Alまたはその合金を用い、第2の金属としてはZnまたはその合金を用いる。
【0037】
次に、実施例を示す。
【0038】
【実施例1】
本実施例では、第1の金属としてニッケル(m.p.1528K)を用い、第2の金属としてアルミニウム(m.p.933K)を用いて、図1に示すように、ニッケル粉末1中に、アルミニウム線材2を埋設し、予備成形体3を形成した。アルミニウム線材2は、長辺の長さ0.70mm、短辺の長さ0.45mmの矩形状の断面形状を備えている。
【0039】
次に、予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に一軸圧縮した。この結果、図3及び図4に示すように、長径1.20mm、短径0.35mmの楕円状の断面形状を備える線材2aが形成された粉末成形体3aが得られた。
【0040】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、粉末成形体3aをニッケルの融点より低く、アルミニウムの融点より高い1273Kの温度で1時間加熱した。この結果、線材2aが溶融してニッケル粉末1中に浸透すると同時に、ニッケル粉末1と溶融したアルミニウムとが焼結されて固化せしめられ、図5及び図6に示すように、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の空隙4を備える金属成形体5が得られた。金属成形体5では、空隙4の表面にニッケルとアルミニウムとの金属間化合物であるニッケルアルミナイドからなる厚さ0.1mmの被覆層6が形成されていた。
【0041】
【実施例2】
本実施例では、第1の金属としてのニッケル粉末1中に、第2の金属として断面形状がそれぞれ直径50μm、100μm、200μm、500μmの円形であるアルミニウム線材2を埋設し、4種の予備成形体3を形成した。次に、各予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に約600MPaの圧力で一軸圧縮して、粉末成形体3aを形成した。
【0042】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、各粉末成形体3aを加熱した。前記加熱は、2°/秒の昇温速度で983Kまで加熱して、アルミニウム線材2を短時間で溶融し、さらに0.2°/秒の昇温速度で1473Kまで加熱した後、0.4°/秒の冷却速度で室温まで冷却し、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0043】
【実施例3】
本実施例では、第1の金属として鉄を用いた以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0044】
【実施例4】
本実施例では、第1の金属としてチタンを用いた以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0045】
【実施例5】
本実施例では、第1の金属としてステンレス鋼(SUS304)を用いた以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0046】
実施例2乃至実施例5から、粉末成形体3aの加熱をアルミニウムの融点を超えるまで、1°/秒以上である2°/秒の昇温速度で行うことにより、アルミニウム線材2の直径が50〜500μmの範囲で、連続した空隙4を形成することができることが明らかである。
【0047】
【実施例6】
本実施例では、粉末成形体3aの加熱を、0.2°/秒の昇温速度で1473Kまで加熱した後、0.4°/秒の冷却速度で室温まで冷却することにより行った以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。
【0048】
直径50μmのアルミニウム線材2を用いた金属成形体5では、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状で一部に不連続部分のある空隙4が形成されたが、他の金属成形体5では、いずれも連続した空隙4が形成されていた。
【0049】
【実施例7】
本実施例では、第1の金属として鉄を用いた以外は、実施例6と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。
【0050】
直径50μmのアルミニウム線材2を用いた金属成形体5では、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状で一部に不連続部分のある空隙4が形成されたが、他の金属成形体5では、いずれも連続した空隙4が形成されていた。
【0051】
実施例6,7から、第1の金属がニッケルまたは鉄である場合、粉末成形体3aの加熱を、1°/秒未満である0.2°/秒の昇温速度で行っても、線材2aが占めていた領域に空隙4を形成することができることが明らかである。また、アルミニウム線材2の直径が100〜500μmの範囲では、粉末成形体3aの加熱を、1°/秒未満である0.2°/秒の昇温速度で行っても、連続した空隙4を形成することができることが明らかである。
【0052】
【実施例8】
本実施例では、第1の金属としてチタンを用いた以外は、実施例6と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0053】
【実施例9】
本実施例では、第1の金属としてステンレス鋼(SUS304)を用いた以外は、実施例6と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0054】
実施例8,9から、第1の金属がチタンまたはステンレス鋼である場合、粉末成形体3aの加熱を、1°/秒未満である0.2°/秒の昇温速度で行っても、アルミニウム線材2の直径が50〜500μmの範囲で、連続した空隙4を形成することができることが明らかである。
【0055】
【実施例10】
本実施例では、第1の金属としてのアルミニウム粉末1中に、第2の金属として断面形状が直径500μmの円形である亜鉛(m.p.692K)線材2を埋設し、予備成形体3を形成した。次に、予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に約800MPaの圧力で一軸圧縮して、粉末成形体3aを形成した。
【0056】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、各粉末成形体3aを加熱した。前記加熱は、0.2°/秒の昇温速度で773Kまで加熱した後、0.4°/秒の冷却速度で室温まで冷却して、金属成形体5を製造した。金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。また、金属成形体5では、空隙4の表面にAl−Zn合金からなる被覆層6が形成されていた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図2】図1のII−II線断面図。
【図3】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図4】図3のIV−IV線断面図。
【図5】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図6】図5のVI−VI線断面図。
【符号の説明】
1…第1の金属を含む粉末、 2a…第2の金属からなる成形体、 3a…粉末成形体、 4…空隙、 5…金属成形体、 6…金属間化合物または合金からなる被覆層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に微小な空隙を備える金属成形体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プラスチックの射出成形、金属の鋳造等に用いられる金型として、内部に冷却または加熱のための媒体が流通する管路を備えているものがある。
【0003】
前記金型等のように、内部に前記管路等の空隙を備える金属成形体は、従来、金属粉末射出成形法(Metal Injection Molding)または精密鋳造法により形成されている。しかしながら、前記の方法は、いずれもそれ自体が金型を用いて製造する方法であるため、形成可能な空隙の形状と大きさとについて制約があり、複雑な形状の空隙または微小な空隙を形成することが難しいとの不都合がある。
【0004】
一方、基体金属上に第1の金属材料を配置し、該基体金属と第1の金属材料との上に、第1の金属材料よりも融点の高い第2の金属材料を溶射して、溶射金属層を形成した後、第1の金属材料の融点よりも高く、第2の金属材料の融点よりも低い温度に加熱して第1の金属材料を溶解し、第1の金属の形状に対応する空間部を備える複合金属体を製造する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。
【0005】
しかしながら、前記の方法では、第1の金属材料の上に形成される第2の金属材料の層は、溶射により形成されるため、所望の厚さの層を形成するには、大きなエネルギーと時間とを要するとの不都合がある。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−279274号公報
【特許文献2】
特開平10−219474号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、内部に複雑な形状の空隙または微小な空隙を備える金属成形体を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の金属成形体の製造方法は、第1の金属を含む粉末中に、第1の金属よりも融点の低い第2の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成する工程と、該粉末成形体を、第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱し、第2の金属を溶融して、溶融した第2の金属を第1の金属を含む粉末の間隙に移動せしめ、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第1の金属の粉末と溶融した第2の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする。
【0009】
本発明の金属成形体の製造方法では、まず、第1の金属を含む粉末中に、第1の金属よりも融点の低い第2の金属からなる成形体を埋設する。前記粉末は、第1の金属の粉末の他、バインダ、他の金属、セラミックス等の粉末を含んでいてもよい。
【0010】
前記第2の金属からなる成形体は、大きさに制限はなく、直径が微小な線材、棒材等であってもよい。また、前記第2の金属からなる成形体は、形状についても制限はなく、例えば、前記線材または棒材を用いる場合、直線状に限らず、曲線または折れ曲がって蛇行する形状等、どのような形状であってもよい。
【0011】
次に、第1の金属を含む粉末から粉末成形体を形成する。このとき、第2の金属からなる成形体は、第1の金属の粉末に埋設された状態で、前記粉末成形体の内部に含まれている。前記粉末成形体は、必要に応じて、予備的加圧処理を施してもよく、該予備的加圧処理により前記第2の金属からなる成形体を整形するようにしてもよい。
【0012】
次に、前記粉末成形体を、第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、前記第2の金属が溶融せしめられ、溶融した第2の金属が、前記粉末成形体の前記第1の金属を含む粉末の粒子間に移動する。この結果、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙が形成される。
【0013】
そこで、次に、第1の金属の粉末と溶融した第2の金属とを焼結して固化せしめることにより、内部に前記空隙を備える金属成形体を得ることができる。
【0014】
本発明の金属成形体の製造方法によれば、前記第2の金属からなる成形体を、前記第1の金属を含む粉末に埋設しておき、前記第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成するので、内部に、小室や管路等の複雑な形状の空隙または微小な空隙を備える金属成形体を容易に製造することができる。
【0015】
また、本発明の金属成形体の製造方法によれば、第1の金属と第2の金属とから生成した金属間化合物または合金により、第2の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする。
【0016】
従来、反応により金属間化合物を形成する混合金属粉末を金属材料の表面に塗布して加熱することにより、該金属材料の表面に該混合金属粉末から生成した金属間化合物からなる被覆層を形成する方法が知られている(例えば、前記特許文献1参照。)。しかし、このような方法では、金属成形体の内部に形成された空隙の表面に、前記金属間化合物からなる被覆層を形成することは難しい。
【0017】
この点、本発明の金属成形体の製造方法によれば、前記第1の金属を含む粉末に埋設された前記第2の金属からなる成形体を溶融せしめて、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に移動させることができる。従って、第1の金属と第2の金属とから金属間化合物または合金を生成させることにより、前記第2の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面に、該金属間化合物または合金からなる被覆層を容易に形成することができる。
【0018】
このとき、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に、溶融した第2の金属が浸透可能な間隙があり、第1の金属を含む粉末の粒子が、溶融した第2の金属により濡れやすいときには、溶融した第2の金属は、毛管現象により、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に自発的に且つ速やかに浸透する。一方、前記第1の金属を含む粉末の粒子間に、溶融した第2の金属が浸透可能な間隙が無いときには、溶融した第2の金属は、専ら拡散によってのみ移動する。
【0019】
従って、前記第1の金属を含む粉末の粒子間の空隙率を調整しておくことによって、溶融した第2の金属の浸透速度や、浸透する深さを制御することができ、前記金属間化合物または合金からなる被覆層の厚さを自在に制御することができる。
【0020】
前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属としては、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属を用いることができ、前記第2の金属としてはAlを用いることができる。このようにするときには、前記金属間化合物として、種々の遷移金属アルミナイドが生成される。
【0021】
また、前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属としては、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属を用い、前記第2の金属としてはSiを用いるようにしてもよい。このようにするときには、前記金属間化合物として、種々の遷移金属シリサイドが生成される。
【0022】
また、前記金属間化合物からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属として、Cuまたはその合金を用い、前記第2の金属としてSnを用いるようにしてもよい。
【0023】
一方、前記合金からなる被覆層を形成するために、前記第1の金属としてはAlまたはその合金を用いることができ、前記第2の金属としてはZnまたはその合金を用いることができる。
【0024】
本発明の製造方法において、特に第2の金属の成形体が微細な部分から構成される場合には、前記粉末成形体の加熱は、少なくとも第2の金属の融点まで、1°/秒以上の昇温速度で行うことが好ましい。このようにすることにより、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に連続した空隙を確実に形成することができる。少なくとも第2の金属の融点までの前記粉末成形体の加熱における昇温速度が1°/秒未満であるときには、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に連続した空隙が形成されないことがある。
【0025】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図1乃至図6は本実施形態の金属成形体の製造方法を示す説明図である。
【0026】
本実施形態の金属成形体の製造方法では、まず図1に示すように、第1の金属からなる粉末1中に、第1の金属より融点の低い第2の金属からなる線材2を埋設し、予備成形体3を形成する。線材2は、例えば、図2に示すように矩形状の断面形状を備えているものでもよく、円形の断面形状を備えているものでもよい。
【0027】
次に、予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に一軸圧縮する。この結果、図3及び図4に示すように、線材2が整形されて、楕円状の断面形状を備える線材2aが形成された粉末成形体3aが得られる。
【0028】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、粉末成形体3aを第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、図3及び図4に示す第2の金属からなる線材2aが溶融して第1の金属からなる粉末1中に浸透すると同時に、該粉末1と溶融した第2の金属とが焼結されて固化せしめられる。粉末成形体3aの加熱は、線材2aが占めていた領域に、連続した空隙を形成するために、少なくとも第2の金属の融点まで、1°/秒以上の昇温速度で行うことが好ましい。
【0029】
この結果、図5及び図6に示すように、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の空隙4を備える金属成形体5が得られる。また、金属成形体5では、空隙4の表面に第1の金属と第2の金属との金属間化合物または合金からなる被覆層6が形成されている。
【0030】
本実施形態では、直線状の線材2aにより楕円状の断面形状を備える細管状の空隙4を形成する場合について説明しているが、線材2aは曲線状または折れ曲がって蛇行する形状等、どのような形状であってもよく、また線材2aに代えて塊状の成形体を用いてもよい。
【0031】
前記各種形状の線材2aを用いることにより、細管状の空隙4を直線状、曲線状または折れ曲がって蛇行する形状等とすることができ、該空隙4により管路を形成することができる。また、線材2aに代えて塊状の成形体を用いることにより、小室を形成することができる。そして、前記管路と前記小室とを組み合わせることにより、さらに複雑な形状の空隙4を形成することもできる。
【0032】
従って、本発明の製造方法は、例えば、プラスチックの射出成形や金属の鋳造に用いられる金型の内部に、冷却または加熱のための媒体が流通する管路を形成するために用いることができ、前記管路の設計において、温度制御を最適化するために、高い自由度を得ることができる。
【0033】
また、本発明の製造方法によれば、空隙4の表面に前記金属間化合物または合金からなる被覆層6を形成することができるので、得られた金属成形体5は多くの用途に対応することが可能になるものと期待される。
【0034】
尚、前記実施形態では、第1の金属からなる粉末1を用いているが、粉末1は、バインダ、他の金属、セラミックス等の粉末を含んでいてもよい。
【0035】
前記実施形態において、空隙4の表面に金属間化合物からなる被覆層6を形成するときには、第1の金属として、Ni、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の遷移金属またはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属からなる粉末を用い、第2の金属としては、Alを用いる。あるいは、第1の金属として、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属を用い、第2の金属としてはSiを用いる。さらに、第1の金属としてCuまたはその合金を用い、第2の金属としてSnを用いてもよい。
【0036】
また、前記実施形態において、空隙4の表面に合金からなる被覆層6を形成するときには、第1の金属として、Alまたはその合金を用い、第2の金属としてはZnまたはその合金を用いる。
【0037】
次に、実施例を示す。
【0038】
【実施例1】
本実施例では、第1の金属としてニッケル(m.p.1528K)を用い、第2の金属としてアルミニウム(m.p.933K)を用いて、図1に示すように、ニッケル粉末1中に、アルミニウム線材2を埋設し、予備成形体3を形成した。アルミニウム線材2は、長辺の長さ0.70mm、短辺の長さ0.45mmの矩形状の断面形状を備えている。
【0039】
次に、予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に一軸圧縮した。この結果、図3及び図4に示すように、長径1.20mm、短径0.35mmの楕円状の断面形状を備える線材2aが形成された粉末成形体3aが得られた。
【0040】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、粉末成形体3aをニッケルの融点より低く、アルミニウムの融点より高い1273Kの温度で1時間加熱した。この結果、線材2aが溶融してニッケル粉末1中に浸透すると同時に、ニッケル粉末1と溶融したアルミニウムとが焼結されて固化せしめられ、図5及び図6に示すように、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の空隙4を備える金属成形体5が得られた。金属成形体5では、空隙4の表面にニッケルとアルミニウムとの金属間化合物であるニッケルアルミナイドからなる厚さ0.1mmの被覆層6が形成されていた。
【0041】
【実施例2】
本実施例では、第1の金属としてのニッケル粉末1中に、第2の金属として断面形状がそれぞれ直径50μm、100μm、200μm、500μmの円形であるアルミニウム線材2を埋設し、4種の予備成形体3を形成した。次に、各予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に約600MPaの圧力で一軸圧縮して、粉末成形体3aを形成した。
【0042】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、各粉末成形体3aを加熱した。前記加熱は、2°/秒の昇温速度で983Kまで加熱して、アルミニウム線材2を短時間で溶融し、さらに0.2°/秒の昇温速度で1473Kまで加熱した後、0.4°/秒の冷却速度で室温まで冷却し、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0043】
【実施例3】
本実施例では、第1の金属として鉄を用いた以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0044】
【実施例4】
本実施例では、第1の金属としてチタンを用いた以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0045】
【実施例5】
本実施例では、第1の金属としてステンレス鋼(SUS304)を用いた以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0046】
実施例2乃至実施例5から、粉末成形体3aの加熱をアルミニウムの融点を超えるまで、1°/秒以上である2°/秒の昇温速度で行うことにより、アルミニウム線材2の直径が50〜500μmの範囲で、連続した空隙4を形成することができることが明らかである。
【0047】
【実施例6】
本実施例では、粉末成形体3aの加熱を、0.2°/秒の昇温速度で1473Kまで加熱した後、0.4°/秒の冷却速度で室温まで冷却することにより行った以外は、実施例2と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。
【0048】
直径50μmのアルミニウム線材2を用いた金属成形体5では、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状で一部に不連続部分のある空隙4が形成されたが、他の金属成形体5では、いずれも連続した空隙4が形成されていた。
【0049】
【実施例7】
本実施例では、第1の金属として鉄を用いた以外は、実施例6と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。
【0050】
直径50μmのアルミニウム線材2を用いた金属成形体5では、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状で一部に不連続部分のある空隙4が形成されたが、他の金属成形体5では、いずれも連続した空隙4が形成されていた。
【0051】
実施例6,7から、第1の金属がニッケルまたは鉄である場合、粉末成形体3aの加熱を、1°/秒未満である0.2°/秒の昇温速度で行っても、線材2aが占めていた領域に空隙4を形成することができることが明らかである。また、アルミニウム線材2の直径が100〜500μmの範囲では、粉末成形体3aの加熱を、1°/秒未満である0.2°/秒の昇温速度で行っても、連続した空隙4を形成することができることが明らかである。
【0052】
【実施例8】
本実施例では、第1の金属としてチタンを用いた以外は、実施例6と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0053】
【実施例9】
本実施例では、第1の金属としてステンレス鋼(SUS304)を用いた以外は、実施例6と全く同一にして、4種の金属成形体5を製造した。各金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。
【0054】
実施例8,9から、第1の金属がチタンまたはステンレス鋼である場合、粉末成形体3aの加熱を、1°/秒未満である0.2°/秒の昇温速度で行っても、アルミニウム線材2の直径が50〜500μmの範囲で、連続した空隙4を形成することができることが明らかである。
【0055】
【実施例10】
本実施例では、第1の金属としてのアルミニウム粉末1中に、第2の金属として断面形状が直径500μmの円形である亜鉛(m.p.692K)線材2を埋設し、予備成形体3を形成した。次に、予備成形体3を、線材2の長さ方向に沿って予備的に約800MPaの圧力で一軸圧縮して、粉末成形体3aを形成した。
【0056】
次に、一般的な粉末冶金に用いられる加熱装置を用いて、各粉末成形体3aを加熱した。前記加熱は、0.2°/秒の昇温速度で773Kまで加熱した後、0.4°/秒の冷却速度で室温まで冷却して、金属成形体5を製造した。金属成形体5では、いずれも、線材2aが占めていた領域に、線材2aと同一形状の細管状の連続した空隙4が形成されていた。また、金属成形体5では、空隙4の表面にAl−Zn合金からなる被覆層6が形成されていた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図2】図1のII−II線断面図。
【図3】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図4】図3のIV−IV線断面図。
【図5】本発明の製造方法の一実施形態を示す斜視図。
【図6】図5のVI−VI線断面図。
【符号の説明】
1…第1の金属を含む粉末、 2a…第2の金属からなる成形体、 3a…粉末成形体、 4…空隙、 5…金属成形体、 6…金属間化合物または合金からなる被覆層。
Claims (8)
- 第1の金属を含む粉末中に、第1の金属よりも融点の低い第2の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成する工程と、
該粉末成形体を、第1の金属の融点より低く、第2の金属の融点より高い温度で加熱し、第2の金属を溶融して、溶融した第2の金属を第1の金属を含む粉末の間隙に移動せしめ、第2の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第1の金属の粉末と溶融した第2の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする金属成形体の製造方法。 - 第1の金属と第2の金属とから生成した金属間化合物により、第2の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする請求項1記載の金属成形体の製造方法。
- 第1の金属はTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属であり、第2の金属はAlであることを特徴とする請求項2記載の金属成形体の製造方法。
- 第1の金属はTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wまたはこれらの合金からなる群から選択される1種の金属であり、第2の金属はSiであることを特徴とする請求項2記載の金属成形体の製造方法。
- 第1の金属はCuまたはその合金であり、第2の金属はSnであることを特徴とする請求項2記載の金属成形体の製造方法。
- 第1の金属と第2の金属とから生成した合金により、第2の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする請求項1記載の金属成形体の製造方法。
- 第1の金属はAlまたはその合金であり、第2の金属はZnまたはその合金であることを特徴とする請求項6記載の金属成形体の製造方法。
- 前記粉末成形体の加熱は、少なくとも第2の金属の融点まで、1°/秒以上の昇温速度で行うことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の金属成形体の製造方法。
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