冶金における粉末焼結の原理

いわゆる粉末冶金法とは、製造する合金の原料の粉末を作り、それを適量混ぜ合わせ、加圧して一定の形状に固める方法です。これらの粉末片は、還元性雰囲気（例えば、水素）に置かれ、加熱され、焼結されて合金を形成します。これまでの鋳造法とは全く異なる冶金法です。

ここでいう焼結とは、加圧と加温の作用により金属結晶粒の凝集が促進されることと簡単に定義することができる。合金組成の粉末に一定の圧力を加えて圧縮します。高温では、密接に接触した粉末が互いにくっつき、空隙を徐々に埋めて高密度の合金を形成します。このときの加熱温度が合金成分中の低融点成分の溶融温度である。したがって、合金インゴットは、粉末成分全体の融点未満の温度で焼結される。この製法は製錬と鋳造の2つの工程を組み合わせた製法と似ており、鋳造合金に近い性質を持っています。しかし、金属組織学的観点からは、それは合金鋳造の枝であるべきです。

超硬合金はこの粉末冶金法で製造されます。一般的には、タングステン、カーボン、コバルト、チタン、セリウムなどの粉末をバッチで混合し、プレス、焼結して合金を形成します。したがって、この冶金プロセスの製品は、焼結超硬合金または超硬合金とも呼ばれます。近年、粉末冶金法は急速に発展しています。超硬合金、含油合金、電気接点、メタルボンドダイヤモンドホイール、および特殊な装飾金属製品はすべて、この粉末冶金法によって製造されています。

たとえば、長さ 30 mm のプレス半製品を 1000 ～ 1400 °C に加熱します。約 30 °C で約 5 分間のプレス製品の体積変化を図 2-2 に示します。収縮は一般に 1150 °C で始まります。6% Co の場合、収縮は非常に規則的に進行し、約 1320 °C で終了します。10% Co の場合、1180 ～ 1200 °C で収縮が一時的に中断されます。温度が上昇し続けると急激に収縮が進み、温度が1300℃に達するとバランスがとれる傾向にあります。

冶金における粉末焼結の原理1

その後、粒子同士の接触点数と接触面積が著しく増加するため、各粒子は自身が持つ余剰エネルギー（自由エネルギー）を放出しやすい状態となる。したがって、約 200 °C からコバルトが拡散し始め、その時点で焼結の第 1 段階が始まります。再び温度が上昇すると、β-Co は 490 °C 付近で γ-Co に変換されます。 600℃になると、炭素がコバルト中に拡散し始め、固溶体になります。タングステンカーバイドの粒子が細かいほど、またはコバルトコーティングされたタングステンカーバイドが優れているほど、この拡散現象は速く発生します。この拡散は、成形体に強い圧縮圧力を加えたのと同じ効果があります。ただし、温度上昇中、この温度では液相はほとんど観察されません。

ただし、この温度付近では、曲げ強度が大幅に増加します。通常、6%コバルトの硬度合金は、約1400℃の温度で焼結されます。この温度では、WCは徐々に液相に溶解し、特に微細なWCは急速に溶解し、大きなWCは鋭利なため表面エネルギーが大きくなります。角部分。溶けると丸くなる。その結果、液相部分がますます多くなり、自由エネルギーが減少する方向に反応が進むにつれて、合金は収縮し、気孔は徐々に減少する。一方、炭化タングステン粒子同士が接触している部分では、体積拡散、特に表面拡散という現象が起こり続ける。また、炭化物同士が結合する可能性もあります。また、タングステンカーバイド同士が接触する部分で液相からＷＣが局所的に析出することもある。その結果、さまざまな理由で炭化タングステン粒子の成長が促進され、緻密な配列がもたらされました。しかし、さらに温度が上昇し、1600℃を超えると製品内部でガスが発生し、結晶配列の膨張を引き起こします。ガスは、SiO2などの不純物が存在することで発生すると言われています。逆に、温度を下げると、液相に溶けていたＷＣ粒子が表面エネルギーの小さいＷＣ粒子の上に析出する。液相が消えて固体になった後も、タングステンカーバイドは 1% だけになるまで分離し続けます。

冶金における粉末焼結の原理 2

焼結工程中、コバルト中に溶融状態で存在するタングステンカーバイドはわずかな距離しか移動せず、未溶解のタングステンカーバイドと結合するため、鋳造合金のような凹凸構造が形成されない。パーライトを多く含む鋼は、アルファ鉄の炭素融液の析出により時効硬化します。対照的に、焼結プロセス中、WC粒子は効果的な核生成として機能するため、時効硬化現象がなく、構造が均一で非常に安定しており、熱処理に敏感ではなく、硬度は比較的高い温度でも変化しません温度。図2-3に工具鋼、高速度鋼、鋳造合金、ステライト合金（Co-Cr-W）、WC+Co超硬合金の高温硬さを示します。