JP2016141840A - 低熱膨張率合金およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性を示さない金属材料であってゼロ熱膨張率または／および負の熱膨張率を有する低熱膨張率合金を提供すること。
【解決手段】斜方晶ＫＨｇ_２型またはＣｅＣｕ_２型の結晶構造で、ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ（０≦ｙ≦０．５）の化学組成で表される低熱膨張率合金、および斜方晶ＴｉＮｉＳｉ型構造で、ＹｂＰｄＡｌもしくはＹｂＰｄＧａの化学式で表される低熱膨張率合金、およびこれらの低熱膨張率合金。
【選択図】 図１

Description

本発明は、精密な位置制御を必要とする機器等に用いて好適な低熱膨張率合金に関し、特に非磁性の低熱膨張率合金およびその使用方法に関する。

熱膨張率がゼロまたは負になる物質は、精密な位置制御を必要とする機器の材料や、温度変化に対する耐性が必要な機器で需要があり、開発のための研究が行われている。多くの低熱膨張率材料は絶縁体酸化物やセラミックスであるため、構造用に使用する為には、金属と比較して加工性が悪いという課題があった。金属材料では、ニッケル合金などのインバー合金が知られているが、これらは磁性体であるため、例えば電子顕微鏡のように電子線を用いる分野では、利用が困難であるという課題があった。

他方で、Ｙｂ（イッテリビウム）は、希土類元素の一つで、ランタノイドにも属する元素であり、用途としてはガラスの着色剤、ＹＡＧレーザーの添加物などがある。Ｙｂ−Ｃｕ−Ｇａ、Ｙｂ−Ｐｄ−Ａｌ、 およびＹｂ−Ｐｄ−Ｇａの三元系化合物の物理的な性質に関しては、次の非特許文献が存在している。非特許文献１には、ＹｂＣｕＧａ、ＹｂＰｄＧａなどにおいて磁化率が２００Ｋ付近で極大を示し、Ｙｂの混合原子価状態の可能性が示唆されている。非特許文献２には、ＹｂＰｄＡｌがＴｉＮｉＳｉ型の構造を示し、磁化率が２００Ｋ付近で極大を示し、Ｙｂの混合原子価状態が示唆されている。非特許文献３には、ＹｂＣｕＧａがＣｅＣｕ_２型の構造を示し、磁化率とＸ線吸収の実験から、Ｙｂの価数が２価と３価の中間的な価数であることが示されている。
しかしながら、本発明者の知る限りにおいて、学術文献にはＹｂ−Ｃｕ−Ｇａ、Ｙｂ−Ｐｄ−Ａｌ、およびＹｂ−Ｐｄ−Ｇａの三元系化合物における熱膨張率の産業的用途に関する検討はなされていない。

S.K. Malik et al., Japanese Journal of Applied Physics 26 (1987) Suppl.26-3, 553. G. Cordier et al., Journal of Alloys and Compounds 201 (1993) 197. D.T. Adroja et al., Physical Review B 42 (1990) 2700-2703.

上述したように、これまでのゼロ熱膨張率材料もしくは負の熱膨張率材料は、セラミックスやガラスなどの絶縁体が多いため、金属と比較すると加工性が良くなかった。また金属のゼロ熱膨張率材料もしくは負の熱膨張率材料は、磁性を示すことが多いため、磁力線の影響を避ける分野には、適用が困難であった。
本発明は、上述した課題を解決したもので、磁性を示さない金属材料であってゼロ熱膨張率または／および負の熱膨張率を有する低熱膨張率合金を提供することを目的とする。

本発明はＹｂを含む新規な低熱膨張率合金を提供するものである。すなわち、斜方晶ＫＨｇ_２型またはＣｅＣｕ_２型の結晶構造で、ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ（０≦ｙ≦０．５）の化学組成で表されるＹｂを含む低熱膨張率合金である。この合金は、０Ｋから３００Ｋの範囲で、熱膨張率がほぼゼロとなっている。そこで、この熱膨張率がほぼゼロや負となっている温度範囲で使用することで、非磁性のゼロ熱膨張率または／および負の熱膨張率を有する低熱膨張率合金として使用できる。

また、本発明の低熱膨張率合金は、斜方晶ＴｉＮｉＳｉ型構造で、ＹｂＰｄＡｌもしくはＹｂＰｄＧａの化学式で表される低熱膨張率合金である。

本発明のＹｂを含む低熱膨張率合金は、斜方晶ＫＨｇ_２型またはＣｅＣｕ_２型の結晶構造で、ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ（０≦ｙ≦０．５）の化学組成で表されるＹｂを含む低熱膨張率合金と、斜方晶ＴｉＮｉＳｉ型構造で、ＹｂＰｄＡｌもしくはＹｂＰｄＧａの化学式で表される低熱膨張率合金とからなるものである。これらの配合割合は任意の範囲で良く、ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ（０≦ｙ≦０．５）、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａを任意の割合で含むものでよい。

本発明の装置は、上記の低熱膨張率合金で構成された装置である。当該装置には理科学機器や理科学計器、電子顕微鏡のような測定装置が含まれる。
本発明の低熱膨張率合金の使用する方法は、前記低熱膨張率合金が０．５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を示す温度範囲で使用することである。

本発明のＹｂを含む低熱膨張率合金によれば、非磁性のゼロ熱膨張率または／および負の熱膨張率を有する低熱膨張率合金が得られる。そこで、当該低熱膨張率の温度範囲では周囲温度が変動しても、低熱膨張率合金に伸縮が生じないため、この低熱膨張率合金を使用した装置では熱応力が生じることがなく、精密な測定が可能になると利点もある。

ＫＨｇ_２型もしくはＣｅＣｕ_２型結晶構造を示す図で、（Ａ）はａ軸方向から見た場合、（Ｂ）はｂ軸方向から見た場合を示している。 ＴｉＮｉＳｉ型結晶構造を示す図で、（Ａ）はａ軸方向から見た場合、（Ｂ）はｂ軸方向から見た場合を示している。 各化合物（ＹｂＣｕＧａ、ＹｂＣｕ_１．５Ｇａ_０．５、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａ）の粉末Ｘ線回折パターンとそのフィッティング結果を示している。 各化合物（ＹｂＣｕＧａ、ＹｂＣｕ_１．５Ｇａ_０．５、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａ）の結晶ユニットセル体積の温度変化を説明する図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙは、結晶構造からもわかるようにＣｕとＧａの化学組成に幅が存在する。本発明ではｙ＝０とｙ＝０．５の２種類の化合物のデータを示しているが、これらの両方とも図１で示した同じ結晶構造（斜方晶ＫＨｇ_２またはＣｅＣｕ_２型）であり、これらの両方でゼロ熱膨張もしくは負の熱膨張を示した。従って、同じ結晶構造をとり、なおかつｙの範囲が０と０．５の間の化合物についても、同様の特性が期待できることは明らかである。
なお、ＫＨｇ_２型結晶構造については、Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔ．（１９５５）、８、７０５に記載がある。

また、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａも、結晶構造が斜方晶ＴｉＮｉＳｉ型で、ゼロ熱膨張もしくは負の熱膨張を示している。従ってＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａの混合物に対しても、同様の特性が期待できる。 なお、ＴｉＮｉＳｉ型結晶構造については、Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔ．（１９６５）、１８、９００に記載がある。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下の例によって本発明が限定されることはない。

＜実施例＞
例として、ＹｂＣｕＧａ、ＹｂＣｕ_１．５Ｇａ_０．５、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａの４種類の化合物における実験例を示す。
材料の作成は、各金属原料を、ニオブ管の中で１０００℃で直接反応させたのち、６００℃で均質化を数日かけて行い、作成した。粉末Ｘ線回折により、各物質の結晶構造および格子定数を決定し、これらの温度変化から、体積の熱膨張を算出した。

ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ（０≦ｙ≦０．５）は結晶構造が斜方晶ＫＨｇ_２型（ＣｅＣｕ_２型と表現されることもある）で、空間群Ｉｍｍａであり、これを図１に示した。この構造においては、ＣｕとＧａの位置が同一で、ランダムに占有されるため、ＣｕとＧａの化学組成に固溶域が存在する。

一方、ＹｂＰｄＡｌとＹｂＰｄＧａは、結晶構造が斜方晶ＴｉＮｉＳｉ型、空間群Ｐｎｍａであり、これを図２に示した。この構造では、ＰｄとＡｌ(Ｇａ)の位置は分かれている。そのため、化学組成の幅はあまり大きくないと考えられる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）は、各化合物（ＹｂＣｕＧａ、ＹｂＣｕ_１．５Ｇａ_０．５、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａ）の粉末Ｘ線回折パターンとそのフィッティング結果を示している。粉末Ｘ線回折パターンでは、横軸に回折角度２θ［°］、縦軸に回折Ｘ線強度［ｃｐｓ］を示している。

図４は、粉末Ｘ線回折結果から得られた、結晶格子の体積の温度変化の結果で、（Ａ）はＹｂＣｕＧａ、（Ｂ）はＹｂＣｕ_１．５Ｇａ_０．５、（Ｃ）はＹｂＰｄＡｌ、（Ａ）はＹｂＣｕＧａを示している。図４（Ａ）に示すように、ＹｂＣｕＧａでは、２００Ｋから３００Ｋの範囲で、熱膨張がほぼゼロとなっている。図４（Ｂ）に示したＹｂＣｕ_１．５Ｇａ_０．５では、２００Ｋ以下の低温で、熱膨張がほぼゼロとなっている。

図４（Ｃ）に示したＹｂＰｄＡｌでは、１５０Ｋ付近で熱膨張がゼロとなり、それより低温では、冷却とともに体積が膨張するという負の熱膨張が起こっていることがわかる。図４（Ｄ）に示したＹｂＰｄＧａでは、３００Ｋから２００Ｋの範囲で熱膨張がほぼゼロとなり、２００Ｋから１００Ｋでは以下で若干、負の熱膨張が起こっている。

これらの負の熱膨張またはゼロ熱膨張の起源は、Ｙｂの価数の変化であると考えられる。ＹｂＣｕＧａ、ＹｂＰｄＡｌ、ＹｂＰｄＧａでは、磁化率が学術論文に報告されており、磁化率は２００Ｋ付近で極大を示すことが報告されている。これらはＹｂの価数が２価と３価の中間的な価数で温度変化するときによく見られる振る舞いだからである。

本発明の特定の実施形態を例示および説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々なその他の変形および変更が可能であることは、当業者に明らかである。したがって、本発明の範囲内にあるそのようなすべての変形および変更を添付の特許請求の範囲で扱うものとする。

本発明の低熱膨張率合金によれば、非磁性でありながら負の熱膨張や室温付近でゼロ熱膨張を示すので、理科学機器や理科学計器、電子顕微鏡のような測定装置の構造用材料として好適である。

Claims (5)

1. 斜方晶ＫＨｇ_２型またはＣｅＣｕ_２型の結晶構造で、ＹｂＣｕ_１＋ｙＧａ_１−ｙ（０≦ｙ≦０．５）の化学組成で表される低熱膨張率合金。
2. 斜方晶ＴｉＮｉＳｉ型構造で、ＹｂＰｄＡｌもしくはＹｂＰｄＧａの化学式で表される低熱膨張率合金。
3. 請求項１に記載の低熱膨張率合金と、請求項２に記載の低熱膨張率合金とからなる低熱膨張率合金。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の低熱膨張率合金で構成された装置。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の低熱膨張率合金で構成された装置を、前記低熱膨張率合金が０．５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を示す温度範囲で使用する方法。