JP3947918B2

JP3947918B2 - 金属焼結体及びその製造方法

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Publication number: JP3947918B2
Application number: JP2002148141A
Authority: JP
Inventors: 道治小川; 公洋尾崎; 慶三小林
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: JP2003342610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属焼結体及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、磁歪合金、磁石合金などの機能材料、超硬合金、サーメットなどの工具材料、粒子分散型複合材料、繊維強化型複合材料などの複合材料等、金属を含む各種の材料からなる金属焼結体、及びこれらの材料からなる長尺の金属焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焼結法は、粉末を圧縮し、これを高温に加熱して焼き固めることにより焼結体を得る方法である。金属の焼結方法としては、例えば、金属粉末に圧力を加えて成形体を得て、さらに焼結炉で焼結をする常圧焼結法、ダイに充填された金属粉末をパンチで加圧しながらパンチ間に電流を流し、ジュール熱によって金属粉末自身を発熱させる通電焼結法などが知られている。
【０００３】
これらの中でも、通電焼結法は、他の方法に比して焼結時間を短縮することができ、しかも加圧によって緻密化が促進されるという利点がある。そのため、通電焼結法は、高度な組織制御が要求される磁歪合金、磁石合金等の機能材料、従来の方法では焼結が困難であった粒子分散型複合材料、繊維強化型複合材料等の複合材料などの焼結方法として注目されている。
【０００４】
また、この方法は、従来の方法では接合が困難であった材料の接合方法にも応用されている。例えば、特開２００２−３５９５５号公報には、接合面の表面粗さを３０μｍ〜２００μｍの粗面とし、この接合面同士を接触させ、接合面と直交方向に通電加圧することを特徴とするアルミニウム合金複合部材の製造方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
常圧焼結法は、焼結時に加圧が不要であるので、生産効率が高いという利点がある。しかしながら、例えば、金属粉末を用いて柱状の成形体をプレス成形する場合において、幅方向の寸法に対する高さの比率（アスペクト比）が大きくなると、成形体内部の密度勾配が大きくなる。このような成形体を加熱すると、成形体密度の高い両端部分より成形体密度の低い中央部分の方が大きく収縮する。そのため、この方法では、寸法精度の高い焼結体は得られない。
【０００６】
また、常圧焼結法を用いて高密度の焼結体を製造する場合において、出発原料として用いる金属粉末の表面に酸化被膜が形成されているときには、成形前に金属粉末の表面から酸化被膜を除去する工程が必要となる。さらに、金属粉末の表面に強固な酸化被膜が形成される合金系や、異種材料を添加した複合材料等については、常圧焼結法により高密度の焼結体を得るのは困難である。
【０００７】
これに対し、通電焼結法は、通電と同時に金属粉末が加圧されるので、焼結時に金属粉末の表面に形成された酸化被膜が破れ、清浄な面が露出しやすい。また、異種材料を含む場合であっても、加圧によって焼結が促進される。そのため、金属粉末の表面に形成された酸化被膜の除去が困難な合金系や複合材料等であっても、高密度の焼結体を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、通電焼結法は、パンチを介して金属粉末への通電が行われるので、温度分布が不均一になりやすい。すなわち、パンチ近傍の部分は、相対的に高温に加熱されるが、パンチから離れた中央部分は、電流がダイに分散して流れるために、温度が上がりにくい。そのため、焼結体のアスペクト比が大きくなるほど、各部の加熱履歴が不均一となり、焼結体の密度及び／又は組織が不均一となる。
【０００９】
また、通電焼結法においては、金属粉末に対して一軸加圧が行われるので、ダイと金属粉末との間に摩擦が発生する。この摩擦の大きさは、パンチ近傍では大きく、パンチから離れるほど小さくなる傾向がある。また、摩擦が大きくなるほど、パンチによる加圧力が金属粉末に伝達されにくくなる。そのため、成形体のアスペクト比が大きくなると、中央部に焼結不良が発生し、健全な焼結体は得られない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、高い焼結体密度と高い寸法精度を有する金属焼結体、及び、その材質によらずこのような焼結体を製造可能な金属焼結体の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、アスペクト比が大きく、かつ密度及び／又は組織が均一な金属焼結体、及び、その材質によらずこのような焼結体を製造可能な金属焼結体の製造方法を提供することにある。
【００１２】
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、アスペクト比が大きく、かつ焼結不良のない健全な金属焼結体、及び、その材質によらずこのような焼結体を製造可能な金属焼結体の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る金属焼結体は、第１金属を含む第１層と、該第１層より高い比抵抗を有し、かつ前記第１金属と同一又は異なる組成を有する第２金属を含む第２層とが隣接するように、前記第１層と前記第２層とを積層して積層体とし、該積層体を積層方向に加圧しながら、前記積層体に電流を通電することにより得られるものからなる。
【００１４】
また、本発明に係る金属焼結体の製造方法は、第１金属を含む第１層と、該第１層より高い比抵抗を有し、かつ前記第１金属と同一又は異なる組成を有する第２金属を含む第２層とが隣接するように、前記第１層と前記第２層とを積層する積層工程と、該積層工程で得られた積層体を積層方向に加圧しながら、前記積層体に電流を通電する焼結工程とを備えていることを要旨とする。
【００１５】
この場合、前記第１層は、前記第１金属を含む第１焼結体又は、前記第１金属を含むバルク体が好ましい。また、前記第２層は、前記第２金属を含む金属粉末、前記第２金属を含む成形体、又は前記第２金属を含み、かつ前記第１層より高い比抵抗を有する第２焼結体が好ましい。
【００１６】
比抵抗の異なる第１層及び第２層を隣接させた積層体に対し、圧力を加えながら電流を通電すると、比抵抗の高い第２層において相対的に高いジュール熱が発生する。そのため、積層体のアスペクト比が大きい場合であっても、加熱履歴を均一化することができる。また、比抵抗の低い第１層は、第２層より相対密度が高いので、第１層とダイとの間に発生する摩擦力は小さい。そのため、積層体のアスペクト比が大きい場合であっても、焼結時に第２層に対して加圧力が確実に伝達され、焼結不良の発生を抑制することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る金属焼結体は、後述する本発明に係る製造方法により得ることができる。本発明において、金属焼結体の材質は、特に限定されるものではない。すなわち、本発明に係る製造方法は、焼結が容易な易焼結性材料に限らず、従来の方法では焼結が困難な難焼結性材料に対しても適用可能である。また、単一材料に限らず、異種材料を含む複合材料に対しても適用可能である。
【００１８】
本発明に係る金属焼結体の材質の具体例としては、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｆｅ合金、Ｄｙ−Ｆｅ合金、Ｅｒ−Ｆｅ合金、Ｔｍ−Ｆｅ合金、Ｓｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｒ合金などの磁歪合金、Ｓｍ−Ｃｏ合金、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ合金、Ｍｎ−Ａｌ−Ｃ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ合金などの磁石合金、超硬合金、サーメットなどの工具材料等を例示することができる。
【００１９】
また、金属焼結体の材質の他の具体例としては、上述した磁歪合金、磁石合金等に微粒子を分散させた粒子分散型複合材料、磁歪合金、磁石合金等に短繊維又は長繊維を分散させた繊維強化型複合材料などの複合材料を例示することができる。
【００２０】
粒子分散型複合材料において、金属焼結体中に分散させる微粒子の材質は、金属焼結体の材質、要求される特性等に応じて最適なものを選択する。例えば、金属焼結体の主相が磁歪合金からなる場合、微粒子としては、具体的には、セラミックス材料、Ｗ、Ｍｏ等を例示することができる。また、セラミックス材料としては、具体的には、アルミナ、ムライト、コーディエライト、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化チタン等を例示することができる。これらの微粒子は、単独で用いても良く、あるいは２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００２１】
この場合、微粒子の添加量は、金属焼結体の材質、用途に応じて最適な量を選択する。例えば、金属焼結体の主相が磁歪合金からなる場合、微粒子の添加量は、３０ｖｏｌ％以下が好ましい。微粒子の添加量が３０ｖｏｌ％を越えると、金属焼結体が本来有する特性（例えば、磁歪特性、磁気特性等。）が低下するので好ましくない。また、微粒子の添加によって金属焼結体の機械的特性を向上させるためには、微粒子の添加量は、５ｖｏｌ％以上が好ましい。
【００２２】
繊維強化型複合材料において、金属焼結体中に分散させる繊維の材質は、金属焼結体の材質、要求される特性等に応じて最適なものを選択する。例えば、金属焼結体の主相が磁歪合金からなる場合、繊維としては、具体的には、ガラス繊維、カーボンフィラー、鉄線等を例示することができる。これらの繊維は、単独で用いても良く、あるいは２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００２３】
この場合、分散させる繊維のアスペクト比は、２以上が好ましい。アスペクト比が２未満であると、大きな補強効果は得られない。繊維のアスペクト比は、さらに好ましくは、５以上である。
【００２４】
また、繊維の添加量は、金属焼結体の材質、用途に応じて最適な量を選択する。例えば、金属焼結体の主相が磁歪合金からなる場合、繊維の添加量は、３０ｖｏｌ％以下が好ましい。繊維の添加量が３０ｖｏｌ％を越えると、金属焼結体が本来有する特性（例えば、磁歪特性、磁気特性等。）が低下するので好ましくない。また、繊維の添加によって金属焼結体の機械的特性を向上させるためには、繊維の添加量は、５ｖｏｌ％以上が好ましい。
【００２５】
さらに、粒子分散型複合材料には、上述した短繊維又は長繊維がさらに含まれていても良い。同様に、繊維強化型複合材料には、上述した微粒子がさらに含まれていても良い。
【００２６】
また、金属焼結体は、そのアスペクト比が１以下の短尺品として使用される場合と、そのアスペクト比が１を越える長尺品として使用される場合がある。例えば、磁歪合金は、一般に棒状に加工されて使用されるが、用途によっては、アスペクト比が２以上の状態で使用される場合がある。本発明に係る製造方法によれば、このような高いアスペクト比を有し、かつ焼結不良のない健全な金属焼結体であっても製造することができる。
【００２７】
また、金属焼結体は、一般に、その密度及び／又は材質が均一である方が望ましい。例えば、棒状に加工された磁歪合金の場合、棒材の上下端の密度と中央部の密度の差の絶対値を棒材の平均密度で除した値（以下、これを「密度分布」という。）は、５０％以下が好ましく、さらに好ましくは、３０％以下である。本発明に係る製造方法によれば、同一材質からなり、かつこのような均一な密度分布を有する金属焼結体であっても製造することができる。
【００２８】
一方、金属焼結体は、その用途によっては、密度及び／又は材質が変化している方が望ましい場合がある。例えば、金属焼結体を他の部材と物理的又は化学的に接合して使用するときには、接合部に異種材料を介在させるか、あるいは接合部近傍の密度及び／又は材質を段階的又は連続的に変化させた方が好ましい場合がある。本発明に係る金属焼結体の製造方法によれば、このような密度及び／又は材質が離散的に変化しているもの、あるいは密度及び／又は材質が一端から他端に向かって段階的又は連続的に変化しているもの、のいずれであっても製造することができる。
【００２９】
さらに、本発明に係る金属焼結体は、そのままの状態で使用することもできるが、その表面を被覆する被覆層をさらに備えていても良い。例えば、磁歪合金の焼結体は、その組成によっては極めて酸化しやすく、しかも表面酸化が進行すると特性が劣化する場合がある。このような場合には、金属焼結体の表面を被覆層で被覆することが望ましい。
【００３０】
被覆層の材質は、金属焼結体の材質、用途等に応じて最適なものを選択する。例えば、金属焼結体の主相が磁歪合金からなる場合、被覆層としては、具体的には、樹脂層、金属メッキ（Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等）、塗装、ゴム等を例示することができる。また、被覆層は、金属焼結体の全体を被覆するものであっても良く、あるいは、一部のみを被覆するものであっても良い。さらに、被覆層の厚さは、金属焼結体の用途、要求される特性等に応じて、最適な厚さを選択すればよい。
【００３１】
次に、本発明に係る金属焼結体の製造方法について説明する。本発明の第１の実施の形態に係る製造方法は、積層工程と、焼結工程と、２次工程と、被覆工程とを備えている。
【００３２】
初めに、積層工程について説明する。積層工程は、第１層と、第１層より高い比抵抗を有する第２層とが隣接するように、第１層と第２層とを積層する工程である。
【００３３】
第１層には、少なくとも第１金属を含むものが用いられる。「第１金属」とは、作製しようとする金属焼結体の主要部分を構成する金属層と同一組成を有するものをいう。また、第１層には、金属焼結体の組成に応じて、第１金属以外の材料（以下、これを「第１異種材料」という。）が含まれていても良い。
【００３４】
例えば、金属焼結体が、上述した磁歪合金、磁性合金等の単一材料からなる場合、第１層には、作製しようとする金属焼結体と同一組成を有する第１金属のみを含むものが用いられる。また、金属焼結体が、磁歪合金、磁性合金等からなる金属マトリックスと、微粒子、長繊維、短繊維等との複合体からなる場合、第１層には、金属マトリックスと同一組成を有する第１金属と、金属焼結体に含まれる微粒子等と同一組成を有する第１異種材料とを含むものが用いられる。
【００３５】
また、作製しようとする金属焼結体の組成が均一である場合、第１層もまた、均一組成を有するものが用いられる。一方、金属焼結体の組成が、離散的又は段階的若しくは連続的に変化する場合、これに応じて、第１層には、第１金属の組成、第１異種材料の組成、及び／又は第１金属と第１異種材料の比率が離散的又は段階的若しくは連続的に変化しているものを用いることができる。
【００３６】
また、第１層には、第２層より相対的に低い比抵抗を有しているものが用いられる。具体的には、第１層として、第１金属を含む第１焼結体、又は第１金属を含むバルク体を用いるのが好ましい。「バルク体」とは、焼結法以外の方法（例えば、溶解、鋳造、塑性加工等。）により作製された塊状の物体をいう。
【００３７】
第１層として、第１焼結体を用いる場合、その相対密度は、７０％以上が好ましい。第１焼結体の相対密度が７０％未満であると、比抵抗が高いために、発熱が生じるので好ましくない。また、第１焼結体の相対密度が７０％未満になると、焼結時にダイとの間で発生する摩擦が大きくなり、第２層への圧力伝達が不十分となるおそれがある。第１焼結体の相対密度は、さらに好ましくは、８０％以上である。なお、第１焼結体の相対密度は、第１焼結体を作製する際の焼結温度、焼結時間、加圧力等を最適化することにより制御することができる。
【００３８】
また、第１層の端面の内、第２層に隣接する面は、粗面であっても良いが、平滑面である方が好ましい。第２層に隣接する面を平滑面とすると、界面における局部的な発熱を抑制することができ、密度及び組織が均一な金属焼結体を得ることができる。
【００３９】
さらに、第１層の高さは、特に限定されるものではなく、作製しようとする金属焼結体に要求される特性、用途等に応じて任意に選択することができる。すなわち、金属焼結体とした後の第１層のアスペクト比（以下、これを「第１層アスペクト比」という。）は、１以下であっても良く、あるいは、第１層アスペクト比は、１を越えるものであっても良い。
【００４０】
第２層には、少なくとも第２金属を含むものが用いられる。「第２金属」とは、第１金属と同一又は異なる組成を有するものをいう。第２金属の組成は、金属焼結体の組成及び第１層の組成に応じて定まる。また、第２層には、金属焼結体の組成に応じて、第２金属以外の材料（以下、これを「第２異種材料」という。）が含まれていても良い。
【００４１】
例えば、金属焼結体が、磁歪合金、磁性合金等の単一材料からなる場合、第２層には、第１金属と同一組成を有する第２金属のみを含むものが用いられる。また、金属焼結体が、磁歪合金、磁性合金等からなる金属マトリックスと、微粒子、長繊維、短繊維等との複合体からなる場合、第２層には、第１金属と同一組成を有する第２金属と、第１異種材料と同一組成を有する第２異種材料とを含むものが用いられる。
【００４２】
また、作製しようとする金属焼結体の組成が均一である場合、第２層もまた、均一組成を有するものが用いられる。一方、金属焼結体の組成が、離散的又は段階的若しくは連続的に変化する場合、これに応じて、第２層には、第２金属の組成、第２異種材料の組成、及び／又は第２金属と第２異種材料の比率が離散的又は段階的若しくは連続的に変化しているものを用いることができる。
【００４３】
また、第２層には、第１層より相対的に高い比抵抗を有しているものが用いられる。この場合、第１層の比抵抗ρ_１に対する第２層の比抵抗ρ_２の比率ρ_２／ρ_１（以下、これを「比抵抗倍率」という。）は、１．１倍以上が好ましい。比抵抗倍率が、１．１倍未満であると、第２層を優先的に加熱するのが困難となり、全体の焼結温度を上げる必要が生ずるので好ましくない。比抵抗倍率は、好ましくは、１．２倍以上、さらに好ましくは、１．５倍以上である。
【００４４】
第２層には、具体的には、第２金属を含む粉末、第２金属を含む成形体、又は第２金属を含み、かつ第１層より高い比抵抗を有する第２焼結体を用いるのが好ましい。
【００４５】
第２層として、第２金属を含む粉末を用いる場合、金属焼結体とした後の第２層のアスペクト比（以下、これを「第２層アスペクト比」という。）が０．００５以上１．０以下となるように、粉末の充填量を定めるのが好ましい。第２層アスペクト比が０．００５未満であると、長尺の金属焼結体を効率よく作製できないので好ましくない。一方、第２層アスペクト比が１．０を越えると、焼結時に第２層内部の圧力分布が不均一となり、焼結不良が発生するおそれがある。第２層として第２金属を含む粉末を用いる場合、第２層アスペクト比は、好ましくは、０．１以上１．０以下、さらに好ましくは、０．２以上１．０以下である。
【００４６】
また、第２層として、第２金属を含む成形体を用いる場合、成形体密度は、所定の比抵抗倍率が得られるように、第１層の比抵抗、第１層及び第２層の組成、金属焼結体の形状等に応じて選択する。一般に、成形体密度が低くなるほど、比抵抗の大きな第２層が得られる。また、成形体密度は、成形に用いる粉末の平均粒径、成形圧力等を最適化することにより制御することができる。
【００４７】
さらに、第２層として、第２金属を含む第２焼結体を用いる場合、第２焼結体の相対密度は、第１層の相対密度より低く、かつ所定の比抵抗倍率が得られるように、第１層の比抵抗、第１層及び第２層の組成、金属焼結体の形状等に応じて選択する。一般に、その相対密度が低くなるほど、比抵抗の大きな第２層が得られる。また、第２焼結体の相対密度は、第２焼結体を作製する際の焼結温度、焼結時間、加圧力等を最適化することにより制御することができる。
【００４８】
なお、第２層として、第２金属を含む粉末又はその成形体を用いる場合、粉末は、金属焼結体の主要部を構成する金属層と同一組成を有する合金であっても良く、あるいは、そのような合金の前駆体であっても良い。さらに、粉末は、熱処理されていても良い。「前駆体」とは、完全に合金化していないが、現実的な熱処理によって所望の組成を有する合金となり得るものをいう。このような前駆体としては、具体的には、機械的合金化処理された粉末、混合された粉末、超急冷粉末、アモルファス粉末等を例示することができる。
【００４９】
また、第２層として、第２金属を含む成形体又は第２焼結体を用いる場合、第２層アスペクト比は、１を越えるものであっても良い。これは、成形体又は第２焼結体は、粉末に比して、相対密度が高く、焼結時にダイとの間で発生する摩擦も小さいので、第２層アスペクト比が大きくても、圧力を第２層に確実に伝達することができるためである。
【００５０】
積層体は、少なくとも第１層と第２層とが隣接していれば良く、その積層順序は、特に限定されるものではない。例えば、積層体は、１個の第１層と、１個の第２層とを積層した二層構造を有するものであっても良い。また、積層体は、第１層を中心に配置し、その両側を第２層で挟んだ三層構造を有するものであっても良く、逆に、第２層を中心に配置し、その両側を第１層で挟んだ三層構造を有するものであっても良い。
【００５１】
また、積層体は、第１層と第２層とを交互に積層した多層構造を有するものであっても良い。さらに、積層体は、中央部の比抵抗が最も高く、かつ両端に行くほど比抵抗が小さくなるように、比抵抗が段階的に異なる複数の層を積層した多層構造を有するものであっても良い。
【００５２】
さらに、積層体は、同一かつ均一組成を有する第１層及び第２層を所定の順序で積層した多層構造を有するものであっても良い。また、積層体は、均一な組成を有する第１層と、均一な組成を有し、かつ第１層とは異なる組成を有する第２層とを所定の順序で積層した多層構造を有するものであっても良い。あるいは、積層体は、離散的又は段階的若しくは連続的に組成が変化する第１層と、離散的又は段階的若しくは連続的に組成が変化する第２層とを所定の順序で積層した多層構造を有するものであっても良い。
【００５３】
図１に、積層体の第１の具体例を示す。図１において、積層体１０は、上下端に配置された第１層１２、１２と、その中心に配置された第２層１４とを備えている。積層体１０の全長は、ダイ２０の全長より短くなっており、積層体１０の全体が、ダイ２０の中央部に形成された貫通孔内に挿入されている。また、積層体１０の上下端には、パンチ２２、２２が配置され、パンチ２２、２２を介して積層体１０を加圧通電するようになっている。
【００５４】
図２に、積層体の第２の具体例を示す。図２において、積層体３０は、上下端に配置された第１層３２、３２と、その中心に配置された第２層３４とを備えている。積層体３０の全長は、ダイ２０の全長より長くなっており、積層体３０は、その両端を除き、ダイ２０の貫通孔内に挿入されている。また、図２の例においては、第１層３２、３２がパンチとしても用いられており、第１層３２、３２を介して積層体３０を加圧通電するようになっている。
【００５５】
次に、焼結工程について説明する。焼結工程は、積層工程で得られた積層体を積層方向に加圧しながら、積層体に電流を通電する工程である。積層体に加える圧力の大きさ、積層体に通電する電流量等の焼結条件は、特に限定されるものではなく、第１層及び第２層の組成、金属焼結体に要求される特性等に応じて、最適なものを選択すれば良い。
【００５６】
一般に、積層体に加える圧力が大きくなるほど、金属焼結体の緻密化が促進される傾向がある。また、積層体に流す電流量が多くなるほど、昇温速度が速くなり、到達温度も高くなる傾向がある。また、電流は、連続電流であっても良く、あるいは、パルス電流であっても良い。特に、パルス電流を用いて焼結を行うと、強固な酸化被膜が形成される材料や異種材料を含む複合材料等の難焼結性材料であっても容易に緻密化することができる。
【００５７】
次に、２次工程について説明する。２次工程は、焼結工程で得られた金属焼結体に対し、２次処理を行う工程である。このような２次処理としては、具体的には、歪取りあるいは安定化処理のための熱処理、形状を整えるための加工及び研磨、ショットブラスとなどの表面改質等を例示することができる。なお、焼結工程で得られた金属焼結体がそのまま使用される場合には、これらの２次処理を省略しても良い。
【００５８】
次に、被覆工程について説明する。被覆工程は、必要に応じて２次処理が行われた金属焼結体の表面を被覆層で被覆する工程である。被覆層としては、上述したように、樹脂層、金属メッキ、塗装、ゴム等が好適である。また、被覆層の形成方法は、特に限定されるものではなく、塗布、浸漬、吹付け、メッキ処理、スパッタ、蒸着等、被覆層の材質に応じた最適な手段を用いればよい。なお、被覆層は、得られた金属焼結体の表面を保護する必要がある場合に有効であるが、表面を保護する必要がない場合には、被覆工程を省略しても良い。
【００５９】
次に、本実施の形態に係る製造方法の作用について説明する。まず、図１に示すように、第１層１２、第２層１４及び第１層１２をこの順でダイ２０の貫通孔内に挿入して積層体１０とし、その上下端をパンチ２２、２２で支持する。次いで、パンチ２２、２２を用いて積層体１０を加圧しながら、パンチ２２、２２間に電流を通電すると、第１層１２、１２及び第２層１４がジュール熱によって発熱する。
【００６０】
あるいは、図２に示すように、第１層３２、第２層３４及び第１層３２をこの順でダイ２０の貫通孔内に挿入して、積層体３０とする。次いで、第１層３２、３２をパンチとして用いて、積層体３０を加圧しながら、第１層３２、３２間に電流を流すと、第１層３２、３２及び第２層３４がジュール熱によって加熱する。
【００６１】
この時、本発明においては、第２層１４、３４の比抵抗は、第１層１２、３２の比抵抗より高いので、第２層１４、３４においてより多くのジュール熱が発生し、優先的に加熱される。そのため、第２層１４、３４の焼結及び／又は緻密化が優先的に進行する。また、第１層１２、３２は、第２層１４、３４に比して相対密度が高いので、加圧時に第１層１２、３２とダイ２０との間に発生する摩擦は小さい。そのため、加圧力が第２層１４、３４に確実に伝達される。
【００６２】
本実施の形態に係る製造方法によれば、通電と同時に加圧が行われるので、易焼結性材料に限らず、従来の方法では焼結が困難であった難焼結性材料であっても、容易に緻密化することができる。また、本実施の形態に係る製造方法によれば、組成が均一な単一材料に限らず、複合材料や、あるいは組成が離散的又は段階的若しくは連続的に変化する材料であっても製造することができる。
【００６３】
また、焼結を容易化させるための前処理（例えば、出発原料の周囲に形成された酸化膜の除去）が不要となるので、製造工程が簡略化される。また、ダイで周囲を拘束しながら焼結するので、常圧焼結法に比して、寸法精度の高い金属焼結体が得られる。
【００６４】
また、積層体に対して通電を行うと、相対的に比抵抗の低い第１層よりも、比抵抗の高い第２層が優先的に加熱される。そのため、パンチ近傍に第１層を配置し、かつ中央部に第２層を配置すれば、積層体の加熱履歴が均一化され、従来の方法に比して密度及び／又は組織が均一な金属焼結体が得られる。
【００６５】
さらに、本実施の形態に係る製造方法において、積層体には、相対密度の高い第１層が含まれているので、粉末のみを用いる従来の方法に比して、ダイとの間の摩擦を軽減することができる。そのため、アスペクト比が１以下である短尺品に限らず、アスペクト比が２以上である長尺品であっても、焼結不良を発生させることなく緻密化することができる。また、金属間化合物は、脆いために、押出、引抜き等の塑性加工によって長尺化するのは困難であるが、本発明によれば、このような金属間化合物であっても、長尺かつ健全な焼結体を製造することができる。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る金属焼結体の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、直列に配置した複数個のダイの貫通孔内に積層体を挿入し、積層体を加圧しながら焼結することを特徴とする。
【００６７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に、本実施の形態に係る製造方法の概略構成図を示す。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、積層体４０は、直列に配置されたｎ個のダイ５０_１、５０_２、…５０_ｎの貫通孔に挿入されている。各ダイは、図示しない支持装置により支持されている。
【００６８】
また、各ダイ５０_１、５０_２、…の間には、図３（ａ）に示すように、所定間隔の隙間を設けて、ダイ間を空気絶縁することが好ましい。また、図３（ｂ）に示すように、ｋ番目のダイ５０_ｋと（ｋ＋１）番目のダイ５０_ｋ＋１の間に、積層体４０の外径にほぼ等しい内径を有する貫通孔を備えたドーナツ型の絶縁体５２_ｋを介挿しても良い。あるいは、図３（ｃ）に示すように、ｋ番目のダイ５０_ｋと（ｋ＋１）番目のダイ５０_ｋ＋１の間に、積層体４０の外径より大きい内径を有する貫通孔を備えたドーナツ型の絶縁体５４_ｋを介挿しても良い。この場合、絶縁体５２_ｋ、５４_ｋには、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等の酸化物セラミックスを用いるのが好ましい。
【００６９】
積層体４０は、（ｎ＋１）個の第１層４２_１、４２_２、…４２_ｎ＋１と、ｎ個の第２層４４_１、４４_２、…４４_ｎが交互に積層されたものからなる。これらの内、ｋ番目の第２層４４_ｋは、それぞれ、ｋ番目のダイ５０_ｋのほぼ中央に配置されている。
【００７０】
一方、ｋ番目の第２層４４_ｋと（ｋ＋１）番目の第２層４４_ｋ＋１の間には、これらに加圧力を伝達可能な長さを有する（ｋ＋１）番目の第１層４２_ｋ＋１が配置されている。また、積層体４０の最上端及び最下端には、それぞれ、第１層４２_１及び４２_ｎ＋１が配置されている。積層体４０の全長は、直列に配置されたダイ５０_１、５０_２…の全長より長くなっており、第１層４２_１、４２_２、…を介して、第２層４４_１、４４_２、…に加圧力及び電流を伝達するようになっている。
【００７１】
なお、その他の点については、第１の実施の形態に係る製造方法と同一であるので、説明を省略する。
【００７２】
次に、本実施の形態に係る製造法の作用について説明する。互いに絶縁され、かつ直列に配置された複数個のダイ５０_１、５０_２…の貫通孔の中に積層体４０を挿入し、積層体４０を加圧通電すると、積層体４０に流れる電流密度は、各ダイ５０_ｋの端部近傍が高く、中心部が低くなる傾向がある。そのため、各ダイ５０_ｋの端部近傍に比抵抗の小さい第１層４２_ｋ、４２_ｋ＋１、を配置し、各ダイ５０_ｋの中心部に比抵抗の大きい第２層４４_ｋを配置すれば、積層体４０の加熱履歴が比較的均一となり、密度及び／又は組織の均一な長尺の金属焼結体が得られる。
【００７３】
また、各ダイ５０_ｋの端部に配置された第１層４２_ｋ、４２_ｋ＋１は、相対密度が大きいので、ダイ５０_ｋとの間に発生する摩擦力が小さくなる。そのため、各ダイ５０_ｋの中央部に保持された第２層４４_ｋに対して、加圧力が確実に伝達される。また、これによって、寸法精度が高く、焼結不良のない長尺の金属焼結体を製造できる。
【００７４】
【実施例】
（実施例１）
粒径５００μｍ以下のＴｂ粉末、Ｄｙ粉末、Ｆｅ粉末及びＣｒ粉末を、(Ｔｂ_０．５Ｄｙ_０．５)(Ｆｅ_０．９５Ｃｒ_０．０５)_１．８組成になるように配合し、遊星ボールミルを用いて１００時間の機械的合金化処理を施した。なお、機械的合金化処理の雰囲気は、真空中とし、ボールに対する粉末の重量比は、約０．０４とした。
【００７５】
次に、この粉末（以下、「ＭＡ粉末」という。）７．５ｇをそのままダイに充填し、パルス通電焼結法を用いて予備焼結体を作製した。予備焼結は、１０Ｐａの減圧雰囲気下において、昇温速度：４０℃／ｍｉｎ、加圧力：４１．２ＭＰａ、保持温度：１２００℃、保持時間：５分の条件下で行った。得られた予備焼結体は、直径：１０ｍｍ、高さ：１０ｍｍ、相対密度：９０％、比抵抗：７０μΩｃｍであった。
【００７６】
次に、図１に示すように、黒鉛製のダイ２０の貫通孔内に、予備焼結体（第１層１２）、ＭＡ粉末（第２層１４）及び予備焼結体（第１層１２）をこの順で挿入し、その上下端を黒鉛製のパンチ２２、２２で支持した。なお、予備焼結体は、片面のみを研磨し、研磨面の間に、５．０ｇのＭＡ粉末を挟み込んだ。
【００７７】
次いで、パルス通電焼結法を用いて、予備焼結体−ＭＡ粉末−予備焼結体からなる積層体の本焼結を行った。本焼結は、１０Ｐａの減圧雰囲気下において、昇温速度：４０℃／ｍｉｎ、加圧力：４１．２ＭＰａ、保持温度：１０００℃、保持時間：２０分の条件下で行った。得られた金属焼結体は、直径：１０ｍｍ、高さ：２１ｍｍ、相対密度：９５％であった。
【００７８】
（比較例１）
実施例１で得られたＭＡ粉末（７．５ｇ）をそのままダイに充填し、パルス通電焼結法を用いて、焼結体を作製した。焼結は、１０Ｐａの減圧雰囲気下において、昇温速度：４０℃／ｍｉｎ、加圧力：４１．２ＭＰａ、保持温度：１２００℃、保持時間：２０分の条件下で行った。得られた焼結体は、直径：１０ｍｍ、高さ：９ｍｍ、相対密度：９５％であった。
【００７９】
実施例１及び比較例２で得られた焼結体について、最大１１２ｋＡ／ｍの磁界を印加した際の伸びをレーザ変位計で測定した。図４に、磁界の大きさと磁歪の関係を示す。図４より、実施例１で得られた長尺品は、比較例１で得られた短尺品と同等の磁歪特性を有していることがわかる。
【００８０】
（比較例２）
ダイへのＭＡ粉末の充填量を２０ｇ（焼結後の予定寸法：直径１０ｍｍ×高さ２１ｍｍ）とした以外は、比較例１と同一の手順に従い、焼結を行った。得られた焼結体は、その中央部に焼結不良が発生しており、ダイから取り出す際に崩壊した。
【００８１】
（実施例２）
原子比でＮｄ：１３．７％、Ｆｅ：７３．５％、Ｃｏ：６．７％、Ｂ：５．５％、Ｇａ：０．６％からなる組成の合金を高周波加熱し、１５００℃の溶湯とした。次いで、これを周速２４ｍ／ｓで回転している銅製単ロール上に注ぎ、急冷リボンとした。さらに、このリボンを粒径３００μｍ以下に粉砕した。
【００８２】
次に、得られた粉砕粉を黒鉛製のダイ及びパンチに充填し、パルス通電焼結法を用いて、予備焼結を行った。予備焼結は、１０Ｐａの減圧雰囲気下において、昇温速度：１００℃／ｍｉｎ、加圧力：２９．４ＭＰａ、保持温度：７００℃、保持時間：３分の条件下で行った。得られた予備焼結体は、直径：１０ｍｍ、高さ：１０ｍｍ、相対密度：８０％、比抵抗：１５０μΩｃｍであった。
【００８３】
次に、図１に示すように、黒鉛製のダイ２０の貫通孔内に、予備焼結体（第１層１２）、粉砕粉（第２層１４）及び予備焼結体（第１層１２）をこの順で挿入し、その上下端を黒鉛製のパンチ２２で支持した。なお、予備焼結体は、片面のみを研磨し、研磨面の間に、４．０ｇの粉砕粉を挟み込んだ。
【００８４】
次いで、パルス通電焼結法を用いて、予備焼結体−粉砕粉−予備焼結体からなる積層体の本焼結を行った。本焼結は、１０Ｐａの減圧雰囲気下において、昇温速度：１００℃／ｍｉｎ、加圧力：２９．４ＭＰａ、保持温度：８００℃、保持時間：５分の条件下で行った。得られた焼結体は、直径：１０ｍｍ、高さ：２３ｍｍ、相対密度：８５％であった。
【００８５】
（比較例３）
実施例２で得られた粉砕粉（７．０ｇ）をそのままダイに充填し、パルス通電焼結法を用いて、焼結体を作製した。焼結は、１０Ｐａの減圧雰囲気下において、昇温速度：１００℃／ｍｉｎ、加圧力：３００ＭＰａ、保持温度：８００℃、保持時間：５分の条件下で行った。得られた焼結体は、直径：１０ｍｍ、高さ：１０ｍｍ、相対密度：８５％であった。
【００８６】
実施例２及び比較例３で得られた焼結体について、残留磁化Ｂ_ｒ、保持力ｉＨ_ｃ及び最大エネルギー積ＢＨ_ｍａｘを測定した。表１に、その結果を示す。表１より、実施例２で得られた長尺品は、比較例３で得られた短尺品と同等の磁気特性を有していることがわかる。
【００８７】
【表１】

【００８８】
（比較例４）
ダイへの粉砕粉の充填量を１８ｇ（焼結後の予定寸法：直径１０ｍｍ×高さ２３ｍｍ）とした以外は、比較例３と同一の手順に従い、焼結を行った。得られた焼結体は、その中央部に焼結不良が発生しており、ダイから取り出す際に崩壊した。
【００８９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【００９０】
例えば、上記実施例においては、円柱状の焼結体に対して本発明を適用しているが、焼結体の形状はこれに限定されるものではなく、角柱状、板状、筒状等、他の形状を有する焼結体に対しても本発明を適用することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明は、比抵抗の異なる第１層及び第２層を所定の順序で積層して積層体とし、この積層体に対して加圧通電を行っているので、長尺品を焼結する場合であっても、加熱履歴が均一化され、密度及び／又は組織が均一な金属焼結体が得られるという効果がある。
【００９２】
また、比抵抗の異なる第１層及び第２層を積層することによって、焼結時にダイとの間に発生する摩擦力が小さくなるという効果がある。また、これによって、長尺品を焼結する場合であっても、焼結不良のない健全な金属焼結体が得られるという効果がある。
【００９３】
また、加圧によって焼結が促進されるので、材質によらず、焼結体密度及び寸法精度の高い金属焼結体が得られるという効果がある。さらに、第１層として、所定の相対密度を有する焼結体又はバルク体を用いた場合には、焼結時にダイとの間に発生する摩擦力を小さくすることができ、第２層に確実に圧力を伝達できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る製造方法の第１の具体例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る製造方法の第２の具体例を示す概略構成図である。
【図３】本発明に係る製造方法の第３の具体例を示す概略構成図である。
【図４】実施例１及び比較例１で得られた焼結体の磁界と磁歪との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０、３０積層体
１２、３２第１層
１４、３４第２層
４０積層体
４２_１、…４２_ｎ＋１第１層
４４_１、…４４_ｎ第２層

Claims

相対密度が７０％以上である予備焼結体より形成された、第１金属を含む第１層と、該第１層が有する比抵抗の１．１倍以上の比抵抗を有し、かつ前記第１金属と同一又は異なる組成を有する第２金属を含む第２層と、前記第１層とをこの順に積層して積層体とし、
該積層体を積層方向に加圧しながら、前記積層体に電流を通電することにより本焼結して得られる金属焼結体。
前記第２層は、前記第２金属を含む粉末、前記第２金属を含む成形体、又は前記第２金属を含む第２焼結体である請求項１に記載の金属焼結体。
そのアスペクト比が１を越えるものである請求項１または２に記載の金属焼結体。
前記第１層及び／又は前記第２層は、セラミック材料、Ｗ及び／又はＭｏからなる微粒子をさらに含む請求項１から３までのいずれかに記載の金属焼結体。
前記第１層及び／又は前記第２層は、アスペクト比が２以上である繊維をさらに含む請求項１から４までのいずれかに記載の金属焼結体。
その表面を被覆する被覆層をさらに備えた請求項１から５までのいずれかに記載の金属焼結体。
相対密度が７０％以上である予備焼結体より形成された、第１金属を含む第１層と、該第１層が有する比抵抗の１．１倍以上の比抵抗を有し、かつ前記第１金属と同一又は異なる組成を有する第２金属を含む第２層と、前記第１層とをこの順に積層する積層工程と、
該積層工程で得られた積層体を積層方向に加圧しながら、前記積層体に電流を通電し、本焼結する焼結工程とを備えた金属焼結体の製造方法。
前記第２層は、前記第２金属を含む粉末、前記第２金属を含む成形体、又は前記第２金属を含む第２焼結体である請求項７に記載の金属焼結体の製造方法。
前記第１層及び／又は前記第２層は、セラミック材料、Ｗ及び／又はＭｏからなる微粒子をさらに含む請求項７または８に記載の金属焼結体の製造方法。
前記第１層及び／又は前記第２層は、アスペクト比が２以上である繊維をさらに含む請求項７から９までのいずれかに記載の金属焼結体の製造方法。
前記金属焼結体の表面を被覆層で被覆する被覆工程をさらに備えた請求項７から１０までのいずれかに記載の金属焼結体の製造方法。