JP2818860B2 - アルミナイド金属間化合物の低温成形合成法 - Google Patents

アルミナイド金属間化合物の低温成形合成法

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JP2818860B2
JP2818860B2 JP7297374A JP29737495A JP2818860B2 JP 2818860 B2 JP2818860 B2 JP 2818860B2 JP 7297374 A JP7297374 A JP 7297374A JP 29737495 A JP29737495 A JP 29737495A JP 2818860 B2 JP2818860 B2 JP 2818860B2
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慶三 小林
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナイド金属
間化合物の低温合成方法に関する。さらに詳しくは、乾
式機械的合金化処理されたアルミナイド金属間化合物の
低温合成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミナイド金属間化合物(代表的な材
料としては、Ti−Al,Nb−Al,Fe−Al,C
o−Alなど)は一般に融点が高く、活性な金属成分を
多く含むため、溶解により合成あるいは成形することは
難しい。
【0003】これまで、アルミナイド金属間化合物は機
械的合金化法により所定の金属間化合物組成の粉末を合
成して燒結したり、自己燃焼プロセス(一般的にはSH
S法と呼ばれる)により微粉末や箔状試料から合成され
てきた。しかし、機械的合金化法で金属間化合物を合成
して燒結すると粉末が安定しているため高温が必要であ
るうえ焼結性が悪く、自己燃焼法では複雑形状に対応で
きないという問題があった。
【0004】また、自己燃焼プロセスでは金属間化合物
の合成により発生する熱量が制御できないため、型材と
の反応が生じたり、熱膨張による材料割れが生じたりす
る問題もあった。さらに、セラミックス粉末や金属間化
合物粉末や金属粉末と複合化しようとすると、熱のため
反応生成物が生じるという問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来方法で
ある溶解法におけるアルミナイド金属間化合物の高い反
応性、自己燃焼反応における反応の制御ができない点お
よび複雑形状に対応できない点、金属間化合物組成の機
械的合金化粉末の焼結における焼結性の悪さという欠点
を克服し、アルミナイド金属間化合物を、低温で合成を
行い、しかも製品形状に成形しうる、工業的に実施する
のに有利なアルミナイド金属間化合物の低温成形合成方
法を提供するためになされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題点を解決するため鋭意研究した結果、乾式機械的合金
化法により化学量論組成よりアルミニウム含有量の少な
いアルミナイド金属間化合物を合成し、さらに化学量論
組成になるようアルミニウムを混合して加熱することに
より、低温で金属間化合物相の合成と成形ができること
を見い出し、本発明を完成した。本発明は、乾式機械的
合金化法により作製した化学量論組成よりアルミニウム
含有量の少ない非平衡粉末にアルミニウムを添加して混
、好ましくは湿式で混合して化学量論組成とし、アル
ミニウムが軟化する温度以上、好ましくはアルミニウム
の融点近傍温度で成形したのち、さらに加熱して平衡相
を合成することによりアルミナイド金属間化合物作製
すること、および、機械的合金化法で得られたアルミニ
ウムの少ない非平衡粉末にアルミニウムおよびセラミッ
クス粉末あるいは金属間化合物粉末あるいは金属粉末の
1つ以上を添加して混合、好ましくは湿式混合して化学
量論組成として低温で成形を行い、その後平衡相へ変換
することによりアルミナイド金属間化合物基複合材料を
作製すること、および、得られた材料を熱処理により平
衡相を安定化することからなっている。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明に用いる粉末は、乾式機械
的合金化法により作製した化学量論組成よりアルミニウ
ム量の少ない非平衡状態の粉末に化学量論組成になるよ
うアルミニウム粉末を混合することによって得られる。
【0008】乾式機械的合金化法にて得られる非平衡状
態の粉末は、アルミナイド金属間化合物の化学量論組成
よりアルミニウム含有量が少なければ、微細分散状態の
粉末であっても固溶体であっても、特に問題はない。ま
た、アルミニウム含有量も化学量論組成より少なければ
問題ないが、好ましくは1mass%から20mass%のアルミニ
ウム含有量が良い。
【0009】乾式機械的合金化法に供する出発原料の形
態も特に指定しないが、好ましくは100μm以下の金
属粉末が良い。
【0010】乾式機械的合金化には、焼き付き防止のた
めステアリン酸やパラフィンなどの潤滑材や炭素やボロ
ンおよびそれらの化合物を離型剤として添加してもかま
わない。
【0011】乾式機械的合金化に供する時間は配合材料
や機械的合金化条件によって左右されるが、好ましくは
10時間から200時間程度である。また、機械的合金
化に用いる容器やボールの材質は特に指定しないが、市
販品であるステンレス鋼、硬質鋼、超硬合金、セラミッ
クスなどが利用できる。機械的合金化の雰囲気は、不活
性ガス雰囲気,減圧雰囲気などが利用できる。
【0012】機械的合金化処理が終了した後、化学量論
組成となる量のアルミニウム粉末を添加して混合を行
う。混合は、粉末の酸化や合金化が進行しないよう乾式
機械的合金化容器をそのまま利用して湿式にて混合する
ことが望ましい。液体としては、アルコールやキシレ
ン、ヘキサンなどの揮発性の高い有機溶剤が好ましい
が、機械的合金化粉末と反応しなければ蒸留水などでも
良い。湿式混合には粉末の回収量を向上するため、新た
な鋼球を添加することが望ましく、より望ましくは乾式
機械的合金化法で用いた鋼球より小さな鋼球を添加する
方が良い。アルミニウム粉末は市販の粉末が利用可能で
あり、好ましくは100μm以下のものが良い。
【0013】得られた粉末は、不活性ガス雰囲気あるい
は減圧雰囲気中で有機溶剤を揮発し、乾燥した後、型に
充填する。型としては、粉末成形に用いられる金型で
も、鋳造に用いられる製品形状の空洞を有する砂型、セ
ラミックス型、金型なども利用できる。粉末成形用金型
で単純形状に成形した場合は、さらに鍛造用型で2次加
工を加えることができる。
【0014】鋳造用型に充填した粉末は、型とともにア
ルミニウムが溶解する温度(約660℃)まで加熱し、
加圧を行う。加圧は、空気や不活性ガスなどの気体を媒
体としても、機械的なプレスを利用しても問題ない。加
圧時間や保持温度は材料によって左右されるが、640
℃から670℃で5分から20分程度が好ましい。
【0015】さらに、型と粉末を加熱し、平衡相へ変換
するため自己燃焼反応を誘発する。加熱の雰囲気は不活
性ガス雰囲気や減圧雰囲気が好ましいが、大気中や真空
中でも材料によっては利用可能である。自己燃焼反応が
終了したのち、平衡相を安定化するために等温保持ある
いは加熱保持を行う。保持温度は、自己発熱反応が生じ
た温度より0℃から500℃程度上昇した温度が好まし
い。
【0016】また、粉末成形用型で成形した粉末は型か
ら取り出したのち、ホットプレスや鍛造装置などを用い
て、アルミニウムの溶解温度(約660℃)まで加熱し
たのち、目的の製品形状に加圧成形する。成形圧力は、
従来の鍛造やホットプレスより小さな圧力でよい。加圧
温度は材料によって左右されるが、640℃から670
℃が好ましい。
【0017】さらに、加熱することにより平衡相へ変換
する自己燃焼反応を誘発させる。加熱は、不活性ガス雰
囲気や減圧雰囲気でおこなうことが好ましいが、材料に
よっては大気中や真空中も利用できる。自己燃焼反応が
終了したのち、平衡相を安定化するため、さらに0℃か
ら500℃程度の加熱を行う。
【0018】室温まで冷却したのち、型をはずすことに
より、目的の製品形状が得られる。
【0019】以下実施例で本発明をさらに詳細に説明す
る。
【実施例】実施例1 Ti-5mass%Al組成のTi粉末(純度99%:ナカライ化学製)と
Al粉末(純度99.9%:和光純薬製)の混合粉末7gを種々の
時間、振動ボールミルによる機械的合金化処理を施し
た。得られた粉末に20mlのエチルアルコールとTi-34mas
s%Al組成になるようAl粉末を添加し、1時間の湿式混合
を行った。Ar雰囲気で24時間乾燥させた後、20m
mφ×15mmの円柱形状にプレス成形した。高純度ア
ルゴンガス気流(5 l/min)中で660℃まで加熱し、
30mmφの円柱形状に加圧成形した。さらに、100
0℃まで加熱した。なお、加熱装置には赤外線イメージ
炉を用いた。
【0020】平衡相への変換は、機械的合金化時間の増
加とともに低温側に変化した。1時間の機械的合金化処
理では760℃で、50時間の機械的合金化処理では7
10℃で生じた。
【0021】660℃で加圧成形した成形体は、いずれ
もTiAlの理論密度の85%から90%に達した。
【0022】1000℃まで加熱した試料は、平衡相で
あるTiAlを主成分としTi3AlおよびTiAl3などの金属間化
合物が含まれていた。結晶粒径は10μm以下であり、
硬度は650Hvであった。本プロセスで得られたTiAl
は、鋳造材料の60%程度の熱量で成形ができ、その結
晶粒径も鋳造材の10分の1以下であることが確認され
た。
【0023】実施例2 Nb-5mass%Al組成になるようNb粉末(純度99.9%:和光純
薬製)とAl粉末(純度99.9%:和光純薬製)を8g混合し、
100時間の機械的合金化処理を振動型ボールミルにて
行った。さらに、エチルアルコール20mlとAl粉末を添加
し、NbAl3組成になるようにして湿式混合を30分間行
った。得られたスラリーを減圧Ar雰囲気下で6時間乾
燥し、減圧Ar雰囲気中で10mmφの金型(ダイス鋼
製)内に充填した。金型を高純度アルゴンガス雰囲気の
赤外線イメージ炉に設置し、650℃から670℃に等
温保持しながら総荷重1トンにてプレス成形した。さら
に、加圧を停止し、1100℃まで加熱した。
【0024】100時間の機械的合金化処理を施したNb
-5mass%AlとAl液体は、900℃にて発熱反応を生じ
た。また、1100℃まで加熱して安定化した試料は、
平衡相であるNbAl3相のみで構成されていることがX線
回折により確認された。成形体の密度は、理論密度の8
0%であった。
【0025】実施例3 Nb-5mass%Al組成になるようNb粉末(純度99.9%:和光純
薬製)とAl粉末(純度99.9%:和光純薬製)を8g混合し、
100時間の機械的合金化処理を振動型ボールミルにて
行った。さらに、20mlのエチルアルコール、NbAl3組成
になる量のAl粉末および全体量の20mass%のWC粉末(平
均粒径1μm:スタルク製)を添加して湿式混合を30
分間行った。得られたスラリーを減圧Ar雰囲気下で6
時間乾燥し、減圧Ar雰囲気中で10mmφの金型(ダ
イス鋼製)内に充填した。金型を高純度アルゴンガス雰
囲気の赤外線イメージ炉に設置し、650℃から670
℃に等温保持しながら総荷重2トンにてプレス成形し
た。さらに、加圧を停止し、1000℃まで加熱した。
【0026】機械的合金化処理したNb-5mass%AlとAl液
体との反応は、900℃にて生じた。1000℃まで加
熱した試料は、平衡相であるNbAl3相とWC相から構成さ
れていることをX線回折により確認した。また、WCとNb
あるいはAlとの反応相は観察されなかった。成形体の密
度は、理論密度の70%から75%であった。
【発明の効果】
【0027】本発明のアルミナイド金属間化合物の低温
合成方法を用いて、鋳造法や粉末冶金法より少ない熱量
で金属間化合物相を得ることができる。本発明で得られ
た材料の結晶粒径は従来のプロセスより小さくなる。ま
た、機械的合金化法で作製する前駆体の合金組成や機械
的合金化処理時間を変化させることにより、従来制御が
不可能であった反応の開始温度を制御することができ
る。本発明を用いると、金属間化合物と溶融状態では反
応が生じるセラミックス粒子との複合化が可能であり、
金属間化合物基複合材料の作製ができる。これらの特徴
により、本プロセスでは金属間化合物の靭性を複合化に
より解決したり、成形温度が低いため従来の金型を用い
た低コスト成形が可能であり、成形後の結晶粒の微細化
もはかれる。これは、これまで成形の難しかった金属間
化合物の成形を容易にするとともに、材料特性の改善に
も大きく寄与することから、アルミナイド系金属間化合
物の用途拡大につながり、工業上有用な効果がもたらさ
れる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 1/04 B22F 1/00 - 3/26

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 乾式機械的合金化法により化学量論組成
    よりアルミニウム含有量の少ない非平衡粉末を作製した
    後、さらにアルミニウム粉末と混合して化学量論組成に
    した粉末をアルミニウムが軟化する温度以上で成形した
    のち、加熱して平衡相を合成する金属間化合物の作製方
    法。
  2. 【請求項2】 アルミニウム粉末と湿式混合して化学量
    論組成にした粉末をアルミニウムが軟化する温度以上
    成形したのち、加熱して平衡相を合成する請求項1に記
    載の金属間化合物の作製方法。
  3. 【請求項3】 乾式機械的合金化法により化学量論組成
    よりアルミニウム含有量の少ない非平衡粉末を作製した
    後、さらに金属間化合物組成に足りないアルミニウム粉
    末と、セラミックス粉末あるいは金属間化合物粉末ある
    いは金属粉末の1つ以上粉末を添加して混合した粉末を
    アルミニウムが軟化する温度以上で成形したのち、加熱
    して平衡相を合成する金属間化合物基複合材料の作製方
    法。
  4. 【請求項4】 金属間化合物組成に足りないアルミニウ
    ム粉末と、セラミックス粉末あるいは金属間化合物粉末
    あるいは金属粉末の1つ以上粉末を添加して湿式混合し
    た粉末をアルミニウムが軟化する温度以上で成形したの
    ち、加熱して平衡相を合成する請求項3に記載の金属間
    化合物基複合材料の作製方法。
  5. 【請求項5】 請求項1から請求項4のいずれか1項に
    記載の材料を熱処理することにより、結晶粒の成長や不
    純物の粒界移動により平衡相を安定化させた材料。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008138258A (ja) * 2006-12-01 2008-06-19 National Institute Of Advanced Industrial & Technology アルミニウム液体を利用した硬質材料の作製方法及びその成形体

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008138258A (ja) * 2006-12-01 2008-06-19 National Institute Of Advanced Industrial & Technology アルミニウム液体を利用した硬質材料の作製方法及びその成形体

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