JPH05302103A - 金属焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プレス型の製造過程においてガス交換及び蒸発
分離が阻止されないようにする。 【構成】金属焼結体は、プレス装置の父型（１，２）ま
たは母型（３）として構成され、ガス抜きダクト（８）
を備えている。ガス抜きダクト（８）は、金属焼結体の
外面にて荷重の少ない横断面領域に通じている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硬金属から成る大きな
焼結体、特に硬金属製の父型、母型、及びその製造方法
に関するものである。焼結体は、ダイアモンドまたは立
方晶系窒化硼素の超高圧合成体、及び多結晶ダイアモン
ドまたは立方晶系窒化硼素の超高圧焼結体のためのプレ
ス工具として使用される。

【０００２】

【従来の技術】この種の硬金属父型及び硬金属母型は、
“ベルト”または“ガードル”式プレス装置の主要な構
成要素として知られている。他の超高圧プレス装置は、
父型複数設置の原理(Vielstempelprinzip)に基づいて構
成されている。母型は必要ない。例えば、四つの父型を
備えた正四面体形プレス装置、及び六つの父型を備えた
六面体形プレス装置が知られている。このようなプレス
装置の場合、前述のプレス装置の場合と同様、型はラム
であり、切頭円錐状の形状ではなく、面取りされた三角
形ピラミッドまたは面取りされた正方形ピラミッドの形
状を有している。

【０００３】実験室で製造可能な合成体で十分である比
較的小さいプレス装置用の硬金属父型及び硬金属母型の
製造に関しては、従来大きな問題は生じていない。しか
しながら、ダイアモンド及び立方晶系窒化硼素の工業的
生産、または前記の多結晶生産物にたいしては、適宜に
大きな父型及び母型を備えた大型のプレス装置が必要で
ある。

【０００４】大きな父型とは、プレス面の直径が４０ｍ
ｍ以上、ベース面の直径が８０ｍｍ以上、高さが６０ｍ
ｍ以上の父型である。これに対応して大きな母型とは、
内径が４０ｍｍ以上、外径が１２０ｍｍ以上、高さが６
０ｍｍ以上の母型である。

【０００５】より大型の超高圧プレス装置の開発が続け
られているので、このような硬金属父型及び硬金属母型
のサイズの上限を予測することは現在のところ不可能で
ある。

【０００６】大きな父型の典型的な例は、プレス面の直
径が１２０ｍｍ、ベース面の直径が２４０ｍｍ、高さが
１８０ｍｍのものである。これに対応して大きな母型の
典型的な例は、内径が約１２０ｍｍ、外径が３６０ｍ
ｍ、高さが１２０ｍｍのものである。父型及び母型が大
きければ大きいほど、それを製造するための焼結過程に
問題が生じる。

【０００７】硬金属部品の製造は、硬質炭化物とメタル
バインダとの粉末混合物をプレスし、焼結させることに
よって行なわれる。超高圧技術用の父型と母型は、炭化
タングステンとメタルバインダとしてのコバルトとの混
合物から製造するのが有利である。

【０００８】この基本粉末は微粒状であり、通常の湿式
粉砕によりさらに粉砕されて、より密に混合される。次
に粉末混合物は、プレス過程の準備のために顆粒化され
る。このため顆粒化剤が使用される。この顆粒化剤は、
通常パラフィンまたはワックスから成り、その成分はほ
ぼ０．５重量％ないし２重量％である。より粗い粉末の
プレスは、ゴム型を用いて冷間平衡プレス法により１０
０ないし２００Ｍｐａの圧力で行なうのが有利である。
その後、細断により、寸法を修正する成形が行なわれる
ことがある。この成形では、本来の焼結の際に生じる収
縮（コンスタントに約２０％である）が考慮される。し
かし、ほとんどの場合、成形加工は予焼結の後で行なわ
れる。

【０００９】プレス品の予焼結は、温度を上昇させて行
なわれる。最終温度は、約９７０Ｋないし１１７０Ｋで
ある。この予焼結の最初の部分では約７００Ｋの温度範
囲であり、この温度範囲のときに顆粒化バインダが蒸発
する（離間する）。次のより高い温度範囲では、ガス
（ＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，ＣＨ₄）が発生する。これらの
ガスは、残余の金属酸化物と炭素成分及び炉内の雰囲気
とが相互作用する際に焼結体内に生じるものである。予
焼結過程が終了すると、焼結体はまだ微孔性を有してい
るが、十分に純粋であり、即ちガスまたは蒸気を放出す
る残滓から自由である。

【００１０】予焼結することにより、比較的大きな焼結
収縮は生じない。予焼結された焼結品は処理しやすく、
機械的に加工しやすく、本来の焼結過程において期待さ
れる全収縮に対応して、所定の完成寸法を可能な限り正
確に達成することができる。

【００１１】硬金属粒子の最終的な焼結は、水素雰囲気
のもとで、有利には真空内で行なわれる。最終温度まで
温度が上昇すると（最終温度は、硬金属の種類に応じ
て、即ち成分と所望の組織に応じて１６００Ｋと１９０
０Ｋの間である）、液相が生じ、最終的には微孔性のな
い、またはほとんど微孔性のない密な焼結が行なわれ
る。

【００１２】以上簡単に述べた硬金属焼結体の製造過程
は、超高圧プレス技術のための父型及び母型の製造に典
型的なものである。

【００１３】蒸気の大きな焼結品を製造するための方法
の問題は予焼結であり、特に離間とガス抜きである。さ
らに、開口した穴が存在する、最終的な焼結過程の最初
の部分も問題であり、これらの穴はほぼ反応性のガス雰
囲気によって達成されるべきものであり、または真空に
よってガスから解放されるべきものである。

【００１４】十分に圧縮された微粒状のプレス組織を有
する大きな焼結体の場合、ワックス成分またはパラフィ
ン成分の放出、反応性のガス交換、及びガス抜きは、比
較的長く、幾重にも分岐し、非常に狭い通路を介して行
なわねばならない。小さな焼結体の場合には、内部から
表面までの距離がより短いため、このような状況は比較
的好都合であり、特に問題はない。しかし大きな焼結体
の場合には、長い通路は不都合である。従って、予焼結
の中間温度までの時間は、焼結品の大きさに比して過大
に延長されねばならない。よって製造コストが著しく高
くなる。離間時間を長くしたにもかかわらず分解残滓が
残留し、炭素成分の質を落すという危険、または成長残
滓が蒸発する際の膨張が穴を形成させるという危険は、
焼結横断面の大きさと共に増大する。さらに、残留酸化
物を減少させるための条件が好ましいものではない。な
ぜなら、水素の供給と、ガス状酸化物の導出が著しく損
なわれるからである。最後に、外部から真空を作用させ
ることにより大きな横断面の内部の穴のガス抜きを行な
う過程が影響を受ける。

【００１５】しかし、大きな硬金属焼結品は極端な荷重
にたいして設けられており、その結果最大荷重を受ける
横断面部は弾性範囲を多少越えるので、品質または強度
が少しでも低下すると、その技術的荷重能力に、従って
その機能に決定的に影響を及ぼす。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、焼結
過程を改善することにより、ガス交換及び蒸発分離が阻
止されないようにすること、少なくともこのような阻害
を低減させることである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、金属焼結体が、プレス装置の父型または母
型として構成され、且つガス抜きダクトを備えており、
該ガス抜きダクトは、金属焼結体の外面にて荷重の少な
い横断面領域に通じていることを特徴とし、このような
金属焼結体の製造方法においては、プレス体を焼結する
前に、プレス体にガス抜きダクトを設けることを特徴と
するものである。

【００１８】最大の荷重を受ける領域における焼結体の
上面は、できるだけ開口によって中断されるべきもので
なく、且つ最大荷重を受ける横断面部がダクト、穴によ
って狭くなって弱くなるべきではないので、ガス抜きダ
クトは、荷重の少ない上面から出て、荷重の少ない横断
面部を通り、最大荷重を受ける横断面部へ達している。
この場合、ガス抜きダクトは袋状ダクトまたは袋穴であ
り、または貫通するダクトまたは穴であることもでき
る。

【００１９】これら複数のガス抜きダクトは、プレス後
に、即ち予焼結前に設けるのが有利である。なぜなら、
離間(Entwachsung)過程に好都合であるからである。

【００２０】ガス抜きダクトは、金属ドリルを用いて穴
を穿設することにより、焼結体のプレス後設けることが
できる。

【００２１】他方、ガス抜きダクトを既にプレスの際に
形成させることができる。この場合、プレス型の粉末充
填部にピン、棒、ワイヤーを挿入し、この状態でプレス
することによりガス抜きダクトを形成させる。焼結体を
プレスした後、これらの部材は離隔される。金属または
プラスチックから成る筒状または円錐状の棒が合目的で
ある。特に薄いダクトにたいしては、ワイヤーを使用す
ることができる。

【００２２】棒がワックスから成っていれば、プレス後
機械的に離隔させる必要はない。なぜなら、ワックスか
ら成る棒は予焼結の際に蒸発離間(ausdampfen)するから
である。

【００２３】粗孔性の材料から成る棒、例えば酸化アル
ミニウム、または粗孔性になるように予焼結された硬金
属から成る棒は、同様にガス通路として使用することが
できる。この棒も予焼結後離隔させる必要はない。

【００２４】焼結完了した金属体の中に残っている穴
は、結果的には不都合なものではない。しかしこのよう
な穴が特別な技術的理由から望ましくない場合には、例
えば金属または他の材料から成る棒、ピン、または粉末
を圧入、蝋付け、または接着することにより、このよう
な穴を塞いでもよい。例えば液体または不純物がガス抜
きダクト内へ達すると不都合な場合には、ガス抜きダク
トを鋳造プラスチックで塞いでもよい。

【００２５】

【実施例】次に、本発明の実施例を添付の図面を用いて
説明する。

【００２６】図１は、二つの父型１と２と、一つの母型
３とを備えたプレス装置を示す図である。このプレス装
置は、ダイアモンドの超高圧合成体及び多結晶ダイアモ
ンドの超高圧焼結体の製造に用いる。この場合父型１と
２と母型３とは、その横断面のうちハッチングで示した
領域４，５，６において極めて高い荷重を受け、とりわ
け４．０ＧＰａ以上の高圧と、これに加えて５００Ｋ以
上の温度で荷重される。このように非常に高い荷重は、
反応空間を取り囲んでいる表面部と、その下にある父型
１，２及び母型３の横断面とに生じる。

【００２７】父型１，２及び母型３は、焼結方法で製造
された硬金属体である。型の製造の際に生じる問題を回
避するため、即ち型を最適な条件で焼結させることがで
きるように、型はガス抜き穴またはガス抜きダクトを備
えている。図面では、このガス抜き穴またはガス抜きダ
クトを符号８で示した。

【００２８】図２は、ガス抜き穴８を備えている父型１
を示している。ガス抜き穴８は、父型１の表面から同心
に該父型１の片面の方向へ延び、下部部分において先細
りに構成されている。このようにガス抜き穴８は、父型
１の、荷重の少ない横断面から、荷重の高い横断面の方
向へ延びている。荷重の高い横断面においては、ガス抜
きダクト８の直径Ｄ₁₃は小さい。

【００２９】父型１は全高Ｈ₁₀を有している。全高Ｈ₁₀
は、筒状部分の高さＨ₁₁と、これに接続している円錐状
部分の高さから成る。Ｄ₁₀は全直径であり、Ｄ₁₁はプレ
ス面の直径である。ただ一つのガス抜き穴８は、高さＨ
₁₂の領域でＤ₁₂の直径を有し、全高Ｈ₁₃の残りの部分に
たいしてはＤ₁₃の直径を有している。

【００３０】図３は、中心部に配置されるガス抜きダク
ト８と、同心に配置される別のガス抜き穴８とを備えた
父型を示している。焼結を終了した硬金属体の寸法は以
下のとおりである： 父型１のベースの直径 Ｄ₁₀：２４０ｍｍ（約２９０ｍ
ｍ） プレス面の直径 Ｄ₁₁：１２０ｍｍ（約１４５ｍ
ｍ） 全高 Ｈ₁₀：１８０ｍｍ（約２１５ｍ
ｍ） 筒状部分の高さ Ｈ₁₁：１００ｍｍ（約１２０ｍ
ｍ） なお、括弧内の数字は予焼結以前のプレス体の寸法であ
る。

【００３１】プレス体の製造は、ＷＣ−ＣＯ粉末顆粒を
冷間平衡プレスすることにより行なわれる。ＷＣ−ＣＯ
粉末顆粒は、顆粒化・プレス補助手段として１．５％の
パラフィンワックスを含んでいる。

【００３２】予焼結する前に、プレス体には七つの穴が
設けられる。これらの穴の直径は５ｍｍである。中心部
の穴の深さは、Ｈ₁₂＝１６５ｍｍである。残りの六つの
穴は、直径がＤ₁₄＝１４０ｍｍの円上に等間隔に配置さ
れ、深さはＨ₁₄＝１４０ｍｍである。焼結の際、穴の寸
法は約２０％小さくなる。

【００３３】完成した焼結体は、隔離して上記の目標寸
法に切削される。上記のごとく配置された穴は、焼結体
を超高圧型として使用するために不都合を生じさせない
ので、処理も密閉もされない。

【００３４】図４に図示した焼結体では、外側に位置す
るガス抜きダクトは、中心部に配置される高さＨ₁₂のガ
ス抜きダクトよりも長く、即ち深さＨ₁₆である。また、
外側に配置されるガス抜きダクトは軸方向斜めに向けら
れている。これらの外側のガス抜きダクトは、直径Ｄ₁₆
の円弧から出ている。直径Ｄ₁₆は、図３の円弧Ｄ₁₄の直
径よりも大きい。

【００３５】図５は、半径方向に配置されるガス抜きダ
クト８の配置を示している。これらのガス抜きダクト８
は、父型の表面から間隔Ｈ₁₅とＨ₁₆を持ってそれぞれ円
弧上に配置されている。

【００３６】図示した実施例に加えて、半径方向及び軸
方向に延びるガス抜きダクトを備えた父型も可能であ
る。

【００３７】図６は、母型３の実施例を示している。母
型３の外径はＤ₁、内径はＤ₂であり、ガス抜き穴８の長
さはＨ₃である。ガス抜き穴８は、直径Ｄ₃の円弧から軸
方向へ延びている。これらのガス抜き穴は、母型３の下
面から上方へも、また逆方向へも延びている。

【００３８】図７は同様の配置を示すものであるが、ガ
ス抜きダクト８はより短く構成されており、その結果ガ
ス抜きダクト８は一つの横断面内で互いに対向して延び
るように配置されている。

【００３９】図８は、ガス抜きダクト８が半径方向へ延
びる実施例を示している。これらのガス抜きダクト８
は、母型３の異なる高さに円弧上に配置されている。

【００４０】図９の実施例では、ガス抜きダクトの一部
は部分的に半径方向へ向けられており、且つ一部は軸方
向斜めに、即ちプレス室の壁の方向へ向けられている。

【００４１】図１０は、母型３内で半径方向に延びるガ
ス抜きダクトと、軸方向に延びるガス抜きダクトとを組
み合わせた実施例である。

【００４２】図１１は、ガス抜きダクト８またはガス抜
き穴が貫通している母型３を示す。

【００４３】焼結が完成した硬金属体３の寸法は以下の
とうりである： 外径Ｄ₁：３６０ｍｍ（約４３０ｍｍ） 内径Ｄ₂：１２０ｍｍ（約１４５ｍｍ） 高さＨ₁：１２０ｍｍ（約１４５ｍｍ） なお、括弧内の数字は予焼結以前のプレス体の寸法であ
る。

【００４４】プレス体の製造は、ＷＣ−ＣＯ粉末顆粒を
冷間平衡プレスすることにより行なわれる。ＷＣ−ＣＯ
粉末顆粒は、顆粒化・プレス補助手段として１．７％の
パラフィンワックスを含んでいる。

【００４５】予焼結する前に、プレス体には貫通する穴
が設けられる。これらの穴の直径は６ｍｍであり、直径
がＤ₃＝３００ｍｍの円上に等間隔に配置される。焼結
後のこの円弧の直径は、約２５０ｍｍである。

【００４６】完成した焼結体は、隔離して上記の目標寸
法に切削され、超高圧母型として使用される。ガス抜き
ダクトは加工されない。ガス抜きダクトは、超高圧母型
を使用する場合、冷却液のためのダクトとして使用され
る。

【００４７】次に、本発明の有利な構成を列記してお
く。

【００４８】（１）ガス抜きダクト（８）が袋穴として
構成され、該袋穴が、荷重の少ない横断面領域から高荷
重を受ける横断面領域へ延びていることを特徴とする金
属焼結体。

【００４９】（２）ガス抜きダクト（８）が、貫通穴と
して構成されていることを特徴とする金属焼結体。

【００５０】（３）ガス抜きダクト（８）が、軸方向及
び半径方向の少なくとも一方へ向けられており、且つプ
レス工具（１，２，３）の上面及び外面の少なくとも一
方まで延びていることを特徴とする金属焼結体。

【００５１】（４）焼結体が、ガス抜きダクト（８）を
備えたプレス型（１）として構成され、ガス抜きダクト
（８）が、袋穴として構成され、且つプレス型（１）の
上面から型面の方向へ延びるように中心部に配置されて
いることを特徴とする金属焼結体。

【００５２】（５）ガス抜きダクト（８）の直径が２な
いし８ｍｍであることを特徴とする金属焼結体。

【００５３】（６）複数のガス抜きダクト（８）が、同
心の円弧上に配置されていることを特徴とする金属焼結
体。

【００５４】（７）金属焼結体が超高圧型（１）であ
り、その最大直径（Ｄ₁₀）が８０ｍｍ以上であり、全高
（Ｈ₁₀）が６０ｍｍ以上であることを特徴とする金属焼
結体。

【００５５】（８）金属焼結体が超高圧母型であり、そ
の内径（Ｄ₂）が４０ｍｍ以上であり、外径（Ｄ₁）が１
２０ｍｍ以上であり、全高（Ｈ₁）が６０ｍｍ以上であ
ることを特徴とする金属焼結体。

【００５６】（９）プレス体（１，２，３）を予焼結さ
せる前にガス抜きダクト（８）を設けることを特徴とす
る方法。

【００５７】（１０）金属焼結体をプレス工具として使
用する場合、ガス抜きダクト（８）が荷重の少ない上面
領域から出て横断面部の荷重の少ない領域を通るよう
に、ガス抜きダクト（８）を設けることを特徴とする方
法。

【００５８】（１１）ガス抜きダクト（８）を袋穴とし
て構成することを特徴とする方法。

【００５９】（１２）ガス抜きダクト（８）を貫通穴と
して構成することを特徴とする方法。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、ガス交換及び蒸発分離
が阻止されない金属焼結体、及びその製造方法が提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１つの母型と二つの父型を備えた公知の構成を
示す図である。

【図２】本発明による父型の実施例を示す図である。

【図３】本発明による父型の変形実施例を示す図であ
る。

【図４】本発明による父型の変形実施例を示す図であ
る。

【図５】本発明による父型の変形実施例を示す図であ
る。

【図６】本発明による母型の実施例を示す図である。

【図７】本発明による母型の変形実施例を示す図であ
る。

【図８】本発明による母型の変形実施例を示す図であ
る。

【図９】本発明による母型の変形実施例を示す図であ
る。

【図１０】本発明による母型の変形実施例を示す図であ
る。

【図１１】本発明による母型の変形実施例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，２ 父型 ３ 母型 ８ ガス抜きダクト

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属焼結体が、プレス装置の父型（１，
   ２）または母型（３）として構成され、且つガス抜きダ
   クト（８）を備えており、該ガス抜きダクト（８）は、
   金属焼結体の外面にて荷重の少ない横断面領域に通じて
   いることを特徴とする金属焼結体。
2. 【請求項２】 プレス体（１，２，３）を焼結する前
   に、プレス体（１，２，３）にガス抜きダクト（８）を
   設けることを特徴とする、金属焼結体の製造方法。