JP2007277603A - 焼結体の製造方法および焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】目的とするＣ含有率の焼結体を、焼結体の形状に依存することなく、効率よく低コストで製造可能な焼結体の製造方法、およびかかる方法により製造された焼結体を提供すること。
【解決手段】本発明の焼結体の製造方法は、Ｃ（炭素）を含有する金属粉末を、所定の形状に成形した成形体を用意する第１の工程と、この成形体を、図２に示すような焼成炉内に載置し、焼成炉内を密閉状態にするとともに、その雰囲気圧力を６０〜１４０ｋＰａとし、かつ、雰囲気中のＨ_２（水素ガス）の分圧とＯ_２（酸素ガス）の分圧の和を、３Ｐａ以下として、この空間内で二次成形体を焼成して、焼結体を得る第２の工程とを有する。また、焼成炉内の雰囲気は、アルゴンガスのような不活性ガスを主成分とするものが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、焼結体の製造方法および焼結体に関するものである。

金属粉末を含む成形体を焼結させて金属製品を製造する場合、例えば、金属粉末と有機バインダーとを混合・混練し、得られた混練物を所定の形状に成形した一次成形体を形成する。次いで、この一次成形体に脱脂処理を施して有機バインダーを除去し、二次成形体（脱脂体）を得る。そして、この二次成形体を焼成することにより、焼結体が得られる。
二次成形体を焼成する際には、焼成炉内を１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下の高真空の減圧（真空）雰囲気や非酸化性雰囲気（例えば、特許文献１参照）、または大気雰囲気とし、これらの雰囲気中で焼成が行われている。

一方、このような金属粉末冶金の分野では、金属粉末の組成を適宜設定することにより、得られる焼結体の機械的特性の向上が図られている。
具体的には、Ｃ（炭素）を所定の含有率（例えば、０．８〜１．２ａｔｍ％程度）で含むステンレス鋼粉末を用いて製造された焼結体では、引っ張り強さや硬度のような機械的特性の向上が認められる。

しかしながら、このようなＣを含有する金属粉末の二次成形体を焼成する場合、特許文献１の方法では、次のような問題が生じる。
すなわち、第１に、非酸化性雰囲気中で二次成形体を焼成する場合、雰囲気中に含まれる水素ガスと、二次成形体中のＣとが反応して、二次成形体中からＣが脱離するという問題がある。また、大気雰囲気中で二次成形体を焼成する場合、雰囲気中に含まれる酸素ガスと、二次成形体中のＣとが反応して、同様の問題が生じる。このような問題が生じると、焼結体のＣ含有率が低下して、機械的特性が低下する。

さらに、このようなＣ含有率の低下は、二次成形体が雰囲気中の水素ガスおよび酸素ガスと接触することによって進行するため、二次成形体の形状に依存し易いという特性がある。すなわち、形状が複雑で表面積が大きな二次成形体では、よりＣ含有率の低下が進行し易いため、形状の違いによってＣ含有率の低下率にバラツキが生じるという問題がある。

第２に、前述したような１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下という高真空下では、焼成炉内の圧力低下とともに、焼成炉の構成部材等を構成する材料によっては、これらの材料から酸素ガスが発生し、前述と同様の問題が生じる。さらに、高真空を維持するためには、焼成炉に特殊な耐圧機構や高真空用の高価なポンプを設ける必要があり、焼成工程の高コスト化を招くという問題もある。

特開平７−２２４３４８号公報

本発明の目的は、目的とするＣ含有率の焼結体を、焼結体の形状に依存することなく、効率よく低コストで製造可能な焼結体の製造方法、およびかかる方法により製造された焼結体を提供することにある。

上記目的は、下記により達成される。
本発明の焼結体の製造方法は、Ｃ（炭素）を含有する金属粉末を、所定の形状に成形した成形体を用意する第１の工程と、
該成形体を、密閉された空間内で焼成して、焼結体を得る第２の工程とを有し、
該第２の工程において、前記空間内の雰囲気は、その圧力が６０〜１４０ｋＰａであり、かつ、水素ガスと酸素ガスの分圧との和が、３Ｐａ以下であることを特徴とする。
これにより、目的とするＣ含有率の焼結体を、効率よく低コストで製造することができる。

本発明の焼結体の製造方法では、前記空間内の雰囲気は、不活性ガスを主成分とするものであることが好ましい。
不活性ガスは、成形体中のＣやその他の元素と非常に反応し難いため、焼成工程において、成形体中の組成の不本意な変化を防止することができる。
本発明の焼結体の製造方法では、前記不活性ガスは、アルゴンガスであることが好ましい。
アルゴンガスは希ガスであり、ほとんどの元素との反応性が特に低いため、焼成工程において、成形体中の組成の不本意な変化をより確実に防止することができる。また、希ガスの中でも比較的安価で入手が容易なため、雰囲気ガスとして好適に用いることができる。

本発明の焼結体の製造方法では、前記金属粉末は、その平均粒径が３〜３０μｍであることが好ましい。
これにより、混練物の流動性が高いものとなり、優れた成形性（成形のし易さ）を示す混練物を得ることができる。その結果、成形工程において、一次成形体の密度が向上し、最終的に機械的特性に優れた焼結体を得ることができる。また、二次成形体（成形体）中の金属粉末が雰囲気と接触する表面積が大きくなり、焼成工程において、Ｃが脱離し易い傾向にあるが、本発明によれば、このような二次成形体（成形体）を焼成して焼結体を製造する場合に、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。

本発明の焼結体の製造方法では、前記金属粉末のＣの含有率は、０．０５〜２ａｔｍ％であることが好ましい。
Ｃを上記のようにわずかな割合で含む金属粉末を用いて焼結体を製造する場合、そのＣ含有率のわずかな変化に応じて、焼結体の機械的特性が大きく変化することが多い。本発明によれば、このようにＣ含有率を確実に制御することが必要とされる焼結体を製造する場合に、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。

本発明の焼結体の製造方法では、前記金属粉末は、Ｆｅ系合金材料で構成されていることが好ましい。
これにより、目的のＣ含有率のＦｅ系合金焼結体を効率よく製造することができる。その結果、得られた焼結体は、優れた機械的特性を示すものとなる。
本発明の焼結体の製造方法では、前記成形体は、前記金属粉末と結合材とを含む組成物を、所定の形状に成形して一次成形体を形成し、該一次成形体中から、前記結合材を除去して形成された二次成形体であることが好ましい。
これにより、形状保持性（保型性）に優れた二次成形体（成形体）を得ることができる。

本発明の焼結体の製造方法では、前記一次成形体は、前記組成物を金属粉末射出成形法により成形してなるものであることが好ましい。
これにより、比較的小型のものや、複雑で微細な形状の一次成形体をニアネット（最終形状に近い形状）で製造することができ、用いる金属粉末の特性を十分に生かすことができるという利点を有する。また、ＭＩＭ法では、複雑で微細な形状を成形可能である反面、二次成形体が雰囲気と接触する表面積が大きくなり易く、二次成形体中のＣが脱離し易くなるが、かかる二次成形体を焼成して焼結体を製造する場合にも、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。
本発明の焼結体は、本発明の焼結体の製造方法により製造されたことを特徴とする。
これにより、機械的特性に優れた焼結体が得られる。

以下、本発明の焼結体の製造方法および焼結体の好適実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明の焼結体の製造方法は、Ｃを含有する金属粉末の成形体を、所定の雰囲気で焼成することにより、目的とするＣ含有率の焼結体を製造し得るようにしたものである。
図１は、本発明の焼結体の製造方法の実施形態を示す工程図である。
図１に示す焼結体の製造方法は、金属粉末を用いて焼結体を製造する方法であり、具体的には、図１に示すように、金属粉末と有機バインダーとを含む組成物を調製する組成物調製工程と、組成物を一次成形体に成形する成形工程と、一次成形体中から有機バインダーを除去して二次成形体を得る除去工程（脱脂工程）と、二次成形体を焼成して焼結体を得る焼成工程とを有する。以下、これらの工程を順に説明する。

［１］組成物調製工程
まず、金属粉末と、有機バインダーとを用意し、これらを混練機により混練し、混練物（組成物）を得る。
この混練物（コンパウンド）中では、金属粉末が均一に分散している。
混練物中に混在する金属粉末と有機バインダーとは、互いに化学反応しない、または反応性に乏しいものが好ましい。

本発明では、金属粉末として、Ｃ（炭素）を含有する金属粉末を用いる。
このような金属粉末の構成材料としては、Ｃを含んでいる金属材料であれば特に限定されず、例えば、ＳＵＳ−４２０、ＳＵＳ−４４０のようなステンレス鋼、炭素鋼、ダイス鋼、高速度工具鋼、Ｆｅ２ＮｉＣ、Ｆｅ８ＮｉＣのようなＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のような各種Ｆｅ系合金材料や、低炭素鋼、各種Ｎｉ系合金材料、各種Ｃｕ合金材料等が挙げられる。

ところで、本発明のような金属粉末冶金の分野では、金属粉末の組成を適宜設定することにより、得られる焼結体の機械的特性の向上を図ることが行われている。
具体的には、Ｃ（炭素）を所定の含有率（例えば、０．８〜１．２ａｔｍ％程度）で含む焼結体では、引っ張り強さや硬度のような機械的特性の向上が認められる。
しかしながら、従来は、前述したような、焼結体におけるＣ含有率が目的の値になるよう、Ｃ含有率を調整した金属粉末を用意し、この金属粉末を用いて焼結体を製造しても、後述するような理由から目的のＣ含有率の焼結体を製造することが困難であった。

これに対し、本発明によれば、Ｆｅ系合金材料で構成された金属粉末を用いて焼結体を製造する場合に、本発明の効果が特に有効に発揮されることとなる。すなわち、Ｃを含んだＦｅ系合金材料粉末を、所定の雰囲気で焼成することにより、目的のＣ含有率のＦｅ系合金焼結体を効率よく製造することができる。これにより、得られた焼結体は、優れた機械的特性を示すものとなる。

また、このような金属粉末としては、そのＣ含有率が、０．０５〜２ｗｔ％程度のものが好ましく用いられ、０．１〜１．５ｗｔ％程度のものがより好ましく用いられる。Ｃを上記のようにわずかな割合で含む金属粉末を用いて焼結体を製造する場合、そのＣ含有率のわずかな変化に応じて、焼結体の機械的特性が大きく変化することが多い。本発明によれば、このようにＣ含有率を確実に制御することが必要とされる焼結体を製造する場合に、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。

なお、金属粉末には、組成の異なる２種類以上のものを混合して用いてもよい。これにより、従来、鋳造では、製造できなかった合金組成の焼結体をも製造することもできる。また、新規な機能や多機能を有する焼結体が容易に製造でき、焼結体の機能・用途の拡大を図ることができる。
金属粉末の平均粒径は、特に限定されないが、３〜３０μｍ程度であるのが好ましく、５〜２０μｍ程度であるのがより好ましい。金属粉末の平均粒径が前記範囲内の値であることにより、混練物の流動性が高いものとなり、優れた成形性（成形のし易さ）を示す混練物を得ることができる。その結果、後述する成形工程において、一次成形体の密度が向上し、最終的に機械的特性に優れた焼結体を得ることができる。
ところで、金属粉末の粒径が上記のように小さいと、後述する二次成形体中の金属粉末が雰囲気と接触する表面積が大きくなり、後述する焼成工程において、Ｃが脱離し易い傾向にある。本発明によれば、このような二次成形体を焼成して焼結体を製造する場合に、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。

このような金属粉末は、例えば、アトマイズ法（例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、高速回転水流アトマイズ法等）、還元法、カルボニル法、粉砕法により製造されたものを用いることができるが、アトマイズ法により製造されたものを用いるのが好ましい。アトマイズ法によれば、極めて微小な金属粉末を効率よく製造することができる。このため、この金属粉末を原料粉末として用いることにより、微細な結晶組織を有し、機械的強度に優れた焼結体を確実に得ることができる。

また、アトマイズ法で製造された金属粉末は、真球に近い球形状をなしているため分散性や流動性に優れており、成形時に混練物を成形型に充填する際、その充填性を高めることもできる。したがって、後述する成形工程および除去工程において、複雑で微細な形状の一次成形体および二次成形体を容易に形成可能である。ところが、複雑で微細な形状の二次成形体は、雰囲気と接触する表面積が大きくなり易い。したがって、後述する焼成工程において、二次成形体中のＣが、雰囲気ガスと反応して脱離し易い傾向がある。しかしながら、本発明によれば、このような複雑な形状の二次成形体を焼成して焼結体を製造する場合にも、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。

有機バインダーとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエーテル、ポリビニルアルコール、またはこれらの共重合体等の各種樹脂や、各種ワックス、パラフィン、高級脂肪酸（例：ステアリン酸）、高級アルコール、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸アミド等が挙げられ、これらのうち１種または２種以上を混合して用いることができる。

また、有機バインダーの含有量は、混練物全体の２〜４０ｗｔ％程度であるのが好ましく、５〜３０ｗｔ％程度であるのがより好ましい。有機バインダーの含有率が前記範囲内であることにより、成形性よく一次成形体を形成することができるとともに、密度を高め、一次成形体の形状の安定性等を特に優れたものとすることができる。また、これにより、一次成形体と二次成形体との大きさの差、いわゆる収縮率を小さくすることができる。その結果、二次成形体および焼結体の寸法精度を向上させることができる。

また、混練物中に、可塑剤が添加されていてもよい。この可塑剤としては、例えば、フタル酸エステル（例：ＤＯＰ、ＤＥＰ、ＤＢＰ）、アジピン酸エステル、トリメリット酸エステル、セバシン酸エステル等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。
さらに、混練物中には、金属粉末、有機バインダー、可塑剤の他に、例えば、酸化防止剤、脱脂促進剤、界面活性剤等の各種添加物を必要に応じ添加することができる。

混練条件は、用いる金属粉末の金属組成や粒径、有機バインダーの組成、およびこれらの配合量等の諸条件により異なるが、その一例を挙げれば、混練温度：５０〜２００℃程度、混練時間：１５〜２１０分程度とすることができる。
また、混練物は、必要に応じ、ペレット（小塊）化される。ペレットの粒径は、例えば、１〜１５ｍｍ程度とされる。

［２］成形工程
次に、混練物を成形して、目的の焼結体と同形状の一次成形体を製造する。
一次成形体の製造方法（成形方法）は、特に限定されず、例えば、金属粉末射出成形（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）法、圧縮成形（圧粉成形）等が挙げられるが、この中でも、金属粉末射出成形法が好ましい。

このＭＩＭ法は、比較的小型のものや、複雑で微細な形状の一次成形体をニアネット（最終形状に近い形状）で製造することができ、用いる金属粉末の特性を十分に生かすことができるという利点を有する。また、ＭＩＭ法では、複雑で微細な形状を成形可能である反面、後述する二次成形体が雰囲気と接触する表面積が大きくなり易い。したがって、前述のような傾向が特に顕著になるが、本発明によれば、このようなＭＩＭ法で得られた二次成形体を焼成して焼結体を製造する場合にも、その作用・効果が特に有効に発揮されることとなる。

以下、ＭＩＭ法による一次成形体の製造方法を代表に説明する。
まず、前記工程［１］で得られた混練物または混練物より造粒されたペレットを用いて、射出成形機により射出成形し、所望の形状、寸法の一次成形体を製造する。この場合、成形型の選択により、複雑な形状の一次成形体をも容易に製造することができる。
このようにして得られた一次成形体は、有機バインダー中に、金属粉末がほぼ均一に分散した状態となっている。

なお、製造される一次成形体の形状寸法は、以後の脱脂および焼結による一次成形体の収縮分を見込んで決定される。
射出成形の成形条件としては、用いる金属粉末の組成や粒径、有機バインダーの組成およびこれらの配合量等の諸条件により異なるが、その一例を挙げれば、材料温度は、好ましくは８０〜２００℃程度、射出圧力は、好ましくは２〜３０ＭＰａ（２０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ^２）程度とされる。

［３］除去工程（脱脂工程）
前記工程［２］で得られた一次成形体に対し、脱脂処理（脱バインダー処理）を施し、二次成形体（脱脂体）を得る。
この脱脂処理は、例えば、大気、酸素のような酸化性ガス、水素、一酸化炭素のような還元性ガス、窒素、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガス、またはこれらの１種または２種以上を含有する混合ガス等を含む雰囲気中、または減圧雰囲気中で、熱処理を行うことによりなされる。
この場合、熱処理の条件は、有機バインダーの分解開始温度等によって若干異なるが、好ましくは温度１００〜７５０℃程度で０．５〜４０時間程度、より好ましくは温度１５０〜６００℃程度で１〜２４時間程度とされる。

また、このような熱処理による脱脂は、種々の目的（例えば、脱脂時間の短縮等の目的）で、複数の工程（段階）に分けて行ってもよい。この場合、例えば、前半を低温で、後半を高温で脱脂するような方法や、低温と高温を繰り返し行う方法等が挙げられる。
また、脱脂処理は、有機バインダーや添加剤中の特定成分を所定の溶媒（液体、気体等の流体）を用いて溶出させることにより行うようにしてもよい。
このようにして有機バインダーを除去し、二次成形体を得る。
なお、有機バインダーは、脱脂処理によって完全に除去されなくてもよく、例えば、脱脂処理の完了時点で、その一部が残存していてもよい。
以上のようにして、二次成形体を形成することにより、形状保持性（保型性）に優れた二次成形体（成形体）を得ることができる。

なお、本実施形態では、前記工程［１］〜［３］により第１の工程を構成している。
また、本工程［３］で形成される二次成形体として、例えば、前述したような金属粉末を所定の形状に圧縮成形することにより、所望の形状に成形した圧縮成形体を用いるようにしてもよい。この場合、前記工程［１］〜［３］に代えて、圧縮成形の工程を第１の工程として行うようにすればよい。

［４］焼成工程
前記工程［３］で得られた二次成形体を、焼成炉等により焼成する。これにより、二次成形体を焼結させ、焼結体を得る（第２の工程）。
この焼結により、金属粉末は、粒子同士の界面で拡散が生じ、粒成長して、結晶組織を形成する。これにより、全体的に緻密で高密度の焼結体が得られる。

焼成温度は、金属粉末の組成等により若干異なるが、例えば、１０００〜１４００℃程度であるのが好ましく、１１００〜１３００℃程度であるのがより好ましい。焼結温度が前記範囲内の値であることにより、金属粉末の拡散、粒成長が最適化され、優れた特性（機械的強度、寸法精度、外観等）を有する焼結体を得ることができる。
なお、焼結工程における焼結温度は、前述した範囲内または範囲外で、経時的に変動（上昇または下降）してもよい。
焼結時間は、０．５〜７時間程度であるのが好ましく、１〜４時間程度であるのがより好ましい。

ところで、本発明に用いる金属粉末は、前述したように、Ｃ（炭素）を所定の含有率で含有してなるものである。かかる金属粉末を用いて焼結体を製造する場合、従来は、焼成炉内を、不活性ガス雰囲気、還元性ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気、大気雰囲気、または高真空（例えば、圧力が１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）の減圧雰囲気、とし、これらの雰囲気中で二次成形体を焼成することにより焼結体を得ていた。

このうち、非酸化性雰囲気および大気雰囲気のような各種ガス雰囲気中における焼成では、二次成形体中のＣが、雰囲気中に含まれたＨ_２（水素ガス）やＯ_２（酸素ガス）と反応して二次成形体中から脱離するという問題があった。
具体的には、二次成形体中のＣは、Ｈ_２と反応すると、ＣＨ_４等の炭化水素ガスとなって脱離する。

また、二次成形体中のＣは、Ｏ_２と反応すると、ＣＯまたはＣＯ_２となって脱離する。
これにより、二次成形体中のＣ含有率が低下して、最終的に得られる焼結体中のＣ含有率が目的とする含有率を下回り、焼結体の機械的特性が低下するという問題が生じていた。かかる問題は、前述したように、Ｃ含有率が低い場合に、特に顕著である。
さらに、このようなＣ含有率の低下は、二次成形体が雰囲気中に含まれたＨ_２やＯ_２と接触することによって進行するため、二次成形体の形状に依存し易いという特性がある。すなわち、形状が複雑で表面積が大きな二次成形体では、よりＣ含有率の低下が進行し易いため、形状の違いによってＣ含有率の低下にバラツキが生じるという問題がある。かかる問題は、形状の異なる複数の焼結体の間や、１つの焼結体中の形状の異なる各部間において、機械的特性のバラツキを招く。

一方、高真空の減圧雰囲気中における焼成では、焼成炉内の圧力低下とともに、焼成炉の構成部材や二次成形体を支持する支持部材等が分解（解離）したり、これらの部材に吸着していた水分等が解離してＯ_２が発生し、前述と同様の問題が生じていた。また、高真空状態を維持するための真空ポンプや圧力容器等に、大型かつ高価な装置を必要とするため、製造工程の高コスト化が避けられない。さらに、高真空に対応した圧力容器の容積は限られるため、容器内に収納できる二次成形体の個数も制限されることとなり、生産効率が低いという問題もあった。

そこで、本発明では、二次成形体を密閉された空間内に載置し、この空間内の雰囲気圧力を６０〜１４０ｋＰａ（４５０〜１０５０Ｔｏｒｒ）とし、かつ、雰囲気中のＨ_２（水素ガス）の分圧とＯ_２（酸素ガス）の分圧の和を、３Ｐａ以下として、この空間内で二次成形体を焼成することとした。これにより、目的とする割合でＣ（炭素）を含んだ焼結体を、効率よく製造することができる。
また、Ｃ含有率の低下を防止または抑制することができるため、形状の違いによるＣ含有率の低下のバラツキも抑制することができる。これにより、目的とする機械的特性を有する焼結体を得ることができる。

本発明では、雰囲気中のＨ_２の分圧とＯ_２の分圧の和を、３Ｐａ以下とした。これにより、二次成形体中のＣと反応し得るＨ_２およびＯ_２の量を低減し、Ｃが著しく消費されるのを抑制している。
ここで、従来、連続焼成炉のように、雰囲気ガスが連続して供給される場合、雰囲気ガス中に不純物として不可避的に含まれるＨ_２ガスおよびＯ_２ガスも連続して供給（補充）されることになる。したがって、例えＨ_２の分圧およびＯ_２の分圧が低いガスを用いても、二次成形体中のＣ含有率の低下を免れることはできなかった。

これに対し、本発明では、二次成形体が密閉空間内に載置しているため、雰囲気中に存在するＨ_２およびＯ_２が二次成形体中のＣと反応して消費されると、それ以上二次成形体中のＣが消費されるのを防止することができる。したがって、二次成形体中のＣの低減を防止または抑制しつつ二次成形体を焼成することができ、目的とするＣ含有率の焼結体を容易に得ることができる。

なお、本発明では、雰囲気中のＨ_２の分圧およびＯ_２の分圧の和が、３Ｐａ以下であればよいが、２．５Ｐａ以下であるのが好ましく、１．５Ｐａ以下であるのがより好ましい。これにより、二次成形体中のＣの消費量をより低減し、焼結体のＣ含有率をより目的の値に近付けることができる。その結果、より機械的特性に優れた焼結体を得ることができる。

また、二次成形体を、密閉容器内等の密閉空間内に載置する。そして、密閉空間内の圧力を、６０〜１４０ｋＰａ（４５０〜１０５０Ｔｏｒｒ）とした。この圧力は、大気圧との差が小さいため、簡易的な密閉容器を用いても十分に維持される。
さらに、密閉容器内を加圧または減圧するのに要する時間を省略することができるため、焼結体の生産効率をより高めることができる。

密閉空間内の圧力は、６０〜１４０ｋＰａ（４５０〜１０５０Ｔｏｒｒ）であればよいが、８０〜１２０ｋＰａ（６００〜９００Ｔｏｒｒ）程度が好ましい。これにより、より簡易的な密閉容器も用いることができるようになる。さらに、密閉空間内の圧力を前記範囲とした場合、密閉空間の内部と外部との圧力差を極めて小さくすることができる。これにより、特殊な耐圧機構を備えた密閉容器等を必要とせず、焼成工程の低コスト化を図ることができる。

また、密閉容器内の雰囲気は、いかなる気体成分で構成されていてもよいが、窒素、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガスを主成分とするものが好ましい。不活性ガスは、二次成形体中のＣやその他の元素と非常に反応し難いため、焼成工程において、二次成形体中の組成の不本意な変化を防止することができる。
さらに、このような不活性ガスは、特にアルゴンガスであるのが好ましい。アルゴンガスは希ガスであり、ほとんどの元素との反応性が特に低いため、焼成工程において、二次成形体中の組成の不本意な変化をより確実に防止することができる。また、希ガスの中でも比較的安価で入手が容易なため、雰囲気ガスとして好適に用いることができる。
このような焼成工程は、例えば、図２に示すような焼成炉（密閉容器）を用いて行うことができる。

図２は、本発明の焼結体の製造方法で用いる焼成炉（密閉容器）の縦断面を模式的に示す図である。なお、以下の説明では、図２中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
焼成炉１０は、側方に開口部１２を有する炉体１１と、開口部１２を気密的に封止可能な蓋２０とを有している。
炉体１１の内部（炉内１３）には、二次成形体３０を載置するステージ１４が設けられている。

また、炉体１１の上部には、給気バルブ１５が設けられている。この給気バルブ１５には、配管１６の一端が接続されており、配管１６の他端は、ガス供給手段４０に接続されている。このような給気バルブ１５および配管１６を介して、ガス供給手段４０から供給された雰囲気ガスを、炉内１３に供給したり、供給を停止したりすることができる。
一方、炉体１１の下部には、排気バルブ１７が設けられている。この排気バルブ１７を介して、炉内１３の雰囲気ガスを炉体１１の外部に排出したり、排出を停止したりすることができる。
また、炉内１３には、炉体１１の壁面に沿ってヒーター１８が設けられている。このヒーター１８は、図示しない電源装置と配線を介して接続されている。そして、通電することによりヒーター１８は発熱して、炉内１３の雰囲気ガスおよび二次成形体３０を加熱することができる。

以下、このような焼成炉１０を用いて二次成形体３０を焼成する手順を説明する。
まず、ステージ１４上に二次成形体３０を載置する。
次に、開口部１２を蓋２０で閉塞する。そして、排気バルブ１７と給気バルブ１５を開放して炉内１３を、前述したような条件の雰囲気ガスで充填する。この場合、必要に応じて、炉内１３を真空ポンプ等で減圧した後、雰囲気ガスを供給するようにしてもよい。これにより、炉内１３における雰囲気ガスの純度を高めることができる。
次に、排気バルブ１７と給気バルブ１５を閉めて、炉内１３を密閉する。
次に、ヒーター１８に通電することにより、前述の焼成温度および焼成時間にしたがって、二次成形体３０の焼成を行う。これにより、焼結体が得られる。
以上のようにして製造された焼結体は、目的とするＣ含有率を示すものとなり、優れた機械的特性を示すものとなる。

以上、本発明の焼結体の製造方法および焼結体について、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、焼結体の製造方法では、必要に応じて、任意の工程を追加することもできる。
また、焼成工程において、密閉容器内の雰囲気は、必要に応じて、工程の途中で変化してもよい。
また、焼成工程を、前述の除去工程（脱脂工程）と連続して行うようにしてもよい。

１．焼結体の製造
（実施例１）
＜１＞まず、水アトマイズ法により製造された、平均粒径１０μｍのステンレス鋼ＳＵＳ−４４０Ｃ粉末（エプソンアトミックス社製、ＰＦ−２０Ｆ）と、ポリプロピレンとワックスの混合物（有機バインダー）とを、重量比で９：１となるように秤量して混合原料を得た。

＜２＞次に、この混合原料を、混練機で混練し、コンパウンドを得た。
＜３＞次に、このコンパウンドを、以下に示す成形条件で、射出成形機にて射出成形し、一次成形体を作製した。このとき、表面積の異なる３種類の形状（形状Ａ、形状Ｂ、形状Ｃ）の一次成形体を１０個ずつ、合計３０個作製した。
＜成形条件＞
・材料温度：１５０℃
・射出圧力：１１ＭＰａ（１１０ｋｇｆ／ｃｍ^２）

＜４＞次に、得られた一次成形体に対して、以下に示す脱脂条件で熱処理（脱脂処理）を施し、二次成形体（脱脂体）を得た。
＜脱脂条件＞
・加熱温度 ：５００℃
・加熱時間 ：２時間
・加熱雰囲気：窒素ガス

＜５＞次に、得られた二次成形体を、以下に示す焼成条件で焼成した。これにより、焼結体を得た。なお、この焼成は、二次成形体を密閉可能な焼成炉に収納して、密閉状態で行った。
＜焼成条件＞
・焼成温度 ：１２３５℃
・焼成時間 ：６時間
・加熱雰囲気：アルゴンガス（Ｈ_２分圧とＯ_２分圧との和：２．０Ｐａ）
・雰囲気圧力：大気圧（１００ｋＰａ）

（実施例２）
前記工程＜５＞において、加熱雰囲気の圧力を１３３ｋＰａ（１０００Ｔｏｒｒ）に変更した以外は、前記実施例１と同様にして焼結体を得た。
なお、Ｈ_２分圧とＯ_２分圧との和は、２．７Ｐａであった。
（実施例３）
前記工程＜５＞において、加熱雰囲気の圧力を６７ｋＰａ（５００Ｔｏｒｒ）に変更した以外は、前記実施例１と同様にして焼結体を得た。
なお、Ｈ_２分圧とＯ_２分圧との和は、１．３Ｐａであった。
（実施例４）
前記工程＜５＞において、加熱雰囲気中のＨ_２分圧とＯ_２分圧との和を０．５Ｐａとした以外は、前記実施例１と同様にして焼結体を得た。

（比較例１）
前記工程＜５＞において、焼成を、雰囲気ガスを連続的に供給可能な焼成炉で行うよう変更した以外は、前記実施例１と同様にして焼結体を得た。
（比較例２）
前記工程＜５＞において、加熱雰囲気中のＨ_２分圧とＯ_２分圧との和を２０Ｐａとした以外は、前記実施例１と同様にして焼結体を得た。

２．焼結体の評価
各実施例および各比較例で得られた焼結体について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により、組成分析を行った。
まず、各実施例および各比較例で用いたＳＵＳ−４４０Ｃ粉末の組成分析を行った。次に、各実施例および各比較例で得られた焼結体について、同様に組成分析を行った。そして、ＳＵＳ−４４０Ｃ粉末のＣ含有率と、各焼結体のＣ含有率とをそれぞれ測定した。なお、各実施例および各比較例の焼結体のＣ含有率は、それぞれ、ＳＵＳ−４４０Ｃ粉末のＣ含有率を１としたときの相対値とした。

次に、各実施例および各比較例で得られた３０個の焼結体のＣ含有率を比較した。具体的には、３０個の焼結体のうち、Ｃ含有率の最大値と最小値との差を、Ｃ含有率の幅として算出し、この値を比較・評価した。
これらの結果を表１に示す。

表１に示すように、各実施例で得られた焼結体のＣ含有率の平均値は、ＳＵＳ−４４０Ｃ粉末のＣ含有率を１としたときの相対値で０．３５〜０．４１であった。これに対し、各比較例で得られた焼結体のＣ含有率の平均値は、０．１９〜０．２２であった。このことから、各実施例では、各比較例に比べて、焼成時のＣの脱離がより低減されていることが明らかとなった。

また、各実施例および各比較例で得られた焼結体において、Ｃ含有率の幅、すなわちバラツキを比較したところ、各実施例では、各比較例よりもＣ含有率の幅が非常に狭く（小さく）なっていた。これは、本発明によれば、形状（表面積）の異なる焼結体を製造する場合でも、形状に依存することなく、目的とするＣ含有率の焼結体を効率よく製造可能であることを示している。また、焼結体のＣ含有率の幅を狭くすることができるため、焼結体のＣ含有率を目的の値により近付けられることを示している。

本発明の焼結体の製造方法の実施形態を示す工程図である。 本発明の焼結体の製造方法で用いる焼成炉（密閉容器）の縦断面を模式的に示す図である。

符号の説明

１……組成物調製工程 ２……成形工程 ３……除去工程（脱脂工程） ４……焼成工程 １０……焼成炉 １１……炉体 １２……開口部 １３……炉内 １４……ステージ １５……給気バルブ １６……配管 １７……排気バルブ １８……ヒーター ２０……蓋 ３０……二次成形体 ４０……ガス供給手段

Claims (9)

1. Ｃ（炭素）を含有する金属粉末を、所定の形状に成形した成形体を用意する第１の工程と、
   該成形体を、密閉された空間内で焼成して、焼結体を得る第２の工程とを有し、
   該第２の工程において、前記空間内の雰囲気は、その圧力が６０〜１４０ｋＰａであり、かつ、水素ガスと酸素ガスの分圧との和が、３Ｐａ以下であることを特徴とする焼結体の製造方法。
2. 前記空間内の雰囲気は、不活性ガスを主成分とするものである請求項１に記載の焼結体の製造方法。
3. 前記不活性ガスは、アルゴンガスである請求項２に記載の焼結体の製造方法。
4. 前記金属粉末は、その平均粒径が３〜３０μｍである請求項１ないし３のいずれかに記載の焼結体の製造方法。
5. 前記金属粉末のＣの含有率は、０．０５〜２ａｔｍ％である請求項１ないし４のいずれかに記載の焼結体の製造方法。
6. 前記金属粉末は、Ｆｅ系合金材料で構成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の焼結体の製造方法。
7. 前記成形体は、前記金属粉末と結合材とを含む組成物を、所定の形状に成形して一次成形体を形成し、該一次成形体中から、前記結合材を除去して形成された二次成形体である請求項１ないし６のいずれかに記載の焼結体の製造方法。
8. 前記一次成形体は、前記組成物を金属粉末射出成形法により成形してなるものである請求項７に記載の焼結体の製造方法。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の焼結体の製造方法により製造されたことを特徴とする焼結体。
   

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