WO2011030815A1 - 導電性成形体の製造方法及び導電性成形体の製造装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a conductive molded body and an apparatus for manufacturing a conductive molded body.
  • a hot isostatic pressing (HIP) sintering method is used to form a complex-shaped metal part with high density.
  • the powder is molded by isotropically heating and sintering in a pressure vessel using an inert gas as a pressure medium.
  • MIM metal injection molding
  • a spark plasma sintering (SPS) method is known as a sintering method that requires low equipment costs and requires a short time for heating and pressurization (see, for example, Patent Document 1).
  • SPS spark plasma sintering
  • This SPS method is a kind of pressure sintering method using ON-OFF direct current pulse energization, in which conductive powder is accommodated in a hollow columnar die, and the powder is directly pressed onto the powder while being pressed with a punch. A pulsed current is circulated at a low voltage. As a result, the energy of discharge plasma is instantly generated between the particles of the conductive powder by the spark discharge phenomenon, and this is diffused to the surroundings by thermal diffusion, electric field diffusion or the like to perform the heat sintering.
  • a high temperature field of about several thousand to 10,000 ° C. is instantaneously generated between the particles of the conductive powder. It enables high-quality sintering, and is excellent in terms of controllability of sintering energy, safety, reliability, space saving, energy saving, and the like.
  • the conductive powder is sintered while being pressed with a punch in a hollow columnar die, so that it is insufficient for obtaining a conductive molded body such as a complex-shaped metal part.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for manufacturing a conductive molded body and a manufacturing apparatus for a conductive molded body that can form a conductive molded body having a complicated shape at high density in a short time.
  • the purpose is to do.
  • the inventors of the present invention do not prepare a final molded body directly from a conductive powder by the SPS method, but preliminarily prepare a molded body having a complicated shape, The present inventors have found that the SPS method can be improved so that the compact can be uniformly pressurized, and the present invention has been completed.
  • the present invention provides a conductive molded body having a step of sintering a preform formed by molding the first conductive powder by a discharge plasma sintering (SPS) method to obtain a conductive molded body.
  • SPS discharge plasma sintering
  • the second conductive powder is conductive and thus becomes a conductive body of a direct current pulse current to the preformed body, and is due to being a powder.
  • the pressure from the punch or die applied to the preform can be evenly dispersed. Therefore, even if the SPS method is used, the shape of the preform can be maintained, so that a complex shaped conductive molded body can be produced with high density. Further, by adopting the SPS method, molding in a short time becomes possible.
  • the first conductive powder and the second conductive powder are preferably powders made of different materials.
  • the second conductive powder is preferably a carbon powder and / or a conductive ceramic powder, and more preferably a carbon powder.
  • the first conductive powder is preferably pure titanium powder and / or titanium alloy powder.
  • this invention accommodates the preforming body obtained by shape
  • an apparatus for producing a conductive molded body comprising an electric current sintering means that circulates and sinters, and a second conductive powder that is disposed between an accommodating pressure means and a preform.
  • the second conductive powder becomes a conductive body that conducts a DC pulse current from the current sintering means to the preform because it has conductivity, Due to the fact that it is a powder, the pressure applied to the preform can be evenly dispersed in the containing pressurizing means. Therefore, since it becomes possible to hold
  • the present invention it is possible to provide a method for manufacturing a conductive molded body and an apparatus for manufacturing a conductive molded body that can form a conductive molded body having a complicated shape at high density in a short time.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a die according to another embodiment. It is the schematic which shows the punch of the die
  • the present embodiment a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary.
  • the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified.
  • the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
  • the method for producing a conductive molded body of the present embodiment (hereinafter simply referred to as “manufacturing method”) is obtained by sintering a preform formed by molding the first conductive powder by a discharge plasma sintering method.
  • the preform is sintered.
  • the conductive molded body manufacturing apparatus of the present embodiment accommodates a preformed body obtained by molding the first conductive powder, and performs the preliminary molding.
  • FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for producing a conductive molded body according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating an example of a manufacturing apparatus for a conductive molded body according to the present embodiment.
  • the manufacturing method of the present embodiment includes a raw material preparation step S ⁇ b> 10 for preparing a raw material of a conductive molded body containing the first conductive powder, and a preliminary molding by preliminarily molding the prepared raw material.
  • a pre-forming step S20 to be obtained, a coating step S30 for applying an anti-seizing agent to the surface of the pre-formed body, and a pre-formed body on which the anti-seizing agent has been applied are filled in the housing pressurizing means of the manufacturing apparatus.
  • the first conductive powder prepared in the raw material preparation step S10 is not particularly limited as long as it can be sintered by the SPS method, but has sufficient mechanical characteristics in the conventional molding method such as the HIP sintering method.
  • Pure metal and / or alloy powders are preferred from the viewpoint of difficulty in obtaining a product and a melting point lower than that of the second conductive powder described later.
  • Pure titanium powder and titanium alloy alloy containing titanium as a main component.
  • at least one conductive powder selected from the group consisting of powder, aluminum alloy powder, copper alloy powder and tungsten alloy powder is preferable, and pure titanium powder and / or titanium alloy powder is more preferable.
  • titanium alloys in the titanium alloy powder include titanium-aluminum-vanadium alloys such as Ti-6Al-4V and Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, and Ti.
  • titanium-aluminum-vanadium alloys such as Ti-6Al-4V and Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, and Ti.
  • -6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-6Al-2Sn-6V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo, Ti-3Al-10V-2Fe, Ti-13V -11Cr-3Al, Ti-4Mo-8V-6Cr-4Zr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn.
  • Examples of the aluminum alloy in the aluminum alloy powder include Al-20Si, Al-5Mg, and Al-5Cu.
  • An example of the copper alloy in the copper alloy powder is Cu-10W.
  • examples of the tungsten alloy in the tungsten alloy powder include W-10Cu and W-20Cu.
  • the shape of the first conductive powder is not particularly limited, but is preferably a spherical shape from the viewpoint of being easily pressurized uniformly during pressurization in the following preforming step S20 and main sintering step S50 and excellent in mechanical properties.
  • the method for producing the first conductive powder is not particularly limited as long as it is a method capable of producing a conductive powder such as metal. From the viewpoint of easily obtaining the spherical particles, for example, a gas atomizing method is used. Is mentioned.
  • the average particle diameter (measured by a laser diffraction particle size distribution measuring device) of the first conductive powder is preferably 5 to 50 ⁇ m from the viewpoint of mechanical characteristics.
  • the raw material prepared in the raw material preparation step S10 includes, for example, a binder (resin, wax) and the like in addition to the first conductive powder. Since the binder is used for binding the particles of the first conductive powder by the MIM method or the like, a conventionally known binder can be used as long as the binding is possible.
  • the binder include resins such as various polypropylenes and polymethyl methacrylate, waxes such as paraffin wax and carnauba wax, saturated or unsaturated fatty acids such as stearic acid and n-butyl phthalate, or esters thereof. Are used alone or in combination of two or more.
  • the above-mentioned binder or the like can be used when necessary in the preforming method such as binding the first conductive powder in the below-described preforming step S20.
  • the binder and the like are volatilized, decomposed or burned off from the preform in the main sintering step S50, the viewpoint of increasing the density of the conductive compact and the viewpoint of maintaining the shape from the preform to the conductive compact. Therefore, it is preferable not to use a binder or the like as a raw material, that is, to use only the first conductive powder.
  • the prepared raw material is preformed to obtain a preform.
  • the forming method in this step S20 is not particularly limited as long as the raw material can be formed into a desired shape.
  • a raw material mainly composed of metal powder such as MIM method and electron beam additive manufacturing method is used. Examples include powder metallurgy.
  • MIM method for example, when the first conductive powder is a titanium alloy such as Ti-6Al-4V or Ti-6Al-7Nb, a preform with a relatively high mechanical strength can be obtained.
  • the preform may be formed by a single treatment by one molding method, or a preform may be produced from the raw material by repeating one molding method. A preform may be produced from the raw material using the molding method.
  • the preform does not necessarily have characteristics such as mechanical strength as a final product, so its molding time, molding pressure, molding temperature, etc. (for example, sintering time, sintering temperature, etc.) It is not necessary to set strict conditions. That is, it is not necessary to lengthen the molding time in the pre-molding step S20 or increase the molding pressure and molding temperature in order to ensure the same characteristics as the final product. Therefore, for example, the molding time in the preforming step S20 may be shorter than the molding time in the following main sintering step S50, and the molding pressure or molding temperature in the preforming step S20 is the following main sintering step S50. It may be lower than the molding pressure or molding temperature. Thereby, it becomes possible to suppress grain growth, such as an electroconductive material in a molded object.
  • the molding time in the preforming step S20 may be shorter than the molding time in the following main sintering step S50
  • the molding pressure or molding temperature in the preforming step S20 is the following main sintering step S50
  • the preformed body obtained through the preforming step S20 It is desirable to have various favorable characteristics. Further, when binders or the like are also used as the raw material, it is desirable that the binders and the like can be removed in the preforming step S20 because changes in shape and dimensions can be reduced. From these viewpoints, the various conditions in the preforming step S20 may be set.
  • preforming process S20 and the molded object already shape
  • an anti-seizing agent is applied to the surface of the preform.
  • This anti-seizure agent prevents the conductive molded body obtained through the following main sintering step S50 and the second conductive powder from being baked, or the second conductive powder from diffusing into the preform.
  • the anti-seizing agent include boron nitride (BN). Boron nitride is preferable because it does not adversely affect the second conductive powder, and is particularly effective when the first conductive powder is a titanium alloy powder.
  • the application method in the application step is not particularly limited as long as it is a method usually used for applying a liquid or slurry-like material on a solid surface.
  • dip coating, spray coating, spin coating, bar coating, brush coating may be used. Can be mentioned.
  • the application amount of the anti-seizing agent is not particularly limited as long as it can be applied to the entire surface of the preform, but if the application amount increases, not only the handling of the preform becomes difficult, but the following main sintering is performed.
  • step S50 there arises a problem that the preform (conductive compact) penetrates into voids (holes). Therefore, as a measure of the amount of the anti-seizing agent applied, the thickness of the anti-seizing agent on the surface of the preform after application is preferably 100 ⁇ m or less.
  • the coating step S30 may be omitted as long as the above baking or diffusion does not occur.
  • Examples of such a combination include a combination in which the material constituting the preform is a titanium alloy and the second conductive powder is a carbon powder.
  • a manufacturing apparatus 200 schematically shown in FIG. 2 is a manufacturing apparatus used in the SPS method, and is a so-called discharge plasma sintering apparatus. Specific examples thereof include a discharge plasma sintering apparatus (DR.SINTER SPS3.20MK-IV) manufactured by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.
  • the manufacturing apparatus 200 includes a vacuum chamber 211, a hollow cylindrical sintering die 212, an upper punch 231, a lower punch 232, an upper punch electrode 251, a lower punch electrode 252, a sintering power source 216, a pressure device 217, and a second device.
  • Conductive powder 220 is provided.
  • the sintering conditions and the like are set by adjusting the sintering power source 216 and the pressurizing device 217 with a control device (not shown).
  • the material of the sintering die 212, the upper punch 231 and the lower punch 232 is preferably graphite and may be tungsten carbide (WC).
  • the second conductive powder 220 is filled in a housing and pressurizing means composed of a sintering die 212, an upper punch 231 and a lower punch 232, and also acts as a pressure medium.
  • the upper punch 231 is moved to open the upper opening of the sintering die 212, and the preform 270 is buried in the second conductive powder 220 in the containing pressurizing means from there. To place.
  • the upper punch 231 is further inserted into the upper opening of the sintering die 212, and the inside of the accommodating pressure unit is sealed.
  • the preformed body 270 is preferably completely embedded in the second conductive powder 220 from the viewpoint of obtaining a conductive molded body having a desired shape.
  • the preform may be exposed with the portion that may be transferred exposed. 270 may be embedded in the second conductive powder 220.
  • the second conductive powder has conductivity, and in the main sintering step S50, the pressure from the containing pressurizing means including the upper punch 231, the lower punch 232, and the sintering die 212 is applied to the preform. If it can provide uniformly, it will not be specifically limited. From the viewpoint of avoiding fusion or pressure bonding with the preform in the main sintering step S50, the second conductive powder and the first conductive powder are preferably powders made of different materials.
  • the second conductive powder has a melting point equal to or higher than that of the first conductive powder.
  • the second conductive powder is preferably a carbon powder and / or a conductive ceramic powder from the viewpoint of being difficult to melt even at the sintering temperature and capable of uniformly applying pressure to the preform. More preferably, it is a powder.
  • the carbon powder is so-called carbon powder, and may be synthesized by a conventional method or a commercially available product may be obtained.
  • Examples of commercially available carbon powders include carbon powders (trade names “CCE03PB”, “CCE06PB”, “CCE07PB”, etc.) manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.).
  • Examples of the conductive ceramic powder include tungsten carbide (WC), alumina (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (Si 3 N 4 ). These are used singly or in combination of two or more.
  • the shape of the second conductive powder is not particularly limited, but in the main sintering step S50, a spherical shape is preferable from the viewpoint of more uniformly applying the pressure from the containing pressurizing means to the preform.
  • the average particle size of the second conductive powder is preferably 5 to 50 ⁇ m from the viewpoint of mechanical properties.
  • the preform is sintered by the SPS method to obtain a conductive molded body.
  • pressure in the X1 direction shown in the figure is applied to the upper punch electrode 251, the lower punch electrode 252, the upper punch 231, and the lower punch 232 by the pressurizing device 217.
  • the second conductive powder 220 and the preform 270 are compressed at a predetermined sintering pressure.
  • the sintering temperature of the preform is a temperature lower than the melting point of the constituent material of the first conductive powder and 1000 ° C. or less from the viewpoint of preventing crystallization and obtaining a dense conductive compact.
  • the sintering temperature is preferably 1000 ° C. or lower. Further, the rate of temperature rise to the sintering temperature is preferably 20 to 100 ° C./min from the viewpoint of producing a conductive molded body in a short time while suppressing an increase in internal stress due to rapid heating. .
  • the sintering pressure is preferably a pressure satisfying a condition of 60 MPa or more from the viewpoint of producing a densified conductive molded body.
  • the sintering pressure is preferably 60 to 75 MPa.
  • the holding time at the sintering temperature is preferably determined from the viewpoint of preventing the grain growth of the material constituting the conductive molded body and obtaining a dense conductive molded body, although there is a balance with the sintering temperature.
  • the holding time is preferably 10 to 30 minutes.
  • the conductive molded body according to this embodiment is obtained.
  • the shape and dimensions of the conductive molded body are not particularly limited as long as they are suitable for the application. For example, even a relatively large molded body of about 100 mm ⁇ 100 mm ⁇ 100 mm is produced according to this embodiment. be able to.
  • Examples of the use of the conductive molded body include key parts, electric tool parts (clutch hubs and balance wheels for electric saws, daily miscellaneous goods parts such as gears, gears, automobile parts (valves, oil pump parts, brake parts, etc.).
  • Structural parts such as implants, apatite and titanium artificial bones (including apatite-titanium functionally graded materials), medical parts such as artificial hip joints, jet engines (turbine blades), fastening parts (fasteners, bolts), mounting parts
  • medical parts such as artificial hip joints, jet engines (turbine blades), fastening parts (fasteners, bolts), mounting parts
  • structural parts for aerospace equipment such as electric and electronic parts for heat sinks.
  • the present embodiment as is apparent from the above, it is possible to obtain a conductive molded body having a complicated shape precisely and in a short time. Moreover, in this embodiment, since the grain growth of the electroconductive material in an electroconductive molded object can be suppressed, the effect that the electroconductive molded object which has high mechanical strength (for example, tensile strength, tensile elongation, etc.) is obtained. Also play. Furthermore, since the discharge plasma sintering method employed in the sintering process is performed in a vacuum, it is possible to form a conductive molded body with few impurities.
  • the conductive molded body may be manufactured by using a manufacturing technique of a cylindrical concentric functionally gradient material described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-307071. it can.
  • An example of such a molded body is shown in FIG. 3A is a perspective view, and FIG. 3B is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • the conductive molded body 300 employs hard conductive powder as the material of the region 302 near the center that comes into contact with other parts, and is softer than the hard conductive powder as the material of the outermost region 306. Soft conductive powder is used.
  • a conductive powder softer than the hard conductive powder and harder than the soft conductive powder is used as a material of the region 304 existing between the regions 302 and 306.
  • the form for implementing this invention is not limited to the said this embodiment.
  • the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
  • the raw material prepared in the raw material preparation step S10 includes a binder
  • the densified electroconductive molded object can be obtained.
  • the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
  • the conductive molded body obtained by the production method of the present invention is obtained from a preform having a high density and a low density, the deformation of the shape is suppressed (that is, complicated). It was confirmed that it can be produced as a shaped molded body) and can be obtained in a short time.
  • the ON / OFF cycle (one cycle) of the DC pulse current in the discharge plasma sintering apparatus was 3.3 milliseconds, the ON / OFF ratio was 12/2, and sintering was performed in vacuum.
  • Example 1 Pure titanium powder (average particle size: 37 ⁇ m, particle shape: spherical) obtained by a gas atomizing method was prepared as the first conductive powder.
  • This pure titanium powder is filled into a graphite hollow cylindrical sintering die (inner diameter: 20 mm) with a graphite lower punch inserted from the lower opening, and this is spark plasma sintered by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.
  • the device (DR.SINTER SPS3.20MK-IV) was installed at a predetermined position. An upper punch is inserted from the upper opening of the sintering die and the pressure in the die (sintering pressure) is increased to 20 MPa to compress the pure titanium powder, and then the heating rate is 100 ° C./min.
  • Heating and pressurization were stopped when heated up to a cylindrical shape (diameter 20.06 mm, height 5.76 mm) to obtain a preform.
  • the bulk density was derived by measuring the mass of the preform, and the ratio of the bulk density to the true density of pure titanium was calculated as a percentage to determine the relative density. As a result, the relative density of the preform was 88.0%.
  • Example 2 Example 1 except that the first conductive powder was changed from pure titanium powder to titanium alloy powder (Ti-6Al-4V, average particle size: 18 ⁇ m, particle shape: spherical) obtained by gas atomizing method.
  • a cylindrical preform (diameter 19.90 mm, height 6.18 mm) and a cylindrical preform (diameter 19.68 mm, height 5.79 mm) were obtained.
  • the relative density of the preform was 79.2% and the relative density of the conductive compact was 99.1%.
  • Example 3 Pure titanium powder (average particle size: 37 ⁇ m, particle shape: spherical) obtained by gas atomizing method was prepared as the first conductive powder.
  • This pure titanium powder is filled into a graphite sintering die (inner diameter: 20 mm) into which a graphite lower punch is inserted from the lower opening, and this is filled with a discharge plasma sintering apparatus (DR) manufactured by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd. .SINTER SPS 3.20MK-IV) at a predetermined position.
  • the shape of the sintered die was such as a perspective view shown in FIG. 4A and a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
  • Example 4 Pure titanium powder (average particle size: 37 ⁇ m, particle shape: spherical) obtained by a gas atomizing method was prepared as the first conductive powder.
  • This pure titanium powder is filled into a graphite hollow cylindrical sintering die (inner diameter: 20 mm) with a graphite lower punch inserted from the lower opening, and this is spark plasma sintered by Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.
  • the device (DR.SINTER SPS3.20MK-IV) was installed at a predetermined position.
  • the shape of the sintered die was a perspective view shown in FIG. 6A and a sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
  • the shapes of the upper punch and the lower punch were as shown in the perspective view of FIG.
  • the manufacturing costs are high because the processing is performed under the above-mentioned severe conditions, and there is a concern that the equipment costs are high because the equipment is large. There is also.
  • the equipment cost is not so large, and processing under a mild condition is possible, so that the manufacturing cost is also reduced. Therefore, the needs are high in the market of complex-shaped metal parts having high mechanical strength.
  • the conductive molded body obtained by the production method of the present invention has a complex shape and a high density, it has a complex shape and requires a high mechanical strength, for example, an automobile, an automobile part, an aircraft, Application to fields such as space equipment and medical implants is expected.
  • SYMBOLS 200 Manufacturing apparatus of an electroconductive molded object, 211 ... Vacuum chamber, 212 ... Sintering die, 216 ... Sintering power source, 217 ... Pressurization apparatus, 220 ... 2nd electroconductive powder, 231 ... Upper punch, 232 ... Lower part Punch, 251 ... Upper punch electrode, 252 ... Lower punch electrode, 270 ... Preliminary molded body, 300 ... Conductive molded body, S10 ... Raw material preparation step, S20 ... Preliminary molding step, S30 ... Coating step, S40 ... Buried step, S50 ... main sintering process.

Abstract

　本発明は、第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を放電プラズマ焼結法により焼結して導電性成形体を得る工程を有する導電性成形体の製造方法であって 、前記工程において、前記予備成形体に対して第２の導電性粉末を介して圧力を付与しながら直流パルス電流を流通して前記予備成形体を焼結する製造方法を提供する。

Description

導電性成形体の製造方法及び導電性成形体の製造装置
　本発明は、導電性成形体の製造方法及び導電性成形体の製造装置に関するものである。
　従来、複雑形状の金属部品を高密度に成形するために、例えば熱間静水圧加圧（Hot Isostatic Pressing；ＨＩＰ）焼結法が用いられている。このＨＩＰ焼結法では、圧力容器中で、不活性ガスを圧力媒体として、粉末を等方的に加熱して焼結することで成形する。この方法により、理論密度に近い緻密化した複雑形状の焼結体が得られる。
　しかしながら、このＨＩＰ焼結法に用いられる装置は一般に大規模となるため、ＨＩＰ焼結法には高い設備費用が必要となる。また、チタン合金のような難焼結材料の焼結及び成形時には、特に長時間で高温の加熱加圧を施さなければならず、その結果、難焼結材料の結晶粒が成長してしまい、その力学的特性が低下することとなる。
　また、複雑形状の金属部品を成形する方法として、金属粉末射出成形（Metal Injection Molding；ＭＩＭ）法がある。しかしながら、このＭＩＭ法によると、金属粉末を結着するバインダーが必要であり、そのバインダーを通常の焼結により除去して最終的に成形体を得るため、その成形体の密度が低くなり、やはり機械的強度の点で十分とは言い難い。
　一方、設備費用が低価で、しかも加熱加圧に要する時間が短時間ですむ焼結法として、放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering；ＳＰＳ）法が知られている（例えば特許文献１参照）。このＳＰＳ法は、ＯＮ－ＯＦＦ直流パルス通電を用いた加圧焼結法の一種であり、中空柱状のダイ内に導電性粉末を収容し、その粉末をパンチで加圧しつつ、その粉末に直接低電圧でパルス状の電流を流通する。これにより、火花放電現象により瞬時に導電性粉末の粒子間に放電プラズマのエネルギーを発生させ、これを熱拡散・電界拡散などにより周囲に拡散させて加熱焼結を行う。
特開２００５－８９８０７号公報
　ＳＰＳ法では、瞬間的に数千～一万℃程度の高温度場が導電性粉末の粒子間に生じることに起因して、従来に比べて、加熱時間が短時間であっても高密度で質の高い焼結を可能とし、しかも、焼結エネルギーの制御性、安全性、確実性、省スペース、省エネルギー等の点でも優れている。
　しかしながら、従来のＳＰＳ法では、中空柱状のダイ内で導電性粉末をパンチにより加圧しながら焼結するため、複雑形状の金属部品などの導電性成形体を得るには不十分である。
　そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、複雑形状の導電性成形体を高密度にかつ短時間で成形できる導電性成形体の製造方法及び導電性成形体の製造装置を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ＳＰＳ法により導電性粉末から直接最終の成形体を作製するのではなく、予備的に複雑形状の成形体を作製し、その成形体に対して均等に加圧できるようにＳＰＳ法を改良することを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明は、第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法により焼結して導電性成形体を得る工程を有する導電性成形体の製造方法であって、上記工程において、予備成形体に対して第２の導電性粉末を介して圧力を付与しながら直流パルス電流を流通して予備成形体を焼結する製造方法である。本発明の導電性成形体の製造方法によると、第２の導電性粉末は、導電性を有するが故に予備成形体への直流パルス電流の導通体になると共に、粉末であることに起因してその予備成形体に付与するパンチやダイからの圧力を均等に分散することができる。そのため、ＳＰＳ法を用いても、予備成形体の形状を保持することが可能となるので、複雑形状の導電性成形体を高密度に作製することができる。また、ＳＰＳ法を採用することにより、短時間での成形も可能となる。
　また、本発明において、第１の導電性粉末と第２の導電性粉末とは、互いに異なる材料からなる粉末であると好ましい。具体的には、第２の導電性粉末は、炭素粉末及び／又は導電性セラミック粉末であると好ましく、炭素粉末であるとより好ましい。一方、第１の導電性粉末は、純チタン粉末及び／又はチタン合金粉末であると好適である。
　そして、本発明は、第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を収容して、その予備成形体に圧力を付与する収容加圧手段と、予備成形体に直流パルス電流を流通して焼結する通電焼結手段と、収容加圧手段と予備成形体との間に配置される第２の導電性粉末とを備える導電性成形体の製造装置を提供する。本発明の導電性成形体の製造装置を用いると、第２の導電性粉末は、導電性を有するが故に通電焼結手段からの直流パルス電流を予備成形体に導通する導通体になると共に、粉末であることに起因して収容加圧手段内でその予備成形体に付与する圧力を均等に分散することができる。そのため、予備成形体の形状を崩すことなく保持することが可能となるので、ＳＰＳ法を用いても複雑形状の導電性成形体を高密度に作製することができる。また、ＳＰＳ法を採用することにより、短時間での成形も可能となる。
　本発明によれば、複雑形状の導電性成形体を高密度にかつ短時間で成形できる導電性成形体の製造方法及び導電性成形体の製造装置を提供することができる。
本実施形態に係る導電性成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の係る導電性成形体の製造装置の一例を示す概略図である。 本実施形態に係る導電性成形体の一例を示す概略図である。 実施例に係るダイを示す概略図である。 実施例に係る導電性成形体を示す写真である。 別の実施例に係るダイを示す概略図である。 別の実施例に係るダイのパンチを示す概略図である。 別の実施例に係る導電性成形体を示す写真である。
　以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
　本実施形態の導電性成形体の製造方法（以下、単に「製造方法」という。）は、第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を放電プラズマ焼結法により焼結して導電性成形体を得る工程を有する導電性成形体の製造方法であって、上記工程において、予備成形体に対して第２の導電性粉末を介して圧力を付与しながら直流パルス電流を流通して予備成形体を焼結するものである。
　また、本実施形態の導電性成形体の製造装置（以下、単に「製造装置」という。）は、第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を収容して、その予備成形体に圧力を付与する収容加圧手段と、予備成形体に直流パルス電流を流通して焼結する通電焼結手段と、収容加圧手段と予備成形体との間に配置される第２の導電性粉末とを備えるものである。
　図１は、本実施形態の導電性成形体の製造方法の一例を示すフローチャートであり。図２は、本実施形態の導電性成形体の製造装置の一例を示す概略図である。図１によると、本実施形態の製造方法は、第１の導電性粉末を含む導電性成形体の原料を準備する原料準備工程Ｓ１０と、準備した原料を予備的に成形して予備成形体を得る予備成形工程Ｓ２０と、予備成形体の表面に焼付防止剤を塗布する塗布工程Ｓ３０と、焼付防止剤を塗布した予備成形体を、製造装置の収容加圧手段内に充填された第２の導電性粉末中に埋没させる埋没工程Ｓ４０と、上記製造装置においてＳＰＳ法により予備成形体を焼結して導電性成形体を得る本焼結工程Ｓ５０とを有する。
　原料準備工程Ｓ１０で準備する第１の導電性粉末は、ＳＰＳ法により焼結可能であるものであれば特に限定されないが、従来のＨＩＰ焼結法などの成形法では十分な力学的特性を有するものが得られ難く、かつ、後述の第２の導電性粉末よりも融点が低い観点から、純金属及び／又は合金粉末が好ましく、純チタン粉末、チタン合金（チタンが主成分である合金。以下同様。）粉末、アルミニウム合金粉末、銅合金粉末及びタングステン合金粉末からなる群より選ばれる１種以上の導電性粉末が好ましく、純チタン粉末及び／又はチタン合金粉末がより好ましい。チタン合金粉末におけるチタン合金としては、例えば、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－３Ａｌ－２．５Ｖなどのチタン－アルミニウム－バナジウム合金、Ｔｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ、Ｔｉ－８Ａｌ－１Ｍｏ－１Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－６Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｓｎ－２Ｚｒ－４Ｃｒ－４Ｍｏ、Ｔｉ－３Ａｌ－１０Ｖ－２Ｆｅ、Ｔｉ－１３Ｖ－１１Ｃｒ－３Ａｌ、Ｔｉ－４Ｍｏ－８Ｖ－６Ｃｒ－４Ｚｒ－３Ａｌ、Ｔｉ－８Ｍｏ－８Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｌ、Ｔｉ－１１．５Ｍｏ－６Ｚｒ－４．５Ｓｎが挙げられる。また、アルミニウム合金粉末におけるアルミニウム合金としては、例えば、Ａｌ－２０Ｓｉ、Ａｌ－５Ｍｇ、Ａｌ－５Ｃｕが挙げられる。銅合金粉末における銅合金としては、例えばＣｕ－１０Ｗが挙げられる。さらにタングステン合金粉末におけるタングステン合金としては、例えばＷ－１０Ｃｕ、Ｗ－２０Ｃｕが挙げられる。
　第１の導電性粉末の形状も特に限定されないが、下記予備成形工程Ｓ２０及び本焼結工程Ｓ５０における加圧の際に均一に加圧されやすく力学的特性に優れる観点から、球形であると好ましい。また、第１の導電性粉末の製造方法は、金属などの導電性粉末を作製できる方法であれば特に限定されないが、上記球形の粒子を容易に得ることができる観点から、例えばガスアトマイジング法が挙げられる。さらに、第１の導電性粉末の平均粒子径（レーザ回折式粒度分布測定装置により測定。）は、力学的特性の観点から、５～５０μｍであると好ましい。
　原料準備工程Ｓ１０において準備する原料は、第１の導電性粉末の他、例えば、バインダー（樹脂、ワックス）等が挙げられる。バインダーは、ＭＩＭ法などで第１の導電性粉末の粒子同士を結着するために用いられるので、その結着が可能なものであれば従来公知のものを用いることができる。バインダーとしては、例えば、各種ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレートなどの樹脂、パラフィンワックス、カルナウバワックスなどのワックス、ステアリン酸、フタル酸ｎ－ブチルなどの飽和若しくは不飽和脂肪酸又はそのエステルが挙げられ、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いられる。
　上述のバインダー等は、後述の予備成形工程Ｓ２０において、第１の導電性粉末を結着する等、予備成形体の成形方法によって必要がある場合に用いられ得る。ただし、バインダー等は、本焼結工程Ｓ５０において予備成形体から揮発、分解又は燃焼除去されるため、導電性成形体の密度を高める観点及び予備成形体から導電性成形体への形状保持の観点から、原料としてバインダー等を用いない、すなわち第１の導電性粉末のみを用いる方が好ましい。
　次いで、予備成形工程Ｓ２０において、準備した上記原料を予備的に成形して予備成形体を得る。この工程Ｓ２０での成形方法は、上記原料を所望の形状に成形できる方法であれば特に限定されず、例えば、ＭＩＭ法、電子ビーム積層造形法等の、金属粉末を主成分とする原料を用いる粉末冶金法が挙げられる。ＭＩＭ法によると、例えば第１の導電性粉末がＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－７Ｎｂなどのチタン合金である場合、比較的高い機械的強度の予備成形体を得ることができる。また、電子ビーム積層造形法によると、予備成形体の原料として第１の導電性粉末のみを用い、真空の装置チャンバー内で金属粉末を一層毎に溶解して積層することによって、不純物が少なく、比較的高い強度と密度とを有する予備成形体を短時間で形成することができる。予備成形工程Ｓ２０では、１種の成形方法による１回の処理により予備成形体を成形してもよく、１種の成形方法を繰り返して原料から予備成形体を作製してもよく、２種以上の成形方法を用いて原料から予備成形体を作製してもよい。
　予備成形工程Ｓ２０では、予備成形体が必ずしも最終製品としての機械的強度等の諸特性を確保する必要はないため、その成形時間、成形圧力及び成形温度等（例えば焼結時間、焼結温度など）の諸条件を厳しく設定する必要はない。すなわち、最終製品と同程度の諸特性を確保するために、予備成形工程Ｓ２０おける成形時間を長くしたり、成形圧力及び成形温度を高くしたりする必要はない。よって、例えば、予備成形工程Ｓ２０おける成形時間は、下記本焼結工程Ｓ５０における成形時間よりも短い時間であってもよく、予備成形工程Ｓ２０における成形圧力又は成形温度は、下記本焼結工程Ｓ５０における成形圧力又は成形温度より低くてもよい。これにより、成形体中の導電性材料などの粒成長を抑制することが可能となる。
　一方で、後述の本焼結工程Ｓ５０において、形状や寸法が著しく変化すると、最終製品としての導電性成形体の諸特性が低下することになるため、予備成形工程Ｓ２０を経て得られる予備成形体はある程度良好な諸特性を有することが望ましい。また、原料としてバインダー等をも用いる場合、それらのバインダー等を予備成形工程Ｓ２０において除去できれば、形状や寸法の変化を低減することができるため望ましい。これらの観点から、予備成形工程Ｓ２０における上記諸条件を設定すればよい。
　なお、予備成形工程Ｓ２０に代えて、すでに上述の成形方法等により成形された成形体を予備成形体として入手し、下記塗布工程Ｓ３０以降の工程に用いてもよい。
　次に、塗布工程Ｓ３０では、予備成形体の表面に焼付防止剤を塗布する。この焼付防止剤は、下記本焼結工程Ｓ５０を経て得られた導電性成形体と第２の導電性粉末との焼付け、又は予備成形体への第２の導電性粉末の拡散を防止するために塗布される。焼付防止剤としては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）が挙げられる。窒化ホウ素は第２の導電性粉末に悪影響を与えない点から好ましく、特に第１の導電性粉末がチタン合金粉末である場合に有効である。
　塗布工程における塗布方法としては、固体表面に液状又はスラリー状のものを塗布するのに通常用いられる方法であれば特に限定されず、例えば浸漬塗布、スプレー塗布、スピン塗布、バーコート、刷毛塗りが挙げられる。
　焼付防止剤の塗布量は、予備成形体の表面全体に塗布できる量であれば特に限定されないが、その塗布量が多くなると予備成形体の取扱い性が困難になるだけでなく、下記本焼結工程Ｓ５０において、予備成形体（導電性成形体）のボイド（空孔）への浸透という不具合が生じる。そこで、焼付防止剤の塗布量の目安として、塗布した後の予備成形体表面の焼付防止剤の厚さが１００μｍ以下であると好ましい。
　例えば第１の導電性粉末などの予備成形体を構成する材料と、下記第２の導電性粉末との組み合わせにおいて、上記焼付け又は拡散が生じない組み合わせであれば、塗布工程Ｓ３０を省略してもよい。そのような組み合わせとしては、例えば、予備成形体を構成する材料がチタン合金であって、第２の導電性粉末が炭素粉末である組み合わせが挙げられる。
　次に、埋没工程Ｓ４０において、上記各工程を経た予備成形体を、製造装置の収容加圧手段内に充填された第２の導電性粉末中に埋没させる。図２に概略的に示す製造装置２００は、ＳＰＳ法に用いられる製造装置であり、いわゆる放電プラズマ焼結装置である。その具体例としては、例えば、住友石炭鉱業社製の放電プラズマ焼結装置（ＤＲ．ＳＩＮＴＥＲ　ＳＰＳ３．２０ＭＫ－ＩＶ）が挙げられる。製造装置２００は、真空チャンバー２１１、中空円筒状の焼結ダイ２１２、上部パンチ２３１、下部パンチ２３２、上部パンチ電極２５１、下部パンチ電極２５２、焼結電源２１６、加圧装置２１７、及び第２の導電性粉末２２０を備える。この製造装置２００において、焼結条件等は、焼結電源２１６及び加圧装置２１７を制御装置（図示せず）により調整することで設定される。また、本焼結工程Ｓ５０における耐久性の観点から、焼結ダイ２１２、上部パンチ２３１及び下部パンチ２３２の材質は、好ましくは、グラファイトであり、炭化タングステン（ＷＣ）であってもよい。
　第２の導電性粉末２２０は、焼結ダイ２１２、上部パンチ２３１及び下部パンチ２３２で構成された収容加圧手段内に充填されており、圧力媒体としても作用するものである。埋没工程Ｓ４０では、上部パンチ２３１を移動させて、焼結ダイ２１２の上方開口部を開放し、そこから予備成形体２７０を収容加圧手段内で第２の導電性粉末２２０中に埋没するように配置する。図２では、そのように予備成形体２７０を配置した後、更に上部パンチ２３１を焼結ダイ２１２の上方開口部内に挿入し、収容加圧手段内を密閉した状態にある。
　予備成形体２７０は、所望形状の導電性成形体を得る観点から、第２の導電性粉末２２０中に完全に埋没させるのが好ましい。ただし、上部パンチ２３１、下部パンチ２３２又は焼結ダイ２１２の表面形状を予備成形体２７０の表面形状に転写してもよい場合は、その転写してもよい部分を露出した状態で、予備成形体２７０を第２の導電性粉末２２０に埋没させてもよい。
　第２の導電性粉末は、導電性を有し、本焼結工程Ｓ５０において、かつ上部パンチ２３１、下部パンチ２３２及び焼結ダイ２１２から構成される収容加圧手段からの圧力を予備成形体に均一に付与できるものであれば特に限定されない。本焼結工程Ｓ５０において予備成形体との融着又は圧着を避ける観点から、第２の導電性粉末と第１の導電性粉末とは互いに異なる材料からなる粉末であると好ましい。
　また、本焼結工程Ｓ５０における焼結温度によっても溶融し難くする観点から、第２の導電性粉末は第１の導電性粉末と同じかそれよりも高い融点を有するものであることが好ましい。さらには、上記焼結温度によっても溶融し難く、かつ予備成形体に圧力を均一に付与できる観点から、第２の導電性粉末は、炭素粉末及び／又は導電性セラミック粉末であると好ましく、炭素粉末であるとより好ましい。炭素粉末はいわゆるカーボンパウダーであり、常法により合成してもよく、市販品を入手してもよい。炭素粉末の市販品としては、例えば、（株）高純度化学研究所製炭素粉末（商品名「ＣＣＥ０３ＰＢ」、「ＣＣＥ０６ＰＢ」、「ＣＣＥ０７ＰＢ」など）が挙げられる。また、導電性セラミック粉末としては、例えば炭化タングステン（ＷＣ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が挙げられる。これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いられる。
　第２の導電性粉末の形状は特に限定されないが、本焼結工程Ｓ５０において、収容加圧手段からの圧力を予備成形体に更に均一に付与する観点から、球形であると好ましい。また、第２の導電性粉末の平均粒子径は、力学的特性の観点から、５～５０μｍであると好ましい。
　そして、本焼結工程Ｓ５０において、ＳＰＳ法により予備成形体を焼結して導電性成形体を得る。本焼結工程Ｓ５０において導電性成形体を作製する際、まず、加圧装置２１７により上部パンチ電極２５１、下部パンチ電極２５２、上部パンチ２３１及び下部パンチ２３２に図示したＸ１方向の圧力をかけて、第２の導電性粉末２２０及び予備成形体２７０を所定の焼結圧力で圧縮する。この状態で、上部パンチ電極２５１及び下部パンチ電極２５２に直流のＯＮ、ＯＦＦパルス電流を印加すると、ＯＮ時に高温の放電プラズマが発生し、瞬時に発生するプラズマの高エネルギーが熱拡散と電界拡散により第２の導電性粉末２２０及び予備成形体２７０中を高速で分散して、それらを加熱する。その際、直流パルス電流がＯＮ、ＯＦＦを繰り返すので、予備成形体を構成する第１の導電性粉末は結晶粒子の成長が抑制され、微細な組織を維持することができる。
　放電プラズマ焼結装置２００の各種運転条件、例えば予備成形体の焼結温度、その焼結温度までの昇温速度、焼結圧力、及び焼結温度での保持時間は、第１の導電性粉末などの予備成形体２７０を構成する原料、第２の導電性粉末の種類、導電性成形体の用途等によって、本発明の目的をより有効かつ確実に達成できるような条件に適宜調整すればよい。まず、予備成形体の焼結温度は、結晶化を防ぐと共に緻密な導電性成形体を得る観点から、第１の導電性粉末の構成材料の融点よりも低く、かつ１０００℃以下の温度であると好ましい。例えば、第１の導電性粉末がＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金の粉末であり、第２の導電性粉末が炭素粉末である場合、焼結温度は１０００℃以下であると好ましい。また、焼結温度までの昇温速度は、急激な加熱による内部応力の増大を抑制しつつ、短時間での導電性成形体の作製を図る観点から、２０～１００℃／分であると好ましい。
　焼結圧力は、緻密化した導電性成形体を作製する観点から６０ＭＰａ以上の条件を満足する圧力であると好ましい。例えば、第１の導電性粉末がＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金の粉末であり、第２の導電性粉末が炭素粉末である場合、焼結圧力は６０～７５ＭＰａであると好ましい。焼結温度での保持時間は、焼結温度との兼ね合いもあるが、導電性成形体を構成する材料の粒成長を防ぐと共に緻密な導電性成形体を得る観点から決定すると好ましい。例えば、第１の導電性粉末がＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金の粉末であり、第２の導電性粉末が炭素粉末である場合、保持時間は１０～３０分であると好ましい。
　こうして、本実施形態に係る導電性成形体が得られる。導電性成形体の形状及び寸法は、その用途に適したものであれば特に限定されず、例えば１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ程度の比較的大きな成形体であっても、本実施形態によれば作製することができる。導電性成形体の用途としては、例えば、鍵部品、電動工具部品（電動のこぎり用クラッチハブ・バランスホイール、ギアなどの日用雑貨部品、歯車、自動車部品（バルブ、オイルポンプ部品、ブレーキ部品等）などの構造部品、インプラント、アパタイト製及びチタン製人工骨(アパタイト－チタン系傾斜機能材料を含む)、人工股関節などの医用部品、ジェットエンジン（タービンブレード）、締結部品（ファスナー、ボルト）、取付部品などの航空宇宙機器用構造部品、放熱板（ヒートシンク）の電気・電子部品が挙げられる。
　本実施形態によると、上述から明らかなように、複雑形状の導電性成形体を緻密に、かつ短時間で得ることができる。また、本実施形態では、導電性成形体における導電性材料の粒成長を抑制することができるため、高い機械的強度（例えば引張強度、引張伸びなど）を有する導電性成形体が得られるという効果も奏する。さらには、焼結工程で採用する放電プラズマ焼結法は真空中で行われるため、不純物の少ない導電性成形体を形成することも可能となる。
　また、本実施形態における導電性成形体の製造方法において、特開２００８－３０７０７１号公報などに記載の円柱状の同心円状傾斜機能材料の製造技術を利用して導電性成形体を製造することもできる。そのような成形体の一例を図３に示す。図３の（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩ－ＩＩ線断面図である。この導電性成形体３００は、他の部品と接触する中心付近の領域３０２の材料として、硬質の導電性粉末を採用し、最も外側の領域３０６の材料として、上記硬質の導電性粉末よりも軟らかい軟質の導電性粉末を採用する。さらに、それらの領域３０２、３０６の間に存在する領域３０４の材料として、上記硬質の導電性粉末よりも軟らかく、かつ上記軟質の導電性粉末よりも硬い導電性粉末を採用する。これにより、他の部品と接触する部分に硬質の材料を用いているので、その成形体の寿命を延ばすことも可能になる。
　以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、原料準備工程Ｓ１０において準備する原料がバインダーを含む場合、本焼結工程Ｓ５０よりも前の段階で脱脂を行う脱脂工程を含むと好ましい。これにより、更に緻密化した導電性成形体を得ることができる。
　以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本実施例では、本発明の製造方法で得られた導電性成形体が、高密度を有し、密度の低い予備成形体から得たものであってもその形状の変形が抑制され（すなわち複雑形状の成形体として作製され得）、かつ短時間で得られるものであることを確認した。なお、放電プラズマ焼結装置における直流パルス電流のＯＮ・ＯＦＦ周期（１周期）は３．３ミリ秒、ＯＮ／ＯＦＦ比は１２／２とし、真空中で焼結した。
（実施例１）
　第１の導電性粉末としてガスアトマイジング法により得られた純チタン粉末（平均粒子径：３７μｍ、粒子形状：球形）を準備した。この純チタン粉末を、下側の開口部からグラファイト製下部パンチを挿入したグラファイト製中空円筒状の焼結ダイ（内径：２０ｍｍ）内に充填し、それを住友石炭鉱業社製の放電プラズマ焼結装置（ＤＲ．ＳＩＮＴＥＲ　ＳＰＳ３．２０ＭＫ－ＩＶ）の所定位置に設置した。上記焼結ダイの上側の開口部から上部パンチを挿入して、ダイ内の圧力（焼結圧力）を２０ＭＰａまで加圧して純チタン粉末を圧縮した後、昇温速度１００℃／分で７００℃まで加熱した時点で加熱及び加圧を停止して、円筒状（直径２０．０６ｍｍ、高さ５．７６ｍｍ）の予備成形体を得た。この予備成形体の質量を測定してかさ密度を導出し、純チタンの真密度に対するそのかさ密度の比率を百分率で算出して相対密度を求めた。その結果、予備成形体の相対密度は８８．０％であった。
　次いで、第２の導電性粉末としての炭素粉末（平均粒子径：５０μｍ、粒子形状：球形、使用量：約６０ｇ）を、下側の開口部からグラファイト製下部パンチを挿入したグラファイト製中空円筒状の焼結ダイ（内径：５０ｍｍ）内に充填した。次に、上記予備成形体を、その焼結ダイ内の炭素粉末に完全に埋没するように収容し、それらを上記放電プラズマ焼結装置の所定位置に設置した。上記焼結ダイの上側の開口部から上部パンチを挿入して、ダイ内の圧力（焼結圧力）を７０ＭＰａまで加圧して第２の導電性粉末及び予備成形体を圧縮した後、昇温速度２０℃／分で９００℃の焼結温度まで加熱し、その焼結温度で１０分間保持した時点で加熱及び加圧を停止した。こうして、円筒状（直径１９．９６ｍｍ、高さ５．１４ｍｍ）の導電性成形体を得た。この導電性成形体の相対密度を、上記予備成形体のものと同様にして求めたところ、９９．０％であった。
（実施例２）
　第１の導電性粉末を、純チタン粉末から、ガスアトマイジング法により得られたチタン合金粉末（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、平均粒子径：１８μｍ、粒子形状：球形）に代えた以外は実施例１と同様にして、円筒状（直径１９．９０ｍｍ、高さ６．１８ｍｍ）の予備成形体、及び円筒状（直径１９．６８ｍｍ、高さ５．７９ｍｍ）の導電性成形体を得た。予備成形体の相対密度は７９．２％、導電性成形体の相対密度は９９．１％であった。
（実施例３）
　第１の導電性粉末としてガスアトマイジング法により得られた純チタン粉末（平均粒子径：３７μｍ、粒子形状：球形）を準備した。この純チタン粉末を、下側の開口部からグラファイト製下部パンチを挿入したグラファイト製の焼結ダイ（内径：２０ｍｍ）内に充填し、それを住友石炭鉱業社製の放電プラズマ焼結装置（ＤＲ．ＳＩＮＴＥＲ　ＳＰＳ３．２０ＭＫ－ＩＶ）の所定位置に設置した。なお、その焼結ダイの形状は、図４の（Ａ）に示す斜視図、（Ｂ）に示す（Ａ）のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図のような形状であった。上記焼結ダイの上側の開口部から上部パンチを挿入して、ダイ内の圧力（焼結圧力）を１５ＭＰａまで加圧して純チタン粉末を圧縮した後、昇温速度１００℃／分で７００℃まで加熱した時点で加熱及び加圧を停止して、図５の（Ａ）に写真を示す予備成形体を得た。この予備成形体の質量を測定してかさ密度を導出し、純チタンの真密度に対するそのかさ密度の比率を百分率で算出して相対密度を求めた。その結果、予備成形体の相対密度は７２．４％であった。
　次いで、第２の導電性粉末としての炭素粉末（平均粒子径：５０μｍ、粒子形状：球形、使用量：約６０ｇ）を、下側の開口部からグラファイト製下部パンチを挿入したグラファイト製中空円筒状の焼結ダイ（内径：５０ｍｍ）内に充填した。次に、上記予備成形体を、その焼結ダイ内の炭素粉末に完全に埋没するように収容し、それらを上記放電プラズマ焼結装置の所定位置に設置した。上記焼結ダイの上側の開口部から上部パンチを挿入して、ダイ内の圧力（焼結圧力）を７０ＭＰａまで加圧して第２の導電性粉末及び予備成形体を圧縮した後、昇温速度２０℃／分で９００℃の焼結温度まで加熱し、その焼結温度で１０分間保持した時点で加熱及び加圧を停止した。こうして、図５の（Ｂ）に写真を示す導電性成形体を得た。この導電性成形体の相対密度を、上記予備成形体のものと同様にして求めたところ、９９．４％であった。
（実施例４）
　第１の導電性粉末としてガスアトマイジング法により得られた純チタン粉末（平均粒子径：３７μｍ、粒子形状：球形）を準備した。この純チタン粉末を、下側の開口部からグラファイト製下部パンチを挿入したグラファイト製中空円筒状の焼結ダイ（内径：２０ｍｍ）内に充填し、それを住友石炭鉱業社製の放電プラズマ焼結装置（ＤＲ．ＳＩＮＴＥＲ　ＳＰＳ３．２０ＭＫ－ＩＶ）の所定位置に設置した。なお、その焼結ダイの形状は、図６の（Ａ）に示す斜視図、（Ｂ）に示す（Ａ）のＩＶ－ＩＶ線断面図のような形状であった。また、上部パンチ及び下部パンチの形状は、図７の（Ａ）に示す斜視図、（Ｂ）に示す（Ａ）のＶ－Ｖ線断面図のような形状であった。上記焼結ダイの上側の開口部から上部パンチを挿入して、ダイ内の圧力（焼結圧力）を１５ＭＰａまで加圧して純チタン粉末を圧縮した後、昇温速度１００℃／分で７００℃まで加熱した時点で加熱及び加圧を停止して、図８の（Ａ）に写真を示す予備成形体を得た。この予備成形体の質量を測定してかさ密度を導出し、純チタンの真密度に対するそのかさ密度の比率を百分率で算出して相対密度を求めた。その結果、予備成形体の相対密度は６９．３％であった。
　次いで、第２の導電性粉末としての炭素粉末（平均粒子径：５０μｍ、粒子形状：球形、使用量：約６０ｇ）を、下側の開口部からグラファイト製下部パンチを挿入したグラファイト製中空円筒状の焼結ダイ（内径：５０ｍｍ）内に充填した。次に、上記予備成形体を、その焼結ダイ内の炭素粉末に完全に埋没するように収容し、それらを上記放電プラズマ焼結装置の所定位置に設置した。上記焼結ダイの上側の開口部から上部パンチを挿入して、ダイ内の圧力（焼結圧力）を７０ＭＰａまで加圧して第２の導電性粉末及び予備成形体を圧縮した後、昇温速度２０℃／分で９００℃の焼結温度まで加熱し、その焼結温度で１０分間保持した時点で加熱及び加圧を停止した。こうして、図８の（Ｂ）に写真を示す導電性成形体を得た。この導電性成形体の相対密度を、上記予備成形体のものと同様にして求めたところ、９９．０％であった。
　ＨＩＰ焼結法のような従来の金属部品の加工技術では、上述のような過酷な条件での加工となるため製造コストがかかる他、設備が大がかりであるため設備費が高額になるという懸念点もある。この点、本発明の導電性成形体の製造方法によると、設備コストはさほど大きくなく、緩やかな条件での加工が可能となるため製造コストも低減される。したがって、高い機械的強度を有する複雑形状の金属部品市場において、そのニーズは高いものである。また、本発明の製造方法で得られた導電性成形体は、複雑形状で高密度のものとなるため、高い機械的強度を必要とする複雑形状の金属部品、例えば、自動車、自動車部品、航空宇宙機器及び医用インプラントなどの分野への応用が期待される。
　２００…導電性成形体の製造装置、２１１…真空チャンバー、２１２…焼結ダイ、２１６…焼結電源、２１７…加圧装置、２２０…第２の導電性粉末、２３１…上部パンチ、２３２…下部パンチ、２５１…上部パンチ電極、２５２…下部パンチ電極、２７０…予備成形体、３００…導電性成形体、Ｓ１０…原料準備工程、Ｓ２０…予備成形工程、Ｓ３０…塗布工程、Ｓ４０…埋没工程、Ｓ５０…本焼結工程。

Claims (9)

  1. 　第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を放電プラズマ焼結法により焼結して導電性成形体を得る工程を有する導電性成形体の製造方法であって、
    　前記工程において、前記予備成形体に対して第２の導電性粉末を介して圧力を付与しながら直流パルス電流を流通して前記予備成形体を焼結する製造方法。
  2. 　前記第１の導電性粉末と前記第２の導電性粉末とは、互いに異なる材料からなる粉末である、請求項１に記載の導電性成形体の製造方法。
  3. 　前記第２の導電性粉末は、炭素粉末及び／又は導電性セラミック粉末である、請求項１又は２に記載の導電性成形体の製造方法。
  4. 　前記第２の導電性粉末は、炭素粉末である、請求項１～３のいずれか一項に記載の導電性成形体の製造方法。
  5. 　前記第１の導電性粉末は、純チタン粉末及び／又はチタン合金粉末である、請求項１～４のいずれか一項に記載の導電性成形体の製造方法。
  6. 　第１の導電性粉末を成形して得られた予備成形体を収容して、その予備成形体に圧力を付与する収容加圧手段と、
    　前記予備成形体に直流パルス電流を流通して焼結する通電焼結手段と、
    　前記収容加圧手段と前記予備成形体との間に配置される第２の導電性粉末と、
    を備える導電性成形体の製造装置。
  7. 　前記第２の導電性粉末は、前記第１の導電性粉末とは異なる材料からなる粉末である、請求項６に記載の導電性成形体の製造装置。
  8. 　前記第２の導電性粉末は、炭素粉末及び／又は導電性セラミック粉末である、請求項６又は７に記載の導電性成形体の製造装置。
  9. 　前記第２の導電性粉末は、炭素粉末である、請求項６～８のいずれか一項に記載の導電性成形体の製造装置。
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