JP4080133B2 - 高密度非磁性合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非磁性特性と高密度との新規な組み合わせを有するタングステン／ステンレス鋼の重合金に関し、特にその合金を複雑な形状の物品として形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タングステンを基礎とする合金（重合金と呼ばれる）は、運動エネルギ貫通弾(penetrator)やハードディスク駆動平衡重りや核放射及び医学放射シールドや高電圧電気接点及び電極の如き応用において普通に使用されている。これらの材料は他の金属合金では普通見られない１つの極めて重要で望ましい特質即ち高密度を有する。
【０００３】
運動エネルギ貫通弾については、一般に、材料の密度が高いほど、所望の貫通も大きくなる。ハードディスク駆動平衡重りについては、目的はディスク駆子が占める容積を最小にするための出来る限り小さな空間に最大可能な重量を集中させることである。核放射及び医学放射シールドについては、密度が高くなれば、Ｘ線及びガンマ放射線を一層多く吸収できる。高電圧電気接点及び電極については、タングステンの高い溶融温度及びアーク腐食抵抗が使用寿命を伸ばす。従って、種々の形状のタングステン重合金は多くの重要な応用において経済的に使用できる。しかし、金、レニウム、白金、イリジウム及びウラニウムの如き大半の高密度材料（１６又は１７ｇ／ｃｃ以上の密度）は極めて高価か又は処理が極端に困難である。
【０００４】
いくつかのタングステン重合金化合物は従来から知られている。タングステン／ニッケル／鉄の伝統的な従来の合金（例えば、「タングステンニッケル鉄合金」なる名称の米国特許第５，１４５，５１２号明細書参照）は、その高密度、高強度及び高展性というユニークな特性のため、商業的及び防御的な応用に幅広く使用されている。別の典型的な合金は銅/タングステン合金であり、低電気抵抗及び高アーク腐食抵抗の特殊な組み合わせ特性のため、電気的な応用に普通に使用されている（例えば、「銅／タングステン合金及びその製造方法」なる名称の米国特許第５，８８９，２２０号明細書及び「改善された銅／タングステン化合物を作る方法」なる名称の米国特許第５，６８６，６７６号明細書参照）。
【０００５】
これらの合金はその能力によってユニークな特性を提供するが、これら合金は磁性であるか又は低電気抵抗を有する。これらの特性は、磁性特性及び（又は）低電気抵抗が望ましくない分野における応用（例えば、ディスク駆動アクチュエータアーム）を制限してしまう。
【０００６】
主要成分がタングステンであり、いくらかの鉄及び可能なクロムをも含む合金について先行技術調査を行った。本発明により教示されるような組成に類似する組成を記載した文献は見当たらなかった。最も近いものは米国特許第５，８２１，４４１号であり、これは、約８０ないし９７重量％のタングステンを有し、残りがニッケル、コバルト、銅及びオプションとしての鉄（５％までの組成）である合金を開示している。この合金はまた焼結により準備され、その主たる特徴は高レベルの腐食抵抗である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、種々の用途に使用できる安価な高密度合金を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、単位透磁率を有する高密度合金を提供することである。本発明の更に別の目的は、非磁性タングステン重合金を製造する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、普通の粉末冶金に基礎を置き、金属射出成形方法を経済的に適用するのに適した合金製造方法を提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、重量及び寸法の幾何学性及び一貫性に融通性を持った大量生産に適した合金製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、（少なくとも７５重量％の量で存在する）タングステンをオーステナイトステンレス鋼と混合することにより達成される。好ましい組成は約９５重量％のタングステン及び５重量％のオーステナイトステンレス鋼であって、焼結温度は０．０１Ｔｏｒｒ以下の真空下で１４５０ないし１５００℃であり、焼結時間は約６０分である。
【００１２】
タングステン重合金を製造する方法は、本質的に、少なくとも７５重量％の量のタングステンを含み、残りが必要な密度及び強度にとって十分な量のオーステナイトステンレス鋼であるようなフィードストックとなるように、元素粉末を混合する工程を有する。
【００１３】
この方法は、釣り合い重りの如きコンパクティングされた物品の形にフィードストックを成形する工程と、次いで、真空下又は水素雰囲気内で焼結を行う工程とを含む。本発明のタングステンを基礎とする重合金の技術的な利点は合金のための原材料を容易に入手できることである。オーステナイトステンレス鋼及びタングステン粉末は世界中の粉末製造者から容易に購買できる。
【００１４】
本発明のタングステン重合金は、重量及び寸法の優れた制御の下に、多くの複雑な形状として、大量に経済的に容易に製造できる。
【００１５】
本発明の別の技術的な利点は、重合金が非磁性なことである。その結果、合金が磁場内にあっても磁気吸引力を何ら受けない。従って、ディスク駆動アクチュエータアーム及び電気モータにおける高密度釣り合い重りとして使用できる可能性がある。更に、同等のタングステン組成のタングステン／銅合金よりも一層大きな電気抵抗を有し、感度の小さい電気的な応用にとって有用になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のタングステン重合金の好ましい組成（重量％）は、タングステンが９５％で（すべての型式の）オーステナイトステンレス鋼が５％であるが、タングステンの組成が７５ないし９８％である場合は、良好な結果を得ることができる。これらの合金の特徴は高密度であり、単位透磁率を有し、比較的大きな電気抵抗を有することである。
【００１７】
タングステン及びオーステナイトステンレス鋼の粉末はガス微粒化又は水微粒化の如き普通の技術により形成されるが、これらの技術に限定されるものではない。出来上がった金属粉末の一般的な粒子寸法は典型的には粉末冶金及び粉末射出成形に使用される粒子寸法（例えば、５０ミクロン又はそれ以下）である。しかし、粉末冶金及び粉末射出成形分野の当業者にとって認識できるように、特定の金属粉末寸法の選択は重要である。粉末寸法分布を含む金属粉末寸法は得られた最終製品の特性に決定的な効果を与える。それ故、本発明に使用される金属粉末寸法及び粉末寸法分布は、製造された合金に最大の密度及び他の所望の特性を与えるように選択した。好ましくは、タングステンの粉末は約０．８ないし１．８ミクロンの平均粒子寸法を有するべきであり、ステンレス鋼の粉末は約１０ないし２５ミクロンの平均粒子寸法を有するべきである。
【００１８】
タングステン及びステンレス鋼の粉末はこのような粒子寸法範囲で商業的に入手できる。これらの粉末はまた一層大なる粒子寸法範囲で商業的に入手できる。次いで、（本発明により教示されたような）上述の組成を有する金属粉末は（バインダーとして知られる）可塑剤と混合されてフィードストック(feedstock) を形成し、このフィードストックは重量プレスによりコンパクティング加工でき、または普通の射出成形機により射出成形できる。当業者にとって周知のように、有機ポリマーバインダーは、典型的には、物品を一緒に保持する目的で、モールド成形物品内に含まれる（ただし、焼結前に除去される）。同様に、有機ポリマーバインダーは同じ目的で本発明に使用される物品内に含まれる。
【００１９】
本質的には、バインダーとして機能し、金属物品の特性に対して有害となる望ましくない残留物を残さずに高い温度で分解する任意の有機材料を、本発明に使用することができる。好ましい材料はステアリン酸、微粉ワックス(micropulvar wax) 、パラフィンワックス及びポリエチレンの如き種々の有機ポリマーを含む。
【００２０】
次いで、上述のフィードストックをコンパクティング加工又は射出成形する。例えば、生の物品を形成するために、普通の射出成形機を使用して、金属粉末を射出成形することができる。生の物品の寸法は、焼結工程中の物品の収縮を考慮した後の所望の最終製品の寸法に依存する。生の物品を形成するために、重量液圧又は機械プレスを用いて、ダイス内で金属粉末をプレス加工することができる。
【００２１】
フィードストックを所望の形状（幾何学的に複雑なものとすることができる）にコンパクティング加工又は射出成形した後、溶剤抽出、加熱、触媒作用又はウィッキング(wicking) の如き金属射出成形産業で利用されるいくつかの周知のバインダー除去技術により、バインダーを除去するが、これらの技術にのみ限定されない。
【００２２】
バインダーを除去したモールド成形又は形成部品は次いで、いくつかの炉型の任意の１つを用いて焼結工程において密度増大される。好ましい焼結工程は（有効で経済的な）バッチ真空炉内で実行されるが、連続大気又はバッチ大気（これらに限定されない）の如き他の技術を使用することもできる。
【００２３】
焼結工程中に使用する支持板の選択は重要である。炉内での物品のための支持板として、アルミナ又は焼結条件の下で分解又は反応しない同様の材料を使用しなければならない。この形式の適当な板を使用しなかった場合は、金属合金の汚染が生じることがある。例えば、グラファイト板は、本発明のタングステン重合金のステンレス鋼成分と反応するので、使用できない。
【００２４】
焼結は、生の物品を焼結製品（即ち、バルク値の少なくとも９８％（好ましくは少なくとも９９％）の密度を有する製品）に変換させるのに十分な高さの温度で、十分な時間だけ実行される。
【００２５】
タングステン／ステンレス鋼合金を製造するのに適した焼結工程では、焼結ひずみ、ひび割れ及び不均一収縮の如き普通の欠点の防止に特殊な注意を払う必要がある。焼結は真空下又は水素雰囲気内で実行することができるが、０．０２Ｔｏｒｒ以下の真空下で行うのが好ましい。温度は、毎時２５０℃ないし毎時４５０℃の傾斜率で、室温（常温）から焼結温度まで徐々に傾斜上昇する。典型的には、温度は３０ないし９０分にわたって１４００ないし１５５０℃とする。焼結温度での０．０１Ｔｏｒｒ以下の良好な真空は炉内で優れた温度均一性を提供し、これが、一定のバッチ内で物品のほぼ均一で一様な収縮を生じさせる。
【００２６】
焼結中の状態は注意深く制御しなければならない。温度傾斜率が急激過ぎて焼結温度及び時間が不十分だと、密度、強度、不均一収縮、脆さ等に関する不良特性を有するタングステン重合金の製品となってしまう。
【００２７】
タングステン／ステンレス鋼合金を有効かつ経済的に製造するのに特に有効であると判明した焼結プロフィールの例は、０．０１Ｔｏｒｒ以下の真空下で室温から６００℃まで、毎時３００℃の温度変化率で、生の物品を加熱し、次いで、約０．５ないし１時間だけ生の物品をその温度に維持する工程を含む。次いで、温度が１，４００ないし１，５５０℃の焼結温度に達するまで、傾斜率即ち温度変化率を毎時４００℃へ増大させ、３０ないし９０分だけその温度を保持する。次いで、８００℃に減少するまで温度を徐々に下げ、その温度で、炉の冷却ファンを使用してアルゴン又は窒素の如き不活性ガスにより物品を急激に冷却する。
【００２８】
焼結されたタングステン重合金の物理的な寸法及び重量はどのバッチでも一定である。同じバッチ内の寸法及び重量の変化は最小となる。寸法及び重量の厳密な公差を達成でき、従って高価で困難となることがある二次的な機械加工の必要性を排除する。
【００２９】
焼結工程が完了した後、本発明のタングステン重合金は焼結炉から取り出し、そのまま使用することができる。代わりに、タングステン重合金に対して、焼結表面を清掃するためのガラスビード処理及び（又は）鋭利な縁部を円滑化しバリを取り除くためのタンブリングの如き周知の普通の二次的な処理を施すことができる。
【００３０】
本発明において製造されたタングステン重合金は従来のタングステン／ニッケル／鉄合金と同じ方法で種々異なる産業応用において使用できる。磁気特性及び良好な導電性が望ましくないか又は必要でないような応用（例えば、ディスク駆動アクチュエータアームの釣り合い重り）に対して、本発明のタングステン重合金は有効に使用できるが、このような応用に限定されるものではない。
【００３１】
タングステン重合金の表面は腐食抵抗を向上させるように補助的な金属コーティングで保護することができる。これは、例えば無電界ニッケルメッキ及び（又は）電気メッキの如き普通のメッキ技術を使用してニッケルでメッキすることにより、容易に達成できる。無電界ニッケルメッキは緻密で均一のコーティングを生じさせるので好ましい。タングステン重合金の表面の活性化は低コスト処理であるニッケルストライクにより行うことができ、従ってこれが好ましい。無電界ニッケルは種々のリン物質と一緒に利用できる。中間リン（約７％Ｐ）はタングステン／ステンレス鋼合金に典型的に使用される。コストと性能との最高のバランスを提供するからである。
【００３２】
必要なら、本発明のタングステン重合金は、腐食に対する保護のみならず他の金属表面への接着を容易にするために、エポキシでコーティングすることができる。
【００３３】
本発明の高密度の焼結タングステン／ステンレス鋼合金は複雑な形状及び輪郭の物品として大量に容易かつ迅速に製造できる。１つのバッチ内の部品間の重量及び物理的な寸法の変化は極めて小さく、これは後焼結機械加工及び他の機械的な作業を全体的に排除できることを意味する。
【００３４】
上述の製造方法を要約したものが図１のフローチャートである。
例
二重Ｖ型混ぜ合わせ機械において、１．８ミクロンの平均粒子寸法を有する２２，５５７ｇ（グラム）のタングステン粉末と、１５ミクロンの平均粒子寸法を有する８５２グラムのステンレス鋼粉末（等級３１６Ｌ、アルゴン内で微粒化）と、８０グラムのステアリン酸とを４時間混ぜ合わせた。均質の混合物を得た後、混合物を混合機械へ移した。混合機械は二重遊星ミキサーであり、二重壁ボウル（鉢）内の循環オイルを使用してそのボウルを１５０℃に加熱した。次いで、よく混ぜ合わさった粉末混合物を、３９８グラムの微粉ワックスと、３１８グラムの半精錬パラフィンワックスと、７９５グラムのポリエチレンアラソン(alathon) とで構成された有機バインダーと一緒にボウル内に置いた。
【００３５】
均質な粉末／バインダー混合物を形成するために粉末と有機バインダーとの混合物を４．５時間処理し、最後の１時間は真空下とした。次いで、粉末／バインダー混合物を混合ボウルから取り出し、大気空気中で冷却した。室温で冷却され固化した後、混合物を粒状にし、粒状フィードストックを形成した。粒状フィードストックの密度をヘリウムガス比重瓶により測定し、バルク値と同一であることが分かった。
【００３６】
矩形ブロック用のモールドを射出成形機に取り付けた。焼結されるブロックは１４．０×３．０×３．０ｍｍの全体寸法を有する。２０．５％の予期される線焼結収縮に基づき、モールドはその全体寸法を矩形ブロックよりも２０．５％大きくする。射出成形用合成物を１９０℃の合成温度で溶融し、１００℃でモールド内へ射出した。約２０秒の冷却時間の後、生の部品をモールドから取り出した。
【００３７】
窒素雰囲気内において６００℃での１０時間の期間にわたって、金属粉末を含む生の部品からすべてのバインダーを無くした。バインダーの無い金属粉末を含む生の矩形ブロックをアルミニウム支持板上に配置し、高温焼結炉内において０．０１Ｔｏｒｒ以下の真空下で毎時３５０℃の割合で１，４５０℃まで加熱した。焼結時間は１，４５０℃で６０分とし、次いで、焼結炉を冷却した。これにより、精確に正しい寸法を有する矩形ブロックを得た。
【００３８】
重量及び厚さを測定するために１２５個の矩形ブロックのサンプルを作り、分布を示すヒストグラムをプロットした。図２に示すように、結果は、３．０００ｍｍの指定された厚さについて、実際の厚さ範囲が２．９８５ｍｍから３．０１５ｍｍであり、平均厚さが３．００５２ｍｍであることを示す。標準偏差は０．００２３であり、３シグマ値は０．００６９であった。重量の３シグマ分布でのＣｐは４．２であり、厚さ寸法のＣｐは２．１６である。従って、真空焼結処理は重量及び寸法についての優れた処理制御でタングステン／ステンレス合金を製造した。
【００３９】
０．５％の線形公差が厚さ寸法に適用された場合、厚さの仕様は３．００±０．０１５ｍｍとなる。図２のヒストグラムから分かるように、Ｃｐｋは１．４１となる。焼結部品の密度は１８．３９ｇ／ｃｍ³ として測定され、これは１８．５のバルク密度値に極めて近い。
【００４０】
合金の透磁率を振動サンプル磁気計（ＶＳＭ）で測定した。結果は１の値であった。これは本発明の合金が全体的に非磁性であることを意味する。
【００４１】
以上、好ましい実施の形態につき本発明を特に示し、説明したが、当業者なら、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変更が可能であることを認識できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を要約したフローチャートである。
【図２】特定の厚さ範囲内にあるバッチ内でのサンプルの数を示すヒストグラムである。

Claims (16)

1. 高密度非磁性合金を製造する方法において、
   第１の粒子寸法を有するタングステンの粉末を提供する工程と；
   第２の粒子寸法を有するオーステナイトステンレス鋼の粉末を提供する工程と；
   ７５ないし９８％のタングステン及び２ないし２５％のステンレス鋼の重量比で、バインダーを用いてこれらの粉末を混合して、フィードストックを形成する工程と；
   上記フィードストックを圧縮し、次いでバインダーを除去する工程と；
   粉末混合物を炉内に配置し、上記粉末混合物が合金のバルク値の少なくとも９８％の密度を有する無孔中実体となるように１，４００ないし１，５５０℃で０．５ないし１．５時間、当該粉末混合物を焼結する工程と；
   を有することを特徴とする方法。
2. 上記第１の粒子寸法が０．６ないし１０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記第２の粒子寸法が５ないし４０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 合金が１６ないし１９ｇ／ｃｃの密度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 物品の形をした高密度非磁性合金を製造する方法において、
   第１の粒子寸法を有するタングステンの粉末を提供する工程と；
   第２の粒子寸法を有するオーステナイトステンレス鋼の粉末を提供する工程と；
   ７５ないし９８％のタングステンと２ないし２５％のステンレス鋼との重量比を有する均一粉末混合物を得るように粉末を混ぜ合わせる工程と；
   フィードストックを形成するように上記混ぜ合わせた粉末をバインダーと一緒に混合する工程と；
   生の物品を形成するようにフィードストックをモールド内で圧縮する工程と；
   次いで、バインダーを除去する工程と；
   次いで、炉内で支持板上に生の物品を配置し、当該生の物品が合金のバルク値の少なくとも９８％の密度を有する物品となるように、同生の物品を焼結する工程と；
   焼結後、物品のすべての表面を清掃し、円滑化する工程と；
   次いで、上記表面を保護する工程と；
   を有し、
   上記生の物品を焼結する工程が、
   ０．０１Ｔｏｒｒ以下の真空下で室温から５００ないし７００℃の第１温度まで、毎時１００ないし３００℃の温度変化率で、生の物品を加熱する工程と；
   ０．５ないし１時間だけ生の物品を上記第１温度に維持する工程と；
   次いで、１，４００ないし１，５５０℃の第２温度に達するまで、毎時３００ないし５００℃の温度変化率で、上記第１温度から加熱する工程と；
   次いで、３０ないし９０分だけ、上記第２温度を不動に保持する工程と；
   次いで、６００ないし１，０００℃に減少するまで温度を徐々に低下させる工程と；
   次いで、不活性ガスを使用して物品を迅速に冷却する工程と；
   を有することを特徴とする方法。
6. 上記バインダーがステアリン酸、微粉ワックス、パラフィンワックス及びポリエチレンからなるグループから選択された有機ポリマーであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 上記物品のすべての表面を清掃し、円滑化する工程が更に、タンブリング又はガラスビード処理を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 上記表面を保護する工程が更に、エポキシでのコーティング又はニッケルでのコーティングを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 上記ニッケルでのコーティングの工程が更に、ニッケルストライクの適用又は無電界メッキ又は電気メッキを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 上記バインダーが溶剤抽出により除去されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
11. 上記バインダーが加熱により又は触媒作用により又はウィッキングにより除去されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
12. 上記支持板がアルミナでできていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
13. 上記焼結された物品が、運動エネルギ貫通弾、ハードディスク駆動平衡重り、核放射シールド、医学放射シールド、高電圧電気接点及び高電圧電極からなるグループから選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
14. 請求項１の方法により製造される合金において、
    ７５ないし９８重量％のタングステンと、２ないし２５重量％のオーステナイトステンレス鋼とを含み、
    １６ないし１９ｇ／ｃｃの密度を有し、
    非磁性である、
    ことを特徴とする合金。
15. 上記合金が運動エネルギ貫通弾、ハードディスク駆動平衡重り、核放射シールド、医学放射シールド、高電圧電気接点及び高電圧電極からなるグループから選択された物品の形をしていることを特徴とする請求項１４に記載の合金。
16. 上記合金が粉末からの焼結法により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の合金。

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