JPS6232241B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 金属またはセラミツク物質の粉末を等静圧プレ
ス（isostatic Pressing）を用いながら焼結する
ことにより上記物質の物品を製造するに際して、
粉末は取り扱いやすい粉末体に予備成形するのが
適当である。これはゆるい焼結により、すなわち
成形用くぼみに充填された粉末を真空または保護
ガス中で焼結し、それによつてそれほどの緻密化
が生じてない凝集体を形成することにより行うこ
とが出来る。また、これは粉末をたとえば可撓性
物質のシールされたカプセル、たとえばプラスチ
ツクカプセルに配置して等圧圧縮にかけることに
より行うことも出来る。圧縮は、結合剤を使用す
ることなく室温でまたは焼結を伴う圧縮中の温度
よりかなり低い他の温度で有利に行うことが出来
る。その後生成物に機械加工により所望の形状を
与えることが出来る。予備成形に対しては、セラ
ミツク物品の通常の製造技術を用いることも出来
る。したがつて、普通粉末は成形前に一時的結合
剤たとえばメチルセルロース、硝酸セルロース、
アクリル酸結合剤、ロウまたはロウ混合物と混合
される。予備成形後、結合剤は加熱により追い払
われ、その結果予備成形粉末体は本質的に結合剤
を含有しなくなる。

予備成形粉末体を焼結温度で等静圧プレスにか
ける場合、それは所望の緻密な焼結生成物を与え
るためにプレス中その時使用される加圧媒体、普
通ガスが粉末体に浸透することを防止し得るケー
シングに収納されなければならない。シール前の
工程段階中中味と同じく望ましくないガスから解
放されるケーシングはプレシング中粉末体の気孔
にそれ自身浸透しないように十分高い強度または
粘度を有しなければならないことは云うまでもな
い。1000℃以上の焼結温度で材料が問題となる場
合、焼結温度で流れ去るかまたは粉末体に浸透し
ないように高融点型でなければならないガラスの
予備成形カプセルをケーシングとして選ぶ際、ガ
ラスが軟化した場合予備成形粉末体のポケツトお
よび他のくぼみにガラスが蓄積するのを防止する
ことが出来ない。これはしばしば焼結物品が冷却
される場合粉末物質とガラス間の熱膨張係数の差
のために物品の突起部分で破損を引き起す。した
がつて、この方法は非常に簡単な形状を有する物
品の製造にのみ適当である。特に、非常に複雑な
形状の物品の製造が問題になる場合、ケーシング
は予備成形粉末体を高融点ガラス粒子（高い焼結
温度を有する物質に対して）の懸濁液に浸漬する
ことによりまたは他の方法で上記物体にそのよう
なガラスの粒子層を包囲し、次いで粉末体を粒子
が粉末体の周囲に緊密なケーシングを形成するよ
うな温度で真空加熱することにより現場で形成さ
せることが出来る。この方法により、薄くするこ
とが出来かつ粉末体の形状をぴつたりたどるケー
シングを適用することが出来、その結果焼結物品
上のガラスの蓄積を回避することが出来、したが
つてガラス蓄積に伴う欠点も回避することが出来
る。ガラスはもちろん粉末物質の焼結中流れ去つ
たりまたは粉末体に浸透しないように高融点型で
なければならないので、緊密なケーシングは高温
度で始めて達成される。また、窒化珪素に対して
高融点型ガラスの多孔質層の外側に低融点型ガラ
スの多孔質層を使用することが知られている。こ
の公知の場合、外側の多孔質層は粉末体が脱ガス
されている間加圧媒体を浸透させない層に変換さ
れる。緻密層が形成されたら、ガス状加圧媒体に
より収容粉末体に圧力が加えられ、連続温度増加
中窒化珪素の解離が防止される。連続温度増加
中、加圧媒体を透過しない層を維持しながら外層
のガラスは内部多孔質層の物質と反応し、高融点
ガラスを次第に生成し、最後に、加圧媒体を透過
しないガラス層が、外層のガラスが流れ去ること
が出来る前に、内側の多孔質層の最も内側の部分
から形成される。この最後に形成されたガラス層
は予備成形生成物の等静圧プレスが焼結温度で行
われる場合粉末体の周囲に緊密なケーシングを形
成する。

本発明によれば、高密度の粉末物質物品を等静
圧プレスにより従来公知法より大きい再現性を以
つて製造出来ることが見出された。

本発明は、粉末から予備成形された物品をガス
状加圧媒体で等静圧プレスすることにより粉末状
物質の物品を製造する方法に関し、上記方法は上
記予備成形物品は加圧媒体を通さないケーシング
に変換されかつ予備成形物品を囲むガス透過性ケ
ーシングで取り巻かれ、その後予備成形物品を焼
結しながら等静圧プレスが行われる方法であつ
て、ガス透過性ケーシングを、ガス透過性ケーシ
ングを加圧ガスと接触させかつ加圧ガスの圧力を
予備成形生物品の細孔に存在するガスに同時に広
がつている圧力と少なくとも等しい圧力に維持し
ながら加圧媒体を透過しないケーシングに変換す
ることを特徴とする。予備成形物品は脱ガスされ
るが、しかしガス透過性ケーシングがその上に適
用されるまでに脱ガスしないのが適当である。

本発明による方法によつて得られる有利な結果
の説明として、本方法によれば予備成形物品の周
囲における緊密なケーシングの生成が従来公知法
に比較してより効果的に行われるということが考
えられる。従来公知法では、緊密なケーシングが
予備成形物品に形成される場合、ケーシングの生
成は上記物品が脱ガスされつゝある間に行われ
る。粉末物品中に存在するまたは汚染により粉末
物品中にまたは粉末物質自身において形成される
ガスの連続的離脱によりまず気泡が生成し、その
後に粉末物品を緊密に囲むためのケーシングに傷
または亀裂が生成する可能性があり、その結果そ
のような緊密な封じ込めが達成されない。他方、
本発明によれば、粉末体からのガスの離脱は、粉
末物品を包含するためのケーシングの生成によつ
て防止される。これは、粉末物品の細孔に存在す
るまたは形成されるガスの圧力と少なくとも同じ
大きさの圧力を加圧ガス中に維持することによつ
て行われる。これによつて欠陥のないケーシング
が生成される。

粉末物質は、金属またはセラミツク物質、特に
1000℃以上の焼結温度を有するそのような物質た
とえば鉄基合金、たとえば0.33％Ｃ、0.30％Si、
0.40％Mn、0.01％Ｐ、0.01％Ｓ、2.8％Cr、0.6％
Mo、残部の鉄を含有する３％Cr―Mo鋼または
0.18％Ｃ、0.25％Si、0.60％Mn、0.01％Ｐ、0.01
％Ｓ、11.5％Cr、0.5％Ni、0.5％Mo、0.30％Ｖ、
0.25％Nb、残部のFeを含有する12％Cr―Mo―Ｖ
―Nb鋼、ニツケル基合金たとえば0.03％Ｃ、15
％Cr、17％Co、５％Mo、3.5％Ti、4.4％Al、
0.03％Ｂ、残部のNiを含有する合金または0.06％
Ｃ、12％Cr、17％Co、３％Mo、0.06％Zr、4.7％
Ti、5.3％Al、0.014％Ｂ、1.0％Ｖ、残部のNiお
よびとりわけ金属酸化物たとえばAl₂O₃を含有す
る合金からなるのが好ましい。％で表わされた前
述の含量および下記に述べられる含量は重量％に
関する。

等静圧プレス中加圧媒体として、アルゴンおよ
びヘリウムのような不活性ガスならびに窒素ガス
が好ましい。ガス透過性ケーシングを加圧媒体を
透過しないケーシングに変換するのに適当なガス
は、水素ガス（特に金属物質を焼結する場合）お
よび窒素ガスである。しかしながら、望ましくな
い反応生成物の生成によりまたは粉末体に許容出
来ない気孔率を与えることにより粉末体を損傷し
ない他のガスを使用することも出来る。

本発明の１つの適当な実施態様によれば、ガス
透過性ケーシングは、予備成形物品を少なくとも
実質的に完全に包囲し、したがつて予備成形物品
の周囲で気密層に変換される多孔質層からなる。
適当には0.05〜１mmの厚さを有する多孔質層はと
りわけ予備成形物品をケーシングを形成するため
の粒状物質の懸濁液に浸漬するかまたは炎吹付け
塗装または他の熱吹付け塗装により適用すること
が出来る。粒子は0.1〜100ミクロンの寸法を有す
るのが適当である。

本発明の他の適当な実施態様によれば、ガス透
過性ケーシングは予備成形物品上に配列されたプ
レート状の１つまたはそれ以上の要素からなり、
このプレートは加熱されると軟化して形状が変化
し、形状を変える際互いに接触せしめられる要素
部材は互いに焼結するという事実により加圧媒体
を透過しないケーシングに変換される。

粉末が1000℃以上の焼結温度を有する場合、前
記実施態様におけるケーシングの物質すなわち粒
子および要素各々の物質は、高融点ガラスたとえ
ば96.7重量％SiO₂、2.9重量％B₂O₃および0.4重量
％Al₂O₃を含有するバイコールガラスおよび石英
ガラスおよび加熱された場合気密ガラス層を形成
する粒子たとえばSiO₂およびB₂O₃の混合物（最
初に述べた実施態様）からなるのが有利である。
加圧媒体を透過しない層を形成し得る性質を有す
る高融点金属物質たとえばモリブデン、タングス
テンおよび他の耐火金属を使用することも出来
る。

ケーシングに高融点ガラスを用いる場合、ケー
シングを加圧媒体に対して不透過性にする際1200
〜1650℃の温度を使用するのが適当である。

粉末が1000℃以上の焼結温度を有する場合、上
記実施態様におけるケーシングの物質、すなわち
粒子および要素各々の物質はある条件下で、すな
わち予備成形粉末物品が粉末物品に含まれる物質
の微粒子層で被覆され、それによつて溶融状態の
ガラスが粉末物品中に浸透しないようにされる場
合、または高融点ガラスまたは高融点金属物質の
ような高融点物質の多孔質層をケーシングの内側
に配置し、ケーシングが加圧媒体に対して不透過
性にされた後加圧媒体を透過しない層に変換され
る場合低融点ガラスからなることも出来る。ま
た、１つ以上の多孔質層を使用する場合、各多孔
質層は粒状物質の懸濁液に浸漬することにより、
炎吹付け塗装または他の熱吹付け塗装により前述
した方法で適用することが出来る。各多孔質層は
0.05〜１mmの厚さを有するのが適当であり、粒子
は0.1〜100ミクロンの粒度を有するのが適当であ
る。低融点ガラスのケーシングで用いることが出
来る物質の例として、80.3重量％SiO₂、12.2重量
％B₂O₃、2.8重量％Al₂O₃、4.0重量％Na₂O、0.4
重量％K₂Oおよび0.3重量％CaOを含有するパイ
レツクスガラス、および58重量％SiO₂、９重量
％B₂O₃、20重量％Al₂O₃、５重量％CaOおよび８
重量％MgOを含有する珪酸アルミニウムおよび
加熱された場合ガス不透過性ガラス層を形成する
粒子物質たとえばSiO₂、B₂O₃、Al₂O₃およびアル
カリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物の
混合物を挙げることが出来る。

ケーシングに低融点ガラスを使用しかつその内
側に多孔質層を配置する場合、ケーシングを加圧
媒体に対して不透過性にするには600〜1000℃の
温度を使用するのが適当である。その後内部層は
等静圧で緻密化するのが適当であり、これは外層
が気密になつた後1000〜1200℃の温度で行うこと
が出来る。そのような緻密化には、20―300MPa
程度の圧力が必要である。

予備成形物品の焼結中の圧力および温度は、も
ちろん粉末物質の性質に左右される。普通、圧力
は少なくとも100MPa、好ましくは少なくとも
150MPaであることが必要である。物質が鉄基合
金からなる場合、温度は少なくとも1000℃、好ま
しくは1100〜1200℃であることが必要であり、ま
た物質がニツケル基合金からなる場合、温度は少
なくとも1050℃、好ましくは1100〜1250℃である
ことが必要である。物質が酸化アルミニウムから
なる場合、温度は少なくとも1200℃、好ましくは
1300〜1500℃であることが必要である。

本発明を添付図面を参照しながら例により説明
する。

例 １ たとえば、冷却通路を有するタービンブレード
のインベストメント鋳造用中子で普通使用される
ものと同じ種類の珪酸アルミニウムベース物質の
分割可能な原型中にタービンデイスクとして形成
された空間に、0.03％Ｃ、15％Cr、17％Co、５
％Mo、3.5％Ti、4.4％Al、0.03％Ｂ、残部のNiを
含有するニツケルベース合金の粒度＜250ミクロ
ンの球形粉末を充填する。この粉末を原型を軽く
たゝいて互いに振動させ、真空で1200℃で２時間
焼結する。冷却後、再使用出来る原型を分割し、
成形穴と本質的に同じ寸法を有する多孔質タービ
ンデイスクを取り出す。その後、多孔質タービン
デイスクにタービンデイスクの構成合金と同じ合
金の粒度＜１ミクロンの微細粉末で厚さ約１mmに
被覆する。第１図に概略的に示されるタービンデ
イスク１０に、80.3％重量％SiO₂、12.2重量％
B₂O₃、2.8重量％Al₂O₃、4.0重量％Na₂O、0.4重
量％K₂Oおよび0.3重量％CaOからなるガラス粉
末の水懸濁液をスプレーすることにより多孔質層
状のガス透過性ケーシングを設け、次いで乾燥す
る。

このように処理された予備成形粉末を、粉末物
品の脱ガスのためにガスを放出することが出来か
つ等静圧プレスに必要な圧力を発生させるために
ガスを供給することが出来る導管を設けかつ加熱
装置を設けた高圧炉に入れる。

ケーシングを適用した予備成形物品をまず高圧
炉で室温で約２時間脱ガスする。その後、炉に大
気圧の水素ガスを充填し、炉温を圧力を維持しな
がら750℃に上げる。これには約５時間を要し得
る。次に、熱処理のため温度を750℃から900℃に
２時間にわたつて連続的に上げ、同時に水素ガス
を連続的に導入しながら0.7MPaの圧力とし、予
備成形物品のケーシング外側の圧力を予備成形物
品の細孔中の残留ガス中に広がつている圧力と少
なくとも同じ圧力に始終維持する。温度が900℃
に達したら、層１１から水素ガスを透過しないケ
ーシングが形成された。その後、追加の水素ガ
ス、またはアルゴンまたはヘリウムを添加して最
終焼結温度で加圧媒体の圧力160MPaを与える圧
力水準にする。次に、温度を1250℃、すなわちニ
ツケル基合金に適当な焼結温度に上げる。記載の
条件下で焼結に適当な時間は少なくとも30分であ
る。最終サイクル後、炉を適当な放出温度に冷却
し、焼結物品のガラスをブラステイングにより除
去する。

前述の合金より高い焼結温度を有する粉末たと
えば酸化アルミニウムの物品を製造する場合、多
孔質層１１で前述の低融点ガラスの代りに高融点
ガラスを用いることが出来、しかも微細粒子層は
粉末物品に適用されない。

例 ２ 例１と同じ予備成形物品１０の周囲を、例１の
粉末で用いられるものと同じガラスのプレート１
２および１３形のタービンデイスクの軸線に垂直
に配置された２つの要素からなるガス透過性ケー
シングを第２図により取り巻く。ケーシングを有
する物品を高圧炉に入れたら、例１と同じ処理に
かける、すなわち例１に記載の条件下で脱ガス
し、熱処理し、そして等静圧プレスする。この場
合例１の900℃の代りに750℃から950℃への温度
増加および同時的圧力増加中、第３図から明らか
なようにプレート１２は軟化し、その形状を変
え、端部１２ａおよび１３ａは互いに焼結してケ
ーシングは緊密になる。

例 ３ 0.33％Ｃ、0.25％Si、0.40％Mn、0.01％Ｐ、
0.01％Ｓ、2.8％Cr、0.6％Mo、残部の鉄を含有し
かつ粒度＜800ミクロンの３％Cr―Mo―Ｖ―Nb
−鋼の粉末を、タービンデイスク状の成形穴を有
するプラスチツク、たとえば軟化ポリ塩化ビニル
のカプセルに入れる。カプセルをシール後、それ
を高圧炉に入れ、そこで粉末を加圧媒体として油
を用いて400MPaの圧力および室温で等静圧プレ
スする。最終プレス後、カプセルを除去し、製造
された予備成形粉末を所望の形状に機械加工す
る。

タービンデイスク１４状の予備成形物品を、低
融点ガラスの多孔質層１５の内側に低融点ガラス
の多孔質層１６を配置したガス透過性ケーシング
で包囲する。これは、予備成形物品をまず96.7重
量％SiO₂、2.9重量％B₂O₃および0.4％Al₂O₃から
なる高融点ガラスの粉末の水懸濁液に浸漬し、次
にこの層を乾燥後、80.3重量％SiO₂、12.2重量％
B₂O₃、2.8重量％Al₂O₃、4.0重量％Na₂O、0.4重
量％K₂Oおよび0.3重量％CaOからなる低融点ガ
ラスの粉末の水懸濁液に浸漬し、次いで再び乾燥
することにより行われる。

多孔質層を有する予備成形物品を、高圧炉に入
れ、例１と同様にして室温で脱ガスする。大気圧
の窒素を充填した後、圧力を維持しながら炉の温
度を750℃に上げる。これには約５時間を要す
る。その後、熱処理のため温度を750℃から900℃
に２時間にわたつて連続的に上げ、その間同時に
窒素ガスを連続的に導入して0.7MPaの圧力を保
ち、予備成形物品のケーシングの外側の圧力は予
備成形物品の細孔中の残留ガス中に行きわたつて
いる圧力と少なくとも同じ圧力に始終維持する。
温度が900℃に達したら、窒素ガスに対して不透
過性であるケーシングが層１５から形成された。
その後、追加の窒素ガス、またはアルゴンまたは
ヘリウムを添加して1150℃で50MPaの圧力を与え
る圧力水準にする。次に、温度を徐々に1150℃に
上げる。次に、圧力は同時に上昇する。

この温度増加は、内部層１６のガラスがケーシ
ング１５のガラスが流れ去ることが出来る前にガ
ス不透過性層を形成することが出来るほど十分に
ゆつくりと行われる。次に、予備成形物品を焼結
するために、圧力および温度を各々100MPaおよ
び1200℃に上げる。

例 ４ 例３と同じ予備成形物品１４の周囲に、例３の
層１５で使用されるものと同じガラスのプレート
１７および１８形のタービンデイスクの軸線に垂
直に配置された２つの要素からなりかつ内側に例
３の層１６と同じ種類の多孔質層１９を配置した
ガス透過性ケーシングを第５図により包囲する。
ケーシングを有する物品を高圧炉に入れたら、例
３と同じ処理にかけ、すなわちそこに記載の条件
下で脱ガスし、熱処理し、そして等静圧プレスす
る。この場合例３の900℃の代りに750℃から950
℃への温度増加および同時的圧力増加中、第６図
から明らかなようにプレート１７は軟化し、その
形状を変え、端部１７ａおよび１８ａは互いに焼
結し、ケーシングは緊密になる。

第２図および第５図の要素１２，１３，１７お
よび１８は、もちろんプレート形以外の形状を有
することが出来、たとえば多少曲がつた要素また
は開口を設けた容器またはびんからなることが出
来る。もちろん、それら要素は予備成形物品の形
状に関して適宜形成される。

予備成形物品が例１〜４に記載のようにして焼
結されたら、上記物品は保護ガスたとえばアルゴ
ンまたは真空中で1100℃（例１および２）および
1150℃（例３および４）で各々約２時間加熱され
る。これによつて物質から水素ガスおよび窒素ガ
スの拡散が行われ、同時にガラス層の残りの部分
はゆるくなり、その結果容易に完全に除去するこ
とが出来る。この処理中の圧力は0.1MPa以下で
あるのが適当である。

予備成形粉末物品の製造の際、前に例示された
メチルセルロース、硝酸セルロース、アクリル酸
結合剤、ロウまたは異なる融点を有するロウの混
合物のような結合剤を使用する場合、結合剤は粉
末物品を真空中で400〜700℃に加熱することによ
り多孔質層の適用前または後に除去するのが適当
である。その後、結合剤を含有しない予備成形粉
末物品について記載したように脱ガスおよびその
後の処理を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ケーシングが熱処理前に高融点ガラ
スの多孔質層からなるニツケル基合金の予備成形
物品を示す図、第２図はケーシングが熱処理前に
高融点ガラスのプレート形要素からなる同じ合金
の予備成形物品を示す図、第３図は熱処理後の同
じ物品を示す図、第４図はケーシングが熱処理前
に低融点ガラスの多孔質層からなる鉄基合金の予
備成形物品、第５図はケーシングが低融点ガラス
のプレート形要素からなる鉄基合金の予備成形物
品を示す図、第６図は熱処理後の同じ物品を示す
図である。 １０，１４……タービンデイスク、１１，１
５，１６，１９……多孔質層、１２，１３，１
７，１８……プレート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粉末状物質から予備成形した成形体をこの成
   形体上に設けたガス透過性ケーシングで囲み、ガ
   ス透過性ケーシングを予備成形体と共に熱処理し
   て、加圧媒体に対して不透過性にしてしかも予備
   成形体を包むケーシングに変え、次いで予備成形
   体を焼結しながら、等静圧プレスを行なうことに
   より、粉末状物質から物品を製造する方法におい
   て、ガス透過性ケーシングを有する予備成形体を
   脱ガスし、然る後ガス透過性ケーシングに上記熱
   処理を施しながら、そしてガス透過性ケーシング
   を直接加圧ガスと接触させながらしかも加圧ガス
   の圧力を予備成形体の細孔内に同時に存在するガ
   スに行きわたつている圧力と少なくとも同じ大き
   さでかつ等静圧プレスの際ガス状加圧媒体内の圧
   力よりもかなり低い圧力に保持しながら、加圧媒
   体に不透過性のケーシングに変えることを特徴と
   する、物品の製造方法。 ２ 加圧媒体を透過しないケーシングが形成され
   るまで加圧ガスとして、少なくとも実質的に水素
   ガスまたは窒素ガスからなるガスが使用される、
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ ガス透過性ケーシング１１，１５が、少なく
   とも実質的に完全に予備成形物品１０を取り巻く
   多孔質層からなり、上記多孔質層が加圧媒体を透
   過せずかつ予備成形物品を収容するケーシングに
   変換される、特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の方法。 ４ ガス透過性ケーシングが、プレート形の予備
   成形物品１０，１４の外側に配置された１つまた
   はそれ以上の要素からなり、これら要素は加熱さ
   れた場合軟化変形し、かつ加熱された場合互いに
   接触せしめられて互いに焼結するという事実によ
   り加圧媒体を透過しないケーシングに変換される
   ものである、特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の方法。 ５ 粉末の焼結温度が1000℃以上であり、かつケ
   ーシングの物質が高融点ガラスからなる、特許請
   求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の方
   法。 ６ 加圧媒体を透過しないケーシングの形成のた
   めに予備成形物品１０，１４が1200〜1650℃の温
   度に加熱される、特許請求の範囲第５項に記載の
   方法。 ７ 粉末の焼結温度が1000℃以上であり、ケーシ
   ング１５，１７―１８の物質が低融点ガラスから
   なり、高融点物質の多孔質層１６，１９がケーシ
   ングの内側に配置されかつケーシングが加圧媒体
   を透過しないようにされた後加圧媒体を透過しな
   い層に変換される、特許請求の範囲第１〜４項の
   いずれか１項に記載の方法。 ８ 予備成形物品１０，１４が加圧媒体を透過し
   ないケーシングの生成のために600〜1000℃の温
   度に加熱され、その後ケーシング１５，１７―１
   ８の内側に配置された多孔質層１６，１９の加圧
   媒体を透過しない層の生成のために同時等静圧プ
   レス下で1000〜1200℃の温度に加熱される、特許
   請求の範囲第７項に記載の方法。 ９ 粉末の焼結温度が1000℃以上であり、ケーシ
   ング１１，１２―１３の物質が低融点ガラスから
   なり、そして予備成形物品が粉末物品と同じ物質
   の微細粒子層で被覆される、特許請求の範囲第１
   〜４項のいずれか１項に記載の方法。 １０ 焼結後の物品が低圧および溶解加圧ガスが
   物質の外に拡散することが出来るような温度で熱
   処理される、特許請求の範囲第１〜８項のいずれ
   か１項に記載の方法。