JPH02213403A

JPH02213403A - 焼結部材の製造方法

Info

Publication number: JPH02213403A
Application number: JP1032664A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Yoshiyasu Ito; 義康伊藤; Saburo Ikeda; 池田　三郎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1989-02-14
Publication date: 1990-08-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は高融点金属及びセラミックス等の耐熱性焼結部
材の製造方法に関する。

（従来の技術）Ｗ、Ｎｏ及びこれらの合金やＺｒＯ□、　ｉ、Ｏ，等の
セラミックスのように融点が非常に高い材料を用いて部
材を作るには、一般に焼結法が用いられる。

しかし、これらの高融点材料は概して焼結性が悪く、焼
結には高い温度と長い時間が必要であるばかりでなく理
論密度に近い相対密度の焼結部材を得ることは困難であ
った。

近年、低い焼結温度で高い相対密度を得る方法として、
これらの高融点材料粉末中に融点の低いＮｉ、　Ｃｕ等
の粉末を添加する方法が試みられている。

実際、この方法によれば容易に高い相対密度を有する焼
結部材を得ることは可能であるが、使用可能温度が著し
く低下し材料本来の特性を発揮することができない。

また、サーメットのような材料については焼結後に高温
等方加圧（ＨＩＰ　：　ｔ（ｏｔ　　ｌ５ｏｓｔａｔｉ
ｃ　Ｐｒｅｓｓ−ｉｎｇ）処理を行うことにより高密度
化を図っている。

ＨＩＰ処理とはヒータを内臓した圧力容器の中に被処理
物を入れ、この容器の中に高圧のガスを導入し被処理物
を加熱・加圧することにより、被処理物内に残留してい
る気孔を押し潰し高密度化を図るものであるため、予め
ＨＩＰ処理前の仮焼結段階である程度密度を上げておく
必要がある。すなわち、仮焼結体の密度が低いと焼結体
中の気孔が外界と通じている開気孔となり、ＨＩＰ処理
時の加圧源であるガスがこの気孔内に侵入し、焼結体中
の気孔内圧力と圧力容器内のガス圧力が等しくなり焼結
体中の気孔を押し潰すことができないからである。した
がって、仮焼結体中の気孔は全て外界と通じていない閉
気孔にする必要があるが、上記のような高融点金属やセ
ラミックスは焼結性が悪いため、仮焼結段階で全ての気
孔を閉気孔にすることは不可能である。　従来、このよ
うな難焼結材料をＨＩＰ処理により緻密化するためには
内部を真空にしたキャン（容器）の中に被処理物を密閉
、封入する“キャニング″という作業が必要であった。

すなわち、このキャンにより被処理物内にガスが侵入す
るのを防ぎ、ガス圧力によりこのキャンを押し潰すこと
で、被処理物を、加熱・加圧成形するものである。

キャンの構成を第５図を用いて説明する。被処理物１１
は圧力媒体１４やキャン１２と反応しないようにバリヤ
ー層１３で覆った後、キャンの中に入れ加熱（ベーキン
グ）しながら脱気パイプ１５を通してキャン内の空気を
真空ポンプで抜き、その状態で脱気パイプを溶接等によ
り真空封入しＨＩＰ処理に供する。

（発明が解決しようとする課題）上記方法において、キャンの材料としてはＨＩＰ処理温
度以上の融点を有し、かつ、ＨＩＰ処理時の圧縮変形に
耐えられるような高温で十分な延性を持っている必要が
ある。このような要求を満たす材料として一般にはガラ
スや軟鋼が使われるが、軟鋼は融点が低く、上記高融点
材料のＨＩＰ処理に使用することは出来ない。また、ガ
ラスはＨＩＰ処理温度が高過ぎると粘性が低下し被処理
物の重さでガラスが切れキャンがリークする。逆に、温
度が低過ぎると軟化せずＨＩＰ処理時のガス圧で圧壊す
るので、その使用可能温度は非常に狭いという問題があ
る。

圧力媒体の材料、バリヤー層の材料に要求される特性と
しては、キャンの外側から作用する圧縮ガス圧力を被処
理物に伝達する必要が有るのでＨＩＰ処理時の高温・高
圧下でも焼結しないことが要求される。また、キャン、
圧力媒体、バリヤー層、被処理物がお互いに反応し低融
点の化合物を形成したり、キャンや被処理物を脆化させ
るような材料は不適格である。しかしながら、現在、１
５００℃を超えるような温度でこのような要求を完全に
満たす材料はほとんど無いのが現状である。

さらに、上記のような技術的問題に加えこのようなキャ
ンニング作業には様々な設備を必要とするだけでなく、
非常に多大の時間とコストが要求される。また、キャン
ニングすることにより被処理物の体積はキャニング前の
５〜２０倍にもなり。

使用するＨＩＰ処理装置もかなり大形のものが必要とな
る。従って、従来のキャニングＨＩＰ処理方法は部品試
作の場合のように軽量、小形部材を少量、かつ、生産コ
ストを考えないで作る場合は十分適用可能であるが、重
量が数１００Ｋｇもあるような被処理物を大量に生産す
ることはコスト的に不可能であった。また、上記のよう
な高融点金属やセラミックスのＨＩＰ処理温度は通常１
５００℃以上であるため、バリヤー層や圧力媒体と被処
理物との反応による被処理物表面での反応生成物層の形
成は避けることが出来ず、この被処理物表面に形成され
た反応酸物層のために被処理物の特性が劣化したり被処
理物とバリヤー層が融着し離型ができなくなることも有
る。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
大形かつ大量の高融点金属またはセラミックスのように
焼結性の悪い部材を低コストで高密度化が図れ、かつ、
高品質の焼結部材が得られる製造方法を提供することを
目的とする。

〔発明Φ構成〕

（８題を解決するための手段）本発明は高融点金属粉末またはセラミックス粉末を焼結
して製作した仮焼結部材の表面部を加熱し緻密化するこ
とにより表面部近傍の気孔を無くし、この表面層に上記
キャンの役割を持たせて焼結部材内に残留している気孔
を全て外界と通じていない閉気孔にして後ＨＩＰ処理す
ることを特徴とする。

（作　用）焼結終了直後の仮焼結部材１内には第２図（ｂ）に示す
ように多数の気孔１０が残留しているが、この段階での
相対密度は低く、残留している気孔の大部分は外界と通
じている開気孔である。したがって、仮焼結部材１内の
気孔を無くし高密度化を図るため、このままの状態でＨ
ＩＰ処理を施しても仮焼結部材１中の気孔にＨＩＰ処理
時の圧力媒体であるガス９が進入し、仮焼結体中の気孔
内圧力と圧力容器内のガス圧力が等しくなり仮焼結体中
の気孔ＩＯを押し潰すことができない。

しかし、第２図（ａ）に示すように仮焼結体１の表面を
その材料が十分緻密化する温度または溶融する温度まで
加熱することによ゛り焼結体表面層４内の気孔を無くし
、その結果、仮焼結体内に残留している気孔８を外界と
通じていない閉気孔にすることができる。この状態でＨ
ＩＰ処理を施すとこの焼結体表面層４がキャンの効果を
有するため、圧力容器内のガス９は緻密な焼結体表面層
４がバリヤーとなり、仮焼結体内の気孔８内に進入する
ことができない、よって、圧力容器内のガス圧力により
仮焼結部材１は加圧・加熱成形され焼結体内の気孔８は
押し潰され高密度の焼結部材を得ることができる。

また１本方法によれば単に高価なキャニング作業が不要
になるだけでなく、キャニングに不可欠なバリヤー層ま
たは圧力媒体を使わないため、仮焼結体とこれらの材料
との間の反応を心配する必要がな（焼結体の品質劣化が
生じない。

（実施例）以下、本発明に係わる焼結部材の一実施例を第１図を参
照して説明する。

まず、第１図（ａ）にしめずような水素炉で焼結したタ
ングステン仮焼結材１を用いた。この段階におけるタン
グステン仮焼結材１の相対密度は使用したタングステン
粉末の粒度や焼結温度等により変わるが、大形タングス
テン部材においてはおよそ８５〜９０％である。このタ
ングステン仮焼結材１を真空チャンバー２のなかに入れ
高真空にした後、電子ビーム３をタングステン仮焼結材
１の表面に当て溶融させることにより緻密な焼結体表面
層４を形成させる（同図（ｂ）　）　、このような方法
でタングステン仮焼結材の全表面に緻密な焼結体表面層
４を形成した後（同図（Ｃ））、ＨＩＰ処理装置５の中
にセットし、ヒータ６により加熱すると共に等方ガス圧
カフにより加熱・加圧成形する。

（同図（ｄ））。この際、タングステン仮焼結材表面に
形成させる緻密層４の厚さを厚くし過ぎると層内に割れ
が発生するので、できるだけ簿いほうが望ましい０本実
施例では電子ビームの出力を調整し、この緻密層の厚さ
が５００〜７００．になるようにした。また、仮焼結材
表面に緻密な表面層を形成する雰囲気としてはタングス
テン、モリブデンのような金属や５ｉＣｔ　５ＩＧＮ４
のようなセラミックスは酸化を防ぐため真空中もしくは
不活性ガス中で行う必要があり、　ＺｒＯ，やＡｌ１，
０．のような酸化物セラミックスは真空中で加熱すると
＃素の解離を生じるので大気中で行うことが好まして、
一方、そ°の方法としては加熱する雰囲気により左右さ
れるが真空中もしくは不活性ガス中で加熱する場合には
高周波加熱、通電加熱、電子ビーム加熱が適しており、
大気中で加熱する場合にはレーザー加熱。

バーナー加熱、電気炉加熱が適している。

第２図Ｃａ）に示すように、この方法によりタングステ
ン仮焼結材１の表面を加熱することにより形成させた緻
密な焼結体表面層４はＨＩＰ処理の際、高圧ガス９の仮
焼結材内部の気孔８への侵入に対しバリヤーとなるので
、キャニングしてＨＩＰ処理を行ったのと同じ効果が得
られる。したがって、タングステン仮焼結材１はＨＩＰ
処理により加熱・加圧成形され、高密度のタングステン
焼結材を製造することができる。さらに１本方法は従来
のキャニングＨＩＰ処理と異なりバリヤー層や圧力媒体
を必要としないので、バリヤー層や圧力媒体とタングス
テン焼結材との反応を心配する必要もなく、得られるタ
ングステン焼結材は品質的にも優れている。

このような方法によりタングステン焼結材表面に緻密な
表面層を形成させたものを、様々な温度でＨＩＰ処理し
た場合のタングステン（試験片Ａ）の相対密度を従来の
キャニングしてＨＩＰ処理した場合（試験片Ｂ）及びキ
ャニングをしないでＨＩＰ処理した場合（試験片Ｃ）と
比較して第３図に示す。同図より本実施例で用いたタン
グステン焼結材の相対密度は約９１％であったが１本発
明により製作し、ＨＩＰ処理を施した後タングステン（
試験片Ａ）の相対密度はＨＩＰ処理温度に依存するがお
よそ９８．０〜９９．８％であった。また、同じ相対密
度約９１％のタングステン焼結材を従来のようにキャニ
ングしてＨＩＰ処理したタングステン（試験片Ｂ）の相
対密度はおよそ９６．７〜９９．２％であった。本発明
により製作したタングステン（試験片Ａ）の方が従来の
キャニングしてＨＩＰ処理したもの（試験片Ｂ）に比べ
相対密度が高いのは、キャン内のバリヤー層や圧力媒体
がＨＩＰ処理過程で多量のガスを放出するため、キャン
内の真空度が低下するためである。一方、焼結したまま
のタングステンをＺＨＩＰ処理したもの（試験片Ｃ）の
相対密度はほとんど変化しないことがわかる。

第４図は本発明により製作したタングステン（試験片Ａ
）と従来のようにキャニングしたタングステン（試験片
Ｂ）の２０００℃でＨＩＰ処理したものについて、その
表面部及び中央部の曲げ強度を示す。同図より、本発明
により製作したタングステン（試験片Ａ）の曲げ強度は
中央部と表面部でほとんど差が認められないが、キャニ
ングしたタングステン（試験片Ｂ）の表面部の曲げ強度
は中央部の１／４〜１７５程度しかないことがわかる。

これはバリヤー層（本実施例では窒化ボロン）とタング
ステンが反応し、タングステン表面に脆いタングステン
窒化物及びタングステンホウ化物を形成したためである
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高融点金属やセラミックスのような焼
結性の悪い材料でも低コストで高密度化が図れ、かつ１
品質適にも優れた耐熱焼結部材の製造方法を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明に係わる焼結部材の製造
方法の一実施例を示す工程図、第２図（ａ）は本発明に
より得られるＨＩＰ処理前の焼結体表面の断面模式図、
第２図（ｂ）は仮焼結直後の断面模式図、第３図は本発
明と従来例とのＨＩＰ処理後の相対密度の変化を示した
特性図、第４図は本発明と従来例とのＨＩＰ処理後の均
一性を示す曲げ試験結果を示す図、第５図は従来のＨＩ
Ｐ処理で用いていたキャンの構成を示す断面模式図であ
る。１・・・タングステン仮焼結体　２・・・式空チャンバ
ー３・・・電子ビーム４・・・焼結体表面に形成された緻密層５・・・ＨＩＰ
処理装置　　　　６・・・ヒーター７・・・ガス圧力　
　　　　　　８・・・閉気孔９・・・高圧ガス　　　　
　　　１０・・・開気孔（α）＜ｂ）第１図〜９第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属粉末またはセラミックス粉末で仮焼結体を製
作し、その後この仮焼結体の表面を加熱することによっ
てこの仮焼結体の表面に高密度層を形成し、その後、高
圧等方加熱により成型することを特徴とする焼結部材の
製造方法。
（２）前記金属粉末としてはＷ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｒ
ｅ及びこれらを主成分とする合金粉末から選択された少
なくとも１種からなるものであることを特徴とする請求
項１記載の焼結部材の製造方法。
（３）前記セラミックス粉末としてはＡｌ＿２Ｏ＿３，
ＺｒＯ＿２，Ｙ＿２Ｏ＿３，ＳｉＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，
Ｓｉ＿３Ｎ＿４，ＺｒＮ，ＴｉＮから選択された少なく
とも１種からなるものであることを特徴とする請求項１
記載の焼結部材の製造方法。