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JP7602302B2 - Spark plasma sintering method - Google Patents
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JP7602302B2 JP2024096275A JP2024096275A JP7602302B2 JP 7602302 B2 JP7602302 B2 JP 7602302B2 JP 2024096275 A JP2024096275 A JP 2024096275A JP 2024096275 A JP2024096275 A JP 2024096275A JP 7602302 B2 JP7602302 B2 JP 7602302B2
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Description

本発明は、粉末材料を加圧しながら通電することによって焼結する放電プラズマ焼結技術に関し、より具体的には、粉末材料の粒子間に存在する気体や粒子に付着した不純物等を効果的に除去することを可能にする放電プラズマ焼結装置及び放電プラズマ焼結方法に関する。 The present invention relates to a spark plasma sintering technique in which powder material is sintered by passing an electric current through it while being pressurized. More specifically, the present invention relates to a spark plasma sintering apparatus and a spark plasma sintering method that make it possible to effectively remove gases present between the particles of the powder material and impurities attached to the particles.

金属やセラミックスなどの焼結方法として、放電プラズマ焼結(通電焼結、パルス通電加圧焼結などとも呼ばれる)が用いられている。放電プラズマ焼結は、粉末状の材料を加圧しながらパルス通電加熱を行うことによって、材料を焼結する方法である。放電プラズマ焼結は、焼結体の製造方法として用いられてきたホットプレス焼結、熱間等方加圧焼結などと比較して、低温度で短時間に焼結が可能であること、成形性がよく、従来の焼結法では成形できなかった材料の焼結も可能であること、粒成長を制御した緻密な焼結体を作製できること、ホットプレス焼結に比べて消費電力が低いことなどといった利点があり、近年、注目されている。 Spark plasma sintering (also called electric current sintering or pulse current pressure sintering) is used as a sintering method for metals, ceramics, etc. Spark plasma sintering is a method of sintering a material by applying pressure to a powdered material while applying pulse current heating. Compared to hot press sintering and hot isostatic pressure sintering, which have been used as manufacturing methods for sintered bodies, spark plasma sintering has the following advantages: it can sinter at low temperatures in a short time, it has good moldability and can sinter materials that could not be molded by conventional sintering methods, it can produce dense sintered bodies with controlled grain growth, and it consumes less power than hot press sintering. These advantages have attracted attention in recent years.

従来の放電プラズマ焼結装置の一般的な構成は、図9の模式図に示されるとおりである。放電プラズマ焼結装置5は、粉末材料Mが充填される内空間を有する筒状のダイ52と、ダイ52の上端及び下端から内空間に挿入される2つのパンチ53、54とを備える。ダイ52と2つのパンチ53、54とは、通常、黒鉛(グラファイト)を用いて成形されている。ダイ52及び2つのパンチ53、54は、真空チャンバー50の内部において、スペーサー55、56を介して粉末材料Mにパルス通電を行うための電極57、58によって挟まれるように配置される。下部のパンチ54は、プレス機構70によって筒状のダイ52の軸方向に移動可能になっており、これにより、ダイ52の内空間に充填された粉末材料Mを加圧することができる。放電プラズマ焼結を行う場合には、粉末材料Mをダイ52の内空間に入れ、パンチ53、54を粉末材料に接触するまで内空間に挿入し、ダイ52及びパンチ53、54を組み合わせたものを真空チャンバー50内に配置する。次いで、開閉バルブ62を開けて真空ポンプ61によって真空チャンバー50内の空気を排気し、プレス機構70を作動させパンチ53、54によって粉末材料Mを加圧しながら、電極57、58によって粉末材料Mにパルス通電を行う。これにより、粉末材料Mから焼結体が作製される。 The general configuration of a conventional discharge plasma sintering apparatus is as shown in the schematic diagram of FIG. 9. The discharge plasma sintering apparatus 5 includes a cylindrical die 52 having an internal space in which the powder material M is filled, and two punches 53, 54 inserted into the internal space from the upper and lower ends of the die 52. The die 52 and the two punches 53, 54 are usually formed using graphite. The die 52 and the two punches 53, 54 are arranged inside the vacuum chamber 50 so as to be sandwiched between electrodes 57, 58 for applying a pulse current to the powder material M via spacers 55, 56. The lower punch 54 is movable in the axial direction of the cylindrical die 52 by a press mechanism 70, thereby pressurizing the powder material M filled in the internal space of the die 52. When performing spark plasma sintering, powder material M is placed in the internal space of die 52, punches 53 and 54 are inserted into the internal space until they come into contact with the powder material, and the combination of die 52 and punches 53 and 54 is placed in vacuum chamber 50. Next, open/close valve 62 is opened, and air is evacuated from inside vacuum chamber 50 by vacuum pump 61. Press mechanism 70 is operated to apply pressure to powder material M with punches 53 and 54, while applying pulsed electricity to powder material M with electrodes 57 and 58. This produces a sintered body from powder material M.

ダイに充填される粉末材料は、焼結体の物性を安定させるために、できるだけ純度の高い原料が用いられることが望ましい。しかし、充填された粉末材料の粒子間には空間が存在し、その空間に空気などの気体や異物が存在する。また、粉末材料の粒子個々の表面に、空気に含まれる酸素、窒素等の気体や、水分、酸化被膜、取り扱いの際に付着した皮脂などの異物が付着することは避けられない。 In order to stabilize the physical properties of the sintered body, it is desirable to use powder material filled into the die that is as pure as possible. However, there are spaces between the particles of the filled powder material, and these spaces contain gases such as air and foreign matter. Furthermore, it is inevitable that gases such as oxygen and nitrogen contained in the air, moisture, oxide films, and foreign matter such as sebum that has adhered during handling will adhere to the surfaces of each particle of the powder material.

特開2006-131921号公報JP 2006-131921 A 特開平9-324228号公報Japanese Patent Application Publication No. 9-324228 特開2003-49207号公報JP 2003-49207 A

粒子間の空間に存在する気体や異物及び粒子表面に付着した気体や異物(以下、「不純物」という)を除去するために、焼結工程チャンバーに連結され、特定の雰囲気に制御されるグローブボックス式の前工程チャンバーを設けた装置が、特許文献1に提案されている。この装置では、不活性ガス雰囲気の前工程チャンバー内で原料粉末の秤量、焼結型(ダイ)への充填、焼結型へのパンチ挿入、減チャンバー圧を実行し、これを外気に触れずに焼結工程チャンバーに移るため、原料粉末調製時の汚染がない焼結体の製造を可能にするとされている。しかし、この技術は、装置及び作業が大掛かりかつ複雑になるとともに、不活性ガスの常時使用による環境への影響が問題となる。 Patent Document 1 proposes an apparatus that has a glove box-type pre-processing chamber connected to the sintering process chamber and controlled to a specific atmosphere in order to remove gases and foreign matter present in the spaces between particles and gases and foreign matter attached to the particle surfaces (hereinafter referred to as "impurities"). In this apparatus, the raw material powder is weighed in the pre-processing chamber under an inert gas atmosphere, filled into the sintering mold (die), punches are inserted into the sintering mold, and the chamber pressure is reduced, and this is transferred to the sintering process chamber without exposure to the outside air, which is said to enable the production of sintered bodies that are free from contamination during the preparation of the raw material powder. However, this technology requires large-scale and complicated equipment and operations, and the constant use of inert gas poses problems with the impact on the environment.

粒子間及び粒子表面の不純物を除去するための技術は、特許文献2及び特許文献3にも開示されている。特許文献2には、金属粉末を黒鉛性のダイ及び電極をかねた上下パンチの間に充填し、これを容器内の焼結ステージに配置して容器内を減圧することによって、金属粉末に吸着しているガス等を除去することが開示されている。また、特許文献3には、アルミニウム合金粉体を入れた容器を加熱しながら、容器内の空気を真空雰囲気まで減じることによって、アルミニウム合金粉末から水、水酸化物などの材質劣化物除去することが開示されている。 Technologies for removing impurities between particles and on the particle surfaces are also disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3. Patent Document 2 discloses that metal powder is filled between a graphite die and upper and lower punches that also serve as electrodes, and this is placed on a sintering stage inside a container, and the container is depressurized to remove gases and the like adsorbed to the metal powder. Patent Document 3 also discloses that a container containing aluminum alloy powder is heated while the air inside the container is reduced to a vacuum atmosphere, thereby removing material degradants such as water and hydroxides from the aluminum alloy powder.

しかし、特許文献2に開示されるように、減圧によって金属粉末に吸着しているガス等を除去することのみでは、十分な不純物除去が達成されない。また、特許文献3に開示される技術は、原料粉末が封入された金属容器を加熱しながら減圧し、内部の原料粉末が所定のかさ密度となるように圧縮して被焼結体を得た後、被焼結体を容器から取り出す必要がある。したがって、工程が多く、処理が複雑である。 However, as disclosed in Patent Document 2, sufficient impurity removal cannot be achieved by simply removing gases and the like adsorbed to the metal powder by reducing the pressure. In addition, the technology disclosed in Patent Document 3 requires reducing the pressure while heating a metal container containing raw material powder, compressing the raw material powder inside to a predetermined bulk density to obtain a sintered body, and then removing the sintered body from the container. Therefore, there are many steps and the process is complicated.

放電プラズマ焼結装置では、通常、ダイとパンチとが、粉末材料の逃げ隙間が生じないように高精度に嵌合しており、ダイの内壁とパンチとの勘合隙間が極めて小さい。また、ダイに充填された粉末材料にパンチが接触したときに、ダイとパンチとの境界部分に粉末材料が入り込む場合があると考えられる。したがって、ダイにパンチを挿入した状態で真空にしただけでは、粉末材料の粒子間の不純物も粒子表面に付着した不純物も、容易に排出されない。不純物が排出されないまま粉末材料を焼結すると、不純物が焼結体に吸蔵され、純度が低下するおそれがある。また、焼結体内部に高圧が維持された状態の空孔が閉じ込められ、クラック等の起点となり、焼結体の機械的強度が低下する可能性がある。 In a spark plasma sintering apparatus, the die and punch are usually fitted with high precision to prevent any gaps from forming for the powder material to escape, and the fitting gap between the inner wall of the die and the punch is extremely small. In addition, when the punch comes into contact with the powder material filled in the die, it is thought that the powder material may get into the boundary between the die and the punch. Therefore, simply creating a vacuum with the punch inserted in the die does not easily remove impurities between the particles of the powder material or on the particle surfaces. If the powder material is sintered without removing the impurities, the impurities may be absorbed in the sintered body, reducing the purity. In addition, voids that remain under high pressure inside the sintered body may become the starting point of cracks, reducing the mechanical strength of the sintered body.

本発明は、粉末材料の粒子間の不純物及び粒子表面に付着した不純物を、従来の方法より効果的に除去することを可能にする放電プラズマ焼結装置及び放電プラズマ焼結方法を提供することを課題とする。 The objective of the present invention is to provide a spark plasma sintering apparatus and a spark plasma sintering method that can remove impurities between particles of powder material and impurities attached to the particle surfaces more effectively than conventional methods.

本発明の発明者は、粉末材料が充填された空間を開放した状態でチャンバーを真空にするとともに粉末材料が充填された空間を開放した状態で加熱による不純物除去を行うこと、あるいは、粉末材料が充填された空間を開放した状態で加熱による不純物除去を複数回にわたって行うことによって、粉末材料の粒子間の不純物及び粒子表面に付着した不純物をより効果的に除去することができることを見出し、本発明を完成させた。 The inventors of the present invention discovered that impurities between particles of powder material and impurities attached to the particle surfaces can be more effectively removed by evacuating the chamber with the space filled with powder material open and removing impurities by heating with the space filled with powder material open, or by removing impurities by heating multiple times with the space filled with powder material open, and thus completed the present invention.

本発明は、その第1の態様において、筒状のダイの内空間に充填された粉末材料を真空雰囲気においてパンチで加圧しながら通電することによって粉末材料を焼結する放電プラズマ焼結装置を提供する。放電プラズマ焼結装置は、ダイの内空間に挿入される第1のパンチ及び第2のパンチと、第1及び第2のパンチに通電するための電極と、第1のパンチ及びダイの少なくとも一方を、第1のパンチの内空間への挿入と内空間からの取り出しとが可能になるように移動させる、移動機構とを備える。第1のパンチと第1のパンチに通電する電極との間には、第1のパンチを着脱可能に保持するパンチ保持部が配置される。第1のパンチは、パンチ保持部が保持可能な対応する被保持部を有する。一実施形態においては、第1のパンチと第1のパンチに通電する電極との間にスペーサーを配置し、そのスペーサーにパンチ保持部を設けるようにすることもできる。 In a first aspect, the present invention provides a spark plasma sintering apparatus that sinters a powder material filled in an internal space of a cylindrical die by applying pressure to the powder material with a punch in a vacuum atmosphere while applying current to the powder material. The spark plasma sintering apparatus includes a first punch and a second punch that are inserted into the internal space of the die, an electrode for applying current to the first and second punches, and a moving mechanism that moves at least one of the first punch and the die so that the first punch can be inserted into the internal space and removed from the internal space. A punch holding part that detachably holds the first punch is disposed between the first punch and the electrode that applies current to the first punch. The first punch has a corresponding held part that can be held by the punch holding part. In one embodiment, a spacer can be disposed between the first punch and the electrode that applies current to the first punch, and the punch holding part can be provided on the spacer.

一実施形態において、第1のパンチの被保持部とパンチ保持部とは、第1のパンチが移動できるように構成されていることが好ましい。第1のパンチが移動できることにより、移動機構の作動によって真空雰囲気内で第1のパンチが内空間に挿入されるときに、第1のパンチと内空間とを自動的に位置合わせさせることができる。このことを実現するために、一実施形態においては、第1のパンチの被保持部はツバを有し、パンチ保持部はツバと係合するフックを有することが好ましい。 In one embodiment, the held portion of the first punch and the punch holding portion are preferably configured to allow the first punch to move. By allowing the first punch to move, the first punch can be automatically aligned with the internal space when the first punch is inserted into the internal space in a vacuum atmosphere by operation of the moving mechanism. To achieve this, in one embodiment, it is preferable that the held portion of the first punch has a flange, and the punch holding portion has a hook that engages with the flange.

一実施形態において、ダイは、第1のパンチを内空間に位置合わせさせるためのガイド部を有することが好ましい。ガイド部は、ダイにおける第1のパンチが挿入される側の入口部分に内空間の奥に向かって形成されたテーパー加工部であることが好ましい。 In one embodiment, the die preferably has a guide portion for aligning the first punch with the internal space. The guide portion is preferably a tapered portion formed toward the back of the internal space at the entrance portion of the die on the side where the first punch is inserted.

本発明は、第2の態様において、筒状のダイの内空間に充填された粉末材料を真空雰囲気においてパンチで加圧しながら通電することによって粉末材料を焼結する放電プラズマ焼結方法を提供する。放電プラズマ焼結方法は、粉末材料が充填されたダイの周囲を真空雰囲気にする真空工程と、粉末材料を加熱する加熱工程と、パンチが内空間に挿入されていない状態で、加熱された粉末材料を保持する、保持工程と、パンチを内空間に挿入し、パンチによって粉末材料を加圧しながら粉末材料に通電する、焼結工程とを含む。真空工程においては、パンチがダイの内空間に挿入されていない状態で、粉末材料が充填されたダイの周囲を真空雰囲気にすることがより好ましい。 In a second aspect, the present invention provides a spark plasma sintering method for sintering a powder material filled in the internal space of a cylindrical die by applying current to the powder material while applying pressure to the powder material with a punch in a vacuum atmosphere. The spark plasma sintering method includes a vacuum process for creating a vacuum atmosphere around the die filled with the powder material, a heating process for heating the powder material, a holding process for holding the heated powder material without the punch being inserted into the internal space, and a sintering process for inserting a punch into the internal space and applying current to the powder material while applying pressure to the powder material with the punch. In the vacuum process, it is more preferable to create a vacuum atmosphere around the die filled with the powder material without the punch being inserted into the internal space of the die.

一実施形態においては、加熱工程は、パンチを内空間に挿入し、パンチを介して通電することによって粉末材料を加熱し、その後パンチを内空間から取り出すことを含むことが好ましい。 In one embodiment, the heating step preferably includes inserting a punch into the internal space, heating the powder material by passing an electrical current through the punch, and then removing the punch from the internal space.

本発明によれば、真空雰囲気内で、作業者がダイ及びパンチに触れることなくダイ内部へのパンチの挿入とダイからのパンチの取り出しとを行うことができるため、非加熱不純物除去と加熱不純物除去とを一連の工程の中で連続的に行うことや、加熱不純物除去工程を複数回にわたって行うことが可能である。したがって、本発明に係る装置及び方法は、不純物が効果的に除去されるため純度のばらつきが低減されるとともに、粉末空間の真空化にともなって高密度化された、安定した品質の焼結体を作製することができる。 According to the present invention, since the punch can be inserted into the die and removed from the die in a vacuum atmosphere without the worker touching the die or punch, it is possible to perform non-thermal impurity removal and heated impurity removal consecutively in a series of processes, or to perform the heated impurity removal process multiple times. Therefore, the device and method according to the present invention can effectively remove impurities, reducing variation in purity, and can produce sintered bodies of stable quality that are densified by evacuating the powder space.

本発明の一実施形態に係る放電プラズマ焼結装置の主要部の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a main part of a spark plasma sintering apparatus according to an embodiment of the present invention. 放電プラズマ焼結装置に用いられる上部パンチを示す図であり、(a)は縦断面図、(b)は底面図である。1A and 1B are diagrams showing an upper punch used in a spark plasma sintering apparatus, in which FIG. 1A is a vertical cross-sectional view and FIG. 放電プラズマ焼結装置に用いられる上部スペーサーを示す図であり、(a)は縦断面図、(b)は底面図である。1A and 1B are diagrams showing an upper spacer used in a spark plasma sintering apparatus, in which FIG. 1A is a vertical cross-sectional view and FIG. 放電プラズマ焼結装置に用いられるダイを示す縦断面図である。FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing a die used in a spark plasma sintering apparatus. 上部パンチがダイの内空間に挿入される際に、上部パンチが自動的に位置合わせされる状態を示す図である。FIG. 13 illustrates how the upper punch is automatically aligned when it is inserted into the inner space of the die. 本発明の一実施形態に係る放電プラズマ焼結方法の工程を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram showing steps of a spark plasma sintering method according to an embodiment of the present invention. 加熱不純物除去を行った焼結体試料のEDS元素マッピング画像である。13 is an EDS element mapping image of a sintered body sample from which impurities were removed by heating. 加熱不純物除去を行わなかった焼結体試料のEDS元素マッピング画像である。13 is an EDS element mapping image of a sintered body sample that was not subjected to thermal impurity removal. 従来の放電プラズマ焼結装置の主要部の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of a conventional spark plasma sintering apparatus.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内で、適宜変更して実施することができる。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiment, and can be modified as appropriate within the scope of the object of the present invention.

[放電プラズマ焼結装置の構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る放電プラズマ焼結装置1(以下、単に装置1という)の主要部の構成を示す模式図である。図1に示される主要部は、装置1の筐体(図示せず)の内部に収納されている。装置1は、内空間11を有する円筒形状のダイ12と、ダイ12の内空間11に挿入される上部パンチ13及び下部パンチ14とを備える。上部パンチ13は、ダイ12の上方から内空間11に挿入され、下部パンチ14は、ダイ12の下方から内空間11に挿入される。上部パンチ13及び下部パンチ14の内空間11に挿入される部分の形状は、内空間11に合わせた形状を有する。内空間11には粉末材料Mが充填され、粉末材料Mは、上部パンチ13及び下部パンチ14で加圧されながら通電されることによって、焼結体となる。
[Configuration of Spark Plasma Sintering Apparatus]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the main parts of a discharge plasma sintering apparatus 1 (hereinafter, simply referred to as the apparatus 1) according to one embodiment of the present invention. The main parts shown in FIG. 1 are housed inside a housing (not shown) of the apparatus 1. The apparatus 1 includes a cylindrical die 12 having an inner space 11, and an upper punch 13 and a lower punch 14 inserted into the inner space 11 of the die 12. The upper punch 13 is inserted into the inner space 11 from above the die 12, and the lower punch 14 is inserted into the inner space 11 from below the die 12. The shapes of the parts of the upper punch 13 and the lower punch 14 inserted into the inner space 11 have shapes that match the inner space 11. The inner space 11 is filled with a powder material M, and the powder material M becomes a sintered body by passing current while being pressurized by the upper punch 13 and the lower punch 14.

ダイ12、上部パンチ13及び下部パンチ14は、導電性材料で形成されるものであることが好ましい。具体的には、黒鉛(グラファイト)、鉄鋼材料、炭化ケイ素、炭化タングステン等によって形成されるものであることが好ましく、黒鉛によって形成されるものであることがより好ましい。ダイ12及び内空間11、並びに上部パンチ13及び下部パンチ14の大きさ及び形状は、特に限定されるものではなく、目的とする焼結体の大きさや形状、設備の規模に応じて、適宜設計することができる。また、ダイ12と上部パンチ13及び下部パンチ14とは、粉末材料Mの逃げ隙間が生じないように(逃げ隙間が存在すると高圧にならない)、ダイ12の内壁と上部パンチ13及び下部パンチ14との勘合隙間が極めて小さくなるように形成されている。 The die 12, upper punch 13, and lower punch 14 are preferably made of a conductive material. Specifically, they are preferably made of graphite, steel material, silicon carbide, tungsten carbide, etc., and more preferably made of graphite. The size and shape of the die 12 and inner space 11, as well as the upper punch 13 and lower punch 14, are not particularly limited and can be designed appropriately according to the size and shape of the desired sintered body and the scale of the equipment. In addition, the die 12, upper punch 13, and lower punch 14 are formed so that the fitting gap between the inner wall of the die 12 and the upper punch 13 and lower punch 14 is extremely small so that no escape gap for the powder material M occurs (high pressure will not be generated if an escape gap exists).

上部パンチ13には、上部スペーサー15を介して上部電極17が接続され、下部パンチ14には、下部スペーサー16を介して下部電極18が接続される。上部スペーサー15及び下部スペーサー16もまた、ダイ12、上部パンチ13及び下部パンチ14と同様の導電性材料で形成され、黒鉛で形成されるものであることがより好ましい。上部電極17及び下部電極18は、直流パルス状の電力や単相全波状の電力を発生させる電源(図示せず)に接続される。電源によって発生した電力は、上部電極17及び下部電極18、上部スペーサー15及び下部スペーサー16、並びに上部パンチ13及び下部パンチ14を介してダイ12(粉末材料Mが導電性材料の場合は粉末材料M自体)に印加される。 The upper punch 13 is connected to an upper electrode 17 via an upper spacer 15, and the lower punch 14 is connected to a lower electrode 18 via a lower spacer 16. The upper spacer 15 and the lower spacer 16 are also formed of a conductive material similar to that of the die 12, the upper punch 13, and the lower punch 14, and are preferably formed of graphite. The upper electrode 17 and the lower electrode 18 are connected to a power source (not shown) that generates DC pulse power or single-phase full-wave power. The power generated by the power source is applied to the die 12 (or to the powder material M itself if the powder material M is a conductive material) via the upper electrode 17 and the lower electrode 18, the upper spacer 15 and the lower spacer 16, and the upper punch 13 and the lower punch 14.

ダイ12、上部パンチ13及び下部パンチ14、上部スペーサー15及び下部スペーサー16、並びに上部電極17及び下部電極18の一部は、真空チャンバー10の内部に配置される。真空チャンバー10の内部は、開閉バルブ22を開け、真空ポンプ21によって空気を排気することにより、真空雰囲気にすることができる。 The die 12, the upper punch 13 and the lower punch 14, the upper spacer 15 and the lower spacer 16, and a part of the upper electrode 17 and the lower electrode 18 are arranged inside the vacuum chamber 10. The inside of the vacuum chamber 10 can be made into a vacuum atmosphere by opening the opening/closing valve 22 and evacuating the air with the vacuum pump 21.

上部電極17は、装置1の内部のいずれかの位置に固定され、下部電極18は、図示しないプレス機構(移動機構)30によって上下方向に移動可能になっている。プレス機構30が下部電極18を上方に移動させることによって、下部パンチ14が内空間11の内部を上方に移動し、内空間11に充填された粉末材料Mに高圧を付加することができる。なお、真空チャンバー10においては、内部を真空に維持したままの状態で、下部電極18を上下に移動させることができるように構成されている。この実施形態では、下部電極18がプレス機構30によって移動するように構成されているが、これに限定されるものではなく、上部電極17が移動可能に構成されていてもよく、また、上部電極17及び下部電極18がいずれも移動可能に構成されていてもよい。 The upper electrode 17 is fixed at a position inside the device 1, and the lower electrode 18 is movable up and down by a press mechanism (moving mechanism) 30 (not shown). When the press mechanism 30 moves the lower electrode 18 upward, the lower punch 14 moves upward inside the internal space 11, and high pressure can be applied to the powder material M filled in the internal space 11. Note that the vacuum chamber 10 is configured so that the lower electrode 18 can be moved up and down while maintaining the inside in a vacuum. In this embodiment, the lower electrode 18 is configured to be moved by the press mechanism 30, but this is not limited thereto, and the upper electrode 17 may be configured to be movable, or both the upper electrode 17 and the lower electrode 18 may be configured to be movable.

(上部スペーサー及び上部パンチ)
図2は、装置1に用いられる上部パンチ13を示す図であり、(a)は縦断面図、(b)は底面図である。また、図3は、装置1に用いられる上部スペーサー15を示す図であり、(a)は縦断面図、(b)は底面図である。
(Upper spacer and upper punch)
Fig. 2 is a diagram showing an upper punch 13 used in the device 1, (a) being a vertical cross-sectional view and (b) being a bottom view. Also, Fig. 3 is a diagram showing an upper spacer 15 used in the device 1, (a) being a vertical cross-sectional view and (b) being a bottom view.

上部パンチ13は、円柱形状の本体131と、上部スペーサー15に保持されるための被保持部とを備える。本実施形態においては、被保持部は、図2に示されるように、本体131の側面から突出するように設けられた円環形状のツバ132である。一方、上部スペーサー15は、円柱形状の本体151と、上部パンチ13を着脱可能に保持するパンチ保持部とを備える。本実施形態においては、パンチ保持部は、本体151の下面から下方に(すなわち、上部パンチ13の方向に向かって)突出するように設けられたフック152、153である。フック152、153は、図3に示されるように、互いに対向するように形成された突起部分152a、153aを有する。 The upper punch 13 comprises a cylindrical body 131 and a retained portion for being retained by the upper spacer 15. In this embodiment, the retained portion is a ring-shaped flange 132 provided to protrude from the side surface of the body 131 as shown in FIG. 2. Meanwhile, the upper spacer 15 comprises a cylindrical body 151 and a punch retaining portion for removably retaining the upper punch 13. In this embodiment, the punch retaining portion is hooks 152, 153 provided to protrude downward (i.e., toward the upper punch 13) from the underside of the body 151. The hooks 152, 153 have protruding portions 152a, 153a formed to face each other as shown in FIG. 3.

本実施形態においては、図1に示されるように、上部パンチ13は、ツバ132の下面が上部スペーサー15の突起部分152a、153aの上面に接するように載置される。したがって、上部パンチ13は、上部スペーサー15に係合した状態でも自由に横方向に移動可能となる。このような構造により、プレス機構30が下部電極18を上下に移動させることによって、真空雰囲気内で上部パンチ13をダイ12の内空間11に挿入したり、上部パンチ13をダイ12の内空間11から取り出したりすることが可能になる。また、プレス機構30が下部電極18を上方に移動させることによって真空雰囲気内で上部パンチ13がダイ12の内空間11に挿入されるときに、上部パンチ13の中心軸線と内空間11の中心軸線とが一致していなくても、上部パンチ13が横方向に移動して自動的に内空間11と位置合わせされるようになる。この点は、後述のダイ12の記載部分において、図5を用いてあらためて説明する。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, the upper punch 13 is placed so that the lower surface of the flange 132 contacts the upper surface of the protruding portions 152a, 153a of the upper spacer 15. Therefore, the upper punch 13 can move freely laterally even when engaged with the upper spacer 15. With this structure, the press mechanism 30 moves the lower electrode 18 up and down, so that the upper punch 13 can be inserted into the internal space 11 of the die 12 in a vacuum atmosphere, and the upper punch 13 can be removed from the internal space 11 of the die 12. In addition, when the press mechanism 30 moves the lower electrode 18 upward to insert the upper punch 13 into the internal space 11 of the die 12 in a vacuum atmosphere, even if the central axis of the upper punch 13 does not coincide with the central axis of the internal space 11, the upper punch 13 moves laterally and is automatically aligned with the internal space 11. This point will be explained again with reference to FIG. 5 in the description of the die 12 described later.

別の実施形態においては、上部パンチ13に設けられた被保持部を雄ネジとし、上部スペーサー15の中央部分に設けられたパンチ保持部を雌ネジとした構成を採用して、雄ネジを雌ネジに螺着することによって、上部パンチ13を上部スペーサー15に着脱可能に取り付けることができるようにしてもよい。この構造により、プレス機構30が下部電極18を上下に移動させることによって、真空雰囲気内で上部パンチ13をダイ12の内空間11に挿入したり、上部パンチ13をダイ12の内空間11から取り出したりすることが可能になる。さらに別の実施形態においては、例えば上部スペーサー15のフック152及び153を貫通して上部パンチ13まで達するピンを用いて、上部パンチ13を上部スペーサー15に着脱可能に取り付けることができる。さらにまた別の実施形態においては、例えば上部スペーサー15の内空間などの適切な位置にワイヤーを取り付け、そのワイヤーに上部パンチ13を吊るすことによって、上部パンチ13を上部スペーサー15に着脱可能に取り付けることができる。 In another embodiment, the upper punch 13 may be removably attached to the upper spacer 15 by screwing the male screw into the female screw, so that the upper punch 13 can be removably attached to the upper spacer 15. This structure makes it possible to insert the upper punch 13 into the inner space 11 of the die 12 in a vacuum atmosphere or remove the upper punch 13 from the inner space 11 of the die 12 by the press mechanism 30 moving the lower electrode 18 up and down. In yet another embodiment, the upper punch 13 can be removably attached to the upper spacer 15 using, for example, a pin that penetrates the hooks 152 and 153 of the upper spacer 15 and reaches the upper punch 13. In yet another embodiment, the upper punch 13 can be removably attached to the upper spacer 15 by attaching a wire to an appropriate position, such as the inner space of the upper spacer 15, and hanging the upper punch 13 from the wire.

さらに別の実施形態において、上部スペーサー15を用いない場合、すなわち、上部パンチ13が上部電極17に直接接触する構成の場合には、パンチ保持部(図1の場合はフック152、153)が、上部電極17の下面に設けられていてもよい。例えば、上部電極17の下面から下方に突出するように、図3に示されるようなフック部を設けることができる。 In yet another embodiment, when the upper spacer 15 is not used, i.e., when the upper punch 13 is in direct contact with the upper electrode 17, a punch holding portion (hooks 152, 153 in the case of FIG. 1) may be provided on the lower surface of the upper electrode 17. For example, a hook portion as shown in FIG. 3 may be provided so as to protrude downward from the lower surface of the upper electrode 17.

(ダイ)
図4は、装置1に用いられるダイ12を示す縦断面図である。ダイ12は、上部パンチ13が挿入される入口部分111に、上部パンチ13と内空間11との位置合わせを補助するためガイド部を有することが好ましい。本実施形態においては、図1及び図4に示されるように、ダイ12は、上部パンチ13が挿入される側の入口部分111において、内空間11に面する角部を円周方向全体にわたって切り取った形状とすることが好ましい。すなわち、本実施形態におけるダイ12のガイド部は、入口部分111から内空間11の奥に向かって内空間11の径が次第に狭くなるように内空間11に面する角部に設けられたテーパー加工部122である。このようにダイ12の入口部分111においてテーパー加工部122を設けることによって、向か雰囲気内で上部パンチ13を挿入するときに、上部パンチ13と内空間11との位置合わせが容易になる。テーパー加工部122は、ダイ12の径方向の対向する位置においてテーパー加工部122の向か沿って内空間11内に下ろした2つのときの間の角度(図4の角度θ)が、限定されるものではないが、45°~80°であることが好ましい。この角度が小さすぎるとダイ12と上部パンチ13との間のズレ許容度が小さくなり、この角度が大きすぎるとテーパー加工部122において上部パンチ13が滑りづらくなるため、いずれも好ましくない。
(Thailand)
FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing the die 12 used in the device 1. The die 12 preferably has a guide portion at the entrance portion 111 where the upper punch 13 is inserted to assist in aligning the upper punch 13 with the inner space 11. In this embodiment, as shown in FIG. 1 and FIG. 4, the die 12 preferably has a shape in which the corner facing the inner space 11 is cut out over the entire circumferential direction at the entrance portion 111 on the side where the upper punch 13 is inserted. That is, the guide portion of the die 12 in this embodiment is a tapered portion 122 provided at the corner facing the inner space 11 so that the diameter of the inner space 11 gradually narrows from the entrance portion 111 toward the back of the inner space 11. By providing the tapered portion 122 at the entrance portion 111 of the die 12 in this way, it becomes easier to align the upper punch 13 with the inner space 11 when inserting the upper punch 13 in a facing atmosphere. The angle (angle θ in FIG. 4) between two points when the tapered portion 122 is lowered into the internal space 11 along the tapered portion 122 at opposing positions in the radial direction of the die 12 is preferably, but not limited to, 45° to 80°. If this angle is too small, the tolerance for misalignment between the die 12 and the upper punch 13 becomes small, and if this angle is too large, the upper punch 13 becomes difficult to slide on the tapered portion 122, so neither is preferable.

ダイ12と上部パンチ13との位置合わせについて、図5を用いて説明する。図5(a)は、下部パンチ14が挿入され、粉末材料Mが充填されたダイ12を、真空チャンバー10の内部に(より詳細には下部スペーサー16の上に)配置した状態を示す。上部スペーサー15には、上部パンチ13が取り付けられている。この後、放電プラズマ焼結方法の説明において後述されるように、真空チャンバー10内部を真空雰囲気にした状態で加熱工程を実行する際に、プレス機構30によって下部電極18を上昇させる。図5(b)に示されるように、ダイ12が矢印Aの方向に移動した場合に、上部パンチ13の中心軸線と内空間11の中心軸線とがずれているときには、上部パンチ13の下端の一部がダイ12の一部に当たる。このとき、上部パンチ13が横移動可能に上部スペーサー15に保持されているとともに、ダイ12にテーパー加工部122が設けられているため、図5(c)に示されるように、ダイ12が矢印Aの方向にさらに移動するにつれて、上部パンチ13は、ツバ132が上部スペーサー15の突起部分152a、153aに載った状態で、テーパー加工部122の傾斜に沿って滑り、矢印Bの方向に移動する。このようにして、上部パンチ13は、プレス機構30の作動によって真空雰囲気内で内空間11に挿入されるときに、内空間11と自動的に位置合わせされる。 The alignment of the die 12 and the upper punch 13 will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5(a) shows the state in which the lower punch 14 is inserted and the die 12 filled with the powder material M is placed inside the vacuum chamber 10 (more specifically, on the lower spacer 16). The upper punch 13 is attached to the upper spacer 15. After that, as described later in the explanation of the discharge plasma sintering method, when the heating process is performed with the inside of the vacuum chamber 10 in a vacuum atmosphere, the lower electrode 18 is raised by the press mechanism 30. As shown in FIG. 5(b), when the die 12 moves in the direction of the arrow A, if the central axis of the upper punch 13 and the central axis of the inner space 11 are misaligned, a part of the lower end of the upper punch 13 hits a part of the die 12. At this time, since the upper punch 13 is held by the upper spacer 15 so as to be able to move laterally, and the die 12 is provided with a tapered portion 122, as shown in FIG. 5(c), as the die 12 moves further in the direction of arrow A, the upper punch 13 slides along the inclination of the tapered portion 122 with the flange 132 resting on the protruding portions 152a, 153a of the upper spacer 15, and moves in the direction of arrow B. In this way, the upper punch 13 is automatically aligned with the inner space 11 when it is inserted into the inner space 11 in a vacuum atmosphere by the operation of the press mechanism 30.

(ヒータ)
本発明の別の実施形態においては、粉末材料Mをダイ12の外部から加熱するための加熱部としてヒータ42を設けるようにしてもよい。ヒータ42は、例えばダイ12の外周を囲むように配置されるリング形状を有し、ヒータホルダ41に保持されている。ヒータ42は、上下駆動部43の動作によって、真空チャンバー10の内部を上方からダイ12の側方まで移動させることができるようになっているため、ダイ12を真空チャンバー10に出し入れする際の作業性が問題になることはない。
(heater)
In another embodiment of the present invention, a heater 42 may be provided as a heating unit for heating the powder material M from outside the die 12. The heater 42 has, for example, a ring shape arranged so as to surround the outer periphery of the die 12, and is held by a heater holder 41. The heater 42 can be moved from above inside the vacuum chamber 10 to the side of the die 12 by the operation of a vertical drive unit 43, so that there is no problem with the operability when the die 12 is put in and taken out of the vacuum chamber 10.

[放電プラズマ焼結方法]
図6は、本発明の一実施形態に係る放電プラズマ焼結方法の工程を示すフロー600である。フロー600は、ダイ12及び上部パンチ13を設置する工程、不純物を除去する工程、及び粉末材料Mを焼結・冷却する工程を示す。フロー600の前に、前工程及び後工程が行われる。
[Spark Plasma Sintering Method]
6 is a flow chart 600 showing steps of a spark plasma sintering method according to an embodiment of the present invention. The flow chart 600 shows the steps of setting the die 12 and the upper punch 13, removing impurities, and sintering and cooling the powder material M. Before the flow chart 600, a pre-process and a post-process are performed.

(前工程)
最初に、作業者が、真空チャンバー10の外部で、ダイ12の内空間11に下部パンチ14を挿入し、ダイ12及び下部パンチ14によって形成される内空間11に必要量の粉末材料Mを充填する。本実施形態においては、ダイ12は円筒形状であり、下部パンチ14は円柱形状であるが、これに限定されるものではなく、作製される焼結体の所望の形状に合わせた形状のダイ及びパンチを準備すればよい。粉末材料Mは、放電プラズマ焼結によって焼結体を形成できるものであれば限定されず、例えば、金属、合金や、酸化物、炭化物、窒化物などのセラミックスなどを適宜用いることができる。
(Pre-process)
First, an operator inserts the lower punch 14 into the inner space 11 of the die 12 outside the vacuum chamber 10, and fills the inner space 11 formed by the die 12 and the lower punch 14 with a required amount of powder material M. In this embodiment, the die 12 is cylindrical, and the lower punch 14 is columnar, but this is not limited thereto, and a die and punch having a shape that matches the desired shape of the sintered body to be produced may be prepared. The powder material M is not limited as long as it can form a sintered body by spark plasma sintering, and for example, metals, alloys, and ceramics such as oxides, carbides, and nitrides may be appropriately used.

(設置工程)
次に、粉末材料Mが充填され、下部パンチ14が挿入されたダイ12を、真空チャンバー10内の下部スペーサー16上の所定位置に設置する(s601)。ダイ12に温度コントロール用の熱電対(図示せず)が取り付けられる。上部パンチ13が、図1及び図5に示されるように上部スペーサー15に取り付けられる(s602)。このとき、上部パンチ13を横移動させてフック152、153の間から挿入し、ツバ132がフック152、153の突起部分152a、153aに載るようにする。最後に、真空チャンバー10の扉を閉じる。
(Installation process)
Next, the die 12 filled with the powder material M and with the lower punch 14 inserted therein is placed at a predetermined position on the lower spacer 16 in the vacuum chamber 10 (s601). A thermocouple (not shown) for temperature control is attached to the die 12. The upper punch 13 is attached to the upper spacer 15 as shown in Figures 1 and 5 (s602). At this time, the upper punch 13 is moved laterally and inserted between the hooks 152, 153 so that the flange 132 rests on the protruding portions 152a, 153a of the hooks 152, 153. Finally, the door of the vacuum chamber 10 is closed.

(不純物除去工程)
不純物を除去する工程は、真空雰囲気内で加熱することなく粉末材料Mの粒子間に存在する気体を除去する無加熱不純物除去工程と、真空雰囲気内で粉末材料Mに熱を与えながら粉末材料Mの粒子に付着した気体や異物を除去する加熱不純物除去工程とを含むことが好ましい。まず、真空チャンバー10の扉を閉めた後、開閉バルブ22を空けて真空ポンプ21によって真空チャンバー10内の空気を排気する(s603)。このとき、上部パンチ13は、ダイ12の内空間11には挿入されていない。このように上部パンチ13をダイ12の内空間11に挿入しない状態で排気を行うことによって、粉末材料Mの粒子間に存在する気体を除去することができる(s604:無加熱不純物除去)。真空度は、粉末材料Mの種類や、作製される焼結体の目標とする性能及び特性等に応じて適宜選択することができるが、典型的には、10Pa~1×10-3Paであることが好ましい。
(Impurity Removal Process)
The process of removing impurities preferably includes a non-heating impurity removal process of removing gas present between particles of the powder material M without heating in a vacuum atmosphere, and a heating impurity removal process of removing gas and foreign matter attached to the particles of the powder material M while applying heat to the powder material M in a vacuum atmosphere. First, the door of the vacuum chamber 10 is closed, and then the opening and closing valve 22 is opened and the air in the vacuum chamber 10 is exhausted by the vacuum pump 21 (s603). At this time, the upper punch 13 is not inserted into the inner space 11 of the die 12. By performing exhaust in this manner without inserting the upper punch 13 into the inner space 11 of the die 12, the gas present between particles of the powder material M can be removed (s604: non-heating impurity removal). The degree of vacuum can be appropriately selected depending on the type of powder material M, the target performance and characteristics of the sintered body to be produced, etc., but is typically preferably 10 Pa to 1×10 −3 Pa.

次に、プレス機構30を作動させ、真空チャンバー10内を真空に保ったまま下部電極18を上方に移動させることによって、上部パンチ13を内空間11に挿入する(s605)。このとき、上部パンチ13と内空間11との位置合わせが、図5を用いて上述したとおり行われる。粉末材料Mへの加圧力が所定の加圧力に達したら、上部電極17及び下部電極18によって通電し、粉末材料Mの温度が所定の温度になるまで加熱する(s607)。粉末材料Mに与える加圧力及び所定の温度は、粉末材料Mの種類や、作製される焼結体の目標とする性能及び特性等に応じて適宜選択することができる。加圧力は、0.1kN以上であることが好ましく、必要に応じて装置1の最大加圧力まで使用することができる。また、温度は、必要に応じて室温より高い温度から焼結温度以下までのいずれかの温度とすることができる。一例として、加圧力を0.1kN、温度を150°Cとすることができる。 Next, the press mechanism 30 is operated, and the lower electrode 18 is moved upward while maintaining the vacuum inside the vacuum chamber 10, thereby inserting the upper punch 13 into the inner space 11 (s605). At this time, the alignment between the upper punch 13 and the inner space 11 is performed as described above with reference to FIG. 5. When the pressure applied to the powder material M reaches a predetermined pressure, electricity is applied by the upper electrode 17 and the lower electrode 18, and the powder material M is heated until it reaches a predetermined temperature (s607). The pressure applied to the powder material M and the predetermined temperature can be appropriately selected according to the type of powder material M and the target performance and characteristics of the sintered body to be produced. The pressure is preferably 0.1 kN or more, and can be used up to the maximum pressure of the device 1 as necessary. The temperature can be any temperature from higher than room temperature to lower than the sintering temperature as necessary. As an example, the pressure can be 0.1 kN and the temperature can be 150°C.

所定の温度まで加熱した後、プレス機構30を作動させて、下部電極18を下方に移動させることによって、上部パンチ13を内空間11から取り出す。加熱された状態の粉末材料Mを、この状態で真空雰囲気において所定時間にわたって保持する(s608)。保持時間は、粉末材料Mの種類や、作製される焼結体の目標とする性能及び特性等に応じて適宜選択することができ、必要に応じて1分~99分とすることができ、一例として、保持時間を3分とすることができる。上部パンチ13がダイ12に挿入されていない状態で、加熱された粉末材料Mを真空雰囲気で保持することによって、粉末材料Mの粒子の表面に付着した気体や不純物が除去される(s609:加熱不純物除去)。以上のように、無加熱不純物除去工程及び加熱不純物除去工程の両方を行うことによって、高純度かつ機械的強度の高い焼結体を得ることができる。なお、加熱不純物除去は、必要に応じて複数回行ってもよく、複数回行う場合には、s605~s609の工程が複数回繰り返される。本発明に係る装置1では、真空雰囲気内で上部パンチ13をダイ12に挿入したり取り出したりすることができるため、加熱不純物除去を複数回にわたって行うことが可能である。 After heating to a predetermined temperature, the press mechanism 30 is operated to move the lower electrode 18 downward, thereby removing the upper punch 13 from the inner space 11. The heated powder material M is held in this state in a vacuum atmosphere for a predetermined time (s608). The holding time can be appropriately selected according to the type of powder material M and the target performance and characteristics of the sintered body to be produced, and can be 1 to 99 minutes as necessary. As an example, the holding time can be 3 minutes. By holding the heated powder material M in a vacuum atmosphere while the upper punch 13 is not inserted into the die 12, gas and impurities attached to the surface of the particles of the powder material M are removed (s609: Heating impurity removal). As described above, by performing both the non-heating impurity removal process and the heating impurity removal process, a sintered body with high purity and high mechanical strength can be obtained. The heating impurity removal may be performed multiple times as necessary, and in that case, the steps s605 to s609 are repeated multiple times. In the device 1 according to the present invention, the upper punch 13 can be inserted into and removed from the die 12 in a vacuum atmosphere, making it possible to perform the heating and impurity removal process multiple times.

別の実施形態においては、不純物除去工程を加熱不純物除去のみとすることもできる。この場合には、s602において上部パンチ13を上部スペーサー15に取り付けた後、プレス機構30を作動させて上部パンチ13をダイ12に挿入し、同時に又はそれと前後して、真空チャンバー10内の空気を排気する(s606)。その後、上部電極17及び下部電極18によって通電して、粉末材料Mの温度が所定の温度になるまで加熱する(s607)。さらに、上部パンチ13を内空間11から取り出し、加熱された状態の粉末材料Mを、この状態で真空雰囲気において所定時間にわたって保持する(s608)ことによって、加熱不純物除去を行う(s609)。この場合には、無加熱不純物除去が行われないので、s605~s609の工程を複数回繰り返して加熱不純物除去を複数回行うことが特に好ましい。 In another embodiment, the impurity removal process may be limited to only thermal impurity removal. In this case, after the upper punch 13 is attached to the upper spacer 15 in s602, the press mechanism 30 is operated to insert the upper punch 13 into the die 12, and at the same time or before or after, the air in the vacuum chamber 10 is exhausted (s606). Thereafter, electricity is passed through the upper electrode 17 and the lower electrode 18 to heat the powder material M until it reaches a predetermined temperature (s607). Furthermore, the upper punch 13 is removed from the inner space 11, and the heated powder material M is held in this state in a vacuum atmosphere for a predetermined time (s608), thereby performing thermal impurity removal (s609). In this case, since no non-thermal impurity removal is performed, it is particularly preferable to perform thermal impurity removal multiple times by repeating the steps s605 to s609 multiple times.

さらに別の実施形態においては、ヒータ42を用いてダイ12の外部からの熱によって粉末材料Mを加熱することもできる。この場合には、無加熱不純物除去工程を終えた後、ヒータ42がダイ12の側方に位置するようにヒータホルダ41を移動させ、上部パンチ13を内空間11に挿入しない状態で粉末材料Mを加熱し、加熱を続けた状態又は加熱を停止した状態で、粉末材料Mを真空雰囲気において所定時間にわたって保持する。 In yet another embodiment, the powder material M can be heated by heat from outside the die 12 using the heater 42. In this case, after the non-heating impurity removal process is completed, the heater holder 41 is moved so that the heater 42 is positioned to the side of the die 12, and the powder material M is heated without the upper punch 13 being inserted into the internal space 11, and the powder material M is held in a vacuum atmosphere for a predetermined time with the heating continued or stopped.

(焼結・冷却工程)
加熱された状態の粉末材料Mを、真空雰囲気において所定時間にわたって保持した後、プレス機構30を動作させ、真空チャンバー10内を真空に保ったまま下部電極18を再び移動させることによって、再度、上部パンチ13を内空間11に挿入する(s610)。プレス機構30の動作は、粉末材料Mの加圧力が所定の数値になるまで行われる。所定の加圧力に達した後、所定の昇温速度及び焼結温度で、所定の焼結時間にわたって、上部電極17及び下部電極18によって通電し、焼結を行う(s611)。焼結の際の加圧力、昇温速度、焼結温度及び焼結時間は、粉末材料Mの種類や、作製される焼結体の目標とする性能及び特性等に応じて適宜選択すれば良い。例えば、加圧力を7kN、昇温速度を240°C/分、焼結温度を500°C、焼結時間を2分とすることができる。焼結が完了したら、通電を終了し、ダイ12の温度が設定温度に低下するまで放置した後、必要に応じて冷却ガスをダイ12に吹きつけることによって急速冷却を行う(s612)。
(Sintering and cooling process)
After the heated powder material M is held in a vacuum atmosphere for a predetermined time, the press mechanism 30 is operated to move the lower electrode 18 again while maintaining the vacuum inside the vacuum chamber 10, thereby inserting the upper punch 13 into the inner space 11 again (s610). The operation of the press mechanism 30 is performed until the pressure applied to the powder material M reaches a predetermined value. After the predetermined pressure is reached, electricity is passed through the upper electrode 17 and the lower electrode 18 at a predetermined heating rate and sintering temperature for a predetermined sintering time, and sintering is performed (s611). The pressure, heating rate, sintering temperature, and sintering time during sintering may be appropriately selected depending on the type of powder material M, the target performance and characteristics of the sintered body to be produced, and the like. For example, the pressure can be 7 kN, the heating rate 240°C/min, the sintering temperature 500°C, and the sintering time 2 minutes. When sintering is complete, the current is stopped, and the die 12 is left to stand until its temperature drops to the set temperature, after which rapid cooling is performed by blowing cooling gas onto the die 12 as necessary (s612).

(後工程)
ダイ12の冷却が完了した後、後工程が行われる。具体的には以下のとおりである。まず、真空チャンバー10の真空状態を解放する。次いで、プレス機構30を作動させて下部電極18を下方に移動させ、ダイ12、上部パンチ13及び下部パンチ14を真空チャンバー10から取り出す。このとき、上部パンチ13のツバ132が上部スペーサー15の突起部分152a、152bに載っているので、上部パンチ13を横移動させてフック152、153の間から取り出す。必要に応じて治具を用いて、上部パンチ13、下部パンチ14をダイ12から外し、焼結体を取り出す。必要に応じてバリを除去することによって、焼結体が完成する。
(Post-process)
After the cooling of the die 12 is completed, the post-processing is performed. Specifically, it is as follows. First, the vacuum state of the vacuum chamber 10 is released. Next, the press mechanism 30 is operated to move the lower electrode 18 downward, and the die 12, the upper punch 13, and the lower punch 14 are removed from the vacuum chamber 10. At this time, since the flange 132 of the upper punch 13 is placed on the protruding parts 152a, 152b of the upper spacer 15, the upper punch 13 is moved laterally and removed from between the hooks 152, 153. If necessary, a jig is used to remove the upper punch 13 and the lower punch 14 from the die 12, and the sintered body is removed. If necessary, burrs are removed to complete the sintered body.

(実施例1)
本発明に係る装置は、真空雰囲気内で上部パンチをダイに挿入したり取り出したりすることができる。したがって、加熱不純物除去を複数回にわたって行うことが可能である。ここでは、複数回にわたって加熱不純物除去を行ったときの不純物除去効果を確認した。直径15mmのパンチ及びそれに対応するダイを用いて、3種類の焼結試料を作成し、不純物除去効果の比較を行った。3種類の試料の粉末材料、焼結体の重量、焼結プロセス条件、及び加熱不純物除去の条件は、表1~表3に示すとおりである。なお、表において「加熱Degas」は「加熱不純物除去」を表す。No.8及びNo.9の試料では、ステアリン酸粉末を不純物と想定して、粉末原料に混合した。加熱Degasの繰り返し回数は2回とした。
Example 1
The device according to the present invention can insert and remove the upper punch from the die in a vacuum atmosphere. Therefore, it is possible to perform the thermal impurity removal multiple times. Here, the impurity removal effect when the thermal impurity removal was performed multiple times was confirmed. Three types of sintered samples were prepared using a punch with a diameter of 15 mm and a corresponding die, and the impurity removal effect was compared. The powder material, weight of the sintered body, sintering process conditions, and thermal impurity removal conditions of the three types of samples are as shown in Tables 1 to 3. In the tables, "heated Degas" stands for "heated impurity removal". In samples No. 8 and No. 9, stearic acid powder was assumed to be an impurity and mixed into the powder raw material. The number of times the heated Degas was repeated was two.

実験結果を表4に示す。また、図7及び図8は、試料No.8及び試料No.9の焼結体を切断して切断面を研磨し、EDS(エネルギー分散型X線分析装置)による元素マッピング画像である。 The experimental results are shown in Table 4. Figures 7 and 8 are element mapping images of the cut surfaces of the sintered bodies of Samples No. 8 and No. 9, which were cut and polished, and then measured by an EDS (energy dispersive X-ray analyzer).

試料No.8と試料No.9とを比較すると、試料No.8の方が焼結体重量は軽くなり、No.8の焼結後には真空チャンバー内部が全体的に白くなった。これは、加熱不純物除去によってステアリン酸が気化し、温度が低い真空チャンバー内壁や真空チャンバーのビューポートガラスに付着したためと考えられる。また、EDS観察結果から、試料断面に残るC(炭素)成分は、試料No.9(図8)よりNo.8(図7)の方が少ないことがわかる。これらのことから、加熱不純物除去によって、粉末材料の不純物を焼結前に除去することができ、純度を高めることが可能であると考えられる。 Comparing sample No. 8 and sample No. 9, the sintered weight of sample No. 8 was lighter, and the inside of the vacuum chamber turned white overall after sintering of No. 8. This is thought to be because the stearic acid was vaporized by the thermal impurity removal and adhered to the cold inner walls of the vacuum chamber and to the viewport glass of the vacuum chamber. Also, the EDS observation results show that there is less C (carbon) remaining in the cross section of the sample in sample No. 8 (Figure 7) than in sample No. 9 (Figure 8). From these findings, it is thought that impurities in the powder material can be removed before sintering by thermal impurity removal, making it possible to increase purity.

1 放電プラズマ焼結装置
10 真空チャンバー
11 内空間
12 ダイ
121 本体
122 テーパー加工部
13 上部パンチ
131 本体
132 ツバ
14 下部パンチ
15 上部スペーサー
151 本体
152、153 フック
152a、153a 突起部分
16 下部スペーサー
17 上部電極
18 下部電極
20 排気機構
21 真空ポンプ
22 開閉バルブ
30 プレス機構
40 加熱機構
41 ヒータホルダ
42 ヒータ
43 上下駆動部
M 粉末材料


REFERENCE SIGNS LIST 1 Spark plasma sintering apparatus 10 Vacuum chamber 11 Inner space 12 Die 121 Body 122 Tapered portion 13 Upper punch 131 Body 132 Flange 14 Lower punch 15 Upper spacer 151 Body 152, 153 Hook 152a, 153a Projection portion 16 Lower spacer 17 Upper electrode 18 Lower electrode 20 Exhaust mechanism 21 Vacuum pump 22 Opening and closing valve 30 Press mechanism 40 Heating mechanism 41 Heater holder 42 Heater 43 Vertical drive unit M Powder material


Claims (4)

筒状のダイの内空間に充填された粉末材料を真空雰囲気においてパンチで加圧しながら通電することによって粉末材料を焼結する放電プラズマ焼結方法であって、
前記粉末材料が充填された前記ダイの周囲を真空雰囲気にする真空工程と、
真空雰囲気において、前記粉末材料を加熱する加熱工程と、
真空雰囲気において、前記パンチが前記内空間に挿入されていない状態で、加熱された前記粉末材料を保持する、保持工程と、
真空雰囲気において、前記保持工程の後に前記パンチを前記内空間に挿入し、前記パンチによって前記粉末材料を加圧しながら前記粉末材料に通電する、焼結工程と
を含む放電プラズマ焼結方法。
A spark plasma sintering method for sintering a powder material filled in an inner space of a cylindrical die by applying electric current while pressing the powder material with a punch in a vacuum atmosphere, comprising:
a vacuum process for creating a vacuum atmosphere around the die filled with the powder material;
a heating step of heating the powder material in a vacuum atmosphere ;
a holding step of holding the heated powder material in a vacuum atmosphere with the punch not inserted into the internal space;
and a sintering step of inserting the punch into the internal space after the holding step in a vacuum atmosphere and applying pressure to the powder material with the punch while passing an electric current through the powder material.
前記加熱工程は、前記パンチを前記内空間に挿入し、前記パンチを介して通電することによって前記粉末材料を加熱し、前記パンチを前記内空間から取り出すことを含む、請求項1に記載の放電プラズマ焼結方法。 The spark plasma sintering method according to claim 1, wherein the heating step includes inserting the punch into the internal space, heating the powder material by passing current through the punch, and removing the punch from the internal space. 前記真空工程は、前記パンチが前記ダイの前記内空間に挿入されていない状態で、前記粉末材料が充填された前記ダイの周囲を真空雰囲気にすることを含む、
請求項1又は請求項2に記載の放電プラズマ焼結方法。
The vacuum process includes creating a vacuum atmosphere around the die filled with the powder material while the punch is not inserted into the internal space of the die.
The spark plasma sintering method according to claim 1 or 2.
前記加熱工程は、前記ダイを外部から加熱することによって前記粉末材料を加熱することを含む、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の放電プラズマ焼結方法。
The spark plasma sintering method according to claim 1 , wherein the heating step comprises heating the powder material by externally heating the die.
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