JPH05279711A - 中空複合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複合体に中空部を形成することを可能とす
る。 【構成】 高融点材料と低融点材料とでカプセル粉体１
０を形成し、このカプセル粉体１０を高湿度雰囲気中に
置いて吸湿させた後、そのカプセル粉体１０を型１４内
に充填して固形化することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カプセル粉末を用いた
中空複合体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化，地球環境の保護、特にＣＯ
₂ 問題に関連し、自動車及び自動車材料の軽量化が求め
られている。その中で、プラスチック材料は軽量化材料
としての用途，使用量を増やしてきたがリサイクル技術
の未確立もあり、また耐熱性に関して他の軽量化金属材
料と比べ劣るという問題から一部で問題視されている。

【０００３】そこで本出願人は、特願平３−７８５０８
号（発明の名称；焼結複合体およびその製造方法）に
て、高融点材料／低融点材料からなるカプセル粉末を用
いて固形化した焼結複合体を提案した。この高融点材料
としては、例えばＮｉ，Ｃｕ，Ａｌとかの金属材料から
なり、低融点材料としては、例えばＰＡ（ポリアミ
ド），ＰＥ（ポリエチレン），ＰＥＴ（ポリエステ
ル），ＰＣ（ポリカーボネート）とかのプラスチック材
料からなり、高融点材料を子粒子とし、低融点材料を核
粒子とし、この核粒子の外周に子粒子を固定化させてカ
プセル粉体とし、このカプセル粉体を焼結型内に充填し
て放電焼結により固形化して複合体を得ることを報告し
た。

【０００４】この固形化した複合体の密度は、約１．３
〜１．８ｇ／ｃｍ³ と核粒子と子粒子との混合割合にて
複合則にのっとり自由に変えることが判明した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これらのカ
プセル粉体の放電焼結実験過程で、内部に大きな気孔が
生じることがあり、試行錯誤の結果、カプセル粉体の乾
燥度によって気孔の有無及び大きさが左右されることが
判明した。

【０００６】そこで、本発明の目的は、この気孔が生じ
る現象をより積極的に利用して複合体に中空部を形成し
てより軽量化できる中空複合体の製造方法を提供するも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、高融点材料と低融点材料とでカプセル粉体
を形成し、このカプセル粉体を高湿度雰囲気中に置いて
吸湿させた後、そのカプセル粉体を型内に充填して固形
化するものである。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、吸湿させたカプセル粉体を
放電焼結させることで、焼結中にカプセル粉体に含まれ
た水分が蒸発して膨張し、これが適宜集合して中空部と
なり、この状態のまま固形化されることで中空複合体が
製造できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００１０】先ずカプセル粉体を形成する方法を図３に
より説明する。

【００１１】図３に示すようにカプセル粉体１０は、核
粒子１１の外周に子粒子１２を固定化させたもので、子
粒子１２として、高融点材料であるＮｉ，Ｃｕ，Ａｌと
かの金属材料を用い、核粒子１１として、低融点材料で
あるＰＡ（ポリアミド），ＰＥ（ポリエチレン），ＰＥ
Ｔ（ポリエステル），ＰＣ（ポリカーボネート）とかの
プラスチック材料を用いる。また、核粒子１１の径は数
１００μｍで、子粒子１２の径は核粒子１１の径に大し
て約１／１０小さい数１０μｍのものを用いるが、子粒
子１１を核粒子１２の数百分の一のものを用いてもよ
い。

【００１２】カプセル粉体１０の製造は、核粒子１１の
表面に子粒子１２を静電付着などで付着させた後、ハイ
ブリダイゼーション法により、すなわちこの粉体を高速
気流中で遠心転動させることでカプセル粉体１０を製造
する。

【００１３】次にこのカプセル粉体１０を恒温槽内の高
湿度雰囲気（７０〜９５％）中に一昼夜保管してカプセ
ル粉体１０を吸湿させる。

【００１４】この吸湿させたカプセル粉体を、図４に示
すように内面に絶縁層１３を施した焼結型１４内に充填
し上下のピン１５，１６で加圧しながら、パルス電圧発
生回路１７からピン１５，１６に設けた電極１８，１９
間にパルス電圧を交互に双方向から印加してカプセル粉
体１０を放電焼結する。

【００１５】この放電焼結によりカプセル粉体１０中に
含まれる水分が蒸発して水蒸気ガスとして適宜集合して
略球状の中空部となると共に焼結型１４から抜け出せず
に固形化され、図１（ａ），図２（ａ）に示すように、
そのままカプセル粉体１０の焼結複合樹脂部２０内に中
空部２１として残った中空複合体２３が製造できる。こ
の中空複合体２３の中空部２１は、カプセル粉体１０の
種類，加圧力などを変えることで図１（ａ）に示すよう
に中空部２１を一個とすることも図２（ａ）に示すよう
に複数個にすることもできる。

【００１６】図１（ａ），図２（ａ）に示した中空複合
体２３は、その後適宜圧延成形して図１（ａ），図２
（ａ）に示したように中空部２４を有するシート状乃至
偏平な複合成形体２５に成形することができる。

【００１７】次により具体的な実施例を説明する。

【００１８】実施例１ 子粒子１２として平均粒径３μｍのＮｉ粉と核粒子１１
として平均粒径５００μｍのＰＥ粉（ポリエチレン粉）
とを攪拌機にて攪拌することで静電気でＰＥ粉にＮｉ粉
を付着させた。この静電気的に付着した粉末を、高速気
流衝撃法（株式会社奈良機械製作所のハイブリダイゼー
ションを使用）にてＮｉ粉をＰＥ粉に強固に付着させて
カプセル粉体１０を製造した。

【００１９】次にこのカプセル粉体１０を、湿度７０〜
９５％の恒温槽内で一昼夜保管後、図４に示した焼結型
で放電焼結を行った。

【００２０】放電焼結の条件は以下の通りである。

【００２１】 加圧力 ５０Ｋｇ／ｃｍ² パルス電流のパルス幅 ６０ｍｓｅｃ 電流 ８００Ａ 得られた焼結体を中央から切断して断面を見たところ約
１７mmの中空部が複数個一体成形されていると共に中空
部の内面はツルツルで奇麗であることが観測できた。

【００２２】また比較としてカプセル粉体１０を吸湿せ
ずに１１０℃×３ｈの条件で乾燥処理して上記と同一条
件で放電焼結を行ってみたが中空部は形成されず、健全
な中実焼結複合体が成形できた。

【００２３】実施例２ 中空部の大きさの制御に関して実験を行った。

【００２４】先ずカプセル粉体として次の３種のものを
使用した カプセル粉体の製造方法はいずれもＰＥ平均粒径１００
μｍ，子粒子のＡｌ，Ｎｉ，Ｔｉは、それぞれＰＥの粒
径の１０分の１の１０μｍ（平均粒径）とし、混合比
は、核粒子に対してそれぞれ上述した比率で混合した。

【００２５】次にこのカプセル粉体〜にそれぞれ
０．１％の水分を添加した（但し水分を添加したのでな
く通常の吸湿にて０．１％添加）。

【００２６】これらカプセル粉体〜の固形化にはプ
ラズマ放電焼結法（ＰＡＳ）を用い、以下の条件で焼結
した。

【００２７】条件： 圧力 ２０００ｋｇ 形のサイズ ５０mmφ 厚み（固形化品） １０mm パルス放電 ９０ｓｅｃ 上記条件で焼結した後２５０℃に昇温して３分間保持し
た後空気冷却した。

【００２８】得られた焼結体の中空部の大きさは以下の
通りとなった 次にカプセル粉体の水分量を０．５％として上記ＰＡ
Ｓの処理条件で固形化してみたが中空部の平均粒径と個
数は上記と同様な結果となった。

【００２９】従ってこのことから中空部の制御は、水分
量でなく子粒子の焼結温度（融点）に比例することが分
かった。

【００３０】 プラズマ放電の第１ステップとして常温からパルス放電
を行うが〜の試料において、全て同じ時間９０ｓｅ
ｃ印加している。しかしながらプラズマ焼結する理論か
らみて９０ｓｅｃのうち有効に作用するのは材料によっ
て異なってき、かつその時間は各材料の焼結温度に比例
（焼結温度は融点×０．７と言われている）する。

【００３１】このことから各〜は、９０ｓｅｃのパ
ルス放電であるが、この時間内に焼結が完了する時間が
異なる。言い換えれば低融点材料ほど早く固形化し（焼
結し）、固形化した後のパルス放電は有効裡に働いてい
ないことになる。

【００３２】この子粒子の融点と中空部の関係を片対数
グラフ上にプロットすると図５に示すように略直線的関
係が得られる。この関係を式で表すと、 ｌｏｇＹ＝６．４８×１０^-4Ｘ＋１．８２ 但しＸは子粒子の融点（℃），Ｙは中空部の大きさ（m
m）、のように書き表すことができる。

【００３３】すなわち焼結条件は、焼結型とピンのプレ
ス型とで不完全ながら密閉型になっており、圧力をかけ
パルス放電を行い固形化するまでに水分が気体となりガ
ス化するが、これが固形化するまでに可動できる時間余
裕で中空部の大きさが決まるが、焼結型が不完全ながら
密閉型であるために焼結型からの放出は最外表面層のみ
で生じ、φ５０×１０mmのカプセル粉末内部のガスが閉
じ込められる。

【００３４】焼結型を導電性の超硬或いは非導電性のセ
ラミックスを用いようが、パルス放電時の電流密度は型
の中央より外側の外周部の方が高く早く固形化する。そ
のためにガス化した水分は早く固形化するものほどガス
の集結はなく、小さな中空部が分散したものとなり、逆
に固形化に時間がかかるものほどガスの集結が可能で大
きな中空部になる。

【００３５】材料として中空部を制御するには、上記の
試験結果から子粒子の材料の融点で中空部の大きさが決
まることが判明したが、部品として成形する場合、部品
の構造体としての性能は子粒子の選択で決定されるた
め、中空部の大きさの選定で子粒子を選択することはで
きない。従って子粒子を選定し、なおかつ内部の中空部
を制御して製造するには、図６に示した方法で中空部を
制御する。

【００３６】図６において、部品として核粒子がＰＥ
で、子粒子がＡｌの構造体の内部に２７mmの中空部を作
るには、先ず図６（ａ）に示すように焼結型３０内に、
子粒子がＡｌで核粒子がＰＥのカプセル粉体３１を充填
した後、図６（ｂ）に示すように充填したカプセル粉体
３１の層３２の中央部を凹ませ、図６（ｃ）に示すよう
凹み部３３に、子粒子がＴｉで核粒子がＰＥのカプセル
粉体３４を充填し、その後、図６（ｄ）に示すように子
粒子がＡｌで核粒子がＰＥのカプセル粉体３１を充填す
る。この様にすることで内部は中空部が大きくなるカプ
セル粉体３４の内側充填層３５となり、この外周は、構
造体としての性能を決めるＡｌが子粒子の外側充填層３
６とすることができる。

【００３７】従ってこれを放電焼結すれば、外側充填層
３６では、中空部が６mmであるが、内側充填層３５では
中空部が２７mmの大きなものを１個ないし２個形成でき
る。この外側充填層３６は層厚が３mm以上あればよく、
形成する中空部に応じてその外側充填層３６の層厚と内
側充填層３５の容量を決定すればよい。

【００３８】なお、中空部は完全な球形ではないため、
径は、（長径＋短径）÷２として求めた。

【００３９】上述のようにして中空複合体を製造し、図
１のようにシート状や薄型の成形体に成形する代りに、
中空体を利用して冷却中空部付きピストンに形成するこ
ともできる。これを図７により説明する。

【００４０】先ず、図７（ａ）に示すようにピストンの
外径に一致した円筒状の中空複合体４０を製造する。こ
の中空複合体４０の内部中央部には１個の中空部４１が
形成されるようにする。

【００４１】次に、図７（ｂ）に示すように中空複合体
４０の上面の中央を凹ませて凹み部４２を形成し、更に
図７（ｃ）に示すように窪み部４２の外周部４３を薄く
絞って全体にピストン形状体４４に成形するとピストン
面４４ａの外周近くに略環状の中空部４５が形成でき
る。次に図７（ｄ）に示すように中空部４５に冷却水を
供給するための出入り口をピストン面４４ａと反対側の
面をドリル加工で孔４６を形成して冷却中空部付ピスト
ンを製造できる。

【００４２】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、吸湿させ
たカプセル粉体を放電焼結させることで、中空部を有す
る中空複合体が製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す図である。

【図３】本発明に用いるカプセル粉体の拡大断面図であ
る。

【図４】本発明に用いる放電焼結装置を示す概略図であ
る。

【図５】本発明において、子粒子の融点と中空部の関係
を示す図である。

【図６】本発明の更に他の実施例を示す工程図である。

【図７】本発明で得られた中空複合体を用いてピストン
を製造する工程を示す図である。

【符号の説明】

１０ カプセル粉体 １４ 焼結型 ２０ 中空複合体 ２１ 中空部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高融点材料と低融点材料とでカプセル粉
   体を形成し、このカプセル粉体を高湿度雰囲気中に置い
   て吸湿させた後、そのカプセル粉体を型内に充填して固
   形化することを特徴とする中空複合体の製造方法。