JP2002173732A - ハイエントロピー多元合金 - Google Patents
ハイエントロピー多元合金Info
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Abstract
エントロピー多元合金の提供。 【解決手段】 ハイエントロピー多元合金は、複数種類
の元素からなる合金であり、その特徴は、合金が5種類
から11種類の主要金属元素を含有し、各一種類の金属
元素のモル数が合金総モル数の5%から30%とされ、
合金が高硬度、高耐熱性及び高耐酸性を具えたことを特
徴としている。
Description
ピー多元合金に係り、特に、5種類から11種類の主要
金属元素を含有するハイエントロピー多元合金に関す
る。
素、例えば鉄、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタ
ン、ジルコニウム、クロム、鉛、亜鉛、金、銀により分
類される。周知の合金は、いずれも単一元素を主要合金
元素としており、その他は副合金元素とされる。近年、
急速凝固合金、機械合金、金属基複合材料が発展してい
るが、しかしその合金設計及び合金選択の理念は、いま
だ一種類の元素を主要なものとする観念から脱していな
い。言い換えると、これまでの実験合金或いは商用合金
のいずれもがある元素を単一主要元素とする合金の範疇
から離脱していなかった。
計理念は明らかに合金成分の自由度を制限し、このた
め、新たな結晶構造及びそのマイクロ構造及び新たな性
能の発展を制限する。本発明は新たな設計観念及びその
合金範囲を提供して伝統的な制限を突破することを課題
としている。
種類の金属元素をキャスティング或いは合成してなるハ
イエントロピー多元合金において、該合金が5種類から
11種類の主要金属元素を含有し、各一種類の主要金属
元素のモル数が合金総モル数の5%から30%とされた
ことを特徴とする、ハイエントロピー多元合金としてい
る。請求項2の発明は、前記主要金属元素が、アルミニ
ウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニ
ッケル、銅、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、
銀を含む金属元素群より選択されることを特徴とする、
請求項1に記載のハイエントロピー多元合金としてい
る。請求項3の発明は、前記合金が電気アーク溶融法で
キャスティングしてなることを特徴とする、請求項1に
記載のハイエントロピー多元合金としている。請求項4
の発明は、前記合金に少なくとも一種類の副元素が添加
され、各一種類の副元素のモル数が合金総モル数の5%
より少ないことを特徴とする、請求項1に記載のハイエ
ントロピー多元合金としている。請求項5の発明は、前
記合金に少なくとも一種類の副元素が添加され、各一種
類の副元素のモル数が合金総モル数の5%より少なく、
該副元素が、金、銀、白金、タングステン、錫、亜鉛、
炭素、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄より選択された少な
くとも一種類の元素とされることを特徴とする、請求項
1に記載のハイエントロピー多元合金としている。請求
項6の発明は、前記合金が、少なくとも、銅、チタン、
バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウムの6種類の
主要金属元素を含むことを特徴とする、請求項1に記載
のハイエントロピー多元合金としている。請求項7の発
明は、前記合金が、少なくとも、銅、チタン、バナジウ
ム、鉄、ニッケル及びジルコニウムの6種類の主要金属
元素を含み、該合金がアーク溶融法で製造されたことを
特徴とする、請求項1に記載のハイエントロピー多元合
金としている。請求項8の発明は、前記合金が、少なく
とも、アルミニウム、チタン、バナジウム、鉄、ニッケ
ル及びジルコニウムの6種類の主要金属元素を含むこと
を特徴とする、請求項1に記載のハイエントロピー多元
合金としている。請求項9の発明は、前記合金が、少な
くとも、アルミニウム、チタン、バナジウム、鉄、ニッ
ケル及びジルコニウムの6種類の主要金属元素を含み、
該合金がアーク溶融法で製造されたことを特徴とする、
請求項1に記載のハイエントロピー多元合金としてい
る。請求項10の発明は、前記合金が、少なくとも、モ
リブデン、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジル
コニウムの6種類の主要金属元素を含むことを特徴とす
る、請求項1に記載のハイエントロピー多元合金として
いる。請求項11の発明は、前記合金が、少なくとも、
モリブデン、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジ
ルコニウムの6種類の主要金属元素を含み、該合金がア
ーク溶融法で製造されたことを特徴とする、請求項1に
記載のハイエントロピー多元合金としている。請求項1
2の発明は、前記合金が、少なくとも、鉄、コバルト、
ニッケル、クロム及びバナジウムの5種類の主要金属元
素を含むことを特徴とする、請求項1に記載のハイエン
トロピー多元合金としている。請求項13の発明は、前
記合金が、少なくとも、鉄、コバルト、ニッケル、クロ
ム及びバナジウムの5種類の主要金属元素を含み、該合
金が急速凝固法で製造されたことを特徴とする、請求項
1に記載のハイエントロピー多元合金としている。
多元合金を提供する。本発明の合金は、複数種類の元素
からなる合金であり、その特徴は、合金が5種類から1
1種類の主要金属元素を含有し、各一種類の金属元素の
モル数が合金総モル数の5%から30%とされる。
アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバ
ルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、モリブデン、パラ
ジウム、銀及び金より選択される。
前述の主要金属元素のほかに、副元素を添加可能であ
り、この副元素は、そのモル数が合金の総モル数の5%
を超過しない。副元素は、金属元素或いは非金属元素と
される。金属添加物、例えば金、銀、白金、タングステ
ン、錫、亜鉛及びその他の金属元素とされ、非金属元素
は例えば、炭素、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄及びその
他の非金属元素とされる。
意の一つの元素のモル数が合金モル数の30%を超過せ
ず、ゆえに単一主要元素がマトリクスを構成する現象を
有することがなく、溶融、凝固構造性質上、明らかに伝
統的な合金とは異なっている。本発明の合金は原子構成
構造上、ハイエントロピー現象を発生し、ゆえに本合金
はハイエントロピー多元合金と称される。
くとも、以下の特性を同時に有する。 1.極めて高い硬度: 凝固して固体となった後、異な
る元素組成により、その硬度はHv600からHv90
0まで変化し、カーボンスチール及び合金カーボンスチ
ールの完全焼入れ硬化後の硬度に相当するか或いはそれ
より高い。 2.極めて高い耐熱性: 1000℃で12時間熱処理
した後に炉中で冷却すると、熱軟化現象を発生しない。 3.極めて高い耐蝕性: 高濃度の硫酸、塩酸、硝酸に
浸漬しても、ほぼ腐蝕現象を発生しない。
抵抗式加熱法、感応加熱法、真空アーク溶融法、急速凝
固法、機械合金法及び粉末合金法によりキャスティング
或いは合成で製造され、これらの加熱方法と技術はいず
れも本発明の属する分野の技術に関係する者であれば熟
知していることであるので、一つずつの説明は省略する
が、ここではただ電気アームキャスティングについて説
明する。キャスティングにおいては、まず、選択した金
属元素材料を、その融点により上から下に溶炉の水冷銅
型中に入れ、さらに、溶炉の上蓋を閉じ、先に抽気し真
空とし、その後、純アルゴンガスを充填し、こうして重
複した抽気及び充気操作を行った後に、溶融開始する。
電気アークをオンとして、金属材料を完全に溶融させ、
それが銅型中で凝固した後に、裏返しにしてさらにアー
ク溶融を行い、全ての合金元素を溶融させ並びに均一に
混合するまでこれを数回繰り返す。さらにそれを冷却し
て合金タブレット或いは目的物を得て、取り出して使用
する。
種の金属元素をキャスティングするか或いは合成してな
る合金である。該合金は少なくとも5種類以上の主要金
属元素を含有し、各一種類の金属元素のモル数が合金総
モル数の5%から30%とされる。好ましくは、該合金
の含有する主要金属元素は、アルミニウム、チタン、バ
ナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジル
コニウム、モリブデン、パラジウム、銀及び金より選択
される。
前述の主要金属元素のほかに、副元素を添加可能であ
り、この副元素は、そのモル数が合金の総モル数の5%
を超過しない。副元素は、金属元素或いは非金属元素と
される。
ニッケル及びジルコニウムの6種類の元素を同じモル数
ずつ使用し、その総重量が約100gとなるようにす
る。各組成元素をその融点により上から下に溶炉の水冷
銅型中に入れ、さらに、溶炉の上蓋を閉じ、先に5分間
抽気して0.01大気圧とした後に、純アルゴンガス
を、約0.2大気圧となるまで充填し、さらにもう一
度、抽気及び充気操作を重複して行った後に、溶融を開
始する。溶融電流は500アンペアとし、毎回溶融と凝
固完成後に、銅型中の合金を裏返して電気アーク溶融を
行い、これを全ての合金元素がすべて溶融し並びに均一
に混合したと確定するまで続け、冷却後、外形が完全な
円盤状とされた直径約5cmの合金タブレットを得る。
これは以下の表1の合金番号1に示されるとおりであ
る。このほか、さらに一部の合金タブレットを1000
℃空気炉中に置いて12時間熱処理し、その後、炉中で
冷却して熱処理状態を得て、並びにその性質を測定す
る。
プを重複して行うが、しかし組成元素はそれぞれ表1中
の合金番号2〜20に示されるとおりとする。
の全てのサンプルの硬度値を測定する。測量前、サンプ
ルの表面を#120、#240、#400、#600の
カーボランダムサンドペーパーで研磨して平らに整えた
後、さらに硬度テスタで測量する。測量時に加える負荷
は5kgfとし、負荷時間は10秒とする。各サンプル
に対して7個の異なる位置の硬度値を測定し、中間の5
個の平均値の平均をこのサンプルの硬度とし、その結果
を表1に示した。表1中の合金番号1から20につい
て、それぞれキャスト状態と熱処理状態の硬度値を示し
た。これから合金硬度が元素個数及び種類により明らか
に違いがあることが分かる。一般的には、元素個数が多
いほど、硬度が高くなる。ホウ素を加えることで硬度を
高めることができる。熱処理により少数の合金の硬度が
僅かに下がったが、その他の合金は硬度が下がらないか
或いは反対に上昇した。表1中、硬度値の変化範囲はH
v590〜Hv890であり、もし、カーボンスチール
及び合金カーボンスチール硬度を比較すると、この硬度
範囲は0.35%から1.0%の炭素含有量のカーボン
スチール及び合金カーボンスチールの完全焼入れ硬化後
の硬度範囲に相当する。さらに石英の硬度は約Hv70
0であり、これもまたこの硬度範囲にあり、これから本
発明の多元合金が極めて高い硬度を有することが分か
る。特に進んだものでは、カーボンスチール或いは合金
スチールは高温で軟化現象を呈し、ゆえに合金工具スチ
ールは一般に550℃を越える温度では使用できず、使
用した場合は急速に軟化し、変形断裂する。本発明のハ
イエントロピー多元合金は1000℃でも軟化せず、ゆ
えに極めて優れた耐熱性を有している。 耐酸性試験 本発明の多元合金を裁断し、約2グラムの粒塊を切り取
り、それぞれ500mlの濃度が1及び0.01Mの塩
酸、硫酸、及び硝酸水溶液中にそれぞれ24時間浸漬さ
せ、多元合金サンプルと異なる酸液の反応程度と重量損
失を観察し、異なる成分の各種の常用酸液に対する抵抗
能力を比較した。その結果は表2のとおりである。
ー多元合金は、いかなる表面処理も行わずとも極めて高
い耐酸蝕性を有している。これに対して、カーボンスチ
ール或いは合金カーボンスチールはこのような耐蝕性を
有していない。
素及び原子モル比組成は表3に示す通りとし、得られる
タブレットを約2.5g切り取り、アーク溶炉中に入れ
て再度溶融させ、並びに石墨ハンマを用いて溶融した液
体を打撃して厚さ約200μmの薄片を得る(その快速
冷却速度は103 〜104 K/secとされる)、その
後その性質を測定する。その硬度値は表4のとおりであ
り、モル比偏離などの状況にあって、急速凝固法で極め
て高い硬度が得られることが分かる。そのうち実施例2
2の合金の硬度はHv1049にも達した。
多元合金は、キャスト状態においてカーボンスチール及
び合金カーボンスチール焼入れ完全硬化後の硬度水準よ
り高い硬度を得ることができるだけでなく、長時間の高
温(1000℃)熱処理においても硬度は軟化せず優れ
た焼き戻し軟化抵抗性を表現し、カーボンスチール及び
合金カーボンスチール(550℃までしか耐えられな
い)の及ぶところではない。また本発明のハイエントロ
ピー多元合金は優れた耐蝕性を有し、これもまたカーボ
ンスチール及び合金カーボンスチールの及ぶところでは
ない。伝統的な周知の合金組成でこれらの特性を同時に
具えているものはない。本発明のハイエントロピー多元
合金はゆえに特殊な用途を有し、例えば熱処理不要の精
密キャスティング法による高温或いは低温用のツール、
型(mold)及びパーツの直接製造の用途を有し、加
工コストを下げられると共に、1000℃までで使用で
き焼き戻し軟化の恐れがない。また例えばこのような合
金に対して、プラズマ或いは火炎スプレー法によりパー
ツの表面を塗布して、耐磨、耐熱、耐蝕の用途を提供す
ることができる。ゆえに本発明のハイエントロピー多元
合金は新規性、進歩性を有し並びに産業上の利用価値を
有し、特許の要件に符合する。なお以上の説明は本発明
の望ましい実施例に係るものであって、本発明に基づき
なしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請
求範囲に属するものとする。
Claims (13)
- 【請求項1】 複数種類の金属元素をキャスティング或
いは合成してなるハイエントロピー多元合金において、 該合金が5種類から11種類の主要金属元素を含有し、
各一種類の主要金属元素のモル数が合金総モル数の5%
から30%とされたことを特徴とする、ハイエントロピ
ー多元合金。 - 【請求項2】 前記主要金属元素が、アルミニウム、チ
タン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、
銅、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、銀を含む
金属元素群より選択されることを特徴とする、請求項1
に記載のハイエントロピー多元合金。 - 【請求項3】 前記合金が電気アーク溶融法でキャステ
ィングしてなることを特徴とする、請求項1に記載のハ
イエントロピー多元合金。 - 【請求項4】 前記合金に少なくとも一種類の副元素が
添加され、各一種類の副元素のモル数が合金総モル数の
5%より少ないことを特徴とする、請求項1に記載のハ
イエントロピー多元合金。 - 【請求項5】 前記合金に少なくとも一種類の副元素が
添加され、各一種類の副元素のモル数が合金総モル数の
5%より少なく、該副元素が、金、銀、白金、タングス
テン、錫、亜鉛、炭素、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄よ
り選択された少なくとも一種類の元素とされることを特
徴とする、請求項1に記載のハイエントロピー多元合
金。 - 【請求項6】 前記合金が、少なくとも、銅、チタン、
バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウムの6種類の
主要金属元素を含むことを特徴とする、請求項1に記載
のハイエントロピー多元合金。 - 【請求項7】 前記合金が、少なくとも、銅、チタン、
バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウムの6種類の
主要金属元素を含み、該合金がアーク溶融法で製造され
たことを特徴とする、請求項1に記載のハイエントロピ
ー多元合金。 - 【請求項8】 前記合金が、少なくとも、アルミニウ
ム、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウ
ムの6種類の主要金属元素を含むことを特徴とする、請
求項1に記載のハイエントロピー多元合金。 - 【請求項9】 前記合金が、少なくとも、アルミニウ
ム、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウ
ムの6種類の主要金属元素を含み、該合金がアーク溶融
法で製造されたことを特徴とする、請求項1に記載のハ
イエントロピー多元合金。 - 【請求項10】 前記合金が、少なくとも、モリブデ
ン、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウ
ムの6種類の主要金属元素を含むことを特徴とする、請
求項1に記載のハイエントロピー多元合金。 - 【請求項11】 前記合金が、少なくとも、モリブデ
ン、チタン、バナジウム、鉄、ニッケル及びジルコニウ
ムの6種類の主要金属元素を含み、該合金がアーク溶融
法で製造されたことを特徴とする、請求項1に記載のハ
イエントロピー多元合金。 - 【請求項12】 前記合金が、少なくとも、鉄、コバル
ト、ニッケル、クロム及びバナジウムの5種類の主要金
属元素を含むことを特徴とする、請求項1に記載のハイ
エントロピー多元合金。 - 【請求項13】 前記合金が、少なくとも、鉄、コバル
ト、ニッケル、クロム及びバナジウムの5種類の主要金
属元素を含み、該合金が急速凝固法で製造されたことを
特徴とする、請求項1に記載のハイエントロピー多元合
金。
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