JP2011011927A

JP2011011927A - 炭化ハフニウム焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2011011927A
Application number: JP2009155580A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Tanaka; 和士田中; Akihiro Takeuchi; 章浩竹内; Shuji Kobayashi; 修二小林; Daisuke Ihara; 大輔伊原; Masayuki Nagabori; 正幸長堀
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc; Nissan Tanaka Corp
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc; Nissan Tanaka Corp
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】
焼結体を放電焼結装置を用いて製造する際に、製造コストを低減することができる炭化ハフニウム焼結体の製造方法を提供する。
【解決手段】
両端に開口部２０ａ，２０ｂが設けられた筒状のダイ２０内に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填し、真空中又は不活性雰囲気中で炭化ハフニウムを、開口部２０ａ，２０ｂに配置された上パンチ４０と下パンチ３０で挟んだ状態で加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する。このように焼結する際に、ダイ２０内には、単数のスペーサ１０を配置して、上パンチ４０と下パンチ３０間に複数の空間を区画形成し、この空間に炭化ハフニウム粉末を充填して、真空中又は不活性雰囲気中で上パンチ４０と下パンチ３０で加圧しながらパルス通電加熱して焼結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ハフニウム焼結体の製造方法に関する。

炭化ハフニウムは高温において耐酸化性がよく高融点であるため、炭化ハフニウムを活用した焼結材料はアークプラズマ用切断電極への適用が望まれている。しかしながら、炭化ハフニウムの融点は３８８７℃と非常に高く、炭化ハフニウム単体で緻密な焼結体を得ることは困難であった。

そこで、本出願人は、放電焼結装置を用いた高密度焼結体を製造する方法を提案している（特許文献１）。

特開２００１−２６１４４０号公報

ところが、従来は、放電焼結装置を用いているとはいえ、製造コストが高くなる問題があった。又、放電焼結する際に、焼結体を大径化すれば製造コストを低減できることが考えられるが、大径化による焼結方法は装置の制約から高密度化には限界がある。

本発明の目的は、焼結体を放電焼結装置を用いて製造する際に、製造コストを低減することができる炭化ハフニウム焼結体の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、両端に開口部が設けられた筒状のダイ内に炭化ハフニウム粉末を充填し、真空中又は不活性雰囲気中で該炭化ハフニウムを、各前記開口部に配置された第１パンチと第２パンチで挟んだ状態で加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する炭化ハフニウム焼結体の製造方法であって、前記ダイ内に、単数又は複数のスペーサを配置して、前記第１パンチ、第２パンチ間に複数の空間を区画形成し、この空間に前記炭化ハフニウム粉末を充填して、前記真空中又は不活性雰囲気中で第１パンチと第２パンチで加圧しながらパルス通電加熱して焼結することを特徴とする炭化ハフニウム焼結体の製造方法を要旨とするものである。

請求項２の発明は、有底筒状のダイ内に炭化ハフニウム粉末を充填し、真空中又は不活性雰囲気中で該炭化ハフニウムを、前記ダイの底部と前記ダイの開口部に嵌合されたパンチで挟んだ状態で前記パンチで加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する炭化ハフニウム焼結体の製造方法であって、前記ダイ内に、単数又は複数のスペーサを配置して、前記パンチと前記底部との間に複数の空間を区画形成し、この空間に前記炭化ハフニウム粉末を充填して、前記真空中又は不活性雰囲気中で前記パンチで加圧しながらパルス通電加熱して焼結することを特徴とする炭化ハフニウム焼結体の製造方法を要旨とするものである。

請求項１及び請求項２の発明によれば、一度の焼結処理で、複数の炭化ハフニウム焼結体が得られるため、焼結体を放電焼結装置を用いて製造する際に、製造コストを低減することができる。

一実施形態のパルス通電加熱加圧焼結装置の概略図。炭化ハフニウム粉末の焼成温度と相対密度の関係を示す図。炭化ハフニウム粉末の焼成時の加圧力と相対密度との関係を示す図。他の実施形態のパルス通電加熱加圧焼結装置の概略図。

以下、本発明を具体化した実施形態を図１を参照して説明する。図１は放電焼結装置としてのパルス通電加熱加圧焼結装置（以下、単に焼結装置という）の概略図である。
同図に示すように、焼結装置において、円筒状に形成された導電性焼成型（以下、ダイ２０という）の下端の開口部２０ａは、下パンチ３０で閉塞し、この状態で炭化ハフニウム粉末Ｆを、ダイ２０内部の略下半分程度まで充填する。なお、ダイ２０の形状は円筒状が好ましいが、完全な円筒状でなくてもよく、略円筒状、或いは断面楕円形状であってもよい。次に、ダイ２０に内嵌可能な円板状のスペーサ１０をダイ２０の上端の開口部２０ｂを介して前記充填された炭化ハフニウム粉末Ｆに載置する。なお、ダイ２０及びスペーサ１０は、グラファイト等の導電性材料からなる。この後、スペーサ１０上においてダイ２０で囲まれる空間内に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填する。

このように、ダイ２０内において、スペーサ１０の上下に炭化ハフニウム粉末Ｆの充填層を形成することは、ダイ２０内において、下パンチ３０と上パンチ４０の空間をスペーサ１０により複数の空間（本実施形態では２つの空間）に区画形成し、区画したそれぞれの空間に前記炭化ハフニウム粉末Ｆが充填されることになる。

そして、ダイ２０の周囲を、すなわち、焼結雰囲気を真空状態又は窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とする。この状態で、ダイ２０内に充填された炭化ハフニウム粉末Ｆにダイ２０の上下に配置されたグラファイトなどから成る導電性の下パンチ３０及び上パンチ４０によって上下方向に一軸加圧しながら、パルス電流を炭化ハフニウム粉末Ｆ、スペーサ１０及び導電性のダイ２０に導電性の上パンチ４０、下パンチ３０を介して流す。このようにパルス通電を行うことで、粉末間に発生する局所加熱による発熱作用と、ダイ２０、上パンチ４０、スペーサ１０、及び下パンチ３０から伝わるジュール熱で炭化ハフニウム粉末の焼成が行われる。上パンチ４０は、第１パンチに相当し、下パンチ３０は第２パンチに相当する。

本実施形態において、相対密度の高い炭化ハフニウム焼結体を得るためには、炭化ハフニウムの原料粉末それ自体の純度が高いものを用いることが好ましい。望ましくは、９７％以上の純度の炭化ハフニウム粉末を用いるのが好ましい。このような純度の市販されている炭化ハフニウム粉末の大きさは、通常１〜３マイクロメートルの範囲に調整されており、本実施形態においては、これをそのまま使用することができる。より均質な炭化ハフニウム焼結体を得るためには、粒度がより低いところでよりシャープな粒度分布を有する均一な炭化ハフニウム粉末を用いることが好ましい。

ここで、「相対密度％」は、次式のように物体の嵩比重を真比重に対する百分率で表したものである。
相対密度％＝（嵩比重／真比重）ｘ１００
なお、嵩比重＝重量／外形容積、真比重＝重量／真容積
である。

炭化ハフニウム粉末Ｆから焼結体を製造する場合、相対密度を８０％以上とするためには、焼成温度を１８００〜２０００℃の範囲が好ましい。又、加圧力は４０〜７０ＭＰａの範囲が相対密度を８０％以上とする点で好ましい。なお、加圧力を４０ＭＰａ以下とすることは相対密度が低下して好ましくなく、７０ＭＰａを越えると、ダイ２０の割れなど装置に対する負担が大きくなる。

図２は、炭化ハフニウム粉末Ｆから焼結体を製造する場合、一軸方向の加圧力を４０ＭＰａとしたときの焼成温度と相対密度の関係を示している。同図に示すように、焼成温度を高めるに従い相対密度が上昇することから、加圧力と焼成温度との関係を調整することにより高相対密度の焼結体が得られる。

又、図３は、同様に炭化ハフニウム粉末Ｆから焼結体を製造する場合、焼成温度を１９００℃としたときの、一軸方向の加圧力（４０〜７０Ｍｐａ）と相対密度％との関係を示している。同図に示すように、加圧力を増したときに相対密度％が上昇し、特に焼成温度が低いときにその上昇傾向が著しい傾向を示している。以上のことから、本実施形態においては、１９００℃の焼成温度で、７０ＭＰａの加圧力で焼成することにより９８％前後（なお、９８％を越す場合には、例えば９８．２％）の高い相対密度の炭化ハフニウム焼結体が得ることができる。なお、加圧力は７０ＭＰａという高加圧力である必要はなく、それ以下でも適切な焼成温度を用いることにより、相対密度９８％以上のものを得ることができる。

このように、上記の製造方法では、粒子間が溶融状態で結合されて、粒子径が揃った均質な組織が形成された炭化ハフニウム焼結体とすることができ、この炭化ハフニウム焼結体は、相対密度が高く緻密な焼結体とすることができる。

このような緻密な焼結体が得られるのは、炭化ハフニウム粉末からなる原料粉末を一軸方向に加圧した状態でパルス通電することにより、粉末粒子同士が接触する粒子間において局所加熱が生じ、これによって瞬時に粒子間の溶着がなされることによるものであると推察される。焼結雰囲気を真空或いは、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスで行うのは、グラファイト等で形成されているダイやパンチ等の焼結装置部材の酸化の防止のためである。不活性雰囲気とした場合は、焼結後の放冷時間の短縮が期待できる。

本実施形態の炭化ハフニウム焼結体の製造方法では、市販のパルス通電加熱加圧焼結装置が使用でき、パルス通電により、粒子間の溶着を促す焼結法であることから、直径６０ｍｍの大口径のものが一度の焼結により複数の焼結体を容易に得ることができる。又、このような大口径の焼結体であれば、例えば直径１．６ｍｍのプラズマ切断用電極に使用する際には、１つの焼結体から１２５本以上の電極を切り出すことができる。切り出し加工に当たっては、例えば、ワイヤカッター等の自動加工機を使用することができるため、本実施形態の炭化ハフニウム焼結体を工業的に利用できる。そして、本実施形態では、一度の焼結処理で一度に複数の焼結体が得られることから、プラズマ切断用電極の製造コストも低減することができる。

又、本実施形態の炭化ハフニウム焼結体の製造方法は、粉末の成型と焼成が同時に行われて、複数の焼結体が得られるため、工業的に十分に利用できることから、本実施形態の炭化ハフニウム焼結体を工業規模で生産することが可能となる。本実施形態の炭化ハフニウム焼結体は、相対密度を高くすることができることからプラズマ発生用電極として、とりわけプラズマ切断用電極として使用するのに好適である。

さて、本実施形態では下記の特徴がある。
（１）本実施形態の炭化ハフニウム焼結体の製造方法は、両端に開口部２０ａ，２０ｂが設けられた筒状のダイ２０内に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填し、真空中又は不活性雰囲気中で炭化ハフニウムを、開口部２０ａ，２０ｂに配置された上パンチ４０と下パンチ３０で挟んだ状態で加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する。そして、このように焼結する際に、ダイ２０内には、単数のスペーサ１０を配置して、上パンチ４０と下パンチ３０間に複数の空間を区画形成し、この空間に炭化ハフニウム粉末を充填して、真空中又は不活性雰囲気中で上パンチ４０と下パンチ３０で加圧しながらパルス通電加熱して焼結する。

この結果、本実施形態の製造方法によれば、一度の焼結処理時に複数個の緻密なの炭化ハフニウム焼結体を得ることができるため、製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図４を参照して説明する。本実施形態では、焼結装置の構成が一部異なっている。なお、図１の焼結装置と同一構成及び相当する構成については、同一符号を付して詳細説明を省略する。

図４に示すように、焼結装置は、下パンチ３０が省略され、その代わりに、ダイ２０が有底筒状に形成されて、ダイ２０には底部２０ｃが設けられている。すなわち、底部２０ｃは、ダイ２０の筒状部と一体に形成されてグラファイトからなる導電性の材料から形成されている。この焼結装置を使用することにより、図１の実施形態の装置と同様に炭化ハフニウム焼結体を製造することができる。

すなわち、焼結装置において、炭化ハフニウム粉末Ｆを、ダイ２０内部の略下半分程度まで充填する。次に、ダイ２０に内嵌可能な円板状のスペーサ１０をダイ２０の上端の開口部２０ｂを介して前記充填された炭化ハフニウム粉末Ｆに載置する。この後、スペーサ１０上においてダイ２０で囲まれる空間内に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填する。このように、ダイ２０内において、スペーサ１０の上下に炭化ハフニウム粉末Ｆの充填層を形成することは、ダイ２０内において、底部２０ｃと上パンチ４０間に形成される空間を、スペーサ１０により複数の空間（本実施形態では２つの空間）に区画形成し、区画したそれぞれの空間に前記炭化ハフニウム粉末Ｆが充填されることになる。

そして、ダイ２０の周囲を、すなわち、焼結雰囲気を真空状態又は窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気とする。この状態で、ダイ２０内に充填された炭化ハフニウム粉末Ｆにダイ２０の上に配置されたグラファイトなどから成る導電性の上パンチ４０によって下方向に一軸加圧しながら、パルス電流を炭化ハフニウム粉末Ｆ、スペーサ１０及び導電性のダイ２０に導電性の上パンチ４０、底部２０ｃを介して流す。このようにパルス通電を行うことで、粉末間に発生する局所加熱による発熱作用と、ダイ２０、上パンチ４０、スペーサ１０、及び底部２０ｃから伝わるジュール熱で炭化ハフニウム粉末の焼成が行われる。上パンチ４０は、パンチに相当する。

なお、本実施形態における炭化ハフニウム粉末Ｆの純度の条件、大きさは、前記実施形態と同様である。又、焼成温度、加圧条件も前記実施形態と同様の条件が好ましい。このような焼結装置を使用して、前述のように条件下で炭化ハフニウム粉末Ｆから炭化ハフニウム焼結体を形成することができる。

さて、本実施形態では下記の特徴がある。
（１）本実施形態の炭化ハフニウム焼結体の製造方法は、有底筒状のダイ２０内に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填し、真空中又は不活性雰囲気中で該炭化ハフニウムを、ダイ２０の底部２０ｃとダイの開口部２０ｂに嵌合された上パンチ４０で挟んだ状態で該上パンチ４０で加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する方法である。そして、ダイ内に、単数のスペーサを配置して、上パンチ４０と底部２０ｃとの間に複数の空間を区画形成し、この空間に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填して、真空中又は不活性雰囲気中で上パンチ４０で加圧しながらパルス通電加熱して焼結する。この結果、本実施形態の製造方法によれば、一度の焼結処理時に複数個の緻密なの炭化ハフニウム焼結体を得ることができるため、製造コストを低減することができる。

次に、炭化ハフニウム焼結体の製造についてその実施例を説明する。
原料の炭化ハフニウム粉末としては、純度９７％以上で平均粒径１．０４マイクロメートルの市販品（日本新金属（株）製）を用いた。本実施例においては、パルス通電加熱加圧焼結装置として、放電プラズマ焼結機（（株）住友石炭鉱業製ＤＲ．ＳＩＮＴＥＲＳＰＳ−７．４０ＭＫ−Ｖ）を用いた。その装置概略図は図１に示すものと同じであるため、その重複部分についての説明は省略する。

炭化ハフニウム粉末Ｆの充填空間を形成するために、焼結装置は図１に示すように下パンチ３０及び上パンチ４０とダイ２０によって構成されている。下パンチ３０及び上パンチ４０の形状は上下ともに直径６０ｍｍで高さ４０ｍｍであり、ダイの形状は、外径１００ｍｍ、内径６０．８ｍｍで高さ９０ｍｍのものを用いた。これらの材質はいずれもグラファイトである。下パンチ３０及び上パンチ４０には、油圧で上下方向に動く上下に配置された電極本体５０、６００が当接して設けられ、電極本体５０，６０は油圧で上下動可能に真空水冷チャンバー７０に取り付けられている。

まず、ダイ２０に下パンチ３０を差し込んだ後、ダイ２０内部の略下半分に上記の炭化ハフニウム粉末Ｆを均一に充填し、スペーサ１０を差し込む。このスペーサ１０の大きさは直径６０ｍｍで厚さ５ｍｍである。ダイ２０内において、スペーサ１０上において、ダイ２０内部の略上半分にさらに上記の炭化ハフニウム粉末Ｆを均一に充填した後、ダイ２０に上パンチ４０を差し込む。

この際、本実施例では、ダイ２０内面、下パンチ３０上面、上パンチ４０下面、及びスペーサ１０の上下両面と炭化ハフニウム粉末Ｆとの反応によって生じるダイ２０の損傷を防ぐために、０．２ｍｍ厚のグラファイト製のフェルト（図示しない）を、前記それぞれの面と充填させた炭化ハフニウム粉末Ｆとの間に各々２枚設置した。

このようにして炭化ハフニウム粉末Ｆが充填されたダイ２０を、焼結装置のチャンバー７０内にセットする。電極本体５０，６０による一軸方向の加圧の制御は、電極位置を計測し、この情報により制御装置８０で油圧装置９０を制御することによりなされる。

又、焼結装置における焼成温度の制御は、ダイ２０や下パンチ３０、上パンチ４０の温度を測定し、その測定結果に基づいて、焼結電源１００の通電量を制御装置８０で制御して行う。通電するパルスとしては、例えば、正弦波交流の半波（例えば、正弦波交流を半波整流して得られるもの）をパルスとして用い、このパルスを所定回数連続して印加し、所定回数印加を休止（電流ゼロの期間とする）する事を繰り返して行った。本実施例では、そのパルス幅は２．７ｍｓであり、このパルスを連続して１２回オンして供給し、２回オフして休止（ゼロ電流の幅が５．４ｍｓ）する事を繰り返し行った。

又、チャンバー７０内を５Ｐａ以下の真空状態にした後に焼結を行う。なお、真空状態に代えて、焼結雰囲気を窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気で行ってもよい。そして、４０〜７０ＭＰａの範囲内で油圧により加圧力を炭化ハフニウム粉末Ｆにかけながら、１９００℃焼結温度であれば１６分で到達温度に昇温し、その温度で５分間程度保持して加圧焼成を行った。このようにして焼成した後、加圧力を解放すると自然冷却し、４００℃に達した時点で大気解放して焼結体を得た。

この結果、直径６０ｍｍ、厚さ６ｍｍの試料（炭化ハフニウム粉末のみ）の焼成は、７０Ｍｐａの加圧力で焼成温度を１９００℃とし、それを５分間維持して相対密度９７．６％と、９８．２％の炭化ハフニウム焼結体を２個得た。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、前記実施形態の構成を下記のように変更してもよい。
○ 図１、図２の実施形態では、スペーサ１０は、単数としたが、ダイ２０の長さを、前記実施形態のものよりも上下方向に延ばした構成にして、２枚以上のスペーサ１０を使用し、各スペーサ間、下パンチ３０（又は底部２０ｃ）と最下部のスペーサ間、及び上パンチ４０と最上部のスペーサ１０間に炭化ハフニウム粉末Ｆの充填層を形成してもよい。

具体的には、下パンチ３０（又は底部２０ｃ）上と一番下となるスペーサ１０間に、最初の炭化ハフニウム粉末Ｆを充填し、その充填した炭化ハフニウム粉末Ｆの層上に次のスペーサ１０を載置した後、２番目となるスペーサ１０を載置し、炭化ハフニウム粉末Ｆを２番目のスペーサ１０上に充填する。以下、同様にしてそのスペーサ１０上に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填する。そして、最上部となるスペーサ１０上に炭化ハフニウム粉末Ｆを充填した後、上パンチ４０と下パンチ３０（又は底部２０ｃ）及び上パンチ４０によって上下方向（又は下方向）に一軸加圧しながら、パルス電流を炭化ハフニウム粉末Ｆ、各スペーサ１０及び導電性のダイ２０に導電性の上パンチ４０、下パンチ３０（又は底部２０ｃ）を介して流す。

このようにパルス通電を行うことで、粉末間に発生する局所加熱による発熱作用と、ダイ２０、上パンチ４０、各スペーサ１０、及び下パンチ３０（又は底部２０ｃ）から伝わるジュール熱で炭化ハフニウム粉末の焼成が行われる。なお、この場合の焼成温度、加圧力、原料の純度等の諸条件は前記実施形態に準じて行うものとする。このように複数のスペーサ１０を使用すると、前記実施形態よりもさらに、一度の焼結処理により、さらに多くの個数の炭化ハフニウム焼結体を得ることができる。

１０…スペーサ、２０…ダイ、２０ａ，２０ｂ…開口部、２０ｃ…底部、
３０…下パンチ（第２パンチ）、４０…上パンチ（第１パンチ）、
５０，６０…電極本体、７０…チャンバー。

Claims

両端に開口部が設けられた筒状のダイ内に炭化ハフニウム粉末を充填し、真空中又は不活性雰囲気中で該炭化ハフニウムを、各前記開口部に配置された第１パンチと第２パンチで挟んだ状態で加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する炭化ハフニウム焼結体の製造方法であって、
前記ダイ内に、単数又は複数のスペーサを配置して、前記第１パンチ、第２パンチ間に複数の空間を区画形成し、この空間に前記炭化ハフニウム粉末を充填して、前記真空中又は不活性雰囲気中で第１パンチと第２パンチで加圧しながらパルス通電加熱して焼結することを特徴とする炭化ハフニウム焼結体の製造方法。
有底筒状のダイ内に炭化ハフニウム粉末を充填し、真空中又は不活性雰囲気中で該炭化ハフニウムを、前記ダイの底部と前記ダイの開口部に嵌合されたパンチで挟んだ状態で前記パンチで加圧しながら、パルス通電加熱して焼結する炭化ハフニウム焼結体の製造方法であって、
前記ダイ内に、単数又は複数のスペーサを配置して、前記パンチと前記底部との間に複数の空間を区画形成し、この空間に前記炭化ハフニウム粉末を充填して、前記真空中又は不活性雰囲気中で前記パンチで加圧しながらパルス通電加熱して焼結することを特徴とする炭化ハフニウム焼結体の製造方法。