JPH02305904A - 被焼結物の焼結方法及びこれに使用するホットプレス装置 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） この発明はセラミックス、金属、又はこれらの複合材料
等を高温高圧下で焼結、圧着する被焼結物の焼結方法及
びこれに使用するホットプレス装置に間する。

（従来の技術） ホットプレス装置はセラミックスや金属、あるいは複合
材料などの粉体あるいは仮成形体を加圧焼結するのに広
く使用されており、従来より高機能の各種焼結体を得る
ため、プレス圧力をより高くし、連続生産することので
きる生産性の高いホットプレス装置が望まれていた。

このホットプレス装置の炉芯部の従来例の１つとしては
、第１図に示すように、被焼結物（４）を充填する筒形
状のカーボン鋳型（１）、発熱体（誘導加熱ではコイル
、抵抗加熱ではヒータ）（２）、断熱材（３）、パンチ
（上バンチ、下パンチ）（５）、押棒（６）、押台（７
）により構成されている。

そして、鋳型（１）内に被焼結物（４）を充填し、加熱
しながらパンチ（５）を介した押棒（６）、押台（７）
によって加圧することにより、被焼結物（４）を焼結す
るようになっている。

しかしながら、このような従来のホットプレス装置を用
いた場合、次のような問題点があった。

■−一軸加圧ため複雑形状のカーボン鋳型内では原料粉
である被焼結物の充填及び圧力伝播が十分に行われず、
そのため均一な物性を持った複雑形状の焼結体が得られ
ない。

■カーボン鋳型と被焼結物とが熱膨張係数の違いによフ
て焼きばめ状態になることと、加圧時にカーボン鋳型が
被焼結物と接触する部分で塑性変形すること等により、
焼結体の取り出しに時間がかかる。

これに対し、複雑形状物の焼結体を得る手段として、最
近熱閏等方圧プレス装置（ＨＩ　Ｐ＞を用いる方法がこ
ころみられているが、下準備が面倒で、非常なコスト高
につながる上、成形むらを生じさせないＨＩＰ独特のシ
ールの開発に未解決の問題もあって現状では十分に効果
があがっていない。

又、ホットプレス後の焼結体の鋳型からの取り出しにつ
いては、別にジヤツキ等の組み合せによる焼結体取り出
し装置を用いなければ取り出せず、生産性の向上を阻害
していた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は以上のような実情に鑑みてなされたものであり
、ホットプレス装置を用いて一軸加圧しながら焼結を進
行させる場合でも、均一な物性を備えた複雑形状の焼結
体を手軽に得ることができ、同時に鋳型からの焼結体の
取り出しに別の装置等を用いたり、多くの人手を要する
ことなく焼結体の容易な取り出しが可能な被焼結物の焼
結方法及びホットプレス装置を提供しようとするもので
ある。

（課題を解決するための手段） すなわち、請求項１記載の被焼結物の焼結方法は、鋳型
内に充填された被焼結物を加熱しながら一軸方向に加圧
し、被焼結物を焼結させる方法において、被焼結物に振
動を加えながら、加熱・加圧することを特徴とするもの
であり、請求項２記載のホットプレス装置は、鋳型の上
部及び下部に上パンチおよび下パンチを配置し、これら
パンチのいずれか一方を押圧する押台と押棒とを備えた
焼結させるホットプレス装置において、前記押台又は押
棒に鋳型内に充填された被焼結物に振動を加える振動発
生器を設けたことを特徴とするものである。　　　　　
′ 振動発生器としては圧縮空気の力で、ボールを回転させ
て振動を発生する空気式のバイブレータか高周波を用い
たモータ式のバイブレータが堅牢で故障が少なく好まし
いが、電磁振動や圧電振動等を利用した振動発生器でも
よく、特に制限はな振動発生器（８）は第２図〜第４図
に示すように押棒（６）の一方の先端に或は押台に直接
装着したり、上下両方の押棒の先端に或は押台に直接装
着して用いることができる。

又、振動を効率よく被焼結物（４）に伝えるためには本
出願人が以前に出願した特願昭６３−３０４７６３号に
開示した構造、すなわち押台（７）と押棒（６）との閏
の押圧面又は押棒（６）と、パンチ（５）との間の押圧
面の少なくとも１つが球面形状であることが効果的であ
る。

パンチ、押棒、押台の加圧軸方向の形状については一般
的には円柱形状であるが、ホットプレスする被焼結物の
形状によっては四角柱あるいは六角柱等の多角形状、そ
の他自由形状であってもよい。

振動発生器を装着したホットプレス装置の鋳型の素材を
含めてパンチ、押棒、押台の素材とじてはカーボンの他
にアルミナ、ジルコニア、カルシア等の酸化物セラミッ
クスや窒化珪素や窒化ホウ素等の窒化物セラミックス、
炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物セラミックス、及び耐
熱金属等があげられる。この他にも上記素材等を母材と
して炭素繊維や炭化珪素繊維等を用いた繊維強化複合材
やＣ／Ｃコンポジットあるいは粒子分散系複合材等を用
いて耐振動特性を向上させたものを使用することができ
る。

なお、素材としては、耐熱性、加工性、潤滑性、大型サ
イズ等の条件から見るとカーボン素材が好ましい。特に
カーボン素材の中でも等方性黒鉛材料は各種物性が全方
向でほぼ等しいので、材料取り、強度設計の点で都合が
よい。

ホットプレスを実施する際、被焼結体形状に合わせた複
雑形状の鋳型を用いるか、又は複雑形状に仮成形した被
焼結物を粉末状の二次圧媒と共に充填した単純形状の鋳
型を用いることができる。

二次圧媒の粉末としては、流動性が良好なこと、被焼結
物や鋳型などと反応しないこと、およびホットプレス後
の除去が容易であることなどの条件を基準に選定すれば
よく、黒鉛、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ホウ
素等の耐熱性材料を単味で、あるいは適宜混合して使用
することができる。二次圧媒粉末の形状としては、より
等方的に圧力を伝播できるように球形であることが好ま
しい。

次に実際のホットプレス条件としては、被焼結物の温度
が、その軟化温度に達した時点で５０Ｈｚ以上の振動を
加えながらプレスすると効果的である。もちろん、被焼
結物を加熱しはじめると同時に振動を加えてもよく、そ
の場合は充填が十分でなく、分解ガスや被焼結物内の残
留空気等が多い場合に採用するとよい。最終目標温度に
達したら、その温度水準を維持しつつ被焼結物の減厚が
それ以上進まなくなるまでプレス圧と振動な加える。プ
レス圧が解除され冷却の段階に入れば加える振動は、５
０Ｈｚ以下にするのが好ましく、振動を加えるのは上下
片側の押台、押棒、パンチからのみで、よい。

軟化温度から最終目標温度の温度範囲で加える振動は、
５０）（ｚ以上が好ましいのは、５０Ｈｚ未溝では軟化
しかかった被焼結物粉体が短時閏の内に十分撹乱されず
、その振動の伝播による効果を複雑形状のあらゆる部位
にいきわたらせるのに長時間を要するからである。又、
プレス圧を解除して冷却段階に入れば、鋳型と焼結体の
熱膨張係数のミスマツチ等による焼きばめ状態を取り除
いたり、二次圧媒の除去が目的となるので効果的な振動
は焼きばめ等の界面剥離を起こしやすい５０Ｈｚ以下が
効果的である。

（発明の作用） 請求項１記載の被焼結物の焼結方法では、被焼結物に加
える振動によって鋳型内への被焼結物の充填を充分に進
行させることができるとともに、焼結体の物性のバラツ
キをなくすことができる。

又、請求項２記載のホットプレス装置は押台又は押棒に
振動発生器を設けていることにより、次のような作用が
ある。

■振動発生器により加えられた振動が押棒、押台、パン
チを介して粉体の被焼結物に伝わることによって、加熱
加圧により軟化しはじめる際の被焼結物が攪乱、振動し
て、複雑形状の鋳型内のあらゆる部位まで被焼結物の充
填が均一に完全に進行するとともに、加熱加圧状態での
焼結をアクセレートすることができる。

■被焼結物の焼結の際に発生する副生ガス等が振動によ
り攪乱されガス抜けがよくなる。

■被焼結物の焼結前の充填密度が上がる。

■鋳型と焼結体の冷却時の熱膨張係数のミスマツチ等に
よる焼きばめ状態等が解消される。

（実施例） 次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。

実ｍ 第２図に示すように上部押台に振動発生器として空気式
のボールバイブレータを取り付けたホットプレス装置を
用いて複雑形状の窒化珪素を焼結した。１６００℃から
バイブレータを振動数５００Ｈｚで作動させ続け１７０
０℃で４０分間保持したところで圧力を解除した。圧力
を解除した後は振動数を５０Ｈｚにして冷却完了時まで
バイブレータを作動させた。

一方、比較例として振動発生器を取り付けてない従来の
ホットプレス装置を用いて同じ窒化珪素を振動を加えな
いこと以外は全て同じ条件で同様に焼結した。

この結果、実施例１の振動を加えた装置で得られた窒化
珪素焼結体は比較例の物に比べ物性のバラツキは１／１
５に減少した。又、比較例のものは焼結体を鋳型から取
り出す際に焼結体と鋳型の両者が強固に焼きばめ状態に
なフており取り出し治具を必要としたが、実施例１では
焼結体と鋳型は完全に剥離しており、焼結体の取り出し
に際し治具は必要としなかった。

寛厳■ユ 第３図に示すように、下部押台に振動発生器としてモー
ターの回転による偏芯運動で振動を発生するモータ一式
のバイブレータを取り付けたホットプレス装置を用いて
複雑形状の珪素合金を焼結した。１２００℃からバイブ
レータを振動数１００Ｈｚで作動させ続け、１４００℃
で３５分間保持したところで圧力を解除した。圧力を解
除した後は振動数を５０Ｈｚにして冷却完了時までバイ
ブレータを作動させた。

一方、比較例として振動発生器を取り付けてない従来の
ホットプレス装置を用いて同じ珪素合金を振動を加えな
いこと以外は全て同じ条件で焼結した。

この結果、実施例２の振動を加えた装置で得られた珪素
合金焼結体は比較例ものに比べ物性のバラツキは１／１
０に減少した。又、比較例のものは焼結体を鋳型から取
り出す際に焼結体と鋳型の両者が強固に焼きばめ状態に
なっており、取り出し治具を必要としたが、実施例２で
は焼結体と鋳型は完全に剥離しており、焼結体の取り出
しに際し治具は必要としなかった。

寛厳■ユ 第４図に示すように、上部、下部押台にそれぞれ振動発
生器として空気式のボールバイブレータを取り付けたホ
ットプレス装置を用いて複雑形状の酸化アルミニウムを
焼結した。１６５０℃から上部、下部のバイブレータを
振動数５００Ｈｚでそれぞれ作動させ続け、１８００℃
で２０分間保持したところで圧力を解除した。圧力を解
除した後は振動数を５０Ｈｚにして冷却完了時まで下部
押台に取り付けたバイブレータのみ作動させた。

一方、比較例として振動発生器を取り付けてない従来の
ホットプレス装置を用いて同じ酸化アルミニウムを振動
を加えないこと以外は全て同じ条件で同様に焼結した。

この結果、実施例３の振動を加えた装置で得られた酸化
アルミニウム焼結体は比較例のものに比べ物性のバラツ
キはｌ／２０に減少した。又、比較例のものは焼結体を
鋳型から取り出す際に焼結体と鋳型の両者が強固に焼き
ばめ状態になっており取り出し治具を必要としたが、実
施例３では焼結体と鋳型は完全に剥離してお゛す、焼結
体の取り出しに際し治具は必要としなかった。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項１記載の被焼結物の焼結方
法及び請求項２記載のホットプレス装置を用いることに
よフて、従来のホットプレス装置では作ることができな
かった複雑形状の焼結体を物性のバラツキが極めて少な
い状態で均一に作り出すことができ、同時に焼結体の鋳
型からの取り出しが簡単で生産性の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のホットプレス装置の炉芯部の概略をあら
れした断面図、第２図〜第４図は請求項２記載のホット
プレス装置の実施例を示す断面図である。 符号の説明 １・・・カーボン鋳型、２・・・誘導加熱コイル、３・
・・断熱材、４・・・被焼結物、５・・・パンチ、６・
・・押棒、７・・・押台、８・・・振動発生器。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）．鋳型内に充填された被焼結物を加熱しながら一軸
   方向に加圧し、被焼結物を焼結させる方法において、 被焼結物に振動を加えながら、加熱・加圧することを特
   徴とする被焼結物の焼結方法。 ２）．鋳型の上部及び下部に上パンチおよび下パンチを
   配置し、これらパンチのいずれか一方を押圧する押台と
   押棒とを備えたホットプレス装置において、 前記押台又は押棒に鋳型内に充填された被焼結物に振動
   を加える振動発生器を設けたことを特徴とするホットプ
   レス装置。