JP2002525434A - 高温で実施される機械的合金化によるナノ結晶合金の製造方法 - Google Patents

高温で実施される機械的合金化によるナノ結晶合金の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 合金を形成するための金属粉末に、強力な機械粉砕処理を施すことにより、少なくとも2つの金属からなる合金のナノ結晶粉末を製造する方法が記載される。粉砕は、大気圧の不活性雰囲気で実施され、100〜400℃の温度範囲で実施される。このようにして、粒径が100nm未満の合金からなるクリスタリットが、周囲の温度で実施する類似の機械粉砕処理でこの粒径を得るのに必要な時間より約1桁短い粉砕によって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】
本発明は、少なくとも2つの金属からなる合金のナノ結晶粉末を製造するため
の改良された方法に関する。
【0002】 特に、金属粉末の混合物に、高エネルギーのボールミル装置やその他の類似の
装置で、強力な機械粉砕(intensive mechanical gri
nding)を施すことにより、ナノ結晶を得る改良された製造方法に関する。
【0003】 ここで使用する「ナノ結晶」という用語は、粒径(grain size)が
100nm未満のクリスタリットからなるどのような種類の粉末をも意味する。
【0004】
【背景技術】
金属粉末の混合物の強力な金属粉砕(intensive metal gr
inding、milling)による合金の製造は、よく知られた技術である
【0005】 「機械的合金化(mechanical alloying)」とも呼ばれる
この技術は、最近、FeTi、LaNi5、Mg2Niなどの水素吸蔵合金の製造
に特に効果的であることが見出されており、これらの合金は、クリスタリットの
形態であり、可逆的に水素化物を形成することができ、従って水素を貯蔵するの
に使用される。
【0006】 形成されるクリスタリットの大きさを数nmまで低減するように機械粉砕が実
施される場合、水素を非常に高い効率で吸蔵する合金が得られることも見出され
ている。実際、このようなナノ結晶合金を使用すると、水素を非常に速く貯蔵す
ることができ、しかも従来の多結晶形態で同一合金を使用する場合に必要とされ
る長い活性化処理が不要になる。
【0007】 欧州特許出願公開EP−A−671,357(1995年2月13日に米国に
出願された米国特許出願番号第08/387,457号の出願に対応)には、式
Mg2-xNi1+x(xは−0.3から+0.3の範囲)で示される合金からなるナ
ノ結晶粉末の製造方法が開示されており、この製造方法は、周囲の温度と大気圧
の不活性雰囲気で、所望の合金が得られるような量でMg粉末をNi粉末ととも
に粉砕することに特徴がある。式Mg2-xNi1+xで示される所望のクリスタリッ
トを得るために、しかもそれらの粒径を100nm未満に低減するためには、少
なくとも50時間は金属粉末を粉砕する必要があり、この米国特許出願番号第0
8/387,457号の出願の図3に示される回折スペクトルからは、26時間
後に所望の合金の形成が始まり、66時間後に完全に合金の結晶径が30nm未
満に低減するのが理解される。
【0008】 国際特許出願公開No.WO96/23906(1996年2月2日に米国に
出願された米国特許出願番号第08/382,776号の出願に対応)には、 式: (M1-xx)Dy で示される物質の製造方法であって、ここで、 Mは、MgまたはBe、またはこれらの組み合わせ、 Aは、Li、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn
、Al、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、lO、Si、B、C、F(好まし
くはZr、Ti、Ni)からなる群より選択される少なくとも1つの元素、 Dは、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt(好ましくはPd
)からなる群より選択される水素解離触媒、 xは、0〜0.3の範囲の数(原子比(atomic fraction)
)、 yは、0〜0.15(好ましくは0〜0.02)の範囲の数(原子比)、 である、製造方法が開示されている。
【0009】 この物質は、非常に軽量であり、非常に良好な速度で可逆的に水素を貯蔵する
ことができる。これは、平均径が0.1〜100μmの範囲にある式M1-xx
示される粒子の粉末からなる。それぞれの粒子は、平均粒径が3〜100nmで
あるナノ結晶粒から構成されることができる。あるいは、それぞれの粒子は、層
間隔が3〜100nmであるナノ層状構造とすることもできる。いくつかの粒子
は、金属Dのうちの少なくとも1種の金属からなる平均径が2〜200nmの範
囲にある付着したクラスターを有する。
【0010】 この物質を製造するのに使用する方法は、基本的に、クリスタリットの粒径が
所望の値に到達するまで金属Mの粉末を強力に粉砕すること、または、高エネル
ギーのボールミルの鋼鉄製や炭化タングステン製の容器の中で金属Mの粉末と他
の金属Aの粉末との混合物を強力に粉砕すること、に特徴がある。しかしながら
依然として、このような粉砕は、周囲の温度で、大気圧の不活性雰囲気で実施さ
れる。さらに、この粉砕は、式M1-xxで示される所望の粒子を得るために、し
かもそれらの粒径を所望の値まで低減するために、長時間実施する必要もある。
一旦この粉砕工程が完了すると、この粒子に所定量の水素解離触媒Dを添加する
ことができ、得られた混合物は、触媒Dのクラスターを粒子M1-xxに付着させ
るためにさらに粉砕工程にかけられる。
【0011】 ザルスキ(L.ZALUSKI)等による「ボールミルにより製造されたFe
−Tiの水素吸収における緩和効果」という表題の論文、合金と化合物誌、第2
27巻、1995年、第53〜57頁(Journal of Alloys
and Compounds,227(1995)53−57)には、FeTi
合金のナノ結晶粉末の製造方法が開示されており、この製造方法は、高エネルギ
ーのボールミル装置を使用して周囲の温度と不活性雰囲気で元素FeとTiの粉
末の混合物を粉砕することに特徴がある。
【0012】 この論文では、高エネルギーのボールミルにより製造されたナノ結晶FeTi
には機械的歪みの結果として大量のエネルギーが貯蔵され得ることも開示されて
いる。それらは、高濃度の構造欠陥(大きな内部歪み(internal st
rain))や化学的不規則(chemical disorders)につな
がる。
【0013】 さらにこの論文には、製造後の合金の内部歪みをその最初の値の少なくとも4
0%まで低減するために、製造後に400℃で合金を焼鈍することを含む緩和処
理を合金に施すことができることが開示されている。驚くべきことに、そのよう
な焼鈍によって結晶の大きさは変化しない。さらに、焼鈍によって、室温での合
金による水素吸収の圧力−組成等温曲線に明確なプラトーが出現する。
【0014】 いずれにしても全ての場合、機械的合金化によってナノ結晶合金を製造するに
は、通常50時間を上まわり、120時間もの長時間になることもあり得る、か
なり長時間の機械粉砕が必要となる。
【0015】
【発明の開示】
本発明では、高温で強力な機械粉砕が実施される場合でも、ナノ結晶合金を依
然得ることができることが見出された。
【0016】 そのような場合、強力な機械粉砕によりナノ結晶合金を製造するために必要と
される時間が、実質的に短縮され得ることも見出された。実際、周囲の温度で実
施する代わりに約100〜約400℃の範囲の高温で粉砕を実施すると、数十時
間の代わりに数時間内でナノ結晶合金粉末を製造することができる。
【0017】 短時間で粉末を同時に粉砕し加熱するために必要とされるエネルギー量は、か
なり長時間、周囲の温度でボールミル装置を作動させるために必要とされるエネ
ルギー量より通常は小さいので、そのように時間が短縮されることによって、当
然、製造コストが低減される。
【0018】 高温で粉砕工程が実施される場合、いくつかの構造欠陥(空孔(holes)
、転移、内部歪み)の形成が「自動的に」抑制され、それによって、次に焼鈍を
施さずに、Mg2NiやFeTiなどの水素吸蔵合金のナノ結晶粉末を得ること
ができることがさらに見出された。
【0019】 実際、100〜400℃で粉砕工程が実施されると、ボールミル装置の容器内
で処理される粉末混合物での元素の相互拡散が促進され、それによって、製造処
理の時間が実質的に短縮され、かつ内部欠陥(intrinsic defec
ts)のより少ない合金が得られる。
【0020】 高温で金属粉末の混合物を強力に機械粉砕することによりナノ結晶合金を製造
することを、合金製造に使用される従来の高周波溶解処理や冶金分野でよく知ら
れる従来の焼結処理と混同してはいけない。たとえば、例を挙げれば、リ(Li
J.)等は、先端材料、第5巻、第7/8号、1993年7月、第554〜5
55頁(Advanced Materials, vol.5, No.7/
8, July 1993, pp.554−555)で、不活性雰囲気で成分
金属を850〜900℃に加熱してから室温まで冷却し、それを25〜100メ
ッシュの粒子に粉砕することを特徴とする高周波溶解処理を開示している。この
処理と処理温度範囲は、上述したものと全く異なり、しかも得られる合金もナノ
結晶構造ではない。
【0021】 リ(Li J.)等の同じ論文では、粉末冶金技術を使用してMg2Ni合金
を製造する方法も開示されており、この方法は、適切な割合でMgとNiの粉末
を混合し、混合した粉末を等圧加圧機(isobaric press)で成形
し、成形した混合物を、管状炉の中で300〜600℃で1〜10時間焼結させ
、アルゴン中で室温まで冷却することからなる。この焼結処理では、機械粉砕は
行われず、得られる合金の粒子は、ナノ結晶構造ではない。
【0022】 従って、ここで請求される本発明は、少なくとも2つの金属からなる合金のナ
ノ結晶粉末を製造するための改良された方法に関し、この方法は、所望の合金が
得られるような量のこれらの金属粉末の混合物に、強力な機械粉砕を施すことを
含む。通常通り、そのような強力な機械粉砕は、大気圧の不活性雰囲気で、クリ
スタリットが形成されその粒径が所望の値に低減されるのに十分な時間、実施す
る必要がある。
【0023】 本発明によれば、この方法は、強力な機械粉砕が、約100〜約400℃の範
囲の高温で、好ましくは150〜300℃の範囲で実施され、それによって、周
囲の温度で機械粉砕処理を行うのに比較して、上述の処理時間が約1桁実質的に
短縮されることを特徴とする。
【0024】 本発明とその利点は、以下の限定的でない詳細な説明を読み、添付の図面を参
照することによって、より理解されるであろう。
【0025】
【発明を実施するための最良の形態】
上述したように、本発明による方法は、少なくとも2つの金属からなる合金の
ナノ結晶粉末の製造のために使用することを目的とする。「ナノ結晶」粉末とい
う用語は、粒径が100nm未満のクリスタリットからなる粉末を意味する。
【0026】 本発明の方法は、「機械的合金化」であり、所望の合金が得られるような量の
複数の金属すなわち異なる金属の粉末に強力な機械粉砕を施すことを含む。
【0027】 通常通り、強力な機械粉砕は、大気圧の不活性雰囲気で、クリスタリットが形
成されその粒径が所望の値に低減されるのに十分な時間、実施される。
【0028】 本発明によれば、強力な機械粉砕は、周囲の温度の代わりに、約100〜約4
00℃の範囲の高温で実施される。それによって、ナノ結晶合金の製造時間が実
質的に短縮され、かつ内部欠陥のよりいっそう少ない合金が得られる。
【0029】 理解されるように、温度がより高くなると、熱エネルギー費のために、製造方
法はより費用のかかるものとなる。従って、本発明の方法は、約150〜約30
0℃の範囲の中位の温度で実施するのが好ましい。
【0030】 強力な機械粉砕は、商標SPEX8000、FRITCH、ZOZなどで販売
されている高エネルギーのボールミル装置で実施することができる。
【0031】 必要ならば、粉砕する粉末の混合物に重量で10%までの潤滑剤を添加するこ
とができる。そのような潤滑剤には、例えば、炭素、窒化ホウ素、Al23など
が挙げられる。
【0032】 本発明の改良された方法は、NiまたはMg基の水素吸蔵合金の製造に特によ
く適合する。
【0033】 Ni基合金では、 a1) Niと、Be、Li、Mg、Laからなる群より選択されるもう1
つの金属からなる二元合金、または、 a2) Niと、Be、Li、Mg、Laからなる群より選択される少なく
とももう1つの金属と、Al、Co、Cu、Fe、Pd、Zn、Ti、V、Cr
、Mn、Zr、Nb、Caからなる群より選択される少なくともさらにもう1つ
の金属からなる金属間合金、 に適合され得る。
【0034】 本発明による方法は、Mnが添加され得るFeとTiのナノ結晶合金、または
、 式: (M1-xx) で示され、ここで、 Mは、MgまたはBe、またはこれらの組み合わせであり、 Aは、Li、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn
、Al、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、O、Si、B、C、Fからなる群
より選択される少なくとも1つの元素であり、 xは、0〜0.3の範囲の数である、 ナノ結晶二元合金の製造のために使用することができる。
【0035】 必要ならば、強力な機械粉砕が完了し粒径が100nm未満のクリスタリット
の形態で所望の合金が得られてから、このクリスタリットに所定量の水素解離触
媒の粉末を添加することができ、得られた混合物には、このクリスタリットに水
素解離触媒のクラスターを付着させるためにさらに粉砕を施すことができる。そ
のような触媒としては、例えば、Pd、Pt、Ir、Rhなどを使用できる。
【0036】 既に上述したように、金属粉末の混合物に強力な機械粉砕を施すと同時にこの
金属粉末の混合物を加熱しても、得られる合金のナノ結晶構造には何の影響も見
られなかった。また、この方法によって、25時間を上まわり通常50〜120
時間の範囲にある粉砕時間が、10時間未満、好ましくは8時間以下、より好ま
しくは5時間以下に実質的に短縮されることも見出されている。さらに、この方
法によって、合金の歪みや内部欠陥(internal defect)が実質
的に低減され、それによって、より高い効率(明確なプラトーや高い貯蔵能力)
の合金が得られることも見出された。
【0037】 図1に示されるように、異なる金属の粉末(黒と白で示される)を機械粉砕す
ることによって、層状構造が形成される。粉砕と同時に加熱すると、これらの金
属が相互拡散し(点線で示される)、得られる合金の形成が実質的に促進される
【0038】 本発明による方法の利点、効果を示すために、例示的な合金としてMg2Ni
合金を使用して、比較実験を実施した。
【0039】 (比較例) 60mlの容器を備える高エネルギーのボールミル装置SPEX(登録商標)
8000で、モル比が2:1のMgとNiの混合物7gに強力な機械粉砕を施し
た。3個の鋼鉄製ボール(7/16インチ径 2個、9/16インチ径 1個)
を使用した。粉砕は、周囲温度、周囲圧力の窒素雰囲気で150時間まで実施し
た。このようにして得られたMg2Niクリスタリットは、粒径が10〜15n
mの範囲であった。
【0040】 図2に与えられたX線回折スペクトルから示されるように、Mg2Niは、6
0時間後に形成された。120時間後、合金の形成は完了した。
【0041】 図3には、このようにして製造されたMg2Ni合金の、300℃、12バー
ル(約170PSI)での水素吸収速度が示される。
【0042】 (実施例1) 上述した比較例と同様に、同じ高エネルギーのボールミル装置SPEX(登録
商標)8000で、同じ種類の容器と鋼鉄製ボールを使用して、モル比が2:1
のMgとNiの混合物7gに強力な機械粉砕を施した。唯一の違いは、ボールミ
ル装置のゴム製Oリングを銅製Oリングに替え、容器に巻き付けた電気的発熱体
によって粉砕処理中に容器を加熱したことである。
【0043】 この具体的な実施例では、発熱体で加熱しながら5時間、粉砕を実施した。加
熱、粉砕開始5分間後に温度は150℃になった。10分間後に240℃になっ
た。30分間後に温度は270℃になり、加熱、粉砕処理が熱的平衡に達したた
め290℃で維持された。
【0044】 このような高温で5時間粉砕した後に容器に含まれていた混合物のX線回折ス
ペクトルを、図4に示す。図に見られるように、このスペクトルは、周囲の温度
で60時間粉砕した後に得られたスペクトル(図2参照)に、ほぼ一致する。
【0045】 このようにして得られたMg2Niクリスタリットの粒径は70〜80nmで
あった。これは、周囲の温度で得られたものより大きいが、それでも依然として
構造上はナノ結晶、すなわち100nm未満であった。
【0046】 従って、この実施例から、高温で粉砕処理を実施すると、同じ粉砕を周囲の温
度で実施する場合に比較して約10倍速くナノ結晶合金が得られることが示され
る。しかも、粉砕過程で焼鈍効果が既に得られているので、焼鈍を引き続いて行
う必要がない。
【0047】 (実施例2) ナノ結晶Mg2Ni合金の別の試料を、実施例1と同じ量の金属、同じ処理条
件、同じ装置を使用して製造した。
【0048】 唯一の違いは、出発物質として使用する粉末混合物に、潤滑剤として重量で5
%の炭素を含ませたことと、平均粉砕温度を200℃(290℃の代わり)にし
たことである。
【0049】 以下の表に、強力な粉砕(grinding(milling))を3時間と
8時間行った後のそれぞれのクリスタリット径、歪み、相含有量(phase
abundance)を示す。
【0050】
【表1】
【0051】 図5、図6には、粉砕を200℃で8時間施して得られたMg2Ni合金の、
水素を3回吸収後、4回吸収後の水素吸収速度がそれぞれ示される。これらの吸
収速度は、12バールで、図5では300℃、図6では200℃で測定された。
従って、図5に示される吸収速度は、比較例(図3参照)に使用したのと同じ条
件で得られた。
【0052】 図から理解されるように、本発明に従ってすなわち高温の粉砕で製造した合金
の吸収速度は、周囲の温度で粉砕して製造した合金の吸収速度より、かなり速く
なっている。
【0053】 図7は、200℃で8時間粉砕した上記の合金で得られた圧力−組成等温線を
示す曲線である。この図から理解されるように、この曲線は、周囲の温度での強
力な機械粉砕により得られたナノ結晶合金を引き続き焼鈍して得られたものと同
様に、吸収、脱着のいずれでもプラトーの形成を明確に示している(比較として
、ザルスキ(L.ZALUSKI)等による上述の論文、合金と化合物誌、第2
22巻、1995年、第53〜57頁(Journal of Alloys
and Compounds,222(1995)53−57)参照)。従って
、本発明による方法によって、水素吸蔵ナノ結晶合金が製造されるだけでなく、
同時にこの合金が活性化される。
【0054】 製造する合金の種類やそのような合金に必要とされる特性に応じて本発明を実
施する方法は、当然、多数の変形を行うことができるであろう。そのような変形
は、当業者には明らかであり、特許請求の範囲から逸脱するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 金属粉末の混合物に高温で強力な機械粉砕を施すと生じる合金化過程の概略図
【図2】 モル比が2:1のMgとNiの混合物に強力な機械粉砕を室温で15、60、
120、150時間施した場合のそれぞれの混合物のX線回折スペクトルを示す
図。
【図3】 強力な機械粉砕を室温で150時間施して製造したナノ結晶Mg2Ni合金の
、水素を1回吸収後の、300℃、12バールでの水素吸収速度を示す曲線。
【図4】 モル比が2:1のMgとNiの混合物に強力な機械粉砕を約290℃で5時間
施した場合の混合物のX線回折スペクトルを示す図。
【図5】 強力な機械粉砕を約200℃で8時間施して製造したナノ結晶Mg2Ni合金
の、水素を3回吸収後の、300℃、12バールでの水素吸収速度を示す、図3
と同様の曲線。
【図6】 図5と同じ合金の、水素を4回吸収後の、200℃、12バールでの水素吸収
速度を示す、同様の曲線。
【図7】 図5、図6で示した試験に使用された合金の300℃での圧力−組成等温線を
示す曲線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウオト,ジャック カナダ,ケベック,セイント−ジュリ,デ オウト−ボワ 104,アパルトマン 404 Fターム(参考) 4K018 BA03 BA04 BA07 BA16 BB04 BC16 BD07

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも2つの金属からなる合金のナノ結晶粉末を製造する
    方法であって、前記ナノ結晶粉末は、粒径が100nm未満のクリスタリットか
    らなり、前記方法は、所望の合金が得られるような量の、前記少なくとも2つの
    金属のうちの1つの金属の粉末と少なくとも1つの他の金属の粉末との混合物に
    、強力な機械粉砕を施すことを含み、前記強力な機械粉砕は、大気圧の不活性雰
    囲気で、前記クリスタリットが形成されその粒径が所望の値に低減されるのに十
    分な処理時間で、実施され、さらに、 前記強力な機械粉砕は、約100〜約400℃の範囲の高温で実施され、それ
    によって、周囲の温度で機械粉砕処理を行うのに比較して、前記処理時間が約1
    桁実質的に短縮されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 前記強力な機械粉砕は、約150〜約300℃の範囲の高温で
    実施されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記合金は、 a) Niと少なくとも1つの他の金属からなる合金、 b) Mgと少なくとも1つの他の金属からなる合金、 c) FeとTiからなる合金、 d) FeとTiとMnからなる合金、 からなる群より選択されることを特徴とする請求項1または2記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記合金は、 a1) Niと、Be、Li、Mg、Laからなる群より選択されるもう1
    つの金属からなる二元合金、 a2) Niと、Be、Li、Mg、Laからなる群より選択される少なく
    とももう1つの金属と、Al、Co、Cu、Fe、Pd、Zn、Ti、V、Cr
    、Mn、Zr、Nb、Caからなる群より選択される少なくともさらにもう1つ
    の金属からなる金属間合金、 b1) 式: (M1-xx) で示され、ここで、 Mは、MgまたはBe、またはこれらの組み合わせであり、 Aは、Li、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、
    Zn、Al、Y、Zr、Nb、Mo、In、Sn、O、Si、B、C、Fからな
    る群より選択される少なくとも1つの元素であり、 xは、0〜0.3の範囲の数である、二元合金、 c1) FeとTiからなる二元合金、 d1) FeとTiとMnからなる三元合金、 からなる群より選択される水素吸蔵合金であることを特徴とする請求項1また
    は2記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記合金は、Mg2Niであることを特徴とする請求項4記載
    の方法。
  6. 【請求項6】 前記強力な機械粉砕が完了し粒径が100nm未満のクリスタ
    リットの形態で所望の合金が得られてから、前記クリスタリットに所定量の水素
    解離触媒物質の粉末を添加し、得られた混合物に、前記クリスタリットに水素解
    離触媒物質のクラスターを付着させるためにさらに粉砕を施すことを特徴とする
    請求項4または5記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記水素解離触媒物質は、Pd、Pt、Ir、Rhからなる群
    より選択されることを特徴とする請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記強力な機械粉砕は、高エネルギーのボールミル装置で潤滑
    剤を添加して実施されることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の方法
  9. 【請求項9】 前記潤滑剤は、黒鉛、窒化ホウ素、Al23からなる群より選
    択されることを特徴とする請求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記潤滑剤は、黒鉛であることを特徴とする請求項9記載の
    方法。
  11. 【請求項11】 前記処理時間は、8時間以下であることを特徴とする請求項
    1〜10のいずれかに記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記処理時間は、5時間以下であることを特徴とする請求項
    11記載の方法。
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