粉末冶金

粉末冶金（PM ）は、金属粉末から材料や部品を製造する幅広い方法を指す用語です。PMプロセスは、製造における減法プロセスの必要性を減らしたり排除したりして、材料の損失を減らし、最終製品のコストを削減するために時々使用されます。^[1]これは、小型機械のギアなど、小さな金属部品で特によく発生します。^[1]液体やガスが浸透できる多孔質製品の一部は、この方法で製造されます。^[1]また、融点が高いために材料を溶かすことが実用的でない場合や、銅とグラファイトの混合物など、互いに溶けない2つの材料の合金の場合にも使用されます。^[1]

このように、粉末冶金は、他の方法では溶解または成形からは得られないユニークな材料を作るために使用することができます。^[1]このタイプの非常に重要な製品はタングステンカーバイドです。^[1]タングステンカーバイドは他の金属の切断と成形に使用され、コバルトと結合したタングステンカーバイド粒子から作られています。^{[2]タングステンカーバイドは}タングステンの最大かつ最も重要な用途であり、^[3]世界供給量の約50％を消費しています。^[4]その他の製品には、焼結フィルター、多孔質オイル含浸ベアリング、電気接点、ダイヤモンド工具などがあります。

粉末冶金技術は通常、粉末を圧縮し、金属の融点未満の温度で加熱（焼結）して粒子を結合させることから構成されます。 ^[1]このプロセス用の粉末は、金属化合物の還元、^[1]金属含有溶液の電気分解、^[1]機械的粉砕、^[1]などのさまざまな方法で生成できます。また、液体金属を液滴に断片化するさまざまな方法や、金属蒸気の凝縮など、より複雑な方法もあります。圧縮は通常、ダイプレスで行いますが、爆発衝撃や、フレキシブルコンテナを高圧ガスまたは液体に置くことで行うこともできます。焼結は通常、専用の炉で行いますが、圧縮（熱間等方圧圧縮）と並行して行うことも、電流を使用して行うこともできます。

2010 年代に工業生産規模の金属粉末ベースの付加製造が登場して以来、選択的レーザー焼結やその他の金属付加製造プロセスは、商業的に重要な粉末冶金アプリケーションの新しいカテゴリとなっています。

粉末冶金の「プレスと焼結」プロセスは、一般的に、粉末の混合（または粉砕）、金型の圧縮、焼結という3つの基本的なステップで構成されています。金型内の粉末の圧縮は、通常、室温で行われます。焼結は、材料を熱で結合させ、液化させないプロセスです。通常は大気圧で、慎重に制御された雰囲気組成の下で行われます。特殊な特性や精度の向上を得るために、コイニングや熱処理などの二次処理が続くことがよくあります。^[5]

こうした方法の古いものの一つは、微細な（180ミクロン未満）金属粉末を添加剤と混合し、それを所望の形状の金型に押し込み、制御された雰囲気下で圧縮された材料を焼結するプロセスである。金属粉末は通常鉄で、添加剤には潤滑ワックス、炭素、銅、ニッケルなどがある。これにより、金型の寸法に非常に近い精密な部品が製造されるが、多孔度は5～15%で、準鍛造鋼の特性を持つ。この方法は、今でも鉄系合金の構造部品を年間約100万トン製造するのに使用されている。^[要出典]

過去 50 年間に開発された PM プロセスは他にもいくつかあります。これには次のものが含まれます。

• 粉末鍛造: 従来の「プレスおよび焼結」法で作られた「プリフォーム」を加熱し、完全な密度まで熱間鍛造することで、実質的に鍛造時の特性が得られます。^{[引用が必要]}
• 熱間静水圧プレス（HIP）：ここでは、通常はガス噴霧された球形の粉末が、通常は金属製の「缶」である金型に充填されます。缶は振動され、次に真空にされて密封されます。粉末を焼結するには、粉末を数時間熱い「静水圧プレス」に入れ、融点の約0.7倍に加熱し、約100 MPaの外部ガス圧をかけます。^[6]これにより、成形された部品は、そのままの密度で、加工したままの特性またはそれ以上の特性を持ちます。HIPは1950年代から60年代に発明され、1970年代から80年代にトン単位の生産に入りました。^{[引用が必要]} 2015年には、約25,000トン/年のステンレス鋼と工具鋼、およびジェットエンジン用の超合金の重要な部品の製造に使用されました。 ^{[引用が必要]}
• 金属射出成形(MIM): ここでは、通常は非常に微細 (<25 ミクロン) で球形の粉末が、最大固体負荷 (通常は約 65% の体積) 近くまでプラスチックまたはワックスバインダーと混合され、金型に射出成形されて、複雑な形状の「グリーン」(バインダーあり) 部品が形成されます。次に、この部品を加熱または他の方法で処理してバインダーを除去し、「ブラウン」(バインダーなし) 部品にします。次に、この部品を焼結して約 18% 収縮させ、複雑で 95～99% の密度の完成部品 (表面粗さ約 3 ミクロン) にします。^[7] 1970 年代に発明され、2000 年以降生産が増加し、2014 年の世界生産量は 12,000 トン、12 億 6,500 万ユーロと推定されています。^[8]
• 電流アシスト焼結（ECAS）技術は、電流を使用して粉末を焼結する。これにより、製造時間が大幅に短縮され（15分から数マイクロ秒かかる）、長時間の炉熱を必要とせず、理論密度に近い密度が可能になるが、形状が単純であるという欠点もある。^[9] ECASで使用される粉末は、バインダーで事前圧縮して圧縮する必要なく、直接焼結できるため、バインダーを必要としない。^[要出典]粉末は加圧下でキャビティを充填しながら焼結するため、金型は最終部品の形状に合わせて設計される。^[要出典]これにより、非等方性焼結によって引き起こされる形状のばらつきや、高温での重力による歪みの問題を回避できる。^[要出典]これらの技術で最も一般的なのはホットプレスであり、建設業界向けのダイヤモンド工具の製造に使用されている。 2018年現在、ホットプレスと、より限定的な方法では放電プラズマ焼結のみが直接的な産業応用を達成している。^[10]
• 積層造形法（AM）は、金属粉末（プラスチックなどの他の材料の中でも）を使用してレーザー焼結または溶融によって部品を製造する比較的新しい技術群です。^[要出典]このプロセスは2015年の時点で急速に成長しており^[update]、^[11] 2018年の時点では主に航空宇宙産業の研究、試作、または高度なアプリケーションに使用されていますが、バイオメディカル、防衛、自動車産業でも使用されています。 ^[11]従来のプロセスは時間がかかり、困難で、コストがかかるため、航空宇宙産業で使用されてきました。 ^[11]プロセスには、 3Dプリント、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的レーザー溶融（SLM）、電子ビーム溶融（EBM）が含まれます。^[要出典]

粉末冶金の歴史と金属およびセラミックの 焼結技術は、互いに密接に関連しています。焼結とは、出発粉末から硬い固体金属またはセラミック片を製造することです。古代インカ人は貴金属粉末から宝飾品やその他の工芸品を作っていましたが、PM製品の大量生産は19世紀半ばから後半まで始まりませんでした。これらの初期の製造工程では、還元後に金属スポンジから鉄を手作業で抽出し、その後、最終的な溶解または焼結のために粉末として再投入しました。^[12]

粉末プロセスでは、溶融した材料を直接合金化するよりもはるかに幅広い製品が得られます。溶融操作では、「相則」がすべての純粋および複合元素に適用され、特定の組成で存在できる液体および固体相の分布を厳密に規定します。さらに、合金化には出発材料の全身溶融が必要なため、製造に望ましくない化学的、熱的、および封じ込め的制約が課せられます。残念ながら、アルミニウム/鉄粉末の取り扱いには大きな問題があります。^{[12] [ 13]}大気中の酸素と特に反応する他の物質、たとえばスズは、特別な雰囲気または一時的なコーティングで焼結できます。^{[12] [14]}

粉末冶金やセラミックスでは、分解したり崩壊したりする部品を製造することができます。固体と液体の相変化に関する考慮事項はすべて無視できるため、粉末プロセスは鋳造、押し出し、鍛造技術よりも柔軟性があります。^[12]さまざまな粉末技術を使用して製造される製品の制御可能な特性には、機械的、磁気的、^{[12] [15]}および多孔質固体、骨材、金属間化合物などの材料のその他の非従来的な特性が含まれます。^[12]製造プロセスの競合特性（ツールの摩耗、複雑さ、ベンダーのオプションなど）も厳密に制御できます。^[12]

粉末冶金技術では、多くの特殊製品が製造可能です。網羅的ではありませんが、屈折を改善するために非常に薄い酸化物層でコーティングされたAl ₂ O ₃ウィスカー、高温クリープ強度を改善するためにAl 2 O 3コーティングを施した鉄成形体、_粉末技術_{で作られた}電球のフィラメント、摩擦ブレーキのライニング、高強度フィルムやリボン用の金属ガラス、宇宙船が地球の大気圏に再突入するための熱シールド、大電流を扱うための電気接点、磁石、マイクロ波 フェライト、ガス用フィルター、潤滑剤を浸透させることができるベアリングなどがあります。^[12]

非常に薄いフィルムや小さな球体は高い強度を示す。この観察結果の応用例の 1 つは、ウィスカー状の脆い材料を、はるかに柔らかい金属 (例:コバルトコーティングされたタングステン) のサブミクロンのフィルムでコーティングすることである。薄い層の表面ひずみにより、より硬い金属が圧縮され、複合材料全体が焼結されると破断強度が著しく増加する。この方法では、コーティングされた (25% コバルト) タングステンカーバイドとコーティングされていないタングステンカーバイドで、それぞれ 2.8 GPa と 550 MPa のオーダーの強度が観測されている。^[12]

溶融可能な物質であれば、どんなものでも噴霧化できる。^[12]粉末粒子の大量生産を可能にする技術がいくつか開発されており、最終的な粒子集団のサイズ範囲をかなり制御できる場合が多い。^[12]粉末は、粉砕、研削、化学反応、または電解堆積によって調製することができる。^[12]最も一般的に使用される粉末は、銅系および鉄系材料である。^[16]

チタン、バナジウム、トリウム、ニオブ、タンタル、カルシウム、ウランの各元素の粉末は、対応する窒化物や炭化物の高温還元によって製造されている。鉄、ニッケル、ウラン、ベリリウムのサブミクロン粉末は、金属シュウ酸塩やギ酸塩を還元することによって得られる。溶融金属の流れを高温プラズマジェットまたは炎に通して材料を霧化することで、極めて微細な粒子も製造されている。大気中の酸素による粒子表面の深刻な劣化を防ぐため、さまざまな化学的および炎関連の粉末化プロセスが採用されている。^[12]

粉末は、ガスまたは水噴霧、^[17]遠心噴霧、^[12]化学的に還元された粒子状化合物、^[17]適切な条件での電解堆積、^[17]単純な粉砕および研削、^[17]粒子状水素化物またはカルボニルの熱分解、^[17]溶液からの沈​​殿、^[17]および気化した金属からの凝縮によって得ることができる。^[17]

霧化は、溶融金属流を適度な圧力でオリフィスに押し込むことによって行われます。^[12]金属流がノズルから出る直前にガスが導入され、巻き込まれたガスが（加熱により）膨張してオリフィス外部の大きな収集容積に排出される際に乱流が発生します。^[12]収集容積はガスで満たされ、溶融金属ジェットの乱流をさらに促進します。^{[12]空気と粉末の流れは、重力または}サイクロン分離を使用して分離されます。^[12]

単純な噴霧技術では、液体金属を十分な速度でオリフィスに押し込み、乱流を確実にします。通常使用される性能指標はレイノルズ数です。Reが低いと液体ジェットは振動しますが、速度が上がると流れが乱流になり、液滴に分解されます。液滴形成にポンプエネルギーが適用されますが、その効率は非常に低いです（1%）であり、生成される金属粒子のサイズ分布の制御はかなり貧弱です。ノズルの振動、ノズルの非対称性、複数の衝突流、または周囲のガスへの溶融金属の注入などの他の技術はすべて、噴霧効率を高め、より細かい粒子を生成し、粒子サイズ分布を狭くするために利用可能です。残念ながら、直径数ミリメートル未満のオリフィスから金属を排出することは困難であり、実際には粉末粒子の最小サイズは約10μm。アトマイゼーションでは幅広い粒子サイズが生成されるため、下流で粒界の大部分をふるいにかけて再溶融する分級が必要になります。^[12]

溶融粒子の遠心分解は、これらの問題を回避する方法の 1 つです。鉄、鋼、アルミニウムでは、豊富な経験があります。粉末にする金属は棒状に成形され、高速回転するスピンドルを介してチャンバーに導入されます。スピンドルの先端の反対側には電極があり、そこからアークが発生して金属棒が加熱されます。先端の材料が溶融すると、棒の高速回転によって小さな溶融液滴が放出され、チャンバーの壁に当たる前に固まります。循環ガスが粒子をチャンバーから掃き出します。同様の技術は、宇宙や月でも使用できます。チャンバーの壁を回転させて、新しい粉末を遠隔収集容器に押し込むことができ、電極は棒の端に焦点を合わせた太陽鏡に置き換えることができます。^[12]

非常に狭い粒度分布を生成できるが、スループットが低い代替アプローチは、粉末化する材料の融点よりはるかに高い温度に加熱された高速回転ボウルを使用するものである。液体金属は、薄い金属膜が壁を均等に滑り、縁を越えるように調整された流量でボウルの中央近くの表面に導入され、膜の厚さとほぼ同じ厚さの液滴に分解される。^[12]

別の粉末製造技術では、液体金属の細いジェットと高速の霧化水流が交差し、ジェットを水滴に分解して、容器の底に到達する前に粉末を冷却します。その後の操作で、粉末は乾燥されます。^[12]これは水アトマイゼーションと呼ばれます。^[17]水アトマイゼーションは、ガスアトマイゼーションよりも速く金属粒子を冷却して固化します。^[17]固化速度は粒子サイズに反比例するため、水アトマイゼーションを使用するとより小さな粒子を作ることができます。^{[引用が必要]}粒子が小さいほど、微細構造はより均質になります。^{[引用が必要]}この方法で生成された粒子は、より不規則な形状になり^[17]、粒子サイズ分布が広くなります。^{[引用が必要]}さらに、酸化皮膜の形成によって表面汚染が発生する場合があります。^{[引用が必要]}粉末は、セラミックツールの製造に使用されるアニーリングなどの何らかの事前固化処理によって縮小できます。^{[引用が必要]}

粉末圧縮は、粉末冶金プロセスで最も重要なステップの1つであり、高圧をかけて金属粉末を圧縮するプロセスです。^[18]ほとんどの粉末圧縮は機械プレスと剛性ツールで行われますが、油圧技術や空気圧技術も使用できます。また、熱間静水圧圧縮のように圧縮と焼結を組み合わせた方法も使用できます。^[18]圧延、鍛造、押し出し、スウェージングなどの従来の金属成形プロセスも使用されます。^[18]

圧縮粉末の密度は、加えられる圧力の量に応じて増加します。一般的な圧力は 80 psi ～ 1000 psi (0.5 MPa ～ 7 MPa) の範囲で、1000 psi ～ 1,000,000 psi の圧力が得られています。金属粉末の圧縮には、10 t/in ²～ 50 t/in ² (150 MPa ～ 700 MPa) の圧力が一般的に使用されます。複数のレベルまたは高さを持つコンポーネント全体で同じ圧縮比を達成するには、複数の下パンチで作業する必要があります。円筒形のワークピースは、シングルレベル ツールを使用して作成されます。より複雑な形状は、一般的なマルチレベル ツールを使用して作成できます。^{[引用が必要]}

粉末材料から製品を成形するための主流の技術は、生産される部品のトン数と数の両方の観点から、ダイプレスです。市場には機械式、サーボ電気式、油圧式のプレスがあり、最も多くの粉末処理量は油圧プレスによって処理されます。この成形技術には、簡単に自動化でき、生産率の高いプロセスを提供する以下の生産サイクルが含まれます。^{[引用が必要]}

1. 充填シューから供給される既知量の粉末原料をダイキャビティに充填します。
2. パンチを使用してダイ内の粉末を圧縮し、成形体を形成します。通常、成形体内の密度勾配のレベルを下げるために、ツールセットの両端からパンチを介して圧縮圧力が適用されます。
3. 下パンチを使用して金型から成形体を排出します。
4. 次のサイクルの充填段階で充填シュー、または自動化システムやロボットを使用して、金型の上面から成形体を除去します。

通常、ツールは垂直方向に保持され、パンチツールがキャビティの底を形成します。^[19]おそらく最も基本的な考慮事項は、設計で鋭い角を避けるとともに、プレス後に金型から部品を取り外せるようにすることです。最大表面積を20平方インチ（0.013 m ²）未満に保ち、高さと直径の比率を7対1未満に保つことが推奨されます。また、壁の厚さを0.08インチ（2.0 mm）より厚くし、隣接する壁の厚さの比率を2.5対1未満に保ちます。^[19]

このプロセスの主な利点の 1 つは、複雑な形状を製造できることです。アンダーカットやねじ山のある部品には、二次機械加工が必要です。一般的な部品サイズは、面積が 0.1 平方インチ (0.65 cm ² ) から 20 平方インチ (130 cm ² ) までで、長さは 0.1 から 4 インチ (0.25 から 10.16 cm) です。ただし、面積が 0.1 平方インチ (0.65 cm ² ) 未満で 25 平方インチ (160 cm ² ) を超える部品や、長さが 1 インチの何分の 1 か (2.54 cm) から約 8 インチ (20 cm) までの部品を製造することもできます。^[19]小型の機械プレスでは、通常、1 分間に約 100 個の部品を圧縮できます。^[18]

ダイコンパクションでは、ツールスタイルには4つの主要なクラスがあります。薄くて平らな部品に使用されるシングルアクションコンパクション、厚い部品に対応する2つのパンチモーションを備えた対向ダブルアクション、フローティングダイを備えたダブルアクション、およびダブルアクション引き出しダイです。ダブルアクションクラスは、シングルアクションよりもはるかに優れた密度分布を提供します。ツールは、変形したり曲がったりすることなく極度の圧力に耐えるように設計する必要があります。ツールは、研磨され耐摩耗性のある材料で作られている必要があります。^[19]

衝撃圧密法、または動的圧密法は、高圧衝撃波を使用して粉末を圧密する実験的技術です。^{[20] [21]} この技術は、3000トン以上、100平方インチを超える製品を含む非常に大きな製品に有効です。^[18]これらは通常、爆発的に加速されたプレートをワークピースに衝突させることによって生産されます。^{[引用が必要]} 長い間研究されてきたにもかかわらず、この技術は制御性と均一性にまだ問題があります。^{[引用が必要]}ただし、いくつかの貴重な潜在的な利点があります。 たとえば、圧密が非常に速く行われるため、準安定微細構造が保持される可能性があります。^[22]

等方性粉末圧縮は、粉末圧縮の代替法である。^[18]冷間等方性圧縮では、微細な金属粒子を柔軟な金型に入れ、それを全方向から高圧ガスまたは液体に浸す（等方性）。^[18]焼結後、この製造プロセスではスクラップ金属がほとんど生成されず、さまざまな形状の製造に使用できる。焼結と組み合わせてこのプロセスを実現できる許容誤差は非常に正確で、軸方向の寸法では+/- 0.008インチ（0.2 mm）、半径方向の寸法では+/- 0.020インチ（0.5 mm）の範囲です。これは最も効率的なタイプの粉末圧縮です（以下のサブカテゴリもこの参考文献からのものです）。^[19] この操作は一般に少量生産にのみ適用でき、金型のコストはプレスダイのコストよりもはるかに低くなりますが、一般に再利用できず、生産時間もはるかに長くなります。^[23]生産速度は通常非常に低いですが、最大100ポンドの重量の部品を効果的に圧縮できます。^[18]圧力があらゆる方向から加えられるため、最終製品の粉末の密度を高めるには、より低い圧縮圧力が必要です。^[18]

圧縮圧力は、ほとんどの金属では15,000  psi（100,000  kPa）から40,000 psi（280,000 kPa）の範囲で、非金属では約2,000 psi（14,000 kPa）から10,000 psi（69,000 kPa）の範囲です。^[19]等方圧圧縮部品の密度は、他の粉末冶金プロセスよりも5％から10％高くなります。^[19]一般的なワークピースのサイズは、厚さ0.25インチ（6.35 mm）から0.75インチ（19.05 mm）、長さ0.5インチ（12.70 mm）から10インチ（254 mm）の範囲です。厚さ0.0625インチ（1.59 mm）～5インチ（127 mm）、長さ0.0625インチ（1.59 mm）～40インチ（1,016 mm）のワークピースを圧縮することが可能です。^[19]

標準的な粉末圧縮法に比べて、壁が薄く、ワークピースが大きいという利点があります。高さと直径の比率に制限はありません。壁の厚さの変化、アンダーカット、リリーフ、ねじ、クロスホールに特別な制限はありません。静水圧粉末圧縮法では潤滑剤は必要ありません。最小壁厚は0.05インチ（1.27 mm）で、製品の重量は40〜300ポンド（18〜136 kg）です。圧縮後、粉末は25〜45％収縮します。^[19]

アイソスタティックツールには、フリーモールド（ウェットバッグ）、粗モールド（ダンプバッグ）、固定モールド（ドライバッグ）の3つのスタイルがあります。フリーモールドスタイルは、アイソスタティック圧縮の伝統的なスタイルであり、通常、大量生産作業には使用されません。フリーモールドツールでは、モールドはキャニスターの外側から取り出され、充填されます。ダンプバッグは、モールドがキャニスター内にあるが、充填は外側から行われるツールです。固定モールドツールでは、モールドはキャニスター内に収納されるため、プロセスの自動化が容易になります。^[19]

圧縮後、粉末材料は焼結と呼ばれるプロセスで制御された雰囲気中で加熱されます。このプロセス中に、粒子の表面が結合され、望ましい特性が得られます。^[6]

粉末金属の焼結は、圧力を受けた粒子が高温にさらされると化学的に自己結合して一貫した形状を形成するプロセスです。粒子が焼結される温度は、通常、粉末の主成分の融点よりも低くなります。^[24]温度が粉末金属部品の成分の融点よりも高い場合、溶融した粒子の液体が細孔を満たします。このタイプの焼結は、液体状態焼結として知られています。^[6]焼結全般における主な課題は、プロセスが圧縮粒子の寸法に与える影響を知ることです。これは、特定の寸法が必要な場合があるツール作成の目的には特に困難です。焼結部品が収縮して密度が高くなるのが一般的ですが、膨張したり、まったく変化しないこともあります。^[24]

固体焼結の主な原動力は、過剰な表面自由エネルギーです。固体焼結のプロセスは複雑で、材料と炉（温度とガス）の状態に依存します。焼結プロセスは、互いに重複する可能性のある6つの主な段階に分類できます。1)粒子間の初期結合、2)ネック成長、3)細孔チャネルの閉鎖、4)細孔の丸み、5)緻密化または細孔の収縮、および6)細孔の粗大化です。これらの段階に存在する主なメカニズムは、蒸発、凝縮、粒界、体積拡散、および塑性変形です。^[24]

このプロセスでは、材料の強度、延性、靭性、電気伝導性、熱伝導性など、多くの特性が向上します。異なる元素の粉末を圧縮して焼結すると、材料は合金や金属間相を形成します。^[6]気孔サイズが小さくなると、材料の密度が増加します。前述のように、この収縮は、特定の寸法が要求される部品や工具の製造において大きな問題となります。試験材料の収縮を監視し、炉の条件を操作したり、圧縮材料のサイズを大きくして目的の寸法を達成するために使用します。ただし、焼結によって圧縮部分の気孔がなくなることはありません。一般に、粉末金属部品には、焼結後に5〜25％の気孔率が含まれます。^[6]

ほとんどの焼結炉には、上記の 6 つのステップを実行するのに役立つ、3 つの異なる特性を持つ 3 つのゾーンがあります。一般的にバーンオフ ステージまたはパージ ステージと呼ばれる最初のゾーンは、空気を燃焼させ、潤滑剤やバインダーなどの汚染物質を燃焼させ、圧縮材料の温度をゆっくりと上げるように設計されています。圧縮部品の温度が急激に上昇すると、細孔内の空気の内部圧力が非常に高くなり、部品の膨張や破損につながる可能性があります。高温ステージと呼ばれる 2 番目のゾーンは、固体拡散と粒子結合を生成するために使用されます。材料は表面エネルギーを下げようとし、粒子間の接触点に向かって移動することでそれを行います。接触点は大きくなり、最終的に小さな細孔を持つ固体の塊が作成されます。冷却期間とも呼ばれる 3 番目のゾーンは、制御された雰囲気にある間に部品を冷却するために使用されます。これは、空気との直接の接触による酸化、または急速冷却と呼ばれる現象を防ぐため、重要なゾーンです。3 つのステージはすべて、酸素を含まない制御された雰囲気で実行する必要があります。水素、窒素、解離アンモニア、分解炭化水素は、炉内に送り込まれ、還元雰囲気を作り出し、酸化物の形成を防ぐ一般的なガスです。^[6]

熱間静水圧プレス（HIP）は、鉄の場合は約2300°F（1250°C）、^{ニッケル合金の場合は2750°F（1500°C）の熱を加えることにより、部品の圧縮と焼結を同時に行います[12]。 [18]}この手順は、爆発駆動圧縮技術とともに、ジェットエンジンのタービンディスクなどの高温高強度部品の製造に広く使用されています。^[12]粉末冶金のほとんどの用途では、成形体はホットプレスされ、それ以上の温度では材料が加工硬化を維持できない温度まで加熱されます。^[12]ホットプレスにより、多孔性を減らすために必要な圧力が低下し、溶接と粒子変形のプロセスが高速化されます。^[12]また、製品の寸法制御が向上し、出発材料の物理的特性に対する感受性が低下し、冷間プレスよりも粉末を高密度に圧縮できるため、強度が向上します。^[12]ホットプレスのマイナス面としては、金型寿命が短いこと、粉末の加熱によりスループットが遅いこと、成形および冷却段階で保護雰囲気または単純な真空が頻繁に必要になることなどが挙げられます。^{[12] [18]}

HIP法では、他の方法よりも高品質の製品が生産されることが多い。^{[18]しかし、HIP法は高価であり、粉末を温度と圧力に耐えられる柔軟な隔離媒体に入れる（}缶詰め）コストが高く、その後その媒体から取り出す（デカンニング）コストが高いことと、処理に6～8時間と長い時間がかかることから、大量生産には一般的に適していない。^[18]

これらの技術は、電流を利用して焼結を促進または強化する。^[25]粉末または容器に流れる機械的圧力と電流の組み合わせにより、従来のソリューションと比較して焼結時間が大幅に短縮される。^[25]これらの技術には多くの分類がありますが、主に2つのカテゴリに分けることができます。抵抗焼結技術は、より低い電圧と電流を適用し、約10秒から10分かかります。放電焼結は、コンデンサバンクを使用してより高い電流と電圧を実現し、数十マイクロ秒から数十ミリ秒かかります。^[25]抵抗焼結技術には、スパークプラズマ焼結（SPS）、プラズマ活性化焼結（PAS）、パルス電流焼結（PECS）が含まれます。^[26]放電焼結技術には、コンデンサ放電焼結が含まれます。^[26]現在、スパークプラズマ焼結は、一般的に電気パルス焼結の最も一般的な方法です。^[26]

抵抗焼結電流は通常1平方センチメートルあたり約1kAに達するが、最大数キロボルトの放電焼結電圧も1平方センチメートルあたり10kAを超える非常に高い電流を必要とする。^[26]抵抗焼結技術は温度に基づく固化法であり、鋳型と粉末の加熱は電流によって行われ、通常15〜30分の特性処理時間を伴う。一方、放電焼結法は高密度電流（0.1〜1kA/mm^2）に依存して導電性粉末を直接焼結し、特性時間は数十マイクロ秒から数百ミリ秒である。^[要出典]

厳密に言えば、「連続プロセス」という語句は、時間的に無限に拡張できる製造モードを説明するためにのみ使用されるべきである。しかし、通常、この用語は、製品が1つの物理的次元で他の2つの次元よりもはるかに長いプロセスを指す。圧縮、圧延、押し出しが最も一般的な例である。^[12]

単純な圧縮プロセスでは、粉末は容器から二重壁のチャネルに流れ、水平に固定されたパンチによって垂直方向に繰り返し圧縮されます。コンベアから圧縮された粉末を剥がした後、圧縮された塊は焼結炉に導入されます。さらに簡単な方法は、移動するベルトに粉末を吹き付け、圧縮せずに焼結することです。しかし、冷間圧縮された材料を移動するベルトから剥がすための優れた方法を見つけるのは困難です。ベルトの剥がしの困難さを完全に回避する1つの代替手段は、対向する油圧ラムを使用して金属シートを製造することですが、連続したプレス操作中にシート全体に弱い線が発生する可能性があります。^{[12] [さらに説明が必要]}

粉末を圧延してシートを作ることもできます。粉末金属は2段圧延機に投入され、^[a]毎分100フィート（0.5 m/s）の速度でストリップ状に圧縮されます。その後、ストリップは焼結され、さらに圧延され、さらに焼結されます。圧延は、電気・電子部品やコイン用のシート金属の製造によく使用されます。また、異なる材料の複数の層を同時にシートに圧延する研究もかなり行われてきました。^[12]

押し出し加工には、一般的に 2 つのタイプがあります。1 つは、粉末を室温で結合剤または可塑剤と混合する方法です。もう 1 つは、粉末を強化せずに高温で押し出す方法です。 ^{[詳細な説明が必要]}結合剤を使用した押し出し加工は、タングステンカーバイド複合材料の製造に広く使用されています。チューブ、複雑な断面、スパイラルドリルの形状は、0.5～300 mm (0.020～11.811 インチ) の範囲で長さと直径が長く製造されています。直径 0.1 mm (0.0039 インチ) の硬質金属ワイヤが粉末から引き出されています。反対に、トン数ベースの大規模な押し出し加工も可能かもしれません。^[12]

アルミニウムや銅合金など、より柔らかく成形しやすい金属の場合、コンフォーム押出や連続回転押出などのプロセスを使用して連続押出を行うこともできます。これらのプロセスでは、円周に溝が付いた回転ホイールを使用して、ゆるい粉末を成形ダイに通します。高圧と複雑なひずみ経路の組み合わせにより、粉末粒子は変形し、大量の摩擦熱を発生させ、結合してバルク固体を形成します。理論的には、粉末をプロセスに供給できる限り、完全な連続操作が可能です。^[27]

押出成形できる金属や合金の種類には制限はないようですが、温度と圧力が金型の材質の許容範囲内であれば可能です。^[12]押出成形の長さは3～30m ^[28]、直径は0.2～1mです。現代のプレス機は大部分が自動化されており、高速（m/sオーダー）で稼働します。^[12]

粉末冶金で使用される特殊な材料とプロセスは、生命と財産に危険をもたらす可能性があります。粉末の表面積と体積の比率が高いため、生物学的暴露（吸入や摂取など）での化学反応性が高まり、粉塵爆発のリスクが高まります。塊では比較的無害であると考えられている材料でも、細かく分割された形状では特別な毒性リスクをもたらす可能性があります。重金属を吸入すると、多くの健康上の問題が発生する可能性があります。鉛とカドミウムは一般的に有毒であり、コバルトは敏感な人に喘息や線維症を引き起こす可能性があります。^[29]

• 電気焼結鍛造
• グローバル粉末冶金特性データベース
• 機械式粉末プレス
• 選択的レーザー溶融
• 選択的レーザー焼結
• 焼結
• 放電プラズマ焼結
• スプレー成形

• DeGarmo, EP (2008). 製造における材料とプロセス(PDF) (第 10 版). Wiley. ISBN 9780470055120. 2019年10月9日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2019年10月9日閲覧。

• この記事の以前のバージョンは、パブリック ドメインの NASA レポート「Advanced Automation for Space Missions 」の付録 4C からコピーされました。
• RM German、「粉末冶金および粒子状材料の処理」、金属粉末工業連盟、ニュージャージー州プリンストン、2005 年。
• F. Thummler および R. Oberacker「粉末冶金入門」ロンドン材料研究所、1993 年
• GS Upadhyaya、「焼結金属およびセラミック材料」、John Wiley and Sons、ウェストサセックス、イギリス、2000 年

• ベルギーのルーヴェン・カトリック大学で開発された迅速製造技術
• エイムズ研究所での金属原子化のスローモーションビデオ画像
• APMIインターナショナル「粉末冶金の国際専門家協会」[1]、非営利団体