JP2008121042A

JP2008121042A - 金属成形品製造方法

Info

Publication number: JP2008121042A
Application number: JP2006304245A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Aizawa; 龍彦相澤; Hisashi Mori; 久史森; Masayoshi Kitagawa; 眞好喜多川; Toshihiko Adachi; 年彦足立
Original assignee: Meishin KK
Current assignee: Meishin KK
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-29

Abstract

【課題】物性を簡便に制御しつつ金属成形品を製造させ得る金属成形品製造方法の提供を課題としている。
【解決手段】形成される金属成形品に含まれる純金属または合金をすべて酸化物の状態且つ金属酸化物粒子の状態で含有し、バインダー成分を含有する混和物を作製する混和物作製工程と該混和物作製工程で作製された混和物を成形加工して予備成形品を作製する予備成形工程と、前記予備成形工程で作製された予備成形品からバインダー成分を除去するとともに、前記予備成形品に含まれている金属酸化物粒子の少なくとも一部を還元させる還元処理工程とを実施して金属成形品を成形することを特徴とする金属成形品製造方法を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属成形品を製造する金属成形品製造方法に関する。

従来、金属が用いられた成形品を製造する際には、純金属で一旦ロッド材料を形成した後に鍛造したり、切削加工したりする方法、溶融状態の純金属を金型に流入させて鋳造する方法、あるいは、純金属を粉末状に加工して金属粒子を作製し、この金属粒子をバインダー成分などとともにペースト状の混和物を作製し、該混和物を型を用いて焼成する方法などが採用されている。

例えば、特許文献１には、Ｃｒ系ステンレス粒子とバインダーとの混和物を射出成形することが記載されており、この特許文献１にも記載されているように、上記のような方法は、純金属の金属粒子のみならず、複数の金属元素が含まれている合金粒子を用いて行われたりもしている。

ところで、純金属や合金などの金属材料や、これらに金属酸化物やセラミックス粒子などが分散された金属複合材料が用いられた金属成形品の物性については、用いる金属元素の種類によって大きく異なるものである。また、この金属元素の種類のみならず、結晶の緻密さや、異種金属元素の分散状況などによっても大きく異なるものである。
しかし、特許文献１に示されているような合金で金属成形品を製造する場合に、例えば、互いに安定して合金を形成する金属元素以外の組み合わせで金属成形品を製造する場合には、内部にこれら金属元素の良好な分散状態を形成させた状態で金属成形品を製造することが困難である。
すなわち、従来の金属成形品の製造方法においては、金属元素の分散状況などの制御が困難であるばかりでなく、用いる金属元素を制約しなければ金属成形品を成形すること自体が困難となるおそれを有している。

例えば、複数の金属元素がその純金属の融点が大きく異なるものである場合には、特許文献１に記載されているような合金粒子を用いた方法を採用することが困難であるばかりでなく、安定した溶融状態を形成させることすら困難となることから合金粒子を製造すること自体が困難である。
また、安定した溶融状態を形成させることが困難となることから合金のロッド材料の作製も困難である。
この金属元素がその純金属の融点や比重を異ならせることにより金属元素の分散状況を制御することが困難となる点においては、純金属または合金に金属酸化物やセラミックスなどの粒子を分散させた複合材料で金属成形品を製造する際においても同様である。

すなわち、金属酸化物粒子またはセラミックス粒子が純金属中または合金中に分散されている金属複合材料か、あるいは合金かによって形成されている金属成形品を製造する金属成形品製造方法においては、従来、金属成形品の物性を簡便に制御することが困難であるという問題を有している。
特開２０００−１９２１０５号公報

本発明は、物性を簡便に制御しつつ金属成形品を製造させ得る金属成形品製造方法の提供を課題としている。

すなわち、本発明は、前記課題を解決すべく、金属酸化物粒子またはセラミックス粒子が純金属中または合金中に分散されている金属複合材料か、あるいは合金かによって形成されている金属成形品を製造する金属成形品製造方法であって、
（１）形成される金属成形品に含まれる純金属または合金をすべて酸化物の状態且つ金属酸化物粒子の状態で含有し、バインダー成分を含有する混和物を作製する混和物作製工程、
（２）該混和物作製工程で作製された混和物を成形加工して予備成形品を作製する予備成形工程、
（３）前記予備成形工程で作製された予備成形品からバインダー成分を除去するとともに、前記予備成形品に含まれている金属酸化物粒子の少なくとも一部を還元させる還元処理工程
を実施して金属成形品を成形することを特徴とする金属成形品製造方法を提供する。

なお、本明細書中における“純金属”との用語は、実質的に単一の金属元素からなる金属を意図するものであり、不可避不純物などを微量含んでいるものをも含めた意味で用いている。
また、“合金”との用語についても、本明細書中においては、不可避不純物などを微量含んでいるものをも含めた意味で用いており、また、固溶体や金属間化合物などを含めた意味で用いている。

本発明によれば、形成される金属成形品に含まれる純金属または合金をすべて酸化物の状態且つ金属酸化物粒子の状態で含有し、バインダー成分を含有する混和物を作製する混和物作製工程を実施することから、安定した合金を形成することが困難な金属元素同士であってもそれぞれ金属酸化物粒子として用いるという簡便な手段で混和物中に所望の分散状態を形成させ得る。

また、この金属酸化物粒子が分散された混和物を成形加工して予備成形品を作製する予備成形工程を実施して、該予備成形品からバインダー成分を除去するとともに、金属酸化物粒子の少なくとも一部を還元させる還元処理工程を実施することから、例えば、含まれる金属酸化物粒子を全て還元させて予備成形品の金属酸化物粒子の分散状態を反映させた金属成形品を得ることができる。
また、例えば、一部の金属酸化物粒子を還元せずに他の金属酸化物粒子のみを還元させることにより、純金属または合金中に金属酸化物粒子が分散された金属複合材料状態を金属成形品中に形成させることも可能となる。

さらには混和物に金属成形品中に分散されるセラミックス粒子を予め分散させた混和物を用いることで金属複合材料製の金属成形品を得ることができる。

すなわち、従来に比べて広範囲な組み合わせで金属元素を使用することができ、混和物作製工程で用いる金属酸化物粒子の粒径や分散状態を制御することにより、金属成形品中の金属元素の分散状況や、金属酸化物粒子、セラミック粒子などの分散状況を簡便な方法で制御させ得る。

本発明の好ましい実施の形態について、金属酸化物粒子またはセラミックス粒子が純金属中または合金中に分散されている金属複合材料か、あるいは合金かによって形成されている金属成形品を製造する金属成形品製造方法を以下に説明する。

本実施形態における金属成形品製造方法においては、（１）形成される金属成形品に含まれる純金属または合金をすべて酸化物の状態且つ金属酸化物粒子の状態で含有し、バインダー成分を含有する混和物を作製する混和物作製工程と、（２）該混和物作製工程で作製された混和物を成形加工して予備成形品を作製する予備成形工程と、（３）前記予備成形工程で作製された予備成形品からバインダー成分を除去するとともに、前記予備成形品に含まれている金属酸化物粒子の少なくとも一部を還元させる還元処理工程とを実施し、さらに、（４）前記還元処理工程後の金属成形品の緻密化を行う緻密化工程を実施する。

前記混和物作製工程においては、用いる金属酸化物粒子が、特に限定されるものではなく、単一金属元素と酸素との金属酸化物や、複数種類の金属元素と酸素との金属酸化物などによる金属酸化物粒子を用いることができ、通常、この金属酸化物粒子としては、数十ｎｍ〜数百μｍ程度の平均粒径に調整されたものを用いることができる。
このような、金属酸化物粒子の粒径の調整には、一般的な手段を用いることが出来、例えば、セラミックボールなどを用いたボールミルや、アトライタを用いる方法などにより実施することができる。
また、金属酸化物粒子とバインダーとの混合についても、ニーダーなどの一般的な混練手段を採用することができる。
このバインダーとしては、特に限定されるものではないが、１５０〜４００℃の範囲内程度で分解除去させ得る有機物を用いることが好ましく、該有機物を水和させた状態で用いることが好ましい。
このような有機水和物をバインダーに用いることにより還元反応に悪影響を及ぼすおそれを抑制しつつ比較的低温で分解させ得るという効果を奏する。
このような点において、セルロースなどの水和性に優れた有機物をバインダーに採用することが特に好適である。

前記予備成形工程においては、前記混和物作製工程で作製された混和物を、押出し成形、プレス成形、射出成形、プリントなど種々の成形方法で予備成形品に成形することができる。
なお、このときニアシェイプに成形することで、最終製品形状への外形調整を簡略化させ得る。

前記還元処理工程は、前記予備成形工程において作製された予備成形品からバインダー成分を除去することができ、しかも、予備成形品中の金属酸化物粒子を還元可能な条件であれば特にその条件を限定するものではなく、例えば、予備成形品を還元雰囲気下で加熱することにより実施することができる。
このとき、還元力ならびに予備成形品内部への浸透性に優れ、還元処理工程をより効率良く実施させ得る点において、予備成形品を水素を含む気体中で加熱する還元処理工程を実施することが好ましい。
この水素を含む気体は、水素を水素ガスなどの分子状態で含んでいるもの、あるいは、水素ラジカルのような原子状態で含んでいるものを使用することができる。
この水素を用いる還元処理工程における加熱条件としては、例えば、６００℃程度の温度で数時間の加熱を行う条件などとすることができる。
また、この還元処理工程は、予備成形品に圧力を加えた加圧状態で実施することもでき、無加圧状態で実施することも可能である。
なお、水素は、原子サイズあるいは分子サイズが小さく、混和物内部に浸透させやすいことから、この還元処理工程の効率を高める効果を奏する。
また、上記のように水素を用いる還元処理工程では、金属酸化物の酸素との反応で水が形成されるのみであり、環境負荷の増大を抑制させ得るのみならず、処理が必要となるような副生成物の産出を抑制させ得るという点においても優れている。

前記緻密化工程は、本発明においては必須の工程ではなく任意の工程であり、金属成形品に前記還元処理工程によって空孔が形成されている場合にその空孔部分を任意に減少させるために実施する。
この空孔部分を減少させる方法としては、一般的な方法を採用することができ、例えば、機械加工によって空孔部分を押し潰して金属成形品に占める空孔の割合を減少させる方法や、他金属を溶融させてこの空孔部分に含浸させる方法などを採用することができる。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
Ｃｕ₂Ｏ微粒子（平均粒径３μｍ）とセルロースが用いられたバインダー成分とをボールミルにて３時間混合して混和物を作製する混和物作製工程を実施し、該混和物を、５００ＭＰａの圧力で加圧成形して直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの円柱状の予備成形品に加工する予備成形工程を実施した。
この予備成形品を水素ガス（大気圧状態）中で、９７３Ｋで３時間加熱する還元処理工程を実施し円柱形状の金属成形品を作製した。

（実施例２）
還元処理工程の温度を１０２３Ｋとした以外は、実施例１と同様に円柱形状の金属成形品を作製した。

（評価１）
実施例１および２の金属成形品の化学成分をそれぞれＸ線回折により分析した。結果を図１に示す。
なお、図１に“Reduced at 973K”として示されているものが実施例１のＸ線回折チャートであり、“Reduced at 1023K”として示されているものが実施例２のＸ線回折チャートである。
また、“Green Compact”として示されているのは、還元処理工程前の予備成形品のＸ線回折チャートである。
この図１においては、実施例１の金属成形品には、Ｃｕ₂Ｏの存在を示すピークが認められるが、実施例２の金属成形品には、これらが消失した状態となっており、温度条件の選択により、Ｃｕ中にＣｕ₂Ｏを残存させた金属複合体とさせたり、Ｃｕ単相とさせたりし得ることがわかる。
また、上記実施例の金属成形品は、予備成形品に比べて体積が減少しているものの、予備成形品の形状をそのままの状態で保持している（図２参照：左側が金属成形品、右側が予備成形品）。

（実施例３〜５）
加熱時間を、０．５時間（実施例３）、１時間（実施例４）、２時間（実施例５）とした以外は、実施例２と同様に円柱形状の金属成形品を作製した。

（評価２）
実施例３乃至５の金属成形品の化学成分をそれぞれＸ線回折により分析した。結果を図３に示す。
なお、図２に“0.5hr”として示されているものが実施例３のＸ線回折チャートであり、“1hr”として示されているものが実施例４のＸ線回折チャートである。
また、“2hr”として示されているものが実施例５のＸ線回折チャートであり、“Green Compact”として示されているのは、還元処理工程前の予備成形品のＸ線回折チャートである。
この図３においては、実施例３の金属成形品には、Ｃｕ₂Ｏの存在を示すピークが認められるが、実施例４、５の金属成形品には、これらが消失した状態となっており、加熱時間の選択により、Ｃｕ中にＣｕ₂Ｏを残存させた金属複合体とさせたり、完全にＣｕ単相とさせたりし得ることがわかる。

なお、Ｃｕ₂ＯをＣｕ単層とする還元反応については、標準生成自由エネルギーからは１２２３Ｋの温度が必要になると推察されたが、上記に示したように、本発明の金属成形品製造方法においては、１０２３Ｋと低温で還元を行い得ることが判明した。
これは、バインダー成分の消失ならびに多孔質組織の形成による効果であると考えられる。
そして、実施例１乃至５の金属成形品は、内部に空孔が形成されて多孔質に形成されており、実施例４の金属成形品の密度を測定したところ、純銅に対して６２．７％の見掛け密度で形成されていることがわかった。

（実施例６）
Ｃｕ₂Ｏ微粒子（平均粒径３μｍ）とＡｌ₂Ｏ₃微粒子（平均粒径０．１μｍ）とを、Ｃｕ₂Ｏ微粒子のＣｕ量とＡｌ₂Ｏ₃微粒子との合計質量におけるＡｌ₂Ｏ₃微粒子の占める割合が１０質量％となるように配合し、バインダー成分と混合して混和物を作製する混和物作製工程を実施し、該混和物を、円盤ディスク状の予備成形品に加工する予備成形工程を実施した。
この予備成形品を水素ガス中で、１０２３Ｋで３時間加熱する還元処理工程を実施し円柱形状の金属成形品を一旦作製した。
さらに、還元処理工程後の金属成形品に対して、８５３Ｋの温度で、６００ＭＰａの圧力で１時間ホットプレスする緻密化工程を実施した。

（評価３）
実施例６の金属成形品の化学成分をＸ線回折により分析した。結果を図４に示す。
この図４においては、実施例６の金属成形品には、Ｃｕ₂Ｏの存在を示すピークが消失し、Ａｌ₂Ｏ₃の存在を示すピークが認められる。
すなわち、Ｃｕ中にＡｌ₂Ｏ₃を分散させた金属複合材料が形成されていることがわかる。
しかも、仮にＡｌ₂Ｏ₃の大きな凝集体が形成されているようであれば、図４にＡｌ₂Ｏ₃の存在を示すピークが明確に認められるはずであるが、この図４では、Ａｌ₂Ｏ₃の存在を示すピークがＣｕの存在を示すピークに比べて十分小さくなっており、Ａｌ₂Ｏ₃が微細に分散されていることがわかる。
また、このＡｌ₂Ｏ₃が微細に分散されていることは、電子顕微鏡による組織の観察からも確認することができた（図５）。
なお、この図５中の白い粒状物がＡｌ₂Ｏ₃である。

（評価４）
実施例６の（緻密化工程後の）金属成形品を、熱機械分析装置（リガク社製、商品名「ＴＭＡ８３１０」）を用いて熱膨張係数を測定した。結果を図６に示す。
この図６では、８００℃までは、温度に対してほぼ一定の熱膨張変形を示している。
この８００℃までのデータから実施例６の金属成形品を形成している金属複合材料の熱膨張係数を求めたところ８．０×１０^-6／Ｋであった。
この値は、Ｃｕの熱膨張係数（１６．８×１０^-6／Ｋ）の半分以下となっており、Ｃｕ中にＡｌ₂Ｏ₃を微細に分散させた効果の現れであると思われる。

（実施例７、８）
Ｃｕ₂Ｏ微粒子（平均粒径３μｍ）とＦｅ₃Ｏ₄微粒子とを、Ｃｕ₂Ｏ微粒子のＣｕ量とＦｅ₃Ｏ₄微粒子のＦｅ量との合計質量におけるＦｅ量の占める割合が５質量％となる割合で配合し、バインダー成分と混合して混和物を作製する混和物作製工程を実施し、該混和物を押し出し成形して予備成形品を作製する予備成形工程を実施した。
実施例７においては板状の予備成形体を、実施例８においてはハニカム状の予備成形体を作製した。
図７では、左側が予備成形品、右側が還元処理工程後の金属成形品を示す。
また、図８では、上側が予備成形品、下側が還元処理工程後の金属成形品を示す。
この予備成形品に対して還元処理工程を実施し金属成形品作製した結果、図７、８に示すように予備成形体の形状を保持した、Ｃｕ−Ｆｅ合金製の金属成形品を得ることができた。

（実施例９〜１１）
Ｃｕ₂Ｏ微粒子（平均粒径３μｍ）とＷＯ₂微粒子（平均粒径４μｍ）とを、Ｃｕ₂Ｏ微粒子中のＣｕ量とＷＯ₂微粒子中のＷ量との合計質量に占めるＷ量の割合が１０質量％（実施例９）、１５質量％（実施例１０）、２５質量％（実施例１１）となるようにＣｕ₂Ｏ微粒子とＷＯ₂微粒子とを配合しバインダー成分と混合して混和物を作製する混和物作製工程を実施し、該混和物を円盤ディスク状の予備成形品に加工する予備成形工程を実施した。
この予備成形品に対して、１０２３Ｋ×１時間の還元処理工程を実施して実施例９乃至１１の金属成形品を作製した。

（評価５）
実施例９乃至１１の金属成形品の化学成分をそれぞれＸ線回折により分析した。結果を図９に示す。
この図９の左側は、還元処理工程前の予備成形品のＸ線回折チャートであり横軸（２θ）の範囲は２０度から９０度である。一方、右側は、還元処理工程後の金属成形品のＸ線回折チャートであり、横軸（２θ）の範囲は２５度から５５度である。
それぞれ、“10％WO₂”、“Cu-10％W”として示されているものが実施例９の予備成形品と金属成形品とを示すＸ線回折チャートであり、“15％WO₂”、“Cu-15％W”として示されているものが実施例１０の予備成形品と金属成形品とを示すＸ線回折チャートである。
また、“25％WO₂”、“Cu-25％W”として示されているものが実施例１１の予備成形品と金属成形品とを示すＸ線回折チャートである。
この図９においては、実施例９乃至１１の金属成形品には、ＣｕとＷの存在を示すピークのみで酸化物を示すピークは認められない。また、ＷＯ₂微粒子の配合量の増加に伴いＣｕピークに対するＷピークの比率が増大しており、金属成形品中のＷ量の制御が混和物の配合量の調整という簡便な手段で可能となっていることがわかる。

（実施例１２〜１５）
Ｃｕ₂Ｏ微粒子（平均粒径３μｍ）とＷＯ₂微粒子（平均粒径４μｍ）とを、Ｃｕ₂Ｏ微粒子中のＣｕ量とＷＯ₂微粒子中のＷ量との合計質量に占めるＷ量の割合が５質量％（実施例１２）、１０質量％（実施例１３）、１５質量％（実施例１４）、２５質量％（実施例１５）となる割合でＣｕ₂Ｏ微粒子とＷＯ₂微粒子とを配合し、バインダー成分と混合して混和物を作製する混和物作製工程を実施し、該混和物を円盤ディスク状の予備成形品に加工する予備成形工程を実施した。
この予備成形品に対して、１０２３Ｋ×１時間の還元処理工程を実施して金属成形品を作製した。
さらに、還元処理工程後の金属成形品に対して、８５３Ｋの温度で、５００ＭＰａの圧力で１時間ホットプレスする緻密化工程を実施し実施例１２乃至１５の金属成形品を作製した。

（評価６）
実施例１２乃至１５の金属成形品とＷＯ₂微粒子を配合せずに作製した金属成形品のＶｉｃｋｅｒｓ硬さを測定した。
結果を、図１０に示す。
市販の高タングステン・銅合金（Ｃｕ２０Ｗ８０）でのＶｉｃｋｅｒｓ硬さが２６０程度であることを考慮すると、実施例１２乃至１５の金属成形品では、少量のＷの含有量で高い強度が得られていることがわかる。

（評価７）
実施例１２乃至１５の金属成形品とＷＯ₂微粒子を配合せずに作製した金属成形品の熱膨張係数を熱機械分析装置（リガク社製、商品名「ＴＭＡ８３１０」）を用いて熱膨張係数を測定した。結果を図１１に示す。
Ｃｕ−Ｗ合金メーカーであるアライドケミカル社からは、Ｗ単相で４．５×１０^-6／Ｋ、Ｃｕ１０Ｗ９０合金で６．５×１０^-6／Ｋ、Ｃｕ２０Ｗ８０で８．３×１０^-6／Ｋ、Ｃｕ３０Ｗ７０で１０．２×１０^-6／Ｋ、Ｃｕ４０Ｗ６０で１２．１×１０^-6／Ｋであることが公表されている。

一方で、図１１に示されたデータからは、Ｗ量が２５質量％となる割合でＷＯ₂微粒子を配合して作製した実施例１５の金属成形品がＣｕ１０Ｗ９０合金相当の熱膨張係数を示しており、Ｗ量が１０質量％となる割合でＷＯ₂微粒子を配合して作製した実施例１３の金属成形品がＣｕ４０Ｗ６０合金相当の熱膨張係数を示している。
このことから、本発明によれば、比重ならびに融点の大きく異なるＣｕとＷとの合金により形成された金属成形品を簡便に作製し得るとともに、従来のＣｕ−Ｗ合金が用いられた金属成形品と同等の強度あるいは熱膨張係数の金属成形品を一般に高価なＷの使用量を削減させて作製することができる。
したがって、本発明によれば、Ｃｕ−Ｗ合金が用いられている電極部品やヒートシンク材などを安価に提供し得るという効果も奏することとなる。

以上に示したように、本発明の金属成形品製造方法によれば、安定した合金を形成することが困難な金属元素同士であっても簡便に金属成形品を製造することができ、金属成形品中の金属元素の分散状況や、金属酸化物粒子、セラミック粒子などの分散状況についても簡便に制御させ得ることがわかる。

実施例１、２の金属成形品のＸ線回折チャート。還元処理工程前の予備成形品と還元処理工程後の金属成形品の外観写真。実施例３乃至５の金属成形品のＸ線回折チャート。実施例６の金属成形品のＸ線回折チャート。実施例６の金属成形品における分散状況を観察した電子顕微鏡写真。実施例６の金属成形品の熱機械分析時の温度−熱膨張変形グラフ。実施例７の金属成形品と還元処理工程前の予備成形品とを示す外観写真。実施例８の金属成形品と還元処理工程前の予備成形品とを示す外観写真。実施例９乃至１１の金属成形品のＸ線回折チャート。実施例１２乃至１５の金属成形品のＶｉｃｋｅｒｓ硬さ測定結果。実施例１２乃至１５の金属成形品におけるＷ量による熱膨張係数への影響を示すグラフ。

Claims

金属酸化物粒子またはセラミックス粒子が純金属中または合金中に分散されている金属複合材料か、あるいは合金かによって形成されている金属成形品を製造する金属成形品製造方法であって、
（１）形成される金属成形品に含まれる純金属または合金をすべて酸化物の状態且つ金属酸化物粒子の状態で含有し、バインダー成分を含有する混和物を作製する混和物作製工程、
（２）該混和物作製工程で作製された混和物を成形加工して予備成形品を作製する予備成形工程、
（３）前記予備成形工程で作製された予備成形品からバインダー成分を除去するとともに、前記予備成形品に含まれている金属酸化物粒子の少なくとも一部を還元させる還元処理工程
を実施して金属成形品を成形することを特徴とする金属成形品製造方法。
前記還元処理工程を、水素を含む気体中で予備成形品を加熱して実施する請求項１記載の金属成形品製造方法。
前記バインダー成分に有機水和物が用いられている請求項１または２に記載の金属成形品製造方法。
前記有機水和物にはセルロースが用いられている請求項３記載の金属成形品製造方法。
前記還元処理工程後に、金属成形品の緻密化を行う緻密化工程をさらに実施する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属成形品製造方法。