JP2016128605A - 合金の溶融方法 - Google Patents

Abstract

【課題】融点差の大きい元素を溶融する際の蒸発損失を低減する合金の製造方法の提供。【解決手段】少なくとも二つの金属を含む金属合金製造法において、坩堝内に第一の金属又は第一の金属合金の固体物を供給するステップと、前記坩堝内の前記固体物上に第ニの金属を加えるステップと、前記第ニの金属を溶融するステップにおいて、前記第ニの金属の融点が前記第一の金属合金の融点より高く、かつ少なくとも前記第ニの金属の前期溶融が真空下で行われることにより、高純度で蒸発損失が低い金属合金を得ることを可能にし、特にリサイクル金属のような汚染された出発成分の使用を可能にする合金の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、金属合金の製造方法に関する。

金属合金の製造は、出発成分の融点の差が大きい場合、非常に困難である。このような場合には、一方の成分を溶融するのに必要な温度を設定すると、低融点の方の出発成分が気化する可能性がある。

従来技術として、低融点材料の溶融液中に高融点材料の固体物を導入する方法が知られている。当該方法では、高融点材料は徐々に溶融液に吸収される。本プロセスは非常に時間を要するためコストが高くなる。さらに、低融点材料は高温で長時間保持されるため、蒸発が促進される。

別の製造方法として、合金化する金属粉末の同時圧縮成形後に、焼結する方法が知られている。本方法は、粉砕工程および焼結のために必要なエネルギーの面より不利である。

DE69216171T2には、酸化カルシウムセラミック製坩堝内での溶融プロセスにおける合金への酸素の取り込みが最小限になるような、アルミニウム化チタン合金の溶融方法が記載されている。酸素の取り込みを最小限にするために、合金にニオブが添加される。そこに記載された方法では、特に、アルミニウムとニオブとが最初に溶融するような条件とされている。続いて、チタンが溶融液に加えられる。また、固体の出発金属が坩堝内に供給される別の方法が記載されている。この方法では、固体のチタンが他の成分に加えられる。このようにして、チタンが最後の成分として溶融し、その結果、セラミック製坩堝にさらされる時間が非常に短い時間になるという効果が得られる。バッチは、誘導加熱、プラズマ加熱、アーク加熱、抵抗加熱のような従来の方法により加熱される。上記文献に記載された方法は、大気圧下で、そして任意にアルゴンのような保護ガス雰囲気下で行われる。大気圧下でのチタンの融点は約1660℃で、アルミニウムの融点はわずか660℃である。したがって、アルミニウムが先に溶融する。一方、アルミニウムは2470℃で沸点に達する。したがって、ここでは低融点金属の蒸発の問題は生じない。上記のように製造された合金中の酸素含有量は、400ppmを優に超える。

独国特許第69216171号明細書

酸素含有量を低減すると合金の延性を向上できる。本発明によれば、合金を真空下で溶融することにより、低い酸素含有量を達成し得る。しかしながら、真空下で、大きく融点が異なる金属を処理することは、非常に困難である。当然のことながら、真空下では、物質の沸点は、融点よりも減少する。したがって、低融点金属の沸点が、合金を製造するために必要な溶融温度に近くなる。この影響は、圧力が小さくなるほど大きい。したがって、合金の製造において、圧力が小さくなるとともに、蒸発損失が増加する。同時に、揮発性の不純物に対する純度が高くなり、酸素含有量が全体として減少する。

注目すべき利点は、真空溶融法では、不純物を含む原材料でも使用し得ることである。不純物は、最終的に、真空により、溶融液より除去される。

したがって、本発明の目的は、融点の差が大きい少なくとも二つの金属を含む金属合金の製造を可能にする方法を提供することである。本方法によれば、汚染された出発成分（例えばリサイクル金属）の使用を可能にし、蒸発損失が低い状態で、高純度の金属合金を得ることができる。

この目的は、本発明により達成される。

本発明による方法は、特に、母合金として用いられる金属合金の製造方法である。合金は、出発成分として、少なくとも二つの金属を含む。本方法は以下のステップを含む。
ａ 坩堝内に第一の金属または第一の金属合金の固体物を供給する
ｂ 坩堝内の固体物上に第二の金属を加える
ｃ 第二の金属を溶融する
ここで、第二の金属の融点は、第一の金属または第一の金属の融点よりも高いこと、および少なくとも第二の金属の溶融は真空下で行われることを特徴とする。所望の合金を得るために、固体物は再溶融される。しかし、第一の金属または第一の金属合金が溶融状態である時間は比較的短時間であるため、蒸発損失は著しく低減する。固体物を供給するステップでは、ニ以上の固体物を供給し得る。

通常、第二の金属の密度は第一の金属の密度よりも大きいため、第一の金属は固体物として供給される。第二の金属が第一の金属の溶融液に添加された場合には、第二の金属は沈降し、本発明の目的は達成し得ない。

好ましくは、金属合金は真空下で溶融される。真空は、1bar未満、好ましくは100mbar未満、より好ましくは10mbar未満、より好ましくは1mbar未満、特に好ましくは0.01mbar未満の絶対圧力を意味する。もちろん、本方法は他の圧力を適用することも可能である。本発明は、蒸発の問題を重視するので、特に真空下で行うことが有効である。

好ましくは、熱は上部から供給される。熱供給は、好ましくは電子ビームガンにより行われる。他の熱供給源も使用できるが、特に上部からの熱供給が可能であるものとして、電子ガンは、第二の金属が固体物上に載置される場合に、第二の金属に対する電子ビームの集束性が良好である点で有利である。

上部からの熱供給により、第一の金属または第一の金属合金上に載置された第二の金属は、より強く加熱される。すなわち、第二の金属は、その下部に置かれた第一の金属よりも早く溶融に必要な高温に達する。したがって、第一の金属または第一の金属合金の蒸発が抑制される。特に好ましい実施形態では、固体物は冷却される。

熱の下方への放散が特に大きいと、蒸発の抑制がより顕著である。このため、溶融プロセスは、セラミック製坩堝ではなく、高い熱伝導率を有する坩堝内で行われることが望ましい。好ましくは、グラファイト製坩堝、または金属性坩堝、特に銅製坩堝が用いられる。坩堝の熱伝導率は、好ましくは40 W/(m*K)以上、さらに好ましくは100 W/(m*K)以上、より好ましくは200 W/(m*K)以上である。少なくとも坩堝の底、および特に坩堝の壁の少なくとも下部領域も、このような熱伝導率であることが好ましい。下方への熱放散をさらに促進させるために、坩堝の底および／または壁部は、水のような冷却手段により冷却され得る。

下方への熱の放散を促進させるために、好ましくは、第一の金属または第一の金属合金は坩堝内で溶融し再凝固が可能なように、固体物として供給される。他の方法として、第一の金属または第一の金属合金の溶融物を、溶融物を凝固させることができる坩堝中に流入し得る。坩堝中での第一の金属または第一の金属合金の溶融物の凝固により、固体物と坩堝の壁および底との間が特に密接に接触すると、熱伝導が促進される。熱伝導率の向上により、第一の金属の蒸発は、溶融プロセスの遅延によって特に低減される。

第一金属は、粒（granules）、ワイヤ、粒子（grains）、ペレット、チップ、またはこれらの混合物の形態で、坩堝内に予め供給し得る。第一の金属は、好ましくは、反応性金属、貴金属、またはアルミニウムである。特に好ましくは、反応性金属である。好ましい第一の金属は、アルミニウム、チタン、金、およびバナジウムである。第一の金属合金として、上記の第一の金属を含む合金、または上記の第一の金属から構成される合金を適用し得る。第一の金属または第一の合金金属の融点は、好ましくは1700℃未満、さらに好ましくは1200℃未満、より好ましくは800℃未満である。

第二の金属は、好ましくは固体の状態、特に、粒（granules）、粒子（grains）、ワイヤ、ペレット、チップ、またはこれらの混合物の形態で、加えられる。この第二の金属の少量の添加は比較的迅速な溶融を可能にし、さらに粗粒子状のバルク材料の熱伝導率は比較的低い。したがって、第二の金属の下部の第一の金属または第一の金属合金の急速すぎる加熱が、さらに遅延される。また、トータル処理時間が短縮され、第一の金属の蒸発速度が著しく低減される。有利な副次的効果として、当該第二の金属は、リサイクル処理から粒子の形態で回収されたものを使用し得ることが挙げられる。例えば、タンタルワイヤは、携帯電話のリサイクルで得られる。したがって、予備処理を不要とし得る。

第二の金属は、好ましくは、固体物の表面ができるだけ均一に覆われるように、固体物上に載置される。第一の金属または第一の金属合金の固体物は、好ましくは60%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは85%以上、最も好ましくは95%以上の範囲が覆われる。上記は、固体物の表面の被覆率である。望ましい実施形態では、固体物は完全に覆われる。

好ましくは、加える第二の金属として、平均粒径25mm以下の粒子を適用することが有利であることが実証されている。粒径は、より好ましくは15mm以下、より好ましくは10mm以下、さらに好ましくは5mm以下、最も好ましくは3mm以下である。粒径が大きすぎると、第二の金属の体積あたり比表面積が小さくなるので、溶融時間が長くなってしまう。粒径が小さすぎる場合も同様である。さらに、小さな粒子は帯電し易く、処理全体に悪影響を及ぼす。したがって、粒子の平均粒径は、200μm以下でないことが好ましく、さらに400μm以下でないことが好ましく、特に1mm以下でないことが好ましい。「粒子サイズ」は、光学顕微鏡により測定されるMartin径、すなわち、測定方向に平行な粒子の投影面積を二等分する線分の長さを意味する。

上述のように第二の金属の粒径が小さいと、第二の金属から第一の金属への熱伝導を低下させることが分かっている。本発明によれば、好ましくは、第二の金属への入熱は、特に電子ビームガンにより、上部から行われる。上部から下部への熱伝導は小さいため、第一の金属はかなり遅れて溶融し、蒸発が抑制される。

第二の金属は、好ましくは、反応性金属または高融点金属、すなわち、特にチタンの融点（1660℃）以上の融点を有する金属、特に2000℃以上の融点を有する金属である。したがって、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、およびタングステンが特に好ましく適用される。タンタル、ニオブ、およびチタンが特に好ましい。実施形態によっては、第一の金属としても、高融点金属を適用し得る。

金属または合金は、それぞれの融点の差が、好ましくは500℃以上、より好ましくは750℃以上、より好ましくは1000℃以上、特に好ましくは1200℃以上となるように選択される。第二の金属の方が、高い融点を有する。

また、二種類以上の金属を処理し得る。第三の金属やさらなる金属は、それらの融点に応じて、第一の金属とともに、または第二の金属とともに、あるいはその間の時点で、加えられる。好ましくは、本方法により、タンタルとアルミニウムの合金、タンタルとチタンの合金、またはニオブとチタンの合金が製造される。

所望の合金を製造するために、比率が調整される。通常、第一の金属または第一の合金金属の量が、第二の金属の量よりも、多く供給される。第一の金属に対する第二の金属の量は、好ましくは5wt.%以上、好ましくは10wt.%以上、より好ましくは20wt.%以上、特に好ましくは30wt.%以上である。当然、製造される合金の融点は、高い融点の金属の含有量に伴い上昇する。好ましくは、第二の金属の含有量は、製造される合金の融点が、第一の金属の沸点よりも1000K以上大きくなる値を超えないように設定される。第一の金属に対する第二の金属の割合は、好ましくは50wt.%以下、より好ましくは40wt.%以下である。製造される合金の組成は、さらに金属または他のドーパントを添加することにより調整し得る。製造される合金中の第一の金属または第一の金属合金と第二の金属との合計量は、好ましくは75wt.%以上、さらに好ましくは85wt.%以上、より好ましくは95wt.%以上、特に好ましくは99wt.%以上である。

一実施形態では、第一の金属または第一の金属合金の沸点は、第二の金属の融点よりも低い。本出願における用語「沸点」または「融点」は、標準条件（DIN1343準拠、すなわち圧力101325kPa）下でのそれぞれの材料特性を示す温度点を意味する。本出願における用語「金属」は、金属合金を含む。

本発明の方法によれば、低融点金属の蒸発損失を、一桁台前半のパーセンテージに低減することができる。第一の金属または第一の金属合金の蒸発損失は、第一の金属または第一の金属合金に対して、好ましくは5wt.%以下、より好ましくは3wt.%以下である。

本発明の方法によれば、酸素含有量が400ppm未満、好ましくは200ppm未満、特に好ましくは100ppm未満の合金を製造することができる。上記の効果は、リサイクル原料を使用しても達成することができる。

本発明の方法において、出発成分は、少なくとも製造される合金の融点に相当する温度まで、坩堝内で加熱される。

明細書から明らかなように、本発明の方法は、第一の金属または第一の金属合金の溶融、溶融物質からの合金の製造、および坩堝からの合金の取り出しを含む。

まず、粒状のアルミニウムが、ボタンメルト用坩堝（knob坩堝）に供給される。アルミニウム粒子は低パワーの電子ビームガンにより溶融され、ボタン状の塊（knob）が形成される。予想に反し、蒸発損失は非常に小さいものであり、具体的には3%未満であった。

得られたボタン状の塊（knob）は、冷却された坩堝の壁と非常に良好な接触を有し、それに応じて高い熱伝導率を有する。ボタン状の塊（knob）の表面は、タンタルのワイヤで覆われる。このバルクは、アルミニウムブロックと比較して、非常に熱伝導性が小さい。そのため、次の工程のタンタル層の加熱中に、アルミニウムブロックの溶融温度近傍まで加熱され、熱伝導によりアルミニウムが液化し、タンタル層と混合される。

驚くべきことに、本実施例の溶融方法によれば、アルミニウムの蒸発は1%未満であることが判明した。

Claims (10)

1. 少なくとも二つの金属を含む金属合金の製造方法であって、
   坩堝内に第一の金属または第一の金属合金の固体物を供給するステップと、
   前記坩堝内の前記固体物上に第二の金属を加えるステップと、
   前記第二の金属を溶融するステップと
   を含み、
   前記第二の金属の融点が前記第一の金属または前記第一の金属合金の融点よりも高く、
   かつ、少なくとも前記第二の金属の前記溶融が真空下で行われる
   ことを特徴とする金属合金の製造方法。
2. 前記固体物を供給するステップが、
   前記第一の金属または前記第一の金属合金を前記坩堝に導入するステップと、
   前記第一の金属または前記第一の金属合金を溶融するステップと、
   前記第一の金属または前記第一の金属合金の溶融物を、凝固させて前記固体物とするステップと
   を含むことを特徴とする請求項１記載の金属合金の製造方法。
3. 前記第二の金属が固体の状態で加えられることを特徴とする請求項１または２記載の金属合金の製造方法。
4. 前記第二の金属が粒、粒子、ワイヤ、ペレット、チップ、またはこれらの混合物の状態で加えられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。
5. 前記第二の金属が平均粒径25mm未満の状態で加えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。
6. 前記溶融が絶対圧力100mbar未満の真空下で行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。
7. 熱供給源として電子ビームガンが用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。
8. 前記坩堝は40W/(m*K)以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。
9. 前記第二の金属と前記第一の金属または前記第一の金属合金との前記融点の差が500℃以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。
10. 前記第一の金属または前記第一の金属合金の蒸発損失が5wt.%以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属合金の製造方法。