焼結とは？基本の工程・焼結炉の構造・導入する上でのおすすめ相談先

砂岩という石・岩があります。砂岩の元はさらさらとした砂です。その砂が、岩石と呼ばれるためには、海の中で、砂の層の上にまた砂の層が積み重なり、数億年という歳月が経った後に砂岩として地上に現れます。その数億年の間、砂の層は加圧され続けているため、岩のように緻密に硬くなったものです。

焼結金属も同じような経緯でできるのかもしれません。比較の対象としてどうかと思いますが、焼結金属の場合も、金属の粉が成形されてある形となってから、焼結炉の中で、高温にさらされて時間が経つにつれて緻密になっていき、焼結金属となります。

このコラムでは、焼結についてご紹介します。

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１．焼結とは

焼結とは、金属粉末の成形品に加圧と加熱（金属が溶ける温度以下）を行い、金属の粉末粒子どうしを結合させて製品を製造する技術です。
日本刀も加工法こそ違え、原理は焼結の1種です。

粉末冶金は、粉末状の金属の粉を、成形し、炉で熱を加えることで、成形した金属粉が緻密な金属になる金属加工の1種です。
このコラムでは、特に焼結と粉末冶金を区別することなく書いています。焼結は金属加工の1つの過程として述べています。

図１と図２では、焼結の工程について、ご紹介します。

焼結を伴う粉末冶金の工程は、金属粉の作成、金属粉の混合、金型成形、金型から金属粉成形体の取り出し、焼結炉での加熱、焼結金属の取出し、焼結金属加工や研磨、検査という工程で焼結品が完成します。

各行程を簡単に紹介します。

金属粉の作成
金属粉末とは金属粒子の集まりです。溶けた金属をノズルから高圧で噴霧することで、作成できます。金属製品の種類によっては、数種類の金属を混ぜて使うこともあります。
金属粉の混合
金属の粒度分布を均一とするために、混合します。
金型成形
金属粉をホッパーから金型に落とし込み、充填します。金型に充填された金属粉は、上下のパンチで加圧されます。
金型から金属粉成形体の取り出し
金型で加圧され形を保った状態で、取りだされます。
焼結炉での過熱
成形品を加熱炉で加熱し、焼結させます。炉の温度は、初めは油分を取り除くため徐々に温度を上げ、ある温度を一定に保って焼結を保持します。焼結が終了したら、温度を下げて常温に戻します。
焼結金属の取出し
焼結の終わった焼結品を炉から取り出します。
焼結金属加工や研磨
焼結の終わった焼結品の微細な加工や、研磨を行います。
検査
寸法精度、硬さ、密度、顕微鏡による組織などを検査します。ただし、大量生産品は抜取検査で対応します。

焼結によって得られるメリットと、デメリットを表１にランダムで、ご紹介します。

表１　焼結のメリットとデメリット

メリット	複雑な形の成形が可能で、加工工程の削減も可能です。
	金型の量産化によって、製造コストの削減が可能です。
	原料の金属粉の使用に、ムダが生じません。
	金属内部に細かな気孔ができ、部品の軽量化ができます。
	粉末にできればほとんどの材料が使えます。
	鋳造では難しい高融点材料や、難加工金属、塑性変形しない材料、反応しやすい材料でも所定の形状の部品の製作が可能です。
	セラミックスと金属の複合材料の粉末を混ぜて焼結すると、複合材料の製作が可能です。
デメリット	大きな部品の成形には適用しません。
	金属粉の種類によっては、コストがかさみます。
	粉末にするので材料によっては高コストになります。
	粉末成形品を焼き固めるときに収縮し、寸法精度が低くなります。
	用途によっては、気孔で応力集中が起き、強度等の機械的性質に劣ることがあります。

金属加工の中で、焼結によって作られる製品は、次にようなものがあります。なお、このコラムでは金属粉による焼結体のように書いていますが、金属だけでなく、セラミック製品も焼結の主流の製品の1つです。
また、し、セラミックスと金属のように、材料を組合せた複合材料による焼結製品などがあります。

製品名をランダムに紹介すると、ほんの一部ですが、

図３では、金属粉が、焼結炉の中で焼結過程の間に、どのように変化していくかを、紹介します。

焼結は、図３のように、初期段階、中期段階、終期段階に分けることができます。

初期段階
金属粉末の成形体が加熱炉で高い温度になると、金属粉末同士が接合します。接合部分をネックと言います。ネックは、金属粉末粒子表面や接合部から物質の移動があり、ネック表面に原子・分子がくっついてネックが成長します。
中期段階
ネックが成長し、ネック間の気孔はチューブ状となり、互いにつながり、通気性を持っている状況で、この機構を開気孔と言います。
終期段階
焼結体の相対密度を95%を超えるまでに緻密化し、気孔は閉じた状態となり、これを閉気孔と言います。この閉気孔は焼結体内部に分散してそんざいし、孤立した状態です。
閉気孔は粒内に取り込まれることや、合体などで縮小化し、焼結体はさらに緻密化します。