JP2008038209A - 機能部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来方法では製造できなかった機能部材を得ることができる機能部材の製造方法を提供する。
【解決手段】母材に機能を付加する機能性添加材が偏析のない状態で含有された機能部材を製造する機能部材の製造方法において、前記母材又は当該母材を主成分とする材料に機能性添加材を添加した原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給し、蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化する際に冷却速度を制御することにより均質な機能性微粒子を得る工程と、この機能性微粒子と前記母材の微粒子とを原料として用いて圧縮成形や焼結などで固化して機能部材を得る工程とを具備する。
【選択図】なし
【解決手段】母材に機能を付加する機能性添加材が偏析のない状態で含有された機能部材を製造する機能部材の製造方法において、前記母材又は当該母材を主成分とする材料に機能性添加材を添加した原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給し、蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化する際に冷却速度を制御することにより均質な機能性微粒子を得る工程と、この機能性微粒子と前記母材の微粒子とを原料として用いて圧縮成形や焼結などで固化して機能部材を得る工程とを具備する。
【選択図】なし
Description
本発明は、母材に機能性添加材を均質な状態で添加した材料を所定形状に成形する機能部材の製造方法に関し、機能性添加材をより多く且つ均質に添加できるように工夫したものである。
従来、金属粉末を製造する方法として、溶融材料の流れに高圧の水ジェットを噴射して金属粉末を得る水アトマイズ法、この水アトマイズ法の水ジェットに変えてＮ２ガスやＡｒガスを噴霧するガスアトマイズ法、高速回転する回転ドラム内の冷却水中に溶融材料ジェットを噴射させる遠心法がある。また、ミルなどを用いた機械的粉砕などのブレークダウン法によっても、更には沈殿法やゾルゲル法などのビルドアップ法によっても微粒子は製造される。
しかしながら、水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、高圧の冷却水や冷却ガスの流れによって溶融材料を粉末状にするので、ノズルの構造が複雑になると共に、ノズルに負担がかかり耐久性に劣っていた。一方、遠心法では、回転ドラムを高速回転させることから装置の構造が複雑になる。しかも、これら製造方法は、いずれも溶融材料と冷却材との速度差による剪断力を利用して粉砕するため、微粒化にばらつきが生じ、歩留まりが悪くなる。また、機械的粉砕などによるブレークダウン法では、大きな粒子、例えば１００μｍ程度のものまでしかできず、沈殿法などのビルドアップ法では１μｍ程度までの微粒子でそれよりも大きな粒子は得られなかった。したがって、従来の微粒子製造方法並びに装置では、数μｍから１０μｍオーダー、特に３μｍ程度の大きさの微粒子を得ることが困難であった。更に、ブレークダウン法によると、微粒化できずに大きな固まりとして残る割合が多いので、歩留まりが悪くなる。しかも、粒径分布が分散して、所望とする径の微粒子が大量に得られないという問題がある。
一方、従来の非晶質金属の製造方法としては液体急冷法が知られている。この方法は溶融させて液体となった金属を冷媒中に噴出させること等により溶融材料を冷却凝固させて非晶質金属を製造するものであるが、この中で冷却速度を比較的大きくできる遠心法によっても、通常の沸騰冷却若しくは対流冷却による熱伝達では溶融材料と冷媒との２液間の熱流速が最大でも限界熱流束に限定されてしまうので、冷却速度は１０４〜１０５Ｋ／ｓが限界となり、非晶質化できる金属が限定されてしまうという問題がある。
そこで、本出願人は先に、微粒化又は非晶質化させる原料を溶融した溶融材料を液体冷媒中に小さい速度差で供給して自発核生成による沸騰を起こさせ、その圧力波を利用して溶融材料を微粒化及び非晶質化する製法を出願した（特許文献１、特許文献２参照）。
また、本出願人は、液体冷媒に供給された溶融材料の周囲に形成される蒸気膜を強制的に崩壊させることにより蒸気爆発を促進して、溶融材料を微粒化及び非晶質化する製法を出願した（特許文献３参照）。
このような微粒子の製造方法を用いると、従来では微粒子化又は非晶質化できなかった溶融材料を用いて非晶質微粒子を得ることができ、この微粒子をメカニカルアロイング（合金化）、焼結、ＨＩＰ（熱間等方圧加工法）、ＣＩＰ（冷間等方圧加工法）、ホットプレスなどを用いてバルク形状を製造することができるとしていた。
一方、例えば、金属材料に所望の機能を付加するために所定の元素を添加して機能性材料とする試みは数多く行われている。このような機能性材料に求められるのは、添加元素が偏析せずに含有される均質な状態であるが、材料の組み合わせにより偏析のない状態で所定の元素を添加するには限界があるという問題がある。
例えば、質量数１０のホウ素Ｂ１０を添加したステンレスからなる中性子吸収材が知られている。このような材料ではホウ素Ｂ１０が中性子を吸収するからできるだけ多くのホウ素Ｂ１０を添加するのが好ましいが、ステンレス中に均質にホウ素を添加する限界は２．２重量％程度である。よって、従来においては、質量数１１のホウ素Ｂ１１を８０％程度含有する天然のホウ素からホウ素Ｂ１０を濃縮した後、ステンレスに添加してホウ素Ｂ１０が２．２重量％以下の中性子吸収材が用いられており、これが限界とされている。
また、鉛フリー半田についても多くの組成が提案されているが、均質な組成が得られにくいために、使用時に均質な溶解温度を得られないという課題があった。
このような本出願人が出願した微粒子の製造方法を適用して従来方法では製造できなかった機能部材を得ることができる機能部材の製造方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために検討を重ねた結果、本出願人が先に出願した微粒子の製造方法を所定の条件下で用いれば、母材に機能性添加材を所望の添加量で含有させることができることを知見し、本発明を完成させた。
かかる本発明の第１の態様は、母材に機能を付加する機能性添加材が偏析のない状態で含有された機能部材を製造する機能部材の製造方法において、前記母材又は当該母材を主成分とする材料に機能性添加材を添加した原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給し、蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化する際に冷却速度を制御することにより均質な機能性微粒子を得る工程と、この機能性微粒子と前記母材の微粒子とを原料として用いて圧縮成形や焼結などで固化して機能部材を得る工程とを具備することを特徴とする機能部材の製造方法にある。
かかる第１の態様では、母材に機能性添加材を添加した原料から均質な機能性微粒子を得て、これを母材と混合して圧縮成形や焼結などにより固化し、均質な機能部材を得ることができる。
本発明の第２の態様では、第１の態様に記載の機能部材の製造方法において、前記機能性微粒子の平均粒径が、１〜１００μｍであることを特徴とする機能部材の製造方法にある。
かかる第２の態様では、平均粒径が１〜１００μｍの均質な機能性微粒子を形成することにより、圧縮成形や焼結などにより固化し、機能部材が確実に均質なものとなる。
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の機能部材の製造方法において、前記機能性微粒子は、偏析のない多結晶又は非晶質であることを特徴とする機能部材の製造方法にある。
かかる第３の態様では、偏析のない多結晶又は非晶質の機能性微粒子とすることにより、各機能性微粒子が均質となり、結果的に圧縮成形や焼結などにより固化した機能部材が均質なものとなる。
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の機能部材の製造方法において、前記母材と前記機能性添加材とは全率固溶しない材料であることを特徴とする機能部材の製造方法にある。
かかる第４の態様では、共融点の近傍の組成で蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより、均質な機能性微粒子を比較的容易に得ることができる。
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様に記載の機能部材の製造方法において、前記母材が金属であり、前記機能性添加材が金属又は非金属であることを特徴とする機能部材の製造方法にある。
かかる第５の態様では、母材である金属中に金属又は非金属の機能性添加材が均質に存在する機能性微粒子を得ることができる。
本発明の機能性微粒子を得る工程では、上述した特許文献１〜３に開示された微粒子の製造方法を応用すればよいが、本発明でポイントとなるのは、母材又は当該母材を主成分とする材料と、所望の機能性添加材とを混合した原料を溶融した溶融材料を用いる点と、これらの母材及び機能性添加材との組み合わせに最適な冷却速度を設定して微粒化することにより、均質な機能性微粒子を得ることである。ここで、均質とは、機能性材料が偏析せず、均一に母材に含有されている状態をいい、結晶粒が偏析せずに均一に分散している多結晶でもよいし、非晶質であってもよい。
また、本発明においてこのような偏析のない均質な微粒子を得るためには、機能性添加材と母材との組み合わせが重要であり、母材と機能性添加材とは全率固溶しない材料、すなわち、共融点（共晶点ともいう）を有する材料であるのが好ましい。このような材料の組み合わせであれば、共融点近傍の組成で母材と機能性添加材とを混合し、所定の冷却速度により微粒化することで、比較的容易に均質な機能性微粒子を得ることができるからである。
ここで、母材及び機能性添加材とは、目的とする機能部材に応じて選定されるが、後の工程で両材料を粉末同士で混合して圧縮成形、焼結することから、母材が金属であり、機能性添加材が金属又は非金属であるのが好ましい。均質な機能部材を比較的容易に得ることができるからである。
また、このような機能性微粒子は、均質な機能部材を得るためには所定の粒径とするのが好ましく、例えば、平均粒径が、１〜１００μｍであるのが好ましい。これより大きいと、母材又は母材を含む材料の微粒子との混合において均一に混合されない虞があり、一方、これより小さいと、取り扱いが困難となるからである。また、機能性微粒子の粒径は、母材又は母材を含む材料の粒径に近いのが好ましい。これは両粉末の混合を均一に行うためである。
ここで、本発明においては母材と機能性添加材とからなり、機能性添加材が母材中に均質に存在する機能性微粒子を、母材又は母材を主成分とする材料に混合し、圧縮成形や焼結などにより固化するが、混合する際に、機能性微粒子と母材の微粒子とが非常に近い性質を有しているため、容易に均一に混合され、圧縮成形や焼結などにより固化した機能部材中には機能性添加材が均質に存在することとなる。なお、母材を主成分とする材料とは、母材を５０重量％以上含有する材料であり、残りは他の成分となる。また、母材と他の成分とはそれぞれが粉末状態で混合されていてもよいし、又は両者が混合された若しくは合金となった状態で粉末となっていてもよい。なお、母材又は母材を主成分とする材料も、機能性添加材と均一に混合し易くするために、機能性微粒子と同等の粒径を有しているのが好ましい。
また、本発明において固化とは、粉末状体を維持したまま、すなわち、溶解させないで粉末同士を直接密着させ、もしくはバインダーを介して密着させてバルク材を形成することをいい、例えば、圧縮成形、焼結、あるいは圧縮成形して焼結することであり、さらには、メカニカルアロイング、バインダーを用いた固定も含むものである。
ここで、本発明の機能性部材として、ホウ素Ｂ１０を含有するステンレス合金からなる中性子吸収材を一例として説明する。
この場合、母材がステンレス合金であり、機能性添加材がホウ素であり、機能性微粒子は、質量数１０のホウ素Ｂ１０が添加されたステンレス合金の微粒子となる。
従来、上述したとおり、質量数１１のホウ素Ｂ１１を８０％程度含有する天然のホウ素からホウ素Ｂ１０を濃縮した後、ステンレスに添加してホウ素Ｂ１０を１％程度含有する中性子吸収材が用いられており、これが限界とされている。ここで、中性子吸収材を、例えば、使用済み核燃料のプールのラックに用いる場合、中性子吸収性能が高ければ高いほど安全性が向上し、また、同じ安全性を確保することを条件とすると、中性子吸収性能が高い材料を用いれば小型化、薄肉化が可能となるので、中性子吸収性能が向上した中性子吸収材が望まれている。なお、従来技術においてホウ素を限界以上に添加しても、偏析してしまうので、脆くなり圧延などの加工が困難で、且つＢ１０が偏在するため部材中で均一な中性子吸収性能が得らず、安全性が低下する。
ここで、母材としてのステンレス合金は、従来の中性子吸収材として用いられているステンレス合金を用いればよく、例えば、ＳＵＳ３０４（Ｌ）、ＳＵＳ３１６（Ｌ）などを挙げることができる。
一方、機能性添加材のホウ素は、質量数１０のホウ素Ｂ１０及び質量数１１のホウ素Ｂ１１を含む天然に存在するホウ素でもよいし、天然に存在するホウ素からホウ素Ｂ１０を濃縮してホウ素Ｂ１０の濃度を高めたものでもよく、ほとんどがホウ素Ｂ１０であってもよい。
ここで、機能性微粒子は、ホウ素及びステンレス合金を含む原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給して蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化することにより得た均質な微粒子である。また、この場合、ホウ素は均質に存在するだけでなく、均質に固溶し、粒子全体が非晶質状態で存在することとなる。
このような機能性微粒子と、ステンレス合金の微粒子とを原料として両者を均一に混合し、圧縮成形や焼結などにより固化して機能部材とする。ここで、ステンレス合金中にホウ素が均質に存在する微粒子をステンレス合金の微粒子と混合するので、結果的にホウ素が均質に存在することとなり、偏析状態とはならず、例えば、従来において上限の２．２重量％を越えて、好ましくは４重量％以上、さらに好ましくは５重量％以上のホウ素を含有させることができ、ホウ素として１１重量％まで含有させることが可能である。また、粉末状態で圧縮成形、焼結するだけなので、ホウ素は非晶質状態のまま機能部材中に存在することとなる。
このように本発明によると、天然由来のホウ素をそのまま、又は低濃縮で使用したとしても、１０〜１１重量％含有させると、ホウ素Ｂ１０を２．２重量％を越えて含有させることになり、従来と同程度の中性子吸収性能を有するものとすることができる。この場合、従来と比較すると、ホウ素Ｂ１０を濃縮する必要がないので、低コスト化を図ることができるという利点がある。
一方、従来と同様にホウ素Ｂ１０を濃縮したものを使用すると、ホウ素Ｂ１０を偏析がない状態で高濃度、例えば、２重量％〜１１重量％程度含有させることができるので、従来にはない中性子吸収性能を有する中性子吸収材とすることができる。この場合、例えば、使用済み核燃料のプールのラックに用いる場合、安全性を著しく向上させることができ、また、同じ安全性を確保することを条件とすると、ラックの小型化、薄肉化が可能となるので著しい省スペース化を図ることができるという利点がある。
（実施例）
母材としてのＳＵＳ３０４（Ｆｅ７４Ｃｒ１８Ｎｉ８）とＦｅ−Ｂとをホウ素が４重量％となるように溶融混合し（Ｆｅ７７Ｃｒ１３Ｎｉ６Ｂ４）、この溶融原料をノズルから、流量０．８ｋｇ／ｍｉｎで、水流（水温４℃、流量１１０Ｌ／ｍｉｎ）中に滴下し、急冷・微粒化した。
母材としてのＳＵＳ３０４（Ｆｅ７４Ｃｒ１８Ｎｉ８）とＦｅ−Ｂとをホウ素が４重量％となるように溶融混合し（Ｆｅ７７Ｃｒ１３Ｎｉ６Ｂ４）、この溶融原料をノズルから、流量０．８ｋｇ／ｍｉｎで、水流（水温４℃、流量１１０Ｌ／ｍｉｎ）中に滴下し、急冷・微粒化した。
得られた機能性微粒子は異形であるが、日機装社マイクロトラックにて計測した粒径Ｄ５０は約３０μｍであった。なお、出湯後の坩堝を確認し、全量出湯していることから、機能性微粒子の組成はＦｅ７７Ｃｒ１３Ｎｉ６Ｂ４となる。
また、同様に、ＳＵＳ３０４と、Ｆｅ−Ｂとを、ホウ素がそれぞれ１重量％、２．５重量％、５．５重量％、７重量％となるように混合し、同様に機能性微粒子を得た。
これらの機能性微粒子のＸ線回折結果を図１に示す。また、図１には、ホウ素を７重量％含有する機能性微粒子を１０００℃で２時間アニールした後のＸ線回折結果を併せて示した。
この結果、各機能性微粒子中のホウ素は非晶質状態であることがわかった。なお、１重量％と７重量％の機能性微粒子ではα−Ｆｅのピークが多少検出されるが、４重量％では全く検出されないことから、４重量％にて最も非晶質化し易い傾向にあり、１重量％及び７重量％では多少の結晶性が見られるとも判断できる。しかしながら、７重量％の機能性微粒子をアニールした後にはα−Ｆｅが大きくなったというＸ線回折結果と併せて判断すると、１重量％及び７重量％の機能性微粒子でもホウ素は非晶質であることがわかる。また、これらのＸ線回折結果から粒径が小さいために結晶が非晶質と観測されたものではないことが明らかとなった。
なお、示唆熱分析とＸ線回折の結果、α相のＦｅが初晶として析出し、さらに高温でアニールすると、Ｆｅ２Ｂなどのピークが現れることがわかっており、上述したＸ線回折結果にはＦｅ−Ｂのピークが出ていないので、ホウ素は非晶質状態で存在していると判断できる。
各実施例で得た機能性微粒子はＳＵＳ微粒子と類似の性質を有していることから、ＳＵＳ微粒子と均質に混合することができるので、粉末状態で混合し、圧縮成形や焼結などにより固化することにより、非晶質状態のホウ素を均質に含有するＳＵＳ合金の中性子吸収材を得ることができる。この際、ホウ素を従来以上高濃度に均質に含有させることができるので、従来と同様に濃縮したホウ素Ｂ１０を用いると、従来より高濃度にホウ素Ｂ１０を均質に含有する中性子吸収材を得ることができ、また、天然由来のホウ素をそのまま使用しても、本手法により高濃度に偏析無く固溶させることができる。例えばホウ素Ｂ１０は天然存在比１８〜１９重量％として得られるが、１０〜１１重量％を偏析無く溶解させることにより、Ｂ１０が２．２重量％を越えて存在する材料を製造できるため、濃縮するコストを削減できる利点がある。
本発明は、例えば、金属材料に所望の機能を付加するために所定の元素を添加する際に、添加元素が偏析せずに含有される均質な状態である機能部材を得るための種々の製造方法に応用でき、従来、材料の組み合わせにより偏析のない状態で所定の元素を添加するには限界があるとされている組み合わせにおいて、従来以上の添加を可能とするものである。
Claims (5)
- 母材に機能を付加する機能性添加材が偏析のない状態で含有された機能部材を製造する機能部材の製造方法において、
前記母材又は当該母材を主成分とする材料に機能性添加材を添加した原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に供給し、蒸気爆発により微粒化すると共に冷却固化する際に冷却速度を制御することにより均質な機能性微粒子を得る工程と、この機能性微粒子と前記母材の微粒子とを原料として用いて固化して機能部材を得る工程とを具備することを特徴とする機能部材の製造方法。 - 請求項１に記載の機能部材の製造方法において、前記機能性微粒子の平均粒径が、１〜１００μｍであることを特徴とする機能部材の製造方法。
- 請求項１又は２に記載の機能部材の製造方法において、前記機能性微粒子は、偏析のない多結晶又は非晶質であることを特徴とする機能部材の製造方法。
- 請求項１〜３の何れかに記載の機能部材の製造方法において、前記母材と前記機能性添加材とは全率固溶しない材料であることを特徴とする機能部材の製造方法。
- 請求項１〜４の何れかに記載の機能部材の製造方法において、前記母材が金属であり、前記機能性添加材が金属又は非金属であることを特徴とする機能部材の製造方法。
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