JPS59564B2 - 熱間静水圧プレス成形法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱間静水圧プレス法（以下ＨＩＰ法という）に
より金属粉末の緻密焼結体を製造する方法に関するもの
で更に詳しくは二次圧媒方力■Ｐ法による複雑異形物品
の成形法に関するものである。

二次圧媒方式ＨＩ−Ｐ法は特公昭５１−１８２０２号公
報に示されているように、所定の製品形状に対応する型
を予じめ作成し、該型内に金属粉末を充填してこれを二
次圧媒粒子を充填したコンテナ内に埋設した後肢コンテ
ナを脱気密封し、しかる後肢コンテナをＨＩ−Ｐ炉に装
入して高温高圧の一次圧媒ガス雰囲気下でＨＩＰ処理を
施こすことにより、前記型内の金属粉末を緻密に焼結す
る方法であって、複雑形状をした異形焼結体を得る方法
としては極めて簡便且つ優れた方法である。

即ち二次圧媒を用いない通常のＨＩＰ法で異形物品を製
造しようとすれば、金属粉末充填用の容器自体に製品形
状に応じた複雑形状が要求されるが、かかる容器は通常
軟鋼板の溶接加工により形成されるため溶接線が長くな
りしかも複雑な形状をしているから溶接欠陥は極めて発
生し易くなっている。

高温高圧ガス雰囲気下で過酷な変形の要求される前記容
器にあっては、微小溶接欠陥があってもその部分で破壊
し、圧媒ガスが容器内に侵入してＨＩＰ処理を不能なら
しめることになるので、通常のＨＩ−Ｐ法においては、
直接複雑形状の焼結体を成形するのは困難とされ、一般
には円柱状等の単純形状の焼結体をＨＩＰ処理により製
造し、これに機械加工等を施こして複雑形状をした所定
の製品を作る方法がとられている。

これに対し前記二次圧媒方式の場合には金属粉末を充填
する型自体が二次圧媒粒子を充填したコンテナ内に埋設
されているため、型自体がいかに複雑な形状であろうと
も、コンテナ自体は円筒等の極めて単純な形状をしたも
のであるから前述の如き問題はない。

従って二次圧媒方式ＨＩ−Ｐ法は複雑形状をした異形物
品の焼結法として近年特に注目を集めている。

ところで、前記特公昭５１−１８２０２号公報に示され
た方法によると、型はシリカ、ジルコニア、アルミナ或
いはこれらの混合物で構成され、二次圧媒粒子はシリカ
及びアルミナで構成されており、いづれも耐火性粒子で
構成されているが、本発明者等の研究によると、型及び
二次圧媒をかかる耐火性粒子で構成すると、型自体の成
形が困難であると共に、ＨＩＰ処理によっても型内金属
粉末を充分微官化できず、特に緻密化の問題を解決する
には超高圧ＨＩ−Ｐが必要であることが判明した。

即ち型及び二次圧媒は、高温高圧の一次ガス圧媒の作用
により等方向に圧縮して型内の粉末を緻密化する機能が
要求されるが、かかる型及び二次圧媒がアルミナ、ジル
コニアの如き高耐火性物質であると変形抵抗が極めて大
きく、一次圧媒ガースの圧力は殆んど二次圧媒及び型に
よって吸収され金属粉末には充分な圧力が伝達されない
のである。

そこで型内の金属粉末に充分な圧力を伝達しようとすれ
ば、必然的にＨＩＰ圧力はより一層高い圧力が要求され
ることになり、ひいてはＨＩＰ炉内への圧媒ガス充填時
間即ち昇圧時間の増大及びＨＩＰ処理後のガス回収時間
の増大を招くことになる等の問題があった。

本発明はかかる二次圧媒方式の問題点を解決し、通常の
ＨＩＰ圧力でも充分に緻密化を行ない得るＨＩＰ法を提
供するこさを第１の目的とし、また複雑型状の型を容易
に成形し且つＨＩＰ処理後において該複雑型状の型から
容易に焼結体を分離し得るＨＩＰ法を提供することを第
２の目的とするものであって、その要旨とするところは
、ＨＩＰ処理温度で弾塑性変形しない耐火性粉末と同湿
度で塑性流動する軟化性粉末とを１：２〜２：１の割合
で混合した型材に粘結剤を加えて焼成され、且つその内
面に型焼成湿度及び熱間静水圧プレス温度で軟化しない
耐火性粉末からなり前記型材と一体焼成して形成された
離型材層５を有する型３内に金属粉末４を充填した後、
これを熱間静水圧プレス処理湿度で塑性流動する二次圧
媒粒子２を充填したコンテナ１内に埋設して該コンテナ
を密封し、しかる後肢コンテナに高温高圧ガス雰囲気下
でＨＩ’Ｐ処理を施こすＨＩ’Ｐ法にある。

以下図面を用いて本発明方法を詳細に説明する。

第１図は本発明方法による基本的実施例を示す断面図で
あって、軟鋼等のＨＩＰ湿度において塑性変形し易い材
料で形成した単純形状のコンテナ１内に、被処理金属粉
末４を充填した型３を配置し、コンテナ１と型３との間
には二次圧媒方式２が充填されており、型３は所定の形
状に予じめ成形されていて、その内側には離型材層５が
一体に形成されている。

かかる構造の組立体をＨＩＰ炉に装入し、高温高圧ガス
雰囲気下でＨＩ’Ｐ処理することにより、コンテナ１及
び型３は相似的に収縮し、金属粉末４を緻密に焼結する
ことになるが、先ず型３に要求される特性は、前述の通
り第１に複雑な形状に容易に成形できること（造型性）
、第２にＨＩＰ処理条件下で容易に塑性変形して相似的
に収縮し、粉末を緻密化できること（成形性）である。

そこで型材適正粉末を調査するため、型材として使用可
能性のある各種粉末を用いて型を作成し、その型を用い
てＨＩＰ処理実験を行ったところ第１表の如き結果を得
た。

なお本実験においては、型は、先ずろう型を作成し、そ
のろう型にエチルシリケートをバインダにして所定の型
材粉末をコーティングし、しかる後乾燥、脱ろう及び撞
本焼成して作成したものであり、第１表中にはこの時の
乾燥温度及び焼成温度を示している。

また成形性は金属粉末としてＳＣＭ４鋼粉末を用い、こ
れを１１００℃Ｘ １０００ｋｇ／ｆｆ１Ｘ １ ｈｒ
のＨＩＰ条件下でＨＩ−Ｐ処理した結果を示している。

上記第１表から明らかな如く、特公昭５１−１８２０２
号公報に型材として示されているシリカ、アルミナは夫
々単独では型材として使用することはできない。

特にシリカは、型すら作成することができず一方アルミ
ナはＨ工Ｐ淵度で変形しないため、金属粉末を緻密化す
−ることかできない。

またソーダー石灰ガラスは、軟化点が低く過ぎるため、
ＨＩＰ湿度に近い９００℃で型崩れが生じ、造型するこ
とができず、仮に低湿焼成して型は出来たとしてもＨＩ
Ｐ処理中に金属粉末充填部に浸透して、焼結体表面層は
ガラスと金属との混合物となるためかかる軟質ガラスは
型材として不適当である。

一方、アルミナとソーダ石灰ガラスとの混合物を型材と
するものは、その比が１＝２〜２：１の範囲でいづれも
良好な造形性を有しており、ＨＩＰ処理に対してもいづ
れも良好な密度向上を示している。

特にその比が１：１のものは格別良好であり、比が１：
２又は２：１のものは、緻密化の点では問題は全くなく
、形状にやや不全な点も認められたが、実用には差し仕
えない程度であった。

従って、型材としては、アルミナ、シリカの如＜ＨＩＰ
処理混度温度塑性変形しないような耐火性粒子あるいは
同湿度で軟化するソーダ石灰ガラスの如き軟化性粒子の
ように夫々単独では使用できないこれらの粉末を１：２
〜２：１の割合で混合したもののみが使用できることが
判明した。

なお、型材用の耐火性粉末としては前記アルミナの他、
同様の性質を有するジルコン及びシャモットも有効であ
り、また軟化性粉末としては前記ソーダ石灰ガラスの他
船ガラスも有効であることが実験により確認されており
、特に軟化性粉末としては、各種ガラスの温度による粘
度変化を示した第２図からも明らかな如く、ＨＩＰ処理
湿度において１０’Ｐｏ１ｓｅ以下の粘度となるガラス
粉末が有効である。

このことは、特公昭４６−２７３１号に示されたＨＩＰ
処理用ガラスカプセルの材質は、ＨＩＰ処理渦度におい
て１０７〜１０１３Ｐｏｉｓｅのものがよいとされてい
るのと大きく異なっている。

次に離型材層について述べると、離型材層に要求される
特性としては、該離型材層が型内面に一体的に形成され
る必要があることから、第１に型とのなじみ即ち造型性
が要求され、第２に最も重要な点であるが、焼結体との
良好な離型性が要求される。

そこでアルミナとソーダ石灰ガラスとを１：１で配合し
てなる型材と各種離型材との組合せによる造形性及び得
られた型内にＳＣＭ４鋼粉末を充填して１１００℃Ｘ
１０００ ｋｇ／ｃｒ？ＬＸ １ ｈｒでＨＩＰ処理し
た後の離型性についての試験結果を第２表に示す。

なお型の製作に当っては、予じぬろう型を作成し、先ず
これにコロイダルシリカをバインダーとした各種離型材
をコーティングしぐ＊続いて乾燥した後、その上にバイ
ンダーとしてコロイダルシリカを用いた前記型材粉末を
コーティングし、乾燥し、次いで８００°Ｃで１時間焼
成して製作した。

第２表からも明らかな通り、型焼成湿度以下の軟化点を
有するソーダ石灰ガラスは、焼成時に離型材層の変形が
生じるため離型材としては使用できない。

また型材と焼成時の収縮量の異なるシリカ、マグネシア
、珪石、珪石、シャモット等は離型材層に大きな割れが
発生するので好ましくなく、特にマグネシア、珪砂、シ
ャモットの場合には離型材層する形成されなかった。

このことから、離型材としては少くとも型焼成温度で軟
化せず且つ型材と一体焼成可能な粉末であることが必須
といえる。

また離型性の観点からは、ソーダ石灰ガスの如＜ＨＩＰ
処理塩度で軟化しているものは焼結体全面にその付着が
認められ、また軟化湿度がＨＩＰ処理処理法度も高い９
６％シリカガラスと、それより若干低い硼珪酸ガラスの
場合ともに部分的な付着が認められたが、硼珪酸ガラス
の方が付着度が犬であったのでこのことから離型材とし
ては少くともＨＩＰ処理湿度以上の軟化点を有する物質
が好ましいと言える。

以上の実験から、本例の場合にはジルコン、９６％シリ
カガラス、アルミナが離型材として好ましい物質と言え
る。

次に二次圧媒について説明すると、二次圧媒に要求され
る機能は、コンテナを通して伝達される一次圧媒ガスの
圧力を減衰させることなく充分に型に伝達し、型内の粉
末を緻密化させることであり、このためにはＨＩＰ条件
下で充分な流動性を有することが要求される。

そこで特公昭５１−１８２０２号公報に二次圧媒粒子と
して開示されたアルミナ、シリカを含め各種粉末を用い
てＨＩＰ試験を行なったところ、第３表の如き結果を得
た。

なお同表には各種型材と離型材及び二次圧媒との組合せ
で表示しており、型の製作は前述の通りである。

また同試駿はＳＣＭ４鋼粉末を充填密度６５％で充填し
、１１００℃Ｘ１０００ｋｇ／ＣｒＩｔｘｌｈｒのＨＩ
Ｐ条件でＨＩＰ処理したものである。

第３表から明らかな通り特公昭５１−１８２０２号に示
されたアルミナ、シリカは充分な流動性を示さず、粉末
を充分緻密化できないのに対し、ソーダ石灰ガラス、硼
珪酸ガラス及びアルミナとソーダ石灰ガラスの混合物の
如＜ＨＩＰ湿度で軟化しているものは良好な流動性を示
し、粉末を充分緻密化することができる。

なお９６％シリカガラスの場合には、第２図から明らか
な通り、ＨＩＰ温度の１１００°Ｃでは軟化点に達して
いないため、充分な流動性が得られず粉末の緻密化には
至っていない。

以上の事から、二次圧媒として有効な粉末はＨＩＰ処理
温度において塑性流動する軟化性の粉末であることが必
須であり、特にソーダ石灰ガラスの如き軟質ガラスある
いはこれとアルミナの如き耐火性粉末との混合物が好ま
しい。

なお、混合物を用いる場合には、ＨＩＩ温度以下の軟化
点を有するガラス粉末を少くとも１／３含有させておく
ことが必須である。

なお型材にアルミナ、珪石、シャモットを夫々単独で用
いた場合には圧媒に塑性流動する粒子を用いても、金属
粉末は緻密化されておらず、このことからも、アルミナ
、珪石、シャモットは夫々単独では型材として不適当で
あることがわかる。

本発明方法に使用する各種材料についての説明は以上の
通りであるが、型自体には金属粉末を充填するための開
口部が設けられており、型内の金属粉末はそのままでは
開口部で二次圧媒粒子に接触し、しかも二次圧媒粒子は
離型材として不適当な軟化性粉末で構成されているから
ＨＩＰ処理後は該開口部の部分で二次圧媒粒子が焼結体
に付着することになる。

従って該開口部の部分はＨＩＰ処理後切断するように予
じめ型を設計するが、あるいは第３図に示すように型３
の開口部には、該開口部の形状に適応し且つ内側に型内
面の離型材層５と同一材料で構成された離型材層７を有
するところの、型３と同一材料で構成された蓋６を配置
するように設計することが望ましい。

次に型内に金属粉末を充填した後、これをコンテナ内に
装入し、該コンテナと型との間に二次圧媒粒子を充填し
てコンテナを密封するが、密封に先立ち常法に従ってコ
ンテナ内を脱気してもよいが脱気するとＨＩＰ炉内にお
ける昇温過程で、コンテナ内でのガス対流がなく、伝熱
は二次圧媒粒子、型、金属粉末の夫々の熱伝導のみによ
るものであるから、昇温に長時間を要することになる。

特に本発明の如くコンテナ内に金属粉末のみならず型及
び二次圧媒を有す−るものにおいては内部が真空に脱気
されていると、加熱されるべき金属粉末はあたかも断熱
材によって囲続されている状態となるから、金属粉末が
所定のＨＩＰ温度に加熱されるまでには極めて長時間を
要することになる。

そこで脱気することなく密封し、その結果コンテナ内に
封じ込められた空気によって生じる金属粉末の多少の酸
化、窒化が問題とならない低合金鋼あるいは工具鋼の場
合には、脱気することなく密封してＨＩＰ処理すること
が望ましい。

これを具体的に述べると、今、窒素ガスアトマイズ法に
よって製造された被処理鉄合金粉末を内容積Ｖ（１）な
るコンテナ中に空気中で充填し、その充填率が、二次圧
媒、型及び合金粉末を含め全体でβであったとする。

そして、そのまま前記コンテナ内部に空気が残存する状
態で容器を密封すると、容器中にはＶ（１−β）（匂の
空気が閉じ込められていることになる。

ところが、空気中の主要成分は０２：２０．９３％、Ｎ
２： ７８．１０％、Ａｒ：０．９３２５％である。

従って、容器中に閉じ込められたＶ（１−β）（１）の
空気中には下記の量の０２．Ｎ２及びＡｒが夫々存在す
ることになる。

しかし、上記の粉末と共にコンテナ中に閉じ込められた
空気中のＮ２は、ＨＩＰ工程における加熱の際、合金粉
末中に殆んど吸収されてしまい、ＨＩＰ後の焼結体には
最早、ガスとして存在しなＧ）。

因に、この空気中の窒素によって増加する窒素濃度は次
のようになる。

即ち、今、合金材料の真密度をρ（９／１３ ）、コン
テナ中の合金粉末の体積割合をγ農とすると、最終的に
得られる焼結体の重量はＶγρ（ｇ）である。

従って、最初コンテナ内に残存していた空気中の窒素が
全て合金粉末中に吸収されるとした場合これによって増
加する窒素濃度８．！０・９７６Ｖ（１−β）−０°９
７６（１−β）■γρ γρ となる。

次に一方、空気中の酸素であるが、全ての金属は高湿に
加熱された際に酸化され、酸化物を形成することが知ら
れている。

従って、初期に容器内に存在していた空気中の酸素は、
酸化物として粉末中に吸収されてしまい、ＨＩＰ処理後
の焼結体中には最早、ガスとして残存しない。

そして、この空気中の酸素によって増加する酸素濃度は
同様、。

す朋り二とよ。６゜γρ 以上述べたところから明らかなように当初粉末と共にコ
ンテナ中に閉じ込められた空気のうち、少くとも２０．
９３＋７８．１０ ＝ ９０．０３％のガス成分がＨＩ
Ｐ工程中に粉末中に吸収されてしまうことになる。

そこで、上記の酸素及び窒素の酸素濃度増量について検
討を加えて見るに、合金を高速度鋼としてその真密度（
ρ）を８２００ ｇ／１１コンテナへの全体の充填率（
βを７０％、コンテナ中の合金粉末の充填率（γ）を５
０％とすると、となる。

そして、この程度の窒素及び酸素濃度の増加は製品品質
に全く悪影響を与えないことは既に公知の事実であり、
逆に合金材料の種類によっては、例えば特開昭５０−４
９１０８号公報特に開示されているように、窒素の含有
が製品品質の向上をもたらすものも見られる。

又、最後に前記空気中のアルゴンの影響について検討を
加える。

アルゴンは不活性ガスであり、ごく少数の部分は高圧高
温下で金属中に溶けこむが、殆んどの部分は最終的にガ
スの状態でコンテナ内に存在することになると一般に考
えられる。

そこで、このアルゴンについて定量的な検討を加えてみ
ると既に述べたように、当初コンテナ中に閉じ込められ
たアルゴンの量は０．００９３２５Ｖ（１−β）（１）
である。

ＨＩ−Ｐ処理の温度をＴ（０Ｋ）、圧力をＰ （ａ ｔ
ｍ）とし、ＨＩＰ処理後のアルゴンの容積をｖ（Ａ）と
する。

今、容器の密封を３０００Ｋ（２７°Ｃ）で実施し、閉
じ込められたアルゴンが全て気体のままコンテナ品中に
残存するとすれば、次式が成立する− 従って 一方、ＨＩＰ後のコンテナの容積はＶＢ（１）であるか
ら となる。

今ここで、β−０，７０、Ｔ＝１３７３（０Ｋ）Ｐ＝
１０００ （ａｔｍ）とすると となり、焼結体の密度はコンテナ内のその他の物質と同
程度に圧縮されているとすると、相対密度９９．９９８
３％、即ち実用上全く問題のない値まで高密度化するこ
とが判る。

かくして以上より綜合的に、結局０２量、Ｎ２量、Ａｒ
量及び相対密度共、実用上全く問題のないものが得られ
ることが立証される。

なお、以上は全体の充填率を７０％、粉末のコンテナに
対する充填密度を５０％として考案したが、充填率は成
形製品の種類により当然変動は免れない。

しかし、最も実用に供される範囲は、略々前記場合から
推察され殆んど影響はないから、脱気することなく密封
すれば、その外淵過程においてコンテナ内空気の対流に
より、熱伝導性の悪い二次圧媒粒子及び型も急速に加熱
され、その結果ＨＩＰ処理時間は大巾に短縮されること
になり、その効果は著しいものがある。

以上述べた通り、本発明によれば、二次圧媒方式による
ＨＩ−Ｐ法であるから、複雑形状をした異形物品のＨＩ
Ｐ処理が行なよるため、焼結体の後工程が大巾に簡略化
され、また二次圧媒粒子及び型材として、ＨＩＰ処理湿
度で軟化し、塑性流動する物質を用いているからＨＩＰ
圧力が、これら圧媒粒子及び型に殆んど吸収されること
なく金属粉末に伝達されて金属粉末を充分に緻密化する
ことができる他、前記型内面には、ＨＩＰ処理湿度で軟
化しない耐火性粉末からなる離型材層を形成しているか
らＨＩＰ処理後焼結体を容易に型から剥離することがで
きる等顕著な効果が期待できる。

加えて、コンテナ内を脱気することなく密封しておくと
、ＨＩＰ初期の外淵過程で、内封された空気の対流伝熱
により、圧媒粒子、型及び金属粉末の加熱が促進される
ため、ＨＩＰ処理時間は大幅に短縮されることになり、
ＨＩＰ処理の効率化を図ることができる等極めて顕著な
効果が期待でき、実用的且つ工業的に有利なＨＩ−Ｐ法
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によるＨＩ−Ｐ処理構造物を示す断
面図、第２図は各種ガラスの湿度と粘度との関係を示す
グラフ、第３図は本発明方法に使用する型の一実施例を
示す断面図である。 １・・・・・・コンテナ、２・・・・・・二次圧媒粒子
、３・・・・・・型、４・・・・・・金属粉末、５，７
・・・・・・離型材層、６・・・・・・蓋。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定形状に成形した型３内に金属粉末４を充填し、
   該型３を二次圧媒粒子２を充填したコンテナ１内に埋設
   して該コンテナを密封し、しかる後肢コンテナに高温高
   圧の圧媒ガス雰囲気下で熱間静水圧プレス処理を施こす
   方法において、熱間静水圧プレス処理温度で弾塑性変形
   しない耐火性粉末と、同温度で塑性流動する軟化性粉末
   とを１：２〜２：１の割合で混合した型材に粘結剤を加
   え、且つその内面に型焼成温度及び熱間静水圧プレス処
   理湿度で軟化しない耐火性粉末からなる離型材層５を配
   して一体焼成してなる型３内に金属粉末４を充填した後
   、これを熱間静水圧プレス処理温度で塑性流動する二次
   圧媒粒子２を充填したコンテナ１内に埋設して該コンテ
   ナを密封することを特徴とする熱間静水圧プレス成形法
   。 ２ 型材に使用される耐火性粉末が、アルミナ、ジルコ
   ン、シャモットの群から選ばれた１以上の粉末である特
   許請求の範囲第１項記載の熱間静水圧プレス成形法。 ３ 型材に使用される軟化性粉末は、熱間静水圧プレス
   処理湿度における粘度が１０’Ｐｏ１ｓｅ以下の軟質ガ
   ラスである特許請求の範囲第１項又は第２項記載の熱間
   静水圧プレス成形法。 ４ 離型材層を形成する耐火性粉末がアルミナ、ジルコ
   ン、９６％シリカガラスの群から選ばれた１以上の粉末
   である特許請求の範囲第１〜３項のいづれか１つの項記
   載の熱間静水圧プレス成形法。 ５ 二次圧媒粒子が熱間静水圧プレス処理温度以下の軟
   化点を有するガラス粉末である特許請求の範囲第１〜４
   項のいづれか１つの項記載の熱間静水圧プレス成形法。 ６ 二次圧媒粒子が熱間静水圧プレス処理温度以下の軟
   化点を有す−るガラス粉末と熱間静水圧プレス処理温度
   で軟化しない耐火性粉末との混合物であり、且つ前記ガ
   ラス粉末を少くとも１／３以上含有するものである特許
   請求の範囲第１〜４項のいづれか１つの項記載の熱間静
   水圧プレス成形法。 ７ 型３内に金属粉末を充填した後、該型と同材料で形
   成し内側に離型材層７を有する蓋６を取り付けてコンテ
   ナ１内に埋設する特許請求の範囲第１〜６項のいづれか
   １つの項記載の熱間静水圧プレス成形法。 ８ コンテナ内を脱気することなく密封する特許請求の
   範囲第１〜７項のいづれか１つの項記載の熱間静水圧プ
   レス成形法。