JPH0784352B2 - 傾斜機能材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属材料とセラミック材
料の組み合わせからなる傾斜機能材の製造方法に係わる
ものであり、特に、この種の傾斜機能材を粉末冶金法に
より高品位、かつ低コストに製造する方法を提供するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】傾斜機能材は、セラミック１００％の部
分と金属１００％よりなる部分の間をそれらの混合傾斜
層により接合または結合した部分を少なくとも、その材
料の１部として有する新しいタイプの機能材料である。
構造材料としての他、生体材料をはじめとした各種機能
性材料としても期待されている。この種の材料における
セラミックから金属への傾斜組成部分は、金属１００％
の部分から順次セラミック分を増やした混合粉末をステ
ップまたは連続してセラミック１００％まで積層してい
き、これを型成形で圧粉体とした後、常圧焼結したり、
ホットプレス法により焼結、一体化されている。また、
図１に示したような原料粉末圧粉体３を単純円筒型の成
形外枠と押し棒を用いて加圧しながら通電して焼結、一
体化する通電焼結法によっても製造されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の焼結方法では、
融点やその他の熱的性質の異なる金属１００％の部分と
セラミック１００％の部分が同じ温度で加熱、焼結され
る。また、冷却も、熱容量差による僅かの差はあるかも
しれないが、ほぼ同じ速さで冷却されることになる。従
って、熱膨張率に大きな差のある金属とセラミック材料
の組み合わせの場合は、その冷却時に両材料中に大きな
熱収縮歪が発生することになる。多くの場合、脆性なセ
ラミック側にその影響が現われやすく、割れを発生した
り、割れの発生に至らなくても残留応力のために強度の
低下を来すなどの問題があった。

【０００４】また、従来の焼結方法では本来焼結、固化
に必要な温度の異なる異種材料を一つの温度で同時に焼
結するものであり、セラミックの最適条件で焼結しても
金属側では過焼結状態となり、空孔が発生したり、融点
近くでは目的形状が保てなくなるという問題が発生し
た。逆に、融点の低い金属側の最適温度で焼結すると、
セラミック側では温度が低すぎて焼結不良となるという
問題があった。本発明は以上のような事情に鑑みなされ
たもので、金属とセラミック材料の組み合わせからなる
傾斜機能材の優れた特性を保持させながら、上記のよう
な従来の製造方法における問題点を改良し、信頼性の高
い高品位の傾斜機能材を低コストに製造しようとするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記のよ
うな問題点を解決するため主に次の２点より研究を続け
てきた。 １．組成に傾斜のある材料をその傾斜に合わせて無理な
く焼結する手段と方法の探索。 ２．残留応力を最小とするための低温、短時間焼結を可
能にする焼結方法の探索。 その結果、加圧条件下での通電焼結法において、成形外
枠をその通電経路の一つとしてもつ型構成となるように
設計し、その成形外枠の肉厚を適当に調節し、そこでの
発熱量を制御することにより、試料部分の加圧軸方向に
必要に応じた温度傾斜をつけることができ、焼結状態の
過不足のない、かつ、残留応力の極めて少ない傾斜機能
材の得られることを見出しこの発明をなすに至った。

【０００６】すなわち、この発明は、金属とセラミック
の間にそれら両成分よりなる傾斜混合層を有する傾斜機
能材を成形外枠と押し棒を用いて通電焼結により製造す
る方法において、該金属の融点をａｌ、該セラミックの
融点をａ２としたとき、ａ１＜ａ２となる組み合わせに
おいて、成形外枠の肉厚が該金属側から該セラミック側
へ連続および／またはステップ状に減少する部分を少な
くとも該成形外枠の一部に持ち、また、ａ１＞ａ２とな
る組み合わせにおいて、該成形外枠の肉厚が該セラミッ
ク側から該金属側へ連続および／またはステップ状に減
少する部分を少なくとも該成形外枠の一部に持ち、該成
形外枠を少なくとも１つの通電経路とし、通電中に該傾
斜機能材の加圧軸方向に温度傾斜を形成する傾斜機能材
の製造方法を提供するものである。

【０００７】通常の通電焼結法では、図３を参照して黒
鉛製の成形外枠２と上下押し棒２Ａ，２Ｂを用いたもの
となっている。そこでまず、成形外枠２に下押し棒２Ｂ
をセットした状態で焼結しようとする原料粉末圧粉体３
を充填した後、上押し棒２Ａを押し込み加圧する。この
状態で上下押し棒を通じて直流または交流、あるいはそ
れらの重畳した電流を流し、試料の電気抵抗を利用して
ジュール熱により焼結する。図中、２Ａ１は上部電極、
２Ｂ１は下部電極、２Ａ２，２Ｂ２は油圧による荷重、
２Ｃは電源をそれぞれ示す。

【０００８】この方法は、投入エネルギーに対し効率よ
く焼結できるが、材料の焼結温度自体を低くすることに
は大きな効果は期待できない。しかし、ここで印加する
直流を連続でなくパルス状とすると、全投入電気エネル
ギーは同じであっても、パルス状に投入することによっ
て瞬間的に大きな電気エネルギーを投入する事が可能と
なり、これにより粒間での放電効果、さらにそれに付随
した放電プラズマによる効果が重畳される。これらの効
果により粉末粒子表面は著しく活性化されるため、より
低い温度での短時間の焼結が可能となる。

【０００９】また、ここで成形外枠が一つの通電経路と
なるように形成型を設計し、かつ、その成形外枠の肉厚
を加圧軸方向に変化させると、その厚み変化に応じてそ
こでの発熱量をコントロールでき、試料部分の加圧軸方
向に凹凸を含む温度傾斜を付けることができることが分
かった。成形外枠の肉厚を他より薄くした部分では、電
気抵抗が高くなり、一定電流のもとでの発熱量は多く高
温となる。一方、厚い部分では逆に抵抗が低く、発熱は
少なく低温域を形成する。この方法により、焼結に高温
を要する材料側ではその周囲の成形外枠の肉厚を他より
薄くすることによって、温度を高くでき、同時にもう一
方の材料側では必要以上に温度が高くならないように抑
制できる。

【００１０】焼結中に温度傾斜を付けるための成形外枠
の肉厚変化の程度は、傾斜機能材を構成する材料の融点
の差を一つの目安として採用することができるが、成形
外枠には低圧ながら圧力容器としての役割もあり、その
強度的に許される範囲であることが必要である。この方
法により、従来の方法による傾斜機能材の焼結における
問題点であった過焼結現象や焼結不良は解決でき、残留
応力の発生もかなり改善できるが、本発明に係わる傾斜
機能材の製造方法をより効果的に実施するためには焼結
温度はできるだけ低いほうが好ましく、パルス通電法と
組み合わせた低温、短時間焼結法の利用が望ましい。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明
する。図１，図２は、本発明の傾斜機能材の製造方法に
用いる原料粉末圧粉体３，４の断面の実施例を示したも
のである。原料粉末圧粉体３，４の構成は、図１のよう
に金属層３Ａ、セラミック層３Ｃのいずれかを両端に持
ち、その間に両成分の傾斜混合層３Ｂが入る構成のもの
や、また図２のように厚さ方向中央部に金属層４Ａまた
はセラミック層４Ｃの第１成分が配置され、その両端
に、両成分の混合傾斜層４Ｂを介して、もう一方の第２
成分が配置される構成を採ることもできる。そして、こ
れら両端成分の厚みや混合傾斜層の厚みは目的に応じて
適宣選択できるものである。

【００１２】図４は本発明の１実施例を説明するための
パルス通電焼結法の概略を示したものである。セラミッ
ク成分より低い融点を持ち、その焼結に要する温度もセ
ラミック成分のそれより低い金属成分が下押し棒１Ｂ側
となるように傾斜機能材の原料粉末圧粉体３を成形外枠
１にセットして焼結する例を示したものである。原料粉
末圧粉体３の構成に合わせて肉厚加工を施した成形外枠
１に下押し棒１Ｂをセットし、次に原料粉末圧粉体３を
充填する。これに上押し棒１Ａをセットし、上電極１Ａ
１と下電極１Ｂ１を介して油圧による荷重１Ａ２，１Ｂ
２により原料粉末圧粉体３を加圧する。

【００１３】この状態で上電極１Ａ１と下電極１Ｂ１を
通じてパルス電源１Ｃにより原料粉末圧粉体３にパルス
電圧を印加し、原料粉末圧粉体の自己発熱と、同時に成
形外枠１の発熱で作られる制御された温度傾斜場により
原料粉末圧粉体３を低温、短時間に焼結する。成形外枠
１の形状は本発明の重要な構成要素であるが、その材質
は耐熱性があり導電性材料であれば特に制約はなく、金
属、黒鉛、超硬などのサーメット材料を利用することが
できる。上下押し棒についても同様であり、金属、黒
鉛、サーメット材料により構成することができる。

【００１４】図５から図８は、本発明に係わる製造方法
に利用できる成形外枠１と傾斜機能材の原料粉末圧粉体
３の断面形状の例を示したものである。図５ないし図８
では、成形外枠１の肉厚が下方に行くほどステップ状に
厚くなるよう構成されている。傾斜機能材としての最終
形状に応じて適宣これらの最適形状を選択する。

【００１５】図９から図１２は、本発明の傾斜機能材の
製造方法に利用できる成形外枠の断面形状の例を示した
ものである。図９，図１０で示す成形外枠１１，１２で
は肉厚が下方に行くほど連続的に厚くなるよう構成され
ている。図１１で示す成形外枠１３では、肉厚が当該成
形外枠における加圧軸方向における中央部が断面台形状
窪みを呈するように肉薄に構成されている。図１２で示
す成形外枠１４では、肉厚が当該成形外枠における加圧
軸方向における中央部が断面台形状突条を呈するように
肉厚に構成されている。

【００１６】そこで、融点が互いに異なり、必要焼結温
度の異なる金属とセラミックをその両端層とし、その間
にそれらの混合傾斜組成をもつ傾斜機能材の原料粉末圧
粉体３の焼結では、その融点の低い方の材料を成形外枠
の厚肉側に配置して焼結し、図９、図１０のような断面
形状を持つ成形外枠１１，１２を利用すると良い。

【００１７】また、厚み方向中央部に融点の高い、焼結
に高温を要する金属層またはセラミック層が配置され、
その両サイドにそれらの混合傾斜層があり、その層を介
して両端に融点の低い、焼結に中央成分ほど高温を要し
ない金属層またはセラミック層をもつ構成の傾斜機能材
の原料粉末圧粉体４の焼結では、その中央部の成分が図
１１で示す成形外枠１３において肉厚の薄くなった部分
の中央部にくるようにセットして焼結する。また、この
逆に、中央成分の方が融点が低く、焼結にも高温を要し
ないような構成の傾斜機能材の原料粉末圧粉体４の焼結
では、図１２で示す断面形状の成形外枠１４が利用で
き、原料粉末圧粉体を高さ方向中央部にセットし、温度
傾斜を利用して焼結する。

【００１８】本発明に係わる傾斜機能材の製造方法にお
いては成形外枠１と上下押し棒１Ａ，１Ｂとの嵌合具合
は、通電中の目的とした温度傾斜を実現する上で極めて
重要な要素である。成形外枠と上下押し棒とのクリアラ
ンスは、その両者の隙間に特に導電性材料を満たさない
場合には２／１００ｍｍ以下、好ましくは１／１００ｍ
ｍ以下である。

【００１９】（実施例１）平均粒径５μｍのステンレス
粉末、粒径１μｍ以下のＹ₂ ０₃ ３％添加部分安定化ジ
ルコニア及びそれらの材料をステンレス／ジルコニア体
積比で３／１，１／１，１／３に混合して作成した混合
粉末を傾斜機能材の原料粉末として用いた。ステンレス
粉末の融点は約１４４０℃、部分安定化ジルコニアの融
点は２６８０℃であった。成形外枠には図９の断面形状
をもつ、高さ４０ｍｍで中孔径φ２０ｍｍの黒鉛製の成
形外枠１１を用いた。この成形外枠の肉厚は、その一端
から１７ｍｍまで肉厚７ｍｍ、下から１７ｍｍまで肉厚
２０ｍｍとし、その間を２０ｍｍから７ｍｍまで連続し
て厚みを減少させた。

【００２０】また、この成形外枠の薄肉側を上としたと
きの、上から１７ｍｍの位置と、同じく上から２３ｍｍ
の位置にφ３ｍｍのキリ孔を中孔からの距離で４ｍｍと
なるように明け、焼結中の温度を２箇所で放射温度計に
より測定した。上下押し棒は長さ２０ｍｍの黒鉛製と
し、成形外枠の中孔とのクリアランスは１／１００ｍｍ
以下とした。これらの焼結部品を用いて、まず、肉厚の
大きい方を下にした状態の成形外枠に下押し棒をセット
し、次に、これに接してステンレス粉末を厚み３ｍｍ、
その上に混合粉末をステンレス／ジルコニア比３／１，
１／１，１／３ｍｍの順に各１ｍｍづつ、さらにその上
にジルコニア粉末を厚み３ｍｍとなるように圧力１００
ｋｇ／ｃｍ² で充填した。

【００２１】これに上押し棒をセットし、試料部が成形
外枠の高さ方向の中央部にくるように外にでている上下
押し棒長さを調整した後、この焼結試料構成を通電焼結
機にセットし、圧力５００ｋｇ／ｃｍ² まで加圧した。
この圧力に加圧しながらパルス通電を開始し、焼結を始
めた。ここでは、直流パルスのｏｎ／ｏｆｆ比は１２／
２とした。焼結は、ジルコニア粉末側での測定温度で１
２００℃に達して後、試料部の収縮が止まって１分保持
の条件で実施した。

【００２２】この条件での１２００℃での全焼結保持時
間は２．５分であった。また、焼結保持時間中のステン
レス粉末側の温度は８４０℃から８８０℃であった。冷
却後、焼結試料構成から取り出した焼結体の高さは約
５．４ｍｍであった。その切断面を研磨、観察したとこ
ろ、割れの発生や気孔は認められず、良好な傾斜機能材
として焼結できていた。この試料のジルコニア１００％
側での微小硬さは１３５０ｋｇ／ｍｍ² であった。

【００２３】（比較例）成形外枠には図３で示す断面形
状をもつ外径５０ｍｍ，中孔径２０ｍｍ，高さ４０ｍｍ
の黒鉛単純円筒を、実施例１に用いた黒鉛と同じ材質の
黒鉛から作製したものを用いたほかは、実施例１と同様
の温度測定用孔加工を施し、また、実施例１と同様の上
下押し棒を用いた。これらの焼結部品を用いて、実施例
１と同様の原料粉末を同様の方法と手順で焼結試料構成
に組み込み、通電焼結装置にセットした。

【００２４】次に、実施例１と同じ５００ｋｇ／ｃｍ²
まで加圧し、パルス通電を開始した。 直流パルスのｏ
ｎ／ｏｆｆ比は実施例１と同じく１２／２とした。焼結
は、ジルコニア側での測定温度で１２００℃に達し、収
縮が止まって後、１分保持の条件で実施した。このとき
の１２００℃での全保持時間は２分であった。

【００２５】冷却後、焼結構成を取り出したところ、ス
テンレス側の押し棒のところに数ｍｍの金属球が観察さ
れ、ステンレスの一部が融解し、しみだしが起きたこと
が分かった。回収した時点で焼結体はジルコニア１００
％層の部分で破壊した。また、ステンレス１００％層の
断面には多数の気孔の発生が観察された。

【００２６】（実施例２）外径２０ｍｍ、高さ５ｍｍで
密度３．１５ｇ／ｃｍ³ の窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄）焼結
体ペレット、平均粒径０．３μｍのＳｉ₃ Ｎ₄ 粉末、粒
径１０μｍ以下の鉄粉末、及びそれら粉末のＳｉ₃ Ｎ₄
／鉄比、４／１，２／１，１／１，１／２，１／４の５
種混合粉末を傾斜機能材の原料粉末及び焼結体として用
いた。窒化珪素の融点は１９００℃、鉄の融点は１５３
０℃であった。成形外枠は高さ５０ｍｍ、中孔径２０ｍ
ｍで、その一端より１５ｍｍまでの肉厚が６．０ｍｍ，
１５ｍｍから２０ｍｍまでの肉厚が１０．０ｍｍ、さら
に２０ｍｍから５０ｍｍまでの肉厚が２０ｍｍの不連続
な３ステップからなるものを使用し、肉厚１５ｍｍ側を
上とした場合の上から１７．５ｍｍの位置と、上から３
０ｍｍの位置に径３ｍｍの測温用の孔を成形外枠の中孔
からの距離で４ｍｍとなるように加工した。

【００２７】上下押し棒は長さ２５ｍｍとし、成形外枠
の中孔とのクリアランスは１／１００ｍｍ以下とした。
原料粉末の充填では、まず、成形外枠の肉厚６．０ｍｍ
側を上にしてセットし、これに下押し棒をセットする。
この下押し棒に接して鉄１００％層を厚さ２０ｍｍに充
填し、次にＳｉ₃ Ｎ₄／鉄比１／４，１／２，１／１，
２／１，４／４の混合粉末を順に各１ｍｍずつを圧力１
００ｋｇ／ｃｍ² で充填する。

【００２８】さらに、これに接して厚さ５ｍｍのＳｉ₃
Ｎ₄ 焼結体を配置し、上押し棒をセットした。この焼結
用試料構成を通電焼結機にセットし、圧力６００ｋｇ／
ｃｍ² まで加圧した後、加圧状態でパルス通電を開始し
た。ここでのパルスｏｎ／ｏｆｆ比は２０／１とした。
焼結はＳｉ₃ Ｎ₄ 側の温度で１３５０℃で行い、その温
度で試料部の収縮が止まって後、１分保持の条件で実施
した。１３５０℃での全焼結保持時間は１．５分であっ
た。このときの鉄１００％層側で測定した温度は８１０
℃から８３０℃であった。回収された焼結体の断面には
割れや気孔の発生は認められず、良好な傾斜機能材が得
られた。

【００２９】（実施例３）平均粒径１μｍのアルミナ粉
末、粒径５μｍ以下のＮｉＴｉ合金粉末、およびそれら
のアルミナ／ＮｉＴｉ体積比１／３，１／１，３／１の
３種の混合粉末を傾斜機能材の原料粉末として用いた。
アルミナの融点は２０５０℃、ＮｉＴｉ合金の融点は１
３８０℃であった。焼結には、図１１に示す断面形状を
もつ中孔径２０ｍｍの黒鉛製の成形外枠１３を利用し、
その肉厚は両端から１５．５ｍｍまでを肉厚３０ｍｍ，
成形外枠の高さ方向の中心部８ｍｍ幅を厚み１０ｍｍと
し、その間を肉厚３０ｍｍから１０ｍｍへ連続して減少
させた。

【００３０】温度測定用には成形外枠の高さ方向の中央
部に径３ｍｍ、深さ６ｍｍの孔を明けた。上下押し棒は
長さ２５ｍｍ，成形外枠の中孔とのクリアランスを１／
１００ｍｍ以下とした。成形外枠の一端に下押し棒をセ
ットし、それに接してまず、ＮｉＴｉ合金粉末を厚み４
ｍｍ、次にアルミナ／ＮｉＴｉ合金混合粉末を１／３，
１／１，３／１の順に厚み各１ｍｍ、更にこれに接して
アルミナ１００％粉末を厚み５ｍｍとなるように圧力１
５０ｋｇ／ｃｍ² で充填した。

【００３１】さらに、このアルミナ層に接して、アルミ
ナ／ＮｉＴｉ合金混合粉末を１／３，１／１，３／１の
順に厚み各１ｍｍ，それに接してＮｉＴｉ合金１００％
層を厚み４ｍｍとなるようにこれも圧力１５０ｋｇ／ｃ
ｍ² で充填した。これに上押し棒をセットし、上下押し
棒の外に出ている部分の長さを調節して原料粉末の位置
を成形外枠の高さ方向の中央部に来るように調整した
後、通電焼結機にセットし、圧力５００ｋｇ／ｃｍ² ま
で加圧した。この加圧状態でパルス通電を開始した。パ
ルスのｏｎ／ｏｆｆ比は３２／２とした。

【００３２】焼結は、中央部のアルミナ側で測定した温
度で１２００℃で行い、試料の収縮が止まって後、１分
保持して通電を停止した。このときの１２００℃での全
焼結保持時間は約２．２分であった。冷却後回収された
焼結体は厚み約１０．８ｍｍであり、その断面には割れ
や気孔の発生は観察されず、良好な傾斜機能材として焼
結できていた。このときのアルミナ１００％部分の微小
硬さは１９５０ｋｇ／ｍｍ² であった。

【００３３】作用について効果と共に説明する。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば金属と
セラミック材料の組み合わせからなる傾斜機能材の通電
焼結法による製造において、その成形外枠の加圧軸方向
の肉厚を焼結しようとする傾斜機能材の構成材料の熱的
性質に応じて適切に調整することにより、傾斜機能材を
その傾斜組成に合わせた温度傾斜のもとで無理なく焼結
できる。この方法により短時間に、高効率に、高品位の
信頼性の高い傾斜機能材を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の傾斜機能材の製造方法に用いる原料粉
末圧粉体の断面図である。

【図２】本発明の傾斜機能材の製造方法に用いる原料粉
末圧粉体の断面図である。

【図３】従来の単純円筒型の成形外枠を用いた通電燒結
法を説明する縦断面図的概略図である。

【図４】本発明の通電焼結法を説明する概略図である。

【図５】Ａ−Ａ線断面図である。

【図６】Ａ−Ａ線における他の実施例の断面図である。

【図７】Ａ−Ａ線における他の実施例の断面図である。

【図８】Ａ−Ａ線における他の実施例の断面図である。

【図９】成形外枠部分の他の実施例の縦断面図である。

【図１０】成形外枠部分の他の実施例の縦断面図であ
る。

【図１１】成形外枠部分の他の実施例の縦断面図であ
る。

【図１２】成形外枠部分の他の実施例の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 成形外枠 １Ａ 上押し棒 １Ａ１ 上電極 １Ａ２ 荷重 １Ｂ 下押し棒 １Ｂ１ 下電極 １Ｂ２ 荷重 １Ｃ パルス電源 ３ 原料粉末圧粉体 ３Ａ 金属層 ３Ｂ 傾斜混合層 ３Ｃ セラミック層 ４ 原料粉末圧粉体 ４Ａ 金属層 ４Ｂ 混合傾斜層 ４Ｃ セラミック層 １１，１２，１３，１４ 成形外枠

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属とセラミックの間にそれら両成分よ
   りなる傾斜混合層を有する傾斜機能材を成形外枠と押し
   棒を用いて通電焼結により製造する方法において、該金
   属の融点をａｌ、該セラミックの融点をａ２としたと
   き、ａ１＜ａ２となる組み合わせにおいて、成形外枠の
   肉厚が該金属側から該セラミック側へ連続および／また
   はステップ状に減少する部分を少なくとも該成形外枠の
   一部に持ち、また、ａ１＞ａ２となる組み合わせにおい
   て、該成形外枠の肉厚が該セラミック側から該金属側へ
   連続および／またはステップ状に減少する部分を少なく
   とも該成形外枠の一部に持ち、該成形外枠を少なくとも
   １つの通電経路とし、通電中に該傾斜機能材の加圧軸方
   向に温度傾斜を形成することを特徴とする傾斜機能材の
   製造方法。