JPH07242910A

JPH07242910A - 流動性粉体を用いた加圧焼結方法

Info

Publication number: JPH07242910A
Application number: JP6038593A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Sato; 佐藤　　裕; Toru Ono; 透小野; Akihiro Shinpo; 章弘新保; Masao Fukuda; 応夫福田; Hidehiro Endo; 英宏遠藤; Masanori Ueki; 正憲植木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、セラミックスなどの粉末の成形体
を等方的に加圧しながら加熱して緻密かつ特性の優れた
焼結体を得る方法である。【構成】粉末成形体を圧力伝達媒体である高融点の流
動性粒子中に埋設し、圧力を加えずに焼結開始温度以上
に昇温した後、等方的な圧力を加え、焼成温度にて緻密
化する焼結方法である。流動性に優れた粒子を圧力媒体
に用いることにより、圧力がほぼ等方的に加えられる。
また、焼結開始温度以上まで加熱してから圧力を加える
ことによって、収縮の異方性を少なくできるとともに、
加圧による亀裂の発生などを防ぎ、緻密かつ強度などの
特性に優れた焼結体を一度の焼成で得ることができる加
圧焼結法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックスあるいは金
属粉末成形体を等方的に加圧しながら加熱して緻密な焼
結体を得るための加圧焼結方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、粉体を加圧焼結させる方法として
は、一軸加圧焼結法であるホットプレス法などがある。
しかしながら、このような一軸加圧焼結法では、緻密か
つ高強度の焼結体が得られるものの、一軸加圧であるた
め板状あるいは円盤のような単純形状のものしか焼成す
ることができない。このため、複雑な製品形状を得るた
めには、焼結体を加工する必要があり、製造コストが非
常に高くなる欠点がある。これを解決するためには、複
雑形状の成形体を等方的に加圧し、緻密化する方法が必
要である。

【０００３】粉体成形体に等方圧を加えて焼成し緻密化
する方法としては、熱間静水圧プレス法（ＨＩＰ）など
がある。ＨＩＰは、２００MPa のような高圧を加えるた
め、理論密度近くまでの緻密化が可能である。しかし、
この方法では、圧力伝達媒体に高温高圧ガスを用いるた
め、あらかじめ焼成し、開気孔がなくなる理論密度の９
５％以上の高密度まで緻密化するが、ガラスなどのカプ
セルに成形体を真空封入するなどして、高圧ガスが被焼
成体の内部に侵入するのを防ぐ必要がある。また、圧力
容器等の装置が大がかりになるため、高価であるという
問題がある。

【０００４】ＨＩＰに代わる等方加圧焼結方法として、
米国特許第４，０４１，１２３号明細書では、グラファ
イトやＢＮなどの固形粉体を圧力伝達媒体として用いた
方法を提案している。しかし、この方法では、圧力伝達
媒体の流動性を考慮しておらず、被焼成体の焼結が始ま
る前に低圧（約７MPa ）で加圧するため、この予備加圧
の段階で圧力伝達媒体が半硬化してしまい圧力が等方的
には伝わらない。また、焼成温度においてさらに高圧
（約２８MPa ）で加圧することにより圧力媒体の硬化が
更に進むため、一層圧力が被焼成体に伝達し難くなり、
等方加圧は実現することは難しい。また、米国特許第
４，５３９，１７５号明細書において、成形体を一旦焼
成し、緻密化させて強度を上げた焼成体を、流動性粒子
中に埋設し、再度加熱、加圧して緻密質焼成体を得る方
法が提案されている。しかし、この方法は、一次的な焼
結と加圧焼結の二度の焼成が必要となるため、従来のＨ
ＩＰと比べて、装置などの面で安価になるものの、一般
的な焼結方法が一度の焼成でできるのに比べて工程が多
くなり、改善が必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、等
方加圧焼結はＨＩＰ法の場合、高温高圧ガスを使用する
ために設備が大がかりで高価という問題があり、また、
ＨＩＰ法以外の固体粒子を圧力伝達媒体として用いた方
法では等方加圧が不可能であったり、二回に分けた焼成
を行わなければならない等の問題があった。

【０００６】本発明は、これらの従来法の課題を解決
し、粉末の成形体を等方的に加圧しながら加熱して緻密
かつ特性の優れた焼結体を得ることができる簡便な等方
加圧焼結を実現するための方法を提供しようとするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、成形体を圧力
伝達媒体である高融点流動性粒子中に埋設し、圧力を加
えずに焼結開始温度以上に昇温した後、等方的な圧力を
加え、焼成温度にて緻密化する加圧焼結方法である。

【０００８】ここで焼結開始温度とは、拡散や液相の生
成等、いわゆる焼結挙動が起こり被焼成体の収縮が始ま
る温度のことを表し、被焼成体の成分や粒径等により決
まる。一方、焼成温度とは、この温度で一定時間保持す
ることによって目的とする焼結体が得られる温度のこと
を表す。焼成温度は、一般に焼結開始温度より高温であ
り、目的とする焼結体の密度、組織などによって決めら
れるべきものである。

【０００９】成形体は、焼結可能な粉体を成形したもの
であれば特にその種類は限定しないが、セラミックス、
または金属が一般的である。成形体には、一軸加圧成
形、ＣＩＰ成形、泥しょう鋳込み成形、射出成形等の方
法によって成形したもののいずれも用いることができ
る。成形体は、加圧による破壊やクラック等の発生しな
い程度の強度を有することが必要であるため、その密度
は理論密度の４５％以上であることが望ましい。

【００１０】以上のような方法で製造した成形体を、加
圧容器内に充填された流動性を有する粒子（圧力伝達媒
体）中に埋設する。ここで用いられる圧力伝達媒体は、
少なくとも成形体の焼成温度以上の融点を有し、成形体
の焼成温度で成形体と反応しないもしくは反応が少ない
ものが望ましい。そして、それ自体が焼結もしくは硬化
せず、加圧力に対して十分な強度を有するものを用いる
ことにより、同じ粒子を反復して使用することが可能で
ある。成形体に等方的圧力を加えるためには、流動性を
持った圧力媒体として、グラファイトや六方晶窒化ホウ
素を用いることが望ましい。また、成形体と圧力媒体の
反応が避けられない場合は、成形体表面に反応防止のた
めの被覆層を施すことが望ましい。

【００１１】加圧容器に加えられた圧力は、圧力伝達媒
体である流動性粒子を通して埋設された成形体にはほぼ
等方的に加えられる。緻密化を促進させるのに有効な圧
力は１．５MPa 以上で、成形体を破壊しない範囲で高い
方が緻密化により有効であり、より高強度の材料を得る
ことができる。また、この圧力の上限は、加圧容器に用
いる材料の強度及び加圧装置の能力によって決定され
る。

【００１２】圧力は、被焼成体の焼結が開始してから加
えることが必要である。流動性粉体を圧力媒体とした場
合でも、完全に等方的な圧力を加えることは困難であ
る。このため、焼結が開始する前の段階で加圧すると、
その後の収縮量が大きいため、圧力がより大きく伝えら
れる加圧方向の収縮の方が、加圧軸に垂直な方向への収
縮に比べて大きくなり、収縮異方性の大きな焼結体とな
ってしまう。また、凹部を有する被焼成体などの場合、
焼結開始前に圧力を加えると、凹部に圧力媒体が密に詰
まって収縮を妨害するため、亀裂発生の原因となる。ま
た、圧力を加えると圧力媒体である粉末と被焼成体との
摩擦が発生するため、焼結開始前に加圧すると均一な収
縮が起こらずに亀裂発生の原因となる。これらを防ぐた
めには、焼結が進行し、収縮がある程度進んだ段階で加
圧することが必要である。圧力を加えずに焼結を進行さ
せることで、異方性のない収縮が進み、加圧によって更
に緻密化する段階では収縮量が少なくなっているため、
収縮異方性の小さい高密度の焼結体を得ることができ
る。また、焼結が進んでいるため加圧による亀裂発生を
抑えることができる。

【００１３】加圧するタイミングは、被焼成体の組成等
により異なるが、焼結開始後、収縮が進んだ段階で加圧
することが望ましい。特に、焼成温度で一定時間保持し
た後加圧した場合、収縮異方性を小さく抑えることがで
き、緻密化が更に進行して特性の優れた焼結体を得るこ
とが可能である。例えば、焼成温度で１時間保持する場
合は、焼成温度で半分の３０分保持した後に加圧するこ
とで、より優れた特性を持つ焼結体を得ることができ
る。

【００１４】得られる焼結体の特性については、従来の
ホットプレス法で得られるような高密度かつ高強度な材
料を得ることが可能である。ホットプレスでは、粉体あ
るいは予備成形体を加圧容器内に入れ、一軸加圧により
焼結を行う。このため、収縮は、主に加圧方向で起こる
ため、粒子が移動しながら緻密化が進行する。これに対
して本方法では、成形体とほぼ相似形で緻密化が進行
し、ホットプレス法に比べて粒子の移動に要するエネル
ギーが少なくてすむ。このため、本方法では、ホットプ
レスに比べて低い圧力で、同等の密度の焼結体を得るこ
とが可能であり、圧力を更に高くすることでより優れた
特性を有する焼結体を得ることが可能である。また、あ
る程度複雑な形状の焼結体を得ることができるため、加
工に要する製造コストを大幅に低減できる利点がある。

【００１５】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。実施例１Ｓｉ₃Ｎ₄にＹ₂Ｏ₃を５wt％、Ａｌ₂Ｏ₃を５wt％、
ＡｌＮを５wt％を混合した粉末４０ｇを、５０×５０mm
の金型を用い１００kg／cm²で一軸加圧成形した後、
１．５ton/cm²の圧力でＣＩＰ処理し、約４６×４６×
１３mmの成形体を得た。内径９０mmのグラファイト製ダ
イスに流動性球状黒鉛粒子（米国ＳｕｐｅｒｉｏｒＧ
ｒａｐｈｉｔｅＣｏ．製＃９４００球状黒鉛粒子）を
入れ、この上に成形体を置き、流動性球状黒鉛粒子を加
えて埋設した。これをホットプレス装置に組み込み、窒
素雰囲気中で昇温速度１０℃/minで昇温を行った。焼成
温度は１７５０℃とし、保持時間１ｈで焼成を行った。
昇温途中の１７００℃到達時点、焼成温度である１７５
０℃到達時点、１７５０℃で３０min 保持後の３つの条
件で３MPa の圧力を加えた。

【００１６】比較例１として、同様の成形体を黒鉛粒子
に埋設し、昇温開始と同時に３MPaまで加圧し、１７５
０℃で１ｈ保持して焼成した。また、比較例２として同
様の成形体を圧力を加えずに窒素雰囲気中、１７５０℃
で１ｈの条件で常圧焼結したものを作製した。

【００１７】得られた焼成体の密度、加圧軸に対して垂
直及び平行方向での収縮率、曲げ強度を表１に示す。昇
温開始と同時に加圧したものは、クラックが発生し、良
好な焼結体が得られなかった。一方、本発明による方法
で焼成したものは、いずれも良好な焼結体が得られた。
加圧による収縮異方性も加圧開始条件を変えることで６
％程度に抑えることができた。また、常圧焼結によるも
のと比べても、本発明によるものは高密度のものが得ら
れ、三点曲げ強度も常圧焼結の９７０MPa に対して、１
７５０℃で３０min 保持したものでは１２５０MPa と高
強度のものが得られた。

【００１８】実施例２Ｓｉ₃Ｎ₄にＹ₂Ｏ₃を５wt％、Ａｌ₂Ｏ₃を５wt％、
ＡｌＮを５wt％を混合した粉末を、５０×５０mmの金型
を用い１００kg／cm²で一軸加圧成形した後、１．５to
n/cm²の圧力でＣＩＰ処理し、約４６×４６×１３mmの
成形体を得た。内径９０mmのグラファイト製ダイスに流
動性球状黒鉛粒子（米国ＳｕｐｅｒｉｏｒＧｒａｐｈ
ｉｔｅＣｏ．製＃９４００球状黒鉛粒子）を入れ、こ
の上に成形体を置き、流動性球状黒鉛粒子を加えて埋設
した。これをホットプレス装置に組み込み、窒素雰囲気
中で昇温速度１０℃/minで昇温を行った。焼成温度は１
７５０℃とし、保持時間１ｈで焼成を行った。加圧は、
１７５０℃で３０min 保持した後行い、その圧力を３，
５，１０，２０MPa と変えた焼結体４種を作製した。

【００１９】また、比較例として、同様の組成の粉末を
グラファイト製ダイスに入れ、窒素雰囲気中で、昇温と
同時に４０MPa の圧力を加え、焼成温度１７５０℃、保
持時間１ｈの条件でホットプレスを行い焼結体を作製し
た。

【００２０】得られた焼成体の密度、曲げ強度を表２に
示す。本方法によるものは、圧力が高くなるとともに密
度の高いものが得られ、ホットプレスで４０MPa の圧力
で焼結したものと同等の密度のものが、半分の圧力の２
０MPa で得られた。また、三点曲げ強度も同様に圧力が
高くなるとともに高くなり、２０MPa の圧力を加えたも
ので曲げ強度１５６０MPa とホットプレスしたものの１
３３０MPa を大きく上回る焼結体が得られた。

【００２１】実施例３Ｓｉ₃Ｎ₄にＹ₂Ｏ₃を５wt％、Ａｌ₂Ｏ₃を５wt％、
ＡｌＮを５wt％を混合した粉末を、外寸３０×３０mmで
凹部が１６×１６×６mmの金型を用い１００kg／cm²で
一軸加圧成形した後、１．５ton/cm²の圧力でＣＩＰ処
理し、約２７×２７×１０mm（凹部１５×１５×５mm）
の升型の成形体を得た。内径９０mmのグラファイト製ダ
イスに流動性球状黒鉛粒子（米国ＳｕｐｅｒｉｏｒＧ
ｒａｐｈｉｔｅＣｏ．製＃９４００球状黒鉛粒子）を
入れ、この上に成形体を置き、流動性球状黒鉛粒子を加
えて埋設した。これをホットプレス装置に組み込み、窒
素雰囲気中、昇温速度１０℃/minで昇温を行った。焼成
温度は１７５０℃とし、保持時間１ｈで焼成を行った。
圧力は３MPa とし、１７５０℃で３０min 保持後に加え
た。また、ＴｉＣ粉末を用いて同様の升型成形体を作製
し、アルゴン雰囲気中で焼成した。焼成温度は２０００
℃、保持時間は２ｈとし、２０００℃で１ｈ保持後３MP
a 加圧して焼成した。比較例１として、昇温開始と同時
に加圧し、同様の条件で焼成を行った。

【００２２】得られた焼成体の密度及び焼結後の状態を
表３に示す。昇温開始と同時に加圧したものは、クラッ
クが発生し、良好な焼結体が得られなかった。一方、本
発明による方法で焼成したものは、いずれも良好な焼結
体が得られた。密度も、相対密度で９５％以上の緻密な
焼結体が得られた。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】本発明によって、簡便な装置を用いてセ
ラミックスや金属等の等方加圧焼成が実現でき、高緻密
質かつ高強度の複雑形状の焼結体を得ることが可能とな
った。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福田応夫神奈川県川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者遠藤英宏神奈川県川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者植木正憲神奈川県川崎市中原区井田1618番地新日本製鐵株式会社先端技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成形体を圧力伝達媒体である高融点流動
性粒子中に埋設し、圧力を加えずに焼結開始温度以上に
昇温した後、等方的な圧力を加え、焼成温度にて緻密化
することを特徴とする流動性粉体を用いた加圧焼結方
法。