JP4238310B2 - 通電焼結における離型性に優れる高離型用型及びそれを用いた成形部材の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電焼結において高精度の成形部材を作製することを可能とする離型性に優れた型材料及びそれを用いた成形部材の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックス材料を型材料に使用し、型内部から型の表面への酸化ジルコニウムの酸素の移動を起こすことで、通電焼結時の型離れ性を向上させた高精度の形状付与を可能とする型材料、それを用いた成形部材の作製方法に関するものである。
本発明に係る通電焼結により作製された成形体は、従来の通電焼結体より加工精度が高く、型との離型性に優れるため、本発明の方法は、例えば、ニアネットシェイプ成形を要求される金属間化合物などの難加工性材料、仕上げ加工の難しい高硬度の材料、及び微小な部材などの成形方法として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通電焼結における型材料としては、導電性があり、高温における強度が優れ、加工性に富むという理由から、黒鉛が一般的に利用されてきた。また、大きな圧力を利用して通電焼結を行う場合には、低温の成形では超硬合金製の型材料が利用され、また、高温の成形ではＳｉＣなどの導電性のセラミックスを用いた高強度のセラミックス（通称、黒セラ) 製の型材料が利用されてきた。
【０００３】
通電焼結の場合、電極部分は水冷されており、通電時には、成形用の型と電極の間には大きな温度差が発生する。例えば、チタン粉末の通電焼結では８００℃以上の加熱が必要であり、電極と成形型の間には５００℃以上の温度差が生じることになる。そのため、型材料には、熱衝撃（温度差によって発生する応力）に対して割れにくい材料を選定する必要があり、利用できる型材料には、自ずと制約があった。そのために、これまでは、通電焼結用の型材料として、例えば、黒鉛、及び超硬合金などが利用されていた（例えば、特許文献１−２、非特許文献１−２参照）。
【０００４】
しかしながら、黒鉛の型は、金属と反応しやすく、高精度の成形体を作製することは難しいという問題があった。また、超硬合金の型は、６００℃以上の温度では変形（座屈）する可能性があり、高精度の成形体を得ることは難しいという問題があった。そこで、これまでに、放電焼結における金型の先行技術がいくつか提案されている（例えば、特許文献３−７参照）が、通電焼結においては、例えば、非導電性の酸化物セラミックス、及び熱衝撃性の悪い緻密化したセラミックスについては、成形用の型材料としての利用は、あまり検討されてこなかったのが実情である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２２０２４７号公報
【特許文献２】
特開平９―５３１０３号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３９７０９号公報
【特許文献４】
特開平７−３３０４４６号公報
【特許文献５】
特開２００１−２２０２４７号公報
【特許文献６】
特開２００１−２２６７０３号公報
【特許文献７】
特開２００１−２５３７７９号公報
【非特許文献１】
鴇田正雄 粉体工学会誌、３０（１９９３）、７９０
【非特許文献２】
柳沢平、畑山東明、松木一弘：まてりあ（金属学会会報）、３３（１９９４）、１４８９
【非特許文献３】
小林慶三：科学と工業、７４（５）、２２１（２０００）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決するために鋭意研究した結果、通電焼結において、導電性のあるセラミックスに酸化ジルコニウムを含有させることによって、電気の流れに対応した酸化ジルコニウム中の酸素の移動現象があることを発見すると共に、この酸素が型から抜け出す際に成形体との間に間隙を生成することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、通電焼結において、型材料の導電性セラミックス中に酸化ジルコニウムを含有させることによって、電気の流れに応じた酸化ジルコニウム中の酸素の移動を起こすことで、成形体と型との離型性を向上させた高精度の形状付与を可能とする型材料、それを用いた成形体の作製方法、及び成形部材を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に使用する離型性に優れた型材料を用いた型であって、１）少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製してなる、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いたこと、２）通電により酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、型と成形体の離型性を向上させる作用を有すること、を特徴とする高離型性型材料を用いた高離型用型。
（２）直流電流によって焼結を行う際に使用する型である、前記（１）記載の型。
（３）前記（１）又は（２）記載の高離型用型を使用して成形部材を作製する方法であって、被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に、型材料として、少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製して、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用い、電極間に通電することにより酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、型と成形体の離型性向上作用により成形体を離型させることを特徴とする成形部材の作製方法。
（４）上記酸化ジルコニウムからなる導電性セラミックスと電極の間に該セラミックスとは電気抵抗の異なる材料を用いる、前記（３）記載の方法。
（５）直流電流によって焼結を行う、前記（３）記載の方法。
（６）成形体と接する部分の一部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製して、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いる、前記（３）記載の方法。
（７）被成形材料と他の物質を酸化ジルコニウムを含む型に入れ、被成形材料を成形体とすると共に、酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させ、その酸素移動により型から発生するガスの圧力を利用して成形体を他の物質の上に接合して複合化する、前記（３）記載の方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、導電性セラミックスに酸化ジルコニウムを含有させて、通電時の電気の流れにしたがう酸化ジルコニウムの酸素の移動を利用し、成形体と型との密着性を防止して、成形体と型との離型性を向上させ、それにより、高精度の成形体を作製することを特徴とするものである。
上記導電性セラミックスとしては、一般に市販されている導電性セラミックス（一般的に黒セラと呼ばれるセラミックス）を利用することができる。これらとして、好適には、例えば、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステンなどが例示される。導電性粒子として、例えば、炭化物、窒化物、硼化物などが利用でき、また、金属粒子や金属繊維を用いることもできる。また、本発明で用いる成形体の材料としては、例えば、金属やセラミックスなどの難焼結材料が例示されるが、更に具体的には、チタンアルミナイド、チタンシリサイド、クロムシリサイド、サーメット合金などが例示される。しかし、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。
【０００９】
本発明では、これらの導電性セラミックスに酸化ジルコニウムを混合して、少なくとも成形体と接する部分に酸化ジルコニウムを含有させることが必要である。この場合、型材料全体に酸化ジルコニウムを分散させるか、あるいは成形体と接する部分の一部又は全部に酸化ジルコニウムを分散させる。その分散方法は、特に限定されないが、例えば、導電性セラミックス粉末を混合する際に酸化ジルコニウム粉末を添加する方法、導電性セラミックス型の表面に酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックスを接合する方法等が例示される。成形体に接する部分に酸化ジルコニウムが混合されていれば、型の離れ性を著しく改善する顕著な効果を得ることができる。
【００１０】
通電焼結には、直流あるいは交流の電流を利用することができる。本発明では、電気の流れによって酸化ジルコニウムの酸素が動くため、直流の方が効果が大きい。しかし、いずれの電流においても、型表面から酸化ジルコニウムに含まれる酸素が遊離するため、それにより、成形体との間にギャップが生じて成形体を容易に型から取り外すことができる。また、成形体の加熱については、型自体が有する電気抵抗によって成形体を抵抗加熱できるため、電流の種類によらず加熱することができる。
【００１１】
電極は、水冷されているため、温度が低くなっているが、成形体と接する部分には導電性のセラミックスを用い、該導電性セラミックスと電極の間に、電気抵抗、耐熱衝撃性、熱伝導率などの物性の異なる物質を挿入することによって、焼結体の冷却速度などを制御して結晶粒を制御することができる。これらの物性の異なる物質としては、好適には、例えば、サーメット合金、鋳鉄、炭素粒子分散複合金属などが使用されるが、これまでに、通電焼結の型に利用されている黒鉛や超硬合金なども利用することができる。物性の異なる物質を型と電極の間に挿入しても電気が流れれば、本発明の効果は変わらない。また、本発明では、成形体と接する一部に酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックスを用いるが、これにより、大きな温度差が生じても通電経路を壊すことなく、成形体を作製することができる。
【００１２】
通電焼結では、一般に、加圧しながら通電による加熱で成形を行うが、これまでの導電性セラミックス型では、型から成形体を取り外す際に割れや剥離が生じ、加工精度や寸法には限界があった。しかし、酸化ジルコニウムの通電による酸素移動を利用することで、型と成形体との離れ性がよくなり、加工精度を飛躍的に高くすることができる。導電性セラミックスは、酸化ジルコニウムを含有しても硬度に優れるため、型の表面形状を高精度に成形体の表面に転写することができ、このため、微細形状の加工を施すことが可能となる。
【００１３】
通電焼結に用いる雰囲気は、特に指定しないが、成形体が金属材料や金属基の複合材料の場合には、真空雰囲気を利用し、また、成形体がセラミックスの場合には、真空、酸素、窒素などの雰囲気を利用することができる。また、通電焼結時に加圧を行っても問題はなく、加圧は、成形体の表面精度を向上させるには有効な手段である。
【００１４】
導電性セラミックスは、広く利用されており、その強度を改善する試みとして、酸化ジルコニウムを添加する方法が実用化されているが、本発明では、酸化ジルコニウムを酸素の移動源としてとらえており、酸化ジルコニウムは、型の強化には寄与していない。そのため、酸化ジルコニウムは、本来、白色であるが、本発明では、酸素の移動によって、酸化ジルコニウムが灰色又は黒色へ変化している。
【００１５】
通電にしたがって、型内部から型の表面に移動した酸素は、成形体との間にガスとして放出される。そのため、型と成形体の間にはわずかなギャップが発生し、成形体を容易に型から取り出すことができる。成形体と型とのギャップは、生成するガスの量に左右されるが、数ミクロン以下であると考えられる。型から発生するガスは成形体を押すため、この機構を利用して、成形体を他の物質の上に接合することができる。これらの例として、例えば、ステンレス材の表面にチタンを接合する方法、チタン表面にＴｉＣ−Ｎｉ（サーメット合金）を接合する方法などが例示されるが、これらに制限されるものではない。また、接合時にも型からの分離は容易であり、これらの接合体を型から簡単に取り出すことができる。
【００１６】
［参考例及び実施例］
次に、参考例及び実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の例によって何ら限定されるものではない。
参考例１
チタン粉末（高純度化学製）５ｇを、外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製ダイに入れ、１５ｍｍφ×５ｍｍの、ＴｉＣ粉末、ＳｉＣ粉末、及びＮｉ粉末に２０質量％の酸化ジルコニウムを添加した導電性セラミックス焼結体を、上下のパンチとして、成形体と接触する部分に使用し、電極との間には１５ｍｍφ×２０ｍｍの黒鉛を用いて通電焼結を行った。通電にはパルス状の直流電流を用い、黒鉛製ダイの温度が８００℃になるようにして焼結を行った。焼結時には、３０ＭＰａの加圧を行い、焼結雰囲気は２０Ｐａ程度の真空とした。
【００１７】
導電性セラミックスをパンチに用いたことにより、黒鉛型のみの成形に比べて８０％以下の出力で目的の温度まで加熱することができた。また、目的の温度に到達する時間も、同じ電流値では７０％以下の時間となった。
導電性セラミックス製のパンチの表面には、鏡面研磨を施したが、得られた成形体の表面には、わずかに酸化に伴う変色が認められた。成形体は、容易にパンチから取り外すことができ、その表面は、鏡面研磨程度の面粗さになった。また、導電性セラミックスは、割れが発生せず、繰り返して使用することができた。また、成形体は、理論密度の９８％以上の密度を有していた。
【００１８】
参考例２
Ｔｉ−３６質量％Ａｌ粉末（メカニカルアロイング合成粉末）５ｇを、外径３０ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製ダイに入れ、１０ｍｍφ×１５ｍｍの黒鉛製パンチの、成形体と接する部分の表面に、炭化チタンと酸化ジルコニウムをエチルアルコールでスラリー化して塗布したものを用いて、通電焼結を行った。塗布膜は１．５ｍｍ程度であった。通電にはパルス状の直流電流を用い、黒鉛製ダイの温度が８００℃になるように制御して焼結を行った。焼結時には、４０ＭＰａの加圧を行った。焼結雰囲気は２０Ｐａ程度の真空とした。
【００１９】
成形体の表面には、酸化ジルコニウムと炭化チタンを塗布した面と接していた部分では、やや変色が認められたが、パンチと成形体の分離は容易であった。塗布膜は、はじめ灰色であったが、焼結後は黒色に変化していた。成形体は、理論密度の９５％以上の密度を有していた。
【００２０】
実施例１
外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製ダイに、１５ｍｍ×１ｍｍのステンレス板をいれた後、チタン粉末（ 高純度化学製）５ｇを入れ、正極側に、１５ｍｍφ×２ｍｍの黒色の酸化ジルコニウム焼結体を設置した。電極との間には１５ｍｍφ×２０ｍｍの黒鉛を用い、これをパンチとして、通電焼結を行った。黒色の酸化ジルコニウムは、市販されている酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、１０Ｐａ程度の真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製することができ、その成形体は、図１のＸ線回折パターンを示している。この黒色の酸化ジルコニウムは、室温においてもわずかに導電性があり、通電焼結を行うことができる。通電には直流電流を用い、黒鉛製ダイの温度が８００℃になるようにして焼結を行った。焼結時には、４０ＭＰａの加圧を行った。また、焼結の雰囲気は、２０Ｐａ程度の真空とした。
【００２１】
得られた成形体は、ステンレス表面にチタンが接合したものであった。ステンレスは、上記成形温度では溶解しないため、負極側の黒鉛パンチとは容易に分離することができた。また、正極側は、酸化ジルコニウムから酸素が遊離するため、チタンと黒鉛あるいは酸化ジルコニウムとの溶着は認められなかった。正極側の酸化ジルコニウム内部における酸素の含有量を測定したところ、図２のような分布となっており、電気の流れにしたがった酸素の移動が確認できた。チタンは、容易に型から取り出すことができ、その成形体の密度は９５％以上になった。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、通電焼結する際に使用する型材料、及びそれを用いた成形部材の作製方法に係るものであり、本発明により、１）通電焼結における型に、酸化ジルコニウムを含有する導電性材料を用いることによって、金属やセラミックスなどの難焼結材料を容易に固化成形することができる、２）特に、通電時に、酸化ジルコニウムから酸素が遊離して電気の流れにしたがって移動する現象を利用することによって、型に離型材を塗布することなく容易に型から成形体を分離、回収することができる、３）得られた成形体の表面は、わずかに酸化されるが、その結果として、表面の硬度を向上させることができる、４）離型材を用いないため、高精度の成形体を作製することができる、５）本発明で利用する酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックス型は、現在、通電焼結で一般的に用いられている黒鉛型より、電気抵抗が高く、小さなエネルギーで大きな加熱を短時間で実施することができ、省エネルギーのプロセスとして、今後の工業的な利用を拡大することができる、６）マイクロマシンなどの高精度で微細な部材を作製する際には、本発明の技術は、型との分離を容易にするための方法として有用である、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】黒色酸化ジルコニウムのＸ線回折パターンを示す。
【図２】酸化ジルコニウム中の酸素量を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電焼結において高精度の成形部材を作製することを可能とする離型性に優れた型材料及びそれを用いた成形部材の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックス材料を型材料に使用し、型内部から型の表面への酸化ジルコニウムの酸素の移動を起こすことで、通電焼結時の型離れ性を向上させた高精度の形状付与を可能とする型材料、それを用いた成形部材の作製方法に関するものである。
本発明に係る通電焼結により作製された成形体は、従来の通電焼結体より加工精度が高く、型との離型性に優れるため、本発明の方法は、例えば、ニアネットシェイプ成形を要求される金属間化合物などの難加工性材料、仕上げ加工の難しい高硬度の材料、及び微小な部材などの成形方法として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通電焼結における型材料としては、導電性があり、高温における強度が優れ、加工性に富むという理由から、黒鉛が一般的に利用されてきた。また、大きな圧力を利用して通電焼結を行う場合には、低温の成形では超硬合金製の型材料が利用され、また、高温の成形ではＳｉＣなどの導電性のセラミックスを用いた高強度のセラミックス（通称、黒セラ) 製の型材料が利用されてきた。
【０００３】
通電焼結の場合、電極部分は水冷されており、通電時には、成形用の型と電極の間には大きな温度差が発生する。例えば、チタン粉末の通電焼結では８００℃以上の加熱が必要であり、電極と成形型の間には５００℃以上の温度差が生じることになる。そのため、型材料には、熱衝撃（温度差によって発生する応力）に対して割れにくい材料を選定する必要があり、利用できる型材料には、自ずと制約があった。そのために、これまでは、通電焼結用の型材料として、例えば、黒鉛、及び超硬合金などが利用されていた（例えば、特許文献１−２、非特許文献１−２参照）。
【０００４】
しかしながら、黒鉛の型は、金属と反応しやすく、高精度の成形体を作製することは難しいという問題があった。また、超硬合金の型は、６００℃以上の温度では変形（座屈）する可能性があり、高精度の成形体を得ることは難しいという問題があった。そこで、これまでに、放電焼結における金型の先行技術がいくつか提案されている（例えば、特許文献３−７参照）が、通電焼結においては、例えば、非導電性の酸化物セラミックス、及び熱衝撃性の悪い緻密化したセラミックスについては、成形用の型材料としての利用は、あまり検討されてこなかったのが実情である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２２０２４７号公報
【特許文献２】
特開平９―５３１０３号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３９７０９号公報
【特許文献４】
特開平７−３３０４４６号公報
【特許文献５】
特開２００１−２２０２４７号公報
【特許文献６】
特開２００１−２２６７０３号公報
【特許文献７】
特開２００１−２５３７７９号公報
【非特許文献１】
鴇田正雄 粉体工学会誌、３０（１９９３）、７９０
【非特許文献２】
柳沢平、畑山東明、松木一弘：まてりあ（金属学会会報）、３３（１９９４）、１４８９
【非特許文献３】
小林慶三：科学と工業、７４（５）、２２１（２０００）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決するために鋭意研究した結果、通電焼結において、導電性のあるセラミックスに酸化ジルコニウムを含有させることによって、電気の流れに対応した酸化ジルコニウム中の酸素の移動現象があることを発見すると共に、この酸素が型から抜け出す際に成形体との間に間隙を生成することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、通電焼結において、型材料の導電性セラミックス中に酸化ジルコニウムを含有させることによって、電気の流れに応じた酸化ジルコニウム中の酸素の移動を起こすことで、成形体と型との離型性を向上させた高精度の形状付与を可能とする型材料、それを用いた成形体の作製方法、及び成形部材を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に使用する離型性に優れた型材料を用いた型であって、１）少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製してなる、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いたこと、２）通電により酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、型と成形体の離型性を向上させる作用を有すること、を特徴とする高離型性型材料を用いた高離型用型。
（２）直流電流によって焼結を行う際に使用する型である、前記（１）記載の型。
（３）前記（１）又は（２）記載の高離型用型を使用して成形部材を作製する方法であって、被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に、型材料として、少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製して、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用い、電極間に通電することにより酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、型と成形体の離型性向上作用により成形体を離型させることを特徴とする成形部材の作製方法。
（４）上記酸化ジルコニウムからなる導電性セラミックスと電極の間に該セラミックスとは電気抵抗の異なる材料を用いる、前記（３）記載の方法。
（５）直流電流によって焼結を行う、前記（３）記載の方法。
（６）成形体と接する部分の一部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製して、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いる、前記（３）記載の方法。
（７）被成形材料と他の物質を酸化ジルコニウムを含む型に入れ、被成形材料を成形体とすると共に、酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させ、その酸素移動により型から発生するガスの圧力を利用して成形体を他の物質の上に接合して複合化する、前記（３）記載の方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、導電性セラミックスに酸化ジルコニウムを含有させて、通電時の電気の流れにしたがう酸化ジルコニウムの酸素の移動を利用し、成形体と型との密着性を防止して、成形体と型との離型性を向上させ、それにより、高精度の成形体を作製することを特徴とするものである。
上記導電性セラミックスとしては、一般に市販されている導電性セラミックス（一般的に黒セラと呼ばれるセラミックス）を利用することができる。これらとして、好適には、例えば、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステンなどが例示される。導電性粒子として、例えば、炭化物、窒化物、硼化物などが利用でき、また、金属粒子や金属繊維を用いることもできる。また、本発明で用いる成形体の材料としては、例えば、金属やセラミックスなどの難焼結材料が例示されるが、更に具体的には、チタンアルミナイド、チタンシリサイド、クロムシリサイド、サーメット合金などが例示される。しかし、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。
【０００９】
本発明では、これらの導電性セラミックスに酸化ジルコニウムを混合して、少なくとも成形体と接する部分に酸化ジルコニウムを含有させることが必要である。この場合、型材料全体に酸化ジルコニウムを分散させるか、あるいは成形体と接する部分の一部又は全部に酸化ジルコニウムを分散させる。その分散方法は、特に限定されないが、例えば、導電性セラミックス粉末を混合する際に酸化ジルコニウム粉末を添加する方法、導電性セラミックス型の表面に酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックスを接合する方法等が例示される。成形体に接する部分に酸化ジルコニウムが混合されていれば、型の離れ性を著しく改善する顕著な効果を得ることができる。
【００１０】
通電焼結には、直流あるいは交流の電流を利用することができる。本発明では、電気の流れによって酸化ジルコニウムの酸素が動くため、直流の方が効果が大きい。しかし、いずれの電流においても、型表面から酸化ジルコニウムに含まれる酸素が遊離するため、それにより、成形体との間にギャップが生じて成形体を容易に型から取り外すことができる。また、成形体の加熱については、型自体が有する電気抵抗によって成形体を抵抗加熱できるため、電流の種類によらず加熱することができる。
【００１１】
電極は、水冷されているため、温度が低くなっているが、成形体と接する部分には導電性のセラミックスを用い、該導電性セラミックスと電極の間に、電気抵抗、耐熱衝撃性、熱伝導率などの物性の異なる物質を挿入することによって、焼結体の冷却速度などを制御して結晶粒を制御することができる。これらの物性の異なる物質としては、好適には、例えば、サーメット合金、鋳鉄、炭素粒子分散複合金属などが使用されるが、これまでに、通電焼結の型に利用されている黒鉛や超硬合金なども利用することができる。物性の異なる物質を型と電極の間に挿入しても電気が流れれば、本発明の効果は変わらない。また、本発明では、成形体と接する一部に酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックスを用いるが、これにより、大きな温度差が生じても通電経路を壊すことなく、成形体を作製することができる。
【００１２】
通電焼結では、一般に、加圧しながら通電による加熱で成形を行うが、これまでの導電性セラミックス型では、型から成形体を取り外す際に割れや剥離が生じ、加工精度や寸法には限界があった。しかし、酸化ジルコニウムの通電による酸素移動を利用することで、型と成形体との離れ性がよくなり、加工精度を飛躍的に高くすることができる。導電性セラミックスは、酸化ジルコニウムを含有しても硬度に優れるため、型の表面形状を高精度に成形体の表面に転写することができ、このため、微細形状の加工を施すことが可能となる。
【００１３】
通電焼結に用いる雰囲気は、特に指定しないが、成形体が金属材料や金属基の複合材料の場合には、真空雰囲気を利用し、また、成形体がセラミックスの場合には、真空、酸素、窒素などの雰囲気を利用することができる。また、通電焼結時に加圧を行っても問題はなく、加圧は、成形体の表面精度を向上させるには有効な手段である。
【００１４】
導電性セラミックスは、広く利用されており、その強度を改善する試みとして、酸化ジルコニウムを添加する方法が実用化されているが、本発明では、酸化ジルコニウムを酸素の移動源としてとらえており、酸化ジルコニウムは、型の強化には寄与していない。そのため、酸化ジルコニウムは、本来、白色であるが、本発明では、酸素の移動によって、酸化ジルコニウムが灰色又は黒色へ変化している。
【００１５】
通電にしたがって、型内部から型の表面に移動した酸素は、成形体との間にガスとして放出される。そのため、型と成形体の間にはわずかなギャップが発生し、成形体を容易に型から取り出すことができる。成形体と型とのギャップは、生成するガスの量に左右されるが、数ミクロン以下であると考えられる。型から発生するガスは成形体を押すため、この機構を利用して、成形体を他の物質の上に接合することができる。これらの例として、例えば、ステンレス材の表面にチタンを接合する方法、チタン表面にＴｉＣ−Ｎｉ（サーメット合金）を接合する方法などが例示されるが、これらに制限されるものではない。また、接合時にも型からの分離は容易であり、これらの接合体を型から簡単に取り出すことができる。
【００１６】
［参考例及び実施例］
次に、参考例及び実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の例によって何ら限定されるものではない。
参考例１
チタン粉末（高純度化学製）５ｇを、外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製ダイに入れ、１５ｍｍφ×５ｍｍの、ＴｉＣ粉末、ＳｉＣ粉末、及びＮｉ粉末に２０質量％の酸化ジルコニウムを添加した導電性セラミックス焼結体を、上下のパンチとして、成形体と接触する部分に使用し、電極との間には１５ｍｍφ×２０ｍｍの黒鉛を用いて通電焼結を行った。通電にはパルス状の直流電流を用い、黒鉛製ダイの温度が８００℃になるようにして焼結を行った。焼結時には、３０ＭＰａの加圧を行い、焼結雰囲気は２０Ｐａ程度の真空とした。
【００１７】
導電性セラミックスをパンチに用いたことにより、黒鉛型のみの成形に比べて８０％以下の出力で目的の温度まで加熱することができた。また、目的の温度に到達する時間も、同じ電流値では７０％以下の時間となった。
導電性セラミックス製のパンチの表面には、鏡面研磨を施したが、得られた成形体の表面には、わずかに酸化に伴う変色が認められた。成形体は、容易にパンチから取り外すことができ、その表面は、鏡面研磨程度の面粗さになった。また、導電性セラミックスは、割れが発生せず、繰り返して使用することができた。また、成形体は、理論密度の９８％以上の密度を有していた。
【００１８】
参考例２
Ｔｉ−３６質量％Ａｌ粉末（メカニカルアロイング合成粉末）５ｇを、外径３０ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製ダイに入れ、１０ｍｍφ×１５ｍｍの黒鉛製パンチの、成形体と接する部分の表面に、炭化チタンと酸化ジルコニウムをエチルアルコールでスラリー化して塗布したものを用いて、通電焼結を行った。塗布膜は１．５ｍｍ程度であった。通電にはパルス状の直流電流を用い、黒鉛製ダイの温度が８００℃になるように制御して焼結を行った。焼結時には、４０ＭＰａの加圧を行った。焼結雰囲気は２０Ｐａ程度の真空とした。
【００１９】
成形体の表面には、酸化ジルコニウムと炭化チタンを塗布した面と接していた部分では、やや変色が認められたが、パンチと成形体の分離は容易であった。塗布膜は、はじめ灰色であったが、焼結後は黒色に変化していた。成形体は、理論密度の９５％以上の密度を有していた。
【００２０】
実施例１
外径３０ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ３０ｍｍの黒鉛製ダイに、１５ｍｍ×１ｍｍのステンレス板をいれた後、チタン粉末（ 高純度化学製）５ｇを入れ、正極側に、１５ｍｍφ×２ｍｍの黒色の酸化ジルコニウム焼結体を設置した。電極との間には１５ｍｍφ×２０ｍｍの黒鉛を用い、これをパンチとして、通電焼結を行った。黒色の酸化ジルコニウムは、市販されている酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、１０Ｐａ程度の真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製することができ、その成形体は、図１のＸ線回折パターンを示している。この黒色の酸化ジルコニウムは、室温においてもわずかに導電性があり、通電焼結を行うことができる。通電には直流電流を用い、黒鉛製ダイの温度が８００℃になるようにして焼結を行った。焼結時には、４０ＭＰａの加圧を行った。また、焼結の雰囲気は、２０Ｐａ程度の真空とした。
【００２１】
得られた成形体は、ステンレス表面にチタンが接合したものであった。ステンレスは、上記成形温度では溶解しないため、負極側の黒鉛パンチとは容易に分離することができた。また、正極側は、酸化ジルコニウムから酸素が遊離するため、チタンと黒鉛あるいは酸化ジルコニウムとの溶着は認められなかった。正極側の酸化ジルコニウム内部における酸素の含有量を測定したところ、図２のような分布となっており、電気の流れにしたがった酸素の移動が確認できた。チタンは、容易に型から取り出すことができ、その成形体の密度は９５％以上になった。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、通電焼結する際に使用する型材料、及びそれを用いた成形部材の作製方法に係るものであり、本発明により、１）通電焼結における型に、酸化ジルコニウムを含有する導電性材料を用いることによって、金属やセラミックスなどの難焼結材料を容易に固化成形することができる、２）特に、通電時に、酸化ジルコニウムから酸素が遊離して電気の流れにしたがって移動する現象を利用することによって、型に離型材を塗布することなく容易に型から成形体を分離、回収することができる、３）得られた成形体の表面は、わずかに酸化されるが、その結果として、表面の硬度を向上させることができる、４）離型材を用いないため、高精度の成形体を作製することができる、５）本発明で利用する酸化ジルコニウムを含有する導電性セラミックス型は、現在、通電焼結で一般的に用いられている黒鉛型より、電気抵抗が高く、小さなエネルギーで大きな加熱を短時間で実施することができ、省エネルギーのプロセスとして、今後の工業的な利用を拡大することができる、６）マイクロマシンなどの高精度で微細な部材を作製する際には、本発明の技術は、型との分離を容易にするための方法として有用である、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】黒色酸化ジルコニウムのＸ線回折パターンを示す。
【図２】酸化ジルコニウム中の酸素量を示す。
Claims (7)
- 被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に使用する離型性に優れた型材料を用いた型であって、（１）少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製してなる、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いたこと、（２）通電により酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、型と成形体の離型性を向上させる作用を有すること、を特徴とする高離型性型材料を用いた高離型用型。
- 直流電流によって焼結を行う際に使用する型である、請求項１記載の型。
- 請求項１又は２記載の高離型用型を使用して成形部材を作製する方法であって、被成形材料を通電をしながら焼結して成形体を作製する際に、型材料として、少なくとも成形体と接する部分の一部又は全部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製して、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用い、電極間に通電することにより酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させて、型と成形体の離型性向上作用により成形体を離型させることを特徴とする成形部材の作製方法。
- 上記酸化ジルコニウムからなる導電性セラミックスと電極の間に該セラミックスとは電気抵抗の異なる材料を用いる、請求項３記載の方法。
- 直流電流によって焼結を行う、請求項３記載の方法。
- 成形体と接する部分の一部に、酸化イットリウムで部分安定化した酸化ジルコニウムの粉末を、真空中で黒鉛型・パンチを用いた通電焼結によって作製して、室温においてもわずかに導電性がある黒色の酸化ジルコニウムを用いる、請求項３記載の方法。
- 被成形材料と他の物質を酸化ジルコニウムを含む型に入れ、被成形材料を成形体とすると共に、酸化ジルコニウムの酸素を型内部から型の表面に移動させ、その酸素移動により型から発生するガスの圧力を利用して成形体を他の物質の上に接合して複合化する、請求項３記載の方法。
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