HIP（熱間静水圧プレス）について知っておくべき4つのポイント

1.熱間静水圧プレスとは？

HIPとは、Hot Isostatic Pressingの略で、高温高圧のガスを圧力・熱伝達媒体（数百～2000℃、静水圧：数十～200MPa）として対象物を等方的に圧縮・成形する技術です。 ）。アルゴンは、最も一般的に使用される圧力媒体です。

1950年代にアメリカで発明され、金属、超硬合金、セラミックスなど様々な素材の成形、焼結、接合、欠陥除去に使用されてきました。

HIP装置の外観を図1、構成を図2に示します。

2.ヒッププレスとホットプレスの違い

ホットプレスはヒップとよく似ています。フライス加工、鍛造、押し出しも高温高圧に適用できますが、熱間静水圧プレスとは異なり、静水圧プレスには適用できません。

ヒッププレスとホットプレスの最も明白な違いは、ヒッププレスは気体圧力を使用して材料に静水圧を適用するのに対し、ホットプレスは一軸圧力のみを適用することです。

ホットプレスと比較して、ヒップはプレス後の初期形状とあまり変わらない素材形状を提供できます。形を変えても元の形を保つことができ、製品加工による制約が比較的少ない素材です。これらの特徴を生かし、ヒップは様々な分野に応用されています。

熱間静水圧プレスと熱間プレスの違いを分かりやすく説明するために、材料a（内部に穴のある金属）と材料B（端部が凸凹している金属）にそれぞれ熱間静水圧プレスまたは熱間プレスを適用するとします。

図 3 に示すように、ヒップ テクノロジーを使用すると、材料 a は収縮し、拡散効果によって内部の気孔が消失して結合するまで、初期の形状を維持します。また、素材Bは凹凸のあるエッジに均一な圧力がかかるため、形状がまったく変化しません。

図4に示すように、ホットプレスの場合、素材aはヒップと同じ現象が現れます。材料Ｂは、凸部のみに圧力がかかるため、初期の凹凸形状を維持できない。素材aと素材Bは、使用するダイスとパンチの形状によって、ホットプレス後の最終形状が異なります。大型製品や成形部品を製造するためのホットプレス技術の適用は、金型との摩擦によって引き起こされる不均一性と、変形プロセスにおける温度とサイズの制限によるものです。

3.ヒップアプリモード

材料は状況に応じて処理する必要があります。最も代表的な方法として、「カプセル法」と「カプセルなし法」があります。

「カプセル法」とは、右図のように粉体または粉体から成型した本体を気密性の高いカプセルに封入し、ヒップの前でカプセルを空にする方法です。

この「カプセル法」は、通常の焼結技術では焼結が困難な素材でも高密度化が可能です。したがって、粉末材料の加圧焼結プロセスで最も一般的に使用されます。また、異種材料の拡散接合や高圧含浸炭化にも使用されます。

カプセルフリー法の主な材料と股関節治療の温度・圧力を以下の表にまとめました。

素材の気孔が孤立して閉じていて、素材の表面につながっていない場合、これらの気孔は股関節処理によって圧迫され、除去される可能性があります。一方、ヒップ処理後も素材面につながる開口部は圧迫されません。そのため、穴が閉じている素材をヒップ処理することで、素材全体の高密度化が可能です。

この素材は、「カプセルフリー製法」と呼ばれるヒップ用のカプセルを必要としません。これは、焼結部品の残留気孔の除去、鋳物の内部欠陥の除去、および疲労やクリープによって損傷した部品の修復に使用されます。

4.HIPコンクリートの用途

ヒップは、次の分野で広く使用されています。

(1)粉末の加圧焼結

(2) 異種材料の拡散接合

(3) 焼結部品の残留気孔を除去する

(4)鋳物の内部欠陥の除去

(5) 疲労またはクリープ損傷した部品の修理

(6)高圧浸漬炭化法

ヒップテクノロジーの具体的な応用例として、超硬合金の製造を考えてみましょう。

超硬合金は鋼などの金属に比べて靭性が劣り、粗大粒子や気孔などの欠陥が非常に生じやすい。これらの素材本来の特性を十分に活かすためには、これらの内部欠陥を取り除く必要があり、ヒップはこれらの欠陥を除去するための最も有効な手段です。

超硬合金を焼結する際、結合相としてコバルトなどの金属の液相を用いるため、通常の焼結体は理論密度に近い密度まで圧縮することができる。しかし、焼結体にはまだ微細な気孔があり、超硬合金では致命的な役割を果たし、通常の状態で耐えられる圧力で破壊されます。熱間静水圧プレスの目的は、焼結体の気孔を完全に除去することです。

表1に熱間静水圧プレスによる機械的性質の変化を、図3に熱間静水圧プレス前後の曲げ強度のワイブル線図を示します。

表1 超硬合金の機械的性質に及ぼすHIP処理の影響

以上のように、超硬合金の密度や硬さはHIP処理によって変化しません。しかし、細孔の除去により、曲げ強度が大幅に向上し、強度のバラツキが非常に小さくなり、信頼性が向上します。