JP2002235104A

JP2002235104A - 複合体の製造方法

Info

Publication number: JP2002235104A
Application number: JP2001032669A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kubota; 幸雄久保田; Tsuneo Hiraide; 恒男平出
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】融点の異なる物質同士の複合体の製造方法で
あって、均一に分散した、機械的強度、耐熱性、熱伝導
度の高い複合体を、低コストかつ簡単に製造する方法を
提供する。【解決手段】高融点材料粉と低融点材料とを積層して
被焼結材を作成し、前記低融点材料の融点以上高融点材
料の融点未満の処理温度にて、前記被焼結材を加圧加熱
処理して、低融点材料を溶融させながら高融点材料粉中
に拡散させることにより、均一で、機械的強度の高い複
合体を、低コストかつ簡単に製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、均一に分散した、
機械的強度、耐熱性、熱伝導度の高い複合体を、低コス
トかつ簡単に製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】セラミ
ックスは、電気的機能、磁気的機能、光学的機能、熱的
機能、生物・化学的機能等を有し、これらの機能を利用
して各種用途への応用が試みられている。しかし、セラ
ミックス単体では脆く、靭性、延性をほとんど有してい
ない物質が多い。一方、金属はセラミックスと比べ、靭
性、延性が高いが、耐熱性、耐蝕性、耐磨耗性に問題が
ある。

【０００３】一般にセラミックスと金属を複合化したサ
ーメットは、セラミックス粒子を金属で結合させた複合
材料として知られ、セラミックスの特性である耐熱性、
高硬度、耐磨耗性と、金属の特性である粘りや熱伝導度
など両材料の長所を兼ね備えていることから、切削工具
材料、ベアリング材、シール材、高温材料として広く用
いられている。セラミックスと金属の複合化にあたって
は、常圧焼結法、熱間静水圧プレス法（ＨＩＰ法）、ホ
ットプレス法などが知られている。

【０００４】しかしながら、上記のような複合化法で
は、得られるサーメットの強度が劣ることや、操作工程
が複雑であること、時間がかかること、コスト高となる
ことなどの問題点がある。

【０００５】また、セラミックス粉体と金属粉体とを混
合し、複合粉として焼結を行う手法も行われているが、
焼結前の作業が煩雑で、均一なサーメットが得られない
場合がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、均一に分散し
た、機械的強度、耐熱性、熱伝導度の高い複合体を、低
コストかつ簡単に製造する方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、意外にも高融点材料粉と低融点
材料とを積層して被焼結材を作成し、前記低融点材料の
融点以上高融点材料の融点未満の処理温度にて、前記被
焼結材を加圧加熱処理して、低融点材料を溶融させなが
ら高融点材料粉中に拡散させることにより、均一で、機
械的強度の高い複合体を、低コストかつ簡単に製造する
ことができることを見出し、本発明に想到した。

【０００８】すなわち、本発明の方法は、高融点材料粉
と低融点材料とを積層し（図１(a)）、前記低融点材料
の融点以上高融点材料の融点未満の処理温度にて、加圧
加熱処理することにより、低融点材料を溶融させながら
高融点材料粉中に拡散させることを特徴とする（図１
(b)）。これにより、高融点材料粉の間の空隙が低融点
材料で充填され、低融点材料がバインダーとして機能す
る。

【０００９】本発明においては、真空条件下で放電プラ
ズマ焼結を行うことが好ましい。

【００１０】また、前記高融点材料がセラミックスであ
り、前記低融点材料が金属又は合金であることが好まし
い。

【００１１】また、前記高融点材料粉と低融点材料とを
積層してなる積層体の外側に、さらに前記処理温度で焼
結される粉体からなる低融点材料流出防止層を設けるこ
とが好ましい。これにより、溶融した低融点材料が型外
へ流出するのを防止できる。

【００１２】さらに前記低融点材料流出防止層の外側
に、非焼結材料粉からなる低融点材料吸収層を設けるこ
とが好ましい。これによりさらなる漏れだしを防止でき
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の複合体の製造方法につい
て、以下詳細に説明する。

【００１４】[1] 複合体原料本発明の複合体は、高融点材料及び低融点材料からな
る。本発明においては、低融点材料の融点以上高融点材
料の融点未満の処理温度にて、加圧加熱処理することに
より、低融点材料が溶融しながら高融点材料粉中に拡散
し、低融点材料がバインダーとして機能する。これによ
り、図１(b)に示すように、高融点材料粉の間の空隙が
低融点材料で充填される。

【００１５】本発明に用いる低融点材料は明確な融点を
有する物質が好ましいが、高融点材料は、低融点材料の
融点で融解しないものであれば、融点を有する物質であ
っても、融点を有しない物質であってもよい。高融点材
料と低融点材料は、融点の温度差が10℃以上、好ましく
は100℃以上あればよい。

【００１６】(1)高融点材料本発明においては、高融点材料としてセラミックスを用
いることが好ましい。セラミックスは、用途に応じて特
に限定なく公知のものを使用でき、例えば、アルミナ、
ハイドロキシアパタイト、ダイヤモンドや、４Ａ族（T
i、Zr、Hf）、５Ａ族（Ｖ、Nb、Ta）又は６Ａ族（Cr、M
o、Ｗ）の元素の炭化物、窒化物又は炭窒化物等が挙げ
られる。

【００１７】本発明においては粉体状の高融点材料を用
いる。高融点材料粉の平均粒径は、１〜500μｍが好ま
しい。

【００１８】(2)低融点材料本発明においては、低融点材料として金属を用いること
が好ましい。低融点材料として金属を用いる場合、Ti、
Cr、Fe、Co、Cu、Mo、Ag、Au、Pd、Al及びNiからなる群
から選ばれた金属又はその合金であるのが好ましく、特
にTi、Fe、Cu、Pd又はその合金がより好ましい。他の合
金としてはステンレススチールが好ましい。低融点材料
は、粉体状であっても塊状であっても構わないが、粉体
状のものを用いることが好ましい。さらに１〜500 μｍ
の平均粒径を有するのが好ましい。

【００１９】[2]加圧焼結本発明では、低融点材料の融点以上高融点材料の融点未
満の処理温度にて、加圧加熱処理することにより、低融
点材料が溶融しながら高融点材料粉中に拡散しバインダ
ーとして機能することで複合体が作製される。高融点材
料、低融点材料として、導電性あるいは半導電性の材料
を用いる場合、放電プラズマ焼結法により複合体を製造
するのが好ましい。

【００２０】放電プラズマ焼結法とは、電源に接続した
一対の型の間に被焼結材（高融点材料と低融点材料）を
充填し、加圧しながら電流を流す方法である。導電性あ
るいは半導電性の材料を用いる場合、型の両端に電圧が
印加されると、これらを伝って電流が流れる。この際被
焼結材の粒子間等の空隙でスパークが起こり、真空中で
は放電プラズマが発生する。そのため、導電性あるいは
半導電性の高融点材料及び低融点材料からなる被焼結材
は急速に焼結する。このように放電プラズマ焼結法は放
電現象による自己発熱を利用して複合体を製造するもの
であり、熱効率に優れ、高品位の焼結体を製造すること
ができる。

【００２１】(1) 放電プラズマ焼結装置放電プラズマ焼結を行なう装置について図２〜図４を参
照して説明する。図２に示す放電プラズマ焼結装置１
は、真空ポンプ７が設けられた真空チャンバー６と、そ
の中に配置された成形型２と、成形型２内を上下して成
形型２内に充填された被焼結材30を加圧するパンチ4a、
4bと、各パンチ4a、4bを駆動するラム5a、5bとを有す
る。成形型２内には、処理温度を測定するための熱電対
（図示せず）が設けられている。また1000℃以上の高温
処理においては、放射型温度計を用いて処理温度を測定
する。

【００２２】各ラム5a、5bは、加圧駆動機構９により駆
動されて被焼結材30を加圧するとともに、給電端子（図
示せず）を介して電源８と接続されており、パンチ4a、
4bにパルス電圧を印加する。パルス電圧は直流であるの
が好ましい。制御部10は加圧駆動機構９、電源８、真空
ポンプ７及び熱電対もしくは放射型温度計に接続されて
おり、成形型２内の焼結圧力及び焼結温度、真空チャン
バー６内の真空度等を制御する。

【００２３】ここで、本発明で使用する成形型２、パン
チ4a、4b等について図３及び図４を参照して説明する。
成形型２は環状の一体構造を有し、断面が円筒状、小判
状、矩形等のキャビティー2aを有する。導電性の観点か
ら、成形型２はカーボン、各種の金属、超硬合金等の導
電性材料により形成するのが好ましく、なかでも低コス
トの理由でカーボンが好ましい。成形型２の内周面には
導電性を有するカーボンペーパー11を設けるのが好まし
い。カーボンペーパー11は焼結体が成形型２の内壁面に
固着するのを防ぐクッション材として働くとともに、被
焼結材30に電圧を印加する際に抵抗が生じるのを防ぐ。

【００２４】各パンチ4a、4bは成形型２のキャビティー
2a内を上下動するように、キャビティー2aとほぼ同じで
僅かに小さい断面形状を有する。各パンチ4a、4bはラム
5a、5bに固定されており、被焼結材30にパルス電圧を印
加する作用を有するので、成形型２と同様にカーボン等
の導電性材料により形成するのが好ましい。

【００２５】(2) 被焼結材の作製高融点材料粉と低融点材料とを積層して被焼結材を作成
する。まず、図３及び図４に示すように、成形型２の内
周をカーボンペーパー11で覆い、成形型２内に下パンチ
4bを挿入する。形成されたキャビティー2a内にカーボン
ペーパー11を設けた上に低融点材料粉32aを充填し、次
いで、高融点材料粉31aを所定量充填して被焼結材30（3
1a+32a）とし、加圧面にカーボンペーパー11を設けた上
パンチ4aを挿入する。本発明においては、高融点材料層
と低融点材料層との間に、キャビティー2aの内径よりや
や小さな径を有するカーボンペーパー11を設けることが
好ましい。これにより、加圧加熱処理により溶融した低
融点材料がカーボンペーパー11のない隙間部分を通って
高融点材料層31へ拡散するが、加圧加熱処理後は、高融
点材料層に吸収されないまま残存した低融点材料と、生
成した複合体３とを容易に分離することができる。

【００２６】このとき、高融点材料粉31aと低融点材料
粉32aの充填順序や充填量を変えることで、図６(a)、
(b)に示すような複合体を作製することができる。

【００２７】図６(a)や(b)に示すような構造とする場
合、溶融する低融点材料が型外へ流出することがある。
かかる問題を解消するには、被焼結材30を作製する際に
図５に示すように被焼結材30の外側に、さらに前記処理
温度で焼結される粉体からなる低融点材料流出防止層33
を設けることが好ましい。また、僅かに漏れ出る低融点
材料を吸収するため、さらに低融点材料流出防止層33の
外側に、非焼結材料粉からなる低融点材料吸収層34を設
けることが好ましい。また、被焼結材30と低融点材料流
出防止層33の間、低融点材料流出防止層33と低融点材料
吸収層34との間にカーボンペーパー11を設けることが好
ましい。

【００２８】(3) 放電プラズマ焼結処理以上のような方法により被焼結材30を作製し、図４又は
図５に示すような状態とした後、真空チャンバー６を密
閉し、真空ポンプ７により脱気し、10^-2Torr程度の真空
度に保つ。真空状態に保つことで、パルス電圧の印加に
より放電プラズマが発生するようになる。

【００２９】制御部10により加圧駆動機構９が作動し、
ラム5a、5bの少なくとも一方が互いに接近する方向に移
動し、これらに固定されたパンチ4a、4bは被焼結材30を
加圧する。パンチ4a、4bによる加圧力は100 〜2000kgf/
cm²が好ましく、200 〜700 kgf/cm²がより好ましい。加
圧力が100 kgf/cm²より小さいと低融点材料が高融点材
料粉中に十分に拡散しない。また2000kgf/cm²より大き
くしてもそれに見合う緻密化効果の向上が得られず、成
形型２の強度不足の問題等が生じるだけである。

【００３０】電源８より両パンチ4a、4b間にパルス電圧
を印加すると、両パンチ4a、4b間にある被焼結材30に電
流が流れるとともに、高融点材料粉31a及び低融点材料
粉32aの空隙にスパークが生じ、発熱するとともに、放
電プラズマが発生する。これらの作用により、低融点材
料が溶融しながら高融点材料粉の間の空隙に徐々に浸入
し、最終的に図１(b)に示すように、高融点材料粉の間
の空隙が低融点材料で充填された本発明の複合体が得ら
れる。

【００３１】被焼結材30の加熱は、予め設定した昇温プ
ログラムに従って行なう。そのために、成形型２に設け
られた熱電対（図示せず）により被焼結材30の温度を検
出し、熱電対の出力を制御部10に入力する。制御部10で
は入力した温度データに基づき昇温プログラム通りに昇
温させるための信号を作成し、それを電源８に出力す
る。電源８は制御部10からの命令に従って適当なパルス
電圧をラム5a、5bに供給する。

【００３２】好ましいパルス電圧は直流電圧のオン／オ
フパターンからなり、１回のオン状態の持続時間ｔ₁と
オフ状態の持続時間ｔ₀との比（ｔ₁／ｔ₀）は、１／１
〜12／１であり、例えば６／１である。ｔ₁／ｔ₀が１／
１より小さいと発熱が不十分で焼結時間が長くなり、ま
た12／１より大きいとパルス性が低下し、エネルギー効
率が低下する。なおパルス電圧は数ボルトの精度まで調
節可能であり、パルス周波数は300Hz〜30kHzまで調節可
能である。パルスの電圧及び周波数は、被焼結材30が所
定の温度となるように制御部10により調節する。

【００３３】焼結温度は、前記低融点材料の融点以上高
融点材料の融点未満とする。これにより、高融点材料粉
31aは粉体形状を保持したまま、低融点材料のみが溶融
し、高融点材料粉の空隙に侵入していく。用いる高融点
材料及び低融点材料の種類によって異なるが、通常焼結
温度は500 〜1300℃であるのが好ましく、700〜1200℃
がより好ましい。

【００３４】焼結時間（焼結温度に保持する時間）は５
分〜３時間とするのが好ましく、30分〜１時間とするの
がより好ましい。

【００３５】焼結終了後、500 ℃以下まで放冷し、型開
きして複合体を取出す。このようにして、従来の方法と
比べ、かなり短時間で簡単に複合体が製造できる。

【００３６】

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００３７】実施例１図２及び図３に示す放電プラズマ焼結装置１（住友石炭
鉱業（株）製SPS-510L）のカーボン製成形型２のキャビ
ティー2aに、低融点材料としてリン青銅粉（粒径４〜５
μm）10ｇを充填した。その上に高融点材料としてα−
アルミナ（粒径２〜３μm、高純度化学研究所社製）３
ｇを積層し、被焼結材30とした。この際、溶融するリン
青銅粉の型外への流出を防ぐために、流出防止材として
ＳＵＳ粉（SUS316L(350メッシュ以下)、福田金属箔粉工
業(株)製）を被焼結材30の上下に、さらに吸収材として
非焼結材料粉（六方晶窒化ほう素粉 HP-1W(粒径８〜12
μm)、水島合金鉄（株）製）を上下に積層した。

【００３８】真空チャンバー６内を減圧して10^-2Torrの
真空度とし、カーボン製上パンチ4aを降下させて、400k
gf／cm²の加圧を行った。電源８より、両パンチ4a、4b
間にパルス電圧を印加した。パルス電圧は2.5Ｖで、ｔ₁
／ｔ₀＝12／２（33.3msec.／5.55msec. ）であった。こ
れにより被焼結材30を950℃に加熱し、30分間保持して
焼結させた。その後、加圧力を開放し室温まで冷却し
て、複合体（φ15mm、高さ10mm）を得た。この複合焼結
体は、走査型電子顕微鏡写真により観察した結果、均一
に分散していた。

【００３９】実施例２図２及び図３に示す放電プラズマ焼結装置１（住友石炭
鉱業（株）製SPS-510L）のカーボン製成形型２のキャビ
ティー2aに、低融点材料としてリン青銅粉（粒径４〜５
μm）10ｇを充填した。その上に、カーボンペーパー
（厚さ0.2mm）をのせた後、高融点材料としてハイドロ
キシアパタイト（1200℃仮焼粉、粒径20μm）３ｇを積
層し、被焼結材30とした。この際、溶融するリン青銅粉
の型外への流出を防ぐために、流出防止材としてＳＵＳ
粉（SUS316L(350メッシュ以下)、福田金属箔粉工業(株)
製）を被焼結材30の上下に、さらに吸収材として非焼結
材粉（六方晶窒化ほう素粉 HP-1W(粒径８〜12μm)、水
島合金鉄（株）製）を上下に積層した。

【００４０】真空チャンバー６内を減圧して10^-2Torrの
真空度とし、カーボン製上パンチ4aを降下させて、400k
gf／cm²の加圧を行った。電源８より、両パンチ4a、4b
間にパルス電圧を印加した。パルス電圧は2.5Ｖで、ｔ₁
／ｔ₀＝12／２（33.3msec.／5.55msec. ）であった。こ
れにより被焼結材30を900℃に加熱し、30分間保持して
焼結させた。その後、加圧力を開放し室温まで冷却し
て、複合体（φ15mm、高さ12mm）を得た。この処理によ
り、低融点材料が溶融しながら高融点材料粉中に拡散
し、バインダーとして機能することで、両者の複合体が
得られた。この複合焼結体は、走査型電子顕微鏡写真に
より観察した結果、均一に分散していた。

【００４１】

【発明の効果】以上の通り、本発明は、高融点材料粉と
低融点材料とを積層して被焼結材を作成し、前記低融点
材料の融点以上高融点材料の融点未満の処理温度にて、
前記被焼結材を加圧加熱処理することにより、低融点材
料を溶融させながら高融点材料粉中に拡散させるため、
均一で、機械的強度、耐熱性、熱伝導度の高い複合体を
作製できる。また従来の方法と比べ、かなり短時間で簡
単に複合体の作成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 (a)加圧加熱処理前の被焼結材の断面図及び
その部分拡大断面図、ならびに(b)加圧加熱処理により
得られた複合体の断面図及びその部分拡大断面図であ
る。

【図２】本発明の方法を実施するための真空加圧加熱
装置の構成を示す概略図である。

【図３】図２の真空加圧加熱装置の成形部位を示す分
解図である。

【図４】図３の空加圧加熱装置の成形型に被焼結材を
充填した状態の一例を示す縦断面図である。

【図５】図３の空加圧加熱装置の成形型に被焼結材を
充填した状態の他の例を示す縦断面図である。

【図６】被焼結材の構造の一例を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・加圧加熱装置２・・・成形型 2a・・・キャビティー３・・・複合体 30・・・被焼結材 31・・・高融点材料層 31a・・・高融点材料粉 32・・・低融点材料層 32a・・・低融点材料粉 33・・・低融点材料流出防止層 34・・・低融点材料吸収層 4a、20ａ・・・（上）パンチ 4b、20ｂ・・・（下）パンチ 5a，5b・・・ラム６・・・真空チャンバー７・・・真空ポンプ８・・・電源９・・・加圧駆動機構 10・・・制御部

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】融点の異なる物質同士の複合体の製造方
法であって、高融点材料粉と低融点材料とを積層して被
焼結材を作成し、前記低融点材料の融点以上高融点材料
の融点未満の処理温度にて、前記被焼結材を加圧加熱処
理することにより、低融点材料を溶融させながら高融点
材料粉中に拡散させることを特徴とする複合体の製造方
法。
【請求項２】請求項１に記載の複合体の製造方法にお
いて、前記被焼結材を真空条件下で放電プラズマ焼結す
ることを特徴とする複合体の製造方法。
【請求項３】請求項１又は２に記載の複合体の製造方
法において、前記高融点材料がセラミックスであり、前
記低融点材料が金属であることを特徴とする複合体の製
造方法。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の複合体
の製造方法において、前記被焼結材の外側に、さらに前
記処理温度で焼結される粉体からなる低融点材料流出防
止層を設けることを特徴とする複合体の製造方法。
【請求項５】請求項４に記載の複合体の製造方法にお
いて、前記低融点材料流出防止層の外側に、さらに非焼
結材料粉からなる低融点材料吸収層を設けることを特徴
とする複合体の製造方法。