JP2017095778A - 放電プラズマ焼結用成形型及び放電プラズマ焼結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、放電プラズマ焼結用の成形型において、シリンダーのクラック発生を抑制して、安定的に放電プラズマ焼結を行うことができる成形型を提供する。
【解決手段】本発明に係る放電プラズマ焼結用成形型は、成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結に用いられ、シリンダーと、このシリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、このシリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、これらの第１パンチ及び第２パンチは、それぞれ、シリンダーへの挿入方向に対し垂直な分割面で、シリンダーの内部に対して内部側パンチと外部側パンチとの２つに分割されていることを特徴とする。第１パンチ及び第２パンチには、それぞれ、内部側パンチと外部側パンチとの間に、滑材を有することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電プラズマ焼結用成形型及び放電プラズマ焼結方法に関し、より詳しくは、成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型及びその焼結用成形型を用いた放電プラズマ焼結方法に関する。

従来より、金属やセラミックスの焼結方法のひとつとして、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）が知られている。この放電プラズマ焼結は、固体状又は粉末状の成形材料を成形型に充填し、一軸性加圧と直流パルス電圧・電流を、成形型及び成形材料に同時に印加するものである。

放電プラズマ焼結に用いる焼結用成形型７は、例えば図１０に示すように、中空の円筒形状をしたシリンダー７１と、そのシリンダー７１の両端からそれぞれシリンダー７１の内部に向から挿入される第１パンチ７２、第２パンチ７３とで構成される。シリンダー７１内に充填された成形材料は、第１パンチ７２と第２パンチ７３とにより加圧圧縮されながら、その第１パンチ７２、シリンダー７１、第２パンチ７３の順に電流が通電し、加熱されることによって焼結される。

このような放電プラズマ焼結の成形型としては、通電性及び成形性の観点から、グラファイトが用いられる（例えば、特許文献１、２参照）。しかしながら、グラファイト成形型は、酸素を含む雰囲気中で高温加熱されると消耗していくため、大気中で焼結を行うことは不可能である。このため、周囲を真空状態又は不活性ガスの充填状態に保つべく、焼結が進行する部分及びその周辺を外部と遮断するための真空チャンバーを設けることが必要となるが、このような真空チャンバーへの成形型の出し入れは、成形物の生産性を大きく低下させていた。また、グラファイト型の機械的強度は十分でなく、成形材料へ加える圧力を１００ＭＰａ未満に抑える必要があり、そのため、１００ＭＰａを超える超高圧条件下での成形材料の焼結は困難であった。

このような問題に対して、超高圧条件下で、成形型として炭化ケイ素からなる成形体を用いる方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この炭化ケイ素は、酸素雰囲気中で高温加熱されても消耗が無く、大気中で焼結を行うことが可能であることから、真空チャンバーが不要となり、量産性を大きく改善することができる。さらに、炭化ケイ素は、高強度材料でもあるため、５００ＭＰａの超高圧の焼結を行うこともできる。

しかしながら、炭化ケイ素は、グラファイトと比較して脆性が大きいため、焼結中にシリンダー７１にクラックが発生することがある。このようなクラックは、焼結中に発生することが多く、成形材料に対する良好な焼結が損なわれるだけでなく、高額なシリンダーの損失にもつながり、工業的な大量生産への応用の妨げとなっていた。

特開平１１−３３５７０７号公報 特開２００３−０８１６４９号公報

Ｋ．Ｋａｋｅｇａｗａ， Ｃ．Ｍ．Ｗｅｎ， Ｎ．Ｕｅｋａｗａ， Ｔ．Ｋｏｊｉｍａ， "ＳＰＳ Ｕｓｉｎｇ ＳｉＣ Ｄｉｅ"， Ｋｅｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｖｏｌ． ６１７， ｐｐ． ７２−７７， Ｊｕｎ． ２０１４

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、放電プラズマ焼結用の成形型において、シリンダーのクラック発生を抑制して、安定的に放電プラズマ焼結を行うことができるようにすることを目的とする。

本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、シリンダーの内部に挿入して加圧するためのパンチにおいて、その挿入方向に対して垂直な分割面で複数に分割されたパンチを用いることで、パンチとシリンダーとの局所的な接触を防止することで、その接触箇所における電圧及び圧力の負荷を緩和し、シリンダーにおけるクラック発生を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明の第１の発明は、成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型であって、シリンダーと、前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、前記第１パンチ及び前記第２パンチは、それぞれ、前記シリンダーへの挿入方向に対し垂直な分割面で、該シリンダーの内部に対して内部側パンチと外部側パンチとの２つに分割されている放電プラズマ焼結用成形型である。

（２）本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記第１パンチ及び第２パンチには、それぞれ、前記内部側パンチと前記外部側パンチとの間に、滑材を有する放電プラズマ焼結用成形型である。

（３）本発明の第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記内部側パンチの径は、前記外部側パンチの径よりも大きい放電プラズマ焼結用成形型である。

（４）本発明の第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、炭化ケイ素により構成されている放電プラズマ焼結用成形型である。

（５）本発明の第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの発明において、前記シリンダーの開口部が面取りされている放電プラズマ焼結用成形型である。

（６）本発明の第６の発明は、成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型であって、シリンダーと、前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、前記シリンダーの前記他端側を塞ぐように配置され、前記第１パンチによる加圧を受ける加圧受け部と、を備え、前記第１パンチは、前記シリンダーへの挿入方向に対し垂直な分割面で、垂直な断面によって２つに分割されている放電プラズマ焼結用成形型である。

（７）本発明の第７の発明は、成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型であって、シリンダーと、前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、前記第１パンチ及び前記第２パンチは、それぞれ、前記シリンダーへの挿入方向に対し垂直な複数の分割面で、複数に分割されている放電プラズマ焼結用成形型である。

（８）本発明の第８の発明は、焼結用成形型に成形材料を装入し、加圧しつつ電圧を印加して該成形材料に対して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結方法であって、前記焼結用成形型は、開口部を有するシリンダーと、前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、前記第１パンチ及び前記第２パンチはそれぞれ、前記シリンダーへの挿入方向に対して垂直な断面で２つに分割されている放電プラズマ焼結方法である。

放電プラズマ焼結用成形型の構成を説明するための図である。 放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。 放電プラズマ焼結用成形型のクラック発生を抑制するメカニズムを説明するための図である。 放電プラズマ焼結用成形型の構成の変形例を示す断面図である。 第２の実施形態の放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。 第３の実施形態の放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。 第４の実施形態の放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。 放電プラズマ焼結装置の構成を示す断面図である。 放電プラズマ焼結装置の構成を示す断面図である。 従来法の放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。 従来法の放電プラズマ焼結用成形型のクラック発生のメカニズムを説明するための模式図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に何ら制限されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

≪１．放電プラズマ焼結用成形型≫
本実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型は、成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型である。

図１及び図２は、本実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型の構成の一例を示す図である。なお、図２は、成形材料１４が装入された放電プラズマ焼結用成形型を示している。図１及び図２に示すように、放電プラズマ焼結用成形型１は、シリンダー１１と、第１パンチ１２と、第２パンチ１３とを備える。そして、第１パンチ１２及び第２パンチ１３は、それぞれ、シリンダーへの挿入方向（図１中の矢印Ｘ、Ｙ）に対して垂直な分割面で、２つのパンチに分割されている。

ここで、本発明者は、図１０に例示したような従来の放電プラズマ焼結用成形型７のシリンダー７１におけるクラックの発生は、例えば図１１の模式図に示すように、成形材料の厚さの不均一性等によって、圧縮に際してパンチ７２，７３がシリンダー７１への挿入方向に対して斜めに傾くことにより、シリンダー７１とパンチ７２，７３とが局所的に強く接触し（図１１中の丸点線囲み部）、そこの小さな接触箇所を介して過大な電流が流れ、シリンダー７１が局所的に強く発熱すること、及び加圧の際にその箇所に局所的な応力が掛かることによるものであることを見出した。

そこで、本実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型１においては、図１及び図２に示すように、第１パンチ１２及び第２パンチ１３を、シリンダー１１への挿入方向に対して垂直な分割面で２つのパンチに分けるようにしている。このことにより、図３の模式図に示すように、成形材料の圧縮時に、シリンダー１１への挿入方向に対して、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）に傾きが生じたとしても、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）はこの傾きに伴って移動せず、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）の断面に垂直な方向の中心軸と、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）の中心軸との間でずれが生じることによって、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）が、もとの位置の付近に留まることができる。その結果、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）の傾きに伴う、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）とシリンダー１１との接触を回避し、またはシリンダー１１との局所的な強い接触を防止し、シリンダー１１のクラック発生を抑制できる。

［シリンダー］
シリンダー１１は、後述する第１パンチ１２及び第２パンチ１３が挿入され、これらパンチ１２，１３とにより成形材料を加圧圧縮する。このシリンダー１１は、外殻を構成する外径部１１１と、成形材料が装入されるとともに、第１パンチ１２及び第２パンチ１３が装入される中空部１１２と、その中空部１１２の開口端部である開口部１１３とから構成される。なお、シリンダー強度をより向上させる観点から、外径部１１１と、中空部１１２との軸は一致していることが好ましい。

シリンダー１１の形状としては、特に制限されるものではなく、円筒形状、楕円筒形状、多角筒形状等、製造すべき焼結体の形状によって変更を加えることができる。なお、ここでは、円筒形状をしたシリンダーを具体例として説明するが、これに何ら制限されるものではない。

シリンダー１１の大きさとしては、特に制限されるものではなく、設備や焼結体の収量によって適宜調整することができる。

シリンダー１１は、成形材料に対する放電プラズマ焼結を効率的に行う観点から、導電性材料により構成されることが好ましい。具体的には、例えば、炭化ケイ素、グラファイト、炭化タングステン等から構成されるものであることが好ましい。シリンダー１１やパンチ１２，１３として、炭化ケイ素から構成されるものを用いることで、真空雰囲気とすることなく、酸素雰囲気中で高温プラズマ焼結を行うことができるという炭化ケイ素の利点を活かしながら、高温加熱条件でクラックの発生を抑制できる。また、シリンダー１１やパンチ１２，１３をグラファイト又は炭化タングステンで構成することで、従来の放電プラズマ焼結の条件において、より高圧条件でのクラック発生を防止できる。

［パンチ］
第１パンチ１２及び第２パンチ１３は、シリンダー１１の中空部１１２に挿入されることで、シリンダー１１とともに、そのシリンダー１１内部に装入した成形材料を加圧圧縮する。具体的に、内部に成形材料が装入されたシリンダー１１の一端から第１パンチ１２を挿入し、他端から第２パンチ１３を挿入して、これらのパンチ１２，１３により、シリンダー１１内部の成形材料に対して、直接圧力を印加する。

第１パンチ１２は、シリンダー１１の一端側からそのシリンダー１１内部に挿入されるものであり、その挿入方向に対して垂直な分割面で２つに分割されている。ここで、その挿入方向に対し垂直な分割面で分割して形成された、そのシリンダー１１の中空部１１２に対して内部側のパンチを「内部側第１パンチ１２ａ」といい、外部側のパンチを「外部側第１パンチ１２ｂ」という。

第１パンチ１２において、内部側第１パンチ１２ａは、上述したように、シリンダー１１の中空部１１２の内部側に位置されるパンチであり、シリンダー１１に装入された成形材料に接触するものである。また、第１パンチ１２において、外部側第１パンチ１２ｂは、シリンダー１１の中空部１１２の外部側に位置されるパンチであり、その一部が、シリンダーの開口部１１３から露出する。

第２パンチ１３は、シリンダー１１の他端側からそのシリンダー１１内部に挿入されるものであり、第１パンチ１２と同様に、その挿入方向に対して垂直な分割面で２つに分割されている。ここで、その挿入方向に対し垂直な分割面で分割して形成された、そのシリンダー１１の中空部１１２に対して内部側のパンチを「内部側第２パンチ１３ａ」といい、外部側のパンチを「外部側第２パンチ１３ｂ」という。

第２パンチ１３において、内部側第２パンチ１３ａは、上述したように、シリンダー１１の中空部１１２の内部側に位置されるパンチであり、シリンダー１１に装入された成形材料に接触するものである。また、第２パンチ１３において、外部側第２パンチ１３ｂは、シリンダー１１の中空部１１２の外部側に位置されるパンチであり、その一部が、シリンダーの開口部１１３から露出する。

ここで、第１パンチ１２及び第２パンチ１３における分割面の位置（パンチの挿入方向の高さ位置）としては、シリンダー１１内に成形材料を装入して、シリンダー１１の両端からパンチ１２，１３による圧力を印加するとき、そのパンチ１２，１３における分割面の位置がシリンダー１１の中空部１１２の内部に位置されるようにする。

第１パンチ１２及び第２パンチ１３の形状としては、シリンダー１１の中空部１１２に挿入可能な形状であれば特に制限されず、シリンダー１１の中空部１１２の断面（パンチ１２，１３のシリンダー１１への挿入方向に対して垂直な断面）の形状と同様の形状の断面を有する柱状であることが好ましい。例えば、シリンダー１１の中空部１１２の断面が円形状であって、その中空部１１２が円柱形状であれば、第１パンチ１２及び第２パンチ１３も円柱形状のものを用いることができる。

第１パンチ１２及び第２パンチ１３の大きさとしては、シリンダー１１の中空部１１２に挿入可能な大きさであれば、特に制限されない。具体的には、第１パンチ１２及び第２パンチ１３は、その径が、シリンダー１１の中空部１１２の径よりも小さい。

ここで、シリンダー１１の中空部１１２と、第１パンチ１２及び第２パンチ１３との間隙の大きさとしては、特に限定されないが、間隙が大きすぎると、加圧時に内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）が移動し得る空間が増加することにより、内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）がより大きな傾きを生じやすくなり、内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）と外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）のずれのみでは、外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）が、シリンダー１１との接触を回避できないおそれがある。また、大気中において放電プラズマ焼結を行うに際し、シリンダー１１の中空部１１２への酸素が侵入しやすくなり、後述の滑材を用いたときに滑材としてのカーボンや金属が酸化により消耗するおそれがある。一方、間隙が小さすぎると、パンチ１２，１３が好適にシリンダー１１の中空部１１２に挿入できないだけでなく、外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）が僅かに傾くだけで、シリンダーと局所的に強く接触するおそれがある。

具体的には、例えば、シリンダー１１の中空部１１２に対するパンチ１２，１３の径としては、シリンダー１１の中空部１１２の径の９９．８％以下であることが好ましく、９９．６％以下であることがより好ましい。一方、下限値としては、９９．３％以上であることが好ましく、９９．５％以上であることがより好ましい。

より具体的には、例えば、中空部１１２の径が１５．００ｍｍのシリンダーを用いる場合、パンチ１２，１３の径として、シリンダー１１の中空部１１２の径の９９．８％以下に相当するのは１４．９７ｍｍ以下であり、９９．６％以下に相当するのは１４．９４ｍｍ以下である。一方、パンチ１２，１３の径の下限値として、９９．３％以上に相当するのは１４．９０ｍｍ以上であり、９９．５％以上に相当するのは１４．９２ｍｍ以上である。

第１パンチ１２及び第２パンチ１３は、成形材料に対する放電プラズマ焼結を効率的に行う観点から、導電性材料により構成されることが好ましい。具体的には、シリンダー１１の構成材料と同様に、炭化ケイ素、グラファイト、炭化タングステン等から構成されるものであることが好ましい。

図３は、本実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型のクラック発生を抑制するメカニズムを説明するための図である。上述のとおり、パンチ１２，１３を２つに分割することによって、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）と外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）とが、それぞれ独立して移動することが可能であるため、成形材料に圧力を印加するに際し、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）に傾きが生じても、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）はこの傾きに伴って移動せず、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）の断面に垂直な方向の中心軸と、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）の中心軸との間でずれが生じることによって、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）は、もとの位置付近に留まることができ、シリンダー１１との接触を回避するか、またはシリンダー１１と接触したとしても、局所的に強く接触することはなく、局所的なパルス電流による加熱及び加圧による圧力負荷を緩和することができ、シリンダーのクラック発生を抑制できる。

ここで、第１パンチ１２及び第２パンチ１３において、分割して形成された２つのパンチ（１２ａ，１２ｂ及び１３ａ，１３ｂ）の間には、滑材を設けることが好ましい。具体的に、図４に示すように、第１パンチ１２においては内部側第１パンチ１２ａと外部側第１パンチ１２ｂとの間に、また、第２パンチ１３においては内部側第２パンチ１３ａと外部側第２パンチ１３ｂとの間に、滑材１５を設ける。このように、分割して形成された２つのパンチ（１２ａ，１２ｂ及び１３ａ，１３ｂ）の間に滑材１５を設けることで、内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）と外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）との接触が滑らかになり、内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）が傾くことに伴って、外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）に働く摩擦力を減少させることで、外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）がシリンダー１１の中空部１１２に留まり易くなる。

滑材１５としては、特に制限されないが、例えば、カーボンペーパー、カーボン粉末、白金、ニッケル等の金属板、金属粉末等を用いることができる。

なお、図示しないが、成形材料と内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）とが高温条件下で化学的に活性である場合、内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）の成形材料との接触面に、反応防止剤を設けることができる。反応防止剤としては、例えば、成形材料と不活性の金属板やカーボンペーパー等を用いることができる。

以上のように、放電プラズマ焼結用成形型１は、シリンダー１１と、第１パンチ１２と、第２パンチ１３とを備え、第１パンチ１２と第２パンチ１３が、シリンダー１１への挿入方向に対し垂直な分割面で２つのパンチに分かれている。

この放電プラズマ焼結用成形型１では、例えば、先ず、シリンダー１１の中空部１１２に、そのシリンダー１１の一方の端部から内部側第２パンチ１３ａと、外部側第２パンチ１３ｂを順に挿入する。次いで、シリンダー１１の逆の端（他端）から、シリンダー１１内部に成形材料を装入する。その後、その他端から、内部側第１パンチ１２ａと外部側第１パンチ１２ｂを順に挿入する。

そして、このようにして成形材料を装入した放電プラズマ焼結用成形型１を、放電プラズマ焼結装置に設置して、その成形材料に対して圧力を印加する。

このような放電プラズマ焼結用成形型１によれば、第１パンチ１２及び第２パンチ１３を、挿入方向と垂直な断面によって２つのパンチに分けることにより、図２の模式図に示すように、成形材料の圧縮時に、シリンダーへの挿入方向に対して、内部側パンチ（１２ａ，１３ａ）に傾きが生じても、この傾きに伴って、外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）の位置が、もとの位置から大きく移動することを緩和することができる。その結果、外部側パンチ（１２ｂ，１３ｂ）が、シリンダーと局所的に強く接触することを防止し、電流による発熱及び圧力の負荷によりシリンダーのクラック発生を抑制することができる。

なお、成形材料としては、放電プラズマ焼結により焼結体が形成されるものであれば特に制限されるものではない。具体的には、例えば、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、フッ化物等のセラミックスや、金属、合金、サーメット等を用いることができる。また、その形状としては、特に制限されるものではなく、粉末状又は固体状の原料を用いることができる。

≪２．他の実施形態≫
（１）第２の実施形態に係る放電プラズマ焼結用成形型
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。放電プラズマ焼結用成形型２は、シリンダー２１と、第１パンチ２２と、第２パンチ２３とを備え、第１パンチ２２及び第２パンチ２３は、それぞれ、シリンダー２１への挿入方向に対して垂直な分割面で２つに分かれている。

そして、この放電プラズマ焼結用成形型２では、第１パンチ２２及び第２パンチ２３をそれぞれ分割して形成された、外部側のパンチ（２２ｂ，２３ｂ）の径が内部側のパンチ（２２ａ，２３ａ）の径より小さくなっており、外部側のパンチ（２２ｂ，２３ｂ）と内部側のパンチ（２２ａ，２３ａ）との間、及び、外部側のパンチ（２２ｂ，２３ｂ）とシリンダー２１との間に、カーボンペーパー等の滑剤が設けられている。

このように、外部側のパンチ（２２ｂ，２３ｂ）の径が内部側のパンチ（２２ａ，２３ａ）の径より小さいことによって、内部側のパンチ（２２ａ，２３ａ）が傾いた場合に、外部側のパンチ（２２ｂ，２３ｂ）が移動可能な空間をより多く確保することができるので、外部側のパンチ（２２ｂ，２３ｂ）が、もとの位置付近に留まりやすくなり、シリンダー２１との強い接触を防止できる。

（２）第３の実施形態に係る放電プラズマ焼結用成形型
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。放電プラズマ焼結用成形型３は、シリンダー３１と、第１パンチ３２と、第２パンチ３３とを備え、第１パンチ３２及び第２パンチ３３は、それぞれ、シリンダー３１への挿入方向に対して垂直な分割面で２つに分かれている。

そして、この放電プラズマ焼結用成形型３では、少なくとも、シリンダー３１の開口部３１１の縁が面取りされている。

このように面取りを行うことで、仮に外部側のパンチ（３２ｂ，３３ｂ）に大きな傾きが生じたとしても、シリンダー３１と外部側のパンチ（３２ｂ，３３ｂ）の接触する可能性を低くすることができる。また、仮にそれらが接触したとしても、強い接触を防止し、その接触箇所における電流や圧力による負荷を軽減し、シリンダー３１のクラックの発生を抑制することができる。なお、特に、シリンダー３１の開口部からクラックが発生しやすい。

また、パンチ（３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ）についても、同様に、面取りをすることが好ましい。具体的には、パンチ（３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ）が傾いた場合に、シリンダー３１と接触する部分について面取りすることが好ましい。ただし、成形材料との接触面は、面取りを行わないことが好ましい。

（３）第４の実施形態に係る放電プラズマ焼結用成形型
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る放電プラズマ焼結用成形型の構成を示す断面図である。放電プラズマ焼結用成形型４は、シリンダー４１と、第１パンチ４２と、第２パンチ４３とを備える。

また、この放電プラズマ焼結用成形型４は、さらに、シリンダー４１の他端の開口部４１１を塞ぐように配置されて第１パンチ４２による加圧を受ける加圧受け部４４を備える。放電プラズマ焼結用成形型４では、シリンダー４１の内部に充填された成形材料が第１パンチ４２のみから加圧される。このとき、第１パンチ４２では、そのシリンダー４１への挿入方向に対して垂直な分割面で２つに分かれている。

なお、熱的非対称により焼結に悪影響を及ぼさない場合には、シリンダー４１の一方の端に加圧受け部４４を設けることで、加圧受け部４４を設けた端と逆の端の一方向からの圧力印加によって放電プラズマ焼結を行うことができる。

（４）第５の実施形態に係る放電プラズマ焼結用成形型
なお、上述した各実施形態においては、第１パンチ及び第２パンチを特定の分割面で２つに分ける態様については示したが、２つに分割することに限られず、３つ以上の複数に分割するようにしてもよい。このように、第１パンチ及び第２パンチを３つ以上の複数に分割した場合であっても、同様に、外部側のパンチのシリンダーに対する強い接触を防止することができ、シリンダーのクラック発生を抑制できる。

≪３．放電プラズマ焼結装置≫
ここで、上述した放電プラズマ焼結用成形型を用いて放電プラズマ焼結を行うための放電プラズマ焼結装置について説明する。放電プラズマ焼結装置は、成形材料に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電により瞬時に発生する高温プラズマの高エネルギーを、熱拡散・電解拡散等に応用することで、昇温時間及び保持時間を含めて、例えば３〜３０分程度の短時間で焼結を可能とするものである。

図８は、放電プラズマ焼結装置の構成の一例を示す断面図である。放電プラズマ焼結装置５は、上述した放電プラズマ焼結用成形型５１と、一対のスペーサー５２と、一対の加圧ラム５３とを備える。

放電プラズマ焼結用成形型５１は、内部に成形材料が装入され、その成形材料に対して加圧しつつ電圧を印加して焼結を行うものである。本実施の形態においては、この放電プラズマ焼結用成形型５１として、上述した放電プラズマ焼結用成形型１等を適用することができる。

一対のスペーサー５２は、一対の加圧ラム５３により加圧された圧力を分散し、放電プラズマ焼結用成形型１のパンチ１２，１３により、成形材料に対し均一に圧力を印加するために用いるものである。また、一対の加圧ラム５３は、その稼働により、成形材料を加圧するとともに、パルス電圧・電流を印加するために用いるものである。

また、図９は、放電プラズマ焼結装置の他の構成例を示す断面図である。放電プラズマ焼結装置６は、放電プラズマ焼結用成形型６１と、一対のスペーサー６２と、に一対の加圧ラム６３とを備え、さらに、放電プラズマ焼結用成形型６１とスペーサー６２との間に、一対の炭化ケイ素スペーサー６４を備える。ここで、本実施の形態においては、この放電プラズマ焼結用成形型６１として、上述した放電プラズマ焼結用成形型１等を適用することができる。

放電プラズマ焼結装置においては、高温、高圧条件により、放電プラズマ焼結用成形型６１（１）のパンチがスペーサーに食い込むことがある。このとき、炭化ケイ素スペーサー６４を、放電プラズマ焼結用成形型６１とスペーサー６２との間に設けることによって、パンチ１２，１３のスペーサー６２への食い込みを防止し、装置の破損を防ぎ、安定的に放電プラズマ焼結を行うことができる。

放電プラズマ焼結装置６では、炭化ケイ素により構成される炭化ケイ素スペーサー６４の導電性を十分に確保の観点から、放電プラズマ焼結用成形型１及び炭化ケイ素スペーサー６４を囲うように加熱部６５を設置して、炭化ケイ素スペーサー６４を加熱するようにすることが好ましい。

なお、上述した炭化ケイ素スペーサー６４の構成は、例えば図１０に例示したような従来の放電プラズマ焼結用成形型に対しても用いることができ、この場合においても、装置の破損を防ぎ、安定的に放電プラズマ焼結を行うことができる。

≪４．放電プラズマ焼結方法≫
本実施の形態に係る放電プラズマ焼結方法は、上述した放電プラズマ焼結用成形型を用いて放電プラズマ焼結を行う方法である。

本実施の形態に係る放電プラズマ焼結方法は、図２に示されるような、シリンダー１１と、第１パンチ１２と、第２パンチ１３とを備え、第１パンチ１２及び第２パンチ１３が、それぞれ、シリンダーへの挿入方向（図１中の矢印Ｘ、Ｙ）に対して垂直な分割面で、２つのパンチに分割されている放電プラズマ焼結用成形型１を用いる。このような放電プラズマ焼結用成形型１を用いた焼結方法によれば、その放電プラズマ焼結用成形型１において、内部側のパンチ（１２ａ，１３ａ）の傾きによる、外部側のパンチ（１２ｂ，１３ｂ）とシリンダーとの局所的な強い接触を防止し、シリンダーのクラック発生を抑制できるため、従来の放電プラズマ焼結法よりも高圧条件であっても、安定的に成形材料に対する放電プラズマ焼結を行うことができる。

放電プラズマ焼結方法の処理条件としては、特に制限されるものではなく、例えば、放電プラズマ焼結用成形型１の各部材を炭化ケイ素により構成した場合には、大気条件下において、１３００℃以下の温度条件で、１ＧＰａ以下の圧力を印加することによって行うことができる。なお、グラファイトあるいは炭化タングステン等で構成された放電プラズマ焼結用成形型１を用いた場合であっても、例えば、真空条件下において、従来よりも高圧の圧力を印加して焼結することができる。

＜１．クラックの発生原因の解明：比較例＞
先ず、従来法において、クラックがどのようにして発生するか調べた。具体的に、図１０のような放電プラズマ焼結用成形型７を構成した。この放電プラズマ焼結用成形型７において、シリンダー７１は、外径３０ｍｍ、中空部の径（内径）１５．００ｍｍ、高さ３０ｍｍの円筒状であり、炭化ケイ素から構成されるシリンダーを用いた。また、第１パンチ及び第２パンチは、いずれも外径１４．９４ｍｍ（シリンダー中空部の径（内径）との寸法差：−０．０６ｍｍ）、高さ１７ｍｍの円柱状であり、炭化ケイ素から構成されるパンチを用いた。

この放電プラズマ焼結用成形型７では、シリンダー７１に対して、一方の端から第２パンチ７３を挿入し、次に、他方の端から成形材料であるアルミナ粉２ｇを充填した後、その他方の端から第１パンチ７２を挿入した。

そして、成形材料を充填させた放電プラズマ焼結用成形型７を放電プラズマ焼結装置に設置し、第１パンチ７２及び第２パンチ７３により成形材料に対して２５０ＭＰａの圧力を加えながら、毎分１００℃で昇温して加熱した。ＣＣＤカメラで成形型全体を観察していったところ、加熱温度が８００℃を過ぎると、成形型は全体的に赤熱した。そして、さらに加熱を続けると、１１００℃でシリンダー７１の一部がその周辺部よりも白色化した。これは、白色した部分が周囲に比べて高温になっていることを意味する。その後、パシッというクラック発生を示す音とともに、その白色化した部分に貝殻状の剥離が生じた。

このような試験を複数回繰り返したところ、シリンダー７１の一部の白色化が生じないこともあり、そのような場合にはクラックは発生しなかった。一方、シリンダー７１の一部が白色化すると、その白色化の程度が大きい場合には貝殻状の剥離が大きく、白色化の程度が小さい場合には貝殻状剥離は小さいか、全く剥離が生じないこともあった。

このことから、シリンダーの一部が局所的に高温になり、その部分が起点となってクラックが生じ、貝殻状の剥離を発生させることが分かった。

このような局所的な発熱の原因は、図１０の模式図に示すように、成形材料の充填の不均一さ等の理由により、圧力を加えるパンチ７２，７３が僅かに傾いてシリンダー７１の開口部と強く接触したため、その結果、この接触部分の電流が周囲よりも大きくなり、発熱量も増大し、局所的に応力が加わったことによると考えられる。

そして、さらに検証を重ね、シリンダーの中空部との寸法差が−０．０３ｍｍ、−０．１ｍｍであるパンチを用いて同様の試験を行った。その結果、寸法差が−０．０３ｍｍのパンチを用いた場合のクラック発生確率が、寸法差が−０．０６ｍｍのパンチを用いた場合の発生確率の１／４となった。一方で、寸法差が−０．１ｍｍのパンチを用いた場合のクラックの発生確率は、寸法差が−０．０６ｍｍのパンチを用いた場合の発生確率の２倍になった。

これは、シリンダーの中空部の内径とパンチの外径との寸法差が大きくなるほど、つまり、シリンダーに対して外径の小さいパンチを使用するほど、そのパンチが傾きやすくなり、シリンダーの開口部の縁と接触しやすくなるためであると考えられる。したがって、この結果も踏まえると、シリンダーにおけるクラックの発生は、やはり、成形材料の充填の不均一さ等により、圧力を加えるパンチが傾いてシリンダーの開口部と強く接触することにより局所的に応力が加わることが原因であることが解明された。

＜２．実施例＞
図２に示すような放電プラズマ焼結用成形型１を構成した。シリンダー１１としては、外径３０ｍｍ、中空部の径（内径）１５．００ｍｍ、高さ３０ｍｍの円筒状であり、炭化ケイ素から構成されるものを用いた。また、第１パンチ１２及び第２パンチ１３においては、それぞれ、シリンダー１１への挿入方向に対して垂直な分割面で、内部側パンチ１２ａ，１３ａと外部側パンチ１２ｂ，１３ｂとに分けた。内部側第１パンチ１２ａ及び内部側第２パンチ１３ａは、いずれも、外径１４．９４ｍｍ、高さ６ｍｍの円柱状であり、外部側第１パンチ１２ｂ、及び外部側第２パンチ１３ｂは、いずれも、外径１４．９４ｍｍ、高さの１１ｍｍの円柱状である。なお、これらパンチは、炭化ケイ素から構成されているものを用いた。

この放電プラズマ焼結用成形型１では、シリンダー１１に対して、一方の端から内部側第２パンチ１３ａ、外部側第２パンチ１３ｂを順に挿入し、次に、他方の端から成形材料であるアルミナ粉２ｇを充填した後、その他方の端から内部側第１パンチ１２ａ、外部側第１パンチ１２ｂを順に挿入した。

そして、成形材料を充填させた放電プラズマ焼結用成形型１を放電プラズマ焼結装置に設置し、第１パンチ１２及び第２パンチ１３により成形材料に対して２５０ＭＰａの圧力を加えながら、毎分１００℃で昇温して１０００℃に１０分間加熱保持した。その結果、シリンダーにクラックを発生させることなく、成形材料を焼結させることができた。また、同様の焼結処理をさらに複数回繰り返したが、シリンダーのクラックは全く発生しなかった。

１，２，３，４，５１，６１，７ 放電プラズマ焼結用成形型
１１，２１，３１，４１，７１ シリンダー
１１１ 外径
１１２ 中空部
１１３，４１１ 開口部
１２，２２，３２，４２，７２ 第１パンチ
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ 内部側第１パンチ
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ 外部側第１パンチ
１３，２３，３３，４３，７３ 第２パンチ
１３ａ，２３ａ，３３ａ 内部側第２パンチ
１３ｂ，２３ｂ，３３ｂ 外部側第２パンチ
１４，２４，３４，４５，７４ 成形材料
１５，２５，３５，４６ 滑材
４４ 加圧受け部
５，６ 放電プラズマ焼結装置
５２，６２ スペーサー
５３，６３ 加圧ラム
６４ 炭化ケイ素スペーサー
６５ 加熱部

Claims (8)

1. 成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型であって、
   シリンダーと、
   前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、
   前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、
   前記第１パンチ及び前記第２パンチは、それぞれ、前記シリンダーへの挿入方向に対し垂直な分割面で、該シリンダーの内部に対して内部側パンチと外部側パンチとの２つに分割されている
   放電プラズマ焼結用成形型。
2. 前記第１パンチ及び第２パンチには、それぞれ、前記内部側パンチと前記外部側パンチとの間に、滑材を有する
   請求項１に記載の放電プラズマ焼結用成形型。
3. 前記内部側パンチの径は、前記外部側パンチの径よりも大きい
   請求項１又は２に記載の放電プラズマ焼結用成形型。
4. 炭化ケイ素により構成されている
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放電プラズマ焼結用成形型。
5. 前記シリンダーの開口部が面取りされている
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放電プラズマ焼結用成形型。
6. 成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型であって、
   シリンダーと、
   前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、
   前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、
   前記シリンダーの前記他端側を塞ぐように配置され、前記第１パンチによる加圧を受ける加圧受け部と、を備え、
   前記第１パンチは、前記シリンダーへの挿入方向に対し垂直な分割面で、垂直な断面によって２つに分割されている
   放電プラズマ焼結用成形型。
7. 成形材料を加圧しつつ電圧を印加して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結用成形型であって、
   シリンダーと、
   前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、
   前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、
   前記第１パンチ及び前記第２パンチは、それぞれ、前記シリンダーへの挿入方向に対し垂直な複数の分割面で、複数に分割されている
   放電プラズマ焼結用成形型。
8. 焼結用成形型に成形材料を装入し、加圧しつつ電圧を印加して該成形材料に対して放電プラズマ焼結を行う放電プラズマ焼結方法であって、
   前記焼結用成形型は、
   開口部を有するシリンダーと、
   前記シリンダーの一端側から内部に挿入される第１パンチと、
   前記シリンダーの他端側から内部に挿入される第２パンチと、を備え、
   前記第１パンチ及び前記第２パンチはそれぞれ、前記シリンダーへの挿入方向に対して垂直な断面で２つに分割されている
   放電プラズマ焼結方法。

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