JP2019157227A - 粉体焼結方法と粉体焼結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物の混入が極めて少ない焼結体を提供する粉体焼結装置及びそれと用いた粉体焼結方法を提供する。【解決手段】本発明の粉体焼結方法は、ロール（７ａ，７ｂ）によって成形体（３）を加熱圧縮して焼結体（９）を得る粉体焼結方法であって、ロール（７ａ，７ｂ）として、成形体（３）と同じ材質のコーティング層（６）を表面に形成したものを使用し、ロール（７ａ，７ｂ）に搬入される直前の成形体（３）の表面温度を、コーティング層（６）の温度（５５０℃）に比べ高い（６００℃）あるいは略同じ（５５０℃〜６００℃未満）に調節することを特徴とする。これによって、加熱圧縮時に不純物混入源となる部分との接触を無くし、不純物混入が極めて少ない焼結体（９）を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、粉体を焼結する方法に関する。

窯業製品、セラミックス、粉末冶金、サーメットなどを製造する工程では、セラミックスや金属の粉末の原材料を加圧成形した後、その粉末の融点以下の温度で熱処理することで焼結体が製造されている。焼結方法としては、常圧焼結法、ガス圧焼結法、ホットプレス法、熱間静水圧法（ＨＩＰ）、通電加圧法、ミリ波法等がある。より緻密な焼結体を得るためには、ガス圧焼結法、ホットプレス法、熱間静水圧法、通電加圧法などで、粉末成形体を加圧状態で加熱することが有効である。

しかし、加圧状態での加熱では粉末成形体が接触する金型などからの不純物混入が懸念される。特に得られた焼結体を電子部品の一部に用いる場合は微量の不純物が混入しても製品性の劣化を及ぼすことがある。例えば絶縁部品への導電性元素の混入や電池材料への金属混入などがこれにあたる。

これに対し、例えば、特許文献１では窒素珪素質焼結体を得るために焼結助剤粉末などが塗布された成形型を用いており、成形型の材料由来の不純物混入が避けられている。また、特許文献２ではプレスロール表面部にプレスする材料と同じ元素を付着させることで特許文献１と同様にプレスロールの材料由来の不純物混入が避けられている。

特許３９８１４８２号公報 特開２０１６−５９８７０号公報

しかしながら、特許文献１では焼結助剤粉末に窒素珪素質焼結体の原料粉末に含まれない元素を用いており、別の不純物混入が懸念される。

粉体焼結装置ではなくて、被塗膜物の帯状体を連続走行させながら塗料を塗布する塗布装置が特許文献２に開示されている。これは、前記塗料を供給するプレスロールの表面が塗料との摩擦で摩耗しないように、前記プレスロールの表面に前記塗料の膜が残留するようにしたものであって、高粘度の塗料を常温でプレスロールに付着させているが、粉体焼結装置に転用して高温で同様のことを行うとプレスロールに施した塗膜のひび割れや剥がれの発生することが考えられる。さらに転写量が場所によって不均一なプレスロールへの材料の転写が発生し、材料を焼結させるときのプレス圧にばらつきが生じることで焼結度合いがばらついたり、プレスロール表面から剥がれた塗膜が製品に付着することでプレスロールからの不純物混入が生じたりするなど、製品の均一性が損なわれる可能性も考えられる。

本発明は、焼結処理中に製品に接触する部分からの不純物混入を回避でき、かつ焼結度合いの均一性を損なわない粉体焼結方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の粉体焼結方法は、ロールによって成形体を加熱圧縮する粉体焼結方法であって、前記ロールとして、前記成形体と同じ材質のコーティング層を表面に形成したものを使用し、前記ロールに搬入される直前の前記成形体の表面温度を、前記コーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じに調節する、ことを特徴とする。

また前記粉体焼結方法において、前記ロールの表面で前記コーティング層の下地の凹凸の高さが０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが、より好ましい。

本発明の粉体焼結装置は、ロールによって成形体を加熱圧縮する粉体焼結装置であって、前記成形体と同じ材料のコーティング層を表面に形成したロールと、前記ロールに搬入される前の前記成形体の表面温度を、前記コーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じに調節する予備加熱ユニットを設けた、ことを特徴とする。

また本発明の粉体焼結装置は、原材料を加熱圧縮することで焼結体を製造する粉体焼結装置であって、前記原材料を供給するフィーダーユニットと、前記原材料を一定の大きさの成形体に形づくる成形ユニットと、前記成形体を加熱圧縮する前に所定の温度に加熱するための予備加熱ユニットと、表面に凹凸を有するロールの表面に前記原材料と同じ材質のコーティング層が施され搬入された前記成形体を加熱・加圧して焼結体を製造する加熱圧縮ユニットと、前記成形体を前記成形ユニットから前記予備加熱ユニットおよび前記加熱圧縮ユニットまで搬送する搬送ユニットと、前記予備加熱ユニットの温度を制御する第１制御ユニットと、前記加熱圧縮ユニットの温度及び加圧力を制御する第２制御ユニットとを設けた、ことを特徴とする。

また前記粉体焼結装置において、前記予備加熱ユニットによって加熱された前記成形体の表面温度が、前記コーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じであることが、より好ましい。

また前記粉体焼結装置において、前記ロールの表面で前記コーティング層の下地の凹凸の高さが０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることが、より好ましい。

本発明の粉体焼結方法によれば、ロールとして成形体と同じ材質のコーティング層を表面に形成したものを使用するとともに、ロールに搬入される前の成形体の表面温度を、予備加熱ユニットによってコーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じに調節するので、高温・高圧の加熱圧縮を施しても粉体焼結装置からの不純物の混入が無く、焼結度合いのばらつきが少ない焼結体を得ることが可能となる。

本発明の粉体焼結方法を実行する粉体焼結装置の構成図 同実施の形態の（ａ）ロールの断面図と（ｂ）その運転初期の要部の拡大図

以下、本発明の粉体焼結方法を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の粉体焼結方法を実行する粉体焼結装置を示す。

この装置は、原材料１を供給するフィーダーユニット２と、フィーダーユニット２によって供給された原材料１を一定の大きさの成形体３に形づくる成形ユニット４と、成形体３を加熱圧縮する前に所定の温度に加熱するための予備加熱ユニット５と、予備加熱ユニット５で処理された成形体３を加熱加圧することで焼結体９を製造する加熱圧縮ユニット１０と、成形体３を成形ユニット４から予備加熱ユニット５および加熱圧縮ユニット１０まで搬送する搬送ユニット１１と、予備加熱ユニット５の温度を制御する第１制御ユニット１２と、加熱圧縮ユニット１０の温度及び加圧力を制御する第２制御ユニット１３とを有している。

フィーダーユニット２は、ホッパー２ａとスクリューフィーダー２ｂからなる。

成形ユニット４は、Φ３００ｍｍの加圧ローラー４ａ，４ｂとローラーカッター４ｃから成る。

予備加熱ユニット５は、ヒーターによって加熱する加熱炉で加熱温度や時間は第１制御ユニット１２によって制御されている。予備加熱ユニット５の処理温度は原材料１の融点以下に設定されている。

加熱圧縮ユニット１０は、それぞれヒーター８を内蔵するとともに、図２（ａ）（ｂ）に示すように周面に凹凸１４が形成された一対のロール７ａ，７ｂを有している。ロール７ａ，７ｂの表面はコーティング層６によって覆われている。コーティング層６の材質は、原材料１と同じ材質である。加熱圧縮ユニット１０による加熱圧縮の温度、圧力およびそれぞれの時間は第２制御ユニット１３によって制御されている。

予備加熱ユニット５の処理温度と加熱圧縮ユニット１０の処理温度は、加熱圧縮ユニット１０のロール７ａ，７ｂに搬入される直前の成形体３の表面温度が、コーティング層６の温度に比べ高いあるいは略同じに調節されている。成形体３の表面温度が略同じとはコーティング層６の温度未満で、コーティング層６の温度付近の温度である。後述の実施例において具体的な設定温度を挙げて詳しく説明する。

なお、生産直後の粉体焼結装置の加熱圧縮ユニット１０は、例えば図２（ｂ）に示すように凹凸１４の頂点１４ａの一部を残してコーティング層６によって覆われている。頂点１４ａは、運転開始後の試運転時などに成形体３から剥がれ落ちたコーティング層６の材料によって更にコーティングされて、凹凸１４の全部が露出しない状態になる。

加熱圧縮ユニット１０の詳細な構成を、粉体焼結工程に基づいて説明する。

フィーダーユニット２に投入された原材料１は、単位時間当たり一定の体積で成形ユニット４へ送られる。成形ユニット４では原材料１を押し固めることで一定の形状であり、搬送ユニット１１で搬送しても崩れない強度を持つ成形体３を成形する。成形体３は搬送ユニット１１によって予備加熱ユニット５に運ばれ所定の温度まで加熱される。予備加熱ユニット５の所定の温度は、原材料１の融点未満の温度である。

加熱された成形体３は、搬送ユニット１１によって加熱圧縮ユニット１０まで運ばれる。成形体３は加熱圧縮ユニット１０によって所定の温度に加熱されながらロール７ａ，７ｂによって所定の荷重を与えられることで焼結反応が生じ、焼結体９となる。

ロール７ａ，７ｂの凹凸１４は、高さ０．０５μｍ以上１．０μｍ以下で、このロール７ａ，７ｂに原材料１を焼結コーティングしたものである。成形体３を用いて所定の温度・荷重で数回加熱圧縮処理することで表面に原材料１を転写させ、焼結させた状態でコーティング層６を施している。

なお、凹凸１４の高さが０．０５μｍ未満ではコーティング層６を付着させるアンカー効果が小さすぎ、１．０μｍより大きいと加熱圧縮時の局所的な圧力ばらつきが大きくなるため焼結体９の密度ばらつきが顕著となる。

このようにしてロール７ａ，７ｂに施されているコーティング層６は、加熱圧縮時に原材料１の付着・焼結および焼結した膜の剥離を繰り返しており、この一連の振る舞いに予備加熱ユニット５による加熱工程および加熱圧縮ユニット１０による高温高圧プレス工程が大きくかかわっている。

焼結に用いられるような高温高圧プレス工程では、コーティング層６は処理が進むにつれて結晶化が促進されるため、硬度は高いが柔軟性が損なわれ脆弱な状態となる。このため加熱圧縮ユニット１０による高圧プレスによりコーティング層６中にクラックが多数発生する。成形体３からの転写でコーティング層６が厚くなると一定厚を超えたあたりからクラックを起点に剥離し、一部は焼結体９に取り込まれる。

この剥離の際には、予備加熱ユニット５によって加熱されて加熱圧縮ユニット１０に搬入された成形体３の表面温度と加熱圧縮ユニット１０のコーティング層６の表面温度が同じまたは略同じ場合は、ロール７ａ，７ｂの表面に施されている凹凸１４によるアンカー効果により凹部を満たす程度の膜厚を残して僅かなコーティング層６だけが剥離する。したがって、凹凸１４の凹部に付着してロール７ａ，７ｂに残る分のコーティング層６が焼結体９に取り込まれることがないため、焼結体９への不純物混入を抑制することができる。

成形体３の表面温度がコーティング層６の表面温度より高い場合は、接触後の成形体３からコーティング層６へ熱を与えながら原材料１がロール７ａ，７ｂの側に付着するので、この界面近傍のコーティング層６の結晶化が促進され、この界面近傍がクラック発生源になりやすい。したがって、成形体３の表面温度とコーティング層６の表面温度がほぼ同等の場合と同様に、焼結体９への不純物混入を抑制することができる。更に、成形体３の表面温度とコーティング層６の表面温度がほぼ同等の場合に比べコーティング層６のクラック発生源の位置のばらつきが小さくなり、加熱圧縮時の局所的な圧力ばらつきが小さくなるため焼結体９の密度ばらつきが低減される。

逆に、コーティング層６と接触する直前の成形体３の表面温度がコーティング層６の表面温度より低い場合は、接触後の成形体３がコーティング層６から熱を奪うことになる。この際、コーティング層６に収縮が生じ、コーティング層６とロール７ａ，７ｂの界面に空隙が生じる。この空隙を起因として大きく剥離した場合には、剥離したコーティング層６が焼結体９に取り込まれ、ロール７ａ，７ｂに触れていた部分に付着していた金属不純物が混入する。このため不純物混入を十分に抑制することができない。

このような理由によって、コーティング層６と接触する直前の成形体３の表面温度は、予備加熱ユニット５と第１制御ユニット１２によってコーティング層６の温度に比べ高いあるいは略同じに調節されている。

− 実施例 −
シリコン酸化物を主材料とする原材料１の粉体の焼結を例として説明する。

なお、この実施例では原材料１としては融点１０３０℃の材料を焼結する場合を例に挙げて説明する。

この装置は、加圧ローラー４ａ，４ｂがΦ３００ｍｍのローラーで構成されている。予備加熱ユニット５は、赤外線ヒーターによって加熱する加熱炉である。熱圧縮ユニット１０は、Φ３００ｍｍのロール７ａ，７ｂに原材料１と同じ材質のコーティング層６が施してあり、ロール７ａ，７ｂの内部にヒーター８として赤外線ヒーターを設置しているものを使用した。加熱圧縮ユニット１０はロール７ａ，７ｂによって成形体３に加熱・加圧することで焼結体９を製造するホットロールプレス装置である。凹凸１４は高さ０．０５μｍ以上１．０μｍ以下である。凹凸１４はロール７ａ，７ｂの全面に均一に形成されている。凹凸１４の高さの数値は、ステンレス鋼板で成形体３を挟みロールで加熱・加圧した際のアンカー効果および凹凸１４の変化の実験から決定している。凹凸１４の高さが０．０５μｍでは材料がステンレス鋼板に付着したが、これより高さが低いと材料の付着がなかった。ブラスト加工や酸加工で凹凸１４の高さが１．０μｍを超えたもの、例えば約１．５μｍは、加圧後に凹凸１４の頂点１４ａが小さくなり、ＳＥＭ観察から凸部頂点が消失したように見られた。１．０μｍは凹凸１４の頂点１４ａが残った。凹凸１４のアスペクト比は２以上５未満であった。

なお、ロール７ａ，７ｂの表面はタングステン系のハイス鋼でできており、その他のユニットで原材料１，成形体３および焼結体９が触れる部分にはステンレス鋼ＳＵＳ３１６を使用した。

この装置を用いた粉体焼結工程を比較例と比べて詳細に説明する。

フィーダーユニット２のホッパー２ａに投入された融点１０３０℃の原材料１は、スクリューフィーダー２ｂによって約６００ｃｍ^３／ｍｉｎの速度で、成形ユニット４の加圧ローラー４ａ，４ｂへ送られる。加圧ローラー４ａ，４ｂはローラー間ギャップ４ｍｍ、荷重１０トン、周速１ｍ／ｍｉｎで原材料１を押し固め、これをローラーカッター４ｃでカットすることで厚さ約４ｍｍ、幅約１００ｍｍ長さ約１００ｍｍの成形体３を成形する。

成形体３は搬送ユニット１１によって予備加熱ユニット５に運ばれ６０秒間の処理により温度６００℃まで加熱される。加熱された成形体３は、更に搬送ユニット１１によって加熱圧縮ユニット１０まで運ばれる。

加熱圧縮ユニット１０に搬入される直前の成形体３の温度６００℃の場合、加熱圧縮ユニット１０は、ロール７ａ，７ｂのロール間ギャップ２ｍｍ、荷重３０トン、周速４ｍ／ｍｉｎ、６００℃と略同じと見なせる５５０℃のロール温度条件で成形体３を加熱圧縮することで焼結体９を生産する。

この焼結体９を、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を光源とするＩＣＰ発光分光法によって測定した結果を、実施例の金属不純物測定結果として下記の表１に示す。

なお、上記実施例における予備加熱ユニット５の処理温度を２５℃、加熱圧縮ユニット１０のロール７ａ，７ｂをコーティング層６が施されていないロールとした場合を比較例１として、同様に焼結体９の金属不純物測定結果を測定した。

さらに、上記実施例における予備加熱ユニット５の処理温度を２５℃に変更した場合を比較例２として、同様に焼結体９の金属不純物測定結果を測定した。

なお、比較例１，２における、予備加熱ユニット５の処理温度２５℃は、加熱圧縮ユニット１０の処理温度５５０℃に比べて十分に低い温度である。

この結果からわかるように、実施例では原材料１の粉とほとんど変わらない金属不純物量となっている。一方、比較例１と比較例２では特に鉄の不純物の増加がみられる。

なお、本実施例に示す装置の構成や処理条件は一例であり本実施例によって限定されるものではない。

このように本発明の装置を用いた粉体焼結方法により金属不純物の混入を抑制した焼結体９を得ることが可能となる。
なお、実施例では加熱圧縮ユニット１０の処理温度を５５０℃に設定した場合、予備加熱ユニット５の処理温度を５５０℃よりも高い６００℃に設定した場合を説明したが、加熱圧縮ユニット１０のロール７ａ，７ｂに搬入される直前の成形体３の表面温度を、予備加熱ユニット５によってコーティング層６の温度と同じに調節する、具体的には、予備加熱ユニット５によって成形体３の原材料１の融点以下の６００℃に加熱した後に、６００℃の処理温度の加熱圧縮ユニット１０によって処理しても、比較例１，比較例２に比べて金属不純物の混入を抑制した焼結体９を得ることができた。

本発明の粉体焼結方法は、粉末の原材料を加圧成形した後に、その粉末の融点以下の温度で熱処理した焼結体を必要とする各種工業製品の高性能化に寄与する。特に、絶縁部品や電池材料の高性能化に有効である。

１ 原材料
２ フィーダーユニット
２ａ ホッパー
２ｂ スクリューフィーダー
３ 成形体
４ 成形ユニット
４ａ，４ｂ 加圧ローラー
４ｃ ローラーカッター
５ 予備加熱ユニット
６ コーティング層
７ａ，７ｂ ロール
８ ヒーター
９ 焼結体
１０ 加熱圧縮ユニット
１１ 搬送ユニット
１２ 第１制御ユニット
１３ 第２制御ユニット
１４ 凹凸

Claims (6)

1. ロールによって成形体を加熱圧縮する粉体焼結方法であって、
   前記ロールとして、前記成形体と同じ材質のコーティング層を表面に形成したものを使用し、
   前記ロールに搬入される直前の前記成形体の表面温度を、前記コーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じに調節する、粉体焼結方法。
2. 前記ロールの表面で前記コーティング層の下地の凹凸の高さが０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の粉体焼結方法。
3. ロールによって成形体を加熱圧縮する粉体焼結装置であって、
   前記成形体と同じ材料のコーティング層を表面に形成したロールと、
   前記ロールに搬入される前の前記成形体の表面温度を、前記コーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じに調節する予備加熱ユニットを設けた、粉体焼結装置。
4. 原材料を加熱圧縮することで焼結体を製造する粉体焼結装置であって、
   前記原材料を供給するフィーダーユニットと、
   前記原材料を一定の大きさの成形体に形づくる成形ユニットと、
   前記成形体を加熱圧縮する前に所定の温度に加熱するための予備加熱ユニットと、
   表面に凹凸を有するロールの表面に前記原材料と同じ材質のコーティング層が施され搬入された前記成形体を加熱・加圧して焼結体を製造する加熱圧縮ユニットと、
   前記成形体を前記成形ユニットから前記予備加熱ユニットおよび前記加熱圧縮ユニットまで搬送する搬送ユニットと、
   前記予備加熱ユニットの温度を制御する第１制御ユニットと、
   前記加熱圧縮ユニットの温度及び加圧力を制御する第２制御ユニットとを設けた、
   粉体焼結装置。
5. 前記予備加熱ユニットによって加熱された前記成形体の表面温度が、前記コーティング層の温度に比べ高いあるいは略同じであることを特徴とする、
   請求項４に記載の粉体焼結装置。
6. 前記ロールの表面で前記コーティング層の下地の凹凸の高さが０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに記載の粉体焼結装置。

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